一种SCR旋流混合管

技术领域

本发明涉及一种SCR旋流混合管，属于发动机后处理技术领域。

背景技术

SCR技术可以有效解决柴油机的NO

公式(1)表示喷入的尿素吸热分解产生NH

(NH

4NO+4NH

NO+NO

尿素喷射量需要随发动机工况实时变化，故尿素喷射量的精确控制决定了SCR系统的结晶风险和NOx转化效率。由于工况变化快、控制系统进行尿素喷射量控制时具有滞后性，常常会导致尿素混合管内具有较高的尿素结晶风险。

尿素混合管是SCR系统中的重要组成部分，可用于预防尿素结晶的出现，加速尿素溶液的快速混合，保证NH

在尿素混合管中，尿素喷射点的位置是影响尿素喷入混合管后分布均匀性和结晶风险的重要因素。将尿素喷射点布置在混合管壁上的混合管结构会导致尿素喷入混合管后难以均匀分布于混合管中，混合效果不理想，对SCR性能产生影响。通过管路的90°弯折将尿素喷射点布置在混合管路中心位置的方式可保证尿素喷入后均匀分布于混合管内，但此方案会使排气难以高效直接的与尿素进行混合，影响尿素分解速率，并且会在弯折处产生较大的背压，影响柴油机性能。通过物理结构直接将尿素喷射部分探入混合管，实现喷射点的居中布置，可保证尿素喷入后均匀分布于混合管内，并且能保证排气均匀作用于喷入的尿素，但探入的物理结构会导致混合管内出现不均匀扰动，这种扰动会在尿素喷射量较大时导致尿素触壁，引发结晶。

因此，有必要设计新型SCR尿素混合管，实现尿素喷射点的居中布置，在保证尿素溶液快速分解和尿素在混合物中均匀分布的同时，降低尿素结晶风险。

发明内容

本发明的目的是为了解决尿素喷入混合管后分布不均匀、尿素分解速率慢、混合管内尿素喷雾触壁导致的结晶风险高等问题，提供一种SCR旋流混合管。本发明的螺旋管结构能够在后端的混合管中形成湍流，加速混合管内尿素的分解速率，降低尿素结晶风险。同时，螺旋管结构产生的旋转气流会在混合管内壁周围形成大量旋转气流，将喷向混合管内壁的尿素溶液裹挟带走，进一步降低尿素结晶风险；本发明的尿素喷射点居中布置，可以提高混合管中尿素的分布均匀性，最终提高SCR系统的NO

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明将进气管与混合管中间的管路分解成直径更小的分支管路，通过这种方式在混合管进气端面的圆心处产生安装空间，用于安装尿素喷射模块。同时，各分支管路之间留有空隙，可以满足尿素喷射模块的尿素供应及喷射控制，实现尿素喷射点居中布置，使尿素喷射方向与排气方向平行。本发明的尿素喷射系统安装方式在避免实体结构进入混合管导致额外扰动的同时，保证了尿素喷入混合管后的分布均匀性。

本发明将进气管与混合管之间的分支管路设计为螺旋管，螺旋管的气流进入混合管后形成旋转气流，旋转气流扰动产生湍流，加速尿素分解，湍流也使尿素喷雾均匀分布于废气中，提高尿素及其分解物的分布均匀性。同时，因为螺旋管内气流旋转产生的离心作用，使螺旋管内的气流进入混合管后集中分布于管壁附近，在管壁周围形成较强的气流层，将喷向管壁的尿素喷雾裹挟带走，有效地避免了尿素溶液触壁结晶。

为了更好地实现螺旋管的作用，通过增长尿素喷枪的长度将尿素喷射点的位置沿混合管轴线方向进行调整。定义喷射点到混合管前端的距离为D，从混合管前端面的中心点出发，当喷射点沿气流方向在轴线上运动时，D＞0；反之，D＜0。

本发明的圆台螺旋线如下所示：

上述公式中，x，y，z分别为螺旋线在三维空间坐标系中的取值，a为螺旋线半径，h为螺距，h的取值越小，螺旋管的旋转程度越高。θ为角度，λ为本文的调整系数，与公式前面的正负号结合，调整圆台螺旋线的样式，当λ前为正号时，圆台螺旋线的半径越来越大，当λ前为负号时，圆台螺旋线的半径越来越小，λ可以为零，λ＝0时为圆柱形螺旋线。对于z，右螺旋线时取正号，左螺旋线时取负号。

