CN109414662A - 用于废气后处理系统的双混合器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于在选择性催化还原(SCR)后处理系统(24)的混合段(34)中将还原剂(28)与废气(16)混合的双混合器(36)。双混合器(36)包括第一混合器(37)，第一混合器(37)包括栅格(40)和沿废气(16)的流动方向从栅格(40)伸出的多个梯形翅片(48)。双混合器(36)还进一步包括旋流混合器(38)，旋流混合器(38)位于第一混合器(37)的下游并且与第一混合器(37)隔开一定距离。旋流混合器(38)可包括基部(54)和沿废气(16)的流动方向从基部(54)伸出的旋流翅片(58)的三个阵列(56)。每个阵列(56)中的旋流翅片(58)可以沿共同方向(62)定位，共同方向(62)为从相邻阵列(56)中的旋流翅片(58)的共同方向(62)旋转大约60°。

Description

用于废气后处理系统的双混合器
技术领域
本发明总体上涉及用于废气后处理系统的混合器，具体涉及在选择性催化还原(SCR)后处理系统中用于混合还原剂与废气的双混合器。
背景技术
燃料在内燃机中高温燃烧时可能产生污染物氮氧化物(NOx)气体，如一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)。这些气体可能对健康不利，并且可参与形成烟雾和酸雨。为符合日益严苛的低NOx排放法规，发动机制造商可能不得不采用各种技术来显著减少来自发动机废气中的NOx排放。其中一种技术是选择性催化还原(SCR)后处理系统，该系统将废气中的NOx催化还原为氮和水后，再将废气从排气出口例如尾管排出。在SCR后处理系统中，还原剂以液体形式喷射到排气管的废气流中，然后还原剂和废气的混合物通过下游SCR催化剂，该下游SCR催化剂使用还原剂来催化还原废气流中的NOx。还原剂可以是氨，或者可以是随后在废气流中水解成氨的尿素。在使用柴油机的情况下，由尿素和水组成的还原剂被称为柴油机排气处理液(DEF)。
在引入SCR催化剂之前，还原剂应蒸发并与废气充分混合，以确保SCR催化剂处的NOx被有效还原。还原剂的蒸发不仅有助于还原剂在废气中的均匀分布，而且避免了排气管中还原剂沉积物的不良积聚，这种不良积聚会降低转换效率，并且增加排气管中的背压。为了促进还原剂的蒸发以及还原剂与废气的混合，可在喷射器和SCR催化剂之间的排气管中设置混合器。然而，就将还原剂与废气混合和通过促进还原剂蒸发来减少沉积物积聚而言，提供满足性能标准的混合器可能是个挑战。
美国专利8,607,555中描述了还原剂混合器的一个实例。该专利公开了一种混合元件，其包括支撑多排梯形偏转元件的栅格，梯形偏转元件沿不同方向定位。专利还公开了一种混合元件，混合元件包括四个偏转器元件区域，这些偏转器元件区域彼此相对转动90°以使流经混合器的废气和还原剂产生旋转运动。
尽管上述混合元件有效，但仍然需要改进混合系统，以在引入SCR催化剂之前促进还原剂蒸发以及还原剂与废气的混合。
发明内容
根据本发明的一个方面，公开了一种用于在选择性催化还原(SCR)后处理系统的混合段中将还原剂与废气混合的双混合器。双混合器包括位于混合段中的第一混合器，其包括允许还原剂和废气从中流过的栅格。第一混合器还可包括多个梯形翅片，梯形翅片沿废气流动方向从栅格伸出。此外，双混合器还可包括旋流混合器位置，旋流混合器位置位于混合段中第一混合器下游并与第一混合器隔开一定距离。旋流混合器可以包括允许还原剂和废气从中流过的基部，以及沿废气流动方向从基部伸出的旋流翅片的三个阵列。旋流翅片围绕混合器的中心布置成三角形构型，以在流经旋流混合器的还原剂和废气中引起旋流运动。每个阵列中的旋流翅片可沿共同方向定位，该共同方向为从相邻阵列中旋流翅片的共同方向旋转约60°。
