CN109996940A - 用于排气后处理系统的入口扩散器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种排气后处理系统(22)，其包括壳体(36)，所述壳体包括第一轴向端(38)和第二轴向端(40)。排气入口(24)邻近于所述第一轴向端设置。排气出口(32)邻近于所述第二轴向端设置。催化转换器(28)设置于所述第一轴向端与所述第二轴向端之间。扩散器(26)设置在壳体内部，位于所述第一轴向端与所述催化转换器之间。所述扩散器包括与所述排气入口连通的壳(54)。所述壳包括近端、远端部分(68、70)和面向所述催化转换器的前侧(56)。所述近端部分和所述远端部分在前部区中基本上相等。所述近端部分邻近所述排气入口，并且包括总计达第一开口面积的第一多个前侧开口(78、80)，并且所述远端部分包括总计达第二开口面积的第二多个前侧开口(82)。第一开口面积是第二开口面积的约1.8‑2.2倍。

Description

用于排气后处理系统的入口扩散器
技术领域
本公开大体上涉及排气后处理系统，且更具体地涉及使用扩散器元件的排气后处理系统。
背景技术
在传统的排气后处理系统(ATS)中，在将发动机废气递送到系统的入口端口和系统的柴油氧化催化剂(DOC)部分的表面之间的距离通常足够大以在废气流撞击在DOC的表面之前提供足够的流动均匀性。另外，当废气以直线从入口端口进入DOC时，流动趋于是均匀的。排气后处理系统可包括位于气体排气入口端口与DOC表面之间的入口扩散器，以额外增强废气气流的分布均匀性。当ATS利用碳氢化合物剂量均匀地分配剂量材料时，也希望使用入口扩散器。
除了利用碳氢化合物剂量之外，一些发动机和工作机器构造的设计要求还需要基本缩短废气入口端口和排气后处理系统的DOC表面之间的距离。另外，在排气后处理系统的上游使用的管道构造和DOC出口对流动均匀性有影响，这使得更难以实现所需的流动均匀性。
本公开的系统的目的在于克服一个或多个上述问题和/或现有技术的其它问题。
发明内容
本公开大体上在一个方面涉及包括壳体的排气后处理系统，所述壳体具有第一轴向端和第二轴向端。排气入口邻近于所述第一轴向端设置。排气出口邻近于所述第二轴向端设置。催化转换器设置于所述第一轴向端与所述第二轴向端之间。扩散器设置在壳体内部，位于所述第一轴向端与所述催化转换器之间。所述扩散器包括与所述排气入口连通的壳。所述壳包括近端部分和远端部分以及面向所述催化转换器的前侧。所述近端部分和所述远端部分在前部区中基本上相等。所述近端部分邻近所述排气入口，并且包括总计达第一开口面积的第一多个前侧开口，并且所述远端部分包括总计达第二开口面积第二多个前侧开口。第一开口面积是第二开口面积的约1.8-2.2倍。
在另一方面中，本公开提供一种操作排气后处理系统的方法，所述方法包括由发动机产生废气。废气通过排气管道从发动机传送到排气后处理系统。废气被引导到扩散器中。废气通过穿过所述扩散器的前侧形成的多个开口扩散，其中开口包括穿过所述扩散器的近端部分形成的第一多个开口和穿过所述扩散器的近端部分形成的第二多个开口。相对于通过所述第一多个开口的流量限制通过所述第二多个开口的流量。
从下面的详细描述和附图将领会所公开的原理的另外的和替代的方面和特征。应当领会，如本文中公开的与末端截齿(end cutting-bit)相关的原理能够在其它不同的实施例中实施，并且能够在各个方面进行修改。因此，应当理解，前面的一般描述和下面的详细描述仅仅是示例性和解释性的，并不限制附带的权利要求的范围。
附图说明
图1是根据本公开的实施例的发动机系统和排气后处理系统的图。
图2是根据本公开的实施例的包括入口扩散器的排气后处理系统的透视剖面图。
图3是根据本公开的第二实施例的包括入口扩散器的排气后处理系统的透视剖面图。
图4是图2的入口扩散器的透视前视图。
图5是图3的入口扩散器的透视前视图。
图6是图2的入口扩散器的后视图。
具体实施方式
