用于液體的混合的系統和方法
【專利摘要】本發明涉及用于液體的混合的系統和方法。提供一種定位在選擇性催化還原(SCR)模塊的排氣出口處的混合元件。該混合元件包括具有上表面和下表面的基板。該基板構造成使流體流的在該基板的上表面周圍的部分轉向。所述混合元件還包括以分隔開的布置附接至所述基板的下表面的多個葉片。所述多個葉片構造成在被接收于所述葉片之間的流體流中引起渦旋作用。
【專利說明】用于液體的混合的系統和方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及用于混合一種或多種流體的系統和方法，更具體地，本發明涉及用于使一種或多種流體流均勾化的混合元件。

【背景技術】
[0002]通常，后處理系統應用在發動機中用于處理發動機的排氣流。后處理系統根據排放要求使存在于排氣流中的組分——諸如一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等——減少和/或使之轉換成諸如H2O和凡的其它化合物。后處理系統利用位于沿著后處理系統的不同位置上的一個或多個傳感器。例如，氮氧化物——也被稱為NOx——傳感器可以位于選擇性催化還原(SCR)模塊的上游和/或下游，其用于分別測量存在于進入和/或離開SCR模塊的排氣流中的氮氧化物的濃度。
[0003]SCR模塊可以包含一個或多個SCR催化劑。在離開所述一個或多個SCR催化劑時，排氣流可含有NOx濃度相對較高和較低的局部區域。定位在SCR模塊下游的NOx傳感器可能取樣這種非均勻的排氣流的一部分，其不代表離開SCR模塊的排氣流的總NOx濃度。這會提供不準確的氮氧化物含量讀數。
[0004]在已知的系統中，混合元件位于SCR模塊的上游以允許還原劑或柴油排氣流體(DEF)與排氣流混合。然而，這種布置不提供位于SCR模塊下游的排氣流的混合，不能使存在于由定位在SCR模塊后面的NOx傳感器接收到的排氣流中的未均勻分布的氮氧化物變均勻。
[0005]美國專利US 8，141，353公開了這樣一種用在發動機排氣系統中位于附加噴射器下游的排氣混合器。該混合器包括第一盤形壁結構，其中在該第一盤形壁結構中形成有多個流動開口。該混合器還包括承載一組混合器葉片的第二壁結構。所述第二壁結構包括從第一壁結構向外徑向延伸并與第一壁結構相交使得第一壁結構為截頭圓錐形狀的圓錐形狀。


【發明內容】

[0006]在本發明的一個方案中，提供了定位在選擇性催化還原(SCR)模塊的排氣出口處的混合元件。該混合元件包括具有上表面和下表面的基板。該基板構造成使流體流的在該基板的上表面周圍的部分轉向。混合元件還包括以分隔開的布置附接至所述基板的下表面的多個葉片。所述多個葉片構造成在被接收于葉片之間的流體流中引起渦旋作用。
[0007]在本發明的另一方案中，提供了后處理系統殼體。該系統包括構造成用于接收排氣流的排氣入口。該系統包括選擇性催化還原(SCR)模塊，其設置在所述殼體內使得該SCR模塊可以將還原劑引入排氣流中。該系統包括設置在SCR模塊下游的氮氧化物傳感器。氮氧化物傳感器構造成用于測量離開所述殼體的排氣流的氮氧化物含量。該系統還包括構造成用于將排氣流排出所述殼體的排氣出口。該系統還包括設置在所述SCR模塊與所述氮氧化物傳感器之間的混合元件。所述混合元件構造成與排氣出口流體連通。所述混合元件構造成使氮氧化物傳感器上游的排氣流基本上均勻。所述混合元件包括具有上表面和下表面的基板。基板構造成使流體流的在該基板的上表面周圍的部分轉向。混合元件包括以分隔開的布置附接至基板的下表面的多個葉片。所述多個葉片構造成在被接收于葉片之間的流體流中引起渦旋作用。
[0008]在本發明的又一方案中，提供了一種方法。該方法將排氣流引入殼體的排氣入口中。該方法包括將排氣流接收到設置在所述殼體內的選擇性催化還原(SCR)催化劑中。該方法包括在所述SCR催化劑上游將還原劑引入排氣流中。該方法包括將排氣流從所述SCR催化劑接收到所述殼體的排出腔室中。該方法包括朝向所述殼體的排氣出口引導排氣流。引導排氣流包括使被引導的排氣流的一部分轉向遠離排氣出口。引導排氣流還包括將已轉向的排氣流接收到設置在所述殼體內的混合元件中。引導排氣流還包括在被接收的排氣流中引起渦旋作用。
