旋流混合式尾气后处理箱及系统的制作方法

本发明涉及一种用于处理从发动机，特别是柴油发动机，排出的尾气的后处理系统。

背景技术

发动机尾气含有有害成分。为了减少尾气中有害成分的排放量，一方面，为了抑制有害成分的产生，发动机技术不断升级和改进，另一方面，选择适当的后处理技术以减少尾气中有害成分的量。

例如，可以使用选择性催化还原(scr)将柴油发动机尾气中的氮氧化物(nox)的量减少50％或更多。典型的scr模块将尿素的水溶液喷射到热尾气中。尿素的水溶液在尾气流中雾化并蒸发以产生可用作反应剂的nh3。nh3在催化剂的帮助下与氮氧化物和氧反应形成无害的二氧化碳、氮气和水。

根据现有技术，scr模块通常组装到发动机的尾气管。为了提高尿素溶液的蒸发速度，可以在尾气管中设置静态混合器。尿素溶液射流撞击静态混合器，因此尿素溶液液滴被分解成更小的大小，其可以更快速地蒸发。静态混合器还可以在尾气管中产生较小的尿素溶液液滴和尾气的混合物的湍流，这进一步导致尿素溶液的快速蒸发。为了使尿素溶液完全蒸发并与氮氧化物反应，scr模块必须安装在距尾气管的末端足够长的位置上。这需要大的安装空间。

近年来开发出长度减小的箱型scr模块。尿素的水溶液和尾气在箱型scr模块中沿着多次改变方向的路径混合。但是，仍然有空间同步优化箱型scr模块的大小和混合程度。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于发动机尾气的尾气后处理系统，其具有减小的大小和增加的混合程度。

为此，本发明一方面提供了一种用于处理发动机尾气的后处理箱，其包括：

壳体，其限定第一空腔、在第一空腔下方的第二空腔和在第二空腔旁边的第三空腔，第二空腔通过其中具有开口的分隔板与第一空腔分隔开，第三空腔与第二空腔分隔开但仍处于与第二空腔流体连通；

尾气入口构件和处理液入口构件，所述尾气入口构件和所述处理液入口构件安装到所述壳体，用于分别将尾气流和尾气处理液射流输入到所述第一空腔中；以及

管状处理辅助元件，其延伸穿过第二空腔并开通于第三空腔；

其中，所述尾气入口构件以允许在所述第一空腔中产生所述尾气流的旋流运动的定向布置；以及

其中，所述处理液入口构件以允许所述尾气处理液流入所述尾气流的旋流中并在其中混合的定向布置。

根据本发明的可能实施例，处理液入口构件在其通向第一空腔的开口处限定喷射方向，所述喷射方向具有垂直于尾气在处理液入口构件前方的流动方向的第一方向分量以及沿着尾气在处理液入口构件前方的流动方向的第二方向分量。

根据本发明的可能实施例，尾气在第一空腔中以多层的形式形成旋流，并且处理液入口构件位于面朝向旋流的上层、特别是顶层的高度处。

根据本发明的可能实施例，尾气入口构件和处理液入口构件设置为彼此相邻，分别具有基本上水平的中心轴线，并且分隔板也基本水平。

根据本发明的可能实施例，所述开口是圆形孔，并且所述尾气入口构件的中心轴线沿所述开口的径向偏离所述开口的中心。

根据本发明的可能实施例，尾气入口构件和处理液入口构件都设置邻近在壳体的顶壁。

根据本发明的可能实施方式，目标成分包括nox，尾气处理液是尿素的水溶液，并且处理辅助元件是其中设置有催化剂的选择性催化还原转换器。

根据本发明的可能实施例，通过附加分隔板将第三空腔与第二空腔分隔开，所述附加分隔板形成有穿孔，用于在第三空腔与第二空腔之间建立流体连通。

根据本发明的可能实施例，第三空腔设置在第一空腔和第二空腔这两者旁边并通过附加分隔板与第一空腔和第二空腔分隔开，所述附加分隔板具有第一部分和第二部分，所述第一部分将第三空腔与第一空腔以密封的方式分隔开，并且所述第二部分将第三空腔与第二空腔分隔开，所述第二部分形成有穿孔，用于在所述第三空腔与所述第二空腔之间建立流体连通。

