专利名称：环式还原剂混合器的制作方法
技术领域：
本发明涉及发动机排气后处理系统，并且更具体地涉及采用用于NOx还原技术的还原剂的排气后处理系统。
背景技术：
在用于动力系统的排气处理或后处理系统中可包括选择性催化还原(SCR)系统，以除去或还原来自发动机排气的氮氧化物(NOx或NO)排放物。SCR系统使用被导入排气系统中的还原剂，例如尿素。美国专利US 7，581，387公开了一种包括用于使尿素与排气流混合的混合叶片的混合系统
发明内容
本发明提供了一种包括构造成将还原剂导入排气管道中的喷射器和配置在排气流中的环的发动机排气后处理系统。
图I是包括发动机和带有混合器的后处理系统的动力系统的概略图。图2是混合器的正视图。图3是混合器的另一个实施例的正视图。图4是混合器的另一个实施例的正视图。图5是混合器的另一个实施例的正视图。图6是混合器的另一个实施例的正视图。图7是加入了混合器的双支管后处理系统的概略图。
具体实施例方式如图I所示，动力系统10包括发动机12和用于处理由发动机12产生的排气流16的后处理系统14。发动机12可包括其他未示出的特征结构，例如控制器、燃料系统、空气系统、冷却系统、周边设备、传动系构件、涡轮增压器、排气再循环系统等。发动机12可以是任何类型的发动机(内燃、气体、柴油、气态燃料、天然气、丙烷等)，可以具有任何尺寸，带有任何数量的气缸，并且采用任何构造(“V”型、直列、径向等)。发动机12可以用于驱动任何机器或其他装置，包括公路卡车或车辆、野外卡车或机械、运土设备、发电机、航天应用、机车应用、海洋应用、泵、静止设备或其他发动机驱动的应用。后处理系统14包括排气管道18和选择性催化还原(SCR)系统20。SCR系统20包括SCR催化剂22、混合管道24、混合器26和还原剂供应系统28。SCR催化剂22包括配置在基底上的催化剂材料。基底可由堇青石、碳化硅、其他陶瓷或金属组成。基底可包括多个贯通的通道并且可形成蜂窝结构。
还原剂供应系统28可包括还原剂30、还原剂源32、泵34、阀36、还原剂管线38和喷射器40。还原剂30经由泵34从还原剂源32被抽吸并且经由阀36来控制向喷射器40的输送。也可通过泵34的运转来控制还原剂30的流动。混合管道24是还原剂30被导入的排气管道18的区段。混合管道24包括内壁25和外壁27。混合管道24还由内宽29限定。还原剂供应系统28还可包括用于解冻冻结的还原剂30、防止还原剂30冻结或防止还原剂30过热的热管理系统。还原剂供应系统28的构件也可以是绝热的，以防止还原剂30过热。还原剂供应系统28还可包括用于导入压缩空气以协助在还原剂喷雾44中形成小液滴的空气辅助系统。空气辅助系统也可被用来在未使用时对还原剂管线38和其他还原剂供应系统28构件驱送还原剂30。还原剂30来自喷射器40的喷嘴或喷射器末端42，以形成还原剂喷雾44或者以其他方式导入排气流16或SCR催化剂22中。喷射器末端42的位置可以使得沿混合管道24和混合器26的中心线直接向下引导还原剂喷雾44。 后处理系统14也可包括柴油氧化催化剂(DOC)46、柴油颗粒过滤器(DPF)48和净化催化剂50。DOC 46和DPF 48可以如图所示位于同一个罐中或者是分开的。SCR催化剂22和净化催化剂50也可如图所示位于同一个罐中或者是分开的。后处理系统14构造成从排气流16除去、收集或转化不希望有的成分。DOC 46将一氧化碳(CO)和未燃烧的碳氢化合物(HC)转化成二氧化碳(C02)。DPF 48收集颗粒物质或炭烟。SCR催化剂22构造成在存在还原剂30的情况下减少还原排气流16的NOx的量。还可包括热源52，以从DPF 48除去炭烟，热管理SCR催化剂22、DOC 46或净化催化剂50，以从SCR催化剂22除去硫，或者除去可能已形成的还原剂30的沉淀物。热源52可体现为燃烧器、用于在DOC 46上形成放热反应的碳氢化合物计量供给系统、电加热元件、微波装置或其他热源。热源52也可体现为使发动机12在产生升高的排气流16温度的状态下运转。热源52也可体现为排气中的背压阀或另一个制约装置，以使排气流16温度升高。在图示的实施例中，排气流16离开发动机12，绕开或经过热源52，经过DOC 46、DPF 48，然后经过SCR系统20，并且然后经由排气管道18经过净化催化剂50。