專利名稱：具有液壓致動的空氣閥的排氣處理系統的制作方法
技術領域：
本發明總體上涉及一種排氣處理系統，更確切地說，涉及一種具有液 壓致動的空氣閥/氣門的排氣處理系統。
背景技術：
包括柴油機、汽油機、天然氣發動機和現有技術已知的其它發動機的 內燃機可排放空氣污染物的復雜混合物。這些空氣污染物由氣態組分和固 體顆粒物質組成，該固體顆粒物質可能包括稱為炭黑的未燃燒的炭顆粒。 由于人們日益關注環境，排氣排放標準變得更嚴格，由發動機排放的顆粒 物質量可根據發動機的類型、尺寸和/或級別來調節。由發動機制造商已經 執行的用于滿足排放到環境中的顆粒物質規范的方法在于，通過使用顆粒 陷阱來從發動機排氣流中除去顆粒物質。顆粒陷阱是一種設計成使顆粒物 質陷落其中的過濾器，例如金屬網或陶瓷蜂窩體過濾媒介。經過一段時間， 顆粒物質可積聚在過濾媒介中，從而降低了過濾器的功能和發動機的性能。多種再生技術可用于處理積聚的顆粒物質。例如，1992年2月25日 授予Arai的美國專利5 090 200 (，200專利)描述了一種用于設置在發動 才幾排氣管中的顆粒陷阱的再生系統。該再生系統包括設置在顆粒陷阱前面 的加熱器、使再生空氣增壓的鼓風機、電磁空氣閥以及旁通閥。當顆粒陷 阱中的顆粒物質飽和時，旁通閥打開并且加熱器打開以啟動燃燒。為了l更 于燃燒顆粒物質，打開鼓風機并根據不同輸入來電子地控制空氣閥，以侵_ 允許增壓的再生空氣流向運行的加熱器。盡管，200專利所述的再生系統可有效地4吏顆粒陷阱再生，但該系統可 能昂貴且運行成本高。特別地，因為螺線管直接逆著增壓空氣打開空氣閥，所以螺線管必須足夠大以克月良高壓再生空氣的力。大的螺線管可能增加再 生系統的部件成本，需要復雜且昂貴的控制系統并需要高的電流，這又增 加了系統的運行成本并降低了使用該系統的機械的效率。本發明的排氣處理系統的目的在于克服上述的一個或多個問題。發明內容一方面，本發明涉及一種排氣處理系統。該排氣處理系統包括從動力 源接收排氣流的進氣口、從排氣流中除去顆粒物質的過濾媒介(介質)和 將排氣流從過濾媒介導向大氣的排氣口 。該排氣處理系統還包括用于提高 存在于過濾媒介中的顆粒物質的溫度的加熱裝置、增壓(加壓)空氣供應 源和用于選擇性地將增壓空氣導向^皮加熱的顆粒物質的先導式閥。另一方面，本發明涉及一種處理動力源的排氣流的方法。本方法包括 將排氣流從動力源導向過濾媒介以從排氣流中除去顆粒物質、將排氣流從 過濾媒介導向大氣以及提高存在于過濾媒介中的顆粒物質的溫度。本方法 還包括調節先導流體向空氣閥的流動以選擇性地將增壓空氣傳遞給被加熱 的顆粒物質。
圖l是具有示例性公開的排氣處理系統的作業機械的示意圖；以及 圖2是示例性公開的用于圖1的排氣處理系統的先導作用式空氣閥的 橫截面圖。
具體實施方式
圖l示出示例性作業機械10，該作業M具有多個協作完成任務的系統和部件。作業機械10可執行與工業例如采礦、建筑、農業、運輸、發電 或本領域已知的任意其它工業相關的某些類型的操作。例如，作業機械IO 可具體為移動式作業機械，如挖掘機、推土機、裝載機、反伊機、機動筑 路機、自卸卡車或任意其它的土方機械。或者，作業^I^喊10可具體為固定式作業機械，例如發電機組、爐子或其它合適的固定式機械。作業機械IO 可包括動力源12、進氣系統14和排氣處理系統16。動力源12可包括具有多個子系統的內燃機，以產生機械的或電力的能 量輸出和排氣流。例如，動力源12可包括柴油發動機、汽油發動機、氣態 燃料發動機或本領域已知的任意其它類型的內燃機。動力源12也可包括潤 滑系統18和燃料系統20。可構想，動力源12可包括附加的和不同的子系 統，例如冷卻系統、傳動系統、導向系統或任意其它合適的系統。