CN105114160B - 催化转化装置及其废气空气混合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种催化转化装置的废气空气混合器，包括：壳体，所述壳体包括外壁和内壁，所述外壁与所述内壁之间形成空气容纳腔，所述外壁的相对两端分别具有废气入口和混合气出口，所述外壁的侧壁上具有空气入口，所述废气入口与所述混合气出口通过所述内壁内侧的混合腔相连通，所述空气入口与所述空气容纳腔相连通；导流管束，所述导流管束包括多根导流管，所述导流管的相对两端分别固定于所述内壁的相对两侧，所述导流管上具有空气喷射口，所述导流管的内腔与所述空气容纳腔相连通，所述空气喷射口与所述混合腔连通。该废气空气混合气能够提高废气与空气的混合效率。本发明还公开了一种催化转化装置。

Description

催化转化装置及其废气空气混合器

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及一种催化转化装置的废气空气混合气。本发明还涉及一种催化转化装置。

背景技术

内燃机的出现为人类文明和生产力的发展起到巨大的推动作用，在其出现的短短100多年时间里，内燃机和汽车工业先后经历了三次革命，每一次革命的发生都为其技术和社会发展产生了深远的影响。但由于其数量的大规模增长，造成了汽车尾气排放量的急速攀升，致使人类的生存环境遭受严峻的考验，能否解决内燃式发动机的尾气污染已成为该工业生存与否的决定条件。

在传统技术条件下，引入以汽油机的催化转化器为代表的后处理系统可以对内燃机排放起到有效的控制和改善。汽油发动机在混合燃烧时，产生一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO₂)和水(H₂O)。氧气和氮气在高温下生成氮氧化物(NO_x)。此外，燃油不可能全部燃烧，因此排放物中还包括碳氢化合物(HC)。CO、NO_x和HC是主要的污染物，会对人体和环境产生严重的危害。催化转化器可以将HC、CO、NO_x有害物质转化为CO₂、N₂和H₂O等无害物质。

但受化学反应条件的影响，常温下催化转化器不具备催化能力，其催化剂必须加热到一定温度才具有氧化或还原的能力，通常催化转化器的起燃温度在250℃～350℃，正常工作温度一般在350℃～700℃。此外，催化转化器对废气中氧气浓度的高低也有适应性要求。为了满足后处理系统对尾气中氧浓度的最佳含量要求，在内燃机排气系统中引入了尾气氧浓度监测和调节技术，旨在通过对排气管中氧气浓度的连续监测，再通过外部装置的辅助，将确定体积的空气添加到排气管中，防止内燃机燃烧废气中氧气浓度的失衡，改善流经催化转化器的废气品质，最终实现转化效率的提升和有害排放物的降低。同时，添加的空气也可以起到对排气温度的调节，保证催化转化器的最佳工作温度。

要实现外部空气与排气管中废气的混合，该装置在结构上要存在三个独立的接口，分别实现废气和空气的流入以及混合气的流出，按照如上要求，三通管是能够实现以上物理过程的基本结构。将三通管的三个管口分别与相对应的管道连接，在发动机开始工作后，废气流和空气流沿着管道腔进入，两股气流在相遇后汇集并在管道内快速混合。在这一过程中，废气中的热量被空气吸收，空气中的氧气被废气稀释，热量和氧浓度趋于平衡。由于惯性和气体动力学的特性，气流在流出后依然能够保持扰动和混合，直至热量和浓度的完全平衡。

发动机工作时，排气管中气流的流速可以达到10m/s-50m/s，催化转化器前的管路长度一般为20mm～50mm范围内，由此可见，留给废气与空气的混合时间很短，导致采用如上所述的三通管后，废气与空气的混合效率较低，常常无法满足实际的工作要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种催化转化装置的废气空气混合器，该废气空气混合器能够提高废气与空气的混合效率。本发明的另一目的是提供一种催化转化装置。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种催化转化装置的废气空气混合器，包括：

