一种高效防结晶尿素喷嘴的制作方法

本发明涉及一种尿素喷嘴，特别涉及一种高效防结晶尿素喷嘴，属于柴油机尾气后处理技术领域。

背景技术：

柴油机尾气中主要的污染物是NOx，为使得柴油机汽车达到国家排放法规要求，我国的主要技术路线就是选择性催化还原(SCR)，在SCR后处理系统中用尿素溶液作为还原剂来去除柴油机尾气中的氮氧化物，从而达到国家的相应排放法规的要求。该系统的工作原理是：尾气进入排气管，在排气管上安装有尿素喷嘴，喷入车用尿素溶液，尿素在高温下发生水解和热解反应后生成氨，经过催化器内部，氨和氮氧化物发生还原反应，生成氮气和水，从而达到净化尾气的作用。

公知的是，还原剂喷射装置是SCR后处理系统的核心部件，其喷雾效果的控制，尿素溶液的喷射精度和雾化效果是保障催化剂转换效率的关键，而在现有技术中，是利用压缩空气与尿素溶液在尿素计量泵内进行混合雾化，由于排气管温度过高，会使得尿素溶液产生的气液混合物在高温下极易挥发或结晶，造成堵塞喷嘴，同时也会影响尿素溶液的浓度从而造成尿素溶液的喷射雾化的效果和喷射精度降低，在高温情况下与尿素泵配合使用的尿素喷嘴也极易结晶。

当前大部分车用还原剂喷射装置(也叫尿素喷嘴)通常采用单通道气液混合喷射雾化，即通过尿素计量泵高压直接将尿素溶液和压缩气体混合后通过尿素喷嘴喷射到排气管里，尿素溶液在排气管中呈气液混合状态，雾化效果较差，同时因为其工作环境温度较高通常达到400-500℃，尿素喷嘴易结晶，造成整车后处理系统故障。

发明人之前申请了一种双流体尿素喷嘴，将尿素导流管的下端插入喷嘴主体内与尿素引流通道相连通，空气导流管的下端插入喷嘴主体内与由隔热罩围合而成的导通空间相通，尿素导流管从导通空间中穿过，导通空间的下部与空气引流通道相连通，尿素引流通道呈“L”形与设于喷嘴主体侧面的喷嘴芯相连通，空气引流通道的下端出口朝向喷嘴主体的侧面倾斜收窄后与空气喷腔相连通，空气喷腔以喷嘴芯为中心呈环状。该发明中的尿素引流通道、空气引流通道具有较长的一段距离，同时喷嘴走势垂直于尿素引流通道、空气引流通道，虽然雾化效果较一般产品有明显的改善，但是还存在一定的不足，尿素喷嘴中的气流和尿素溶液在喷嘴处急剧变化不能平稳过渡，加之尿素引流通道、空气引流通道较长，喷射效果还存在一定的不足。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种高效防结晶尿素喷嘴，喷射效果较之前产品有明显的改善，喷雾顺畅，结晶风险低。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种高效防结晶尿素喷嘴，包括喷嘴壳体,所述的喷嘴壳体顶端连接有空气导流管、尿素导流管，所述的喷嘴壳体呈圆柱形，喷嘴壳体下端一侧设有喷射面，所述的喷射面呈半椭圆形，喷射面向喷嘴壳体内部延伸形成喷射座；所述的喷嘴壳体内部设有腔体，腔体连通所述的空气导流管；所述的喷射座与水平面的夹角为30至75度，喷射座中心连通所述的尿素导流管，尿素导流管弧形过渡到所述的喷射座中心，尿素导流管延伸至所述的喷射面形成尿素溶液出口；所述的喷射座在尿素导流管的外围形成空气环腔，所述的空气环腔包括空气导入段、空气缓存段、空气喷射段，空气导入段设置在所述的空气环腔边缘处，空气导入段末端连通所述的空气缓存段，空气缓存段连通所述的空气喷射段，空气喷射段延伸到所述的喷射面形成空气出口。

如上所述的一种高效防结晶尿素喷嘴，所述的喷嘴壳体一侧设有定位销。定位销用于将整个尿素喷嘴安装到排气管上，防止尿素喷嘴窜动，增强安装稳定性。

如上所述的一种高效防结晶尿素喷嘴，所述的空气导流管首端设有快拧接头，快拧接头一侧设有空气喷吐腔，空气导流管连接尿素泵出气口。快拧接头可以快速的将空气导流管与尿素泵出气口组合连接。

