CN101629506A - 排气净化装置 - Google Patents

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Abstract

一种排气净化装置，能够有效地冷却向排气通路内喷射添加剂的喷射器，长期对排气进行良好的净化。设有向安装构件(60)导入冷却水的环状冷却水流路(62)，在该安装构件(60)上安装有向与发动机(11)连通的排气通路(12)内喷射添加剂的喷射器(50)，在该冷却水流路(62)上分别连接有用于供给冷却水的供给流路(81)和用于排出冷却水的排出流路(91)，并且至少供给流路(81)沿着冷却水流路(62)的切线方向而延伸设置，在冷却水流路(62)的与供给流路(81)连接的连接部附近，设有狭窄部(62a)，该狭窄部(62a)通过冷却水流路(62)的周方向的侧壁的一部分突出而形成的突出部(63)，使水流路的宽度变窄。

Description

排气净化装置
技术领域
本发明涉及一种对从发动机排出的排气进行净化的排气净化装置。
背景技术
在从汽车等上搭载的发动机、尤其是柴油发动机所排出的排气中，含有较多的一氧化碳(CO)、碳化氢(HC)、氮氧化物和微粒状物质(PM：Particulate Matter)等。因此，一般来说，在从发动机排出的排气所通过的排气通路中，例如设有用于分解(还原等)上述污染物质的三效催化剂、和用于捕捉PM的微粒过滤器等，能够在尽量使排气无害化的状态下，使其释放到大气中。
这种微粒过滤器，随着使用，PM在过滤器内堆积，通过阻力增大，因此有必要根据需要进行再生处理。作为这种再生处理，进行在微粒过滤器上配设加热装置、通过加热使PM燃烧而除去的处理，也提出使燃料(汽油)等碳化氢类液体流入设于微粒过滤器的上游的氧化催化剂而产生发热反应，通过该热量进行微粒过滤器的再生处理的方法。
而且，在柴油发动机中，容易产生特别多的氮氧化物(NOx)。因此，在柴油发动机中，为了高效地分解排气中的NOx，例如大多采用反复进行NOx的吸附和还原而将NOx分解(还原)的所谓NOx吸附催化剂。
这种NOx吸附催化剂，为了将已吸附的NOx分解(还原)，需要从外部向NOx吸附催化剂适当供给还原剂。因此，一般来说，通过将燃料(汽油)等作为还原剂向排气通路内喷射，来向NOx吸附催化剂供给。例如，有通过设在排气管上的喷射器向NOx吸附催化剂喷射NOx还原剂的技术(例如，参考专利文献1)。
专利文献1：日本特开2005-214100号公报
专利文献2：日本特开2004-044483号公报
发明要解决的课题
在这样从喷射器向排气通路内喷射燃料等的还原剂(添加剂)的结构中，喷射器的顶端面为露出在排气通路内、暴露在高温的排气中的状态。因此，喷射器的温度有可能超过其耐热温度并上升而发生烧损。而且，当喷射器的温度上升时，附着在顶端面的燃料的挥发成份蒸发，残留的成分变质而作为沉积物堆积。而且附着在喷射器的顶端面上的还原剂成为粘合剂，使排气中的煤附着而作为沉积物渐渐堆积。由于该沉积物，可能会产生喷射器的喷管堵塞而不能向排气通路供给还原剂、不能对排气进行净化的问题。
为了消除这样的问题，例如有如下技术(例如，参考专利文献2)：在喷射器的周围形成水冷套(冷却水流路)，通过向该水冷套导入冷却水并使之循环，来抑制喷射器的温度上升。
通过这样设置冷却水流路，能够在某种程度上抑制喷射器的温度上升，但仅在喷射器的周围简单地设置冷却水流路，可能不能将喷射器充分冷却，需要进一步的冷却对策。
发明内容
本发明鉴于这样的情况而作成，其目的在于提供一种排气净化装置，其能够有效地冷却向排气通路内喷射添加剂的喷射器，长期对排气进行良好的净化。
解决课题的手段
