混合器、混合器组件以及发动机排气系统的制作方法

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1.本发明涉及发动机排气处理领域，特别涉及一种混合器、混合器组件以及发动机排气系统。

背景技术：

2.发动机排气系统通过各种上游排气部件对由发动机产生的热的排气进行处理以减少排放污染物。各种上游排气部件可包括下述部件中的一个或多个：管、过滤器、阀、催化器、消声器等。例如上游排气处理部件将排气引导到具有入口和出口的选择性催化还原(selective catalytic reduction，scr)催化器。出口将排气通至下游排气部件。混合器(mixer)定位在scr反应器的入口的上游。在混合器内，排气产生涡旋(swirling)运动或旋转运动。定量加料器(doser)用于将诸如尿素水溶液之类的反应剂从scr反应器的上游喷射到排气流中使得混合器能够将尿素和排气充分地混合在一起，排出至scr反应器中进行还原反应生成氮气和水，以降低发动机的氮氧化物排放。定量加料器可以通过混合器的安装座固定安装，以向混合器内喷射尿素水溶液的喷雾。
3.但现有技术的混合器仍存在改进之处，例如需要在不同工况下均能使得尿素喷雾充分分解，并且排气与尿素喷雾混合均匀，使得排气在scr反应器被高效、充分地处理，提高发动机排气系统的氮氧化物处理能力。

技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种混合器。
5.本发明的另一个目的在于提供一种混合器组件。
6.本发明的另一个目的在于提供一种发动机排气系统。
7.根据本发明一个方面的一种混合器，用于发动机排气系统，所述混合器包括：反应剂喷射区域，分布有多层反应剂分配元件，将反应剂喷射区域分割为层与层之间的多个喷射空间，至少一些层的所述反应剂分配元件具有连通其对应的喷射空间的连通开口；旋流组织区域，位于所述反应剂喷射区域的下游，分布有旋流组织元件。
8.在所述混合器的一个或多个实施例中，所述连通开口的大小从高层至低层的反应剂分配元件分别递减。
9.在所述混合器的一个或多个实施例中，最低层的所述反应剂分配元件对应其余层的反应剂分配元件的连通开口的区域为封闭区域。
10.在所述混合器的一个或多个实施例中，至少是位于最高层的反应剂分配元件在上游端具有阻流部。
11.在所述混合器的一个或多个实施例中，所述阻流部占据所述反应剂喷射区域的高度为不超过20％。
12.在所述混合器的一个或多个实施例中，所述旋流组织元件由每层的所述反应剂分配元件对应向下游延伸，多层的旋流组织元件的部分层为第一旋流组织元件，部分层为第
二旋流组织元件，所述第一旋流组织元件的具有第一导流方向，所述第二旋流组织元件具有第二导流方向，所述第一导流方向与第二导流方向相交。
13.在所述混合器的一个或多个实施例中，所述第一旋流组织元件具有波形延伸部，所述波形延伸部从上游至下游由初始高度先向高处延伸后向低处回落，所述第二旋流组织元件具有第一直形延伸部，所述第一直形延伸部从上游直下游由初始高度直接向高处延伸。
14.在所述混合器的一个或多个实施例中，所述第一旋流组织元件在宽度方向的中部具有所述波形延伸部，在所述波形延伸部的宽度方向两侧具有从所述初始高度向低处延伸的第二直形延伸部；所述第二旋流组织元件在宽度方向的中部具有第一直形延伸部，在所述第一直形延伸部的宽度方向的两侧具有第二直形延伸部。
15.在所述混合器的一个或多个实施例中，所述第一旋流组织元件占据所述旋流组织区域的高度为不超过50％。
16.在所述混合器的一个或多个实施例中，所述第一直形延伸部向高处延伸的倾角为20
°‑
45
°
，所述第二直形延伸部向低处延伸的倾角为20
°‑
45
°
。
17.在所述混合器的一个或多个实施例中，所述旋流组织元件与每层的所述反应剂分配元件一体地连接，一层的所述反应剂分配元件以及旋流组织元件构成一层的混合器单元，每层所述混合器单元通过连接带连接。
18.在所述混合器的一个或多个实施例中，所述混合器为一体件。
19.根据本发明另一个方面的一种混合器组件，包括供排气流动的管道以及设置于所述管道内的如以上任意一项所述的混合器，所述管道的侧壁设置有喷射器。
20.根据本发明另一个方面的一种混合器组件，所述管道的直径小于152.4mm，所述喷射器的轴线与排气的气流方向垂直。
21.根据本发明另一个方面的一种混合器组件，所述喷射器喷射的反应剂为尿素溶液的喷雾，所述喷雾的液滴平均粒径为小于70μm。
