CN111836951A - 用于燃烧发动机的排气后处理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于燃烧发动机(110)的排气后处理系统(1)，其包括：外壳(2)，该外壳包括至少一个排气入口(3)和至少一个排气出口(4)；至少一个催化剂(6、6')，该至少一个催化剂位于外壳(2)的内部空间(5)中，其中，该系统(1)被构造成使得：在系统(1)的使用期间，排气以入口速率从所述至少一个排气入口(3)流入，以催化剂速率流过所述至少一个催化剂(6、6')，流到所述至少一个催化剂(6、6')外部的内部空间(5)中并且流到所述至少一个排气出口(4)，并且所述系统还被构造成使得排气在所述至少一个催化剂(6、6')外部的内部空间(5)中流过至少一个横截面区域(A)，所述至少一个横截面区域至少由所述至少一个催化剂(6、6')的外周表面(61、61')和所述外壳(2)的内表面(21)限定和界定，或者由至少两个催化剂参数表面(61、61')限定和界定，其中，所述至少一个横截面区域(A)被设定尺寸，使得在所述系统(1)的使用期间，排气以高于催化剂速率的第一内部空间速率流过所述至少一个横截面区域(A)，并且其中，所述系统(1)还包括至少一个传感器(7)，所述至少一个传感器用于测量与排气相关的至少一个参数，所述至少一个传感器(7)在内部空间(5)中位于排气流速率高于催化剂速率的位置处。本发明还涉及包括这种系统(1)的车辆(100)。

Description

用于燃烧发动机的排气后处理系统
技术领域
本发明涉及一种用于诸如柴油发动机的燃烧发动机的排气后处理系统。本发明还涉及一种包括这种系统的车辆。
本发明可以适用于重型车辆，例如卡车、公共汽车和建筑设备。虽然将主要针对卡车来描述本发明，但本发明不限于这种特定车辆，而是也可用在其它包括燃烧发动机的车辆中。
背景技术
排气后处理系统(EATS)(也被称为消音器)是众所周知的，并且与车辆中的燃烧发动机结合使用，以净化发动机的排气、降低噪音等。
所述系统通常由外壳构成，该外壳封围多个不同的部件，排气会通过这些部件，直到它到达连接到外壳的尾管。该外壳内部的部件可以例如是催化剂(例如选择性催化还原(SCR)催化剂、柴油氧化催化剂)，并且也可以是颗粒过滤器，用于减少离开尾管的颗粒的量。
此外，通常需要传感器来控制该后处理系统。这些传感器中的一些传感器通常放置在外壳外部的尾管中。尾管最常见的是位于外壳外部，但也存在如下的已知设计：尾管被集成到外壳中，其中传感器则安装在该集成式尾管中。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的排气后处理系统，它至少部分地克服了现有技术的缺点或提供了有用的替代方案。
该目的通过独立权利要求中提供的主题来实现。在从属权利要求和所附的描述和附图中可以发现优选且有利的实施例。
根据第一方面，该目的通过一种用于燃烧发动机的排气后处理系统来实现，该系统包括外壳并且还包括至少一个催化剂，该外壳包括至少一个排气入口和至少一个排气出口，该至少一个催化剂位于外壳的内部空间中。该系统被构造成使得：在该系统的使用期间，排气以入口速率从所述至少一个排气入口流入，以催化剂速率流过所述至少一个催化剂，流到所述至少一个催化剂外部的内部空间中并且流到所述至少一个排气出口，并且该系统还被构造成使得排气在所述至少一个催化剂外部的内部空间中流过至少一个横截面区域，该至少一个横截面区域至少由所述至少一个催化剂的外周表面和外壳的内表面限定和界定，或者由至少两个催化剂外周表面限定和界定。可选地，该系统可以构造成使得所有排气流在所述至少一个催化剂外部的内部空间中流过该至少一个横截面区域。因此，该至少一个横截面区域可以是用于所有气流的横截面。此外，该至少一个横截面区域被设定尺寸，使得在该系统的使用期间，排气以高于催化剂速率的第一内部空间速率流过该至少一个横截面区域，并且其中，该系统还包括至少一个传感器，该至少一个传感器用于测量与排气相关的至少一个参数，所述至少一个传感器在内部空间中位于排气流速率高于催化剂速率的位置处。
