CN109826697B - 柴油机排放后处理用旋流装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柴油机排放后处理用旋流装置，包括壳体，壳体内设有SCR载体，壳体下游端设有出气口，壳体上游端设有端盖，端盖连接有进气管，壳体中部在轴向方向上间隔设有隔板和弥散板，弥散板上均匀分布有弥散孔；进气管内固定连接有一级旋流叶片；隔板的上游侧表面固定连接有套筒，套筒沿周向均匀分布有旋流透气孔，旋流透气孔处的隔板连接有二级旋流叶片，套筒内的进气管上均匀分布有进气气孔；套筒外的隔板上均匀分布有隔板主气孔。本发明在较小的体积下保证了气液均匀混合的效果，能够适应大多数柴油发动机车辆的安装空间，同时气流整体压降控制在良好水平，既能保证气液混合效果又能减小总体积，不增加发动机油耗，具有良好的市场前景。

Description

柴油机排放后处理用旋流装置

技术领域

本发明涉及一种柴油机排放后处理技术领域。

背景技术

随着排放法规的升级，柴油发动机单一使用SCR（选择性催化还原）系统或DPF（微粒捕集）系统已不能满足法规对NOx(氮氧化物)、PM（微粒）和PN（颗粒数量）的限值要求，必须同时使用DPF系统和SCR系统才能满足排放法规限值要求。现有的SCR系统中包括壳体，壳体内设有SCR载体，尾气通过壳体时进行反应并得到净化。

但是，传统结构的DPF+SCR系统因有独立的混合结构造成总体体积大、长度长，普适性差。尤其是在更加严格的环保排放标准的要求下，达到新标准要求的传统结构的DPF+SCR系统体积更大，很多车辆上并没有足够的空间进行安装。尾气处理系统作为车辆附件，需要满足车辆的安装要求，车辆本身的设计难以为某一个附件而作出变动。

同时，最新发布的“CAEPI 12-2017《柴油机排气后处理装置》”中明确要求“流速均匀度、温度均匀度和NH₃均匀度均不得低于0.95。而传统的气液混合结构已不能满足上述要求。

总之，为了更好地适用市场需求，必须开发出既能保证气液混合效果又能减小总体积的尾气处理结构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种柴油机排放后处理用旋流装置。

为实现上述目的，本发明的柴油机排放后处理用旋流装置包括壳体，壳体内设有SCR载体，壳体的轴线方向为气流整体的流动方向，以气流流动的方向为下游方向，壳体下游端设有出气口，壳体上游端设有端盖，端盖连接有进气管，进气管与壳体同轴线设置，

进气管的上游端位于壳体外部且进气管的下游端位于壳体内部；壳体中部在轴向方向上间隔设有隔板和弥散板，弥散板上均匀分布有弥散孔；

隔板的周向边沿和弥散板的周向边沿均与壳体内壁固定连接；端盖上游方向的进气管内固定连接有一级旋流叶片，一级旋流叶片下游方向的进气管内腔为第一腔室；

弥散板与其下游的壳体围成载体腔，SCR载体位于载体腔内；隔板与弥散板以及两者之间的壳体围成第三腔室；隔板的上游侧表面固定连接有套筒，套筒沿周向均匀分布有若干旋流透气孔，各旋流透气孔处的隔板外表面均连接有二级旋流叶片，二级旋流叶片与隔板的连接边平行于壳体轴线，二级旋流叶片所在平面平行于壳体轴线；

进气管伸入套筒内，且进气管的外壁与套筒内壁之间具有环形间隙；套筒内的进气管上均匀分布有进气气孔；

套筒外壁与端盖、壳体和隔板围成第二腔室，套筒外的隔板上均匀分布有隔板主气孔；端盖上游方向的进气管上设有喷嘴安装座，喷嘴安装座上沿进气管的径向方向设有用于安装雾化喷嘴的安装孔；喷嘴安装座位于一级旋流叶片的下游方向并与一级旋流叶片相邻；

