CN102667080A - 具有后处理模块的排气系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种与发动机一起使用的后处理模块。该后处理模块可包括多个进口，其被构造为沿第一流动方向将废气引导至所述后处理模块内。该后处理模还可包括：混合管，其被构造为接收来自所述多个进口的废气；及分流通道，其与所述混合管流体连通。该分流通道可构造为将废气从所述混合管重新引导为分开的气流，所述分开的气流沿着第二流动方向离开所述后处理模块，所述第二流动方向与所述第一流动方向反向。

Description

具有后处理模块的排气系统

技术领域

本发明涉及一种排气系统，并且特别涉及一种具有后处理模块的排气系统。

背景技术

涵盖柴油发动机、汽油机、以气体燃料为动力的发动机以及本领域已知的其他发动机的内燃机会排放空气污染物的混合物。除包含其他成分以外，这些空气污染物由包含氮氧化物(NO_X)的气体化合物构成。随着环保意识的增强，废气排放标准愈加严苛，要根据发动机的类型、发动机的规格和\或发动机的等级控制发动机排向大气中的NO_X的量。

为了符合NO_X的排放规定，一些发动机制造商已执行被称为选择性催化还原(SCR)的策略。SCR是这样一种废气处理工艺：还原剂(最普遍地为尿素((NH₂)₂CO)，或水\尿素溶液)被选择性地注入发动机的废气流中，并被吸附于下游的基底上。注入的尿素溶液分解为氨(NH₃)，氨与废气中的NO_X反应生成水(H₂O)和双原子的氮(N₂)。

在一些应用中，用于SCR目的的基底可能需要非常大，以帮助确保其有足够大的表面面积或有效的体积来吸附将NO_X充分还原所需的适当量的氨。这些大的基底价格昂贵且需要占据发动机排气系统内的大量空间。此外，须将基底足够远地置于尿素溶液注入位置的下游，才能有时间将其分解为氨气，并使氨气在废气流中均匀分布，以有效地还原NO_X。这样的间隔会进一步增大排气系统的封装难度。

在一些情况下，由于使用上述SCR基底而产生的排气背压可能会是有问题的。具体地，SCR基底会在一定程度上限制废气流，从而导致离开发动机的废气的压力增大。如果该废气背压过高，则发动机的吸排气能力及后续的性能会受到不利影响。因此，需要采取措施避免实施SCR时废气流的过度节流。

许多内燃机的排气系统还可配备消减噪音的设备，例如消音器。消音器通常设置于SCR基底的下游，以消散在离开基底的废气流中的过量噪音。尽管消音器能有助于减小一些噪声污染，但包含这些串联设置的设备通常会增加发动机排气系统的尺寸，从而增大排气系统的封装难度。

本发明公开的排气系统在于解决上述一个或多个需求。

发明内容

本发明的一个方面在于一种后处理模块。该后处理模块可包括多个进口，其被构造为沿第一流动方向将废气引导至所述后处理模块内。该后处理模还可包括：混合管，其被构造为接收来自所述多个进口的废气；以及分流通道，其与所述混合管流体连通。该分流通道可被构造为将来自所述混合管的废气重新引导为分开的气流，所述分开的气流沿着第二流动方向离开所述后处理模块，所述第二流动方向与所述第一流动方向反向。

本发明的第二个方面在于另一种后处理模块。该后处理模块可包括多个废气进口及中间流动区域，中间流动区域具有第一流动方向，并被构造为接收来自所述多个进口的废气。该后处理模还可包括：第一废气处理装置，其位于多个进口的下游且位于中间流动区域的上游；以及通道，其被构造为接收来自中间流动区域的废气，并以相对于第一流动方向的倾斜角在多个流动路径中引导废气。该后处理模块还可额外的包括位于该通道下游的第二废气处理装置。

