用于排气后处理系统的混合器的制作方法

本公开一般涉及用于排气后处理系统的混合器，并且更具体地涉及一种用于在选择性催化还原(scr)后处理系统中将还原剂与排出气混合的旋流混合器。

背景技术

氮氧化物(nox)气体，例如一氧化氮(no)和二氧化氮(no2)，是燃料在内燃机中在高温下燃烧时可能产生的污染物。这些气体可能对健康产生不良影响，并可能参与烟雾和酸雨的形成。为了满足日益苛刻的低nox排放法规，发动机制造商可能被强制使用显著降低减少来自发动机排气的nox排放的技术。一种这样的技术是选择性催化还原(scr)后处理系统，该系统将排出气中的nox催化还原成氮和水，然后从排气口(例如尾管)释放排出气。在scr后处理系统中，还原剂作为液体注入排气管的排出气流中，并且还原剂和排出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排出气流中nox的还原。还原剂可以是氨，或者可以是随后在排出气流中被水解成氨的尿素。在柴油发动机的情况下，由尿素和水组成的还原剂被称为柴油机排气流体(def)。

在引入scr催化剂之前，还原剂应被蒸发并与排出气充分混合，以确保scr催化剂上的nox的还原有效地进行。还原剂的完全蒸发不仅有助于还原剂在排出气中的均匀分布，而且还避免了排气管中不希望的还原剂沉积物的积聚，所述积聚可能导致转换效率降低以及排气管中的背压增加。为了促进还原剂的蒸发以及还原剂与排出气的混合，可以在喷射器和scr催化剂之间的排气管中设置混合器。例如，美国专利号8,607,555公开了一种混合元件，其包括支撑在不同方向上定向的多排梯形偏导器元件的格栅。该专利还公开了一种混合元件，其包括四个偏导器元件区域，这四个区域相对于彼此转动90°，以使流过混合器的排出气和还原剂产生旋转运动。

尽管上述混合元件是有效的，但仍然需要用于排气后处理系统的改进的混合器设计，其避免还原剂液滴被迫到排气管壁。另外，还需要具有改善的结构坚固性的混合器设计。

技术实现要素：

根据本公开的一个方面，公开了一种用于在还原剂的选择性催化还原(scr)后处理系统中混合还原剂和排出气的旋流混合器。所述旋流混合器可以包括允许还原剂和排出气流过的基部，以及在排出气流动方向上从基部突出的翅片的三个阵列。这三个阵列可以围绕混合器的中心以三角形构型布置，以在流过混合器的还原剂和排出气中引起涡旋运动。每个阵列中的翅片可以在共同方向上定向，所述共同方向从相邻阵列中的翅片的共同方向旋转约60°。

根据本发明的另一方面，公开了一种用于在柴油发动机的排气管中混合还原剂和排出气的旋流混合器。所述旋流混合器可以包括允许还原剂和排出气流过的平面基部。所述基部可以包括径向支腿，每个径向支腿从基部的中心径向延伸并且在圆周方向上彼此等距地间隔开。旋流混合器还可以包括多个翅片，这些翅片在排出气流动方向上从每个径向支腿突出，以在通过混合器的还原剂和排出气中引起涡旋运动。从每个径向支腿突出的翅片可以在共同方向上定向，所述共同方向相对于从相邻径向支腿突出的翅片的共同方向旋转一定的角度。

根据本公开的另一方面，公开了一种用于柴油发动机的排出气的选择性催化还原(scr)后处理系统。所述scr后处理系统可以包括：排气管，其被配置成将排出气从柴油发动机运送到排气口；和还原剂喷射器，其被配置成将还原剂喷射到排气管中。所述scr后处理系统还可以包括位于还原剂喷射器下游的scr催化剂，所述scr催化剂被配置催化用还原剂对排出气中的nox的还原。双混合器可以定位在位于还原剂喷射器下游和scr催化剂上游的排气管中。所述双混合器可以包括：第一混合器，其被配置为蒸发还原剂；和旋流混合器，其位于第一混合器的下游，所述旋流混合器被配置成在从其中通过还原剂和排出气中引起涡旋运动。所述旋流混合器可以包括翅片阵列，每个翅片在下游方向上从混合器突出。每个阵列可以包括多个平行的翅片排，所述翅片在共同方向上定向，所述共同方向从相邻阵列中的翅片的共同方向旋转约60°。

