CN111561379B - 一种柴油机尾气后处理用动态混合器及处理方法 - Google Patents

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Abstract

一种柴油机尾气后处理用动态混合器，涉及尾气处理领域，包括外壳体，外壳体前端设有四个扰流块，外壳体中部设有一尿素喷嘴，扰流块内部设有加热组件，外壳体上设有水平扰流板与竖直扰流板，水平扰流板与竖直扰流板互相垂直设计，外壳体后端设有多个传感器，所述传感器连接有控制单元。本发明利用控制单元接受传感器反馈信号实时记录HCNO和NH3浓度分布情况及采集排气背压，实时调整扰流板角度和下端扰流块加热温度以增加混合的均匀性，形成闭环控制，以提高混合气均匀性，以提高氮氧化物转化率，提升尾气净化效果。

Description

一种柴油机尾气后处理用动态混合器及处理方法
技术领域
本发明涉及尾气处理领域，具体地说是一种柴油机尾气后处理用动态混合器及处理方法。
背景技术
研究表明尾气后处理系统(例如选择性催化还原系统，SCR系统)管路中氨分布的均匀程度对系统的整体性能和耐久性能有重要的影响。32.5％的尿素水溶液以液滴的形式喷射，并在排气管道中雾化，与排气充分混合，随着液滴的雾化、扩散，较高的排气温度将使液滴水分蒸发，产生固体或熔化的尿素(一般尿素的熔点为132℃)。与此同时尿素被热分解为等物质的量的氨气(NH3)和异氰酸(HNCO)，气相时异氰酸非常稳定。尿素水溶液的蒸发、热解都是在SCR催化反应器前端完成。
尿素水溶液受热蒸发，析出尿素颗粒，为吸热反应：
(NH2)2CO.7H2O(aq)→(NH2)2CO(s)+7H2O(g)
尿素受热分解生成等物质的量的氨气和异氰酸(HNCO)，为热解反应：
(NH2)2CO→NH3+HNCO
如果氨分布不均匀会导致局部区域氨过多从而易造成氨泄漏，而在另一些氨稀薄区域造成氮氧化合物(NOx)转化效率过低。长时间氨的不均匀分布会导致催化剂老化不均匀，从而影响催化剂的整体性能。另外，尿素液滴的不均匀分布会造成局部管壁或混合结构温度过低，形成结晶，严重时会堵塞尾气管、导致发动机动力性能下降。
发明内容
本发明可提供一种柴油机尾气后处理用动态混合器及处理方法，以在这个过程中提高混合气均匀性，以提高氮氧化物转化率，提升尾气净化效果。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：
一种柴油机尾气后处理用动态混合器，包括一外壳体，所述外壳体前端设有四个扰流块，其中外壳体中部设有一尿素喷嘴，位于外壳体下端的扰流块内部设有加热组件，所述加热组件通过电连接有控制单元，所述外壳体上设有可调节角度的水平扰流板与竖直扰流板，其中水平扰流板与竖直扰流板互相垂直设计，且水平扰流板与竖直扰流板均位于尿素喷嘴后端。
进一步的，所述扰流块的表面呈弧形，且四个所述扰流块的延伸曲面交点于尿素喷嘴正前25-35mm。
进一步的，所述加热组件为加热片、加热丝、加热管或加热棒中的一种。
进一步的，所述加热片为石墨烯发热片、复合纤维发热片、PI聚酰亚胺发热膜或碳纤维加热片中的一种。
进一步的，所述外壳体上转动连接有水平轴，所述水平轴上安装有水平扰流板，所述水平轴连接有水平电机；所述外壳体上转动连接有竖直轴，所述竖直轴上安装有竖直扰流板，所述竖直轴连接有竖直电机，其中水平电机与竖直电机均通过电线连接有控制单元。
进一步的，所述水平扰流板和/或竖直扰流板上设有若干通孔以增加气体的通过性。所述通孔优选添加在扰流板的凸面位置，凸面位置排气阻力大，且凸面侧排气流速高。凸面位置的通孔可以降低排气阻力，减小扰流板自身压力差。
进一步的，所述外壳体后端设有多个传感器，所述传感器处于水平扰流板和/或竖直扰流板后侧，所述传感器连接有控制单元。
进一步的，所述传感器包括近端HCNO浓度传感器、近端NH3浓度传感器、中部HCNO浓度传感器、中部NH3浓度传感器、远端HCNO浓度传感器及远端NH3浓度传感器，其中近端HCNO浓度传感器、近端NH3浓度传感器、中部HCNO浓度传感器、中部NH3浓度传感器、远端HCNO浓度传感器及远端NH3浓度传感器均处同一截面，且近端HCNO浓度传感器、近端NH3浓度传感器靠近外壳体内腔中心，中部HCNO浓度传感器、中部NH3浓度传感器处于外壳体内腔中心与外壳体内壁之间，而远端HCNO浓度传感器及远端NH3浓度传感器靠近外壳体内壁。