λ前为正号时，圆柱螺旋线的半径逐渐增大，半径增大速度与λ值的大小有关。随着螺旋线半径的增大，从螺旋管进入混合管的气流向混合管壁运动的趋势越强，从而在混合管壁周围形成的旋流层，可以有效的带走喷射向管壁的尿素，并通过湍流加速尿素的分解速率，降低混合管内的尿素结晶风险。

λ前为负号时，圆台螺旋线的半径逐渐变小，半径减小速度与λ值的大小有关。随着螺旋线半径的逐渐减小，从螺旋管进入混合管的气流逐渐集中分布于混合管的轴线位置，使气流直接作用于尿素喷雾，提高尿素分解速率。但是，旋流集中于混合管轴线可能会将部分尿素直接冲向混合管壁，故在此时通过调整混合管前螺旋管的旋转方向、增大尿素喷射点的距混合管前端的距离D，避免旋流将尿素吹向管壁。保证尿素溶液触壁前混合管内壁面附近已形成大量旋转的湍流，可以将喷向混合管内壁的尿素带走并分解，有效降低结晶风险。

本发明的螺旋管路数为3时能达到较好的效果，当管路数低于3时，在混合管内壁面产生的气流覆盖度不佳，部分混合管壁表面没有气流覆盖，在没有气流覆盖的区域，尿素会直接触壁，结晶风险极高。但是当管路数达到3后，能够实现较为优秀的气流覆盖效果，当管路数达到4以后，旋转气流已经可以实现对混合管的均匀覆盖，继续增加管路数对混合管表面的气流覆盖效果没有明显提升。

本发明使螺旋管进气口的截面积大于螺旋管排气口的截面积，实现螺旋管内气流速度的增加。

有益效果

1、本发明将进气管与混合管中间的管路分解成直径更小的分支管路，通过这种方式在混合管进气端面的圆心处产生安装空间，用于安装尿素喷射模块；同时，各分支管路之间留有空隙，可以满足尿素喷射模块的尿素供应及喷射控制，保证尿素喷射点的居中布置的实现，使尿素喷射方向与排气方向平行；本发明的尿素喷射系统安装方式在避免实体结构进入混合管导致额外扰动的同时，保证了尿素喷入混合管后的分布均匀性；

2、本发明的尿素混合管在应用设计过程中可根据使用需求进行螺旋线、螺旋管进出口直径和螺旋管出口方向的调整，以实现不同程度的气流旋转效果，达到旋流与尿素喷雾的最佳配合效果，加快尿素分解速率，提高尿素的分布均匀性，降低结晶风险。

3、增加混合管的直径，混合管的直径为进气管直径的1.2倍，配合混合管壁形成的旋流，减小尿素直接触壁的可能性，进一步降低尿素触壁风险。

4、通过使螺旋管进气口的截面积大于排气口的截面积，实现螺旋管内气流速度的增加，加速湍流效果，提高尿素分解速率，增强保护气流的保护效果，降低结晶风险。

附图说明

图1为装有螺旋管的SCR系统整体透视图；

图2为标有一条螺旋线的螺旋管线框图；

图3为一种进气管-螺旋管-混合管连接透视图；

图4为D＝0时的螺旋管侧视透视图；

图5为D＝400mm时的螺旋管侧视透视图；

图6为D＝800mm时的螺旋管侧视透视图；

图7为进气管末端的截面图；

图8为非圆形入口-圆形出口螺旋管线框图；

图9为入口直径600mm-出口直径500mm螺旋管线框图；

图10为入口直径600mm-出口直径400mm螺旋管线框图；

图11为入口直径600mm-出口直径500mm螺旋管线框图；

图12为8条进、出口直径300mm螺旋管右向旋转线框图；

图13为8条进、出口直径300mm螺旋管左向旋转线框图；

图14为双圈螺旋管进气端截面。

其中，1—进气管、2—螺旋管、3—尿素喷射器、4—混合管、5—后置混合器、6—反应器桶体、7—SCR催化剂、8—排气管、9—螺旋线、10—尿素喷雾雾束。

具体实施方式

下文将借助附图与实施例对本发明的示例性实施方式进行更详细地描述。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，但是，本专利的权利不应被这里阐述的实施例限制。相反，这些实施例是为了更透彻地理解本专利，并且将本专利的范围完整的表述出来。

