УСТРОЙСТВО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ПОТОКА ОТРАБОТАВШЕГО ГАЗА
DEVICE FOR WASTE GAS FLOW MIXING

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение в целом относится к системам устройства перемешивания потока отработавшего газа.
Уровень техники
3
3
3
3
2
2
В одной из технологий для дополнительной обработки отработавшего газа двигателя используется селективное каталитическое восстановление (СКВ), чтобы обеспечить возникновение определенных химических реакций между NOx в отработавшем газе и аммиаком (NH). NH вводят в выпускную систему двигателя в область перед СКВ катализатором путем впрыска мочевины в выпускной канал. Мочевина в условиях высокой температуры подвергается энтропийному разложению до NH. СКВ способствует реакции между NH и NOx, чтобы превратить NOx в азот (N) и воду (HO) - две составляющих, которые в изобилии присутствуют в земной атмосфере. Однако при вводе мочевины в выпускной канал могут возникать проблемы. Согласно одному примеру, мочевина может плохо перемешиваться с потоком отработавшего газа (например, первая часть потока отработавшего газа содержит мочевину в более высокой концентрации, чем вторая часть потока отработавшего газа), что может приводить к неудовлетворительному обволакиванию катализатора СКВ и плохой способности загрязняющих веществ (например, NOx) вступать в реакцию с катализатором СКВ.
Попытки решить проблему плохого перемешивания включают установку перемешивающего устройства в область после форсунки впрыска мочевины и перед катализатором СКВ, так чтобы поток отработавшего газа мог стать однородным. Один пример такого подхода представлен в U.S. 201100036082 (Collinot et al.). В указанном документе устройство перемешивания потока отработавшего газа введено в выпускной канал, чтобы уменьшить противодавление отработавшего газа, проходящего через перемешивающее устройство, и увеличить однородность потока отработавшего газа. Перемешивающее устройство содержит один или более геликоидов, которые могут воздействовать на поток отработавшего газа, чтобы течение последнего происходило в интервале углов от 0 до 30°.
Однако авторы данного документа выявили потенциальные проблемы, свойственные таким системам. Например, перемешивающее устройство, предложенное в U.S. 201100036082, имеет относительно длинный корпус и может дополнительно содержать одну или более примыкающих друг к другу перемешивающих секций. Перемешивающие секции могут вибрировать и биться друг о друга либо из-за соответствующих дорожных условий, либо из-за турбулентности потока отработавшего газа, что может создавать нежелательные слышимые звуки и/или приводить к преждевременному износу перемешивающего устройства.
Раскрытие изобретения
Согласно одному примеру, вышеуказанные проблемы могут быть решены посредством перемешивателя отработавшего газа, содержащего входную и выходную секции, каждая из которых содержит перфорированную кольцевую стенку, наклоненную в направлении потока и внутрь, и перфорированный направленный навстречу потоку конус, который по вертикали совмещен с кольцевой стенкой. Перемешиватель отработавшего газа дополнительно содержит среднюю секцию между входной и выходной секциями, содержащую перфорированную кольцевую структуру треугольного сечения.
Таким образом, можно достичь улучшенного перемешивания, если воспользоваться преимуществами течения с распределением потока, близким к нормальному/биномиальному распределению, которое представлено множеством точек, в которых течение может идти по различным траекториям, аналогично доске Гальтона или квинкунксу.
В качестве примера, перемешиватель, в котором имеется первая внешняя секция и по существу идентичная вторая внешняя секция, которые пространственно окружают среднюю секцию, может быть использован для увеличения однородности отработавшего газа. Секции дополняют друг друга так, что поток отработавшего газа изменяется по мере того, как он проходит через каждую секцию перемешивателя. Первая внешняя секция, средняя секция и вторая внешняя секция физически связаны с трубой перемешивателя, но не связаны физически друг с другом. Кроме того, перемешиватель является компактным, что может увеличить его стабильность и позволит размещать перемешиватель в большем числе мест. Таким образом, перемешиватель может не издавать слышимых звуков, вызываемых турбулентностью отработавшего газа из-за нагрузки двигателя.
Согласно еще одному примеру, перемешиватель содержит трубу с тремя секциями, причем первая секция и третья секция содержат внешние и внутренние перфорированные отверстия. Внешние перфорированные отверстия радиально смещены относительно внутренних перфорированных отверстий. Вторая секция содержит периферические и центральные перфорированные отверстия, которые аксиально смещены относительно внешних и внутренних перфорированных отверстий, соответственно. Периферические и центральные перфорированные отверстия радиально смещены друг относительно друга.
Следует понимать, что вышеприведенное краткое описание служит лишь для ознакомления в простой форме с некоторыми концепциями, которые далее будут раскрыты подробно. Это описание не предназначено для обозначения ключевых или существенных отличительных признаков заявленного предмета изобретения, объем которого уникально определен формулой изобретения, приведенной после раздела «Осуществление изобретения». Кроме того, заявленный предмет изобретения не ограничен реализациями, которые устраняют какие-либо недостатки, указанные выше или в любой другой части настоящего раскрытия.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 изображает пример цилиндра двигателя.
Фиг. 2 изображает перемешиватель.
Фиг. 3А и 3В в разрезе изображают первый и второй внешние компоненты перемешивателя отработавшего газа, и внутренний компонент перемешивателя, соответственно.
Фиг. 4А и 4В представляют вид спереди внешних компонентов и внутреннего компонента перемешивателя, соответственно.
Фиг. 5 изображает пример течения отработавшего газа через перемешиватель.
Фиг. 6 изображает разрез выпускного трубопровода, содержащего перемешиватель.
Фиг. 7 изображает пример осуществления изобретения, содержащий перемешиватель, расположенный после сажевого фильтра.
Фиг. 8 изображает пример осуществления изобретения, содержащий перемешиватель, расположенный после форсунки впрыска мочевины.
Фиг. 9 изображает пример осуществления изобретения, на котором перемешиватель расположен перед газовым датчиком.
Фиг. 10 представляет вид сбоку перемешивателя в выпускном трубопроводе.
Осуществление изобретения
Последующее описание относится к системам и способам для перемешивателя, расположенного в выпускном трубопроводе автомобиля. Автомобиль содержит двигатель, способный приводить автомобиль в движение за счет сгорания топлива, как показано на фиг. 1. Продуктом сгорания топлива является отработавший газ, который содержит множество составляющих. На фиг. 1 также показаны различные датчики, исполнительные механизмы и устройства обработки, используемые для измерения параметров отработавшего газа или для взаимодействия с отработавшим газом. Чтобы обеспечить точные измерения состава отработавшего газа, желательно повышать однородность отработавшего газа. Перемешиватель, изображенный на фиг. 2, способен вносить возмущения в течение отработавшего газа, так чтобы повышать однородность отработавшего газа. На фиг. 3А и 3В представлен вид сбоку первой ступени и второй ступени перемешивателя. На фиг. 4А и 4В представлен вид спереди первой ступени и второй ступени перемешивателя. На фиг. 5 представлен пример течения отработавшего газа через перемешиватель, в котором газы перемещаются с высокой скоростью, непрерывно сталкиваясь друг с другом. Однако могут существовать и другие примеры течений. На фиг. 6 в разрезе показано расположение перемешивателя в выпускном трубопроводе. Перемешиватель может быть расположен после сажевого фильтра, после форсунки впрыска мочевины, перед селективным каталитическим восстановителем (СКВ) и перед датчиком отработавшего газа, как показано на фиг. 7, 8 и 9, соответственно.
Следует понимать, что фиг. 2, 3, 4 и 6 изображены приблизительно в масштабе, хотя, если требуется, то могут быть использованы и другие относительные размеры.
На фиг. 1 схематически изображен один цилиндр многоцилиндрового двигателя 10 в системе 100 двигателя, который может быть включен в систему привода автомобиля. Управление двигателем 10 может осуществляться по меньшей мере частично посредством управляющей системы, содержащей контроллер 12, и командой от оператора 132 автомобиля посредством устройства 130 ввода. В данном примере, устройство 130 ввода содержит педаль акселератора и датчик 134 положения педали для формирования пропорционального сигнала положения педали. Камера 30 сгорания двигателя 10 может содержать цилиндр, образованный стенками 32 с расположенным внутри поршнем 36. Поршень 36 может быть связан с коленчатым валом 40 для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала. Коленчатый вал 40 может быть связан по меньшей мере с одним ведущим колесом автомобиля через промежуточную систему трансмиссии. Кроме того, для обеспечения запуска двигателя 10, с коленчатым валом 40 через маховик может быть связан мотор стартера.
Камера 30 сгорания может принимать впускаемый воздух из впускного коллектора 44 через впускной канал 42 и может высвобождать отработавшие газы через выпускной канал 48. Впускной коллектор 44 и выпускной канал 48 могут выборочно сообщаться с камерой 30 сгорания через соответствующие впускной клапан 52 и выпускной клапан 54. В некоторых примерах камера 30 сгорания может содержать два или более впускных клапанов и/или два или более выпускных клапанов.
