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CN103748330A - 内燃机的排气净化装置 - Google Patents

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CN103748330A
CN103748330A CN201180072980.0A CN201180072980A CN103748330A CN 103748330 A CN103748330 A CN 103748330A CN 201180072980 A CN201180072980 A CN 201180072980A CN 103748330 A CN103748330 A CN 103748330A
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CN
China
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reducing agent
exhaust gas
internal combustion
combustion engine
addition valve
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Application number
CN201180072980.0A
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伊藤和浩
广田信也
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Publication date
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Abstract

本发明的课题在于，在包括配置于自还原剂添加阀添加的还原剂的内燃机的排气通路中的排气净化用催化剂、向在排气净化用催化剂的上游流动的排气中添加还原剂的还原剂添加阀以及使自还原剂添加阀添加的还原剂分散的分散构件的内燃机的排气净化装置中，将由分散构件引起的排气阻力的增加抑制得较小，且提高还原剂的微粒化及分散性。为了解决该课题，本发明仅在自还原剂添加阀添加的还原剂中的粒径相对较大的粗大还原剂的飞行路径上配置分散构件。

Description

内燃机的排气净化装置
技术领域
本发明涉及通过向设于内燃机的排气通路中的排气净化用催化剂供给还原剂而进行排气净化的技术。
背景技术
公知有一种内燃机的排气净化装置，其包括配置于内燃机的排气通路中的排气净化用催化剂、配置于排气净化用催化剂上游的排气通路中的还原剂喷射阀以及配置于还原剂喷射阀下游且排气净化用催化剂上游的排气通路中的碰撞扩散构件（例如，参照专利文献1）。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2009－41370号公报
发明内容
发明要解决的课题
当自还原剂喷射阀喷射的还原剂与碰撞扩散构件碰撞时，该还原剂在排气通路内分散，容易与气体均匀混合。但是，碰撞扩散构件会增加排气阻力，因此，在内燃机的高负荷运转等时也可能导致背压增加、内燃机输出降低。
本发明是鉴于上述那样的情况而完成的，其目的在于，在包括配置于内燃机的排气通路中的排气净化用催化剂、向在排气净化用催化剂的上游流动的排气中添加还原剂的还原剂添加阀以及用于使自还原剂添加阀添加的还原剂在排气通路内分散的分散构件的内燃机的排气净化装置中，既能将排气阻力的增加抑制得较小，又能谋求提高还原剂的微粒化、分散性。
用于解决课题的方案
