CN105545425A - 用于提供给紧凑型混合器的模块化混合器入口和混合器组件 - Google Patents

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Abstract

一种用于车辆排气***的混合器组件，该混合器组件包括具有上游端部和下游端部的混合器。该混合器限定内腔，在该内腔内将排气进行混合。混合器入口本体具有封闭端部和开放端部，该开放端部附接至混合器的上游端部。该混合器入口本体包括从封闭端部延伸至开放端部的用以围绕中心轴线的外周表面。该外周表面包括入口端口，并且该封闭端部包括螺旋成形部，该螺旋成形部使离开入口端口的排气开始漩涡运动。

Description

用于提供给紧凑型混合器的模块化混合器入口和混合器组件
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年10月24日提交的美国临时专利申请第62/068,173号的优先权。
背景技术
排气***通过各种排气部件来传送由发动机产生的热的排气，以减少排放物并控制噪音。该排放***包括柴油颗粒过滤器(DPF)，该柴油颗粒过滤器(DPF)构造成在排气进入下游排放***部件之前将颗粒污染物从排气流移除。在一个已知的构型中，该排气***包括具有定量加料器的喷射***，该喷射***将还原剂喷射到DPF的下游和选择性催化还原(SCR)催化器的上游的排气中。在SCR催化器的上游定位有混合器，并且该混合器将发动机排气和尿素转化的产物混合。定量加料器安装至混合器的外周表面。
在一个已知的构型中，SCR催化器和混合器组装为具有混合器入口和SCR催化器出口的第一模块，并且DPF组装为具有DPF入口和DPF出口的第二模块。第一模块和第二模块经由DPF出口和混合器入口彼此连接。不同车辆应用中的封装限制要求第一模块和第二模块相对于彼此以多个不同的位置定向。模块的入口和出口必须重新构造成适应这些不同的安装定向，这是耗时的并且由于部件增加而增大了制造成本。
此外，重要的是，混合器要能够将所喷射的流体与排气充分地混合。因此，在各种安装构型中的每个构型中，混合器入口必须构造成使得排气被有效地引导到混合器中。
发明内容
根据一个示例性的实施方式，一种用于车辆排气***的混合器组件包括具有上游端部和下游端部的混合器。该混合器限定构造成来混合排气的内腔。混合器入口本体具有封闭端部和开放端部，该开放端部附接至混合器的上游端部。该混合器入口本体包括从封闭端部延伸至开放端部以围绕中心轴线的外周表面。该外周表面包括入口端口，并且封闭端部包括螺旋成形部，该螺旋成形部使离开入口端口的排气开始漩涡运动。
在另一示例性的实施方式中，此组件包括具有定量加料器的喷射***，该喷射***将还原剂喷射到排气中，并且其中，入口端口构造成接收来自车辆发动机的排气，并且其中，混合器构造成将排气引向下游排气部件，并且其中，还原剂在位于混合器入口本体的下游以及下游排气部件的上游的位置处被喷射到排气中。
在另一示例性的实施方式中，下游部件包括SCR催化器，并且其中，混合器入口本体、混合器和SCR催化器组装在一起，以形成限定第一中心轴线的第一模块组件。第二模块组件限定第二中心轴线，其中，第二模块组件至少包括DPF和过滤器出口，并且其中，该过滤器出口联接至混合器入口本体以将第一模块组件和第二模块组件彼此连接，使得第一中心轴线和第二中心轴线相对于彼此以多个不同的安装方向定向。
在另一示例性实施方式中，入口端口为切向定向的入口端口，该切向定向的入口端口由不与中心轴线相交的入口端口轴线限定。
在另一示例性实施方式中，入口端口由与中心轴线相交的入口端口轴线限定。
在另一示例性实施方式中，此组件包括穿孔板，该穿孔板定位在离开混合器入口本体的出口与进入混合器的入口之间。
本发明的这些特征和其他特征可以通过以下的说明和附图最佳地理解，以下为附图的简略说明。
附图说明
图1示出了车辆排放***的高度示意性的视图。
