反应剂与气流混合的装置及方法与流程

本发明涉及内燃机后处理技术领域。更具体地说，本发明涉及反应剂与气流混合的装置及方法，尤其是涉及一种内燃机尾气净化后处理系统的反应剂与发动机废气的混合装置与方法。

背景技术：

目前用于柴油机降氮氧化物的scr后处理系统需要将液态或者气态反应剂，比如尿素水溶液或者氨气喷入发动机排气管或者后处理封装内与发动机废气充分混合。尤其是尿素水溶液，需要在喷入时较好地雾化，以便尿素溶液尽快气化，分解成氨气，在scr的催化作用下，氨与nox产生反应生成氮气(n2)和水(h2o)，以达到减少nox排放的效果。

当前设计的混合装置都是由各种形式的固体叶片组成用于对气流进行整流，让流体按人们所需要的方式流动，以达到让尿素与发动机废气混合的效果。这种布置经常会有一个问题：雾化后的尿素水溶液在没有完全气化之前，由直径大小不一的液滴(雾)构成。这些液滴在碰到任何固体表面，都会出现凝聚，在固体表面形成直径较大的液珠或者湿润在固体表面形成液膜。一旦出现这种现象，反应剂气化以及分解的过程就会大大延长，甚至久而久之会在混合器上形成永久性的残留，最终导致塑化、积累(即结晶)。

事实上，如今的scr消音器内部由于尿素残留而导致的结晶现象是极为普遍的。除了尿素喷射过量等诸多因素以外，尿素直接接触到固体表面，比如混合器、排气管壁或者催化剂封装管壁等，为最主要的原因。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提供反应剂与气流混合的装置及方法，可避免雾化之后的反应剂(如尿素)在气化之前与任何固体接触，同时与发动机排气气流充分混合并均匀分布在流道截面中，可以有效减少反应剂在排气流道内结晶，提升scr转化效率。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了反应剂与气流混合的装置，包括：混合器，其为多孔的柱体结构且内部为中空的混合腔，所述混合器位于气体流道内且位于催化剂的上游，所述混合器上端固定在气体流道管壁上；导流板，其外周与气体流道管壁固定连接，所述导流板上部分位于混合器的下游且与混合器具有间距、下部分具有孔洞且与混合器下端密封固定以使得孔洞恰好与混合器下端开口贯通；喷嘴，其紧贴混合器上端固定的气体流道管壁且便于反应剂在不接触任何固体表面的情况喷入混合腔内。

优选的是，所述混合器下端开口为倾斜开口，其沿着气流方向向上倾斜，所述混合器下端与气体流道管壁具有间距。

优选的是，所述导流板从气流方向看为在下部具有两个孔的圆形板，上方的孔与混合器下端开口恰好对应贯通，下方的孔贯通混合器上游和导流板下游。

优选的是，所述导流板从气流方向看为在下部具有一个孔且底部为缺口的圆形板，此孔恰好贯通混合器下端开口，此缺口恰好贯通混合器上游和导流板下游。

优选的是，所述混合器下端开口为倾斜开口，其沿着气流方向向上倾斜，所述混合器下端与气体流道管壁恰好紧贴，所述导流板从气流方向看为下部具有缺口的圆形板，此缺口恰好贯通混合器下端开口。

优选的是，在所述导流板与催化剂之间还设置有均配器，其由多个旋流叶片构成且多个旋流叶片呈周向分布形成圆形。

优选的是，所述均配器旋流叶片由催化剂制成或所述均配器旋流叶片上涂有催化剂。

优选的是，还包括活动固定装置，其包括：

固定带，其环形一圈套设于气体流道管壁外且两端通过卡扣固定，所述固定带中部具有贯通混合器上端开口的通孔，且通孔与混合器上端开口恰好对应，所述固定带在通孔横向的两端具有一对贯通通孔的凹槽，其为朝向通孔渐缩型凹槽；

