CN101349181A - 发动机排气净化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种发动机的排气净化装置，其在排气通路(10)的SCR催化剂(16)的上游侧设置文丘里管状的搅拌室(13)。在搅拌室(13)内的最上游位置，配置用于产生涡流的叶片装置(18)。在相对于搅拌室(13)直径最小部(13b)为上游侧且相对于叶片装置(18)为下游侧的位置处，配置喷射尿素水溶液的喷嘴(19)。由此，与在直径最小部(13b)处配置喷嘴(19)的情况相比，使从叶片装置(18)至直径最小部(13b)的距离Lf及从喷嘴(19)至SCR催化剂(16)的距离Ln同时增加。

Description

发动机排气净化装置
技术领域
本发明涉及发动机排气净化装置，具体地说，涉及可以在发动机的排气中产生涡流，将喷射到该排气中的添加剂与排气一起向下游侧的催化剂装置供给的排气净化装置。
背景技术
在使用添加剂而将排气中的有害成分无害化，从而净化排气的排气净化装置中，利用涡流而使喷射出的添加剂与排气良好地混合，以及使混合的添加剂均匀地在排气中扩散·雾化是非常重要的。通过满足这些条件，可以实质上均匀地向催化剂装置的各个部位供给添加剂，实现催化剂装置的高净化性能。鉴于上述要求，当前采取各种对策，例如，日本国特开2006-183509号公报(以下称为专利文献1)公开了一种采取上述对策的排气净化装置。
在上述专利文献1公示的排气净化装置中，利用设置在排气通路的大径部中的涡流产生单元使排气产生涡流。在使产生的涡流经由直径缩小部而向小径部移动的过程中，通过使涡流半径逐渐缩小而使涡流的旋转速度增加，促进添加剂向排气的混合及扩散·雾化。在该专利文献1的排气净化装置中，在使排气通路直径逐渐缩小后，从小径部开始使直径以阶梯状增大，与下游侧的催化剂装置连接。与此不同，例如，如图2所示，也存在直径暂时缩小的排气通路直径逐渐增大而与催化剂装置连接的排气净化装置。
在图2的例子中，作为催化剂装置，设置用于去除NOx(氮氧化物)的SCR催化剂116(选择还原型NOx催化剂)，在排气管110的一部分中设置搅拌室113，其形成由直径缩小部113a、直径最小部113b及直径增大部113c构成的文丘里管状。在排气通过搅拌室113内的过程中，由叶片装置118产生的涡流在直径缩小部113a内，伴随旋转半径的缩小而使旋转速度逐渐增加，然后，在直径增大部113c中，一边使涡流的旋转半径逐渐增大，一边将其导向SCR催化剂16。并且，在这种催化剂装置中，为了使从喷嘴119喷射的添加剂与排气的良好地混合，以及向排气中均匀地扩散·雾化，希望在排气流速高的位置喷射添加剂，在这种想法下，在搅拌室113的直径缩小部113a与直径增大部113c之间、即排气流速最大的直径最小部113b(直径最小的位置)处配置喷嘴119。
但是，由于排气管110等的布局的制约，很多情况下无法充分确保从叶片装置118至SCR催化剂116的距离L’。因此，在图2所述的现有技术的排气净化装置中，不得不将从叶片装置118至搅拌室113的直径最小部113b的距离Lf’、或从喷嘴119至SCR催化剂116的距离Ln’中的至少某一个设定得短于最佳值。
在搅拌室113的直径缩小部113a中，通过一边使在排气中产生的涡流的旋转半径逐渐缩小一边增加旋转速度，促进与添加剂的混合。如果从叶片装置118至直径最小部113b的距离Lf’缩短，则涡流的旋转半径会急剧缩小而使得运动能量损失，从而无法充分地提高旋转速度。其结果，使得添加剂与排气的混合不充分。另外，从喷嘴119喷射的添加剂，一边向下游侧移动一边向排气中扩散·雾化。如果从喷嘴119至SCR催化剂116的距离Ln’缩短，则无法充分地确保用于添加剂扩散·雾化的时间，使得添加剂的扩散·雾化不充分。
