一种柴油机SCR催化排气装置的制作方法

本实用新型属于发动机排气后处理技术领域，具体涉及发动机排气选择性还原(SCR)技术的还原剂与发动机排气的混合装置，以及SCR催化排气装置。

背景技术：

随着环境问题的日益突出，节能减排已经成为车辆及发动机的永无止境的要求，为此，各国都出台了一系列的车辆排放标准，并且越来越严格。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 Reduction)技术等已经成为柴油车辆等必需使用的技术。

SCR技术需要将还原剂定量喷射进柴油机排气中，与排气混合后进入SCR 催化转换器。还原剂有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)，或者氨气。DEF在排气中通过排气高温分解出的氨气，或者直接喷射出的气态氨气，在与发动机排气混合后进入SCR催化器，在催化剂的作用下，氨气就会与发动机排气中的NOx 等发生催化还原反应，使NOx分解为无害的N2、H2O。如果还原反应剂不能够与排气均匀混合，那么SCR催化器中氨气与NOx比值(氨氮比)就会很不均匀，结果部分催化器单元可能会有多余的氨气泄漏到尾气中，而部分催化器单元因为缺乏氨气而难以使NOx得到有效降解。

另一方面，液体的DEF喷射到发动机排气管后，如果不能够快速热解为氨气并与排气混合均匀，则可能因为其他物理化学变化而变成固态结晶体残留在排气管内，长时间积累就会堵塞发动机排气管，使发动机性能严重恶化。

DEF在排气管内的结晶，受很多因素的影响，最主要的是温度和两相流流动速度。温度决定化学反应生成物，流动速度决定生成物中的固态结晶体是否会积累在管道内部。

现有的SCR技术，都要想方设法使喷出的反应剂与发动机排气混合均匀，为此有采用压缩空气雾化喷射DEF的气助SCR系统，也有依靠压力喷射雾化 DEF的非气助SCR系统，也有直接喷射氨气的固态氨SCR系统。但由于结构和尺寸的限制，做到绝对理想均匀混合的方案是不存在的。一般的优化方法是通过设计专门的混合装置，并让反应剂与排气混合足够长的时间后再进入 SCR催化单元。通过加长混合管长度的方法，虽然最为简单有效，但这给排气管在车上的布置带来限制，排气管制造成本也会增加。如何在尽可能短的排气管中实现反应剂与排气的快速混合，特别是还必须降低DEF在排气管内的结晶风险，就成为了SCR系统能否成功应用的关键问题之一。

技术实现要素：

本实用新型针对上述问题，目的在于提供一种能够减小SCR催化排气消声器长度、降低发动机排气管内结晶风险、提高反应剂与排气混合均匀度的SCR 催化排气装置，同时降低SCR系统成本。

为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：

一种柴油机SCR催化排气装置，包括一个尿素液喷嘴，一段排气混合管，一个流动导向孔板，一个消声扩散管，至少一个SCR催化单元，其特征在于：排气混合管为SCR催化单元上游的一段排气管道，由流动导向孔板分割成第一混合室和第二混合室，流动导向孔板在局部边缘留有一个流动通道，尿素液喷嘴安装在第一混合室内距离流动导向孔板的最远位置附近，喷出的尿素液喷雾对着流动导向孔板的流动通道；第二混合室的出口为消声扩散管的入口，距离流动通道也处于较远位置；尿素液喷嘴喷出的喷雾液滴在排气流中蒸发混合，经过流动通道内部的高速气流进入第二混合室，再进入消声扩散管，流经一条近似折线的较远路径，最后形成均匀混合气进入SCR催化单元。

