CN114412616B - 一种超紧凑后处理系统、增压器组件及发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及汽车发动机技术领域，公开了一种超紧凑后处理系统、增压器组件及发动机，超紧凑后处理系统包括设有进气接头以连接增压器本体的混合器，连接于进气接头的尿素喷嘴，套设于部分混合器外周的壳体，设置于壳体内的催化盘，壳体设有出气口，催化盘设置于混合器和壳体内壁之间，并套设于混合器外周，催化盘将壳体内腔分隔为混合腔和回气腔，壳体的出气口设置于回气腔，混合器的出气端设有混合段，且混合段设置于混合腔。本发明充分利用尾气温度，提高后处理系统转换效率。混合段设置位于催化盘后端的混合腔，可延长混合路径，保证充分混合，提升了尿素均匀性，并能够因形成对催化盘的预热管路，实现转换效率的提升。

Description

一种超紧凑后处理系统、增压器组件及发动机

技术领域

本发明涉及汽车发动机技术领域，具体涉及一种超紧凑后处理系统、增压器组件及发动机。

背景技术

后处理系统指能够将柴油机尾气中的污染物处理成二氧化碳、氮气和水等的催化转化器，由催化剂、喷射系统、混合器及封装结构等组成。

随着排放法规不断升级，对柴油机后处理系统的要求越来越高，随之带来的技术挑战越来越大，后处理系统升级及发动机端对排放控制需进一步技术升级，以应对未来国七排放法规要求。

现有后处理系统一般布置在整车车架上，即排气从发动机端涡轮增压器出来，通过较长的排气管道(约2-3米)，才能进入后处理催化器，受到排气管道的长度影响，排气管道外露会对排气形成散热效果，有20-60℃温降，因此影响后处理催化剂的转换效率。

因此，如何避免或降低因排气管路的温降对催化剂的转换效率产生的影响，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，本发明提供一种超紧凑后处理系统，能提前布置，避免排气管路带来的温降，从而最大限度的提升后处理催化剂的转换效率。此外，本发明还公开了一种应用该超紧凑后处理系统的增压器组件。此外，本发明还公开了一种应用该增压器组件的发动机。

本发明公开的一种超紧凑后处理系统，包括

设有进气接头以连接增压器本体的混合器；

连接于所述进气接头的尿素喷嘴；

套设于部分所述混合器外周的壳体，所述壳体设有出气口；

设置于所述壳体内的催化盘，所述催化盘设置于所述混合器和所述壳体内壁之间，并套设于所述混合器外周，所述催化盘将所述壳体内腔分隔为混合腔和回气腔；

所述壳体的出气口设置于所述回气腔，所述混合器的出气端设有混合段，且所述混合段设置于所述混合腔。

作为一种超紧凑后处理系统的优选技术方案，所述混合器外周与所述壳体内壁之间形成回气通道，所述出气口靠近所述回气通道末端设置。

作为一种超紧凑后处理系统的优选技术方案，所述壳体朝向所述混合器出气端设置弧面底碗结构，以引导气流折返至所述回气通道。

作为一种超紧凑后处理系统的优选技术方案，所述催化盘设置于靠近所述混合器进气接头的一端。

作为一种超紧凑后处理系统的优选技术方案，所述催化盘分别与所述壳体内壁、混合器外壁密封连接。

作为一种超紧凑后处理系统的优选技术方案，所述催化盘为金属环形载体或者环形陶瓷堇青石载体，载体涂覆有铜基分子筛SCR催化剂或钒基SCR催化剂涂层。

作为一种超紧凑后处理系统的优选技术方案，所述混合器包括主管体和多孔板，所述多孔板垂直于所述主管体的内壁设置。

作为一种超紧凑后处理系统的优选技术方案，所述多孔板靠近进气接头设置。

本发明还公开一种增压器组件，所述增压器组件包括增压器本体和如前所述的一种超紧凑后处理系统，所述增压器本体设置增压出口，所述增压出口与超紧凑后处理系统的进气接头连接。