根据本发明的可能实施例，分隔板垂直于并连接到附加分隔板，附加分隔板的第一和第二部分通过在分隔板与附加分隔板之间的连接部划分。

根据本发明的可能实施例，附加分隔板还形成有第一安装孔，处理辅助元件的一部分被支撑在所述第一安装孔中，并且壳体的壁部分形成有第二安装孔，处理辅助元件的另一部分被支撑在所述第二安装孔。

根据本发明的可能实施例，后处理箱还包括连接到处理辅助元件的另一部分的出口接头构件，和耦合到出口接头构件并且设置成相对于处理辅助构件的中心轴线倾斜的出口管。

根据本发明的可能实施例，后处理箱还包括安装到出口接头构件的目标成分传感器，用于感测在出口接头构件中目标成分的浓度。

根据本发明的可能实施例，后处理箱还包括用于感测在第一空腔中的输入尾气温度的温度传感器。

根据本发明的可能实施例，后处理箱还包括布置在第一空腔中的一个或多个导流器，用于引导尾气以形成旋流的流动。

本发明在另一方面中提供了一种尾气后处理系统，其包括上述的后处理箱和经由处理液入口构件组装到后处理箱的处理液喷射装置。

根据本发明的可能实施例，处理液喷射装置包括处理液计量模块。

根据本发明，用于尾气后处理系统的箱设计紧凑。同时，尾气处理液与尾气的混合程度通过旋流运动而增加。

附图说明

根据以下结合附图的详细描述，本发明的前述和其他方面将被更全面地理解和认识，其中：

图1是根据本发明的可能实施例的后处理箱的前剖视图；

图2是后处理箱的部分剖开的俯视图；

图3是后处理箱的右侧视图；

图4是后处理箱的垂直分隔板的前视图；

图5是示意性示出后处理箱的旋流混合空腔中的尾气流动的俯视图；

图6是示意性示出旋流混合空腔中的尾气处理液流动的俯视图；以及

图7是示意性示出后处理箱中尾气和尾气处理液的混合物的流动的垂直视图。

具体实施方式

本发明总体上涉及用于发动机尾气的尾气后处理系统，尾气后处理系统被配置为将尾气处理液喷射到尾气流中，使得尾气处理液与尾气混合并作用于尾气以减少在尾气中至少一个目标(可能是有害的)成分的量。

在本申请的上下文中，发动机可以是使用任何类型的燃料如柴油、汽油和天然气的内燃机。尾气中待减少的目标成分可以是能够通过尾气处理液起作用的任何成分。尾气处理液可以是，例如通过物理作用和/或化学反应，作用于待减少的目标成分的任何流体。尾气处理液可以是液体、气体或它们的混合物的形式，例如溶质在溶剂中的溶液。可以提供处理辅助元件以实现或增强尾气处理液在目标成分上的作用。处理辅助元件可以为尾气处理液和尾气的混合物提供物理和/或化学辅助功能。例如，处理辅助元件可以是催化剂、加热元件、辐射发射器等。

本发明的尾气后处理系统的实施例主要包括处理液喷射装置和后处理箱。处理液喷射装置将尾气处理液喷射到后处理箱中，使得尾气处理液与尾气混合。

在本发明的一个具体实施例中，尾气处理液包含可与尾气化学反应的反应剂。在这种情况下，处理液喷射装置可以是将反应剂以计量的方式喷射到后处理箱中的反应剂计量模块，使得反应剂与尾气混合并且然后在催化剂的帮助下在它们之间产生化学反应。

将参照各附图描述本发明的尾气后处理系统的更具体的实施例。在该实施例中，尾气后处理系统配置成用于减少从发动机，特别是柴油发动机，排出的尾气中的氮氧化物。然而，应该认识到，本发明的范围还涵盖了减少从其他类型的发动机排出的尾气中的其他目标成分的应用。