通过提供本文中公开的系统，提供了一种改进的排气后处理系统，该排气后处理系统减少或甚至消除了对具有连接到排气出口的尾管的需求。本文中所用的“尾管”也可以指代排气管，该排气管是通常直接联接到排气后处理系统的管。这种管可以相对于车辆指向任何方向。在现有技术的设计中，尾管(不管是相对于外壳安装在外部还是内部)已用于控制至少一个催化剂下游的排气流。此外，传感器通常也被定位在这种尾管中，用于测量与排气流相关的参数。在现有技术的系统中将传感器定位在尾管中的原因在于，排气流速率在尾管中增加，并且传感器通常在排气流较高时更佳地起作用。根据本发明，催化剂的外周轮廓和/或所述外壳的内表面可以用于设计所述内部空间中的横截面区域，使得在该横截面区域中将提供虚拟尾管。更特别地，可以通过调节所述至少一个横截面区域的尺寸来控制排气流速率。所述至少一个横截面区域的形状也会影响排气流。通常，在所述内部空间中的多个流动通道之间共享所述至少一个横截面区域。因此，所述至少一个横截面区域可以由一个或多个流动通道(例如1、2、3、4、5、6或更多个流动通道)形成。所述至少一个横截面区域可以被定义为所有排气流将在该内部空间中通过的最小总横截面区域。由于该系统的构造，传感器可以有利地放置在该内部空间中，在该内部空间中，排气在所述至少一个催化剂下游流动，因此也减少或甚至消除了对具有尾管的需求。此外，尾管通常也用于控制该系统的声学特性(acoustics)。通过提供本发明，也可以控制该声学特性，使得它可以类似于标准尾管。通过消除对尾管的需求，提供了若干益处，例如降低重量和成本。另一益处是消除了尾管的压力损失，该压力损失会增加燃料消耗。
可选地，该系统可以构造成使得：在使用期间，排气在与所述至少一个催化剂的长度方向基本垂直的方向上流过所述至少一个横截面区域。这样引导排气流在以如下方式实现横截面区域方面可能是有益的：即，流动速率增大到与尾管所具有的幅度类似的幅度，由此使用该内部空间来产生虚拟尾管。
可选地，所述第一内部空间速率可以至少比催化剂速率高80％、90％或100％。因此，在所述至少一个催化剂下游可以获得速率的明显增加，从而产生与普通尾管所具有的速率类似的速率，由此在所述内部空间中提供类似的条件。
可选地，所述至少一个横截面区域的尺寸可以在所述至少一个排气入口的入口面积的30％至300％的范围内。由此，通过这样设定所述至少一个横截面区域的尺寸，可以在所述至少一个催化剂下游产生合适的排气流速率。
可选地，该系统可以包括至少两个催化剂，该至少两个催化剂优选地相对于彼此基本平行地布置。
可选地，所述至少一个催化剂可以是选择性催化还原(SCR)催化剂。
可选地，该系统还可以包括以下项中的至少一种：位于所述至少一个催化剂上游的柴油氧化催化剂(DOC)，和位于所述至少一个催化剂上游的至少一个颗粒过滤器。替代地，这些部件也可以位于所述至少一个催化剂下游。
可选地，该系统还可以包括至少一个挡板，该至少一个挡板位于所述内部空间中并被构造成用于进一步限定和界定所述至少一个横截面区域。挡板可以被定义为外壳的内壁，该内壁用于控制并引导排气流。仍然可选地，所述至少一个挡板可以由与所述至少一个催化剂的长度方向基本垂直的平面限定。所述至少一个挡板可以提供增加的灵活性，从而可以实现产生合适的横截面区域。
可选地，该系统还可以在所述内部空间中包括用于排气流的导管，该导管从排气入口延伸并且相对于所述至少一个催化剂位于上游。仍然可选地，该至少一个导管可以构造成用于进一步限定和界定所述至少一个横截面区域。由此，可以提供进一步增加的灵活性，用于以合适的方式设计所述至少一个横截面区域。仅作为示例，该至少一个导管可以被不同地成形，例如直管、弯曲管(例如U形轮廓)或任何其它合适的形状。该导管可以被成形为用于控制应将排气流引导到何处以及如何引导排气流，并且还用于在外壳内部装配的目的。可选地，该导管还可以设计成用于喷射、混合和/或蒸发还原剂，例如尿素水溶液。
