CN116122937B

CN116122937B - 混合器及尿素结晶控制方法

Info

Publication number: CN116122937B
Application number: CN202310402946.XA
Authority: CN
Inventors: 柴洋; 张军; 谭治学; 庞斌; 伏金龙
Original assignee: Weichai Power Co Ltd
Current assignee: Weichai Power Co Ltd
Priority date: 2023-04-17
Filing date: 2023-04-17
Publication date: 2023-07-18
Anticipated expiration: 2043-04-17
Also published as: CN116122937A

Abstract

本发明属于尿素混合器技术领域，公开了混合器及尿素结晶控制方法，该混合器中，进气端盖的进气腔用于车辆废气通过，外层管与内层管均连接于进气端盖，且内层管穿过外层管的内腔，并将内腔分隔为混合腔和过流腔，尿素喷头设置于混合腔内，混合腔以及过流腔均与进气腔连通，从而使一部分车辆废气由进气腔进入混合腔，与混合腔内的尿素混合，另一部分车辆废气由进气腔进入过流腔，位于过流腔内的气体温度较高，能够对内层管的管壁进行加热，使内层管的壁面始终保持在较高的温度，防止尿素结晶，内层管能够阻止尿素由混合腔进入过流腔，以避免过流腔因尿素进入而导致气体温度降低，进一步避免尿素结晶。

Description

混合器及尿素结晶控制方法

技术领域

本发明涉及尿素混合器技术领域，尤其涉及混合器及尿素结晶控制方法。

背景技术

在车辆的后处理系统中，一般采用选择性催化还原（Selective CatalyticReduction，SCR）的方式降低氮氧化物（NO_x）的排放，该过程中，通常使用SCR混合器将车辆废气和尿素进行混合。现有技术中由于尿素雾化不良、混合不均匀或分解不充分等原因，喷射的尿素溶液不能实时转化为NH₃，而是生成副产物，形成尿素沉淀物，这将导致还原反应不稳定，从而影响到氮氧化物排放的稳定性和转化效率。此外，尿素沉淀物如果不能及时完全分解，则会不断生长，最终形成尿素结晶、结石。

混合器的壁面温度较低是导致尿素结晶的主要原因之一，对此，现有技术提供了一种双筒体尿素混合器，该双筒体尿素混合器包含内筒体以及套设于内筒体的外筒体，内筒体外侧的腔体为夹层的进气腔，进气腔内的尾气气流对其覆盖的内筒体的壁面起加热、保温作用，保证壁面始终保持在较高的温度，使落到壁面上的尿素液滴迅速挥发热解，防止尿素结晶。但是其存在的问题是：其内筒体上设置有进气孔，用于车辆废气由夹层的进气腔进入内筒体的内部，即混合腔，而在混合腔内的尿素同样可能通过该进气孔进入到进气腔内，降低进气腔内的废气温度，且部分尿素附着于外筒体的壁面，造成结晶。此外，现有技术无法准确计算出内筒体的壁面温度，进而无法对尿素的结晶进行有效预测。

发明内容

根据本发明的一个方面，本发明提供混合器，该混合器能够使内层管的壁面始终保持在较高的温度，且能够避免过流腔因尿素进入而导致气体温度降低，避免尿素结晶。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

混合器，包括用于喷洒尿素的尿素喷头，所述混合器用于将车辆废气与尿素混合，还包括：

进气端盖，具有进气腔，所述进气腔用于车辆废气通过；

外层管，连接于所述进气端盖，并具有内腔；

内层管，连接于所述进气端盖，所述内层管穿过所述内腔，并将所述内腔分隔为混合腔和过流腔，所述混合腔位于所述内层管的内部，所述过流腔位于所述内层管与所述外层管之间，所述混合腔以及所述过流腔均与所述进气腔连通，所述尿素喷头设置于所述混合腔内，所述内层管能够阻止尿素由所述混合腔进入所述过流腔。

作为混合器的优选方案，还包括破碎管，所述破碎管连接于所述内层管并位于所述混合腔内，所述破碎管具有多个通孔组，多个所述通孔组沿所述破碎管的长度方向间隔设置，所述通孔组包括沿所述破碎管的圆周方向间隔设置的多个第一通孔。

作为混合器的优选方案，所述第一通孔呈条状，且所述第一通孔沿所述破碎管的长度方向延伸。

作为混合器的优选方案，还包括旋流管，所述旋流管连接于所述进气端盖并位于所述进气腔内，所述旋流管具有沿所述旋流管的圆周方向间隔设置的多个第二通孔，所述第二通孔用于车辆废气进入，所述旋流管的外壁设置有多个旋流片，多个所述旋流片与多个所述第二通孔一一对应设置。