本发明的第三个方面在于一种动力系统。该动力系统可包括：具有多个气缸的内燃机；多个废气进口，其被构造为接收来自所述多个气缸的废气；及位于多个进口下游的多个氧化催化器。该动力系统可包括：混合管，其构造为接收来自多个氧化催化器的废气；还原剂喷射器，其与混合管流体连通；及混合器，其位于还原剂喷射器下游的混合管内。该动力系统还可额外地包括：第一排SCR催化器，其自所述混合管径向向外设置，并被构造为接收来自所述混合管的废气，并且其相对于所述混合管的纵向轴线是成角度的，以沿径向向内朝向所述混合管的一侧将废气排出；以及第二排SCR催化器，其自所述混合管径向向外设置，并被构造为接收来自所述混合管的废气，且其相对于所述混合管的纵向轴线成一定角度，以沿径向向内朝向所述混合管的一侧将废气排出。该动力系统还可包括：出口腔，其包围所述混合管，并被构造为接收来自所述第一排SCR催化器和所述第二排SCR催化器的废气；以及壁，其相对第一排SCR催化器的表面成倾斜角，并与第一排SCR催化器一起至少部分地形成排气通道，所述排气通道具有沿着流动方向逐渐减小的流动面积。

附图说明

图1为示例性公开的动力系统的示意图；

图2为图1中动力系统的放大示意图；

图3为示例性公开的后处理模块的示意图，该后处理模块可与图1中的动力系统结合应用；

图4为图3中后处理模块的剖开示意图；

图5为图3中后处理模块的截面示意图。

具体实施方式

图1示出了一种示例性的动力系统10。为了本发明的目的，动力系统10被绘示并描述为发动机组，其包括由多缸内燃机14提供动力的发电机12。发电机12和发动机14可大致容纳在外部框架16内，并由外部框架16支撑。然而，可以预见的是，如果需要的话，动力系统10可涵盖其他类型的动力系统，例如动力系统10可包括与诸如机车的可移动机器或诸如泵的固定机器相关的柴油机、汽油机或以气体燃料为动力的发动机。

动力系统10内可包含多个单独的次系统，以促进产生动力。例如，除包含其他结构以外，动力系统10还可包括进气系统18和排气系统20。进气系统18可构造为将空气或空气/燃料混合物导入动力系统10中以进行后续的燃烧。排气系统20可处理燃烧过程的副产品，并将副产品排向大气。如图2所示，进气系统18和排气系统20可经由一个或多个涡轮增压器21彼此机械联接。

排放系统20可包括这样的部件，其调节来自发动机14的气缸的废气，并将其引导至大气。例如，排气系统20可包括一个或多个与发动机14的气缸流体连接的排气通道22；一个或多个由流过通道22的废气驱动的涡轮机24；以及后处理模块26，其被连接用于接收并处理来自通道22、流过涡轮机24之后的废气。当离开发动机14的气缸的热废气运动经过涡轮机24，并对着涡轮机24的叶片(未示出)膨胀时，涡轮机24会转动并驱动相连的进气系统18的压缩机25，以对进入的空气加压。在经由一个或多个排放通道28(为了清楚起见，图2中移除了排放通道28，排放通道28仅在图1中示出)将废气排出之前，后处理模块26会处理、调节和/或减少离开涡轮机24的废气的成分。

如图3所示，后处理模块26可包括底座支架30、大致呈盒状的壳体32、一个或多个进口34、及一个或多个出口36。底座支架30可例如由低碳钢制成，并刚性连接至动力系统10的框架16(参见图1、2)。壳体32可例如由焊接不锈钢管制成，并连接至底座支架30，使得当壳体32暴露于升高的温度时，壳体32会相对于底座支架30稍稍热膨胀。在一种实施例中，壳体32包括大号的孔或槽(未示出)，其构造为与底座支架30的紧固件38存在间隙的接合。进口34和出口36可位于壳体32的一端，使得废气流离开壳体32的方向与进入壳体32的废气流的方向相反。进口34可操作地连接至通道22(参见图2)，而出口36可操作地连接至通道28(参见图1)。可在壳体32的关键性位置上设置一个或多个检修口，例如一对氧化催化器检修口40和一对SCR催化器检修口42，以提供通向后处理模块26内部部件的维修通道。

后处理模块26可覆盖多个废气处理设备。例如，图4所示的后处理模块26覆盖有：由一排或多排氧化催化器44构成的第一后处理设备；由还原剂计量装置46构成的第二后处理设备；及由一排或多排SCR催化器48构成的第三后处理设备。可以预见的是，根据需要，后处理模块26可包括更多或更少数量的本领域公知的任一类型的后处理设备。氧化催化器44可位于进口34的下游，在一实施例中，其同样位于与进口34相关联的扩散器50的下游。还原剂计量装置46可位于氧化催化器44的下游并在SCR催化器48的上游。

