具有均衡的流量分配的流体喷枪的制作方法

具有均衡的流量分配的流体喷枪的制作方法
【专利摘要】一种配置成将还原剂引入排气流的喷射器，该喷射器包括：主体，该主体包括具有第一直径的通道；喷嘴(162)，该喷嘴流体连接到该通道并且设置在主体的远端处；和从主体的远端延伸出来的延伸部，该延伸部从主体的远端延伸至少等于第一直径的距离。
【专利说明】具有均衡的流量分配的流体喷枪
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种排气系统，且更具体地涉及一种后处理模块和流体喷枪。
【背景技术】
[0002]包括柴油发动机、汽油发动机、气态燃料动力发动机和本领域中已知的其它发动机的内燃机产生排气(废气)和颗粒物的复杂混合物。排气的成分可尤其包括氮氧化物(NOx)。废气排放标准变得日益严格，并且发动机排放到大气的NOx的量可根据发动机的类型、尺寸和/或等级而定。
[0003]为了减少NOx，一些发动机制造商已实施称为选择性催化还原(SCR)的策略。SCR是排气后处理过程，其中最常见为尿素(NH2)2CO或水、尿素溶液的还原剂被选择性地喷射到发动机的排气流中并被吸附在下游基板上。所喷射的尿素溶液分解成氨(NH3),其与排气中的NOx反应而形成水(H2O)和双原子氮(N2)。
[0004]为了使NOx的转化效率最大化，还原剂应该均匀地分散在排气流中。这可由于对后处理模块的尺寸的限制而成问题。亦即，由于考虑到包括后处理模块的动力系统的包装，喷射器与下游基板之间的排气管长度可能相对较短。因而，有益的是实现还原剂在短距离的均匀分布以确保还原剂在下游基板上的均匀分布。
[0005]美国专利US7，784，276公开了一种排气净化器和用于该排气净化器的方法。

【发明内容】

[0006]一种配置成将还原剂导入排气流的喷射器，该喷射器包括:主体，该主体包括具有第一直径的管道；喷嘴，该喷嘴与管道流体联接并且设置在主体的远端处；和从主体的远端延伸出来的延伸部，该延伸部从主体的远端延伸至少等于第一直径的距离。
[0007]本发明的其它特征和方面将从下文的描述和附图而显而易见。
【专利附图】

【附图说明】
[0008]图1是所公开的动力系统的一个实施例的侧视图；
[0009]图2是所公开的动力系统的后处理模块的一个实施例的等轴侧剖视图；
[0010]图3是所公开的动力系统的后处理模块的实施例的扩散器、还原剂喷枪组件和混合管道的第一实施例的俯视平面图；
[0011]图4是所公开的后处理模块的扩散器、还原剂喷枪组件和混合管道的第一实施例的侧视图；
[0012]图5是所公开的系统的混合管道和还原剂喷枪组件的第一实施例的局部剖视图；
[0013]图6是所公开的系统的混合管道和还原剂喷枪组件的第二实施例的局部剖视图；
[0014]图7是所公开的系统的混合管道和还原剂喷枪组件的第三实施例的局部剖视图；
[0015]图8是所公开的系统的混合管道和还原剂喷枪组件的第四实施例的侧视图；以及
[0016]图9是沿所公开的系统的混合管道和还原剂喷枪组件的第四实施例的沿图8的线 9-9截取的截面图。
【具体实施方式】
[0017]图1示出示例性动力系统10。出于本发明的目的，动力系统10被示出和描述为包括由多气缸内燃机14提供动力的发电机12的发电机组。发电机12和发动机14通常可通过框架16联接。然而，设想如果需要的话，动力系统10可实施为另一类型的动力系统，例如包括与移动式机器如机车或静止机器如泵相关的柴油发动机、汽油发动机或气态燃料动力的发动机的动力系统。
[0018]动力系统10内可包括多个单独的子系统以促进产生动力。例如,动力系统10可尤其包括进气系统18和排气系统20。进气系统18可配置成将空气或空气/燃料混合物引入动力系统10的燃烧室内以随后燃烧。排气系统20可处理燃烧过程的副产品并将其排出到大气。进气系统18和排气系统20可经由一个或多个涡轮增压器21彼此机械地联接。
