大功率柴油机排气净化消声集成装置

技术领域

本发明涉及大功率柴油机技术领域，特别是例如船用柴油机、铁路机车用柴油机的排气净化与噪声控制技术领域。

背景技术

柴油机是被广泛应用的动力设备，在人们对环境保护日益重视的今天，柴油机对环境的不利影响也受到更多的关注。氮氧化物(NOx)是柴油机排放废气中的主要污染物之一，包括NO、NO

在排气系统中安装后处理装置是柴油机NOx排放控制的有效措施之一，例如广泛采用的选择性催化还原(SCR)技术。SCR装置安装于柴油机的排气系统中，柴油机工作时在SCR装置的上游，喷入尿素溶液。由于废气的温度较高，尿素溶液雾化蒸发后分解为NH

柴油机工作时产生的噪声也是一种环境污染源，其中，在柴油机排气过程中，由于压力的变化以及振动导致大量噪声的产生。例如船用柴油机、铁路机车用柴油机的大功率柴油机在工作状态下产生的噪声尤为严重。柴油机的运行功率范围和转速范围广，排气噪声通常以中低频(低频噪声<500Hz、中频噪声500Hz～2000Hz)为主。对于大功率柴油机，为提高其动力性能和经济性能，普遍安装有废气涡轮增压器，涡轮增压器的高速运转会产生很强的气动噪声，因此高频噪声(>2000Hz)成分也很强。

为了解决上述污染物和噪声对环境的不利影响，已有技术在柴油机排放系统中分别加入了SCR装置和减噪装置。这种已有技术方案由于分别设置了SCR装置和减噪装置，导致系统的体积庞大，对于实际应用会产生很大的运营成本。为此，人们尝试将上述两种装置集成在一起形成消声净化装置以降低体积。但目前的消声净化装置存在的一个主要问题是：消声净化装置只能对特定频率的噪声进行消除，而柴油机不同工作状态的排气会伴随有不同频率的噪声产生，因此，现有的消声净化装置由于适应性低，使得其消声效果并不符合实际应用的需求。

发明内容

为了解决现有柴油机排气的消声净化装置存在的不符合实际应用需求的问题，本发明提供了一种大功率柴油机排气净化消声集成装置。

本发明的技术方案如下：

大功率柴油机排气净化消声集成装置，包括密闭的装置腔体；在所述装置腔体内设置有催化剂模块；所述催化剂模块与所述装置腔体的内壁紧密连接，并将所述装置腔体分隔成催化剂前仓和催化剂后仓；还包括尾气进入管；所述尾气进入管伸入所述催化剂前仓；在所述催化剂前仓中设置第一隔离结构，所述第一隔离结构将所述催化剂前仓分隔成第一仓室和第二仓室；所述尾气进入管设置在所述第一仓室中，所述尾气进入管的端部设置在所述第一隔离结构上，所述尾气进入管内部通过所述尾气进入管的所述端部与所述第二仓室连通；在所述尾气进入管的管壁上设置有第一通孔；在所述第一仓室中设置有活动式隔离结构；所述活动式隔离结构可以沿接近-远离所述尾气进入管方向移动。

可选地，所述尾气进入管邻近所述第一隔离结构部分为尾气进入管尾段；所述尾气进入管尾段垂直于所述尾气进入管的轴线的横截面的径向尺寸沿尾气流动方向逐渐增加。

可选地，在所述尾气进入管中设置有尿素喷嘴。

可选地，在所述装置腔体上设置有驱动所述活动式隔离结构进行所述移动的第一驱动机构。

可选地，在所述第一隔离结构朝向所述催化剂模块方向的一侧设置有第一球冠壳体；所述第一球冠壳体朝向所述催化剂模块方向凸起，且遮盖所述尾气进入管的所述端部；在所述第一球冠壳体上设置有贯通所述第一球冠壳体的第一气孔。

可选地，在所述第一隔离结构朝向所述催化剂模块方向的一侧设置有容纳所述第一球冠壳体的第二球冠壳体；所述第一球冠壳体与所述第二球冠壳体之间设置有通气间隙；在所述第二球冠壳体上设置有贯通所述第二球冠壳体的第二气孔；所述第一气孔与所述第二气孔至少部分交错设置。

