用于排氣后處理系統(tǒng)的模塊化組件的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種用于排氣后處理系統(tǒng)的模塊化組件。該模塊化組件包括入口部。該模塊化組件還包括混合元件。該模塊化組件進一步包括從入口部發(fā)散的第一截錐區(qū)。該模塊化組件還包括設置在殼體的中心部內的選擇性催化還原組件。選擇性催化還原組件包括一組催化器。該模塊化組件還包括消聲元件，該消聲元件設置在殼體的中心部內并位于在選擇性催化還原組件的下游。該模塊化組件包括設置在殼體的中心部內的擋板布置，該擋板布置包括第一擋板和第二擋板。該模塊化組件還包括從殼體的中心部向出口部收斂的第二截錐區(qū)。模塊化組件還包括連接至第二截錐區(qū)的所述出口部。本實用新型的模塊化組件可以容納且安裝于緊湊的安裝空間中。
【專利說明】
用于排氣后處理系統(tǒng)的模塊化組件
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種模塊化組件，更具體地涉及用于與發(fā)動機相關聯(lián)的后處理系統(tǒng)的模塊化組件。
【背景技術】
[0002]后處理系統(tǒng)與發(fā)動機系統(tǒng)相關聯(lián)。該后處理系統(tǒng)配置成在排氣流排放至大氣之前處理并減少存在于排氣流中的氮氧化物(NOx)。為減少NOx，后處理系統(tǒng)可包括還原劑輸送模塊、還原劑噴射器和和選擇性催化還原(SCR)模塊。
[0003]此外，后處理系統(tǒng)可包括具有消聲元件的消聲器組件。消聲元件執(zhí)行消聲功能并抑制排氣產生的高壓噪音。通常，消聲器組件作為位于SCR模塊下游的單獨模塊。在一些實例中，SCR模塊及消聲元件被集成為單個消聲器組件。但是，SCR模塊包括具有方形橫截面的SCR單元。由于壓力脈動，這種形狀的SCR單元會導致應力增加。另外，產生的應力還橫穿焊縫，從而影響SCR單元在消聲器組件內的安裝。在一些情況下，采用這種設計的SCR單元會導致環(huán)向應力的增加。
[0004]專利號為5，578，277的美國專利(下文稱為‘277專利)描述了一種模塊化催化轉換器及消聲器，其用于凈化相對較大柴油機的排氣。模塊化催化轉換器及消聲器包括多個安裝在模塊化催化轉換器及消聲器殼體內的催化轉換器子罐。模塊化催化轉換器及消聲器還包括安裝在催化轉換器子罐上游的殼體內的流量分配器。另外，為衰減排氣時產生的噪聲，消聲器結構安裝在催化轉換器子罐與出口之間的殼體內。但是，‘277專利的模塊化催化轉換器及消聲器具有龐大的結構。
【實用新型內容】
[0005]在本實用新型的一個方面，提供了一種用于排氣后處理系統(tǒng)的模塊化組件。模塊化組件包括由模塊化組件殼體限定的入口部。入口部設置成連接至排氣管道。模塊化組件還包括混合元件，其定位在入口部內且相對于排氣流方向位于還原劑噴射器的下游。模塊化組件進一步包括自入口部發(fā)散的第一截錐區(qū)。模塊化組件還包括設置在殼體的中心部內的選擇性催化還原組件。選擇性催化還原組件包括一組相對彼此以豎直布置定位的催化器。這組催化器中每個催化器的中心軸線平行于排氣管道的中心軸線。模塊化組件進一步包括消聲元件，消聲元件設在殼體的中心部內并定位在選擇性催化還原組件的下游。模塊化組件包括設置在殼體的中心部內的擋板布置。擋板布置包括設置在選擇性催化還原組件上游的第一擋板和設在消聲元件下游的第二擋板。另外，包括擋板布置、選擇性催化還原組件和消聲元件的殼體的中心部具有長條形橫截面。模塊化組件還包括出口部以及從所述殼體中心部向所述出口部收斂的第二截錐區(qū)，所述出口部連接至所述第二截錐區(qū)。
[0006]本實用新型提供了在單一的模塊化組件內設置消聲元件和SCR組件。模塊化組件的殼體為具有搭接焊接接頭的長條形形狀。由于殼體具有緊湊的形狀，因此，模塊化組件可以容納且安裝于緊湊的安裝空間中。殼體的這種設計使得因壓力脈動所引發(fā)的應力降低。殼體的設計還使得殼體內的排氣平順地流動。