解决上述问题的本发明的第1形态的排气净化装置，其特征在于，具有安装在与发动机连通的排气通路上的排气净化用催化剂，与所述排气净化用催化剂相比设在上游侧的、向所述排气通路内喷射添加剂的喷射器，以及具有安装有该喷射器的安装孔的安装构件，在所述安装构件的所述安装孔的周围，设有用于导入冷却水的环状冷却水流路，在该冷却水流路上分别连接有用于供给冷却水的供给流路和用于排出冷却水的排出流路，并且至少所述供给流路沿着所述冷却水流路的切线方向而延伸设置，在所述冷却水流路的与所述供给流路连接的连接部附近，设有狭窄部，该狭窄部通过该冷却水流路的周方向的侧壁的一部分突出而形成的突出部，使水流路的宽度变窄。
在这样的第1形态中，从供给流路向冷却水流路导入的冷却水与突出部冲撞而产生湍流，从而使喷射器的冷却效果提高。而且，冷却水通过狭窄部从而流速变快，由此也使喷射器的冷却效果提高。由此能够使喷射器充分冷却而抑制沉积物的堆积。因此能够长期对排气进行良好的净化。
本发明的第2形态如第1形态的排气净化装置，其特征在于，所述供给流路和所述排出流路，分别连接在所述冷却水流路的周方向的同一位置上。
在这样的第2形态中，从供给流路导入到冷却水流路内的冷却水，至少环绕冷却水流路一周后从排出流路排出，因此能够高效地对喷射器进行冷却。而且，采用这样的结构，与突出部冲撞的冷却水的一部分在供给流路内逆向流动，与通过狭窄部的主流冲撞而进一步产生湍流。通过该湍流能够进一步提高喷射器的冷却效率。
本发明的第3形态如第1或第2形态的排气净化装置，其特征在于，所述喷射器通过所述安装构件和固定在该安装构件的固定构件保持，所述突出部构成连结有连结构件的凸台部，该连结构件用于将所述固定构件固定在所述安装构件上。
在这样的第3形态中，通过有效利用突出部，能够实现安装构件的小型化。
本发明的第4形态如第1～3形态的任何一个形态的排气净化装置，其特征在于，所述狭窄部遍及所述冷却水流路的高度方向而设置。
在这样的第4形态中，使冷却水的主流的速度更可靠地加速，同时冷却水与突出部可靠地冲撞而使湍流强度提高。由此，能够更有效地对喷射器进行冷却。
发明的效果
在这样的本发明的排气净化装置中，向排气通路喷射添加剂的喷射器被有效地冷却，因而能够抑制随着喷射器的温度上升而沉积物堆积所引起的喷射器的堵塞等问题的发生。因此，能够长期对排气进行良好的净化。
附图说明
图1是表示一实施形态的排气净化装置的概要结构的图。
图2是一实施形态的安装有喷射器的安装构件的剖面图。
图3是一实施形态的安装有喷射器的安装构件的剖面图。
图4是一实施形态的安装有喷射器的安装构件的剖面图。
图5是表示一实施形态的安装构件的变形例的剖面图。
图6是表示一实施形态的安装构件的变形例的剖面图。
图7是表示一实施形态的安装构件的变形例的剖面图。
图8是表示排气净化装置的变形例的概要结构图。
符号的说明
10    排气净化装置
11    发动机
12    排气管(排气通路)
13    气缸盖
14    气缸体
15    气缸洼窝
16    活塞
17    燃烧室
18    连杆
19    曲轴
20    吸气口
21    吸气岐管
22    吸气管
23    吸气阀
24    排气口
25    排气岐管
26    排气阀
27    涡轮增压器
31    燃料喷射阀
32    氧化催化剂
33    NOx吸附催化剂
34    DPF
40    排气温度传感器
41    氧气浓度传感器
50    喷射器
51    喷管
52    顶端面
60    安装构件
61    安装孔
62    冷却水流路
62a   狭窄部
63    突出部
63a   边缘部
65    连结孔
70    固定构件
75    连结构件
81    供给流路