也可在SCR系统20上游、下游或其内部设置其他排气处理装置。在图示的实施例中，SCR系统20位于DPF 48下游并且DOC 46位于DPF 48上游。热源52位于DOC 46上游。净化催化剂50位于SCR系统20下游。在其他实施例中，这些装置可采用各种次序布置并且可组合在一起。在一个实施例中，SCR催化剂22可与DPF 48组合，其中催化剂材料沉淀在DPF 48上。虽然其他还原剂30是可能的，但尿素是最普遍的还原剂30的源。尿素还原剂30分解或水解成氨(NH3)并且然后被吸收或以其他方式存储在SCR催化剂22中。混合管道24可以很长，以协助还原剂30的混合或均匀分配到排气流16中并提供用于尿素还原剂30转化成NH3的停留时间。NH3通过NOx还原成氮气(N2)而在SCR催化剂22中被消耗。净化催化剂50可体现为氨氧化催化剂(AMOX)。净化催化剂50构造成捕获、存储、氧化、还原和/或转化可滑过或穿过SCR催化剂22的NH3。净化催化剂50也可构造成捕获、存储、氧化、还原和/或转化其他存在的成分。
也可包括控制器和传感器系统，以控制发动机12、热源52、还原剂供应系统28和动力系统10或其应用中的其他构件。混合器26包括环绕部件或环54。环54如图所示是平坦的，具有超环面形状和矩形截面，类似于垫圈。在其他实施例中，环54可具有各种其他截面，包括圆形。环54包括正面表面(face surface) 55、内表面56和外表面57。环54由在排气流16的流动方向上的厚度58、内径60、外径61和环宽度62限定。环宽度62是形成环54的部件的宽度并且是内径60与外径61之差的一半。环54的内径60限定中央开口 64。由于环54可以是平坦的，所以环的表面可以贯穿厚度58是一致的并与正面表面55相同。横向平面65穿过混合器并切割混合管道24。横向平面65包括与它平行的平面群组。横向平面65可沿着正面表面55布置或者可延伸穿过混合器26的另一个部分。横向平面65可垂直于排气流16，如图所示。横向平面65也可垂直于混合管道24的内壁25。在其他实施例中，横向平面65可与排气流16和内壁26成各种角度配置。 虽然将环54描述和示出为超环面和圆形的并具有“直径”，但环54也可以是矩形的、八边形的、三角形的或任何其他形状。环54的形状可与混合管道24的内周一致并且可相应与容纳它的混合管道24的形状的至少一部分匹配。环54也可具有不同于混合管道24的形状并且尺寸适于配合在混合管道24内(例如，环54可具有配合在圆形混合管道24内的正方形形状)。环宽度62可以是或不是恒定的。环54的外形也可不同于内部形状(例如，外形可以是圆形的，而内部形状和中央开口 64可以是矩形的)。混合器26也可包括将环54与混合管道24的内壁25分开的间隔件66。间隔件66也可用来安装环54。环54的外表面57与内壁25之间的分隔限定间隙68。间隙68可以是环形的或者具有不同形状。间隙68可具有间隙宽度70。间隙宽度70在环54周围可以是或不是恒定的。在一些实施例中，在环54的一些部位可以不存在间隙68。以下提供混合器26的一些尺寸情况。这些尺寸情况可取决于在不同的动力系统10之间会有所改变的大量变量。例如，适当的混合器26尺寸可取决于排气流16速度、混合管道24尺寸、发动机12负载循环、发动机12背压要求、还原剂喷雾44液滴尺寸、还原剂喷雾44速率。为了说明这些变量，在比率方面限定以下尺寸并提供范围。间隙宽度70可以是大约1/8英寸。在其他实施例中，间隙宽度70可以介于1/16与1/4英寸之间。在另外的其他实施例中，间隙宽度70可以介于1/16与1/2英寸之间。间隙宽度70的尺寸也可以是内宽29的函数。在一个实施例中，间隙68沿着横向平面65的面积可以是混合管道沿着横向平面65的面积的大约I. 3%。在其他实施例中，间隙68沿着横向平面65的面积可以介于混合管道沿着横向平面65的面积的O. 5%与5%之间、O. 1%与10%之间或O. 7%与2%之间。环宽度62可以是大约2英寸。在其他实施例中，环宽度62可介于I与3英寸之间。在另外的其他实施例中，环宽度62可介于O. 5与5英寸之间。环宽度62的尺寸也可以是内宽29的函数。