22.根据本发明另一个方面的一种发动机排气系统，包括如以上任意一项所述的混合器以及位于所述混合器下游的反应器，所述反应器与所述混合器流体地连接，使得排气与反应剂在所述混合器内形成的混合气流能够输出至所述反应器。
23.本发明的进步效果包括但不限于，通过设置反应剂喷射区域与多层的反应剂分配元件、旋流组织区域与旋流组织元件，使得混合器在不同工况的排气流速下均能实现尿素喷雾充分分解，并且排气与尿素喷雾混合均匀，使得排气在scr反应器被高效、充分地处理，提高发动机排气系统的氮氧化物处理能力。
附图说明
24.本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：
25.图1为一实施例的混合器组件的结构示意图。
26.图2为一实施例的混合器的结构示意图。
27.图3为图2所示的混合器的另一视角的结构示意图。
28.图4为图2所示的混合器的剖视结构示意图。
29.图5为图2所示的混合器从下游向上游的视角的结构示意图。
30.图6为一实施例的混合器的一体展开结构示意图。
31.图7为对比方案的混合器在大工况下的尿素喷雾液滴分布示意图。
32.图8为对比方案的混合器在小工况下的尿素喷雾液滴分布示意图。
33.图9a至图9c为一实施例的混合器在大工况下的尿素喷雾液滴分布示意图、排气速度分布示意图以及氨均匀度的示意图。
34.图10a至图10c为一实施例的混合器在小工况下的尿素喷雾液滴分布示意图、排气速度分布示意图以及氨均匀度的示意图。
35.图11为一实施例的混合器在旋流分布的示意图。
36.附图标记：
37.10-混合器组件
38.1-混合器
39.11-反应剂喷射区域
40.111、1111、1112、1113、1114、1115、1116-反应剂分配元件
41.112、1121、1122、1123、1124、1125-喷射空间
42.113、1131、1132、1133、1134、1135-连通开口
43.114-阻流部
44.12-旋流组织区域
45.120、1211、1212、1213、1214、1215、1216-旋流组织元件
46.1201-第一旋流组织元件
47.1221-第一导流方向
48.1202-第二旋流组织元件
49.1222-第二导流方向
50.1231、1232、1233、1234-旋流区域
51.1250-波形延伸部
52.1251-第一直形延伸部
53.1252-第二直形延伸部
54.130-混合单元
55.140-连接带
56.150-光板
57.2-喷射器
58.3-管道
59.4-喷射器安装座
60.5-scr反应器
61.100-排气
62.200-反应剂喷雾。
具体实施方式
63.下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化
公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本发明的保护范围进行限制。
64.另外，如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本技术至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一个或多个实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本技术的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
65.参考图1所示的，在一实施例中，混合器组件10包括混合器1、喷射器2以及管道3。如图1所示的，管道3供排气100流动，排气100的方向为箭头所示的从上游至下游方向。喷射器2通过喷射器安装座4设置于管道3的侧壁，向从混合器喷射与排气混合的反应剂喷雾200，一般为尿素溶液的喷雾，尿素溶液的喷雾与排气在混合器中混合以及被分解为氨气，混合均匀的排气与反应剂的混合气流输出至位于排气系统中位于混合器1下游的反应器，反应器与混合器流体地连接，反应器一般为scr反应器5，排气中的氮氧化物在催化剂的作用下与反应剂发生反应被还原为氮气，混合气流一般需要较强的涡旋，使得排气与还原剂均匀地分布于催化器的催化反应位点。尤其是对于图1所示的体积较小，结构紧凑的scr反应器5而言，尤其需要输出的混合气流具有良好的均匀性以及足够强的旋流运动。