[0019]排气系统20可包括调节排气和将排气从发动机14的气缸引导到大气的构件。例如，排气系统20可包括与发动机14的气缸流体连接的一个或多个排气通路22、由流过排气通路22的排气驱动的涡轮增压器21的一个或多个涡轮、以及连接成接收和处理流过涡轮增压器21的一个或多个涡轮之后来自排气通路22的排气的后处理模块24。随着离开发动机14的气缸的热排气移动通过一个或多个涡轮并靠着其叶片(未示出)膨胀，一个或多个涡轮可旋转并驱动进气系统18的涡轮增压器21的一个或多个压缩机以对进气加压。后处理模块24可在排气排出到大气之前处理、调节和/或以其它方式减少由发动机14产生的排气的成分。
[0020]如图2所示，后处理模块24可包括基部支承件30、大体盒状壳体32 (其构件图示为透明的以清楚地显示后处理模块24的内部元件)、一个或多个入口 34和一个或多个出口36 (也在图1中示出)。基部支承件30可由例如低碳钢制成，并刚性地连接到动力系统10的框架16 (参照图1)。壳体32可由例如焊接的不锈钢制成，并以使得当壳体32暴露于升高的温度时壳体32可以相对于基部支承件30以一定程度热膨胀的方式连接到基部支承件30。入口 34和出口 36可在壳体32的一端定位成使得排气流可沿大致垂直于进入壳体32的排气流的方向离开壳体32。入口 34能可操作地联接到排气通路22(参照图1)，而出口36能可操作地联接到通往大气的通路，例如，通往外部空间(未示出)的附加排气管。一个或多个检修窗，例如一对氧化催化器/催化剂(catalyst)检修窗40和一对SCR催化器检修窗42，可位于壳体32上的有意义位置以提供通往后处理模块24的内部构件的维修通道。
[0021]后处理模块24可容纳多个排气处理装置。例如，图2将后处理模块24图示为容纳由一排或多排柴油机氧化催化器(“D0C”)44的第一后处理装置、由还原剂计量供给装置46组成的第二后处理装置和由一排或多排SCR催化器48组成的第三后处理装置。可以想到后处理模块24可按需包括数量更多或更少的本领域中已知的任何类型的后处理装置。D0C44可位于入口 34的下游和扩散器50的上游。
[0022]排气经由入口 34进入后处理模块24。排气进入D0C44。在通过D0C44和扩散器50之后，排气经混合管道51暴露于还原剂计量供给装置46。在经过还原剂计量供给装置46之后，排气流过SCR催化器48。接下来，排气可在经出口 36离开后处理模块24之前流过净化催化器(未示出)。
[0023]D0C44可各包括多孔陶瓷蜂巢结构、金属网、金属或陶瓷泡沫、或涂有或以其它方式包含催化材料如贵金属的另一种合适的基板，所述催化材料催化化学反应以改变通过D0C44的排气的组分。在一个实施例中，D0C44可包括有利于NO转化为NO2的钯、钼、钒或它们的混合物。在另一实施例中，D0C44可替换地或附加地执行微粒捕集功能(即，D0C44可以是催化微粒收集器)、烃还原功能、一氧化碳还原功能和/或本领域中已知的其它功能。
[0024]在所示的实施例中，单独的三排DOC被公开为布置成从一对入口 34并列接收排气。每排D0C44可包括前后布置并且配置成从入口 34接收排气的两个或更多个载体(substrate)。在一个示例中，如果需要的话,单排D0C44的载体之间可存在一定空间，该空间同时促进排气分配和声衰减。可以想到在后处理模块24内可按需采用包括任何数量前后或并列布置的任何数目的载体的D0C44。