进一步的，所述传感器包括三个HCNO浓度传感器与三个NH3浓度传感器，所述HCNO浓度传感器与NH3浓度传感器间隔设置，且三个HCNO浓度传感器与三个NH3浓度传感器处于外壳体内的同一圆形截面内。
一种处理方法，采用柴油机尾气后处理用动态混合器装置，包括下列步骤：
步骤一，尿素喷嘴喷出尿素喷雾后，加热组件对尿素喷雾进行加热至一定温度；
步骤二，柴油机尾气从外壳体前端进入，在四个扰流块作用下使得柴油机尾气更多的集中至四个所述扰流块的曲率焦点处，进行柴油机尾气与尿素喷雾初步混合；
步骤三，加热组件对尿素喷雾进行加热使得尿素喷雾分解为氨气和异氰酸，氨气与柴油机尾气进行混合；
步骤四，混合后的尾气经过水平扰流板与竖直扰流板后再次混合均匀；
步骤五，近端HCNO浓度传感器、近端NH3浓度传感器、中部HCNO浓度传感器、中部NH3浓度传感器、远端HCNO浓度传感器及远端NH3浓度传感器检测不同位置的HCNO、NH3浓度变化；
步骤六，控制单元根据检测到的不同位置的HCNO、NH3浓度变化确定均匀性指数γ，以进行反馈调节水平扰流板、竖直扰流板的偏转角度及加热组件的加热温度。
进一步的，所述步骤六中的均匀性指数γ分为HCNO气体浓度均匀性指数γ1和NH3气体浓度均匀性指数γ2，在均匀性指数中γ1和γ2的加权系数各占50％。计算公式为：
Figure GDA0003039180490000041
Figure GDA0003039180490000042
式中，n为气体浓度传感器的数量；ci为在i位置的气体浓度；
Figure GDA0003039180490000043
为气体在同一平面的平均浓度。
本发明的有益效果是：本发明利用控制单元接受传感器反馈信号实时记录HCNO和NH3浓度分布情况及采集排气背压，实时调整扰流板角度和下端扰流块加热温度以增加混合的均匀性，形成闭环控制，以提高混合气均匀性，以提高氮氧化物转化率，提升尾气净化效果。
附图说明
图1为本发明的三维结构示意图；
图2为本发明的主视图；
图3为本发明的剖视图；
图中：100外壳体，201近端NH3浓度传感器，202近端HCNO浓度传感器，203中部NH3浓度传感器，204远端NH3浓度传感器，205远端HCNO浓度传感器，206中部HCNO浓度传感器，207控制单元，301水平电机，302水平轴，303水平扰流板，304竖直电机，305竖直轴，306竖直扰流板，401扰流块，402加热组件，500尿素喷嘴。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1至图3所示，一种柴油机尾气后处理用动态混合器，包括一外壳体100，所述外壳体前端设有四个扰流块401，其中外壳体中部设有一尿素喷嘴500，所述扰流块的表面呈弧形，且四个所述扰流块的延伸曲面交点于尿素喷嘴正前25-35mm，利用尾气滾流与尿素喷雾更加混合均匀,NOx转化率更理想。其中最优的交点位置取决于尿素孔大小形状、喷射压力、排气流速等因素，因此该交点位置并不固定。
其中位于外壳体下端的扰流块内部设有加热组件402，所述加热组件通过电连接有控制单元207，通过控制单元供电加热加热组件，以提高尾气温度，一方面解决车辆启动时排气温度过低达不到催化反应高效的温度反应窗口，另一方面提高了尾气与尿素喷雾混合温度，有利于尿素水溶液的热解并降低了尿素结晶的风险，此外提高排气温度可以减少排气管内壁面上形成尿素水溶液液膜，减少副反应的发生。
进一步的，所述加热组件可为加热片、加热丝、加热管或加热棒。
其中加热片又可进一步细化为石墨烯发热片、复合纤维发热片、PI聚酰亚胺发热膜或碳纤维加热片。
至少一个实施例中，所述外壳体上设有可调节角度的水平扰流板303与竖直扰流板306，其中水平扰流板与竖直扰流板互相垂直设计，且水平扰流板303与竖直扰流板306均位于尿素喷嘴后端，通过转动水平扰流板与竖直扰流板相对于外壳体的角度可实现催化剂与尾气进一步的充分混合。