[0009]本發明的其它特征和方案將通過下面的描述和附圖顯而易見。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是后處理系統的示例性模塊；
[0011 ] 圖2是混合元件的示例性實施例的透視圖；
[0012]圖3是混合元件的示例性實施例的側視圖，示出了通過該混合元件的流體流；和
[0013]圖4和圖5是利用圖2的混合元件的示例性實施例的示例性方法的流程圖。

【具體實施方式】
[0014]在任何可能的情況下，在所有附圖中將使用相同的附圖標記表示相同的或相似的部件。參照圖1，示出了后處理系統的示例性模塊100。更具體地，模塊100作為選擇性催化還原(SCR)模塊示出，但本領域技術人員會認識到本發明可應用于各種不同的模塊。模塊100配置成將還原劑引入流體一一諸如發動機(未示出)的排氣流一一內。排氣流可以包含一種或多種組分，例如處于氣態的一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等。在一個實施例中，模塊100可以引入合適的還原劑，以利用一個或多個化學反應和/或過程減少存在于排氣流中的氮氧化物(NOx)的量和/或將其轉換成其它化合物。
[0015]模塊100包括殼體102。殼體102包括第一端104和第二端106。殼體102構造成包封和/或支承模塊100的一個或多個元件。殼體102的第一端104包括排氣入口 108。排氣入口 108構造成用于接收排氣使之從發動機或其它后處理構件一一例如但不限于柴油氧化催化劑、柴油顆粒過濾器等一一進入到殼體102內。應注意的是，模塊100在后處理系統中的位置可以根據系統設計和要求而改變。
[0016]模塊100包括設置在殼體102內的一組SCR催化劑110。SCR催化劑組110可包括多個單獨的SCR催化劑112。多個SCR催化劑112中的每一者都可具有相似的尺寸和性能。在所示實施例中，SCR催化劑組110包括三個圓柱形的SCR催化劑112。本領域技術人員將理解，多個SCR催化劑112可以根據應用而改變。此外，多個SCR催化劑112中的每一者都具有對應的SCR入口 114和SCR出口 116。
[0017]SCR催化劑組110配置成接收通過排氣入口 108的排氣。多個SCR催化劑112中的每一者都可包括大致圓柱形的基底，該基底由陶瓷材料制成或者以其它方式涂覆有諸如二氧化鈦的陶瓷材料、諸如釩和鎢、沸石和/或貴金屬的基底金屬氧化物。SCR催化劑112可以將還原劑引入排氣中。位于SCR催化劑112上的還原劑——和/或其分解副產物——可以與存在于排氣中的NOx反應以形成水(H2O)和雙原子氮(N2)。排氣可以經由SCR出口116退出SCR催化劑組110。
[0018]排氣可以從SCR出口 116流出并進入限定在殼體102內的排出腔室117中。排出腔室117可以與設置在殼體102的第二端106上的排氣出口 118流體地連通。排氣出口118構造成使離開SCR催化劑組110的排氣從模塊100中排出。應注意的是，殼體102可附加地包括多個隔間或隔擋以幫助引導殼體102內的排氣。此外，NOx傳感器120設置在排氣出口 118中并位于SCR催化劑組110的下游。NOx傳感器120配置成檢測通過SCR出口116離開SCR催化劑組110的排氣中的氮氧化物或NOx成分的濃度。NOx傳感器120在排氣出口 118中的位置可以根據系統配置和要求而有所不同。例如，如附圖中所示，NOx傳感器120可與殼體102相距合適的距離地位于排氣出口 118中。替代地，NOx傳感器120可位于排氣出口 118中并在與殼體102的具有排氣出口 118的壁所在的平面相同的平面中。
