CN108979804A - 一种车辆scr系统及其尾气保温混合装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种车辆SCR系统及其尾气保温混合装置。车辆SCR系统包括尿素喷射装置、SCR催化器以及尾气保温混合装置，尾气保温混合装置包括外筒和内筒，所述外筒的前端用于与车辆尾气管连接，所述外筒的后端用于与SCR催化器前端进行连接，所述内筒由导热材料制成，所述内筒的内腔形成供尾气和喷射的尿素水溶液混合而成的混合气体流通的混合通道，所述内筒与外筒之间的环空形成供保温尾气流通的保温通道，所述内筒的出口端设置有用于将混合气体和保温尾气充分混合的文丘里混合段。通过采用内筒和外筒的结构设计，使得保温通道中的保温尾气会对内筒中的混合气体进行保温加热，使得流入SCR催化器的混合气体具有较高的温度和混合均匀性，提高了催化效率。

Description

一种车辆SCR系统及其尾气保温混合装置
技术领域
本发明涉及车辆尾气处理技术领域，尤其涉及一种车辆SCR系统及其尾气保温混合装置。
背景技术
发动机按照燃烧燃油的不同可以分为柴油机和汽油机，由于柴油机和汽油机均需要通过燃烧化石燃料来产生动力，而化石燃料的燃烧会伴随着气体污染物的产生。以柴油机为例，柴油机产生的尾气中主要有氮氧化物和颗粒物，由于柴油机属于富氧燃烧，使得二者具有此消彼长的关系，无法通过机内净化的方法同时降低两种污染物的排放。目前，较为成熟的处理方式是通过采用高压燃油喷射及优化缸内燃烧来降低柴油机原始颗粒物的排放，然后在机后增加SCR系统来降低氮氧化物的排放。
柴油机SCR系统指的是：通过向柴油机的排气管中喷射一定量的尿素水溶液，雾化的尿素水溶液通过水蒸气的蒸发、尿素的热解水解生成氨气，生成的氨气随着尾气排入后侧的SCR催化器中，尾气中的氮氧化物和生成的氨气在SCR催化器中的催化剂的作用下发生催化还原反应，最终生成无害的氮气和水。
SCR系统在使用的过程中，温度的高低会对SCR催化器中催化剂的催化效率造成影响，进而影响氮氧化物的催化转化效率，当温度较低时，氮氧化物的转化效率也较低。因此，为了保证氮氧化物具有较高的催化转化效率，SCR催化器不宜安装在距柴油机较远的位置，但实际情况中，SCR催化器之前还常常安装有DOC等后处理装置，这使得柴油机尾气温度在尾气到达SCR催化器时已不能满足氮氧化物较高的催化转化效率的要求。此外，由于尾气在进入SCR催化器之前还需要经过喷雾段，而经喷雾段喷出的尿素水溶液液滴的蒸发热解会进一步降低尾气的温度，当温度较低时，尿素容易在喷雾段的壁面上形成沉积物，使得尿素的热解效率降低。
因此，为了提高尿素溶液的热解效率以及催化剂的催化效率，对SCR系统喷雾段中的混合气进行保温成为解决上述问题的一个方向，现有技术中为了实现喷雾段的保温，一般采用在SCR催化器前加装加热装置的方式来实现，例如授权公告号为CN206158826U的中国实用新型专利公开了一种防尿素结晶的柴油机后处理加热混合装置，其采用在尿素喷射区域加装电阻加热筒的方式来提高喷射区域的温度。此外该加热混合装置的尿素喷射区内还安装有弧形叶片混合器，弧形叶片混合器的加设能够加速尾气与尿素热解产生的氨气的充分混合。但是该加热装置的结构较为复杂，增加了相应的制造和安装成本，此外采用电加热的方式还会导致额外的能源消耗，不利于车辆的节能。