根据本发明的另一方面，公开了一种用于在选择性催化还原(SCR)催化剂上游的排气管中将还原剂和废气混合的双混合器。双混合器可包括第一混合器，第一混合器包括平面栅格和沿废气流动方向从平面栅格伸出的多个平行梯形翅片。每个平行排中的梯形翅片可沿定位方向交替，并且相对于平面栅格成大约20°的角度。双混合器还可以包括旋流混合器，该旋流混合器位于第一混合器下游且与第一混合器隔开一定距离。旋流混合器可包括平面基部，该平面基部具有从基部的中心径向延伸并且沿圆周方向彼此等距间隔开的多个径向支腿。旋流混合器还可包括多个梯形旋流翅片，这些旋流翅片沿废气流动方向从每个径向支腿伸出。从每个径向支腿伸出的梯形旋流翅片可沿共同方向定位，该共同方向为相对于从相邻径向支腿伸出的梯形旋流翅片的共同方向旋转一定角度。
根据本发明的另一方面，公开了一种用于柴油机的废气选择性催化还原(SCR)后处理系统。SCR后处理系统可包括：排气管，能够将废气从柴油机输送到排气出口；喷射器，能够将柴油机排气处理液(DEF)喷射到排气管中；以及位于喷射器下游的SCR催化剂，能够催化还原废气中的NOx。SCR后处理系统还可包括双混合器，其位于喷射器下游和SCR催化剂上游的排气管中。双混合器可包括第一混合器，其能够促进通过其中的DEF蒸发。第一混合器可以包括平面栅格和沿下游方向从平面栅格伸出的翅片的多个平行排。第一混合器的翅片相对于平面栅格成约20°的角度。双混合器还可以包括在第一混合器下游的旋流混合器，其能够促进通过其中的DEF与废气混合。旋流混合器可包括沿下游方向伸出旋流混合器的旋流翅片阵列。旋流混合器的每个阵列可包括旋流翅片的多个平行排，旋流翅片的多个平行排沿共同方向定位，从相邻阵列的共同方向旋转约60°。
结合附图阅读时，本发明的这些和其它方面和特征将更容易理解。
附图说明
图1是根据本发明构造的用于发动机的废气后处理系统的示意图，该发动机具有用于将还原剂与废气混合的双混合器。
图2是根据本发明构造的图1中双混合器的第一混合器的透视图。
图3是根据本发明构造的单独示出的第一混合器的一个梯形翅片的平面图。
图4是根据本发明构造的图1中双混合器的旋流混合器的平面图。
图5是根据本发明构造的旋流混合器的侧面透视图。
图6是根据本发明构造的旋流混合器的侧视图。
图7是根据本发明构造的单独示出的旋流混合器的支撑元件的透视图。
图8是根据本发明构造的单独示出的旋流混合器的径向支腿的透视图。
图9是根据本发明的方法、通过将径向支腿与支撑元件装配而形成的一个旋流混合器单元的仰视透视图。
图10是根据本发明的方法、装配在一起的两个单元的仰视透视图。
图11是根据本发明的方法的三个单元的仰视透视图，这三个单元装配在一起并在节点处焊接以提供旋流混合器。
具体实施方式
现参照附图，具体参照图1，示出了用于内燃机12(例如柴油机14)的废气后处理系统10。废气后处理系统10可以包括在废气从排气出口20排出之前，去除由发动机12通过排气管18排放的废气16中的至少一些污染物的部件。特别地，后处理系统10可以包括设置在排气管18中的微粒过滤器22，其从废气16中滤出微粒。排气管18中的微粒过滤器22的下游可以是选择性催化还原(SCR)后处理系统24，用于将废气16中的NOx催化还原为氮和水。后处理系统10的可选布置可没有微粒过滤器。
SCR后处理系统24可以包括喷射器26，用于将还原剂28从供应源30喷射到排气管18中流动的废气16中。还原剂28可以是尿素和水的混合物(如果发动机12是柴油机，也称为柴油机排气处理液(DEF))，并且尿素可在排气管18中水解为氨。或者，还原剂28可以是氨。还原剂28最初以液体形式注入排气管18中，并且随后在排气管18中蒸发(参见下文进一步的细节)。喷射器26的下游可以是催化剂32，在通过出口20排放废气之前，催化剂32使用还原剂28将废气16中的NOx催化还原成氮和水。
