一种排气后处理用旋流喷嘴的制作方法
【专利摘要】一种排气后处理用旋流喷嘴，包括一个喷嘴体，一个旋流芯和喷孔板，旋流芯包括一个旋转体形旋流室和至少一个与旋流室边沿相切的流道，喷孔板包括喷孔，旋流芯与喷孔板结合喷嘴体之中形成旋流室和切向流道。旋流室位于喷嘴体之中，喷孔位于旋流室中心，所述切向流道的总流通面积与喷孔的流通面积之比SI在0.75-1.5之间。SI<1时，旋流喷嘴的流量由切向流道的流通面积决定，否则，SI>1时，旋流喷嘴的流量由喷孔的流通面积决定。
【专利说明】
一种排气后处理用旋流喷嘴
技术领域
[0001]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N0X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】
[0002]面对世界共识的环保问题，节能减排已经成为车辆及发动机的永无止境的要求。 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 Reduct1n)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。
[0003]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N0X等发生催化还原反应，使NO x分解为无害的N 2、H20,因此需要精度较高的SCR计量喷射雾化装置。现有的SCR喷射系统，大体可分为纯液体雾化和气助雾化两种，纯液体雾化的计量对喷嘴的几何参数设定非常敏感，一般为多孔式和旋流喷嘴两种结构，而气助雾化通常采用多孔雾化较多，出现的问题是喷射不均匀和容易碰壁。美国专利US 2008/0087739 A1公开了一种旋流雾化喷嘴，主要的应用是纯液体喷射，喷射计量依靠喷孔的几何尺寸和加工精度。
[0004]对于气助雾化方式，液体的计量主要不是依赖喷射的喷嘴，而在于计量栗，这种情况下，喷嘴设计要考虑的主要因素是雾化特性，并非计量。
[0005]雾化特性主要指雾化粒径，粒径的尺寸分布，雾化的空间分布等。对雾化特性影响较大的是喷嘴的旋流度，而喷嘴的旋流度与切向流道的流通面积与喷嘴孔面积的比值直接相关。如果用喷孔的几何尺寸计量和限定流量，则喷雾特性就不能得到优化设计，旋流喷嘴的优势就不能完全发挥。
[0006]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燃油使排气温度进一步升高，然后进入DPF，使其中的颗粒物氧化燃烧。因此，与SCR系统类似， 再生燃油的喷射，也需要雾化良好的液体喷雾，喷嘴的结构设计十分关键。
【发明内容】
[0007]本发明针对上述问题，之目的在于提供一种可以调节雾化特性、易于散热安装方便的，用于SCR尿素水溶液喷射和DPF再生燃料喷射的发动机后处理旋流喷嘴。
[0008]为实现上述目的，本发明采取以下技术方案:一种排气后处理用旋流喷嘴，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，至少一个切向流道，其特征在于，所述切向流道的总流通面积与喷孔的流通面积之比在0.75-1.5之间。
[0009]切向流道的流通面积与喷孔流通面积之比SI对流体喷射前的旋流度影响很大， 而旋流度将直接影响雾化特性。SI越大，喷射的角度越小，颗粒的均匀度越好，反之，SI越小，喷射的角度越大，大颗粒液滴与小颗粒液滴的区域分离越明显，大颗粒分布在雾锥的外围。根据试验观察，当SI小于0.75时，雾角过大，大颗粒液滴会向四周飞溅，不利于后处理进行的化学反应；而SI大于1.5时，喷雾锥角过小，平均粒径(例如SMD)也比较大，从而失去了了通过旋流雾化和扩散的效果。SI超过上述两个临界值，都会失去在发动机后处理喷射中的应用价值，对SCR和DPF系统都是如此。
[0010]进一步，上述技术方案可以包括一个旋流芯和喷孔板，旋流芯包括一个旋转体形旋流室和至少一个与旋流室边沿相切的沟槽，喷孔板包括喷孔，旋流芯与喷孔板结合喷嘴体之中形成旋流室和切向流道。