66.如图1至图5所示的，混合器1的结构包括反应剂喷射区域11以及旋流组织区域12。如图1所示的，反应剂喷射区域11即是对应混合器组件10中喷射器2的喷射方向，喷射器2向反应剂喷射区域11喷射反应剂喷雾200。旋流组织区域12包括旋流组织元件120，位于反应剂喷射区域11的下游，以使得尿素与排气的混合气流形成足够强调强的涡旋。反应剂喷射区域11分布有多层的反应剂分配元件111，将反应剂喷射区域11分割为层与层之间的多个喷射空间112，例如图中所示的，反应剂喷射区域11分布有六层反应剂分配元件1111、1112、1113、1114、1115、1116，将反应剂喷射区域110分割五个喷射空间1121、1122、1123、1124、1125。至少一些层的反应剂分配元件111具有连通其对应的喷射空间的连通开口113，如图2以及图3所示的，六层的反应剂分配元件中五层的反应剂分配元件1111、1112、1113、1114、1115具有连通开口1131、1132、1133、1134、1135。如此可以使得喷射的反应剂喷雾200在反应剂喷射区域11被重新分配，与排气更加均匀地混合。继续参考图1至图5所示的，在反应剂喷射区域11的下游，设置有混合器的旋流组织区域12，在该区域设置有旋流组织元件120，使得排气与反应剂形成较强的旋流并充分混合。具体的原理为，如图7、图8所示的(大工况、小工况的边界条件如表1所示)，在未设置反应剂分配元件的对比方案中，在大工况时，此时排气的流量大，喷入混合器的尿素喷雾集中于混合器的最高层，尿素喷雾与排气的混合距离很短，并且也难以在下游组织形成旋流运动。而在小工况时，由于排气流量较小，尿素喷雾液滴的分布较为分散，混合效果较好。而如图9a、图10a所示的，对于实施例的混合器而言，在图9a所示的大工况下，反应剂喷雾200即尿素喷雾的液滴分布可以在位于最高层以及次高层的喷射空间1121、1122，尿素喷雾的分布范围更广，更易于与排气均匀地混合器，以及形成旋流。并且，在下游设置旋流组织元件，也可以进一步保证良好的混合效果。如图10a所示的小工况下，反应剂喷雾200与图8所示的类似，尿素喷雾液滴的分布也较为分散，且分散效果优于图8所示，即设置多层的六层反应剂分配元件以及多层的反应剂分配元件具有连通开口的设置，对尿素喷雾液滴的分布的负面影响很小。综上可知，采用以上实施例的混合器的方案，相比于对比方案而言，通过设置反应剂喷射区域与多层的反应剂分配元件、旋
流组织区域与旋流组织元件，使得混合器在不同工况的排气流速下均能实现尿素喷雾充分分解，并且排气与尿素喷雾混合均匀，使得排气在scr反应器被高效、充分地处理，提高发动机排气系统的氮氧化物处理能力。可以理解到，反应剂分配元件的个数不以实施例介绍的六层为限，也可以根据实际的混合需要进行调整。
67.表1：大工况以及小工况的边界条件
[0068][0069]
继续参考图1至图5，在一些实施例中，连通开口113的大小从高层至低层的反应剂分配元件分别递减，如图2至图5所示的，最高层的反应剂分配元件1111的连通开口1131的开口面积最大，并且由高层的低层的反应剂分配元件1112、1113、1114、1115的连通开口1132、1133、1134、1135的开口面积递减，如此的有益效果如图9b以及图10b所示的，无论大工况还是小工况，均可以形成排气在高层到低层的喷射空间的流动速度递增。如图9b以及图10b所示的，排气各个喷射空间的流动速度为v
1121
《v
1122
《v
1123
《v
1124
《v
1125
。
[0070]
优选地，如图2至图5所示的，最低层的反应剂分配元件1116对应没有设置连通开口，即反应剂分配元件1116对应其余层的反应剂分配元件的连通开口的区域为封闭区域，如此可以如图9b以及图10b所示的，使得最低层的喷射空间1125的排气流动的速度与其余层之间具有更大的速度差。
[0071]
继续参考图1至图5所示的，在一些实施例中，反应剂喷射区域11分布有多层的反应剂分配元件111的具体结构还可以是，至少是位于最高层的反应剂分配元件1111在上游端具有阻流部114。如此的效果可以进一步降低位于高层的喷射空间的排气的流速，使得延长尿素喷雾液滴与排气的混合距离，并且便于后续的组织旋流，以提高混合效果，如图9b以及图10b所示的，在设有阻流部114对应的喷射空间1121，排气的流速很小。图1至图5所示的实施例中，仅有最高层的反应剂分配元件1111在上游具有阻流部114，但不以此为限，例如也可以是次高层的反应剂分配元件1112也具有阻流部。发明人发现，整个阻流部占反应剂喷射区域11的高度的比例为小于或等于20％，如此可以实现较好的混合效果以及旋流组织效果。
