CN215927519U - 一种尿素混合器及发动机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及发动机领域，公开一种尿素混合器及发动机，一种尿素混合器包括：进气总管以及安装于进气总管内部的混合器本体；混合器本体将进气总管内部分隔成不连通的第一腔体和第二腔体，其中第一腔体背离第二腔体一侧具有进气口，第二腔体背离第一腔体一侧具有出气口；进气总管上设有连通混合器本体内部的进液口；混合器本体上设有旋流组件和混合气出口管路，其中，旋流组件用于允许第一腔体内的气体进入混合器本体内部；混合气出口管路用于连通混合器本体内部与第二腔体。上述尿素混合器对于解决目前常见的尿素蒸发率不高、结晶问题具有较大改善作用。

Description

一种尿素混合器及发动机

技术领域

本实用新型涉及发动机技术领域，特别涉及一种尿素混合器及发动机。

背景技术

选择性催化还原技术(SCR)是利用氨、氨水、尿素或烃类为还原剂，在氧浓度高出NOx浓度两个数量级以上的条件下，高选择性地优先把NOx还原为N2。催化的作用是降低分解反应的活化能，使其反应温度降低至合适的温度区间。选择性催化还原转化器也被称为降氮氧化物(DeNOx)催化转化器。在车用柴油机上最常用的催化剂和还原剂分别是V2O5/TiO2基金属氧化物型催化剂和尿素水溶液。以尿素作为还原剂还原NOx，尿素不仅以氨气的形式参加还原反应，而且它分解的副产物异氰酸(HNCO)也能还原NOx，同时尿素分解过程中产生的水蒸气有助于抑制高温下NH3被直接氧化为NOx的几率。

尿素溶液喷雾与排气的混合、喷雾的蒸发及分解是SCR(选择性催化还原技术)系统工作的一个重要环节，对SCR系统中结晶、尿素利用率、NOx转化效率都有着很大的影响。

因此，如何改善尿素溶液与排气的混合是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型公开了一种尿素混合器及发动机，用于改善目前常见的尿素蒸发率不高、结晶问题。

为达到上述目的，本实用新型提供以下技术方案：

第一方面，本实用新型提供一种尿素混合器，包括：进气总管以及安装于所述进气总管内部的混合器本体；

所述混合器本体将所述进气总管内部分隔成不连通的第一腔体和第二腔体，其中所述第一腔体背离所述第二腔体一侧具有进气口，所述第二腔体背离所述第一腔体一侧具有出气口；

所述进气总管上设有连通所述混合器本体内部的进液口；

所述混合器本体上设有旋流组件和混合气出口管路，其中，所述旋流组件用于允许所述第一腔体内的气体进入所述混合器本体内部；所述混合气出口管路用于连通所述混合器本体内部与所述第二腔体。

上述尿素混合器中，气体自进气口进入第一腔体，因第一腔体和第二腔体不连通，第一腔体内的气体只能经旋流组件进入混合器本体内部，与经进液口进入的尿素溶液充分混合后经混合气出口管路进入第二腔体，最终从出气口排出。气流和尿素液滴在混合器本体内部混合，混合器本体内部无扰流结构，避免了尿素在扰流结构产生结晶的风险；气体经过旋流组件会在旋流组件的作用下产生旋流，气体旋流与进液口进入的尿素溶液对冲，有利于尿素水溶液液滴的破碎和蒸发；同时，气体旋流增加了气流路径长度，增长了尿素液滴在混合器本体内的停留时间，增加了水解及热解的时间，NH₃与排气有更加充分的混合时间，有利于尿素水溶液液滴的蒸发；在充分考虑空气动力学的前提下，上述尿素混合器对于解决目前常见的尿素蒸发率不高、结晶问题具有较大改善作用。

