還原劑分解和混合系統(tǒng)的制作方法
【專利說(shuō)明】還原劑分解和混合系統(tǒng)
[0001]對(duì)相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求申請(qǐng)?zhí)枮?1/660，532，申請(qǐng)日為2012年6月15日的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)的權(quán)益，在這里通過(guò)引用將其包括到本申請(qǐng)中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本實(shí)用新型涉及用于內(nèi)燃機(jī)的排氣系統(tǒng)，具體地，涉及用于進(jìn)行還原劑分解以及在廢氣再處理系統(tǒng)的選擇性催化還原(SCR)催化劑中進(jìn)行還原劑和廢氣混合的系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0004]廢氣再處理系統(tǒng)接收并處理產(chǎn)生自內(nèi)燃機(jī)的廢氣。典型的廢氣再處理系統(tǒng)包括任意不同種類的組件，這些組件用于降低廢氣中有害廢氣排放物的含量。例如，用于以柴油為動(dòng)力的內(nèi)燃機(jī)的一些廢氣再處理系統(tǒng)包括各種組件，例如，柴油機(jī)氧化催化劑(DOC)、粒狀物質(zhì)過(guò)濾器或柴油機(jī)微粒過(guò)濾器(DPF)以及選擇性催化還原(SCR)催化劑。在一些廢氣再處理系統(tǒng)中，廢氣首先通過(guò)柴油機(jī)氧化催化劑，然后再通過(guò)柴油機(jī)微粒過(guò)濾器，接著通過(guò)SCR催化劑。
[0005]DOC,DPF以及SCR催化劑組件中的每一種組件用于對(duì)通過(guò)組件的廢氣執(zhí)行一種特定的廢氣排放物處理操作。通常情況下，通過(guò)氧化作用，DOC可降低廢氣中出現(xiàn)的一氧化碳和碳?xì)浠衔?。DPF可對(duì)廢氣中出現(xiàn)的有害柴油機(jī)粒狀物質(zhì)和煤煙進(jìn)行過(guò)濾。最后，SCR催化劑可降低廢氣中出現(xiàn)的氧化氮(NOx)的含量。
[0006]SCR催化劑用于在氨(NH3)的參與下，將NOx還原為低有害排放物，例如，N2以及H2O0由于氨不是燃燒過(guò)程的天然副產(chǎn)品，因此必須在廢氣進(jìn)入SCR催化劑之前將氨導(dǎo)入到廢氣中。典型情況下，由于考慮到與液氨存儲(chǔ)相關(guān)的安全因素，氨不會(huì)被直接噴射到廢氣中。因此，傳統(tǒng)的系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成將尿素水溶液噴射到廢氣中，該尿素水溶液在廢氣中可被分解為氨。典型情況下，SCR系統(tǒng)包括尿素源和與尿素源連接的尿素噴射器或定量給料器，該尿素噴射器或定量給料器設(shè)置在SCR催化劑的上游。
[0007]通常情況下，尿素水溶液分解為氣態(tài)氨包括三個(gè)階段。第一階段，尿素蒸發(fā)或尿素與廢氣混合。第二階段，廢氣的溫度使得尿素中發(fā)生相態(tài)變化，將尿素分解為異氰酸(HNCO)和水。第三階段，在水解作用過(guò)程中，在特定的壓力和溫度密度下，異氰酸與水反應(yīng)，以分解為氨和二氧化碳(C02)。然后，在SCR催化劑的入口面，氨被導(dǎo)入并流經(jīng)所述SCR催化劑，并在NCV/肖除過(guò)程中被消耗。通過(guò)使用氨氧化催化劑，從SCR系統(tǒng)排出的任何未被消耗的氨可被分解為N2和其他低害或少害組件。
