用于液体的混合的系统和方法
【专利摘要】本发明涉及用于液体的混合的系统和方法。提供一种定位在选择性催化还原(SCR)模块的排气出口处的混合元件。该混合元件包括具有上表面和下表面的基板。该基板构造成使流体流的在该基板的上表面周围的部分转向。所述混合元件还包括以分隔开的布置附接至所述基板的下表面的多个叶片。所述多个叶片构造成在被接收于所述叶片之间的流体流中引起涡旋作用。
【专利说明】用于液体的混合的系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于混合一种或多种流体的系统和方法，更具体地，本发明涉及用于使一种或多种流体流均勾化的混合元件。
【背景技术】
[0002]通常，后处理系统应用在发动机中用于处理发动机的排气流。后处理系统根据排放要求使存在于排气流中的组分——诸如一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等——减少和/或使之转换成诸如H2O和凡的其它化合物。后处理系统利用位于沿着后处理系统的不同位置上的一个或多个传感器。例如，氮氧化物——也被称为NOx——传感器可以位于选择性催化还原(SCR)模块的上游和/或下游，其用于分别测量存在于进入和/或离开SCR模块的排气流中的氮氧化物的浓度。
[0003]SCR模块可以包含一个或多个SCR催化剂。在离开所述一个或多个SCR催化剂时，排气流可含有NOx浓度相对较高和较低的局部区域。定位在SCR模块下游的NOx传感器可能取样这种非均匀的排气流的一部分，其不代表离开SCR模块的排气流的总NOx浓度。这会提供不准确的氮氧化物含量读数。
[0004]在已知的系统中，混合元件位于SCR模块的上游以允许还原剂或柴油排气流体(DEF)与排气流混合。然而，这种布置不提供位于SCR模块下游的排气流的混合，不能使存在于由定位在SCR模块后面的NOx传感器接收到的排气流中的未均匀分布的氮氧化物变均匀。
[0005]美国专利US 8，141，353公开了这样一种用在发动机排气系统中位于附加喷射器下游的排气混合器。该混合器包括第一盘形壁结构，其中在该第一盘形壁结构中形成有多个流动开口。该混合器还包括承载一组混合器叶片的第二壁结构。所述第二壁结构包括从第一壁结构向外径向延伸并与第一壁结构相交使得第一壁结构为截头圆锥形状的圆锥形状。
【发明内容】
[0006]在本发明的一个方案中，提供了定位在选择性催化还原(SCR)模块的排气出口处的混合元件。该混合元件包括具有上表面和下表面的基板。该基板构造成使流体流的在该基板的上表面周围的部分转向。混合元件还包括以分隔开的布置附接至所述基板的下表面的多个叶片。所述多个叶片构造成在被接收于叶片之间的流体流中引起涡旋作用。
[0007]在本发明的另一方案中，提供了后处理系统壳体。该系统包括构造成用于接收排气流的排气入口。该系统包括选择性催化还原(SCR)模块，其设置在所述壳体内使得该SCR模块可以将还原剂引入排气流中。该系统包括设置在SCR模块下游的氮氧化物传感器。氮氧化物传感器构造成用于测量离开所述壳体的排气流的氮氧化物含量。该系统还包括构造成用于将排气流排出所述壳体的排气出口。该系统还包括设置在所述SCR模块与所述氮氧化物传感器之间的混合元件。所述混合元件构造成与排气出口流体连通。所述混合元件构造成使氮氧化物传感器上游的排气流基本上均匀。所述混合元件包括具有上表面和下表面的基板。基板构造成使流体流的在该基板的上表面周围的部分转向。混合元件包括以分隔开的布置附接至基板的下表面的多个叶片。所述多个叶片构造成在被接收于叶片之间的流体流中引起涡旋作用。
[0008]在本发明的又一方案中，提供了一种方法。该方法将排气流引入壳体的排气入口中。该方法包括将排气流接收到设置在所述壳体内的选择性催化还原(SCR)催化剂中。该方法包括在所述SCR催化剂上游将还原剂引入排气流中。该方法包括将排气流从所述SCR催化剂接收到所述壳体的排出腔室中。该方法包括朝向所述壳体的排气出口引导排气流。引导排气流包括使被引导的排气流的一部分转向远离排气出口。引导排气流还包括将已转向的排气流接收到设置在所述壳体内的混合元件中。引导排气流还包括在被接收的排气流中引起涡旋作用。