在一个实施例中，环宽度62可以是内宽29的大约10%。在其他实施例中，环宽度62可以介于内宽29的5%与15%之间或2%与25%之间。间隙宽度70和环宽度62也可选择成根据内宽29实现中央开口 64的给定尺寸。在一个实施例中，中央开口 64沿着横向平面65的面积可以是混合管道24沿着横向平面65的面积的大约62%。在其他实施例中，中央开口 64沿着横向平面65的面积可以介于混合管道24沿着横向平面65的面积的50 %与70 %之间、40 %与80 %之间、30 %与80 %之间或20%与90%之间。环54可以由金属板构成，并且因此厚度58可以比较小，不过它可以是各种尺寸。在一个实施例中，该厚度可以小于I (一)英寸。在另一个实施例中，该厚度可以小于1/4英寸。厚度58也可小于环宽度62。图2-6示出了具有如下所述的各种特征的 混合器26的各种实施例。混合器26可包括文中描述的特征的任何组合。图2将环54作为实心表面示出。图2还示出间隔件66可由将环54与内壁25分离并安装或连接到内壁25的点焊72形成。图3示出了环54可包括穿过正面表面55的一个或多个开口 73。开口 73可具有在环54上的各种位置并且可形成各种图案。图3还示出间隔件66可由从环54的外表面57延伸的接片(tab) 74形成。接片74的远端然后可焊接、插入或以其他方式连接到混合管道24，以将环54与内壁25分离并安装或连接到内壁25，并且形成间隙68。图4示出了混合器26可包括延伸到中央开口 64中的中央结构76。这些中央结构76可从环54的内表面56或从另一个位置或本体延伸。中央结构76可体现为大的部件、小的金属丝或丝网。图5示出了可在混合器26上增加导流板78。导流板78包括导流板开口 80和偏转器82。偏转器82与排气流16成小于90度的角度配置并由此引导排气流16以一定角度通过导流板开口 80。导流板78可通过弯曲切口 84或冲压扇形部(scallop)86而形成。图6示出偏转器82也可由间隔件66或中央结构76形成。图I示出了混合器26在混合管道24中的位置。混合器26在距喷射器末端42的混合器距离88处配置在内壁25内。混合器距离88可以是这样的当还原剂喷雾44到达环54时，喷雾44在其膨胀时的尺寸大致为中央开口 64的尺寸。图7示出了混合器26可用于双支管后处理系统90中。双支管后处理系统90包括接收排气流16和来自还原剂供应系统28的还原剂30的第一和第二 SCR支管91和92。来自混合管道24的排气流16在排气管道18的分隔区段93中被分割或分隔。分隔区段93可位于混合器26下游的分隔距离94处。分隔距离94可比混合器距离88长。在一个实施例中，分隔距离可以是内宽29的函数。分隔距离94可以是内宽29的大约I. 2倍。在其他实施例中，分隔距离94可为内宽29的多于I. 2倍、I与2倍之间或I与3倍之间。双支管后处理系统90也可包括将排气流16输送至还原剂供应系统28的第一和第二进入支管95和96。来自第一和第二进入支管95和96的排气流16在排气管道18的合并区段97中被分割或分隔。第一和第二进入支管95和96被示出为包括DPF 48和DOC 46，但可以不包括上述任何一者，或者可以包括其他构件。在一个实施例中，第一和第二进入支管95和96不包括DPF 48。第一和第二进入支管95和96也可被示出为相对于第一和第二 SCR支管91和92成直角配置，但可以成各种其他角度配置或可以线性地配置。双支管后处理系统90也可被容纳在带有分隔排气流的内壁的盒结构中。
混合器26构件可由钢或任何其他各种材料构成。混合器26也可涂覆有协助还原剂30转化或水解成NH3的材料。工业实用件混合器26有助于将还原剂30均匀地分配或混合到排气流16中，促进还原剂30转化成NH3，并且防止沉淀物的形成。混合器26还应该便宜、小并且形成最低背压。然而，这些特征常常互相冲突。例如，较大和复杂的结构可在将还原剂30均匀地分配到排气流16中和促进还原剂30转化成NH3方面有效但不便宜，占据过多的空间，并且常常形成大量背压。将还原剂30均匀地分配到排气流16中通过将NH3均匀地引导到SCR催化剂的所有通道而提高了 SCR系统20的效率并因此能发生大量转化。