CN101469625A - 用于内燃机的废气净化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于内燃机的废气净化装置，该装置包含排气通道(15)，弯管(15a)和添加剂注入阀(23)。该排气通道(15)包括催化剂(5)，用于向外部输送从内燃机(1)排放的废气；该弯管(15a)通过弯曲排气通道(15)在催化剂(5)的直接上游的一部分而形成，弯管(15a)使从内燃机(1)排放的废气与在催化剂(5)的入口端面(5a)和接着弯管外部的排气通道(15)的壁部的那部分之间形成的角部(A)相碰撞，因此与入口端面的其他部分相比，增加了角部(A)的压力；并且该添加剂注入阀(23)被适配到排气通道(15)的弯管(15a)的外部，以注入的添加剂经过角部(A)的正上方并且落到催化剂(5)的入口端面(5a)上的方式注入添加剂。

Description

用于内燃机的废气净化装置
技术领域
本发明涉及一种用于内燃机的废气净化装置，该废气净化装置构造成向催化剂注入要被提供的添加剂。
背景技术
为了净化柴油发动机汽车(交通工具)的废气，结合使用NOx收集催化剂、NOx选择性还原催化剂、微粒过滤器(柴油微粒过滤器)和/或类似产品的废气净化装置被用于防止柴油发动机的废气中的NOx(氮氧化物)和PM(微粒物质)被散发到空气中。
对于这种废气净化装置，越来越多地被采用的构造是在其中诸如氧化催化剂、或者NOx还原催化剂(NOx收集催化剂或者NOx选择性还原催化剂)的所谓的前置级催化剂(pre-stage catalyst)的催化剂被布置在用于向外输送从发动机排放的废气的排气通道中，并且用于注入作为被催化剂促进的反应所需的添加剂的燃料的燃料添加阀(还原剂添加阀)被布置在例如氧化催化剂的催化剂的上游。
在这种废气净化装置中，为了提高在发动机冷态下的净化效率，前置级催化剂被设置在靠近发动机的排气侧。
但是，发动机室的空间是有限的。因此，例如，如专利公报中(日本专利平开第2005-127260号)所示，存在使用包括例如L形弯管的弯管的排气通道的倾向，以允许前置级催化剂被设置在弯管的直接下游，并且从弯管的外部朝向布置在弯管的直接下游的催化剂的入口端面注入燃料。
但是，在这种构造中，从弯管的外部向催化剂注入的燃料流并入穿过弯管的废气，从而弯曲，因此燃料流容易被穿过弯管的废气不断地从弯管内部推向其外部。
因此，在废气的流量和流速增加的发动机的高负载运转中，废气利用增加的力从弯管内部推动注入的燃料流，从而燃料流偏离催化剂的入口端面上的预定位置，例如从中心朝向与弯管外部相对应的催化剂侧偏离。相反地，在废气的流量和速度减小的发动机的低负载运转中，废气利用减小的力推动注入的燃料流，所以燃料流朝向催化剂的相反侧偏离。这种燃料流的偏离直接反映了发动机的运转状态并且易于变得过大。
这就导致不能以期望方向给前置级催化剂提供反应所需的燃料，所以使用前置级催化剂的催化转化器不能显示令人满意的性能。
发明内容
本发明已经考虑到上述问题。本发明的主要目的在于提供一种用于内燃机的废气净化装置，该装置能够防止注入的添加剂流的过度偏离。
根据本发明的用于内燃机的废气净化装置包含：排气通道，该排气通道包括催化剂，用于向外部输送从内燃机排放的废气；弯管，该弯管通过弯曲排气通道在催化剂的直接上游的一部分而形成，该弯管使从内燃机排放的废气与在催化剂的入口端面和接着弯管外部的排气通道的壁部的那部分之间的角部相碰撞，从而与入口端面的其他部分相比，增加了角部的压力；和添加剂注入阀，该添加剂注入阀适配到排气通道的弯管的外部，以注入的添加剂经过角部的正上方并且落在入口端面上的方式来注入添加剂。
当排气通道中的废气流的速度增加，从而利用增加的力从弯管内部推动注入的添加剂流时，易于发生注入的添加剂流的偏离。但是，在入口端面和接着弯管外部的壁部之间的角部产生增加的压力，并且该增加的压力作用在从弯管外面注入的添加剂流上，以抑制其偏离。因此，能够防止注入的添加剂流的过度偏离。这就允许添加剂以期望方向向提供到催化剂。结果，催化剂能够显示出令人满意的性能。