本发明还公开一种发动机，包括如前所述的一种增压器组件。

由于采用了上述技术方案，本发明公开的一种超紧凑后处理系统及应用的增压器组件，具有如下有益效果：

(1)本发明提出了一种新型的超紧凑的后处理系统，能够与增压器本体集成，由于省略了排气管道，排气温度不会再从排气管道上散失，充分降低了尾气温度损失，充分利用尾气温度，为后续催化剂的使用提供良好的反应条件，提高后处理系统转换效率。

(2)本发明通过催化盘将壳体内腔分隔为混合腔和回气腔，尾气排气至混合腔能够保证与尿素喷雾的充分反应，再由混合腔经过催化盘进入回气腔，在经过催化盘时将尾气中的CO和NOx转化为转化CO2、N2和H2O，完成尾气的后处理。催化盘采用环形结构，套在混合器的外侧，充分利用空间，混合器中的尾气温度可对套设在其外周的催化盘起到持续的加温作用，可明显解决温降导致的催化反应转换效率低的问题。此外，由于混合腔和回气腔还在外部包裹混合器，也都能起到保温的作用，降低尾气排气过程中的热量损失，保证催化过程温度的稳定性，从而提高后处理系统的转换效率。

(3)本发明将尾气排气的流向进行了优化，相较于传统的线性排放方式，本发明采用折返式的排放方式，降低了整个后处理系统的长度，实现高度集成化，散热面积相对较低，热量流失较少，可起到加速催化的效果。

(4)本发明中的混合器包括设置在出气端的混合段，混合段设置位于催化盘后端的混合腔，可延长混合路径，保证充分混合，提升了尿素均匀性，并能够因形成对催化盘的预热管路，减小温降，实现转换效率的提升。

(5)本发明提出了一种紧耦合用后处理混合器，充分利用空间，提升尿素混合均匀性。该混合器由多孔板、一定长度的主管体和混合段组成，最大限度延长了尿素与尾气的混合距离。其中，多孔板上为一定数量一定直径大小的孔，以提高混合效率，保证充分混合，减少结晶风险。

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超紧凑后处理系统的结构示意图。

图2为本发明一实施例中一种增压器组件的结构示意图。

附图标记说明：

100-后处理系统，110-混合器，111-旋流片，112-主管体，113-多孔板，120-尿素喷嘴，130-壳体，131-出气口，140-催化盘，150-混合腔，160-回气腔，200-增压器本体。

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。

具体采取的方案是：

参见图1、图2，本发明公开的一种超紧凑后处理系统100，包括混合器110、尿素喷嘴120、壳体130和催化盘140。其中，尿素喷嘴120用于连接外部尿素喷射系统，尿素喷射系统用于提供尿素源，应用于选择性催化还原技术中。选择性催化还原系统的主要零件有尿素泵、尿素喷嘴120、还原催化器、氮氧化物传感器、温度传感器、尿素线和尿素罐等。它的基本工作原理是：柴油发动机根据发动机的工况和其它相关条件给尿素泵发出喷射尿素指令，尿素泵将尿素溶液从尿素罐里抽出并经过喷嘴喷到排气管里，尿素溶液在排气管里转化成氨，将氮氧化物变成氮气和水。尿素液滴通过尿素喷嘴120均匀喷洒，可与尾气废气充分混合。

混合器110是对尿素喷嘴120喷射出的尿素水溶液进行雾化分解及与柴油机排气进行混合的部件。混合器110具有进气端和出气端，进气端设有进气接头，进气接头用于连接增压器本体200，由增压器本体200排出的尾气废气从进气接头进入混合器110，并与尿素喷雾实现混合接触。

壳体130套设于部分混合器110的外周，且壳体130设有出气口131。具体而言，壳体130套设在混合器110与进气端相对的出气端，且仅靠近进气端的部分处于外露状态，外露的部分至少包括进气接头，以便于增压器进行连接。混合器110其余部分则伸入壳体130中形成混合路径。

催化盘140设置于壳体130内，催化盘140设置于混合器110和壳体130内壁之间，并套设于混合器110外周，催化盘140将壳体130内腔分隔为混合腔150和回气腔160。排气尾气与尿素喷雾混合后，从混合腔150进入催化盘140，经过催化盘140催化，加速将废气(尤其是二氧化硫及其他有害气体)还原，并折返进入回气腔160。