91    排出流路
具体实施方式
下面，对本发明的实施形态进行详细的说明。
图1是表示本实施形态的排气净化装置的概要结构的图。如图1所示，排气净化装置10具有多个排气净化用催化剂和排气净化用过滤器，这些多个排气净化用催化剂和排气净化用过滤器安装在车辆上所搭载的多气缸柴油发动机(以下仅称为发动机)11的排气管(排气通路)12上。
发动机11具有气缸盖13和气缸体14，在气缸体14的各气缸洼窝15内往复移动自由地收纳有活塞16。由该活塞16、气缸洼窝15和气缸盖13形成燃烧室17。另外，活塞16通过连杆18与曲轴19连接，通过活塞16的往复运动使曲轴19旋转。
而且，在气缸盖13上形成有吸气口20，在该吸气口20上连接有包括吸气岐管21的吸气管(吸气通路)22。而且，在吸气口20上设有吸气阀23，通过该吸气阀23使吸气口20开闭。而且，在气缸盖13上，形成有排气口24，在该排气口24上连接有包括排气岐管25的排气管(排气通路)12。另外，在排气口24上设有排气阀26，与吸气阀20相同，通过该排气阀26使排气口24开闭。在这些吸气管22和排气管12的中途，设有涡轮增压器27，在排气管12的涡轮增压器27的下游侧，安装有构成排气净化装置10的排气净化用催化剂和排气净化用过滤器。
涡轮增压器具有未图示的涡轮以及与该涡轮连结的压缩机，当排气从发动机11流入涡轮增压器27内时，涡轮通过排气的流动旋转，随着该涡轮的旋转，压缩机旋转并从吸气管22a向涡轮增压器27内吸入空气而增压。由涡轮增压器27所增压的空气，通过吸气管22b向发动机的各吸气口20供给。
另外，在气缸盖13上，设有向各气缸的燃料室17内直接喷射燃料的电子控制式燃料喷射阀31，从未图示的通用通道向该燃料喷射阀31供给已控制为规定的燃料压强的高压燃料。
在本实施形态中，在涡轮增压器27的下游侧的排气管12上，从上游侧开始依次配置有：作为排气净化用催化剂的柴油氧化催化剂32(以下仅称为氧化催化剂)和NOx吸附催化剂33，以及作为排气净化用过滤器的柴油颗粒物过滤器(DPF：Diesel ParticulateFilter，以下称为DPF)34。而且，后面将进行详细说明，在涡轮增压器27和氧化催化剂32之间的排气管12a上，设有将作为还原剂(添加剂)的燃料(汽油)向排气管12a内喷射的喷射器50。
氧化催化剂32，例如在由陶瓷材料所形成的蜂窝结构的载体上，承载有铂(Pt)、钯(Pd)等贵金属。在氧化催化剂32中，当排气流入时，排气中的一氧化氮(NO)被氧化而生成二氧化氮(NO2)。而且，为了在氧化催化剂32上产生氧化反应，氧化催化剂32需要被加热到规定温度以上，因此，氧化催化剂32最好配置在尽可能靠近发动机11的位置上。这是因为，氧化催化剂32通过发动机11的热量被加热，即使在发动机启动时等，也能以较短的时间将氧化催化剂32加热到规定温度以上。
NOx吸附催化剂33，例如在由氧化铝(AL2O3)构成的蜂窝结构的载体上，承载有铂(Pt)、钯(Pd)等贵金属，同时作为吸附剂承担有钡(Ba)等碱金属或碱土金属。在NOx吸附催化剂33中，在氧化气氛下，暂时吸附NOx即在氧化催化剂32中生成的NO2、和在氧化催化剂32中没被氧化而残留在排气中的NO，并且在含有例如一氧化碳(CO)、碳化氢(HC)等的还原气氛下，释放NOx并将其还原成氮气(N2)等。
另外，在氧化催化剂32中所生成的NO2的大部分被NOx吸附催化剂33吸附/分解(还原)，没有被吸附/分解的残留的NO2通过DPF34中的反应被净化。