SCR后处理系统24还可包括混合段34，例如混合管35，其是在喷射器26和SCR催化剂32之间延伸的排气管18的一部分。在混合段34中，还原剂28能够蒸发和/或分解为较小的液滴，并在引入至催化剂32之前与废气混合。为此，混合段34可包含双混合器36，双混合器36由第一混合器37和第一混合器37下游的旋流混合器38组成。具体地，第一混合器37可使还原剂28的液滴蒸发和/或将还原剂液体分解为更小的液滴，而旋流混合器38可进一步增强还原剂的蒸发并使还原剂和废气产生旋流运动以促进彻底混合。
第一混合器37和旋流混合器38可以隔开一定距离，该距离可以基于性能进行优化。在一个非限制性示例中，第一混合器37和旋流混合器38可彼此间隔约2英寸至7英寸，尽管基于各种设计考虑，例如还原剂流速和排气管的直径，此间隔距离可偏离这个范围。
此外，由于还原剂28的腐蚀性和排气管18的振动，第一混合器37和旋流混合器38都由耐腐蚀且足够坚固能承受振动的材料制成。例如，第一混合器37和旋流混合器38都可由不锈钢制成。
现转向图2，单独示出了第一混合器37。第一混合器37可包括平面栅格40，该平面栅格40由多个第一支撑元件42形成，多个第一支撑元件42与多个第二支撑元件44垂直并且相交布置以限定孔46，孔46允许还原剂28和废气16通过混合器37。沿废气16流动方向(即，沿排气管18的下游方向)可具有从栅格40伸出的多个翅片48，以促进还原剂28蒸发。第一混合器37的所有翅片48可具有共同的形状和相同的尺寸。具体地，所有翅片48可为梯形，具有较宽的基部49和较窄的顶部51(参见图3)。在一种布置中，第一混合器37的直径(d)可约为5英寸，并且每个翅片48的厚度(t)约1到2毫米(mm)，或者约1到1.6mm(参见图2)，并且从基部49延伸到顶部51的长度大约为15(±2)mm(参见图3)。此外，在该布置中，基部49的宽度(w)可约为10.5(±1)mm，而顶部51的宽度(w)可约为6(±1)mm(参见图3)。然而，混合器37和翅片48的尺寸可随着排气管18的直径变化而调整，较大的混合器37/翅片48用于较大的排气管18。此外，在可选设计中，翅片48可具有其它形状，例如但不限于，正方形，矩形，三角形，球形，椭圆形或其它多边形和无定形构型。
仍参考图2，根据混合器37的设计，第一混合器37的翅片48可以相对于栅格40的平面在约10°至约80°之间变化的固定角度(α)定位，。在一种布置中，与其它角度相比，申请人已经发现当翅片48的固定角度(α)为约20°(±0.05°)时有利于减少排气管18中沉积物的形成。另外，翅片48可与第一支撑元件42一体形成(或以其它方式附接至第一支撑元件42)并从第一支撑元件42延伸以形成翅片的多个排50。如图所示，各排50中的翅片48可沿定位方向交替，其中一个翅片48指向一个方向，而紧邻的翅片48则指向相反方向。此外，混合器37的翅片48可在平行于第二支撑元件44的多个列53中对齐，并且每个列53中的所有翅片48可指向相同的方向，使得翅片48的定位方向在相邻列53之间交替。尽管图2示出了翅片的七个排50和七个列53，在每一排/列中具有三到七个翅片48，但是应当理解，排50的数目、列53的数目和每一排/列中翅片48的数目可随排气管18的直径而变化，排气管直径越大，使用的排/列数目越多，每一排/列中的翅片数目越多。第一混合器37还可包括弯曲凸片52，以允许混合器37附接(例如，焊接)至排气管18的内壁，使得第一混合器37在排气管18中保持静止。
图4-5中单独示出旋流混合器38。旋流混合器38可包括允许还原剂28和废气16从中流过的基部54。旋流混合器38还可包括旋流翅片58的多个阵列56，旋流翅片58的多个阵列56沿排气管18中的废气16的流动方向(即，沿排气管18的下游方向)从基部54伸出。如本文所用，“阵列”是以平行的排60排列的一组旋流翅片58，其中阵列中的所有旋流翅片58沿共同方向62定位，其中翅片的顶部59全部指向共同方向62(见图4)。另外，在每个阵列56中，排60可彼此等距间隔开，并且每个排60中的旋流翅片58可彼此等距间隔开，以提供规则和重复的旋流翅片58图案。阵列56可彼此相同，并且可相对于彼此布置以提供围绕旋流混合器38的中心64的环形结构，该环形结构可顺时针或逆时针运行以在流经混合器38的还原剂和废气中引起旋流运动。例如，所示旋流混合器38包括三个阵列56，其中每个阵列56的共同方向62从紧邻的阵列56的共同方向62旋转约60°，以形成围绕中心64的三角形结构，但是其他数量的阵列相对于彼此也可能具有不同的旋转角度。因此，在所示实施例中，旋流混合器38表现出三倍旋转对称。
