专利名称：具有液压致动的空气阀的排气处理系统的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及一种排气处理系统，更确切地说，涉及一种具有液 压致动的空气阀/气门的排气处理系统。
背景技术：
包括柴油机、汽油机、天然气发动机和现有技术已知的其它发动机的 内燃机可排放空气污染物的复杂混合物。这些空气污染物由气态组分和固 体颗粒物质組成，该固体颗粒物质可能包括称为炭黑的未燃烧的炭颗粒。 由于人们日益关注环境，排气排放标准变得更严格，由发动机排放的颗粒 物质量可根据发动机的类型、尺寸和/或级别来调节。由发动机制造商已经 执行的用于满足排放到环境中的颗粒物质规范的方法在于，通过使用颗粒 陷阱来从发动机排气流中除去颗粒物质。颗粒陷阱是一种设计成使颗粒物 质陷落其中的过滤器，例如金属网或陶瓷蜂窝体过滤媒介。经过一段时间， 颗粒物质可积聚在过滤媒介中，从而降低了过滤器的功能和发动机的性能。多种再生技术可用于处理积聚的颗粒物质。例如，1992年2月25日 授予Arai的美国专利5 090 200 (，200专利)描述了一种用于设置在发动 才几排气管中的颗粒陷阱的再生系统。该再生系统包括设置在颗粒陷阱前面 的加热器、使再生空气增压的鼓风机、电磁空气阀以及旁通阀。当颗粒陷 阱中的颗粒物质饱和时，旁通阀打开并且加热器打开以启动燃烧。为了l更 于燃烧颗粒物质，打开鼓风机并根据不同输入来电子地控制空气阀，以侵_ 允许增压的再生空气流向运行的加热器。尽管，200专利所述的再生系统可有效地4吏颗粒陷阱再生，但该系统可 能昂贵且运行成本高。特别地，因为螺线管直接逆着增压空气打开空气阀，所以螺线管必须足够大以克月良高压再生空气的力。大的螺线管可能增加再 生系统的部件成本，需要复杂且昂贵的控制系统并需要高的电流，这又增 加了系统的运行成本并降低了使用该系统的机械的效率。本发明的排气处理系统的目的在于克服上述的一个或多个问题。发明内容一方面，本发明涉及一种排气处理系统。该排气处理系统包括从动力 源接收排气流的进气口、从排气流中除去颗粒物质的过滤媒介(介质)和 将排气流从过滤媒介导向大气的排气口 。该排气处理系统还包括用于提高 存在于过滤媒介中的颗粒物质的温度的加热装置、增压(加压)空气供应 源和用于选择性地将增压空气导向^皮加热的颗粒物质的先导式阀。另一方面，本发明涉及一种处理动力源的排气流的方法。本方法包括 将排气流从动力源导向过滤媒介以从排气流中除去颗粒物质、将排气流从 过滤媒介导向大气以及提高存在于过滤媒介中的颗粒物质的温度。本方法 还包括调节先导流体向空气阀的流动以选择性地将增压空气传递给被加热 的颗粒物质。
图l是具有示例性公开的排气处理系统的作业机械的示意图；以及 图2是示例性公开的用于图1的排气处理系统的先导作用式空气阀的 横截面图。
具体实施方式
图l示出示例性作业机械10，该作业M具有多个协作完成任务的系统和部件。作业机械10可执行与工业例如采矿、建筑、农业、运输、发电 或本领域已知的任意其它工业相关的某些类型的操作。例如，作业机械IO 可具体为移动式作业机械，如挖掘机、推土机、装载机、反伊机、机动筑 路机、自卸卡车或任意其它的土方机械。或者，作业^I^喊10可具体为固定式作业机械，例如发电机组、炉子或其它合适的固定式机械。作业机械IO 可包括动力源12、进气系统14和排气处理系统16。动力源12可包括具有多个子系统的内燃机，以产生机械的或电力的能 量输出和排气流。例如，动力源12可包括柴油发动机、汽油发动机、气态 燃料发动机或本领域已知的任意其它类型的内燃机。动力源12也可包括润 滑系统18和燃料系统20。