一对卡合块，其为方体结构且分别卡合于一对凹槽内，所述方体结构的截面大于所述凹槽较小的开口截面，所述卡合块朝向通孔的一端固定有连接块，其凸出于通孔内且凸出的端部还连接有弹性的弧形卡环，其中心朝向通孔的中心线；

固定套筒，其竖直固定于固定带上且固定套筒的中空腔体恰好竖直对应贯通通孔；

一对调节杆，其为倒l型且横杆和竖杆相互铰接设置，所述调节杆的一端竖直铰接于卡合块上、另一端水平穿过固定套筒位于其中空腔体内，所述调节杆的另一端也固定有弹性的弧形卡环，其中心朝向通孔的中心线；

一对辅助机构，其包括一对滑移杆、一对滑板和u型滑槽，所述u型滑槽两开口分别竖向间隔位于固定套筒内的调节杆的上方，且所述u型滑槽两开口分别贯通至固定套筒中空腔体内，一对滑移杆分别水平配合于所述u型滑槽内，一对滑移杆的外端分别凸出至固定套筒中空腔体内且端部固定有弹性的弧形卡环，其中心朝向通孔的中心线，一对滑移杆的内端分别通过弹簧连接一对滑板，其设置为可密封沿u型滑槽自由滑动，所述u型滑槽在一对滑板之间填充有干燥细沙；初始状态时，所述连接块、调节杆和滑移杆连接的弧形卡环在同一竖直平面内且中间卡合有喷嘴。

优选的是，弹性的弧形卡环两端分别固定有防滑片。

本发明还提供一种反应剂与气流混合的方法，将一个多孔的柱体结构混合器竖直布置在通有气体的气体流道内，并通过导流板上部的密封阻挡作用使得混合器内部的混合腔产生负压，且其中一部分气体流入混合腔内之后在混合腔表面形成气膜，另一部分气体从导流板和混合器底部流出，剩余大部分气体与从混合器上端开口喷入混合腔中的雾化反应剂进行气化混合，然后从导流板下部与混合器下端开口贯通的孔洞中流出完成气化混合。

本发明至少包括以下有益效果：

相对当前的技术，本发明避免了如尿素类的反应剂雾化后在现有各种混合器的固体表面凝固的问题，同时又避免了尿素溶液在气化之前接触排气管壁。这样就可以显著地减少排气管内尿素结晶的可能性，同时提高了后处理系统降氮氧化物效果。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明一种实施方式中混合器的结构示意图；

图2为本发明混合器内混合腔中气流示意图；

图3为本发明气流进入混合器的截面示意图；

图4为本发明混合器柱体表面开孔样板示意图；

图5为本发明一种实施方式中对应的导流板的一种结构示意图；

图6为本发明一种均配器的结构示意图。

图7为本发明一种实施方式中对应的导流板的另一种结构示意图；

图8为本发明另一种实施方式中混合器的结构示意图；

图9为本发明另一种实施方式中对应的导流板的结构示意图；

图10为本发明活动固定装置的结构示意图。

附图标记说明：

100、混合器，200、流道，300、催化剂，400、喷嘴，500、混合腔，600、导流板，700、均配器，401、固定带，402、凹槽，403、卡合块，404、连接块，405、弧形卡环，406、固定套筒，407、调节杆，408、滑移杆，409、滑板，410、u型滑槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1至9所示，本发明提供一种反应剂与气流混合的装置，包括：

混合器100，其为多孔的柱体结构且内部为中空的混合腔500，所述混合器100位于气体流道200内且位于催化剂300的上游，所述混合器100上端固定在气体流道200管壁上；

导流板600，其外周与气体流道200管壁固定连接，所述导流板600上部分位于混合器100的下游且与混合器100具有间距、下部分具有孔洞且与混合器100下端密封固定以使得孔洞恰好与混合器100下端开口贯通；