В данном примере управление впускным клапаном 52 и выпускным клапаном 54 может осуществляться при помощи кулачков посредством соответствующих систем 51 и 53 кулачкового привода. Системы 51 и 53 кулачкового привода могут содержать один или более кулачков, и могут реализовывать одну или более из следующих систем газораспределения: систему переключения профилей кулачков (ППК), систему изменения фаз кулачкового газораспределения (ИФКГ), систему изменения фаз газораспределения (ИФГ) и/или систему изменения высоты подъема клапанов (ИВПК), которые могут приводиться в действие посредством контроллера 12 в целях изменения программы работы клапанов. Положение впускного клапана 52 и выпускного клапана 54 может быть определено посредством соответствующих датчиков 55 и 57 положения. В иных примерах управление впускным клапаном 52 и/или выпускным клапаном 54 может осуществляться с помощью электрического привода клапана. Например, цилиндр 30 может содержать впускной клапан, управляемый с помощью электрического привода клапана, и выпускной клапан, управляемый с помощью кулачкового привода, при этом могут быть реализованы системы газораспределения ППК и/или ИФКГ.
Показано, что топливная форсунка 69 связана непосредственно с камерой 30 сгорания для впрыска топлива напрямую в цилиндр пропорционально длительности импульса сигнала, полученного от контроллера 12. Таким образом, топливная форсунка 69 реализует так называемый непосредственный впрыск топлива в камеру 30 сгорания. Топливная форсунка может быть установлена на боковой стороне камеры сгорания или, например, в верхней части камеры сгорания. Топливо может быть доставлено к топливной форсунке 69 посредством топливной системы (не показана), содержащей топливный бак, топливный насос и топливную рампу. Согласно некоторым примерам, камера 30 сгорания может дополнительно, или как вариант содержать топливную форсунку, расположенную во впускном коллекторе 44, что образует схему, известную как «впрыск топлива во впускной канал», в область перед камерой 30 сгорания.
Искра обеспечивается в камере 30 сгорания посредством свечи 66 зажигания. Система зажигания может также содержать катушку зажигания (не показана) для увеличения напряжения, подаваемого на свечу 66 зажигания. В других примерах, таких как дизельный двигатель, свеча 66 зажигания может быть из конструкции исключена.
Впускной канал 42 может содержать дроссель 62 с дроссельной заслонкой 64. В данном конкретном примере положение дроссельной заслонки 64 может изменяться контроллером 12 посредством сигнала, подаваемого на электрический мотор или привод, который входит в состав дросселя 62; при этом такая система называется системой электронного управления дросселем (ЭУД). Таким образом, дроссель 62 можно приводить в действие, чтобы изменять поток впускаемого воздуха, подаваемого в камеру 30 сгорания наряду с другими цилиндрами двигателя. Информация о положении дроссельной заслонки 64 может передаваться в контроллер 12 посредством сигнала положения дросселя. Впускной канал 42 может содержать датчик 120 массового расхода воздуха и датчик 122 давления воздуха в коллекторе для измерения количества воздуха, поступающего в двигатель 10.
Показано, что с выпускным каналом 48 в точке перед (согласно направлению движения отработавших газов) устройством 70 снижения выбросов связан датчик 126 отработавшего газа. Датчиком 126 может служить любой подходящий датчик, обеспечивающий индикацию воздушно-топливного отношения отработавшего газа, такой как линейный кислородный датчик или УДКОГ (универсальный или широкодиапазонный датчик содержания кислорода в отработавшем газе), кислородный датчик с двумя состояниями или ДКОГ, НДКОГ (нагреваемый ДКОГ), датчики NOx, НС или СО. Согласно одному примеру, расположенный на входе выпускного тракта датчик 126 отработавшего газа представляет собой датчик типа УДКОГ (UEGO), выполненный с возможностью формирования выходного сигнала, например, сигнала напряжения пропорционального количеству кислорода, содержащемуся в отработавшем газе. Контролер 12 преобразует выходной сигнал кислородного датчика в воздушно-топливное отношение в соответствии с функцией передачи кислородного датчика.
Показано, что вдоль выпускного канала 48, после датчика 126 отработавшего газа и перемешивателя 68 расположено устройство 70 снижения выбросов. Устройство 70 может представлять собой трехкомпонентный катализатор (ТКК), уловитель NOx, селективный каталитический восстановитель (СКВ), различные другие устройства снижения выбросов или комбинацию указанных устройств. Согласно некоторым примерам, при работе двигателя 10 устройство 70 снижения выбросов можно периодически восстанавливать до исходного состояния путем задействования по меньшей мере одного цилиндра двигателя с определенным воздушно-топливным отношением.
Перемешиватель 68 изображен перед устройством 70 снижения выбросов и после датчика 126 отработавшего газа. Согласно некоторым вариантам осуществления, дополнительно или как вариант, между перемешивателем 68 и устройством 70 снижения выбросов может быть расположен второй датчикотработавшего газа. Перемешиватель 68 содержит несколько секций, например, две или более секций, а согласно одному примеру, он содержит ровно три секции, расположенные каскадом вдоль направления движения отработавшего газа в выпускном канале 48. Указанные секции содержат множество перфорированных отверстий, причем соответствующие перфорированные отверстия смежных секций могут быть концентрично смещены относительно друг друга. Таким образом, перемешиватель 68 может создавать возмущения течения отработавшего газа, так что однородность смеси отработавшего газа увеличивается, по мере того как отработавший газ проходит через перемешиватель 68. Перемешиватель 68 будет ниже подробно описан.
Система 140 рециркуляции отработавших газов (РОГ) может направлять требуемую часть отработавшего газа из выпускного канала 48 во впускной коллектор 44 через канал 152 системы РОГ. Количество отработавшего газа, передаваемого по контуру РОГ во впускной коллектор 44, может изменяться контроллером 12 посредством клапана 144 РОГ. При некоторых условиях система 140 РОГ может быть использована для регулирования температуры воздушно-топливной смеси в камере сгорания, предоставляя тем самым способ управления моментом воспламенения в некоторых режимах сгорания.
На фиг. 1 контроллер 12 показан в виде микрокомпьютера, содержащего микропроцессорное устройство 102, порты ввода/вывода 104, электронную среду хранения исполняемых программ и калибровочных значений, изображенную в данном примере в виде постоянного запоминающего устройства 106, (например, долговременная память) оперативное запоминающее устройство 108, энергонезависимое запоминающее устройство 110 и шину данных. Контроллер 12 может принимать различные сигналы от датчиков, связанных с двигателем 10, дополнительно к тем сигналам, о которых говорилось выше, включая: измерение массового расхода впускаемого воздуха (МРВ) от датчика 120 массового расхода воздуха; температуру хладагента двигателя (ТХД) от датчика 112 температуры, связанного с рубашкой 114 охлаждения; сигнал положения элементов двигателя от датчика 118 Холла (или датчика иного типа), воспринимающего положение коленчатого вала 40; положение дросселя от датчика 65 положения дросселя; и сигнал абсолютного давления в коллекторе (ДВК) от датчика 122. Сигнал частоты вращения двигателя может быть сформирован контроллером 12 из сигнала датчика 118 положения коленчатого вала. Сигнал давления в коллекторе также обеспечивает индикацию разрежения или повышенного давления во впускном коллекторе 44. Следует отметить, что могут использоваться различные комбинации вышеуказанных датчиков, например, датчик МРВ без датчика ДВК и наоборот. Во время работы двигателя, крутящий момент двигателя может быть вычислен на основе выходного сигнала датчика 122 ДВК и частоты вращения двигателя. Кроме того, сигнал данного датчика наряду с измеренной частотой вращения двигателя могут быть основой для оценки заряда (включая воздух), впускаемого в цилиндр. Согласно одному примеру, датчик 118 положения коленчатого вала, который также используется в качестве датчика частоты вращения двигателя, может выдавать заданное число равноотстоящих импульсов на каждый оборот коленчатого вала.
В постоянное запоминающее устройство 106 могут быть записаны машинно-читаемые данные, представляющие собой долговременно хранящиеся инструкции, исполняемые процессором 102 для реализации способов, которые будут рассмотрены ниже, а также иных вариантов, возможность существования которых предполагается, но которые конкретно не рассматриваются.