壳体130的出气口131设置于回气腔160，进入回气腔160的气体从出气口131排出。

本实施例中，混合器110的出气端设有混合段，且混合段设置于混合腔150。

现有技术中的后处理系统100，布置在整车车架上，排气尾气从发动机端涡轮增压器出来，通过较长的排气管道，才能进入后处理系统100进行混合催化，在排气管道阶段因管道外露产生20℃到60℃的温降，后处理催化过程中也会因温度降低幅度过大而影响催化剂的转换效率。本实施例公开的一种新型的超紧凑的后处理系统100，能够与增压器本体200集成，由于省略了排气管道，排气温度不会再从排气管道上散失，充分降低了尾气温度损失，从而充分利用尾气温度，为后续催化剂的使用提供良好的反应条件，提高后处理系统100转换效率。本实施例还利用催化盘140将壳体130内腔分隔为混合腔150和回气腔160，尾气排气至混合腔150能够保证与尿素喷雾的充分反应，再由混合腔150经过催化盘140进入回气腔160，在经过催化盘140时将尾气中的CO和NOx转化为转化CO2、N2和H2O，完成尾气的后处理。

催化盘140采用环形结构，套在混合器110的外侧，充分利用空间，混合器110中的尾气温度可对套设在其外周的催化盘140起到持续的加温作用，可明显解决温降导致的催化反应转换效率低的问题。尿素喷雾与排气尾气的混合过程中，也能够由于缩短了整个后处理系统100的长度，同样起到减少温度损失的作用，尿素喷雾在相对高的温度下不易产生结晶，更利于提高整个后处理系统100的使用寿命。

此外，由于混合腔150和回气腔160还在外部包裹混合器110，也都能起到保温的作用，降低尾气排气过程中的热量损失，保证催化过程温度的稳定性，从而提高后处理系统100的转换效率。进一步的，本实施例将尾气排气的流向进行了优化，相较于传统的线性排放方式，本实施例采用折返式的排放方式，降低了整个后处理系统100的长度，实现高度集成化，散热面积相对较低，热量流失较少，可起到加速催化的效果。

尤为重要的是，由于本实施例的混合段设置位于催化盘140后端的混合腔150，可延长混合路径，保证尿素喷雾和排气尾气充分混合，提升了尿素均匀性，相较于直接混合催化的方式，催化盘140设置在混合腔150的前端，可避免未充分混合的尿素喷雾和排气尾气直接由于惯性的关系直接进入催化盘140，不利于反应的充分实施，也就是说，催化盘140位于混合腔150的前端，仅当尿素喷雾和排气尾气充分混合后才会折返回催化盘140，混合效率更高，并能够因形成对催化盘140的预热管路，减小温降，实现转换效率的提升。而且催化盘140位于混合器110的中段部分，空间较小，未经混合段紊流的尿素喷雾和排气尾气混合气体热量损失小，利于对催化盘140进行预热，保证催化效率。

本申请对尿素喷头的具体形态和设置位置不做限定，在一个实施例中，参见图1，尿素喷嘴120垂直于混合器110的进气接头设置，并从外部沿径向伸入混合器110的进气接头，在排气尾气通过增压器本体200的出口进入混合器110时，气压相对较大，可提高与尿素喷雾的混合效果。

本申请对混合器110的结构形态不做限定，在一个实施例中，参见图1，混合器110为进气端和出气端口径相同的直筒结构，便于装配，且利于控制体积，使整机形态更加紧凑。

参见图1，为了提高催化盘140的转换效率，混合器110外周与壳体130内壁之间形成回气通道，出气口131靠近回气通道末端设置。回气通道末端靠近混合器110的进气接头，从而回气通道可将混合器110的大部分的管路都包覆在内，混合器110仅进气接头部分处于独立的外露状态，从而使得混合器110的温度损失降到最低，而且由于回气通道内排气尾气和尿素喷雾的混合气体也具有一定的温度，可对后续从进气接头进入的排气尾气起到保温的作用，进一步降低温度损失，为后续排气尾气和尿素喷雾的充分混合以及催化剂的使用提供良好的反应条件，提高后处理系统100转换效率。