SCR催化剂16的排气净化功能，通过同时实现添加剂与排气的良好混合、及添加剂向排气中的均匀扩散·雾化，而最大限度地得到发挥。因此，在上述现有技术中，在SCR催化剂116的排气净化性能的提高方面还存在改良的余地。
发明内容
本发明是为了解决上述问题点而提出的，其目的在于提供一种排气净化装置，其可以同时实现添加剂与排气的良好混合、以及添加剂向排气中的良好的扩散·雾化。
为了实现上述目的，本发明的发动机排气净化装置具有：催化剂装置，其设置在发动机的排气通路中，使用添加剂对上述发动机的排气进行净化；搅拌室，其设置在上述催化剂装置上游侧的上述排气通路中，形成从直径缩小部经由直径最小的直径最小部而与直径扩大部相连续的文丘里管状，该直径缩小部越朝向下游侧直径越减小，该直径扩大部越朝向下游侧直径越扩大；涡流产生单元，其配置在上述搅拌室内，使上述排气产生涡流；以及添加剂喷射单元，其向上述搅拌室内喷射添加剂，其特征在于，上述涡流产生单元接近上述搅拌室的直径缩小部的最上游部而配置，上述添加剂喷射单元配置在比上述搅拌室的直径最小部更靠近上游侧，且比上述涡流产生单元更靠近下游侧。
因此，发动机的排气被从排气通路导入搅拌室的直径缩小部内，利用涡流产生单元在排气中产生涡流。在涡流经由直径缩小部向直径最小部移动的过程中，一边使涡流的旋转半径逐渐减小一边增加涡流的旋转速度。在通过其后的直径增大部的过程中，一边使涡流的旋转半径逐渐扩大，一边使涡流到达下游侧的催化剂装置。从添加剂喷射单元向伴随该涡流的排气中喷射添加剂，将添加剂与排气一起向催化剂装置供给。
因排气通路中的布局而搅拌室整体的路径长度受到制约，但在本发明中，因为相对于搅拌室的直径最小部，使添加剂喷射单元位于上游侧，所以可以同时将从涡流产生单元至直径最小部的距离、及从添加剂喷射单元至催化剂装置的距离设定得充分长。由此，由涡流产生单元产生的涡流，在搅拌室内的直径缩小部内运动能量的损失被抑制得很小，从而可以一边缩小旋转半径一边充分提高旋转速度，促进排气与添加剂的混合。另外，从添加剂喷射单元喷射的添加剂，在经由搅拌室的直径缩小部、直径最小部、直径扩大部而到达催化剂装置之前，可以在排气中良好地扩散·雾化。由于这些因素，可以同时实现添加剂与排气的良好混合、及添加剂向排气中的良好的扩散·雾化，可以使添加剂良好地扩散到催化剂装置的各个部位而进行供给。其结果，可以使催化剂装置发挥良好的排气净化性能。
特别地，在上述排气净化装置中，从上述涡流产生单元至上述直径最小部的距离设定得较长，其程度为可以抑制在上述直径缩小部内上述涡流的旋转半径缩小时的运动能量损失。
由此，可以充分地提高到达直径最小部时的涡流的旋转速度，更加可靠地实现添加剂与排气的良好的混合。
特别地，在上述排气净化装置中，从上述添加剂喷射单元至上述催化剂装置的距离设定得较长，其程度为可以确保为了使从上述添加剂喷射单元喷射的添加剂在排气中扩散·雾化所需的时间。
由此，可以更加可靠地实现添加剂向排气中的良好的扩散·雾化。
特别地，在上述排气净化装置中，上述添加剂喷射单元相对于上述直径缩小部的最上游部和最下游部的中央位置，配置在上游侧。
通过将添加剂喷射单元相对于直径缩小部的中央部设置在上游侧，可以充分确保从添加剂喷射单元至催化剂装置的距离。因此，可以更加良好地进行添加剂的扩散·雾化。