[0007]通過以下的說明和附圖，本實用新型的其它特征和方面將變得顯而易見。
【附圖說明】
[0008]圖1為根據本實用新型一個實施例的具有與其相關聯(lián)的后處理系統(tǒng)的示例性發(fā)動機系統(tǒng)的不意圖；
[0009]圖2為根據本實用新型一個實施例的與后處理系統(tǒng)相關聯(lián)的示例性模塊化組件的局部剖視圖；以及
[0010]圖3為未示出圖2所示的模塊化組件的局部透視圖。
【具體實施方式】
[0011]在所有附圖中將盡可能使用相同的參考標記來指示相同或類似的部件。參照圖1，根據本實用新型一個實施例示出了示例性發(fā)動機系統(tǒng)100的示意圖。發(fā)動機系統(tǒng)100包括發(fā)動機102，其可為內燃發(fā)動機，如往復式活塞發(fā)動機或燃氣渦輪發(fā)動機。發(fā)動機102是一種火花點火式發(fā)動機或壓燃式發(fā)動機，如柴油發(fā)動機、均質壓燃式發(fā)動機、或反應受控的壓燃式發(fā)動機或本本領域已知的其他壓燃式發(fā)動機。發(fā)動機102可以使用汽油、柴油、生物柴油、二甲醚、乙醇、天然氣、丙烷、氫氣、或它們的組合或本領域已知的其他任意燃料作為燃料。
[0012]發(fā)動機102可包括其他部件(圖中未示出)，如燃料系統(tǒng)、進氣系統(tǒng)、包括傳動系統(tǒng)的動力傳動系統(tǒng)等等。發(fā)動機102可用于向機器(圖中未示出)提供動力，該機器包括但不限于公路用卡車、越野載重車、運土機器、發(fā)電機等等。因此，發(fā)動機系統(tǒng)100可與包括但不限于運輸業(yè)、建筑業(yè)、農業(yè)、林業(yè)、發(fā)電及材料處理的行業(yè)相關聯(lián)。
[0013]發(fā)動機系統(tǒng)100包括流體地連接至發(fā)動機102的排氣歧管(未示出)的排氣后處理系統(tǒng)104，在下文中可交換地稱作后處理系統(tǒng)104。后處理系統(tǒng)104可處理自發(fā)動機102的排氣歧管排出的排氣流。排氣流包含排放化合物，其可以包括氮氧化物(NOx)、未燃燒的碳氫化合物、顆粒物質、和/或本領域已知的其他燃燒產物。在排氣流排出發(fā)動機系統(tǒng)100之前，后處理系統(tǒng)104可捕獲或轉化NOx、未燃燒的碳氫化合物、顆粒物質、或它們的組合或排氣流中存在的其他燃燒產物。
[0014]后處理系統(tǒng)104包括模塊化組件200。模塊化組件200被設置成與排氣管道106流體連通。參照圖2，模塊化組件200包括殼體202 ο殼體202可由本領域已知的任何金屬或聚合物制成。另外，在不限制本實用新型的保護范圍的前提下，與殼體202有關的參數，例如大小、形狀、位置和所使用的材料可以根據設計和需求而改變。
[0015]模塊化組件200的殼體202限定了入口部204。入口部204可具有圓形橫截面?？蛇x擇地，A 口部204可具有長條形、正方形或矩形橫截面。殼體202的入口部204經由排氣管道106(參見圖1)接收來自排氣歧管的排氣流。入口部204的第一端配置成連接至排氣管道106。
[0016]現(xiàn)在參照圖1，后處理系統(tǒng)104可包括與其關聯(lián)的還原劑供給系統(tǒng)108。還原劑通過與還原劑供給系統(tǒng)108關聯(lián)的還原劑噴射器110被噴射進入口部204(參見圖2)。還原劑可以是流體，例如柴油排氣處理液(DEF)。還原劑可包括尿素、氨或本領域已知的其他還原劑。
[0017]還原劑供給系統(tǒng)108包括還原劑箱112。還原劑被容置在還原劑箱112中。與還原劑箱112有關的參數，例如大小、形狀、位置和所使用的材料可以根據系統(tǒng)設計和需求而改變。另外，還原劑噴射器110可通信地聯(lián)接至控制器(未示出)?；趶目刂破鹘邮盏目刂菩盘枺瑏碜赃€原劑箱112的還原劑通過栗組件114提供至還原劑噴射器110。可被噴射進入口部204的還原劑的量可基于發(fā)動機運行條件來適當地計量。在一個實施例中，NOx傳感器(未示出)可安裝在入口部204中C3NOx傳感器可測量存在于進入入口部204的排氣中的NOx的量。NOx傳感器可將指示排氣中的NOx的信號發(fā)送至控制器或機器上的ECM(未示出)。在不限制本實用新型的保護范圍的前提下，NOx傳感器260可包括能夠測量存在于排氣中的NOx的任何已知傳感器。
