CN205559030U

CN205559030U - 用于排气后处理系统的模块化组件

Info

Publication number: CN205559030U
Application number: CN201620314644.2U
Authority: CN
Inventors: C·A·威利; T·R·卡西迪
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2015-05-04
Filing date: 2016-04-15
Publication date: 2016-09-07
Anticipated expiration: 2026-04-15
Also published as: US20150233276A1

Abstract

本实用新型提供了一种用于排气后处理系统的模块化组件。该模块化组件包括入口部。该模块化组件还包括混合元件。该模块化组件进一步包括从入口部发散的第一截锥区。该模块化组件还包括设置在壳体的中心部内的选择性催化还原组件。选择性催化还原组件包括一组催化器。该模块化组件还包括消声元件，该消声元件设置在壳体的中心部内并位于在选择性催化还原组件的下游。该模块化组件包括设置在壳体的中心部内的挡板布置，该挡板布置包括第一挡板和第二挡板。该模块化组件还包括从壳体的中心部向出口部收敛的第二截锥区。模块化组件还包括连接至第二截锥区的所述出口部。本实用新型的模块化组件可以容纳且安装于紧凑的安装空间中。

Description

用于排气后处理系统的模块化组件

技术领域

本实用新型涉及一种模块化组件，更具体地涉及用于与发动机相关联的后处理系统的模块化组件。

背景技术

后处理系统与发动机系统相关联。该后处理系统配置成在排气流排放至大气之前处理并减少存在于排气流中的氮氧化物（NOx）。为减少NOx，后处理系统可包括还原剂输送模块、还原剂喷射器和和选择性催化还原（SCR）模块。

此外，后处理系统可包括具有消声元件的消声器组件。消声元件执行消声功能并抑制排气产生的高压噪音。通常，消声器组件作为位于SCR模块下游的单独模块。在一些实例中，SCR模块及消声元件被集成为单个消声器组件。但是，SCR模块包括具有方形横截面的SCR单元。由于压力脉动，这种形状的SCR单元会导致应力增加。另外，产生的应力还横穿焊缝，从而影响SCR单元在消声器组件内的安装。在一些情况下，采用这种设计的SCR单元会导致环向应力的增加。

专利号为5,578,277的美国专利（下文称为‘277专利）描述了一种模块化催化转换器及消声器，其用于净化相对较大柴油机的排气。模块化催化转换器及消声器包括多个安装在模块化催化转换器及消声器壳体内的催化转换器子罐。模块化催化转换器及消声器还包括安装在催化转换器子罐上游的壳体内的流量分配器。另外，为衰减排气时产生的噪声，消声器结构安装在催化转换器子罐与出口之间的壳体内。但是，‘277专利的模块化催化转换器及消声器具有庞大的结构。

实用新型内容

在本实用新型的一个方面，提供了一种用于排气后处理系统的模块化组件。模块化组件包括由模块化组件壳体限定的入口部。入口部设置成连接至排气管道。模块化组件还包括混合元件，其定位在入口部内且相对于排气流方向位于还原剂喷射器的下游。模块化组件进一步包括自入口部发散的第一截锥区。模块化组件还包括设置在壳体的中心部内的选择性催化还原组件。选择性催化还原组件包括一组相对彼此以竖直布置定位的催化器。这组催化器中每个催化器的中心轴线平行于排气管道的中心轴线。模块化组件进一步包括消声元件，消声元件设在壳体的中心部内并定位在选择性催化还原组件的下游。模块化组件包括设置在壳体的中心部内的挡板布置。挡板布置包括设置在选择性催化还原组件上游的第一挡板和设在消声元件下游的第二挡板。另外，包括挡板布置、选择性催化还原组件和消声元件的壳体的中心部具有长条形横截面。模块化组件还包括出口部以及从所述壳体中心部向所述出口部收敛的第二截锥区，所述出口部连接至所述第二截锥区。

本实用新型提供了在单一的模块化组件内设置消声元件和SCR组件。模块化组件的壳体为具有搭接焊接接头的长条形形状。由于壳体具有紧凑的形状，因此，模块化组件可以容纳且安装于紧凑的安装空间中。壳体的这种设计使得因压力脉动所引发的应力降低。壳体的设计还使得壳体内的排气平顺地流动。