可选地，所述排气出口可以是用于所述排气的最终排气出口。“最终排气出口”在这里意味着不存在任何连接到排气出口的其它管或类似物。因此，排气直接向外离开而进入环境空气中。仍然可选地，当该系统安装到车辆、例如安装到卡车时，排气出口可以基本指向下。发明人还已经意识到，对于在外壳内部控制并引导气流来说，引导该气流而使得其向下离开是有益的。当安装到车辆时，基本向下引导排气也会是有益的。
可选地，所述至少一个催化剂可以在沿着所述至少一个催化剂的长度方向的横截面中包括大致圆形、椭圆形或长圆形的外周轮廓。例如，当该内部空间中的在所述至少一个催化剂下游的排气流是沿着与所述至少一个催化剂的长度方向基本垂直的方向时，长圆形、椭圆形或圆形的外周轮廓对于控制气流会是有益的。更特别地，这样的形状可导致排气进入渐缩空间，即，该渐缩空间中的横截面可能减小，直到其达到本文中所公开的所述至少一个横截面区域为止，之后，该内部空间的横截面将再次增大。换言之，在排气所流过的在所述至少一个催化剂外部的内部空间中可以实现漏斗形状。
可选地，所述至少一个传感器可以是用于测量以下项中的至少一个的传感器：排气的温度、排气的NOx水平和排气的颗粒水平。这些参数对于以合适的方式控制该系统可能是重要的。
可选地，所述至少一个传感器可以连接到外壳。将所述至少一个传感器连接到外壳可以便于所述至少一个传感器的安装程序，并且还允许所述至少一个传感器放置在有利于测量的位置。
可选地，所述内部空间可以包括附加的流动通道，其中，所述至少一个传感器位于所述附加的流动通道中。提供附加的流动通道可以进一步便于控制所述内部空间中的排气流。本文中所公开的附加的流动通道不应被视为内部尾管/集成式尾管，这是因为：根据本发明，所述横截面区域的尺寸是通过所述至少一个催化剂的外周轮廓和/或所述外壳的内壁而设计的。
可选地，在所述内部空间中在流动速率出现增加的位置处可以放置有吸收材料。由此，可以进一步降低噪声水平。该吸收材料也将减小所述至少一个横截面区域，即，所述最小总横截面区域将进一步减小。
可选地，所述至少一个传感器可以在所述内部空间中位于排气流速率是第一内部空间速率的至少80％的位置处。因此，所述至少一个传感器可以定位成靠近于上述横截面区域，该横截面区域可能是所有排气流所通过的所述内部空间中的最小总横截面区域。如上文已提到的，所述至少一个传感器可以有利地定位在排气流速率高的位置处，以适当地起作用。仍然可选地，所述至少一个传感器可以在所述内部空间中位于排气流速率是第一内部空间速率的至少90％或95％的位置处，该第一内部空间速率可以是所述内部空间中的最大速率。
可选地，所述至少一个传感器可以位于所述至少一个横截面区域附近。仅作为示例，所述至少一个传感器可以位于离所述至少一个横截面区域25、20、15或10厘米或更近的位置。
可选地，在所述排气出口上可以布置有扩散装置。当所述排气出口如上所述地指向下时，这可能是特别有益的。该扩散装置可以布置成在排气流离开所述外壳时改变该排气流的方向。
可选地，该系统还可以包括附加的排气流出口，该附加的排气流出口被设计成能够连接到维修车间中使用的排气提取设备。在该系统的正常使用期间，这种出口可以有利地被盖子闭合。
可选地，可以将排气在所述至少一个催化剂下游所流入的内部空间视为敞口内部空间。更特别地，该敞口内部空间可以被限定为由所述外壳的内壁和放置在所述外壳内部的其它部件(例如，所述至少一个催化剂和放置在其中的任何其它部件)限定和界定的敞口内部空间。仍然可选地，所述外壳内部的集成式尾管、任何其它管等也可以用于限定和界定该敞口内部空间。
