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CN111033006A - 文丘里型喷射器锥体 - Google Patents

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CN111033006A
CN111033006A CN201780094325.2A CN201780094325A CN111033006A CN 111033006 A CN111033006 A CN 111033006A CN 201780094325 A CN201780094325 A CN 201780094325A CN 111033006 A CN111033006 A CN 111033006A
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A·N·塔克
T·科扎基维茨
S·S·夸德里
J·普莱里
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Faurecia Emissions Control Technologies USA LLC
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Abstract

一种车辆排气系统，包括具有锥体的喷射器组件，该锥体定位成邻近喷射器安装部并且从上游入口端延伸到下游出口端。发动机废气和喷射的喷雾进入锥体的入口端，以在经由出口端离开锥体之前彼此混合。锥体具有位于入口端下游的收窄本体部分，以在混合期间加速流动。还公开了一种包括具有喷射器组件的混合器的车辆排气部件组件以及一种用于使用喷射器组件将流体喷射到排气部件中的方法。

Description

文丘里型喷射器锥体
发明背景
排气系统传导由发动机产生的热废气通过各种排气部件以减少排放并控制噪声。排气系统包括喷射系统，该喷射系统在选择性催化还原(SCR)催化器上游喷射柴油排气流体(DEF)、或诸如尿素和水的溶液之类的还原剂。混合器定位在SCR催化器上游，并且将发动机废气和尿素转化的产物混合。喷射系统包括将尿素喷(雾)到排气流中的定量加料器。在到达SCR催化器之前，尿素应尽可能多地转变为氨(NH3)。因此，液滴喷雾尺寸在实现该目标中起重要作用。
行业正朝着提供更紧凑的排气系统发展，这导致系统的体积减小。当被用在更紧凑的系统构造中时，喷出较大尺寸的液滴的系统可能不能够提供充足的尿素转化。因此，对于这些更紧凑的构造，需要更小的液滴尺寸的定量加料器。
由于增加的表面接触面积，因此液滴尺寸越小，转化成氨的效率就越高。然而，由小液滴的定量加料器产生的喷雾对再循环的流(流动)非常敏感。通常，位于定量加料器末端处的区域具有再循环的流的涡流。该涡流将喷雾液滴朝向喷射部位处的混合区域的壁推动，这沿着壁产生了沉积起始部位。随着时间的推移，沉积物积聚并会对系统运行产生不利的影响。例如，氨均匀性指数可能较低，跨混合器的压降可能增大，或者在主动柴油颗粒过滤器(DPF)再生期间存在更高的氨排放。
发明内容
在一个示例性实施例中，一种车辆排气系统包括具有锥体的喷射器组件，该锥体定位成邻近喷射器安装部相并且从上游入口端延伸到下游出口端。发动机废气和喷射的喷雾进入锥体的入口端，以在经由出口端离开锥体之前彼此混合。锥体具有位于入口端下游的收窄的本体部分，以在混合期间加速流动。
在另一个示例性实施例中，一种车辆排气部件组件，包括：混合器外壳体，混合器外壳体限定内部腔体；上游挡板，上游挡板定位在内部腔体内；以及下游挡板，下游挡板定位在内部腔体内并且在沿着混合器中心轴线的方向上与上游挡板轴向间隔开。该组件还包括：喷射器安装部，喷射器安装部相对于混合器外壳体保持固定；喷射器，喷射器安装到喷射器安装部并构造成将流体喷雾喷射到内部腔体中；以及如上所述的锥体。
在另一个示例性实施例中，一种用于将流体喷射到排气部件中的方法，包括以下步骤：提供喷射器以将流体喷雾喷射到排气部件中；将锥体定位成邻近喷射器，该锥体从入口端延伸到出口端，并且其中，发动机废气与来自喷射器的流体喷雾进入锥体的入口端，以在通过出口端离开锥体之前彼此混合；以及在入口端下游的位置处在锥体中形成收窄本体部分，以在混合期间加速流动。