作为混合器的优选方案，还包括连接于所述外层管远离所述进气端盖一端的排气端盖，所述排气端盖具有排气腔，所述混合腔以及所述过流腔均与所述排气腔连通。

根据本发明的另一个方面，提供尿素结晶控制方法，通过上述混合器实施，所述尿素结晶控制方法包括：

获取所述内层管的壁面温度；

对所述内层管的壁面的尿素结晶量进行预测；

确定所述尿素结晶量不小于结晶限值；

进行短时再生，所述短时再生包括：提升发动机的喷油量。

作为尿素结晶控制方法的优选方案，获取所述内层管的壁面温度包括：

获取喷射尿素前以及喷射尿素后的废气温度；

获取进入混合腔以及进入过流腔的废气流量；

基于能量守恒建立所述内层管的壁面温度、喷射尿素前的废气温度、喷射尿素后的废气温度、进入混合腔的废气流量与进入过流腔的废气流量的方程；

求解所述方程得到所述内层管的壁面温度随时间变化的计算公式。

作为尿素结晶控制方法的优选方案，获取喷射尿素前以及喷射尿素后的废气温度包括：

检测所述进气腔内废气温度，将所述进气腔内的废气温度作为喷射尿素前的废气温度；

获取尿素喷射量和进入混合器的总废气流量；

基于尿素喷射量和进入混合器的总废气流量，获取尿素喷射后的温度下降值；

基于喷射尿素前的废气温度和尿素喷射后的温度下降值，计算喷射尿素后的废气温度。

作为尿素结晶控制方法的优选方案，获取进入混合腔以及进入过流腔的废气流量包括：

获取进入混合器的总废气流量；

基于进入混合器的总废气流量和喷射尿素前的废气温度，获取进入所述过流腔的废气流量比例；

基于进入混合器的总废气流量和进入所述过流腔的废气流量比例，计算进入所述过流腔的废气流量和进入所述混合腔的废气流量。

作为尿素结晶控制方法的优选方案，对所述内层管的壁面的尿素结晶量进行预测包括：

基于所述内层管的壁面温度随时间变化的计算公式获取壁面的结晶速率随时间变化的计算公式；

对壁面的结晶速率积分得到壁面的尿素结晶量。

本发明的有益效果是：

本发明提供混合器，该混合器中，进气端盖的进气腔用于车辆废气通过，外层管与内层管均连接于进气端盖，且内层管穿过外层管的内腔，并将内腔分隔为混合腔和过流腔，尿素喷头设置于混合腔内，混合腔以及过流腔均与进气腔连通，从而使一部分车辆废气由进气腔进入混合腔，与混合腔内的尿素混合，另一部分车辆废气由进气腔进入过流腔，位于过流腔内的气体温度较高，能够对内层管的管壁进行加热，使内层管的壁面始终保持在较高的温度，且附着于内层管的壁面的尿素液滴能够迅速挥发，防止尿素结晶。此外，内层管能够阻止尿素由混合腔进入过流腔，以避免过流腔因尿素进入而导致气体温度降低，进一步避免尿素结晶。

本发明还提供尿素结晶控制方法，通过上述混合器实施，该尿素结晶控制方法首先获取内层管的壁面温度，对内层管的壁面的尿素结晶量进行预测，确定尿素结晶量不小于结晶限值，并进行短时再生，以减少壁面的尿素结晶量，具体为提升发动机的喷油量，以增大车辆废气温度，进而使结晶的尿素挥发。

附图说明

图1是本发明实施例中混合器的结构示意图一；

图2是本发明实施例中混合器的结构示意图二；

图3是本发明实施例中尿素结晶控制方法的流程图。

图中：

1、进气端盖；11、进气腔；

2、外层管；21、过流腔；

3、内层管；31、混合腔；

41、破碎管；411、通孔组件；412、第一通孔；42、旋流管；421、第二通孔；422、旋流片；

5、排气端盖；51、排气腔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”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或两个元件的相互作用关系。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。

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之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，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”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