具体地说，在上述排气净化装置中，上述催化剂装置为以氨作为还原剂对排气中的NOx进行选择还原的选择还原型NOx催化剂，上述添加剂喷射单元，是喷射尿素水溶液作为上述添加剂的喷嘴。
在这种情况下，可以使氨充分扩散后向选择还原型的NOx催化剂供给。其结果，可以充分维持由NOx还原进行的选择还原型NOx催化剂的排气净化性能。
附图说明
图1是表示使用了本发明的一个实施方式涉及的排气净化装置的发动机系统的整体结构图。
图2是表示现有技术的排气净化装置的整体结构图。
具体实施方式
下面，根据附图，对于本发明的一个实施方式涉及的发动机排气净化装置进行说明。
图1是表示使用了本实施方式涉及的排气净化装置的发动机系统的整体结构图。发动机1作为直列6气缸柴油发动机而构成，在发动机1的各个气缸中设置燃料喷射阀2。各个燃料喷射阀2从通用的公用油轨3供给加压燃料，通过在与发动机1的运行状态对应的定时进行开阀，从而向各个气缸内喷射燃料。
在发动机1的进气侧，安装用于向发动机1供给进气的进气歧管4。在与进气歧管4连接的进气通路5中，从上游侧开始设置空气净化器6、涡轮增压器7的压缩机7a、中间冷却器8。另外，在发动机1的排气侧安装用于排出发动机1的排气的排气歧管9。在排气歧管9的出口，经由机械地与上述压缩机7a在同一个轴上连接的涡轮增压器7的涡轮7b，连接排气管10。
在发动机1的运行过程中，经由空气净化器6导入进气通路5内的进气，被涡轮增压器7的压缩机7a加压。加压后的进气，经由中间冷却器8、进气歧管4而被分配至各个气缸，在各个气缸的进气行程中被导入各个气缸内。在气缸内，在规定的定时从燃料喷射阀2喷射燃料，在压缩上死点附近点火·燃烧。由燃料的燃烧而生成的排气，经由排气歧管9，对涡轮7b进行旋转驱动，在流过排气管10之后，向外部排出。
在上述排气管10中，设置用于对排气进行净化的排气净化装置。排气净化装置由上游侧壳体11、下游侧壳体12、及形成于两个壳体11、12之间的搅拌室13构成。因此，在排气管10的基础上，由上游侧壳体11、搅拌室13及下游侧壳体12形成排气通路。
在上游侧壳体11内，从上游侧开始收容前段氧化催化剂14及DPF(柴油机微粒过滤器)15。在下游侧壳体12内，从上游侧开始收容SCR催化剂(其为选择还原型的NOx催化剂，相当于本发明的催化剂装置)16及后段氧化催化剂17。
搅拌室13作为整体，构成使排气流通方向的中间部分直径缩小的文丘里管状，由以下部分构成：直径缩小部13a，其从上游侧壳体11的下游端部向下游侧使直径以锥状缩小；直径最小部13b，其保持直径缩小部13a最小直径而与下游侧相连续；以及直径增大部13c，其从直径最小部13b向下游侧使直径以锥状增大，并与下游侧壳体12的上游端部连接。
从图1可知，上游侧壳体11、下游侧壳体12及搅拌室13，作为整体构成为剖面在排气流通方向上缓慢变化的形状。因此，在本实施方式中，利用深冲压加工等使两个壳体11、12和搅拌室13一体成型。因此，不需要在将两个壳体11、12和搅拌室13作为单独部件制作的情况下所必需的上游侧壳体11与搅拌室13之间、及搅拌室13与下游侧壳体12之间的连接用的凸缘部，即可以使各个部件相互连结而构成。