[0011]SK1时，旋流喷嘴的流量由切向流道的流通面积决定，否则，SI>1时，旋流喷嘴的流量由喷孔的流通面积决定。
[0012]上述喷孔的几何形状可以是一个圆柱形，也可为一个环形空间，由一个旋转空间和旋转体构成，旋转体位于旋转空间的中心。一种较为具体的设计是:包括一个旋流芯和喷孔板，旋流芯包括一个旋转体形旋流室和至少一个与旋流室边沿相切的沟槽，喷孔板包括一个旋转空间，所述旋转体固定在旋流芯上，旋流芯与喷孔板结合形成旋流室、切向流道和喷孔。所述旋转体和旋转空间的相对位置在轴向可以调整以形成不同和雾化特性。
[0013]进一步，所述旋转体包括一个锥形末端，旋转空间包括一个锥形空间，锥形末端与锥形空间形成一个向外扩张的环形喷孔。
[0014]上述技术方案之喷嘴体前端可以开放，旋流芯从喷嘴体前端置入，旋流芯通过喷孔板与喷嘴体之间的连接固定，连接可以通过将喷孔板与喷嘴体直接焊接实现，也可以通过将喷嘴体与喷孔板的机械压力铆合实现，这是一种前装方式。
[0015]进一步，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。所述隔热件可以是一个金属细长管，或者薄壁管，也可以是一个陶瓷绝热管，隔热件可以作为流体输送管路的一部分。
[0016]更进一步的方案是，将喷孔板与喷嘴体设计为一体，喷嘴体后端开放，将旋流芯从喷嘴体后端置入，通过喷嘴体与隔热件之间的连接固定旋流芯，这是一种后装方式。
[0017]—种实用的设计是:所述快速接头满足SAE J2044。
[0018]为了降低喷嘴体的温度，上述方案可以包括一个与喷嘴体紧密连接的热交换器， 通过对流换热和热辐射方式将喷嘴体的热量带到大气中。所述热交换器可以为含翅片的金属体，由合金铝或者其它金属材料制造。
[0019]一种包含上述发动机排气后处理用旋流喷嘴的发动机后处理SCR系统，这个系统包括氧化氮还原SCR触媒和消音管，所述排气后处理用旋流喷嘴布置在消音管之上游，所述SCR触媒位于两个消音管之间，以至于尿素水溶液直接喷入上游的消音管中，以有利于缩小尿素分解所需要的空间。
[0020]其特征在于，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。
[0021]另一种应用上述发动机排气后处理用旋流喷嘴的发动机后处理DPF再生系统，其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。
[0022]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】
[0023]图1为本发明提供的旋流喷嘴前装式结构之实施例示意图。
[0024]图2为本发明提供的旋流喷嘴后装式结构之实施例示意图。
[0025]图3为本发明提供的旋流喷嘴含散热器结构之实施例示意图。
[0026]图4a SI接近0.75时的旋流喷嘴雾化特征说明。
[0027]图4b SI接近1.5时的旋流喷嘴雾化特征说明。
[0028]图5包含本发明提供的旋流喷嘴之SCR气助喷射系统示意图。
[0029]图6包含本发明提供的旋流喷嘴之DPF再生喷射系统示意图。具体实施例
[0030]如图1所示，为本发明提供的旋流喷嘴前装式结构之实施例结构示意图，包括旋流芯3,喷孔板8,喷嘴体9,锁紧螺母10,隔热管11，快速接插头12。
[0031]所述旋流芯3整体呈正方柱体，在一端面上设有一个旋转体形旋流室1以及一个与旋流室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，其中心设有作为喷孔5的圆柱形旋转空间。
[0032]上述，喷嘴体9为前端开放式结构，旋流芯3和喷孔板8依次从喷嘴体9前端置入， 喷孔板8紧贴旋流芯3上设有旋流室1和切向流道2的端面，然后通过卡圈7和被卷压用于抱紧喷嘴体9的唇边6连接固定。固定方式也可以通过将喷孔板8与喷嘴体9直接焊接实现。