根据上述技术方案，排气混合管内的DEF尿素液喷雾和发动机排气的混合路径，必然是经过多次拐弯的折线(蛇形线)，因此路径长度较长，有利于在到达SCR催化器前，完全蒸发热解并混合均匀。另一方面，喷出的尿素液喷雾在进入导向孔板的流动通道附近首次碰撞固体壁面，但因为导向孔板下方的流动通道流通面积小，此处排气流速大，因此混合得到加强，没有蒸发热解的液滴也难以滞留产生结晶。DEF和排气混合流在快速混合蒸发过程中进入第二混合室，因为扩散使速度会变低，但在流向消声扩散管入口时又会加速，除了小局部的拐角的滞留点外，流动基本顺畅，因此产生大量结晶堵塞流道的可能性也比较小。

DEF受发动机排气加热后，首先会失去水分析出尿素结晶颗粒，但如果温度足够高，即高于尿素的气化温度，则不会出现尿素结晶颗粒而直接成为气态尿素。高温尿素和水蒸汽反应就会热解为氨气和二氧化碳。同时，尿素也会进行其他化学反应，生成缩二脲、三聚氰酸等结晶体，不过这些反应的速度要比尿素热解为氨气的速度慢，在DEF不接触较低温度固体壁面时，结晶体不会积累。在两相流流速足够大时，结晶体即使形成也会随排气流走，也不会积累。

下面的技术方案，对本实用新型作进一步的限定或优化。

可选的，尿素液喷嘴喷出的尿素喷雾中，碰撞流动导向孔板的喷雾的运动方向与流动导向孔板法线的夹角大于30°。

可选的，尿素液喷嘴喷出的尿素喷雾中，碰撞排气混合管壁面的喷雾运动方向与排气混合管管壁法线的夹角大于30°。

可选的，流动导向孔板倾斜固定在排气混合管管壁上，最远离流动通道的孔板部分沿排气混合管的轴线方向距离尿素液喷嘴最近。

可选的，流动通道的总面积与排气混合管的横截面积之比，小于50％。

可选的，流动导向孔板的流动通道，包括由两个以上的切向导向叶片组成的切向流道，使流过该通道的气流在第二混合室内形成绕排气混合管轴线的旋转流。

可选的，切向导向叶片与流动导向孔板为一体结构，冲压成型。

可选的，流动导向孔板相对远离流动通道的位置上，也设有2个以上切向导向叶片形成辅助旋流通道，辅助旋流通道的流通面积小于切向流的流通面积的50％，形成的旋转流方向与下部流动通道内的下切向导向叶片形成的旋流转向相同。

可选的，上下切向导向叶片都与流动导向孔板成一体结构，冲压成型。

可选的，流动导向孔板由一个前板和一个背板组成，背板与前板平行放置，其间形成副导流通道，副导流通道入口为设在前板上部的副通道开口，副导流通道出口为背板的最下部边缘，最下部边缘距离前板下部的导流通道 5mm以上，副导流通道内的流动由上至下，尿素喷雾不进入副导流通道。

可选的，背板下部边缘部分向前板弯折，形成流通面积大小不均匀的副导流通道出口，在副导流通道出口的两个边角部位开口大，中间部位开口小。

可选的，第二混合室末端与消声扩散管交界处设置导流板。

可选的，导流板上端固定在消声扩散管前端盖，导流板上端边缘距离消声扩散管下端距离小于5mm，导流板下端固定在第二混合室下端排气混合管。

可选的，导流板与消声扩散管轴线夹角小于45°。

可选的，消声扩散管的前端盖与导流板下端之间的轴向距离小于流动导向孔板与消声扩散管之间的轴向距离的50％。

本实用新型的有益效果是：

降低发动机排气管内结晶风险、提高反应剂与排气混合均匀度，同时能够降低SCR系统成本。

附图说明

图1是本实用新型第一实施例的剖视图。

图2是本实用新型第一实施例的结构示意图。

图3是本实用新型第一实施例的一种流动导向孔板的结构示意图。

图4是本实用新型第二实施例的一种流动导向孔板的结构示意图。

图5是本实用新型第二实施例的流动导向孔板的侧视图。

图6是本实用新型第三实施例的流动导向孔板的结构示意图。

图7是本实用新型第三实施例的流动导向孔板的剖视图。

图中：11为排气混合管，12为尿素液喷嘴，13为第一混合室，14为流动导向孔板，15为流动通道，16为第二混合室，17为导流板，18为消声扩散管，19为SCR催化单元。