在搅拌室13的直径缩小部13a内的最上游位置设置叶片装置18(涡流产生单元)。详细内容不进行说明，在叶片装置18上，通过对钢制的圆形基板18a进行冲压成型而使多个叶片18b从基板18a上立起，以放射状排列。在基板18a的上方，对应于各个叶片18b而贯穿设置流通孔。利用叶片装置18，来自DPF 15的排气经由各个流通孔流通。排气在刚通过各个流通孔之后被各个叶片18b变更流通方向，从而在叶片装置18的下游侧产生排气的涡流。在直径缩小部13a的叶片装置18的下游侧配置用于喷射尿素水作为添加剂的喷嘴19(添加剂喷射单元)。该喷嘴19从直径缩小部13a的外周部分向中心延伸设置，其前端部在直径缩小部13a的中心，指向排气下游侧。
经由设置在搅拌室13的外周的电磁阀20，从未图示的尿素容器向喷嘴19供给规定压力的尿素水溶液。尿素水溶液对应于电磁阀20的开闭，从以放射状贯穿设置在喷嘴19的前端的喷射孔，朝向搅拌室13的外周方向喷射。
上述燃料喷射阀2及喷嘴19的电磁阀20与ECU 31(电子控制单元)连接，其它的传感器或设备也与ECU 31连接。例如，ECU 31根据发动机转速Ne及加速器操作量θacc，使用未图示的对应图，设定燃料喷射量，同时，根据发动机转速Ne及燃料喷射量，使用未图示的对应图，设定燃料喷射定时。并且，ECU 31通过根据该燃料喷射量及燃料喷射定时对燃料喷射阀2进行驱动控制，使发动机1运行。另外，ECU 31为了向SCR催化剂16供给氨(NH3)而发挥NOx的还原的排气净化作用，根据由设置在搅拌室13中的未图示的温度传感器检测到的排气温度，确定尿素水溶液的目标喷射量。并且，ECU31根据尿素水溶液的目标喷射量对电磁阀20进行驱动控制，使喷嘴19喷射尿素水溶液。
在发动机1的运行中，从发动机1排出的排气，经由排气歧管9及排气管10而被导入上游侧壳体11内。在上游侧壳体11内，当排气经由前段氧化催化剂14而通过DPF 15时，排气中含有的PM(微粒物质)被DPF 15捕获。
然后，排气被导入搅拌室13内，利用叶片装置18产生排气的涡流。涡流在经由直径缩小部13a向直径最小部13b移动的过程中，一边使涡流的旋转半径逐渐缩小一边使涡流的旋转速度增加。在之后排气通过直径扩大部13c的过程中，一边使涡流的旋转半径增大，一边使排气的涡流到达下游侧的SCR催化剂16。如果从喷嘴19向伴有这种涡流的排气中喷射尿素水溶液，则在通过搅拌室13的过程中，尿素水溶液与排气混合并扩散·雾化。此时，利用排气热量及排气中的水蒸气使尿素水溶液加水分解而生成氨。并且，通过使用所生成的氨作为还原剂，可以在SCR催化剂16中将排气中的NOx还原为无害的N2(氮)，从而进行排气净化。此时，在SCR催化剂16中，剩余的氨由后段氧化催化剂17处理。
尿素水溶液相对于排气的混合及扩散·雾化，受到搅拌室13内的排气或尿素水溶液的流通状况、具体地说是搅拌室13的形状，以及搅拌室13内的叶片装置18或喷嘴19的布局很大的影响。因此，在本实施方式中，按照下述方式设定搅拌室13的形状及各个构成要素的布局。
首先，为了便于说明，按照下述方式定义搅拌室13内的各个构成要素间的路径长度。使从叶片装置18的基板18a至SCR催化剂16的上游端的路径长度为总距离L，使从叶片装置18的基板18a至搅拌室13的直径最小部13b的路径长度为混合距离Lf，使从喷嘴19的喷射孔至SCR催化剂16的上游端的路径长度为扩散距离Ln。另外，在搅拌室13的总路径长度中，使搅拌室13的直径缩小部13a的相对于喷嘴19位于上游侧的部分为上游侧距离Na，使该直径缩小部13a的相对于喷嘴19位于下游侧的部分为下游侧距离Nb。