目前除了采用上述加装加热装置的方式，现有技术中还有采用尾气保温的方式，例如授权公告号为CN201581966U的中国实用新型专利公开了一种汽车尾气催化还原后处理器的组合结构，该组合结构包括壳体、尿素混合分解载体和催化剂段、催化还原载体和催化剂段，其中催化还原载体和催化剂段套设在尿素混合分解载体和催化剂段的外周侧，尿素和尾气混合而成的混合气体首先流经尿素混合分解载体和催化剂段，然后从尿素混合分解载体和催化剂段的出口反向流入催化还原载体和催化剂段，通过采用这种组合结构的方式改善了尿素混合和分解的效果，并使得组合结构具有一定的保温功能。但是该组合结构由于是采用逆向流动的混合气体实现的保温，混合气体在流动的过程中热量散失较多，所以混合气体的保温能力有限，此外，混合气体在转弯处的能量损失较大，增大了发动机排气背压，严重时甚至会导致尾气排泄不畅的情况。
发明内容
本发明的目的在于提供一种尾气保温混合装置，用于解决现有技术中SCR系统的催化还原效率较低的技术问题。本发明的目的还在于提供一种应用上述尾气保温混合装置的车辆SCR反应器。
为实现上述目的，本发明的尾气保温混合装置采用如下的技术方案：
尾气保温混合装置包括外筒以及设置在外筒中的内筒，所述外筒的前端用于与车辆尾气管进行连接，所述外筒的后端用于与SCR催化器前端进行连接，所述内筒由导热材料制成，所述内筒的内腔形成供尾气和喷射的尿素水溶液混合而成的混合气体流通的混合通道，所述内筒与外筒之间的环空形成供保温尾气流通的保温通道，所述内筒的出口端设置有用于将混合气体和保温尾气充分混合的文丘里混合段。
进一步的，所述文丘里混合段的后侧连接有笼状混合器。
进一步的，所述笼状混合器包括同轴设置的管状混合器以及连接在管状混合器后端的半球状混合器。
进一步的，所述文丘里混合段、管状混合器以及半球状混合器采用分体的方式进行制作并最终拼接为一体。
进一步的，所述外筒的内周壁和/或外周壁上还设置有绝热涂层。
进一步的，所述外筒的两端均设置有用于将其分别与车辆尾气管以及SCR催化器进行连接的外筒连接结构，所述内筒的外周壁上设置有用于将内筒固定在外筒内的内筒连接结构。
进一步的，所述外筒连接结构为外筒连接法兰，所述内筒连接结构为设置在内筒入口端的内筒连接法兰，所述内筒连接法兰的端面上设置有供保温尾气进入所述保温通道的进气孔。
进一步的，所述进气孔为腰形孔并有多个，多个腰形孔绕着内筒的进口间隔布置。
本发明的车辆SCR系统采用如下的技术方案：
车辆SCR系统包括尿素喷射装置、SCR催化器以及安装在两者之间的尾气保温混合装置，所述尾气保温混合装置包括外筒以及设置在外筒中的内筒，所述外筒的前端用于与车辆尾气管进行连接，所述外筒的后端用于与SCR催化器前端进行连接，所述内筒由导热材料制成，所述内筒的内腔形成供尾气和喷射的尿素水溶液混合而成的混合气体流通的混合通道，所述内筒与外筒之间的环空形成供保温尾气流通的保温通道，所述内筒的出口端设置有用于将混合气体和保温尾气充分混合的文丘里混合段。
有益效果：尾气保温混合装置通过采用内筒和外筒的结构设计，使得喷射的尿素水溶液与尾气在内筒的混合通道中进行混合，尿素水溶液的雾化和热解使得内筒中尾气的温度降低，而流入内筒和外筒之间保温通道的尾气（即保温尾气）由于未受到尿素雾化和热解的影响，其温度不会产生较大的变化，这样流入保温通道的尾气会对内筒中的混合气体进行保温加热，进而使得流入SCR催化器中的混合气体具有较高的温度，提高了车辆SCR系统的催化效率。此外，由于保温通道中的尾气直接作用于内筒的筒壁，使得内管壁面温度得以提升，可以降低由于喷雾碰壁及壁面温度低而导致的车辆SCR系统的壁面沉积问题。另外，由于本发明的尾气保温混合装置中没有逆向气流，使得气体的流通较为顺畅，能量损失少，对车辆发动机背压的影响较小。