图2A为根据本发明的包括混合器入口的模块组件的一个示例。
图2B为根据本发明的包括混合器入口的模块组件的另一示例。
图2C为根据本发明的包括混合器入口的模块组件的另一示例。
图3A为在模块组件中使用的混合器的一个示例的侧视图。
图3B为图3A的混合器的立体的上游端视图。
图3C为图3A的混合器的立体的下游端视图。
图4A为根据本发明的包括混合器和混合器入口的混合器组件的一个示例。
图4B为根据本发明的包括混合器和混合器入口的混合器组件的另一示例。
图4C为根据本发明的包括混合器和混合器入口的混合器组件的另一示例。
图4D为根据本发明的包括混合器和混合器入口的混合器组件的另一示例。
图5为图4B的混合器组件的部分截面侧视图。
图6为上游入口挡板被移除以实现更紧凑构型的混合器组件的另一示例的部分截面侧视图。
图7为图6的混合器组件的立体端视图。
图8为图7的混合器组件的侧视图。
图9A为与图7类似的视图，但示出了位于混合器组件内的内壁构件。
图9B为图9A的混合器的截面端视图。
图10A为与图6类似的另一混合器组件的上游封闭端的视图。
图10B为图10A的混合器组件的下游开放端的视图。
图10C为图10A的混合器组件的分解图。
图11为示出了入口端口构型的一个示例的侧视图。
图12为图11的构型的俯视图，其中示出了入口位置的角度范围。
图13A为连接至相邻的模块的混合器组件的上游端视图。
图13B为图13A的混合器组件的下游端视图。
图14A为具有穿孔板的模块组件的侧截面图。
图14B为图14A的穿孔板的端视图。
图15A为示出了已安装的穿孔板构型的立体图。
图15B为图15A的不具有穿孔板的构型的立体图。
图16A为居中式混合器入口的下游端视图。
图16B为图16A的混合器入口的上游端视图。
图16C为图16A的混合器入口的立体图。
具体实施方式
图1示出了车辆排放***10的示意图，如已知的，该车辆排放***10通过各种排气部件14来传送由发动机12产生的热的排气，以减少排放物并控制噪音。各种排气部件14可以包括下述部件中的一者或多者：管、过滤器、阀、催化器、***等。排气经由尾管16离开排气***10。
在一个示例构型中(图2A至图2C)，排气部件14包括柴油颗粒过滤器(DPF)18，该柴油颗粒过滤器(DPF)18构造成在排气进入下游排气***部件之前将颗粒污染物从排气流移除。在一个已知的构型中，排气***10包括具有喷射器或定量加料器22的喷射***20，该喷射***例如将诸如尿素和水的溶液之类的还原剂喷射到DPF18的下游和选择性催化还原(SCR)催化器24的上游的排气中。在SCR催化器24的上游定位有混合器30，并且该混合器30将发动机排气以及尿素转化的产物混合。定量加料器22安装至混合器30的外周表面34。
在一个已知的构型中，SCR催化器24和混合器30组装为具有混合器入口42和SCR催化器出口44的第一模块40。DPF18组装为具有DPF入口52和DPF出口54的第二模块50。第一模块40和第二模块50经由DPF出口54和混合器入口42彼此连接。这种连接可以为例如图2A和图2B中示出的直接连接，或者根据封装限制，可以使用如图2C中所示的额外的导管或管连接件60。
此外，模块40、50之间的连接元件构造成使得第一中心轴线A1和第二中心轴线A2可以相对于彼此以多个不同的安装方向定向。为了实现这一点，在一个示例构型中，本发明将混合器入口42、SCR催化器出口44、DPF入口52和DPF出口54设置为共用部件。因此，这些部件中的所有四个部件可以形成为同一部件，或者所述四个部件的任何子组合可以形成为同一部件。这大大地降低了成本并且减少了用于模块的部件。
重要的是，无论第一模块40与第二模块50之间的定向如何，混合器30都能够将来自定量加料器22的喷射流体与排气充分地混合。混合器30可以包括不同的混合构型；然而，在优选实施方式中，混合器30包括紧凑型混合器。在于2013年9月28日提交的申请PCT/US2012/057886中可以找到这种紧凑型混合器的一个示例，该申请转让给了本申请的受让人并通过参引并入到本文中。
