用于车辆的改进的后处理系统的制作方法

1.本发明涉及一种用于车辆的后处理系统，特别地一种用于车辆、特别地作业车辆的废气的改进的后处理系统。


背景技术：

2.柴油车辆、特别是轻便车辆和作业车辆需要在来自发动机的废气被排放于环境中之前对它们进行处理，以便减少比如氮氧化物或微粒的污染元素的水平。
3.为了实现这样的处理，已知使用被称为后处理系统(ats)的系统，所述系统包括一系列元件，比如柴油机氧化催化剂(doc)、尿素(亦即尿素溶液)注射模块、柴油机微粒过滤器(dpf)或选择性催化还原部(scr)；选择性催化还原部(scr)可以包括更多的中间元件，比如scrof(过滤器上的选择性催化还原部)和scr
‑
cuc(净化催化剂)。
4.这样的系统的示例在图1中示出；如所公开的，已知的ats 1'可以包括串联地流体地连接的入口2'、doc模块3'、尿素注射模块4'以及scr系统5'以及出口6'。在这样的系统中，至关重要的是，在从doc模块流出的废气流进入scr中之前在尿素(通过配量模块注射)与从doc模块流出的废气流之间提供正确的混合以便生成气体混合物，所述气体混合物使得能够正确地执行废气中所包含的氮氧化物的化学还原反应。
5.为了获得尿素和废气的上述混合，已知提供一种后处理系统，所述后处理系统具有较大的线性长度，如图1中所公开的，并且其中尿素注射模块包括倾斜的配量模块，所述倾斜的配量模块将尿素溶液注射于长的混合导管中。这样的导管较长，以提供足够大的容积以保证废气与尿素溶液的正确的混合。然而，这样的长导管增加车辆中的ats的负担。
6.为了解决上述问题，可以将处于较高的压力的尿素注射至废气流中；这容许使用更短的混合导管，然而高压尿素配量模块比“标准”配量模块(处于较低的压力)和相关的回路更昂贵并且需要更昂贵且易于破裂的特殊的尿素进给回路。
7.将尿素溶液正确地混合至废气中是至关重要的，否则尿素可能在ats的导管的内壁上结晶；该缺点是由于注射的尿素处于环境温度、亦即大约25℃而废气处于至少300℃的温度的事实而产生的。
8.鉴于上述情况，至关重要的是，避免混合模块中的温度的过度损失，因为首先，化学还原反应的效率降低，并且进一步，因为在高温下形成氨晶体的可能性减小。再次，长的线性混合导管的存在导致废气的温度显著地下降。
9.而且，如上所述的长混合导管增加ats的入口与出口之间的压降，然而必须使ats的压降最小以提高发动机效率。
10.因此，需要提供一种ats，所述ats容许尿素溶液与废气流正确地混合，所述ats为紧凑的，所述ats不增加制造成本并且所述ats不增加ats的入口与出口之间的标准压降。
11.本发明的目的是满足上述需求中的至少一个。


技术实现要素：

12.通过所附权利要求书中所要求保护的ats实现前述目的。
附图说明
13.为了更好地理解本发明，下面参考附图通过非限制性示例描述优选实施例，其中：
14.图1为本领域中已知的ats的立体示意图；
15.图2为包括根据本发明的ats的车辆的立体图，其中为了清楚起见将零件移除；
16.图3为根据本发明的ats的纵向剖视图；
17.图4a为图3的ats的一部分的立体剖视图；
18.图4b为图4a的立体图，其中示出在所述ats部分中流动的流体的路径；
19.图5a、5b、5c和5d为图3的ats的元件的不同的实施例的立体图；以及
20.图6a、6b和6c为图3的ats的另一个元件的不同的实施例的立体图。
具体实施方式
21.仅仅出于示例的目的，本说明书涉及包括根据本发明的ats的农用车辆。然而，显而易见的，这样的示例为非限制性的并且根据本发明的ats可以应用于其它类型的车辆。
22.图2公开一种已知类型的农用车辆1，例如轮式拖拉机，所述农用车辆1在容纳于驾驶室3的前部分2中的马达(未示出)的正上方包括根据本发明的ats模块5。众所周知，ats流体地连接至车辆1的发动机的出口以及出口管6。
23.如在图3中更详细地示出的，ats 5包括可流体地连接至车辆的发动机的输出端的入口7以及可流体地连接至车辆的出口管6的出口8，以及流体地插入于入口7与出口8之间的ats 9，所述ats 9可以包括从入口7至出口8串联地流体地连接的doc 11、尿素混合器12、包括scrof 14和scr
‑
cuc 15的催化剂模块13。
