CN105673177B - 具有可更换催化剂壳体的后处理模块 - Google Patents

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Abstract

公开一种具有可更换催化剂壳体的后处理模块。具体地，公开一种与发动机一起使用的后处理模块，后处理模块可以具有至少部分地限定排气的入口通道的入口壳体，和设置在入口通道中的至少一个混合器。后处理模块还可以具有至少部分地限定排气的出口通道的出口壳体，和可移除地连接在入口壳体和出口壳体之间的催化剂壳体。后处理模块还可以具有多个催化剂基底，催化剂基底能够安装在催化剂壳体中，以并行地接收来自入口通道的排气，并且并行地将排气排出至出口壳体。

Description

具有可更换催化剂壳体的后处理模块
技术领域
本发明涉及一种后处理模块，更具体地，涉及一种具有可更换催化剂壳体的后处理模块。
背景技术
包括柴油发动机、汽油发动机、以气态燃料为动力的发动机以及本领域已知的其它发动机的内燃发动机会排放空气污染物的复杂混合物。除包含其他成分以外，这些空气污染物由包含氮氧化物(NOX)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NOX的量。
为了符合NOX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排气流中，并被吸附于下游的基底上。注入的尿素溶液分解为氨(NH3)，氨与排气中的NOX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NOX充分还原所需的适当量的氨。这些大的基底价格可能是昂贵的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，并使氨气在排气流中均匀分布，以有效地还原NOX。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排气流，从而导致离开发动机的排气的压力增大。如果该排气背压过高，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时排气流的过度节流。
于2014年6月10日授予Baig等人的美国专利8747788(“’788专利”)中公开了一种示例性后处理模块。具体地，’788专利公开了一种后处理模块，其具有带入口和出口的壳体和将入口与出口分隔的催化剂组。催化剂组具有相对于经过入口和出口的流通方向以斜角设置的面。具有减小的横截面面积的通道从入口延伸至催化剂组，并且从催化剂组延伸至出口。
虽然’788专利的后处理模块可以在许多应用中发挥作用，其仍不是最佳的。具体地，催化剂组可能在一段时间后磨损，并且催化剂组可能不易于维修。
本发明的后处理模块解决上述一个或多个需求和/或现有技术的其它问题。
发明内容
一方面，本发明涉及一种后处理模块。后处理模块可以包括至少部分地限定排气的入口通道的入口壳体，和设置在入口通道中的至少一个混合器。后处理模块还可以包括至少部分地限定排气的出口通道的出口壳体，和可移除地连接在入口壳体和出口壳体之间的催化剂壳体。后处理模块还可以包括多个催化剂基底，催化剂基底能够安装在催化剂壳体中，以并行地接收来自入口通道的排气，并且并行地将排气排出至出口壳体。
另一方面，本发明涉及另一种后处理模块。后处理模块可以包括至少部分地限定具有第一轴线的入口通道的入口壳体，和相对于第一轴线以斜角定向的第一安装凸缘。后处理模块还可以包括至少部分地限定具有第二轴线的出口通道的出口壳体，和相对于第二轴线以斜角定向的第二安装凸缘。后处理模块还可以包括可移除地连接在第一安装凸缘和第二安装凸缘之间的催化剂壳体。