可构想，动力源12可包括附加的和不同的子系 统，例如冷却系统、传动系统、导向系统或任意其它合适的系统。润滑系统18可包括使润滑剂在动力源12的各部分内循环的部件。具 体地，润滑系统18可包括泵机构22，该泵机构构造成从机油箱24经由输 送管道26抽吸润滑剂并将润滑剂加压到预定的压力水平。泵机构22可具 体为变排量泵或定排量泵，该泵以直接或间接的传动构型电力地驱动或联 接动力源12。润滑剂例如可以包括机油。润滑系统18可将加压的润滑剂 从泵机构22经由流体通道28引导到动力源12的部件，并使润滑剂返回到 机油箱24。可在流体通道28中设置止回阀/单向阀31，以提供来自泵机构 22的单向流动。燃料系统20可包括配合以将喷射的加压燃料传递到动力源12的燃烧 室(未示出)中的部件。具体地，燃料系统20可包括构造成用于储存燃料 供给的油箱30和构造成对燃料加压并将加压燃料引导到与动力源12相关 联的燃料喷射装置(未示出)的燃料泵送装置。油箱30可构成用于储存燃料供给的储油器。燃料可包括例如柴油燃 料、汽油、煤油、重燃料或本领域已知的任意其它类型的燃料。作业机械 10内的一个或多个系统可从油箱30抽吸燃料以及使燃料返回油箱30。也 可构想，如果需要的话，燃料系统20可连接到多个单独的燃料箱上。燃料泵送装置可包括一个或多个用以增加燃料压力的泵设备。在一个 实例中，燃料泵送装置可包括串联布置并借助于燃料管道36流动连接的低 压源32和高压源34。低压源32可具体为构造成向高压源34提供低压供 给的输送泵，而高压源34可接收低压供给并使燃料的压力增加到大约 40-190 MPa的范围。高压源34可通过燃料管道37连接到动力源12上。可在燃料管路37中设置止回阀38以提供从燃料泵送装置到动力源12的燃 料的单向流动。低压源32和高压源34中的一个或两个可以可^Mt地连接到动力源12 并由动力源12驱动。特别地，低压源32和/或高压源34可以以对于本领 域4支术人员显而易见的任意方式与动力源12相连接，其中动力源12的输 出转动将引起低压源32和高压源34的驱动轴的相应转动。然而，可构想， j氐压源32和高压源34中的一个或两个也可以以电动、液力、气动或4壬意 合适的方式驱动。进气系统14可包括构造成将压缩空气引入动力源12的燃烧室(未示 出)中的部件。例如，进气系统14可包括空气滤清器20和增压机(压缩 机)42。可构想，进气系统14可包括与上述部件不同的或附加于上述部件 的部件，例如，进气旁路部件、文氏管、后和/或级间空气冷却器、排气再 循环部件和其它已知的部件。空气滤清器40可构造成用于从流入动力源12的空气中除去或捕获残 渣。例如，空气滤清器40可包括全流式滤清器、自清洁滤清器、离心式滤 清器、电子静电除尘器或本领域已知的其它任意类型的空气过滤设备。可 设想在进气系统14包括一个以上的串联或平行布置的空气滤清器40。增压机42可构造成用于将流入动力源12中的空气压缩到预定的压力。 特别地，增压机42可包括设置在空气滤清器40下游的固定式增压机(fixed geometry type compressor)、可变式增压机(variable geometry type compressor )或本领域已知的任意其它类型的增压机。增压机42可通过进 气旁路44连接到空气滤清器40,并通过进气歧管46连接到动力源12。可 设想包括一个以上的串联或并联布置的增压机42。还可构想，可省去增压 机42,例如当需要非增压进气系统时。排气处理系统16可包括用于将排气流从动力源12导向大气的装置和 用于处理排气的装置。例如，排气处理系统16可包括连接成用于从动力源 12接收排气的涡轮48、设置在涡轮48下游的颗粒陷阱50和位于上述二者 之间的再生子系统52。