在前述现有技术的排气净化装置中，为了添加剂与排气良好地混合及扩散·雾化，最优选在排气流速最高的位置处喷射添加剂，在这种想法下，按照图2所示的方式，在排气流速最大的搅拌室113的直径最小部113b处配置喷嘴119。但是，在排气管110的布局等对距离L的制约的情况下，在现有技术的布局中，从叶片装置118至搅拌室113的直径最小部113b的距离Lf’、或从喷嘴119至SCR催化剂116的距离Ln’不足。鉴于这一点，本发明人认识到，与在排气流速最高的位置处喷射添加剂相比，将该距离Lf、Ln设定为最佳，对于综合的排气净化性能来说更加重要。
因此，在本实施方式中，从图1可知，使搅拌室13的直径最小部13b与喷嘴19彼此无关联，而单独地将其分别配置在最佳位置。具体地说，对于从叶片装置18至搅拌室13的直径最小部13b的路径长度即混合距离Lf，为了抑制涡流旋转半径在搅拌室13的直径缩小部13a内缩小时运动能量的损失，将其设定为充分长的值。当然，因为对于直径扩大部13也必需一定程度的路径长度，同时，从叶片装置18至SCR催化剂16的总距离L受到布局等的限制，所以在考虑这些条件的基础上确定混合距离Lf。
无论怎样，混合距离Lf都不会如图2的现有技术的距离Lf’那样，受到喷嘴19的位置的约束，而是设定为更长的值。由此，可以将直径缩小部13a内的排气的运动能量的损失抑制为最小。其结果，可以在排气到达直径最小部13b的时刻，充分提高涡流的旋转速度，使得从喷嘴19喷射的尿素水溶液与排气良好地混合。此外，在本实施方式的情况下，相对于直径最小部13b在上游侧喷射尿素水溶液，这一点与现有技术不同，但这一条件不仅对于下述的尿素水溶液的扩散·雾化来说优选，而且有利于排气与尿素水溶液的混合，通过更早地开始二者的混合而进一步促进混合。
另外，关于从喷嘴19至SCR催化剂16的扩散距离Ln，设定为为了确保喷射出的尿素水溶液在排气中均匀地扩散·雾化的时间而充分长的值。当然，因为必须防止喷嘴19与叶片装置18的干涉，所以考虑这一点，尽可能地将喷嘴19设置在上游侧。其结果，在本实施方式中，在与直径缩小部13a的最上游和最下游的中间位置相比位于上游侧的位置处，换言之使得上游侧距离Na＜下游侧距离Nb的关系成立的位置处，设置喷嘴19。
无论怎样，扩散距离Ln都不会如图2的现有技术的距离Ln’那样，受到直径最小部13b的位置的约束，而是设定为更长的值。由此，从喷嘴19喷射的尿素水溶液可以在经由搅拌室13的直径缩小部13a、直径最小部13b、直径增大部13c而到达SCR催化剂19的过程中，良好地在排气中扩散·雾化。
如上所述，在本实施方式的排气净化装置中，可以同时实现在现有技术中无法同时实现的尿素水溶液与排气的良好混合、及尿素水溶液向排气中的良好的扩散·雾化。由此，由尿素水溶液生成的氨可以良好地扩散并向SCR催化剂16的各个部位供给。其结果，可以使SCR催化剂16发挥NOx还原的最大限度的排气净化性能。
在现有技术中，如果将直径最小部113b的位置设定于上游侧，则不仅无法充分提高涡流的旋转速度，还会出现叶片装置118的直径受到限制的问题。也就是说，如图2中的虚线所示，如果将直径最小部113b的位置与喷嘴119一起设定于上游侧，则直径缩小部113a成为直径急剧缩小的形状。因此，叶片装置118的设置位置处的直径缩小部113a的内径会从D’缩小为D”，与之伴随，叶片装置118的直径会减小。其结果，降低叶片装置118的性能，该要素引起涡流的旋转速度降低，进而引起排气与尿素水溶液的混合不充分。
在本实施方式中，因为根本不需要将直径最小部113b的位置与喷嘴119一起设定位于上游侧，所以，具有可以实现防止这种由于叶片装置118直径减小而引起的现有技术的上述问题。