可选地，所述混合器本体包括旋流筒和挡板，所述混合气出口管路一端与所述旋流筒连接，另一端与所述挡板配合将所述进气总管内部分隔成所述第一腔体和所述第二腔体；

所述旋流筒至少一端具有所述旋流组件。

可选地，所述旋流筒的轴线方向与所述进气总管的轴线方向垂直。

可选地，所述旋流筒两端均设有所述旋流组件。

可选地，所述旋流筒两端的旋流组件旋向相反。

可选地，所述混合气出口管路与所述旋流筒的中部连接。

可选地，所述旋流组件包括沿所述旋流筒周向均布的旋流叶栅。

可选地，所述旋流筒两端均与所述进气总管连接。

可选地，所述挡板为环形件，所述环形件外轮廓与所述进气总管内壁适配，所述环形件内轮廓与所述混合气出口管路的外壁适配。

第二方面，本实用新型还提供一种发动机，包括如第一方面中任一项所述的尿素混合器。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种尿素混合器的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种尿素混合器中混合器本体的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的一种尿素混合器中旋流筒的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的另一种尿素混合器的结构示意图。

图标：100-进气总管；110-第一腔体；120-第二腔体；130-进液口；111-进气口；121-出气口；200-混合器本体；210-旋流组件；220-混合气出口管路；230-挡板；211-旋流筒；212-旋流叶栅。

具体实施方式

SCR技术的基本原理是向排气中喷射燃油或者添加其他还原剂，选择合适的催化剂，促进还原剂与NOx反应，同时抑制还原剂被排气中的氧气氧化。现有SCR技术按照还原剂的种类可以分为以尿素分解产生的NH₃作为还原剂的尿素SCR技术和以碳氢作为还原剂的碳氢SCR技术两类。目前碳氢SCR技术仍在进一步的研究当中，实际应用不多；而尿素SCR技术较为成熟，实际应用较多。尿素SCR系统的结构主要包括催化器、尿素喷射泵、尿素箱、喷射控制单元、混合器、尿素水溶液温度传感器、液位传感器、排温传感器、NOx传感器和NH₃传感器。其中，关于混合器对于SCR系统性能的影响方面，混合器不仅可以促进尿素和排气混合，优化尿素分布，还能减少沉积物的生成和氨泄漏，此外设计混合器时还要考虑排气流经混合器使得压力损失和混合器的制造方便性，即混合器评价指标包括：还原剂分布均匀性、系统NOx转化效率的提高、压力损失、机械耐久性和热应力分析、加工方便性与沉积物生产量。实际应用中，在发动机实际运行中，排气温度、排气流速、喷嘴安装位置、喷束水溶液喷射速率、喷雾特性及管壁内壁面是否粗糙等多个因素均会影响到尿素的分解以及沉积物的生成。尿素水溶液以喷雾的形式喷射到混合腔内与排气混合。喷雾中的液滴受热蒸发分解，在此过程中一部分液滴主要与排气换热，直接吸收排气的热量完成蒸发分解，也有一部分液滴会碰到壁面上并与壁面换热，直接吸收壁面的热量。下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

第一方面，如图1至图4所示，本实用新型实施例提供了一种尿素混合器，包括：进气总管100以及安装于进气总管100内部的混合器本体200；混合器本体200将进气总管100内部分隔成不连通的第一腔体110和第二腔体120，其中第一腔体110背离第二腔体120一侧具有进气口111，第二腔体120背离第一腔体110一侧具有出气口121；进气总管100上设有连通混合器本体200内部的进液口130；混合器本体200上设有旋流组件210和混合气出口管路220，其中，旋流组件210用于允许第一腔体110内的气体进入混合器本体200内部；混合气出口管路220用于连通混合器本体200内部与第二腔体120。

上述尿素混合器中，气体自进气口111进入第一腔体110，因第一腔体110和第二腔体120不连通，第一腔体110内的气体只能经旋流组件210进入混合器本体200内部，与经进液口130进入的尿素溶液充分混合后经混合气出口管路220进入第二腔体120，最终从出气口121排出。气流和尿素液滴在混合器本体200内部混合，混合器本体200内部无扰流结构，避免了尿素在扰流结构产生结晶的风险；气体经过旋流组件210会在旋流组件210的作用下产生旋流，气体旋流与进液口130进入的尿素溶液对冲，有利于尿素水溶液液滴的破碎和蒸发；同时，气体旋流增加了气流路径长度，增长了尿素液滴在混合器本体200内的停留时间，增加了水解及热解的时间，NH₃与排气有更加充分的混合时间，有利于尿素水溶液液滴的蒸发；在充分考虑空气动力学的前提下，上述尿素混合器对于解决目前常见的尿素蒸发率不高、结晶问题具有较大改善作用。

