CN105051343A - 模块式排气处理系统 - Google Patents

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郑贯宇
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Abstract

一种模块式排气后处理系统包括多个排气后处理模块。每个模块都包括壳体，该壳体限定了在入口通道与出口通道之间安排的非线性流动路径。该非线性流动路径包括邻近该入口通道的包括第一排气处理部件的第一部分、在该第一部分下游的第二部分、以及在第二部分下游邻近该出口通道的第三部分，其中该第三部分包括第二排气处理部件。该多个排气后处理模块是水平地或竖直地彼此固定的。

Description

模块式排气处理系统
技术领域
本披露涉及模块式排气后处理系统。
背景技术
本部分提供与本披露相关的背景信息，其并不必须是现有技术。
使用在火车机车、海洋应用、以及固定式应用中的大型柴油发动机可能具有超过单一排气管线能力的排气流速。对于以上指明的应用中的每种应用所使用的排气系统，因而，可以被设计成具有多个排气管线、每个排气管线包括排气后处理系统的多支路系统。然而，由于对应的应用可能存在的多种不同封包限制因素，线性的排气后处理管线可能并不可行。因而，近来变得需要的是开发出可以以非线性构型有效处理排气的排气后处理系统。
发明内容
本部分提供了本披露的总体概述，这并不是其全部范围或其全部特征的全面公开。
本披露提供了一种模块式排气后处理系统。该模块式排气后处理系统包括多个排气后处理模块。每个模块都包括壳体，该壳体限定了在入口通道与出口通道之间安排的非线性流动路径。该非线性流动路径包括邻近该入口通道的包括第一排气处理部件的第一部分、在该第一部分下游的第二部分、以及在第二部分下游邻近该出口通道的第三部分，其中该第三部分包括第二排气处理部件。该多个排气后处理模块是水平地或竖直地彼此固定的。
从根据本文所提供的描述将清楚其他适用范围。本概述中的描述和特定的实例仅旨在展示的目的，而并不旨在限制本披露的范围。
附图说明
本文描述的附图仅用于所选实施例的说明性目的、并非用于说明所有可能的实施方式，而且不旨在限制本披露的范围。
图1是根据本披露原理的排气系统的示意图；
图2是根据本披露原理的模块式排气后处理系统的透视图；
图3是图2中所展示的模块式排气后处理系统的展开的透视图；
图4是使用在图2所展示的模块式排气后处理系统中的排气后处理模块的透视图；
图5是使用在图2所展示的模块式排气后处理系统中的去除了盖板的另一模块的透视俯视图；
图6是图5所展示的模块的侧视透视图；
图7是根据本披露原理的水平构型的模块式排气后处理系统的透视图；
图8是根据本披露原理的竖直构型的模块式排气后处理系统的透视图；
图9和图10是可以是以图7和图8中所展示的水平或竖直构型阵列来使用的模块的透视图；并且
图11是根据本披露原理的另一模块式排气后处理系统的透视图。
在附图的各视图中，对应的附图标记表示对应的部分。
具体实施方式
现在将参考附图更详细地描述示例实施例。
图1是根据本披露的排气系统10的示意图。排气系统10包括至少一个与燃料源14联通的发动机12，一旦消耗掉，燃料就产生排放气体，排放气体排入包括排气后处理系统18的排气通道16。排气系统10可以被设计成具有多个排气管线19、每个排气管线包括后处理系统18的多支路系统。尽管图1中仅展示了一对排气管线19，应理解的是可以取决于发动机12的大小和所产生的排气流速使用更多数目的排气管线19而不脱离本披露的范围。