又一方面，本发明涉及一种用于车辆的后处理模块，该车辆具有能够与支承车辆的地表面大致平行的安装平台。后处理模块可以包括入口壳体、出口壳体、和可移除地连接在入口壳体和出口壳体之间的催化剂壳体。后处理模块还可以包括安装支架，安装支架具有底部支承件和侧部支承件，底部支承件能够将出口壳体的底部连接至安装平台，侧部支承件以斜角从底部支承件突出并且能够接合出口壳体的侧部和催化剂壳体的侧部。
附图说明
图1是一种示例性公开的动力系统的图示；
图2是可以与图1的动力系统一起使用的两种示例性公开的后处理模块的示例性安装布置；
图3是可以结合图1的动力系统利用的另一示例性公开的后处理模块的分解视图；和
图4是图3的后处理模块的截面图。
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被绘示并描述为移动式机器，例如拖运卡车，其具有一个或多个多缸内燃发动机(未示出)。每个发动机能够燃烧空气和燃料(例如柴油、汽油或气态燃料)的混合物，并且产生机械输出。来自发动机的机械输出可以用以推进移动式机器。替代地，如果希望的话，发动机可以实施为诸如泵的固定动力系统10的主或辅助动力源。
动力系统10可以装备有一个或多个后处理模块12，后处理模块12具有相互协作以促进动力的产生且同时控制来自发动机的污染物排放到大气的部件。在图1的实施方式中，动力系统10包括安装至平台14的单个模块12，平台14能够与支承动力系统10的地表面大致平行。在该实施方式中，平台14在重力方向上位于任何关联的发动机上方，并且管道系统(未示出)可以将模块12连接至发动机。安装支架(或支架的系统)16可以用以将模块12连接至平台14。
图1中示出了一种示例性安装布置模块12。在该布置中，安装支架16能够接合单个模块12的两个主表面并且将模块12保持在避免与动力系统10的其它特征干涉的定向。特别地，安装支架16可以包括能够连接至模块12的壳体底部或最底下的部分的底部支承件16a，和能够连接至模块12的壳体侧部或竖立部分的侧部支承件16b。侧部支承件16b可以以斜角从底部支承件16a突出，使得模块12向前(相对于动力系统10的通常行进方向)并远离动力系统10的底座倾斜。在操作过程中，模块12和动力系统10的底座之间可以保持间隙。底部支承件16a和侧部支承件16b可以通过铸造或制造工艺一体地形成为单个部件。在一些实施方式中，多个安装支架16(例如，在每个端部处一个)可以用以将模块12紧固至平台14。
图2中绘示了一种替代的安装布置。在该布置中，两个模块12被示出为封装在一起，以由此适应具有增大的排气流和/或污染物浓度的发动机构造。在该布置中，模块12可以叠置在一起(例如，并排式)并且在动力系统10上的任何适当位置处以竖直定向安装，例如在燃料箱(未示出)的顶部上。在该实施方式中可以利用仅具有侧部支承件16b的四个大致相同的安装支架16(在模块12的每侧上有两个，且每一个在相应模块12的每个端部处)。可以设想，如果希望的话，任意数量的模块12可以在动力系统10上的任意位置处和/或以任意定向封装在一起。
如图3所示，每个模块12可以是彼此可移除地连接的部件的总成。为了本发明的目的，术语“可移除地连接”指的是确实需要缺损或破坏过程(例如，切割、劈开、研磨、弯曲、熔融等)逆转的连接方式。除包括其它元件以外，模块12可以包括入口壳体18、出口壳体20、和位于入口壳体18和出口壳体20之间的催化剂壳体22。一个或多个密封件或垫圈24可以位于邻近的壳体之间(例如，邻近的壳体的安装凸缘25之间)，并且多个紧固件26可以用以将壳体可移除地连接在一起。
如能够在图3和图4中看到的，入口壳体18和出口壳体20每个可以分别具有在长度方向上变化的高度h1、h2，而催化剂壳体22可以具有沿着其长度基本上保持恒定的高度h3。特别地，入口壳体18和出口壳体20的横截面(图4中所示)可以为大致三角形，而催化剂壳体22的横截面可以为大致矩形。入口壳体18和出口壳体20的三角形形状可以沿竖直方向和水平方向两者上倒置(相对于图3和图4的视角)，使得模块12的总体横截面可以为大致矩形的。利用该构造，安装凸缘25可以相对于轴线28和30以斜角定向。一旦催化剂壳体22组装在凸缘25之间，催化剂壳体22可以相对于模块12的顶部、底部和侧部倾斜。