本发明为了解决上述课题，在包括配置于自还原剂添加阀添加的还原剂的内燃机的排气通路中的排气净化用催化剂、向在排气净化用催化剂的上游流动的排气中添加还原剂的还原剂添加阀以及使自还原剂添加阀添加的还原剂分散的分散构件的内燃机的排气净化装置中，仅在自还原剂添加阀添加的还原剂中的粒径相对较大的粗大还原剂的飞行路径上配置分散构件。
详细而言，本发明的内燃机的排气净化装置包括：
排气净化用催化剂，其配置于内燃机的排气通路中；
还原剂添加阀，其向在上述排气净化用催化剂的上游流动的排气中添加还原剂；
分散构件，其是供自上述还原剂添加阀添加的还原剂碰撞的构件，配置于自上述还原剂添加阀添加的还原剂中的作为粒径相对较大的还原剂的粗大还原剂的飞行路径上。
根据这种结构，仅自还原剂添加阀添加的还原剂中的粗大还原剂与分散构件碰撞。粗大还原剂通过与分散构件碰撞而微粒化并分散于排气中。其结果是，会促进粗大还原剂和排气的均匀混合。
另一方面，自还原剂添加阀添加的还原剂中的粒径小于粗大还原剂的还原剂（以下，称为“微粒还原剂”）不与分散构件碰撞。但是，微粒还原剂由于粒径小且质量小，因此，即使不与分散构件碰撞，也会与排气均匀混合。
因此，根据本发明的分散构件，自还原剂添加阀添加的还原剂几乎全部与排气均匀混合。再有，本发明的分散构件的大小小于使自还原剂添加阀添加的大致全部的还原剂都与分散构件碰撞的情况下的分散构件的大小。其结果是，能将由分散构件引起的排气阻力的增加抑制得较小。
因此，根据本发明的内燃机的排气净化装置，既能将由分散构件引起的排气阻力的增加抑制到最小限度，又能谋求提高还原剂的微粒化及分散性。其结果是，既能将背压的增加、内燃机输出的降低抑制得较小，又能谋求还原剂和排气的均匀混合。
另外，这里所述的“粗大还原剂”示出能具有从排气净化用催化剂处直接冲过的惯性力的大小的还原剂、未与排气均匀混合而能贯彻在排气中的大小（质量）的还原剂或者在自还原剂添加阀到达排气净化用催化剂之前未彻底气化的大小的还原剂等。此外，在使用能提供氨的还原剂（例如，尿素、氨基甲酸铵等的水溶液）作为还原剂的情况下，也可以将在排气中未水解的大小的还原剂定义为粗大还原剂。这样的粗大还原剂的飞行路径预先经实验求出。
在本发明中，在还原剂添加阀为具有圆锥状（full cone shape）的喷射模型的喷射阀的情况下，粗大还原剂易集中在喷雾的周缘部。因此，分散构件可以以与喷雾的周缘部干扰，且不与喷雾的中心部分干扰的方式配置。即，分散构件可以配置于圆锥状的喷雾的周缘部所飞行的路径上。
此时，分散构件可以是在筒状体的一个端面上形成有向径向外侧或径向内侧延伸的突出部的构件。在该情况下，集中在圆锥状的喷雾的中心部分的微粒还原剂从筒状体的内部通过而流向下游，集中在圆锥状的喷雾的周缘部的粗大还原剂与突出部碰撞而微粒化。此外，排气的气流由于排气与突出部碰撞或绕过突出部而紊乱，因此，会促进微粒化后的还原剂与排气的混合。
此外，作为分散构件，也可以使用形成为环状的板材。在该情况下，集中在圆锥状的喷雾的中心部分的微粒还原剂自环状的板材的内侧通过，集中在圆锥状的喷雾的周缘部的粗大还原剂与板材碰撞而微粒化。此外，排气的气流由于排气与板材碰撞或在绕过板材而紊乱，因此，会促进微粒化后的还原剂与排气的混合。
在使用环状的板材作为分散构件的情况下，可以在板材的表面（与排气及还原剂的流动相对的面）设置凹凸。在该情况下，会促进与板材的表面碰撞后的粗大还原剂的扩散，且会促进附着于板材的表面的粗大还原剂的气化（蒸发）。
在使用环状的板材作为分散构件的情况下，可以在板材上设置贯通板材的多个贯通孔。此时，优选使贯通孔的直径小于粗大还原剂的直径。根据这样构成的板材，与板材碰撞而微粒化后的还原剂、排气能够从贯通孔中通过。其结果是，能够进一步减小由分散构件引起的排气阻力。