可选地，混合器本体200包括旋流筒211和挡板230，混合气出口管路220一端与旋流筒211连接，另一端与挡板230配合将进气总管100内部分隔成第一腔体110和第二腔体120；旋流筒211至少一端具有旋流组件210。

一种可能实现的方式中，旋流筒211位于第一腔体110内，且旋流筒211与进液口130连通，挡板230将进气总管100分隔成第一腔体110和第二腔体120，旋流筒211位于第一腔体110内，混合气出口管路220穿过挡板230连通旋流筒211内部和第二腔体120。第一腔体110内的气体经旋流筒211上的旋流组件210进入旋流筒211内部，从而使自进液口130进入的尿素与气体旋流对冲。

一种可能实现的方式中，旋流筒211背离进液口130一端具有旋流组件210。

一种可能实现的方式中，旋流筒211的轴线方向与进气总管100的轴线方向垂直。混合气出口管路220的轴线与进气总管100的轴线方向平行。进液口130位于旋流筒211一端截面的中心，尿素液滴自旋流筒211一端进入旋流筒211内部，与自旋流筒211侧面的旋流组件210进入的气体对冲混合。

可选地，旋流筒211两端均设有旋流组件210，两个旋流组件210对称设置，增大了气体流通面积。

可选地，旋流筒211两端的旋流组件210旋向相反。

一种可能实现的方式中，旋流筒211两端的旋流组件210旋向相反，气体通过两个对称布置的旋流组件210形成旋流方向相反的两束气流，气流反向对撞产生强烈的扰动，湍流强度大，有利于尿素水溶液液滴的破碎和蒸发；反向气流的对撞能消除混合器出口管路处的气流残余旋转，气流在SCR入口端面的流动均匀性较好，提高了载体本身的利用率，相同边界条件下提高NOx转化效率及催化剂载体的寿命。

可选地，混合气出口管路220与旋流筒211的中部连接。

一种可能实现的方式中，旋流筒211两端对称设置有旋流组件210，混合气出口管路220与旋流筒211的中部连接，两股气体旋流与尿素液滴冲撞、尿素液滴破碎蒸发后经中部的混合气出口管路220进入第二腔体120。

可选地，旋流组件210包括沿旋流筒211周向均布的旋流叶栅212。

一种可能实现的方式中，旋流筒211两端分别均匀布置进气旋流叶栅212，两组旋流叶栅212的旋向相反，通过旋流叶栅212控制气体在混合腔内的流动，进液口130位于旋流筒211一端壁面的圆心处。采用旋流叶栅212结构，混合器本体200无运动部件，无机械运动产生的磨损，安全可靠，使用寿命长。

可选地，旋流筒211两端均与进气总管100连接。

需要说明的是，旋流筒211朝向进液口130一端与进气总管100连接，另一端可以封闭，也可以与进气总管100连接。

可选地，挡板230为环形件，环形件外轮廓与进气总管100内壁适配，环形件内轮廓与混合气出口管路220的外壁适配。

一种可能实现的方式中，挡板230为圆环，内圆与混合器出气管路密封连接，外圈与进气总管100密封连接，以隔绝第一腔体110和第二腔体120。

相对于目前存在的混合装置：本实施例中气流和尿素液滴在混合本体内混合，混合本体内无扰流结构，避免了尿素在扰流结构产生结晶的风险；气体通过两个对称布置的旋流叶栅212形成旋流方向相反的两束气流，气流反向对撞产生强烈的扰动，湍流强度大，有利于尿素水溶液液滴的破碎和蒸发；气体旋流增加了气流路径长度，增长了尿素液滴在混合器内的停留时间，增加了水解及热解的时间，NH₃与排气有更加充分的混合时间，有利于尿素水溶液液滴的蒸发；反向气流的对撞能消除混合器出口处的气流残余旋转，气流在SCR入口端面的流动均匀性较好，提高了载体本身的利用率，相同边界条件下提高NOx转化效率及催化剂载体的寿命；混合器无运动部件，无机械运动产生的磨损，安全可靠，使用寿命长。

