CN105332768A - 一种发动机排气后处理用旋流喷嘴 - Google Patents

Abstract

一种发动机排气后处理用旋流喷嘴，包括一个喷嘴体，一个位于喷嘴体之中的旋流室，一个位于旋流室中心的喷孔，包括至少一个切向流道，其特征在于，所述切向流道的流通面积小于等于喷孔的流通面积。其目的在于提供一种不易堵塞，工作可靠稳定，雾化品质好，喷射精度高，喷出液体分布更均匀的喷射喷嘴，用于SCR系统以及DPF系统喷射的喷嘴。

Description

一种发动机排气后处理用旋流喷嘴

技术领域

本发明属于发动机排气后处理技术领域，具体涉及发动机排气后处理的液体喷射系统，包括NOx选择催化还原（SCR）系统和颗粒物收集器（DPF）的再生燃油喷射系统。

背景技术

随着环境问题的日益突出，节能减排已经成为车辆及发动机的永无止境的要求，为此，各国都出台了一系列的车辆排放标准，并且越来越严格。对此，以内燃机为动力的车辆需要安装排放后处理系统以求满足排放要求。例如，目前主要用于对柴油发动机尾气中NOx等污染物进行催化处理的SCR（SelectiveCatalyticReduction）技术等已经成为柴油车辆等必需使用的技术，而控制柴油机颗粒物排放的颗粒物收集器（DPF=DieselParticulateFilter）也即将成为必需使用的技术。

SCR技术需要将例如32.5%重量浓度的尿素水溶液（也叫柴油排气处理液DEF=DieselExhaustFluid，或者添蓝液AdBlue）定量喷射进柴油机排气中，通过排气高温分解成氨气，与排气混合后进入SCR催化转换器。在催化剂的作用下，氨气就会与发动机排气中的NOx等发生催化还原反应，使NOx分解为无害的N2、H2O，因此需要精度较高的SCR计量喷射雾化装置。

现有的SCR喷射计量系统，多数采用以直流电机驱动的外置膜片或者柱塞泵为动力源产生喷射压力，有的将DEF直接喷入发动机排气管，有的喷入一个混合腔，依靠高压气流与DEF混合再喷入发动机排气管。但因为直接雾化效果较差，常用的多孔喷嘴不得不采用非常细小的喷孔，例如直径小于0.2mm的喷孔，这样喷孔容易受DEF析出结晶体或者排气颗粒的堵塞，系统可靠性难以保证。而高压空气辅助喷射常用较大孔径的多孔喷嘴，在抗结晶体堵塞方面优势明显。在这种情况下，但因为现有技术为了避免多孔（典型的是四个喷孔）喷雾之间的相互干涉而结成更大颗粒的液滴，往往将喷孔沿周向分布，液体未经充分雾化就直接喷射在排气管壁面上，其中一部分尿素很容易达到结晶的条件而粘接于排气管道上，导致排气管堵塞或者净化效率下降。另外一方面，多孔各束喷雾往往不均匀，导致尿素与排气的混合质量不高，NOx的转换效率下降。

DPF系统收集的发动机排气中的颗粒物，如果不处理掉，就会堵塞DPF及发动机排气系统。处理DPF收集到的颗粒物的技术之一，就是通过间歇性地向发动机排气喷射燃油使排气温度进一步升高，然后进入DPF，使其中的颗粒物氧化燃烧。因此，与SCR系统类似，再生燃油的喷射，也需要雾化良好的液体喷雾，喷嘴的结构设计十分关键。

发明内容

本发明针对上述问题，之目的在于提供一种不易堵塞，工作可靠稳定，雾化品质好，喷射精度高，喷出液体分布更均匀的液体气体多相流喷射喷嘴，用于SCR系统的DEF和高压气体混合流的喷射，以提高对NOx的转换效率。

本发明之另一个目的在于提供一种不易堵塞，工作可靠稳定，雾化品质好，喷射精度高，喷射液分布均匀的喷嘴，用于DPF系统的燃油喷射，以提高对DPF的再生可靠性并节省燃油。

进一步，根据本发明雾化品质好等特点，在应用中可大大缩短液体与排气混合所需距离，因而混合段与反应区制成一体，并将喷嘴布置在混合管道之上，以简化系统结构，降低安装、排布难度。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种发动机排气后处理用旋流喷嘴，包括一个喷嘴体，一个位于喷嘴体之中的旋流室，一个位于旋流室中心的喷孔，包括至少一个切向流道，其特征在于，所述切向流道的流通面积小于等于喷孔的流通面积。