实施例1

如图1-4所示，一种SCR旋流混合管，其特征在于：在进气管1和混合管4中间加入螺旋管2，在混合管4前段面产生空间，可以安装尿素喷射器3；螺旋管2使排气发生旋转，产生湍流。随后通过后置混合器5整流，再次提高尿素及其分解产物的分布均匀性，最后混合气在反应器桶体6内的SCR催化剂7上发生NOx的还原反应，经过处理后的排气最后通过排气管8排出。

通过使用螺旋管2，在混合管4前段面产生安装空间，可以布置尿素喷射器3及其控制线等，这种结构可以使尿素均匀喷入混合管4，将圆柱形尿素喷雾雾束10与圆形混合管4进行最优匹配，保证混合管4内的尿素分布均匀性。

进气管1通过法兰与柴油机排气管进行连接，柴油机排气从进气管1进入SCR系统。

图2中的螺旋线9引导了螺旋管2的生成，螺距h＝4000mm，螺旋线半径a＝424mm，z取正号，λ＝0，此时为圆柱螺旋线。z取正号，为右螺旋线。尿素喷射点的D＝0。

尿素喷射器3的尿素喷雾锥角为60°。

在本实施例中选用了4路螺旋管2，可以保证在混合管4内壁产生均匀的保护气流。

从图3和图4中可以看出，有一部分旋转气流会直接作用到尿素喷雾雾束10上，通过旋转作用产生的湍流加速尿素喷雾的分解，提高尾气中的尿素分布均匀性。同时，旋转气流在混合管4壁面上形成的保护气流可以有效防止尿素击壁，降低尿素结晶风险。

进气管1的直径为1500mm，按照1.2倍的关系，混合管4的直径为1800mm，增大管径后，增加了尿素运动到混合管4管壁的时间，增加了尿素分解时间，结合混合管4内壁旋转气流的保护作用，高效地降低了混合管4内的结晶风险。

本发明的整套尿素混合管可以与不同的SCR系统进行匹配安装使用。实现提高尿素分解速率和尿素分布均匀性、降低结晶风险的目标。

实施例2

装置同实施例1，不同之处在于尿素喷射点距离混合管4前端面的距离D＝400mm，如图5所示。

此时仅有一小部分的旋转气流会直接作用到尿素喷雾雾束10上，大部分的旋转气流直接在混合管4壁面生成保护气流，尿素喷射位置向后移动，尿素喷雾可能触壁的位置也相应后移，后移之后的触壁位置有更好的保护气流，更强的旋转气流可以更好地将喷向混合管壁的尿素裹挟带走，抗结晶能力更强。

实施例3

装置同实施例1，不同之处在于尿素喷射点距离混合管4前端面的距离D＝800mm，如图6所示。

此时所有的旋转气流直接在混合管4壁面生成保护气流，没有旋转气流直接作用于尿素喷雾雾束10上，尿素喷雾的可能触壁位置随尿素喷射点向后移动，后移之后的触壁位置形成有大量保护气流，强烈的旋转气流可以直接将喷向混合管4内壁的尿素裹挟带走，抗结晶能力强。

实施例4

装置同实施例1，不同之处在于使用直线进行引导，没有直接使用圆台螺旋线，具体情况如图8所示。

图7为实施例1在进气管1后端面的螺旋管2接口形状，进气管1后端面的接口连接螺旋管2的进口。此时螺旋管2的前端面为圆形。

图8中，进气管1的后端面被均分为4份，每一份图形作为一路分管的进口截面形状，共使用了4路分管，分管最后的出口形状为圆形。为尿素喷射器3的居中布置提供了空间，图8所示的结构主要为了实现尿素喷射点的居中布置，不涉及旋流的产生。

