CN103688034A - 用于废气处理的静态混合器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

用于废气处理的静态混合器(11)，包括环形的支承部分(13)和径向布置的多个基本共面的径向叶片(15)，所述叶片的后部或者基部(17)与所述支承部分(13)相关联且前部或者径向末端(19a)朝着混合器的中心(“G”)会聚，其中叶片(15)的主体包括至少三个弯折线，其限定布置在不平行平面上并限定用于废气的相应冲击表面(A，B，C)的相应部分(15a，15b，15c)。

Description

用于废气处理的静态混合器及其制造方法
技术领域
本发明涉及用于废气处理的静态混合器及其制造方法。
更具体地，本发明涉及用于内燃机的废气处理的静态混合器，该混合器可结合在用于氮氧化物的选择性催化还原(SCR)的系统中。
背景技术
为了促进废气与以气态或液态引入内燃机的废气系统的还原剂的混合，通常使用静态混合器。
在这种情况下，静态混合器主要用来促进高度均匀混合物的形成并且造成引入废气系统的还原剂尽可能多地蒸发。
为了满足这个要求，目前生产包括一组叶片的静态混合器，所述叶片在废气与还原剂混合物流动的管道内具有各种不同取向。
叶片通常与意图附着到容纳混合器的管道的内壁上的环形框架相关联，其通常横向地布置在管道中使得废气流被所述叶片拦截。
静态混合器总的由于废气流内的湍流现象的增加促进气体与还原剂的混合。
然而，静态混合器布置在气体流动的区域中造成废气系统内压力增加。这种压力增加是不利条件，因为它妨碍废气的排放并且通常会根据混合器和废气系统的布置而或多或少显著。
而且，混合器的表面会造成还原混合物凝结，从而形成附着到叶片的液体膜，由此造成相同混合器的效率降低。
因此，当设计上述种类的混合器时，两种现象形成对照。
第一种现象是由容纳混合器的废气系统中的过度压力增加决定的。第二种现象是由还原剂在混合器表面上形成凝结造成的混合能力的降低决定的。
为了试图实现达到良好混合和防止发生上述不利条件的相反要求之间的最佳折中，这里提出不同的解决方案。
一些解决方案使用叶片矩阵，其密度、倾斜和尺寸通过考虑上述要求来选择。US2007/0204751公开了这种混合器的一个例子。
其他解决方案使用一组叶片，其通常径向布置在气体流动的管道内并定向成造成所述气体与还原剂混合物混合。这第二种类型的静态混合器例如在US7533520、US2009/0320453和US2009/0266064中公开。
在所有的上述解决方案中，在废气的混合和自由流动要求之间找到最佳折中的努力显而易见。
尽管有这些努力，但现有技术的混合器未完全解决如何获得最佳混合，同时使上述不利条件最小的问题。
而且，至今为止进行的努力得到了制造起来越来越精细、复杂和昂贵的解决方案。
发明内容
因此，在本领域中仍对具有可供应用的静态混合器具有强烈需求，这种混合器高度有效，不会造成显著的压力增加，并且不容易促进凝结形成并且不具有与制造复杂性和成本有关的上述缺点。
因此，本发明的第一目的是通过提供用于废气处理的静态混合器装置来实现这种结果，该静态混合器装置相对于现有技术装置能够实现更好的混合，并且造成压力增加减小且形成凝结的能力减小。
本发明的另一目的在于提供一种上述种类的静态混合器，其可以以比现有技术混合器更简单的方式和更低的成本工业化制造。
本发明的另一但不是最后的目的在于提供一种上述种类的混合器，其基本上可以在采用选择性催化还原(SCR)技术的任何废气系统中采用。
上述和其他目的通过如权利要求所述的用于废气处理的静态混合器及其制造方法实现。
本发明的第一优点源自于设置多个径向叶片，其布置在环形周边内，朝着混合器的中心会聚并包括至少三个弯折线，它们限定布置在不平行平面上并限定用于废气的相应冲击表面的同等数量的叶片部分。
由于所述布置，混合器能够造成在气体流和流经它的尿素中形成具有漩涡的湍流，因此造成尿素与废气的有效混合。
因此形成在混合器叶片上的多个弯折线和相应冲击表面有利地辅助增加尿素喷雾所冲击的总体表面，因此确定高雾化。而且，这种布置有助于减少在混合器下游形成液体膜的现象，而这种膜如已知的会降低混合器性能。
本发明的另一优点源自于在混合器中设置自由中心部分，即对于废气的自由流动不具有障碍的部分，径向叶片朝着该部分会聚。由于这种自由中心部分和径向叶片的形状，可以获得废气与还原剂混合物的有效混合效果。这种混合效果通过所述中心孔的存在来促进，这另一方面有助于防止由于混合器的设置造成的过度压力增加。实际上，对应于中心孔，发生气体速度增加和随之气体的强烈向前推力，造成混合器下游有利的湍流运动。
本发明的进一步优点由通过一系列简单切割和弯折操作来制造混合器的可能性得到。
附图说明
以下将参考附图对本发明的一些优选实施方式进行描述，其中：
图1是根据本发明的混合器的前透视图；
图2是图1中所示的混合器的平面图；
图3是图1中所示的混合器的侧视图；
图4是沿着图2中的线IV-IV截取的截面图；
图5是结合有混合器的废气系统的示意图；
图6是处于第一工作步骤的混合器的平面图；
图7是沿着处于第二工作步骤的混合器的纵向平面截取的截面图；
图8是处于第三工作步骤的混合器的前透视图。
具体实施方式
参考图1-4，总体上用附图标记11表示根据本发明的用于废气处理的静态混合器。
混合器11包括环形的支承部分13和多个基本上共面的径向叶片15，叶片径向布置并且其后端或者基部17与所述支承部分13相关联，其前端或者径向末端19朝着混合器的中心“G”会聚。
根据本发明，每个叶片15的主体包括至少三个弯折线I1、I2、I3，它们限定布置在不平行平面上且限定用于废气的相应冲击表面A、B、C的同等数量的部分15a、15b、15c。而且，优选地，所述冲击表面A、B、C是基本上平的。
仍根据本发明，叶片15的径向末端19围绕混合器的中心部分21。在所示例子中为基本圆形的所述部分21是自由的，即，它不被叶片或者混合器的其他部分占据并且为废气限定不受干扰的通道。
