CN111550300A - 用于排气系统的混合器 - Google Patents

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Abstract

提出了用于排气系统的混合器，包括限定中心轴线的混合器壳体和多个横向叶片。每个横向叶片具有将第一叶片连接到第二叶片的中心部分。第一叶片具有经由第一固定槽固定到混合器壳体的第一端，而第二叶片具有经由第二固定槽固定到混合器壳体的第二端。提出了一种混合方法，还包括在多个横向叶片的上游喷射流体，以与由多个横向叶片产生的废气的旋涡流均匀混合。

Description

用于排气系统的混合器
背景技术
车辆中的排气系统包括后处理部件，比如，用于减少车辆发动机产生的废气排放的柴油氧化催化器(DOC)、柴油颗粒过滤器(DPF)、稀燃氮氧化物捕集(LNT)和选择性催化器还原(SCR)。排气系统还包括喷射系统，其在SCR上游喷射柴油机排气流体(DEF，柴油机尾气处理液)、或诸如尿素和水的溶液之类的还原剂，这用于减少氮氧化物(NOx)排放。混合装置定位在SCR上游，并混合发动机排放气体和尿素转化的产物。喷射系统包括定量器或喷射器，其沿着沿喷射轴线的方向将流体喷射到排气流中。在到达SCR之前，应将流体喷雾尽可能多地转化为氨(NH3)。
混合装置的作用是经由混合装置通过撞击、热分解和/或汽化来分解液态尿素，然后将排放气体和尿素混合，以将所得的氨提供到SCR催化器中。在一种已知的构造中，混合系统包括喷射器、混合腔室和定位在混合腔室内的混合装置。当将流体喷射到流过混合腔室的排气流中时，该流体被喷射器雾化，并且雾化的流体通过热分解而转变成氨。氨气吸收SCR催化器周围的水，并且随后NOx排放转化为氮气(N2)和水(H2O)。
现有的混合装置可能对混合装置在混合腔室内的取向和/或对喷射轴线的取向敏感。结果，当混合装置或喷射轴线的取向不是最佳时，混合性能可能降低。因此，重要的是，混合装置将排放气体(废气)和氨的均匀混合物提供到SCR催化器中，而不考虑混合装置和喷射轴线的取向。
发明内容
在一个示例性实施例中，一种用于排气系统的混合器包括限定中心轴线的混合器壳体和多个横向叶片。每个横向叶片具有将第一叶片连接到第二叶片的中心部分。第一叶片具有经由第一固定槽固定到混合器壳体的第一端，而第二叶片具有经由第二固定槽固定到混合器壳体的第二端。
在另一实施例中，混合器壳体包括圆筒形本体，并且其中第一固定槽和第二固定槽围绕中心轴线周向地彼此间隔开。
在上述任一实施例的另一实施例中，多个横向叶片至少包括第一横向叶片和第二横向叶片，并且其中第一横向叶片的中心部分与第二横向叶片的中心部分轴向地间隔开，使得中心部分沿着中心轴线以堆叠关系布置。
在上述任一实施例的另一实施例中，多个横向叶片中的第一叶片和第二叶片围绕中心轴线周向地彼此间隔开，并且其中每个叶片具有从上游叶片端弯曲到下游叶片端的弯曲表面。
在另一个示例性实施例中，排气后处理系统包括：混合腔室，其构造成接纳发动机废气；圆筒形本体，其安装在混合腔室内并限定中心轴线；以及至少第一横向叶片和第二横向叶片。第一横向叶片具有将第一叶片连接到第二叶片的第一中心连接部分，而第二横向叶片具有将第三叶片连接到第四叶片的第二中心连接部分。第一叶片具有经由第一固定槽固定到圆筒形本体的第一端，而第二叶片具有经由第二固定槽固定到圆筒形本体的第二端。第三叶片具有经由第三固定槽固定到圆筒形本体的第三端，而第四叶片具有经由第四固定槽固定到圆筒形本体的第四端。第一、第二、第三和第四固定槽围绕中心轴线周向地彼此间隔开。
