用于废气后处理装置的还原剂混合系统的制作方法

本公开涉及一种用于内燃机所采用的废气后处理(AT)装置的还原剂混合系统。

背景技术：

已经开发出诸如颗粒过滤器和其它装置的各种废气AT装置来有效地限制来自内燃机的废气排放物。现代稀燃式内燃机(诸如压缩点火式)中经常使用的一种废气后处理装置是选择性催化还原过滤器(SCRF)。

SCRF配置成在由另一种废气后处理装置(通常为柴油氧化催化器(DOC))产生的NO₂的辅助下将氮氧化物(NO_X)转换为双原子氮(N₂)和水(H₂O)。为了有效地去除NO_X，SCR转换过程另外要求废气流中存在有预定量的氨气(NH₃)。

当柴油发动机中采用惯用名称为“柴油废气流体”(DEF)的还原剂时，SCR转换过程可能另外需要受控量或计量的还原剂。这种还原剂可以是包括水和氨气的尿素的水溶液。

技术实现要素：

一种用于来自内燃机的废气流的后处理(AT)系统包括第一AT装置和第二AT装置，第二AT装置与第一AT装置流体连通并且定位在第一AT装置下游的废气流中。AT系统还包括排气通道，排气通道配置成将来自第一AT装置的废气流运送至第二AT装置。AT系统另外包括配置成将还原剂引入至排气通道中的喷射器。第二AT装置包括具有蜗壳的入口锥体，该蜗壳限定了用于使废气流进入第二AT装置中的螺旋形初级路径并且配置成产生废气流的旋涡运动且在废气流中产生紊流。

蜗壳可至少部分地由设置在入口锥体内的气流偏转器形成。

气流偏转器可配置成在入口锥体内延伸达60度至300度范围的跨距。

废气流偏转器可以限定至少一个孔隙，其配置成提供使废气流通过气流偏转器的次级路径以在废气流中产生另外的紊流。

AT系统可以另外包括混合器，混合器定位在喷射器下游的排气通道内并且配置成将还原剂与废气流混合。

喷射器可以定位成与混合器相距70mm至150mm。

排气通道可以包括L弯曲部，混合器可以定位在与排气通道内的废气流成直角的平面中，且喷射器可以定位在L弯曲部的上游，从而使得可沿着废气流并且以与混合器的平面成40度至90度的角度引入还原剂。

AT系统还可以包括控制器，控制器配置成调节喷射器以将还原剂引入至废气流中。

如所公开的，内燃机可以是压缩点火式发动机，还原剂可以是具有尿素的水溶液的柴油废气流体(DEF)，而第一AT装置可以是柴油氧化催化器(DOC)且第二AT装置可以是选择性催化还原过滤器(SCRF)。

还提供了第二AT的具体构造以及采用上述AT系统的车辆。

结合附图和所附权利要求书，通过以下对用于实行所述发明的实施例和最佳模式的详细描述，本公开的上述特征和优点以及其它特征和优点将易于变得显而易见。

附图说明

图1是具有连接至排气系统的内燃机的车辆的示意性平面图，其中，排气系统具有后处理(AT)系统，AT系统具有若干用于还原废气排放物的AT装置。

图2是连接至具有图1中所示的AT的排气系统的内燃机的示意图。

图3是图1中所示的AT系统的示意性局部透视剖视图，其示出了还原剂喷射器并且以虚线示出了设置在废气流偏转器上游的混合器，在一个AT装置的入口锥体内形成蜗壳。

图4是图1中所示的AT系统的示意性局部透视剖视图，其示出了设置在图3中所示的废气流偏转器上游的混合器。

图5是图2至图4中所示的AT系统的另一个示意形局部透视剖视图。

具体实施方式

参考附图，其中在全部几个视图中，相同的附图标记指代相同的部件，图1示意地描绘了机动车辆10。车辆10包括配置成经由从动车轮14推进车辆的内燃机12。虽然内燃机12可以是火花点火式，但是在整个后续公开中将具体参考压缩点火或柴油类型的发动机。如本领域技术人员所理解的，当特定量的环境气流16与从燃料箱20供给的计量的燃料18混合时，柴油发动机12中发生内部燃烧，并且将所得的空气-燃料混合物在发动机的汽缸(未示出)内进行压缩。