[0019]應注意的是，離開SCR出口 116的排氣可含有不均勻分布的NOx。這可能是因為多個SCR催化劑112中的每一者接收了不同量的排氣和/或還原劑。例如，與遠離排氣入口 108設置的SCR催化劑112相比，相對地更靠近排氣入口 108設置的SCR催化劑112可接收更大量的排氣，反之亦然。因此，在各SCR催化劑112中進行催化還原后離開多個SCR催化劑112中的每一者的排氣可以包含不同濃度的殘留NOx。
[0020]替代地或附加地，排氣可沿著其上設置有NOx傳感器120的導管逐漸分層(層化)。排氣可在距排氣導管不同距離處具有不同的NOx濃度。本發明可防止排氣的分層。
[0021]參照圖1，模塊100還包括具有縱向軸線X-X的混合元件122。混合元件122至少部分地設置在殼體102內。混合元件122設置成與排氣出口 118流體連通。混合元件122配置成在排氣進入NOx傳感器120之前提供從多個SCR催化劑112中的每一者離開的排氣的混合和均化。因此，混合元件122相對于排氣方向設置在SCR出口 116的下游和NOx傳感器120的上游。
[0022]圖2示出了混合元件122的透視圖。混合元件122包括具有上表面204和下表面206的基板202。在所示實施例中，基板202是具有直徑的圓板狀構型。基板202的直徑可以基本上等于或小于排氣出口 118的直徑。在另一實施例中，基板202可以是具有合適的尺寸的矩形或三角形構型。應注意的是，基板202的構型和尺寸可以根據系統要求而改變。基板202構造成使離開SCR出口 116的排氣的一部分轉向離開混合元件122并進入限定在殼體102內的排出腔室117中。如圖3所示，基板202使排氣轉向成基本上垂直于混合元件122的縱向軸線X-X。
[0023]參照圖2，基板202包括固定地附接至基板202的下表面206的多個葉片208。多個葉片208與基板202垂直并且以關于基板202沿周向分隔開的布置設置。多個葉片208中的每一者都具有基本上彎曲的構型。多個葉片208中的每一者的彎曲構型都關于縱向軸線X-X和/或基板202的圓周限定出葉片角度“V”。多個葉片208中的每一者的彎曲構型都設置成在被接收于所述葉片之間的排氣部分中引起渦旋作用。在排氣中形成的渦旋作用可致使排氣均勻化，使得排氣可含有均勻分布的NOx成分。應注意的是，混合元件122至少部分地定位在殼體102內，以接收來自殼體102的排出腔室117的排氣部分。
[0024]如圖2所示，在一個實施例中，多個葉片208設置成使得多個葉片208中的每一者的前緣都面向基板202的外側。此外，多個葉片208可定位成環繞基板202的外緣彼此基本上等距。多個窗口 210限定在多個葉片208中的每一者之間。如圖3所示，窗口 210中的每一者都構造成用于接收因基板202而轉向的排氣的至少一部分。在一個實施例中，多個葉片208可具有翼形的截面。在另一實施例中，多個葉片208可具有部分C形或彎板狀的構型。應注意的是，多個葉片208的截面形狀可以根據系統設計和要求而有所不同。
[0025]多個葉片208的尺寸參數——諸如與多個葉片208中的每一者關聯的葉片角度“V”、相鄰葉片208之間的間隔、多個葉片208中的每一者的高度“H”、與多個葉片208中的每一者關聯的曲線長度和“C”和/或與多個葉片208中的每一者關聯的截面的形狀都可以按照系統配置而改變。這些尺寸參數可基于將在排氣中形成的渦旋作用的所需強度并且還基于與混合元件122關聯的后處理系統來選擇。例如，多個葉片208可具有范圍從約5到15度的葉片角度“V”、范圍從約3到5.5英寸的高度“H”、范圍從約50到180毫米的曲線長度“A”、范圍從約7到10毫米的曲線長度“B”以及范圍從約20到30毫米的曲線長度“C”。應注意的是，本文提及的尺寸范圍是示例性的并且可以根據系統設計和配置而改變。
[0026]此外，多個葉片208固定地附接至排氣出口 118和/或殼體102的通向排氣出口118的出口，以將混合元件122分別附接至排氣出口 118和/或殼體102。均勻化的排氣可被引導以進入排氣出口 118內。多個葉片208可以通過現有技術中已知的任意緊固方法一一諸如焊接(welding)、硬釬焊(brazing)、軟釬焊(soldering)、螺栓連接、鉚接等--附接至排氣出口 118和/或殼體102。