[0008]為了充分地分解為氨，噴射的尿素必須給予足夠的時(shí)間，以完成前述的三個(gè)階段。一般情況下，完成所述三個(gè)階段以及在進(jìn)入SCR催化劑之前將尿素分解為氨的時(shí)間被稱為停留時(shí)間。一些現(xiàn)有的廢氣再處理系統(tǒng)利用固定直線分解長(zhǎng)度的長(zhǎng)管，該長(zhǎng)管在尿素噴射器和SCR催化劑入口面之間延伸?，F(xiàn)有系統(tǒng)的固定直線分解長(zhǎng)度必須足夠長(zhǎng)，以提供必需的停留時(shí)間。用于尿素分解的長(zhǎng)管通常會(huì)占用寶貴的空間，占用的這些空間可用于其它汽車零部件，從而會(huì)影響到廢氣再處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。然而，與一端入、一端出以及一端入、一側(cè)出的SCR系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的更短的分解管則不能提供足夠長(zhǎng)的停留時(shí)間，以恰當(dāng)?shù)貙?duì)噴射的尿素進(jìn)行蒸發(fā)。
[0009]另外，一些現(xiàn)有的廢氣再處理系統(tǒng)(特別是利用或需要軸向的或端到端的或端到側(cè)組件的廢氣再處理系統(tǒng))不能將尿素/氨和廢氣進(jìn)行充分的混合。不充分混合會(huì)產(chǎn)生低氨蒸氣均勻度指數(shù)，從而導(dǎo)致在SCR催化劑或其它SCR系統(tǒng)組件內(nèi)部產(chǎn)生結(jié)晶/聚合、氨局部聚集、穿過(guò)SCR催化劑表面時(shí)氨的不適當(dāng)分布、低NOx轉(zhuǎn)化效率以及其他缺點(diǎn)。
[0010]而且，許多具有端到端或端到側(cè)的SCR系統(tǒng)的廢氣再處理系統(tǒng)在通過(guò)SCR催化劑的入口面時(shí)不能適當(dāng)?shù)胤植紡U氣。在SCR催化劑中廢氣的不均勻分布會(huì)導(dǎo)致大量的氨溜走，達(dá)不到最優(yōu)的NOx轉(zhuǎn)化效率。例如，在SCR催化劑入口的低廢氣流分布指數(shù)會(huì)導(dǎo)致SCR催化劑表面區(qū)域與廢氣接觸的區(qū)域較小。SCR催化劑表面區(qū)域與廢氣接觸的區(qū)域越小，SCR催化劑的NOx的還原效率越低。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0011]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，具體地，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中目前可用的利用SCR系統(tǒng)的廢氣再處理系統(tǒng)尚未完全解決的問(wèn)題及需求，本申請(qǐng)主題被提出。因此，本申請(qǐng)的主題在于提供一還原劑分解和混合系統(tǒng)，以及對(duì)應(yīng)的設(shè)備，以克服現(xiàn)有還原劑混合和分解技術(shù)和裝置中的至少一些下列或其他缺陷。
[0012]根據(jù)一實(shí)施例，一選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)包括混合器，所述混合器具有多個(gè)刀片，所述多個(gè)刀片圍繞一中心管被分隔。所述混合器可用于接收還原劑和廢氣混合物。所述SCR系統(tǒng)還包括位于所述混合器下游的端封閉管，以用于接收來(lái)自所述混合器的還原劑和廢氣混合物。所述端封閉管包括與一開(kāi)口端相對(duì)的封閉端。所述封閉端幾乎與一廢氣流動(dòng)方向垂直。所述端封閉管進(jìn)一步包括在所述開(kāi)口和封閉端之間延伸的側(cè)壁。所述側(cè)壁可包括多個(gè)穿孔。所述SCR系統(tǒng)的凸緣板包括環(huán)形盤(pán)，該環(huán)形盤(pán)具有多個(gè)開(kāi)口，從所述端封閉管接收的還原劑和廢氣混合物可通過(guò)所述多個(gè)開(kāi)口。所述凸緣板連接并支撐所述端封閉管。