[0018]參照圖2，隨著還原劑被噴射進入口部204，還原劑與通過其的排氣流混合，并且被輸送朝向位于入口部204內的混合元件208。混合元件208相對于排氣流方向“F”位于還原劑噴射器110的下游?；旌显?08可體現(xiàn)為旋流混合器或擋葉混合器。可選擇地，在不限制本實用新型的保護范圍的前提下，任意已知的混合元件208都可以被使用。混合元件208實現(xiàn)了排氣流和噴射進入口部204的還原劑的均勻混合。另外，混合葉片或湍流器還可以與模塊化組件200關聯(lián)以提供排氣流中的湍流。
[0019]入口部204連接至第一截錐區(qū)216。第一截錐區(qū)216從入口部204發(fā)散。更具體地，第一截錐區(qū)216具有沿排氣流方向“F”的發(fā)散輪廓。在一些實施例中，第一截錐區(qū)216的表面218可與模塊化組件200的排氣管道106的軸線X-X’(參見圖1)形成大約45°的角。第一截錐區(qū)216使從入口部204接收的排氣流的一部分發(fā)生偏轉。
[0020]殼體202包括中心部220。中心部220相對于排氣流方向“F”設置在第一截錐區(qū)216的下游。中心部220具有長條形橫截面，分別在頂部和底部處具有成對的彎曲部分。中心部220的彎曲部分分別限定了上內壁222和下內壁224。
[0021]參照圖2和圖3，擋板布置226被設置在殼體202內并且相對于排氣流方向“F”位于第一截錐區(qū)216的下游。擋板布置226可執(zhí)行分流功能以便平均地或均勻地分配通過其接收的排氣流。擋板布置226被設置并且聯(lián)接至殼體202的中心部220。擋板布置226包括相對于排氣流方向“F”設置在選擇性催化還原(SCR)組件246的上游。擋板布置226還包括第二擋板230。第二擋板230相對于排氣流方向“F”設置在消聲元件252的下游。第一擋板228和第二擋板230垂直于排氣流方向設置。
[0022]第一擋板228和第二擋板230具有類似的設計?，F(xiàn)在將詳細說明第一擋板228的設計。參照圖3，示出了模塊化組件200的傾斜剖面透視圖。如圖3所示，第一擋板228包括與殼體202的中心部220的形狀對應的長條形狀。第一擋板228包括頂端和底端附近的成對的彎曲輪廓。
[0023]第一擋板228的面236被限定在第一擋板228的彎曲輪廓之間。第一擋板228的面236包括平面輪廓。第一擋板228的面236包括數個中心孔238。在一個實施例中，第一擋板228包括三個中心孔238。另外，在面236上設置數個開口 240使得開口 240包圍中心孔238中的每一個。在一個實施例中，可以在第一擋板228的面236上設置六個開口 240。然而，開口240的數量可以根據系統(tǒng)要求而改變。中心孔238和開口 240使得排氣流與還原劑均勻混合和分配。
[0024]參考圖2，第一擋板228和第二擋板230包括支柱部242、244。支柱部242、244沿軸X-X ’從第一擋板228和第二擋板230延伸。支柱部242、244中的每一個將第一擋板228和第二擋板230連接至殼體202的中心部220的相應壁222、224。第一擋板228和第二擋板230被焊接至中心部220。在一個實施例中，利用搭接焊接或填角焊接將第一擋板228和第二擋板230焊接至中心部220。焊接是以使壓力脈動引發(fā)的應力最小化的方式來進行。可選地，還可以利用任何其他緊固裝置將第一擋板228和第二擋板230焊接至殼體202的中心部220。
