气体射流式添蓝组合喷射器及其应用的制作方法

本发明涉及一种车用SCR排气后处理系统，特别是指用于该系统的气体射流式添蓝组合喷射器及其应用。

背景技术：

氮氧化合物(以下简称“NOx”)是发动机的主要有害排放物之一，对大气的污染越来越重，已被广泛关注。随着排放法规的持续升级，SCR技术路线已成为业内降低柴油机车NOx排放的主流技术路线。

添蓝(质量分数为32.5％的尿素水溶液)是SCR技术所采用的还原剂，其喷射量及雾化效果直接影响了柴油机车的NOx排放水平以及对大气造成二次污染的程度，因此，添蓝的定量喷射以及雾化是SCR技术所需解决的核心问题。

当前，SCR系统中添蓝定量喷射及雾化主要采用计量泵结合喷嘴的方式实现，计量泵和喷嘴以独立的部件置于SCR系统中。添蓝与压缩空气在计量泵腔内混合，高压的气液混合物经喷嘴后形成雾化，喷入排气管中。该方式存在以下问题：

1)计量泵属于精密的定量执行单元，制造成本高，设计难度大，安装体积大。

2)计量泵在长时间不使用的情况下，残留在计量泵内的添蓝会形成结晶，可能会影响后期使用时添蓝的正常加注。

3)计量泵需要连接进液管、回液管、喷射管、压缩空气管，管路较复杂，而且添蓝流经的管路越多，形成结晶的风险就越大，同时在寒区因结冰导致管路堵塞的风险也越大。

4)添蓝进液管、回液管在寒区需要加热保温，目前通用的方式是电加热，会造成额外的成本和功耗。

5)添蓝喷射的动力由计量泵提供，在实际应用中，添蓝喷射管中的延时较长，加大了SCR系统闭环控制难度。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种应用于车用SCR排气后处理系统、可实现无泵定量喷射添蓝等液体介质的气体射流式添蓝组合喷射器及其应用方法。

为实现上述目的，本发明所设计的气体射流式添蓝组合喷射器，包括双层套管，所述双层套管的管程为添蓝通道，所述双层套管的壳程为压缩空气通道，所述添蓝通道与压缩空气通道同轴并相互隔离；所述双层套管的前端设置有气动喷头，所述气动喷头包括喷头壳体、套管接头和旋流芯，所述喷头壳体与旋流芯之间组成环形的喷头气相通道，所述旋流芯的内部为喷头液相通道；所述喷头液相通道、喷头气相通道分别与添蓝通道、压缩空气通道的前端相连通；所述喷头气相通道在其出口端设置有压缩空气环缝出口，所述喷头液相通道在其出口端设置有添蓝喷射孔；所述压缩空气通道的后端密闭；所述压缩空气通道的后部设置有压缩空气进气管，所述压缩空气进气管上设置有压缩空气入口；所述添蓝通道的后端设置有添蓝入口。该装置的工作原理为：压缩空气经压缩空气通道进入气动喷头，在压缩空气环缝出口处形成高速射流；添蓝喷射孔周围区域的空气被射流卷走形成真空，使得添蓝入口与添蓝喷射孔之间存在压差；添蓝在压差的作用下，经添蓝通道流至添蓝喷射孔，在添蓝喷射孔处与高速射流相遇并被击碎，形成喷雾。

优选地，所述喷头壳体沿气流方向依次包括内径为D1的外圆柱段、内径逐渐缩小的外缩径段和内径为D2的外圆孔段；所述旋流芯沿气流方向依次包括外径为d1的第一内圆柱段、外径为d2的第二内圆柱段、外径逐渐缩小的内缩径段和外径为d3的内圆孔段；其中，D1＞d1≥d2＞D2＞d3；所述添蓝喷射孔设置在内圆孔段的出口，所述压缩空气环缝出口设置在外圆孔段的出口与内圆孔段的出口之间。