在本发明的优选方面，添加剂注入阀以注入的添加剂倾斜地经过角部的正上方并且落到入口端面上的方式注入添加剂。这种构造确保了注入的添加剂流经过产生在角部的压力有效地作用到注入的添加剂流上的区域。换句话说，这种构造能够使抑制偏离的力得到最有效的应用。
在本发明的优选方面，设置有添加剂注入通道，该通道具有接合到排气通道的弯管外部的近端并且从该近端沿与添加剂注入方向相反的方向延伸，并且添加剂添加阀被布置在添加剂注入通道的远端。在这种构造中，该添加阀没有直接暴露于排气通道中的废气流中，因此使其免受加热。更进一步，该构造允许添加阀被布置在离催化剂的入口端面较大距离处，这就导致动量减小的添加剂落到入口端面上从而限制渗透。
在本发明的优选方面，在弯管和催化剂的入口端面之间，排气通道包括扩展部，该扩展部的流道面积从弯管朝向入口端面逐渐扩展。在这种构造中，扩展部帮助引起角部处压力的增加，从而能够使抑制注入的添加剂流偏离的力增加。更进一步地，扩展部减小废气的流速，从而便利添加剂和废气的合并。
本发明的更多适用范围将从下文的具体说明中变得显而易见。但是，应该了解，由于在发明的实质和范围内做出的种种变动和修改对于本领域技术人员来说从具体说明中变得显而易见，因此在说明本发明的优选实施例时，具体说明和特定实例仅以说明性方式给出。
附图说明
本发明将从下文给出的具体说明和仅以说明性方式给出的附图中更充分地被理解，因此并不是对本发明的限定，并且其中：
图1是显示根据本发明的实施例的整个废气净化装置的侧视图；
图2是用于说明在发动机的低负载运转状态下的垂直横断面图；
图3是用于说明在发动机的高负载运转状态下的垂直横断面图。
具体实施方式
在图1至图3所示的实施例的基础上说明本发明。
图1显示柴油发动机的排气系统。在图1中，附图标号1表示柴油发动机的发动机机体，1a表示与发动机机体1相连接的排气集管(仅部分显示)，并且2表示连接到排气集管1a的出口的增压器(supercharger)，如涡轮增压器(turbocharger)。
在涡轮增压器2的排气出口处设置废气净化装置3。例如，该废气净化装置3是由NOx去除系统3a和PM收集系统3b的组合而组成的装置，该NOx去除系统3a被设计成吸收废气中的NOx(氮氧化物)并且周期性地还原被吸收的NOx，从而去除NOx，该PM收集系统3b被设计成收集PM(微粒物质)。
例如，NOx去除系统3a由后面将要描述的催化转化器6、催化转化器9和阀23的组合组成，该催化转化器6具有起到前置级催化剂作用的氧化催化剂5并且连接至从涡轮增压器2的排气出口向下延伸处；该催化转化器9具有NOx收集催化剂8，连接在催化转化器6之后向旁边延伸；且阀23起到为用于催化反应的氧化催化剂5提供燃料(添加剂)的添加剂注入阀的作用。收集系统3b由包括微粒过滤器11的催化转化器12组成，并且与催化转化器9相连接。这些催化转化器6，9，12，将催化转化器彼此连接的部件13等构成排气通道15，该通道15用于向外部输送从柴油发动机的发动机机体1排放的废气。
包围具有氧化催化剂5的催化转化器6的立式圆柱形外壳17具有呈近似L形的上部，在该上部与设置在更高位置的涡轮增压器2相连接的进口17a大致面向侧面，同时与催化转化器9相连接的出口17b面向下。壳体17设有紧接在柴油发动机的排气侧之后的排气通道15的L形弯管15a。直接在弯管15a下面配置用于催化转化器的空间，在该空间中布置具有催化氧化剂5的催化转化器。
燃料添加阀23被布置在氧化催化剂5正上方，例如适配到弯管外侧上的弯管15a的壁上，以便向用于催化反应的氧化催化剂5注入燃料。燃料添加阀23在远端处具有燃料通过其注入的燃料注入部。利用基底25，燃料添加阀23被适配到设置在弯管外侧上的从弯管15a分叉的圆柱形构件24的远端的装配凸缘24a。在燃料添加阀23远端的燃料注入部面向用作燃料注入通道24b的圆柱形构件24的内部。圆柱形构件24具有接合到排气通道15的弯管15a的外部的近端，并且该构件从此近端沿着与注入燃料流α的方向相反的方向延伸，这个将稍后说明。这就允许燃料添加阀23位于远离弯管15a中的废气流处，从而防止燃料注入部23a被暴露于高温废气流，因此防止燃料添加阀23超过它的允许温度限制或者上升到易于产生沉淀物的温度。为了有助于防止过热温度，冷却通道25a被形成于底座25中，以利用冷却剂冷却燃料添加阀。
