CN103375230B - 多层套叠形雾化器 - Google Patents

Abstract

在一个示例中，提供了一种系统，其包括混合器上游的排气还原剂喷射器。混合器包括经翼片相互连接的多个同心的较小的环，翼片的宽度在流动方向上是变化的，翼片环状地布置，并且第一对相邻环之间的第一组翼片与第二对相邻环之间的第二组翼片有角度地偏置，第一和第二对环共用一个共同的环。以这种方式，在短距离的范围内可以使排气流雾化、改变排气流的方向并且混合排气流，从而在下游SCR催化剂中与NOx有效地反应。

Description

多层套叠形雾化器

技术领域

本发明涉及多层套叠形雾化器。

背景技术

技术，例如选择性催化还原（SCR）可以用于NOx还原并且达到柴油机排放要求。在一种方法中，水状尿素被喷射到排气流中，其随后在SCR催化剂表面与NOx反应，导致发动机排出的NOx排放物的还原。为了改进在一些条件下的NOx还原，在水状尿素到达催化剂基底之前，喷射到柴油机排气中的液体尿素通常被雾化和混合。

在一种混合方法中，二混合器系统可以用来提供这样的混合，其中系统的第一元件（例如，雾化器）改变排气流的方向并且捕集用于雾化的尿素喷雾，并且第二元件（例如，扭转混合器（twist mixer））有助于混合排气流。作为示例，雾化器可以包括若干个（例如，九个）散热孔/百叶窗（louver），并且扭转混合器可以包括焊接到中间杆上的螺旋混合元件。

本申请的发明者已经意识到在此类先前方案中的问题。例如，扭转所述流需要特定的长度或者距离从而给予所述流足够的角动量，而没有过度地限制所述流以及产生太多的背压。然而，一些车辆构造可以限制可用的封装空间（packaging space），特别是还原剂喷射和SCR催化剂位置之间的长度。

发明内容

在一个示例中，一种系统可以至少部分地解决上述问题，该系统包括：混合器上游的排气还原剂喷射器，其包括：经翼片（fin）相互连接的多个同心的较小的环，翼片的宽度在流动方向上变化，翼片环状地布置，第一对相邻环之间的第一组翼片与第二对相邻环之间的第二组翼片有角度地偏置，第一和第二对环共用一个共同的环。通过该结构产生的几何形状能够吸引（draw）周围的流环绕和通过翼片，因此提高撞击/冲击翼片的喷射液体还原剂的混合和蒸发。

在另一个示例中，系统包括：混合器上游的排气还原剂喷射器，其包括：经环状布置的翼片相互连接的多个同心的较小的环，并且其中第一对相邻环之间的第一组翼片与第二对相邻环之间的第二组翼片有角度地偏置，第一和第二对环共用一个共同的环，来自于第一和第二组的交替翼片围绕共同环的周围连接。

在另一个示例中，多个同心的较小的环包括三对或更多对相邻环。

在另一个示例中，所有的翼片向内朝向在其内设置混合器的排气管的中心轴线成角度，其中同心环的中心轴线共用排气管的中心轴线。

在另一个示例中，在第一对中的上游环上的连接弧长度不同于第二对中的上游环的连接弧长度。

在另一个示例中，第一和第二组翼片的连接弧长度没有重叠在共同环上，第二组在第一组的下游。

在另一个示例中，第一组中翼片的数目等于第二组中翼片的数目，并且SCR催化剂/催化器设置在混合器的下游。

在另一个示例中，系统包括：排气管；成角度的排气喷射器，其设置在排气管的壁上；SCR催化器，其与排气管耦合；以及混合器，其设置在喷射器下游以及SCR催化器上游的排气管内部，混合器包括套叠形的组环，逐渐变小的环设置在相互/彼此（one another）下游，相邻环经周围设置的平坦的成角度翼片（flat angled fins）连接。

在另一个示例中，排气管被耦合到柴油机的排气，其中环组经翼片彼此耦合。

在另一个示例中，每一组环与相同数目的翼片耦合。

在另一个示例中，每一个环的中心轴线与排气管的中心轴线对齐。

应该明白，上面的发明内容被提供用来以简要形式介绍具体实施方式中进一步描述的选择概念。这不是意味着识别所要求主题的关键或实质特征，其保护范围仅仅由权利要求所限定。此外，要求的主题不限于解决上述任何缺点的实施中，或者不限于本公开的任何部分。