此外，在本实施方式中，因为通过对两个壳体11、12及搅拌室13进行深冲压加工等而使其一体成型，所以，排气净化装置不具有用于连接这些部件的凸缘部。在两个壳体11、12及搅拌室13等上设置连接用的凸缘部，不仅是成本增加的主要原因，也存在由于从凸缘部的散热而无法促进尿素水溶液的加水分解的问题，以及含有尿素水溶液的排气泄露等的可能性增大的问题。但是，在本实施方式中，通过两个壳体11、12及搅拌室13的一体成型，可以事先防止这些问题。
以上结束实施方式的说明，但本发明的方式不限于本实施方式。例如，在上述实施方式中，作为排气净化用的催化剂装置，将本发明具体化为设置SCR催化剂的排气净化装置。但是，排气净化装置不限于此，只要是具有需要供给添加剂的催化剂装置的发动机的排气净化装置，均可以采用本发明。
例如，可以将本发明应用于在排气通路中设置吸附排气中的NOx的吸附性NOx催化剂的发动机的排气净化装置。在该排气净化装置中，为了从NOx催化剂中释放还原所吸附的NOx，必须定时地向排气通路内喷射燃料作为添加剂而执行NOx清除。在这种情况下，采用将图1中的SCR催化剂16替换为吸附型NOx催化剂，取代尿素水溶液而从喷嘴19喷射燃料的结构。在这种排气净化装置中，通过与上述实施方式同样地设定搅拌室13内的各种结构要素的布局，可以得到与上述实施方式同样的作用效果。
在上述实施方式中，作为发动机1使用直列6气缸柴油发动机，但对于发动机1的气缸数量及形式不限定于此。

Claims (5)

1.一种发动机排气净化装置，其具有：
催化剂装置(16)，其设置在发动机(1)的排气通路中，使用添加剂对上述发动机(1)的排气进行净化；
搅拌室(13)，其设置在上述催化剂装置(16)上游侧的上述排气通路中，形成从直径缩小部(13a)经由直径最小的直径最小部(13b)而与直径扩大部(13c)相连续的文丘里管状，该直径缩小部(13a)越朝向下游侧直径越减小，该直径扩大部(13c)越朝向下游侧直径越扩大；
涡流产生单元(18)，其配置在上述搅拌室(13)内，使上述排气产生涡流；以及
添加剂喷射单元(19)，其向上述搅拌室(13)内喷射添加剂，
其特征在于，
上述涡流产生单元(18)接近上述搅拌室(13)的直径缩小部(13a)的最上游部而配置，
上述添加剂喷射单元(19)配置在比上述搅拌室(13)的直径最小部(13b)更靠近上游侧，且比上述涡流产生单元(18)更靠近下游侧。
2.如权利要求1所述的发动机排气净化装置，其特征在于，
从上述涡流产生单元(18)至上述直径最小部(13b)的距离(Lf)设定得较长，其程度为可以抑制在上述直径缩小部(13a)内上述涡流的旋转半径缩小时的运动能量损失。
3.如权利要求1所述的发动机排气净化装置，其特征在于，
从上述添加剂喷射单元(19)至上述催化剂装置(16)的距离(Ln)设定得较长，其程度为可以确保为了使从上述添加剂喷射单元(19)喷射的添加剂在排气中扩散·雾化所需的时间。
4.如权利要求1所述的发动机排气净化装置，其特征在于，
上述添加剂喷射单元(19)相对于上述直径缩小部(13a)的最上游部和最下游部的中央位置，配置在上游侧。
5.如权利要求1所述的发动机排气净化装置，其特征在于，
上述催化剂装置为以氨作为还原剂对排气中的NOx进行选择还原的选择还原型NOx催化剂(16)，
上述添加剂喷射单元，是喷射尿素水溶液作为上述添加剂的喷嘴(19)。
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