进一步的，所述文丘里混合段的后侧连接有笼状混合器。文丘里混合段的设置使得流经其内部的混合气体流速加快，进而在笼状混合器的内部形成负压，保温尾气在负压的作用下会流入笼状混合器内部，这样加速了内筒内腔与环空之间气体的混合，使得气体的混合更加均匀。
进一步的，所述笼状混合器包括同轴设置的管状混合器以及连接在管状混合器后端的半球状混合器。半球状混合器能够进一步加强气流的扰动，提高还原剂（即雾化的尿素热解产生的氨气）与尾气的混合效果。
进一步的，所述文丘里混合段、管状混合器以及半球状混合器采用分体的方式进行制作并最终拼接为一体。方便了对内筒的加工。
进一步的，所述外筒的内周壁和/或外周壁上还设置有绝热涂层。绝热涂层的设置能够极大的减弱外筒筒壁与外界空气的换热，使得保温尾气的温度基本保持不变。
进一步的，所述外筒的两端均设置有用于将其分别与车辆尾气管以及SCR催化器进行连接的外筒连接结构，所述内筒的外周壁上设置有用于将内筒固定在外筒内的内筒连接结构。内筒连接结构和外筒连接结构的设置方便了尾气保温混合装置的连接。
进一步的，所述外筒连接结构为外筒连接法兰，所述内筒连接结构为设置在内筒入口端的内筒连接法兰，所述内筒连接法兰的端面上设置有供保温尾气进入所述保温通道的进气孔。外筒连接法兰和内筒连接法兰方便连接且密封性好。
进一步的，所述进气孔为腰形孔并有多个，多个腰形孔绕着内筒的进口间隔布置。使得流入保温通道的保温尾气分布较为均匀。
进一步的，所述尿素喷射装置的轴线与所述内筒的轴线同轴布置。同轴设置使得喷射的尿素水溶液能够完全落入内筒的内部，避免了尿素水溶液流入保温通道内的情况，使得流入保温通道的保温尾气具有较高的温度。
附图说明
图1为本发明的车辆SCR系统的实施例1的整体结构示意图；
图2为本发明的车辆SCR系统的实施例1的尾气保温混合装置立体图；
图3为本发明的车辆SCR系统的实施例1的内筒立体图；
图中：1-尾气管，2-尿素喷射装置，3-外筒，4-内筒，5-文丘里混合段，6-管状混合器，7-半球状混合器，8-绝热涂层，9-SCR催化器，10-内筒连接法兰，11-外筒连接法兰，12-进气孔，13-内筒进口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
本发明的车辆SCR系统的具体实施例1：
如图1~3所示，车辆SCR系统包括尿素喷射装置2、SCR催化器9以及安装在两者之间的尾气保温混合装置。其中尿素喷射装置2固定在车辆的尾气管1上，尾气保温混合装置与尾气管1的管口进行连接，SCR催化器9与尾气保温混合装置的出气口进行连接。尿素喷射装置2在尿素喷射控制单元控制下喷射一定量的尿素水溶液，喷出的尿素水溶液通过水蒸气的蒸发、尿素的热解水解生成氨气，生成的氨气在流经尾气保温混合装置时与车辆发动机尾气充分混合，混合后的氨气和尾气中的氮氧化物在SCR催化器9中发生催化还原反应，生成氮气和水。