附图说明

图1图示说明用于接收发动机排气的排气系统。

图2图示说明根据本公开的实施例近似按比例绘制的排气系统雾化器的正面视图。

图2A图示说明图2中排气系统雾化器的一部分。

图3图示说明近似按比例绘制的图2中的排气系统雾化器的侧视图。

图3A图示说明图2中排气系统雾化器的一部分。

图4图示说明近似按比例绘制的图2中排气系统雾化器的等距视图。

图4A图示说明图2中排气系统雾化器的一部分。

图5图示说明根据本公开另一个实施例近似按比例绘制的排气系统雾化器的正面视图。

图5A图示说明图5中排气系统雾化器的一部分。

图6图示说明近似按比例绘制的图5中排气系统雾化器的等距视图。

图6A图示说明图5中排气系统雾化器的一部分。

图7图示说明近似按比例绘制的图5中排气系统雾化器的侧视图。

图7A图示说明图5中排气系统雾化器的一部分。

图8图示说明根据本公开又一个实施例近似按比例绘制的排气系统雾化器的等距视图。

图8A图示说明图8中排气系统雾化器的一部分。

图9图示说明根据本公开又另一个实施例近似按比例绘制的排气系统雾化器的等距视图。

图9A图示说明图9中排气系统雾化器的一部分。

具体实施方式

本发明公开了多层套叠的排气系统雾化器。排气系统雾化器包括多个经翼片相互连接的环，环和翼片关于共同的中心轴线同心布置。环直径随着排气系统雾化器在排气流方向上穿过（traverse）可以减小，同时翼片取向朝向共同的中心轴线。这样的排气系统雾化器可以适合于抛物线型排气流，并且可以减小排气系统重量和成本，以及封装空间。然而，其他应用也是可以的，并且如果需要，可以使用各种修改和替代实施例。

图1图示说明用于运输内燃发动机110产生的排气的排气系统100。作为一个非限制性示例，发动机110包括柴油发动机，其通过燃烧气体和柴油燃料的混合物产生机械输出。可替代地，其中，发动机110可以包括其他类型的发动机，例如汽油燃烧发动机等等。

排气系统100可以包括下面结构中的一个或多于一个：排气歧管120，其用于接收发动机110的一个或多于一个汽缸产生的排气；混合区域130，其设置在排气歧管120的下游，用于接收液体还原剂；选择性催化还原（SCR）催化器/催化剂（catalyst）140，其设置在混合区域130的下游；以及噪声抑制设备150，其设置在催化器140的下游。另外，排气系统100可以包括多个排气管或者排气通道，用于流体地耦合各种排气系统部件。例如，如图1所示，排气歧管120可以通过排气通道162和164中的一个或多于一个被流体地耦合到混合区域130上。催化器140可以通过排气通道166流体地耦合到噪声抑制设备150上。最后，可以允许排气从噪声抑制设备150经排气通道168流动到周围环境中。要注意，虽然图1没有显示，但是排气系统100可以包括设置在催化器140上游或者下游的微粒过滤器和/或柴油氧化催化器。此外，应该理解，排气系统100可以包括两个或更多个催化器。

在一些实施例中，混合区域130可以包括比上游排气通道164更大的横截面区域或者流动区域。混合区域130可以包括喷射器136，其用于将液体选择性地喷射到排气系统中。如图1所示，喷射器136可以成角度倾斜朝向混合器喷射液体。可替代地，喷射器136可以与混合器同轴设置从而沿着排气流方向喷射液体。在一个非限制性示例中，由喷射器136喷射的液体可以包括液体还原剂178，例如氨或者尿素。液体还原剂178可以从储存罐176通过导管174经中间泵172供应到喷射器136中。如关于图2到图9进一步描述地，混合区域130也可以包括排气系统雾化器200。要注意，催化器/催化剂140可以包括用于减少发动机100燃料燃烧产生的NOx或者其他燃烧产物的任何合适催化剂。