如图所示，发动机12包括排气歧管22和涡轮增压器24。涡轮增压器24是由废气流供给能量，具体是由在每一次燃烧事件之后发动机12的个别汽缸通过排气歧管22释放的废气流26供给能量。涡轮增压器24连接至排气系统28的排气通道28A，排气通道28A接收废气流26并且最终将该气流释放至环境中，通常是释放在车辆10的一侧或尾部。虽然发动机12是描绘为具有附接至发动机结构的排气歧管22，但是发动机也可以包括诸如通常形成在排气歧管中的排气通道(未示出)。在这种情况下，上述通道可以结合至诸如发动机的汽缸盖(未示出)的发动机结构中。另外，虽然示出了涡轮增压器24，但决不排除发动机12是在没有这种功率增强装置的情况下进行配置和操作。

车辆10还包括发动机废气后处理(AT)系统30。AT系统30包括若干废气后处理装置，若干废气后处理装置配置成从废气流26中系统性地去除发动机燃烧的主要含碳的颗粒副产物和排放成分。如图1和图2中所示，AT系统30作为排气系统28的一部分进行运转。AT系统30包括紧密联接至涡轮增压器24的第一AT装置32和定位在废气流下游并且紧密联接至第一AT装置的第二AT装置34。如本文所用，关于第一AT装置32和第二AT装置34的设置的术语“紧密联接”表示每个所涉及的装置彼此紧邻并且设置在车辆10的发动机舱11内而紧邻发动机12。第一AT装置32和第二AT装置34的这种设置缩短了用于将废气流26从第一AT装置32运送至第二AT装置34的排气通道28A的长度。因此，第一AT装置32和第二AT装置34与发动机12的这种紧密联接提供了紧凑的包装设置，其使得在发动机12冷启动之后在废气流26的后处理中激活AT系统30的时间降至最短。如图所示，第一AT装置32可以是柴油氧化催化器(DOC)，而第二AT装置34可以是选择性催化还原过滤器(SCRF)。

DOC的主要功能是一氧化碳(CO)和非甲烷碳氢化合物(NMHC)的还原。DOC在存在时另外配置成产生二氧化氮(NO₂)，二氧化氮可以由设置在DOC下游远处的且下文更详细描述的SCRF使用。DOC通常含有由贵金属(诸如铂和/或钯)构成的催化剂物质，贵金属在其中用于实现上文提及的目的。通常情况下，就NO₂的产生而言，DOC变成激活状态并且在升高的温度下达到工作效率。因此，如图1中所示，DOC可以紧密联接至涡轮增压器24以减小在气体到达DOC之前废气流26中的热能损耗。

AT系统30还可包括第三AT装置36，第三AT装置36可以是稀NO_X捕集器(LNT)、SCR、后氧化催化器(ROC)或前述装置的组合。虽然在AT系统30的单独实施例中且当第三AT装置36是LNT时，LNT可定位在DOC上游并且直接从发动机12接收废气流26。如图所示，LNT定位在SCRF下游。通常，LNT包括陶瓷蜂窝结构，其具有涂敷至基底的通道的催化的基面涂层(即，混合有活性贵金属)。LNT配置成将废气流26中由发动机12排出的氮氧化物或NO_X还原为燃烧事件之后空气中的氮气与氧气进行反应的副产物。在发动机12的操作期间，LNT通过捕集NO_X分子并且将其存储在内部来从废气流26中去除这些NO_X分子，从而如同分子海绵一样发挥作用。

在第一AT装置32是DOC且第二AT装置34是SCRF的实施例中，废气流26在通过DOC之后经由排气通道28A引导至SCRF。SCRF可以配置为过滤颗粒物质或烟尘的单向过滤器或者包括催化的基面涂层并且具有两个功能(过滤颗粒物质和还原NO_X)的双向过滤器。SCRF配置成在由DOC32产生的NO₂的辅助下将氮氧化物(NO_X)转换为双原子氮(N₂)和水(H₂O)。SCR催化剂可具有蜂窝、板或波纹几何形状。为了有效地去除NO_X，SCR转换过程另外要求废气流26中存在有预定量的氨气(NH₃)。

如图4中所示，第二AT装置34包括配置成催化废气流26的催化器主体38，即，过滤器或催化器块。催化器主体38可以具有上文关于第二AT装置34的SCRF实施例进行描述的蜂窝、板或波纹几何形状。第二AT装置34还包括配置成保持并且覆盖催化器主体38的壳体40。入口锥体42连接至壳体40并且配置成接收和收集未催化的废气流26并且将未催化的废气流引导至催化器主体38以进行过滤。入口锥体42包括蜗壳44。蜗壳44限定使废气流26进入催化器主体38中的螺旋形初级路径46A。蜗壳44配置成产生废气流26的旋涡运动且在废气流26中产生紊流。蜗壳44可至少部分地由设置在入口锥体42内的气流偏转器48形成。气流偏转器48和由此形成的蜗壳44可以以60度至300度范围的预定跨距或角度θ1在入口锥体42内延伸并限定螺旋形初级路径46A。