[0033]所述隔热管11 一端以紧配方式插入喷嘴体9中，或通过焊接等方式与喷嘴体9固定为一体，其端面压紧旋流芯3上设有径向流道15的一面。而另一端与一个快速接头12密封连接(通过焊接或压入的方式)，并将安装用锁紧螺母10限于喷嘴体9与快速接头12之间。快速接头12满足SAE J2044标准。隔热管11的长度要保证快速接头12端的温度不能因为喷嘴体9端的高温而超过快速接头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。
[0034]上述旋流芯3与喷孔板8结合喷嘴体9形成旋流室1和切向流道2,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。因为流体切向流入，就在旋流室 1中形成流体旋流。因为圆柱形喷孔5与旋流室1的中心连通，构成更大的旋流室1，所以流体就一边旋转一边从喷孔5喷出。因为切向流道2的流通面积与喷孔5的流体面积之比在0.75~1.5之间，所以旋流室1中的涡流强度较强，喷出液体雾化特性好。如图4a所示， 设切向流道2之流通截面积为A，喷孔5之流通面积尺寸为B。记，切向流道2流通面积与喷孔5流通面积之比SI=A/B，SI越小(接近0.75)时，喷雾29a呈现角度越大，大颗粒液滴与小颗粒液滴的区域分离越明显，大颗粒分布在雾锥的外围。反之，如图4b所示，当SI越大(接近1.5)时，喷雾29b呈现角度越小，颗粒的均匀度越好。
[0035]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1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，形成喷雾，同时压缩空气可以到达冷却喷嘴及清扫的目的。
[0036]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。同时，垫片4也起到了隔热的作用。
[0037]图2所示为本发明提供的旋流喷嘴的后装式结构实施例示意图，其与图1的区别之一在于:旋流芯3a上即设置了旋流室21和切向流道2,还设置了斜流道23。本实施例与图1之区别之二在于:本实施例将所述喷孔5直接加工在喷嘴体24上。所述喷嘴体24包括一个部分旋流室25,圆柱喷孔5位于部分旋流室25之下游。本实施例与图1之区别之三在于:喷嘴体24为后端开放结构，将旋流芯3a从喷嘴体24后端置入，通过喷嘴体24与隔热件11之间的连接固定旋流芯3a，连接可以通过焊接等方式，同时使得旋流室21与部分旋流室25同轴合并形成总旋流室。本实施例与图1之区别之四在于:快速接插头为一个母插座 12a〇
[0038]图3所示旋流喷嘴之含散热器结构示意图，本实施例与图1或图2之区别之一在于:包括一个带热交换器26a的固定座26。热交换器26a与喷嘴体27紧密连接，通过对流换热和热辐射方式将喷嘴体27的热量带到大气中。所述热交换器26a为含翅片的金属体， 由合金铝或者其它金属材料制造。本实施例与图1或图2之区别之二在于:所述喷嘴体27 包括一个旋转空间22。喷孔5为一个环形空间，由旋转空间22和一个旋转体28构成，旋转体28位于旋转空间22的中心，并固定在旋流芯3b上。所述旋转体28包括一个锥形末端 28a，旋转空间22包括一个锥形空间22a，锥形末端28a与锥形空间22a形成一个向外扩张的环形喷孔。所述旋转体28和旋转空间22的相对位置在轴向可以调整以形成不同和雾化特性。
[0039]图5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，包括混合反应模块30以及计量喷射模块31。其混合反应模块包括排气管34,催化转化器35,旋流喷嘴36,温度传感器37以及NOx或氨气传感器38。
[0040] 所述催化转化器35包含一段混合管道34a和位于两端面的安装法兰34b、34c。混合管道34a包括催化转化器35,并通过安装法兰34b和34c与排气管道34连接。所述旋流喷嘴36通过螺纹36b安装在安装台36c之上，并通过密封垫36d密封。多相流喷雾39喷射方向可以与发动机排气33流向呈一定角度(可以是锐角或者钝角)，亦可以与排气33流向相同或相反。发动机排气33流过旋流喷嘴36附近时，与旋流喷嘴36喷射出的含有DEF 液体的多相流喷雾39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35,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33b排出。