一种应用这种旋流喷嘴将高压液体以更有效的雾化状态喷出的装置。既可避免在排气管道壁面结晶又达到了良好的混合效果。

根据上述技术方案，在所提供的旋流喷嘴之应用中，旋流喷嘴上游设置有一个混合腔，已经被计量喷出的液体和高压气体在混合腔中形成多相混合流。例如SCR系统的DEF与辅助雾化高压气体形成的DEF-空气混合多相流体，通过所述旋流喷嘴喷出，因为其中的切向流道、旋流室以及位于旋流室中心的喷孔的结构，并且切向流道的流通面积小于等于喷孔的流通面积，流体喷出前首先在旋流室形成足够强度的旋流，各种物理参数如流速、液体质量等都因此而均匀分布，所以旋流喷嘴将液体从喷孔喷出进入排气管后与发动机排气更容易形成均匀混合气，同时其破碎形成的液体更为细小，因此雾化品质更好。上述特征保证了在SCR催化转换器中将NOx催化还原，使SCR系统能够获得对NOx很高的转换效率。其中高压空气可由电磁阀控制延时关闭，以扫除管道以及旋流喷嘴中残余尿素。

本发明提供之技术方案同样可应用于DPF系统中，保证在DPF系统中的燃油通过旋流喷嘴喷入排气管中后，与发动机排气更均匀地快速混合，可以用尽可能少的燃油对DPF进行可靠再生。在所述DPF系统中，喷嘴上游包括一个油管和一个并联的气管，当喷射结束后，通入高压空气，扫除旋流喷嘴中残余的燃油。

另外，由于喷孔直径较大，可进一步防止喷孔堵塞。因此，发明目的得以实现。这也是本发明能够获得的好处。

下面的技术方案，对本发明作进一步的限定或优化。

本发明所述旋流喷嘴，包括一个快速接头，一个隔热件，例如一个细长管,其长径比（长度与直径之比）大于8，所述隔热件连接喷嘴体与快速接头。根据此发明方案，安装在发动机排气管附近管道上的旋流喷嘴，尽管前端温度受排气管高温的影响，会达到较高数值，例如500℃，但管路连接插头所处的快速接头位置的温度却能够保持较低，例如低于260℃，因此可以使用较低成本的常用密封方案来保证管路连接的密封，例如满足SAEJ2044标准的快速接插头。该方案可以实现快速安装拆卸，并保证快速接头接插件可靠密封和寿命。

本发明所述旋流喷嘴，可包括一个旋流芯和喷孔板，旋流芯包括一个旋转体形空腔和至少一个与旋转体形空腔边沿相切的沟槽，以及与沟槽连通的轴向流道，喷孔板包括喷孔，旋流芯与喷孔版位于喷嘴体之中形成旋流室和切向流道。所述喷孔板可以是组装到喷嘴体上的板状构件，也可以为喷嘴体的一部分。

在结构上，所述旋流芯可以采用整体式旋流芯，其中的旋转体形空腔，以及与旋转体形空腔边沿相切的沟槽和与沟槽连通的轴向流道，可以通过金属压铸成型，或者陶瓷烧结成型，或者粉末冶金烧结成型，或者塑料热压成型、塑料注射成型等方式制造。

本发明所述旋流喷嘴，所述旋流芯也可以为组合结构，包括旋流片和背板，旋流片是一个等厚圆片，其中包括部分旋流室和切向流道空间，背板包括有轴向流道。这种结构易于高精度制造。

应用本发明所述旋流喷嘴的发动机后处理SCR装置，包括带有一段混合管道的催化消声器以及位于旋流喷嘴的上游的混合腔。所述旋流喷嘴安装于混合管道之上。尿素水溶液和高压气体在所述混合腔内形成气液多相混合流，然后进入所述旋流喷嘴喷入发动机排气管。

应用本发明所述旋流喷嘴的发动机后处理DPF装置，在所述旋流喷嘴的上游设置有一个与油管并联的气管，当燃油通过所述旋流喷嘴喷入发动机排气管之后，高压空气控制阀打开，高压气流开始扫除旋流喷嘴中残余的燃油。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明提供的旋流喷嘴之第一实施例示意图。