在图3和图4中所示的实施方式中，排气可以在第一方向上流入模块12并且在基本上正交于第一方向的第二方向上从模块12流出。具体地，进入的排气流可以与延伸经过模块12的侧部的轴线28对准，而离开的排气流可以与延伸经过模块12的底部的轴线30对准。但是，可以设想，如果希望的话，进入的排气流和离开的排气流可以替代地在相同或相反的方向上(参见图2)上对准，以适应不同的发动机/动力系统路径要求。
入口壳体18可以至少部分地限定入口通道32和位于入口通道32下方(即，位于更靠近入口壳体18的开口底部处)的分配空间34。排气可以在入口壳体18的一侧进入入口通道32，并且行进经过入口壳体18的长度到相对侧。在相对侧处，排气流可以随着其进入分配空间34而反向。
在本发明的实施方式中，入口通道32是柱形导管，该柱形导管具有沿着其长度保持基本恒定的横截面面积。一个或多个还原剂喷射器36(例如，在多个轴向和/或环形位置处隔开的两个至四个喷射器)可以定位在入口通道32的进口处，并且一个或多个混合器38(例如，多种类型和/或定向的三个混合器)可以设置在入口通道32内侧位于喷射器36的下游位置处。混合器38能够随着排气进入模块12使喷射的还原剂与排气均匀地混合，并且禁止还原剂冲击和/或凝结在其壁上。在图3和图4的例子中，喷射器36被定位和定向为将还原剂直接喷洒到最上游混合器38的一部分内。但是，应当注意，喷射器36和混合器38的其它构造和布置是可能的。
分配空间34可以被设计为将从入口通道32接收的排气基本上均匀地分配到入口壳体18的开口底部。特别地，分配空间34可以具有沿着流通方向减小的横截面面积。该流通面积可以以导致沿着分配空间34的长度和宽度的压强保持大约相同的比率减小。在本发明的实施方式中，扩散器40(例如，穿孔板)可以位于入口通道32和分配空间34的交会位置处(例如，在排气流反向的位置处)。扩散器40可以用以使大部分排气流偏转朝向分配空间34的相对端，在该相对端处，横截面面积变得较小。扩散器40的长度和/或多孔性可以调节以提供针对特定应用的排气的期望分配。另外，在一些应用中，限制器42(例如，实体突片)可以从入口通道32向下突出至分配空间34内位于扩散器40的下游端处。限制器42的位置、高度和/或宽度可以调节以提供期望的排气分配特征。
出口壳体20可以至少部分地限定沿着长度和宽度方向对中的出口通道44和位于出口通道44上方(即，位于更靠近出口壳体20的开口顶部处)的收集空间46。排气可以沿着出口壳体20的长度进入收集空间46，并且向内朝向在出口壳体20的中心处的出口通道44行进。
在本发明的实施方式中，出口通道44是柱形导管，该柱形导管具有沿着其长度保持基本恒定的横截面面积。涡流端帽48可以定位在出口通道44的进口处，并且一个或多个传感器凹槽(flute)50可以设置在出口通道44内侧位于涡流端帽48的下游位置处。涡流端帽48可以是穿孔板，穿孔板具有在出口侧处的叶片，叶片能够随着排气离开模块12而在排气中产生涡流。涡流可以有助于改进由安装在凹槽50内或以其它方式连接至凹槽50的传感器(未示出)采用的读数的一致性。
收集空间46可以被设计为收集经过出口壳体20的开口顶部的排气，同时保持沿着其长度基本恒定的压强和流速。出于这个原因，收集空间46可以具有沿着其长度减小的横截面面积。特别地，在与分配空间34的进口大致对应的轴向位置处(即，流动和压强较大处)，收集空间46内侧的流通面积可以最小。并且，在与分配空间34的终点大致对应的轴向位置处(即，流动和压强较小处)，收集空间46内侧的流通面积可以最大。该流通面积轮廓可以促进经过催化剂壳体22的排气流均匀。
