CN114412615A - 一种箱式后处理混合器及应用其的发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及汽车发动机技术领域，公开的一种箱式后处理混合器及应用其的发动机，箱式后处理混合器包括外层管、设置于所述外层管内部的混合孔管以及沿气流方向设置于所述混合孔管前端和后端的多组旋流结构，各组所述旋流结构分别包括相互独立的多个旋流扇叶，且各所述旋流扇叶在转动中心相互分隔。本发明将传统后处理混合器的一体式旋流风扇，改进为分体式的旋流扇叶，通过将各旋流扇叶中心处形成分隔，减少在旋流扇叶中心处的尿素结晶，提高混合器内NH3在混合气体中的浓度均匀性，从而满足国VI箱式后处理两路SCR的NH3分配均匀，提升箱式后处理排放一致性。

Description

一种箱式后处理混合器及应用其的发动机

技术领域

本发明涉及汽车发动机技术领域，具体涉及一种箱式后处理混合器及应用其的发动机。

背景技术

降低柴油车NOx排量主要措施包括两大技术路线：1)废气再循环(EGR)技术：废气再循环可降低发动机最高燃烧温度，从而减少NOx排放，但高EGR率削弱发动机输出动力，影响燃烧效率；2)选择性催化还原(SCR)技术。SCR系统主要由催化剂、尿素供给系统(UreaDosingSystem，简称UDS)、控制系统(ECU、传感器、线束等)以及相应的连接管路组成。SCR系统基本工作原理：排气从增压器涡轮流出后进入排气管中，同时由安装在排气管上的尿素喷射单元将定量的尿素水溶液以雾状形态喷入排气管中，尿素液滴在高温废气作用下发生水解和热解反应，生成所需要的还原剂氨气(NH3)，氨气(NH3)在催化剂的作用下将氮氧化物(NOx)有选择性地还原为氮气(N2)。得益于SCR系统具备高NOx转化率、宽广的温度窗口、抗硫中毒和良好热稳定性等优点。

SCR后处理混合器是设置在排气管与SCR载体之间装置，主要用于改善尿素喷雾与废气之间混合均匀性，提高NOx转化效率。现有技术中的SCR进气混合结构由旋流管、扇叶混合器、外层管组成；尿素和废气先经旋流管混合后，再经扇叶混合器混合。扇叶混合器的每两个叶片在中心连成一个整体，中心部位易形成结晶。

因此，如何避免SCR箱式后处理混合器扇叶中心处易结晶的问题，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决现有技术中的一个或多个技术问题，或至少提供一种有益的选择，本发明提供一种箱式后处理混合器，以降低扇叶中心的结晶率。此外，本发明还提供了一种具有上述箱式后处理混合器的发动机。

本发明公开的一种箱式后处理混合器，包括外层管、设置于所述外层管内部的混合孔管以及沿气流方向设置于所述混合孔管前端和后端的多组旋流结构，各组所述旋流结构分别包括相互独立的多个旋流扇叶，且各所述旋流扇叶在转动中心相互分隔。

作为一种箱式后处理混合器的优选技术方案，各所述旋流结构均为轴向旋流结构。

作为一种箱式后处理混合器的优选技术方案，所述旋流结构包括设置于所述混合孔管前端的一组旋流扇叶和设置于所述混合孔管后端的一组旋流扇叶，两组旋流扇叶分别设置于所述外层管的进气端和出气端。

作为一种箱式后处理混合器的优选技术方案，两组所述旋流扇叶朝向所述混合孔管分别设有平行于气流流向的导流板，所述导流板上均匀布置导流孔，多个所述导流孔垂直于气流的流向设置。

作为一种箱式后处理混合器的优选技术方案，各所述旋流扇叶的外沿设置第一连接部，各所述旋流扇叶分别通过所述第一连接部固定于所述外层管的内壁。

作为一种箱式后处理混合器的优选技术方案，各所述旋流扇叶的外沿设置第一连接部，各所述旋流扇叶的所述第一连接部连接为固定环，所述旋流结构通过所述固定环固定于所述外层管的内壁。

作为一种箱式后处理混合器的优选技术方案，各所述旋流扇叶为S形缓流扇叶。

作为一种箱式后处理混合器的优选技术方案，所述混合孔管与所述外层管之间设有过气腔，所述混合孔管两端分别设有连接所述外层管内壁的第二连接部，所述第二连接部设有进气口。