本实施例的尾气保温混合装置的具体结构如下：尾气保温混合装置包括套设在一起的内筒4和外筒3，内筒4和外筒3均为圆柱状，内筒4的内腔形成供混合气体流通的混合通道，本实施例中混合气体即是尿素水溶液和车辆尾气混合而成的混合气，内筒4与外筒3之间的环形空间（即环空）形成供保温尾气流通的保温通道，保温尾气即是没有掺入尿素水溶液且温度较高的车辆发动机尾气。内筒4的一端为供混合气体进入内筒4内腔的内筒进口13，内筒4的入口端还设有内筒连接法兰10，内筒连接法兰构成本实施例的内筒连接结构。为了将混合气体和保温气体进行混合，内筒4的另一端还设置有文丘里混合段5，文丘里混合段即是一端口径缩小的结构。文丘里混合段5的后端还连接有笼状混合器，文丘里混合段5能够使得流经其内部的混合气体速度加快，从而在文丘里混合段5的后侧形成负压，形成的负压能够将保温尾气吸入笼状混合器中，从而实现混合气体和保温气体的充分混合。本实施例中笼状混合器包括管状混合器6和半球状混合器7，半球状混合器能够进一步加强气流的扰动，提高尿素水溶液分解产物与保温尾气的混合效果。外筒3的两端均设置有外筒连接法兰11，外筒连接法兰11构成本实施例中的外筒连接结构。外筒3的内壁上还涂有绝热涂层8，绝热涂层8的布置避免了保温通道内的保温尾气与空气进行热交换，使得流经保温通道的保温尾气温度基本保持不变。需要说明的是，由于内筒4和外筒3在连接时，内筒连接法兰10与外筒连接法兰11是相贴合的，为了保证保温尾气进入保温通道中，内筒连接法兰10的端面上还设置有供保温尾气进入保温通道的进气孔12，本实施例中进气孔12为腰形孔，进气孔12的个数为四个，四个进气孔12围绕着内筒进口13的周向等间隔布置。
需要说明的是本实施例中为了加强混合气体和保温尾气之间的热交换，内筒4采用导热材料制作而成，本实施例中导热材料具体为导热性能良好的不锈钢薄壁材料。为了方便文丘里混合段5、管状混合器6以及半球状混合器7的加工，本实施例中文丘里混合段5、管状混合器6以及半球状混合器7采用分体的方式进行制作，各部件制作完成后再采用焊接的方式拼接固定。
本实施例的车辆SCR系统在安装时，尿素喷射装置2安装在车辆的尾气管1中，尿素喷射装置的轴线与所述内筒的轴线同轴布置以保证喷射的尿素水溶液全部落入尾气保温混合装置的内筒内。尾气保温混合装置的内筒4和外筒3分别通过内筒连接法兰10和外筒连接法兰11与尾气管1的出气口进行连接，内筒连接法兰10夹持在尾气管连接法兰和外筒连接法兰11之间。需要说明的是，内筒连接法兰10上的进气孔12将尾气管1的内腔与保温通道贯通，从而方便了保温尾气的流入。外筒3另一端与SCR催化器9进行连接，连接方式也为法兰连接。
本实施例的车辆SCR系统在使用时，从尾气管1排出的尾气首先排至尾气保温混合装置内，尾气在进入尾气保温混合装置时分为外侧和内侧两个独立流向，其中一个流入内筒4的混合通道中，另一个流入内筒4和外筒3之间的保温通道中。其中尿素水溶液喷射区域全部落入内筒4内，使得流入内筒4中的尾气和喷入的尿素水溶液在内筒4内混合，并在流经文丘里混合段5时流速加快，从而在文丘里混合段5的后侧形成负压，此时流入保温通道中的保温尾气由于压强较大会流入笼状混合器内，这样会进一步加快保温尾气与混合气体的混合。内筒4中的混合气体最后经由半球状混合器7流入外筒3中，半球状混合器7会加强气流的扰动，从而使得气体的混合更加均匀。需要说明的是经尿素喷射装置2喷出的尿素水溶液会在尾气保温混合装置中产生热解反应生成氨气。