通常，在从发动机11排出的气体的中，NO占大部分，HC的量极少，因此NOx吸附催化剂33内形成氧化气氛，在NOx吸附催化剂33中仅仅吸附NOx，不会使所吸附的NOx分解(还原)。因此，当在NOx吸附催化剂33上吸附有规定量的NOx时，使涡轮增压器27和氧化催化剂32之间的排气管12a上所固定的喷射器50喷射作为添加剂的燃料(汽油)。由此，混合有燃料的排气经过氧化催化剂32向NOx吸附催化剂33供给，NOx吸附催化剂33内形成还原气氛，所吸附的NOx被分解(还原)。
而且，DPF34，例如是由陶瓷材料所形成的蜂窝结构的过滤器，在DPF34内，交互排列有上游侧端部开放、下游侧端部闭塞的排气通路38，和下游侧端部开放、上游侧端部闭塞的排气通路39。排气首先流入上游侧端部开放的排气通路38，再从设在排气通路38和相邻的排气通路39之间的多孔壁面流入下游侧端部开放的排气通路39并向下游侧流出，在这个过程中，排气中的微粒状物质(PM)与壁面冲撞并被吸附，从而被捕捉。
而且，已捕捉的PM通过排气中的NO2被氧化(燃烧)作为CO2被排出，而且，在DPF34内所残留的NO2被分解成N2而被排出。即，在DPF34中，能够净化排气，大幅度降低PM和NOx的排放量。而且，通过燃烧PM，能够在某种程度上使DPF34的性能再生。
这里，通常，如上所述，NOx被NOx吸附催化剂33吸附，因此向DPF34所供给的排气中的NO2的量较少，PM在DPF34中渐渐堆积。当在DPF34中堆积有规定量的PM时，使规定量的燃料从固定在排气管12a上的喷射器50喷射。如上所述，当在排气中混合有燃料时，在NOx吸附催化剂33中所吸附的NOx被还原，因此排气中所含有的NOx(NO2)在NOx吸附催化剂33中不被吸附而向DPF34供给。由此，能够促进DPF34中的PM的燃烧。
另外，在这些氧化催化剂32、NOx吸附催化剂33和DPF34的上游侧附近，以及DPF34的下游侧附近分别设有排气温度传感器40，通过这些多个排气温度传感器40，对流入氧化催化剂32、NOx吸附催化剂33和DPF34的排气的温度，以及从氧化催化剂32、NOx吸附催化剂33和DPF34排出的排气的温度进行检测。此外，在氧化催化剂32和DPF34的上游侧附近设有用于对排气中的氧气浓度进行检测的氧气浓度传感器41。而且，在车辆上，设有未图示的电子控制单元(ECU)，在该ECU上，具有输入输出装置、控制程序和控制图等的进行存储的存储装置，中央处理装置，以及计时器和计数器类构件。该ECU根据来自上述各传感器的信息，对发动机11和排气净化装置10进行综合控制。
图2是本实施形态的安装构件的剖面图，图3是图2的A-A’剖面图，图4是图3的B-B’剖面图。如这些图2～图4所示，在本实施形态中，喷射作为还原剂(添加剂)的燃料的喷射器50，相对于排气管12a配置在大致垂直的方向上，通过固定在排气管12a上的安装构件60和固定在该安装构件60上的固定构件70保持。
在安装构件60上，在其中央部形成有作为安装有喷射器50的贯通孔的安装孔61。该安装孔61上所安装的喷射器50，在喷管51开口的顶端面52露出到排气管(排气通路)12a内的状态，即顶端部暴露在排气中的状态下，通过固定构件70固定在安装构件60上。例如，在本实施形态中，固定构件70通过螺钉等连结构件75固定在安装构件60上。
而且，在安装构件60上，在安装孔61的周围设有环状的冷却水流路62。在该冷却水流路62上分别连接有用于向冷却水流路62供给冷却水的供给流路81、和用于将循环流过冷却水流路62的冷却水排出的排出流路91。即在安装构件60上，连接有具有供给流路81的供给管80，和具有排出流路91的排出管90，这些供给流路81(供给管80)和排出流路91(排出管90)分别沿环状的冷却水流路62的切线方向延伸设置。在本实施形态中，这些供给流路81和排出流路91分别连接在冷却水流路62的周方向的同一位置上，在安装孔61的轴向方向上，与排出流路91相比，供给流路81配置于喷射器50的基端部侧。