图2为本发明提供的旋流喷嘴之第二实施例示意图。

图3为本发明提供的旋流喷嘴之第三实施例示意图。

图4为本发明提供的旋流喷嘴之第四实施例示意图。

图5为本发明提供的旋流喷嘴之第五实施例示意图。

图6为本发明提供的旋流喷嘴应用于SCR的DEF喷射的系统图；

图7a为本发明提供的旋流喷嘴在SCR系统应用例中的安装示例之一。

图7b为本发明提供的旋流喷嘴在SCR系统应用例中的安装示例之二。

图8为本发明提供的旋流喷嘴应用于DPF再生燃油喷射的系统图。

具体实施例

如图1所示，为本发明提供的旋流喷嘴之第一实施例结构示意图，包括旋流芯3，喷孔板8，喷嘴本体9，锁紧螺母10，隔热管11，快速接插头12等。旋流芯3整体呈正方柱体，在一端面上设有接近圆柱形腔的旋流室1和与旋流室1边缘相切的切向流道2，而另一端面设有连接中心与外围的径向流道15。喷孔板8为一圆板，其中心设有圆形喷孔5。隔热管11一端紧配合插入喷嘴本体9中，或通过焊接等方式与喷嘴本体9固定为一体，而另一端与一个快速接插头12密封连接（通过焊接或压入的方式）。快速接头12满足SAEJ2044标准。隔热管11的长度要保证快速接插头12端的温度不能因为喷嘴本体9端的高温而超过快速接插头12的许可使用温度。一般隔热管11的长度与其外径的比例要大于8。隔热管11可以采用金属或者陶瓷制作。旋流芯3可以采用陶瓷、塑料或者金属制作，采用金属压铸成型，或者陶瓷烧结成型，或者粉末冶金烧结成型，或者塑料热压成型、塑料注射成型等工艺。

旋流芯3和喷孔板8依次从喷嘴本体9的前端装入在喷嘴本体9上设置的孔13，旋流芯3上设有径向流道15的一面紧贴隔热管11的端面，喷孔板8又紧贴旋流芯3上设有旋流室1和切向流道2的另一端面，然后通过卡圈7和被卷压抱紧的喷嘴本体9的唇边6固定在喷嘴本体9上。这样形成的旋流喷嘴流道将使流体通过隔热管11流入旋流芯3上的径向流道15，进入孔13和旋流芯3的柱体侧平面形成的轴向流道14，再通过切向流道2流入旋流室1。因为切向流入，就在旋流室1中形成流体旋流。因为喷孔5与旋流室1的中心连通，构成更大的旋流室，所以，流体就一边旋转一边从喷孔5喷出，形成伞状喷射。因为切向流道2的流通面积小于喷孔5的流体面积，所以旋流室1中的涡流强度较强，当缩小旋转半径进入喷孔5时，由于角动量守恒，旋转速度会进一步加强，结果喷出流体形成薄雾状。

当流入隔热管11的流体为压缩空气与液体的混合多相流时，密度较大的液体往往更多地均匀分布在旋流室的外围，气流带动液体从喷孔5喷出后，液体首先形成液膜，并且越来越薄，最后破碎成细小液滴，形成喷雾。

图1所示旋流喷嘴，可通过锁紧螺母10固定在喷射目标的管壁上，可通过密封垫片4保持密封，例如固定在柴油发动机的排气管壁上。

图2所示为本发明提供的旋流喷嘴的另一个实施例，其与图1的差别在于取消了喷孔板，而将喷孔19直接加工在喷嘴本体18上，旋流芯3、隔热管11等都与实施例一相同。因为喷嘴本体18上只有一端开口17可用于安装旋流芯3，所以只能在安装旋流芯3后再插入隔热管11，开口17相当于图1中的孔13。另外，隔热管11的插入喷嘴本体18的端头部分的外径和开口17的外径应该相配。

图3所示为本发明提供的旋流喷嘴的第三个实施例，其与图1的差别包括：快速接插头为母插座29；旋流芯不再为一个整体部件，而是由旋流片20和背板25组成，旋流片20是一个等厚圆片，其中设置有贯通的旋流室1和切向流道2，背板25与喷嘴本体26上的孔壁面29形成轴向流道21，切向流道2还要由背板25的一个端面和喷孔板23的一个端面夹持旋流片20而最终成型；喷孔板23上设有喷孔24，直接紧配合压入喷嘴本体26上的孔29内固定；径向流路由设在隔热管27上的侧向孔22形成。

图3所示旋流片20可以采用已知各种方法制造，例如冲压后磨削，可以获得高精度的旋流片20。

图4所示为本发明提供的旋流喷嘴的第四个实施例，其与图3的主要差别在于：设置了一个单边开孔的圆筒状背板30，其上开设了侧向孔作为径向流道32；隔热管11和快速接插头12与图1完全相同，安装工艺上也必须首先将隔热管11插入到喷嘴本体33之内并固定，与图1相同；圆筒状背板30装入喷嘴本体33上的孔34内，其外圆柱面与喷嘴本体33上的直径更大的孔35形成轴向流道31。