如以上所讨论的，混合器30定位在DPF18的下游以及SCR催化器24的上游。混合器30用于产生排气的漩涡运动或旋转运动。喷射***20用于例如将诸如尿素和水的溶液之类的还原剂喷射到SCR催化器24的上游的排气流中，使得混合器30能够将尿素和排气充分地混合在一起。如已知的，喷射***20(图2B)包括流体供给源28、定量加料器22、以及控制尿素的喷射的控制器26。
混合器30(图3A至图3C)包括具有入口端部30b和出口端部30c的混合器本体30a，其中，该入口端部30b构造成接收来自混合器入口42的发动机排气，该出口端部30c用以将涡旋式发动机的排气和由尿素转化的产物的混合物引向SCR催化器24。混合器本体30a包括由外周表面30f围绕的入口或上游挡板30d和出口或下游挡板30e，该外周表面30f限定混合器壳体。上游挡板30d构造成使排气流开始旋动并且包括大开口或主开口30g，该开口30g接收大部分的排气并且构造成使漩涡运动开始。上游挡板30d还包括多个穿孔或开口30h，所述多个穿孔或开口30h确保最优的均匀化排气并减小背压。下游挡板30e包括多个开口30i和偏转部30j，排气穿过所述多个开口30i和偏转部30j离开。在一个示例中，下游挡板包括比其他开口更大的一个主离开开口。
混合器本体30a的外周表面30f包括定量加料器安装区域62，该定量加料器安装区域62具有用以接纳定量加料器22的开口。上游挡板30d和下游挡板30e沿着混合器30的长度在轴向方向上彼此间隔开，使得定量加料器安装区域62以非常紧凑的构型定位在所述两个挡板之间。
如图2A至图2C中所示，第一模块40限定沿着混合器30和SCR催化器24的长度延伸的第一中心轴线A1。第二模块50限定沿着DPF18延伸的第二中心轴线A2。混合器入口42作为第一模块40的一部分安装至混合器30，并且混合器入口42具有位于第一中心轴线A1上的入口中心。
在一个示例中，混合器入口42(图4A至图4D)包括入口本体42a，该入口本体42a具有封闭端部66(图4A)以及相对的开放端部68，该相对的开放端部68附接至混合器30的上游开放端部。在一个示例中，入口本体42a包括圆形形状。入口本体42a具有在开放端部68与封闭端部66之间延伸的外周表面42b。外周表面42b围绕第一中心轴线A1以限定内腔。在一个示例中，用于混合器入口42的切向排气入口端口形成为外周表面42b的一部分。该切向排气入口端口包括管状部42c，此管状部42c具有限定入口轴线42d的开口，该入口轴线42d与围绕第一中心轴线A1的虚圆(该虚圆由从第一中心轴线延伸与轴线42d相交的半径限定)成相切的关系。在一个示例中，管状部42c在入口处具有圆形横截面。
管状部42c处的切向定向的入口端口构造成接收来自车辆发动机12的排气并使排气开始漩涡运动。为了使漩涡运动开始，如在图4A和图4B中最佳地示出的，封闭端面66包括螺旋形形状。
外周表面42b限定从封闭端部66至开放端部68的轴向长度L。由于螺旋形形状，如在图4C中最佳地示出的，该轴向长度L绕混合器入口本体42a的周缘而变化。轴向长度L最大在入口端口42c的一侧处为最大值。轴向长度L最小在入口端口42c的相对侧处为最小值，其中，随着混合器入口42的周缘表面绕中心轴线A1延伸了正好三百六十度，该长度从最大长度逐渐减小至最小长度。这种长度上的逐渐减小形成了螺旋形形状。
在一个示例中，混合器入口42由金属冲压板形成，使得封闭端部66的外表面和内表面中形成螺旋形形状。在另一示例中，混合器入口42包括铸造部件，该铸造部件的封闭端部66的内表面包括铸入的外形为螺旋形的形状。仅提出了混合器入口42可以如何形成以包括螺旋形形状的两个示例。还可以使用其他材料和制造方法。