氧化催化器44可例如为柴油氧化催化器(DOC)。作为柴油氧化催化器的每一个氧化催化器44可包括多孔陶瓷蜂窝结构、金属网、金属或陶瓷泡沫、或其他涂有或包含催化材料(例如贵金属)的适当的基底，其催化化学反应，以改变穿过氧化催化器44的废气的成分。在一种实施例中，氧化催化器44可包括促使NO向NO₂转化的钯、铂、钒或者其混合物。在另一种实施例中，氧化催化器44可选择地或附加地执行捕捉微粒的作用(例如，氧化催化器44可为催化型微粒捕捉器)、碳氢还原作用、一氧化碳还原作用和\或本领域公知的其他作用。

在所描述的实施例中，所公开的两排单独的氧化催化器44设置为并行地从成对的进口34接收废气。每排氧化催化器44可包括两个或多个串联设置的基底，其构造为从一对进口34和一个相关联的扩散器50接收废气。在所描述的实施例中，扩散器50可构造为锥形或多个同心的锥形，但也可使用本领域公知的任意的扩散器几何形状。在图1至5所示的装置中，每个扩散器50可构造为将从一对进口34接收的废气以大致均匀地横穿相关的一排氧化催化器44的主基底表面的方式进行分配。在一种示例中，单独一排氧化催化器44的基底之间可存在空间，在需要时，该空间同时促进废气的分散和声音的消减。可以预见的是，根据需要，后处理模块26内可应用任意排数的氧化催化器44，氧化催化器44可包含任意数量串联或并联设置的基底。

还原剂计量装置46可包含中间流动区，中间流动区除包含其他结构外，还包括混合管52，该混合管具有与氧化催化器44流体连通的上游开口端54以及与SCR催化器48流体连通的下游开口端56。可在上游开口端54处，或其附近设置还原剂喷射器58，其构造为向流经混合管52的废气内喷射还原剂。可向流经混合管52的废气内喷洒或预置气体或液体还原剂，最常见的为水\尿素溶液、氨气、液化无水氨、碳酸铵、铵盐、或例如柴油的碳氢化合物。

还原剂喷射器58可位于SCR催化器48的上游一定距离处，且位于混合管52的进口部分，以允许注入的还原剂有充分的时间与来自动力源10的废气混合，并使其在进SCR催化器48之前被充分分解。也就是说，通过将充分分解的还原剂均匀分配在流经SCR催化器48的废气内，可促进其中的NO_X还原。还原剂喷射器58与SCR催化器48之间的距离(即混合管52的长度)可基于离开动力系统10的废气的流速和\或混合管52的横截面面积而定。在图4和图5所示的示例中，混合管52可延伸壳体32的大部分长度，且还原剂喷射器58位于上游开口端54处。

为了加强还原剂与废气的结合，可在混合管52内设置混合器60。在一实施例中，混合器60位于还原剂喷射器58的下游，其可包括叶片或桨片，叶片或桨片为倾斜的，从而当废气流经混合管52时产生废气的涡旋运动。

在一种实施例中，减音腔62可将氧化催化器44的出口与混合管52的上游开口端54流体连通。在图4和图5所示的示例中，减音腔62可具有下游侧壁62a，其朝向混合管52的上游开口端54倾斜，以使废气像流过漏斗一样进入混合管52内。在一些实施例中，减音腔62还可包括分隔部64，其将减音腔62分隔为串联设置的第一隔室66和第二隔室68。管道70可将第一隔室66流体连接至第二隔室68。为了加强第一隔室66和第二隔室68内的减音效果，管道70可延伸进入第一隔室66中一个距离D₁，D₁大约等于从氧化催化器44的尾部基底到分隔部64的距离的一半，且混合管52也可以延伸进入第二隔室68中一个距离D₂，D₂大约等于从分隔部64到减音腔62的下游侧壁62b的距离的一半。在一种示例中，管道70的总长度可为距离D₁的大约两倍。