[0072]
继续参考图1至图5所示的，在一些实施例中，旋流组织元件120的具体结构可以是，旋流组织元件120由每层的反应剂分配元件110对应向下游延伸，即如图1至图5所示的，六层反应剂分配元件1111、1112、1113、1114、1115、1116对应向下游延伸有六层的旋流组织元件1211、1212、1213、1214、1215、1216。多层的旋流组织元件包括有第一旋流组织元件以及第二旋流组织元件，例如图1至图5所示的，相对位于较高层的旋流组织元件1211、1212、1213为第一旋流组织元件1201，相对位于较低层的旋流组织元件1214、1215、1216为第二旋流组织元件1202。第一旋流组织元件1201具有第一导流方向1221，第二旋流组织元件1202具有第二导流方向1222，第一导流方向1221与第二导流方向相交，如图所示的实施例中，第一导流方向1221斜向指向低处、第二导流方向为斜向指向高处。如此的有益效果是可以在
旋流组织区域12形成多处的旋流。如图9b、图10b以及图11所示的，如此在圆形的截面形成了四个角落位置的四处旋流区域1231、1232、1233、1234。在足够强烈的旋流作用下，尿素充分分解，并且与排气均匀混合，且可以均匀地分布于排气系统中混合器的下游的scr反应器。继续参考图1至图5所示的，在一些实施例中，所述第一旋流组织元件、第二旋流组织元件的具体结构可以是，第一旋流组织元件1201具有波形延伸部1250，波形延伸部1250从上游至下游由初始高度先向高处延伸后向低处回落，第二旋流组织元件1202具有第一直形延伸部1251，第一直形延伸部1251从上游直下游由初始高度直接向高处延伸。如图1至图5所示的，初始高度即为对应的反应剂分配元件的高度。继续参考图1至图5，第一旋流组织元件1201、第二旋流组织元件1202的具体结构可以进一步的是，第一旋流组织元件1201在宽度方向的中部具有波形延伸部1250，波形延伸部1250在宽度方向的两侧具有从初始高度向低处倾斜的第二直形延伸部1252；第二旋流组织元件1202在宽度方向的中部具有第一直形延伸部1251，在第一直形延伸部1251的宽度方向的两侧具有第二直形延伸部1252。如此可以实现较佳的组织旋流的效果。可以理解到，并非是每层的第二旋流组织元件1202均是具备第一直形延伸部1251以及第二直形延伸部1252，例如图1至图5所示的，第二旋流组织元件包括的旋流组织元件1215、1216仅具有第一直形延伸部1251，而无第二直形延伸部1252。另外，如图所示的，第一旋流组织元件1201，即波形延伸部1250占旋流组织区域的高度为不超过50％。优选地，第一直形延伸部1251向高处延伸的倾角a为20
°‑
45
°
，第二直形延伸部1252向低处延伸的倾角b为20
°‑
45
°
。参考图9c以及图10c所示的，不管是大工况还是小工况下，混合器1输出至scr反应器5的混合气流的氨均匀度(nh3uniformity index)均达到了0.95以上，其中图9c所示的大工况下scr反应器的氨均匀度为0.960，图10c所示的小工况下scr反应器氨均匀度为0.958，也说明了采用以上实施例的混合器使得尿素喷雾充分分解且与排气均匀地混合。
[0073]
结合图2至图5，以及图6所示的，混合器1的具体结构可以是，旋流组织元件120从每层的反应剂分配元件111一体地连接，一层的反应剂分配元件111以及旋流组织元件120构成一层的混合器单元130，每层的混合器单元130通过连接带140连接，如图6所示的，如此形成混合器的光板150，将所述图6所示的光板150进行卷绕即可形成图2至图5的混合器1，混合器1为一体件。混合器1可以通过焊接等工艺固定连接至管道3。如此结构的混合器加工工艺简单，加工成本低。
[0074]
另外，发明人发现，以上实施例的混合器1对于较为严格的应用环境的要求尤为适用，具体在于，由于安装空间的要求，管道3的直径小于或等于152.4mm(6英寸)，图中所示的实施例为72mm；喷射器2的轴线21与排气气流的流向垂直，在图1的结构中，喷射器的轴线21穿过连通开口113，并且与反应剂分配元件110垂直。为了使得尿素喷雾充分分解以及混合，尿素喷雾的液滴的平均粒径小于70μm，图中所示的实施例为48μm。承上所示的，如图7至图8所示的，由于液滴粒径很小，在不同工况下的分布存在很大差别。以上实施例的方案，可以使得混合器、排气系统适应紧凑的安装空间的要求下，仍能具有良好的混合效果，并且适应不同的工况。