如以上讨论的，混合器30包括用于定量加料器22的喷射器安装区域62。在将混合器入口本体42a永久地附接至混合器30之前，入口端口42可以相对于喷射器安装区域62在多个不同的位置(图4A至图4D)之间选择性地旋转，以实现相对于喷射器22的期望的安装定向。例如，图4A示出了入口端口42c相对于喷射器安装区域62旋转九十度的构型，图4B示出了入口端口42c相对于喷射器安装区域62旋转零度的构型，图4C示出了入口端口42c相对于喷射器安装区域62旋转二百七十度的构型，以及图4D示出了入口端口42c相对于喷射器安装区域62旋转一百八十度的构型。因此，混合器入口42和紧凑型混合器30以允许位置变化的方式接合，以允许用于封装需求的多个组件构型。
如以上讨论的，切向入口紧凑型混合器30使用模块化设计，该模块化设计允许混合器入口42的复制件既用作第一模块40与第二模块50之间的连接的入口又用作第一模块40与第二模块50之间的连接的出口。如在图2A至图2C的示例中所示，DPF出口54和混合器入口42都通过下述接合部以上游至下游的方式附接：该接合部根据车辆应用的封装需求而允许变化的位置。由于混合在混合器入口42以及紧凑型混合器30中完成，因此所述变化的位置不影响混合性能。
混合器的入口挡板30d包括面向混合器入口42的螺旋形形状的螺旋形形状(图3B和图5)。因此，混合器入口42的螺旋形形状形成了混合器30的螺旋形形状的延续部，该延续部允许流体以螺旋流的方式进入切向入口并以螺旋定向继续行进到混合器30中。如以上讨论的，入口端口42c相对于混合器入口本体切向地定位，使得由入口端口42c限定的轴线42d不与第一中心轴线A1相交。
在另一实施方式中(图6至图10C)，组件包括混合器入口42’、紧凑型混合器30’以及出口或下游挡板30e’(图10B)，其中，上述的混合器入口或上游挡板30d被移除。混合器入口42’和混合器30’可以彼此附接、或者一体地形成为单件。混合器入口42’的螺旋形形状代替混合器的螺旋形入口挡板的功能，以提供甚至更紧凑的构型。混合器出口挡板30e’与上述的出口挡板30e大致类似。与包括上游挡板和下游挡板两者的混合器30的构型相比、例如将图6与图5进行比较，紧凑型混合器30’的构型具有明显更短的总长度。这种更紧凑的构型显著地增加了可用的封装选择。
如图9A和图9B中所示，该构型包括内壁70，该内壁70通过间隙G与混合器入口壳体74的内表面72间隔开。在一个示例中，约百分之十的排气流到该间隙G中，而剩余的排气旋动到混合器30’的中央中。内壁70可以向上游延伸到切向入口端口42c’的入口开口中以进一步促进排气流的分流。
图11和图12公开了入口位置的角度范围。入口位置的角度相对于平面P1限定，该平面P1沿着入口轴线42d并与紧凑型混合器30和/或位于混合器30的下游的SCR催化器24的中心线垂直。由于存在车辆封装空间限制，因而该角度范围是重要的，其中，在沿着催化器中心线观察的“端视图”中，入口为切向的(如在先前各附图中所示)，而在侧视图(以与催化器中心线平行的方向观察)中，入口角度与催化器中心线不垂直。在图12中示出了示例范围。
图13A和图13B示出了具有附接至混合器30的混合器入口42的构型，并且其中，混合器入口42附接至出口结构80，该出口结构80要被连接至另一模块。在示出的示例中，混合器入口42和出口结构80为彼此的镜像。图13A示出了封闭端部66的上游视图，并且图13B示出了下游视图。排气和喷射流体的混合物离开出口挡板30e并被引向下游部件。
图14A和图14B与图13A和图13B类似，但图14A和图14B包括穿孔板82。穿孔板82定位在混合器入口42与混合器30之间。穿孔板82包括具有多个开口86的大致平坦的板本体84。穿孔板82延伸过混合器30内的整个排气通道，使得离开混合器入口42的所有排气在进入混合器30之前必须穿过穿孔板82。这进一步促进了混合并且提供了在排气路径上的更均匀地分布的混合物。横向延伸的凸缘88围绕穿孔板82的外周并且接合混合器30或混合器入口42的内周表面，使得穿孔板82可以通过例如熔焊或钎焊固定就位。