喷嘴400，其紧贴混合器100上端固定的气体流道200管壁且便于反应剂在不接触任何固定表面情况喷入混合腔500内。

在上述技术方案中，由于现有实际使用中，喷嘴400均是从排气管壁将雾化的反应剂喷入排气管气体流道200内，因此本发明公开了一种针对此种喷嘴400设置位置的新型混合器100，布置在scr催化剂300上游，对发动机排气提前进行导向，形成一个我们所需要的流场。这个流场可以使得尿素喷入该混合器100后在完全气化之前被气流“裹”在混合器100内部流动，避免与任何固体表面接触，从而能够提升反应剂气化与分解速度，以达到促进尿素溶液在最短时间内气化的目的。

混合器100主要由一个多孔的柱体构成，布置在发动机排气(封装)气体流道200内，且位于scr催化剂300上游，尿素喷嘴400将尿素雾化并喷射入混合器100内腔，即混合腔500(如图2)，实现反应剂尿素与气流的混合。混合器100一端(图中所示的上端)固定在排气气体流道200管壁上，另一端(图中所示的下端)固定在导流板600上。当发动机排气从左边向右边流动时，导流板600上部将大部分气流挡住，在混合腔500内形成负压，使气流按所需要的方式流入混合腔500内并在混合腔500内形成气膜，将喷入混合腔500内的反应剂包裹，避免其与任何固体表面接触。当气流向下从混合器100下端开口流出混合腔500时，导流板600底部的开孔使得另一股气流即图1中贴着底部流动的气流从导流板600底部流入与混合腔500内流出的气流汇合，避免混合腔500内出来的气流直接撞击到排气管底部。这两股气流汇合后，向上流动，进入均配器700。在反应剂尿素完成气化之后，经过一个均配器700装置，使得气化之后的反应剂与废气充分混合并在流入scr催化剂300之前均匀分配在流道200截面上。

混合器100上设置的开孔大小、形状与分布通过计算机模拟优化来实现两个效果：1)在混合腔500内表面形成气膜，将尿素包裹住，避免让未完全气化的尿素过早与混合腔500内表面接触；2)使尿素尽量充分与废气混合。优先地，通过设计上述开孔的形状，如图3所示，可以使得混合腔500内气流旋转(图4所示)。而混合器100的形状可以是任何形状，由一块整板拉伸、冲压、打孔来制作或者由多块或者多节板块连接而成，优选地根据喷入混合腔500的尿素雾团形状来设计，不同尿素喷嘴400喷出的雾团形状不一样。比如，尿素喷入形状为圆锥形，则混合器100最好设计成椎形柱体，如图1所示。

在另一种技术方案中，所述混合器100下端开口为倾斜开口，其沿着气流方向向上倾斜，所述混合器100下端与气体流道200管壁具有间距，如图1所示。此种方案中，导流板600设置有两种形式，所述导流板600从气流方向看为在下部具有两个孔的圆形板，上方的孔与混合器100下端开口恰好对应贯通，下方的孔贯通混合器100上游和导流板600下游；所述导流板600从气流方向看为在下部具有一个孔且底部为缺口的圆形板，此孔恰好贯通混合器100下端开口，此缺口恰好贯通混合器100上游和导流板600下游，分别如图5和图7所示。

在另一种技术方案中，所述混合器100下端开口为倾斜开口，其沿着气流方向向上倾斜，所述混合器100下端与气体流道200管壁恰好紧贴，如图8所示；此种方案中，所述导流板600设置为：从气流方向看为下部具有缺口的圆形板，此缺口恰好贯通混合器100下端开口，如图9所示。

在上述技术方案中，导流板600设计的形状以及其底部的开孔大小需要经过计算机模拟优化来实现以下效果：绝大部分气流被导入混合器100并流入混合腔500与尿素混合；一小部分在导流板600的底部流出汇入上述尿素与废气的混合物，最后再流入均配器700。