现在将详细参考具体实施例或特征，其示例在附图中示出。在尽可能的情况下，在整个附图中将使用相应或相似的附图标记来表示相同或相应的部分。此外，在可能存在多于一个相同类型的元件时，共同地或单独地对本文中所描述的各种元件进行引用。然而，此类引用在本质上仅是示例性的。可以注意到，对单数的元件的任何引用也可以被解释为涉及复数，反之亦然，而不将本公开的范围限制为这些元件的确切数量或类型，除非在所附权利要求书中明确阐述。
图1示出发动机系统10。发动机系统10可以是任何工作机器的一部分，例如滑移转向机、轮式推土机、轮式装载机、履带式装载机、反铲装载机、压实机、林业机械、前铲挖掘机、液压挖掘机、集成工具架、多地形装载机、材料处理机和农用拖拉机、土方工程机械(诸如轮式装载机、挖掘机、自卸车、反铲车、机车、铺装机)等。除了移动机器之外，预期的工作机器可以是静止或便携式机器，例如发电机组、驱动气体压缩机的发动机或泵，等等。
发动机系统10可包括发动机12、用以将燃料(例如，柴油燃料)供应到发动机12的燃料箱14、将空气引导到发动机中的进气口16以及用于从发动机12传送废气的排气管道20。例如，发动机12可以是任何类型的柴油发动机。发动机12可以包括未示出的其它特征，例如控制器、燃料系统、空气系统、冷却系统、周边、传动系部件、涡轮增压器、废气再循环系统等。排气管道20可包括燃料剂量系统18。
发动机系统10包括排气后处理系统，其大体上指定为22，所述排气后处理系统接收并处理由发动机12产生的废气。排气管道20将来自发动机12的废气传送到排气后处理系统22。
排气后处理系统22包括第一壳体36，其可以是金属或任何合适的材料。壳体36包括经由入口24连接到排气管道20且与其连通的第一轴向端38。第一壳体36包括与第一轴向端相对且在第一轴向端下游的第二轴向端40，所述第二轴向端包括出口32以允许经处理废气的离开。来自排气管道20的废气进入第一轴向端38，并通过经过处理气体的废气元件离开排气后处理系统22的第一壳体36的第二轴向端40。废气还可以在第二壳体44中进一步处理，该第二壳体可含有另外的处理元件。
在替代方案中，剂量系统18可设置在第一壳体36上并且/或者与第一壳体连通，以在第一壳体的第一轴向端38处或附近向废气流中递送众所周知的碳氢化合物材料。
还参考图2和图3，入口24可以具有圆柱形部分46和圆锥形部分48，其在接近第一壳体36处加宽，并且在第一壳体处终止。入口24的形状可以降低废气的速度并允许其更有效地分散。入口24被构造成使得废气进入非轴向流动的排气后处理系统22，这将在下文详细描述。
在该主题实施例中，排气后处理系统22包括流量扩散器26，该流量扩散器连接到入口24或以其它方式定位成接收来自入口的废气并且设置在第一壳体36内部的第一轴向端38附近。排气后处理系统22包括催化转换器28，例如柴油氧化催化剂(DOC)，其设置在扩散器26的下游并且在第一壳体36中。
排气后处理系统22可以包括柴油微粒过滤器30和设置在壳体中、位于催化转换器28下游的其它任选的废气处理装置，以用于从废气去除污染物。其它废气处理装置可以设置在单独的第二壳体44中。
催化转换器28(例如，柴油氧化催化剂)通常用于排气系统中，以将来自车辆的排气的不期望的气体(例如一氧化碳和碳氢化合物)转换成二氧化碳和水。柴油氧化催化剂可具有多种已知配置。示例性配置包括基质，所述基质限定完全通过其延伸的通道。基质可包括催化剂。例如，所述基质可以由催化剂制成，用催化剂浸渍或用催化剂涂布。示例性催化剂包括贵金属(诸如铂、钯和铑)以及其它类型的组分(诸如贱金属或沸石)。
虽然排气后处理系统22将被描述为包括催化转换器28，但应理解，本公开的范围不限于DOC，因为可根据本公开的原理使用各种催化剂装置。如上所述，剂量附件的不均匀废气流和不均匀分布可导致低效或无效排气处理以及部件的缩短的操作寿命。