Фиг. 1 изображает систему, содержащую перемешиватель. Перемешиватель содержит три ступени. Первая ступень и третья ступень по существу идентичны по размеру и форме. Первая и третья ступени содержат внешнее кольцо и центральный конус. Внешние кольца находятся в поверхностном контакте с наружной трубой перемешивателя. Внешнее кольцо и центральный конус отделены друг от друга промежутком для течения газа. Опорные стойки физически связаны с внешним кольцом и конусом. Опорные стойки удерживают конус в центре перемешивателя. Вторая ступень расположена непосредственно после первой ступени и перед третьей ступенью. Между второй ступенью и наружной трубой перемешивателя существует промежуток. С наружной трубой перемешивателя и второй ступенью физически связаны три стойки с целью удержания второй ступени на своем месте. Упомянутый промежуток расположен непосредственно после внешнего кольца первой ступени. В середине второй ступени расположено отверстие, которое находится непосредственно после конуса первой ступени. Помимо этого, каждая из ступеней - первая ступень, вторая ступень и третья ступень - содержит перфорированные отверстия, причем перфорированные отверстия соседних ступеней концентрично смещены относительно друг друга. Таким образом, ступени перемешивателя смещены зигзагообразно, так что увеличена вероятность перемешивания отработавшего газа, протекающего через перемешиватель, по сравнению с ситуацией, когда отработавший газ проходит через выпускной трубопровод без перемешивателя. Ниже перемешиватель будет раскрыт более подробно.
Детальные изображения вышеописанного перемешивателя представлены на фиг. 2, 3А и 3В, а также 4А и 4В. Фиг. 2 изображает перемешиватель в изометрической проекции. Фиг. 3А и 3В в разрезе изображают отдельные компоненты перемешивателя, а фиг. 4А и 4В изображают вид спереди отдельных компонентов перемешивателя.
Система 200 содержит перемешиватель 201. Перемешиватель 201 содержит три секции, расположенные каскадом вдоль направления движения отработавшего газа в выпускном канале и содержащие множество перфорированных отверстий, причем перфорированные отверстия соседних секций концентрично смещены относительно друг друга. Перемешиватель 201 может быть в сущности подобен перемешивателю 68, и может быть использован в варианте осуществления, представленном на фиг. 1.
Перемешиватель 201 может представлять собой изготовленную на станке единую деталь. Перемешиватель 201 может состоять из одного или более следующих материалов: керамического материала, металлического сплава, производного соединения кремния или другого подходящего материала, способного противостоять высоким температурам. Дополнительно или как вариант перемешиватель 201 может содержать одно или более покрытий и материалов, так чтобы отработавший газ мог контактировать с поверхностями перемешивателя 201 без отложения сажи на перемешивателе 201.
Перемешиватель 201 содержит первый внешний компонент 202 перемешивателя, внутренний компонент 204 перемешивателя и второй внешний компонент 206 перемешивателя. Первый внешний компонент 202 перемешивателя расположен по направлению движения потока перед внутренним компонентом 204 перемешивателя. Второй внешний компонент 206 перемешивателя расположен по направлению движения потока после внутреннего элемента 204. Другими словами, внутренний компонент 204 перемешивателя пространственно расположен между первым внешним компонентом 202 перемешивателя и вторым внешним компонентом 206 перемешивателя. Первый внешний компонент 202 перемешивателя и второй внешний компонент 206 перемешивателя по существу идентичны по размеру, форме и функции.
Первый внешний компонент 202 перемешивателя, внутренний компонент 204 перемешивателя и второй внешний компонент 206 перемешивателя заключены внутри и физически связаны с наружной трубой 208, как показано жирной линией. Вся окружность наружной трубы 208 физически связана и находится в поверхностном контакте с частью выпускного трубопровода 210 (например, выпускного канала 48), что показано тонкой линией. Наружная труба 208 герметично и плотно посажена в выпускной трубопровод 210, так чтобы ни газ, ни жидкость не могли проходить между наружной трубой 208 и выпускным трубопроводом 210. Наружная труба 208 может быть уплотнена относительно выпускного трубопровода 210 с помощью клея или может быть с усилием вдвинута в выпускной трубопровод.
Отработавший газ, проходящий через выпускной трубопровод 210, вначале взаимодействует с первым внешним компонентом 202 перемешивателя 201. Первый внешний компонент 202 перемешивателя нарушает свободное течение отработавшего газа, чтобы увеличить вероятность смешивания отдельных составляющих отработавшего газа. Отработавший газ протекает через различные отверстия первого внешнего компонента 202 перемешивателя, прежде чем поступить к внутреннему компоненту 204 перемешивателя и второму внешнему компоненту 206 перемешивателя. Внутренний компонент 204 перемешивателя и второй внешний компонент 206 перемешивателя дополнительно воздействуют на поток отработавшего газа, чтобы дополнительно увеличить вероятность перемешивания отработавшего газа. Пример траектории течения отработавшего газа через перемешиватель 201 будет рассмотрен ниже согласно фиг. 5.
Первый внешний компонент 202 перемешивателя содержит внешнее кольцо 212. Внешнее кольцо 212 содержит стенку 211. Вся стенка 211 находится в поверхностном контакте с наружной трубой 208. Стенка 211 и наружная труба 208 герметично уплотнены друг относительно друга, так чтобы ни газ, ни жидкость не могли пройти через уплотнение.
Внешнее кольцо 212 содержит скошенную стенку. Скошенная стенка проходит от наружного диаметра 213 до внутреннего диаметра 215. Скошенная стенка наклонена так, что она направлена в сторону конуса 216 и/или в сторону промежутка 217 для течения газа, который находится в выпускном трубопроводе 210 в области ближе к его центру. Другими словами, скошенная стенка выполнена так, что внешнее кольцо 212 представляет собой вогнутый элемент. Скошенная стенка может направлять поток отработавшего газа в сторону промежутка 217, предназначенного для течения газа, и/или в сторону конуса 216.
Внешнее кольцо 212 может быть изготовлено на станке из единого листа любых походящих материалов, перечисленных выше. Таким образом, стенка 211 и скошенная стенка соединяются друг с другом только по наружному диаметру 213. Следовательно, внутренний диаметр 215 и основание стенки 211 ближайшее к внутреннему компоненту 204 перемешивателя физически не связаны дуг с другом. Другими словами, единый лист при машинной обработке может быть согнут по линии наружного диаметра 213, чтобы сформировать скошенную стенку и стенку 211 без образования основания.
Внешнее кольцо 212 дополнительно содержит внешние перфорированные отверстия 214. Внешние перфорированные отверстия 214 пересекают всю толщину внешнего кольца 212. Внешние перфорированные отверстия 214 создают путь для течения отработавшего газа через наружную периферию первого внешнего компонента 202 перемешивателя. Как показано, внешние перфорированные отверстия 214 являются эллиптическими. Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения, дополнительно или как вариант, внешние перфорированные отверстия 214 могут иметь другую подходящую форму.
Промежуток 217, предназначенный для течения газа, расположен между внешним кольцом 212 и конусом 216. Промежуток 217 дает возможность части отработавшего газа проходить сквозь первый внешний компонент 202 перемешивателя. Отработавший газ, проходящий через промежуток 217, может протекать через указанный промежуток 217, не взаимодействуя с внешним кольцом 212 или конусом 216. В ином варианте, отработавший газ, проходящий через промежуток 217, мог бы взаимодействовать с одним или более элементами -внешним кольцом 212 или конусом 216.
Конус 216 выступает из промежутка 217 и расположен вдоль центральной части первого внешнего компонента 202 перемешивателя. Конус 216 выпуклый и, следовательно, направлен навстречу направлению течения отработавшего газа. Образующая конуса 216 ориентирована в противоположном направлении или перпендикулярно относительно образующей внешнего кольца 212. Таким образом, отработавший газ, вступающий в контакт с внешним кольцом 212, может течь встречно отработавшему газу, вступающему в контакт с конусом 216. Таким образом, вероятность перемешивания увеличивается.
Конус 216 содержит внутренние перфорированные отверстия 218, расположенные вблизи края основания конуса 216. Внутренние перфорированные отверстия 218 могут пересекать соответствующую длину конуса 216, так что отработавший газ, протекающий через внутренние перфорированные отверстия, проходит сквозь конус 216. Конус 216 не содержит физического основания, чтобы уменьшить вероятность захвата газа в конусе. Поэтому, отработавший газ, протекающий через внутренние перфорированные отверстия 218, движется в направлении выхода от первого внешнего компонента 202 перемешивателя без дополнительного изменения конусом 216 или внешним кольцом 212. Отработавший газ, протекающий через внутренние перфорированные отверстия 218 конуса может смешиваться с отработавшим газом, протекающим по одному или более из двух путей - через промежуток 217 и внешние перфорированные отверстия 214.
Внешние перфорированные отверстия 214 и внутренние перфорированные отверстия 218 могут быть по существу как одинаковыми, так и не одинаковыми по размеру. Дополнительно или как вариант, размеры внешних перфорированных отверстий 214 и внутренних перфорированных отверстий 218 могут чередоваться, так что часть внешних перфорированных отверстий 214 и внутренних перфорированных отверстий 218 равны по размеру, в то время как размер отверстий у оставшейся части внешних перфорированных отверстий 214 и внутренних перфорированных отверстий 218 может быть неодинаковым. Согласно одному варианту осуществления, внешние перфорированные отверстия 214 могут быть по размеру больше, чем внутренние перфорированные отверстия 218. Таким образом, размер перфорированных отверстий может увеличиваться при удалении от центра выпускного трубопровода 210.
