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CN101749085A - 用于选择性催化还原系统的混合装置 - Google Patents

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CN101749085A CN200910252809A CN200910252809A CN101749085A CN 101749085 A CN101749085 A CN 101749085A CN 200910252809 A CN200910252809 A CN 200910252809A CN 200910252809 A CN200910252809 A CN 200910252809A CN 101749085 A CN101749085 A CN 101749085A
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C·乔施
S·H·埃尔塔里
V·S·卡萨
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GM Global Technology Operations LLC
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Abstract

本发明涉及用于选择性催化还原系统的混合装置。一种选择性催化还原(SCR)系统包括用于从发动机接收排气的排气管。选择性催化还原(SCR)单元设置在排气管的下游。包括带孔主体的第一混合元件具有第一表面、第二表面和从第一表面延伸到第二表面的多个孔道。第一表面和第二表面相互平行并且与排气的流动方向成一定角度。该角度小于90度。

Description

用于选择性催化还原系统的混合装置
技术领域
本发明涉及机动车排气系统的选择性催化还原(SCR)系统，并且更具体地涉及用于SCR系统的混合装置，所述混合装置在还原剂(例如尿素)与排气到达SCR催化剂之前将二者进行混合。
背景技术
此处提供的背景资料说明是为了总体介绍本发明的背景。在本背景技术部分所描述的范围内，目前署名的发明人的作品以及在申请日时不构成现有技术的该描述的各个方面既非明确地也非隐含地被看作针对本发明的现有技术。
选择性催化还原(SCR)系统已经应用于机动车中，用来还原氮氧化物(NOx)。SCR系统包括SCR单元(例如，SCR催化剂)，在其中进行SCR处理。通常，向SCR单元上游的排气流中喷入液体还原剂，例如尿素。喷射的尿素溶液在热分解和水解的作用下分解从而形成气态氨(NH3)和二氧化碳(CO2)。气态氨起着还原剂的作用，在SCR单元中与排气中的氮氧化物(NOx)反应以生成水(H2O)和氮气(N2)。为了获得最佳的SCR性能，在到达SCR单元之前，尿素溶液必须在排气流中进行适当汽化、混合和均匀分布。
现在参照图1和2，SCR系统的传统混合装置10通常安装在排气管12中，在SCR单元(未示出)的上游，并且具有限定出多个孔道14的网状结构。混合装置10垂直于排气管12布置从而使这些多个孔道14平行于排气的总体流动方向A。调整片15常常在混合装置10的下游端以各种角度伸出从而促进混合。这些调整片15会造成SCR系统中的压力损失。尿素溶液在混合装置10的上游从方向B以与排气的总体流动方向A成角度地喷射。当尿素溶液和排气流过混合装置10的孔道14且经过调整片15时，混合装置10帮助尿素溶液汽化并且使尿素溶液与排气混合。
尿素溶液可能在不接触混合装置10的情况下流过孔道14和调整片15，还可能碰撞管壁。因此，尿素液滴可能不会完全分解为更均匀地分布在排气流中的较小尺寸。而且，混合装置10可能会引起经过混合装置10的极大压降，特别是在高流速时，并且阻碍排气管12中的排气流。
发明内容