在上述任何一个的另一个实施例中，收窄本体部分位于出口端处。
在上述任何一个的另一个实施例中，收窄本体部分位于入口端和出口端之间，使得锥体包括文丘里形状。
在上述任何一个的另一个实施例中，锥体包括本体，该本体具有从上游入口端延伸到下游出口端的锥体长度，其中，锥体由第一横截面面积和第二横截面面积限定，第一横截面面积在入口端处，第二横截面面积在从入口端下游沿着锥体长度的一位置处，并且其中，第二横截面面积小于第一横截面面积以限定收窄本体部分。
从以下说明书和附图将会最佳地理解本申请的这些和其它特征，以下是附图说明。
附图说明
图1示意性地示出了具有根据本发明的混合器的排气系统的一个示例。
图2是具有包括本发明的喷射组件的混合器的一个示例的上游端的立体图。
图3是图2所示的混合器的上游端的端视图。
图4是图2所示的混合器的下游端的端视图。
图5是图2所示的混合器的立体上游端视图。
图6是具有包括本发明的喷射组件的混合器的另一示例的分解图。
图7是图6所示的示例的喷射组件的分解图。
图8是具有喷射器锥体的混合器的下游端视图，该喷射器锥体可与图2和图6所示的混合器一起使用。
图9是图8所示的锥体的示意图；
图10是可与图2和图6所示的混合器一起使用的锥体的另一示例的示意图。
具体实施方式
图1示出了车辆排气系统10，该车辆排气系统10传导由发动机12产生的热废气通过各种排气部件，以如已知地那样减少排放并控制噪音。所述各种排气部件可包括以下部件中的一个或多个：管、过滤器、阀、催化器、消声器等。在穿过各种排气部件之后，发动机废气如已知的那样从系统10离开到大气。如已知的，车辆排气部件必须由能够承受高温和腐蚀性运行条件的材料制成。
在图1中所示的一个示例构造中，排气部件将发动机排气引导到具有入口16和出口18的柴油氧化催化器(DOC)14中。在DOC 14下游可存在柴油颗粒过滤器(DPF)22，如已知的，DPF 22用于从废气中去除污染物。DPF具有入口24和出口26。在DOC 14以及可选的DPF22下游的是具有入口30和出口32的选择性催化还原(SCR)催化器28。出口32将废气连通至下游排气部件34。可选地，部件28可包括催化器，该催化器构造成执行选择性催化还原功能和颗粒过滤器功能。各种下游排气部件34可包括以下部件中的一个或多个：管、附加的过滤器、阀、附加的催化器、消声器等。这些排气部件可以根据车辆应用场合和可用的封装空间以各种不同的构造和组合进行安装。
混合器36定位在SCR催化器28的入口30上游且在DOC 14的出口18或DPF 22的出口26下游。上游催化器和下游催化器可以布置成相对于彼此成一直线、平行或成角度(倾斜)。混合器36用于产生废气的涡旋或旋转运动。这将在以下更详细地讨论。
喷射系统38用于将诸如DEF或还原剂(举例来说，诸如尿素和水的溶液)的流体喷射到SCR催化器28上游的废气流中，使得混合器36可以将流体和废气完全混合在一起。喷射系统38包括流体供给部40、定量加料器或喷射器42和如已知的那样控制流体喷射的控制器44。
混合器36包括混合器本体，该混合器本体具有上游或入口端46以及下游或出口端48，入口端46构造成接纳发动机废气，出口端48用于将涡旋的发动机废气与从尿素转化而来的产物的混合物引导至SCR催化器22。可以在排气系统10中使用的混合器的示例可以在US 2012/0216513和共同待审的美国申请号12/57693、12/57886和12/57768中找到，它们也转让给本申请的受让人并且通过引用纳入本文。混合器的其它示例在2017年2月24日提交的PCT/US2017/019384和2017年5月31日提交的PCT/US2017/035130中找到，它们也已转让给本申请的受让人，在此通过引用纳入本文。
在图2至5中示出了混合器36的一个示例。在该示例中，混合器36限定了混合器中心轴线A并且具有入口端46，该入口端46构造成接纳来自DPF 22的出口26或DOC 14的出口18的发动机废气。混合器36具有出口端48以将涡旋的发动机废气以及从喷射的流体转化的产物的混合物引导至通到SCR催化器28的入口30。混合器36包括限定了内部腔体52的外壳体50(图5)，该内部腔体52提供了从入口端46到出口端48的发动机废气流动路径。