采用这样的结构，从供给流路81供给的冷却水循环流过冷却水流路62并从排出流路91排出，从而使喷射器50冷却。在本实施形态中，如上所述，供给流路81和排出流路91分别连接在冷却水流路62的周方向的同一位置上，因此从供给流路81向冷却水流路62导入的冷却水至少环绕冷却水流路62一周后从排出流路91排出，因此通过冷却水能够高效地对喷射器50进行冷却。
此外，在本发明中，在冷却水流路62与供给流路81连接的连接部附近，即供给流路81的出口附近的冷却水流路62上，设有狭窄部62a，该狭窄部62a通过冷却水流路62的侧壁的一部分突出而形成的突出部63，使水流路的宽度变窄，因此能够有效地对喷射器50进行冷却。
本实施形态的突出部63，如图3所示，冷却水流路62的侧壁的一部分呈半圆状突出到与从供给流路81导入的冷却水冲撞的位置上。形成有通过这样的突出部63使冷却水流路62的宽度变窄的狭窄部62a。而且，在本实施形态中，该突出部63仅向冷却水流路62的深度方向(安装孔61的轴向)的一部分、即与供给流路81相对的区域突出而设置(图2)。
采用这样的结构，从供给流路81导入冷却水流路62内的冷却水与突出部63冲撞而产生湍流，从而提高喷射器50的冷却效果。具体来说，如图3用箭头表示冷却水的流动所示，冷却水的一部分通过狭窄部62a成为循环流过冷却水流路62的主流(顺流)。而且，与突出部63冲撞的冷却水的一部分逆向流动，并与通过狭窄部62a的主流冲撞。通过这种冲撞产生湍流，产生了湍流的部分的传热效率提高。而且，冷却水通过狭窄部62a从而使主流的流速提高，随之，上述冲突所引起的湍流强度提高，因此传热效率也进一步提高。此外，狭窄部62a的冷却水的流速上升，从而狭窄部62a的冷却效果也提高。由此，喷射器50被有效地冷却。因此能够抑制喷射器50的烧损、或喷管51的堵塞这些问题的产生，长期对排气进行良好的净化。
由上述冷却水的冲撞引起的湍流的产生位置，最好是狭窄部62a的隔着喷射器50的相反侧的区域。通过在这种位置产生湍流，能够更加有效地对喷射器50进行冷却。另外，在冷却水流路62内，能够通过调整突出部63的形状、突出量等，使湍流产生在所需的位置上。
另外，只要能够这样使湍流产生在所需的位置上，突出部63的突出量、形状等不做特别限定。例如，在本实施形态中，突出部63被设为仅在与供给流路81相对的区域突出，但不限于此，例如如图5所示，也可以遍及冷却水流路62的深度方向而连续地设置。
而且，在本实施形态中，使突出部63突出成大致半圆形，使突出部63的端面由曲面构成。由此，冷却水的流动变得比较顺畅。然而，突出部63的端面不需要一定是曲面。例如，如图6所示，也可以使突出部63形成为剖面呈大致三角形的形状，其端面由平面构成。
此外，在上述设有突出部63的结构中，在狭窄部62a的前后使冷却水流路62的宽度逐渐变化，但例如如图7所示，也可以在突出部63的与供给流路81相反侧的部分上设置棱边部63a，使狭窄部62a的后面的冷却水流路62的宽度急剧增加。这时，如图7中的箭头所示，在突出部63的后面侧产生沿着棱边部63a的流动(漩涡)。通过该冷却水的流动(漩涡)，也使传热效率提高，因此能够更好地对喷射器50进行冷却。
用于固定喷射器50的固定构件70如上所述通过连结构件75固定在安装构件60上。在本实施形态中，上述突出部63构成凸台部，该凸台部具有连结该连结构件75的连结孔65。这样，通过将设置在安装构件60上的突出部63作为凸台部进行有效利用，不需要在安装构件60上另外确保用于设置凸台部的区域。即，通过在安装构件60上设置突出部63，还具有能够实现安装构件60的小型化的效果。