作为一种箱式后处理混合器的优选技术方案，所述混合孔管周向侧壁设有多排过气孔，相邻的各排所述过气孔错位设置。

本发明还公开一种发动机，应用如前所述的一种箱式后处理混合器。

本发明公开的一种箱式后处理混合器及应用其的发动机，由于采用上述技术方案，具有如下有益效果：

(1)由于旋流扇叶在转动过程中，中心处的离心力最低，为最易结晶的部位，而旋流扇叶的边缘处则本就处于分离状态，因此本发明将传统后处理混合器的一体式旋流风扇，改进为分体式的旋流扇叶，通过将各旋流扇叶中心处形成分隔，减少在旋流扇叶中心处的尿素结晶，提高混合器内NH3在混合气体中的浓度均匀性，从而满足国VI箱式后处理两路SCR的NH3分配均匀，提升箱式后处理排放一致性。

(2)传统SCR混合器仅在进气端设置一组旋流结构，无法保证排气尾气与尿素喷雾的混合效果，本发明则在混合孔管的前端和后端设置多组旋流结构，各组旋流结构还包括多个旋流扇叶，旋流扇叶因发动机排气尾气的冲击而形成强烈的旋转扰动，在混合孔管的前端完成至少一次激烈混合后，在混合孔管的后端还能完成至少一次激烈混合，可明显提高混合均匀性，保证气流速度，避免尿素结晶。

(3)两组旋流扇叶在满足前端后端扰流的同时，还能够降低外层管内部的结构复杂度，即排气尾气和尿素喷雾进入外层管内腔时，不易在复杂结构的拐角处形成结晶，长期使用仍能够保证气流速度和混合效率。

(4)本发明还将两组旋流扇叶分别设置在了外层管的进气端和出气端，充分利用外层管内部的体积空间，形成较大的混合腔室，提高排气尾气和尿素喷雾的混合效率。

(5)现有技术中的普通涡流扇叶结构，易将气流引导至外层管内壁，从而尿素喷雾易在外层管内壁产生结晶，仍混导致混合不均匀、结晶堵塞混合通道的问题。本发明将旋流结构优化为轴向旋流结构后，能够引导尿素喷雾以轴向的方向流动，减少打在外层管内壁的情况，引导气流不碰壁，从而降低在外层管内壁产生尿素结晶的概率，有效防止NH3浓度不一致，保证箱式后处理的排放一致性。

(6)本申请中的两组旋流扇叶朝向混合孔管分别设有平行于气流流向的导流板，导流板用于将激烈旋转的气流导向为轴向气流，以提高排气效率，减少尿素结晶。通过在导流板上均匀布置导流孔，多个导流孔垂直于气流的流向设置，在气流流动过程中，可提高排气尾气和尿素喷雾的混合效果。

(7)混合孔管可利用自身侧壁的多个过气孔来提高排气尾气和尿素喷雾的混合均匀性。第二连接部形成的进气口可增大混合孔管的进气量，从而能够提高排气尾气和尿素喷雾的混合效率，减少尿素结晶。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，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为本发明一实施例中一种箱式后处理混合器的剖面示意图。

图2为本发明一实施例中一种箱式后处理混合器的俯视图。

图3为本发明一实施例中混合孔管的结构示意图。

图4为本发明一实施例中旋流扇叶的结构示意图。

图5为本发明另一实施例中旋流扇叶的结构示意图。

附图标记说明：

10-外层管，20-混合孔管，21-第二连接部，22-进气口，23-过气孔，30-旋流扇叶，31-导流板，32-导流孔，33-第一连接部。

具体实施方式

为了更清楚的阐释本发明的整体构思，下面再结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。

需说明，在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

另外，在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。但注明直接连接则说明连接的两个主体之间并不通过过渡结构构建连接关系，只通过连接结构相连形成一个整体。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

现有技术中的箱式后处理混合器采用的旋流扇叶为连接为一体式，因此尤其在叶片中心处离心力最低，尿素喷雾易在中心处产生结晶，长期工作过程中，会影响尾气处理效率。考虑到上述技术问题，本申请提出一种箱式后处理混合器，以减少扇叶中心处的结晶。