在上述任一实施例中的另一实施例中，至少一个后处理装置在第一横向叶片和第二横向叶片的下游。喷射器将流体喷射到第一横向叶片和第二横向叶片上游的混合腔室中。
一种示例性方法，包括以下步骤：提供限定中心轴线的混合器壳体和多个横向叶片，其中每个横向叶片具有将第一叶片连接到第二叶片的中心连接部分；经由第一固定槽将每个第一叶片的外端固定到混合器壳体，并经由第二固定槽将每个第二叶片的外端固定到混合器壳体；以及，在多个横向叶片的上游喷射流体以通过多个横向叶片与所产生的废气的旋涡流均匀混合。
从以下说明书和附图将会最佳地理解本申请的这些和其它特征，以下是附图说明。
附图说明
图1示意性地示出了具有根据本发明的混合器的排气系统的一个示例。
图2A是混合器的一端的立体图。
图2B是图2A所示的混合器的相对端的立体图。
图3是图2A所示的混合器的前视图。
图4是图2A所示的混合器的圆筒形本体的立体图。
图5是来自图2A所示的混合器的多个横向叶片的侧视图。
图6是图5所示的横向叶片之一的俯视图。
图7是图6所示的横向叶片的端视图。
具体实施方式
图1示出了用于车辆的排气后处理系统10，该排气后处理系统10通过各种排气部件和装置传导由发动机12产生的热废气，以如已知地那样减少排放并控制噪音。系统10包括用于后处理部件的混合装置14，其在将混合物引入后处理部件之前高效且均匀地混合所喷射的流体和热的发动机废气。混合装置14还均匀地混合流体和废气，而不考虑系统10内的喷射轴线和混合装置的取向。
图1是示出根据本发明的后处理系统10的一种示例构造的示意图。混合装置14安装有混合腔室16，该混合腔室定位在第一后处理装置18下游。在一个示例中，第一后处理装置18包括至少一个管道20，该管道从发动机12接纳废气并将发动机废气引导到柴油氧化催化器(DOC)22中。如已知的，在DOC 22下游可存在柴油颗粒过滤器(DPF)21，其用于从废气中除去污染物。在DOC 22以及可选的DPF下游是具有入口26和出口28的第二后处理装置24。在一个示例中，第二后处理装置24是选择性催化还原(SCR)催化器30。可选地，第二后处理装置24可包括催化器，其构造成执行选择性催化还原功能和颗粒过滤器功能。入口26接纳离开混合装置14的混合物。出口28将废气连通到下游的排气部件并最终连通到排气管，废气通过排气管排放到大气中。
喷射系统32用于将诸如DEF或者尿素和水的溶液之类的还原剂在混合装置14上游喷射到废气流中，使得在混合物被引入到SCR催化器30中之前，混合装置14可将流体和废气完全混合在一起。如已知的那样，喷射系统32包括流体供给部34、限定喷射轴线的定量加料器/喷射器36和控制尿素喷射的控制器38。定量加料器/喷射器36的结构和操作是众所周知的，并且任何定量加料器/喷射器36都可用于将流体喷射到排气流中。
喷射器36安装到限定混合腔室16的壳体40，并将流体喷射到混合腔室16中以与废气流混合。混合装置14定位在混合腔室16内喷射器位置的下游，并用于产生废气的涡旋或旋转运动。将例如尿素水的液相的喷射的液体引入到废气中的NOx中，并通过混合装置14进行精细混合和裂解(热解)。随后，流体转化为气相的氨气，然后在SCR催化器30中与气相的蒸汽结合，以在水解时转化为纯氮和水蒸气或水。
图2A至图2B示出了该混合装置14，其被开发为根据喷射器36和/或混合装置14的安装角度或取向来改善废气和喷射的流体颗粒的流动均匀性，并降低敏感度。混合装置14包括限定中心轴线A的混合器壳体或圆筒形本体42和多个横向叶片44。如图6最佳所示，每个横向叶片44具有将第一叶片48连接到第二叶片50的中心连接部分46。第一叶片48具有经由第一固定槽54(图2A)固定到圆筒形本体42的第一端52，而第二叶片50具有经由第二固定槽58(图2A)固定到圆筒形本体42的第二端56。
