CN101652541B - 排气净化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种排气净化装置，其充分保证尿素水生成氨的反应时间，并且实现微粒过滤器(5)和选择还原型催化剂(6)的紧凑配置，提高在车辆上的装载性能。在排气管(4)中设有微粒过滤器(5)和即使在氧共存的情况下也可选择性地使NOx与氨发生反应的选择还原型催化剂(6)，且在选择还原型催化剂(6)和微粒过滤器(5)之间能够添加作为还原剂的尿素水，沿车辆的车架(10)在车辆的前后方向上配置微粒过滤器(5)，并在该微粒过滤器(5)的入口侧端部附近向车辆宽度方向外侧配置选择还原型催化剂(6)，设有使从微粒过滤器(5)的出口侧端部排出的排气气体(3)折向前方并将其导入选择还原型催化剂(6)的入口侧端部的连通流路(9)，在该连通流路(9)中具有用于添加尿素水的尿素水添加用喷射器(11)(尿素水添加装置)。

Description

排气净化装置
技术领域
本发明涉及排气净化装置。
背景技术
传统上，在柴油发动机中，排气气体流通的排气管中装备有选择还原型催化剂，该选择还原型催化剂具备即使在氧共存的情况下也选择性地使NOx与还原剂发生反应的性质，并在该选择还原型催化剂的上游侧添加所需量的还原剂，使该还原剂在选择还原型催化剂上与排气气体中的NOx(氮氧化物)发生还原反应，由此可降低NOx的排出浓度。
另一方面，在工厂等的工业排烟脱硝处理领域，公知在还原剂中使用氨(NH3)来还原净化NOx的手法的有效性，但是，对于汽车的情况，由于装载氨行驶难以保证安全，所以近年来一直在研究将无毒的尿素水作为还原剂使用。
即，若在选择还原型催化剂的上游侧将尿素水添加到排气气体中，则在该排气气体中尿素水按以下反应式热分解成氨和二氧化碳，在选择还原型催化剂上通过氨对排气气体中的NOx良好地进行还原净化。(NH2)2CO+H2O→2NH3+CO2
另一方面，在实现柴油发动机的排气净化的情况下，仅除去排气气体中的NOx是不够的，还需要通过微粒过滤器捕集排气气体中所包含的微粒(Particulate Matter：颗粒状物质)，在采用该种微粒过滤器的情况下，需要趁排气阻力未因网孔堵塞增加时，适当地燃烧除去微粒，实现微粒过滤器的再生。
因而，可以考虑在微粒过滤器的前段附装流通型氧化催化剂，在微粒的堆积量增加的阶段，在上述氧化催化剂上游的排气气体中添加燃料，强制再生微粒过滤器。
即，若在氧化催化剂上游的排气气体中添加燃料，则该添加燃料(HC)在通过前段的氧化催化剂的期间发生氧化反应，因此，通过在其反应热下升温的排气气体的流入，其后方的微粒过滤器的催化剂床温度上升，并燃尽微粒，实现微粒过滤器的再生化。
通常，作为执行上述燃料添加的具体装置，考虑在压缩上死点附近进行的燃料主喷射之后，接着在晚于压缩上死点的非点火正时执行后喷射，并在排气气体中添加燃料，但是，为了提高添加燃料效率，有效利用强制再生，并尽可能趁排气气体的温度还未降下时对添加燃料进行氧化处理，优选为将微粒过滤器配置在选择还原型催化剂的上游侧(例如，参照以下专利文献1)。专利文献1：日本特开2005-42687号公报
发明内容
本发明要解决的技术问题
然而，在以这样的方式将微粒过滤器配置在选择还原型催化剂的上游侧的情况下，存在如下问题：由于在微粒过滤器与选择还原型催化剂之间对该选择还原型催化剂添加尿素水，所以若要充分保证添加到排气气体中的尿素水热分解成氨和二氧化碳的反应时间，则需要使从尿素水的添加位置到选择还原型催化剂的距离变长，结果不得不充分隔开微粒过滤器和选择还原型催化剂而使其间隔配置，严重损害在车辆上的装载性能。
即，将在车辆前后方向延伸的车架作为安装对象，以沿该车架的方式配置该种微粒过滤器，因此，若在该微粒过滤器的后方接着配置选择还原型催化剂，则结果是微粒过滤器和选择还原型催化剂的配置空间占据了车架长度方向上的很大范围，难以保证在车架上安装尿素水箱等辅助类的配置空间。