将还原剂30均匀地分配到排气流16中也可减少实现较大的效率所需的还原剂30的量。将还原剂30均匀地分配到排气流16中还可防止将过多NH3引导到可导致NH3滑过的一部分SCR催化剂区域。当还原剂30未迅速分解成NH3时可能形成沉淀物，并且聚集还原剂30的厚层。这 些层可随着越来越多的还原剂30被喷射或收集而积累，这可具有阻止分解成NH3的冷却作用。结果，还原剂30升华成晶体或者以其他方式转变成固体组分而形成沉淀物。沉淀物组分可包含缩二脲(NH2C0NHC0NH2)或三聚氰酸((NHCO) 3)或另一种组分，取决于温度和其他条件。这些沉淀物可形成在还原剂喷雾44撞击、沉淀或停滞的区域内或表面上。这些沉淀物可对动力系统10的运转有不利影响。沉淀物可阻塞排气流16流动，导致较高的背压并降低发动机12和后处理系统14性能和效率。沉淀物也可中断还原剂30流动和混合到排气流16中，由此减少分解成NH3并降低NOx还原效率。沉淀物的形成还消耗了还原剂30，使喷射的控制更难并且潜在地降低了 NOx还原效率。沉淀物还可能腐蚀和降解SCR系统20的构件。限制背压增加也很重要。高背压会危害发动机12性能。高背压还可引起沉淀物形成和排气泄漏。环54可形成有限的背压，同时仍实现较高的还原剂30混合到排气流16中的程度。中央开口 64的大尺寸限制了制约并且还形成排气流16的翻滚(tumbling)，这种翻滚对于使还原剂30混合到排气流16中有效。许多其他混合器设计实现了通过旋流混合或形成高紊流水平。这些混合器具有复杂和庞大的结构，并且因此往往很昂贵并产生背压。相反，已发现通过环54实现的翻滚对于混合有效，同时生产起来也便宜，并且不会产生其他混合器那么大的量的背压。环54的平坦形状通过切割便宜的简单板材而有利于其制造。更复杂的混合器需要昂贵的更复杂的切割、弯曲和焊接。可采用间隙68以允许排气流16流过，同时仍实现上述翻滚效果。这种流过防止否则将形成沉淀物的还原剂30的停滞聚集。这种流过还有助于减少背压。如果间隙68过大，则上述翻滚效果可能受到阻碍，因为大量流动将仅在环54周围进行而不是经中央开口64翻滚。如果间隙68过小，则所述流过可能不足以防止沉淀物或实现背压的显著减少。间隙68可沿着沿环54的外表面57的周边定位，因为这是还原剂将聚集的部位。在一些实施例中，间隙68可仅位于环54的底部，还原剂30否则会聚集在这里。混合器26与喷射器末端42的混合器距离88可影响沉淀物的形成和混合效力。如果混合器距离88过短，则还原剂喷雾44将集中在小的空间中，因为喷雾44还没有膨胀。相应地，还原剂喷雾44可仅通过中央开口 64的精确中央部。由于喷雾44将集中在小的空间中并且仅通过中央开口的中心，所以上述翻滚效果可能不会起作用，并且还原剂30混合到排气流16中可能不会达到期望的程度。如果混合器距离88过长，则还原剂喷雾44将已膨胀到较大的体积并且可在转化为NH3前撞击在环54或内壁25上。这种撞击可能导致如上所述形成沉淀物。可采用开口 73来帮助减少背压并且还可减轻重量。也可使用开口 73来形成还原剂30聚集的流过和排出区域，由此防止沉淀物。中央结构76可帮助使还原剂喷雾44碎化和雾化，由此有助于转化为NH3。中央结构76还可将可帮助转化为NH3的紊流导入排气流16中。中央结构76可以不形成沉淀物，因为它们位于具有高流速和高温度的区域内。中央结构76还可增加混合器26的刚性和结构强度。可采用导流板78以除翻滚外还将旋流导入排气流16中以用于另外的混合。在一些实施例中，导流板78可产生反向旋转旋流。与开口 73—样，导流板78还可帮助减少背 压并且还可减轻重量。也可使用导流板78来形成还原剂30聚集的流过和排出区域，由此防止沉淀物。混合器26也可适合于双支管后处理系统90。双支管后处理系统90常常与较大型的发动机系统联用。双支管后处理系统90可允许使用较小的后处理基底。由于这些基底常常是复杂的陶瓷体，所以它们可采用较小的尺寸更经济地生产。较小的尺寸还可改善包装选择并且改善跨基底面的流动分布。由于混合器26导入有限的背压，所以它可均匀地结合来自第一和第二进入支管95和96的排气流16。通过混合器26形成的翻滚还可帮助将排气流16流动分隔到第一和第二离开支管91和92中。