后处理模块26可包括第一排72的SCR催化器48和第二排74的SCR催化器48，第一排72和第二排74均包括多个彼此相对平行设置的SCR催化器48。在图4和图5所示的示例中，第一排72和第二排74均包括六个共同安装在同一支撑结构76内的SCR催化器48。然而可以预见的是，任意数量的SCR催化器48可包括在后处理模块26内并被支撑在任意数量的排内。

第一排72的SCR催化器48和第二排74的SCR催化器48可均为沿径向位于混合管52的外部，且布置为相对于混合管52的纵向轴线倾斜一个内锐角α(仅在图5中示出)。在一种示例中，角度α可大致在10-45°范围内。位于壳体32的、与进口34相对一端的通道78可为分岔的，并重新引导离开混合管52的废气沿径向向外朝向壳体32的相对侧壁80。每一侧壁80可相对于其相关的第一排72的SCR催化器48或第二排74的SCR催化器48的上游面倾斜一个内锐角β(仅如图5所示)，使得每一侧壁80与相关的第一排72的SCR催化器48或第二排74的SCR催化器48可共同形成通道82，通道82从上游的一个SCR催化器48延伸至下游的一个SCR催化器48，且横截面面积沿流动方向减小。在一示例中，角度β可在10-45°范围内。通道82的减小的横截面面积可对流经通道82的废气流产生递增的约束性，使得分配到各个SCR催化器48的废气量大致相同。

每个SCR催化器48的形状、尺寸及成分可大致相同。具体地，每个SCR催化器48可包括大致为柱状的基底，基底由以下材料制成或涂有以下材料：例如氧化钛的陶瓷材料、例如钒和钨的贱金属氧化物、沸石、和\或贵金属。通过这样的构成，混入流经混合管52和通道78、82的废气中的分解的还原剂可被吸附到表面上和/或被吸附到每一SCR催化器48内，还原剂可与废气中的NOx(NO和NO₂)进行反应，以生成水(H₂O)和双原子氮(N₂)。

支撑结构76不仅可支撑SCR催化器48，还可用于减弱噪音。具体地，每一个支撑结构76可包括一个或多个减音穴84，其形成在第一排72和第二排74中的单独一排的多个SCR催化器48之间。每一减音穴84可具有在相应的第一排72的SCR催化器48或第二排74的SCR催化器48的上游一侧封闭的第一端，以及在相应的第一排72或第二排74的下游一侧打开的第二端。通过这样的结构，使来自SCR催化器48下游的声音可进入减音穴84，在其间反射并消散，而不允许未经处理的废气在SCR催化器48周围经过。

壳体32和第一排72的SCR催化器48和第二排74的SCR催化器48及减音腔62的端壁62a可共同形成环绕混合管52的出口腔86。在一种实施例中，围绕混合管52的整个外周可保持一个空间，使得出口腔86可接收并汇聚来自第一排72和第二排74上的各个SCR催化器48的被向径向内侧导向的废气。出口腔86可随后将废气再次分隔成两股单独的气流，经由出口36从后处理模块26排出。

出口腔86的下游、邻近各出口36处可设有出口减音腔(exitattenuation chamber)88。每一出口减音腔88可至少部分地由一部分侧壁80、支撑结构76的端部及以一个角度布置在侧壁80和支撑结构76之间的壁90形成。在图4和图5所示的实施例中，每一出口减音腔88可具有大致呈三角形的截面，从而可增大后处理模块26内部的空间使用量。然而应当注意，出口减音腔88可根据需要包括其他形状。一个单独的通道92可延伸进入各出口减音腔88一定距离，以将各出口减音腔88与离开的废气流流体连通，选择该延伸距离以提高消减噪音效果。

可设置NOx传感器94以检测离开SCR催化器48的废气中的NOx浓度。在一种示例中，NOx传感器94可与出口腔86流体连通，从而可监控流经后处理模块26的所有废气流中的NOx浓度。例如，NOx传感器94可位于混合管52的外表面上。NOx传感器94可产生指示流经出口腔86的废气中的NOx浓度的信号，并将该信号传给排气或动力系统控制器(未示出)。所述控制器可随后响应地调整发动机和/或后处理的操作的参数，其中包括调整注入还原剂的量，使得将NOx浓度保持在规定界限以下。可以预见的是，根据需要，NOx传感器94可选择性地设置在SCR催化器48的下游，例如混合管52的内表面上。

