冷却排气的设备和方法 【技术领域】
本发明的示例性实施例涉及流体传输设备，更具体而言，涉及用于冷却排气的流体传输设备。
背景技术
采用内燃发动机尤其是柴油发动机的车辆制造商，为符合当前和未来的关于释放氮氧化物(NOx)(尤其是一氧化氮(NO))，以及未燃烧掉的和部分氧化的碳氢化合物(HC)、一氧化碳(CO)、微粒物质和其它排放物(如硫化氢(H
2S)和氨(NH
3))的排放标准，处于增大的压力之下。为了减少柴油发动机的前述排放物，柴油发动机通常与柴油发动机的排气流过其而被处理的一个或多个排气后处理系统一起工作。
排气后处理系统通常包括一个或更多个后处理装置，如氧化催化剂、NOx消除装置、柴油机微粒过滤器(DPF)和硫捕集器。这些后处理装置通常要求发动机排气中存在某些条件以表现出最佳性能。更具体而言，例如，NOx消除装置和氧化催化剂，具有相对窄的温度窗口，在该温度窗口内，该装置被启动、再生或以高的转化效率工作。定期地，后处理装置要求将排气和装置加热至比发动机通常所提供的温度更高的温度，以达到后处理装置的期望工作温度。一个这种装置的实例为柴油机微粒过滤器。
现代压燃发动机通常将排气后处理装置作为满足苛刻的排放要求的机构。一些压燃发动机排气后处理系统采用升高排气温度的柴油机微粒过滤器(DPF)或其它装置以实现它们的功能。在DPF中，这通常发生在再生模式期间。对于DPF而言，有两个主要的再生事件：被动再生和主动再生。在被动再生期间，排气达到足够的温度以促进氧化被捕集碳烟的催化反应。在主动再生模式中，车载发动机控制模块迫使发动机提高排气温度和/或调整可用的氧含量，以便促进或者停止再生事件。再生事件通常要求排气温度在570摄氏度和650摄氏度之间。当经历再生时，必须控制排气温度以避免过高的尾气管气体温度。当车辆处于再生模式而停下来时，这变得尤其重要。多数车辆生产商利用软件控制策略和机械装置的结合来限制尾气管排气温度。
此外，DPF定期地要求排气中有相对高的氧浓度以便于微粒过滤器的再生。经常，在发动机的正常工作期间，不是总能达到所要求的排气条件。更具体而言，在不使用补充热源如处于排气流中的电加热器的情况下，燃烧过程只能一定程度上影响排气温度。微粒物质通常可被表征为碳烟，碳烟被DPF捕获和减少。目前的DPF包含具有能捕获碳烟微粒的微小孔隙的分离介质。随着被捕集的材料积聚在DPF中，排气在DPF中流动的阻力增大，从而造成排气背压的增大。此时必须再生DPF以燃烧掉微粒捕集器中的微粒物质/碳烟，从而减小排气背压并增大经过DPF的排气流动。一种典型的DPF再生方法利用能量源如燃烧器或电加热器来促进微粒物质的燃烧。已经发现，DPF中的微粒燃烧会提高从DPF下游的车辆尾气管中排出的排气的温度。
因此，期望在不对发动机性能有负面影响的情况下，提供一种用于冷却从DPF或任何其它等效装置排出后的较高温度排气的方法和装置。
【发明内容】
在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种排气冷却设备，该排气冷却设备具有：第一流体管道；设置在第一流体管道一端的可变管嘴开口，该可变管嘴开口由从第一流体管道延伸的形状记忆合金限定；以及具有入口端和出口端的第二流体管道，可变管嘴开口设置在第二流体管道中靠近第二流体管道的入口端处，使得围绕可变管嘴开口的外周和第二流体管道的入口端的内表面设置流体进入开口，形状记忆合金通过响应于流经第一流体管道的排气的温度而朝向或远离第一流体管道的中心线运动，来改变可变管嘴开口的尺寸。