[0013]在某些實(shí)施方式中，所述SCR系統(tǒng)為軸向式系統(tǒng)、端到端系統(tǒng)或端到側(cè)系統(tǒng)中的一種。所述SCR系統(tǒng)可進(jìn)一步包括直線排氣導(dǎo)管，該導(dǎo)管在一還原劑定量給料器和一 SCR催化劑入口之間延伸。所述混合器、端封閉管以及所述凸緣板可以被設(shè)置在所述還原劑定量給料器和所述SCR催化劑入口之間的所述直線排氣導(dǎo)管中。所述直線排氣導(dǎo)管可包括一分解管和一 SCR催化劑外殼。所述混合器可被設(shè)置在所述分解管中。所述端封閉管的至少一部分可以被設(shè)置在所述SCR催化劑外殼中，所述凸緣板可以被設(shè)置在所述SCR催化劑外殼中。所述混合器可以是一副混合器，所述SCR系統(tǒng)可進(jìn)一步包括一主混合器，該主混合器設(shè)置在所述還原劑定量給料器下游和所述副混合器上游的所述直線排氣導(dǎo)管中。
[0014]根據(jù)一些實(shí)施方式，所述多個(gè)刀片會(huì)產(chǎn)生旋渦旋動(dòng)排氣流模式，所述中心管會(huì)在所述排氣旋渦旋動(dòng)流模式中產(chǎn)生直線排氣流模式。所述端封閉管的所述多個(gè)穿孔可產(chǎn)生一徑向向外的定向排氣流模式。所述凸緣板的所述多個(gè)開(kāi)口可產(chǎn)生廢氣的多個(gè)集中徑向外區(qū)域。所述SCR系統(tǒng)可被配置，以使得通過(guò)所述混合器的全部廢氣被所述端封閉管接收，并通過(guò)所述端封閉管的多個(gè)穿孔。進(jìn)一步地，所述SCR系統(tǒng)可以被配置，以使得通過(guò)所述端封閉管多個(gè)穿孔的全部廢氣通過(guò)所述凸緣板的多個(gè)開(kāi)口。
[0015]在另一實(shí)施例中，一排氣混合器包括一內(nèi)管，該內(nèi)管定義了一中心導(dǎo)管。所述排氣混合器還可以包括一外管，所述外管圍繞所述內(nèi)管設(shè)置、與所述內(nèi)管同軸對(duì)齊。另外，所述排氣混合器可包括多個(gè)刀片，所述多個(gè)刀片連接并設(shè)置在所述內(nèi)部和外管之間。
[0016]根據(jù)某些實(shí)施方式，所述內(nèi)管的半徑等于或大于所述外管半徑的一半。
[0017]根據(jù)所述排氣混合器的一些實(shí)施方式，每個(gè)刀片可包括固定在所述內(nèi)圈上的徑向內(nèi)緣以及固定在所述外圈上的徑向外緣。所述徑向內(nèi)緣和徑向外緣不與所述內(nèi)管的中心軸平行。所述徑向內(nèi)緣與所述中心軸之間可定義一第一角度，所述徑向外緣與所述中心軸之間可定義一第二角度。所述第一和第二角度可以不同。所述第一角度可位于30°到50°之間，所述第二角度可位于50°到70°之間。每個(gè)刀片可包括前緣和后緣，每個(gè)刀片在從所述前緣和后緣之間的延伸方向上被彎曲。
[0018]在另一實(shí)施例中，用于接收流動(dòng)方向上流動(dòng)的廢氣流的排氣管包括上游開(kāi)口端以及下游封閉端，所述上游開(kāi)口端用于接收所述流動(dòng)方向上流動(dòng)的廢氣流，所述下游封閉端定義了一排氣沖擊面，該排氣沖擊面幾乎垂直于所述流動(dòng)方向。所述排氣沖擊面在一重定向方向上對(duì)所述廢氣流進(jìn)行重定向，所述重定向方向幾乎垂直于所述流動(dòng)方向。所述排氣管還包括在上游開(kāi)口端和下游封閉端之間延伸的側(cè)壁。所述側(cè)壁包括多個(gè)穿孔，所述重定向廢氣可通過(guò)所述多個(gè)穿孔。
[0019]根據(jù)排氣管的一些實(shí)施方式，所述