[0027]參照圖2，基板202可設置有多個穿孔212。排氣的一部分可以通過所述多個穿孔212被直接接收到混合元件122中。這可以允許減小朝向排氣出口 118或NOx傳感器120流動的排氣中的背壓。在所示的實施例中，多個穿孔212以使得穿孔212與葉片208的位置對齊的方式定位在基板202上。在所示的實施例中，多個穿孔212中的每一者都具有圓形構型。替代地，多個穿孔212可以形成為豎向的或水平的狹槽、正方形、矩形、交叉形/十字形等。在另一實施例中，可以在基板202上設置中心孔。應注意的是，基板202上的多個穿孔212的形狀、大小、位置和布置都可以根據系統設計和配置而有所不同。
[0028]工業適用性
[0029]位于SCR催化劑下游的NOx傳感器用于測量排氣中的氮氧化物的濃度。氮氧化物的濃度可進而用于確定由后處理系統的DEF模塊供給到排氣中的柴油排氣流體(DEF)劑量的量。為了使DEF模塊有效地運行，要求設置在SCR模塊下游的NOx傳感器的輸出是一致的，無顯著噪音和/或突增。這可以通過向位于SCR模塊下游的NOx傳感器提供具有濃度基本上均勻的氮氧化物的排氣來實現。
[0030]已知系統包括在DEF模塊的下游和SCR模塊的上游設置混合元件。混合元件的這個位置在排氣進入SCR催化劑之前提供了排氣的混合。
[0031]本文所公開的混合元件122可以用于在SCR催化劑112下游混合排氣并使之均勻。混合元件122提供了在模塊100的受限空間內的排氣的有效混合和均勻化。此外，混合元件122的設計和構型防止了排氣中的顯著背壓。
[0032]圖4和圖5示出了在SCR催化劑112下游混合排氣的示例性方法400、500。如圖4所示，在步驟402，將排氣引入殼體102的排氣入口 108中。在步驟404，將排氣接收到設置在殼體102內的SCR催化劑112的SCR入口 114中。在步驟406，在SCR出口 116上游將還原劑引入排氣中。本領域技術人員將理解，可以使用本領域中任何已知的方法引入還原劑。在步驟408，將來自SCR出口 116的排氣接收到殼體102的排出腔室117中。在步驟410，朝向殼體102的排氣出口 118引導排氣。
[0033]圖5詳細地示出了朝向排氣出口 118引導排氣的方法500。在步驟502，使排氣的一部分轉向成遠離排氣出口 118。更具體地，排氣可擠靠混合元件122的基板202，引起被擠壓的排氣轉向成與混合元件122的縱向軸線X-X基本上垂直。在一個實施例中，已轉向的排氣的一些部分可以重新進入到排出腔室117中。
[0034]在步驟504，已轉向的排氣的至少一部分可被接收到混合元件122內。排氣基于擠靠或撞擊混合元件122的基板202的轉向可引起已轉向的排氣的方向的改變，致使已轉向的排氣被接收到限定在多個葉片208中的每一者之間的窗口 210中。在一個實施例中，排氣的一些部分可通過設置在基板202上的多個穿孔212而被直接接收到混合元件122內。
[0035]在步驟506，在接收到的排氣中引發渦旋作用。渦旋作用提供了被接收到混合元件122內的排氣的混合和均勻化。均勻化的排氣可以從殼體102的排氣出口 118排出。在一個實施例中，均勻化的排氣流可以被接收到NOx傳感器120中。
[0036]雖然本文所公開的混合元件122是結合發動機的后處理系統進行說明的，但應注意的是，混合元件122可用于其它的替代應用。替代應用可以是包括但不限于化學、石油和天然氣、醫藥、乳制品和食品等的行業。替代應用可包括含有氣體-氣體組分、氣體-液體組分和/或液體-液體組分的兩種或更多種組合的混合物的混合和均化。
[0037]雖然本發明的各方案已經具體示出并參照上述實施例進行了描述，但本領域技術人員應理解，可以通過對所公開的機器、系統和方法進行修改設想到各種附加的實施例而不脫離本發明的精神和范圍。這樣的實施例應該被理解為落入本發明的基于權利要求及其任何等同方案確定的范圍之內。
【權利要求】