混合器36包括入口挡板60，该入口挡板60由外壳体50支承、邻近入口端46。在该示例中，入口挡板60包括一个或多个细长的勺部62、64，勺状部62、64用于将发动机废气引导到内部腔体52中以与由喷射器42喷射的喷雾混合。勺状部以有利的构造布置在入口挡板60上以控制内部腔体52内的废气流，以提高性能并使内壁表面上的沉积形成最少化。勺状部的数量可以变化；然而，勺状部的数量优选地不超过四个。在一个优选的构造中，入口挡板60包括仅两个勺状部。在另一个示例中，入口挡板60可不包括任何勺状部。该示例将在以下更详细地讨论。
在一个示例构造中，第一勺状部62和第二勺状部64是细长的，使得每个勺状部62、64的勺状部长度L大于勺状部宽度W。在一个示例中，入口挡板60包括平板58，该平板58具有上游表面和面向内部腔体52的下游表面，并且勺状部62、64包括形成在平板58中的凹部区域。每个勺状部62、64在一端处敞开以将废气引导到内部腔体52中。
混合器36还包括出口挡板70，喷雾和废气的混合物通过出口挡板70离开出口端48。在图4所示的示例中，出口挡板70包括平板，该平板包括主开口72和比主开口72小的多个副开口74，发动机废气和喷雾的混合物的大部分通过该主开口72离开内部腔体52。副开口74有助于减小背压，并且可以构造成具有呈各种组合的不同的形状、尺寸和/或图案。注意，尽管在公开的示例中示出了用于入口挡板60和出口挡板70的平板，但是应当理解，也可以使用波纹状或螺旋形板构造。然而，平板构造是优选的，因为它提供了改进的性能并且更易于制造。
在该示例中，入口挡板60还包括主开口66和多个副开口68。主开口66定位在入口挡板60的周边边缘处，并且周向地沿该边缘延伸期望的距离，以提供足够尺寸的开口以将期望的量的废气引导到内部腔体52中。主开口66定位在喷射器42附近，以将废气引向将喷雾喷射到混合器36的区域。这将在以下更详细地讨论。副开口68小于主开口66。副开口68可以构造成具有呈各种组合的不同的形状、尺寸和/或图案。
图5示出了包括锥体80的混合器36的示例，锥体80围绕由喷射器42喷射的喷雾。喷射器42限定了喷射轴线I(图4)，该喷射轴线I横向于混合器中心轴线A(图2)延伸。锥体80的基部端82定位成邻近壳体50的内表面、靠近喷射器42，使得在基部端82处形成环形间隙。废气沿横向于喷射轴线I的方向被引导通过环形间隙进入锥体80的基部端82。如上所述，入口挡板60的主开口66定位成邻近喷射器42。如图5所示，在一个示例中，主开口66定位成与锥体80重叠，使得废气在基部端82处被引向锥体80的入口区域。在一个示例中，主开口66具有形成在入口挡板60的外周边缘处的三角形或楔形形状。
图6至7示出了混合器36’的另一示例，混合器36’包括外壳或壳体50'、上游或入口挡板60’以及下游或出口挡板70’。外壳体50’限定了沿从上游端46’至下游端48’的方向延伸的混合器中心轴线A。上游挡板60’安装在外壳体50’的内部腔体52’内并且包括一个或多个主开口66’和比主开口66’小的多个副开口68’，热发动机废气的流的大部分通过主开口66’进入混合器36’。下游挡板70’安装在内部腔体52’内并且包括主开口72’和比主开口72’小的多个副开口74’，发动机废气和喷雾的混合物的大部分通过主开口72’离开内部腔体52’。副开口68’、74’如上所述地用于减小背压。
喷射系统38安装在开口56处，开口56形成在外壳体50’的外周表面中。在一个示例构造中，喷射系统38包括喷射器安装部90、喷射器锥体80’和外壳体94，喷射器安装部90构造成将喷射器安装到混合器36’，外壳体94至少部分地围绕喷射器锥体80’。喷射器锥体80’定位在处于上游挡板60和下游挡板70’之间的一位置处、在内部腔体52内。喷射器锥体80’从接纳废气的入口或基部端82’延伸到出口端84’。可选地，喷射器安装部90可包括从喷射器装部90轴向延伸的喷雾保护器96。
在以上公开的任何示例中，喷射器锥体80、80’包括具有加速效应或文丘里效应的喷射器锥体。在图8至9中更详细地示出了该喷射器锥体。图8示出了包括喷射器安装部102、喷射器锥体104和出口挡板106的混合器100，喷射器安装部102构造成将喷射器安装到混合器100。为了清楚起见，在图8中未示出喷射器外壳体(94，例如在图6中)和上游挡板。混合器100包括外壳体108和内壁110，内壁110由间隙112在外壳体108的内侧径向地间隔开。出口挡板106包括以上述方式运行(起作用)的一个或多个主开口114和多个副开口116。