本发明鉴于上述实际情况构思而成，其目的在于：充分保证尿素水生成氨的反应时间，并且实现微粒过滤器和选择还原型催化剂的紧凑配置，提高在车辆上的装载性能。
解决课题的方法
本发明的排气净化装置，以如下方式构成：在排气管中具有捕集排气气体中的微粒的微粒过滤器，并在该微粒过滤器的下游侧具有即使在氧共存的情况下也能够选择性地使NOx与氨发生反应的选择还原型催化剂，且能够在该选择还原型催化剂和所述微粒过滤器之间添加作为还原剂的尿素水，其中，沿车辆的车架在车辆的前后方向上配置微粒过滤器，并在该微粒过滤器的入口侧端部附近向车辆宽度方向外侧配置选择还原型催化剂，设有使从微粒过滤器的出口侧端部排出的排气气体折向前方并将其导入选择还原型催化剂的入口侧端部的连通流路，在该连通流路中具有用于添加尿素水的尿素水添加装置。
于是，这样一来，从微粒过滤器的出口侧端部排出的排气气体通过连通流路折向前方之后，被导入在该微粒过滤器的入口侧端部附近向车辆宽度方向外侧的选择还原型催化剂的入口侧端部，由此，保证从上述连通流路中的尿素水的添加位置到选择还原型催化剂的距离足够长，并且排气气体的流被折回促进了尿素水和排气气体的混合，其结果是，充分保证尿素水生成氨的反应时间。
另一方面，从平面视图看，微粒过滤器和选择还原型催化剂配置成L字型，连通流路也以沿微粒过滤器的方式配置，因此，微粒过滤器、选择还原型催化剂和连通流路的整体结构紧凑，在车辆上的装载性能显著提高。
更具体地说，可在车架的长度方向大大超出微粒过滤器的长度范围，而不用保证选择还原型催化剂的配置空间，而且通过沿车架的车辆宽度方向内侧配置微粒过滤器，可在其外侧避开选择还原型催化剂的位置上保证剩余的配置空间，以配置尿素水箱等辅助类。
另外，优选的是，在更具体地实施本发明时，连通微粒过滤器的出口侧端部和选择还原型催化剂的入口侧端部之间的连通流路由气体集合室和混合管道构成，该气体集合室将从微粒过滤器的出口侧端部排出的排气气体的方向转换为向车辆宽度方向的外侧，并使其集合，该混合管道向前方引出在该气体集合室收集的排气气体，且使终端部分以与选择还原型催化剂的入口侧端部相对的方式弯曲，使气体集合室的容积、混合管道的流路截面积和长度设定为能够根据共振衰减的原理降低低频域的排气噪声。
此外，优选的是，本发明中，在微粒过滤器的前方装备有对排气气体中未燃烧的燃料成分进行氧化处理的氧化催化剂，在该氧化催化剂的上游侧具有向排气气体中添加燃料的燃料添加装置，这样一来，能够在氧化催化剂上对通过燃料添加装置添加的燃料进行氧化处理，其结果是，通过在其反应热下升温的排气气体的流入，后方的微粒过滤器的催化剂床温度上升，并燃尽微粒，实现微粒过滤器的再生化。
这时，可采用向发动机的各气缸喷射燃料的燃料喷射装置作为燃料添加装置，控制向气缸内的燃料喷射，若排气气体中未燃烧的燃料成分残留较多，则执行燃料添加。
再者，优选的是，本发明中，在选择还原型催化剂的后方装备有对剩余的氨进行氧化处理的减氨催化剂，这样一来，通过其后方的减氨催化剂对选择还原型催化剂的还原反应中使用所剩余的氨进行氧化处理。
发明效果
根据上述本发明的排气净化装置，可获得以下各种有益效果。
(I)能够充分保证尿素水生成氨的反应时间，并能够实现微粒过滤器和选择还原型催化剂的紧凑配置，因此，与现有技术相比，能够显著提高车辆上的装载性能，且能够无障碍地沿车架配置尿素水箱等的辅助类。
(II)因为由气体集合室和混合管道构成连通流路，并适当地设定气体集合室的容积、混合管道的流路截面积和长度，所以能够根据共振衰减的原理降低低频域的排气噪声，并能够在连通流路上兼有消声器的功能，而不需要再装消声器。
(III)在微粒过滤器的前方装备有对排气气体中未燃烧的燃料成分进行氧化处理的氧化催化剂且在该氧化催化剂的上游侧具有向排气气体中添加燃料的燃料添加装置的情况下，能够在氧化催化剂上对通过燃料添加装置添加的燃料进行氧化处理，通过在该反应热下升温的排气气体的流入，提高氧化催化剂后方的微粒过滤器的催化剂床温度，并燃尽微粒，实现微粒过滤器的积极再生化。