[0009]本发明的其它特征和方案将通过下面的描述和附图显而易见。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1是后处理系统的示例性模块；
[0011 ] 图2是混合元件的示例性实施例的透视图；
[0012]图3是混合元件的示例性实施例的侧视图，示出了通过该混合元件的流体流；和
[0013]图4和图5是利用图2的混合元件的示例性实施例的示例性方法的流程图。
【具体实施方式】
[0014]在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的附图标记表示相同的或相似的部件。参照图1，示出了后处理系统的示例性模块100。更具体地，模块100作为选择性催化还原(SCR)模块示出，但本领域技术人员会认识到本发明可应用于各种不同的模块。模块100配置成将还原剂引入流体一一诸如发动机(未示出)的排气流一一内。排气流可以包含一种或多种组分，例如处于气态的一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等。在一个实施例中，模块100可以引入合适的还原剂，以利用一个或多个化学反应和/或过程减少存在于排气流中的氮氧化物(NOx)的量和/或将其转换成其它化合物。
[0015]模块100包括壳体102。壳体102包括第一端104和第二端106。壳体102构造成包封和/或支承模块100的一个或多个元件。壳体102的第一端104包括排气入口 108。排气入口 108构造成用于接收排气使之从发动机或其它后处理构件一一例如但不限于柴油氧化催化剂、柴油颗粒过滤器等一一进入到壳体102内。应注意的是，模块100在后处理系统中的位置可以根据系统设计和要求而改变。
[0016]模块100包括设置在壳体102内的一组SCR催化剂110。SCR催化剂组110可包括多个单独的SCR催化剂112。多个SCR催化剂112中的每一者都可具有相似的尺寸和性能。在所示实施例中，SCR催化剂组110包括三个圆柱形的SCR催化剂112。本领域技术人员将理解，多个SCR催化剂112可以根据应用而改变。此外，多个SCR催化剂112中的每一者都具有对应的SCR入口 114和SCR出口 116。
[0017]SCR催化剂组110配置成接收通过排气入口 108的排气。多个SCR催化剂112中的每一者都可包括大致圆柱形的基底，该基底由陶瓷材料制成或者以其它方式涂覆有诸如二氧化钛的陶瓷材料、诸如钒和钨、沸石和/或贵金属的基底金属氧化物。SCR催化剂112可以将还原剂引入排气中。位于SCR催化剂112上的还原剂——和/或其分解副产物——可以与存在于排气中的NOx反应以形成水(H2O)和双原子氮(N2)。排气可以经由SCR出口116退出SCR催化剂组110。
[0018]排气可以从SCR出口 116流出并进入限定在壳体102内的排出腔室117中。排出腔室117可以与设置在壳体102的第二端106上的排气出口 118流体地连通。排气出口118构造成使离开SCR催化剂组110的排气从模块100中排出。应注意的是，壳体102可附加地包括多个隔间或隔挡以帮助引导壳体102内的排气。此外，NOx传感器120设置在排气出口 118中并位于SCR催化剂组110的下游。NOx传感器120配置成检测通过SCR出口116离开SCR催化剂组110的排气中的氮氧化物或NOx成分的浓度。NOx传感器120在排气出口 118中的位置可以根据系统配置和要求而有所不同。例如，如附图中所示，NOx传感器120可与壳体102相距合适的距离地位于排气出口 118中。替代地，NOx传感器120可位于排气出口 118中并在与壳体102的具有排气出口 118的壁所在的平面相同的平面中。
[0019]应注意的是，离开SCR出口 116的排气可含有不均匀分布的NOx。这可能是因为多个SCR催化剂112中的每一者接收了不同量的排气和/或还原剂。例如，与远离排气入口 108设置的SCR催化剂112相比，相对地更靠近排气入口 108设置的SCR催化剂112可接收更大量的排气，反之亦然。因此，在各SCR催化剂112中进行催化还原后离开多个SCR催化剂112中的每一者的排气可以包含不同浓度的残留NOx。
