CN107701270A - 用于车辆的混合器、排气系统和混合器的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于车辆的混合器、排气系统和混合器的确定方法。混合器包括：混合器本体，混合器本体具有入口和出口，入口和出口通过导流通道连通，导流通道与混合器本体的参考轴线之间具有夹角。本发明解决了现有技术中混合器仍存在混合效果差的问题。

Description

用于车辆的混合器、排气系统和混合器的确定方法

技术领域

本发明涉及汽车技术领域，具体而言，涉及一种用于车辆的混合器、排气系统和混合器的确定方法。

背景技术

随着汽车排放法规的不断升级，对尾气中有毒的氮氧化物(NOx)的排放限值要求愈发严苛。在排气系统中，安装选择性催化还原反应器(SCR)，以氨气(NH₃)为还原剂，把NOx转化成无毒的氮气(N₂)和水(H₂O)已经成为降低柴油机NOx排放的标准方法。

柴油机尾气处理液AdBlue(即车用尿素：32.5％高纯尿素、67.5％去离子水)，由尿素喷嘴喷射入排气系统，通过热解与水解反应转化成SCR系统所需的还原剂—氨气。为了保证SCR的性能与使用寿命，通常会在尿素喷射口与SCR之间的尿素混合段安装混合器，以加速尿素液滴的破碎，提高氨气和尾气的混合均匀性。

现有的混合器仍存在混合效果差的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种用于车辆的混合器、排气系统和混合器的确定方法，以解决现有技术中混合器仍存在混合效果差的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种用于车辆的混合器，包括：混合器本体，混合器本体具有入口和出口，入口和出口通过导流通道连通，导流通道与混合器本体的参考轴线之间具有夹角。

进一步地，导流通道为多个，至少一部分的导流通道与混合器本体的参考轴线的夹角大小不同，其中，混合器本体的参考轴线为混合器本体的几何中心对称轴。

进一步地，混合器还包括导流板，导流板设置在混合器本体的入口的前端和/或混合器本体内，导流板与混合器本体的参考轴线之间具有夹角。

根据本发明的另一方面，提供了一种排气系统，包括壳体和混合器，混合器设置在壳体内，混合器是上述的混合器，壳体是U形结构的，且混合器设置在U形结构的弯曲部。

进一步地，排气系统还包括：设置在壳体内的第一载体和第二载体，第一载体位于壳体的靠近排气进口的一侧，第二载体位于壳体的靠近排气出口的一侧，混合器位于第一载体和第二载体之间，其中，第一载体是DOC载体，第二载体是涂覆SCR催化剂的载体；尿素喷嘴，尿素喷嘴设置在壳体上并朝向混合器的入口设置。

根据本发明的另一方面，提供了一种混合器的确定方法，混合器是上述的排气系统中的混合器，确定方法包括：步骤S1：模拟混合器的工作场景；步骤S2：定义尿素喷嘴的工作状态；步骤S3：确定第二载体的进口端面的氨气分布均匀性，若氨气分布均匀性不符合要求，替换新的混合器；步骤S4：确定混合器的背压，若背压不符合要求，替换新的混合器，若背压符合要求，混合器完成确定。

进一步地，在步骤S1中，先将未添加导流板的混合器本体放置在工作场景中，并执行步骤S2和步骤S3，若氨气分布均匀性不符合要求，在混合器本体的前端放置导流板，并重复步骤S2和步骤S3，直至完成步骤S4。