各排气后处理系统18都可以包括柴油氧化催化剂(DOC)部件20、柴油颗粒物过滤器(DPF)部件22、以及选择性催化还原(SCR)部件24。排气后处理系统18可以进一步包括诸如热增强装置或燃烧器26的部件以便增加经过排气通道16的排放气体的温度。增加排放气体的温度利于在寒冷天气条件下并且在启动发动机12时实现DOC和SCR部件20和24中催化剂的点火、并且在要求时激活DPF22的再生。为将燃料提供给燃烧器26，燃烧器可以包括与燃料源14联通的入口管线28。
DPF22可以是所希望的作为对排气14中存在的过滤器碳烟和任何其他颗粒物物质的排气处理部件。然而，当碳烟和其他颗粒物物质开始阻塞DPF22中的细小孔洞(未示出)时，可以通过提升排气温度来从DPF22烧掉过量的碳烟和颗粒物物质来清洁DPF22(即，再生)。出于以上原因，燃烧器26优选定位在DOC20、SCR24、和DPF22各自的上游。然而，应理解，DPF22可以定位在DOC20和SCR24二者的上游并且出于再生目的包括其自己的指定的燃烧器，同时第二燃烧器(未示出)可以定位在DOC20和SCR24二者的上游。另一替代方案是使得DOC20、SCR24、和DPF22各自包括指定的燃烧器。
为协助对发动机12所产生的排放加以还原，排气后处理系统18可以包括多个定量给送模块30以用于周期性地将排气处理流体注入到排气流中。可以使用定量给送模块30来将诸如尿素的排气处理流体在SCR24上游的位置注入排气通道16。定量给送模块30经泵34和入口管线36与试剂储箱32联通。定量给送模块30还经返回管线38与储箱32联通。返回管线38允许未被注入排气流的任何尿素返回储箱32。尿素通过入口管线36、定量给送模块30、和返回管线38的流动还协助了冷却定量给送模块30从而使得定量给送模块30不会过热。然而，定量给送模块30也可以配备有对定量给送模块30提供冷却剂的冷却套(未示出)。
有效处理排气流所要求的排气处理流体的量可以是随载荷、发动机速度、排放气体温度、排放气体流速、发动机燃料注入正时、所希望的NOx还原、气压计压力、相对湿度、EGR比率和发动机冷却剂温度而变化的。可以提供控制器40来监测这些变量中的每个变量。可以在SCR24下游定位NOx传感器或量计42。NOx传感器42可运行以向控制器40或发动机控制单元43输出指示排气NOx含量的信号。可以经发动机/车辆的数据总线从发动机控制单元42将所有或者一些发动机运行参数提供给控制器40。控制器40也可作为包含于发动机控制单元43中的一部分。可以如图1指明地通过各个传感器测定排气温度、排气流量和排气背压以及其他车辆运行参数。
现在参见图2-图6，展示了根据本披露原理的、包括至少一个后处理模块52的示例性模块式排气后处理系统50。模块式排气后处理系统50可以取代图1中所展示的线性的排气管线19，并且设计成用于存在封包限制因素的应用。排气系统10应该可以包括单一后处理模块52或多个这种后处理模块52而不脱离本披露的范围。后处理模块52的数目可以取决于发动机12的大小。例如，如果发动机12是一兆瓦发动机，就可以使用单一的后处理模块52。如果发动机12是两兆瓦发动机，则可以使用一对后处理模块52(例如，图2和图3)，以此类推。应理解发动机大小并非是仅有的确定有待使用的后处理模块52数目的因素。其他因素包括所使用的发动机类型和具体生效的排放控制法规。
如图2和图3中最佳示出的，模块式后处理系统50包括一对后处理模块52a和52b。模块52a和52b可以使用L形的安装托架54固定在一起成堆叠安排。L形的安装托架54是围绕模块52a和52b的周边56形成的，并且可以通过焊接、钎焊、或适合于确保使得安装托架54保持固定到模块52a和52b上的任何其他附接方法固定到模块52a和52b上。可以在各托架54中形成通孔58(图3)以用于接纳可以将各模块52a和52b刚性地固定在一起的诸如螺栓或夹钳的紧固件(未示出)。