应当注意，旋流混合器38在排气管18中保持静止且不旋转，并且旋流运动由阵列56的环形结构产生。在混合器38的可选构型中，阵列56可彼此不同。另外，尽管图4-5示出了每个阵列56中旋流翅片58的四个排60，以及每个排60中的三到四个旋流翅片58，但应理解旋流混合器38的可选设计可以在每排中具有更多或更少排和/或数目的翅片。例如，排60的数目以及各排60中的旋流翅片58的数目可随排气管18的直径而调整。
继续参考图4-5，在所示的具有三个阵列56的实施例中，旋流混合器38的基部54可包括从混合器38的中心64径向延伸的三个径向支腿66，并且三个径向支腿66可沿圆周方向68彼此等距间隔约120°(参见图4)。此外，多个旋流翅片58可与每个径向支腿66一体形成(或以其它方式连接到每个径向支腿66上)，并可从每个径向支腿66伸出，以在阵列56的一个中形成翅片的排60的一个。即，旋流翅片58的定位方向在相邻阵列56中旋转60°之前，每个径向支腿66可支撑阵列56中的最后一排60的翅片。每个径向支腿66还可包括弯曲凸片70，其从旋流混合器38延伸，以允许混合器38附接(例如通过焊接附接)到排气管18的内壁。在其它实施例中，可采用更多或更少的径向支腿。
现转向图5，在所示的具有三个径向支腿66的实施例中，基部54还可包括在径向支腿66之间的三个栅格72，径向支腿66支撑并使阵列56相互连接。栅格72可由多个支撑元件74构成，每个支撑元件74跨越两个相邻的栅格，从而为混合器38提供互连性和结构稳健性。具体地，每个支撑元件74可包括位于栅格72的一个中的第一支撑元件76，该第一支撑元件76与相邻栅格72中的第二支撑元件78一体形成(或以其它方式附接至该第二支撑元件78)。在每个栅格72中，多个第一支撑元件76可与多个第二支撑元件78垂直并且相交以限定孔80，孔80允许还原剂28和废气16通过混合器38。此外，第一支撑元件76可与旋流翅片58一体形成(或以其它方式附接到旋流翅片58上)，以限定阵列56中的排60中的一个。此外，每个栅格72中的第一支撑元件76可以平行于径向支腿66延伸，该径向支腿66支撑同一阵列56中的旋流翅片58，而第二支撑元件78可以与阵列56中的第一支撑元件76和径向支腿66垂直并且相连。此外，在采用不同数量的径向支腿66的其他实施例中，可在径向支腿66之间形成相应数量的栅格72。
如图6所示，旋流混合器38的基部54可以是平面的并且沿着平面81延伸，并且旋流翅片58可以相对于基部54的平面81以固定的角度(α)从基部的下游面83伸出。角度(α)可以是约45°，但是在一些情况下，其他角度可以在约5°至约80°之间。另外，如图4-5所示，旋流混合器38的每个旋流翅片58可以具有相同的形状和尺寸。具体地，旋流翅片58可以是梯形的(参见图4-5)，长度(l)从每个翅片58的底部82延伸到顶部59，大约为30毫米(参见图6)。然而，在混合器38的可选设计中，旋流翅片58当然可以具有其它形状(例如，正方形，矩形，三角形，球形，椭圆形，其它多边形等)和尺寸。旋流混合器38的直径可以随排气管的尺寸而调整，较大的混合器与较大的排气管一起使用。在一个非限制性布置中，旋流混合器38可以具有约5英寸的直径(d)(参见图4)。