优选地，所述内圆孔段的前端伸出外圆孔段的前端0.5mm～1mm。添蓝喷射孔所在的平面高于压缩空气环缝出口所在的平面，可避免添蓝在压缩空气环缝出口处形成结晶。

优选地，所述环缝宽度，即(D2-d3)/2的取值范围为0.1mm～0.3mm。

优选地，所述旋流芯的外侧设置有旋流部，所述旋流部上设置有至少三条导流槽，所述导流槽与旋流芯的轴向的夹角θ的取值范围为：15°～45°。利用导流槽可在添蓝喷射孔处形成稳定的高速螺旋气流，取得更好的雾化效果。进一步地，所述导流槽的槽宽为0.6mm～0.8mm，槽深为0.8mm～1mm。

优选地，所述添蓝通道上设置有计量电磁阀和滤网。通过集成计量电磁阀，省却了定量执行单元与添蓝喷射孔之间的添蓝喷射管，消除了泵控SCR系统添蓝在喷射管中的传输延时。通过集成滤网，可过滤添蓝中的杂质，避免堵塞添蓝喷射孔。

优选地，所述添蓝通道上设置有吹扫压空进气管，所述吹扫压空进气管的末端上设置有吹扫入口，所述吹扫压空进气管上设置有吹扫电磁阀。当系统需要进行吹扫时，开启吹扫电磁阀和计量电磁阀，压缩空气可将组合喷射器中残留的添蓝吹至排气管；同时，也可将添蓝进液管中的添蓝吹回添蓝罐内，实现了进液管中添蓝的回流，省却了添蓝回液管，避免了寒区添蓝在进液管中结冰的问题。

优选地，所述压缩空气进气管上设置有气路控制阀。

优选地，所述双层套管的外侧设置有安装法兰。

上述气体射流式添蓝组合喷射器在车用SCR排气后处理系统上的应用，包括如下步骤：

1)将所述气体射流式添蓝组合喷射器顺气流安装在排气管中,添蓝入口与添蓝罐的出液口相连，压缩空气入口与压缩空气源相连；

2)压缩空气经压缩空气通道进入气动喷头，在导流槽处形成螺旋气流，随后在压缩空气环缝出口处形成螺旋状高速射流；

3)添蓝喷射孔周围区域的空气被射流卷走形成真空，使得添蓝入口与添蓝喷射孔之间存在压差；

4)添蓝在压差的作用下，经添蓝通道流至添蓝喷射孔，在添蓝喷射孔处与螺旋状高速射流相遇并被击碎，形成喷雾。

本发明的有益效果是：1)该装置利用压缩空气作为添蓝喷射的动力源，使添蓝(或其他液态还原剂)与压缩空气实现外部混合，保证了添蓝以气液混合物的形态喷入排气管中；2)添蓝通道位于压缩空气通道内部，且与压缩空气通道同轴并相互隔离，压缩空气可对添蓝通道起一定的冷却作用，降低了添蓝结晶的风险；3)由于利用压缩空气作为动力源，消除了泵控SCR系统中添蓝在喷射管中的传输延时，借助本发明可从一定程度上降低SCR系统的闭环控制难度。

附图说明

图1为本发明所设计的气体射流式添蓝组合喷射器的结构示意图。

图2为图1中气动喷头的剖视结构示意图。

图3为图2中喷头出口附近的放大图。

其中：添蓝入口1、吹扫入口2、滤网3、计量电磁阀4、计量电磁阀线束接口5、添蓝通道6、添蓝喷射孔7、压缩空气入口8、压缩空气通道9、旋流芯10、第一内圆柱段10.1、第二内圆柱段10.2、内缩径段10.3、内圆孔段10.4、导流槽11、压缩空气环缝出口12、安装法兰13、壳体14、吹扫电磁阀15、吹扫电磁阀线束接口16、气路控制阀17、气路控制阀线束接口18、气动喷头19、喷头壳体20、外圆柱段20.1、外缩径段20.2、外圆孔段20.3、套管接头21、喷头气相通道22、喷头液相通道23、压缩空气进气管24、吹扫压空进气管25、旋流部26

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1～3所示，本发明所设计的气体射流式添蓝组合喷射器，包括双层套管，双层套管包括壳体14，壳体14的外侧设置有安装法兰13，安装法兰13与双层套管均采用不锈钢材料。双层套管的管程为添蓝通道6，双层套管的壳程为压缩空气通道9，添蓝通道6与压缩空气通道9同轴并相互隔离。