潤滑系統18可包括使潤滑劑在動力源12的各部分內循環的部件。具 體地，潤滑系統18可包括泵機構22，該泵機構構造成從機油箱24經由輸 送管道26抽吸潤滑劑并將潤滑劑加壓到預定的壓力水平。泵機構22可具 體為變排量泵或定排量泵，該泵以直接或間接的傳動構型電力地驅動或聯 接動力源12。潤滑劑例如可以包括機油。潤滑系統18可將加壓的潤滑劑 從泵機構22經由流體通道28引導到動力源12的部件，并使潤滑劑返回到 機油箱24。可在流體通道28中設置止回閥/單向閥31，以提供來自泵機構 22的單向流動。燃料系統20可包括配合以將噴射的加壓燃料傳遞到動力源12的燃燒 室(未示出)中的部件。具體地，燃料系統20可包括構造成用于儲存燃料 供給的油箱30和構造成對燃料加壓并將加壓燃料引導到與動力源12相關 聯的燃料噴射裝置(未示出)的燃料泵送裝置。油箱30可構成用于儲存燃料供給的儲油器。燃料可包括例如柴油燃 料、汽油、煤油、重燃料或本領域已知的任意其它類型的燃料。作業機械 10內的一個或多個系統可從油箱30抽吸燃料以及使燃料返回油箱30。也 可構想，如果需要的話，燃料系統20可連接到多個單獨的燃料箱上。燃料泵送裝置可包括一個或多個用以增加燃料壓力的泵設備。在一個 實例中，燃料泵送裝置可包括串聯布置并借助于燃料管道36流動連接的低 壓源32和高壓源34。低壓源32可具體為構造成向高壓源34提供低壓供 給的輸送泵，而高壓源34可接收低壓供給并使燃料的壓力增加到大約 40-190 MPa的范圍。高壓源34可通過燃料管道37連接到動力源12上。可在燃料管路37中設置止回閥38以提供從燃料泵送裝置到動力源12的燃 料的單向流動。低壓源32和高壓源34中的一個或兩個可以可^Mt地連接到動力源12 并由動力源12驅動。特別地，低壓源32和/或高壓源34可以以對于本領 域4支術人員顯而易見的任意方式與動力源12相連接，其中動力源12的輸 出轉動將引起低壓源32和高壓源34的驅動軸的相應轉動。然而，可構想， j氐壓源32和高壓源34中的一個或兩個也可以以電動、液力、氣動或4壬意 合適的方式驅動。進氣系統14可包括構造成將壓縮空氣引入動力源12的燃燒室(未示 出)中的部件。例如，進氣系統14可包括空氣濾清器20和增壓機(壓縮 機)42。可構想，進氣系統14可包括與上述部件不同的或附加于上述部件 的部件，例如，進氣旁路部件、文氏管、后和/或級間空氣冷卻器、排氣再 循環部件和其它已知的部件。空氣濾清器40可構造成用于從流入動力源12的空氣中除去或捕獲殘 渣。例如，空氣濾清器40可包括全流式濾清器、自清潔濾清器、離心式濾 清器、電子靜電除塵器或本領域已知的其它任意類型的空氣過濾設備。可 設想在進氣系統14包括一個以上的串聯或平行布置的空氣濾清器40。增壓機42可構造成用于將流入動力源12中的空氣壓縮到預定的壓力。 特別地，增壓機42可包括設置在空氣濾清器40下游的固定式增壓機(fixed geometry type compressor)、可變式增壓機(variable geometry type compressor )或本領域已知的任意其它類型的增壓機。增壓機42可通過進 氣旁路44連接到空氣濾清器40,并通過進氣歧管46連接到動力源12。可 設想包括一個以上的串聯或并聯布置的增壓機42。還可構想，可省去增壓 機42,例如當需要非增壓進氣系統時。排氣處理系統16可包括用于將排氣流從動力源12導向大氣的裝置和 用于處理排氣的裝置。例如，排氣處理系統16可包括連接成用于從動力源 12接收排氣的渦輪48、設置在渦輪48下游的顆粒陷阱50和位于上述二者 之間的再生子系統52。