多个横向叶片44包括至少两个横向叶片44，或者在另一示例构造中，可以包括至少三个横向叶片。在较佳的构造中，如图2A、2B、3和5所示，存在至少四个横向叶片。这种构造提供了喷射流体和废气的最一致且均匀的混合。在每种构造中，每个相应的横向叶片44的第一固定槽54和第二固定槽58的组围绕中心轴线A周向地彼此间隔开，如图2A中最佳所示。
单个圆筒形本体42的使用均匀地维持了沿沿着中心轴线的方向流动的喷射流体和废气的流动。控制器38以期望的间隔经由喷射器36喷射流体，并且混合装置14在圆筒形本体42内均匀地混合废气和喷射的流体。横向叶片44联接到圆筒形本体42上并产生强旋涡和湍流混合物，然后将其引入SCR催化器30中。
如图3-4所示，圆筒形本体42具有从上游端64延伸到下游端66的内周表面60和外周表面62。第一固定槽54和第二固定槽58形成在圆筒形本体42的上游端64和下游端66中的一个中。在所示的示例中，第一固定槽54和第二固定槽58形成在上游端64中。在一个示例中，固定槽54、58形成在圆筒形本体42的上游边缘中并且从内周表面60到外周表面62完全延伸穿过圆筒形本体42的壁厚。这样，固定槽54、58形成切口或槽口，这些切口或槽口构造成接纳第一叶片48和第二叶片50的第一端52和第二端56。
在一个示例中，固定槽54、58以均匀的角度接纳叶片48、50，以便于制造。圆筒形本体42包括多个突起68，以促进圆筒形本体42在混合腔室16中的组装。在一个示例中，突起68围绕中心轴线A不均匀地间隔开。如图3的示例中所示，在圆筒形本体42的外周表面62上形成有三个突起68。突起68从本体42径向向外延伸，并与混合腔室16的内表面上的相应的安装结构相互作用以将本体42固定到限定混合腔室16的壳体40。虽然示出了三个突起68，但是应当理解，根据需要可以设置更少或更多的突起。
所喷射的流体喷雾通过废气流被引导到多个横向叶片44，在那里，喷雾与第一叶片48和第二叶片50的组的上游表面碰撞。喷雾经由热废气进行热分解，并朝向叶片48、50的端部52、56径向向外移动。
如以上讨论的，在较佳构造中，如图5所示，至少存在第一横向叶片44a、第二横向叶片44b、第三横向叶片44c和第四横向叶片44d。第一横向叶片44a具有将第一叶片48a连接到第二叶片50a的第一中心连接部分46a。第二横向叶片44b具有将第三叶片48b连接到第四叶片50b的第二中心连接部分46b。第三横向叶片44c具有将第五叶片48c连接到第六叶片50c的第三中心连接部分46c。第四横向叶片44d具有将第七叶片48d连接到第八叶片50d的第四中心连接部分46d。
第一叶片48a具有经由第一固定槽54a(图3)固定到圆筒形本体42的第一端52a(图5)，而第二叶片50a具有经由第二固定槽58a固定到圆筒形本体42的第二端56a。第三叶片48b具有经由第三固定槽54b固定到圆筒形本体42的第三端52b，而第四叶片50b具有经由第四固定槽58b固定到圆筒形本体42第四端56b。第五叶片48c具有经由第五固定槽54c固定到圆筒形本体42的第五端52c，而第六叶片50c具有经由第六固定槽58c固定到圆筒形本体42的第六端56c。第七叶片48d具有经由第七固定槽54d固定到圆筒形本体42的第七端52d，而第八叶片50d具有经由第八固定槽58d固定到圆筒形本体42的第八端56d。