[0025]混合管道51具有与D0C44的输出端流体连通的上游开口端52和与一排或多排SCR催化器48流体连通的下游端53。在所示的实施例中，扩散器50构造为圆柱体，该圆柱体具有设置在其位于混合管道51的远侧的一端上的翼板型扩散部件，不过可利用本领域中已知的任何扩散器几何形状。在图2的配置中，扩散器50可配置成跨混合管道51的上游开口端52以大致均匀的方式分配排气。还原剂喷枪组件54可布置在上游开口端52处、内或附近并且配置成将还原剂喷射到流过混合管道51的排气中。气态或液态还原剂，最常见为水/尿素溶液、氨气、液化无水氨、碳酸铵、氨合物盐或诸如柴油机燃料的烃，可被喷洒或以其它方式送入到通过混合管道51的排气中。
[0026]还原剂喷枪组件54可位于SCR催化器48上游的一定距离处和混合管道51的入口部分处，以允许所喷射的还原剂有足够的时间与来自动力系统10的排气混合并在进入SCR催化器48之前充分地分解。亦即，充分分解的还原剂在通过SCR催化器48的排气内的均匀分布可增强其中的NOx还原。还原剂喷枪组件54与SCR催化器48之间的距离可增强其中的NOx还原。还原剂喷枪组件54与SCR催化器48之间的距离(即，大致混合管道51的长度)可基于离开动力系统10的排气的流量和/或混合管道51的截面积。在图2和3所示的示例中，混合管道51可沿壳体32的大部分长度延伸，其中还原剂喷枪组件54位于上游开口端52。如图5-7更详细地示出的，混合管道51可以是具有内径55和外径56的管道。还原剂喷枪组件54可配置成提供有益的流动特性，如将参照图3-9更详细地说明的。
[0027]各SCR催化器48的形状、尺寸和组分可大致相同。特别地，各SCR催化器48可包括大体圆柱形基板，该基板由陶瓷材料如二氧化钛、碱金属氧化物如钒和钨、沸石和/或稀有金属制成或以其它方式涂有这些材料。通过该构成，流过混合管道51的排气内夹带的分解的还原剂可被吸附到各SCR催化器48的表面上和/或被吸附到其内，在此还原剂可与排气中的NOx (NO、NO2或这两者)反应而生成水(H2O)和双原子氮(N2)。
[0028]图3-5示出所公开的动力系统10的后处理模块24的实施例的扩散器50、还原剂喷枪组件54和混合管道51的第一实施例。图5示出了从混合管道51朝还原剂喷枪组件54看的混合管道51和还原剂喷枪组件54的第一实施例的局部剖视图。还原剂喷枪组件54和混合管道51——包括上游开口端52和下游端53——共同形成还原剂计量供给装置46。还原剂喷枪组件54包括枪体60、喷嘴62和枪延伸部64。
[0029]喷枪60可包括延伸穿过其中以向喷嘴62传送还原剂的内部还原剂通道(在图9中示出)；亦即，枪体60可以是中空的，具有外径61和内径63(在图9中示出)。还原剂通道可具有基于动力系统10的具体应用和后处理模块24的期望性能根据期望的还原剂流量确定的预定直径。在一个实施例中，还原剂通道的直径可以是2.5cm。枪体60随纵向轴线沿第一方向66延伸。
[0030]喷嘴62在枪体60的远端处大致垂直于枪体60的纵向轴线延伸。亦即，喷嘴62从枪体60向下游延伸到排气流中。喷嘴62从枪体60接收还原剂并且将还原剂喷射到在混合管道51内流动的排气中。在一个实施例中，喷嘴62可被构造为空气辅助的喷嘴，使得空气或其它气体与还原剂的组合喷射到排气中。在一些实施例中，还原剂的空气辅助的喷射提供了增加还原剂流量和沿混合管道51分散还原剂的优点；然而，替代实施例包括其中省略了空气辅助的喷射并且还原剂专门经由替代装置如还原剂泵供给的构型。在一些实施例中，在喷枪60下游垂直地配置喷嘴62提供了还原剂随着喷嘴62移动远离枪体60所产生的排气中的湍流尾流而分散的优点。如果喷嘴62要形成在枪体60本身中，则该湍流尾流可导致其上形成不期望的沉积物，这可能引起流过其中的还原剂的减少。在一个实施例中，喷嘴62可以是单个喷嘴62。在这种实施例中，喷嘴62可在混合管道51内居中。在另一实施例中，喷嘴62可包括多于一个喷嘴62。