模块52a和52b各自包括连接壳体59的入口通道57。入口通道57是通过例如歧管(未示出)与排气通道16联通的。入口通道57可以是多边形形状的，但也可以是圆柱形的，没有限制。如图3中最佳示出的，入口通道57包括第一表面、第二表面、第三表面和第四表面60、62、64、和66，这些表面限定了方形或矩形的入口通道57。安装板68允许将一部分的排气通道16刚性地固定至入口通道57。
壳体59可以包括多个外壁70。一对盖板72封闭且密封模块壳体59。可以在各盖板72中形成中央布置的孔口74以允许在各模块52a和52b中形成中央排放通道77。入口通道57、安装板68、外壁70、和盖板72可以是由诸如钢、铝的材料形成的或是由本领域技术人员已知的任何其他类型的能够承受住暴露于发动机12所产生的排气和用来处理排气的排气处理流体的材料形成的。
入口通道57可以包括定位于相反表面的一对增热装置或燃烧器26，(例如，第二表面和第四表面62和66)。燃烧器26在排气进入模块52a和52b时提升排气温度来实现催化剂涂覆的DOC20的点火。替代地，如果模块52a和52b包括DPF22、燃烧器26就可以用来再生DPF22。尽管在这些图中展示了一对燃烧器26，应理解的是如果希望的话单一燃烧器26就可以足以提升排气温度。
模块壳体59与入口通道57处于流体联通，并且可以被构型成将排气流动分成一对流动路径75。内壁与外壁70协力将排气流动分入多个流动路径75。流动路径75可以包括第一部分、第二部分、和第三部分78、80、和82。第一部分78的流动路径75沿着第一内壁84行进使得流动路径75转移远离入口通道56的轴线A。第二部分80的流动路径75沿着第二内壁86在与轴线A平行的方向上行进。最后，第三部分82的流动路径75沿着第三内壁88行进。第三内壁88具有的曲率半径可以最初使得排气流动在向回朝向轴线A的方向上转移，并且然后最终使得排气流动在与排气进入入口通道56相反的方向上转移。流动路径75的这种构型协助了加长排气在由这些不同排气处理部件处理之前所必须流过的距离。
可以在各流动路径75中定位DOC20。在所展示的实施例中，DOC20定位在流动路径75的第一部分78中。使用了一对安装托架90来在壳体59中将DOC22支持在第一部分78中。可以在外壁70与第一内壁84之间焊接安装托架90，或将之以本领域技术人员已知的任何方式固定到外壁70和第一内壁84上。尽管未在图2-图6中展示，但应理解的是也可以在各流动路径75中布置DPF22，如果希望的话。进一步地，尽管DOC20被展示成定位在第一部分78中，但应理解的是可以将DOC20定位在进一步下游的位置而不脱离本披露的范围。
定量给送模块30被定位在DOC20下游以用于将诸如尿素的排气处理流体定量给送进排气流。在所展示的实施例中，定量给送模块30被展示成定位来将排气处理流体定量给送进入第一部分78。然而，定量给送模块30也可以同样是相对于第二部分和第三部分80和82来定位的。
包括多个SCR24的阵列92定位在定量给送模块30下游流动路径75的第三部分82汇合之处。尽管在图2-图5中展示了六个SCR24，但应理解的是可以使用任何数目的SCR24而不脱离本披露的范围。此外，尽管SCR24被展示成平行六面体形，但应理解的是也可以利用圆柱形的SCR24。在经过SCR24之后，排气进入排放通道77，在此其可以在横向于流动路径75的方向上被排出到大气。
尽管附图中并未展示，但应理解的是可以使得在流动路径75中将混合装置定位在定量给送模块30与SCR24之间的位置处。混合装置协助确保在进入将NOx从排气流中去除掉的SCR24之前令人满意地混合排气和排气处理流体。用于混合排气处理流体和排气的另一替代方案是在第二部分80与第三部分82之间结合限流器板94。限流器板94可以是呈削减流动路径75宽度上至50％的实心板的形式。通过缩窄流动路径75，使得排气流流动速度增加，这增加了排气处理流体与排气之间的混合。
