CN204402627U - 一种发动机排气后处理用多相流喷射旋流喷嘴 - Google Patents

Abstract

一种发动机排气后处理用多相流喷射旋流喷嘴，包括一个喷嘴体，一个位于喷嘴体之中的旋流室，一个位于旋流室中心的喷孔，包括至少一个切向流道，其特征在于，所述切向流道的流通面积小于等于喷孔的流通面积；以及一种应用这种旋流喷嘴喷射在其上游的混合腔内形成的气液多相混合流的装置。可用于发动机SCR系统的DEF喷射雾化和DPF系统中的再生燃油喷射雾化，雾化良好，混合气分布均匀。

Description

一种发动机排气后处理用多相流喷射旋流喷嘴

技术领域

本发明属于发动机排气后处理技术领域，具体涉及发动机排气后处理的液体喷射系统，包括NOx选择催化还原（SCR）系统和颗粒物收集器（DPF）的再生燃油喷射系统。

背景技术

随着环境问题的日益突出，节能减排已经成为车辆及发动机的永无止境的要求，为此，各国都出台了一系列的车辆排放标准，并且越来越严格。对此，以内燃机为动力的车辆需要安装排放后处理系统以求满足排放要求。例如，目前主要用于对柴油发动机尾气中NOx等污染物进行催化处理的SCR（Selective Catalytic Reduction）技术等已经成为柴油车辆等必需使用的技术，而控制柴油机颗粒物排放的颗粒物收集器（DPF=Diesel Particulate Filter）也即将成为必需使用的技术。

SCR技术需要将例如32.5%重量浓度的尿素水溶液（也叫柴油排气处理液DEF=Diesel Exhaust Fluid，或者添蓝液AdBlue）定量喷射进柴油机排气中，通过排气高温分解成氨气，与排气混合后进入SCR催化转换器。在催化剂的作用下，氨气就会与发动机排气中的NOx等发生催化还原反应，使NOx分解为无害的N2、H2O，因此需要精度较高的SCR计量喷射雾化装置。

现有的SCR喷射计量系统，多数采用以直流电机驱动的外置膜片泵为动力源，产生喷射压力，有的将DEF直接喷入发动机排气管，有的喷入一个混合腔，依靠高压气流与DEF混合再喷入发动机排气管。但因为膜片泵产生的喷射压力较低，直接雾化效果较差，常用的多孔喷嘴不得不采用非常细小的喷孔，例如直径小于0.3mm甚至小于0.15mm的喷孔，这样喷孔容易受DEF析出结晶体堵塞，系统可靠性难以保证。而高压空气辅助喷射常用较大孔径的多孔喷嘴，在抗结晶体堵塞方面优势明显，但因为DEF在管内小空间被空气雾化的程度有限，壁面液体流动不可避免，所以在喷孔出口的再次雾化仍然非常重要，不过现有这种喷嘴对此考虑不够，所以壁面液体流动进入喷孔很不均匀，导致雾化结果稳定性不够，空间分布不够均匀，在排气中氨气浓度分布差异较大，最终会降低对发动机排气中的NOx的催化净化效率。

DPF系统收集的发动机排气中的颗粒物，如果不处理掉，就会堵塞DPF及发动机排气系统。处理DPF收集到的颗粒物的技术之一，就是通过间歇性地向发动机排气喷射再生燃油使排气温度进一步升高，然后进入DPF，使其中的颗粒物燃烧掉。因此，与SCR系统类似，再生燃油的喷射，也需要精度较高的液体（燃油）计量喷射雾化装置，保证DPF的可靠性。

发明内容

本发明针对上述问题，之目的在于提供一种不易堵塞，工作可靠稳定，雾化品质好，喷出液体分布更均匀的液体气体多相流喷射喷嘴，用于SCR系统的DEF和高压气体混合流的喷射，以提高对NOx的转换效率。

本发明之另一个目的在于提供一种不易堵塞，工作可靠稳定，雾化品质好，喷出液体分布更均匀的液体气体多相流喷射喷嘴，用于DPF系统的再生燃油和高压气体混合流的喷射，以提高对DPF的再生可靠性并节省燃油。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种发动机排气后处理用多相流喷射旋流喷嘴，包括一个喷嘴体，一个位于喷嘴体之中的旋流室，一个位于旋流室中心的喷孔，包括至少一个切向流道，其特征在于，所述切向流道的流通面积小于等于喷孔的流通面积。

