ВЫХЛОПНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ) И ВЫХЛОПНОЙ ПАТРУБОК

Область техники, к которой относится полезная модель
Настоящее изобретение относится к выхлопной системе. Уровень техники
Для восстановления окислов азота NOx и выполнения требований, предъявляемых к выхлопам дизельного двигателя может быть использована такая технология, как «селективное каталитическое восстановление» (SCR). В одном из способов водный раствор мочевины распыляют в поток выхлопных газов, и он впоследствии вступает в реакцию с окислами азота на поверхности катализатора SCR и приводит к восстановлению NOx, выходящих из двигателя. Для более эффективного восстановления окислов азота в некоторых условиях, водный раствор мочевины, впрыскиваемый в поток выхлопных газов дизельного двигателя, обычно распыляют и смешивают до того, как он достигнет подложки катализатора. Системы SCR описаны, например, в патентах США 6,449,947 и 7,328,572, публикации WO 2006123511, заявке ЕР 1 712 756.
В одном из способов смешивания, может быть использована система с двумя смесителями для обеспечения такого смешивания, где первый элемент (например, распылитель) системы перенаправляет поток выхлопных газов и захватывает струю мочевины для ее распыления, а второй элемент (например, спиральный смеситель) способствует перемешиванию потока выхлопных газов. Например, распылитель может содержать несколько (например, девять) пластин решетки, а спиральный смеситель в свою очередь может содержать спиральный смесительный элемент, приваренный к центральному стержню. Подобная система описана, например, в патенте США №7,814,745.
Авторы данного изобретения выявили одну проблему в таких известных решениях. Во-первых, распылитель, как правило, является штампованным и обработанным в виде круглого элемента для установки в выхлопную систему, а многочисленные пластины решетки увеличивают вес и стоимость системы с двумя смесительными устройствами. Во-вторых, смесительный элемент спирального смесителя, как правило, требует отдельного изготовления. Кроме того, традиционные спиральные смесители могут требовать трудоемкой сварки, где центральный стержень и подкрепляющий стержень приваривают к выходному отверстию, а весь узел затем приваривают к конической оболочке.
Раскрытие полезной модели
Таким образом, в одном примере, некоторые из вышеперечисленных проблем могут быть решены использованием выхлопного патрубка, содержащего наружную стенку с выступающей внутрь выемкой, проходящей, как минимум, один раз по спиральной траектории вокруг выхлопного патрубка. Выемка может быть выполнена в виде желоба, который обвивает коническую оболочку выхлопного патрубка под углом в направлении потока выхлопных газов двигателя. Внешняя стенка ограничивает внутренний канал, выполненный для приема выхлопных газов двигателя и направления выхлопных газов двигателя по выступающей внутрь выемке. Таким образом, при наличии структуры выемки выполненной в пределах стенки канала, как правило, можно избежать установки отдельных элементов, которые обычно приваривают к смесителям, таких как смесительный элемент, центральный стержень и подкрепляющий стержень. Выхлопной патрубок может дополнительно содержать распылитель в форме неполного диска, расположенный в выхлопном патрубке до (выше по потоку) участка, содержащего выступающую внутрь выемку, выполненную для перенаправления потока выхлопных газов и захвата струи потока для последующего распыления. Форма неполного диска позволяет исключить общую круговую конструкцию (например, с круговым периметром) традиционных распылителей, а также предполагает использование меньшего количества пластин решетки, чем традиционные распылители, тем самьм уменьшая вес и стоимость системы. Такой выхлопной патрубок может обеспечить хорошие характеристики распыления и смешивания при меньшей стоимости производства.
Следует понимать, что краткое изложение, приведенное выше, является упрощенной формой представления выбора концепций, которые ниже описаны более детально. Данное описание не предназначено для выявления основных или существенных признаков заявленной сущности изобретения, объем которого определяется следующими далее пунктами формулы изобретения. Более того, заявленная сущность изобретения не ограничивается только лишь реализацией варианта изобретения, который устраняет различные недостатки, приведенные выше или в других разделах настоящего описания. Краткое описание чертежей
На Фиг.1 показана выхлопная система для приема выхлопных газов двигателя.
На Фиг.2 показан вид в изометрии части выхлопной системы, изображенной на Фиг.1, выполненный в примерном масштабе.
На Фиг.3 показан вид сбоку части выхлопной системы, изображенной на Фиг.2, выполненный в примерном масштабе.
На Фиг.4 показан вид в изометрии другой части выхлопной системы, изображенной на Фиг.1, выполненный в примерном масштабе.