第一腔室、进气气孔、进气管的外壁与套筒内壁之间的环形间隙、旋流透气孔、二级旋流叶片和隔板主气孔形成用于混合气流进入第三腔室的第一路径。

二级旋流叶片为折板结构，包括第一折流板和第二折流板，第一折流板与套筒相连接且连接边为基准边，基准边处套筒的切线与第一折流板的夹角为α；第二折流板与第二折流板之间的夹角为β；α大于等于30度并小于等于35度，β大于等于135度并小于等于150度。

套筒内的隔板上均匀分布有隔板副气孔；隔板主气孔的直径是隔板副气孔的直径的三倍以上；隔板的直径是套筒的直径的1.5－2.5倍；

第一腔室和隔板副气孔形成用于混合气流进入第三腔室的第二路径；

气流通过第一路径所产生的压降与气流通过第二路径所产生的压降相同。

所述第一折流板的宽度L1是第二折流板之间的宽度L2 的2－3倍，旋流透气孔的宽度等于L1+L2。

进气管的上游端连接有法兰。

端盖上游方向的进气管上设有第一传感器安装座和第二传感器安装座，第一传感器安装座和第二传感器安装座均位于一级旋流叶片的下游方向，第一传感器安装座上设有沿进气管的径向方向设置的用于安装温度传感器的安装孔，第二传感器安装座上设有沿进气管的径向方向设置的用于安装NOx传感器的安装孔。

任意三个相互相邻且不在同一直线上的进气气孔的圆心的连线组成等边三角形。

使用本发明的柴油机排放后处理用旋流装置，通过两级旋流、二级旋流处弯折气流路径、两个气流路径等设置，在较小的体积下保证了气液均匀混合的效果，能够适应大多数柴油发动机车辆的安装空间，同时气流整体压降控制在良好水平，既能保证气液混合效果又能减小总体积，与能达到同样均匀混合水平的大体积的现有混合结构相比不增加发动机油耗（现有的混合结构因体积大而无法适应很多车辆较小的安装空间），具有良好的市场前景。本发明的柴油机排放后处理用旋流装置同时有效避免尿素水溶液碰壁预冷结晶的问题。

α的值越小，旋流效果越好，气体混合效果越好；但同时α的值越小也会造成对气流的阻力也越大。

如果二级旋流叶片只是平板状，则如果要保证更好的旋流效果，α的值就不能过大，这样就会导致气流通过时压降增加，这样就会增加发动机的负担，提高油耗。

二级旋流叶片为折板结构的优点，通过第二折流板控制了气流通过二级旋流叶片后的最终流向，因而α角无须过小也可以保证旋流效果。本发明通过将α设置为较大值减小二级旋流叶片对气流的阻力从而防止提高油耗，同时通过控制β的取值控制了气流通过二级旋流叶片后的最终流向、进而保证了旋流效果，同时满足了旋流效果和控制油耗两个目标。

第二路径的设置，一方面可以降低气流阻力、提高气体通过能力，另一方面提高了气体混合的均匀程度。气流通过第一路径所产生的压降与气流通过第二路径所产生的压降相同，可以使气体更均匀地通过隔板，并提高第三腔室内气体混合的均匀程度。

二级旋流叶片的结构决定了二级旋流叶片无须另外加工制作，而是可以在套筒上开孔时，将开孔部分的套筒壁向上旋转掀开作为旋转叶片，这样一方面节省了材料成本，另一方面开孔后掀开的套筒壁部分不用抛弃，减少了垃圾处理成本和对环境的污染。

在折板结构下，第一折流板的宽度L1与第二折流板之间的宽度L2之间的比值越小，则二级旋流叶片在整体上对气流的阻力越大，越容易增加发动机的油耗。同时，第一折流板的宽度L1与第二折流板之间的宽度L2之间的比值越大，则第二折流板对气流的约束作用越小，二级旋流叶片在整体上对气流的旋流作用越小。本发明中第一折流板的宽度L1是第二折流板之间的宽度L2 的2－3倍，同时保证了尽量减小气流阻力与保证旋流效果两个目标。

如果各进气气孔呈矩阵式排列，虽然也属于均匀分布，但各进气气孔与其周边相邻的其他进气气孔的距离是不一致的，这样在气流通过时就会出现气流相对密集区，不利于气体充分混合，也不利于降低气流阻力。