一种应用这种旋流喷嘴喷射在其上游的混合腔内形成的气液多相混合流的装置。

根据上述技术方案，已经被计量喷出的液体和高压气体形成的多相混合流，例如SCR系统的DEF与辅助雾化高压气体形成的DEF-空气混合多相流体，或者DPF系统中的燃油与辅助雾化高压气体形成的燃油-空气混合多相流体，在进入发动机排气管时，通过所述旋流喷嘴喷出，因为其中的切向流道、旋流室以及位于旋流室中心的喷孔的结构，并且切向流道的流通面积小于等于喷孔的流通面积，流体喷出前首先在旋流室形成足够强度的旋流，各种物理参数如流速、液体质量等都因此而呈轴对称分布，所以旋转喷出喷孔后在排气管中形成轴对称的伞状喷雾分布，与发动机排气更容易形成均匀混合气，同时因为喷出液体一般呈薄膜状，其破碎形成的液体更为细小，因此雾化品质更好。上述特征保证了在SCR催化转换器中将NOx催化还原，使SCR系统能够获得对NOx很高的转换效率。也可以保证在DPF系统中的燃油与发动机排气更均匀地快速混合，可以用尽可能少的燃油对DPF进行可靠再生。另外，因为喷孔直径较大，所以不宜堵塞。因此，发明目的得以实现。这也是本发明能够获得的好处。

下面的技术方案，对本发明作进一步的限定或优化。

本发明所述旋流喷嘴，包括一个快速接头，一个隔热件，例如一个细长管,其长径比（长度与直径之比）大于8，所述隔热件连接喷嘴体与快速接头。根据此发明方案，安装在发动机排气管上的旋流喷嘴，尽管前端温度受排气管高温的影响，会达到较高数值，例如500℃，但管路连接插头所处的快速接头位置的温度却能够保持较低，例如低于260℃，因此可以使用较低成本的常用密封方案来保证管路连接的密封，例如满足SAE J2044标准的快速接插头。该方案可以实现快速安装拆卸，并保证快速接头接插件可靠密封和寿命。

本发明所述旋流喷嘴，可包括一个旋流芯和喷孔板，旋流芯包括一个旋转体形空腔和至少一个与旋转体形空腔边沿相切的沟槽，以及与沟槽连通的轴向流道，喷孔板包括喷孔，旋流芯与喷孔版位于喷嘴体之中形成旋流室和切向流道。所述喷孔板可以是组装到喷嘴体上的板状构件，也可以为喷嘴体的一部分。

在结构上，所述旋流芯可以采用整体式旋流芯，其中的旋转体形空腔，以及与旋转体形空腔边沿相切的沟槽和与沟槽连通的轴向流道，可以通过金属压铸成型，或者陶瓷烧结成型，或者粉末冶金烧结成型，或者塑料热压成型、塑料注射成型等方式制造。

本发明所述旋流喷嘴，所述旋流芯也可以为组合结构，包括旋流片和背板，旋流片是一个等厚圆片，其中包括部分旋流室和切向流道空间，背板包括有轴向流道。这种结构易于高精度制造。

应用本发明所述旋流喷嘴的发动机后处理SCR装置，在所述旋流喷嘴的上游设置有一个混合腔，尿素水溶液和高压气体在所述混合腔内形成气液多相混合流，然后进入所述旋流喷嘴喷入发动机排气管。

应用本发明所述旋流喷嘴的发动机后处理DPF装置，在所述旋流喷嘴的上游也设置有一个混合腔，燃油和高压气体在所述混合腔内形成气液多相混合流，然后进入所述旋流喷嘴喷入发动机排气管。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明提供的旋流喷嘴之第一实施例示意图。