24.特别地，入口7可以被实现为入口管道7d，所述入口管道7d联接至doc 11以便与doc 11流体地连接。作为示例，管道7d包括流体地连接至发动机输出端的第一开口7a以及流体地连接至doc 11的入口11a的第二开口7b。在所描述的示例中，设置有第二开口7b的部分安装于doc 11的入口11a内部。ats 9可以进一步包括由入口7或doc 11承载的第一穿孔板18，所述第一穿孔板18因此流体地插入至废气流f中。
25.从入口7至doc 11的这样的流f可以被以任何方向插入于ats 9中，亦即可以在入口7与doc 11之间设置任何角度；在所描述的示例中，入口7大致上垂直于doc 11。废气流f通过第一穿孔板18进入doc 11中，然后流动至混合器12中，如在下面进一步详细描述的。
26.特别地，doc 11的出口11b流体地连接至包围混合器12的配件20的入口20a。特别地，配件20在外部安装至doc 11中。应当注意的是，混合器12相对于流f垂直，所述流f因此在进入催化剂模块13中之前相对于doc 11中所具有的方向偏离。
27.一旦从混合器12出来，流f就穿过scrof 14，然后穿过被构造成将scrof 14和scr
‑
cuc 15流体地连接的配件21。配件21具有的形状被构造成使流f的方向相对于scrof 14反转而进入scr
‑
cuc 15中，亦即进行大约180
°
的转弯。这样，scr
‑
cuc 15相对于scrof14边对边平行放置。
28.配件21可以被实现为具有入口21a和出口21b的“杯形”管；入口21a和出口21b的尺
寸被设置成分别与scrof 14的出口14b和scr
‑
cuc 15的入口15a联接。特别地，scr子系统的出口14b和入口15a可以在外部或内部安装至配件21的入口21a和出口21b。
29.出口8可以被实现为出口管道8d，所述出口管道8d联接至scr
‑
cuc 15以便将该scr
‑
cuc 15流体地连接至出口管6。在所描述的示例中，管道8d经由如下所述的凸缘连接联接至scr
‑
cuc 15的支撑壁并且包括流体地连接至输出管6的开口8a。
30.如图3中清楚地示出的，流f在ats 9中限定大致正方形的路径，其中入口7和出口8处于这样的路径的同一顶点处。
31.可以以模块化方式改变模块5的所限定的布局，以便用于具有不同的排量的马达。更大的排量意味着废气的更大的排放以及对doc 11和催化剂模块13中的化学还原反应的成比例的要求。可以通过增加这样的元件的直径或长度实现对doc 11和催化剂模块13的性能的这样的增加的需求。
32.如果直径恒定，则管道7d、8d以及配件20、21被构造成也在长度不同的doc 11和催化剂模块13的情况下被使用；以这种方式，可以以模块化方式修改ats模块5以适应不同的排量的发动机。实际上，可以将相同的结构和元件(需要很少的修改，亦即简单地取代doc 11和催化剂模块13)用于多种发动机。
33.ats模块5进一步包括多个传感器25，所述多个传感器25被构造成检测在ats 9中流动的流f的多种化学和热力学性质。作为示例，可以设置氮氧化物传感器或压力或温度传感器并且将其连接至车辆1的例如ecu的电子单元(未示出)，以控制ats元件的操作。
34.ats模块6可以进一步包括凸缘27，所述凸缘27被构造成支撑doc 11和催化剂模块13模块，并且将它们联接至相邻的配件21和管道8d、60。
35.特别地，凸缘27可以将混合管道60(在下面详细地描述)与scrof 14的入口14a连接在一起并且将管道8d的入口8b与scr
‑
cuc 15的出口15b连接在一起，所述混合管道60连接至配件20和注射模块12的周围的部件。而且，凸缘27被构造成将催化剂模块13子系统的支撑壁连接在一起，以便增加ats 9的刚性。
36.ats模块5有利地包括壳体29，所述壳体29包括限定内部容积29v的多个壁，ats 9可以整体容纳于所述内部容积29v中。壳体29显然设置有两个开口：用于入口7的29a以及用于ats 9的出口8的29b。ats模块9还可以在壳体29的壁与ats 9之间设置隔热元件(未示出)，以便减少从ats 9至环境的热散射。这样的隔热元件可以包括填充壳体29的壁与ats 9之间的空间的隔热棉或任何其它类型的已知的热障。
37.参考图4a、4b，将在下文中更详细地描述混合器12。