混合器的壁面温度较低是导致尿素结晶的主要原因之一，现有技术提供了一种双筒体尿素混合器，该双筒体尿素混合器包含内筒体以及套设于内筒体的外筒体，内筒体外侧的腔体为夹层的进气腔，进气腔内的尾气气流对其覆盖的内筒体的壁面起加热、保温作用，保证壁面始终保持在较高的温度，使落到壁面上的尿素液滴迅速挥发热解，防止尿素结晶。但是其存在的问题是：其内筒体上设置有进气孔，用于车辆废气由夹层的进气腔进入内筒体的内部，即混合腔，而在混合腔内的尿素同样可能通过该进气孔进入到进气腔内，降低进气腔内的废气温度，且部分尿素附着于外筒体的壁面，造成结晶。此外，现有技术无法准确计算出内筒体的壁面温度，进而无法对尿素的结晶进行有效预测。

针对上述问题，本实施例提供混合器，该混合器能够使内层管的壁面始终保持在较高的温度，且能够避免过流腔因尿素进入而导致气体温度降低，避免尿素结晶。

参照图1-图2，混合器用于将车辆废气与尿素混合，包括用于喷洒尿素的尿素喷头、进气端盖1、外层管2以及内层管3，进气端盖1具有进气腔11，进气腔11用于车辆废气通过；外层管2连接于进气端盖1，并具有内腔；内层管3连接于进气端盖1，内层管3穿过内腔，并将内腔分隔为混合腔31和过流腔21，混合腔31位于内层管3的内部，过流腔21位于内层管3与外层管2之间，其中，内层管3的外壁与外层管2的内壁间隔设置。混合腔31以及过流腔21均与进气腔11连通，尿素喷头设置于混合腔31内，从而使一部分车辆废气由进气腔11进入混合腔31，与混合腔31内的尿素混合，另一部分车辆废气由进气腔11进入过流腔21，位于过流腔21内的气体温度较高，能够对内层管3的管壁进行加热，使内层管3的壁面始终保持在较高的温度，且附着于内层管3的壁面的尿素液滴能够迅速挥发，防止尿素结晶。此外，内层管3能够阻止尿素由混合腔31进入过流腔21，以避免过流腔21因尿素进入而导致气体温度降低，进一步避免尿素结晶。

继续参照图1-图2，混合器还包括破碎管41，破碎管41连接于内层管3并位于混合腔31内，破碎管41用于将尿素液滴打散，以使尿素能够充分挥发热解。具体地，破碎管41具有多个通孔组411，多个通孔组411沿破碎管41的长度方向间隔设置，通孔组411包括沿破碎管41的圆周方向间隔设置的多个第一通孔412。

可选地，第一通孔412呈条状，且第一通孔412沿破碎管41的长度方向延伸，条状孔的抗结晶性能优于圆形，如此设置，可提升抗结晶能力。

继续参照图1-图2，混合器还包括旋流管42，旋流管42连接于进气端盖1并位于进气腔11内，旋流管42具有沿旋流管42的圆周方向间隔设置的多个第二通孔421，第二通孔421用于车辆废气进入，旋流管42的外壁设置有多个旋流片422，多个旋流片422与多个第二通孔421一一对应设置。旋流管42能够使车辆废气气流产生旋流效果，旋流废气与尿素的混合效果好且混合均匀性高，此外，通过设置旋流管42使车辆废气气流的流速进一步加快，便于车辆废气气流与尿素液滴充分混合。

继续参照图1-图2，混合器还包括连接于外层管2远离进气端盖1一端的排气端盖5，排气端盖5具有排气腔51，混合腔31以及过流腔21均与排气腔51连通。本实施例中，由进气腔11进入混合腔31的部分车辆废气能够与尿素混合，而由进气腔11进入过流腔21的部分车辆废气受到内层管3的阻挡，无法与尿素直接混合，而是在混合腔31内的混合气体和过流腔21内的车辆废气进入到排气腔51后，原本位于过流腔21内的车辆废气能够与混合气体混合，以使车辆废气与尿素混合。

实施例二

本实施例提供尿素结晶控制方法，通过上述实施例中的混合器实施。参照图3，尿素结晶控制方法具体包括以下步骤。

S10：获取内层管3的壁面温度。

S10具体包括步骤S101-S104。

S101：获取喷射尿素前以及喷射尿素后的废气温度。

可选地，S101具体包括步骤S1011-S1014。

S1011：检测进气腔11内废气温度，将进气腔11内的废气温度作为喷射尿素前的废气温度；

喷射尿素前的废气温度为T₁，具体可通过设置于进气腔11内的温度传感器获取。

S1012：获取尿素喷射量和进入混合器的总废气流量；

尿素喷射量Urea可通过设置于尿素喷嘴的流量传感器获取，进入混合器的总废气流量为mf，可通过设置于进气腔11内的流量传感器获取。

S1013：基于尿素喷射量和进入混合器的总废气流量，获取尿素喷射后的温度下降值；

尿素喷射后的温度下降值可基于尿素喷射量Urea、进入混合器的总废气流量mf，从预先设置的尿素喷射量Urea、进入混合器的总废气流量mf和尿素喷射后的温度下降值的map1查询对应的尿素喷射后的温度下降值，即f(Urea,mf)。尿素喷射量Urea、进入混合器的总废气流量mf和尿素喷射后的温度下降值的map1可通过前期大量试验获得。