另一方面，柴油微粒过滤器30(DPF)通常用于排气系统中以从排气去除微粒物质(例如，碳基微粒物质，例如碳烟)。DPF可具有多种已知配置。示例性配置包括具有“蜂窝”构型的整体陶瓷基质。也可使用丝网配置。在某些实施例中，基质可包括催化剂。示例性催化剂包括贵金属(诸如铂、钯和铑)以及其它类型的组分(诸如贱金属或沸石)。
其它废气处理装置可以包括选择性催化还原(SCR)催化剂装置34，例如贫NOx催化剂装置、贫NOx阱或用于从排气流去除污染物的其它装置。由于这些类型的后处理装置是本领域技术人员熟知的，因此后处理装置将仅在本文中简要描述。
选择性催化还原(SCR)催化剂34通常用于排气系统中以从车辆排放物去除不期望的气体，例如氮氧化物(NOx)。选择性催化还原催化剂装置34能够在富氧的环境中在诸如脲或氨的反应物的辅助下将NOx转变为氮和氧，所述反应物被注入到SCR上游的排气流中，这是熟知的。选择性催化还原催化剂34还能够将NOx转变为氮和氧。与SCR相比，贫NOx催化剂使用碳氢化合物作为还原剂/反应物，以用于将NOx转变为氮和氧。碳氢化合物被注入到贫NOx催化剂上游的排气流中。在贫NOx催化剂时，NOx与注入的碳氢化合物在催化剂的辅助下反应以将NOx还原成氮和氧。在一个实施例中，发动机系统10包括SCR催化剂34，所述SCR催化剂设置在DOC 28和微粒过滤器30下游并且在与第一壳体36分离的第二壳体44中。
排气后处理系统22可以包括传感器50、52，这是众所周知的，以感测和在使用中控制例如系统10的操作的剂量或其它方面。第一传感器50可以是设置成感测进入排气后处理系统22的废气的入口24处或附近的温度的温度传感器。第二传感器52可被设置成感测催化转换器28处或之后废气的温度。
扩散器26被定位和构造成将来自发动机12的废气20均匀地分布到催化转换器28。现在参看图2和图3，排气后处理系统22的壳体36具有第一轴向端38和定位在第一轴向端下游的相对设置的第二轴向端40。在第一轴向端38与第二轴向端40之间延伸的壳体36可以是圆柱形或大体上细长的，其形状和大小可限定纵向轴线A。
进入入口24的废气在不平行于轴线A的方向上进入第一壳体36。在一个实施例中，废气可由于管道20中的弯曲或由于入口24的轴线相对于第一壳体的轴线A成角度而与轴线A形成角度。在该主题实施例中，入口24设置在邻近第一轴向端38的壳体36的侧壁42中，废气以相对于轴线A的角度从入口24进入壳体的内部。所述角度可以是例如约90度或垂直于轴线A。
第一壳体36的第二轴向端40包括出口32(参见图1)。在该主题实施例中，将在后面详细描述的流量扩散器26(图2中的26A，图3中的26B)设置在第一壳体36内，并且邻近入口24定位并与其连通。催化转换器28设置于第一壳体36内且定位于流量扩散器26与出口32之间。
示出了扩散器26A、26B位置靠近壳体36的第一轴向端38且被定位成接收来自入口24的废气，并且均匀地分散废气以进入和通过催化转换器28。
参考图2、图4和图6，示出扩散器26A的第一实施例。扩散器26A包括穿孔壳54。壳54包括四个侧面-前侧56、与前侧相对的后侧58，以及相对的左侧60和右侧62。前侧56面向催化转换器28(参见图2)。后侧58背离催化转换器28(参见图2)。左侧60和右侧62在构造中是相同的。
壳54可以是具有任选的圆形形状的大致矩形，其中一侧过渡到相邻侧并且具有纵向壳轴线64。壳54还可以借助于横向于纵向轴线64的中线66分成两个虚拟半部，以限定最靠近入口24设置的近端部分68和远离入口的远端部分70(参见图2)。中线66设置在近端部分68的近端72与远端部分70的远端74之间的中途。
限定近端72和远端74的侧边的边缘可以是弓形的，以便适配在圆柱形或圆形壳体内。在一个实施例中，近端72和远端74的配合可形成密封和/或用来将壳54保持在适当位置。具体而言，扩散器26A后侧58在近端72和远端74两者的一些或全部处可以是弓形的。在图示实施例中，扩散器26A前侧56可以只在远端74处是弓形的。