每个叶片48a-d、50a-d具有在从上游端76延伸到下游端78的方向上限定的高度H。每个叶片48a-d、50a-d还具有总体直径D，该总直径横跨圆筒形本体42延伸，与中心直径A相交。连接部分46a-d包括减小的部段或颈部，其对于每个横向叶片44a-d连接相应的叶片48a-d、50a-d。减小的部段或颈部在高度H的方向上减小，使得减小的部段或颈部具有小于叶片高度H的第二高度H2。这在第一叶片48a-d和相应的第二叶片50a-d之间在径向方向上留有间隙70。
如图5中最佳所示，每个相应的横向叶片44a-d的连接部分46a-d位于叶片48a-d、50a-d之间的不同高度处。例如，第一横向叶片44a的连接部分46a位于比起上游叶片端76更靠近下游叶片端78，第二横向叶片44b的连接部分46b通常居中位于下游叶片端78与上游叶片端76之间，第三横向叶片44c的连接部分46c位于比起下游叶片端78更靠近上游叶片端76，而第四横向叶片44d的连接部分46d位于上游叶片端76处。换言之，连接部分46a-d在沿着中心轴线A的方向上彼此轴向间隔开，使得当叶片与圆筒形本体42安装在一起时，连接部分46a-d沿着中心轴线以堆叠的关系布置。这有利于将横向叶片44a-d组装在一起，并在叶片44a-d和圆筒形本体42之间提供坚固的连接结构。
如图6-7所示，每个叶片48、50在中心连接部分46处具有内边缘72，并且具有相对于内边缘72径向向外的外边缘74。每个叶片48、50还具有上游端76和下游端78。每个叶片48、50具有从上游端76延伸到下游端78的弯曲表面S。每个下游端78还限定了从内边缘72到外边缘74弯曲的弯曲部C。这些弯曲表面S和弯曲部C有助于产生旋涡流效应。
圆筒形本体42的尺寸由从中心轴线A延伸到圆筒形本体42的内表面60的半径R(图2B)限定。叶片48a-d、50a-d具有在中心轴线A处的内侧和在内表面60处的外侧。在一个示例中，叶片48a-d、50a-d的端部从内侧到外侧保持恒定的角度。在一个示例中，叶片48a-d、50a-d在内侧和外侧两者上相对于中心轴线A的角度在25度至45度的范围内。同样，在一个示例中，叶片48a-d、50a-d具有在3R至6R范围内的内曲率和在20R至26R范围内的外曲率。
如图6最佳所示，第一叶片48的第一端52包括第一臂80，第一臂80在周向方向C1上从第一叶片48的外边缘弯曲到固定在第一固定槽54中的第一远端82。.第二叶片50的第二端56包括第二臂84，第二臂84在周向方向C2上从第二叶片50的外边缘弯曲到固定在第二固定槽58中的第二远端86。在一个示例中，臂80、84形成在叶片48、50的上游端76处，并且远端82、86在连接部分46的相对侧上。第一远端82包括从第一臂80向外延伸的第一凸片88，而第二远端86包括从第二臂84向外延伸的第二凸片90。第一凸片88被接纳在第一固定槽54内，而第二凸片90被接纳在第二固定槽58内。在一个示例中，对于每个横向叶片44a-d，第一凸片88定位在距第二凸片90、相对于中心轴线A的相对侧上。
在一个示例中，叶片48、50的端部52、56包括一结构，在其中叶片48、50的上游端的远端88、90与圆筒形本体42的内表面60进入紧密接触。一旦将横向叶片44a-d固定到圆筒形本体42，这提供了坚固且耐用的构造。
当离开混合腔室16的高温废气和所喷射的流体与叶片48、50的入口侧碰撞时，混合物与叶片48、50的弯曲部分碰撞的速度最大化。结果，喷射的流体被细密雾化并与废气混合，并且同时，喷射的流体在高温废气环境中裂解(热解)。