方案细化，所述外壳体上转动连接有水平轴302，所述水平轴上安装有水平扰流板，所述水平轴连接有水平电机301；所述外壳体上转动连接有竖直轴305，所述竖直轴上安装有竖直扰流板，所述竖直轴连接有竖直电机304，其中水平电机与竖直电机均通过电线连接有控制单元207。扰流板由电机通过转轴进行调节，由控制单元进行控制。
在某些实施例中，为减少排气背压，所述水平扰流板和/或竖直扰流板上设有若干通孔以增加气体的通过性。
所述通孔优选添加在扰流板的凸面位置，凸面位置排气阻力大，且凸面侧排气流速高。凸面位置的通孔可以降低排气阻力，减小扰流板自身压力差。
至少一个实施例中，所述外壳体后端设有多个传感器，所述传感器处于水平扰流板和/或竖直扰流板后侧，通过传感器来检测尾气中HCNO和NH3浓度的大小后借助控制单元来调节扰流板角度和加热组件的加热温度。所述传感器连接有控制单元。
方案细化，所述传感器包括近端HCNO浓度传感器202、近端NH3浓度传感器201、中部HCNO浓度传感器206、中部NH3浓度传感器203、远端HCNO浓度传感器205及远端NH3浓度传感器204，其中近端HCNO浓度传感器202、近端NH3浓度传感器201、中部HCNO浓度传感器206、中部NH3浓度传感器203、远端HCNO浓度传感器205及远端NH3浓度传感器204均处同一截面，且近端HCNO浓度传感器202、近端NH3浓度传感器201最靠近外壳体内腔中心，中部HCNO浓度传感器206、中部NH3浓度传感器203次之，而远端HCNO浓度传感器205及远端NH3浓度传感器204远离外壳体内腔中心。
这样6个浓度传感器分为远、中、近三组，每组对称设置一个HCNO浓度传感器和一个NH3浓度传感器，以便在引入HCNO和NH3浓度均匀性指数时，HCNO和NH3浓度的取样点最大限度涵盖同一截面，提高精准度。另外六个所述传感器深入外壳体内部的形状依据尾气流场分布呈成流线型尽可能减少传感器本身带来的排气背压的升高。控制单元接受传感器反馈信号实时记录HCNO和NH3浓度分布情况及采集排气背压，实时调整扰流板角度和加热组件的加热温度以增加混合的均匀性，形成闭环控制。
方案细化，所述传感器包括三个HCNO浓度传感器与三个NH3浓度传感器，所述HCNO浓度传感器与NH3浓度传感器间隔设置，且三个HCNO浓度传感器与三个NH3浓度传感器处于外壳体内的同一圆形截面内。
本发明还提供一种处理方法，采用柴油机尾气后处理用动态混合器装置，包括下列步骤：
步骤一，尿素喷嘴喷出尿素喷雾后，加热组件对尿素喷雾进行加热至一定温度；
步骤二，柴油机尾气从外壳体前端进入，在四个扰流块作用下使得柴油机尾气更多的集中至四个所述扰流块的曲率焦点处，进行柴油机尾气与尿素喷雾初步混合；
步骤三，加热组件对尿素喷雾进行加热使得尿素喷雾分解为氨气和异氰酸，氨气与柴油机尾气进行混合；
步骤四，混合后的尾气经过水平扰流板与竖直扰流板后再次混合均匀；
步骤五，近端HCNO浓度传感器、近端NH3浓度传感器、中部HCNO浓度传感器、中部NH3浓度传感器、远端HCNO浓度传感器及远端NH3浓度传感器检测不同位置的HCNO、NH3浓度变化；
步骤六，控制单元根据检测到的不同位置的HCNO、NH3浓度变化确定均匀性指数γ，以进行反馈调节水平扰流板、竖直扰流板的偏转角度及加热组件的加热温度。
方案细化，在所述步骤六中，所述均匀性指数γ分为HCNO气体浓度均匀性指数γ1和NH3气体浓度均匀性指数γ2，在均匀性指数中γ1和γ2的加权系数各占50％，计算公式为：
Figure GDA0003039180490000091
Figure GDA0003039180490000092
式中，n为气体浓度传感器的数量；ci为在i位置的气体浓度；
Figure GDA0003039180490000093
为气体在同一平面的平均浓度。
γ越接近1说明气体浓度分布越均匀。因催化剂入口处还原剂分布不均匀会使得还原剂局部过量或不足，从而导致SCR转化效率降低和氨气的泄漏，长时间氨气的不均匀会导致催化剂老化不均匀，从而影响催化剂的整体性能。
本处理方法利用尿素喷嘴前后两端复合设计工作，后端扰流板是闭环动态控制，引入氨气和异氰酸浓度均匀性评价指标作为重要参考依据，利用均匀性指数γ调整扰流板角度和加热组件温度，使得尿素喷雾与柴油机尾气的混合更加均匀。