扩散器26A的前侧56具有前部区，通过前部区形成多个前侧开口76。前部区将被认为是壳材料和穿过相关前侧部分形成的开口的总面积。实施例的前侧的尺寸为287毫米(mm)长(沿轴线64)，宽218mm宽(横向于轴线64)。因此，前部区为6256.6mm。远端部分68和近端部分70中的每一个的前部区是6256.6mm的一半。
多个前侧开口限定开口面积，气体可以经过该开口面积。前侧56的近端部分68的所有前侧开口76的组合开口面积可以是前侧的远端部分70的所有前侧开口的开口面积的约两倍。
可以多种方式实现近端部分68与远端部分70之间的开口面积的差异。一般来讲，在一个实施例中，开口的大小(即，面积)可在近端部分68中更大并且在前侧56的远端部分70中相对较小。近端部分68可以包括不同尺寸和/或形状开口的混合，其组合面积大于穿过远端部分形成的开口的组合面积(即大约两倍)。例如，近端部分68可以包括近端72处的相对较大的剖面75、大的剖面下游的两个或更多个相对较大的圆形开口78，以及相对于纵向轴线64和大圆形开口的下游和/或偏离轴线的多个相对较小的圆形开口80。远端部分70可以包括具有与开口80类似的直径的多个圆形开口82。
应理解，将使得通过远端部分70中的开口82的总面积的气流的阻抗或阻力大于近端部分68的开口75、78、80提供的阻抗或阻力。由于进入扩散器26A中的入口24的角度，气流倾向于朝扩散器26A的远端部分70的远端引导，并且在远端部分70的内部可能存在更大的气压积聚和/或湍流。远端部分70中的开口的较小相对面积导致穿过扩散器26A的远端部分的限制效果并且近端部分68中的较大相对开口面积允许就空气体积而言与通过远端部分的流量大致相同的流量通过。
为了提供气体的均匀分布，远端部分70的开口82可以彼此均匀地间隔开。类似地，近端部分68的开口78、80可以具有均匀或规则的间距。
扩散器26A的侧面60、62包括多个侧开口。特别地，远端部分70可以包括一个或多个任选的矩形开口84，并且任选地可以包括一个或多个圆形开口86。侧面60、62的近端部分可以包括一个或多个圆形开口88。
参考图6，其示出图2和图4中所示的扩散器26A的实施例的后侧58，在近端部分68和远端部分70两者中设置多个后侧开口。远端部分70的后侧开口90可以各自具有相同的直径。近端部分68的后侧开口可以包括第一组开口92，其相对于远端部分70的开口90具有相似的直径。近端部分68的开口可以包括相对于远端部分70的开口90具有更大直径的第二组开口94，并且开口90的总开口面积提供了比近端部分68的开口92、94更小的总开口面积。
转向图3和图5的实施例，扩散器26B与扩散器26A具有相同的总体形状和构造。扩散器26B在前侧56上具有相同的开口75、78、80和82构造。
扩散器26B缺少后侧。扩散器26B打开，其中扩散器26A包括具有开口的结构面板。扩散器26B包括在近端部分68和远端部分70两者中具有相同直径的多个后侧开口90。
在一个实施例中，扩散器26A、26B具有约287毫米(mm)的总长度和约218mm的宽度。远端部分70的开口82的直径可约为20mm。近端部分68的开口80的直径可约为25mm。扩散器26A、26B的总深度可约为82mm。远端的半径可约为154mm。剖面75的开口面积可以约为9500平方毫米(sqmm)。扩散器26B的开口面积可约为1：2.1(远/近)或约0.4723的比率。扩散器26A的开口面积可约为1：1.84(远/近)或约0.5443的比率。
在使用中，发动机系统10在操作期间产生废气。废气通过排气管道20从发动机12行进。废气经由入口24进入排气后处理系统22的壳体36。排气后处理系统22包括扩散器26，所述扩散器被构造成将来自入口24的废气均匀地通过定位在扩散器下游的催化转换器28分配。扩散器26包括邻近入口24设置的近端部分68和远离入口的远端部分70。废气经过在近端部分68和远端部分70中设置的开口，其中多个开口的总组合面积相应限定由第一多个开口限定的第一开口面积和由第二多个开口限定的第二开口面积。第一开口面积约为第二开口面积的两倍。因此，通过第二开口面积的多个开口的流量相对于通过第一开口面积的多个开口的流量而受到限制。