各模块52的排放通道77可以是彼此处于流体联通的。如图3和图4中最佳展示的，可以是定位在堆叠安排的底部的模块52a可以包括排放歧管96。排放管道98与排放歧管96联通。排放歧管96收集处理过的离开SCR24之后的排放气体并且给送至排放管道98。排放管道98与模块52b的排放通道77联通，其与另一模块52的排放通道77联通(如果模块式排气处理系统50包括多于两个模块52的话)或排入大气。尽管未在图2中展示，但应理解的是可以使得出口管道与模块52b的排放通道77和大气联通。
现在参见图7-图11，展示了另一模块式排气后处理系统100。展示了包括至少一个根据本披露原理的后处理模块102的模块式排气后处理系统100。类似于模块式排气后处理系统50，模块式排气后处理系统100可以取代图1中所展示的线性的排气管线19，并且设计成用于存在封包限制因素的应用。排气系统10应该可以包括单一后处理模块102或多个这种后处理模块102而不脱离本披露的范围。后处理模块102的数目可以取决于发动机12的大小。
如图7和图8中最佳示出的，模块式后处理系统100包括多个后处理模块102a-102d。模块102a-102d可以使用L形的安装托架104固定在一起成堆叠安排(图9和图10)。L形的安装托架104是围绕模块102a-102d的周边形成的，并且可以通过焊接、钎焊、或适合于确保使得安装托架104保持固定到模块102a-102d上的任何其他附接方法固定到模块102a-102d上。可以在各托架104中形成通孔108以用于接纳可以将各模块102a-102d刚性地固定在一起的诸如螺栓或夹钳的紧固件(未示出)。
模块102a-102d各自包括连接至壳体109或与其整合的入口通道107。入口通道107是通过例如歧管(未示出)与排气通道16联通的。入口通道107可以是多边形形状的，但也可以是圆柱形的，没有限制。安装板110允许将一部分的排气通道16刚性地固定至入口通道107。
壳体109可以包括多个外壁112。一对盖板114封闭且密封模块壳体109。入口通道107、安装板110、外壁112、和盖板114可以是由诸如钢、铝的材料形成的或是由本领域技术人员已知的任何其他类型的能够承受住暴露于发动机12所产生的排气和用来处理排气的排气处理流体的材料形成的。
入口通道107可以包括燃烧器26。燃烧器26在排气进入模块102a-102d时提升排气温度以实现对催化剂涂覆的DOC20点火。替代地，如果模块102a-102d包括DPF22、燃烧器26就可以用来再生DPF22。尽管在这些图中仅展示了单一的燃烧器26，但应理解的是如果希望的话可以使用多重燃烧器26来提升排气温度。
模块壳体109与入口通道107处于流体联通并且包括单一的流动路径116。内壁与外壁112协力限定了流动路径116。流动路径116可以包括第一部分、第二部分、和第三部分120、122、和124。第一部分120的流动路径116沿着第一内壁126行进使得流动路径116转移远离入口通道107的轴线A。第二部分122的流动路径116沿着第二内壁128在与轴线A平行的方向上行进。最后，第三部分124的流动路径116沿着第三内壁130行进。第三内壁130具有的曲率半径可以最初使得排气流动在向回朝向轴线A的方向上转移，并且然后最终使得排气流动在与排气进入入口通道107相反的方向上转移。流动路径116的这种构型协助了加长排气在由这些不同排气处理部件处理之前所必须流过的距离。
可以在流动路径116中定位DOC20。在所展示的实施例中，DOC20定位在流动路径116的第一部分120中。使用了一对安装托架132来在壳体109中将DOC20支持在第一部分120中。可以在外壁112与第一内壁126之间焊接安装托架132，或将之以本领域技术人员已知的任何方式固定到外壁112和第一内壁126上。尽管未在图9和图10中展示，但应理解的是也可以在各流动路径116中布置DPF22，如果希望的话。进一步地，尽管DOC20被展示成定位在第一部分120中，但应理解的是可以将DOC20定位在进一步下游的位置而不脱离本披露的范围。