极大地依赖于旋流和紊流的混合器可形成朝第一和第二离开支管91和92中的任一者的偏流。分隔距离94可影响排气流16流动均匀分隔到第一和第二离开支管91和92中并防止形成沉淀物。分隔距离94可影响排气流16流动均匀分隔到第一和第二离开支管91和92中。如果分隔距离94过短，则还原剂30可能没有时间转化成NH3并且来自混合器26的翻滚作用可能大。在分隔区段93前不良转化成NH3可能随着还原剂撞击在壁上而产生沉淀物。大的翻滚可能导致偏向第一和第二离开支管91和92中的一者。如果分隔距离过长，则可能引起双支管后处理系统90的包装困难并且可能导致损失激活SCR催化剂22和防止形成沉淀物所需的热量。虽然上文将混合器26描述为协助将还原剂导入排气流，但也可设想，混合器26可用来协助将任何各种物质导入任何各种流动中。尽管如文中所述的本发明的实施例可以合并而不脱离以下权利要求的范围，但对于本领域技术人员而言将显而易见的是，可以作出各种改型和变型。根据说明书和对本发明的实践，其他实施例对本领域技术人员来说将显而易见。应该认为说明书和示例仅为示范性的，本发明的真实范围由以下权利要求和它们的等同方案指明。
权利要求
1.一种发动机排气后处理系统(14),包括 构造成将还原剂(30)导入发动机(12)的排气管道(24)中的喷射器(40)和配置在所述排气管道(24)中的环(54)。
2.根据权利要求I所述的发动机排气后处理系统(14)，其中，所述环(54)是平坦的。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的发动机排气后处理系统(14)，其中，所述环(54)是超环面的并具有矩形截面。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的发动机排气后处理系统(14)，其中，所述环(54)限定中央开口(64)，所述中央开口沿着所述排气管道(24)的横向平面(65)的面积介于所述横向平面(65)在所述排气管道(24)内的面积的50%与70%之间。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的发动机排气后处理系统(14)，其中，所述环(54)限定围绕所述环(54)的周边延伸的间隙(68)，所述间隙由所述环的外表面(57)与所述排气管道(24)的内壁(25 )之间的间隔件(66 )形成。
6.根据权利要求5所述的发动机排气后处理系统(14)，其中，所述间隙(68)具有介于1/16与1/2英寸之间的宽度(70)。
7.根据权利要求5所述的发动机排气后处理系统(14)，其中，所述间隙(68)具有介于所述排气管道(24)的横向平面(65)在所述排气管道(24)内的面积的O. 5%与5%之间的沿着所述横向平面(65)的面积。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的发动机排气后处理系统(14)，其中，所述环(54)位于距所述喷射器(40)的一定距离(88)处，使得当所述还原剂(30)的喷雾(44)到达所述环(54)时，所述喷雾(44)不大于中央开口(64)。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的发动机排气后处理系统(14)，其中，所述排气管道(24 )在所述环(54 )下游距所述环(54 )大于所述排气管道(24 )的宽度(29 )的距离(94 )处分隔成2个或更多个支管(91，92)。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的发动机排气后处理系统(14)，其中，所述环(54)包括多个开口(73)、偏转器(82)和延伸到所述环(54)中的中央开口(64)内的中央结构(76)。
全文摘要
发动机排气后处理系统包括配置在排气管道中的环。该环有助于由喷射器导入的还原剂的导入和转化。
文档编号F01N3/28GK102933810SQ201180027335
公开日2013年2月13日 申请日期2011年4月1日 优先权日2010年4月5日
发明者Y·T·布伊, 古玉祥, 孙金辉 申请人:卡特彼勒公司