Внешние перфорированные отверстия 214 и внутренние перфорированные отверстия 218 могут быть радиально смещены друг относительно друга, что увеличить вероятность перемешивания составляющих отработавшего газа. Внешние перфорированные отверстия 214 и внутренние перфорированные отверстия 218 могут быть ориентированы в противоположных направлениях. Согласно одному примеру, отработавший газ, протекающий через внешние перфорированные отверстия 214, может двигаться противоположно или перпендикулярно отработавшему газу, протекающему через внутренние перфорированные отверстия 218.
Опорные стойки (например, стержни) 220А, 220В и 220С перекрывают весь промежуток 217, предназначенный для течения газа, от внутреннего диаметра 215 до основания конуса 216. Стойки 220А, 220В и 220С физически связывают внешнее кольцо 212 с конусом 216. Стойки 220А, 220В и 220С могут быть приварены к внутреннему диаметру 215 и конусу 216. По отношению к изображенным осям стойка 220А направлена на левую сторону выпускного трубопровода 210, стойка 220В направлена на верхнюю сторону выпускного трубопровода 210, а стойка 220С направлена на правую сторону выпускного трубопровода 210. Стойки 220А, 220В и 220С будут рассмотрены более подробно согласно фиг. 4.
Фиг. 4А представляет вид спереди первого внешнего компонента 202 перемешивателя, содержащего внешнее кольцо 212, конус 216 и промежуток 217, предназначенный для течения газа. Наружная труба 208 представлена штриховой линией. Внешнее кольцо 212 соединено с конусом 216 посредством стоек 220А, 220В и 220С, о чем говорилось выше. Стойки 220А, 220В и 220С равномерно распределены по окружности с интервалом 120°, и направлены к левой, верхней и правой сторонам наружной трубы 208 соответственно. Как показано, число внешних перфорированных отверстий 214 превышает число внутренних перфорированных отверстий 218. В некоторых вариантах осуществления число внешних перфорированных отверстий 214 может быть равно числу внутренних перфорированных отверстий 218.
Отработавший газ, движущийся в направлении первого внешнего компонента 202 перемешивателя, может протекать только через внешние перфорированные отверстия 214, внутренние перфорированные отверстия 218 и промежуток 217, чтобы пройти дальше по ходу выпускного трубопровода. Как говорилось выше, внутренний компонент 204 перемешивателя расположен по направлению движения потока после первого внешнего компонента 202 перемешивателя. Отработавший газ, проходящий через первый внешний компонент 202 перемешивателя, движется в направлении внутреннего компонента 204 перемешивателя, чтобы подвергнуться дополнительному перемешиванию.
Согласно фиг. 2, у внутреннего компонента 204 перемешивателя имеется периферический диаметр 222 и меньший диаметр 224 (например, указанный меньший диаметр является наименьшим диаметром внутреннего компонента 204 перемешивателя). Внутренний компонент 204 перемешивателя напоминает срезанный на конус тороид. Более конкретно, внутренний компонент 204 перемешивателя содержит внешнюю конусную поверхность 226 и внутреннюю конусную поверхность 228. Угол внутренней конусной поверхности 228 такой, что ее образующая параллельна образующей скошенной поверхности внешнего кольца 212. Угол внешней конусной поверхности 226 такой, что ее образующая параллельна образующей конуса 216, и ее наклон противоположен наклону внутренней конусной поверхности 228.
Согласно одному варианту осуществления, угол между наружной трубой 208 и внешним кольцом 212 первого внешнего компонента 202 перемешивателя может быть равен 40±5°. Внутренний угол конуса 216 (например, угол, который образован вершиной конуса 216 и обращен к внутреннему компоненту 204 перемешивателя) первого внешнего компонента 202 перемешивателя может быть равным 60±5°. Угол между внутренней конусной поверхностью 228 и внешней конусной поверхностью 226 внутреннего компонента 204 перемешивателя может быть равен 60±5°. Другими словами, угол конуса 216 и угол между внутренней конусной поверхностью 228 и внешней конусной поверхностью 226 могут быть по существу равными. Более того, углы, которые были рассмотрены для первого внешнего компонента перемешивателя могут быть по существу равны (например, в пределах 5°) углам второго внешнего компонента 206 перемешивателя. Специалистам в данной области должно быть понятно, что величины указанных углов могут быть изменены на другие адекватные величины в зависимости от геометрии выпускного тракта, конструкции двигателя и т.п.
Верхние части обеих поверхностей - наружной конусной поверхности 226 и внутренней конусной поверхности 228 - в той части внутреннего компонента 204 перемешивателя, которая находится выше всего по течению газа, примыкают друг к другу над средним диаметром внутреннего компонента 204 перемешивателя. Нижние части наружной конусной поверхности 226 и внутренней конусной поверхности 228 в той части внутреннего компонента 204 перемешивателя, которая находится ниже всего по течению газа, не примыкают друг к другу (т.е. отведены одна от другой). Поэтому, наружная конусная поверхность 226 и внутренняя конусная поверхность 228 находятся дальше всего друг от друга в части внутреннего компонента 204 перемешивателя (т.е. в области основания внутреннего элемента перемешивателя), которая находится дальше всего от первого внешнего компонента 202 перемешивателя, и ближе всего ко второму внешнему компоненту 206 перемешивателя. Таким образом, как показано, часть внутреннего компонента 204 перемешивателя, ближайшая к первому внешнему компоненту 202 перемешивателя, является более узкой, чем нижняя часть внутреннего компонента 204 перемешивателя.
Меньший диаметр 224 окружает отверстие 230 в середине внутреннего компонента 204 перемешивателя. По меньшей мере часть отработавшего газа проходит через отверстие 230. Отверстие 230 может принимать отработавший газ, протекающий через любой из компонентов первого внешнего компонента 202 перемешивателя.
Периферический диаметр 222 окружен промежутком 232, предназначенным для протекания газа, который расположен между периферическим диаметром 222 и наружной трубой 208. Опорные стойки 234А, 234В и 234С могут быть приварены к периферическому диаметру 222 и наружной трубе 208. Стойки 234А, 234В и 234С перекрывают всю ширину промежутка 232 от периферического диаметра 222 до наружной трубы 208. Стойки 234А, 234В и 234С расположены отстоящими друг от друга на 120°, и в результате промежуток 232 разделен на три по существу равные части. Стойка 234А направлена к левой стороне выпускного трубопровода 210, стойка 234В направлена к верхней стороне выпускного трубопровода 210, а стойка 234С направлена к правой стороне выпускного трубопровода в целях поддержания внутреннего компонента 204 перемешивателя. По меньшей мере часть отработавшего газа, проходящего через перемешиватель 201, протекает через промежуток 232.
Внутренний компонент 204 перемешивателя дополнительно содержит периферические перфорированные отверстия 236, которые расположены на внешней конусной поверхности 226 вблизи периферического диаметра 222. Аналогично, внутренняя конусная поверхность 228 содержит внутренние перфорированные отверстия 238, расположенные вблизи меньшего диаметра 224. Периферические перфорированные отверстия 236 и внутренние перфорированные отверстия 238 могут быть по существу равными или неравными, как по размеру, так и по форме. Например, периферические перфорированные отверстия 236 могут быть больше, чем внутренние перфорированные отверстия 238. Периферические перфорированные отверстия 236 и внутренние перфорированные отверстия 238 могут быть радиально выровненными или радиально смещенными. Таким образом, отработавший газ может в большей степени подвергаться возмущениям, что может увеличить вероятность перемешивания.
Отработавший газ, проходящий через внутренний компонент 204 перемешивателя, может попадать на внешнюю конусную поверхность 226, в периферические перфорированные отверстия 236, во внутренние перфорированные отверстия 238, на внутреннюю конусную поверхность 228, в промежуток 232, в отверстие 230 и на стойки 234А, 234В и 234С. Весь отработавший газ, протекающий через внутренний компонент 204 перемешивателя, проходит только через промежуток 232, отверстие 230, периферические перфорированные отверстия 236 и внутренние перфорированные отверстия 238.
На фиг. 4В представлен вид спереди внутреннего компонента 204 перемешивателя. Как показано, наружная конусная поверхность 226 и внутренняя конусная поверхность 228 по существу равны по ширине. Стойки 234А, 234В и 234С ориентированы в направлениях параллельных стойкам 220А, 220В и 220С, соответственно. Периферический диаметр 222 по существу равен внутреннему диаметру 215 внешнего кольца 212 первого внешнего компонента 202 перемешивателя. Меньший диаметр 224 по существу равен наибольшему диаметру конуса 216. Разность между периферическим диаметром 222 и меньшим диаметром 224 по существу равна длине стоек 220А, 220В и 220С. В некоторых вариантах осуществления диаметр конуса 216 может быть больше, чем меньший диаметр 224. Специалистам в данной области должно быть понятно, что упомянутые выше длины могут быть изменены на другие подходящие длины, так чтобы компоненты перемешивателя 201 оставались расположенными зигзагообразно друг относительно друга в целях увеличения вероятности смешивания.