38.混合器12包括用于将尿素溶液注射至ats 5中的配量模块30、优选地5巴的配量模块。配量模块30可以由配件21和/或壳体29承载，并且它可以在doc 11的出口11b处相对于流f的方向正交地定位于轴线a上。
39.混合器12进一步主要地包括优选地相对于配量模块30同轴的内部元件31，以及相对于内部元件31放置于外部的外部元件32。内部元件31和外部元件32可以由配件21的相应的部分承载并且具有小于200mm、优选地160mm的长度以及小于100mm的直径，优选地元件32的直径为大约98mm并且元件31的直径为70mm。
40.特别地，内部元件31和外部元件32为环形轴对称元件；优选地，它们为大致圆柱形元件，并且彼此沿径向方向部分地插入，以使得内部元件31的一部分不被外部元件32覆盖
并且外部元件32的一部分不围绕内部元件31的一部分。
41.内部元件31包括延伸达它的长度的至少三分之二的圆柱形部分34以及连接至圆柱形部分34并且优选地具有截头锥形形状的终端部分35。终端部分35和圆柱形部分34优选地为整体的或分体的，从而界定内部容积38，并且可以用金属实现。终端部分35由配件21例如通过螺钉承载。
42.终端部分35包括：开口35a，所述开口35a在部分35的上表面上实现并且被构造成容许通过配量模块30部分地容纳于配量模块30上；以及设置于终端部分35的侧部分上的至少一个开口35b，所述至少一个开口35b被构造成容许废气的一部分f1相对于内部元件31在内部通过而废气的互补的部分f2在内部元件31与外部元件32之间流动，如下面详细地描述的。
43.所述至少一个开口35b的尺寸被设置成使得流f1优选地为总流动f的35
‑
45％、特别地40％，并且因此流f2为总流f的65
‑
55％、特别地60％。
44.有利地，终端部分35包括多个开口35b，所述多个开口35b围绕轴线a圆周地均等地相间隔并且具有优选的大致矩形形状、更优选地正方形形状。更详细地，每个开口35b的边缘包括突起37，所述突起37延伸至由内部元件31所限定的内部容积38中并且被构造成使来自doc 11的空气流f1生成旋流。优选地，突起37为板元件37a，所述板元件37a从相应的开口35b的侧边缘延伸并且具有特别地介于35
°
与45
°
之间、优选地40
°
的特殊的倾斜度。优选地，突起37排列以便生成顺时针方向的旋流。
45.有利地，板元件37a具有开口35b的相同的形状，并且可以通过切割这样的形状的三个边缘并且使板元件37a围绕扩孔边缘在容积38内部弯曲而获得。
46.圆柱形部分34包括多个热交换器41，所述多个热交换器41从外部侧表面朝向外部元件32延伸至限定于内部元件31与外部元件32之间的侧容积40中，并且被构造成将热量从在流f2中流动的气体朝向内部元件31的内部容积38传递。优选地，热交换器41包括至少一个翅片42，所述至少一个翅片42可以被以各种形状实现。
47.根据图4a的优选实施例，热交换器41包括多个翅片42，所述多个翅片42被实现为线性壁，所述线性壁围绕轴线a圆周地均等地相间隔并且沿着圆柱形元件34的整个长度延伸。翅片42从元件34的侧表面垂直地延伸，以便优选地接触外部元件32，从而以这种方式限定多个通道43，流f2在所述通道43中分开。
48.根据图5a中所公开的第一替代实施例，热交换器41包括单个翅片42，所述单个翅片42沿着圆柱形元件34的整个长度以螺旋方式延伸。翅片42从元件34的侧表面垂直地延伸以便接触外部元件32，从而以这种方式限定围绕轴线a进行多次旋转的单个通道43。
49.根据图5b中所公开的第二替代实施例，热交换器41包括多个翅片42，所述多个翅片42被实现为线性壁，所述线性壁围绕轴线a圆周地均等地相间隔并且沿着圆柱形元件34的整个长度延伸。翅片42从元件34的侧表面垂直地延伸以便接触外部元件32，从而以这种方式限定多个通道43，流f2在所述多个通道43中分开。翅片42的、与靠近于内部元件31的终端部分35的终端部分相对的终端部分42a被弯曲以便使通道43弯曲，以便生成旋流，所述旋流优选地与容积38内部所生成的旋流相反。
50.根据图5c中所公开的第三替代实施例，热交换器41包括多个翅片42，所述多个翅片42被实现为线性壁，所述线性壁围绕轴线a圆周地均等地相间隔并且沿着圆柱形元件34