图5示出了贯穿后处理模块26的废气流。将在接下来的部分对图5进行详细说明，以进一步阐述本发明后处理模块及其操作。

工业实用性

本发明的后处理模块可应用于需要调整废气成分的任一动力系统结构中，部件封装、背压及消减噪音是这些动力系统结构中的重要问题。本发明的后处理模块通过利用多个小型还原设备，并有效利用可用空间来改进封装，以实现多种目的(例如，减少组成部件和消减噪音)，同时仍可提供充足的分解还原剂的空间，并将废气流和还原剂均匀分配穿过适当的催化器。本发明的后处理模块还可通过限制对于废气节流而保持低背压。以下将对动力系统10的操作进行说明。

参照图1和图2，进气系统18可对空气或燃料与空气的混合物加压并施力，使其进入发动机14的气缸内，以进行后续燃烧。可通过发动机14使燃料与空气的混合物燃烧，以产生驱动发电机12的机械旋转运动并产生热气体的废气流。废气流可以包含空气污染物的混合物，除包含其他成分以外，这些空气污染物可包含氮氧化物(NOx)。废气可经由涡轮机24和通道22被导引至后处理模块26。

废气可从通道22经由四个不同的进口34进入后处理模块26。进口34可成对地设置在一起，使得来自两个进口34的气流经过一个共同的扩散器50到达相关的多排氧化催化器44。扩散器50可帮助将进入的废气均匀分配穿过氧化催化器44的表面。当废气贯穿氧化催化器44时，废气内的部分NO可被转化为NO₂。可选择地或另外地，颗粒物、碳氢化合物、和\或一氧化碳可在氧化催化器44内被捕捉、转化、和\或减少。

废气穿过氧化催化器44之后，其可通过管道70流入减音腔62的第一隔室66，并进入第二隔室68。当废气通过第一隔室66和第二隔室68时，与气流相关的噪音会在第一隔室66和第二隔室68内反射并消散。管道70和混合管52分别延伸到第一隔室66和第二隔室68内的部分可提高第一隔室66和第二隔室68的减音效果。

离开第二隔室68的废气可被像流过漏斗一样流入混合管52内，混合管52内的混合器60可促使废气形成涡流和/或紊流。还原剂可被注入到混合器60上游的气流内。当废气和还原剂的涡流和\或紊流沿着混合管52行进时，此混合物会持续均匀化，还原剂可开始分解。当该混合物到达SCR催化器48时，大部分还原剂会被分解，以实现在SCR催化器48内的还原目的。

通道78可使来自混合管52的废气的方向改变为沿径向向外朝向壳体32的侧壁80并进入平行的通道82。由于通道82的流动区域逐渐减小，因此废气可以大致均匀的方式被推过各个SCR催化器48。当废气穿过SCR催化器48时，NOx可与还原剂反应并生成水和双原子氮。废气会离开SCR催化器48进入出口腔86。由于混合管52的外周与壳体32的壁之间保持间隙空间，因此离开单个第一排72、第二排74的SCR催化器48的废气会在出口腔86内再次汇合。可通过NOx传感器94检测出口腔86内的废气混合物中NOx浓度。

当废气流进入及离开出口腔86时，都可使后处理模块26内的与废气流相关的噪音减弱。具体地，噪音可被允许从SCR催化器48的下游侧进入减音穴84，并在减音穴84内反射并消散。此外，在废气经由出口36从后处理模块26排出之前，与排出的废气流相关的噪音可进入腔88，噪音在腔88内再次反射并消散。接着，废气可从后处理模块26的一端排出，该端与废气初始进入后处理模块26的一端为同一端，且进出方向相反。

后处理模块26可促进废气的均匀分散以及还原剂的充分分解，例如，扩散器50可帮助将废气均匀分配穿过上游氧化催化器44的表面。上游的氧化催化器44与下游的氧化催化器44之间的空间可进一步促进分配。此外，混合器60通过涡流和\或紊流可帮助废气与还原剂混合，对于适当的混合量以及还原剂的分解来说，混合管52和管道78的长度是足够的。SCR催化器48的位置、数量以及其相对于侧壁80和混合管52的方向可促进废气均匀分配穿过SCR催化器48表面。此外，多个氧化催化器44和SCR催化器48平行设置使得通过后处理模块26的废气流受到极小的限制，从而提高发动机的背压和性能。