具体采取的方案是：

实施例一

如图1、图2所示，本实施例公开的一种箱式后处理混合器，包括外层管10、设置于外层管10内部的混合孔管20以及沿气流方向设置于混合孔管20前端和后端的多组旋流结构，各组旋流结构分别包括相互独立的多个旋流扇叶30，且各旋流扇叶30在转动中心相互分隔。由于旋流扇叶30在转动过程中，中心处的离心力最低，为最易结晶的部位，而旋流扇叶30的边缘处则本就处于分离状态，因此本实施例将传统后处理混合器的一体式旋流风扇，改进为分体式的旋流扇叶30，通过将各旋流扇叶30中心处形成分隔，减少在旋流扇叶30中心处的尿素结晶，提高混合器内NH3在混合气体中的浓度均匀性，从而满足国VI箱式后处理两路SCR的NH3分配均匀，提升箱式后处理排放一致性。

其中，外层管10为上下直径一致的直筒管，排气尾气从一端进入，并一端排出，外层管10内部形成用于排气尾气与尿素喷雾混合的直筒状腔室。混合孔管20也为上下直径一致且直径小于外层管10的直筒管，混合孔管20与外层管10呈同心结构，混合孔管20除了与外层管10上下开口也设置分别对应开口外，混合孔管20的管壁也设置过气孔23，过气孔23分别连通混合孔管20内腔和外层管10内腔，过气孔23可以起到提高气流混合效果的技术效果。传统SCR混合器仅在进气端设置一组旋流结构，无法保证排气尾气与尿素喷雾的混合效果，本实施例则在混合孔管20的前端和后端设置多组旋流结构，各组旋流结构还包括多个旋流扇叶30，旋流扇叶30因发动机排气尾气的冲击而形成强烈的旋转扰动，在混合孔管20的前端完成至少一次激烈混合后，在混合孔管20的后端还能完成至少一次激烈混合，可明显提高混合均匀性，保证气流速度，避免尿素结晶。

进一步的，在一个实施例中，如图1、图2所示，旋流结构包括设置于混合孔管20前端的一组旋流扇叶30和设置于混合孔管20后端的一组旋流扇叶30，两组旋流扇叶30分别设置于外层管10的进气端和出气端。两组旋流扇叶30可降低整个后处理混合器的结构复杂程度，相应的节省了制作工时和物料成本，能够起到节约成本的效果，其次，两组旋流扇叶30也能够降低后处理混合器的重量，降低汽车负载，尤为重要的是，两组旋流扇叶30在满足前端后端扰流的同时，还能够降低外层管10内部的结构复杂度，即排气尾气和尿素喷雾进入外层管10内腔时，不易在复杂结构的拐角处形成结晶，长期使用仍能够保证气流速度和混合效率。本实施例还将两组旋流扇叶30分别设置在了外层管10的进气端和出气端，充分利用外层管10内部的体积空间，形成较大的混合腔室，提高排气尾气和尿素喷雾的混合效率。

实施例二

本实施例与实施例一的技术方案基本一致，区别仅在于，本实施例中，各旋流结构均为轴向旋流结构。本申请对于旋流结构的具体结构方式不做限定，在一个实施例中，旋流结构为轴流风扇，通过轴流风扇形成前述轴向旋流结构，排气尾气和尿素喷雾的混合气流经轴流风扇的引导后，沿着外层管10的轴向流动。而现有技术中的普通涡流扇叶结构，易将气流引导至外层管10内壁，从而尿素喷雾易在外层管10内壁产生结晶，仍混导致混合不均匀、结晶堵塞混合通道的问题。本实施例将旋流结构优化为轴向旋流结构后，能够引导尿素喷雾以轴向的方向流动，减少打在外层管10内壁的情况，引导气流不碰壁，从而降低在外层管10内壁产生尿素结晶的概率，有效防止NH3浓度不一致，保证箱式后处理的排放一致性。

本实施例可结合前述实施例一。在实施例一中，通过将旋流扇叶30设置为分体式的结构，可降低在旋流扇叶30自身的结晶现象，本实施例中，通过将旋流结构设置为轴向旋流结构则能够降低在外层管10内壁的结晶现象。本实施例与实施例一结合，可显著降低在整个后处理混合器内部的结晶问题。