在一个示例中，叶片48、50的向外弯曲的部分接触圆筒形本体42的内表面60，以使废气流灵活并且产生强的旋涡流和湍流，以使混合效果最大化。因此，通过混合装置14的废气和雾化流体的混合物转化为气态氨气，并且以均匀分布在上游催化器表面上的方式进入SCR催化器30。
因此，本发明包括单个圆筒形本体42和多个弯曲的横向叶片44a-d的组合，其提供废气和喷射的流体的均匀混合物，这使SCR催化器30的净化效率最大化。另外，由于多个叶片48、50的弯曲的端部部分产生了强烈的旋涡流和湍流，以减少尿素副产物在混合装置14内的累积。
尽管已经公开了本发明的实施例，但是本领域普通技术人员将认识到某些改型会落入本发明的范围内。因此，应研究以下权利要求以确定本发明的真实范围和内容。

Claims (20)

1.一种用于排气系统的混合器，包括：
限定中心轴线的混合器壳体；以及
多个横向叶片，其中每个横向叶片具有将第一叶片连接到第二叶片的中心部分，并且其中所述第一叶片具有经由第一固定槽固定到所述混合器壳体的第一端，而所述第二叶片具有经由第二固定槽固定到所述混合器壳体的第二端。
2.根据权利要求1所述的混合器，其特征在于，所述混合器壳体包括圆筒形本体，并且其中所述第一固定槽和所述第二固定槽围绕所述中心轴线周向地彼此间隔开。
3.根据权利要求1所述的混合器，其特征在于，所述多个横向叶片包括至少三个横向叶片，每个所述横向叶片包括第一叶片和第二叶片，总共至少六个叶片。
4.根据权利要求1所述的混合器，其特征在于，所述多个横向叶片至少包括第一横向叶片和第二横向叶片，并且其中所述第一横向叶片的所述中心部分与所述第二横向叶片的所述中心部分轴向地间隔开，使得所述中心部分沿着所述中心轴线以堆叠关系布置。
5.根据权利要求1所述的混合器，其特征在于，所述多个横向叶片中的所述第一叶片和所述第二叶片围绕所述中心轴线周向地彼此间隔开，并且其中每个叶片具有从上游叶片端弯曲到下游叶片端的弯曲表面。
6.根据权利要求5所述的混合器，其特征在于，每个叶片在所述中心部分处具有内边缘，并且具有在所述内边缘的径向外部的外边缘，并且其中，每个叶片在所述下游叶片端部处具有从所述内边缘延伸到所述外边缘的弯曲部。
7.根据权利要求1所述的混合器，其特征在于，所述混合器壳体具有从上游端延伸到下游端的内周表面和外周表面，并且其中所述第一固定槽和所述第二固定槽形成在所述混合器壳体的所述上游端和所述下游端中的一个中。
8.根据权利要求7所述的混合器，其特征在于，所述第一叶片的所述第一端包括第一臂，所述第一臂在周向方向上从所述第一叶片的外边缘延伸到固定在所述第一固定槽中的第一远端，并且其中，所述第二叶片的所述第二端包括第二臂，所述第二臂在周向方向上从所述第二叶片的外边缘延伸到固定在所述第二固定槽中的第二远端。
9.根据权利要求8所述的混合器，其特征在于，所述第一远端包括从所述第一臂向外延伸的第一凸片，所述第一凸片被接纳在所述第一固定槽内，并且其中，所述第二远端包括从所述第二臂向外延伸的第二凸片，所述第二凸片被接纳在所述第二固定槽内。
10.根据权利要求8所述的混合器，其特征在于，所述第一凸片和第二凸片定位在关于所述中心轴线彼此相对的侧部上。
11.根据权利要求7所述的混合器，其特征在于，所述外周表面包括多个突起，所述多个突起构造成将所述混合器壳体固定在排气后处理系统的混合腔室中。
12.一种排气后处理系统，包括：
构造成接纳发动机废气的混合腔室；
安装在所述混合腔室内的圆筒形本体，所述圆筒形本体限定中心轴线；