21为尿素射流，22为尿素液喷嘴喷出的尿素喷雾中，碰撞所述排气混合管的喷雾的入射角(与排气混合管管壁法线的夹角)，23为尿素液喷嘴喷出的尿素喷雾中，碰撞所述流动导向孔板的喷雾的入射角(与流动导向孔板法线的夹角)，24为导流板与消声扩散管轴线夹角。

31为上切向导向叶片，32为下切向导向叶片，33为切向流道，34为辅助旋流通道。

41为前板，42为副导流通道入口，43为背板，44为副导流通道出口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。

如图1-图2所示：本实用新型的柴油机SCR催化排气装置的第一实施例，包括一个尿素液喷嘴12，一个排气混合管11，一个流动导向孔板14。排气混合管11由流动导向孔板14分割成第一混合室13和第二混合室16。

尿素液喷嘴12安装在第一混合室13内，尿素液喷嘴12喷出的尿素液喷雾对着流动导向孔板14和流动通道15，尿素液喷雾液滴在发动机尾气气流中蒸发混合，经过流动通道15内部的高速气流进入第二混合室16，进一步蒸发混合。

尿素液喷嘴12喷出的尿素喷雾中，碰撞流动导向孔板14的喷雾的入射角23(与流动导向孔板14法线的夹角)大于30°。尿素液喷嘴12喷出的尿素喷雾中，碰撞排气混合管11的喷雾的入射角22(与排气混合管11管壁法线的夹角)大于30°。

流动导向孔板14在排气混合管11管壁上以一定角度范围固定。位于尿素液喷嘴12一侧的流动导向孔板14在排气混合管11的轴线方向，与下部流动通道15相比，距离尿素液喷嘴12的位置更近。即图2中的尺寸L1小于 L2。

导向板17前端设置在第二混合室16末端，上端固定在消声扩散管18 的前端盖，导流板17上端边缘距离消声扩散管18下端距离小于5mm，导流板17下端固定在第二混合室16下端的排气混合管11之上，导流板17与消声扩散管18轴线夹角小于45°。导流板17下端与消声扩散管18前端盖的轴向距离小于流动导向孔板14与消声扩散管18轴向距离的50％。

如图3所示，流动导向孔板14大部分为隔墙壁面，只在局部留有流动通道15。流动导向孔板14的流动通道15的总面积与排气混合管11的横截面积之比，小于50％。

在本实用新型第一实施例中，尿素液喷嘴12喷出的尿素液喷雾，将顺着排气气流斜向流到流动通道15，气流和混合蒸发速度会逐渐加快，通过流动通道15时混合速度达到一个峰值，进入第二混合室15，然后改变流动方向朝向消声扩散管18的入口，进一步混合蒸发，再经过消声扩散管18形成均匀的混合气进入SCR催化单元19。折线流动路线加长了混合转发时间并多次强化了混合速度，从而保证了最后进入SCR催化器的是尿素液热解形成的氨气与发动机排气的均匀混合气。

同时，尿素液喷雾与排气混合管固体壁面的碰撞角度总是沿着排气流动方向，保证了喷雾液滴的运动速度，降低了在碰壁区域的尿素结晶物的累积风险。

本实用新型的流动导向孔板14也可以如图4-图5所示，从而形成本实用新型第二实施例。第二实施例中，流动导向孔板14包括上切向导向叶片 31和下切向导向叶片32，上切向导向叶片31形成辅助旋流通道，下切向导向叶片形成切向流道33。辅助旋流通道34的流通面积小于切向流道33的流通面积的50％，形成的旋转流方向与下部流动通道15内的下切向导向叶片32 形成的旋流转向相同。