另外，在使用呈环状地配置有多个喷孔的多孔型的喷射阀作为还原剂添加阀的情况下，分散构件可以将多个板材排列成环状而构成。根据这种结构，能够将由分散构件引起的排气阻力的增加抑制得更小。此外，各板材可以相对于喷雾的行进方向垂直地配置，或者也可以相对于喷雾的行进方向倾斜地配置。
本发明的分散构件可以设于粗大还原剂的飞行路径上的多个部位。在该情况下，粗大还原剂容易与多个分散构件中的至少一个分散构件碰撞。因此，粗大还原剂会更可靠地微粒化。此外，在粗大还原剂与多个分散构件碰撞的情况下，能够使粗大还原剂成为更小的微粒还原剂。
发明效果
根据本发明，在包括配置于内燃机的排气通路中的排气净化用催化剂、向在排气净化用催化剂的上游流动的排气中添加还原剂的还原剂添加阀以及使自还原剂添加阀添加的还原剂在排气通路内分散的分散构件的内燃机的排气净化装置中，既能将排气阻力的增加抑制得较小，又能谋求提高还原剂的微粒化、分散性。
附图说明
图1是表示应用了本发明的内燃机的排气系统的概略结构的图。
图2是表示自还原剂添加阀喷射的还原剂的喷雾形状的图。
图3是表示第1实施例的分散构件的结构的图。
图4是表示自还原剂添加阀喷射的还原剂和分散构件的相对位置的图。
图5是表示第1实施例的分散构件的变形例的图。
图6是表示第1实施例的分散构件的变形例的图。
图7是表示第1实施例的分散构件的变形例的图。
图8是表示第1实施例的分散构件的变形例的图。
图9是表示第1实施例的分散构件的变形例的图。
图10是表示自多孔型的还原剂添加阀喷射的还原剂的喷雾形状的图。
图11是表示与多孔型的还原剂添加阀对应的分散构件的结构的图。
图12是表示自狭缝型的还原剂添加阀喷射的还原剂的喷雾形状的图。
图13是表示与狭缝型的还原剂添加阀对应的分散构件的结构的图。
图14是表示第1实施例中的还原剂添加阀和分散构件的其他配置例的图。
图15是表示第1实施例中的还原剂添加阀和分散构件的其他配置例的图。
图16是表示第2实施例的分散构件的结构的图。
图17是表示第2实施例的分散构件的变形例的图。
图18是表示第2实施例中的还原剂添加阀和分散构件的其他配置例的图。
图19是表示图18所示的分散构件的结构的俯视图。
图20是表示图18所示的分散构件的变形例的图。
图21是表示图18所示的还原剂添加阀为狭缝型的还原剂添加阀时的分散构件的结构的俯视图。
具体实施方式
以下，基于附图说明本发明的具体实施方式。对于本实施方式所记载的构成零件的尺寸、材质、形状、相对配置等，只要没有特殊说明，则发明的技术范围不仅限定于这些尺寸、材质、形状、相对配置等。
＜实施例1＞
首先，基于图1～图15说明本发明的第1实施例。图1是表示应用了本发明的内燃机的排气系统的概略结构的图。
图1所示的内燃机1是以轻油为燃料的压缩点火式的内燃机（柴油机）。在内燃机1上连接有排气通路2。在排气通路2的中途配置有容纳了选择还原型催化剂30的催化剂外壳3。
在上述催化剂外壳3上游的排气通路2中安装有还原剂添加阀4。在图1所示的例子中，还原剂添加阀4以使该还原剂添加阀4的轴向与催化剂外壳3（选择还原型催化剂30）的轴向平行的方式安装于排气通路2中。换言之，还原剂添加阀4以使该还原剂添加阀4的轴向与流入选择还原型催化剂30的排气的流动方向平行的方式配置。
还原剂添加阀4借助泵40与还原剂罐41连通。在还原剂罐41中储存有能提供氨的还原剂。泵40自还原剂罐41汲取还原剂，并向还原剂添加阀4排出汲取的还原剂。还原剂添加阀4向排气通路2内喷射由泵40排出的还原剂。还原剂添加阀4的开闭动作由电子控制单元（ECU）6进行电控制。