如上所述的一种高效防结晶尿素喷嘴，所述的尿素导流管首端连接尿素泵出液口。尿素泵出液口导出的尿素溶液通过尿素导流管进入。

如上所述的一种高效防结晶尿素喷嘴，所述的空气导入段呈圆环状，空气缓存段内逐渐变宽后向所述的空气喷射段收拢。空气导入段使进入腔体的空气导入空气环腔，进入空气环腔后流入空气缓存段，空气缓存段逐渐变宽后向所述的空气喷射段收拢。从空气导入管进入腔体内的空气，不仅能够在尿素导流管周围形成环状包裹，还可以使空气流动带走喷嘴壳体吸收的热气流热量，从而起到良好的液体通路保护作用，此外进入空气喷射段的空气强筋有力的排出，使尿素溶液更好的雾化，进一步防止尿素结晶出现。

如上所述的一种高效防结晶尿素喷嘴，所述的空气出口包围所述的尿素溶液出口。空气出口将尿素溶液出口包围，可以使尿素溶液出口排出的尿素溶液360度无死角受到空气出口排出的气流冲击，雾化均匀，同时尿素溶液不易在尿素溶液出口处聚集成液滴，雾化彻底。

如上所述的一种高效防结晶尿素喷嘴，所述的尿素导流管上端呈直角弯曲，弯曲处采用弧形过渡。尿素导流管设计成不同的弯曲形状，从而适应不同的安装场合。

如上所述的一种高效防结晶尿素喷嘴，所述的尿素导流管弧形过渡后垂直伸入所述的喷射座中心。尿素导流管弧形过渡后垂直伸入喷射座中心，从而使尿素溶液在即将喷出时，方向不发生急剧改变，尿素溶液保留一定的速度垂直的从尿素溶液出口喷出，喷出顺畅，雾化均匀，更好的起到催化还原尾气的效果。

如上所述的一种高效防结晶尿素喷嘴，所述的尿素导流管在所述的尿素溶液出口处变窄。尿素导流管在尿素溶液出口处变窄，从而使尿素溶液在出口处具有较大的动能，喷出效果好。

本发明的有益效果是：

空气导入段呈圆环状，空气缓存段内逐渐变宽后向所述的空气喷射段收拢。空气导入段使进入腔体的空气导入空气环腔，进入空气环腔后流入空气缓存段，空气缓存段逐渐变宽后向所述的空气喷射段收拢，能够使进入空气喷射段的空气强筋有力的排出，从而使尿素溶液更好的雾化，防止尿素结晶出现；

尿素导流管弧形过渡后垂直伸入所述的喷射座中心。尿素导流管弧形过渡后垂直伸入喷射座中心，从而使尿素溶液在即将喷出时，方向不发生急剧改变，尿素溶液保留一定的速度垂直的从尿素溶液出口喷出，喷出顺畅，雾化均匀，更好的起到催化还原尾气的效果。

附图说明

图1为高效防结晶尿素喷嘴结构示意图；

图2为高效防结晶尿素喷嘴内部结构示意图；

图3为高效防结晶尿素喷嘴空气环腔处局部放大图；

图4为高效防结晶尿素喷嘴喷射面处局部放大图；

图5为高效防结晶尿素喷嘴侧视图；

图6为尿素导流管呈直角弯曲的高效防结晶尿素喷嘴结构示意图；

图7为高效防结晶尿素喷嘴组装结构示意图；

图8为传统尿素喷嘴NH₃质量分数云图；

图9为本发明的尿素喷嘴NH₃质量分数云图；

图10为传统尿素喷嘴H₂O质量分数云图；

图11为本发明的尿素喷嘴H₂O质量分数云图；

其中，1、喷嘴壳体；2、空气导流管；3、尿素导流管；4、喷射面；5、喷射座；6、腔体；7、尿素溶液出口；8、空气环腔；801、空气导入段；802、空气缓存段；803、空气喷射段；9、空气出口；10、定位销；11、快拧接头；12、空气喷吐腔。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1、图2、图4、图5、图7所示，一种高效防结晶尿素喷嘴，包括喷嘴壳体1,喷嘴壳体1顶端连接有空气导流管2、尿素导流管3，喷嘴壳体1呈圆柱形，喷嘴壳体1下端一侧设有喷射面4，喷射面4呈半椭圆形，喷射面4向喷嘴壳体1内部延伸形成喷射座5；喷嘴壳体1内部设有腔体6，腔体6连通空气导流管2；喷射座5与水平面的夹角为30至75度，喷射座5中心连通尿素导流管3，尿素导流管3弧形过渡到喷射座5中心，尿素导流管3延伸至喷射面4形成尿素溶液出口7；喷射座5在尿素导流管3的外围形成空气环腔8，空气环腔8包括空气导入段801、空气缓存段802、空气喷射段803，空气导入段801设置在空气环腔8边缘处，空气导入段801末端连通空气缓存段802，空气缓存段802连通空气喷射段803，空气喷射段803延伸到喷射面4形成空气出口9。