根据第二方面，提供了一种车辆，该车辆包括根据第一方面的任一个实施例所述的系统。应当注意，第二方面的所有实施例均适用于第一方面，反之亦然。可选地，该车辆可以是卡车、公共汽车、建筑设备车辆等中的任一种。
附图说明
参考附图，下面是作为示例引用的本发明实施例的更详细描述。
在这些图中：
图1示出了根据本发明的示例实施例的卡车形式的车辆，
图2示出了根据本发明的示例实施例的排气后处理系统的剖视图，
图3示出了图2中所描绘的系统的另一剖视图，
图4示出了根据本发明的示例实施例的系统的另一剖视图，
图5示出了根据本发明的又一示例实施例的系统的剖视图，
图6示出了根据本发明的又一示例实施例的系统的剖视图，并且
图7示出了根据本发明的又一示例实施例的系统的剖视图。
这些图示出了本发明的概略示例性实施例，因此这些图不必按比例绘制。应当理解，所示出和描述的实施例是示例性的，且本发明不限于这些实施例。还应当注意，这些图中的某些细节可能被放大，以便更好地描述和举例说明本发明。除非另有说明，否则在整个说明书中，相同的附图标记表示相同的元件。
具体实施方式
在图1中，描绘了卡车形式的车辆100，该车辆100包括柴油燃烧发动机110。由虚线框示出的柴油发动机110产生排气，该排气被传送到也由虚线框示出的排气后处理系统1，该排气后处理系统1也被称为EATS或消音器。排气经由出口(未示出)离开系统1，使得该排气相对于卡车100指向下(由粗箭头指示)。如上所述，系统1可包括扩散器(未示出)，该扩散器在气流离开系统1时改变该气流的方向，例如相对于卡车100向后。通过提供本文中所公开的系统1，可以无需将尾管连接到系统1，这是因为系统1被设计成使得该系统1中包括了虚拟尾管。
现在转向图2，示出了根据示例实施例的系统1。该图示出了沿着系统1的长度方向L的横截面。方向L从纸面向外伸出，例如由带圆圈的点所示。可以看到，系统1沿宽度方向w和高度方向h延伸，由此，当安装在车辆100上时，该高度方向可以对应于该车辆的竖直方向。方向L、w和h基本彼此垂直并且也可以视为笛卡尔坐标系。系统1包括外壳2，该外壳2包括一个排气入口3(例如，参见图3)和至少一个排气出口4，并且系统1还包括两个催化剂6和6'，这两个催化剂6和6'位于外壳2的内部空间5中。系统1被构造成使得：在使用期间，排气以入口速率从排气入口3流入，以催化剂速率流过两个催化剂6和6'，流入这两个催化剂6和6'外部的内部空间5中并且流到排气出口4。排气流在所有附图中均由粗箭头表示。此外，系统1还被构造成使得排气在两个催化剂6和6'外部的内部空间5中流过横截面区域A，该横截面区域A由两个催化剂6和6'的外周表面61和61'、外壳2的内表面21以及管9的外周表面限定和界定。在该图中，可以看到横截面区域A如何沿着该系统的宽度方向w延伸(由线条指示)。此外，横截面区域A被设定尺寸，使得在系统1的使用期间，排气以高于催化剂速率的第一内部空间速率流过横截面区域A，并且其中，该系统1还包括至少一个传感器7，该至少一个传感器7用于测量与排气F相关的至少一个参数，所述至少一个传感器7在内部空间5中位于排气流速率高于催化剂速率的位置处。横截面区域A这里由内部空间5中的在两个催化剂6和6'外部的四个流动通道表示。如图2中可见，传感器7这里安装在横截面区域A处或者非常靠近横截面区域A安装，该横截面区域A也是排气在通过两个催化剂6和6'外部时所经过的最小总横截面区域。如可以进一步看到的，排气基本沿着系统1的高度方向h从两个催化剂6和6'旁边流过，然后离开出口4，该出口4位于两个催化剂6和6'下方的底部中。由于催化剂6和6'的圆形形状以及内壁21的形状，排气流入到漏斗形空间中，由此，流动速率在通过横截面区域A时增大了。