如图1中箭头β所指示，排气通道15的弯管15a被如此弯曲以致将废气从入口17a导向角部A，该角部A在具有氧化催化剂5的催化转化器的入口端面5a和接着弯管15a的外部的壁部15a(也就是接着弯管外部的排气通道的壁的部分)之间。在柴油发动机的运转过程中，与入口端面5a的另一部相比，这种弯曲引起废气与角部A碰撞，从而在角部A处产生高压。
燃料添加阀23被布置成从弯管15a的外部以这种方式注入燃料：注入的燃料经过角部A正上方并且落到氧化催化剂5的入口端面5a上的预定位置，例如入口端面5a的中心。具体地，燃料添加阀23的方向是确定的，以致注入的燃料流α倾斜地经过角部A正上方。更具体地，注入的燃料流α从催化剂5的轴(未显示)向废气流β倾斜的相反侧倾斜。这就允许在角部产生的压力作用在注入的燃料流α上作为从弯管15a的外部推动该燃料流的力，即与从弯管15a的内部推动注入的燃料流α的力相反并且引起注入的燃料流α偏离的力。
排气通道在弯管15a和催化剂5的入口端面5a之间的部分在从弯管15a的出口到入口端面5a的流道面积逐渐地增大，从而在氧化催化剂5之前，形成具有扩展的流道面积的扩展部26。扩展部26使施加到注入的燃料流α上的压力便于产生。无需说明，扩展部26还具有减小废气的流速的功能，从而便利于燃料和废气的合并。
通过燃料添加阀23注入的燃料被用于通过氧化催化剂5的反应产生还原剂，从而还原和去除吸收在NOx收集催化剂8上的NOx和SOx，并且用类似地通过氧化催化剂5的反应获得的热量来燃烧和去除在微粒过滤器11上收集的PM。因此，在柴油发动机的运转过程中，燃料添加阀23由控制柴油发动机的控制装置控制，例如ECU(未显示)，以在需要通过还原去除NOx和Sox、烧掉PM等的催化反应时注入燃料。
以下在图1至图3的基础上说明如上述构造的废气净化装置3的功能。
如图1所示，在柴油发动机的运转过程中，从柴油发动机排放的废气在经过排气集管1a，涡轮增压器2，壳体17，具有氧化催化剂5的催化转化器，具有NOx收集催化剂8的催化转化器，和微粒过滤器11后被发散到外部空气中。
废气中的NOx被吸收在NOx收集催化剂8上，同时废气中的PM被收集在微粒过滤器11上。
假设有必要去除被吸收的NOx和/或被收集的PM并且操作燃料添加阀23。
如图1和图2所示，用于去除NOx和PM所需的燃料被从燃料添加阀23的燃料注入部分朝向氧化催化剂5的入口端面5a的中心注入燃料注入通道24b。附图标号α表示注入的燃料流。
如图2和图3所示，从注入的燃料流α被侧向推动，即由经过弯管15a的废气流β从弯管15a的内部推动。
如图2所示，当柴油发动机处于具有小流量和流速的废气的低负载运转时，废气流β推动注入的燃料流α的力较小，而如图3所示，当柴油发动机处于具有增大的流量和流速的废气的高负载运转时，废气流β推动注入的燃料流α的力较大。
在发动机的运转过程中，在与弯管15a的外侧相对应的侧上，通过废气在已经经过弯管15a之后与角部A相碰撞，在角部A和角部A附近处产生高压区域S。
高压区域S显示依赖于柴油发动机的运转状态的变化，因此，如图3所示，压力随着废气的流量和流速的增加而增大，并且如图2所示，压力随着废气的流量和速度的降低而减小。
这里，由于注入的燃料流α经过角部A的正上方，在角部A产生的压力作用在来自弯管15a的外部的注入的燃料流α上。
不管柴油发动机是处于低负载运转还是处于高负载运转，注入的燃料流α都易于受来自弯管15a内部的废气流β推动而导致偏离。但是，在角部A产生的压力作用从弯管15a的外部作用以推动注入的燃料流α，从而抑制注入的燃料流α的偏离。