当结合附图阅读时，本公开的这些和其他方面以及特征将更加易于理解。

附图说明

图1是根据本公开构造的用于发动机的排气后处理系统的示意图，所述排气后处理系统具有用于混合还原剂和排出气的双混合器。

图2是根据本公开构造的图1的双混合器的第一混合器的透视图。

图3是根据本公开构造的图1的双混合器的旋流混合器的平面图。

图4是根据本发明构造的旋流混合器的侧透视图。

图5是根据本发明构造的旋流混合器的侧视图。

图6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7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8是根据本公开的方法的通过将径向支腿与支撑元件组装而形成的旋流混合器的一个单元的底部透视图。

图9是根据本公开的方法组装在一起的两个单元的底部透视图。

图10是根据本公开的方法组装在一起并在节点处焊接以提供旋流混合器的其中三个单元的底部透视图。

具体实施方式

现在参考附图并且具体参考图1，示出了用于内燃机12例如柴油发动机14的排气后处理系统10。排气后处理系统10可以包括在从排气口20(例如尾管)释放排气之前去除发动机12通过排气管18所排出的排出气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，该微粒过滤器过滤掉来自排出气16的微粒。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，用于将排出气16中的nox催化还原成氮和水。后处理系统10的替代布置可以缺少微粒过滤器。

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喷射到在排气管18中流动的排出气16中。还原剂28可以是尿素和水的混合物(如果发动机12是柴油发动机，也称为柴油机排气流体(def))，并且尿素可以在排气管18中水解成氨。或者，还原剂28可以是氨。还原剂28最初可以作为液体注入排气管18中，稍后在排气管18中蒸发(参见下面的进一步的细节)。喷射器26的下游可以是催化剂32，其使用还原剂28来在通过出口20释放排出气之前将排出气16中的nox催化还原成氮和水。

scr后处理系统24还可以包括在喷射器26与scr催化剂32之间的混合区段34，在引入催化剂32之前还原剂28在所述混合区段中蒸发并与排出气混合。混合区段34可以包含双混合器36，所述双混合器由第一混合器37和位于第一混合器37下游的旋流混合器38组成。排出气16通过双混合器36的流动可以促进还原剂28的蒸发以及还原剂28与排出气16的混合。具体地，第一混合器37可以蒸发还原剂28的液滴，同时旋流混合器38可以捕获还原剂的未蒸发的液滴并且引起蒸发的还原剂和排出气的涡旋运动以促进彻底混合。由于还原剂28的腐蚀性质和排气管18中的振动，第一混合器37和旋流混合器38都可以由耐腐蚀且足够坚固以承受振动的材料形成。例如，第一混合器37和旋流混合器38都可以由不锈钢形成。

现在转向图2，第一混合器37被单独示出。第一混合器37可以包括由多个第一支撑元件42形成的平面格栅40，所述多个第一支撑元件垂直于多个第二支撑元件44并与之交叉以限定允许还原剂28和排出气16通过混合器37的孔46。在排出气16的流动方向上(即，在排气管18中的下游方向上)从格栅40突出的可以是促进还原剂28的蒸发的多个翅片48。翅片48可以具有梯形形状或其他替代形状，例如但不限于正方形、矩形、三角形、球形、椭圆形或其他多边形和无定形构型。此外，翅片48可以相对于格栅40的平面以固定角度定向，该固定角度可以在约10°与约80°之间变化。另外，翅片48可以与第一支撑元件42一体形成并从第一支撑元件42延伸，从而形成多排翅片50。每排50中的翅片48可以交替定向方向，其中一个翅片48指向一个方向，而紧邻的翅片48指向相反的方向，如图所示。虽然图2示出了七排翅片以及每排中的三至七个翅片，应当理解，排的数量和每排中的翅片的数量可以根据实际中的设计考虑(例如排气管18的尺寸)的数量而变化。第一混合器37还可以包括弯曲凸片52，以允许混合器37例如通过焊接而附接到排气管18的内壁。