进一步地，在步骤S1中，混合器的工作场景与发动机舱内布置的结构完全一致。

进一步地，在步骤S2中，根据定义的尿素喷嘴的喷射量，监测尾气和尿素液滴的流动方向。

进一步地，在步骤S3中，若第二载体的进口端面的氨气分布均匀性大于0.9，确认氨气分布均匀性符合要求。

进一步地，在步骤S4中，混合器的背压是指混合器本体和导流板构成的整体结构的入口侧与出口侧之间的压力差。

进一步地，在步骤S1中，采用3D建模的方式模拟混合器的工作场景。

进一步地，在步骤S1和步骤S2中，根据排气系统的工况、尿素喷嘴的喷射量，进行CFD流场计算以模拟混合器的工作场景。

应用本发明的技术方案，混合器本体具有入口和出口，入口和出口通过导流通道连通，导流通道与混合器本体的参考轴线之间具有夹角。

由于导流通道与混合器本体的参考轴线之间具有夹角，因而尿素液滴滴落在混合器上时，会增加尿素液滴与混合器本体之间的撞击，使尿素液滴被破碎成更小的液滴，从而更利于热解水解成氨气。同时尾气主气流由于受到混合器本体内叶片的影响，气流方向在该处发生了改变，湍流程度增加，并与氨气进行了混合。也就是说，通过使导流通道斜置，不仅增加了尿素液滴的破碎可能性，还有利于其与氨气充分混合，从而提高了混合器的混合效果。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了本发明的一个实施例中排气系统的结构示意图；

图2示出了图1的侧视图；

图3示出了图1中的混合器的确定方法的流程图；以及

图4示出了图3中采用建模的方法确定混合器的设计参数的流程图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、混合器本体；11、导流通道；12、参考轴线；20、导流板；30、壳体；31、排气进口；32、排气出口；40、第一载体；50、第二载体；60、尿素喷嘴。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。

为了解决现有技术中混合器仍存在混合效果差的问题，本发明提供了一种用于车辆的混合器、排气系统和混合器的确定方法。

如图1和图2所示，混合器包括混合器本体10，混合器本体10具有入口和出口，入口和出口通过导流通道11连通，导流通道11与混合器本体10的参考轴线12之间具有夹角，其中，混合器本体10的参考轴线12为混合器本体10的几何中心对称轴。在图2中，示出了上述处参考轴线12。一般而言，混合器本体10因为考虑到噪音等问题，都是几何对称结构的，也就是回转体结构，因而混合器本体10的参考轴线12也处于混合器本体10的对称平面内。

现有技术中的混合器的导流通道大都是与混合器本体的参考轴线同向设置的，这样，尿素液滴落在导流通道内，会有一部分尿素液滴不与导流通道接触碰撞，而是直接流走，从而使混合器的混合效果变差。由于导流通道11与混合器本体10的参考轴线12之间具有夹角，因而尿素液滴滴落在混合器上时，会增加尿素液滴与混合器本体10之间的撞击，使尿素液滴被破碎成更小的液滴，从而更利于热解水解成氨气。同时尾气主气流由于受到混合器本体10内叶片的影响，气流方向在该处发生了改变，湍流程度增加，并与氨气进行了混合。也就是说，通过使导流通道11斜置，不仅增加了尿素液滴的破碎可能性，还有利于其与氨气充分混合，从而提高了混合器的混合效果。

在图1和图2所示的具体实施例中，导流通道11为多个，至少一部分的导流通道11与混合器本体10的参考轴线12的夹角大小不同。若混合器的结构很单一，各导流通道11的倾斜程度均一致，这样相比于导流通道11多样性的混合器而言，自然其混合效果稍显逊色。需要指出的是，为了提高混合器的混合效果，部分导流通道11彼此之间的斜度是不一样的。具体的要求，需要根据项目而进行改进。

为了进一步提高混合器的混合效果，混合器还包括导流板20，导流板20设置在混合器本体10的入口的前端和/或混合器本体10内，导流板20与混合器本体10的参考轴线12之间具有夹角。通过设置导流板20，进一步增加尿素液滴与混合器的碰撞，使得尿素液滴被撞击破损得更厉害，被破碎成更小的液滴，从而更利于热解水解成氨气。可选地，导流板20与混合器本体10的参考轴线12之间的夹角范围在0至90度之间。进一步可选地，导流板20与混合器本体10的参考轴线12之间的夹角范围在20至60度之间。通过修改导流板20的倾斜角度，能够改善尿素液滴的碰撞情况及破损效果。当然，通过调节不同导流板20的倾斜程度，能够进一步优化混合器的混合效果。具体的情况，需要综合考虑。