通过以下的说明和附图，本实用新型的其它特征和方面将变得显而易见。

附图说明

图1为根据本实用新型一个实施例的具有与其相关联的后处理系统的示例性发动机系统的示意图；

图2为根据本实用新型一个实施例的与后处理系统相关联的示例性模块化组件的局部剖视图；以及

图3为未示出图2所示的模块化组件的局部透视图。

具体实施方式

在所有附图中将尽可能使用相同的参考标记来指示相同或类似的部件。参照图1，根据本实用新型一个实施例示出了示例性发动机系统100的示意图。发动机系统100包括发动机102，其可为内燃发动机，如往复式活塞发动机或燃气涡轮发动机。发动机102是一种火花点火式发动机或压燃式发动机，如柴油发动机、均质压燃式发动机、或反应受控的压燃式发动机或本本领域已知的其他压燃式发动机。发动机102可以使用汽油、柴油、生物柴油、二甲醚、乙醇、天然气、丙烷、氢气、或它们的组合或本领域已知的其他任意燃料作为燃料。

发动机102可包括其他部件（图中未示出），如燃料系统、进气系统、包括传动系统的动力传动系统等等。发动机102可用于向机器（图中未示出）提供动力，该机器包括但不限于公路用卡车、越野载重车、运土机器、发电机等等。因此，发动机系统100可与包括但不限于运输业、建筑业、农业、林业、发电及材料处理的行业相关联。

发动机系统100包括流体地连接至发动机102的排气歧管（未示出）的排气后处理系统104，在下文中可交换地称作后处理系统104。后处理系统104可处理自发动机102的排气歧管排出的排气流。排气流包含排放化合物，其可以包括氮氧化物（NOx）、未燃烧的碳氢化合物、颗粒物质、和/或本领域已知的其他燃烧产物。在排气流排出发动机系统100之前，后处理系统104可捕获或转化NOx、未燃烧的碳氢化合物、颗粒物质、或它们的组合或排气流中存在的其他燃烧产物。

后处理系统104包括模块化组件200。模块化组件200被设置成与排气管道106流体连通。参照图2，模块化组件200包括壳体202。壳体202可由本领域已知的任何金属或聚合物制成。另外，在不限制本实用新型的保护范围的前提下，与壳体202有关的参数，例如大小、形状、位置和所使用的材料可以根据设计和需求而改变。

模块化组件200的壳体202限定了入口部204。入口部204可具有圆形横截面。可选择地，入口部204可具有长条形、正方形或矩形横截面。壳体202的入口部204经由排气管道106（参见图1）接收来自排气歧管的排气流。入口部204的第一端配置成连接至排气管道106。

现在参照图1，后处理系统104可包括与其关联的还原剂供给系统108。还原剂通过与还原剂供给系统108关联的还原剂喷射器110被喷射进入口部204（参见图2）。还原剂可以是流体，例如柴油排气处理液（DEF）。还原剂可包括尿素、氨或本领域已知的其他还原剂。

还原剂供给系统108包括还原剂箱112。还原剂被容置在还原剂箱112中。与还原剂箱112有关的参数，例如大小、形状、位置和所使用的材料可以根据系统设计和需求而改变。另外，还原剂喷射器110可通信地联接至控制器（未示出）。基于从控制器接收的控制信号，来自还原剂箱112的还原剂通过泵组件114提供至还原剂喷射器110。可被喷射进入口部204的还原剂的量可基于发动机运行条件来适当地计量。在一个实施例中，NOx传感器（未示出）可安装在入口部204中。NOx传感器可测量存在于进入入口部204的排气中的NOx的量。NOx传感器可将指示排气中的NOx的信号发送至控制器或机器上的ECM（未示出）。在不限制本实用新型的保护范围的前提下，NOx传感器260可包括能够测量存在于排气中的NOx的任何已知传感器。

参照图2，随着还原剂被喷射进入口部204，还原剂与通过其的排气流混合，并且被输送朝向位于入口部204内的混合元件208。混合元件208相对于排气流方向“F”位于还原剂喷射器110的下游。混合元件208可体现为旋流混合器或挡叶混合器。可选择地，在不限制本实用新型的保护范围的前提下，任意已知的混合元件208都可以被使用。混合元件208实现了排气流和喷射进入口部204的还原剂的均匀混合。另外，混合叶片或湍流器还可以与模块化组件200关联以提供排气流中的湍流。

入口部204连接至第一截锥区216。第一截锥区216从入口部204发散。更具体地，第一截锥区216具有沿排气流方向“F”的发散轮廓。在一些实施例中，第一截锥区216的表面218可与模块化组件200的排气管道106的轴线X-X’（参见图1）形成大约45º的角。第一截锥区216使从入口部204接收的排气流的一部分发生偏转。

壳体202包括中心部220。中心部220相对于排气流方向“F”设置在第一截锥区216的下游。中心部220具有长条形横截面，分别在顶部和底部处具有成对的弯曲部分。中心部220的弯曲部分分别限定了上内壁222和下内壁224。