图1至图3显示了本发明的尾气后处理系统的后处理箱。后处理箱包括基本上为长方形的平行六面体壳体1，所述壳体由面板，诸如焊接在一起的金属板，形成；该面板限定由壁，即顶壁1a、底壁1b、右侧壁1c、左侧壁1d、前壁1e和后壁1f，包围的内部空间。壳体1限定在左右侧壁1c、1d之间的x方向中的长度、在前后壁1e、1f之间的y方向中的宽度，以及在上下壁1a、1b之间的z方向中的高度。所示的x和y轴是水平的，且z轴是垂直的。顶壁1a、底壁1b和右侧壁1c是大致平坦的，而左侧壁1d、前壁1e和后壁1f稍微向外凸出。优选地，前壁1e和后壁1f在x方向中沿其长度具有基本相同的曲率。

通过水平分隔板5和垂直分隔板6内部空间被分成旋流混合空腔(第一空腔)2、scr转换器空腔(第二空腔)3和选择性催化还原(scr)入口空腔(第三空腔)4。

分隔板6在y-z平面上延伸并且以密封的方式连接到顶壁1a和底壁1b以及前壁1e和后壁1f。分隔板5在x-y平面上延伸并且连接到前壁1e和后壁1f、右侧壁1c和分隔板6。

分隔板5基本上是长方形的，在其中心部分具有圆形的通孔7。可以在通孔7周围形成至少一个肋8以增加分隔板5的强度。肋8，优选地向上凸起，可以围绕通孔7形成连续的圆形，或者可以是一组离散的弧段的形式。为了避免在肋8和分隔板5的周缘之间的区域上发生沉积，可以穿过分隔板5在该区域中形成小孔。或者，分隔板5的角部与前壁1e和后壁1f、右侧壁1c和分隔板6之间存在小的间隙。

在所示实施例中，旋流混合空腔2、scr转换器空腔3和scr入口空腔4中的每一个在平视图中具有基本长方形的形状。但是，它们每个都可以具有其他形状，如圆形或椭圆形，并且它们可以由除了所示的那些之外的合适的壁来限定。

大致为管的形式的scr转换器9设置在scr转换器空腔3中并且延伸到scr入口空腔4中。

如图4所示，分隔板6具有通过沿着分隔板5连接到分隔板6的连接线划分的上部分和下部分。下部分形成有安装孔10和围绕安装孔10的许多穿孔11。穿孔11可以呈孔、缝、槽的形式或任何其他合适形式。上部在其中没有任何孔或穿孔，并且以基本密封的方式将旋流混合空腔2相对于scr入口空腔4分隔开。

右侧壁1c形成有与安装孔10对齐的类似安装孔。scr转换器9穿过两个安装孔插入并固定在此处，使得scr转换器9由右侧壁1c和分隔板6支撑，并且scr转换器9的中心轴线与x方向对齐。两个安装孔具有基本上等于scr转换器9的相应部分的外径的内径。scr转换器9在其安装孔处相对于右侧壁1c密封。为了增加它们的支撑强度，右侧壁1c和分隔板6可以分别在围绕安装孔的边缘处形成有凸缘。

在x方向上，scr转换器9延伸穿过整个scr转换器空腔3，并且在其内轴向端(入口端)处延伸到scr入口空腔4中至一定长度。scr转换器9的外轴向端(出口端)布置在右侧壁1c中或者暴露在右侧壁1c外部以较小的长度，并且出口接头构件12，其呈中空半球形式，附接到scr转换器9的外轴向端。出口管13连接到出口接头构件12的下部。出口管13具有与scr转换器9的中心轴线相交的中心轴线，但是在y和z方向上远离其倾斜地偏转，如图1和图3所示。在scr转换器9、出口接头构件12和出口管13之间建立流体连通。