可构想，排气处理系统16可包括附加的和/或不同的部件，例如氮氧化物(NOx)吸收器或其它催化装置、衰减装置、再循 环系统和本领域已知的其它用于从动力源12引导排气和/或用于处理排气 流的装置。涡轮48可连接到成用于驱动增压机42。特别地，由于来自动力源12 的热排气膨胀推动涡轮48的叶片(未示出)，所以涡轮48可转动并驱动 增压机42。可构想，如果需要，可以在排气处理系统16中并串联或平行 地布置一个以上的涡轮48。也可设想省去涡轮48，增压机可直接由动力源 12以机械的、液力的、电力的或本领域已知的任意其它方式驱动，如果需 要的话。颗粒陷阱50可包括一个或多个构造成用于从排气流中除去颗粒物质 的过滤元件54。具体地，过滤元件54可具体为用于在其整个厚度范围内 集聚颗粒物质的深床陶瓷类型的元件、用于在其表面上集聚颗粒物质的浅 床类型的元件例如侵入式金属网或陶瓷网，或本领域已知的任意其它合适 类型的过滤元件。过滤元件54的孔和/或网眼的大小可改变并才艮据特定的 应用场合来选择。可构想，过滤元件54可包括褶皱以增加过滤面积，可被 催化以降低氧化温度，可包括电子静电装置，和/或可导电以促进再生过程， 如果需要的话。再生子系统52可包括构造成用于使颗粒陷阱50再生的部件。具体地， 再生子系统52可包括再生触发装置56、文氏管58和空气阀60。可构想， 再生子系统52可包括附加的和不同的部件，例如闭锁元件或旁路元件、催 化装置或任意其它合适的再生部件。还可构想，如果需要的话，可省去文 氏管58。再生触发装置56可构造成用于触发过滤元件54的再生，以响应一个 或多个输入。在一个实例中，再生触发装置56可具体为燃料喷射器机构， 该燃料喷射器机构具有通过辅助供给管路62连接到高压源34的燃料阀。 为了响应一个或多个输入，燃料阀可将加压的燃料流导入文氏管58并导向 过滤元件54。随着加压燃料流点火，存在于过滤元件54中的颗粒物质的 温度可升高以燃烧。所述一个或多个输入可包括例如所经过的时间段、排气温度、在过滤元件54中的压差、排气背压或任意其它合适的条件。可构 想，再生触发装置56可以具体为电加热元件、发动机配气正时控制器、催 化喷射装置或本领域已知的任意其它触发装置。文氏管58可构造成用于限制排气处理系统16中的排气流，从而增加 流过文氏管58的排气的速度，并因而通过限制降低排气流的压力。文氏管 58可流体地设置在涡轮48和颗粒陷阱50之间，在该颗粒陷阱中降低的压 力可能引起将加压的燃料流从再生触发装置56中吸出以及将加压的空气 从空气阀60中吸出。空气阀60可构造成选择性地允许增压空气从增压机42流向过滤元件 54，以响应电气输入和流体压力。特别地，空气阀60可通过流体旁路64 流体地连接到增压机42 ，并通过先导旁路65流体地连接到泵送机构22 。 如图2所示，空气阀60可具体为螺线管致动的、先导^Mt的具有螺线管才几 构66、先导阀元件68和主提动元件70的阀。螺线管才凡构66可电力地致 动空气阀60以调节穿过先导旁路65的先导流体流，使得加压的空气可从 增压机42流过流体旁路64和空气阀60到达过滤元件54。可构想，空气 阀60可包括本领域已知的附加部件，例如常见的壳体、密封元件、导向元 件、紧固件、止回阀、泄压阀元件、补偿阀元件、压力平衡通道和其它的 类似部件。螺线管机构66可电气地连接到控制器(未示出)，并包括具有连粉肖 74的衔铁72，这二者都可克服先导回位弹簧76的偏压从中性状态移动到 通电状态。衔铁72和连接销74可响应所施加的电流而从中性状态移动通 电状态。先导阀元件68可M销74，以跟随衔铁72和销74运动，从而选择 性地引起空气阀60中的先导流体压力的增加或减小。