的整个长度延伸。翅片42从元件34的侧表面垂直地延伸以便接触外部元件32，从而以这种方式限定多个通道43，流f2在所述多个通道43中分开。翅片42沿着圆柱形部分34的整个长度螺旋地弯曲，以便提供多个旋流通道43，流f2在所述多个旋流通道43中分开，所述旋流通道43被构造成生成旋流，所述旋流优选地与容积38内部所生成的旋流相反。
51.根据图5d中所公开的第四替代实施例，热交换器41包括多个翅片42，所述多个翅片42被实现为线性壁，所述线性壁围绕轴线a轴向地均等地相间隔并且沿着圆柱形部分34的侧表面的整个圆周延伸。翅片42从元件34的侧表面垂直地延伸以便接触外部元件32，从而以这种方式限定多个室44，流f2必须通过所述多个室44。翅片42的壁进一步包括多个开口45，所述多个开口45被构造成容许流f2通过每个壁。
52.外部元件32包括：圆柱形部分47，所述圆柱形部分47围绕内部元件31的圆柱形部分34的一部分并且与如上所述的热交换器41配合；以及终端部分48，所述终端部分48在外部元件32没有围绕内部元件31的圆柱形部分34的区域中相对于内部元件31的终端部分35相对地放置。终端部分48和圆柱形部分47优选地为整体的并且由金属实现。圆柱形部分47由配件21例如通过配合承载。
53.终端部分48优选地为圆柱形的并且可以为圆柱形部分47的延续，并且包括终端板49，所述终端板49垂直于终端部分48的侧壁并且优选地例如通过螺钉固定至终端部分48的侧壁。终端部分48进一步包括至少一个开口51，如在下文中详细地描述的，所述至少一个开口51被构造成容许来自内部容积38的流f1以及通过热交换器41的流f2在混合室50中流动。
54.根据图4a、4b的优选实施例，终端部分48包括多个开口51，所述多个开口51优选地具有矩形形状并且各自围绕轴线a圆周地均等地相间隔。终端板49为朝向流f1、f2为凸形的盘，这样的凸形形状有助于流f1、f2通过开口51流出。
55.根据如图6a中所公开的第一替代实施例，不存在终端板49和开口51，并且因此外部元件32为从底部末端(bot extremities)敞开的环形圆柱体。然而，外部元件32包括多个混合叶片56，所述多个混合叶片56由终端部分48的末端承载并且被构造成在流f1、f2被排放于混合室50中之前赋予流f1、f2旋流运动。
56.根据如图6b中所公开的第二替代实施例，终端板49与图4a、4b的实施例大致上相同，而开口51的数量更大，例如，被分组为三个矩形开口51的组51a，每一组51a围绕轴线a圆周地均等地相间隔。进一步，每个开口51可以进一步包括挡板55，所述挡板55可以大致上为从开口51的边缘中的一个朝向混合室50延伸的壁。
57.根据如图6c中所公开的第三替代实施例，开口51与图4a、4b的实施例大致上相同，而终端板49包括突起53，所述突起53在内部元件31的内部容积38内部延伸并且具有凹形外表面，所述凹形外表面被构造成帮助流f1、f2通过开口51流出。
58.混合室50由管道60、优选地漏斗形管道60限定，所述管道60将混合器12与催化剂模块13、特别地与scrof 14流体地连接。管道60因此包括与scrof 14的支撑壁的入口14a安装在一起的出口60b，以及与配件21和混合器12机械地联接的入口60a。管道60在混合器12与scrof 14之间限定具有小于2升的容积的混合室50。
59.ats模块5进一步包括优选地由管道50承载的第二过滤器61，所述第二过滤器61流体地插入于混合器12与scrof 14之间并且被构造成在进入scrof 14之前使流f均匀。
60.根据本发明所述的ats模块5的操作如下。
61.废气流f从入口7进入并且流动通过第一过滤器18和doc 11。在doc 11中，众所周知，第一化学反应将颗粒还原为水和二氧化碳。
62.一旦通过doc 11，流f就进入混合器12中，从而分为第一流f1和第二流f2，第一流f1通过开口35b，第二流f2在侧容积40中通过热交换器41。
63.流f2通过与翅片42相互作用而将热量提供至内部容积38，而进入开口35b中的流f1获得旋流运动并且接收来自配量模块30的尿素溶液的注射u。必须注意的是，尿素的注射大致上与轴线a同轴，所述轴线a因此为围绕其生成流f1的旋流的轴线。这样，尿素被混合于内部容积38的由内部元件31的圆柱形部分34所限定的部分中，所述部分被流f2加热，从而避免氨晶体的形成。特别地，即使被注射至内部室38中的尿素溶液处于例如25℃的环境温度下，也可以将内部室38的温度维持于与废气大约相同的温度下。