На Фиг.5 показан вид спереди части выхлопной системы, изображенной на Фиг.4, выполненный в примерном масштабе.
Осуществление полезной модели
Далее раскрыты варианты выполнения выхлопного патрубка. Такой выхлопной патрубок может быть использован для восстановления NOx в потоке выхлопных газов, что более подробно описано далее. Чертежи выполнены в приблизительном масштабе, в том числе Фиг.2-5.
На Фиг.1 показана выхлопная система 100 для перемещения выхлопных газов, произведенных двигателем внутреннего сгорания 110. В одном из неограничивающих примеров двигатель 110 представляет собой дизельный двигатель, вырабатывающий механическую мощность путем сжигания смеси воздуха и дизельного топлива. Альтернативно, двигатель 110 может представлять собой другие виды двигателей, такие как, в числе прочих, бензиновые двигатели.
Выхлопная система 100 может включать в себя один или более из нижеперечисленных элементов: выхлопной коллектор 120 для приема выхлопных газов, произведенных одним или более цилиндром двигателя 110; зона смешивания 130, расположенная после выхлопного коллектора 120 для приема жидкого восстановителя;
каталитический нейтрализатор 140 системы селективного каталитического восстановления (SCR), расположенный после зоны смешивания 130; и устройство 150 подавления шума (глушитель), расположенный после каталитического нейтрализатора 140. Кроме того, выхлопная система 100 может включать в себя совокупность выхлопных труб или каналов для соединения потоков различных компонентов выхлопной системы. Например, как показано на Фиг.1, выхлопной коллектор 120 может быть соединен с зоной смешивания 130 при помощи одного или более выхлопных патрубков 162 и 164. Каталитический нейтрализатор 140 может быть соединен с глушителем 150 при помощи выхлопного патрубка 166. И наконец, выхлопные газы могут поступать от глушителя 150 в окружающую среду через выхлопной патрубок 168. Хотя на Фиг.1 это не показано, следует отметить, что выхлопная система может включать в себя сажевый фильтр и/или дизельный катализатор окисления, расположенный до или после каталитического нейтрализатора 140. Кроме того, следует отметить, что выхлопная система 100 может включать в себя два или более каталитических нейтрализатора.
В некоторых вариантах воплощения настоящего изобретения зона смешивания 130 может иметь большую площадь поперечного сечения или площадь потока, чем площадь расположенного выше выхлопного патрубка 164. Зона смешивания 130 может включать в себя первый участок 132 и второй участок 134. Первый участок 132 зоны смешивания 130 может содержать форсунку 136 для селективного впрыскивания жидкости в выхлопную систему. В одном из вариантов воплощения изобретения, жидкость, впрыскиваемая форсункой 136, может включать в себя жидкий восстановитель 178, такой, как аммиак или мочевина. Жидкий восстановитель 178 может быть доставлен к форсунке 136 через трубопровод 174 из бака 176 с помощью промежуточного насоса 172. Второй участок 134 зоны смешивания 130 может быть выполнен таким образом, чтобы вместить площадь поперченного сечения или площади потока, измененную от первого участка 132 до каталитического нейтрализатора 140. Можно отметить, что каталитический нейтрализатор 140 может содержать соответствующий катализатор для восстановления NOx или других продуктов сгорания, образованных в результате сжигания топлива двигателем 110.
Следует отметить, что для применения в транспортных средствах выхлопная система 100 может быть расположена на нижней части шасси транспортного средства. Кроме того, следует отметить, что выхлопной патрубок может иметь один или более изгибов или дуг в соответствии с конфигурацией транспортного средства. Более того, также следует отметить, что в некоторых вариантах настоящего изобретения, выхлопная система 100 может содержать дополнительные элементы, которые не показаны на Фиг.1, и/или наоборот может не содержать элементы, описанные в настоящем документе.
На Фиг.2 и 3 показан участок выхлопного патрубка для приема выхлопных газов двигателя, а именно второй участок 134 зоны смешивания 130. По меньшей мере часть второго участка 134 содержит наружную стенку 200 с выдающейся внутрь выемкой 202. Как было описано выше, выхлопные газы от двигателя сначала могут пройти через первый участок, например первый участок 132, на котором в выхлопную систему впрыскивают поток жидкого восстановителя (например, аммиака, мочевины и др.). Выдающаяся внутрь выемка 202 второго участка 134 затем способствует дальнейшему перемешиванию выхлопных газов двигателя до того, как выхлопные газы двигателя достигнут каталитического нейтрализатора 140 SCR. Таким образом, посредством улучшенного смешивания выхлопных газов двигателя, могут быть дополнительно улучшены эксплуатационные характеристики каталитического нейтрализатора 140 SCR, и таким образом может быть восстановлено большее количество NOx.