定量给送模块30被定位在DOC20下游以用于将诸如尿素的排气处理流体定量给送进排气流。在所展示的实施例中，定量给送模块30被展示成定位来将排气处理流体定量给送进入第一部分120(图9和图10)。然而，定量给送模块30也可以同样是相对于第二部分和第三部分122和124来定位的。
包括多个SCR24的阵列134定位在定量给送模块30下游第三部分124的终结之处。尽管在图9中展示了四个SCR24，但应理解的是可以使用任何数目的SCR24而不脱离本披露的范围。例如，参见图10，利用了单一的圆柱形的SCR24。进一步地，尽管SCR24在图9中被展示成平行六面体形，但应理解的是也可以利用图10的圆柱形的SCR24。在经过SCR24之后，排气进入排放通道136，在此其可以在横向于流动路径116的方向上被排出到大气。
尽管附图中并未展示，但应理解的是可以使得在流动路径116中将混合装置定位在定量给送模块30与SCR24之间的位置处。混合装置协助确保在进入将NOx从排气流中去除掉的SCR24之前令人满意地混合排气和排气处理流体。用于混合排气处理流体和排气的另一替代方案是在第二部分122与第三部分124之间结合限流器板138。限流器板138可以是呈削减流动路径116宽度上至50％的实心板的形式。通过缩窄流动路径116，使得排气流流动速度增加，这增加了排气处理流体与排气之间的混合。
模块102a-102d可以被构型成水平的组140(图7)或竖直的组142(图8)。如图9和图10中最佳示出的，在模块102被堆叠成竖直的组142或水平的组140时孔口144允许使得排气从后处理系统100排放出来。
参见图11，另一构型包括将模块102堆叠成竖直的组142并且利用孔口144来将排气通过出口管道148排放进入主排放管道150。此外，多重竖直的组142可以将排气排放进入主排放管道150。尽管竖直的组142被展示成包括四个模块102，但本披露想象了可以堆叠更多或更少的模块102并且设计成将处理过的排气排放进入主排放管道150。
如以上阐明的，各模块102a-102d可以通过排放通道136彼此处于流体联通。尽管未在图7-图11中展示，但应理解的是，类似于模块式排气后处理系统50，可以是定位在堆叠安排的底部的模块102a可以包括排放歧管(未示出)。排放管道可以与排放歧管(未示出)联通，该排放歧管可以收集离开SCR24之后的、处理过的排放气体并且将之给送至排放管道，其与模块102b的排放通道136联通，其与另一模块102的排放通道136联通或者排入大气。
已经出于展示和说明的目的提供了以上对实施例的描述。其并不旨在是穷尽的或是限制本披露内容。具体实施例的单独的元素或特征通常并不受限于该具体实施例，而是在适用时可以互相交换的，而且可以用于甚至并未特别示出或阐述的选定实施例中。也可以用多种方式来对其加以变化。这样的变化并不被视作是脱离了本披露内容，而且所有这样的改动都旨在包括在本披露内容的范围之内。

Claims (22)

1.一种模块式排气后处理系统，包括：
多个排气后处理模块，每个模块都包括壳体，该壳体限定了安排在入口通道与出口通道之间的非线性流动路径，该非线性流动路径包括邻近该入口通道的包括第一排气处理部件的第一部分、在该第一部分下游的第二部分、以及在第二部分下游邻近该出口通道的第三部分，该第三部分包括第二排气处理部件，
其中，该多个排气后处理模块是水平地或竖直地彼此固定的。
2.如权利要求1所述的模块式排气后处理系统，进一步包括限流器板，该限流器板使得定位在该流动路径的第二部分与第三部分之间的该非线性流动路径缩窄。
3.如权利要求1所述的模块式排气后处理系统，其中，每个模块都包括围绕各模块周边安排的、将这些模块固定到邻近的模块上的多个托架。