如图7所示，每个支撑元件74可以包括槽86，以在装配旋流混合器38时允许连接到其它支撑元件74。例如，每个第一支撑元件76可以具有呈现在上游侧88上的槽86，而每个第二支撑元件78可以具有呈现在下游侧90上的槽86。因此，旋流混合器38的栅格72可以通过将第一支撑元件76的槽86与第二支撑元件78的槽86连接来组装。同样地，如图8所示，每个径向支腿66可以具有呈现在上游侧92上的槽86，使得当组装旋流混合器38时，径向支腿66的槽86可以连接到第二支撑元件78的槽86(参见下文进一步的详细说明)。
工业实用性
通常，本发明的教导可以应用于许多工业，包括但不限于汽车、建筑、农业、采矿、发电和铁轨运输等应用。更具体地，本文所公开的技术可以应用于具有SCR后处理系统的多种类型的发动机和机器。此技术还可以应用于试剂与废气混合的其它类型的废气后处理系统。
现参考图9-11，示出了在装配旋流混合器38时可以涉及的步骤。即，图9-11示出了在装配具有三个阵列56的旋流混合器38时所涉及的步骤，但应理解，本文所公开的概念可以类似地应用于具有更多或更少数目的阵列的旋流混合器。三个径向支腿66中的每个首先可以与多个支撑元件74分开装配以形成三个单元102。例如，图9示出了通过将径向支腿66的槽86嵌入到三个第二支撑元件78的槽86中而形成的一个单元102。接下来，如图10-11所示，可以通过互连支撑元件74的槽86将三个单元102装配在一起。特别地，首先可以通过将一个单元102的第一支撑元件76的槽86嵌入到另一个单元102的第二支撑元件78的槽86中而将两个单元102装配在一起以提供将两个径向支腿66互连的一个栅格72(参见图10)来实现。然后，通过互连第一支撑元件76和第二支撑元件78的槽86(参见图11)，两个装配单元102的暴露的第一和第二支撑元件76和78可以与第三单元102装配在一起。
一经组装，单元102可以在节点106处(或在径向支腿66和第一支撑元件76与第二支撑元件78之间的交点)焊接在一起，以提供完全装配的旋流混合器38(参见图11)。如图11所示，单元102可以在基座54的上游面109上焊接在一起(同样参见图6)。这里应注意的是，图9-11示出了装配旋流混合器38的一种可能的方法，但是存在用来装配混合器38的多种替代方式。举例来说，径向支腿66可以首先在中心64处焊接在一起，并且栅格72可以通过互连支撑元件74并将支撑元件74在节点106处焊接在一起而装配在径向支腿66之间。这些变化也落在本发明的范围内。
如本文所公开的，双混合器用于解决在选择性催化还原后处理系统中平衡防止还原剂沉积物积聚和增加还原剂与废气的混合质量的要求的问题。通过分离本文公开的双混合器的混合器的功能，实现了在现有技术的单个混合器上关于沉积物减少和混合质量的改进性能。本发明的双混合器包括放置在还原剂喷射器下游的第一混合器，以通过拦截来自喷射器的还原剂液体并将还原剂液体分散成更小的液滴来减少沉积物的形成。第一混合器包括栅格结构和从栅格以20°角度伸出的多个梯形翅片，以促进还原剂的蒸发并减少沉积物的形成。双混合器还包括第一混合器下游的旋流混合器，旋流混合器可以增强从第一混合器遗留的液滴的蒸发，并且促进还原剂与废气的气相混合，以提高下游SCR催化剂处的NOx转化效率。即，旋流混合器包括三个梯形翅片阵列的环形构型，其在还原剂和废气的混合物上施加适度的旋流力，该旋流力足够的强以提供充分的混合，但是又足够的弱以避免还原剂液滴不期望地施加到排气管壁上。此外，旋流混合器表现出具有三重旋转对称的栅格的互连框架，与现有技术的互连较少的混合器相比，此互连框架提供了更结实和更坚固的结构。本文所公开的技术可以在许多不同的领域中找到广泛的工业实用性，例如但不限于建筑、采矿、农业、汽车和铁轨运输应用。

Claims (10)

1.一种用于在选择性催化还原后处理系统(24)的混合段(34)中将还原剂(28)与废气(16)混合的双混合器(36)，包括：
第一混合器(37)，定位在所述混合段(34)中，并且包括栅格(40)，所述栅格允许还原剂(28)和废气(16)从中流过，所述第一混合器(37)进一步包括沿所述废气(16)的流动方向从所述栅格(40)伸出的多个梯形翅片(48)；以及