双层套管的前端设置有气动喷头19，气动喷头19包括喷头壳体20、套管接头21和旋流芯10，喷头壳体20与旋流芯10之间组成环形的喷头气相通道22，旋流芯10的内部为喷头液相通道23。喷头液相通道23、喷头气相通道22分别与添蓝通道6、压缩空气通道9的前端相连通。喷头气相通道22在其出口端设置有压缩空气环缝出口12，喷头液相通道23在其出口端设置有添蓝喷射孔7。

喷头壳体20沿气流方向依次包括内径为D1的外圆柱段20.1、内径逐渐缩小的外缩径段20.2和内径为D2的外圆孔段20.3。旋流芯10沿气流方向依次包括外径为d1的第一内圆柱段10.1、外径为d2的第二内圆柱段10.2、外径逐渐缩小的内缩径段10.3和外径为d3的内圆孔段10.4。其中，D1＝5.6mm，d1＝3.6mm，d2＝3.4mm，D2＝1.4mm，d3＝1.0mm。添蓝喷射孔7设置在内圆孔段10.4的出口，压缩空气环缝出口12设置在外圆孔段20.3的出口与内圆孔段10.4的出口之间。内圆孔段10.4的前端伸出外圆孔段20.3的前端0.75mm。环缝宽度，即(D2-d3)/2的取值为0.2mm。旋流芯10的第一内圆柱段10.1在靠近第二内圆柱段10.2处设置有向外侧凸出的环形的旋流部26，旋流部26上设置有四条导流槽11。导流槽11与旋流芯10的轴向的夹角θ的取值为30°。导流槽11的槽宽为0.7mm，槽深为0.9mm。

压缩空气通道9的后端密闭，其后部设置有压缩空气进气管24，压缩空气进气管24上设置有压缩空气入口8和气路控制阀17，气路控制阀17设置有气路控制阀线束接口18。

添蓝通道6的后端沿添蓝流向依次设置有添蓝入口1、吹扫压空进气管25、滤网3和计量电磁阀4，计量电磁阀4设置有计量电磁阀线束接口5。吹扫压空进气管25的末端上设置有吹扫入口2，吹扫压空进气管25上设置有吹扫电磁阀15，吹扫电磁阀15设置有吹扫电磁阀线束接口16。

在在车用SCR排气后处理系统上应用上述装置进行添蓝定量喷射的过程简述如下：

该气体射流式添蓝组合喷射器在排气管中须采用顺气流方式进行安装。添蓝入口1与添蓝罐(图中未示出)的出液口相连，压缩空气入口8与压缩空气源(图中未示出)相连，计量电磁阀4、气路控制阀17分别根据当前的控制输出信号进行开启和关闭。在压缩空气入口8和压缩空气源之间设有减压阀(图中未示出)，利用减压阀保证进入压缩空气入口8的压力恒定，从而在添蓝喷射孔7处形成稳定的负压；利用气路控制阀17可控制压缩空气的输入。

执行定量喷射时，打开相应的阀门，使添蓝通道、压缩空气通道保持畅通。压缩空气经压缩空气通道9进入气动喷头19，在导流槽11处形成螺旋气流。随后在压缩空气环缝出口12处形成螺旋状高速射流，添蓝喷射孔7周围区域的空气被射流卷走形成真空，使得添蓝入口1与添蓝喷射孔7之间存在压差。在压差的作用下，添蓝经添蓝入口1、滤网3、计量电磁阀4、添蓝通道6、喷头液相通道23到达添蓝喷射孔7，在添蓝喷射孔7处与螺旋状高速射流相遇并被击碎，形成喷雾。

当系统停止工作时，可关闭气路控制阀17，减少系统的耗气量。

吹扫入口2与压缩空气源相连，当系统处于工作状态时，吹扫电磁阀15关闭；当系统需要进行吹扫时，吹扫电磁阀15开启，将添蓝通道6和添蓝进液管中残留的添蓝分别吹回烟气管道和添蓝罐中，完成吹扫。

该装置可通过改变计量电磁阀4的结构参数、添蓝喷射孔7和压缩空气环缝出口12的尺寸来改变组合喷射器的流量特性以及雾化粒径。改变滤网3的目数可改变组合喷射器的过滤能力，以应用于不同的场合。