可構想，排氣處理系統16可包括附加的和/或不同的部件，例如氮氧化物(NOx)吸收器或其它催化裝置、衰減裝置、再循 環系統和本領域已知的其它用于從動力源12引導排氣和/或用于處理排氣 流的裝置。渦輪48可連接到成用于驅動增壓機42。特別地，由于來自動力源12 的熱排氣膨脹推動渦輪48的葉片(未示出)，所以渦輪48可轉動并驅動 增壓機42。可構想，如果需要，可以在排氣處理系統16中并串聯或平行 地布置一個以上的渦輪48。也可設想省去渦輪48，增壓機可直接由動力源 12以機械的、液力的、電力的或本領域已知的任意其它方式驅動，如果需 要的話。顆粒陷阱50可包括一個或多個構造成用于從排氣流中除去顆粒物質 的過濾元件54。具體地，過濾元件54可具體為用于在其整個厚度范圍內 集聚顆粒物質的深床陶瓷類型的元件、用于在其表面上集聚顆粒物質的淺 床類型的元件例如侵入式金屬網或陶瓷網，或本領域已知的任意其它合適 類型的過濾元件。過濾元件54的孔和/或網眼的大小可改變并才艮據特定的 應用場合來選擇。可構想，過濾元件54可包括褶皺以增加過濾面積，可被 催化以降低氧化溫度，可包括電子靜電裝置，和/或可導電以促進再生過程， 如果需要的話。再生子系統52可包括構造成用于使顆粒陷阱50再生的部件。具體地， 再生子系統52可包括再生觸發裝置56、文氏管58和空氣閥60。可構想， 再生子系統52可包括附加的和不同的部件，例如閉鎖元件或旁路元件、催 化裝置或任意其它合適的再生部件。還可構想，如果需要的話，可省去文 氏管58。再生觸發裝置56可構造成用于觸發過濾元件54的再生，以響應一個 或多個輸入。在一個實例中，再生觸發裝置56可具體為燃料噴射器機構， 該燃料噴射器機構具有通過輔助供給管路62連接到高壓源34的燃料閥。 為了響應一個或多個輸入，燃料閥可將加壓的燃料流導入文氏管58并導向 過濾元件54。隨著加壓燃料流點火，存在于過濾元件54中的顆粒物質的 溫度可升高以燃燒。所述一個或多個輸入可包括例如所經過的時間段、排氣溫度、在過濾元件54中的壓差、排氣背壓或任意其它合適的條件。可構 想，再生觸發裝置56可以具體為電加熱元件、發動機配氣正時控制器、催 化噴射裝置或本領域已知的任意其它觸發裝置。文氏管58可構造成用于限制排氣處理系統16中的排氣流，從而增加 流過文氏管58的排氣的速度，并因而通過限制降低排氣流的壓力。文氏管 58可流體地設置在渦輪48和顆粒陷阱50之間，在該顆粒陷阱中降低的壓 力可能引起將加壓的燃料流從再生觸發裝置56中吸出以及將加壓的空氣 從空氣閥60中吸出。空氣閥60可構造成選擇性地允許增壓空氣從增壓機42流向過濾元件 54，以響應電氣輸入和流體壓力。特別地，空氣閥60可通過流體旁路64 流體地連接到增壓機42 ，并通過先導旁路65流體地連接到泵送機構22 。 如圖2所示，空氣閥60可具體為螺線管致動的、先導^Mt的具有螺線管才幾 構66、先導閥元件68和主提動元件70的閥。螺線管才凡構66可電力地致 動空氣閥60以調節穿過先導旁路65的先導流體流，使得加壓的空氣可從 增壓機42流過流體旁路64和空氣閥60到達過濾元件54。可構想，空氣 閥60可包括本領域已知的附加部件，例如常見的殼體、密封元件、導向元 件、緊固件、止回閥、泄壓閥元件、補償閥元件、壓力平衡通道和其它的 類似部件。螺線管機構66可電氣地連接到控制器(未示出)，并包括具有連粉肖 74的銜鐵72，這二者都可克服先導回位彈簧76的偏壓從中性狀態移動到 通電狀態。銜鐵72和連接銷74可響應所施加的電流而從中性狀態移動通 電狀態。先導閥元件68可M銷74，以跟隨銜鐵72和銷74運動，從而選擇 性地引起空氣閥60中的先導流體壓力的增加或減小。特別地，先導閥元件 68可包括中心孔78、徑向通道組80和位于中央的外環形槽82。