任意三个相互相邻且不在同一直线上的进气气孔的圆心的连线组成等边三角形，不但保证了进气气孔分布的均匀性，而且保证了任意一个进气气孔与其周边相邻的其他进气气孔的距离都相同，从而消除气流相对密集区；同时在相同的面积下相比矩阵式排列进气气孔能够设置更多的进气气孔，降低气流阻力。

隔板的直径是套筒的直径的1.5－2.5倍；保证了隔板主气孔的分布面积是隔板副气孔的分布面积的合理倍数，容易平衡第一路径与第二路径的气流阻力。

附图说明

图1是去掉一部分壳体以及SCR载体后本发明的立体结构示意图；

图2是套筒及二级旋流叶片的截面图；

图3是隔板的结构示意图；

图4是弥散板的结构示意图；

图5是去掉喷嘴安装座、第一和第二传感器安装座后进气管的结构示意图；

图6是套筒及二级旋流叶片的立体结构示意图。

具体实施方式

如图1至图6所示，本发明的柴油机排放后处理用旋流装置包括壳体1，壳体1内设有SCR载体，壳体1的轴线方向为气流整体的流动方向，以气流流动的方向为下游方向，壳体1下游端设有出气口，壳体1上游端设有端盖2，端盖2连接有进气管3，进气管3与壳体1同轴线设置，进气管3的上游端位于壳体1外部且进气管3的下游端位于壳体1内部；壳体1中部在轴向方向上间隔设有隔板4和弥散板5，弥散板5上均匀分布有弥散孔6；壳体上设置出气口为常规技术，图未示出气口。

隔板4的周向边沿和弥散板5的周向边沿均与壳体1内壁固定连接；端盖2上游方向的进气管3内固定连接有一级旋流叶片7，一级旋流叶片7下游方向的进气管3内腔为第一腔室10；一级旋流叶片7与下文的二级旋流叶片8均是固定不会转动的；一级旋流叶片7呈普通的风扇扇叶状，图未详示。

弥散板5与其下游的壳体1围成载体腔9，SCR载体位于载体腔9内；隔板4与弥散板5以及两者之间的壳体1围成第三腔室12；隔板4的上游侧表面固定连接有套筒13，套筒13沿周向均匀分布有若干旋流透气孔14，各旋流透气孔14处的隔板4外表面均连接有二级旋流叶片8，二级旋流叶片8与隔板4的连接边平行于壳体1轴线，二级旋流叶片8所在平面平行于壳体1轴线，这样能够起到良好的导流作用；

进气管3伸入套筒13内，且进气管3的外壁与套筒13内壁之间具有环形间隙；套筒13内的进气管3上均匀分布有进气气孔15；套筒13外壁与端盖2、壳体1和隔板4围成第二腔室11，套筒13外的隔板4上均匀分布有隔板主气孔16；端盖2上游方向的进气管3上设有喷嘴安装座17；喷嘴安装座上沿进气管的径向方向设有用于安装雾化喷嘴的安装孔；喷嘴安装座17位于一级旋流叶片7的下游方向并与一级旋流叶片7相邻；

第一腔室10、进气气孔15、进气管3的外壁与套筒13内壁之间的环形间隙、旋流透气孔14、二级旋流叶片8和隔板主气孔16形成用于混合气流进入第三腔室12的第一路径。

二级旋流叶片8为折板结构，包括第一折流板21和第二折流板22，第一折流板21与套筒13相连接且连接边为基准边23，基准边23处套筒13的切线与第一折流板21的夹角为α；第二折流板22与第二折流板22之间的夹角为β；α大于等于30度并小于等于35度，β大于等于135度并小于等于150度。

α的值越小，旋流效果越好，气体混合效果越好；但同时α的值越小也会造成对气流的阻力也越大。

如果二级旋流叶片8只是平板状，则如果要保证更好的旋流效果，α的值就不能过大，这样就会导致气流通过时压降增加，这样就会增加发动机的负担，提高油耗。

二级旋流叶片8为折板结构的优点，通过第二折流板22控制了气流通过二级旋流叶片8后的最终流向，因而α角无须过小也可以保证旋流效果。本发明通过将α设置为较大值减小二级旋流叶片8对气流的阻力从而防止提高油耗，同时通过控制β的取值控制了气流通过二级旋流叶片8后的最终流向、进而保证了旋流效果，同时满足了旋流效果和控制油耗两个目标。