在此，作为能提供氨的还原剂，可以使用尿素、氨基甲酸铵等的水溶液。在本实施例中，作为能提供氨的还原剂，采用了尿素水溶液。另外，在使用尿素水溶液作为还原剂的情况下，有时尿素水溶液水解生成的氨（NH3）的一部分会从选择还原型催化剂直接冲过。因此，催化剂外壳3可以在选择还原型催化剂30的下游容纳氨氧化催化剂31。当在选择还原型催化剂30的下游配置有氨氧化催化剂31时，从选择还原型催化剂30直接冲过的氨（NH3）被氨氧化催化剂31氧化。其结果是，能避免将氨（NH3）排放到大气中的情况。
在位于还原剂添加阀4和催化剂外壳3之间的排气通路2中配置有分散构件5。分散构件5是不与自还原剂添加阀4喷射的还原剂中的粒径相对较小的微粒还原剂碰撞，且与粒径相对较大的粗大还原剂碰撞的构件。
这里所述的“粗大还原剂”是指能具有从选择还原型催化剂30直接冲过的惯性力的大小（粒径）的还原剂、未与排气均匀混合而贯彻在排气中的大小的还原剂或者在自还原剂添加阀4到达选择还原型催化剂30之前未彻底气化（未水解）的大小的还原剂。另一方面，“微粒还原剂”是指粒径小于上述粗大还原剂的还原剂，是在自还原剂添加阀4到达选择还原型催化剂30之前能够水解的大小的还原剂。
分散构件5配置于自还原剂添加阀4喷射的粗大还原剂的飞行路径上。例如在还原剂添加阀4为形成圆锥状（full cone shape）或空心圆锥状（hollow cone shape）的喷雾的喷射阀的情况下，如图2所示，粗大还原剂易集中在圆锥状的喷雾（图2中的S）的周缘部（图2中的A）。因此，如图3所示，本实施例的分散构件5由中心部分开口的环状的板材构成。此时，分散构件5利用多个支承轴50固定在排气通路2内。
在此，当分散构件5配置于远离还原剂添加阀4的位置上时，圆锥状的喷雾的外径变大，因此，需要增大分散构件5的外径。当分散构件5的外径增大时，排气阻力会增大。因此，分散构件5优选尽可能配置于靠近还原剂添加阀4的位置上。当分散构件5配置于还原剂添加阀4的附近时，能够将分散构件5的外径抑制得较小。其结果是，能够将由分散构件5引起的排气阻力的增加抑制得较小。
如图4所示，根据这样构成的分散构件5，自还原剂添加阀4喷射的还原剂中的粗大还原剂（图4中的A）与分散构件5碰撞，微粒还原剂（图4中的B）从分散构件5的空心部分通过。也就是说，自还原剂添加阀4喷射的还原剂中，仅粗大还原剂与分散构件5碰撞。
当粗大还原剂与分散构件5碰撞时，粗大还原剂微粒化。微粒化后的粗大还原剂分散到排气中。另一方面，微粒还原剂由于粒径小且质量小，因此，即使不与分散构件5碰撞也会与排气均匀混合。其结果是，自还原剂添加阀4喷射的还原剂几乎全部与排气均匀混合。
此外，分散构件5的大小（排气的流动方向上的前表面投影面积）与自还原剂添加阀4喷射的还原剂全部与分散构件碰撞的情况相比变小。因此，既能将由于配置分散构件5而导致的排气阻力的增加抑制得较小，又能谋求提高还原剂的微粒化以及分散性。
在本实施例中，对于使用环状的板材作为分散构件5的例子进行了说明，但也可以如图5所示那样使用设有多个贯通孔51的环状的板材。此时，在将贯通孔51的直径形成为小于粗大还原剂的粒径时，与分散构件5碰撞而微粒化后的还原剂、排气的一部分会从贯通孔51中通过，因此，能够进一步减小由分散构件5引起的排气阻力。
在使用环状的板材作为分散构件5的情况下，可以在分散构件5的上游侧的表面设置凹凸。在该情况下，附着于分散构件5的液相的还原剂容易气化。作为在分散构件5的表面设置凹凸的方法，可以如图6所示那样，使用将截面波浪形的板材成形为环状的方法。另外，在使用一边使还原剂呈螺旋状回旋一边喷射还原剂的旋流式喷射器作为还原剂添加阀4的情况下，若在分散构件5的表面设置凹凸，则会促进粗大还原剂与分散构件5碰撞时的微粒化。
此外，如图7所示，作为分散构件5，也可以使用在筒状体52的内周面呈螺旋状地配置多个板材（叶片）53而成的构件。此时，多个叶片53以互不接触的方式配置。根据这种分散构件5，与分散构件5的叶片碰撞后的粗大还原剂及排气呈螺旋状地回旋。其结果是，会促进排气和与叶片碰撞而微粒化后的还原剂的混合。再有，由于多个叶片53隔有间隙地配置，因此，也能够将由分散构件5引起的排气阻力的增加抑制得更小。