图2为本发明提供的旋流喷嘴之第二实施例示意图。

图3为本发明提供的旋流喷嘴之第三实施例示意图。

图4为本发明提供的旋流喷嘴之第四实施例示意图。

图5为本发明提供的旋流喷嘴之第五实施例示意图。

图6为本发明提供的旋流喷嘴应用于SCR的DEF喷射的系统图。

图7为本发明提供的旋流喷嘴应用于DPF再生燃油喷射的系统图。

具体实施例

如图1所示，为本发明提供的旋流喷嘴之第一实施例结构示意图，包括旋流芯3，喷孔板8，喷嘴本体9， 锁紧螺母10，隔热管11，快速接插头12等。旋流芯3整体呈正方柱体，在一端面上设有接近圆柱形腔的旋流室1和与旋流室1边缘相切的切向流道2，而另一端面设有连接中心与外围的径向流道15。喷孔板8为一圆板，其中心设有圆形喷孔5。隔热管11一端紧配合插入喷嘴本体9中，或通过焊接等方式与喷嘴本体9固定为一体，而另一端与一个快速接插头12密封连接（通过焊接或压入的方式）。快速接头12满足SAE J2044标准。隔热管11的长度要保证快速接插头12端的温度不能因为喷嘴本体9端的高温而超过快速接插头12的许可使用温度。一般隔热管11的长度与其外径的比例要大于8。隔热管11可以采用金属或者陶瓷制作。旋流芯3可以采用陶瓷、塑料或者金属制作，采用金属压铸成型，或者陶瓷烧结成型，或者粉末冶金烧结成型，或者塑料热压成型、塑料注射成型等工艺。

旋流芯3和喷孔板8依次从喷嘴本体9的前端装入在喷嘴本体9上设置的孔13，旋流芯3上设有径向流道15的一面紧贴隔热管11的端面，喷孔板8又紧贴旋流芯3上设有旋流室1和切向流道2的另一端面，然后通过卡圈7和被卷压抱紧的喷嘴本体9的唇边6固定在喷嘴本体9上。这样形成的旋流喷嘴流道将使流体通过隔热管11流入旋流芯3上的径向流道15，进入孔13和旋流芯3的柱体侧平面形成的轴向流道14，再通过切向流道2流入旋流室1。因为切向流入，就在旋流室1中形成流体旋流。因为喷孔5与旋流室1的中心连通，构成更大的旋流室，所以，流体就一边旋转一边从喷孔5喷出，形成伞状喷射。因为切向流道2的流通面积小于喷孔5的流体面积，所以旋流室1中的涡流强度较强，当缩小旋转半径进入喷孔5时，由于角动量守恒，旋转速度会进一步加强，结果喷出流体形成伞状。

当流入隔热管11的流体为压缩空气与液体的混合多相流时，密度较大的液体往往更多地均匀分布在旋流室的外围，气流带动液体从喷孔5喷出后，液体首先形成液膜，并且越来越薄，最后破碎成细小液滴，形成伞状喷雾。

图1所示旋流喷嘴，可通过锁紧螺母10固定在喷射目标的管壁上，可通过密封垫片4保持密封，例如固定在柴油发动机的排气管壁上。

图2所示为本发明提供的旋流喷嘴的另一个实施例，其与图1的差别在于取消了喷孔板，而将喷孔19直接加工在喷嘴本体18上，旋流芯3、隔热管11等都与实施例一相同。因为喷嘴本体18上只有一端开口17可用于安装旋流芯3，所以只能在安装旋流芯3后再插入隔热管11，开口17相当于图1中的孔13。另外，隔热管11的插入喷嘴本体18的端头部分的外径和开口17的外径应该相配。

图3所示为本发明提供的旋流喷嘴的第三个实施例，其与图1的差别包括：快速接插头为母插座29；旋流芯不再为一个整体部件，而是由旋流片20和背板25组成，旋流片20是一个等厚圆片，其中设置有贯通的旋流室1和切向流道2，背板25与喷嘴本体26上的孔壁面29形成轴向流道21，切向流道2还要由背板25的一个端面和喷孔板23的一个端面夹持旋流片20而最终成型；喷孔板23上设有喷孔24，直接紧配合压入喷嘴本体26上的孔29内固定；径向流路由设在隔热管27上的侧向孔22形成。