[0031]枪延伸部64从枪体60延伸出来。在一个实施例中，枪延伸部65大致平行于第一方向66延伸。替代实施例包括多种构型，其中枪延伸部64沿不同方向、例如相对于枪体60成一定角度的方向延伸，例如成一定角度延伸到排气流中或成一定角度朝混合管道51延伸。如图3-5所示，枪体60延伸到喷嘴62，而枪延伸部64延伸超过喷嘴62。枪延伸部64可从枪体60延伸至少等于枪体60的内部还原剂通道的预定直径的距离。当枪延伸部64延伸到该距离或超出该距离时，可实现还原剂与排气的改善的混合，如下文更详细地说明的。在一个实施例(未示出)中，枪体60和枪延伸部64可共同延伸大致等于混合管道51的基本整个内径55的距离。
[0032]在一个实施例中，枪延伸部64可与枪体60的内部还原剂通道流体联接；亦即，枪延伸部64还可包括装在枪体60在第一方向66上的最远延伸处的内部还原剂通道(未不出)。在一个替代实施例中，枪延伸部64可与枪体60流体隔离成使得枪延伸部64不包括内部还原剂通道且枪延伸部64可以是中空的或实心的。
[0033]参照图3-5，还原剂喷枪组件54可穿过壳体32中的通孔70联接到后处理模块24。通孔70可配置成形状与还原剂喷枪组件54的横截面大致相同，使得还原剂喷枪组件54可穿过其中而插入后处理模块24。在一个实施例中，还原剂喷枪组件54可联接到端板/集管(header) 72。端板72可将后处理模块24密封成使得排气不会经由通孔70离开。端板72还可与还原剂喷枪组件54的枪体60的内部还原剂通道流体联接。在端板72上可配置有用于向枪体60的内部还原剂通道供给还原剂的连接端口 74。
[0034]图6示出从混合管道51朝还原剂喷枪组件154看还原剂喷枪组件154的第二实施例和混合管道51的局部剖视图。还原剂喷枪组件154包括枪体160、喷嘴162和枪延伸部164，与前面的实施例相似，并且还包括联接到枪体160并沿大致垂直于第一方向66的第二方向68延伸的横向构件167。横向构件167可提供还原剂与排气的改善的混合,如下文更详细地说明的。
[0035]图7示出从混合管道51朝还原剂喷枪组件254看还原剂喷枪组件254的第三实施例和混合管道51的局部剖视图。还原剂喷枪组件254包括枪体260、喷嘴262和枪延伸部264，与前面的实施例相似，并且还包括联接到枪体260的环形混合器267。在一个实施例中，环形混合器265布置成环形混合器267的中心与喷嘴262的中心轴向对准。环形混合器267可提供还原剂与排气的改善的混合，如下文更详细地说明的。
[0036]图8是从混合管道51朝还原剂喷枪组件354看所公开的系统的还原剂喷枪组件354的第四实施例和混合管道的侧视图。图9是沿图8的线9-9’截取的剖视图。还原剂喷枪组件354包括枪体360、喷嘴362和枪延伸部364，与前面的实施例相似，并且还包括联接到枪体360的挡板367。在一个实施例中，挡板367联接到枪体360和枪延伸部364中的至少一者。实施例包括其中挡板367可与枪体360和枪延伸部364分开形成的构型和其中挡板367可形成为枪体360、枪延伸部364或两者的单个、整体和不可分的构件的构型。挡板367设置成控制通过其中的排气的流量，例如，在一个实施例中，挡板367可减少通过其中的排气中的瑞流。在一个实施例中，挡板367和枪体360和/或枪延伸部364共同形成泪滴形的截面。挡板367提供还原剂与排气的改善的混合，如下文更详细地说明的。
[0037]虽然以上说明以描述还原剂喷枪组件54、154、254和354的四个实施例，但将前面的实施例的多个方面的相结合的其它实施例也处在本发明的范围内。例如，本发明的另一实施例可包括布置在环形混合器267或横向构件167上的挡板367。类似地，横向构件167可与环形混合器267等相结合。这些构型的益处在下文中更详细地说明。