(IV)在选择还原型催化剂的后方装备有对剩余的氨进行氧化处理的减氨催化剂的情况下，能够对保持未反应状态便通过选择还原型催化剂的剩余的氨进行氧化处理，将其无害化，预先避免在最终会排到大气中的排气气体中有氨残存。
附图说明
图1为显示本发明的一个实施例的概略图。图2为放大显示图1的主要部分的平面图。图3为说明在图2的连通流路上兼有消声器功能时的条件的图。符号说明
1 柴油发动机(发动机)3 排气气体4 排气管5 微粒过滤器6 选择还原型催化剂9 连通流路9A 气体集合室9B 混合管道10 车架11 尿素水添加用喷射器(尿素水添加装置)12 氧化催化剂13 减氨催化剂
具体实施方式
下面参照附图对本发明的实施例进行说明。
图1至图3显示本发明的一个实施例，在本实施例的排气净化装置中，在从柴油发动机1经由排气歧管2排出的排气气体3流通的排气管4中，具有分别由壳7、8抱持的捕集排气气体3中的微粒的微粒过滤器5和该微粒过滤器5下游侧的选择还原型催化剂6，选择还原型催化剂6具备即使在氧共存的情况下也可选择性地使NOx与氨发生反应的性质，上述微粒过滤器5沿车辆的车架10向前后方向配置，上述选择还原型催化剂6以在微粒过滤器5的入口侧端部附近向车辆的宽度方向外侧的方式配置。
另外，上述微粒过滤器5的出口侧端部和上述选择还原型催化剂6的入口侧端部之间通过连通流路9连接，从微粒过滤器5的出口侧端部排出的排气气体3被折向前方，并被导入选择还原型催化剂6的入口侧端部。
这里，上述连通流路9由气体集合室9A和混合管道9B构成，气体集合室9A将从微粒过滤器5的出口侧端部流出的排气气体3的方向转换为向车辆的宽度方向的外侧，并使其集合；混合管道9B向前方引出在该气体集合室9A中收集的排气气体3，且使终端部分以与选择还原型催化剂6的入口侧端部相对的方式弯曲，尤其是在本实施例中，使气体集合室9A的容积V(参照图3中交叉阴影表示的部分)、混合管道9B的流路截面积S(参照图3中斜线表示的部分)和长度L(参照图3中的箭头L)设定为能够根据共振衰减原理降低低频域(爆发成分的频域)的排气噪声。
即，共振频率f可用以下数学公式表示，因此，若适当地设定该气体集合室9A的容积V、混合管道9B的流路截面积S以及长度L，则可将气体集合室9A用作消声室，用连通流路9构成与希望降低的低频域对应的共振频率f的共振器。[数学公式1] f = C 2 π S L · V C：声速π：圆周率
另外，上述混合管道9B的终端部分以与选择还原型催化剂6的入口侧端部相对的方式弯曲时，由于考虑到排气气体3的流容易向其弯曲部的外周侧偏离，所以钻研出容易将该排气气体3的流向上述弯曲部的内周侧引导的形状，壳8出口侧的尾管也设计成使排气阻力一致的形状。
此外，在上述气体集合室9A中与混合管道9B的始端部分的开口相对的位置上，同心状地安装有作为尿素水添加装置的尿素水添加用喷射器11，通过该尿素水添加用喷射器11向上述混合管道9B的始端部分的开口的中心位置添加尿素水。
但是，尿素水添加用喷射器11的配置位置是只要能够保证到选择还原型催化剂6的足够距离的连通流路9中的适当位置即可，而不一定限于图中所示的位置。
此外，尤其是在本实施例中，在抱持微粒过滤器5的壳7内的前段装备有对排气气体3中未燃烧的燃料成分进行氧化处理的氧化催化剂12，且在抱持选择还原型催化剂6的壳8内的后段装备有对剩余的氨进行氧化处理的减氨催化剂13。
再者，图中14表示设于壳7的入口侧的膨张型的消声室，15表示插入该消声室14内的、使来自上游侧的排气气体3扩散的开孔管(punching pipe)，16表示分散板，其配置在该开孔管15的前端部触碰的位置，17表示装备在上述消声室14的前段的排气闸。