图3所示旋流片20可以采用已知各种方法制造，例如冲压后磨削，可以获得高精度的旋流片20。

图4所示为本发明提供的旋流喷嘴的第四个实施例，其与图3的主要差别在于：设置了一个单边开孔的圆筒状背板30，其上开设了侧向孔作为径向流道32；隔热管11和快速接插头12与图1完全相同，安装工艺上也必须首先将隔热管11插入到喷嘴本体33之内并固定，与图1相同；圆筒状背板30装入喷嘴本体33上的孔34内，其外圆柱面与喷嘴本体33上的直径更大的孔35形成轴向流道31。

图5所示为本发明提供的旋流喷嘴的第五个实施例，其特征在于，旋流芯40上即设置了旋流室42和切向流道41，还设置了斜流道43，斜流道43能够代替前述的径向流道和轴向流道；隔热管11直接插入旋流芯40上将两者固定在一起，斜流道43将隔热管11的内腔与切向流道41直接连通；旋流芯40插入喷嘴本体46的开孔之内贴紧底部，并与喷嘴本体46固定在一起（如通过焊接等工艺）；喷嘴本体46上设置了喷孔44以及部分旋流室45，旋流室45与旋流室42同轴合并形成总的旋流室。

图6为应用本发明旋流喷嘴的一种发动机排放后处理SCR系统示意图，旋流喷嘴100安装在发动机排气管102之上，沿排气管在旋流喷嘴100的下游设置了SCR系统的排气温度传感器106，催化转换器103，NOx或氨气传感器105。发动机排气101流过旋流喷嘴100附近时，与旋流喷嘴100喷射出的含有DEF液体的多相流喷雾99混合，使其中的DEF液体热解为氨气，均匀分布在排气中，共同进入催化转换器103，经过选择性催化还原处理，发动机排气中的NOx将大幅下降，变为更干净的废气104排出。

为了保证催化转换器103对NOx的高转换效率，SCR系统必须根据排气101中的NOx含量及温度等条件，准确喷射DEF。因此，系统包括有：发动机主控制器113，后处理控制器112，DEF计量泵121,DEF喷嘴119，DEF液位传感器109，DEF温度传感器111，压缩空气过滤调节器114，压缩空气控制阀115，DEF压缩空气混合腔116，混合流管118。混合流管118通过快速接插头将混合腔116和旋流喷嘴100连通。发动机循环水通过循环水接口117进入DEF储液箱123内，加热储液箱123内的DEF防止结冰。发动机主控制器113将发动机负荷转速等工况运转数据发送到CAN总线上，智能型信号处理器107也将NOx传感器105和排气温度传感器106信号发送到CAN总线上，后处理控制器112从CAN总线上获得这些信号，逻辑运算得到DEF计量泵需要喷射的DEF量，并立即控制的指令DEF计量泵工作，从DEF喷嘴119喷射出相应的DEF液体到混合腔116，在此之前，后处理控制器112应该已经检测到系统可以正常工作，并控制打开压缩空气控制阀115，给混合腔116输送压缩空气。因此，DEF液体和压缩空气在混合腔116内形成气液多相流，经过混合流管118流向旋流喷嘴100，经过旋流喷嘴100的喷射在排气管102内形成含有DEF液体的多相流喷雾99。

后处理控制器112在控制DEF计量泵121停止喷射DEF后，还要保持一定时间继续给混合腔116输送压缩空气，以扫除混合流管118及旋流喷嘴100中的残留DEF液体，从而保证停机后不会析出固体尿素结晶体而堵塞管道。

图6中的DEF计量泵121为电磁驱动的脉冲式计量喷射泵，DEF储液箱123内的DEF要首先经过过滤器108才被吸入DEF计量泵121内，保证了DEF计量泵121的可靠运行。DEF计量泵121内生成的气体，可以通过回液排气泡管120排出到DEF储液箱123的顶部，保证不会形成气阻。