Второй внешний компонент 206 перемешивателя идентичен первому внешнему компоненту 202 перемешивателя. Конструкция, размер и расположение внешнего кольца 240, стенки 241, внешних перфорированных отверстий 242, внешнего диаметра 244, внутреннего диаметра 246, промежутка 248, предназначенного для течения газа, конуса 250, внутренних перфорированных отверстий 252 и опорных стоек 254А, 254В и 254С второго внешнего компонента 206 перемешивателя идентичны конструкции, размеру и расположению таких же компонентов в первом внешнем компоненте 202 перемешивателя.
Перфорированные отверстия первого внешнего компонента 202 перемешивателя могут быть концентрично смещены относительно перфорированных отверстий внутреннего компонента 204 перемешивателя и второго внешнего компонента 206 перемешивателя. Дополнительно или как вариант, перфорированные отверстия внутреннего компонента 204 перемешивателя могут быть концентрично смещены относительно перфорированных отверстий второго внешнего компонента 206 перемешивателя. В результате увеличивается вероятность перемешивания отработавшего газа.
Согласно одному примеру осуществления изобретения, течение отработавшего газа, проходящего через выпускной трубопровод, изменяется посредством первого внешнего компонента 202 перемешивателя. Отработавший газ может попадать на поверхности первого внешнего компонента 202 перемешивателя (например, внешнее кольцо 212 или конус 216) и отражаться под разными углами, Отработавший газ может также проходить сквозь внешние перфорированные отверстия 214, внутренние перфорированные отверстия 218 и промежуток 217, предназначенный для течения газа. Отработавший газ, проходящий через внешние перфорированные отверстия 214, внутренние перфорированные отверстия 218 и промежуток 217, может вступать в контакт с поверхностями первого внешнего компонента 202 перемешивателя. Перед внутренним компонентом 204 перемешивателя, первая часть отработавшего газа, проходящая через первый внешний компонент 202 перемешивателя, может сталкиваться и взаимодействовать со второй частью отработавшего газа, проходящей через первый внешний компонент 202 перемешивателя. Таким образом, перемешивание отработавшего газа усиливается.
Отработавший газ, который прошел через первый внешний компонент 202 перемешивателя, движется в направлении внутреннего компонента 204 перемешивателя, и взаимодействует с ним. Отработавший газ, проходящий через промежуток 217 может с повышенной вероятностью попасть на один или более из следующих элементов: внешнюю конусную поверхность 226 и внутреннюю конусную поверхность 228. Отработавший газ, проходящий сквозь внешние перфорированные отверстия 214, может с повышенной вероятностью попасть на внешнюю конусную поверхность 226. И наоборот, отработавший газ, проходящий сквозь внутренние перфорированные отверстия 218, может с повышенной вероятностью попасть на внутреннюю конусную поверхность 228.
Отработавший газ протекает через промежуток 232, отверстие 230, периферические перфорированные отверстия 236, и внутренние перфорированные отверстия 238, чтобы пройти ко второму внешнему компоненту 206 перемешивателя. Второй внешний компонент 206 перемешивателя вносит последнее возмущение в движение отработавшего газа, прежде чем направить поток отработавшего газа к последующим компонентам выпускного трубопровода 210.
На фиг. 2 представлен вид сбоку перемешивателя 201, в то время как на фиг. 3А и 3В, 4А и 4В представлены виды сбоку и спереди первого внешнего компонента 202 перемешивателя и внутреннего компонента 204 перемешивателя, соответственно. Фиг. 5 изображает пример течения отработавшего газа, взаимодействующего с перемешивателем. Перемешиватель содержит три секции, расположенные каскадом вдоль направления течения отработавшего газа в выпускном канале. Первая и вторая внешние секции содержат соответствующие множества перфорированных отверстий, которые аксиально выровнены вдоль направления движения потока отработавшего газа, при этом средняя секция содержит множество перфорированных отверстий, которые аксиально смещены относительно соответствующих множеств перфорированных отверстий первой и второй внешних секций.
На фиг. 5 в виде системы 500 изображен выпускной трубопровод 502, который направляет отработавший газ к перемешивателю 504 отработавшего газа. Система 500 носит иллюстративный характер и представляет один пример течения отработавшего газа через перемешиватель 504. Специалистам в данной области должно быть понятно, что могут быть реализованы другие виды течения отработавшего газа через перемешиватель в зависимости от нагрузки двигателя, температуры отработавшего газа и т.п. Например, когда температура отработавшего газа увеличивается, интенсивность перемешивания в перемешивателе 504 может увеличиваться вследствие роста скорости потока отработавшего газа.
Согласно одному варианту осуществления, перемешиватель 504 отработавшего газа системы 500 может быть по существу аналогичен перемешивателю 201 фиг. 2 и/или перемешивателю 68 фиг. 1. Фиг. 5 представляет вид сбоку перемешивателя 504 в виде схемы конструкции перемешивателя 504 и его компонентов. Как показано, перемешиватель 504 обладает сложным поперечным профилем, предусмотренным для увеличения интенсивности перемешивания составляющих потока отработавшего газа. Линия 501 отображает осевую линию выпускного трубопровода 502, и для иллюстрации отделяет верхнюю часть 503А от нижней части 503В выпускного трубопровода 502.
Выпускной трубопровод 502 (например, выпускной канал 48) имеет в своем составе перемешиватель 504 отработавшего газа. Перемешиватель 504 отработавшего газа физически связан с выпускным трубопроводом 502 посредством трубы 506 перемешивателя, как это было описано ранее. Выпускной трубопровод 502 целиком вмещает в себя перемешиватель 504 отработавшего газа и трубу 506 перемешивателя.
2
2
Отработавший газ, проходящий по выпускному трубопроводу 502, содержит различные вещества. Как показано на фиг. 5, первое вещество представлено сплошной линией со стрелкой, второе вещество представлено крупноштриховой линией со стрелкой, третье вещество представлено среднештриховой линией со стрелкой, четвертое вещество представлено мелкоштриховой линией со стрелкой, пятое вещество представлено штрих-пунктирной линией с одной точкой и со стрелкой, а шестое вещество представлено штрих-пунктирной линией с двумя точками и со стрелкой. Средние штрихи меньшекрупных штрихов, но больше мелких штрихов. Различными веществами в отработавшем газе могут являться одно или более из следующих веществ: кислород, CO, сажа, топливо, мочевина, N и т.п. Направления движения компонентов отработавшего газа показаны стрелками.
Отработавший газ перед перемешивателем 504 весьма неоднороден. Шесть изображенных компонентов отработавшего газа существуют раздельно. По достижении перемешивателя 504 отработавший газ взаимодействует с первой внешней частью 508 (например, первой частью внешнего компонента 202 перемешивателя) перемешивателя 504 отработавшего газа. Отработавший газ проходит через различные компоненты первой внешней части 508 и взаимодействует с ними, прежде чем пройти к средней части 510.
Средняя часть 510 также взаимодействует с отработавшим газом и дает возможность отработавшему газу пройти через многочисленные отверстия, чтобы поступить далее ко второй внешней части 512. Вторая внешняя часть 512 взаимодействует с отработавшим газом по существу идентично первой внешней части 508. Отработавший газ проходит через отверстия второй внешней части 512, и течет далее к различным устройствам выпускного трубопровода 502. Фиг. 7, 8 и 9 изображают варианты осуществления различных устройств, расположенных после перемешивателя 504. Ниже будет рассмотрен пример течения отработавшего газа через перемешиватель 504 относительно конкретных компонентов перемешивателя 504.
Когда отработавший газ начинает поступать в перемешиватель 504, первое вещество, второе вещество и третье вещество отклоняются к верхней половине 503А частью внешнего кольца 516А и конуса 520 первой внешней части 508. Внешнее кольцо 516А является вогнутым элементом, в то время как конус 520 является выпуклым элементом. Поэтому отработавший газ в верхней половине 503А направляется к верхнему промежутку 514А. Аналогично, четвертое вещество, пятое вещество и шестое вещество отклоняются к нижней половине 503В частью внешнего кольца 516В и конуса 520. Вершина конуса 520 расположена в центре выпускного трубопровода 502, и направляет отработавший газ верхней половины 503А к промежутку 514А, а отработавший газ нижней половины 503В к промежутку 514В.
Как показано, склон (т.е. скос) конуса 520 в верхней половине 503А направлен под углом к склону (т.е. скосу) внешнего кольца 516А. Поэтому часть отработавшего газа, движущаяся в направлении промежутка 514А, может столкнуться с другими частями отработавшего газа, которые движутся в направлении промежутка 514А, и начать движение в различных направлениях.
Аналогично, склон (т.е. скос) конуса 520 в нижней половине 503В направлен под углом к склону (т.е. скосу) внешнего кольца 516В. Поэтому часть отработавшего газа, движущаяся в направлении промежутка 514В, может столкнуться с другими частями отработавшего газа, которые движутся в направлении промежутка 514В, и начать движение в различных направлениях.