需要说明的是，通过合理的空间布置，该尿素混合器特征在集成式SCR箱及分体式SCR箱上均可以采用。一种可能实现的方式中，混合器安装于后处理箱内，旋流叶栅212与尿素喷嘴垂直安装放置于进液口130，喷雾的喷射方向与排气流动方向垂直，混合器本体200首先对进气造成强烈的扰流，再通过气流带动尿素喷雾来产生促进混合的作用，混合的动力来源是气流的旋流对冲扰动，混合本体内尿素水溶液喷雾粒径明显减小，在相同条件下喷雾液滴粒径越小，喷雾蒸发分解越快，尿素溶液得到充分利用，在显著提升氮氧转化效率的情况下，实现了避免尿素过度沉积的目的；根据混合器本体200所安装的空间结构不同布置合适的混合器，关键参数为：旋流筒211直径、叶栅角度、叶栅宽度、叶栅数量等，形成较为合适的混合流场。可以理解的是，以上关键参数需根据空间结构，通过仿真或实验的方法，进行优化设计；合适的流场即为所形成的流场应满足压降、蒸发率、ccSCR或SCR前端面的尿素均匀性指标符合后处理箱的设计要求。

上述尿素混合器中的旋流结构易加工，可由铁板剪切、焊接加工而成，简单易行，结构牢固可靠。上述尿素混合器的主要优点如下：

(1)旋流叶栅212的进气方式气流阻力较小，且能形成强烈的旋流气流；

(2)对冲式的混合方式大大促进了混合腔内的气体紊流强度，大大促进了尿素水溶液的液滴破碎过程；

(3)对冲式混合器利用气流的运动产生强烈扰动，不需要内置其他扰流结构，消除了尿素在扰流结构上沉积形成结晶的风险；

(4)气体旋流增加了气流路径长度，增长了在混合器内的停留时间，提高了尿素液滴的蒸发率，进而提升NH₃的生成速率，有助于提升尿素利用率及NOx的转化效率；

(5)反向旋转气流的对撞能消除混合器出口处的气流残余旋转，气流在SCR入口端面的流动均匀性较好，提高了载体本身的利用率，相同边界条件下提高NOx转化效率及催化剂载体的寿命。

第二方面，本实用新型还提供一种发动机，包括如第一方面中的尿素混合器。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型实施例进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种尿素混合器，其特征在于，包括：进气总管以及安装于所述进气总管内部的混合器本体；

所述混合器本体将所述进气总管内部分隔成不连通的第一腔体和第二腔体，其中所述第一腔体背离所述第二腔体一侧具有进气口，所述第二腔体背离所述第一腔体一侧具有出气口；

所述进气总管上设有连通所述混合器本体内部的进液口；

所述混合器本体上设有旋流组件和混合气出口管路，其中，所述旋流组件用于允许所述第一腔体内的气体进入所述混合器本体内部；所述混合气出口管路用于连通所述混合器本体内部与所述第二腔体。

2.根据权利要求1所述的尿素混合器，其特征在于，所述混合器本体包括旋流筒和挡板，所述混合气出口管路一端与所述旋流筒连接，另一端与所述挡板配合将所述进气总管内部分隔成所述第一腔体和所述第二腔体；

所述旋流筒至少一端具有所述旋流组件。

3.根据权利要求2所述的尿素混合器，其特征在于，所述旋流筒的轴线方向与所述进气总管的轴线方向垂直。

4.根据权利要求3所述的尿素混合器，其特征在于，所述旋流筒两端均设有所述旋流组件。

5.根据权利要求4所述的尿素混合器，其特征在于，所述旋流筒两端的旋流组件旋向相反。

6.根据权利要求4所述的尿素混合器，其特征在于，所述混合气出口管路与所述旋流筒的中部连接。

7.根据权利要求2-6中任一项所述的尿素混合器，其特征在于，所述旋流组件包括沿所述旋流筒周向均布的旋流叶栅。

8.根据权利要求2所述的尿素混合器，其特征在于，所述旋流筒两端均与所述进气总管连接。

9.根据权利要求2所述的尿素混合器，其特征在于，所述挡板为环形件，所述环形件外轮廓与所述进气总管内壁适配，所述环形件内轮廓与所述混合气出口管路的外壁适配。

10.一种发动机，其特征在于，包括如权利要求1-9中任一项所述的尿素混合器。

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