一种选择性催化还原(SCR)系统包括用于从发动机接收排气的排气管。选择性催化还原(SCR)单元设置在排气管的下游。第一混合元件包括带孔主体，该带孔主体具有第一表面、第二表面和从第一表面延伸到第二表面的多个孔道。第一表面和第二表面相互平行并且与排气的流动方向成一定角度。这个角度小于90度。
在其它特征中，这个角度可以在0和60度之间。这个角度可以为0度，并且第一表面和第二表面平行于排气的流动方向从而降低压降。本发明的混合装置能获得更好的汽化和分布性能，而不会引起经过混合装置的极大压降。
从本文提供的描述可以清楚更多的应用领域。应当理解的是，该描述和特定示例只是用作说明目的，并不意图限制本发明的范围。
附图说明
本文描述的附图只用作说明目的，并不意图以任何方式限制本发明的范围。
图1是安装在排气管中的现有技术混合装置的示意性侧视图；
图2是现有技术混合装置的局部横截面视图；
图3是采用本发明的混合装置的排气系统的示意图；
图4A是图3中的A部分的放大图；
图4B是示出了混合装置的视图，该混合装置处于与排气的流动方向A成一定角度的位置；
图5是根据本发明第一实施例的混合装置的局部示意性立体图；
图6是根据本发明第二实施例的混合装置的局部示意性立体图；
图7是图6所示混合装置的横截面视图；
图8A是根据本发明第三实施例的混合装置的局部示意性立体图；
图8B是第三实施例的变型的横截面视图；
图8C是第三实施例的变型的另一横截面视图；
图9是根据本发明第四实施例的混合装置的示意性侧视图；
图10A、10B、10C和10D分别是混合装置A、B、C和D的示意图，示出了它们相对于排气管的布置；
图11示出代表沿着排气管的混合区的轴向位置的尿素溶液的蒸气分数的曲线图；
图12示出代表沿着排气管的混合区的轴向位置(X)的尿素溶液的蒸气-液体均匀性指数的曲线图；以及
图13示出代表经过混合装置A、B、C和D的压降的曲线图。
具体实施方式
下列描述本质上仅仅是示例性的，并且不用于限制本发明、其应用或用途。应当理解，在所有附图中，相同的附图标记代表相同或相应的部件和特征。
一种用于选择性催化还原(SCR)系统的混合装置设置在排气管中并且在SCR单元的上游，用于使尿素溶液与排气混合。该混合装置包括带孔主体和从带孔主体向外伸出的多个调整片。该带孔主体具有第一表面、第二表面和从第一表面延伸到第二表面的多个孔道。第一表面和第二表面相互平行并且与排气管壁成一定角度。这个角度小于90度。这个角度可以为0度从而降低压降。本发明的混合装置能获得更好的汽化和分布性能，而不会引起经过混合装置的极大压降。
参照图3，发动机系统20包括内燃发动机22和用于接收并处理发动机22在燃烧过程中产生的排气的选择性催化还原(SCR)系统24。SCR系统24包括与排气歧管28连通的排气管26、布置在排气管26下游的SCR单元30、布置在SCR单元30的下游的用于将处理过的排气释放到大气中的尾管32以及计量系统34。发动机系统20可选地包括在排气歧管28下游的柴油氧化催化器(DOC)27和/或柴油微粒过滤器(DPF)29。计量系统34储存SCR过程所需的尿素溶液。与计量系统34连通的喷嘴36设置在排气管26处，用于在适当时间将尿素溶液喷入排气流中。混合装置38布置在排气管26中，邻近喷嘴36，用于汽化尿素水溶液并且使汽化了的尿素与排气混合。混合区限定在喷嘴36与SCR单元30的入口39之间。
当SCR单元30达到SCR单元30上的催化剂变得活化的预定温度时，喷嘴36将尿素水溶液喷入排气管26中。排气流的热量加热并汽化尿素水溶液，从而使尿素水溶液分解成氨(NH3)和异氰酸(HNCO)。然后氨和异氰酸与排气管26中的排气混合。通过混合装置38，尿素溶液得以在排气流中被汽化、混合和分布。氨、异氰酸和排气的混合物然后流向SCR单元30，在这里进行SCR过程。通过SCR过程，可从排气中除去氮氧化物(NOx)。处理过的排气然后经由尾管32释放到大气中。