Хотя это и не показано, часть отработавшего газа может протекать через внешние перфорированные отверстия 518А и внешние перфорированные отверстия 518В, которые расположены в верхней половине 503А и нижней половине 503В, соответственно. Отработавший газ, протекающий через внешние перфорированные отверстия 518А, может двигаться под углом к отработавшему газу, который проходит через промежуток 514А. Аналогично, отработавший газ, протекающий через внешние перфорированные отверстия 518В, может двигаться под углом к отработавшему газу, который проходит через промежуток 514В.
Кроме того, часть отработавшего газа может проходить через внутренние перфорированные отверстия 522А и внутренние перфорированные отверстия 522В, расположенные соответственно в верхней половине 503А и в нижней половине 503В. Отработавший газ, протекающий через внутренние перфорированные отверстия 522А, может проходить под углом к отработавшему газу, протекающему через промежуток 514А. Аналогично, отработавший газ, протекающий через внутренние перфорированные отверстия 522В, может проходить под углом к отработавшему газу, протекающему через промежуток 514В.
Поток отработавшего газа может также столкнуться с трубой 506 перемешивателя, чтобы еще раз изменить направление своего движения. Таким образом, поток отработавшего газа может быть изотропным, а вероятность перемешивания увеличивается.
Отработавший газ проходит через отверстия первой внешней части 508 (например, внутренние перфорированные отверстия 522А и 522В, и промежутки 514А и 514В), и попадает в среднюю часть 510. Средняя часть 510 содержит внешние конусные поверхности 524А и 524В и внутренние конусные поверхности 526А и 526В, расположенные в верхней половине 503А и нижней половине 503В. Внешняя конусная поверхность 524А физически связана с внутренней конусной поверхностью 526А в верхней половине 503А непосредственно после промежутка 514А. Внешняя конусная поверхность 524А и внутренняя конусная поверхность 526А направлены в сторону промежутка 514А в точке контакта внешней конусной поверхности 524А и внутренней конусной поверхности 526А. Внешняя конусная поверхность 524В и внутренняя конусная поверхность 526В по существу идентичны внешней конусной поверхности 524А и внутренней конусной поверхности 526В, соответственно. Следовательно сегмент средней части 510 в верхней половине 503А по существу идентичен сегменту средней части 510 в нижней половине 503В.
Сегмент средней части 510 в границах внутренней конусной поверхности 526А и 526В является вогнутым, при этом указанная граница перекрывает отрезок от точки, где физически соединяются внешняя конусная поверхность 524А и внутренняя конусная поверхность 526А, до точки, где физически соединяются внешняя конусная поверхность 524В и внутренняя конусная поверхность 526В. Таким образом, отработавший газ, проходящий внутри вогнутой границы может протекать через перфорированные отверстия 530А и 530В внутренней конусной поверхности и отверстие 525. Согласно одному примеру, первое вещество, второе вещество, третье вещество, четвертое вещество, пятое вещество и шестое вещество могут все проходить через перфорированные отверстия 530А и 530В внутренней конусной поверхности и через отверстие 525. Будучи направленными первой внешней частью 508, потоки первого вещества, второго вещества и третьего вещества движутся параллельно друг другу и встречно/перпендикулярно потокам четвертого вещества, пятого вещества и шестого вещества.
Сегмент средней части 510 между трубой 506 перемешивателя и внешними конусными поверхностями 524А и 524В является выпуклым. Поток отработавшего газа, набегающий на выпуклый сегмент средней части 510 в верхней половине 503А, может проходить через промежуток 523А и перфорированные отверстия 528А внешней конусной поверхности. Аналогично, поток отработавшего газа, набегающий на выпуклый сегмент средней части 510 в нижней половине 503В, может проходить через промежуток 523В и перфорированные отверстия 528В внешней конусной поверхности.
Согласно одному примеру, отработавший газ, протекающий через промежуток 523А или перфорированные отверстия 528А внешней конусной поверхности, может содержать первое, второе и третье вещества, а отработавший газ, протекающий через промежуток 523В или перфорированные отверстия 528В внешней конусной поверхности, может содержать четвертое, пятое и шестое вещества.
Отработавший газ, прошедший через отверстия в средней части 510 (например, промежутки 523А и 523В, перфорированные отверстия 528А и 528В внешней конусной поверхности, перфорированные отверстия 530А и 530В внутренней конусной поверхности, и отверстие 525), поступает во вторую внешнюю часть 512.
Вторая внешняя часть 512 по существу идентична первой внешней части 508. Части внешнего кольца 532А и 532В, внешние перфорированные отверстия 534А и 534В, промежутки 531А и 531В, конус 536 и перфорированные отверстия 538А и 538В конуса по существу идентичны соответствующим компонентам первой внешней части 508. Отработавший газ может быть перенаправлен способом аналогичным способу, который был рассмотрен для первой внешней части 508. Как показано в примере фиг. 5, некоторая часть первого вещества, второго вещества, третьего вещества, четвертого вещества, пятого вещества и шестого вещества проходит через обе половины - верхнюю половину 503А и нижнюю половину 503В. Таким образом, поток отработавшего газа после перемешивателя 504 становится в 2 раза более однородным, чем поток отработавшего газа перед перемешивателем 504. Отработавший газ, прошедший через вторую внешнюю часть 512, поступает к различным устройствам, расположенным после перемешивателя 504.
Согласно одному варианту осуществления, дополнительно или как вариант, перемешиватель 504 с первой внешней частью 508, средней частью 510 и второй внешней частью 512 может изменять течение отработавшего газа способом, который по существу аналогичен принципу действия доски Гальтона. Согласно одному примеру, перемешиватель 504 может направлять большинство составляющих/веществ отработавшего газа к центру выпускного трубопровода 502 (т.е распределение составляющих отработавшего газа по сечению выпускного трубопровода после перемешивателя 504 может напоминать нормальное/биномиальное распределение). Таким образом, степень перемешивания составляющих отработавшего газа увеличивается, когда увеличивается вероятность того, что различные составляющие потока окажутся вместе в центральной части выпускного трубопровода 502.
Фиг. 5 изображает пример течения отработавшего газа через перемешиватель, расположенный в выпускном трубопроводе. Фиг. 6 в разрезе изображает выпускной трубопровод и перемешиватель, который был описан выше согласно фиг. 2 и 5.
Фиг. 6 в виде системы 600 изображает перемешиватель 602, расположенный в выпускном трубопроводе 604. Согласно одному варианту осуществления, перемешиватель 602 системы 600 может быть по существу аналогичным перемешивателю 201 фиг. 2 и/или перемешивателю 68 фиг. 1. Для наглядности наружная труба перемешивателя на фигуре не показана.
Перемешиватель 602 содержит входную секцию 606, среднюю секцию 608 и выходную секцию 610. Входная секция 606 и выходная секция 610 идентичны. Средняя секция 608 расположена между входной секцией 606 и выходной секцией 610. Входная секция 606 по существу идентична первому внешнему компоненту 202 перемешивателя. Средняя секция 608 по существу идентична внутреннему компоненту 204 перемешивателя. Выходная секция 610 по существу идентична второму внешнему компоненту 206 перемешивателя.
Входная секция 606 и выходная секция 610 каждая содержит перфорированную кольцевую стенку, наклоненную в направлении потока и внутрь (т.е. вогнутую поверхность). Перфорированный, направленный встречно потоку конус (т.е. выпуклая поверхность) по вертикали совмещен с кольцевой стенкой, как во входной, так и в выходной секциях 606 и 610. Средняя секция 608 находится между входной секцией 606 и выходной секцией 610. Средняя секция 608 содержит перфорированную кольцевую структуру треугольного сечения.
Входная секция 606, средняя секция 608 и выходная секция 610 полностью отделены друг от друга, но все связаны друг с другом посредством трубы, в которой закреплен перемешиватель 602. Перемешиватель 602 содержит свободные промежутки между секциями - входной секцией 606, средней секцией 606 и выходной секцией 610. Указанные свободные промежутки не содержат никаких других элементов перемешивателя и представляют собой свободное пространство. Входная секция 606, средняя секция 608 и выходная секция 610 коаксиальны и симметричны относительно центральной продольной оси 601. Перфорированные отверстия каждой из секций - входной секции 606, средней секции 608 и выходной секции 610 - представляют собой сквозные отверстия, через которые может протекать отработавший газ.
Внутренние диаметры кольцевых стенок входной секции 606 и выходной секции 610 совмещены в продольном направлении с наружным диаметром кольцевой структуры средней секции 608. Например, внутренний диаметр входной секции 606 может быть определен путем измерения расстояния от самой внутренней точки кольцевой стенки до другой соответствующей самой внутренней точки кольцевой стенки через центральную ось 601. Наружный диаметр кольцевой структуры средней секции 608 может быть определен путем измерения расстояния от точки кольцевой структуры ближайшей к выпускному трубопроводу 604 до соответствующей точки кольцевой структуры ближайшей к противоположной части выпускного трубопровода 604 через центральную ось 601. Другими словами, наружным диаметром является наибольший диаметр соответствующего компонента, а внутренним диаметром является наименьший диаметр соответствующего компонента.