工业适用性
本公开适用于将废气均匀地分配在催化转换器上游的扩散器构造。扩散器可以用于移动或非移动应用中，以处理来自柴油发动机的废气。在构造紧凑且非线性的废气处理中提供均匀分布的废气流确保废气的最佳处理且提供催化转换器的长操作寿命。
应当理解，前面的描述提供了所公开的系统和技术的实例。然而，可设想，本公开的其它实施例可在细节上与前述实例不同。对本公开或其实例的所有引用旨在引用当时所讨论的特定实例，而并非旨在更一般地暗示对本公开的范围的任何限制。关于某些特征的所有区别和不利言辞旨在表明这些特征不是优选的，但除非另外指明，否则并不是将这些特征从本发明的范围中完全排除。
除非本文另外指明，否则本文所述的数值的范围仅仅用作分别指代落在该范围内的每个独立的值的简化方法，并且每个独立的值与它在本文被单独引述一样结合到说明书中。本文描述的所有方法可以以任何合适的顺序执行，除非本文另外指明或者与上下文明显矛盾。

Claims (10)

1.一种排气后处理系统(22)，其包括：
壳体(36)，所述壳体包括第一轴向端(38)和第二轴向端(40)；
排气入口(24)，所述排气入口设置在所述第一轴向端处或附近，并且将发动机排气供应至所述壳体；
排气出口(32)，所述排气出口设置在所述第二轴向端处或附近；
催化转换器(28)，所述催化转换器设置在所述壳体中，位于所述第一轴向端和所述第二轴向端之间；和
扩散器(26)，所述扩散器设置在所述壳体内部，位于所述第一轴向端与所述催化转换器之间，所述扩散器包括：
壳(54)，所述壳与所述排气入口连通并且被构造成接收和扩散所述发动机排气，所述壳包括面向所述催化转换器的前侧(56)，所述前侧包括：
近端部分(68)和与所述近端部分相对的远端部分(70)，所述近端部分和所述远端部分在前部区中基本上相等，
所述近端部分邻近所述排气入口设置，并且包括总计达第一开口面积的第一多个前侧开口(78、80)，并且
所述远端部分包括总计达第二开口面积的第二多个前侧开口(82)，其中所述第一开口面积为所述第二开口面积的约1.8-2.2倍。
2.根据权利要求1所述的排气后处理系统，其中，所述壳体具有纵向轴线(A)，并且所述排气入口设置成将废气沿相对于所述纵向轴线成角度的方向引导到所述壳体中。
3.根据权利要求1所述的排气后处理系统，其中，所述第一开口面积是所述第二开口面积的约两倍。
4.根据权利要求1所述的排气后处理系统，其中，所述壳缺少后侧。
5.根据权利要求1所述的排气后处理系统，其中，所述壳还包括左侧(60)和与所述左侧相对的右侧(62)，所述左侧和所述右侧包括多个侧开口。
6.根据权利要求5所述的排气后处理系统，还包括与所述前侧相对的后侧(58)，所述后侧包括多个后侧开口，废气可经过所述多个后侧开口进入到所述壳体中。
7.根据权利要求6所述的排气后处理系统，其中，所述多个开口包括具有不同直径的圆形开口。
8.根据权利要求1所述的排气后处理系统，其中，所述第一多个前侧开口包括构成超过所述第一开口面积的一半的至少一个剖面部分(75)。
9.一种发动机系统；包括：
被供给燃料和空气的发动机(12)；和
根据权利要求1所述的排气后处理系统(22)。
10.一种操作排气后处理系统(22)的方法，包括：
由发动机(12)产生废气；
通过排气管道将来自所述发动机的废气传送到所述排气后处理系统；
将废气引导到扩散器(26)中；
通过穿过所述扩散器的前侧形成的多个开口(76)扩散废气，其中所述开口包括穿过所述扩散器的近端部分(68)形成的第一多个开口和穿过所述扩散器的远端部分(70)形成的第二多个开口；以及
相对于通过所述第一多个开口的流量限制通过所述第二多个开口的流量。
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