参照图4A、4B和5，混合装置38包括限定Y方向的带孔主体40。该Y方向平行于带孔主体40的厚度方向，并且基本上垂直于排气管26的中心轴线(或纵轴线)。带孔主体40具有板状结构并且包括第一表面44和第二表面46。第一表面44和第二表面46是平行的。如图4B所示，带孔主体40(并由此是第一表面44和第二表面46)与体总流动方向A成角度
Figure G2009102528092D00041
角度小于90度。角度
Figure G2009102528092D00043
可以在0和60度之间。在一种实施方式中，角度
Figure G2009102528092D00044
可以小于10°，从而降低压降。在另一种实施方式中，角度
Figure G2009102528092D00045
可以大于10°，但小于90°，这取决于混合装置38的结构。
排气的总体流动方向A是排气质量流从第一点移动到第二点的移动方向。排气的总体流动方向A平行于排气流过其中的排气管的中心轴线X。当排气管26具有弯曲或弧形结构时，总体流动方向A会随着排气管的弯曲或弧形部分而变化。尽管如此，排气的总体流动方向A仍然平行于弯曲或弧形排气管的中心轴线X。
多个孔道48沿着Y方向从第一表面44(上表面)延伸到第二表面46(下表面)。多个腹板49形成在相邻孔道48之间。第一表面44设置在喷嘴36附近，从而在喷射尿素溶液时，尿素溶液会“磁撞”到第一表面44上并且通过孔道48流向第二表面46。第一表面44起着碰撞面的作用。孔道48被设计成允许预定数量的还原剂在带孔主体40下方流动从而得到更好的分布。尿素溶液可以沿方向B以与总体流动方向A成角度θ地朝混合装置38喷射，从而向混合装置38施加碰撞力。这个碰撞力有助于尿素溶液分解成较小液滴。这些液滴可向下行进至混合装置38，并可进行汽化且通过混合装置38与排气混合。
如图4A所示，如虚线所示，根据混合装置38的结构，带孔主体40可以沿着Y方向更靠近或远离喷嘴36。带孔主体40相对于排气管26的顶壁或底壁的位置(即Y位置)会影响尿素在排气中的混合和分布。一般来说，当带孔主体40太靠近喷嘴36时，带孔主体40会对尿素产生分层效应，导致尿素停留在排气管26的顶壁上。根据孔道46和调整片52的大小(如图6所示)，将带孔主体40移动为更靠近喷嘴会改善尿素在一些位置的汽化、混合和分布，这会在后面进行描述。仅举例来说，当带孔主体40具有较大孔道48和较小腹板49时，带孔主体40就可以沿Y方向被移动为更靠近喷嘴36，因为尿素能容易地流向带孔主体40的底部。
孔道48可以具有除图5所示的方形形状以外的形状。仅举例来说，孔道48可具有圆形或六边形形状。而且，在同一带孔主体40中孔道48的形状和大小可以各不相同，并且腹板49的厚度可以不同。带孔主体40应当具有小厚度以降低压降。带孔主体40越薄，压降越小。
由于热传递较少，混合装置38会被排气加热到比排气管26更高的温度，从而进一步改善尿素溶液的汽化。
如图6和7所示，根据本发明第二实施例的混合装置50类似于第一实施例的混合装置38，除了混合装置50包括从第一表面44与第一表面成一定角度地向外伸出的多个调整片52。这些调整片52沿着孔道48均匀间隔开。这些调整片52可以通过在形成带孔主体40的板中冲压孔道48并且将被冲压材料弯出孔道48而形成。这块板可以是金属薄板。调整片52与带孔主体40所成的角度可以变化。
这些调整片52增大了混合装置50的总接触面，从而通过尿素碰撞到调整片52上而使尿素溶液更容易地分解成较小液滴。尿素溶液沿垂直于调整片52的方向喷射，从而使尿素溶液直接“碰撞”到调整片52上。因为调整片52在排气流中与排气的总体流动方向A成一定角度地突出，所以在调整片52附近形成湍流从而进一步改善尿素液滴在排气中的汽化和分布。而且，因为调整片52从带孔主体40向外伸出并且朝着总体流动方向的长度很小，所以这些调整片52不会引起太大的压降同时还改善混合性能。