[0020]替代地或附加地，排气可沿着其上设置有NOx传感器120的导管逐渐分层(层化)。排气可在距排气导管不同距离处具有不同的NOx浓度。本发明可防止排气的分层。
[0021]参照图1，模块100还包括具有纵向轴线X-X的混合元件122。混合元件122至少部分地设置在壳体102内。混合元件122设置成与排气出口 118流体连通。混合元件122配置成在排气进入NOx传感器120之前提供从多个SCR催化剂112中的每一者离开的排气的混合和均化。因此，混合元件122相对于排气方向设置在SCR出口 116的下游和NOx传感器120的上游。
[0022]图2示出了混合元件122的透视图。混合元件122包括具有上表面204和下表面206的基板202。在所示实施例中，基板202是具有直径的圆板状构型。基板202的直径可以基本上等于或小于排气出口 118的直径。在另一实施例中，基板202可以是具有合适的尺寸的矩形或三角形构型。应注意的是，基板202的构型和尺寸可以根据系统要求而改变。基板202构造成使离开SCR出口 116的排气的一部分转向离开混合元件122并进入限定在壳体102内的排出腔室117中。如图3所示，基板202使排气转向成基本上垂直于混合元件122的纵向轴线X-X。
[0023]参照图2，基板202包括固定地附接至基板202的下表面206的多个叶片208。多个叶片208与基板202垂直并且以关于基板202沿周向分隔开的布置设置。多个叶片208中的每一者都具有基本上弯曲的构型。多个叶片208中的每一者的弯曲构型都关于纵向轴线X-X和/或基板202的圆周限定出叶片角度“V”。多个叶片208中的每一者的弯曲构型都设置成在被接收于所述叶片之间的排气部分中引起涡旋作用。在排气中形成的涡旋作用可致使排气均匀化，使得排气可含有均匀分布的NOx成分。应注意的是，混合元件122至少部分地定位在壳体102内，以接收来自壳体102的排出腔室117的排气部分。
[0024]如图2所示，在一个实施例中，多个叶片208设置成使得多个叶片208中的每一者的前缘都面向基板202的外侧。此外，多个叶片208可定位成环绕基板202的外缘彼此基本上等距。多个窗口 210限定在多个叶片208中的每一者之间。如图3所示，窗口 210中的每一者都构造成用于接收因基板202而转向的排气的至少一部分。在一个实施例中，多个叶片208可具有翼形的截面。在另一实施例中，多个叶片208可具有部分C形或弯板状的构型。应注意的是，多个叶片208的截面形状可以根据系统设计和要求而有所不同。
[0025]多个叶片208的尺寸参数——诸如与多个叶片208中的每一者关联的叶片角度“V”、相邻叶片208之间的间隔、多个叶片208中的每一者的高度“H”、与多个叶片208中的每一者关联的曲线长度和“C”和/或与多个叶片208中的每一者关联的截面的形状都可以按照系统配置而改变。这些尺寸参数可基于将在排气中形成的涡旋作用的所需强度并且还基于与混合元件122关联的后处理系统来选择。例如，多个叶片208可具有范围从约5到15度的叶片角度“V”、范围从约3到5.5英寸的高度“H”、范围从约50到180毫米的曲线长度“A”、范围从约7到10毫米的曲线长度“B”以及范围从约20到30毫米的曲线长度“C”。应注意的是，本文提及的尺寸范围是示例性的并且可以根据系统设计和配置而改变。
[0026]此外，多个叶片208固定地附接至排气出口 118和/或壳体102的通向排气出口118的出口，以将混合元件122分别附接至排气出口 118和/或壳体102。均匀化的排气可被引导以进入排气出口 118内。多个叶片208可以通过现有技术中已知的任意紧固方法一一诸如焊接(welding)、硬钎焊(brazing)、软钎焊(soldering)、螺栓连接、铆接等--附接至排气出口 118和/或壳体102。