壳体，所述壳体包括外壁和内壁，所述外壁与所述内壁之间形成空气容纳腔，所述外壁的相对两端分别具有废气入口和混合气出口，所述外壁的侧壁上具有空气入口，所述废气入口与所述混合气出口通过所述内壁内侧的混合腔相连通，所述空气入口与所述空气容纳腔相连通；

导流管束，所述导流管束包括多根导流管，所述导流管的相对两端分别固定于所述内壁的相对两侧，所述导流管上具有空气喷射口，所述导流管的内腔与所述空气容纳腔相连通，所述空气喷射口与所述混合腔连通。

优选的，上述废气空气混合器中，所述导流管束为多排，各排所述导流管束沿着自所述废气入口指向所述混合气出口的方向间隔排布，各排所述导流管束中的所述导流管互相平行，且相邻的两排所述导流管束中的导流管的延伸方向互不相同。

优选的，上述废气空气混合器中，相邻的两排所述导流管束中的导流管的延伸方向相互垂直。

优选的，上述废气空气混合器中，所述内壁上靠近所述废气入口的一侧为收口段，自所述废气入口指向所述混合气出口的方向上，所述收口段的横截面面积逐渐减小。

优选的，上述废气空气混合器中，至少一排所述导流管束设置于所述收口段上。

优选的，上述废气空气混合器中，所述内壁上靠近所述混合气出口的一侧为扩口段，自所述废气入口指向所述混合气出口的方向上，所述扩口段的横截面面积逐渐增大。

优选的，上述废气空气混合器中，至少一排所述导流管束设置于所述扩口段上。

优选的，上述废气空气混合器中：

所述空气喷射口设置于所述导流管的背风侧，所述背风侧为所述导流管上靠近所述混合气出口的一侧；

和/或，所述导流管为椭圆管，且所述导流管的长轴方向为自所述废气入口指向所述混合气出口的方向。

优选的，上述废气空气混合器中，所述空气喷射口设置于所述导流管的长轴方向上。

一种催化转化装置，包括上述任一项所述的废气空气混合器。

在上述技术方案中，本发明提供的废气空气混合器包括壳体和导流管束，该导流管束中的导流管固定于壳体的内壁的相对两侧，当废气由废气入口进入混合腔时，由于导流管的截断作用，废气流将被分割，继而形成扰动，当废气与空气混合后，两者能够更加充分地混合在一起。显然，相比于背景技术中所介绍的内容，本发明提供的废气空气混合器使得废气与空气的混合效率有所提升。

由于上述废气空气混合器具有上述技术效果，包含该废气空气混合器的催化转化装置也应具有相应的技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的废气空气混合器的结构示意图；

图2为图1所示结构的侧视图；

图3为图1所示结构的剖面图。

附图标记说明：

11-外壁、111-废气入口、112-混合气出口、113-空气入口、12-内壁、13-导流管、131-空气喷射口。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。

如图1-3所示，本发明实施例提供一种催化转化装置的废气空气混合器，其包括壳体和导流管束，其中：

壳体包括外壁11和内壁12，外壁11与内壁12之间形成空气容纳腔，外壁11的相对两端分别具有废气入口111和混合气出口112，外壁11的侧壁上具有空气入口113，废气入口111与混合气出口112通过内壁12内侧的混合腔相连通，空气入口113则与空气容纳腔相连通。

废气入口111与内燃机的排气管相连接，发动机中燃烧完的废气经由排气管从废气入口111流入混合腔中。空气入口113与空气输送管相连接，经增压装置压缩的空气从空气入口113进入空气容纳腔。混合气出口112与催化转化器相连接，废气与空气混合均匀后经由混合气出口112流入催化转化器。

壳体上设置废气入口111和混合气出口112的位置均布置有法兰连接盘，该法兰连接盘上具有多个螺栓连接孔，该螺栓连接孔用于与发动机上的管路进行安装和固定。空气入口113处可以设置法兰结构，也可以用焊接等形式与空气输送管连接。