可选地，导流板20的宽度不是覆盖整个导流通道11的。也就是说，有部分导流通道是直接裸露在外的。这样，尿素液滴既会与导流通道11直接碰撞，也会与导流板20碰撞后再流入导流通道11，增加了尿素液滴碰撞破损的几率和多样性，有利于提高混合器的混合效果。当然，通过调整导流板20的宽度和倾斜程度可以优化尿素液滴的破损效果，提高混合器的性能。

在图1和图2所示的排气系统中。排气系统包括壳体30和混合器，混合器设置在壳体30内，混合器是上述的混合器，壳体30是U形结构的，且混合器设置在U形结构的弯曲部。

具体而言，排气系统还包括尿素喷嘴60和设置在壳体30内的第一载体40和第二载体50，第一载体40位于壳体30的靠近排气进口31的一侧，第二载体50位于壳体30的靠近排气出口32的一侧，混合器位于第一载体40和第二载体50之间，其中，第一载体40是DOC载体，第二载体50是涂覆SCR催化剂的载体；尿素喷嘴60设置在壳体30上并朝向混合器的入口设置。

需要说明的是，DOC载体与涂覆SCR催化剂的载体之间的连接方式是“U型”。混合器位于两者之间的连接段—“混合腔”内，并置于尿素喷嘴60的喷射的下游方向。尿素水溶液经由尿素喷嘴60射入壳体30内后，在混合器上撞壁破碎成更小的液滴，从而更利于热解水解成氨气。同时尾气主气流由于受到导流板20与叶片的影响，气流方向在该处发生了改变，湍流程度增加，并与氨气进行了混合。

在图2所示的实施例中，可以看出，尿素喷嘴60未垂直布置于混合腔的中心位置，而是偏向于某一侧并以一定的角度进行安装。这样布置并结合U形壳体30，会使得混合段距离较短，氨气与尾气的混合时间较短。因此，通过增加导流板20，能够很好地解决这个问题，并使得尿素液滴被均匀地喷射入混合腔中，从而提高氨气混合均匀性。

需要说明的是，混合器本体10的入口需要配合导流板20的倾斜角度和宽度进行适应性地调整。同样地，导流板20的具体设置情况也需要根据尿素喷嘴60的角度进行适应性地调整，以提高整个混合器的混合效果。而导流板20与尿素喷嘴60之间的匹配关系，需要用到下面的确定方法进行验证和测试。

通过上述描述，已经说明了混合器的具体结构。下面将介绍混合器的确定方法。

如图3所示，排气系统中的混合器的确定方法包括：步骤S1：模拟混合器的工作场景；步骤S2：定义尿素喷嘴60的工作状态；步骤S3：确定第二载体50的进口端面的氨气分布均匀性，若氨气分布均匀性不符合要求，替换新的混合器；步骤S4：确定混合器的背压，若背压不符合要求，替换新的混合器，若背压符合要求，混合器完成确定。

在步骤S1中，先将未添加导流板20的混合器本体10放置在工作场景中，并执行步骤S2和步骤S3，若氨气分布均匀性不符合要求，在混合器本体10的前端放置导流板20，并重复步骤S2和步骤S3，直至完成步骤S4。

需要说明的是，为了保证确定的准确性，在步骤S1中，混合器的工作场景与发动机舱内布置的结构完全一致。

这里可以通过虚拟建模的方式实现混合器的工作场景的建立，可以采用模式测试的方式，建立一个实体的测试场景。

可选地，在步骤S2中，根据定义的尿素喷嘴60的喷射量，监测尾气和尿素液滴的流动方向。

可选地，在步骤S3中，若第二载体50的进口端面的氨气分布均匀性大于0.9，确认氨气分布均匀性符合要求。

需要说明的是，在步骤S4中，混合器的背压是指混合器本体10和导流板20构成的整体结构的入口侧与出口侧之间的压力差。

下面，将采用建模和计算相结合的方式，对混合器的设计进行确定。

在图4所示的具体实施例中，在步骤S1中，采用3D建模的方式模拟混合器的工作场景。首先需要明确当前混合器设计状态，准备后处理系统3D数模，包括后处理各部分组件、载体、尿素喷孔，形成封闭流体计算域。需要指出的是，为保证计算结果真实性，后处理计算域几何模型与发动机舱内布置情况保持一致。几何模型包括氧化型催化器(DOC)，尿素混合器，尿素混合腔，组合了除氮氧功能的颗粒捕集器(SDPF)，选择性催化还原器(SCR)等几部分，将上述各部分装配成组合体，提取组合体内表面组成封闭计算域。