为了进一步实现后处理混合器110的紧凑性，在一个实施例中，参见图1，回气通道平行于混合器110的气道方向。

本申请对混合段的结构不做具体限定，其可以采用但不限于下述具体实施方式中的任一种：

实施方式一

参见图1，混合段包括混合管和设置于混合管周向的旋流孔，各旋流孔上设置具有一定开合角度的旋流片111，旋流片111均布于旋流管的周向，旋流片111用于形成强烈的旋转气流。混合管的轴端为开口状态，从而与周向开口的旋流孔配合，气流分为两部分，一部分从周向的旋流孔流出，一部分从轴向的开口流出，两部分气流利于形成紊流，提高尿素喷雾和排气尾气的混合效率。

实施方式二

在一种未图示的实施例中，混合段包括混合管和设置于混合管内部的多个轴流扇叶，混合管的轴端为开口状态，利用轴流扇叶引导尿素喷雾和排气尾气的混合气流流向，从而提高尿素喷雾和排气尾气的混合效率。

进一步的，为了提高催化效率，加速排气尾气和尿素喷雾的折返速率，壳体130朝向混合器110出气端设置弧面底碗结构，以引导气流折返至回气通道。具体的，壳体130的弧面底碗呈半圆形，尿素喷雾和排气尾气的混合气流从混合器110的轴端开口流出后，冲向弧面底碗，利用弧面底碗的弧面可形成对气流的反向引导，将气流折返并引导至催化盘140，提高折返效率，利于气流快速排出。结合前述实施例，折返的气流可在旋流孔处径向流出的气流形成紊流，从而提高尿素喷雾和排气尾气的混合效果。

在一个实施例中，参见图1，催化盘140设置于靠近混合器110进气接头的一端。考虑到排气尾气仍会随着气道长度的变化而产生热量散失的问题，将催化盘140设置在靠近混合器110进气接头的一端可使催化反应在热量散失最小的位置，当排气尾气和尿素喷雾从进气接头进入混合器110时，即可对催化盘140起到加热的作用，而如果将催化盘140设置的相对靠后，热量仍会损失一部分，本实施例通过壳体130在催化盘140后端围成回气腔160，排气尾气和尿素喷雾从进气接头能够以极小的热量损失供给至催化盘140，并在混合器110内就对催化盘140进行持续的加热，以提高催化效率和转换效率。

在一个实施例中，催化盘140分别与壳体130内壁、混合器110外壁密封连接。通过将催化盘140和壳体130内壁、混合器110外壁密封连接，可使排气尾气和尿素喷雾的混合气流全部通过催化盘140，提高催化效率。

在一个实施例中，催化盘140为金属环形载体或者环形陶瓷堇青石载体，能够适应长期的高温工作环境，载体稳定性更好，载体形态可以为板面或蜂窝状，载体涂覆有铜基分子筛SCR催化剂或钒基SCR催化剂涂层。

铜基分子筛SCR催化剂能够对NOx起到良好的催化效果，能够产生大量的N2O，而钒基SCR催化剂涂层则能够在高温条件下随着温度的升高其催化性能逐渐提升，耐热性能更好。

在一个实施例中，参见图1，混合器110包括主管体112和多孔板113，多孔板113垂直于主管体112的内壁设置。多孔板113一方面可以起到消声的作用，降低工况噪音，另一方面，可以提高对尿素喷雾的破碎效果，由于多孔板113上的通孔是均匀布置的，可以引导气流沿通孔的排布均匀流出，便于混合均匀。本申请未对多孔板113的孔型排布做限定，其优选采用阵列排布的方式，如以多孔板113的中心为圆心呈放射状分布的方式，同时，孔的直径及分布根据流体仿真计算进行调整设计，以优化混合效果。

在一个实施例中，参见图1，多孔板113靠近进气接头设置。通过将多孔板113设置在进气接头附近，可较早的对排气尾气和尿素喷雾进行气流引导，并将混合气体分散引流，并对位于混合器110中段外周的催化盘140进行预热。