旋流混合器38在图3-4中单独示出。旋流混合器38可以包括允许还原剂28和排出气16流过的基部54。旋流混合器38还可以包括旋流翅片58的多个阵列56，所述旋流翅片在排气管18中的排出气16的流动方向(即，排气管18中的下游方向)上从基部54突出。如本文所用，“阵列”是以平行排60布置的一组旋流翅片58，其中阵列中的所有旋流翅片58在共同方向62上定向，翅片的顶部59全部指向共同的方向62(参见图3)。另外，在每个阵列56中，排60可以彼此等距地隔开，并且每个排60中的旋流翅片58可以彼此等距地间隔开以提供旋流翅片58的规则重复图案。阵列56可以彼此相同并且可以相对于彼此布置以提供围绕旋流混合器38的中心64的环绕构型，该环绕构型可以顺时针或逆时针延伸以在流过混合器38的还原剂和排出气中引起涡旋运动。例如，所描绘的旋流混合器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°以产生围绕中心64的三角形构型，但相对于彼此具有不同的旋转角度的其他数量的阵列是可能的。因此，在所示实施例中，旋流混合器38呈现出三重旋转对称性。应注意，旋流混合器38在排气管18中保持静止并且不旋转，并且通过阵列56的环绕构型引起涡旋运动。在混合器38的替代构型中，阵列38可以彼此不同。另外，尽管图3-4示出了每个阵列56中的旋流翅片58的四个排60，以及每个排60中的三至四个旋流翅片58，应当理解，旋流混合器38的替代设计可以具有更多或更少的排和/或更多或更少的每行中的翅片数量。

仍然参考图3-4所示，在具有三个阵列56的所示实施例中，旋流混合器38的基部54可以包括从混合器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可以在圆周方向68上彼此等距地间隔开约120°(参见图3)。此外，多个旋流翅片58可以与每个径向支腿66一体形成(或以其他方式附接)并且可以从每个径向支腿66突出，以形成阵列56之一中的翅片排60中的一个。即，在旋流翅片58的定向方向在相邻阵列56中旋转60°之前，每个径向支腿66可以支撑阵列56中的翅片60的最后一排。每个径向支腿66还可以包括弯曲凸片70，该弯曲凸片从旋流混合器38延伸，以允许混合器38例如通过焊接而附接到排气管18的内壁。在其他实施例中，可以采用更多或更少的径向支腿。

现在转向图4，在示出的具有三个径向支腿66的实施例中，基部54还可以包括在支撑并互连阵列56的径向支腿66之间的三个格栅72。格栅72可以由多个支撑元件74构成，每个支撑元件跨越两个相邻的格栅以为混合器38提供互连性和结构坚固性。具体地，每个支撑元件74可以包括在格栅72之一中的第一支撑元件76，该第一支撑元件与相邻格栅72中的第二支撑元件78一体形成(或以其他方式附接)。在每个格栅72中，多个第一支撑元件76可以垂直于多个第二支撑元件78并与之交叉以限定允许还原剂28和排出气16通过混合器38的孔80。此外，第一支撑元件76可以与旋流翅片58一体形成(或以其他方式附接)，以限定阵列56中的排60中的一个。此外，每个格栅72中的第一支撑元件76可以平行于支撑同一阵列56中的旋流翅片58的径向支腿66而延伸，而第二支撑元件78可以垂直于阵列56中的第一支撑元件76和径向支腿66并将它们互连。此外，在采用不同数量的径向支腿66的其他实施例中，可以在径向支腿66之间形成对应数量的格栅72。

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以固定角度(α)从基部的下游面83突出，如图5所示。角度(α)可以是约45°，但是在某些情况下也可以使用约5°和约80°之间的其他角度。另外，如图3-4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3-4)，其中从每个翅片58的底部82延伸到顶部59的长度(l)为约30毫米(参见图5)。然而，在混合器38的替代设计中，旋流翅片58当然可以具有其他形状(例如，正方形、矩形、三角形、球形、椭圆形，其他多边形形状等)和尺寸。