在另一种技术方案中，在所述导流板600与催化剂300之间还设置有均配器700，其由多个旋流叶片构成且多个旋流叶片呈周向分布形成圆形。所述均配器700旋流叶片由催化剂300制成或所述均配器700旋流叶片上涂有催化剂300。

在上述技术方案中，均配器700由多个旋流叶片构成，当气流穿过时造成旋流，使得反应剂与排气充分混合，并且在排气管截面均匀分配，最后进入scr催化剂300。图6显示一个使气流旋转的均配器700例子。均配器700叶片也可以用scr催化剂300或者其他某种催化剂300来制作或者直接将催化剂300涂抹在叶片上，以便加速尿素分解。

实施例1

如图1所示，混合器100设计成一个喇叭形状的柱体，上端开口与发动机废气流道200的内表面连接，下端开口与导流板600连接；如图5所示的导流板600从流道200的轴向看过去是一个开有两个孔的圆形板，整个外圆与流道200内壁相连接；导流板600的上方大圆孔与混合器100的下端开口连接形成混合器100的废气出口；导流板600的底部还开有一个小孔让部分废气不经过混合器100直接流入与从混合器100流出的废气和反应剂汇合，然后一起流向下游的均配器700。

在此实施例中，均配器700由至少3个旋流叶片构成，当气流穿过时在流道200的截面上产生旋转，使得废气与反应剂(气化的尿素和氨气)充分混合，然后在流道200的界面上均匀分布。

实施例2

如图7所示的导流板600，其上方大圆孔与混合器100的下端开口连接形成混合器100的废气出口，底部直接做成一个缺口，相当于实施例1中的小孔，同样达到让气流流过的效果。

实施例3

如图8和图9所示，将实施例1中的导流板600改成只有一个大缺口，相当于将实施例1中的大圆孔直接扩展开。这样，所有废气都经过先流入混合器100然后从混合腔500流出。如果反应剂气化足够快，在混合腔500内能够完全气化，则本实施例可以达到实施例1同样的效果。

本发明还提供一种反应剂与气流混合的方法，将一个多孔的柱体结构混合器100竖直布置在通有气体的气体流道200内，并通过导流板600上部的密封阻挡作用使得混合器100内部的混合腔500产生负压，且其中一部分气体流入混合腔500内之后在混合腔500表面形成气膜，将雾化反应剂从混合器100上端开口喷入混合腔500中与未形成气膜的气体进行气化混合，然后从导流板600下部与混合器100下端开口贯通的孔洞中流出完成气化混合。

在另一种技术方案中，如图10所示，还包括活动固定装置，其包括：

固定带401，其环形一圈套设于气体流道200管壁外且两端通过卡扣固定，所述固定带401中部具有贯通混合器100上端开口的通孔，且通孔与混合器100上端开口恰好对应，所述固定带401在通孔横向的两端具有一对贯通通孔的凹槽402，其为朝向通孔渐缩型凹槽402；

一对卡合块403，其为方体结构且分别卡合于一对凹槽402内，所述方体结构的截面大于所述凹槽402较小的开口截面，所述卡合块403朝向通孔的一端固定有连接块404，其凸出于通孔内且凸出的端部还连接有弹性的弧形卡环405，其中心朝向通孔的中心线；

固定套筒406，其竖直固定于固定带401上且固定套筒406的中空腔体恰好竖直对应贯通通孔；

一对调节杆407，其为倒l型且横杆和竖杆相互铰接设置，所述调节杆407的一端竖直铰接于卡合块403上、另一端水平穿过固定套筒406位于其中空腔体内，所述调节杆407的另一端也固定有弹性的弧形卡环405，其中心朝向通孔的中心线；