Внешняя стенка 200 ограничивает внутренний канал 204, предназначенный для приема выхлопных газов двигателя. Как описано выше, выступающая внутрь выемка 202 выполнена таким образом, чтобы изменять направление движения выхлопных газов и, таким образом, улучшать перемешивание. Выступающая внутрь выемка 202 может быть выполнена различными способами. Например, выступающая внутрь выемка 202 может проходить, по крайне мере, один раз по траектории 206 вокруг выхлопного патрубка. В качестве примера траектория 206 может быть навитой траекторией, линия которой находится под углом по отношению к поперечному сечению 208 второго участка 134 как показано обозначением 210. Например, траектория 206 может представлять собой винтовую траекторию вокруг периметра трубки выхлопного патрубка. Кроме того, в некоторых вариантах такая винтовая траектория может быть в основном левовинтовой, тем самым способствуя перемешиванию выхлопных газов двигателя по направлению к каталитическому нейтрализатору 140 SCR. Следует отметить, что выступающая внутрь выемка 202, обвивающая выхлопной патрубок по крайней мере один раз, в некоторых других вариантах изобретения может обвивать выхлопной патрубок более одного раза. В качестве примера в некоторых вариантах выступающая внутрь выемка 202 может обвивать выхлопной патрубок по крайней мере два раза. В качестве другого примера, выступающая внутрь выемка 202 может обвивать выхлопной патрубок несколько раз (например, пять раз). Кроме того, в некоторых вариантах выступающая внутрь выемка 202 может быть фактически непрерывной. Однако в других вариантах выступающая внутрь выемка 202 может представлять собой комбинацию нескольких отдельных углублений, вместе формирующих траекторию (например, винтовую траекторию).
Выступающая внутрь выемка 202 может иметь множество форм и структур. В качестве примера, выступающая внутрь выемка 202 может представлять собой вдавленный во внешнюю стенку 200 желоб, охватывающий второй участок 134. Такой желоб может иметь, например, полукруглое поперечное сечение, как показано на позиции 212. Однако следует отметить, что полукруглое поперечное сечение является только одним из вариантов множества подходящих форм для выступающей внутрь выемки 202. Например, в некоторых вариантах выступающая внутрь выемка 202 может иметь форму, соответствующую различным дугам. В качестве еще одного примера в некоторых вариантах выступающая внутрь выемка 202 может иметь геометрическую форму, при которой, поперечное сечение будет представлять собой, например, перевернутую трапецию.
Благодаря выступающей внутрь выемке 202, внутренний канал 204 можно рассматривать как имеющий выступающую внутрь винтовую резьбу, где «резьба», образованная выступающей внутрь выемкой 202, изменяет направление поступающих выхлопных газов двигателя за счет вращательного движения вокруг оси выхлопного патрубка, тем самым способствуя перемешиванию. В качестве примера, выхлопные газы двигателя могут входить во второй участок 134 с первым количеством вращательного движения, которое может быть относительно маленьким или совсем отсутствовать;
однако, в результате воздействия выступающей внутрь выемки 202, потоку может быть передано дополнительное вращательное движение. Таким образом, второй участок 134 может выполнять функцию спирального перемешивающего устройства. Как описано выше, форма сечения выступающей внутрь выемки 202 может быть различной. Например, «форма резьбы» или «резьба» может иметь различную форму, такую как дугообразная, квадратная, треугольная, трапециевидная и др.
Параметры выступающей внутрь выемки 202 могут быть описаны следующим образом. Глубина выступа во внутреннюю часть выхлопного патрубка (например, глубина резьбы 214) может быть выбрана составляющей меньше, чем примерно 20% диаметра выхлопного патрубка, на котором расположена резьба. Таким образом может быть обеспечено уменьшение обратного давления. Кроме того, соотношение ширины резьбы и глубины резьбы может быть выбрано по существу в пределах от приблизительно 10% до 3:1. Далее, расстояние от желоба одного витка резьбы до следующего (например, шаг 216 резьбы) может составлять приблизительно 40% (±10%) от диаметра выхлопного патрубка, на котором находится резьба. Разница между наибольшим диаметром резьбы и наименьшим диаметром резьбы (диаметр витка) может составлять приблизительно 85% (±10%) от наибольшего диаметра резьбы. Далее, в некоторых вариантах может быть обеспечено целое число витков резьбы таким образом, чтобы начальный участок 218 и конечный участок 220 выступающей внутрь выемки 202 находились на одном и том же месте второго участка 134 относительно оси второго участка 134.