参见图2，本发明一个实施例中，还公开了一种增压器组件，增压器组件包括增压器本体200和如前的一种超紧凑后处理系统100，增压器本体200设置增压出口，增压出口与超紧凑后处理系统100的进气接头连接，在前述实施例公开的一种超紧凑后处理系统100具有上述技术效果的前提下，本实施例的增压器组件也具有上述所有技术效果，在此不再赘述。

本发明的工作过程如下：

发动机排气尾气从涡轮增压器本体出来后，直接进入后处理进气口，尿素从尿素喷嘴喷入进气管道，尿素与尾气进入混合器，经过多孔板进行预混合，经过一段管路，从混合器尾端的旋流片结构进入环形催化剂，进行SCR反应去除尾气中NOx，从出气口进入后面的排气管路。

本发明后处理系统与涡轮增压器集成，结构紧凑，充分利用发动机本体空间，将后处理系统尽可能紧耦合在增压器后，最大限度降低尾气温度损失，提升催化剂转换效率。催化剂为金属环形载体或者环形陶瓷堇青石载体，上面涂覆有铜基分子筛SCR催化剂或钒基SCR催化剂涂层，在NH3作为还原剂下将尾气中NOx转化为N2和H2O。

本发明一个实施例中，还公开一种发动机，包括如前所述的一种增压器组件。在前述实施例公开的一种增压器组件具有上述技术效果的前提下，本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公开的发动机应用在汽车上，即一种汽车，包括如前所述的一种发动机。在前述实施例公开的一种发动机具有上述技术效果的前提下，本实施例的汽车也具有上述所有技术效果，在此不再赘述。

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)

1.一种超紧凑后处理系统，其特征在于，包括

设有进气接头以连接增压器本体的混合器；

连接于所述进气接头的尿素喷嘴；

套设于部分所述混合器外周的壳体，所述壳体设有出气口；

设置于所述壳体内的催化盘，所述催化盘设置于所述混合器和所述壳体内壁之间，并套设于所述混合器外周，且设置于靠近所述混合器进气接头的一端，所述催化盘将所述壳体内腔分隔为混合腔和回气腔；

所述壳体的出气口设置于所述回气腔，所述混合器的出气端设有混合段，且所述混合段设置于所述混合腔，所述混合段包括混合管和设于所述混合管周向的旋流孔，各所述旋流孔上设置具有一定开合角度的旋流片，所述混合管的轴端为开口状态。

2.根据权利要求1所述的一种超紧凑后处理系统，其特征在于，所述混合器外周与所述壳体内壁之间形成回气通道，所述出气口靠近所述回气通道末端设置。

3.根据权利要求2所述的一种超紧凑后处理系统，其特征在于，所述壳体朝向所述混合器出气端设置弧面底碗结构，以引导气流折返至所述回气通道。

4.根据权利要求1所述的一种超紧凑后处理系统，其特征在于，所述催化盘设置于靠近所述混合器进气接头的一端。

5.根据权利要求1所述的一种超紧凑后处理系统，其特征在于，所述催化盘分别与所述壳体内壁、混合器外壁密封连接。

6.根据权利要求1所述的一种超紧凑后处理系统，其特征在于，所述催化盘为金属环形载体或者环形陶瓷堇青石载体，载体涂覆有铜基分子筛SCR催化剂或钒基SCR催化剂涂层。

7.根据权利要求1所述的一种超紧凑后处理系统，其特征在于，所述混合器包括主管体和多孔板，所述多孔板垂直于所述主管体的内壁设置。

8.根据权利要求7所述的一种超紧凑后处理系统，其特征在于，所述多孔板靠近进气接头设置。

9.一种增压器组件，其特征在于，所述增压器组件包括增压器本体和如权利要求1-8任一项所述的一种超紧凑后处理系统，所述增压器本体设置增压出口，所述增压出口与超紧凑后处理系统的进气接头连接。

10.一种发动机，其特征在于，包括如权利要求9所述的一种增压器组件。

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