气流偏转器48可以限定一个或多个孔隙50，其配置成提供使废气流26通过气流偏转器的次级路径46B。穿过孔隙50的次级路径46B旨在在废气流26中产生另外的紊流并且由此将废气流更均匀地分布在第二AT装置34中的整个入口锥体42和催化器主体38的面上。入口锥体42连同建立蜗壳44的气流偏转器48一起可以由诸如不锈钢的耐热材料形成。气流偏转器48可设置在入口锥体42内，从而使得蜗壳44的横截面44A沿着废气流26的螺旋初级路径46A逐渐地朝向催化器主体38膨胀。在废气从入口锥体42进入壳体40之后，这种逐渐膨胀的蜗壳横截面44A能够提供废气流26对催化器主体38的更大的覆盖。第二AT装置34还包括出口锥体52，其连接至壳体40并且配置成收集和释放第二AT装置中的催化的废气流26以便沿着排气系统28进行进一步处理。入口锥体42的上述结构配置成促进废气流26的更加彻底的混合，以便更有效地使用催化器主体38。

如本领域技术人员所理解的，当柴油发动机中采用惯用名称为“柴油废气流体”(DEF)的还原剂54时，上文讨论的SCR转换过程通常需要受控量或计量的还原剂54。此还原剂54可以是包括水和氨气的尿素的水溶液。因此，AT系统30还包括定位在第一AT装置32与第二AT装置34之间的排气通道28A中的喷射器56。如图1和图3中所示，喷射器56配置成将诸如上述还原剂54从储罐57中引入至废气流26中。

如图3中另外所示，AT系统30可包括混合器58。混合器58可配置为旋涡型混合器(图3和图4中所示)

或者构造并且设置成通过撞击喷射器56下游的废气流26而分解还原剂54的液滴的任何其它类型的混合装置。混合器58可在平面P中定位在喷射器56下游的排气通道28A内并且配置成将还原剂54与废气流26混合。混合器58的平面P可以定位成垂直于排气通道28A内的废气流26。如图2至图5中可见，排气通道28A包括旨在便于第一AT装置32和第二AT装置34的紧凑型紧密联接包装的L弯曲部60。如图3中所示，喷射器56可定位在L弯曲部60的上游，从而沿着废气流26并且以与混合器58的平面P成角度θ2引入还原剂54。角度θ2可以在40度至90度的范围中。另外，如图3中所示，喷射器56可定位成与混合器58相距预定距离D(其在特定实施例中可在70mm至150mm的范围中)，以促进还原剂54对混合器表面的适当覆盖。总之，喷射器56和混合器58相对设置旨在促进还原剂54与废气流26的更有效的混合。

AT系统30还包括控制器62。控制器62可以是独立单元，或者是调节发动机12的操作的电子控制单元(ECU)的一部分。控制器62设置在车辆10上并且包括处理器和易于存取的非暂时性存储器。用于控制AT系统30的操作的指令编程或记录在控制器62的存储器中，且处理器配置成在车辆10的操作期间执行存储器中的指令。控制器62还可编程为调节喷射器56以在发动机12的操作期间将还原剂54引入至废气流26中。

总之，喷射器56、混合器58和蜗壳44的相对位置所允许的第一AT装置32和第二AT装置34的紧凑型紧密联接包装有助于AT系统30快速且有效的操作以及AT系统在发动机12的冷启动条件下的激活。另外，当第二AT装置34的所公开构造用于单向过滤器SCRF时，第二AT装置可促进颗粒物质或烟尘的更有效过滤。另一方面，在双向过滤器SCRF中，作为还包括喷射器56和混合器58的所述设置的AT系统30的一部分的第二AT装置34的构造另外可促进NO_X的更有效还原。

详述和附图或图式支持并且描述本发明，但是本发明的范围仅仅是由权利要求书限定。虽然已详细地描述了用于实行本发明的某些最佳模式和其它实施例，但是存在用于实践所附权利要求书中限定的本发明的各种替代设计和实施例。另外，附图中所示的实施例或本描述中提及的各个实施例的特性不一定被理解为彼此独立的实施例。而是，实施例的一个实例中所描述的每个特性可与来自其它实施例的一个或多个其它期望特性相组合，从而产生没有以文字描述或没有通过参考附图进行描述的其它实施例。因此，这些其它实施例落在所附权利要求书的范围框架内。