用于scr反应的催化剂9a设置在scr转化器9中。催化剂9a开始于scr转化器9的内轴向端并在其中沿x方向延伸。优选地，催化剂9a没有到达scr转化器9的外轴向端。催化剂9a可以是多个管状段的形式。

如图2和图3所示，尾气入口构件14安装至前壁1e，与旋流混合空腔2流体连通，用于将尾气流引入到旋流混合空腔2中。尾气入口构件14的安装位置是在位于顶壁1a与右侧壁1c之间的前壁1e的角部区域中。

尾气入口构件14优选水平配置，具有大致沿y方向延伸的中心轴线，使得尾气流主要沿y方向流入旋流混合空腔2中。可选地，尾气入口构件14的中心轴线可以远离y方向稍微向上或向下倾斜。

尾气入口构件14的中心轴线从通孔7的中心轴线在x方向上偏离一段距离。

通过这样配置尾气入口构件14，当尾气经由其流入尾气口安装构件12时，尾气首先主要在y方向流动，之后被后壁1f、分隔板6以及前壁1e偏转以按顺序改变方向。因此，如图5和图7中的箭头所示，旋流混合空腔2中产生尾气旋流的流动。旋流基本上围绕穿过通孔7的中心点的垂直旋流轴o。如图7所示，尾气在旋流混合空腔2中以多层(多圈)的形式形成旋流。

处理液入口构件15安装到右侧壁1c，与旋流混合空腔2流体连通，用于将诸如adblue的尿素的水溶液(尾气处理液)射流喷射到旋流混合空腔2中。处理液入口构件15的安装位置在靠近尾气入口构件14，位于顶壁1a和前壁1e之间的右侧壁1c的角部区域中。处理液入口构件15的中心轴线，优选水平的，高于出口管13的中心轴线，使得在旋流混合空腔2中的处理液入口构件15的开口面向旋流流动的上方各层(各圈)，尤其是顶层(圈)。

另外，处理液入口构件15的中心轴线从x方向偏转，从而背离前壁1e倾斜，使得尿素溶液具有喷射方向，所述喷射方向具有垂直于尾气在处理液入口构件15前方的流动方向的方向分量以及沿着尾气的流动方向的方向分量。

可以理解，尾气入口构件14和处理液入口构件15可以布置在后处理箱的其他位置或其他壁上。

通过以这样的方式布置处理液入口构件15，尿素溶液沿着相对于其面向的尾气的流动方向倾斜的方向被喷射到出口接头构件12。在流动尾气的影响下，尿素溶液的液滴在基本上限定在处理液入口构件15与分隔壁6和后壁1f之间的区域中流动，如图6中的短线所示。一旦撞击分隔壁6和后壁1f，尿素溶液的一些液滴被划分成较小的液滴，这些液滴将被卷入到尾气的旋流流动中以在其中混合并蒸发。在旋流混合空腔2中的旋流运动有助于增加处理剂在尾气中的混合程度。另一部分液滴可能在分隔壁6和后壁1f上形成液膜，在由尾气所产生的高温下它将快速蒸发。通过蒸发尿素溶液产生nh3。

为了便于形成旋流运动，可以在旋流混合空腔2中布置导流器。

温度传感器可以设置在后处理箱的壁中，用于感测入口尾气的温度。该温度可以用于确定和调整尿素溶液的计量的量。

如图7所示，nh3和尾气的混合物在旋流混合空腔2中以多层的形式形成旋流，然后在旋流的底层，通过在分隔板5中的通孔7向下流入scr转换器空腔3，在向下流动中，几乎没有在液相中的尿素溶液的液滴。在scr转换器空腔3中，混合物围绕scr转换器9大致在x方向上朝分隔板6的下部流动。然后，混合物通过在分隔板6中的穿孔11并进入scr入口空腔4中，在所述scr入口空腔4中，混合物反转其方向并流入到scr转换器9中。