因此，无论柴油发动机处于何种运转状态，幅值相等的力作用在来自弯管15a的内部和外部的注入的燃料流α上，从而防止过度的偏离。
因此，注入的燃料流α并不显示过度偏离，或者换句话说，注入的燃料流α可以大致地保持在预定方向上。这就导致为用于反应的氧化催化剂5以均衡的方式提供燃料，以致使用氧化催化剂5的催化转换器可以显示令人满意的性能。
更进一步地，引起注入的燃料流α倾斜地经过角部A正上方，以致有效地接受在角部A产生的压力。换句话说，配置为抑制偏离的力被最有效地应用于注入的燃料流α。
这种抑制偏离的配置对于燃料添加阀23被布置在远离废气流的位置以允许注入的燃料有足够的飞行距离的构造尤其适用且方便，从而引起动量减小的燃料落到具有氧化催化剂5的催化转换器的入口端面5a上来限制渗透。
更进一步地，在弯管15a的出口和氧化催化剂5之间设置的部作为具有逐渐扩展的流道面积的扩展部26，该部通过便于在角部产生抑制注入的燃料流α的偏离的力来帮助产生令人满意的效果。
本发明并不限于上述实施例，而是在不背离本发明的实质和范围的情况下可以进行各种形式的修改。例如，在上述实施例中，本发明被应用于氧化催化剂被布置在弯管的直接下游，并且NOx收集催化剂和微粒过滤器布置在氧化催化剂的下游的废气净化装置中。但是，本发明并不局限于此，而是可以被应用于打算供另一种净化过程使用的废气净化装置，诸如NOx收集催化剂被布置在弯管的直接下游，微粒过滤器被布置在NOx收集催化剂的下游，并且添加阀被布置在NOx收集催化剂的上游的废气净化装置；或者NOx收集催化剂被布置在弯管的直接下游，氧化催化剂和微粒过滤器布置在NOx收集催化剂的下游，并且添加阀布置在NOx收集催化剂的上游的废气净化装置；或者选择性还原催化剂和微粒过滤器被布置在添加剂注入阀的直接下游的废气净化装置。
更进一步地，尽管在上述实施例中，燃料被用作添加剂，该添加剂可以是被提供给催化剂的任何物质。例如，该添加剂可以是还原剂物质，例如轻油，汽油，乙醇，二甲醚，天然气，丙烷气体，尿素，氨，氢或一氧化碳，或者是非还原剂物质，例如用于冷却催化剂的空气，氮或二氧化碳，或用于促进在微粒过滤器上收集的煤烟烧尽的空气或二氧化铈(ceria)。

Claims (4)

1.一种用于内燃机的废气净化装置，其特征在于，包含
排气通道(15)，该排气通道包括催化剂(5)，用于向外部输送从所述内燃机(1)排放的废气；
弯管(15a)，该弯管(15a)通过弯曲所述排气通道(15)在所述催化剂(5)的直接上游的一部分而形成，所述弯管(15a)使从所述内燃机(1)排放的废气与在所述催化剂(5)的入口端面(5a)和接着所述弯管外部的所述排气通道(15)的壁部的那部分之间形成的角部(A)相碰撞，从而与所述入口端面的其他部分相比，增加了在所述角部(A)的压力；和
添加剂注入阀(23)，该添加剂注入阀(23)被适配到所述排气通道(15)的所述弯管(15a)的外部，从而以注入的添加剂经过所述角部(A)的正上方并且落到所述入口端面(5a)上的方式注入添加剂。
2.如权利要求1所述的用于内燃机的废气净化装置，其特征在于，所述添加剂注入阀(23)以注入的添加剂倾斜地经过所述角部(A)的正上方，并且落到所述入口端面(5a)上的方式注入添加剂。
3.如权利要求1所述的用于内燃机的废气净化装置，其特征在于，包括添加剂注入通道(24b)，该添加剂注入通道(24b)具有接合到所述排气通道(15)的所述弯管(15a)外部的近端，并且从所述近端沿与添加剂注入方向相反的方向延伸，其中所述添加剂注入阀(23)被布置在所述添加剂注入通道(24b)的远端。
4.如权利要求1所述的用于内燃机的废气净化装置，其特征在于，在所述弯管(15a)和所述催化剂(5)的入口端面(5a)之间，所述排气通道(15)包括扩展部(26)，该扩展部(26)的流道面积从所述弯管(15a)朝向所述入口端面(5a)逐渐扩展。
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