关于车辆应用，排气系统100可以布置在车辆底盘的下侧。另外，应该理解，排气通道可以包括一个或多于一个弯曲或者卷曲从而适应具体的车辆布置。仍进一步，应该理解，在一些实施例中，排气系统100可以包括图1中未图示的其他部件，和/或可以省略本文中描述的部件。

图2到图9图示说明用于接收发动机排气的排气通道的部分的各种附加细节，其包括排气系统雾化器200、300和400以及500，其每一个可以位于混合区域130的内部。例如，每一个排气系统雾化器可以设置在（例如，压入配合到）发动机110的排气管（例如，图1中的排气通道164）内部，以便如图3可见，其外部边缘是连续的，并且面共用（face-sharing）接触混合区域130的内壁203。

图2显示排气系统雾化器200的示例实施例的正面视图，其也可以称为混合器。雾化器200包括圆形环202、206、208和228阵列，其设置为套叠形结构，其中在流动方向上直径减小。第一环202布置在最远的上游位置，并且限定内部通道入口204，其被配置接收发动机排气。第一环202的下游配备有第二环206，其直径比第一环202的直径小。第二环206进一步的下游配备有第三环208，其直径比第一环202、第二环206的直径小。最后，第四环228配备在最远的下游位置，并且限定内部通道出口211，第四环的直径比环202、206和208的直径小。环202、206、208和228全部直接布置在一个接一个/相互的（one another）下游，共用由入口204和出口211限定的内部通道的部分，并且关于共同的中心轴线205同心对齐。因此，在这样的示例中，所有的环彼此是同心的。中心轴线205与排气管（例如，图1中的排气通道164）的中心轴线同心，以便每一个环的中心轴线和中心轴线205与排气管的中心轴线对齐。

该同心环阵列（例如，图2中的202、206、208和228）可以共用各种共同的属性。一个非限制性的示例可以包括厚度，其中厚度是沿着中心轴线205的长度的测量。当其在排气流的方向上逐渐往下游布置时，环的直径可以以恒定的系数变小，例如，同心布置在第二环206下游的第三环208的直径可以比第二环206的直径小20%，同时第二环206的直径也比第一环202的直径小20%等。然而，应该理解，这是非限制性示例，在环对中直径差异可以变化，或者以若干不同的系数变化。

本公开的雾化器可以整体形成一个单一块。可替代地，雾化器的部分可以单独地形成，并且随后连接起来。如图2到图9所示，环（例如，202、206）可以经周围设置的翼片（例如，213、214和215）相互连接，翼片可以耦合到环的周围（例如，外部边缘）。在一个示例中，翼片包括相互连接的部分（其可以由金属形成），其驱使排气流前进穿过雾化器200的其他区域。翼片可以整体形成为自身内的单个单元，可以与相邻环一起整体形成为单个单元，或者可以独立地形成并且随后连接到雾化器的其他部分上。如果雾化器不是整体形成为单个单元，则翼片可以通过各种方法（例如，焊接）联接到环上。

在一些实施例中，例如图2中显示的，通过雾化器200，一些或全部翼片以环形形状被环状地设置，并且沿下游方向向内朝向中心轴线205成角度，并且还朝向雾化器200中的最小环（例如，第四环228）。翼片可以是平坦的，以锐角向内成角度，或者可以具有曲率。翼片也可以共用若干共同的属性，包括厚度。作为一个非限制性示例，翼片厚度可以等于或不等于环厚度，或者在其附接的对之间可以变化。

例如，如图2所示，环和翼片一起形成环状布置的孔（例如，210）。孔包括中空区域，排气流经过该中空区域。在提供的示例实施例中，一些或所有孔（例如，210）是彼此环状相等间隔开的，但是不相等的间隔也是可以的。如图2到图9所示，孔可以包括环和孔基部之间的非中空区域，其中孔基部是大体上对应于环弧的部分，并且垂直于中心轴线205。因此，孔的基部可以不直接对应于环的外部边缘，并且一些材料（例如，金属）可以包括在孔基部和环边缘之间。