导流管束包括多根导流管13，该导流管13的相对两端分别固定于内壁12的相对两侧，导流管13上具有空气喷射口131，导流管13的内腔与空气容纳腔相连通，空气喷射口131与混合腔连通。空气喷射口131可设置为多个，其在导流管13上的位置可以灵活选择。另外，导流管13的数量也可根据需求选择，而各导流管13的延伸方向可互不相同，其在内壁12上的固定位置可以是无规则形式。

采用上述废气空气混合气后，发动机中生成的废气流经排气管，布置在排气管中的传感器对废气状态和参数进行测量，并将信号传至电子控制系统进行处理和计算，用以确定需要添加和混入的空气流量。通过辅助的控制机构，空气入口113上游的阀门打开，使得空气流入空气容纳腔中，当空气不断流入时，空气入口区域的压力逐渐增大，在压差的推动作用下，最后空气会比较均匀地充满空气容纳腔。由于导流管13的内腔与空气容纳腔相连通，因此空气也会进入并充满导流管13的内腔。为了实现空气经由空气喷射口131快速流入混合腔内，与废气混合并最终将其稀释，可对引入空气的压力进行设定和控制，该部分工作由其他装置实现。与此同时，废气将通过废气入口111进入混合腔内，自空气喷射口131喷射出的空气即可与废气混合，并最终由混合气出口112流出。

当发动机的废气状态恢复正常时，空气入口113上游的阀门关闭，此时空气容纳腔中的压力仍然高于废气压力，空气经空气喷射口131流入到混合腔中，随着时间的延长，空气容纳腔中的压力逐渐下降，当与废气压力基本接近后，空气和废气两端逐渐平衡，废气空气混合器停止工作。

上述导流管束中的导流管13固定于内壁12的相对两侧，当废气由废气入口111进入混合腔时，由于导流管13的截断作用，废气流将被分割，继而形成扰动，当废气与空气混合后，两者能够更加充分地混合在一起。显然，相比于背景技术中所介绍的内容，本发明实施例提供的废气空气混合器使得废气与空气的混合效率有所提升。

为了进一步提高废气与空气的混合效率，可将上述导流管束设置为多排，各排导流管束沿着自废气入口111指向混合气出口112的方向间隔排布，各排导流管束中的导流管13互相平行，且相邻的两排导流管束中的导流管13的延伸方向互不相同。例如，可将导流管束设置为两排，第一排导流管束中，各导流管13互相平行，且分布于同一平面内，第二排导流管束中，各导流管13互相平行，且分布于同一平面内，而第一排导流管束中的导流管13与第二排导流管束中的导流管13之间具有一定的夹角，使得在壳体的横截面上，此两排中的导流管13交错分布。如此设置后，混合腔内的气流将经过至少两次截断，使得混合腔内形成的扰动更剧烈，继而达到前述目的。

基于前述结构，可进一步设置如下：相邻的两排导流管束中的导流管13的延伸方向相互垂直。即，在壳体的横截面上，相邻的两排导流管束中的导流管13相互垂直。此时，混合腔内的气流在流动前后将交替出现垂直方向上的截断。显然，此种结构下，气流产生的扰动会更加剧烈。

一种实施例中，内壁12上靠近废气入口111的一侧为收口段，自废气入口111指向混合气出口112的方向上，该收口段的横截面面积逐渐减小。当废气流经该收口段时，废气的流速将会增大，有助于增强气流产生的扰动。进一步地，鉴于收口段的结构特征还会使得废气的压力逐渐降低，因此，可将至少一排的导流管束设置于该收口段上，以此有助于导流管13中的空气更快地混入废气中。

与前述收口段的设置原理对应地，内壁12上靠近混合气出口112的一侧为扩口段，自废气入口111指向混合气出口112的方向上，该扩口段的横截面面积逐渐增大。废气和空气混合后形成的气流流经该扩口段时，气流的流速降低，使得废气和空气的混合时间更长，以便于废气和空气更充分地混合在一起。进一步地，可将至少一排的导流管束设置于该扩口段上，以此引导更多的空气在较长的混合时间内与废气混合。

当然，上述内壁12可同时包括收口段和扩口段，使得内壁12的结构大致为双曲线结构，以此避免过高的流动损失。此时，为了保证空气容纳腔沿着自废气入口111指向混合气出口112的方向上具有均匀的尺寸，可将外壁11同时设置为双曲线结构，以保证空气均匀分布于空气容纳腔中。