可选地，在所述催化剂模块与所述第一隔离结构之间固定设置有第二隔离结构；在所述第二隔离结构上设置有筒形直管；所述筒形直管贯穿所述第二隔离结构，所述筒形直管的轴线沿所述第一隔离结构和所述催化剂模块连线的方向设置；所述筒形直管朝向所述第一隔离结构的端部为敞口端部，朝向所述催化剂模块的端部为闭合端部；所述筒形直管在所述第二隔离结构和所述催化剂模块之间的部分的侧壁上设置有第二通孔。

可选地，所述筒形直管的数量大于1，且所述筒形直管的轴线平行。

可选地，所述第二通孔的数量大于1；所述第二通孔的直径范围为8-15毫米；所述第二通孔的穿孔率大于45％。

可选地，所述筒形直管在所述第一隔离结构与所述第二隔离结构之间的部分的外壁上设置有可沿所述筒形直管的轴线方向滑动的滑动隔离结构；所述滑动隔离结构与所述筒形直管之间为滑动配合；所述滑动隔离结构与所述装置腔体的内壁之间为滑动配合。

可选地，设置有驱动所述滑动隔离结构进行所述滑动的第二驱动机构。

可选地，在所述筒形直管的所述闭合端部与所述催化剂模块之间设置穿孔板；所述穿孔板上设置有第三通孔；所述穿孔板将所述筒形直管的所述闭合端部与所述催化剂模块分隔。

可选地，所述第三通孔的数量大于1；所述第三通孔的直径范围为8-15毫米；所述第三通孔的穿孔率大于50％。

可选地，在所述催化剂后仓中设置有排气尾管；所述排气尾管设置有供气体进出的排气尾管第一端和排气尾管第二端；所述排气尾管第一端覆盖并连通所述催化剂模块上的气体出口，所述排气尾管的排气尾管第二端与所述装置腔体外部连通；所述排气尾管的径向尺寸自所述排气尾管第一端至所述排气尾管第二端逐步减小。

可选地，在所述排气尾管的侧壁上设置有第四通孔。

可选地，所述第四通孔的数量大于1；所述第四通孔的直径范围为8-15毫米；所述第四通孔的穿孔率大于50％。

可选地，在所述排气尾管与所述装置腔体之间设置有吸声材料。

本发明的技术效果如下：

本发明的大功率柴油机排气净化消声集成装置，在管壁上设置有第一通孔的尾气进入管与第一仓室形成了共振腔，在该共振腔中设置了活动式隔离结构。随着活动式隔离结构接近或远离尾气进入管，使得共振腔的容积得以改变。根据亥姆霍兹吸声原理，共振腔容积降低，工作频率升高，意味着可以消除较高频率的噪声；反之，共振腔容积增加，则可以消除较低频率的噪声。因此，本发明的技术方案可以随着柴油机工作状态的改变，通过调整共振腔的容积而相应地消除当前频率的噪声，实现了本发明的目的。

上述可选方式所具有的进一步效果，将在下文中结合具体实施方式加以说明。

附图说明

图1为本发明一个实施例的立体剖视图。

图2为图1所示实施例的第一仓室部分结构的立体图。

图3为图1所示实施例的第一球冠壳体的立体图。

图4为图1所示实施例的第一球冠壳体与第二球冠壳体装配后的立体图。

图5为图1所示实施例的筒形直管及相关部件的立体图。

图6为图1所示实施例的排气尾管的立体图。

图7为筒形直管消声原理图。

图中标识说明如下：

101、尾气进入管；102、尿素喷嘴；103、第一隔离板；104、第二隔离板；105、穿孔板；106、第三通孔；107、催化剂模块；108、催化剂后仓；109、排气尾管；110、延长管；111、装置腔体；112、第二仓室；113、第一仓室；

201、装置腔体壁；202、导杆；203、步进电机；204、活动式隔离板；205、第二球冠壳体；2051、第二球冠壳体壁；2052、第二气孔；206、第一通孔；207、尾气进入管尾段；