如图8所示，作为分散构件5，也可以使用将环状的板材成形为锥形状的构件。此时，使板材的径向内侧的部位与径向外侧的部位相比位于排气流动方向的下游侧。根据这种结构，由于分散构件5与排气的碰撞角度小于直角，因此，能够将由分散构件5引起的排气阻力的增加抑制得更小。
如图9所示，作为分散构件5，也可以使用使筒状体的上游侧端部向径向外侧突出的构件。在该情况下，绕过分散构件5之后的排气生成图9中的箭头所示那样的后台阶流（back step flow），因此，会促进排气与还原剂的搅拌。其结果是，排气会与还原剂均匀混合。
另外，在使用呈环状地配置有多个喷孔的多孔型的喷射阀作为还原剂添加阀4的情况下，如图10所示，自各喷孔喷射的还原剂形成圆锥状（full cone shape）或空心圆锥状（hollow cone shape）的喷雾。因此，在使用多孔型的喷射阀作为还原剂添加阀4的情况下，也可以采用图11所示那样的结构作为分散构件5。图11所示的分散构件5是在环状体54的内周面设有多个板材55的构件。各板材55配置于自还原剂添加阀4的各喷孔22喷射的还原剂的飞行路径上。再有，在各板材55中，在与微粒还原剂的飞行路径重叠的部位形成有贯通孔56。根据这种分散构件5，可以仅使自各喷孔22喷射的还原剂中的粗大还原剂与板材55碰撞。其结果是，既能将由分散构件5引起的排气阻力的增加抑制得较小，又能谋求提高粗大还原剂的微粒化、分散性。另外，图11所示的例子的分散构件5具有4块板材55，但板材55也可以是3块以下，或者也可以是5块以上。总之，只要具有与还原剂添加阀4的喷孔的个数相同数量的板材即可。
此外，在使用具有截面矩形的喷孔的狭缝型的喷射阀作为还原剂添加阀4的情况下，如图12所示，自还原剂添加阀4喷射的还原剂形成扇状的喷雾。此时，粗大还原剂易集中在扇状的喷雾的两端（图12中的A）。因此，在使用狭缝型的喷射阀作为还原剂添加阀4的情况下，可以采用图13所示那样的结构作为分散构件5。图13所示的分散构件5是在环状体54的内周面上的相对的两个部位设有板材57的构件。根据这种分散构件5，可以仅使自还原剂添加阀4喷射的还原剂中的粗大还原剂与板材57碰撞。其结果是，既能将由分散构件5引起的排气阻力的增加抑制得较小，又能谋求提高粗大还原剂的微粒化、扩散性。
另外，在本实施例中，对于以使还原剂添加阀4的轴向与排气的流动方向平行的方式配置还原剂添加阀4的例子进行了说明，但是也可以如图14所示那样，以使还原剂添加阀4的轴向与排气的流动方向斜交的方式配置还原剂添加阀4。在该情况下，分散构件5可以如图14所示那样在粗大还原剂（图14中的A）的飞行路径上相对于排气的流动方向垂直地配置。此外，分散构件5也可以如图15所示那样在粗大还原剂（图15中的A）的飞行路径上相对于排气的流动方向倾斜地被配置。总之，分散构件5只要是在粗大还原剂的飞行路径上，怎样配置都可以。
＜实施例2＞
接着，基于图16～图21说明本发明的内燃机的排气净化装置的第2实施例。在此，对于与上述第1实施例不同的结构进行说明，对于相同的结构省略说明。
上述第1实施例与本实施例的不同点在于，使自还原剂添加阀4喷射的粗大还原剂与分散构件5多次碰撞。
图16是表示本实施例的分散构件5的结构的图。在图16中，分散构件5具有筒状体58以及自筒状体58的下游侧端部向径向内侧突出的环状的突出部59。筒状体58和突出部59配置于自还原剂添加阀4喷射的粗大还原剂的飞行路径上。