在图3中，描绘了如图2中所示的系统1的侧视图。这里，可以更详细地看到气流如何在系统1中流动。排气进入入口3，在本实施例中，该入口3是基本位于外壳2内的管/导管9的入口。管9沿长度方向L布置。在管9的下游布置有两个催化剂6和6'，并且如图可见，排气沿着长度方向L通过催化剂6和6'(但在与管9中的方向相反的方向上)。催化剂6和6'的长度方向对应于系统1的长度方向L。之后，排气在内部空间5中沿着高度方向h向上流动，然后进行“U形拐弯”，沿着高度方向h通过催化剂6和6'外部，之后经由出口4离开。为了清楚起见，在这些图中省略了可以是系统1的一部分的其它部件，例如颗粒过滤器、DOC、尿素喷射装置等等。因此，排气流也可以在通过所述至少一个横截面区域A时通过这些部件的外部。此外，在本实施例中，在内部空间5中还放置有两个挡板8和8'以引导气流并且限定和界定横截面区域A，这将在图4中进一步详述。
图4示出了在高度方向h上从上方观察到的视图，其中描绘了横截面区域A，其具有四个单独的流动通道。如图可见，横截面区域A由两个催化剂6和6'的外周表面61和61'、外壳2的内壁21、挡板8和8'以及管9限定和界定。可以理解，与其它图一样，图4不必按比例绘制。例如，如图2中可见，横截面区域A的介于催化剂6和6'与管9之间的部分稍微呈对角地定位，而且在从上方观察的视图中不必能被看见。
图5至图7示出了根据本发明的系统1的其它示例实施例。在图5中，示出了与图2中类似的横截面，并且附加的流动通道10位于内部空间5中。传感器7位于该附加的流动通道10中。在图6中，示出了另一示例，其中，在内部空间5中还放置有吸收材料11，用于降低噪声水平，并且还用于进一步减小所有气流所通过的最小横截面区域A。这里，材料11连接到内壁2、催化剂6和6'并且还连接到管9。在图7中，可以看到管9已具有U形形状，用于与其它示例相比略有不同地引导气流。然而，这里，当气流通过内部空间5中的最小横截面区域A时，它也基本在系统1的高度方向上流动。
应当理解，本发明不限于上文描述并在附图中示出的实施例；而是，本领域技术人员会认识到，在所附权利要求书的范围内可以进行许多修改和变型。

Claims (21)

1.一种用于燃烧发动机(110)的排气后处理系统(1)，所述系统(1)包括：
-外壳(2)，所述外壳(2)包括至少一个排气入口(3)和至少一个排气出口(4)，
-至少一个催化剂(6、6')，所述至少一个催化剂(6、6')位于所述外壳(2)的内部空间(5)中，
-其中，所述系统(1)被构造成使得：在所述系统(1)的使用期间，排气以入口速率从所述至少一个排气入口(3)流入，以催化剂速率流过所述至少一个催化剂(6、6')，流到所述至少一个催化剂(6、6')外部的所述内部空间(5)中并且流到所述至少一个排气出口(4)，并且所述系统还被构造成使得所述排气在所述至少一个催化剂(6、6')外部的所述内部空间(5)中流过至少一个横截面区域(A)，所述至少一个横截面区域(A)至少由所述至少一个催化剂(6、6')的外周表面(61、61')和所述外壳(2)的内表面(21)限定和界定，或者由至少两个催化剂参数表面(61、61')限定和界定，
其特征在于，
-所述至少一个横截面区域(A)被设定尺寸，使得在所述系统(1)的使用期间，所述排气以高于所述催化剂速率的第一内部空间速率流过所述至少一个横截面区域(A)，并且
-其中，所述系统(1)还包括至少一个传感器(7)，所述至少一个传感器(7)用于测量与所述排气相关的至少一个参数，所述至少一个传感器(7)在所述内部空间(5)中位于排气流速率高于所述催化剂速率的位置处。