301、第一气孔；302、第一球冠壳体壁；

501、敞口端部；502、筒形直管；503、滑动隔离板；504、导杆；505、步进电机；506、第二通孔；507、闭合端部；

601、排气尾管第一端；602、第四通孔；603、排气尾管第二端。

具体实施方式

以下结合附图所示的实施例，对本发明的技术方案进行详细说明。

图1显示了本发明大功率柴油机排气净化消声集成装置的实施例的主体结构。大功率柴油机排气净化消声集成装置包括装置腔体111。装置腔体111是长方体形状的腔体，柴油机排出的气体沿装置腔体111的长轴方向进入并排出，即柴油机排出的气体的流动方向是沿图1自左向右方向流动。装置腔体111垂直于所述长轴的横截面为矩形。装置腔体111为密闭的腔体，除了尾气进入管101和延长管110外，即除了气体的进入口与排出口外，装置腔体111的内部与外部是隔离的。

从图1中可见，在装置腔体111内设置有催化剂模块107。催化剂模块107是由蜂窝状的催化剂载体组成的长方体，该长方体的四个面分别与装置腔体111的四个内壁紧密连接，从而使得催化剂模块107将装置腔体111的内部空间分隔成催化剂前仓(图1中催化剂模块107)和催化剂后仓108。在本发明中述及“分隔”或“隔离”，如无特别说明，是指分隔结构或隔离结构将一个空间分隔成两个空间，这两个空间，除了两者之间设置的连通通道外，在其他部分处于非导通状态。

尾气进入管101沿装置腔体111的长轴方向的左侧伸入到所述催化剂前仓。尾气进入管101的左端与柴油机连通，尾气进入管101供柴油机工作产生的废气排出。在尾气进入管101中设置有尿素喷嘴102。

在所述催化剂前仓中设置有第一隔离板103，第一隔离板103将所述催化剂前仓分隔成第一仓室113和第二仓室112。即图1中第一隔离板103左侧至装置腔体111左端内壁之间的空间为第一仓室113；第一隔离板103右侧至催化剂模块107之间的空间为第二仓室112。

在第二仓室112中设置有第二隔离板104，第二隔离板104作为隔离结构将第二仓室112进一步分隔成两个空间，即第二隔离板104至第一隔离板103之间的空间，以及第二隔离板104至催化剂模块107之间的空间。在第二隔离板104至催化剂模块107之间的空间内还进一步设置有穿孔板105。穿孔板105将第二隔离板104至催化剂模块107之间的空间分隔成两部分，即穿孔板105至第二隔离板104之间的空间部分，以及穿孔板105至催化剂模块107之间的空间部分。穿孔板105上均匀分布设置有若干第三通孔106，第三通孔106的直径范围为8-15毫米，第三通孔的穿孔率大于50％(穿孔率即孔的总面积与穿孔板105的总面积的比值)。在本实施例中，板状的穿孔板105与催化剂模块107的左端面平行，且两者相距5厘米。

在催化剂后仓108中设置有排气尾管109。参考图6，排气尾管109的排气尾管第一端601覆盖并连通催化剂模块107的气体出口，排气尾管109的排气尾管第二端603通过延长管110与装置腔体111的外部连通。在排气尾管109与装置腔体111的内壁之间设置有吸声材料。吸声材料可以选用纤维状吸声材料、颗粒状吸声材料或泡沫状吸声材料。

本实施例各组成部分的具体结构，以下将结合其他附图进行详细说明。

图2显示了图1中第一仓室113相关部分的具体结构。如图2所示，装置腔体壁201和第一隔板103构成了第一仓室113。尾气进气管101设置在第一仓室113中，具体的是尾气进气管101的一部分——尾气进入管尾段207。尾气进入管尾段207属于图1中尾气进入管101尾段的部分。尾气进入管尾段207呈现扩张形的圆台形状，即尾气进入管尾段207垂直于尾气进入管101的轴线的横截面的径向尺寸沿尾气流动方向(图1中自左向右方向)逐渐增加。尾气进入管101的端部即尾气进入管尾段207的端部设置在第一隔离板101上。尾气进入管尾段207的端部是敞口端部，尾气进入管101内部通过该端部与第二仓室112连通。

在尾气进入管尾段207的管壁上设置有若干第一通孔206。在第一仓室113中设置有两个活动式隔离板204。活动式隔离板204与第一驱动机构的导杆202连接。所述第一驱动机构包括设置在装置腔体壁201上的步进电机203和与步进电机203连接的可移动的导杆202。在步进电机203的驱动下，导杆202进行伸缩运动，从而带动活动式隔离板204移动，接近尾气进入管尾段207或远离尾气进入管尾段207。