实施例5

装置同实施例1，不同之处在于引导螺旋管2的螺旋线9的参数不同，螺旋管2出口的形状不同，具体情况如图9所示。

图9中的螺旋线9参数如下：螺距h＝2000mm，螺旋线9起始半径a＝424mm，z取正号，为右螺旋线。λ＝0，为圆柱螺旋线，螺旋线9的半径不变。

螺旋管进口圆形截面的直径为600mm，出口圆形截面的直径为500mm，最后形成的螺旋管路如图9所示。

图9所示的螺旋管螺距更小，可以形成更强的旋流效果，产生的湍流强度更强，加速尿素分解速度的能力更强。混合管内壁附近形成的保护气流强度更大，抗结晶能力更强。

实施例6

装置同实施例1，不同之处在于引导螺旋管2的螺旋线9的参数不同，螺旋管2出口的尺寸不同，具体情况如图10所示。

图10中的螺旋线9参数与实施例5一致：螺距h＝2000mm，螺旋线9起始半径a＝300mm，λ＝0mm，此时为圆柱螺旋线，螺旋线9的半径不变。z取正号，为右螺旋线。

螺旋管2进口圆形截面的直径仍然为600mm，与实施例5的不同之处在于将出口圆形截面的直径减小为400mm，由于出口截面变小，可以实现对旋转气流的再次加速，最后形成的螺旋管路如图10所示。

实施例6的螺旋管2相比于实施例5的螺旋管2具有更强的旋流效果，产生的湍流强度更强，加速尿素分解速度的能力更强。混合管4内壁附近形成的保护气流强度更大，抗结晶能力更强。

实施例7

装置同实施例1，不同之处在于引导螺旋管2的螺旋线9的参数不同，螺旋管2出口的尺寸不同，具体情况如图11所示。

图11中的螺旋线9参数如下：螺距h＝2000mm，螺旋线9起始半径a＝424mm，λ＝593mm，此时为圆台螺旋线，螺旋线9的半径逐渐扩大。z取正号，为右螺旋线。

螺旋管2进口圆形截面的直径为600mm，螺旋管2出口圆形截面的直径减小为500mm，由于出口截面变小，可以实现对旋转气流的再次加速，最后形成的螺旋管路如图11所示。

因为实施例7的λ＝593mm，螺旋线9半径不断增大，产生的气流也有向外运动的趋势，在混合管4内便是旋转气流向混合管4内壁运动的趋势。所以实施例7内的旋转气流由于圆台螺旋线的作用，在具备原有优势的情况下，还可以更快速地在混合管4内壁表面形成保护气流，抗结晶能力强。

实施例8

装置同实施例1，不同之处在于螺旋管2的路数不同，引导螺旋管2的螺旋线9的参数不同，螺旋管2的进、出口尺寸不同，具体情况如图12所示。

图12中的螺旋线参数如下：螺距h＝2000mm，螺旋线起始半径a＝424mm，λ＝650mm，此时为圆台螺旋线，螺旋线的半径逐渐扩大。z取正号，为右螺旋线。

图12中的螺旋管2的进、出口直径均为300mm，并采用了8路螺旋管2，在具备原有优势的情况下，还可以更均匀地在混合管4内壁表面形成保护气流，抗结晶能力提高。

实施例9

装置同实施例8，不同之处在于螺旋线9的旋转方向不同，具体情况如图13所示。

图13中的螺旋线参数如下：螺距h＝2000mm，螺旋线起始半径a＝424mm，λ＝650mm，此时为圆台螺旋线，螺旋线的半径逐渐扩大。z取负号，为左螺旋线。

实施例9与实施例8的旋转方向不同，但是其他参数与实施例8一致，所以尿素分解效果和抗结晶能力与实施例8一致。

实施例10

装置同实施例8，不同之处在于螺旋管2的路数不同，具体情况如图14所示。

图14为进气管1末端的截面，连接螺旋管2的前端，可以看到，采用了两层共24路螺旋管2。这种结构相比于实施例8，外层螺旋管2可用于在混合管4内壁形成保护气流，内层螺旋管2可用于加速尿素分解。混合管4内的尿素分解速率快，抗结晶能力强。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。