这样进入第二混合室的排气流会产生绕排气管轴线的周向流动，使排气的混合路径进一步加长，混合强度也进一步加强。

本实用新型的流动导向孔板14也可以如图6-图7所示，从而形成本实用新型第三实施例。第三实施例中，流动导向孔板14由一个前板41和一个背板43组成，背板43与前板41平行放置，背板43与前板41之间形成副导流通道，副导流通道入口42为设在前板41上部的副通道开口，副导流通道出口44为背板43的最下部边缘，最下部边缘距离前板41下部的导流通道 15有5mm以上的距离，副导流通道内的流动由上至下，尿素喷雾不进入副导流通道。背板43下部边缘部分向前板41弯折，形成流通面积大小不均匀的副导流通道出口44，在副导流通道出口44的两个边角部位开口大，中间部位开口小。

这样，背板43与前板41之间形成副导流通道流出的排气流，就能够不断地流过前板41构成的的流动通道15的边缘部分，从而保证通过流动通道 15的含有尿素喷雾未蒸发完成的液滴不会因为涡流而长时间滞留在前板41 上，降低了此处出现尿素结晶积累的风险。

本实用新型的使用方法如下：

电控DCU(图中未示出)根据NO传感器和温度传感器的数据，控制尿素液喷嘴12的喷射量。

尿素液喷嘴12喷射出尿素水溶液后，反应剂在发动机尾气气流的作用下逐渐加速，因为流动导向孔板14的流动通道15的总面积与排气混合管11 的横截面积之比小于50％，所以反应剂在此处的速度最高。

本实用新型实施例提供的流动导向孔板至少包括如下2种实施方式：

在一种情况下，当流动导向孔板14为如图4所示的结构时，反应剂通过流动通道15时，受下切向导向叶片32的作用，进入切向流道33在第二混合室16内形成绕排气混合管11轴线的旋转流。

发动机尾气有部分气体经过上切向导向叶片31，经过辅助旋流通道34 形成绕排气混合管11轴线的旋转流，辅助通道34形成的旋转流方向与下部流动通道15内下切向导向叶片形成的旋流转向相同。

辅助旋流通道34的流通面积小于切向流道33的流通面积的50％，在气体进入第二混合室16后下部旋流中未分解的DEF液体反应剂与上部发动机气体旋流进一步混合，混合气体在第二混合室16的运动路径近似于折线。

在另一种情况下，当流动导向孔板14为如图6所示的结构时，反应剂通过流动导向孔板14的流动通道15后进入第二混合室16，因为第二混合室16 的横截面积远远大于流动通道15的横截面积，反应剂流速大幅度下降，而 DEF液体反应剂还有不少没有分解为氨气。同时DEF液体反应剂在气流的作用下，以比较低的速度碰撞流动导向孔板14背壁。过多的DEF必然对流动导向孔板14背壁产生强烈的冷却，致使局部温度偏低，DEF热解为氨气的速度大幅降低，形成结晶物质的化学反应时间就会很长，而又因为流动导向孔板14背壁流动速度非常低，结晶颗粒物就难以被气流吹走。因此如果没有其他特殊设计，在流动导向孔板14背壁很容易形成结晶。

发动机尾气有部分气体经过副导流通道入口42进入副导流通道内，然后气流由上而下高速流动，该气流能加热流动导向孔板14背壁，且能加快该处的气流速度，大幅度降低结晶的概率。然后气流在副导流通道出口44流出，和流动通道15的气流一起进入第二混合室16。

消声扩散管18偏置布置，使气体在混合室内以折线流动，如果没有其他特殊设计，在消声扩散管18前端盖盖面上容易产生气体回流。设置在第二混合室16末端的导向板17直接引导气流进入消声扩散管18，气体的流动速度不会大幅降低，延长混合时间，降低结晶风险。

在未背离本实用新型原理的情况下，所作的任何修改，简化等替换方式，都包括在本发明的保护范围之内。

本实用新型未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。