在第一隔离板103朝向催化剂模块107方向的一侧，即第一隔离板103朝向第二仓室112的一侧设置有扣在尾气进入管尾段207的所述端部上的第一球冠壳体和第二球冠壳体205(参看图3和图4)。第一球冠壳体和第二球冠壳体205均朝向催化剂模块107方向凸起。

图3显示了第一球冠壳体的结构。第一球冠壳体是呈球冠形状的壳体，该球冠形壳体的底部(即圆形平面部分)扣在第一隔离板103上，并且覆盖尾气进入管尾段207的所述端部。从图3可见，在第一球冠壳体上设置有若干贯穿第一球冠壳体壁302的第一气孔301。

图4显示了图1中第一球冠壳体和第二球冠壳体205的装配关系。第二球冠壳体205的尺寸大于第一球冠壳体，第二球冠壳体205扣在第一球冠壳体上，使得第一球冠壳体和第二球冠壳体205之间具有足够的间隙空间通过气体。在第二球冠壳体壁2051上设置有若干第二气孔2052。第一气孔301与第二气孔2052至少部分交错设置。这里所述的部分交错设置是指在图4所示的装配状态下，第一气孔301的部分面积与第二球冠壳体壁2051相对，以及第二气孔2052的部分面积与第一球冠壳体壁302相对。

图5显示了第二仓室112中第二隔离板104及其上所附部件的具体结构。贯穿第二隔离板104设置有五根筒形直管502。参考图1可见，这些筒形直管的轴线互相平行，且沿第一隔离板103至催化剂模块107方向设置。筒形直管502朝向第一隔离板103的端部为敞口端部501，筒形直管502的另一端朝向催化剂模块107设置，且为闭合端部507。位于第二隔离板104与穿孔板105之间的筒形直管502的部分的侧壁上设置有若干第二通孔506。第二通孔506的直径范围为8-15毫米。第二通孔506的穿孔率大于45％(穿孔率即孔的总面积与位于第二隔离板104与穿孔板105之间的筒形直管502的部分的侧壁的总面积的比值)。

在第二隔离板104与第一隔离板103之间，套在筒形直管502上设置有滑动隔离板503。滑动隔离板503是板状体，在该板状体上相应筒形直管502的外径和位置设置有镂空结构，该镂空结构供筒形直管502在其中相对移动，或者说滑动隔离板503可以沿筒形直管502的轴线方向移动。滑动隔离板503将第一隔离板103和第二隔离板104之间的空间进一步分隔成两个空间。滑动隔离板503与筒形直管502之间为滑动配合；滑动隔离板503与装置腔体111的内壁之间为滑动配合。

在第二隔离板104上对称设置了两个步进电机505。步进电机505还配置有导杆504，步进电机505可以驱动导杆504沿装置腔体111的长轴方向移动。滑动隔离板503与导杆504固定连接，从而导杆504可以驱动滑动隔离板503沿筒形直管502进行移动。

图6显示了排气尾管109的具体结构。排气尾管109的径向尺寸自排气尾管第一端601向排气尾管第二端603逐步减少。在排气尾管109的侧壁上设置有若干第四通孔602。第四通孔602的直径范围为8-15毫米，第四通孔602的穿孔率大于50％(穿孔率即孔的总面积与排气尾管109的侧壁的总面积的比值)。

以下结合附图，对本发明大功率柴油机排气净化消声集成装置的工作过程进行说明，以进一步阐述本发明的技术方案。

柴油机排出的气体通过尾气进入管101进入大功率柴油机排气净化消声集成装置，具体而言柴油机排出气体进入了装置腔体111。在尾气进入管101中设置有尿素喷嘴102。尿素喷嘴102喷射出的尿素溶液在柴油机排出气体的高温作用下雾化蒸发，与柴油机排出气体混合形成混合气流。