[0025]如圖2和圖3所示，模塊化組件200包括設置在殼體202的中心部220內的SCR組件246 ACR組件246運行以在氨氣氣氛中處理發(fā)動機102排放的排氣，氨氣是在噴射進入口部204中的排氣流中的還原劑的降解之后被提供。SCR組件246沿排氣流方向設置在第一擋板228下游。SCR組件246包括對應于中心部220的形狀的長條形形狀。SCR組件246的這種形狀使得壓力脈動引起的應力減小。
[0026]SCR組件246包括相對彼此以豎直布置定位的一組催化器248，使得該組催化器248中的每一個催化器的中心軸線γ-γ’(參見圖2)平行于排氣管道106的軸x-x’(參見圖1)。在一個實施例中，三個催化器248可與SCR組件246相關聯(lián)。可選地，催化器248的數量可基于系統(tǒng)要求而改變。在不限制本實用新型的保護范圍的前提下，催化器248可包括圓形、卵圓形、橢圓形、長條形或任何其他橫截面。應當注意的是，SCR組件246可移除地安裝在殼體202內。另外，催化器248還可以根據要求而移除或替換。SCR組件246可包括固定板(未示出)以將SCR組件246可移除地聯(lián)接在殼體202內。應當注意的是，第一擋板228和第二擋板230被設置為使得第一擋板228和第二擋板230均勻地分配排氣穿過催化器248。
[0027]模塊化組件200包括設置在殼體202內的消聲元件252。消聲元件252相對于排氣流方向“F”定位在SCR組件246下游。消聲元件252被體現(xiàn)為執(zhí)行聲音衰減或吸音功能的隔音元件。更具體地說，消聲元件252減少了由于排氣流排出發(fā)動機所產生的聲壓的噪音的量。
[0028]消聲元件252包括網狀結構并且可由本領域中已知的表現(xiàn)出高耐熱性和高吸音效率的任何已知的吸音材料制成。在一個實例中，消聲元件252可以包括晶格結構，并且可以由鋼絲棉、礦物棉、玻璃棉或任何滲透膜狀結構制成。消聲元件252可包括對應于中心部220的橫截面的長條形橫截面。另外，消聲元件252可具有可變寬度。更具體地說，消聲元件252的寬度可以根據聲音衰減要求而改變。
[0029]模塊化組件200還包括第二截錐區(qū)254。第二截錐區(qū)254從殼體202的中心部220收斂。第二截錐區(qū)254相對于排氣流方向“F”定位在消聲元件252的下游。第二截錐區(qū)254可將排氣朝向出口部256收縮和引導。出口部256連接至第二截錐區(qū)254并且相對于排氣流方向“F”定位在第二截錐區(qū)254的下游。在一些實例中，第二截錐區(qū)254的表面258可與軸X-X’成大約45 °的角。在一個實施例中，出口部256可以設置成與入口部204成一條直線以減小模塊化組件200內的背壓。
[0030]NOx傳感器260可安裝在出口部256中JOx傳感器260可測量存在于流過出口部256的排氣中的NOx的量。NOx傳感器260可將指示排氣中的NOx的信號發(fā)送至控制器或機器上的ECM(未示出)。在不限制本實用新型的保護范圍的前提下，NOx傳感器260可包括能夠測量存在于排氣中的NOx的任何已知傳感器。
[0031 ]排氣流從排氣管道106進入模塊化組件200的入口部204。當排氣流經入口部204時，在其中噴入還原劑。當排氣流經入口部204時，混合元件208增強了還原劑與進入第一截錐區(qū)216中的排氣流的混合。隨后，排氣通過第一截錐區(qū)216轉向并流經擋板228、230、SCR組件246和消聲元件252中的每一個。之后，經過處理的排氣從它們的路徑朝向出口部256轉向。在一個實施例中，使排氣從出口部256排出至大氣中。
[0032]模塊化組件200的殼體202可以澆鑄為整體部件。可選地，殼體202的各部件(例如，入口部204、第一截錐區(qū)216、中心部220、第二截錐區(qū)254和出口部256)可制造成單獨的單元并且稍后進行組裝以形成殼體202。殼體202的各部件可利用本領域已知的任何常規(guī)結合工藝相互連接。在一些情況下，可以利用焊接來結合殼體202的各部件。例如，可以利用搭接焊接接頭來將各部件結合在一起。此外，模塊化組件200可以在外部經由帶式或條帶式環(huán)繞夾具(未示出)支撐且固定至機器，該帶式或條帶式環(huán)繞夾具使得模塊化組件200在運行期間的熱膨脹不受限制。