除说明书所述的技术特征外，均为本专业技术人员的已知技术。

Claims (10)

1.一种柴油机尾气后处理用动态混合器，其特征在于，包括一外壳体，所述外壳体前端设有四个扰流块，其中外壳体中部设有一尿素喷嘴，位于外壳体下端的扰流块内部设有加热组件，所述加热组件通过电连接有控制单元，所述外壳体上设有可调节角度的水平扰流板与竖直扰流板，其中水平扰流板与竖直扰流板互相垂直设计，且水平扰流板与竖直扰流板均位于尿素喷嘴后端。
2.根据权利要求1所述的柴油机尾气后处理用动态混合器装置，其特征在于，所述扰流块的表面呈弧形，且四个所述扰流块的延伸曲面交点于尿素喷嘴正前25-35mm。
3.根据权利要求1所述的柴油机尾气后处理用动态混合器，其特征在于，所述加热组件为加热片、加热丝、加热管或加热棒中的一种。
4.根据权利要求1或2所述的柴油机尾气后处理用动态混合器，其特征在于，所述外壳体上转动连接有水平轴，所述水平轴上安装有水平扰流板，所述水平轴连接有水平电机；所述外壳体上转动连接有竖直轴，所述竖直轴上安装有竖直扰流板，所述竖直轴连接有竖直电机，其中水平电机与竖直电机均通过电线连接有控制单元。
5.根据权利要求1所述的柴油机尾气后处理用动态混合器，其特征在于，所述水平扰流板和/或竖直扰流板上设有若干通孔。
6.根据权利要求1所述的柴油机尾气后处理用动态混合器，其特征在于，所述外壳体后端设有多个传感器，所述传感器处于水平扰流板和竖直扰流板后侧，所述传感器连接有控制单元。
7.根据权利要求6所述的柴油机尾气后处理用动态混合器，其特征在于，所述传感器包括近端HCNO浓度传感器、近端NH3浓度传感器、中部HCNO浓度传感器、中部NH3浓度传感器、远端HCNO浓度传感器及远端NH3浓度传感器，其中近端HCNO浓度传感器、近端NH3浓度传感器、中部HCNO浓度传感器、中部NH3浓度传感器、远端HCNO浓度传感器及远端NH3浓度传感器均处同一截面，且近端HCNO浓度传感器、近端NH3浓度传感器靠近外壳体内腔中心，中部HCNO浓度传感器、中部NH3浓度传感器处于外壳体内腔中心与外壳体内壁之间，而远端HCNO浓度传感器及远端NH3浓度传感器靠近外壳体内壁。
8.根据权利要求6所述的柴油机尾气后处理用动态混合器，其特征在于，所述传感器包括三个HCNO浓度传感器与三个NH3浓度传感器，所述HCNO浓度传感器与NH3浓度传感器间隔设置，且三个HCNO浓度传感器与三个NH3浓度传感器处于外壳体内的同一圆形截面内。
9.一种处理方法，采用如权利要求7所述的柴油机尾气后处理用动态混合器，包括下列步骤：
步骤一，尿素喷嘴喷出尿素喷雾后，加热组件对尿素喷雾进行加热至一定温度；
步骤二，柴油机尾气从外壳体前端进入，在四个扰流块作用下使得柴油机尾气更多的集中至四个所述扰流块的曲率焦点处，进行柴油机尾气与尿素喷雾初步混合；
步骤三，加热组件对尿素喷雾进行加热使得尿素喷雾分解为氨气和异氰酸，氨气与柴油机尾气进行混合；
步骤四，混合后的尾气经过水平扰流板与竖直扰流板后再次混合均匀；
步骤五，近端HCNO浓度传感器、近端NH3浓度传感器、中部HCNO浓度传感器、中部NH3浓度传感器、远端HCNO浓度传感器及远端NH3浓度传感器检测不同位置的HCNO、NH3浓度变化；
步骤六，控制单元根据检测到的不同位置的HCNO、NH3浓度变化确定均匀性指数γ，以进行反馈调节水平扰流板、竖直扰流板的偏转角度及加热组件的加热温度。
10.根据权利要求9所述的处理方法，其特征在于，所述步骤六中的均匀性指数γ分为HCNO气体浓度均匀性指数γ1和NH3气体浓度均匀性指数γ2，在均匀性指数中γ1和γ2的加权系数各占50％，计算公式为：
Figure FDA0003039180480000031
Figure FDA0003039180480000032
式中，n为气体浓度传感器的数量；ci为在i位置的气体浓度；
Figure FDA0003039180480000033
为气体在同一平面的平均浓度。
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