Более того, в дополнение к форме выступающей внутрь выемки 202, как обозначено на позиции 212, для гладкого перехода поверхности внешней стенки 200 в выступающую внутрь выемку 202, могут быть использованы скругленные области перехода, как, например, обозначенные позициями 222 и 224. Кроме того, начальный участок 218 и конечный участок 220 выступающей внутрь выемки 202 могут быть скошенными для обеспечения гладкого перехода поверхности внутренней стенки 200 в выступающую внутрь выемку 220. Соответственно такие гладкие переходы позволяют внутренней поверхности внутреннего канала 204 также гладко переходить в выступающую внутрь выемку 202.
Кроме того, второй участок 134 может быть по существу заужен в направлении вверх по потоку. Это может относиться к внешним стенкам 200 второго участка 134, зауженным внутрь таким образом, что площадь поперечного сечения патрубка увеличивается в направлении потока выхлопных газов. Иначе говоря, второй участок 134 может быть заужен таким образом, что диаметр патрубка увеличивается в направлении движения потока выхлопных газов. В качестве примера в некоторых вариантах второй участок 134 может представлять собой коническую оболочку. В таком случае, внешняя стенка 200 имеет определенную толщину для образования оболочки. Таким образом, выступающая внутрь выемка 202, выступающая внутрь внешней стенки 200, выступает внутрь оболочки, и таким образом изменяет направление воздуха внутреннего канала 204. В качестве примера выступающая внутрь выемка 202 может быть проштампована в конической оболочке (например, штамповкой желобов на конической оболочке). Более того, коническая оболочка может быть разбита на первый участок и второй участок (например, нижний кусок и верхний кусок) для облегчения процесса производства и сборки.
В отличие от традиционного спирального смесителя, требующего изготовления отдельного элемента спирального смесителя, который затем приваривают к центральному стержню и подкрепляющему стержню на выходном отверстии, где собранный узел затем приваривают к конической оболочке, второй участок 134 представляет собой коническую оболочку с выступающей внутрь выемкой 202. Таким образом, описанный второй участок 134 позволяет исключить отдельный смешивающий элемент традиционного спирального смесителя, а также при необходимости центральный стержень, подкрепляющий стержень и связанную с ними сварку.
В дополнение к смешиванию выхлопных газов двигателя перед тем, как попасть в каталитический нейтрализатор, также может быть полезным осуществить распыление выхлопных газов перед таким смешиванием. По этой причине зона смешивания 130 может дополнительно содержать распылитель, установленный в выхлопном патрубке выше выступающей внутрь выемки 202 и ниже форсунки 136. На Фиг.4 и 5 показан пример такого распылителя с некруглым периметром. Распылитель 400 может содержать пластины решетки, выполненные с возможностью перенаправления выхлопных газов двигателя и захвата струи потока, например, из форсунки 136, для дальнейшего распыления этого потока. В одном из вариантов распылитель 400 содержит точно три пластины решетки, как изображено на Фиг.4 и 5.
В некоторых вариантах каждая из пластин решетки может быть выполнена существенно по-разному. Например, каждая из пластин решетки может иметь различную глубину. В изображенном варианте первая пластина решетки 402 из трех решеток может иметь меньшую глубину 404, чем глубина 406 примыкающей к ней второй пластины решетки. Аналогично, вторая пластина решетки 408 может иметь меньшую глубину 406, чем глубина 410 примыкающей к ней третьей пластины решетки 412. В качестве другого примера, три пластины решетки могут быть расположены под разным углом. В качестве еще одного примера, три пластины решетки могут располагаться на разном расстоянии друг от друга.
Как показано далее, распылитель 400 может иметь форму неполного (частичного) диска. Соответственно, при расположении в выхлопном канале выше выступающей внутрь выемки 202 (например, перед спиральным смесительным устройством, состоящим из желоба), форма неполного диска ограничивает свободную зону 414 над распылителем и свободную зону 416 под распылителем, через которые выхлопные газы двигателя могут проходить беспрепятственно.