如图8A所示，根据本发明第三实施例的混合装置60类似于第二实施例的混合装置50，区别仅在于调整片52的布置。混合装置60的调整片52每隔一个孔道48交替布置。在该实施例中，调整片52少于孔道48。混合装置60可沿着Y方向移动为更靠近喷嘴36，以得到尿素的最佳混合、汽化和分布。
参照图8B和8C，根据第三实施例的变型的混合装置类似于图8A的混合装置60，区别仅在于调整片的布置。该混合装置的变型具有类似于图8A的俯视立体图。因此，为了清楚起见，对该变型使用同一图8A。图8B示出沿图8A的线B-B截取的横截面。图8C示出沿图8A的线C-C截取的横截面。在该变型中，多个调整片52设置在第一表面44和第二表面46两者上以进一步增大混合装置60的接触面并且还使更多的液体从带孔主体40下方流过。该变型包括从第一(上)表面44向上伸出的多个上调整片和从第二(下)表面46向下伸出的多个下调整片。这些上调整片和下调整片从带孔主体40沿着相反的方向伸出。这些下调整片布置成面向这些上调整片中与其相邻的上调整片从而捕集流过带孔主体40的喷雾。
参照图9，混合装置70包括第一混合元件72和第二混合元件74。第二混合元件74与第一混合元件72沿着厚度方向Y间隔一定距离。厚度方向Y基本上垂直于排气管26的纵轴线X。第一混合元件72和第二混合元件74可具有与结合图5至8描述的那些混合装置类似的结构。尽管图中未示出，混合装置70可具有三个或更多个混合元件。
更具体地说，第一混合元件72和第二混合元件74每个都限定出第一表面、第二表面和在它们之间延伸的多个孔道。第一和第二混合元件72、74的第一表面和第二表面是平行的，并且沿着基本上平行于排气管的总体流动方向A的方向延伸。第一混合元件72和第二混合元件74可具有相同或不同的结构。第一混合元件72可具有多个第一孔道76，第二混合元件74可具有多个第二孔道78。第一孔道76和第二孔道78可具有相同或不同的尺寸，并且可以是对齐或偏置的。
图10A、10B、10C和10D示出混合装置A、B、C和D，它们的预期性能在图11、12和13中被比较。图10A示出的混合装置A包括图1和2中的现有技术混合装置10。图10B示出的混合装置B包括两个图1和2中的现有技术混合装置10，其中，这些混合装置10沿着排气管26的纵轴线X间隔开，并且这些混合装置10中的一个设置在SCR单元30的入口39附近。通过沿着纵轴线X将混合装置10移至SCR单元30附近来调节这两个混合装置10之间的距离。图10C示出的混合装置C包括根据本发明的如图8A所示的混合装置60。图10D示出的混合装置D包括根据本发明的如图8A所示的第一混合装置60和图1和2中的第二混合装置10。通过沿着纵轴线X移动第二混合装置10来调节第一混合装置60与第二混合装置10之间的距离。应该注意的是，图10C和10D中的第一混合装置可以是图5至8A所示的任一混合装置，可带有或不带调整片52。
图11、12和13是从汽化、混合和压降方面表示混合装置A、B、C和D的预期性能的曲线图。图11和12中排气的流速为800kg/hr。这只是一个例子，示出了本发明的混合装置的益处。排气能够具有不同于800kg/hr的流速以获得相似的结果。横坐标(X坐标)代表混合区的轴向位置。位置1表示邻近喷嘴的混合区的起点。位置5表示混合区的终点(SCR单元30的入口39)。
图11示出采用本发明的混合装置60的混合装置C和D在位置5(即SCR单元30的入口39)处达到更高的蒸气分数。换句话说，尿素溶液在进入SCR单元30进行SCR过程之前将通过混合装置C和D更好地进行汽化。而且，使用混合装置C和D，一旦尿素溶液经过根据本发明的混合装置60，就可以在位置2处获得更高的蒸气分数。因此，采用本发明的混合装置60的混合装置C和D可以更快地获得更高的蒸气分数而不需要长的混合区。这对具有小排气管和小混合区的SCR系统尤其有利。
图12示出沿着排气管26的轴向位置的蒸气-液体均匀性指数。蒸气-液体均匀性指数代表排气管中的尿素分布。指数越高，尿素在排气中的分布越好。混合装置C和D示出为在位置2(即混合装置60的出口)处具有较高指数。因此，混合装置C和D能够更快地使尿素溶液与排气混合。