[0041]当多向流喷雾39与排气流33逆向时(可包含角度)，除亦可节省安装空间外，还使得相对混合行程加长，得到更好的净化效果。或者可在旋流喷嘴36下游增设混合旋片，使多向流喷雾39与排气33更有效得混合。
[0042]进一步，本系统中所述排气温度传感器37,催化转换器35以及NOx或氨气传感器 38沿排气方向布置在旋流喷嘴36的下游。
[0043]为了保证催化转换器35对高转换效率，SCR系统必须根据排气33中的NOx 含量及温度等条件，准确喷射DEF。因此，系统之计量喷射模块31包括有:控制器41，DEF 计量栗42, DEF喷嘴43, DEF传感器(液位传感器45、温度传感器44等)，空气压力阀47,压缩空气控制阀46, DEF压缩空气混合腔48,混合输送管49。所述混合腔48可布置于计量栗 42之输出端，连同计量栗42置于尿素罐54之底部。
[0044]获取发动机负荷转速等工况运转数据以及NOx传感器37、排气温度传感器38等信号，逻辑运算得到DEF计量栗42需要喷射的DEF量，并立即控制的指令DEF计量栗42工作，从DEF喷嘴43喷射出相应的DEF液体到混合腔48,在此之前，后处理控制器41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46,压缩空气通过进气道53输送至混合腔48。因此，DEF液体和压缩空气在混合腔48内形成气液多相流，经过混合流管49 流向旋流喷嘴36,经过旋流喷嘴36的喷射在排气管34内形成含有DEF液体的多相流喷雾 39。所述控制器41之控制信号通过信号线52传送至计量栗42,信号线52可以通过进气道 53引出。
[0045]后处理控制器41在控制DEF计量栗42停止喷射DEF后，还要保持一定时间继续给混合腔48输送压缩空气，以扫除混合流管49及旋流喷嘴36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。
[0046]所述DEF计量栗42为电磁驱动的脉冲式计量喷射栗，DEF尿素罐54内的DEF要首先经过过滤器50才被吸入DEF计量栗42内，保证了 DEF计量栗42的可靠运行。DEF计量栗42内生成的气体，可以通过回液排气泡管51排出到DEF尿素罐54的顶部，保证不会形成气阻。
[0047]当然，本发明的旋流喷嘴36不仅仅限于图3所示的电磁驱动的脉冲式计量喷射栗，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。
[0048]图6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，包括燃油箱55,旋流喷嘴36,计量栗模块56,高压气模块57,控制器58,以及布置于排气管34之上的温度传感器59,压差传感器60和氧传感器61。
[0049]旋流喷嘴36安装在发动机排气管34之上，沿排气管34在旋流喷喷嘴36的下游， 设置颗粒物捕捉器(DPF)62,它过滤收集柴油机排气33中的碳烟为主要成份颗粒物。旋流喷嘴36定期对排气管34中喷射燃油(柴油)，提高排气33的温度至足以点燃DPF 62收集到的颗粒物，使DPF 62及时得到再生，保证DPF不会堵塞。DPF 62之前可以连接一个氧化型触媒D0C 63,或者在捕捉器DPF 62上直接涂覆贵金属催化剂，以提高排气管温度，帮助再生。
[0050]计量栗模块56包括一个计量喷射栗64, 一个过滤器71，一个喷嘴65, 一个气液混合腔66, 一个混合输送管67。从混合腔66喷出的多相流体经过混合输送管67输送至旋流喷嘴36。