图1中混合区域130的至少一部分包括环（例如，第一环202），其表面法向矢量平行于排气流动方向。如上所述，离开发动机的排气可以首先进入混合区域130，其中如图1所图示说明，流体，诸如液体还原剂（例如，氨、尿素等）可以经喷射器136喷射到排气系统中。在一个示例中，环（例如，202和206）连同翼片（例如，213）可以由一种金属构成，在这种情况下其可以通过排气流加热。液体喷射结合翼片和孔产生的流（flow），引导排气流环绕并且穿过排气系统雾化器200，其中液体喷射可以是各种角度，包括与排气流成一直线，或者关于排气流倾斜。进一步，通过环和翼片的热金属蒸发的蒸发液体，从排气系统雾化器200中被排出。因此，排气系统雾化器200有助于在发动机排气到达SCR催化器/催化剂140之前进一步混合发动机排气。以这种方式，通过更好地混合发动机排气，可以进一步提高SCR催化剂140的性能，因此，可以进一步减少NOx。

在一些实施例中，雾化器200的翼片可以认为在几何形状上与其邻近孔互补，在这种情况下，下面讨论的许多翼片特性暗示着必然的孔特性，并且反之亦然。显然，例如图2中，孔（例如，210）和翼片（例如，213）占据由成对的环限定的环状区域（例如，第一环202和第二环206之间并且由其限定的环状区域）。在这样的实施例中，孔和翼片都可以梯形成形为具有弯曲的基部。然而，其他实施例是可以的，其中翼片和孔可以类似于可替代的几何形状（例如，矩形、圆形）。

翼片（例如，213）具有第一连接区域220和第二连接区域222，第一连接区域220由上游环的弧（例如，第一环202的弧）限定，第二连接区域222由下游环的弧（例如，第二环206的弧）限定，两个连接区域显示在图2A中。在该非限制性示例中，第一连接区域220对应的弧是第一环202外部边缘的一部分。类似地，第二连接区域222对应的弧是第二环206外部边缘的一部分。这样的弧可以称为连接弧，其长度可以被指定为连接弧长度。该布置显示在图2和图2A中，然而图3显示翼片可以联接到其相应环的侧壁上。在其他的实施例中，翼片也可以耦合到相邻上游/下游环的顶部边缘或底部边缘。除了图8A之外，图2A、图3A、图4A、图5A、图6A、图7A和图9A显示其中第二连接区域222的长度小于第一连接区域220长度的实施例。对于雾化器200中的所有翼片，长度之间的差异可以是恒定的，或者在雾化器200的环状区域中长度差异可以变化。替换实施例是可以的，如图8A所示，其中翼片的第二连接区域222长度大于第一连接区域220的长度。

在一个实施例中，翼片的侧边是由从上游环（例如，第一环202）扩散到下游环（例如，第二环206）的线段限定的，如图2A所示，线段被弧长度207所分开，并且与所有的环和中心轴线205同心/同轴。同样如图2A所示，角209掠过（sweep out）弧长度，其中角209对于所有的翼片可以是恒定的。翼片的宽度可以沿着排气流的方向变化，形成图2到图9可见的锥形形状，翼片宽度的特征是其端点对应于翼片侧边的中点的弧长度。然而，应该理解，其他的实施例是可以的，其中翼片的侧边不能用从中心轴线延伸到翼片基部的射线被参数化，或者不能用从上游环扩散/延伸到下游环的线段被参数化。换句话说，翼片的侧边可以不是笔直的，并且不是向外放射状地投射。相反，在非限制性示例中，例如，翼片的侧边可以是弯曲的，并且可以具有抛物线型的边缘。

如至少图2所示，翼片（例如，213）将第一环202连接到第二环206，该两个环一起形成第一对环216。第一组孔212被包括在该环状区域内，其中第一组孔包括参考数字212标识的孔，以及在第一环202和第二环206之间并由其限定的环状区域内的其他孔。在一个实施例中，第一组孔212可以包括和第二组孔218相同数目的孔，第二组孔218包括第二环206和第三环208之间并且由其限定的环状区域内的孔。类似地，在其相应环状区域内的第一组孔212间提供的翼片的数目可以等于其相应环状区域内的第二组孔218间提供的翼片的数目。