[0038]工业话用件
[0039]本发明的后处理模块24可适用于其中期望排气调节的任何动力系统10。后处理模块24包括还原剂喷枪组件54、154、254和/或354中的至少一者。多个实施例提供了还原剂与排气的改善的混合，如下文更详细地描述的。
[0040]当动力系统10运转时，排气通过后处理模块24以进行如上所述的处理，后处理模块24包括还原剂计量供给装置46和SCR催化器48。排气通过还原剂计量供给装置46并且将所喷射的还原剂携带到SCR催化器48上。为了使SCR催化器48的效率最大化并使实现所有SCR催化器48的良好饱和所需的还原剂的总量，期望还原剂跨各SCR催化器48的大致均匀的分布。然而，在排气流中布置诸如还原剂喷射器的构件可引起未在混合管道51的长度内有效地分散的流中的不平衡。这种现象可引起还原剂在SCR催化器48上的不均匀分布。
[0041]在其中还原剂喷枪组件(未示出)省略枪延伸部的一个构型中，流过枪体的最远侧部分的排气可引起非希望的涡旋脱落，其使所喷射的还原剂偏向混合管道51的还原剂喷枪组件54、154、254和/或354从其延伸的一侧。在这种构型中，可观察到催化器之间高达20%的可变性。然而，在包括枪延伸部64、164、264或364的实施例中，非希望的涡旋脱落可被减少、消除或明显移动离开喷嘴62、162、262或363，从而减少或消除还原剂从喷嘴62、162、262 或 362 的偏转。
[0042]具体参照图3-5和还原剂喷枪组件54的第一实施例,枪延伸部64配置在枪体60的远端，并且在一个实施例中，从枪体60延伸至少等于枪体60的内部还原剂通道的直径的距离。如果枪延伸部64延伸明显小于该量，则还原剂从喷嘴62的偏转的减少可能不会导致还原剂明显更均匀地分布在催化器48上。然而，随着枪延伸部64的长度增加，可观察到引起还原剂在催化器48上更均匀的分布的还原剂从喷嘴62的偏转的减少的相应增加。[0043]类似地，参照图6-9，还原剂喷枪组件154、254和354还包括枪延伸部164、264和364。此外，各还原剂喷枪组件154、254和354包括用于改善还原剂与排气的混合的附加特征。参照图6，横向构件167存在排气流的尾流，其与枪延伸部164的尾流的相似之处在于，从与枪体160、枪延伸部164和横向构件167的布置在喷嘴162的相对侧的两个部分对应的至少四侧在喷嘴162处存在相似的排气流特性。参照图7，环形混合器267类似地存在排气流的尾流，其允许排气从多侧、例如围绕喷嘴262的圆周在喷嘴262上更均匀的流动。亦即，环形混合器267可配置成其中心与喷嘴262的中心轴向对准。参照图8和9，挡板367提供这样的表面，其允许排气在第三方向69上沿其呈层状流动。这种挡板可减轻由于排气在第二方向上的速率的变动而导致的还原剂沉积的不均匀性。挡板367对流过其的排气施加平滑效应。
[0044]本发明还存在配置成将还原剂引入排气流中的喷枪组件54、154、254和354的实施例，喷枪组件154、254和354包括:枪体60、160、260和360 ;与枪体60、160、260和360流体联接且配置在其远端的喷嘴62、162、262和362 ；以及从枪体60、160、260和360的远端延伸的枪延伸部64、164,264和364，枪延伸部64、164,264和364配置成使流过喷嘴62、162、262和362的排气在至少两个方向上的速率相等。亦即，枪延伸部64、164、264和364配置成使得流过喷嘴62、162、262和362的排气更均匀，例如，来自与枪体60、160、260和360对应的方向的流速大致等于来自与枪延伸部64、164、264和364对应的方向的流速。包括横向构件167的实施例可使流过喷嘴162的排气在至少四个方向上的速率相等。包括环形混合器267的实施例可使流过喷嘴262的排气在大致所有方向上的速率相等。