如图8中所示，喷射器锥体104的入口端118定位成邻近喷射器安装部102。废气通过外壳体108与喷射器锥体104的入口端118之间的间隙被引导到喷射器锥体104的入口端118。喷射器锥体104具有从入口端118延伸到出口端120的本体。壁122定位成邻近出口挡板106的主开口114的边缘，以阻止离开锥体104的出口端120的流经由开口114立即离开混合器100。壁122包括沿开口114的边缘的大部分或整体延伸的圆角的、弯曲的或其它类似结构的平坦片材。托架或第二壁124安装成将喷射器锥体104支承在混合器100内。在一个示例中，第二壁124邻近喷射器锥体104的出口端120并且相对于第一壁122横向地延伸。
如图9中所示，锥体104的锥体本体在横截面方面从上游入口端118至下游出口端120变化。如上所述，发动机废气和喷射的喷雾进入锥体104的入口端118以在经由出口端120离开锥体104之前彼此混合。锥体104包括位于入口端118下游的收窄本体部分130，该收窄本体部分130构造成在混合期间加速流动。
锥体104具有从上游入口端118至下游出口端120延伸的锥体长度L。锥体104具有整体L、在入口端118处的第一横截面面积D1、以及在入口端118下游的一位置L1处的第二横截面面积D2。第二横截面面积D2小于第一横截面面积D1以限定收窄本体部分130。锥体104包括限定了通过锥体104的流动路径的内部锥体侧壁表面132。收窄本体部分130在混合期间有助于流动的加速并且提供离开出口端120的更加集中的流动混合物，使得与内锥体侧壁表面132接触的喷雾的量显著减少。
在一个优选示例中，锥体104具有圆形横截面，使得第一横截面面积由第一直径D1限定，而第二横截面面积由小于第一直径D1的第二直径D2限定，以提供收窄本体部分130。
在图9所示的示例中，收窄本体部分130位于入口端118和出口端120之间，使得锥体104包括文丘里形状。第一长度L1从入口端118至收窄本体部分130来限定，而第二长度L2从收窄本体部分130至出口端120来限定。在一个示例中，第二长度L2大于第一长度L1。可选地，第二长度L2可以小于或等于第一长度L1。
另外，在图9的示例中，在入口端118处具有第一横截面面积D1，在收窄本体部分130处具有第二横截面面积D2，并且在出口端120处具有第三横截面面积D3。在该示例中，第二横截面面积D2小于第一横截面面积D1，并且第三横截面面积D3大于或等于第二横截面面积D2。第三横截面面积D3也可以等于第一横截面面积D1。
图10示出了从入口端118’延伸至出口端120’的锥体104’的另一示例。在该示例中，收窄本体部分130’位于出口端120’处。
具有收窄本体部分的本主题的喷射器锥体提高了该锥体内的排气流量百分比，使锥体和混合器内的流集中，并阻止喷雾冲击喷射器锥体内侧壁表面。来自废气的流必须转向大约180度，从而进入锥体入口，并且然后离开锥体出口。来自喷射器的喷雾必须从喷头过渡，经过喷射器安装部和锥体入口之间的间隙，然后进入到锥体中。当喷雾行进经过并离开锥体时，喷雾与锥体内部的废气流混合。本主题的可变的横截面锥体在废气流穿过收窄本体部分时使废气流加速，以减少沉积形成。与传统的锥体相比，本主题的锥体还增加了通过锥体的废气流的百分比，集中了离开的流，并减小了喷雾的颗粒尺寸。
尽管已经公开了本发明的实施例，但是本领域普通技术人员将认识到某些改型会落入本发明的范围内。因此，应研究以下权利要求以确定本发明的真实范围和内容。

Claims (17)

1.一种用于排气系统的喷射器组件，包括：
锥体，所述锥体定位成邻近喷射器安装部并且从上游入口端延伸到下游出口端，其中，发动机废气与喷射的喷雾进入所述锥体的所述入口端，以在经由所述出口端离开所述锥体之前彼此混合，并且其中，所述锥体包括位于所述入口端下游的收窄本体部分，以在混合期间加速流动。