参照图2和图3，挡板布置226被设置在壳体202内并且相对于排气流方向“F”位于第一截锥区216的下游。挡板布置226可执行分流功能以便平均地或均匀地分配通过其接收的排气流。挡板布置226被设置并且联接至壳体202的中心部220。挡板布置226包括相对于排气流方向“F”设置在选择性催化还原（SCR）组件246的上游。挡板布置226还包括第二挡板230。第二挡板230相对于排气流方向“F”设置在消声元件252的下游。第一挡板228和第二挡板230垂直于排气流方向“F”设置。

第一挡板228和第二挡板230具有类似的设计。现在将详细说明第一挡板228的设计。参照图3，示出了模块化组件200的倾斜剖面透视图。如图3所示，第一挡板228包括与壳体202的中心部220的形状对应的长条形状。第一挡板228包括顶端和底端附近的成对的弯曲轮廓。

第一挡板228的面236被限定在第一挡板228的弯曲轮廓之间。第一挡板228的面236包括平面轮廓。第一挡板228的面236包括数个中心孔238。在一个实施例中，第一挡板228包括三个中心孔238。另外，在面236上设置数个开口240使得开口240包围中心孔238中的每一个。在一个实施例中，可以在第一挡板228的面236上设置六个开口240。然而，开口240的数量可以根据系统要求而改变。中心孔238和开口240使得排气流与还原剂均匀混合和分配。

参考图2，第一挡板228和第二挡板230包括支柱部242、244。支柱部242、244沿轴X-X'从第一挡板228和第二挡板230延伸。支柱部242、244中的每一个将第一挡板228和第二挡板230连接至壳体202的中心部220的相应壁222、224。第一挡板228和第二挡板230被焊接至中心部220。在一个实施例中，利用搭接焊接或填角焊接将第一挡板228和第二挡板230焊接至中心部220。焊接是以使压力脉动引发的应力最小化的方式来进行。可选地，还可以利用任何其他紧固装置将第一挡板228和第二挡板230焊接至壳体202的中心部220。

如图2和图3所示，模块化组件200包括设置在壳体202的中心部220内的SCR组件246。SCR组件246运行以在氨气气氛中处理发动机102排放的排气，氨气是在喷射进入口部204中的排气流中的还原剂的降解之后被提供。SCR组件246沿排气流方向“F”设置在第一挡板228下游。SCR组件246包括对应于中心部220的形状的长条形形状。SCR组件246的这种形状使得压力脉动引起的应力减小。

SCR组件246包括相对彼此以竖直布置定位的一组催化器248，使得该组催化器248中的每一个催化器的中心轴线Y-Y’（参见图2）平行于排气管道106的轴X-X’（参见图1）。在一个实施例中，三个催化器248可与SCR组件246相关联。可选地，催化器248的数量可基于系统要求而改变。在不限制本实用新型的保护范围的前提下，催化器248可包括圆形、卵圆形、椭圆形、长条形或任何其他横截面。应当注意的是，SCR组件246可移除地安装在壳体202内。另外，催化器248还可以根据要求而移除或替换。SCR组件246可包括固定板（未示出）以将SCR组件246可移除地联接在壳体202内。应当注意的是，第一挡板228和第二挡板230被设置为使得第一挡板228和第二挡板230均匀地分配排气穿过催化器248。

模块化组件200包括设置在壳体202内的消声元件252。消声元件252相对于排气流方向“F”定位在SCR组件246下游。消声元件252被体现为执行声音衰减或吸音功能的隔音元件。更具体地说，消声元件252减少了由于排气流排出发动机所产生的声压的噪音的量。

消声元件252包括网状结构并且可由本领域中已知的表现出高耐热性和高吸音效率的任何已知的吸音材料制成。在一个实例中，消声元件252可以包括晶格结构，并且可以由钢丝棉、矿物棉、玻璃棉或任何渗透膜状结构制成。消声元件252可包括对应于中心部220的横截面的长条形横截面。另外，消声元件252可具有可变宽度。更具体地说，消声元件252的宽度可以根据声音衰减要求而改变。

模块化组件200还包括第二截锥区254。第二截锥区254从壳体202的中心部220收敛。第二截锥区254相对于排气流方向“F”定位在消声元件252的下游。第二截锥区254可将排气朝向出口部256收缩和引导。出口部256连接至第二截锥区254并且相对于排气流方向“F”定位在第二截锥区254的下游。在一些实例中，第二截锥区254的表面258可与轴X-X’成大约45º的角。在一个实施例中，出口部256可以设置成与入口部204成一条直线以减小模块化组件200内的背压。

NOx传感器260可安装在出口部256中。NOx传感器260可测量存在于流过出口部256的排气中的NOx的量。NOx传感器260可将指示排气中的NOx的信号发送至控制器或机器上的ECM（未示出）。在不限制本实用新型的保护范围的前提下，NOx传感器260可包括能够测量存在于排气中的NOx的任何已知传感器。