如图6所示，每个支撑元件74可以包括狭槽86，以在组装旋流混合器38时允许连接到其他支撑元件74。例如，第一支撑元件76可各自具有在上游侧88上呈现的狭槽86，而第二支撑元件78可各自具有在下游侧90上呈现的狭槽86。因此，旋流混合器38的格栅72可以通过将第一支撑元件76的狭槽86与第二支撑元件78的狭槽86连接来组装。同样，如图7所示，每个径向支腿66可以具有在上游侧92上呈现的狭槽86，使得当组装旋流混合器38时，径向支腿66的狭槽86可以连接到第二支撑元件78的狭槽86(参见下面的进一步的细节)。

工业适用性

通常，本公开的教导可以适用于许多行业，包括但不限于汽车、建筑、农业、采矿、发电和铁路运输应用等。更具体地，本文公开的技术可以适用于具有scr后处理系统的许多类型的发动机和机器。其还适用于其中试剂与排出气混合的其他类型的排气后处理系统。

现在参考图8-10，描绘了可能涉及组装旋流混合器38的步骤。即，图8-10描绘了将旋流混合器38与三个阵列56组装在一起所涉及的步骤，但是应该理解，本文公开的概念可以类似地应用于具有更多或更少数量阵列的旋流混合器。三个径向支腿66中的每一个可首先与多个支撑元件74分开组装以形成三个单元102。例如，图8示出了通过将径向支腿66的狭槽86插入三个第二支撑元件78的狭槽86中而形成的单元102之一。接下来，三个单元102可以通过将支撑元件74的狭槽86互连而组装在一起，如图9-10所示。特别地，这可以如下进行：首先将其中两个单元102组装在一起，方式是通过将一个单元102的第一支撑元件76的狭槽86插入另一个单元102的第二支撑元件78的狭槽86中，从而提供将两个径向支腿66互连的格栅72之一(参见图9)。然后，通过将第一支撑元件76和第二支撑元件78的狭槽86互连，可以将两个组装单元102的暴露的第一支撑元件76和第二支撑元件78与第三单元102组装在一起(参见图10)。

一旦组装，单元102可在节点106处(或径向支腿66和第一支撑元件76与第二支撑元件78之间的交叉点)焊接在一起，以提供完全组装的旋流混合器38(参见图10)。如图10所示，单元102可以在基部54的上游面109上焊接在一起(也参见图5)。这里应注意，图8-10描绘了一种组装旋流混合器38的可能方法，但存在许多组装混合器38的替代方式。例如，径向支腿66可首先在中心64处焊接在一起，并且可以通过将支撑元件74互连并将支撑元件74处在节点106处焊接而将格栅72组装在径向支腿66之间。诸如这些的变化也落入本公开的范围内。

本文公开的旋流混合器包括翅片的三个阵列，这些翅片以三角形构型布置以引起流过混合器的还原剂和排出气的混合物的涡旋运动。旋流混合器捕获从上游混合器留下的未蒸发的还原剂液滴，并促进蒸发的还原剂在排出气中的均匀分布，以改善下游scr催化剂处的nox转化。每个阵列中的翅片排具有比现有技术的一些混合器中使用的固体叶片更小的表面积，从而减少了在混合器表面上积聚还原剂沉积物的可能性并且增强了还原剂液滴的分解。此外，翅片的三个阵列对还原剂和排出气的混合物施加适度的涡旋力，其强度足以提供充分的混合，但足够弱以避免不希望的还原剂液滴被迫进入排气管的壁，否则可能减少排出气中的还原剂的分布。此外，具有三重旋转对称性的格栅的互连框架提供了比现有技术的互连程度较低的混合器更坚固且结构更坚固的结构。本文公开的技术可以在广泛的领域中找到宽泛的工业实用性，例如但不限于建筑、采矿、农业、汽车和铁路运输应用。