后处理模块26可包括几个专用通道壁(如果有的话)，从而降低成本。也就是说，后处理模块26的大部分部件都可起到多种作用，包括起到沿所需方向引导废气流的通道壁的作用。例如，可利用减音腔62消减噪音并使废气像流过漏斗一样流向混合管52。在另一示例中，混合管52可被利用来将废气与还原剂混合，并将来自氧化催化器44的废气导向SCR催化器48。类似地，SCR催化器48可被利用来处理废气，并作为限定通道的壁，使得废气均匀分配穿过各个SCR催化器48。最后，减音腔88可利用其他浪费的空间来消散噪音。后处理模块26的部件的简化和多用途的功能性可使自身成本降低。

本领域技术人员应当理解在不脱离本发明范围的情况下，可对本发明的排气系统和后处理模块进行各种调整和改变。从本发明记载的系统和模块的说明和实践方面的考虑，本领域技术人员可想到其他实施例。说明书和各示例的目的仅作为列举，本发明的真正范围记载由以下权利要求书及其等同内容指出。

Claims (10)

1.一种后处理模块(26)，包括：

多个进口(34)，其被构造为沿第一流动方向将废气引导至所述后处理模块内；

混合管(52)，其被构造为接收来自所述多个进口的废气；及

分流通道(78)，其与所述混合管流体连通，并被构造为将来自所述混合管的废气重新引导为分开的气流，所述分开的气流沿着第二流动方向离开所述后处理模块，所述第二流动方向与所述第一流动方向反向。

2.如权利要求1所述的后处理模块，还包括：

第一排SCR催化器(72)，其自所述混合管沿径向向外设置，并被构造为接收来自所述混合管的废气；

第二排SCR催化器(74)，其自所述混合管沿径向向外设置，并被构造为接收来自所述混合管的废气；以及

出口腔(86)，其包围所述混合管，并被构造为接收来自所述第一排SCR催化器以及所述第二排SCR催化器的废气。

3.如权利要求1所述的后处理模块，还包括：

一排SCR催化器(74)；以及

壁(80)，其相对该排SCR催化器的表面成倾斜角(β)设置，并与该排SCR催化器一起至少部分地形成排气通道(82)，所述排气通道具有沿着流动方向逐渐减小的流动区域。

4.如权利要求1所述的后处理模块，还包括一排SCR催化器(74)，其相对于所述混合管的纵向轴线是成角度的，并被构造为沿径向向内朝向所述混合管将废气排出。

5.如权利要求1所述的后处理模块，还包括：

一排SCR催化器(74)，其被构造为接收来自所述混合管的废气；以及

多个形成在该排SCR催化器的多个SCR催化器(48)之间的减音穴(84)，所述多个减音穴中的每一个具有在该排SCR催化器的上游一侧封闭的第一端以及在该排SCR催化器的下游一侧敞开的第二端。

6.如权利要求1所述的后处理模块，还包括多个位于所述混合管下游的出口(36)。

7.如权利要求1所述的后处理模块，还包括至少一个位于所述混合管上游的氧化催化器(44)。

8.如权利要求9所述的后处理模块，还包括至少一个扩散器(50)，其靠近所述多个进口中的至少一个设置，并被构造为将废气流大致均匀地分配穿过所述至少一个氧化催化器，其中，所述至少一个氧化催化器包括多排氧化催化器，所述至少一个扩散器包括多个扩散器，所述多排氧化催化器中的每一排与所述多个扩散器中的一个相关联。

9.如权利要求1所述的后处理模块，还包括：

减音腔(62)，其位于所述多个进口与混合管之间；

壁(64)，其布置于所述减音腔内，并将所述减音腔分隔为第一隔室(66)和第二隔室(68)；以及

管道(70)，其将所述第一隔室(66)与第二隔室(68)流体连通，

其中该管道延伸进入所述第一隔室中一段距离(D1)，所述距离大约等于从所述壁到所述第一隔室的进口的距离的一半。

10.一种动力系统(10)，包括：

具有多个气缸的内燃机(14)；以及

如权利要求1-9中任一项所述的后处理模块(26)，其被构造为接收来自所述多个气缸的废气。

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