在第一环202和第二环206之间并且由其限定的环状区域内的翼片（例如，213）形成第一组翼片。类似地，在第二环206和第三环208之间并且由其限定的环状区域内的翼片（例如，214）形成第二组翼片。又进一步地，在第三环208和第四环228之间并且由其限定的环状区域内的翼片（例如，215）形成第三组翼片。在这样的实施例中，来自于第一组和第二组翼片的交替翼片环绕着共同环（例如，第二环206）的周围连接。几何学上，第一组翼片不重叠第二组翼片。更具体地，在这样的情况下，第一组翼片中翼片的第二连接区域（例如，222）内没有点与第二组翼片中翼片的第一连接区域（例如，220）内的点共用。换句话说，第一组翼片中翼片的较短基部上没有点对应于第二组翼片中翼片相对基部上的点。在这样的情况下，在第一对相邻环（例如，216）之间的第一组翼片以及在第二对相邻环（例如，224）之间的第二组翼片是有角度地偏移的，第一和第二对环共用一个共同的环（例如，第二环206）。可替代地叙述，来自于第一和第二组翼片的连接弧长度不重叠在共同环（例如，206）上，第二组在第一组下游。另一方面，在第一组翼片中的翼片的第一和/或第二连接区域内的点，可以对应于第三组翼片中翼片的第一和/或第二连接区域内的点，该对应是，除了在第一组翼片中翼片的第一和/或第二连接区域内的点之外，从中心轴线205延伸的射线相交第三组翼片中翼片的第一和/或第二连接区域内的点。这显示在图2的正面视图中。此外，该对应可以使得，除了第一组翼片中翼片的第一和/或第二连接区域的中点之外，从中心轴线205延伸的射线相交第三组翼片中翼片的第一和/或第二连接区域内的中点。在这样的情况下，第一组翼片和第三组翼片可以称为是对齐的。

翼片组中翼片的宽度与位于上游的翼片组中翼片的宽度相比较，可以更小（例如，如图2所示，在第三组翼片中翼片的宽度可以小于第二组翼片中翼片的宽度）。更具体地，对于第二组翼片中的翼片，与第一和第二连接区域相一致的连接弧长度小于第三组翼片中翼片的连接弧长度。因此，在第一对环上游环上的连接弧长度可以不同于第二对上游环上的连接弧长度。此外，翼片长度可以随着雾化器（例如，200）是沿着排气流的方向穿过而变化。如果使环分开的距离变化，则翼片的长度特别是这样的情况。又进一步，通过第一和第二连接区域（例如，图2A中的220和222）之间的角度测量的翼片倾斜度也可以变化。如果环直径不随着雾化器沿着排气流的方向穿过以恒定的系数减小，则翼片倾斜度特别是这样的情况。另外，翼片几何形状可以是沿着排气流的方向弯曲。可替代地，翼片可以是笔直的，最小化了沿着排气流方向的长度。然而，特定的共性可以存在于成组翼片或者全部多个翼片之间，包括锥形几何形状、朝着中心轴线205弯曲的几何形状、材料成分和厚度。

在一些实施例中，第二环206和第三环208一起形成第二对环224。第一对环216和第二对环224共用共同的环，即第二环206。进一步，第四环228可以布置在第三环208的下游。第三环208和第四环228一起形成第三对环230。第二对环224和第三对环230共用共同的环，即第三环208。总体地，除了其他元件之外，这样的实施例确切地包括三对环、总共四个环、三组孔和翼片，环关于中心轴线205同轴地布置，并且逐渐往彼此的下游，在排气流的方向上尺寸减小。图2到图4、图8和图9表示该布置，不过应该明白，这仅仅是是说明性的示例，并且可以使用不同数目的环、翼片、孔和成组的孔，而没有背离本公开的保护范围和精神。

例如，图5-7显示包括三个环的可替代实施例。在该示例中，排气系统雾化器300包括三个环、两对环、三组孔和翼片以及凸盘302。如在图2-4显示的实施例中，翼片的第二连接区域222的长度小于第一连接区域220的长度，这产生梯形的翼片形状。不像之前公开的实施例，凸盘302设置在最上游环（例如，第三环208）上，并且面向排气流。凸盘302具有弯曲，其中与其中心轴线205重合的点比进一步远离中心轴线205的点离第一环202更近。凸盘302可以通过各种方法（例如，焊接）联接到第三环208上，或者如上面公开类似地，排气系统雾化器300可以整体地形成为一个单元。凸盘302驱使气流前进穿过孔210。换句话说，没有空气流可以穿过第三环208，但是可以环绕其流动并且穿过其孔。