[0075]
承上可知，采用上述实施例介绍的混合器、混合器组件以及排气系统的有益效果在于，通过设置反应剂喷射区域与多层的反应剂分配元件、旋流组织区域与旋流组织元件，使得混合器在不同工况的排气流速下均能实现尿素喷雾充分分解，并且排气与尿素喷雾混
合均匀，使得排气在scr反应器被高效、充分地处理，提高发动机排气系统的氮氧化物处理能力，也使得混合器、排气系统适应紧凑的安装空间的要求下，仍能具有良好的混合效果。
[0076]
本发明虽然以上述实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

技术特征：

1.一种混合器，用于发动机排气系统，其特征在于，所述混合器包括：反应剂喷射区域，分布有多层反应剂分配元件，将反应剂喷射区域分割为层与层之间的多个喷射空间，至少一些层的所述反应剂分配元件具有连通其对应的喷射空间的连通开口；旋流组织区域，位于所述反应剂喷射区域的下游，分布有旋流组织元件。2.如权利要求1所述的混合器，其特征在于，所述连通开口的大小从高层至低层的反应剂分配元件分别递减。3.如权利要求2所述的混合器，其特征在于，最低层的所述反应剂分配元件对应其余层的反应剂分配元件的连通开口的区域为封闭区域。4.如权利要求1所述的混合器，其特征在于，至少是位于最高层的反应剂分配元件在上游端具有阻流部。5.如权利要求4所述的混合器，其特征在于，所述阻流部占据所述反应剂喷射区域的高度为不超过20％。6.如权利要求1所述的混合器，其特征在于，所述旋流组织元件由每层的所述反应剂分配元件对应向下游延伸，多层的旋流组织元件的部分层为第一旋流组织元件，部分层为第二旋流组织元件，所述第一旋流组织元件的具有第一导流方向，所述第二旋流组织元件具有第二导流方向，所述第一导流方向与第二导流方向相交。7.如权利要求6所述的混合器，其特征在于，所述第一旋流组织元件具有波形延伸部，所述波形延伸部从上游至下游由初始高度先向高处延伸后向低处回落，所述第二旋流组织元件具有第一直形延伸部，所述第一直形延伸部从上游直下游由初始高度直接向高处延伸。8.如权利要求7所述的混合器，其特征在于，所述第一旋流组织元件在宽度方向的中部具有所述波形延伸部，在所述波形延伸部的宽度方向两侧具有从所述初始高度向低处延伸的第二直形延伸部；所述第二旋流组织元件在宽度方向的中部具有第一直形延伸部，在所述第一直形延伸部的宽度方向的两侧具有第二直形延伸部。9.如权利要求7所述的混合器，其特征在于，所述第一旋流组织元件占据所述旋流组织区域的高度为不超过50％。10.如权利要求8所述的混合器，其特征在于，所述第一直形延伸部向高处延伸的倾角为20
°‑
45
°
，所述第二直形延伸部向低处延伸的倾角为20
°‑
45
°
。11.如权利要求1-10任意一项所述的混合器，其特征在于，所述旋流组织元件与每层的所述反应剂分配元件一体地连接，一层的所述反应剂分配元件以及旋流组织元件构成一层的混合器单元，每层所述混合器单元通过连接带连接。12.如权利要求11所述的混合器，其特征在于，所述混合器为一体件。13.一种混合器组件，其特征在于，包括供排气流动的管道以及设置于所述管道内的如权利要求1-12任意一项所述的混合器，所述管道的侧壁设置有喷射器。14.如权利要求13所述的混合器组件，其特征在于，所述管道的直径小于152.4mm，所述喷射器的轴线与排气的气流方向垂直。15.如权利要求14所述的混合器组件，其特征在于，所述喷射器喷射的反应剂为尿素溶液的喷雾，所述喷雾的液滴平均粒径为小于70μm。
16.一种发动机排气系统，其特征在于，包括如权利要求1-12任意一项所述的混合器以及位于所述混合器下游的反应器，所述反应器与所述混合器流体地连接，使得排气与反应剂在所述混合器内形成的混合气流能够输出至所述反应器。

技术总结

本发明涉及一种混合器、混合器组件以及排气系统。其中，所述混合器包括反应剂喷射区域，分布有多层反应剂分配元件，将反应剂喷射区域分割为层与层之间的多个喷射空间，至少一些层的所述反应剂分配元件具有连通其对应的喷射空间的连通开口；旋流组织区域，位于所述反应剂喷射区域的下游，分布有旋流组织元件。分布有旋流组织元件。分布有旋流组织元件。