进一步的，在一个实施例中，各旋流扇叶30为S形缓流扇叶。旋流扇叶30挖眼呈缓S形状设计，可以提高对气流的引导作用，有利于引导气流不与外层管10内壁触碰。

为了进一步的提高对气流的引导作用，在一个实施例中，如图1、图2所示，两组旋流扇叶30朝向混合孔管20分别设有平行于气流流向的导流板31，本实施例中气流流向为轴流方向，导流板31用于将激烈旋转的气流导向为轴向气流，以提高排气效率。优选的，在每个旋流扇叶30上都设置导流板31，以保证导流效率。导流板31的长度与每个旋流扇叶30的径向长度相同，可避免气流从未设置导流板31的部位流出，影响实际的导流效果。导流板31上均匀布置导流孔32，多个导流孔32垂直于气流的流向设置，在气流流动过程中，导流孔32可提高排气尾气和尿素喷雾的混合效果。本领域技术人员可以理解的是，本申请未对导流孔32的设置位置作出限定，在一些实施例中，可通过沿轴向延长导流板31，以设置多排导流孔32，从而进一步的提高排气尾气和尿素喷雾的混合效果。更进一步的，还可通过不同大小的导流孔32、不同形状导流孔32的配合，来提高混合效果。

本申请对旋流扇叶30如何固定于外层管10内部不做具体限定，其可以采用但不限于下述实施方式中的任意一种：

实施方式一

本实施方式中，如图4所示，各旋流扇叶30的外沿设置第一连接部33，各旋流扇叶30分别通过第一连接部33固定于外层管10的内壁。由于各旋流扇叶30为独立设置，因此需要分别将各旋流扇叶30固定在外层管10内壁。本实施方式中，每个旋流扇叶30的外沿均设置一个第一连接部33，第一连接部33与旋流扇叶30一体成型，第一连接部33弯折成与旋流扇叶30外弧面重叠，从而便于将每个旋流扇叶30焊接在外层管10内壁。

优选的，第一连接部33可由前述实施例中的导流板31延伸形成。导流板31径向向外延伸形成第一连接部33，第一连接部33弯折以与外层管10内壁焊接。

实施方式二

本实施方式中，如图5所示，各旋流扇叶30的外沿设置第一连接部33，各旋流扇叶30的第一连接部33连接为固定环，旋流结构通过固定环固定于外层管10的内壁。上述实施方式中，由于各旋流扇叶30为独立设置，因此需要分别将各旋流扇叶30固定在外层管10的内壁，其装配工艺较为复杂，因此本实施方式中，优化了各旋流扇叶30固定于外层管10内壁的方式，具体为，将各旋流扇叶30的外沿形成的第一连接部33连接为一个固定环，从结构而言，第一连接部33的弧长相对于上述实施例更长，以此多个第一连接部33形成连接为一体的固定环；从功能而言，多个第一连接部33形成的固定环可更利于装配，装配过程中可首先将多个旋流扇叶30连接为一组旋流结构，然后将整组旋流结构一同固定于外层管10，简化了装配工艺。

实施例三

本实施例中，如图1、图3所示，混合孔管20与外层管10之间设有过气腔，混合孔管20两端分别设有连接外层管10内壁的第二连接部21，第二连接部21设有进气口22。由于外层管10的管径大于混合孔管20的管径，因此会在混合孔管20和外层管10之间形成一个作为过气腔的腔室，该腔室用于与混合孔管20内部交换气流，混合孔管20可利用自身侧壁的多个过气孔23来提高排气尾气和尿素喷雾的混合均匀性。第二连接部21用于连接外层管10内壁，以将混合孔管20固定在外层管10内部，第二连接部21优选为从混合孔管20边缘延伸而出的片状连接结构，在一个实施方式中，多个第二连接部21之间的间隙形成进气口22，在另一个实施方式中，第二连接部21表面设置通孔以形成进气口22。进气口22可增大混合孔管20的进气量，从而能够提高排气尾气和尿素喷雾的混合效率，减少尿素结晶。

为了进一步的提高排气尾气和尿素喷雾的混合效率，混合孔管20周向侧壁设有多排过气孔23，相邻的各排过气孔23错位设置。相邻的各排过气孔23错位可以使混合气流经过多次折返，从而提高排气尾气和尿素喷雾的混合均匀性。