先導流體 可從先導通道65經由輸入口 84進入空氣閥60，從環形槽82經由所述徑 向通道組80流向中心孔78，并從先導閥元件68的兩端流出。當銜鐵72 和連接銷74處于中性位置時，先導閥元件68可被主回位彈簧86偏壓向關閉位置，在該關閉位置處潤滑劑可被阻止從空氣閥60流出，從而在空氣閥 60內積聚壓力。然而，當銜鐵72和連接銷74被推向通電位置時，先導閥 元件68可同樣克l艮主回位彈簧86的偏壓移向打開位置，在該打開位置處 空氣閥60中的先導流體可以通過出口 83排出到機油箱24,從而減低空氣 閥60中的壓力。主提動元件70可包括樞轉地連接到活塞部分90的凸出部分/鼻狀部分 88,該活塞部分可響應空氣岡60中的壓力變化而移動。具體地，凸出部分 88可通過樞銷92連接到活塞部分卯，并可構造成選擇性地M閥座94。 當凸出部分88與閥座94接合時，來自流體通道64的空氣可基本上被阻止 經由文氏管58流向過濾元件54。然而，當凸出部分88從閥座94移開時， 加壓的空氣可自由地流過流體通道64和文氏管58以幫助過濾元件54的再 生。當作用在活塞部分卯上的先導流體壓力超過作用在凸出部分88上的 增壓空氣的關閉力時，凸出部分88可保持與閥座94接合。然而，當空氣 閥60中的先導流體壓力下降到低于作用在凸出部分88上的打開力時，凸 出部分88和活塞部分90可一起朝打開位置移動，以允許增壓空氣從流體 通道64穿過文氏管58流向過濾元件54。設置在凸出部分88和活塞部分 910之間的密封裝置96可保持增壓空氣與加壓潤滑劑的隔離。工業適用性本發明的排氣處理系統可用于任何燃燒類的設備，例如發動機、爐、 或本領域已知的任意其它燃燒設備，在這些設備中需要從排氣流中除去顆 粒物質。排氣處理系統16可以是用于在不會不利地影響排氣系統中的背壓 的情況下降低排放到環境中的顆粒物質量的簡單且廉價的有效解決方案。 現在將解釋排氣系統16的運行。空氣可經由增壓機42吸入進氣系統14,其中在增壓機42中空氣在進 入動力源12的燃燒室之前可被加壓到預定值。燃料在進入燃燒室之前或之 后可與增壓空氣混和。然后，燃料空氣混和物可,皮動力源12燃燒以產生機 械能和包含氣態組分和固體顆粒物質的排氣流。排氣流可經由渦輪48從動力源12引導穿過過濾元件54，在該過濾元件中隨排氣帶走的顆粒物質的 大部分可被從排氣流中過濾。經過一段時間，顆粒物質可在過濾元件54 中積聚，并且如果不進行檢查則會明顯足以部分地或者甚至完全抑制排氣 流過過濾元件54，使得排氣系統16中的壓力增加。動力源12的背壓的增 加會降低吸入新鮮空氣的能力，導致動力源12的性能降低。為了緩和顆粒物質在顆粒陷阱50中的積聚，可使過濾元件54再生。 再生可基于觸發條件，例如動力源的運行時間、在顆粒陷阱50內測得的壓 差、來自動力源12的排氣流的溫度或壓力或本領域已知的任意其它^K為使過濾元件54再生，可將來自再生觸發裝置56的燃料流和來自空 氣閥60的增壓空氣導向過濾元件54。在排氣處理系統16中的高溫環境下， 被導向過濾元件54的燃料/空氣混和物可點燃并提高所攜帶的顆粒物質的 溫度使之燃燒。為將增壓空氣流導向過濾元件54，可對螺線管4幾構66施加電流，該 機構可將銜鐵72和連接銷向下推向主提動閥元件70。由于銜鐵72和銷74 向下運動，先導元件68可被強制到達打開位置，以從空氣閥60排放加壓 的潤滑劑。隨著空氣閥60內的潤滑劑壓力的降低，由降低的壓力施加在活 塞部分90上的力可下降到低于作用在凸出部分88上的打開力，從而導致 凸出部分88從閥座94移開。隨著凸出部分88從閥座94移開，增壓空氣 可以從流體通道64經由文氏管58流向過濾元件54。