至少第一横向叶片和第二横向叶片，其中，所述第一横向叶片具有将第一叶片连接到第二叶片的第一中心连接部分，并且其中所述第二横向叶片具有将第三叶片连接到第四叶片的第二中心连接部分，并且其中，所述第一叶片具有经由第一固定槽固定到所述圆筒形本体的第一端，而所述第二叶片具有经由第二固定槽固定到所述圆筒形本体的第二端，并且其中，所述第三叶片具有经由第三固定槽固定到所述圆筒形本体的第三端，而所述第四叶片具有经由第四固定槽固定到所述圆筒形本体的第四端；并且
其中，所述第一固定槽、所述第二固定槽、所述第三固定槽和所述第四固定槽围绕所述中心轴线周向地彼此间隔开。
13.根据权利要求12所述的排气后处理系统，其特征在于，包括在所述第一横向叶片和所述第二横向叶片下游的至少一个后处理装置，并且包括喷射器，所述喷射器用于将流体喷射到在所述第一横向叶片和所述第二横向叶片上游的所述混合腔室中。
14.根据权利要求13所述的排气后处理系统，其特征在于，所述圆筒形本体具有从上游端延伸到下游端的内周表面和外周表面，并且其中所述第一固定槽、所述第二固定槽、所述第三固定槽和所述第四固定槽形成在所述圆筒形本体的所述上游端和所述下游端中的一个中。
15.根据权利要求14所述的排气后处理系统，其特征在于，所述外周表面包括多个突起，所述多个突起构造成将所述圆筒形本体固定在所述混合腔室中。
16.根据权利要求12所述的排气后处理系统，其特征在于，所述第一叶片的所述第一端包括第一臂，所述第一臂在周向方向上从所述第一叶片的外边缘延伸到固定在所述第一固定槽中的第一远端，并且其中，所述第二叶片的所述第二端包括第二臂，所述第二臂在周向方向上从所述第二叶片的外边缘延伸到固定在所述第二固定槽中的第二远端，并且其中，所述第三叶片的所述第三端包括第三臂，所述第三臂在周向方向上从所述第三叶片的外边缘延伸到固定在所述第三固定槽中的第三远端，并且其中，所述第四叶片的所述第四端包括第四臂，所述第四臂在周向方向上从所述第四叶片的外边缘延伸到固定在所述第四固定槽中的第四远端。
17.根据权利要求12所述的排气后处理系统，其特征在于，包括至少第三横向叶片和第四横向叶片，其中，所述第三横向叶片具有将第五叶片连接到第六叶片的第三中心连接部分，并且其中，所述第四横向叶片具有将第七叶片连接到第八叶片的第四中心连接部分，并且其中，所述第五叶片具有经由第五固定槽固定到所述圆筒形本体的第五端，而所述第六叶片具有经由第六固定槽固定到所述圆筒形本体的第六端，并且其中，所述第七叶片具有经由第七固定槽固定到所述圆筒形本体的第七端，而所述第八叶片具有经由第八固定槽固定到所述圆筒形本体的第八端。
18.根据权利要求17所述的排气后处理系统，其特征在于，所述第一中心连接部分、所述第二中心连接部分、所述第三中心连接部分以及所述第四中心连接部分沿着所述中心轴线轴向彼此间隔开，以使所述第一中心连接部分、所述第二中心连接部分、所述第三中心连接部分以及所述第四中心连接部分沿着所述中心轴线以堆叠关系布置。
19.一种方法，包括：
提供限定中心轴线的混合器壳体以及提供多个横向叶片，其中每个横向叶片具有将第一叶片连接到第二叶片的中心连接部分；
经由第一固定槽将每个第一叶片的外端固定到所述混合器壳体，并经由第二固定槽将每个第二叶片的外端固定到所述混合器壳体；以及
在所述多个横向叶片上游喷射流体以与由所述多个横向叶片产生的废气的旋涡流均匀混合。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，包括使每个横向叶片的所述中心连接部分彼此轴向间隔开，使得所述多个横向叶片的所述中心连接部分沿着所述中心轴线以堆叠关系布置。
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