本领域技术人员可以理解的是，虽然本实施例限定的是相邻的各排过气孔23错位设置，但是在实际应用中，也可以为相邻的多排过气孔23错位设置。如相邻的每两排过气孔23错位设置，相邻的每三排过气孔23错位设置等。此外，还可通过不同大小的导流孔32、不同形状导流孔32的配合，来提高混合效果。如在图示的实施例中，共设置五排过气孔23，相邻的每排过气孔23均错位设置，同时上下四排过气孔23对称设置，中间一排过气孔23的长度长于其他排过气孔23的长度。通过上述结构能够增强排气过程中的扰流效果，进而提高排气尾气和尿素喷雾的混合均匀性。

本申请公开的SCR后处理混合器各组件之间通过焊接形式连接，包括外层管10、混合孔管20、旋流扇叶30等，以保证足够的机械强度。当发动机尾气流入旋流结构中时，多个旋流结构的旋流扇叶30形成强烈的旋转扰动，与喷入旋流结构的尿素喷雾发生激烈混合，同时位于下端的旋流结构通过混合孔管20的气流进行二次旋流，再次提高混合均匀性，保证气流速度，避免尿素结晶。上下旋流结构的旋流扇叶30大小一致，冲孔后，通过冲压成型。混合孔管20通过在板材上冲孔后卷圆，切割焊接后再次膨胀成型。

本发明还公开一种发动机，包括一种箱式后处理混合器，箱式后处理混合器为如前所述的一种箱式后处理混合器，因此，包括前述任一项实施例的发动机也具有上述所有技术效果，在此不再赘述。

本领域技术人员可以理解的是，本发明还能够将上述实施例所公开的发动机应用在汽车上，即一种汽车，包括上述实施例公开的发动机，该汽车也具有上述所有技术效果。

本发明所保护的技术方案，并不局限于上述实施例，应当指出，任意一个实施例的技术方案与其他一个或多个实施例中技术方案的结合，在本发明的保护范围内。虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种箱式后处理混合器，其特征在于，包括外层管、设置于所述外层管内部的混合孔管以及沿气流方向设置于所述混合孔管前端和后端的多组旋流结构，各组所述旋流结构分别包括相互独立的多个旋流扇叶，且各所述旋流扇叶在转动中心相互分隔。

2.根据权利要求1所述的一种箱式后处理混合器，其特征在于，各所述旋流结构均为轴向旋流结构。

3.根据权利要求1所述的一种箱式后处理混合器，其特征在于，所述旋流结构包括设置于所述混合孔管前端的一组旋流扇叶和设置于所述混合孔管后端的一组旋流扇叶，两组旋流扇叶分别设置于所述外层管的进气端和出气端。

4.根据权利要求3所述的一种箱式后处理混合器，其特征在于，两组所述旋流扇叶朝向所述混合孔管分别设有平行于气流流向的导流板，所述导流板上均匀布置导流孔，多个所述导流孔垂直于气流的流向设置。

5.根据权利要求1所述的一种箱式后处理混合器，其特征在于，各所述旋流扇叶的外沿设置第一连接部，各所述旋流扇叶分别通过所述第一连接部固定于所述外层管的内壁。

6.根据权利要求1所述的一种箱式后处理混合器，其特征在于，各所述旋流扇叶的外沿设置第一连接部，各所述旋流扇叶的所述第一连接部连接为固定环，所述旋流结构通过所述固定环固定于所述外层管的内壁。

7.根据权利要求1所述的一种箱式后处理混合器，其特征在于，各所述旋流扇叶为S形缓流扇叶。

8.根据权利要求1所述的一种箱式后处理混合器，其特征在于，所述混合孔管与所述外层管之间设有过气腔，所述混合孔管两端分别设有连接所述外层管内壁的第二连接部，所述第二连接部设有进气口。

9.根据权利要求1所述的一种箱式后处理混合器，其特征在于，所述混合孔管周向侧壁设有多排过气孔，相邻的各排所述过气孔错位设置。

10.一种发动机，其特征在于，应用如权利要求1-9任一项所述的一种箱式后处理混合器。

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