图5所示为本发明提供的旋流喷嘴的第五个实施例，其特征在于，旋流芯40上即设置了旋流室42和切向流道41，还设置了斜流道43，斜流道43能够代替前述的径向流道和轴向流道；隔热管11直接插入旋流芯40上将两者固定在一起，斜流道43将隔热管11的内腔与切向流道41直接连通；旋流芯40插入喷嘴本体46的开孔之内贴紧底部，并与喷嘴本体46固定在一起（如通过焊接等工艺）；喷嘴本体46上设置了喷孔44以及部分旋流室45，旋流室45与旋流室42同轴合并形成总的旋流室。

图6为应用本发明旋流喷嘴的一种发动机排放后处理SCR系统示意图，包括混合反应模块50以及计量喷射模块51。其混合反应模块包括排气管102，催化转化器103，旋流喷嘴100，温度传感器106以及NOx或氨气传感器105。

所述催化转化器103包含一段混合管道103a和位于两端面的安装法兰103c、103d，如图7a旋流喷嘴安装示意图所示，混合管道103a包括安装台103b。催化转化器103通过安装法兰103c和103d与排气管道102连接。所述旋流喷嘴100通过螺纹100b安装在安装台106b之上，并通过密封垫100a密封。多向流喷雾99喷射方向可以与发动机排气101流向呈一定角度（可以是锐角或者钝角），亦可以与排气101流向相同或相反（如图7b所示）。发动机排气101流过旋流喷嘴100附近时，与旋流喷嘴100喷射出的含有DEF液体的多相流喷雾99混合，使其中的DEF液体热解为氨气，均匀分布在排气中，共同进入催化转换器103，经过选择性催化还原处理，发动机排气中的NOx将大幅下降，变为更干净的废气104排出。

当多向流喷雾99与排气流101逆向时（可包含角度），除亦可节省安装空间外，还使得相对混合行程加长，得到更好的净化效果。在图7b所示安装示意图中还可以包含一个混合旋片124，位于旋流喷嘴100下游，使多向流喷雾99与排气101更有效得混合。

进一步，本系统中所述排气温度传感器106，催化转换器103以及NOx或氨气传感器105沿排气方向布置在旋流喷嘴100的下游。

为了保证催化转换器103对NOx的高转换效率，SCR系统必须根据排气101中的NOx含量及温度等条件，准确喷射DEF。因此，系统之计量喷射模块51包括有：发动机主控制器113，后处理控制器112，DEF计量泵121,DEF喷嘴119，DEF液位传感器109，DEF温度传感器111，稳压器114，压缩空气控制阀115，DEF压缩空气混合腔116，混合流管118。混合流管118通过快速接插头将混合腔116和旋流喷嘴100连通。发动机循环水通过循环水接口117进入DEF储液箱123内，加热储液箱123内的DEF防止结冰。

发动机主控制器113将发动机负荷转速等工况运转数据发送到CAN总线上，智能型信号处理器107也将NOx传感器105和排气温度传感器106信号发送到CAN总线上，后处理控制器112从CAN总线上获得这些信号，逻辑运算得到DEF计量泵需要喷射的DEF量，并立即控制的指令DEF计量泵工作，从DEF喷嘴119喷射出相应的DEF液体到混合腔116，在此之前，后处理控制器112应该已经检测到系统可以正常工作，并控制打开压缩空气控制阀115，给混合腔116输送压缩空气。因此，DEF液体和压缩空气在混合腔116内形成气液多相流，经过混合流管118流向旋流喷嘴100，经过旋流喷嘴100的喷射在排气管102内形成含有DEF液体的多相流喷雾99。

后处理控制器112在控制DEF计量泵121停止喷射DEF后，还要保持一定时间继续给混合腔116输送压缩空气，以扫除混合流管118及旋流喷嘴100中的残留DEF液体，从而保证停机后不会析出固体尿素结晶体而堵塞管道。

图6中的DEF计量泵121为电磁驱动的脉冲式计量喷射泵，DEF储液箱123内的DEF要首先经过过滤器108才被吸入DEF计量泵121内，保证了DEF计量泵121的可靠运行。DEF计量泵121内生成的气体，可以通过回液排气泡管120排出到DEF储液箱123的顶部，保证不会形成气阻。

当然，本发明的旋流喷嘴不仅仅限于图6所示的电磁驱动的脉冲式计量喷射泵，任何采用辅助气体雾化并清扫DEF管道的SCR系统，都可以使用本发明的旋流喷嘴。

图8为应用本发明旋流喷嘴的一种发动机排放后处理DPF系统示意图，包括燃油箱205，旋流喷嘴200，计量泵模块198，高压气模块197，控制器208，排气管道215以及有柴油机颗粒物捕捉器（DPF）201。