在步骤S1和步骤S2中，根据排气系统的工况、尿素喷嘴60的喷射量，进行CFD流场计算以模拟混合器的工作场景。其中，需要选定CFD(计算流体动力学)计算所对应的工况、尿素喷射量，设定计算域边界条件。具体有一下步骤：

步骤S21：检查几何模型，几何模型质量合格；

步骤S22：应用计算软件对计算域进行网格离散化。其中，载体部分使用四面体网格，其余部分使用多面体网格。检查网格质量，确保网格质量满足计算要求。

步骤S23：设置边界条件。给定系统计算工况(废气流量及温度)，载体背压曲线，尿素喷射位置及喷射量，系统出口处压力情况。

步骤S24：应用流体力学理论设置计算求解器并进行计算。

在流场CFD计算中，涉及的相关模型如下：

a.载体部分简化为多孔隙介质；

b.理想多组分气体(空气，水(气态)，氨气)；

c.拉格朗日多相粒子(液态水32.5％，液态尿素67.5％)；

d.蒸发模型(水(液态—>气态)，尿素理想状态下完全蒸发为氨气)；

e.稳态计算。

需要说明的是，计算结果必须收敛，如果不收敛必须重新检查模型、边界条件，重新计算。

而后，在步骤S3中，确定第二载体50的进口端面的氨气分布均匀性，一般要求其氨气分布均匀性大于0.9。如果不能达到设计要求，则依据CFD分析显示的尾气及尿素液滴的流动方向，合理布置导流板20。若有需要则更改混合器内叶片设计。

具体而言，在确定第二载体50的进口端面的氨气分布均匀性时，需要有如下步骤：

步骤S31：计算收敛后，分析SCR载体进口端面的氨气质量分数(mass fraction ofNH3)的分布均匀性。

步骤S32：均匀性计算公式如下：

其中和分别为第二载体50的进口端面某一点的氨气质量分数和该面的平均氨气质量分数，n是该面上取的点的个数。

步骤S33：根据设计要求，SCR端面的氨气分布均匀性UI大于0.9。

正如前面提到的，一开始的模型中，可以先不添加导流板20，后面再添加导流板20，就可以做出对比例。

需要指出的是，导流板20的具体倾斜角度及设计长宽，根据不同项目的具体设计情况决定，以调整后第二载体50的进口端面氨气混合均匀性能达到设计要求为标准。

除了氨气分布均匀性，混合器的背压也是混合器设计过程中的重要考量指标。如果混合器产生的背压过大，必须更改导流板20及混合器本体10的设计，直至其背压达到可接受范围。通过下述的方法可以确定混合器的背压。具体步骤S4如下：

步骤S41：一般情况下，混合器的背压是指混合器上下游之间的总压差值。在CFD计算后，分别提取混合器上游截面与下游截面的平均总压，取其差值即为混合器背压。

步骤S42：添加导流板20后，必须考虑导流板20产生的额外背压，所以评判区域由混合器上下游之间改为混合腔上下游之间。

步骤S43：对同一项目的不同设计效果进行评判时，对混合腔的定义必须保持一致。

步骤S44：混合腔的背压评判要求为：在考虑到混合腔的影响后，整个系统的总背压仍然能够达到设计要求(具体要求依项目而定)。

当然，还可以通过增加压力传感器的方式，实际测得实物模型中，混合器的背压大小。

本发明提出了一种新型结构的混合器，并给出了确定该混合器的方法，以提高氨气的混合均匀性。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