图15A示出了具有已安装的穿孔板82的组装构型，并且图15B示出了不具有穿孔板的构型。在图15A构型中，离开混合器入口42的排气流动穿过板82并且随后遇到上游挡板30d。在图15B构型中，排气离开混合器入口42并且被立即引向混合器30的上游挡板30d。
图16A至图16C示出了混合器入口90的居中式构型。在该构型中，混合器入口90包括上游封闭端部92、下游开放端部94、以及围绕中心轴线A(图16C)的外周表面96。外周表面96中形成有入口端口98，并且该入口端口98限定与中心轴线A相交的入口端口轴线100。该居中构型提供了用于特定封装布置的更容易且更有效的安装。
内周表面102限定用于混合器入口90的内腔104。封闭端部92包括凹陷特征部106，该凹陷特征部106延伸到内腔104中以在混合器入口90中形成螺旋形形状。因此，混合器入口90的外部上形成有凹部108(图16B)，并且混合器入口90的内部形成有突出部110(图16A)。突出部110从外周边缘径向向内地延伸并且延伸成与混合器入口90的中心轴线点P重叠并穿过混合器入口90的中心轴线点P。突出部110包括弯曲表面部分112，该弯曲表面部分112面向入口端口98以将排气朝向内周表面102而不是朝向中心轴线点P引导。如此，进入入口端口98的排气通过突出部110被阻止引向混合器入口90的中心，而是沿着螺旋形路径开始进行漩涡运动。
在一个示例中，突出部可以通过冲压形成。在另一示例中，突出部可以铸造到混合器入口中。在任一构型中，凹陷特征部都提供了螺旋成形部，该螺旋成形部确保排气流在混合器入口内旋动，并且该螺旋成形部还增大了混合长度，从而导致了改进的混合性能。
先前的描述实质上为示例性的而非限制性的。所公开示例的变型和改型对本领域的技术人员而言将变得明显，并且必然不脱离本公开的本质。对于本公开给出的法律保护范围可以仅通过研究后附权利要求来确定。
尽管在示出的示例中示出了特征的组合，但是不需要将这些特征中的所有特征进行组合来实现本公开的各种实施方式的益处。换句话说，根据本公开的实施方式设计的***将不一定包括任一附图中示出的所有特征或者附图中示意性地示出的所有部分。此外，一个示例实施方式的选定特征可以与其他示例实施方式的选定特征结合。

Claims (20)

1.一种用于车辆排气***的混合器组件，所述混合器组件包括：
混合器，所述混合器具有上游端部和下游端部，所述混合器限定了构造成来混合排气的内腔；以及
混合器入口本体，所述混合器入口本体具有封闭端部和开放端部，所述开放端部附接至所述混合器的所述上游端部，所述混合器入口本体包括从所述封闭端部延伸至所述开放端部以围绕中心轴线的外周表面，其中，所述外周表面包括入口端口，并且其中，所述封闭端部包括螺旋成形部，所述螺旋成形部使离开所述入口端口的所述排气开始进行漩涡运动。
2.根据权利要求1所述的混合器组件，包括具有定量加料器的喷射***，所述喷射***将还原剂喷射到所述排气中，并且其中，所述入口端口构造成接收来自车辆发动机的排气，并且其中，所述混合器构造成将所述排气引导至下游排气部件，并且其中，所述还原剂在位于所述混合器入口本体的下游以及所述下游排气部件的上游的位置处被喷射到所述排气中。
3.根据权利要求2所述的混合器组件，其中，所述混合器包括用于所述定量加料器的喷射器安装区域，并且其中，在将所述混合器入口本体附接至所述混合器之前，所述入口端口相对于所述喷射器安装区域在多个不同的位置之间选择性地旋转，以相对于所述喷射器安装区域实现期望的安装定向。
4.根据权利要求2所述的混合器组件，其中，所述下游部件包括催化器，并且其中，所述混合器入口本体、所述混合器和所述催化器组装在一起以形成限定第一中心轴线的第一模块组件。
5.根据权利要求4所述的混合器组件，包括限定第二中心轴线的第二模块组件，所述第二模块组件至少包括颗粒过滤器和过滤器出口，并且其中，所述过滤器出口联接至所述混合器入口本体以将所述第一模块组件和所述第二模块组件彼此连接，使得所述第一中心轴线和所述第二中心轴线能够相对于彼此以多个不同的安装方向定向。