1.一種定位在選擇性催化還原(SCR)模塊的排氣出口處的混合元件，該混合元件包括: 具有上表面和下表面的基板，該基板構造成用于使流體流的在該基板的上表面周圍的部分轉向；和 附接至所述基板的下表面的多個葉片，所述多個葉片以分隔開的布置設置，其中，所述多個葉片構造成在被接收于所述多個葉片之間的流體流中引起渦旋作用。
2.根據權利要求1所述的混合元件，其特征在于，所述多個葉片中的每一者都具有翼形的截面。
3.根據權利要求1所述的混合元件，其特征在于，所述多個葉片設置成使得所述多個葉片中的每一者的前緣都面向所述基板的外側，所述多個葉片環繞所述基板的外緣彼此基本上等距地定位并且在所述多個葉片之間限定出窗口，所述窗口用于將流體流接收到該窗口中。
4.根據權利要求1所述的混合元件，其特征在于，所述混合元件還包括形成在所述基板上的多個穿孔，所述多個穿孔構造成允許所述流體流的一部分被接收到所述混合元件中。
5.根據權利要求4所述的混合元件，其特征在于，所述多個穿孔設置成與所述多個葉片對齊。
6.根據權利要求1所述的混合元件，其特征在于，在所述基板上居中地設置孔。
7.一種后處理系統殼體，包括: 構造成用于接收排氣流的排氣入口； 設置在所述殼體內的選擇性催化還原(SCR)模塊，其中該SCR模塊構造成將還原劑引入到所述排氣流中； 設置在所述SCR模塊下游的氮氧化物傳感器，該氮氧化物傳感器構造成測量離開所述殼體的排氣流的氮氧化物含量； 構造成將所述排氣流排出所述殼體的排氣出口 ；和 設置在所述SCR模塊與所述氮氧化物傳感器之間的混合元件，該混合元件設置成與所述排氣出口流體連通，其中，該混合元件構造成在所述氮氧化物傳感器上游使所述排氣流基本上均勾，該混合元件包括: 具有上表面和下表面的基板，該基板構造成用于使流體流的在該基板的上表面周圍的一部分轉向；和 附接至所述基板的下表面的多個葉片，所述多個葉片以分隔開的布置設置，其中，所述多個葉片構造成在被接收于所述多個葉片之間的流體流中引發渦旋作用。
8.根據權利要求7所述的系統，其特征在于，所述混合元件至少部分地設置在所述殼體內。
9.根據權利要求7所述的系統，其特征在于，所述多個葉片中的每一者都具有翼形的截面。
10.根據權利要求7所述的系統，其特征在于，所述多個葉片設置成使得所述多個葉片中的每一者的前緣都面向所述基板的外側，所述多個葉片環繞所述基板的外緣彼此基本上等距地定位并且在所述多個葉片之間限定出窗口，所述窗口用于將流體流的所述一部分接收到該窗口中。
11.根據權利要求7所述的系統，其特征在于，所述系統還包括形成在所述基板上的多個穿孔，所述多個穿孔構造成允許所述流體流的一部分被接收到所述混合元件中。
12.根據權利要求11所述的系統，其特征在于，所述多個穿孔設置成與所述多個葉片對齊。
13.根據權利要求11所述的系統，其特征在于，在所述基板上居中地設置孔。
14.一種方法，包括: 將排氣流引入殼體的排氣入口中； 將所述排氣流接收到設置于所述殼體內的選擇性催化還原(SCR)催化劑內； 在所述SCR催化劑上游將還原劑引入所述排氣流內； 將所述排氣流從所述SCR催化劑接收到所述殼體的排出腔室中；以及 朝向所述殼體的排氣出口引導所述排氣流， 其中，引導所述排氣流包括: 使被引導的排氣流的一部分轉向遠離所述排氣出口； 將已轉向的排氣流接收到設置在所述殼體內的混合元件中；以及 在被接收的排氣流中引起渦旋作用。
15.根據權利要求14所述的方法，其特征在于，引導所述排氣流還包括將所述排氣流從所述排氣出口排出。
16.根據權利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法還包括將所述排氣流從所述排氣出口接收到氮氧化物傳感器中。
17.根據權利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法還包括允許所述排氣流的一部分被直接接收到所述混合元件內。
【文檔編號】F01N3/20GK104514600SQ201410482658
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年9月19日 優先權日:2013年9月19日
【發明者】Y·T·布伊 申請人:卡特彼勒公司