По наружному диаметру к каждой из кольцевых стенок входной и выходной секций 606 и 610 примыкает цилиндрическая внешняя стенка, которая связана с кольцевой стенкой и находится в поверхностном контакте с внутренней поверхностью трубы, в которой закреплен перемешиватель. Наружный диаметр каждой перфорированной кольцевой стенки входной секции 606 и выходной секции 610 примыкает к внутренней стенке, к которой прикреплен перемешиватель 602. Перфорированная кольцевая стенка либо входной секции 606, либо выходной секции 610 связана с соответствующим перфорированным, выступающим навстречу потоку конусом посредством одной или более опорных стоек (например, трех стержней). Наиболее выступающая навстречу потоку точка каждого из выступающих навстречу потоку конусов располагается на центральной оси 601.
Внутренний диаметр кольцевой структуры средней секции 608 в продольном направлении совмещен с наружным диаметром каждого из выступающих навстречу потоку конусов входной секции 606 и выходной секции 610. По наружному диаметру кольцевая структура средней секции 608 по всей своей внешней окружности полностью отстоит от любой точки внутренней стенки трубы, в которой закреплен перемешиватель 602.
Стрелки указывают общее направление движения отработавшего газа, проходящего через выпускной трубопровод 604 и через различные промежутки и/или перфорированные отверстия перемешивателя 602. Как показано, участки перемешивателя расположены в шахматном порядке аналогично доске Гальтона. Например, отработавший газ, проходящий через отверстие входной секции 606, имеет повышенную вероятность взаимодействия с поверхностью средней секции 608. В общем, конусные поверхности и перфорированные отверстия входной секции 606, средней секции 608 и выходной секции 610 уменьшают вероятность того, что отработавший газ в выпускном трубопроводе 604 окажется неперемешанным.
На фиг. 6 показаны стрелки сечения, иллюстрирующие сечение, изображенное на фиг. 10. Фиг. 10 изображает вид сбоку сечения, дополнительно отображающего конструкцию перемешивателя. Система 1000 включает в себя выпускной трубопровод 1002, трубу 1004 перемешивателя и перемешиватель 1006 отработавшего газа, содержащий первую секцию 1008, вторую секцию 1010 и третью секцию 1012. Выпускной трубопровод 1002, перемешиватель 1006 отработавшего газа, первая секция 1008, вторая секция 1010 и третья секция 1012 могут быть по существу идентичными выпускному трубопроводу 604, перемешивателю 602, входной секции 606, средней секции 608 и выходной секции 610, соответственно, представленным на фиг. 6. Согласно одному варианту осуществления, перемешиватель 1006 системы 1000 может быть по существу аналогичен перемешивателю 201 фиг. 2 и/или перемешивателю 68 фиг. 1.
Как показано, первая секция 1008, вторая секция 1010 и третья секция 1012 не содержат сплошного основания, о чем говорилось ранее. Например, в сечении каждая секция имеет форму по существу аналогичную шеврону. Сквозные отверстия расположены на участках каждой секции, позволяя отработавшему газу проходить сквозь секции. Отработавший газ, проходящий через сквозные отверстия первой секции 1008, второй секции 1010 и третьей секции 1012, поступает в свободный промежуток, расположенный непосредственно после каждой из секций, чтобы продолжить свое движение по выпускному трубопроводу 1002.
На фиг. 7 в виде системы 700 представлен вариант осуществления перемешивателя 706, расположенного после сажевого фильтра 702 и перед сажевым датчиком 708. Сажевый датчик 708 может посылать сигналы в контроллер (например, контроллер 12 фиг. 1), чтобы можно было соответствующим образом перестраивать различные исполнительные органы двигателя. Например, если сажевый датчик обнаруживает уровень сажи, превосходящий пороговый уровень сажи, то контроллер 12 может уменьшить выходной крутящий момент двигателя автомобиля, так чтобы сократить выброс сажи. Согласно одному варианту осуществления, перемешиватель 706 эквивалентен перемешивателю 68, использованному в конструкции, изображенной на фиг. 1.
Сажевый фильтр 702 по направлению движения потока расположен перед перемешивателем 706. В результате, поток отработавшего газа, принимаемый сажевым фильтром 702, может иметь увеличенную неоднородность по сравнению с отработавшим газом, протекающим через перемешиватель (например, перемешиватель 706), о чем говорилось выше. Сажевый фильтр 702 выпускает отработавший газ в выходной конус 704 сажевого фильтра, расположенный перед перемешивателем 706. Отработавший газ, втекающий в перемешиватель 706, подвергается перемешиванию в сущности аналогичному перемешиванию, которое было рассмотрено в соответствии с фиг. 5. Отработавший газ после перемешивателя 706 имеет повышенную однородность по сравнению с отработавшим газом на входе перемешивателя 706. Поток отработавшего газа анализируется сажевым датчиком 708, чтобы определить количество сажи, проходящее через сажевый фильтр 702. В силу расположения сажевого датчика только часть потока отработавшего газа может быть проанализирована. Увеличение однородности увеличивает точность показаний сажевого датчика 708.
На фиг. 8 в виде системы 800 представлен выпускной трубопровод 802 с форсункой 804 впрыска мочевины. Форсунка 804 впрыска мочевины расположена перед перемешивателем 806. Перемешиватель 806 расположен перед селективным восстановливающим катализатором (СКВ) 808. Таким образом, мочевина может смешиваться с отработавшим газом, так чтобы смесь отработавшего газа/мочевины была более однородной, чем, если бы поток не проходил через перемешиватель 806. За счет увеличения интенсивности перемешивания мочевины с отработавшим газом обволакивание мочевиной поверхностей СКВ 808 может быть более равномерным, и тем самым может быть увеличена эффективность нейтрализации. Система 800 может быть использована в варианте осуществления, изображенном на фиг. 1. В таком примере перемешиватель 806 по существу эквивалентен перемешивателю 68, при этом форсунка 804 впрыска мочевины расположена после газового - датчика 126 и перед перемешивателем 68. СКВ 808 эквивалентно устройству 70 снижения выбросов или расположено внутри устройства 70.
На фиг. 9 в виде системы 900 изображен двигатель 902, который имеет газовую связь с выпускным трубопроводом 904. Двигатель 902 может быть по существу аналогичен двигателю 10 фиг. 1. Двигатель 902 выбрасывает отработавший газ в выпускной трубопровод 904 после сгорания топливной смеси. Отработавший газ проходит по выпускному трубопроводу 904, прежде чем достигнуть перемешивателя 906. Отработавший газ подвергается перемешиванию в перемешивателе 906, прежде чем подойти к газовому датчику 908, расположенному после перемешивателя. Газовый датчик 908 может быть по существу идентичен газовому датчику 126 фиг. 1. Таким образом, газовый датчик 908 может производить точное измерение отработавшего газа благодаря увеличению однородности. Например, если газовый датчик 908 является датчиком УДКОГ, то измерение воздушно-топливного отношения можно выполнять более точно, чем при помощи того же датчика УДКОГ при неперемешанном отработавшем газе.
Таким образом, компактный, простой в изготовлении перемешиватель может быть размещен перед различными компонентами выпускной системы в целях увеличения точности показаний датчика или в целях увеличения эффективности работы устройств дополнительной обработки отработавшего газа. За счет зигзагообразного расположения первого компонента, второго компонента и третьего компонента перемешивателя, выполнения на ступенях перемешивателя перфорированных отверстий и организации промежутков, взаимодействующих друг с другом, увеличивается вероятность перемешивания отработавшего газа. Дополнительно, за счет изготовления каждого компонента перемешивателя, как отдельного узла, увеличивается прочность перемешивателя, так что, когда отработавший газ проходит через элементы перемешивателя, элементы не вибрируют и/или не дребезжат. Таким образом, данный перемешиватель может быть более тихим, чем другие перемешиватели, содержащие более длинные элементы. Технический эффект помещения перемешивателя отработавшего газа в выпускной трубопровод заключается в повышении однородности смеси отработавшего газа, так что могут быть повышены функциональные качества элементов, которые расположены после перемешивателя.
Перемешиватель отработавшего газа содержит входную и выходную секции, каждая из которых содержит перфорированную кольцевую стенку, наклоненную в направлении потока и внутрь, и перфорированный направленный навстречу потоку конус, который по вертикали совмещен с кольцевой стенкой. Перемешиватель дополнительно содержит среднюю секцию между входной и выходной секциями, содержащую перфорированную кольцевую структуру треугольного сечения. Внутренние диаметры кольцевых стенок входной и выходной секций совмещены в продольном направлении с наружным диаметром кольцевой структуры средней секции. Внутренний диаметр кольцевой структуры средней секции совмещен в продольном направлении с наружным диаметром каждого из направленных навстречу потоку конусов входной и выходной секций. Перфорированная кольцевая стенка связана с перфорированным направленным навстречу потоку конусом посредством одного или более стержней.