在本发明的另一个示例性实施例中，提供了一种用于冷却发动机排气处理装置的排气的方法，该方法包括：引导排气通过具有可变管嘴开口的第一流体管道，该可变管嘴开口由从第一流体管道延伸的形状记忆合金限定，该可变管嘴开口被接收在第二流体管道的入口端中，该可变管嘴开口设置在第二流体管道中靠近第二流体管道的入口端处，使得围绕该形状记忆合金的外周和第二流体管道的入口端的内表面设置流体进入开口；通过流体进入开口将另一种气体引入第二流体管道中，该另一种气体的温度低于排气的温度；在第二流体管道中将所述另一种气体与排气混合以提供混合气体，该混合气体的温度低于排气的温度；以及通过使形状记忆合金响应于流经第一流体管道的排气的温度而朝向或远离第一流体管道的中心线运动，来改变可变管嘴开口的尺寸。
在本发明的又一个示例性实施例中，提供了一种用于车辆的排气系统，该排气系统包括：用于接收车辆发动机的排气的排气管；用于冷却排气的排气冷却设备，该排气冷却设备包括：第一流体管道；设置在第一流体管道一端的可变管嘴开口，该可变管嘴开口由从第一流体管道延伸的形状记忆合金限定；以及具有入口端和出口端的第二流体管道，可变管嘴开口设置在第二流体管道中靠近第二流体管道的入口端处，使得围绕可变管嘴开口的外周和第二流体管道的入口端的内表面设置流体进入开口，形状记忆合金通过响应于流经第一流体管道的排气的温度而朝向或远离第一流体管道的中心线运动，来改变可变管嘴开口的尺寸。
根据本发明的一个示例性实施例，第一流体管道构造成用于附接到车辆排气系统的排气管上并且第一流体管道接收排气，第二流体(例如，较凉的环境空气)在排气通过本发明示例性实施例的冷却设备时与其混合。
结合附图考虑时，从下面对实施本发明的最佳方式的详细描述中，可以容易地看出本发明的上述特征和优点以及其它特征和优点。
【附图说明】
其它的目的、特征、优点和细节仅作为实例出现在下面对实施例的详细描述中，该详细描述参照了附图，其中：
图1是根据本发明一个示例性实施例的排气冷却装置的局部剖视图；
图1A是处于第一状态的排气冷却装置的一部分的放大剖视图；
图1B是处于第二状态的排气冷却装置的一部分的放大剖视图；
图2是处于第一工作状态的排气冷却装置的剖视图；
图3是处于第二工作状态的排气冷却装置的剖视图；
图4是具有根据本发明一个示例性实施例的排气冷却装置的排气系统的示意图；
图5是根据本发明一个可替代示例性实施例的排气冷却装置的局部剖视图；以及
图5A是处于第一状态的图5中排气冷却装置的一部分的放大剖视图。
【具体实施方式】
根据本发明的一个示例性实施例，提供了一种排气冷却设备。在一个示例性实施例中，排气冷却设备利用可变孔口文氏管来将冷却气体引入到发动机的排气中。在一个示例性实施例中，可变孔口文氏管被用来冷却发动机后处理装置的排气。
根据本发明的一个示例性实施例，可变孔口文氏管设置在后处理装置的排气口下游且在排气系统的出口(例如，排放到环境空气中)上游。可变孔口文氏管使用位于排气管或排气系统的出口上游的管嘴，该管嘴插入到较大的管中，以产生文氏管。
可变孔口文氏管膨胀和收缩以将冷却气体引入到排气流中并提高从流体地联接于排气后处理装置的管道的管嘴排出的排气的速率。根据本发明的一个示例性实施例，提供了可变孔口文氏管以便仅在期望事件(例如，具有特定温度范围的气体从排气处理装置中排出)期间减小管嘴开口，使得仅在这些需要进行排气冷却的事件期间提供因较小管嘴开口而产生的增大背压，因此，并非在所有的车辆工作条件期间都提供较小的管嘴开口，从而提高系统的总体效率。
在一个示例性实施例中，可变管嘴文氏管提供排气冷却，而不需要复杂的活动零件、昂贵的致动器和/或计算机控制算法，因为未添加更多复杂的主动计算机控制阀装置就实现了可变开口，而主动计算机控制阀装置还需要复杂的0BD2诊断程序，0BD2诊断程序可能还需要额外的传感器来监测装置的性能。此外，在非再生事件期间，可变管嘴文氏管冷却器减小排气系统背压，以获得提高的发动机性能和动力系燃料效率。