套筒13内的隔板4上均匀分布有隔板副气孔24；隔板主气孔16的直径是隔板副气孔24的直径的三倍以上；隔板4的直径是套筒13的直径的1.5－2.5倍；隔板4的直径优选是套筒13的直径的2倍。

第一腔室10和隔板副气孔24形成用于混合气流进入第三腔室12的第二路径；

气流通过第一路径所产生的压降与气流通过第二路径所产生的压降相同。

第二路径的设置，一方面可以降低气流阻力、提高气体通过能力，另一方面提高了气体混合的均匀程度。气流通过第一路径所产生的压降与气流通过第二路径所产生的压降相同，可以使气体更均匀地通过隔板4，并提高第三腔室12内气体混合的均匀程度。

所述第一折流板21的宽度L1是第二折流板22之间的宽度L2 的2－3倍（包含两端值），旋流透气孔14的宽度等于L1+L2。

二级旋流叶片8的结构决定了二级旋流叶片8无须另外加工制作，而是可以在套筒13上开孔时，将开孔部分的套筒13壁向上旋转掀开作为旋转叶片，这样一方面节省了材料成本，另一方面开孔后掀开的套筒13壁部分不用抛弃，减少了垃圾处理成本和对环境的污染。

在折板结构下，第一折流板21的宽度L1与第二折流板22之间的宽度L2之间的比值越小，则二级旋流叶片8在整体上对气流的阻力越大，越容易增加发动机的油耗。同时，第一折流板21的宽度L1与第二折流板22之间的宽度L2之间的比值越大，则第二折流板22对气流的约束作用越小，二级旋流叶片8在整体上对气流的旋流作用越小。本发明中第一折流板21的宽度L1是第二折流板22之间的宽度L2 的2－3倍，同时保证了尽量减小气流阻力与保证旋流效果两个目标。

进气管3的上游端连接有法兰25，从而便于与发动机的排气管相连接。

端盖2上游方向的进气管3上设有第一传感器安装座19和第二传感器安装座20，第一传感器安装座19和第二传感器安装座20均位于一级旋流叶片7的下游方向；

第一传感器安装座19上设有沿进气管的径向方向设置的用于安装温度传感器的安装孔，第二传感器安装座20上设有沿进气管的径向方向设置的用于安装NOx传感器的安装孔。

第一传感器安装座19和第二传感器安装座20的设置，便于安装温度传感器和NOx传感器。

任意三个相互相邻且不在同一直线上的进气气孔15的圆心的连线组成等边三角形。

如果各进气气孔15呈矩阵式排列，虽然也属于均匀分布，但各进气气孔15与其周边相邻的其他进气气孔15的距离是不一致的，这样在气流通过时就会出现气流相对密集区，不利于气体充分混合，也不利于降低气流阻力。

任意三个相互相邻且不在同一直线上的进气气孔15的圆心的连线组成等边三角形，不但保证了进气气孔15分布的均匀性，而且保证了任意一个进气气孔15与其周边相邻的其他进气气孔15的距离都相同，从而消除气流相对密集区；同时在相同的面积下相比矩阵式排列进气气孔15能够设置更多的进气气孔15，降低气流阻力。

SCR载体优选采用蜂窝陶瓷载体，尤其是堇青石蜂窝陶瓷载体。

使用时，本发明的柴油机排放后处理用旋流装置通过法兰25安装在发动机尾气排放管上，在喷嘴安装座17处安装用于喷入尿素水溶液的雾化喷嘴，在第一安装孔处安装温度传感器，在第二安装孔处安装NOx传感器。温度传感器和NOx传感器则通过车载电路接入车载ECU。