2.根据权利要求1所述的喷射器组件，其特征在于，所述锥体包括本体，所述本体具有从所述上游入口端延伸到所述下游出口端的锥体长度，其中，所述锥体由第一横截面面积和第二横截面面积限定，所述第一横截面面积在所述入口端处，所述第二横截面面积沿锥体长度在所述入口端下游一位置处，并且其中，所述第二横截面面积小于所述第一横截面面积以限定所述收窄本体部分。
3.根据权利要求2所述的喷射器组件，其特征在于，所述第一横截面面积由第一直径限定，而所述第二横截面面积由小于所述第一直径的第二直径限定，以提供所述收窄本体部分，所述收窄本体部分在混合期间加速流动并且提供经集中的离开流混合物。
4.根据权利要求3所述的喷射器组件，其特征在于，所述第二横截面面积在所述出口端处。
5.根据权利要求3所述的喷射器组件，其特征在于，所述第二横截面面积的位置在所述入口端和所述出口端之间，使得所述锥体包括文丘里形状。
6.根据权利要求1所述的喷射器组件，其特征在于，所述收窄本体部分位于所述入口端和所述出口端之间，使得所述锥体包括文丘里形状。
7.根据权利要求6所述的喷射器组件，其特征在于，所述锥体包括本体，所述本体具有从所述上游入口端延伸到所述下游出口端的锥体长度，并且其中，从所述入口端至所述收窄本体部分限定第一长度，并且从所述收窄本体部分至所述出口端限定第二长度，并且其中，所述第二长度大于所述第一长度。
8.根据权利要求1所述的喷射器组件，其特征在于，所述收窄本体部分位于所述出口端处。
9.根据权利要求1所述的喷射器组件，其特征在于，所述喷射器安装部定位成邻近所述入口端并且包括安装至所述喷射器安装部以与所述锥体同轴的喷射器，并且其中，所述收窄本体部分提供了来自所述锥体的所述出口端的经集中的离开流动混合物。
10.根据权利要求9所述的喷射器组件，其特征在于，所述喷射器安装部构造成附接到限定内部腔体的混合器壳体，在所述内部腔体中将所述发动机废气与离开所述喷射器的流体喷雾混合，并且其中，所述锥体定位在上游入口挡板与下游出口挡板之间的所述内部腔体内。
11.一种车辆排气部件组件，包括：
混合器外壳体，所述混合器外壳体限定内部腔体；
上游挡板，所述上游挡板定位在所述内部腔体内；
下游挡板，所述下游挡板定位在所述内部腔体内并且在沿着混合器中心轴线的方向上与所述上游挡板轴向间隔开；
喷射器安装部，所述喷射器安装部相对于所述混合器外壳体保持固定；
喷射器，所述喷射器安装到所述喷射器安装部并且构造成将流体喷雾喷射到所述内部腔体中；以及
锥体，所述锥体定位在所述内部腔体内、在所述上游挡板和所述下游挡板之间，所述锥体从入口端延伸到出口端，并且其中，发动机废气与来自所述喷射器的喷雾进入所述锥体的入口端，以在经由所述出口端离开所述锥体之前彼此混合，并且其中，所述锥体包括位于所述入口端下游的收窄本体部分，以在混合期间加速流动。
12.根据权利要求11所述的车辆排气部件组件，其特征在于，所述锥体包括本体，所述本体具有从所述上游入口端延伸到所述下游出口端的锥体长度，其中，所述锥体由第一横截面面积和第二横截面面积限定，所述第一横截面面积在所述入口端处，所述第二横截面面积在所述入口端下游沿所述锥体长度的一位置处，并且其中，所述第二横截面面积小于所述第一横截面面积以限定所述收窄本体部分。
13.根据权利要求11所述的车辆排气部件组件，其特征在于，所述收窄本体部分位于所述入口端和所述出口端之间，使得所述锥体包括文丘里形状。
14.根据权利要求11所述的车辆排气部件组件，其特征在于，所述收窄本体部分位于所述出口端。
15.一种用于将流体喷射到排气部件中的方法，所述方法包括以下步骤：
提供喷射器以将流体喷射到排气部件中；
将锥体定位成邻近所述喷射器，所述锥体从入口端延伸到出口端，并且其中，发动机废气和来自所述喷射器的流体喷雾进入所述锥体的入口端，以在经由所述出口端离开所述锥体之前彼此混合；以及
在所述入口端下游的位置处在所述锥体中形成收窄本体部分，以在混合期间加速流动。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于包括在所述出口端处形成所述收窄本体部分。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于包括在所述入口端和所述出口端之间形成所述收窄本体部分。
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