2.根据权利要求1所述的系统(1)，其中，所述系统(1)被构造成使得：在所述系统(1)的使用期间，所述排气在与所述至少一个催化剂(6)的长度方向(L)基本垂直的方向上流过所述至少一个横截面区域(A)。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的系统(1)，其中，所述第一内部空间速率至少比所述催化剂速率高80％、90％或100％。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的系统(1)，其中，所述至少一个横截面区域(A)的尺寸在所述至少一个排气入口(3)的入口面积的30％至300％的范围内。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的系统(1)，其中，所述系统包括相对于彼此基本平行地布置的至少两个催化剂(6、6')。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的系统(1)，其中，所述至少一个催化剂(6)是选择性催化还原(SCR)催化剂。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的系统(1)，其中，所述系统(1)还包括以下项中的至少一种：位于所述至少一个催化剂(6、6')上游的柴油氧化催化剂(DOC)；和位于所述至少一个催化剂(6)上游的至少一个颗粒过滤器。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的系统(1)，还包括至少一个挡板(8、8')，所述至少一个挡板(8、8')位于所述内部空间(5)中并被构造成用于进一步限定和界定所述至少一个横截面区域(A)。
9.根据权利要求8所述的系统(1)，其中，所述至少一个挡板(8、8')由与所述至少一个催化剂(6)的长度方向(L)基本垂直的平面限定。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的系统(1)，其中，所述系统(1)还在所述内部空间(5)中包括用于排气流的导管(9)，所述导管(9)从所述排气入口(3)延伸并且相对于所述至少一个催化剂(6、6')位于上游。
11.根据权利要求10所述的系统(1)，其中，所述至少一个导管(9)被构造成用于进一步限定和界定所述至少一个横截面区域(A)。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的系统(1)，其中，所述排气出口(4)是用于所述排气的最终排气出口。
13.根据权利要求12所述的系统(1)，其中，当所述系统(1)安装到车辆时，所述排气出口(4)基本指向下。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的系统(1)，其中，所述至少一个催化剂(6、6')在沿着所述至少一个催化剂(6、6')的长度方向的横截面中包括大致圆形、椭圆形或长圆形的外周轮廓。
15.根据前述权利要求中的任一项所述的系统(1)，其中，所述至少一个传感器(7)是用于测量以下项中的至少一个的传感器：所述排气的温度、所述排气的NOx水平和所述排气的颗粒水平。
16.根据前述权利要求中的任一项所述的系统(1)，其中，所述至少一个传感器(7)连接到所述外壳(2)。
17.根据前述权利要求中的任一项所述的系统(1)，其中，所述内部空间(5)包括附加的流动通道(10)，其中所述至少一个传感器(7)位于所述附加的流动通道(10)中。
18.根据前述权利要求中的任一项所述的系统(1)，其中，在所述内部空间(5)中在流动速率出现增加的位置处放置有吸收材料(11)。
19.根据前述权利要求中的任一项所述的系统(1)，其中，所述至少一个传感器(7)在所述内部空间(5)中位于排气流速率是所述第一内部空间速率的至少80％的位置处。
20.根据前述权利要求中的任一项所述的系统(1)，其中，所述至少一个传感器(7)位于所述至少一个横截面区域(A)附近。
21.一种车辆(100)，其包括根据前述权利要求中的任一项所述的系统(1)。
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