Распылитель 400 может быть расположен в пределах зоны 130 смешивания выше выступающей внутрь выемки 202, например, рядом с узким концом конической оболочки. По этой причине ширина 418 распылителя 400 может быть фактически такой же, как и диаметр узкого конца конической оболочки, таким образом, выхлопные газы могут проходить через распылитель 400 во внутренний канал 204. В некоторых вариантах распылитель 400 может быть расположен в пределах второго участка 134, как например в пределах зоны 226, как указано на Фиг.2. Однако в некоторых вариантах распылитель 400 может находиться в пределах первого участка 132 зоны 130 смешивания, таким образом, располагаясь в непосредственной близости к узкому концу конической оболочки, как например, в пределах зоны 228.
Таким образом, принимая во внимание, что традиционные распылители обычно имеют девять пластин решетки, штампуются и обрабатываются в форме круглого элемента для установки в выхлопную систему, распылитель 400 с частичной дисковой формой использует три пластины решетки. Таким образом, за счет устранения круговой конструкции и дополнительных пластин решетки вес распылителя 400 уменьшен по сравнению с традиционными распылителями, соответственно стоимость такой системы также снижена.
Таким образом, форма неполного диска позволяет обеспечить распыление и снизить вес и стоимость системы, поскольку такая комплектация позволяет пластинам решетки располагаться в той области, где выхлопные газы двигателя, как правило, получают наибольшую часть струи потока. Таким образом, пластины решетки могут затем перенаправлять большую часть выхлопных газов двигателя, в то время как меньшая часть выхлопных газов двигателя сможет беспрепятственно проходить через свободные зоны 414 и 416 сверху и снизу распылителя соответственно. Это минорное количество выхлопных газов двигателя, беспрепятственно протекающего через свободные зоны 414 и 416, компенсируется экономией стоимости и уменьшением веса, обеспеченных распылителем 400. Кроме того, противодавление на выходе газов может быть также снижено.
Таким образом, выхлопная система 100 может обеспечивать хорошее распыление и перемешивание, при значительном снижении стоимости и времени производства. Например, в сравнении с традиционными выхлопными системами выхлопная система 100, содержащая распылитель 400 и второй участок 134 с выступающей внутрь выемкой 202 (например, спиральный смеситель), может снизить длительность производственного цикла и сборки (примерно на 10% и 20% соответственно) в сравнении с традиционными смесителями. Кроме того, выхлопная система 100 может существенно сократить вес, стоимость и инструментальную обработку (примерно на 50%) по сравнению с традиционными смесителями.
Следует отметить, что упомянутые выше примерная проверка и процедуры оценки могут быть использованы в различных двигателях и/или в различных типах транспортных средств. Описанные специфические режимы могут представлять собой один или несколько принципов обработки, таких как принцип событийного управления, управления прерываниями, многозадачный режим, многопоточный режим, и прочие. В качестве таковых, различные акты, действия или функции могут быть выполнены в указанной последовательности, параллельно, или, в некоторых случаях, пропущены. Аналогично, порядок действий не является обязательным, чтобы достичь характеристик и эффекта описанных примерных вариантов выполнения, но он представлен для объяснения иллюстраций и описания. Одно или более проиллюстрированных действий или функций может быть повторено в зависимости от конкретного используемого режима. Описанные действия графически представляют систему кодирования для программирования микропроцессора и помещения в машиночитаемый носитель данных в системе контроля двигателя.
Следует понимать, что описанные здесь конфигурации и порядок действий являются примерными по свое сути, и точное их воплощение не рассматривается как единственно возможное, так как допускаются различные вариации. Например, описанная выше технология может применяться к двигателям V-6, 1-4, 1-6, V-12, оппозитному четырехцилиндровому, бензиновым, дизельным и другим видам двигателя и топлива. Предметом настоящего изобретения являются все новые и неочевидные комбинации и субкомбинации различных систем и конфигураций, и другие описанные особенности, функции и/или свойства.
В частности, приведенные далее пункты формулы изобретения показывают определенные комбинации и субкомбинации, являющиеся новыми и неочевидными.
Пункты формулы изобретения могут относиться к «определенному» элементу или «первому» элементу или его эквиваленту. Следует понимать, что такие пункты формулы изобретения включают в себя объединение одного или более подобных элементов, без требования наличия или отсутствия двух или более подобных элементов. Другие комбинации и субкомбинации описанных характеристик, функций, элементов и/или свойств могут быть заявлены в качестве изменений формулы или представлением новых пунктов формулы в этой или родственной заявке.
Те пункты формулы, которые шире, точнее, совпадают или отличаются по объему от первоначальной формулы, также рассматриваются в составе настоящего изобретения.