一对辅助机构，其包括一对滑移杆408、一对滑板409和u型滑槽410，所述u型滑槽410两开口分别竖向间隔位于固定套筒406内的调节杆407的上方，且所述u型滑槽410两开口分别贯通至固定套筒406中空腔体内，一对滑移杆408分别水平配合于所述u型滑槽410内，一对滑移杆408的外端分别凸出至固定套筒406中空腔体内且端部固定有弹性的弧形卡环405，其中心朝向通孔的中心线，一对滑移杆408的内端分别通过弹簧连接一对滑板409，其设置为可密封沿u型滑槽410自由滑动，所述u型滑槽410在一对滑板409之间填充有干燥细沙；初始状态时，所述连接块404、调节杆407和滑移杆408连接的弧形卡环405在同一竖直平面内且中间卡合有喷嘴400，弹性的弧形卡环405两端分别固定有防滑片。

在上述技术方案中，喷嘴400在与混合器100的混合腔500对接贯通时，如果直接固定，后期喷嘴400如果有问题需要维修更换或者喷嘴400需要重复利用时，不太方便，另外喷嘴400与气体流道200管壁连接如果采用活动连接，更为方便。首先整个活动固定装置通过固定带401套设于气体流道200管壁外，此时通孔恰好正对混合器100上端的开口，再通过卡扣连接，此连接有可能固定带401与管壁固定的不够紧密，因此通过卡合块403卡合于凹槽402内，驱动卡合块403向通孔中心移动的过程中，其对固定带401下表面有一个压紧作用，可使得固定带401与管壁贴合固定的更为紧密；另外卡合块403在向通孔中心移动的过程中，其通过连接块404上的弧形卡环405对喷嘴400进行压紧固定喷嘴400的位置；凹槽402设置为渐缩型，卡合块403在凹槽402中卡合更为紧密。如果在不可抗拒的外力作用下，喷嘴400的位置发生了变动，如果只是图10中左右方向的移动，则在调节杆407和连接块404的共同作用下，其不会发生位置的变动，起到稳定喷嘴400的作用，如果是发生倾斜移动，则以图10中，喷嘴400上端向左移动、下端向右移动为例呈倾斜状态，进行说明。初始状态时，喷嘴400从上端向通孔中卡合，再向通孔内部一起移动卡合块403和调节杆407使得整体将喷嘴400的位置牢固固定，并保持图10中所示的状态，然后再调整内部结构使得调节杆407的竖杆只能以固定带401和固定套筒406的连接处为中心进行转动。倾斜状态时，右侧的卡合块403向右移动，从而带动调节杆407竖杆上左下右倾斜，调节杆407横杆向左移动，使得其上的弧形卡环405依旧紧贴喷嘴400，此时左侧的辅助机构，上方的滑移杆408左移、下方的滑移杆408右移，同样的左侧的一对滑移杆408上的弧形卡环405依旧紧贴喷嘴400，使得喷嘴400的位置即使发生了轻微的变动，其也始终在固定带401和固定套筒406内活动固定，保持稳定；另外在喷嘴400从倾斜状态恢复竖直状态时，其右侧的调节杆407也会带动卡合块403向左移动，依旧将喷嘴400卡合固定。当需要拆卸喷嘴400时，只需要将卡合块403向两外侧移动，则松开喷嘴400，而喷嘴400上方通过左右压缩滑移杆408上的弹簧即可将喷嘴400取出。弧形卡板405设置为通过两点接触喷嘴400可将传统的弧面接触转变为点接触，再通过防滑片可使得固定更牢固、更稳定。

本文中所述混合器100虽然以圆形流道和圆形柱体为样板，但是本项发明适用于任何形状的流道。在实际应用中，经常有些流道(烟道)是长方形、矩形、椭圆形或者其各种形状，本项发明仍然适用。只要是混合器采用(任何形状)柱形体形成负压并利用气膜来避免或者减少反应剂与固体表面接触机会的混合器都属于本项发明申请保护范围。

本文中虽然以尿素反应剂作为样板来说明本发明，但是本发明实际上并不限于只用于尿素反应剂。另外本文中虽然使用尿素或尿素溶液为例来说明计量系统的功能，但是本发明适用于任何其他流体尿素。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。