还是根据本发明，用于废气的冲击表面A、B、C位于相对于混合器所处的且基本上对应于包括图2的纸片平面的横向平面“P”不平行的平面上。冲击表面所处的所述平面因此与废气流经混合器的流动方向不垂直，所述方向由图3中的箭头“F”表示。而且，冲击表面A、B、C所处的平面彼此不平行并且根据不同角度拦截气体流和还原混合物。优选地，所述角度从叶片基部17朝着周边减小。
在本发明的优选实施方式中，与叶片15的基部17相邻的第一冲击表面A相对于混合器的所述横向平面P倾斜范围在30°到60°的角度。而且，在所示的实施方式中，第一冲击表面A具有基本上长梯形的形状。
还是根据本发明的优选实施方式，与第一冲击表面A相邻的第二冲击表面B相对于第一冲击表面A倾斜范围在40°到70°的角度。而且在所示的实施方式中，第二冲击表面B基本上是矩形的。
还是根据本发明的优选实施方式，与第二冲击表面B相邻的第三冲击表面C相对于第二冲击表面B倾斜范围在20°到50°的角度。而且在所示的实施方式中，第三冲击表面C基本上是三角形，并且限定朝着混合器11的前方区域纵向指向的轴向末端19b，废气从这里到达。
优选地，根据本发明，冲击表面A、B、C整个限定用于每个叶片的凹入部分，凹度相对于气流方向“F”转向相反方向。
环形的支承部分13包括冠部13a，优选闭合以形成环，在所示例子中它为混合器11限定圆形的内部周边13b和圆形的外部周边13c。但是，其他实施方式也是可行的，其中内部周边13b和/或外部周边13c具有不同于圆形的形状，例如是八角形、六角形、方形或者矩形形状。在另一些实施方式中，叶片15可与容纳混合器的废气系统的管道的内壁直接相关联。在这种情况下，环形支承13将是管道的一体部分。
根据本发明的优选实施方式，叶片15沿着环形支承部分13的内部周边13b以规则方式成角度地间隔开。
还是指本发明的优选实施方式，设置8个径向叶片15。但是，叶片15的最佳数量可根据要含有混合器的废气系统的特征来选择，总体上可设置任何数量的叶片。因此，其他实施方式的混合器是可行的，其中叶片的数量不同于8个。范围在4到16个的叶片数量被证明能提供最佳性能。
而且，在优选实施方式中，圆形中心部分21的直径是混合器的内部周边13b的直径的大约1/4。
总体上，在内部周边13b内侧，混合器11具有被拦截废气和还原剂混合物的多个叶片15占据的区域和由叶片之间所包括的并由附图标记23表示的区域以及中心部分21形成的自由区域。
参考图5，示意性显示了用于内燃机的废气处理的单元111，其中使用了SCR技术。所述单元111包括用于废气的容纳在壳体113内的一组管道。根据本发明的静态混合器11容纳在图中用附图标记115表示的其中一个管道中，废气在其中沿着箭头“F”指示的方向流动。在所示的例子中，混合器11横向地布置在管道115内，在还原剂混合物被引入的区域117的紧下游。参考所示的例子，还原剂混合物通过用装置119喷射来引入，装置119优选包括喷嘴或者合适的阀并在废气流动的方向上轴向布置在管道115的起点处。所述管道115在装置119和混合器11之间进一步包括径向取向的废气入口121，由管道115的设置径向孔123的相应部分形成。
根据上面的对应于优选但不排他的布置的构造，废气径向进入管道115并且被在相对于废气入口方向成90°的轴向上到达的还原剂拦截。因此，废气流在混合器11处沿轴向到达，即相对于到管道115中的入口方向偏转大约90°，其基本上占据管道115的整个横截面。
有利地，根据本发明，混合器11可通过一系列简单的工作操作来制造。
根据优选制造方法，混合器由厚度优选在0.8至2.0mm范围、更优选为1.5mm的金属主体片获得。因此，叶片15将基本上具有层压一致性。
优选地，如下面将会解释的，混合器通过机械切割和弯折操作制造。替代地，混合器也可通过其他机械工作，例如铣削或者电子放电加工制造。
在将在下面公开的制造混合器的方法的优选实施方式中，对平的层压金属主体、例如金属片箔进行加工。
参考图6，显示了包括例如通过切割或者剪切金属片的平箔获得的平主体11’的起始产品。
在所示例子中，主体11’是盘形的，外直径为大约140mm并包括以规则方式成角度间隔开的8个叶片15’。在混合器的这个工作步骤，始终参考所示的例子，叶片15’具有基本平的、三角形形状，其其中一个顶点指向盘形主体的中心“G”。更精确地，还是参考所示的例子，叶片15’成形为等腰三角形，底角为大约70°，顶角为大约45°。
原始叶片15’接着例如通过机器人化的操纵器沿着弯折线I1、I2、I3弯折，由此获得对应于参考图1至4公开的混合器11的最终产品。
在本发明的优选实施方式中，为了使叶片15’更易弯折、减小混合器结束时叶片的冲击表面的延伸并因此限制将容纳混合器的管道内的压力增加，主体11’在围绕叶片的或多或少宽度带中经历材料去除。所述带在图6中用附图标记10表示，并且它绕着叶片延伸，除了附属物17’将叶片联接到支承部分13’。
图7显示了制造混合器的接下来的步骤，其中叶片15’已经通过图6所示的围绕第一弯折线I1弯折叶片15’获得。沿着第二弯折线I2的第二弯折允许获得图8所示的主体11”’，沿着第三弯折线I3的第三弯折允许获得图1至4所示的最终形状的混合器11。
将会理解，混合器的支承部分13也可进行工作，例如从平部分13’开始抽拉，以便获得图4所示的“L”形截面。
总体上，根据本发明的方法包括步骤：
-提供基本平的层压金属主体11’；
-例如通过切割金属片在金属片的主体上形成径向布置并基本共面的多个径向叶片15’；
-围绕第一弯折线I1弯折叶片15’，由此获得弯折的叶片15”；
-围绕第二弯折线I2弯折叶片15”，由此获得双弯折的叶片15”’；
-围绕第三弯折线I3弯折双弯折的叶片15”’，由此获得混合器11。
可以对所描述和显示的静态混合器进行包括在相同发明原理内的多种改变和变型。