催化剂壳体22可以是具有面向入口壳体18的开口顶部和面向出口壳体20的开口底部的大致四壁结构。管状支承件51可以形成在催化剂壳体22内侧，催化剂壳体22能够容纳多个催化剂基底(“基底”)52。特别地，支承件51可以包括相对于通过催化剂壳体22的排气流彼此并行布置的多个管(例如，六个)，每个管能够容纳连续布置的一个或多个(例如，两个)基底52。每个基底52可以是选择性催化还原(SCR)类型的基底52，并且通过将多个基底52布置在每个管内，基底52的端面上的排气分布和基底52的有效性可得以改进。但是，应当注意，在其它实施方式中，容纳在公共管内的基底52可以替代地是不同类型的基底。例如，上游基底52可以是柴油氧化催化(DOC)基底，而下游基底52可以是SCR基底。其它构造也是可能的。
作为SCR类型的基底，每个基底52可以由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\或贵金属制成或以其它方式涂覆有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。相应地，被带入流经混合器38和分配空间34的排气的分解还原剂可以被吸附到每个基底52的表面上和/或吸收在每个基底52内。接着，还原剂可以与排气中的NOX(NO和NO2)反应以形成水(H2O)和双原子的氮(N2)，它们可以是不被控制的物质。
作为DOC类型的基底，每个基底52可以由诸如钯、铂、钒或其混合物的贵金属制成或以其它方式涂覆有诸如钯、铂、钒或其混合物的贵金属。利用该组分，基底52可以催化化学反应以改变通过后处理模块12的排气。例如，基底52可以有助于将来自发动机的排气的CO、NO、HC、和/或其它成分转化或以其它方式还原为诸如CO2、NO2和H2O的无害物质。在另一实施方式中，如果希望的话，基底52可以替代地或附加地执行颗粒捕集功能(即，基底52可以是催化的颗粒捕集器)。
催化剂壳体22可以倾斜，以便适应入口壳体18和出口壳体20的三角形形状(即，以便形成促进经过基底52的排气流均匀的渐变的流通面积)。特别地，基底52每个可以具有位于公共平面内且相对于经过入口通道32的流通方向(即，相对于轴线28)以斜角定向的上游端面，和位于公共平面内且相对于经过出口通道44的流通方向(即，相对于轴线30)以斜角定向的下游端面。
工业实用性
本发明的后处理模块可应用于需要调整排气成分的任一动力系统结构中，部件封装和可维护性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基底，并有效利用可用空间来改进封装。本发明的后处理模块可通过提供催化剂壳体22的分离更换来改进可维护性。以下将对动力系统10的操作进行说明。
参照图3和图4，由动力系统10的发动机产生的排气可以经由入口通道32在第一方向上水平地向内流过入口壳体18。随着排气流过入口通道32，可以通过喷射器36将还原剂喷洒到排气中并且通过混合器38使其与排气混合在一起。当载满还原剂的排气到达入口通道32的端部时，其可以向下经大约180°改变方向以进入分配空间34。一些排气可以冲击扩散器40并且一些可以通过扩散器40到紧邻其下的基底52。冲击扩散器40的排气可以在与第一方向大致相反的第二方向上偏离。接着，排气可以沿着分配空间34的长度向下流并且通过缩窄分配空间34的横截面面积推动排气向下游经过剩余的基底52。
随着排气流过基底52，被带入其中的还原剂可以在NH3中分解并且吸附和/或吸收在其中。这可以有利于基底52内的催化反应，其将排气中的NOX转化为无害物质。接着，排气可以从基底52离开进入收集空间46，并且改变方向向内朝向出口通道44。排气可以通过涡流端帽48，其中，其叶片产生排气涡流以形成基本均匀的排气混合。混合可以是有益的，因为通过基底52的每个管的排气可以具有稍不同的成分。为了在凹槽50处获得可靠且一致的传感器读数，将不同的排气流混合为更均匀的排气流可能是必要的。接着，排气可以在基本上正交于第一方向和第二方向的方向上离开出口通道44。