[0051]高压气模块57包括压力调节阀47,压缩空气控制阀46,进气道65,控制阀46打开后，经过压力调节阀47调节后的高压空气经过进气道65进入混合腔66。所述高压空气来自于增压器66以及中冷器67的下游。
[0052]为了保证DPF 62再生可靠，由DPF 62再生控制器58根据发动机运行工况、以及各传感器信号等条件，经过过滤器71过滤的燃油由计量喷射栗64和喷嘴65定量定时向混合腔66喷射，同时，压缩空气控制阀46打开，空气进入混合腔66与喷射液混合，经过混合输送管67进入旋流喷嘴36,然后喷入发动机排气管34中，形成雾化良好分布均匀的伞状油气雾68,在排气33中燃烧，形成高温排气进入DPF 62对其进行再生。喷雾68方向可平行于排气流33方向或者与排气流33方向呈一定角度。
[0053] 本应用例所述压缩空气气源为发动机增压器74之中冷器75之后的进气，压缩空气除辅助雾化外，还可以为燃油的燃烧进一步提供氧气。燃油喷射过程结束后，压缩空气控制阀46可以延时关闭，用来扫除其中残余燃油，防止滴油形成结焦或积碳等堵塞旋流喷嘴 36 〇
[0054]上述DPF再生系统，所述燃油箱55可以是用于DPF系统的副油箱，发动机高压喷射系统的回油(最好采取串联的形式)通过进油口 70进入副油箱55,然后再通过回油口 69 回到发动机的主油箱。计量喷射栗64位于燃油箱之上方，燃油可由于自重经进液道72流出，经过过滤器后进入计量栗64,工作过程中多余燃油则从回液道73流回燃油箱55,形成供油回路。所述过滤器71也可以被主油箱过滤器(图中未示出)所替代。
[0055]对于DPF再生系统，高压空气也可以不参与燃油喷射过程，仅用于清扫过程。
[0056]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。
【主权项】
1.一种排气后处理用旋流喷嘴，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，所述切向流道的总流通面积 与喷孔的流通面积之比在0.75-1.5之间。2.如权利要求1所述的排气后处理用旋流喷嘴，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旋流室和至少一个与旋流室边沿相切的沟槽，喷孔板包括喷 孔，旋流芯与喷孔板结合形成旋流室和切向流道。3.如权利要求2所述的排气后处理用旋流喷嘴，其特征在于，喷孔由一个旋转空间和 旋转体构成，旋转体位于旋转空间的中心。4.如权利要求1-3之一项所述的排气后处理用旋流喷嘴，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。5.如权利要求4所述的排气后处理用旋流喷嘴，其特征在于，所述隔热件为一个细长管。6.如权利要求1-3之一项所述的排气后处理用旋流喷嘴，其特征在于，包括一个与喷 嘴体紧密连接的热交换器，通过对流换热和热辐射方式将喷嘴体的热量带到大气中。7.如权利要求5或者6所述的排气后处理用旋流喷嘴，其特征在于，所述快速接头满足 SAE J2044〇8.—种应用权利要求1至7之任一所述发动机排气后处理用旋流喷嘴的发动机后处 理SCR系统，其特征在于，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。9.一种应用权利要求1至7之任一所述发动机排气后处理用旋流喷嘴的发动机后处 理SCR系统，其特征在于，包括消音管和SCR催化还原装置，所述排气后处理用旋流喷嘴布 置在消音管之上游，以至于尿素水溶液喷入消音管。10.—种应用权利要求1至7之任一所述发动机排气后处理用旋流喷嘴的发动机后处 理DPF再生系统，其特征在于，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。
【文档编号】F01N3/28GK105986863SQ201510079077
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年2月15日
【发明人】郗大光, 徐露明, 杨延相
【申请人】浙江福爱电子有限公司