特别地，先导阀元件 68可包括中心孔78、径向通道组80和位于中央的外环形槽82。先导流体 可从先导通道65经由输入口 84进入空气阀60，从环形槽82经由所述径 向通道组80流向中心孔78，并从先导阀元件68的两端流出。当衔铁72 和连接销74处于中性位置时，先导阀元件68可被主回位弹簧86偏压向关闭位置，在该关闭位置处润滑剂可被阻止从空气阀60流出，从而在空气阀 60内积聚压力。然而，当衔铁72和连接销74被推向通电位置时，先导阀 元件68可同样克l艮主回位弹簧86的偏压移向打开位置，在该打开位置处 空气阀60中的先导流体可以通过出口 83排出到机油箱24,从而减低空气 阀60中的压力。主提动元件70可包括枢转地连接到活塞部分90的凸出部分/鼻状部分 88,该活塞部分可响应空气岡60中的压力变化而移动。具体地，凸出部分 88可通过枢销92连接到活塞部分卯，并可构造成选择性地M阀座94。 当凸出部分88与阀座94接合时，来自流体通道64的空气可基本上被阻止 经由文氏管58流向过滤元件54。然而，当凸出部分88从阀座94移开时， 加压的空气可自由地流过流体通道64和文氏管58以帮助过滤元件54的再 生。当作用在活塞部分卯上的先导流体压力超过作用在凸出部分88上的 增压空气的关闭力时，凸出部分88可保持与阀座94接合。然而，当空气 阀60中的先导流体压力下降到低于作用在凸出部分88上的打开力时，凸 出部分88和活塞部分90可一起朝打开位置移动，以允许增压空气从流体 通道64穿过文氏管58流向过滤元件54。设置在凸出部分88和活塞部分 910之间的密封装置96可保持增压空气与加压润滑剂的隔离。工业适用性本发明的排气处理系统可用于任何燃烧类的设备，例如发动机、炉、 或本领域已知的任意其它燃烧设备，在这些设备中需要从排气流中除去颗 粒物质。排气处理系统16可以是用于在不会不利地影响排气系统中的背压 的情况下降低排放到环境中的颗粒物质量的简单且廉价的有效解决方案。 现在将解释排气系统16的运行。空气可经由增压机42吸入进气系统14,其中在增压机42中空气在进 入动力源12的燃烧室之前可被加压到预定值。燃料在进入燃烧室之前或之 后可与增压空气混和。然后，燃料空气混和物可,皮动力源12燃烧以产生机 械能和包含气态组分和固体颗粒物质的排气流。排气流可经由涡轮48从动力源12引导穿过过滤元件54，在该过滤元件中随排气带走的颗粒物质的 大部分可被从排气流中过滤。经过一段时间，颗粒物质可在过滤元件54 中积聚，并且如果不进行检查则会明显足以部分地或者甚至完全抑制排气 流过过滤元件54，使得排气系统16中的压力增加。动力源12的背压的增 加会降低吸入新鲜空气的能力，导致动力源12的性能降低。为了緩和颗粒物质在颗粒陷阱50中的积聚，可使过滤元件54再生。 再生可基于触发条件，例如动力源的运行时间、在颗粒陷阱50内测得的压 差、来自动力源12的排气流的温度或压力或本领域已知的任意其它^K为使过滤元件54再生，可将来自再生触发装置56的燃料流和来自空 气阀60的增压空气导向过滤元件54。在排气处理系统16中的高温环境下， 被导向过滤元件54的燃料/空气混和物可点燃并提高所携带的颗粒物质的 温度使之燃烧。为将增压空气流导向过滤元件54，可对螺线管4几构66施加电流，该 机构可将衔铁72和连接销向下推向主提动阀元件70。由于衔铁72和销74 向下运动，先导元件68可被强制到达打开位置，以从空气阀60排放加压 的润滑剂。随着空气阀60内的润滑剂压力的降低，由降低的压力施加在活 塞部分90上的力可下降到低于作用在凸出部分88上的打开力，从而导致 凸出部分88从阀座94移开。随着凸出部分88从阀座94移开，增压空气 可以从流体通道64经由文氏管58流向过滤元件54。