[0033]本文中所公開的后處理系統(tǒng)104是作為非限制性實例提供。將理解的是，后處理系統(tǒng)104可以設置在相對于排氣歧管的各種布置和/或組合中。后處理系統(tǒng)設計的這些和其他變化在不脫離本實用新型的保護范圍的前提下是可能的。例如，在不限制本實用新型保護范圍的前提下，后處理系統(tǒng)104可包括各種部件(未示出)，例如柴油機氧化催化器(DOC)單元、柴油機微粒過濾器(DPF)單元和/或氨氧化催化器(AMOX)。
[0034]工業(yè)實用性
[0035]本實用新型描述了在單一的模塊化組件200內設置消聲元件252和SCR組件246。模塊化組件200的殼體202為具有搭接焊接接頭的長條形形狀。由于殼體202具有緊湊的形狀，因此，模塊化組件200可以容納且安裝于緊湊的安裝空間中。殼體202的這種設計使得因壓力脈動所引發(fā)的應力降低。殼體202的設計還使得殼體202內的排氣平順地流動。模塊化組件200包括相對于排氣流方向“F”設置在SCR組件246的上游的擋板布置226。擋板布置226起到在SCR組件246的一個面上將排氣流均勻地分布的作用。通過利用搭接焊接或填角焊接，第一擋板228和第二擋板230在直徑上彼此相對地安裝在殼體202內。這類焊接接頭有助于減少壓力脈動以及由壓力脈動所引起的應力。
[0036]與常規(guī)方形輪廓相比，SCR組件246具有彎曲的輪廓。這使得因壓力脈動所引發(fā)的應力降低。因此，可以避免較早設計的SCR組件中的環(huán)向應力或周向應力。SCR組件246包括催化器248。催化器248可移除地設置在殼體202內，從而使得它們可以方便地移除來根據系統(tǒng)要求進行維修或更換。此外，完整的SCR組件246通過固定板可移除地安裝在殼體202內。
[0037]模塊化組件200可以在外部經由帶式/條帶式環(huán)繞夾具支撐且固定至機器。這種類型的安裝布置使得模塊化組件200在運行期間的熱膨脹不受限制，進而降低模塊化組件200及其安裝材料中的應力。而且，本實用新型的模塊化組件200有助于降低系統(tǒng)中形成的背壓。在一些實例中，系統(tǒng)中的背壓可以從現(xiàn)有的12kPa降低至4-6kPa。模塊化組件200包括更少的部件并且體積更小。
[0038]雖然已經特別參照以上實施例示出并說明了本實用新型的各方面，但本領域的技術人員將會理解的是，在不脫離所公開內容的精神和保護范圍的前提下，通過對所公開的機器、系統(tǒng)和方法的改進可以想到各種其他實施例。這樣的實施例應理解為落入本實用新型的基于權利要求書及其等同物所確定的保護范圍內。
【主權項】
1.一種用于排氣后處理系統(tǒng)的模塊化組件，其特征在于，所述模塊化組件包括: 入口部，其由所述模塊化組件的殼體限定，所述入口部配置為連接至排氣管道； 混合元件，其位于所述入口部內且相對于排氣流方向位于還原劑噴射器下游； 第一截錐區(qū)，其自所述入口部發(fā)散出； 選擇性催化還原組件，其設置在所述殼體的中心部內，所述選擇性催化還原組件包括相對于彼此以豎直布置定位的一組催化器;使得所述的一組催化器中的每一個催化器的中心軸線都平行于所述排氣管道的中心軸線； 消聲元件，其設置在所述殼體的所述中心部內且位于所述選擇性催化還原組件的下游；以及 擋板布置，其設置在所述殼體的所述中心部內，所述擋板布置包括設置在所述選擇性催化還原組件上游的第一擋板和設置在所述選擇性催化還原組件下游的第二擋板，其中，包含所述擋板布置、所述選擇性催化還原組件和所述消聲元件的所述殼體的所述中心部具有長條形橫截面； 出口部； 第二截錐區(qū)，其從所述殼體的所述中心部向所述出口部收斂，所述出口部連接至所述第二截錐區(qū)。
【文檔編號】F01N3/20GK205559030SQ201620314644
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月15日
【發(fā)明人】C·A·威利, T·R·卡西迪
【申請人】卡特彼勒公司