喷嘴壳体1一侧设有定位销10。定位销10用于将整个尿素喷嘴安装到排气管上，防止尿素喷嘴窜动，增强安装稳定性。

空气导流管2首端设有快拧接头11，快拧接头11一侧设有空气喷吐腔12，空气导流管2连接尿素泵出气口。快拧接头11可以快速的将空气导流管2与尿素泵出气口组合连接。

尿素导流管3首端连接尿素泵出液口。尿素泵出液口导出的尿素溶液通过尿素导流管3进入。

如图3所示，空气导入段801呈圆环状，空气缓存段802内逐渐变宽后向空气喷射段803收拢。空气导入段801使进入腔体6的空气导入空气环腔8，进入空气环腔8后流入空气缓存段802，空气缓存段802逐渐变宽后向空气喷射段803收拢，能够使进入空气喷射段803的空气强筋有力的排出，从而使尿素溶液更好的雾化，防止尿素结晶出现。

空气出口9包围尿素溶液出口7。空气出口9将尿素溶液出口7包围，可以使尿素溶液出口7排出的尿素溶液360度无死角受到空气出口9排出的气流冲击，雾化均匀，同时尿素溶液不易在尿素溶液出口7处聚集成液滴，雾化彻底。

尿素导流管3弧形过渡后垂直伸入喷射座5中心。尿素导流管3弧形过渡后垂直伸入喷射座5中心，从而使尿素溶液在即将喷出时，方向不发生急剧改变，尿素溶液保留一定的速度垂直的从尿素溶液出口7喷出，喷出顺畅，雾化均匀，更好的起到催化还原尾气的效果。

尿素导流管3在尿素溶液出口7处变窄。尿素导流管3在尿素溶液出口7处变窄，从而使尿素溶液在出口处具有较大的动能，喷出效果好。

如图6所示，高效防结晶尿素喷嘴的一个实施例中，尿素导流管3上端呈直角弯曲，弯曲处采用弧形过渡。尿素导流管3设计成不同的弯曲形状，从而适应不同的安装场合。

通过对本发明与传统的尿素喷嘴在同一排气筒内进行流体分析，对比两模型的NH₃、H₂O的扩散面积。具体在fluent中对进出口及边界条件设置如下：

1.进口设置参数：

1)mass flow rate：0.0347754 kg/s

2)direction specification method：Normal to Boundary

3)Turbulent Intensity：5％

4)Turbulent Viscosity Ratio：5

5)Total Temperature：400℃

7)Discrete Phase BC Type：escape

2.出口设置参数：

1)Backflow Turbulent Intensity：5％

2)Backflow Turbulent Viscosity Ratio：5

3)Backflow Total Temperature：400℃

4)Species：all the species have their mass fractions set to 0

5)Discrete Phase BC Type：escape

3.喷射口参数：

1)Injection Type：solid-cone

2)Number of Particle Streams：10

3)Particle Type：Multicomponent

4)Material：urea-water

5)Diameter Distribution：rosin-rammler

6)Temperature：20℃

7)Azimuthal Start Angle：0(deg)

8)Azimuthal Start Angle：360(deg)

9)Velocity Magnitude：20m/s

10)Cone Angle：10(deg)

11)Radius：6.25e-02mm

12)Total Flow Rate：0.0001798kg/s

13)Min.Diameter：4e-03mm

14)Max.Diameter：8e-02mm

15)Mean Diameter：5e-02mm

16)Spread Parameter：3.5

17)Number of Diameters：5

4.筒壁参数设置：

1)Thermal Conditions：Convection

2)Heat Transfer Coefficient：10(w/m2-k)

3)Free Stream Temperature：-30℃

4)Wall Thickness：2.46e-02mm

5)Boundary Cond：wall-film

6)Number Of Splashed Drops：4

如图8所示，传统尿素喷嘴模型的NH₃质量分数云图，其NH₃扩散面积约为23％。

如图9所示，本发明的尿素喷嘴模型NH₃质量分数云图，其NH₃扩散面积约为35％。

如图10所示，传统尿素喷嘴模型的H₂O质量分数云图，其H₂O扩散面积约为25％。

如图11所示，本发明的尿素喷嘴模型的H₂O质量分数云图，其H₂O扩散面积约为42％。

通过对比可以得到，NH₃扩散面积：传统尿素喷嘴约为23％，本发明的尿素喷嘴约为35％，本发明的NH₃扩散面积提升152％。

H₂O扩散面积：传统尿素喷嘴约为25％，本发明的尿素喷嘴约为42％，本发明的H₂O扩散面积提升168％。本发明相对于传统尿素喷嘴具有高效的喷射效果，能够有效地起到防止尿素结晶的作用。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。