[0027]参照图2，基板202可设置有多个穿孔212。排气的一部分可以通过所述多个穿孔212被直接接收到混合元件122中。这可以允许减小朝向排气出口 118或NOx传感器120流动的排气中的背压。在所示的实施例中，多个穿孔212以使得穿孔212与叶片208的位置对齐的方式定位在基板202上。在所示的实施例中，多个穿孔212中的每一者都具有圆形构型。替代地，多个穿孔212可以形成为竖向的或水平的狭槽、正方形、矩形、交叉形/十字形等。在另一实施例中，可以在基板202上设置中心孔。应注意的是，基板202上的多个穿孔212的形状、大小、位置和布置都可以根据系统设计和配置而有所不同。
[0028]工业适用性
[0029]位于SCR催化剂下游的NOx传感器用于测量排气中的氮氧化物的浓度。氮氧化物的浓度可进而用于确定由后处理系统的DEF模块供给到排气中的柴油排气流体(DEF)剂量的量。为了使DEF模块有效地运行，要求设置在SCR模块下游的NOx传感器的输出是一致的，无显著噪音和/或突增。这可以通过向位于SCR模块下游的NOx传感器提供具有浓度基本上均匀的氮氧化物的排气来实现。
[0030]已知系统包括在DEF模块的下游和SCR模块的上游设置混合元件。混合元件的这个位置在排气进入SCR催化剂之前提供了排气的混合。
[0031]本文所公开的混合元件122可以用于在SCR催化剂112下游混合排气并使之均匀。混合元件122提供了在模块100的受限空间内的排气的有效混合和均匀化。此外，混合元件122的设计和构型防止了排气中的显著背压。
[0032]图4和图5示出了在SCR催化剂112下游混合排气的示例性方法400、500。如图4所示，在步骤402，将排气引入壳体102的排气入口 108中。在步骤404，将排气接收到设置在壳体102内的SCR催化剂112的SCR入口 114中。在步骤406，在SCR出口 116上游将还原剂引入排气中。本领域技术人员将理解，可以使用本领域中任何已知的方法引入还原剂。在步骤408，将来自SCR出口 116的排气接收到壳体102的排出腔室117中。在步骤410，朝向壳体102的排气出口 118引导排气。
[0033]图5详细地示出了朝向排气出口 118引导排气的方法500。在步骤502，使排气的一部分转向成远离排气出口 118。更具体地，排气可挤靠混合元件122的基板202，引起被挤压的排气转向成与混合元件122的纵向轴线X-X基本上垂直。在一个实施例中，已转向的排气的一些部分可以重新进入到排出腔室117中。
[0034]在步骤504，已转向的排气的至少一部分可被接收到混合元件122内。排气基于挤靠或撞击混合元件122的基板202的转向可引起已转向的排气的方向的改变，致使已转向的排气被接收到限定在多个叶片208中的每一者之间的窗口 210中。在一个实施例中，排气的一些部分可通过设置在基板202上的多个穿孔212而被直接接收到混合元件122内。
[0035]在步骤506，在接收到的排气中引发涡旋作用。涡旋作用提供了被接收到混合元件122内的排气的混合和均匀化。均匀化的排气可以从壳体102的排气出口 118排出。在一个实施例中，均匀化的排气流可以被接收到NOx传感器120中。
[0036]虽然本文所公开的混合元件122是结合发动机的后处理系统进行说明的，但应注意的是，混合元件122可用于其它的替代应用。替代应用可以是包括但不限于化学、石油和天然气、医药、乳制品和食品等的行业。替代应用可包括含有气体-气体组分、气体-液体组分和/或液体-液体组分的两种或更多种组合的混合物的混合和均化。
[0037]虽然本发明的各方案已经具体示出并参照上述实施例进行了描述，但本领域技术人员应理解，可以通过对所公开的机器、系统和方法进行修改设想到各种附加的实施例而不脱离本发明的精神和范围。这样的实施例应该被理解为落入本发明的基于权利要求及其任何等同方案确定的范围之内。
【权利要求】
1.一种定位在选择性催化还原(SCR)模块的排气出口处的混合元件，该混合元件包括: 具有上表面和下表面的基板，该基板构造成用于使流体流的在该基板的上表面周围的部分转向；和 附接至所述基板的下表面的多个叶片，所述多个叶片以分隔开的布置设置，其中，所述多个叶片构造成在被接收于所述多个叶片之间的流体流中引起涡旋作用。
2.根据权利要求1所述的混合元件，其特征在于，所述多个叶片中的每一者都具有翼形的截面。