1、针对“U”型布置的排气系统，混合器带有导流板20，尽可能避免了尿素液滴集中于混合腔内某一侧的情况，使尿素液滴相对均匀地分布于混合腔之中，以提高氨气混合均匀性；

2、通过CFD的分析手段来优化混合器的设计。

显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种用于车辆的混合器，其特征在于，包括：

混合器本体(10)，所述混合器本体(10)具有入口和出口，所述入口和所述出口通过导流通道(11)连通，所述导流通道(11)与所述混合器本体(10)的参考轴线(12)之间具有夹角。

2.根据权利要求1所述的混合器，其特征在于，所述导流通道(11)为多个，至少一部分的所述导流通道(11)与所述混合器本体(10)的参考轴线(12)的夹角大小不同，其中，所述混合器本体(10)的参考轴线(12)为所述混合器本体(10)的几何中心对称轴。

3.根据权利要求1或2所述的混合器，其特征在于，所述混合器还包括导流板(20)，所述导流板(20)设置在所述混合器本体(10)的入口的前端和/或所述混合器本体(10)内，所述导流板(20)与所述混合器本体(10)的参考轴线(12)之间具有夹角。

4.一种排气系统，包括壳体(30)和混合器，所述混合器设置在所述壳体(30)内，其特征在于，所述混合器是权利要求1至3中任一项所述的混合器，所述壳体(30)是U形结构的，且所述混合器设置在所述U形结构的弯曲部。

5.根据权利要求4所述的排气系统，其特征在于，所述排气系统还包括：

设置在所述壳体(30)内的第一载体(40)和第二载体(50)，所述第一载体(40)位于所述壳体(30)的靠近排气进口(31)的一侧，所述第二载体(50)位于所述壳体(30)的靠近排气出口(32)的一侧，所述混合器位于所述第一载体(40)和所述第二载体(50)之间，其中，所述第一载体(40)是DOC载体，所述第二载体(50)是涂覆SCR催化剂的载体；

尿素喷嘴(60)，所述尿素喷嘴(60)设置在所述壳体(30)上并朝向所述混合器的入口设置。

6.一种混合器的确定方法，其特征在于，所述混合器是权利要求5所述的排气系统中的混合器，所述确定方法包括：

步骤S1：模拟混合器的工作场景；

步骤S2：定义尿素喷嘴(60)的工作状态；

步骤S3：确定第二载体(50)的进口端面的氨气分布均匀性，若所述氨气分布均匀性不符合要求，替换新的混合器；

步骤S4：确定所述混合器的背压，若所述背压不符合要求，替换新的混合器，若所述背压符合要求，所述混合器完成确定。

7.根据权利要求6所述的确定方法，其特征在于，在所述步骤S1中，先将未添加导流板(20)的混合器本体(10)放置在工作场景中，并执行所述步骤S2和所述步骤S3，若所述氨气分布均匀性不符合要求，在所述混合器本体(10)的前端放置所述导流板(20)，并重复所述步骤S2和所述步骤S3，直至完成所述步骤S4。

8.根据权利要求6所述的确定方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述混合器的工作场景与发动机舱内布置的结构完全一致。

9.根据权利要求6所述的确定方法，其特征在于，在所述步骤S2中，根据定义的所述尿素喷嘴(60)的喷射量，监测尾气和尿素液滴的流动方向。

10.根据权利要求6所述的确定方法，其特征在于，在所述步骤S3中，若所述第二载体(50)的进口端面的氨气分布均匀性大于0.9，确认所述氨气分布均匀性符合要求。

11.根据权利要求6所述的确定方法，其特征在于，在所述步骤S4中，所述混合器的背压是指所述混合器本体(10)和导流板(20)构成的整体结构的入口侧与出口侧之间的压力差。

12.根据权利要求6所述的确定方法，其特征在于，在所述步骤S1中，采用3D建模的方式模拟所述混合器的工作场景。

13.根据权利要求6所述的确定方法，其特征在于，在所述步骤S1和所述步骤S2中，根据所述排气系统的工况、所述尿素喷嘴(60)的喷射量，进行CFD流场计算以模拟所述混合器的工作场景。