当然，本发明的旋流喷嘴不仅仅限于图6所示的电磁驱动的脉冲式计量喷射泵，任何采用辅助气体雾化并清扫DEF管道的SCR系统，都可以使用本发明的旋流喷嘴。

图7为应用本发明旋流喷嘴的一种发动机排放后处理DPF系统示意图，旋流喷嘴200安装在发动机排气管215之上，沿排气管在旋流喷喷嘴200的下游，设置有柴油机颗粒物过滤器（DPF）201，它过滤收集柴油机排气214中的颗粒物，然后定期对排气214中喷射燃油（柴油），以提高排气214的温度到足以点燃DPF 201收集到的以碳烟为主要成份的颗粒物，使DPF 201及时得到再生，保证DPF不会堵塞。

为了保证DPF再生可靠，由DPF控制器208根据发动机运行工况等条件，控制计量泵204和燃油喷嘴211给混合腔212中定量定时喷射燃油，同时打开压缩空气控制阀210给混合腔212提供经过过滤调节器207调节的压缩空气，燃油和压缩空气在混合腔212中形成油气多相流，经过混合流管213进入旋流喷嘴200，然后喷入发动机排气管215中，形成雾化良好分布均匀的伞状油气雾199，在排气214中燃烧，形成高温排气进入DPF 201对其进行再生。

再生燃油计量泵204为电磁驱动的脉冲式计量喷射泵，由处于燃油箱205内部的供油油泵203和供油管202提供低压燃油，或者由发动机主供油系统的回油提供低压燃油，回油管206将气泡等带回到燃油箱205的顶部。压力燃油经过压力管209提供给燃油喷嘴211。

DPF控制器208在控制再生燃油计量泵204停止喷射燃油后，还要保持一定时间继续给混合腔212输送压缩空气，以扫除混合流管213及旋流喷嘴200中的残留燃油，从而保证停止喷油后混合流管213及旋流喷嘴200中不会残留燃油，防止滴油形成结焦或积碳等堵塞旋流喷嘴200。

上述事例仅仅用于说明本发明，但并不限制本发明，凡基于本发明精神实质的进一步的改变方案均属本发明公开和保护的范围。

Claims (9)

1.一种发动机排气后处理用多相流喷射旋流喷嘴，包括一个喷嘴体，一个位于喷嘴体之中的旋流室，一个位于旋流室中心的喷孔，包括至少一个切向流道，其特征在于，所述切向流道的流通面积小于等于喷孔的流通面积。

2.如权利要求1所述的发动机排气后处理用多相流喷射旋流喷嘴，其特征在于，包括一个快速接头，一个隔热件，所述隔热件连接喷嘴体与快速接头。

3.如权利要求2所述的发动机排气后处理用多相流喷射旋流喷嘴，其特征在于，所述隔热件为一个细长管。

4.如权利要求3所述的发动机排气后处理用多相流喷射旋流喷嘴，其特征在于，所述快速接头满足SAE J2044。

5.如权利要求1-4之一项所述的发动机排气后处理用多相流喷射旋流喷嘴，其特征在于，包括一个旋流芯和喷孔板，旋流芯包括一个旋转体形空腔和至少一个与旋转体形空腔边沿相切的沟槽，喷孔板包括喷孔，旋流芯与喷孔版位于喷嘴体之中形成旋流室和切向流道。

6.如权利要求5所述的发动机排气后处理用多相流喷射旋流喷嘴，其特征在于，所述喷孔板为喷嘴体的一部分。

7.如权利要求5所述的发动机排气后处理用多相流喷射旋流喷嘴，其特征在于，所述旋流芯包括旋流片和背板，旋流片是一个等厚圆片，其中包括旋流室和切向流道空间，背板包括有轴向流道。

8.如权利要求6或7之任一所述发动机排气后处理用多相流喷射旋流喷嘴，其特征在于，应用于发动机后处理之SCR喷射系统，在所述旋 流喷嘴的上游设置有一个混合腔，尿素水溶液和高压气体在所述混合腔内形成气液多相混合流，然后进入所述旋流喷嘴喷入发动机排气管。

9.如权利要求6或7之任一所述发动机排气后处理用多相流喷射旋流喷嘴，其特征在于，应用于发动机后处理之DPF再生系统，在所述旋流喷嘴的上游设置有一个混合腔，燃油和高压气体在所述混合腔内形成气液多相混合流，然后进入所述旋流喷嘴喷入发动机排气管。