S1014：基于喷射尿素前的废气温度和尿素喷射后的温度下降值，计算喷射尿素后的废气温度。

喷射尿素后的废气温度为T₂，其具体计算公式如下。

S102：获取进入混合腔31以及进入过流腔21的废气流量。

可选地，S102具体包括步骤S1021-S1024。

S1021：检测进气腔11内废气温度，将进气腔11内的废气温度作为喷射尿素前的废气温度。

S1022：获取进入混合器的总废气流量。

S1023：基于进入混合器的总废气流量和喷射尿素前的废气温度，获取进入过流腔21的废气流量比例。

进入过流腔21的废气流量比例可基于混合器的总废气流量mf、喷射尿素前的废气温度T₁，从预先设置的混合器的总废气流量mf、喷射尿素前的废气温度T₁和进入过流腔21的废气流量比例的map2查询对应的进入过流腔21的废气流量比例，即g(mf,T₁)。混合器的总废气流量mf、喷射尿素前的废气温度T₁和进入过流腔21的废气流量比例的map2可通过前期大量试验获得。

S1024：基于进入混合器的总废气流量和进入过流腔21的废气流量比例，计算进入过流腔21的废气流量和进入混合腔31的废气流量。

进入过流腔21的废气流量为mf₁，其计算公式如下。

进入混合腔31的废气流量为mf₂，其计算公式如下。

S103：基于能量守恒建立内层管3的壁面温度、喷射尿素前的废气温度、喷射尿素后的废气温度、进入混合腔31的废气流量与进入过流腔21的废气流量的方程。

由能量守恒可知，混合器中内层管3的壁面的能量的变化率等于进入过流腔21的废气传递给内层管3的壁面的热量的变化率加上进入混合腔31的废气传递给内层管3的壁面的热量的变化率，并减去内层管3的壁面对外界环境的散热热量的变化率，具体如下。

其中，C_V为内层管3的比热容，M_S为内层管3的质量，T_S为内层管3的温度，为内层管3的温度的变化率，C_P为废气的比热容，h为内层管3的换热系数，A为内层管3的换热面积，T_env为环境温度。

S104：求解方程得到内层管3的壁面温度随时间变化的计算公式。

对上述方程进行求解，可定义以下参数，以对该方程进行简化：

因此，上述方程可简化为：

继续定义以下参数，以进一步对该方程进行简化：

因此，上述方程可简化为：

该方程为一阶微分方程，可以将dT_S转化为T_S(t)-T_S(t-1)，T_S转化为T_S(t)，其中，T_S(t)为内层管3在t时刻的温度，T_S(t-1)为内层管3在t-1时刻的温度，带入求解，可得到以下公式：

通过上述步骤，即可得到内层管3的壁面温度随时间变化的计算公式，以便于技术人员预测内层管3的壁面温度，并能够对尿素的结晶进行有效预测。

S20：对内层管3的壁面的尿素结晶量进行预测。

可选地，S20具体包括步骤S201-S202。

S201：基于内层管3的壁面温度随时间变化的计算公式获取壁面的结晶速率随时间变化的计算公式。

壁面的结晶受到内层管3的壁面温度的影响，在获取了内层管3的壁面温度随时间变化的计算公式后，可以对任意时刻的内层管3的壁面温度进行预测，进而可根据某一时刻的内层管3的壁面温度获取该时刻的壁面的结晶速率，并进一步获得壁面的结晶速率随时间变化的计算公式。壁面的结晶速率的获取为现有技术，具体可参照申请号为CN202010246467.X的前期专利。

S202：对壁面的结晶速率积分得到壁面的尿素结晶量。

对壁面的结晶速率积分即可得到针对内层管3的壁面的尿素结晶量的预测值。

S30：比较尿素结晶量与结晶限值的大小。

结晶限值为发生尿素结晶的边界值，若尿素结晶量不小于结晶限值，则认为内层管3的壁面可能会发生尿素结晶，并执行步骤S40。若尿素结晶量小于结晶限值，则认为内层管3的壁面的尿素结晶量较少，不会对后续的选择性催化还原造成影响，可不进行任何操作。