图8和图9进一步说明了根据本公开的排气雾化器的可替代实施例。图8显示了雾化器400，其非常像图2-4显示的雾化器200。然而，在这个实施例中，对于雾化器400中的翼片（例如，213），图8A显示第一连接区域220的长度小于第二连接区域222的长度，这产生梯形的翼片形状。相反地，图9A显示雾化器500的一部分，其中对于翼片（例如，213），第一连接区域220的长度大于第二连接区域222的长度。此外，图9显示可替代的尺寸是可以的。例如，环厚度可以大于其他实施例中显示的厚度，并且环可以被更大的距离所分开，这增加了翼片的倾斜角度。进一步，图9显示不相等的环厚度是可以的。在该示例中，沿着排气流的方向所测量的第四环508的厚度大于前面环502、504和506的厚度。

因此，要求保护的结构仍然允许实现雾化，但是减少了重量和陈本的影响。排气系统雾化器200可以改变绝大多数发动机排气的方向，然而在一些实施例中少数发动机排气可以无阻碍地流动穿过雾化器。无阻碍流动的少量发动机排气可以通过雾化器实现的成本和重量节省来抵销/弥补。进一步，可以降低排气背压效应。

以这种方式，排气系统100能够实现良好的雾化和混合，同时允许减少封装空间。例如，与传统的排气系统相比较，包括排气系统雾化器200的排气系统100能够促进抛物线型流动，使流动模式变直以及提升混合效率。翼片增加表面区域，这可以捕集液滴并且允许增加汹涌的排气流的混合。

应该理解，本文中公开的结构和程序本质是例示性的，这些具体的实施例不能认为是限制性意义，这是因为大量的改变是可以的。例如，上述技术可以应用到V-6、I-4、I-6、V-12、对置4以及其他发动机类型中。本公开的主题包括本文公开的各种系统和结构以及其他特征、功能和/或特性的所有新颖以及非显而易见的组合以及子组合。

所附权利要求具体地指出看作新颖和非显而易见的特定组合和子组合。这些权利要求可以指“一个”元件或者“第一”元件或者其等同物。应该明白，这样的权利要求包括一个或多于一个这样的元件的结合，不必要也不排除两个或更多个这样的元件。通过本权利要求的修改或者通过在该申请或者相关申请中提出新的权利要求，可以要求公开的特征、功能、元件和/或特性的其他组合和子组合。

这样的权利要求，无论比原先权利要求的保护范围更宽、更窄、相同或者不同，也看作包括在本公开的主题内。

Claims (10)

1.一种喷射系统，其包括：

多层套叠的混合器上游的排气还原剂喷射器，所述混合器包括：

经环状布置的翼片在环的侧壁处相互连接的多个同心的环，所述多个同心的环在流动方向具有减小的直径，并且在第一对相邻环之间的第一组翼片与第二对相邻环之间的第二组翼片有角度地偏置，所述第一对环和所述第二对环共用一个共同环。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个同心的环包括三对或更多对相邻环。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一组的所述翼片和所述第二组的所述翼片环绕所述共同环的周围连接。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述翼片向内朝向排气管的中心轴线成角度，其中所述混合器设置在所述排气管内，其中同心环的所述中心轴线共用所述排气管的中心轴线。

5.根据权利要求1所述的系统，其中在所述第一对中的上游环上的连接弧长度不同于在所述第二对中的上游环上的连接弧长度。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一组翼片和所述第二组翼片的连接弧长度不重叠在所述共同环上，所述第二组在所述第一组的下游。

7.根据权利要求1所述的系统，其中每一个翼片具有由上游环的弧限定的第一连接区域，由下游环的弧限定的第二连接区域，每一个翼片还具有共同的厚度。

8.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一组中翼片的数目等于所述第二组中翼片的数目。

9.根据权利要求1所述的系统，进一步包括面向排气流的凸盘，其设置在最上游环中。

10.根据权利要求1所述的系统，其中SCR催化器设置在所述混合器的下游。