图13示出代表在不同排气流速下由混合装置A、B、C和D引起的压降的曲线图。采用本发明的混合装置60的混合装置C和D在所有排气流速下倾向于引起低于现有技术混合装置A和B的压降。
通过上面的描述，本领域技术人员现在能够认识到，本发明的广义教导能够以各种形式实施。因此，尽管本发明包含了特定示例，但本发明的真实范围不限于此，因为本领域技术人员在研读了附图、说明书和所附权利要求书之后会清楚其它改型。

Claims (20)

1.一种选择性催化还原(SCR)系统，包括：
用于从发动机接收排气的排气管；
设置在所述排气管下游的选择性催化还原(SCR)单元；以及
第一混合元件，其包括限定出第一表面、第二表面和从所述第一表面延伸到所述第二表面的多个孔道的带孔主体，
其中，所述第一表面和所述第二表面相互平行并且与排气的流动方向成一定角度，所述角度小于90度。
2.如权利要求1所述的SCR系统，其中，所述角度在0和60度之间。
3.如权利要求1所述的SCR系统，其中，所述第一表面和所述第二表面平行于排气的流动方向。
4.如权利要求1所述的SCR系统，其中，所述带孔主体具有板状结构。
5.如权利要求1所述的SCR系统，其中，所述多个孔道垂直于所述带孔主体的第一表面和第二表面。
6.如权利要求1所述的SCR系统，其中，所述第一混合元件还包括从所述第一表面和所述第二表面中的一个向外伸出的多个调整片。
7.如权利要求6所述的SCR系统，其中，所述多个调整片在所述第一表面和所述第二表面中的一个上均匀间隔开。
8.如权利要求6所述的SCR系统，其中，所述多个调整片沿着所述多个孔道交替布置。
9.如权利要求6所述的SCR系统，其中，所述多个调整片包括从所述第一表面向上伸出的多个上调整片和从所述第二表面向下伸出的多个下调整片，所述上调整片和下调整片朝着相反的方向伸出。
10.如权利要求1所述的SCR系统，还包括布置在所述排气管中且与所述第一混合元件间隔开的第二混合元件，其中，所述第二混合元件具有带孔主体，并且其中，所述带孔主体限定出第一表面、第二表面和在所述第一表面与所述第二表面之间延伸的多个孔道。
11.如权利要求10所述的SCR系统，其中，所述第二混合元件的多个孔道平行于所述第一混合元件的多个孔道。
12.如权利要求11所述的SCR系统，其中，所述第二混合元件与所述第一混合元件沿着所述第一混合元件的厚度方向间隔开。
13.如权利要求10所述的SCR系统，其中，所述第二混合元件设置在所述第一混合元件的下游。
14.如权利要求13所述的SCR系统，其中，所述第二混合元件的多个孔道沿着平行于流动方向的方向延伸。
15.如权利要求1所述的SCR系统，其中，第一带孔主体与排气管壁之间的距离随着所述混合装置的结构而改变。
16.一种设置在排气管中且位于选择性催化还原(SCR)系统上游的混合装置，包括：
第一带孔主体，其限定出第一表而、第二表面和从所述第一表面延伸到所述第二表面的多个孔道，其中，所述第一表面和所述第二表面彼此平行并且与排气的流动方向成一定角度，所述角度小于90度；以及
从所述第一表面和所述第二表面中至少一个向外伸出的多个调整片。
17.如权利要求16所述的混合装置，其中，所述多个调整片在所述带孔主体上均匀间隔开。
18.如权利要求17所述的混合装置，还包括与所述第一带孔主体间隔开的第二带孔主体，其中，所述第二带孔主体限定出第一表面、第二表面和在所述第一表面与所述第二表面之间延伸的多个孔道。
19.如权利要求18所述的混合装置，其中，所述第一带孔主体的多个孔道和所述第二带孔主体的多个孔道彼此平行。
20.如权利要求18所述的混合装置，其中，所述第二带孔主体设置在所述第一带孔主体的下游，并且所述第二带孔主体的多个孔道沿着平行于流动方向的方向延伸。
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