现在参照图1，示出了根据本发明一个示例性实施例的排气冷却设备10。该排气冷却设备具有第一流体管道12和第二流体管道14。第一流体管道通过多个固定部件或支架(stand off)16固定连接于第二流体管道，支架16构造成提供流动路径以允许流体流入第二流体管道中。第一流体管道构造成接收排气并具有限定管嘴开口18的管嘴20，管嘴20定位成将排气引导到第二流体管道中。
根据本发明的一个示例性实施例，管嘴开口是可变管嘴开口，其能够缩小成较小开口(图1、3、4和5)或者膨胀成较大开口(图2)，从而提供可变开口。根据本发明的一个示例性实施例，可变开口的尺寸取决于流经该开口的排气的温度。
根据本发明的一个示例性实施例，第一流体管道的管嘴部分由形状记忆合金限定。热敏形状记忆合金允许提供减小的直径(以及增大的背压)的管嘴仅在需要时(例如，在微粒过滤器再生期间)出现。
形状记忆合金，也称为智能合金、记忆金属、或肌丝，是一种能“记住”其形状的合金。在形状记忆合金从其初始晶体构型发生了变形之后，它能重新获得其初始几何形状。根据本发明的一个示例性实施例，形状记忆合金在被加热到预定温度时将发生变形，而在被冷却到预定温度以下后将返回其初始构型。形状记忆合金的实例有铜‑锌‑铝‑镍合金、铜‑铝‑镍合金、以及镍‑钛(NiTi)合金。形状记忆合金改变构型的温度是该合金的一个特性，能够通过改变该合金中的元素比而调节。
如上所述并且参照图1A和图1B，管嘴20由形状记忆合金20形成并且设置在或固定于第一流体管道12的一端上，该形状记忆合金的远端限定可变管嘴开口18。
用于可变管嘴开口的形状记忆合金，应该基于其材料性质选择成能实现该形状记忆合金的远端48的适当动作，以根据流经第一管道的流体温度来改变管嘴开口的尺寸，使得当排气温度升高且环境空气(温度和因围绕排气冷却设备运动而产生的对流冷却)不足以冷却管嘴时，限定管嘴开口的形状记忆合金将向内偏转，减小管嘴的直径。这将通过使进入文氏管的排气流加速并增大进入文氏管装置的环境空气38所用的空间而促生更有效的文氏管效应。从而，利用凉的环境空气稀释了热的排气，以提供沿箭头52方向的稀释后或冷却后的排气50，达到了冷却效果。
在一个示例性实施例中，这将在DPF再生事件中发生并且在环境空气温度高且车辆不移动的时候会最有效。这些是需要最大量的排气冷却的情况，因为排气由于至环境空气的热耗散而不会被足够地冷却。
另一方面，当环境温度较凉和/或车辆在移动(即，冷却空气运动穿过尾气管并且从尾气管排出的气体不能集中在固定装置上)和/或DPF不处于再生模式(即，排气较凉，例如，低于550摄氏度)时，管嘴孔口直径将趋于增大，从而减小系统上的背压。孔口直径的增大将通过形状记忆合金向外运动而实现，从而降低文氏管有效性，并减小发动机背压。对于处在移动车辆中的压燃(即，贫燃)发动机而言，当不需要排气冷却时，这个效应可在宽范围的工作条件下减小背压。减少的限制将提高燃料效率并且将允许发动机达到更高的动力/转矩，而不超出各种发动机构件工作极限。
如图所示，管嘴开口位于第二流体管道的入口端24中。第二流体管道具有设置在第二流体管道的入口端和出口端28之间的中间部分26。如图所示，中间部分中的开口的面积小于入口端和出口端处的开口的面积，第二流体管道类似文氏管。根据本发明的一个示例性实施例，形状记忆合金构造成改变管嘴开口的尺寸，这又改变进入第二流体管道的开口，从而为第二流体管道提供可变孔口。
现在参照图1‑4并且根据本发明的一个示例性实施例，形状记忆合金在第一状态(图1A)和第二状态(图1B)之间变化。还参见图2和图3，它们示出了处于第一状态和第二状态的形状记忆合金。