在从旋流混合空腔2到scr转化器9的混合物的流动路径中，混合物多次改变其方向。由于旋流运动和然后方向的改变，nh3与尾气混合的程度很高。在scr转化器9中，均匀混合物在x方向上流动，并且在催化剂9a的帮助下，在尾气和氧气中的nh3和氮氧化物之间产生选择性催化还原反应，以形成二氧化碳、氮气和水，这些将从出口管13从scr转换器9排出。

值得注意的是，在所示的实施例中，scr入口空腔4布置在旋流混合空腔2和scr转换器空腔3这两者的旁边。然而，在未示出的变型中，scr入口空腔4可以仅布置在scr转换器空腔3的旁边。在这种情况下，分隔板6仅分隔开scr入口空腔4和scr转换器空腔3并且因此仅由上述分隔板6的下部形成。scr入口空腔4上方的空间可用于设置其他元件，甚至是尾气入口构件14。在另一变型中，scr入口空腔4布置在整个旋流混合空腔2以及scr转换器空腔3的一部分的旁边。

尾气后处理系统还包括处理液供给模块(例如，计量模块)，该处理液供给模块可以经由处理液入口构件15集成到后处理箱，以计量的方式将尿素溶液供给到旋流混合空腔2中。

用于安装nox传感器的nox传感器凸台16安装到出口接头构件12。nox传感器凸台16优选位于远离出口管13的位置。nox传感器可以安装到nox传感器凸台16，并且其传感端延伸到出口接头构件12的内部空间中，用于检测在处理过的尾气中残余氮氧化物的浓度。在处理过的尾气中的残余氮氧化物浓度将被用作评估尾气后处理系统性能的指标，并且可以调节后处理箱的一些参数以优化性能。这些参数包括以下以及其他参数：

■尾气入口构件14的内径；

■旋流混合空腔2的形状和大小，尤其是旋流混合空腔2为长方形时的长度、宽度和高度；

■水平分隔板5中的通孔7的直径；

■处理液入口构件15相对于尾气入口构件14的定向和位置；

■处理液计量模块的类型(例如，使用各种类型的喷射器)；以及

■尾气入口构件14相对于通孔7的中心的偏心。

本领域技术人员可以设想后处理箱和尾气后处理系统的各种配置和应用。

在本发明的后处理箱中，通过在其中使用旋流混合空腔2，消除了用于混合和蒸发带有尾气流的尿素溶液的长尾气管(可能多余地长至1000mm)的需要。

此外，scr转换器空腔3直接设置在旋流混合空腔2的下方，并且scr入口空腔4设置在scr转换器空腔3的旁边或在旋流混合空腔2和scr转换器空腔3这两者的旁边，因此形成具有较小大小的紧凑的后处理箱。后处理箱可以容易地应用于配备有内燃机的不同种类的车辆或机器。

此外，尿素溶液在进入scr转化器9之前在尾气中完全蒸发并混合，因此在scr转化器9中可以有效地发生选择性催化还原反应。因此，scr转化器9和催化剂9a可以减小大小、重量和成本，而相同或更好的性能可以得到保证。后处理箱的大小，特别是旋流混合空腔2的大小，主要取决于尾气质量流率和期望的混合程度。后处理箱的大小可能与用于混合相当的尾气质量流所需的管的大小相比小得多的大小。

此外，反应剂计量模块可以集成到后处理箱中，因此不需要考虑计量模块在长尾气管上的安装位置。

此外，因为通过旋流混合空腔2在后处理箱内应用高级混合概念，所以即使在旋流混合空腔2中存在结晶，也不会堵塞尾气管。

此外，温度传感器可以布置在后处理箱上的最佳位置，以提供更精确的尾气的上游温度，这导致更精确的scr标定并引起更低的尿素消耗。

此外，旋流混合空腔2直接集成地形成在后处理箱中，因此消除了根据现有技术在尾气管中安装分隔开的静态混合器的操作。

尽管已经描述了某些实施例，但是这些实施例仅以示例的方式给出，并不旨在限制本发明的范围。所附权利要求及其等同物旨在覆盖落入本发明的范围和精神内的所有修改、替换和改变。