此外，尿素水溶液的蒸发和热解反应均会吸收热量，这就导致流入内筒4的尾气温度较低，而流入保温通道中的保温尾气由于没有喷入尿素水溶液，使得保温通道中的保温尾气温度要高于内筒4中混合气体的温度，由于这种温差的存在，保温通道中的保温尾气会对内筒4中的混合气体进行加热，从而加强了尿素水溶液液滴的蒸发热解速率及其与车辆发动机尾气的混合，提高了SCR催化器9中的转化效率。此外，内管壁面温度的提升可以降低由于喷雾碰壁及壁面温度低而导致的车辆SCR系统的壁面沉积问题。最后在SCR催化器9中催化剂的催化作用下，尿素水溶液热解水解产生的氨气和尾气中的氮氧化物发生化学反应生成无污染的氮气和水，即实现了降低车辆尾气中氮氧化物的目的。
在其它实施例中：内筒可以直接通过支撑架固定在外筒的内部，支撑架的两端分别与内筒的外周壁以外筒的内周壁进行固定，这样内筒上即不再需要布置内筒连接法兰。
在其它实施例中：内筒和外筒的形状可以为三棱柱、四棱柱等其他形状。
在其它实施例中：半球状混合器可以替换为棱锥状混合器。
在其它实施例中：外筒的外周壁上也设置有绝热涂层。
本发明的尾气保温混合装置的实施例：尾气保温混合装置的结构与上述车辆SCR系统中尾气保温混合装置的具体结构相同，此处不再赘述。

Claims (10)

1.尾气保温混合装置，其特征在于：包括外筒以及设置在外筒中的内筒，所述外筒的前端用于与车辆尾气管进行连接，所述外筒的后端用于与SCR催化器前端进行连接，所述内筒由导热材料制成，所述内筒的内腔形成供尾气和喷射的尿素水溶液混合而成的混合气体流通的混合通道，所述内筒与外筒之间的环空形成供保温尾气流通的保温通道，所述内筒的出口端设置有用于将混合气体和保温尾气充分混合的文丘里混合段。
2.根据权利要求1所述的尾气保温混合装置，其特征在于：所述文丘里混合段的后侧连接有笼状混合器。
3.根据权利要求2所述的尾气保温混合装置，其特征在于：所述笼状混合器包括同轴设置的管状混合器以及连接在管状混合器后端的半球状混合器。
4.根据权利要求3所述的尾气保温混合装置，其特征在于：所述文丘里混合段、管状混合器以及半球状混合器采用分体的方式进行制作并最终拼接为一体。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的尾气保温混合装置，其特征在于：所述外筒的内周壁和/或外周壁上还设置有绝热涂层。
6.根据权利要求1-4中任意一项所述的尾气保温混合装置，其特征在于：所述外筒的两端均设置有用于将其分别与车辆尾气管以及SCR催化器进行连接的外筒连接结构，所述内筒的外周壁上设置有用于将内筒固定在外筒内的内筒连接结构。
7.根据权利要求6所述的尾气保温混合装置，其特征在于：所述外筒连接结构为外筒连接法兰，所述内筒连接结构为设置在内筒入口端的内筒连接法兰，所述内筒连接法兰的端面上设置有供保温尾气进入所述保温通道的进气孔。
8.根据权利要求7所述的尾气保温混合装置，其特征在于：所述进气孔为腰形孔并有多个，多个腰形孔绕着内筒的进口间隔布置。
9.车辆SCR系统，其特征在于：包括尿素喷射装置、SCR催化器以及上述权利要求1~8中任意一项所述的尾气保温混合装置。
10.根据权利要求9所述的车辆SCR系统，其特征在于：所述尿素喷射装置的轴线与所述内筒的轴线同轴布置。
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