6.根据权利要求1所述的混合器组件，其中，所述入口端口为切向定向的入口端口，所述切向定向的入口端口由与所述中心轴线不相交的入口端口轴线限定。
7.根据权利要求6所述的混合器组件，其中，所述外周表面限定从所述封闭端部至所述开放端部的轴向长度，并且其中，所述轴向长度绕所述混合器入口本体的周缘而变化。
8.根据权利要求7所述的混合器组件，其中，所述轴向长度在所述入口端口的一侧处为最大长度，所述轴向长度在所述入口端口的相对侧处为最小长度，并且所述轴向长度在所述最大长度与所述最小长度之间逐渐减小以形成螺旋形形状。
9.根据权利要求6所述的混合器组件，其中，所述混合器入口本体包括圆形形状并且在所述入口端口处包括圆形的入口管。
10.根据权利要求6所述的混合器组件，其中，所述混合器包括定位在所述内腔内的至少一个挡板，所述至少一个挡板包括主开口和多个次开口，所述多个次开口中的每个次开口由比所述主开口的横截面积小的横截面积限定。
11.根据权利要求10所述的混合器组件，其中，所述至少一个挡板至少包括入口挡板以及位于所述入口挡板下游的出口挡板，并且所述混合器包括围绕所述入口挡板和所述出口挡板的混合器壳体，并且其中，所述入口挡板和所述出口挡板中的每一个均包括主开口和多个次开口，所述多个次开口中的每个次开口由比所述主开口的横截面积小的横截面积限定。
12.根据权利要求11所述的混合器组件，其中，所述入口挡板包括螺旋形形状，并且其中，所述混合器入口本体的所述螺旋成形部面向所述入口挡板的所述螺旋形形状，使得沿着所述混合器入口本体和所述混合器的长度形成连续且不间断的螺旋形形状，所述连续且不间断的螺旋形形状允许流体进入所述入口端口中并以螺旋流的方式成螺旋形行进通过所述螺旋成形部、并且以螺旋定向继续进入到所述混合器的所述入口挡板的所述螺旋形形状中。
13.根据权利要求6所述的混合器组件，其中，所述混合器包括定位在所述内腔中的仅一个挡板，所述挡板以与所述混合器的所述下游端部邻近的方式定位，并且其中，所述挡板包括主开口和多个次开口，所述多个次开口中的每个次开口由比所述主开口的横截面积小的横截面积限定，并且其中，排气以漩涡运动的方式离开所述混合器入口本体并且经由所述主开口和所述次开口而被引向下游部件。
14.根据权利要求13所述的混合器组件，包括内壁构件，所述内壁构件与所述混合器入口本体的内表面向内间隔开一间隙，以限定位于所述混合器的所述内表面与所述内壁构件的外表面之间的第一螺旋流动路径以及沿着所述内壁构件的内表面的第二螺旋流动路径，其中，所述排气的第一百分比被引导到所述第一螺旋流动路径中，所述排气的第二百分比被引导到所述第二螺旋流动路径中，所述第二百分比大于所述第一百分比。
15.根据权利要求14所述的混合器组件，其中，所述内壁构件向上游延伸到所述入口端口的入口开口中。
16.根据权利要求1所述的混合器组件，其中，所述入口端口能够定位在一定角度范围的入口位置中，所述入口位置的角度的限定和与所述混合器的中心线垂直的平面相关。
17.根据权利要求1所述的混合器组件，包括穿孔板，所述穿孔板定位在离开所述混合器入口本体的出口与进入所述混合器的入口之间。
18.根据权利要求17所述的混合器组件，其中，所述穿孔板延伸经过在所述混合器入口本体和所述混合器内限定的排气流动路径的整个横截面，使得离开所述混合器入口本体的所有排气在进入所述混合器之前必须穿过所述穿孔板。
19.根据权利要求1所述的混合器组件，其中，所述入口端口由与所述中心轴线相交的入口端口轴线限定。
20.根据权利要求19所述的混合器组件，其中，所述封闭端部包括凹陷部，所述凹陷部从外周缘延伸成与所述封闭端部的中央部分重叠，所述凹陷部提供了所述螺旋成形部，所述螺旋成形部将排气沿着不与所述中心轴线相交的螺旋路径引导。
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