在一个示例性实施例中，第一状态对应于凉的排气(例如，低于550摄氏度)流经第一流体管道，第二状态对应于较热的排气(例如，高于570摄氏度)流经第一流体管道。当然，应该理解，根据本发明的示例性实施例可考虑高于或低于前述温度的温度。
在一个非限制性示例实施例中，在第一状态下外表面40接触第二流体管道以基本上封闭第一流体管道或可变管嘴的外周与第二流体管道的开口的内周之间的开口。可替代地，在第一状态下形状记忆合金的外表面不接触第二流体管道，但第一流体管道的外周与第二流体管道的内周之间的开口仍然基本封闭。
现在参照图2‑4，示出了排气冷却设备的示意图。如图所示，第一进入管道通过管道47联接于排气处理装置的排气口。当然，第一流体管道12可直接联接于排气处理装置46或者可使用任何其它用于提供它们之间流体连通的合适装置来将第一流体管道联接于排气处理装置。在图2中，形状记忆合金处于第一状态，第一状态对应于凉的排气(例如，低于550摄氏度)流经第一流体管道。在图3中，形状记忆合金处于第二状态，第二状态对应于较热的排气(例如，高于570摄氏度)流经第一流体管道。这里，较热的气体34——柴油机微粒过滤器46再生过程的副产物，使形状记忆合金朝着第一流体管道的中心线偏转，从而减小管嘴开口18并增大设置在第一流体管道和第二流体管道之间的进入开口30。
根据本发明的一个可替代示例性实施例，也可对外管或者说第二流体管道的入口端24应用第二形状记忆合金72(例如参见图5和图5A)，以进一步增强各种工作条件下的文氏管效应。这里，第二形状记忆合金将构造成沿与第一流体管道的形状记忆合金相反的方向运动。换句话说，当流经第一流体管道的排气的温度升高到预定温度之上时(例如，需要冷却)，第一流体通道的形状记忆合金将朝着第一流体管道的中心线运动，而第二形状记忆合金将远离第一流体管道的中心线运动。在又一个实施例中，第二形状记忆合金可构造成对不同于第一流体管道的形状记忆合金的温度(例如，更低的温度)产生反应，因为它离排气更远。
根据本发明的一个示例性实施例，提供了一种用于冷却发动机排气处理装置的排气的方法。如本文所述，排气移动通过第一流体管道，第一流体管道具有由从第一流体管道延伸的形状记忆合金所限定的管嘴开口。管嘴开口被接收在具有文氏管构型的第二流体管道的入口端中，以在第一流体管道和第二流体管道之间限定流体进入开口，用于吸入环境空气并将其与第二流体管道中的排气混合，以提供从第二流体管道的出口端排出的、冷却稀释后的气体。
虽然第一和第二流体管道示出为具有圆形的构型和开口，但可以设想，可考虑第一和第二流体流动管道的任何截面形状，只要其能实现期望的结果，这些构型的非限制性实例包括卵形、椭圆形、方形、矩形及其等同物。
当有排放控制装置如柴油机微粒过滤器(或称DPF)安装在第一流体管道的上游并且为了保持DPF的效率，必须通过氧化和燃烧掉包含在DPF内的积聚的碳烟或微粒物质而定期地再生DPF时，经常期望对排气进行冷却。进行再生时，排气的温度升高。
虽然已经参照车辆排气系统描述了一个示例性实施例，但本领域技术人员将认识到，所述排气冷却设备可用在涉及气态流和液态流的其它应用中。此外，所述排气冷却设备可构造成排气加热设备，在排气加热设备中，形状记忆合金构造成当排气比环境空气凉时向内偏转，从而向冷却的排气吸入更热的环境空气。
尽管已经参照示例性实施例描述了本发明，但本领域技术人员将理解，在不偏离本发明范围的情况下，可做出各种改变并可用等同物代替其元件。此外，在不偏离本发明实质范围的情况下，可以做出很多修改以使具体情况或材料与本发明的教导相适应。因此，不意图将本发明限于作为为实施本发明而设想的最佳方式公开的特定实施例，相反，本发明将包括所有落入本申请范围内的实施例。