柴油发动机工作时，尾气通过尾气排放管进入本发明的进气管3，经一级旋流叶片7产生旋流并进入第一腔室10；尿素水溶液通过雾化喷嘴喷入第一腔室10中，在旋流的作用下与气流混合；混合气流向下游方向运动；由于隔板主气孔16的分布面积是隔板副气孔24的分布面积的合理倍数，因而容易平衡第一路径与第二路径的气流阻力，使气流均匀流动。一部分气流通过第一路径进入第三腔室12，另一部分气流通过第二路径进入第三腔室12。通过第一路径的气流经过了气流的换向与第二旋流叶片的旋流作用；两部分气流经过分流后在第三腔室12又再次合流，形成了更好的均匀效果。第三腔室12内的气流通过弥散孔6后进入载体腔9内的SCR载体，对氮氧化物进行转化，去除尾气中的有害成份；反应后的尾气经出气口排入环境中。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.柴油机排放后处理用旋流装置，包括壳体，壳体内设有SCR载体，壳体的轴线方向为气流整体的流动方向，以气流流动的方向为下游方向，壳体下游端设有出气口，壳体上游端设有端盖，端盖连接有进气管，进气管与壳体同轴线设置，其特征在于：

进气管的上游端位于壳体外部且进气管的下游端位于壳体内部；壳体中部在轴向方向上间隔设有隔板和弥散板，弥散板上均匀分布有弥散孔；

隔板的周向边沿和弥散板的周向边沿均与壳体内壁固定连接；端盖上游方向的进气管内固定连接有一级旋流叶片，一级旋流叶片下游方向的进气管内腔为第一腔室；

弥散板与其下游的壳体围成载体腔，SCR载体位于载体腔内；隔板与弥散板以及两者之间的壳体围成第三腔室；隔板的上游侧表面固定连接有套筒，套筒沿周向均匀分布有若干旋流透气孔，各旋流透气孔处的隔板外表面均连接有二级旋流叶片，二级旋流叶片与隔板的连接边平行于壳体轴线，二级旋流叶片所在平面平行于壳体轴线；

进气管伸入套筒内，且进气管的外壁与套筒内壁之间具有环形间隙；套筒内的进气管上均匀分布有进气气孔；

套筒外壁与端盖、壳体和隔板围成第二腔室，套筒外的隔板上均匀分布有隔板主气孔；端盖上游方向的进气管上设有喷嘴安装座，喷嘴安装座上沿进气管的径向方向设有用于安装雾化喷嘴的安装孔；喷嘴安装座位于一级旋流叶片的下游方向并与一级旋流叶片相邻；

第一腔室、进气气孔、进气管的外壁与套筒内壁之间的环形间隙、旋流透气孔、二级旋流叶片和隔板主气孔形成用于混合气流进入第三腔室的第一路径；

二级旋流叶片为折板结构，包括第一折流板和第二折流板，第一折流板与套筒相连接且连接边为基准边，基准边处套筒的切线与第一折流板的夹角为α；第二折流板与第二折流板之间的夹角为β；α大于等于30度并小于等于35度，β大于等于135度并小于等于150度；

套筒内的隔板上均匀分布有隔板副气孔；隔板主气孔的直径是隔板副气孔的直径的三倍以上；隔板的直径是套筒的直径的1.5－2.5倍；

第一腔室和隔板副气孔形成用于混合气流进入第三腔室的第二路径；

气流通过第一路径所产生的压降与气流通过第二路径所产生的压降相同。

2. 根据权利要求1所述的柴油机排放后处理用旋流装置，其特征在于：所述第一折流板的宽度L1是第二折流板之间的宽度L2 的2－3倍，旋流透气孔的宽度等于L1+L2。

3.根据权利要求1所述的柴油机排放后处理用旋流装置，其特征在于：

进气管的上游端连接有法兰。

4.根据权利要求1所述的柴油机排放后处理用旋流装置，其特征在于：端盖上游方向的进气管上设有第一传感器安装座和第二传感器安装座，第一传感器安装座和第二传感器安装座均位于一级旋流叶片的下游方向，第一传感器安装座上设有沿进气管的径向方向设置的用于安装温度传感器的安装孔，第二传感器安装座上设有沿进气管的径向方向设置的用于安装NOx传感器的安装孔。

5.根据权利要求1所述的柴油机排放后处理用旋流装置，其特征在于：任意三个相互相邻且不在同一直线上的进气气孔的圆心的连线组成等边三角形。