Перемешиватель отработавшего газа дополнительно отличается тем, что к наружному диаметру каждой из кольцевых стенок входной и выходной секций примыкает цилиндрическая внешняя стенка, которая связана с кольцевой стенкой, и поверхность которой находится в контакте с внутренней поверхностью трубы, в которой закреплен перемешиватель. Перемешиватель отработавшего газа отличается тем, что каждая секция полностью отделена от каждой другой секции, и связана с другими секциями только посредством трубы, в которой закреплен перемешиватель. Промежутки между секциями в продольном направлении параллельно направлению движения отработавшего газа свободны от каких-либо других элементов перемешивателя и представляют собой только свободное пространство. По наружному диаметру кольцевая структура средней секции по всей своей внешней окружности полностью отстоит от любой точки внутренней стенки трубы, в которой закреплен перемешиватель, при этом каждый наружный диаметр каждой перфорированной кольцевой стенки входной секции и выходной секции примыкает к указанной внутренней стенке,. Перфорированные отверстия представляют собой сквозные отверстия, через которые проходит отработавший газ. Наиболее выступающая навстречу потоку точка каждого из выступающих навстречу потоку конусов располагается на центральной продольной оси трубы, в которой закреплен перемешиватель. Входная секция, средняя секция и выходная секция коаксиальны и симметричны относительно центральной продольной оси.
Перемешиватель отработавшего газа, дополнительно или как вариант, содержит три секции, расположенные каскадом вдоль направления движения отработавшего газа в выпускном канале, и содержит множество перфорированных отверстий, при этом соответствующие перфорированные отверстия соседних секций концентрично смещены относительно друг друга. Указанные три секции включают в себя первую секцию и третью секцию, содержащие выпуклую выступающую часть, прикрепленную к внешнему кольцу первой секции, и вторую секцию, содержащую внешнюю конусную поверхность и внутреннюю конусную поверхность. Первая секция и третья секция дополнительно содержат перфорированные отверстия на своих внешних кольцах и выпуклой выступающей части, причем вторая секция содержит перфорированные отверстия на внешней конусной поверхности и внутренней конусной поверхности. Размер перфорированных отверстий первой, второй и третьей секций увеличивается при удалении от центра выпускного канала.
Вторая секция расположена между первой и третьей секциями. Перемешиватель отработавшего газа расположен по направлению движения газа после форсунки впрыска мочевины и перед устройством селективного каталитического восстановления. Дополнительно или как вариант, перемешиватель отработавшего газа расположен перед одним или более из следующих устройств: датчиком отработавшего газа и сажевым датчиком. Указанные три секции в поперечном сечении имеют сложный профиль. Перемешиватель отработавшего газа перенаправляет поток отработавшего газа так, что после перемешивателя направление течения отработавшего газа является изометрическим. Первая секция и третья секция находятся в поверхностном контакте с наружной трубой перемешивателя. Наружная труба перемешивателя физически связана с выпускным трубопроводом.
Согласно одному варианту осуществления, перемешиватель отработавшего газа, дополнительно или как вариант, содержит три секции, расположенные каскадом вдоль направления движения отработавшего газа, при этом первая и вторая внешние секции содержат соответствующие множества перфорированных отверстий, которые аксиально выровнены друг с другом в направлении движения отработавшего газа, а средняя секция содержит множество перфорированных отверстий, которые аксиально смещены относительно соответствующих множеств отверстий первой и второй внешних секций. Первая и вторая внешние секции содержат внешнее кольцо и конус, при этом конус представляет собой выпуклый элемент, а внешнее кольцо вогнутый элемент. Промежуток, предназначенный для течения газа, отделяет внешнее кольцо от конуса, при этом указанный промежуток содержит три опорные стойки, равномерно распределенные по окружности, и физически связанные с внешним кольцом и с конусом.
Средняя секция перемешивателя отработавшего газа содержит внешнюю конусную поверхность и внутреннюю конусную поверхность, причем внешняя конусная поверхность и внутренняя конусная поверхность примыкают друг к другу в части средней секции, которая направлена навстречу потоку газа, и разнесены друг от друга в части средней секции, которая направлена в сторону движения потока газа. Внутренняя конусная поверхность окружает отверстие средней секции, при этом указанное отверстие и внутренняя конусная поверхность образуют вогнутый элемент. Первая и вторая внешние секции находятся в поверхностном контакте с трубой перемешивателя, а вторая секция физически связана с трубой перемешивателя посредством трех опорных стоек, равномерно распределенных по окружности. Множества перфорированных отверстий первой, второй и третьей секций радиально смещены друг относительно друга.
Выпускной трубопровод для отработавшего газа содержит трубу перемешивателя с тремя секциями. Первая секция и третья секция содержат внешние и внутренние перфорированные отверстия. Внешние перфорированные отверстия радиально смещены относительно внутренних перфорированных отверстий. Вторая секция содержит периферические и центральные перфорированные отверстия, которые аксиально смещены относительно внешних и внутренних перфорированных отверстий, соответственно, при этом периферические и центральные перфорированные отверстия радиально смещены друг относительно друга. В течении отработавшего газа через трубу перемешивателя создаются возмущения так, чтобы первая часть отработавшего газа втекала во вторую часть отработавшего газа и наоборот.
Следует отметить, что включенные в настоящую заявку примеры алгоритмов управления и оценки могут использоваться с разнообразными конфигурациями систем двигателей и/или транспортных средств. Раскрытые в настоящей заявке способы и алгоритмы управления могут храниться в виде исполняемых инструкций в долговременной памяти, и могут быть реализованы посредством управляющей системы, содержащей контроллер в сочетании с различными датчиками, исполнительными органами и прочими аппаратными устройствами двигателя. Раскрытые в настоящей заявке конкретные алгоритмы могут представлять собой одну или любое количество стратегий обработки, таких как управляемых событиями, управляемых прерываниями, многозадачных, многопотоковых и т.д. Таким образом, проиллюстрированные разнообразные действия, операции и/или функции могут выполняться в указанной последовательности, параллельно, а в некоторых случаях - могут опускаться. Точно так же указанный порядок обработки не обязательно требуется для достижения отличительных особенностей и преимуществ описываемых здесь вариантов осуществления изобретения, но служит для удобства иллюстрирования и описания. Одно или несколько из иллюстрируемых действий, операций и/или функций могут выполняться повторно в зависимости от конкретной применяемой стратегии. Кроме того, раскрытые действия, операции и/или функции могут графически изображать код, программируемый в долговременной памяти машиночитаемого носителя данных в системе управления двигателем; при этом описанные действия выполняются путем исполнения инструкций в системе, содержащей различные аппаратные элементы в сочетании с электронным контроллером.
Если показано, что элементы напрямую контактируют друг с другом или напрямую связаны друг с другом, то тогда по меньшей мере в одном примере на такие элементы можно ссылаться, соответственно, как на непосредственно контактирующие или непосредственно связанные. Аналогично, если показано, что элементы примыкают друг к другу или сопряжены друг с другом, то тогда по меньшей мере в одном примере на такие элементы можно ссылаться, соответственно, как на примыкающие друг к другу или сопряженные друг с другом. В качестве примера, на слои, находящиеся в поверхностном контакте можно ссылаться, как на поверхностный контакт. В качестве другого примера, на элементы, расположенные отдельно друг от друга, когда между ними имеется только свободное пространство и отсутствуют какие-либо другие элементы, по меньше мере в одном примере можно ссылаться как на обособленные элементы. В качестве еще одного примера, области, названные свободным пространством, по меньшей мере в некоторых примерах могут быть полностью заняты только свободным пространством.
Следует понимать, что раскрытые в настоящем описании конфигурации и программы по своей сути являются лишь примерами, и что конкретные варианты осуществления не должны рассматриваться в ограничительном смысле, ибо возможны разнообразные их модификации. Например, вышеизложенная технология может быть применена к двигателям со схемами расположения цилиндров V-6, I-4, I-6, V-12, в схеме с 4-мя оппозитными цилиндрами и в двигателях других типов. Предмет настоящего изобретения включает в себя все новые и неочевидные комбинации и подкомбинации различных систем и схем, а также других отличительных признаков, функций и/или свойств, раскрытых в настоящем описании.
В нижеследующей формуле изобретения, в частности, указаны определенные комбинации и подкомбинации компонентов, которые считаются новыми и неочевидными. В таких пунктах формулы ссылка может быть сделана на «один» элемент или «первый» элемент или на эквивалентный термин. Следует понимать, что такие пункты могут включать в себя один или более указанных элементов, не требуя и не исключая двух или более таких элементов. Иные комбинации и подкомбинации раскрытых отличительных признаков, функций, элементов или свойств могут быть включены в формулу путем изменения имеющихся пунктов или путем представления новых пунктов формулы в настоящей или родственной заявке. Такие пункты формулы изобретения, независимо от того, являются они более широкими, более узкими, эквивалентными или отличающимися в отношении объема от идеи первоначальной формулы изобретения, также считаются включенными в предмет настоящего изобретения.