64.一旦流动通过元件31的整个长度，流f1就会遇到终端板49，所述终端板49迫使流f1从开口51离开进入混合室50中。必须注意的是，由于流f1再次与来自侧容积40的流f2混合，所以实现进一步的混合。
65.尿素和废气的混合物从混合室50流动通过第二过滤器61并且进入催化剂模块13中。在这里，这样的混合物开始化学还原反应，所述化学还原反应将氮氧化物转化为氮和水。
66.一旦从催化剂模块13离开，净化的气体就通过出口8朝向出口管6流动。
67.所描述的替代实施例的操作等同于上述实施例，并且因此为了简洁起见将不再对它们进行描述。
68.特别地，仅仅必须注意的是，根据图5a
‑
5d的实施例中所描述的热交换器41的不同的形状改进对内部容积38的加热效率，并且可以根据连接有scr模块5的马达的类型来使用。
69.根据图6c的实施例，终端板49上的突起53的存在改进流f1从开口51的离开；设置有相应的挡板55的多个开口51的存在有助于流f1与流f2的混合；由于由终端部分48的末端所承载的混合叶片56，可以类似地获得这样的效果。
70.鉴于前述内容，根据本发明的ats的优点为显而易见的。
71.由于进入ats 9中的气体的流动路径大致上为正方形，所以减小ats模块5的尺寸，并且因此减少车辆中的ats模块5的负担。
72.由于配件与相关的ats子系统之间的机械联接为可逆的，所以ats模块5为模块化的，因为每个ats子系统都可以由于修理或改进问题而被取代，而无需实质上修改ats模块5的整体结构。
73.包围整个ats 9的外部壳体29的存在容许避免比如脏元素或水的外部元素干扰ats 9的管道。而且，传感器25可以容纳于由壳体29所限定的容积29v内部，从而提高它们的性能和持续时间。进一步，可以在ats 9与壳体29之间放置隔热材料，从而同时避免来自ats 9的热量的损失，这提高化学反应的效率，并且避免壳体29的过度过热，这对于正在在驾驶室3的前部分2内部检查的驾驶员而言可能是危险的。
74.一种ats，其包括尿素混合器12，所述尿素混合器12划分两个流f1、f2：在其中生成初始混合的一个流f1以及用于加热第一流f1的第二流f2，从而增加流f1的温度，由此降低形成氨晶体的可能性，从而使废气与尿素溶液能够在小长度的容积中最佳地混合。以这种
方式，不需要长的线性混合导管。
75.而且，流f2必须通过的热交换器41的存在增加流f2与f1之间的热交换。
76.进一步，开口35连同板37和/或弯曲的翅片42或混合叶片56或挡板55的存在产生湍流和/或旋流运动，其提高尿素在流f1中的混合，然后与流f2汇合。这样的混合容许在与废气的混合物中获得尿素和温度的均匀的分布。这种均匀的温度和混合物提高scr中的化学反应的效率。
77.终端板49的存在避免流f1对过滤器板61或催化剂模块13的直接冲击；以这种方式，在混合室50中获得进一步的混合，并且因此混合物在过滤器板61和催化剂模块13中的通过如上所述具有尿素的均匀的分布，这也意味着过滤器板61和催化剂模块13的试剂的化学反应的均匀的分布，因此它们的化学性质沿径向方向均匀地衰减。
78.终端板49的凸形表面或延伸至容积38中的突起53的存在进一步迫使流f1与流f2混合。
79.配量模块为5巴的配量模块的事实容许使用经济的配量模块；这样的配量模块垂直于流的事实降低在混合器的壁上形成氨晶体的可能性并且容许获得具有随之而产生的优点的上述正方形路径。
80.而且，即使在混合器内部存在湍流，使用不长的混合器也将ats9的入口7与出口8之间的压降维持为可接受的值。
81.最后，机械金属板元件的使用容许这样的元件的容易的制造，并且这些元件之间的机械可逆联接容许ats 9的快速组装。
82.显而易见的，可以对所描述的ats进行修改，所述修改不超出权利要求所限定的保护范围。
83.例如，各种元件(例如，内部和外部元件31、32，开口35b、51)的形状可以变化，可以存在或不存在其它元件(过滤器18、61，或挡板55，混合叶片56或翅片42，突起53)。
84.导管21、20、7d、8d可以以任何其它已知的方式连接至相应的元件。
85.最后，显而易见的，在不脱离所附权利要求中所限定的范围的情况下，可以将所描述的实施例组合在一起以提供在本申请中未明确地描述的实施例。