催化剂壳体22连同管状支承件51和基底52一起能够被容易地更换(例如，现场或在车间)为单个单元。特别地，在一段时间之后，基底52的效率可能降低。并且，为了使动力系统10符合政府法规，基底52可能需要被更换。在传统后处理模块中，当这发生时，整个模块由完全新的模块更换。这可能是昂贵的且劳动量很大。但是，在本发明的后处理模块中，仅更换催化剂壳体22是可能的。
为了更换催化剂壳体22，可以移除紧固件26，并且使入口壳体18和出口壳体20与催化剂壳体22分离。接着，新的(或翻新的)催化剂壳体22可以布置在现有入口壳体18和出口壳体20的凸缘25之间，并且重新安装紧固件26。在一些应用中，垫圈24也可以在此时更换。一个或多个吊眼(未示出)可以与催化剂壳体22相联并且例如连接至管状支承件51。吊眼可以用以在移除和安装过程中吊起催化剂壳体22。这项维护所用时间可以很短且与其相关的成本低。
后处理模块12能够用在许多不同的应用中，即使一些应用比其它应用可能要求更多的排气处理。特别地，催化剂壳体22能够容纳具有不同长度的基底52，其中长度被选择为与特定应用对应。例如，当后处理模块12应用于具有较低排气流速和/污染物浓度的动力系统10时，较短的基底52可以安装在催化剂壳体22的管状支承件51内。相对照，当后处理模块12应用于具有较高排气流速和/或污染物浓度的动力系统10时，较长基底52可以安装在催化剂壳体22的管状支承件51内。后处理模块12可以被设计为使得在与不同长度的基底一起使用时其总体尺寸和形状不改变。以此方式，不同应用之间的共同的部分能够增加，这可以导致需要屈指可数的较少部件的实体。这可以在大多数情况中使成本降低。但是，可以设想，如果希望的话，具有不同高度的催化剂壳体22可以与相同的入口壳体18和出口壳体20互换地使用。
本领域技术人员应当理解在不脱离本发明范围的情况下，可对本发明的后处理模块进行各种调整和改变。从本发明记载的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，包括：
入口壳体，其至少部分地限定排气的入口通道；
至少一个混合器，其设置在入口通道中；
出口壳体，其至少部分地限定排气的出口通道；
催化剂壳体，其可移除地连接在入口壳体和出口壳体之间；和
多个催化剂基底，其安装在催化剂壳体中并且能够并行地接收来自入口通道的排气，并且并行地将排气排出至出口壳体；
在第一方向上延伸经过所述入口通道的排气的流动路径的第一区段，和在与所述第一方向大致相反的第二方向上在所述入口壳体与所述催化剂壳体之间延伸的所述流动路径的第二区段，所述多个催化剂基底具有沿着所述第二方向的分配。
2.根据权利要求1所述的后处理模块，其中，至少一个混合器包括连续设置的多个混合器。
3.根据权利要求2所述的后处理模块，还包括还原剂喷射器，其连接至入口壳体并且能够将还原剂喷射到多个混合器中的位于上游的一个混合器中。
4.根据权利要求1所述的后处理模块，还包括扩散器，其位于入口壳体内侧且在至少一个混合器的下游。
5.根据权利要求4所述的后处理模块，其中，扩散器设置在入口通道的外侧且在仅通向多个催化剂基底中的位于上游的一个催化剂基底的排气流路径中。
6.根据权利要求1所述的后处理模块，其中，多个催化剂基底中的每个具有上游端面，所述上游端面相对于经过入口通道的排气流以斜角定向。
7.根据权利要求6所述的后处理模块，其中，多个催化剂基底中的每个具有下游端面，所述下游端面相对于经过出口通道的排气流以斜角定向。
8.根据权利要求1所述的后处理模块，还包括出口涡流帽，其位于出口通道的进口处。
9.根据权利要求8所述的后处理模块，还包括凹槽(50)，其延伸到出口通道中并且能够提供用于排气传感器的安装位置。
10.根据权利要求1所述的后处理模块，还包括：
垫圈，其设置在催化剂壳体与入口壳体和出口壳体中的每个之间；和
多个紧固件，其能够将催化剂壳体可移除地连接至入口壳体和出口壳体中的每个。
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