根据这样构成的分散构件5，粗大还原剂与筒状体58的内壁面碰撞之后再与突出部59的内壁面碰撞，或者与突出部59的内壁面碰撞之后再与筒状体58的内壁面碰撞。其结果是，会进一步促进粗大还原剂的微粒化。再有，粗大还原剂会滞留于筒状体58和突出部59所围成的空间，因此，能促进粗大还原剂的气化、水解，也能促进粗大还原剂与排气的混合。
另外，在图16所示的例子中，突出部59相对于筒状体58垂直（与排气通路2的径向平行）地突出，但也可以如图17所示那样，一边向排气的流动方向的上游侧倾斜一边突出。根据这种结构，粗大还原剂与筒状体58的内壁面和突出部59的内壁面双方更可靠地碰撞，并且容易滞留于筒状体58和突出部59所围成的空间。因此，会进一步促进粗大还原剂的微粒化，并且会进一步促进气化和水解。此外，突出部59也可以自筒状体58的下游侧端部向径向外侧突出。
此外，在本实施例中，对于以使还原剂添加阀4的轴向与排气的流动方向平行的方式配置还原剂添加阀4的例子进行了说明，但也可以如图18所示那样，以使还原剂添加阀4的轴向与排气的流动方向垂直地配置还原剂添加阀4。
在该情况下，分散构件5也可以具有沿着排气通路2的径向排列的多个碰撞件500。如图19所示，各碰撞件500由设有多个贯通孔501的板材构成。在各碰撞件500上，在与粗大还原剂的飞行路径重叠的部位502不设置贯通孔501（以下，将部位502称为“非贯通部502”）。
根据图19所示的结构，自还原剂添加阀4喷射的还原剂中的微粒还原剂从碰撞件500的贯通孔中通过，粗大还原剂多次与多个碰撞件500的非贯通部502碰撞。其结果是，能谋求提高粗大还原剂的微粒化及分散性，也能使还原剂在排气通路2的径向上的浓度分布变得均匀。
另外，如图20所示，多个碰撞件500也可以仅配置于粗大还原剂的飞行路径上。此时，作为各碰撞件500，可以使用将平板、筒状体或半筒状体成形为环状的构件。根据这种结构，能够使粗大还原剂与多个碰撞件500碰撞。
此外，在图18所示的配置例中，在还原剂添加阀4为狭缝型的喷射阀的情况下，分散构件5也可以是如图21所示那样，设有多个贯通孔501且在与扇状的喷雾的两端对应的位置形成有非贯通部502的板状的碰撞件500。
附图标记说明
1：内燃机；2：排气通路；3：催化剂外壳；4：还原剂添加阀；5：分散构件；22：各喷孔；30：选择还原型催化剂；31：氨氧化催化剂；40：泵；41：还原剂罐；50：支承轴；51：贯通孔；52：筒体；53：叶片；54：环状体；55：板材；56：贯通孔；57：板材；58：筒状体；59：突出部；500：碰撞件；501：贯通孔；502：非贯通部。

Claims (7)

1.一种内燃机的排气净化装置，具有：
排气净化用催化剂，该排气净化用催化剂配置于内燃机的排气通路中；
还原剂添加阀，该还原剂添加阀向在上述排气净化用催化剂的上游流动的排气中添加还原剂；
分散构件，该分散构件是供自上述还原剂添加阀添加的还原剂碰撞的构件，配置于自上述还原剂添加阀添加的还原剂中的作为粒径相对较大的还原剂的粗大还原剂的飞行路径上。
2.根据权利要求1所述的内燃机的排气净化装置，其中，
上述还原剂添加阀是形成圆锥状的喷雾的喷射阀；
上述分散构件配置于上述圆锥状的喷雾的周缘部飞行的路径上。
3.根据权利要求2所述的内燃机的排气净化装置，其中，
上述分散构件是在筒状体的一个端面上形成有沿着径向延伸的突出部的构件。
4.根据权利要求2所述的内燃机的排气净化装置，其中，
上述分散构件是形成为环状的板材。
5.根据权利要求4所述的内燃机的排气净化装置，其中，
在上述板材的表面形成有凹凸。
6.根据权利要求4所述的内燃机的排气净化装置，其中，
在上述板材上设有多个贯通孔。
7.根据权利要求2所述的内燃机的排气净化装置，其中，
上述分散构件是将多个板材排列成环状而成的构件。
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