排气流从排气管道106进入模块化组件200的入口部204。当排气流经入口部204时，在其中喷入还原剂。当排气流经入口部204时，混合元件208增强了还原剂与进入第一截锥区216中的排气流的混合。随后，排气通过第一截锥区216转向并流经挡板228、230、SCR组件246和消声元件252中的每一个。之后，经过处理的排气从它们的路径朝向出口部256转向。在一个实施例中，使排气从出口部256排出至大气中。

模块化组件200的壳体202可以浇铸为整体部件。可选地，壳体202的各部件（例如，入口部204、第一截锥区216、中心部220、第二截锥区254和出口部256）可制造成单独的单元并且稍后进行组装以形成壳体202。壳体202的各部件可利用本领域已知的任何常规结合工艺相互连接。在一些情况下，可以利用焊接来结合壳体202的各部件。例如，可以利用搭接焊接接头来将各部件结合在一起。此外，模块化组件200可以在外部经由带式或条带式环绕夹具（未示出）支撑且固定至机器，该带式或条带式环绕夹具使得模块化组件200在运行期间的热膨胀不受限制。

本文中所公开的后处理系统104是作为非限制性实例提供。将理解的是，后处理系统104可以设置在相对于排气歧管的各种布置和/或组合中。后处理系统设计的这些和其他变化在不脱离本实用新型的保护范围的前提下是可能的。例如，在不限制本实用新型保护范围的前提下，后处理系统104可包括各种部件（未示出），例如柴油机氧化催化器（DOC）单元、柴油机微粒过滤器（DPF）单元和/或氨氧化催化器（AMOX）。

工业实用性

本实用新型描述了在单一的模块化组件200内设置消声元件252和SCR组件246。模块化组件200的壳体202为具有搭接焊接接头的长条形形状。由于壳体202具有紧凑的形状，因此，模块化组件200可以容纳且安装于紧凑的安装空间中。壳体202的这种设计使得因压力脉动所引发的应力降低。壳体202的设计还使得壳体202内的排气平顺地流动。模块化组件200包括相对于排气流方向“F”设置在SCR组件246的上游的挡板布置226。挡板布置226起到在SCR组件246的一个面上将排气流均匀地分布的作用。通过利用搭接焊接或填角焊接，第一挡板228和第二挡板230在直径上彼此相对地安装在壳体202内。这类焊接接头有助于减少压力脉动以及由压力脉动所引起的应力。

与常规方形轮廓相比，SCR组件246具有弯曲的轮廓。这使得因压力脉动所引发的应力降低。因此，可以避免较早设计的SCR组件中的环向应力或周向应力。SCR组件246包括催化器248。催化器248可移除地设置在壳体202内，从而使得它们可以方便地移除来根据系统要求进行维修或更换。此外，完整的SCR组件246通过固定板可移除地安装在壳体202内。

模块化组件200可以在外部经由带式/条带式环绕夹具支撑且固定至机器。这种类型的安装布置使得模块化组件200在运行期间的热膨胀不受限制，进而降低模块化组件200及其安装材料中的应力。而且，本实用新型的模块化组件200有助于降低系统中形成的背压。在一些实例中，系统中的背压可以从现有的12kPa降低至4-6kPa。模块化组件200包括更少的部件并且体积更小。

虽然已经特别参照以上实施例示出并说明了本实用新型的各方面，但本领域的技术人员将会理解的是，在不脱离所公开内容的精神和保护范围的前提下，通过对所公开的机器、系统和方法的改进可以想到各种其他实施例。这样的实施例应理解为落入本实用新型的基于权利要求书及其等同物所确定的保护范围内。

Claims

1.一种用于排气后处理系统的模块化组件，其特征在于，所述模块化组件包括：

入口部，其由所述模块化组件的壳体限定，所述入口部配置为连接至排气管道；

混合元件，其位于所述入口部内且相对于排气流方向位于还原剂喷射器下游；

第一截锥区，其自所述入口部发散出；

选择性催化还原组件，其设置在所述壳体的中心部内，所述选择性催化还原组件包括相对于彼此以竖直布置定位的一组催化器；使得所述的一组催化器中的每一个催化器的中心轴线都平行于所述排气管道的中心轴线；

消声元件，其设置在所述壳体的所述中心部内且位于所述选择性催化还原组件的下游；以及

挡板布置，其设置在所述壳体的所述中心部内，所述挡板布置包括设置在所述选择性催化还原组件上游的第一挡板和设置在所述选择性催化还原组件下游的第二挡板，其中，包含所述挡板布置、所述选择性催化还原组件和所述消声元件的所述壳体的所述中心部具有长条形横截面；

出口部；

第二截锥区，其从所述壳体的所述中心部向所述出口部收敛，所述出口部连接至所述第二截锥区。