4.如权利要求1所述的模块式排气后处理系统，其中，每个模块都包括一对非线性流动路径。
5.如权利要求1所述的模块式排气后处理系统，其中，该第一部分引导排气在远离该入口通道所限定的轴线的方向上流动，该第二部分引导排气在平行于该轴线的方向上流动，并且该第三部分引导排气在向回朝向该轴线的方向上流动。
6.如权利要求1所述的模块式排气后处理系统，其中，各模块的该出口通道与邻近的模块的该出口通道联通。
7.如权利要求1所述的模块式排气后处理系统，其中，各模块的出口通道与主排放管道联通。
8.如权利要求7所述的模块式排气后处理系统，其中，该多个模块是竖直地堆叠的。
9.如权利要求7所述的模块式排气后处理系统，进一步包括第二多个排气后处理模块，该第二多个模块中的每个模块都包括第二壳体，该第二壳体限定了在第二入口通道与第二出口通道之间安排的第二非线性流动路径，该第二非线性流动路径包括邻近该第二入口通道的包括第三排气处理部件的第四部分、在该第四部分下游的第五部分、以及在第五部分下游邻近该第二出口通道的第六部分，该第六部分包括第四排气处理部件。
10.如权利要求1所述的模块式排气后处理系统，其中，该第一排气处理部件是柴油氧化催化剂(DOC)，并且该第二排气处理部件是选择性催化还原(SCR)催化剂。
11.如权利要求10所述的模块式排气后处理系统，进一步包括在该SCR催化剂上游的一个定量给送模块以用于将排气处理流体定量给送到该非线性流动路径中。
12.如权利要求11所述的模块式排气后处理系统，进一步包括限流器板，该限流器板使得定位在该流动路径的第二部分与第三部分之间的该非线性流动路径缩窄，以用于将该排气处理流体与排气流动混合。
13.如权利要求1所述的模块式排气后处理系统，进一步包括在该入口通道处的增热装置。
14.一种模块式排气后处理系统，包括：
第一后处理模块和第二后处理模块，该第一模块和第二模块各自包括壳体，该壳体限定了在入口通道与出口通道之间安排的一对非线性流动路径，这些非线性流动路径各自包括邻近该入口通道的包括第一排气处理部件的第一部分、在该第一部分下游的第二部分、以及在第二部分下游邻近该出口通道的第三部分，该第三部分包括第二排气处理部件，
其中，该第一后处理模块和第二后处理模块被联接成堆叠安排，并且
该第一后处理模块包括与该第二后处理模块的排放通道处于流体联通的出口歧管和出口管道。
15.如权利要求14所述的模块式排气后处理系统，进一步包括限流器板，该限流器板使得定位在这些流动路径的该第二部分与第三部分之间的这些非线性流动路径缩窄。
16.如权利要求14所述的模块式排气后处理系统，其中，该第一模块和第二模块各自包括围绕各模块周边安排的、将这些模块以该堆叠安排固定在一起的多个托架。
17.如权利要求14所述的模块式排气后处理系统，其中，该第一部分引导排气在远离该入口通道所限定的轴线的方向上流动，该第二部分引导排气在平行于该轴线的方向上流动，并且该第三部分引导排气在向回朝向该轴线的方向上流动。
18.如权利要求14所述的模块式排气后处理系统，其中，该第一模块和第二模块是竖直地堆叠的。
19.如权利要求14所述的模块式排气后处理系统，其中，该第一排气处理部件是柴油氧化催化剂(DOC)，并且该第二排气处理部件是选择性催化还原(SCR)催化剂。
20.如权利要求14所述的模块式排气后处理系统，进一步包括在该SCR催化剂上游的一个定量给送模块以用于将排气处理流体定量给送到这些非线性流动路径中。
21.如权利要求20所述的模块式排气后处理系统，进一步包括限流器板，该限流器板使得定位在这些流动路径的第二部分与第三部分之间的这些非线性流动路径缩窄，以用于将该排气处理流体与排气流动混合。
22.如权利要求14所述的模块式排气后处理系统，进一步包括在该入口通道处的增热装置。
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