旋流混合器(38)，定位在所述混合段(34)中的第一混合器(37)的下游并且与所述第一混合器(37)隔开一定距离，所述旋流混合器(38)包括允许还原剂(28)和废气(16)从中流过的基部(54)，所述旋流混合器(38)进一步包括沿所述废气(16)的流动方向从所述基部(54)伸出并且围绕所述旋流混合器(38)的中心(64)以三角形构型布置的旋流翅片(58)的三个阵列(56)，以在从所述旋流混合器(38)流过的还原剂(28)和废气(16)中引起旋流运动，每个阵列(56)中的所述旋流翅片(58)沿共同方向(62)定位，所述共同方向(62)从相邻阵列(56)中的所述旋流翅片(58)的共同方向(62)旋转约60°。
2.根据权利要求1所述的双混合器(36)，其中所述第一混合器(37)能够用于促进从中流过的所述还原剂(28)的蒸发，并且所述旋流混合器(38)能够用于促进所述还原剂(28)与所述废气(16)的混合。
3.根据权利要求2所述的双混合器(36)，其中所述第一混合器(37)的栅格(40)是平面的，并且其中所述梯形翅片(48)相对于所述栅格(40)成大约20°的角度。
4.根据权利要求3所述的双混合器(36)，其中所述第一混合器(37)的栅格(40)由多个第一支撑元件(42)形成，所述多个第一支撑元件(42)与多个第二支撑元件(44)垂直并且相交布置，并且其中所述梯形翅片(48)与所述第一支撑元件(42)一体地形成并且从所述第一支撑元件(42)伸出。
5.根据权利要求4所述的双混合器(36)，其中所述第一混合器(37)包括梯形翅片(48)的多个平行排(50)，并且其中每个所述平行排(50)中的梯形翅片(48)沿定位方向交替。
6.根据权利要求5所述的双混合器(36)，其中所述第一混合器(37)包括所述梯形翅片(48)的七个平行排(50)，并且其中每个所述平行排(50)包括所述梯形翅片(48)中的三至七个。
7.根据权利要求5所述的双混合器(36)，其中所述第一混合器(37)的每个所述梯形翅片(48)具有大约15毫米的长度，以及具有大约1毫米到大约2毫米之间的厚度。
8.根据权利要求5所述的双混合器(36)，其中所述旋流混合器(38)的每个所述阵列(56)包括沿所述共同方向(62)定位的旋流翅片(58)的平行排(60)。
9.根据权利要求8所述的双混合器(36)，其中所述旋流混合器(38)的基部(54)包括三个径向支腿(66)，每个所述径向支腿从所述旋流混合器(38)的中心(64)径向延伸并且沿圆周方向(68)彼此间隔开大约120°，其中所述基部(54)进一步包括在所述三个径向支腿(66)之间的三个栅格(72)，并且其中每个所述栅格(72)由相交的支撑元件(74)形成。
10.一种用于在选择性催化还原催化剂(32)上游的排气管(18)中将还原剂(28)与废气(16)混合的双混合器(36)，包括：
第一混合器(37)，包括平面栅格(40)和沿所述废气(16)的流动方向从所述平面栅格(40)伸出的梯形翅片(48)的多个平行排(50)，每个平行排(50)中的梯形翅片(48)沿定位方向交替并且相对于所述平面栅格(40)成大约20°的角度；以及
旋流混合器(38)，在所述第一混合器(37)的下游并且与所述第一混合器(37)隔开一定距离，所述旋流混合器(38)包括平面基部(54)，所述平面基部(54)具有从所述基部(54)的中心(64)径向延伸并且沿圆周方向(68)彼此等距间隔开的多个径向支腿(66)，所述旋流混合器(38)进一步包括沿废气(16)的流动方向从每个径向支腿(66)伸出的多个梯形旋流翅片(58)，从每个所述径向支腿(66)伸出的梯形旋流翅片(58)沿共同方向(62)定位，所述共同方向(62)相对于从相邻径向支腿(66)伸出的所述梯形旋流翅片(58)的共同方向(62)旋转一定角度。
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