因为空气阀60是先导^^作的，所以排气系统16的部件和运行成本可 最小化。具体地，因为操作空气阀60所需的力来自已经加压用于在动力源 12中使用的润滑剂，所以与其中螺线管必须施加打开和关闭力的系统相 比，所述用于致动空气阀60的螺线管的尺寸可减小。此外，因为可以使用 小的螺线管，所以可需要^f艮少的用于操作空气阀60的电流。空气阀60的 减小的电流需求可减小与排气处理系统16相关的运行成本，从而提高作业 机械IO的效率。对于本领域技术人员显而易见的是，对这里公开的排气处理系统可做 出多种改进和变型。从对这里公开的排气处理系统的说明和实践的思考中得到的其它实施例对于本领域技术人员也是显而易见的。应指出，所述说 明和实例仅仅是作为示例，实际范围由所附权利要求及其等效方案来指出。
权利要求
1.一种用于动力源(12)的排气处理系统(16)，包括进气口(58)，该进气口构造成接收来自所述动力源的排气流；过滤媒介(54)，该过滤媒介构造成从排气流中除去颗粒物质；排气口(50)，该排气口构造成将排气流从过滤媒介导向大气；加热装置(56)，该加热装置构造成提高存在于过滤媒介中的颗粒物质的温度；增压空气供应源(42)；以及先导式阀(60)，该阀构造成选择性地将增压空气导向被加热的颗粒物质。
2. 根据权利要求l所述的排气处理系统，其特征在于，还包括先导 流体供给应源(22),所述先导式阀包括能由所述先导流体移动的阀元件。
3. 根据权利要求2所述的排气处理系统，其特征在于，所述先导流 体包括所述动力源的润滑剂。
4. 根据权利要求2所述的排气处理系统，其特征在于，所述先导流 体包括所述动力源的燃料。
5. 根据权利要求l所述的排气处理系统，其特征在于，所述先导式 阀是螺线管致动的。
6. —种用于处理动力源(12)的排气流的方法，包括 将排气流从动力源导向过滤媒介(54)以从排气流中除去颗粒物质； 将排气流从过滤媒介导向大气；提高存在于过滤媒介中的颗粒物质的温度；以及 调节先导流体向空气阀(60)的流动以选择性地将增压空气传递给加 热的颗粒物质。
7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述先导流体包括所 述动力源的润滑剂。
8. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述先导流体包括所述动力源的燃料。
9. 才艮据权利要求6所述的方法，其特征在于，调节先导流体的流动 包括对先导流体加压以及将先导流体供应给一第一阀元件(70)，以使该 第一阀元件移动；以及对螺线管机构(66)施加电流以使一第二阀元件(68)移动。
10. —种作业机械(IO)，该作业机械包括动力源(12)，该动力源构造成用于产生动力输出和排气流；以及 根据权利要求1-5中任一项所述的排气处理系统(16)，该排气处理 系统构造成用于从排气流除去颗粒物质。
全文摘要
本发明公开了一种用于动力源(12)的排气处理系统(16)。该排气处理系统包括构造成用于接收来自所述动力源的排气流的进气口(58)、构造成用于从排气流中除去颗粒物质的过滤媒介(54)、构造成用于将排气流从过滤媒介导向大气的排气口(50)。所述排气处理系统还具有构造成用于提高存在于过滤媒介中的颗粒物质的温度的加热装置(56)、增压空气供应源(42)以及构造成选择性地将增压空气导向被加热的颗粒物质的先导式阀(60)。
文档编号F01N3/30GK101278108SQ200680036086
公开日2008年10月1日 申请日期2006年8月2日 优先权日2005年9月28日
发明者J·D·盖尔斯泽韦斯基, M·H·巴韦贾, R·L·罗尔夫斯 申请人:卡特彼勒公司