上面对本发明的一实施形态进行了说明，但本发明不限于该实施形态。例如，在上述实施形态中，供给流路81和排出流路91分别连接在冷却水流路62的周方向的同一位置上，当然不限于此，供给流路81和排出流路91也可以分别连接在冷却水流路62的周方向的不同位置上。此外，在上述实施形态中，举例表示了将供给流路81和排出流路91分别沿着冷却水流路62的切线方向延伸设置的结构，但只要至少将供给流路81沿着冷却水流路62的切线方向延伸设置就可以，排出流路91的延伸设置方向不做特别限定。
而且，例如在本实施形态中，作为排气净化装置10，举出如下一例：以从上游侧开始氧化催化剂32、NOx吸附催化剂33、DPF34的顺序在排气管(排气通路)12上配置有作为排气净化用催化剂的氧化催化剂32和NOx吸附催化剂33、以及作为排气净化用过滤器的DPF34，但不对这些排气净化用催化剂和排气净化用过滤器的配置和种类做特别限定。例如图8(a)所示，也可以在涡轮增压器27的下游侧的排气管12上，以NOx吸附催化剂33、氧化催化剂32、DPF34的顺序进行配置。而且，例如如图8(b)所示，也可以在涡轮增压器27的下游侧的排气管12上，不设置氧化催化剂32，依次配置NOx吸附催化剂33和DPF34。而且，例如如图8(c)所示，也可以做成不设置排气净化用催化剂、仅设置具有催化功能的DPF34A的结构。即，也可以做成仅设置DPF34A的结构，该DPF34A作为兼作排气净化用催化剂的排气净化用过滤器。无论如何，只要是具有向排气净化用催化剂和排气净化用过滤器的上游侧喷射燃料等添加剂的喷射器的结构，就能够采用本发明。
而且，在上述实施形态中，作为对NOx进行分解(还原)的排气净化用催化剂，举例表示了将燃料(汽油)作为还原剂而对NOx进行分解(还原)的NOx吸附催化剂，但不限于此，例如，也可以是使催化剂选择性地吸附排气中的NOx、将氨或尿素作为还原剂从喷射器喷射而对NOx进行分解(还原)的所谓SCR(Selective Catalytic Reduction)等。
而且，在上述实施形态中，对添加还原剂作为添加剂的一例进行了说明，但添加剂不限于以还原作用为目的的添加剂，只要是添加到排气系统的添加剂，例如以燃烧引起升温为目的的燃料等就可以。
而且，在上述实施形态中，对具有涡轮增压器作为增压器的吸排气系统的结构的一例进行了表示，但不特别限于此，例如不需要一定设置增压器。而且，也可以设置遍及排气通路和吸气通路、具有冷却排气的再循环流路的冷却排气再循环装置，即所谓EGR装置。

Claims (4)

1.一种排气净化装置，其特征在于，具有：
安装在与发动机连通的排气通路上的排气净化用催化剂；
与所述排气净化用催化剂相比设在上游侧的、向所述排气通路内喷射添加剂的喷射器；以及
具有安装该喷射器的安装孔的安装构件，
在所述安装构件的所述安装孔的周围，设有用于导入冷却水的环状冷却水流路，在该冷却水流路上分别连接有用于供给冷却水的供给流路和用于排出冷却水的排出流路，并且至少所述供给流路沿着所述冷却水流路的切线方向延伸设置，
在所述冷却水流路的与所述供给流路连接的连接部附近，设有狭窄部，该狭窄部通过该冷却水流路的周方向的侧壁的一部分突出而形成的突出部，使水流路的宽度变窄。
2.如权利要求1所述的排气净化装置，其特征在于，
所述供给流路和所述排出流路，分别连接在所述冷却水流路的周方向的同一位置上。
3.如权利要求1或2所述的排气净化装置，其特征在于，
所述喷射器通过所述安装构件和固定在该安装构件的固定构件保持，所述突出部构成连结有连结构件的凸台部，该连结构件用于将所述固定构件固定在所述安装构件上。
4.如权利要求1所述的排气净化装置，其特征在于，
所述狭窄部遍及所述冷却水流路的高度方向而设置。
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