因為空氣閥60是先導^^作的，所以排氣系統16的部件和運行成本可 最小化。具體地，因為操作空氣閥60所需的力來自已經加壓用于在動力源 12中使用的潤滑劑，所以與其中螺線管必須施加打開和關閉力的系統相 比，所述用于致動空氣閥60的螺線管的尺寸可減小。此外，因為可以使用 小的螺線管，所以可需要^f艮少的用于操作空氣閥60的電流。空氣閥60的 減小的電流需求可減小與排氣處理系統16相關的運行成本，從而提高作業 機械IO的效率。對于本領域技術人員顯而易見的是，對這里公開的排氣處理系統可做 出多種改進和變型。從對這里公開的排氣處理系統的說明和實踐的思考中得到的其它實施例對于本領域技術人員也是顯而易見的。應指出，所述說 明和實例僅僅是作為示例，實際范圍由所附權利要求及其等效方案來指出。
權利要求
1.一種用于動力源(12)的排氣處理系統(16)，包括進氣口(58)，該進氣口構造成接收來自所述動力源的排氣流；過濾媒介(54)，該過濾媒介構造成從排氣流中除去顆粒物質；排氣口(50)，該排氣口構造成將排氣流從過濾媒介導向大氣；加熱裝置(56)，該加熱裝置構造成提高存在于過濾媒介中的顆粒物質的溫度；增壓空氣供應源(42)；以及先導式閥(60)，該閥構造成選擇性地將增壓空氣導向被加熱的顆粒物質。
2. 根據權利要求l所述的排氣處理系統，其特征在于，還包括先導 流體供給應源(22),所述先導式閥包括能由所述先導流體移動的閥元件。
3. 根據權利要求2所述的排氣處理系統，其特征在于，所述先導流 體包括所述動力源的潤滑劑。
4. 根據權利要求2所述的排氣處理系統，其特征在于，所述先導流 體包括所述動力源的燃料。
5. 根據權利要求l所述的排氣處理系統，其特征在于，所述先導式 閥是螺線管致動的。
6. —種用于處理動力源(12)的排氣流的方法，包括 將排氣流從動力源導向過濾媒介(54)以從排氣流中除去顆粒物質； 將排氣流從過濾媒介導向大氣；提高存在于過濾媒介中的顆粒物質的溫度；以及 調節先導流體向空氣閥(60)的流動以選擇性地將增壓空氣傳遞給加 熱的顆粒物質。
7. 根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述先導流體包括所 述動力源的潤滑劑。
8. 根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述先導流體包括所述動力源的燃料。
9. 才艮據權利要求6所述的方法，其特征在于，調節先導流體的流動 包括對先導流體加壓以及將先導流體供應給一第一閥元件(70)，以使該 第一閥元件移動；以及對螺線管機構(66)施加電流以使一第二閥元件(68)移動。
10. —種作業機械(IO)，該作業機械包括動力源(12)，該動力源構造成用于產生動力輸出和排氣流；以及 根據權利要求1-5中任一項所述的排氣處理系統(16)，該排氣處理 系統構造成用于從排氣流除去顆粒物質。
全文摘要
本發明公開了一種用于動力源(12)的排氣處理系統(16)。該排氣處理系統包括構造成用于接收來自所述動力源的排氣流的進氣口(58)、構造成用于從排氣流中除去顆粒物質的過濾媒介(54)、構造成用于將排氣流從過濾媒介導向大氣的排氣口(50)。所述排氣處理系統還具有構造成用于提高存在于過濾媒介中的顆粒物質的溫度的加熱裝置(56)、增壓空氣供應源(42)以及構造成選擇性地將增壓空氣導向被加熱的顆粒物質的先導式閥(60)。
文檔編號F01N3/30GK101278108SQ200680036086
公開日2008年10月1日 申請日期2006年8月2日 優先權日2005年9月28日
發明者J·D·蓋爾斯澤韋斯基, M·H·巴韋賈, R·L·羅爾夫斯 申請人:卡特彼勒公司