[0045]对本领域的技术人员来说显而易见的是，可以对本发明的排气系统20和后处理模块24作出各种修改和变更而不脱离本发明的范围。根据本说明书以及对本文中公开的系统和模块的实践，其它实施例对本领域的技术人员来说将显而易见。所有说明和示例都应当被认为仅仅是示例性的，本发明真正的范围由下文的权利要求及其等同方案指出。
【权利要求】
1.一种配置成将还原剂引入排气流的喷射器，所述喷射器包括: 主体，所述主体包括具有第一直径的通道； 喷嘴(162)，所述喷嘴流体连接到所述通道并且设置在所述主体的远端；和 从所述主体的远端延伸出来的延伸部，所述延伸部从所述主体的远端延伸至少等于所述第一直径的距离。
2.根据权利要求1所述的喷射器组件，其中，所述主体沿第一方向(66)延伸且所述延伸部沿大致平行于所述第一方向(66)的第二方向(68)延伸。
3.根据权利要求2所述的喷射器组件，还包括横向构件(167)，该横向构件联接到所述主体并沿大致垂直于所述第一方向(66)的第三方向(69)延伸。
4.根据权利要求2所述的喷射器组件，还包括联接到所述主体的环形混合器(267)。
5.根据权利要求4所述的喷射器组件，其中，所述环形混合器(267)布置成所述环形混合器(267)的中心与所述喷嘴(162)的中心轴向对准。
6.根据权利要求1所述的喷射器组件，其中，所述主体和所述延伸部中的至少一者包括泪滴形的截面。
7.根据权利要求1所述的喷射器组件，其中，所述延伸部与所述主体流体隔离。
8.一种用于处理内 燃机(14)的排气的成分的后处理模块(24)，所述后处理模块(24)包括: 壳体(32)； 布置在所述壳体(32)内的喷射器，所述喷射器包括: 主体，所述主体联接到所述壳体(32)并且包括具有第一直径的通道； 喷嘴(162)，所述喷嘴流体联接到所述主体的通道并且设置在所述主体的远端处；和从所述主体的远端延伸出来的延伸部，所述延伸部从所述主体的远端延伸至少等于所述第一直径的距离；和 混合管道(51)，所述混合管道设置在所述喷射器的下游并设置在所述壳体(32)内。
9.根据权利要求8所述的后处理模块(24)，其中，所述主体沿第一方向(66)延伸且所述延伸部沿大致平行于所述第一方向(66)的第二方向(68)延伸。
10.根据权利要求9所述的后处理模块(24)，其中，所述主体和所述延伸部共同延伸大致等于所述混合管道(51)的整个直径的距离。
11.根据权利要求9所述的后处理模块(24)，还包括联接到所述主体并沿大致垂直于所述第一方向(66)的第三方向(69)延伸的横向构件(167)。
12.根据权利要求8所述的后处理模块(24)，其中，所述主体和所述延伸部共同延伸小于与所述混合管道(51)的整个直径相等的距离。
13.根据权利要求10所述的后处理模块，还包括端板(72)，该端板流体连接到所述喷射器的所述主体的内部还原剂通道。
14.根据权利要求8所述的后处理模块(24)，其中，所述喷射器布置在所述混合管道(51)内。
15.一种配置成将还原剂引入排气流的喷射器，所述喷射器包括: 主体； 喷嘴(162)，所述喷嘴流体连接到所述主体并设置在所述主体的远端；和从所述主体的远端延伸出来的延伸部，所述延伸部配置成使在至少两个方向上流过所述喷嘴(162)的排 气的速率相等。
【文档编号】B01D53/94GK103998736SQ201280061367
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2012年12月13日 优先权日:2011年12月15日
【发明者】Y·T·布伊, A·尤亚勒, J·文卡塔拉加万 申请人:卡特彼勒公司