3.根据权利要求1所述的混合元件，其特征在于，所述多个叶片设置成使得所述多个叶片中的每一者的前缘都面向所述基板的外侧，所述多个叶片环绕所述基板的外缘彼此基本上等距地定位并且在所述多个叶片之间限定出窗口，所述窗口用于将流体流接收到该窗口中。
4.根据权利要求1所述的混合元件，其特征在于，所述混合元件还包括形成在所述基板上的多个穿孔，所述多个穿孔构造成允许所述流体流的一部分被接收到所述混合元件中。
5.根据权利要求4所述的混合元件，其特征在于，所述多个穿孔设置成与所述多个叶片对齐。
6.根据权利要求1所述的混合元件，其特征在于，在所述基板上居中地设置孔。
7.一种后处理系统壳体，包括: 构造成用于接收排气流的排气入口； 设置在所述壳体内的选择性催化还原(SCR)模块，其中该SCR模块构造成将还原剂引入到所述排气流中； 设置在所述SCR模块下游的氮氧化物传感器，该氮氧化物传感器构造成测量离开所述壳体的排气流的氮氧化物含量； 构造成将所述排气流排出所述壳体的排气出口 ；和 设置在所述SCR模块与所述氮氧化物传感器之间的混合元件，该混合元件设置成与所述排气出口流体连通，其中，该混合元件构造成在所述氮氧化物传感器上游使所述排气流基本上均勾，该混合元件包括: 具有上表面和下表面的基板，该基板构造成用于使流体流的在该基板的上表面周围的一部分转向；和 附接至所述基板的下表面的多个叶片，所述多个叶片以分隔开的布置设置，其中，所述多个叶片构造成在被接收于所述多个叶片之间的流体流中引发涡旋作用。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述混合元件至少部分地设置在所述壳体内。
9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述多个叶片中的每一者都具有翼形的截面。
10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述多个叶片设置成使得所述多个叶片中的每一者的前缘都面向所述基板的外侧，所述多个叶片环绕所述基板的外缘彼此基本上等距地定位并且在所述多个叶片之间限定出窗口，所述窗口用于将流体流的所述一部分接收到该窗口中。
11.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统还包括形成在所述基板上的多个穿孔，所述多个穿孔构造成允许所述流体流的一部分被接收到所述混合元件中。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述多个穿孔设置成与所述多个叶片对齐。
13.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，在所述基板上居中地设置孔。
14.一种方法，包括: 将排气流引入壳体的排气入口中； 将所述排气流接收到设置于所述壳体内的选择性催化还原(SCR)催化剂内； 在所述SCR催化剂上游将还原剂引入所述排气流内； 将所述排气流从所述SCR催化剂接收到所述壳体的排出腔室中；以及 朝向所述壳体的排气出口引导所述排气流， 其中，引导所述排气流包括: 使被引导的排气流的一部分转向远离所述排气出口； 将已转向的排气流接收到设置在所述壳体内的混合元件中；以及 在被接收的排气流中引起涡旋作用。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，引导所述排气流还包括将所述排气流从所述排气出口排出。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将所述排气流从所述排气出口接收到氮氧化物传感器中。
17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法还包括允许所述排气流的一部分被直接接收到所述混合元件内。
【文档编号】F01N3/20GK104514600SQ201410482658
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2014年9月19日 优先权日:2013年9月19日
【发明者】Y·T·布伊 申请人:卡特彼勒公司