旋流喷嘴200安装在发动机排气管215之上，沿排气管在旋流喷喷嘴200的下游，设置颗粒物过滤器201，它过滤收集柴油机排气214中的颗粒物，然后定期对排气214中喷射燃油（柴油），以提高排气214的温度到足以点燃DPF201收集到的以碳烟为主要成份的颗粒物，使DPF201及时得到再生，保证DPF不会堵塞。

计量泵模块198包括一个计量喷射泵204，一个压力油管209，一个单向喷射阀216，从单向阀216喷出燃油经过总管路213输送至旋流喷嘴200。

高压气模块197包括稳压器207，压缩空气控制阀210，气管212以及单向阀217，控制阀210打开后，高压空气经过单向阀217和总管路213送至旋流喷嘴200。压力油管209与气管212为两条并联管道，在支点218之后合并为总管路213。

为了保证DPF再生可靠，由DPF控制器208根据发动机运行工况等条件，计量喷射泵204和单向喷射阀216定量定时喷射燃油，经过总管路213进入旋流喷嘴200，然后喷入发动机排气管215中，形成雾化良好分布均匀的伞状油气雾199，在排气214中燃烧，形成高温排气进入DPF201对其进行再生。燃油喷射过程结束后，打开压缩空气控制阀210，引入经过稳压器207调节的压缩空气，并通过单向阀217通入总管路213以及旋流喷嘴200，用来扫除其中残余燃油，防止滴油形成结焦或积碳等堵塞旋流喷嘴200。

燃油计量喷射泵204为电磁驱动的脉冲式计量喷射泵，由处于燃油箱205内部的供油油泵203和供油管202提供低压燃油，或者由发动机主供油系统的回油提供低压燃油，回油管206将气泡等带回到燃油箱205的顶部。压力燃油经过压力油管209提供给单向喷射阀216，经总管路213，旋流喷嘴200以伞状喷入排气管道215。喷雾199方向可平行于排气流214方向或者与排气流214方向呈一定角度。

上述事例仅仅用于说明本发明，但并不限制本发明，凡基于本发明精神实质的进一步的改变方案均属本发明公开和保护的范围。

Claims (10)

1.一种发动机排气后处理用旋流喷嘴，包括一个喷嘴体，一个位于喷嘴体之中的旋流室，一个位于旋流室中心的喷孔，包括至少一个切向流道，其特征在于，所述切向流道的流通面积小于等于喷孔的流通面积。

2.如权利要求1所述的发动机排气后处理用旋流喷嘴，其特征在于，包括一个快插接头，一个隔热件，所述隔热件连接喷嘴体与快插接头。

3.如权利要求2所述的发动机排气后处理用旋流喷嘴，其特征在于，所述隔热件为一个细长管。

4.如权利要求3所述的发动机排气后处理用旋流喷嘴，其特征在于，所述快插接头满足SAEJ2044。

5.如权利要求1-4之一项所述的发动机排气后处理用旋流喷嘴，其特征在于，包括一个旋流芯和喷孔板，旋流芯包括一个旋转体形空腔和至少一个与旋转体形空腔边沿相切的沟槽，喷孔板包括喷孔，旋流芯与喷孔版位于喷嘴体之中形成旋流室和切向流道。

6.如权利要求5所述的发动机排气后处理用旋流喷嘴，其特征在于，所述喷孔板为喷嘴体的一部分。

7.如权利要求5或者6所述的发动机排气后处理用旋流喷嘴，其特征在于，所述旋流芯包括旋流片和背板，旋流片是一个等厚圆片，其中包括旋流室和切向流道空间，背板包括有轴向流道。

8.一种应用权利要求1至7之任一所述发动机排气后处理用旋流喷嘴的发动机后处理SCR系统，其特征在于，在所述旋流喷嘴的上游设置有一个混合腔，尿素水溶液和高压气体在所述混合腔内形成气液多相混合流，然后进入所述旋流喷嘴喷入发动机排气管。

9.如权利要求8所述的发动机后处理SCR系统，其特征在于，包括一个带有一段混合管道的催化消声器，催化消声器包括SCR催化还原装置，所述旋流喷嘴安装于混合管道之上。

10.一种应用权利要求1至7之任一所述发动机排气后处理用旋流喷嘴的发动机后处理DPF再生系统，其特征在于，在所述旋流喷嘴之上游包括一个油管和一个并联的气管，一个高压空气源通过电磁阀和单向阀接入所述气管，喷射结束后，由高压空气扫除旋流喷嘴之中的残余燃油。