混合气流进入尾气进入管尾段207时，第一通孔206与第一仓室113构成了亥姆霍兹吸声结构，第一仓室113作为亥姆霍兹吸声结构的共振腔，能够对产生的低频噪声(如基频和谐频噪声)进行消除。亥姆霍兹吸声结构的问题是只能处理固定频段的噪声，而当柴油机运行工况发生变化时，柴油机排气噪声的频率发生变化，会超出亥姆霍兹吸声结构的处理噪声范围。而本发明的方案，在第一仓室设置了活动式隔离板204。活动式隔离板204将第一仓室113的空间进行了进一步分隔，其中包含尾气进入管尾段207的空间起到亥姆霍兹吸声结构的共振腔的作用。由于活动式隔离板204能够通过移动接近或远离尾气进入管尾段207，从而使得所述共振腔的容积发生变化。根据亥姆霍兹共振消声原理，共振腔容积的改变，可以改变共振频率，进而能够消除不同频率的噪声。例如，当柴油机转速升高时，排气噪声中的基频和谐频升高，此时控制步进电机203运转，使得活动式隔离板204移动，减少共振腔的容积，共振频率升高，可以消除更高频率的噪声。大功率柴油机排气净化消声集成装置的装置腔体都是长方体，因此，设置形状、结构简单的活动式隔离板204就可以实现对共振腔容积的改变。另外，尾气进入管尾段207呈现扩张形，使得混合气流在流出尾气进入管尾段207时避免发生由于等截面直管气流在出口射流两侧形成漩涡回流现象，降低了混合气流流出尾气进入管尾段207时的压力损失。

混合气流从尾气进入管尾段207的端部排出，然后顺序流经第一球冠壳体和第二球冠壳体205。由于在第一球冠壳体上设置了第一气孔301，在第二球冠壳体205上设置了第二气孔2052，因此，混合气流可以通过第一球冠壳体和第二球冠壳体205。但由于第一气孔301与第二气孔2052至少部分交错设置，所以至少混合气流的部分在经过第一球冠壳体后会被第二球冠壳体壁2051阻挡，对混合气流的流场有扰动作用。这种扰动作用一方面减缓了混合气流的流动速度，另一方面被扰动的流场也促使混合气流中的尿素喷雾与柴油机排气进行更充分的混合，促进分解后的氨气在气体中的分布更均匀。所以第一球冠壳体和第二球冠壳体205的设置，在有限的空间内为混合流体内发生的分解反应实现了时空的拓展，使得分解反应能够进行得更充分。因此，采用本发明的技术方案，大功率柴油机排气净化消声集成装置具有结构紧凑，体积小的优势。另外，第一气孔301与第二气孔2052至少部分交错设置，声波在此发生反射，因此也起到了抗性消声的作用。

混合气流从第二球冠壳体205排出后向筒形直管502方向流动。根据已有的插入管技术已知，筒形直管502具有中频消声功能。根据图7所示的筒形直管的消声原理，筒形直管502处产生的共振频率公式如下：

其中，f为声波频率，单位为Hz；c为声速，单位为m/s；l

滑动隔离板503的移动，代表了上面公式中l

混合气流从筒形直管502的第二通孔506排出。通过第二通孔506的混合流体被改变了流向，通过较小孔径的第二通孔506形成的射流进入到穿孔板105至第二隔离板104之间的空间部分后得以进一步的混合，使得混合流体中的尿素在催化剂模块107前更充分地分解为氨气，并且氨气的分布更均匀。从第二通孔506排出的混合流体经过穿孔板105上的第三通孔106，到达催化剂模块107。穿孔板105具有整流作用，使得混合流体能够以平稳、与催化剂模块中的气流通道方向平行的方向继续流动。穿孔板105还具有一定的中高频消声作用。

催化剂模块107中设置蜂窝状催化剂载体，混合气流通过蜂窝状催化剂载体。该载体上涂覆选择性催化还原催化剂，在NH

从催化剂模块107排出的气体进入到排气尾管109。排气尾管109从排气尾管第一端601处的矩形横截面过渡到排气尾管第二端603处的圆形横截面，排气尾管109内壁形成平滑过渡曲面，减少了气流与排气尾管109内壁的摩擦和碰撞产生的能量损失，使得排气更为顺畅。在排气尾管109外侧的催化剂后仓108内设置了吸声材料，排气尾管109内的气流排出过程中，高频声波通过第四通孔602进入催化剂后仓108内，被其中的吸声材料耗散，因此降低了高频噪声。

值得注意的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非因此限定本发明的专利保护范围，本发明还可以采用等同技术进行替换。故凡运用本发明的说明书及图示内容所作的等效变化，或直接或间接运用于其他相关技术领域均包含于本发明所涵盖的范围内。