Claims (10)

1.一种用于废气处理的静态混合器(11)，包括环形的支承部分(13)和径向布置的多个基本共面的径向叶片(15)，所述叶片的后部或者基部(17)与所述支承部分(13)相关联且前部或者径向末端(19a)朝着混合器的中心(“G”)会聚，其特征在于，所述叶片(15)的主体包括至少三个弯折线，其限定布置在不平行平面上并限定用于废气的相应冲击表面(A，B，C)的相应部分(15a，15b，15c)。
2.根据权利要求1所述的混合器，其中，用于废气的所述冲击表面(A，B，C)位于相对于所述混合器(11)的中间横向平面不平行的平面上，因此与经过混合器的废气的流动方向(“F”)不垂直。
3.根据权利要求2所述的混合器，其中，与叶片的基部相邻的第一冲击表面(A)相对于混合器的中间横向平面倾斜包括在30°和60°之间的角度。
4.根据权利要求3所述的混合器，其中，与第一冲击表面(A)相邻的第二冲击表面(B)相对于第一冲击表面(A)倾斜包括在40°和70°之间的角度。
5.根据权利要求4所述的混合器，其中，与第二冲击表面相邻的第三冲击表面(C)相对于第二冲击表面倾斜包括在20°和50°之间的角度。
6.根据前述任一项权利要求所述的混合器，其中，所述冲击表面限定用于每个叶片(15)的凹入部分。
7.根据前述任一项权利要求所述的混合器，其中，所述叶片(15)的径向末端(19a)围绕混合器的自由中心部分(21)以便气体通过。
8.根据前述任一项权利要求所述的混合器，其中，所述叶片(15)以规则方式成角度地间隔开。
9.根据前述任一项权利要求所述的混合器，其中，所述叶片(15)的数量为4到16个。
10.制造根据权利要求1至9中的任一项所述的静态混合器的方法，其中提供以下步骤：
提供由金属制成的基本平的层压主体(11’)；
例如通过切割所述层压主体，在所述金属主体上提供径向布置并且相互基本共面的多个径向叶片(15’)；
使叶片(15’)沿着第一弯折线(11)受到弯折操作，由此获得弯折的叶片(15”)；
使弯折的叶片(15’)沿着第二弯折线(12)受到弯折操作，由此获得双弯折的叶片(15”)；
使所述叶片(15”)沿着第三弯折线(13)受到弯折操作，由此获得混合器(11)。
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