另一种实施例中，空气喷射口131可设置于导流管13的背风侧，该背风侧指的是导流管13上靠近混合气出口112的一侧。由于废气及废气与空气混合后的气体经过导流管13的截断作用后，将在上述背风侧形成负压，使得空气和废气两侧的压差较大，因此在背风侧，空气自空气喷射口131流出的速度和强度更高，同样能够提高空气与废气的混合效果。

具体结构中，导流管13的截面形状可以有很多种，例如圆形。但为了减小气流阻力，本发明实施例将导流管13设置为椭圆管，且导流管13的长轴方向为自废气入口111指向混合气出口112的方向。此时，沿着气流流动方向，导流管13上用于截断气流的有效面积较小，而此时导流管13内用于容纳空气的空间大小并未缩小，因此此结构在保证空气喷射量的前提下，降低了对气流产生的阻力。

当导流管13为椭圆管时，还可将空气喷射口131设置于导流管13的长轴方向上。由于导流管13的长轴方向为自废气入口111指向混合气出口112的方向，因此空气喷射口131将处于导流管13的短轴方向的中部位置，使得空气喷射口131的周围均可均匀地喷射出空气，以便于空气更加均匀地与废气混合。

基于上述结构，本发明实施例还提供一种催化转化装置，该装置包括催化转化器和废气空气混合气，该废气空气混合气为上述任一技术方案所描述的废气空气混合气。由于上述废气空气混合器具有上述技术效果，包含该废气空气混合器的催化转化装置也应具有相应的技术效果，此处不再赘述。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (10)

1.一种催化转化装置的废气空气混合器，其特征在于，包括：

壳体，所述壳体包括外壁和内壁，所述外壁与所述内壁之间形成空气容纳腔，所述外壁的相对两端分别具有废气入口和混合气出口，所述外壁的侧壁上具有空气入口，所述废气入口与所述混合气出口通过所述内壁内侧的混合腔相连通，所述空气入口与所述空气容纳腔相连通；

导流管束，所述导流管束包括多根导流管，所述导流管的相对两端分别固定于所述内壁的相对两侧，所述导流管上具有空气喷射口，所述导流管的内腔与所述空气容纳腔相连通，所述空气喷射口与所述混合腔连通；

所述空气喷射口设置于所述导流管的背风侧，所述背风侧为所述导流管上靠近所述混合气出口的一侧。

2.根据权利要求1所述的废气空气混合器，其特征在于，所述导流管束为多排，各排所述导流管束沿着自所述废气入口指向所述混合气出口的方向间隔排布，各排所述导流管束中的所述导流管互相平行，且相邻的两排所述导流管束中的导流管的延伸方向互不相同。

3.根据权利要求2所述的废气空气混合器，其特征在于，相邻的两排所述导流管束中的导流管的延伸方向相互垂直。

4.根据权利要求2所述的废气空气混合器，其特征在于，所述内壁上靠近所述废气入口的一侧为收口段，自所述废气入口指向所述混合气出口的方向上，所述收口段的横截面面积逐渐减小。

5.根据权利要求4所述的废气空气混合器，其特征在于，至少一排所述导流管束设置于所述收口段上。

6.根据权利要求2所述的废气空气混合器，其特征在于，所述内壁上靠近所述混合气出口的一侧为扩口段，自所述废气入口指向所述混合气出口的方向上，所述扩口段的横截面面积逐渐增大。

7.根据权利要求6所述的废气空气混合器，其特征在于，至少一排所述导流管束设置于所述扩口段上。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的废气空气混合器，其特征在于：

所述导流管为椭圆管，且所述导流管的长轴方向为自所述废气入口指向所述混合气出口的方向。

9.根据权利要求8所述的废气空气混合器，其特征在于，所述空气喷射口设置于所述导流管的长轴方向上。

10.一种催化转化装置，其特征在于，包括如权利要求1-9中任一项所述的废气空气混合器。