S40：进行短时再生，短时再生包括：提升发动机的喷油量。

通过短时再生以减少壁面的尿素结晶量，具体为提升发动机的喷油量，以增大车辆废气温度，进而使结晶的尿素挥发。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.尿素结晶控制方法，通过混合器实施，所述混合器包括用于喷洒尿素的尿素喷头，所述混合器用于将车辆废气与尿素混合，其特征在于，所述混合器还包括：

进气端盖（1），具有进气腔（11），所述进气腔（11）用于车辆废气通过；

外层管（2），连接于所述进气端盖（1），并具有内腔；

内层管（3），连接于所述进气端盖（1），所述内层管（3）穿过所述内腔，并将所述内腔分隔为混合腔（31）和过流腔（21），所述混合腔（31）位于所述内层管（3）的内部，所述过流腔（21）位于所述内层管（3）与所述外层管（2）之间，所述混合腔（31）以及所述过流腔（21）均与所述进气腔（11）连通，所述尿素喷头设置于所述混合腔（31）内，所述内层管（3）能够阻止尿素由所述混合腔（31）进入所述过流腔（21）；

所述尿素结晶控制方法包括：

获取所述内层管（3）的壁面温度；

对所述内层管（3）的壁面的尿素结晶量进行预测；

确定所述尿素结晶量不小于结晶限值；

进行短时再生，所述短时再生包括：提升发动机的喷油量；

所述尿素结晶控制方法中，获取所述内层管（3）的壁面温度包括：

获取喷射尿素前以及喷射尿素后的废气温度；

获取进入混合腔（31）以及进入过流腔（21）的废气流量；

基于能量守恒建立所述内层管（3）的壁面温度、喷射尿素前的废气温度、喷射尿素后的废气温度、进入混合腔（31）的废气流量与进入过流腔（21）的废气流量的方程；

求解所述方程得到所述内层管（3）的壁面温度随时间变化的计算公式。

2.根据权利要求1所述的尿素结晶控制方法，其特征在于，所述混合器还包括破碎管（41），所述破碎管（41）连接于所述内层管（3）并位于所述混合腔（31）内，所述破碎管（41）具有多个通孔组（411），多个所述通孔组（411）沿所述破碎管（41）的长度方向间隔设置，所述通孔组（411）包括沿所述破碎管（41）的圆周方向间隔设置的多个第一通孔（412）。

3.根据权利要求2所述的尿素结晶控制方法，其特征在于，所述第一通孔（412）呈条状，且所述第一通孔（412）沿所述破碎管（41）的长度方向延伸。

4.根据权利要求2所述的尿素结晶控制方法，其特征在于，所述混合器还包括旋流管（42），所述旋流管（42）连接于所述进气端盖（1）并位于所述进气腔（11）内，所述旋流管（42）具有沿所述旋流管（42）的圆周方向间隔设置的多个第二通孔（421），所述第二通孔（421）用于车辆废气进入，所述旋流管（42）的外壁设置有多个旋流片（422），多个所述旋流片（422）与多个所述第二通孔（421）一一对应设置。

5.根据权利要求1所述的尿素结晶控制方法，其特征在于，所述混合器还包括连接于所述外层管（2）远离所述进气端盖（1）一端的排气端盖（5），所述排气端盖（5）具有排气腔（51），所述混合腔（31）以及所述过流腔（21）均与所述排气腔（51）连通。

6.根据权利要求1-5任一项所述的尿素结晶控制方法，其特征在于，获取喷射尿素前以及喷射尿素后的废气温度包括：

检测所述进气腔（11）内废气温度，将所述进气腔（11）内的废气温度作为喷射尿素前的废气温度；

获取尿素喷射量和进入混合器的总废气流量；

7.根据权利要求1-5任一项所述的尿素结晶控制方法，其特征在于，获取进入混合腔（31）以及进入过流腔（21）的废气流量包括：

获取进入混合器的总废气流量；

基于进入混合器的总废气流量和喷射尿素前的废气温度，获取进入所述过流腔（21）的废气流量比例；

基于进入混合器的总废气流量和进入所述过流腔（21）的废气流量比例，计算进入所述过流腔（21）的废气流量和进入所述混合腔（31）的废气流量。

8.根据权利要求1-5任一项所述的尿素结晶控制方法，其特征在于，对所述内层管（3）的壁面的尿素结晶量进行预测包括：

基于所述内层管（3）的壁面温度随时间变化的计算公式获取壁面的结晶速率随时间变化的计算公式；

对壁面的结晶速率积分得到壁面的尿素结晶量。