于是，如果以这种方式构成排气净化装置，通过微粒过滤器5捕集排气气体3中的微粒，并在其下游侧从尿素水添加用喷射器11向排气气体3中添加尿素水，使尿素水热分解成氨和二氧化碳，在选择还原型催化剂6上通过氨良好地还原净化排气气体3中的NOx，其结果是，实现排气气体3中的微粒和NOx的同时减少。
这时，从微粒过滤器5的出口侧端部排出的排气气体3通过连通流路9被折向前方后，在微粒过滤器5的入口侧端部附近被导入向车辆宽度方向外侧的选择还原型催化剂6的入口侧端部，由此保证从由尿素水添加用喷射器11限定的尿素水添加位置到选择还原型催化剂6的距离足够长，并且通过排气气体3的流的折回，促进尿素水和排气气体3的混合，其结果是，能够充分保证尿素水生成氨的反应时间。
另一方面，从平面视图看，微粒过滤器5和选择还原型催化剂6配置成L字型，连通流路9也以沿微粒过滤器5的方式配置，因此，微粒过滤器5、选择还原型催化剂6和连通流路9的整体结构变得紧凑，在车辆上的装载性能显著提高。
更具体地说，可在车架10的长度方向上大大超出微粒过滤器5的长度范围，也不用保证选择还原型催化剂6的配置空间，而且通过沿车架10的车辆宽度方向内侧配置微粒过滤器5，可确保在其外侧避开选择还原型催化剂6的位置上的剩余的配置空间，可以配置尿素水箱等辅助类。
因此，根据上述实施例，能够充分保证尿素水生成氨的反应时间，并能够实现微粒过滤器5和选择还原型催化剂6的紧凑配置，因此，与现有技术相比，能够显著提高在车辆上的装载性能，且能够无障碍地沿车架10配置尿素水箱等辅助类。
另外，通过由气体集合室9A和混合管道9B构成连通流路9，并适当地设定气体集合室9A的容积V、混合管道9B的流路截面积S和长度L，能够根据共振衰减的原理降低低频域的排气噪声，使连通流路9兼有消声器的功能，从而不需要再装消声器。
此外，本文图示的实施例中，由于在微粒过滤器5的入口侧装备有对排气气体3中的未燃烧的燃料成分进行氧化处理的氧化催化剂12，所以能够通过柴油发动机1侧的后喷射等在氧化催化剂12上对排气气体3中添加的燃料进行氧化处理，并通过在该反应热下升温的排气气体3的流入来提高出口侧的微粒过滤器5的催化剂床温度，并燃尽微粒，实现微粒过滤器5的积极的再生化。
另外，由于在选择还原型催化剂6的出口侧装备有对剩余的氨进行氧化处理的减氨催化剂13，所以能够对保持未反应状态便通过选择还原型催化剂6的剩余的氨进行氧化处理，将其无害化，预先避免在最终会排到大气中的排气气体3中残存氨。
再者，本发明的排气净化装置不仅限于上述的实施例，显然，能够在不脱离本发明主题的范围内加以各种变更。

Claims (8)

1.一种排气净化装置，在排气管中具有捕集排气气体中的微粒的微粒过滤器，并且在所述微粒过滤器的下游侧具有即使在氧共存的情况下也能够选择性地使NOx与氨发生反应的选择还原型催化剂，能够在所述选择还原型催化剂和所述微粒过滤器之间添加作为还原剂的尿素水，其中，沿车辆的车架在车辆的前后方向上配置微粒过滤器，并在所述微粒过滤器的入口侧端部附近向车辆宽度方向外侧配置选择还原型催化剂，设有使从微粒过滤器的出口侧端部排出的排气气体折向前方并将所述排气气体导入选择还原型催化剂的入口侧端部的连通流路，在所述连通流路中具有用于添加尿素水的尿素水添加装置，在微粒过滤器的前方装备有对排气气体中未燃烧的燃料成分进行氧化处理的氧化催化剂，在所述氧化催化剂的上游侧具有向排气气体中添加燃料的燃料添加装置。
2.根据权利要求1所述的排气净化装置，其特征在于，连通微粒过滤器的出口侧端部和选择还原型催化剂的入口侧端部之间的连通流路由气体集合室和混合管道构成，所述气体集合室将从微粒过滤器的出口侧端部排出的排气气体的方向转换为向车辆宽度方向外侧并使所述排气气体集合，所述混合管道向前方引出在所述气体集合室收集的排气气体，且使终端部分以与选择还原型催化剂的入口侧端部相对的方式弯曲，气体集合室的容积、混合管道的流路截面积和长度设定为能够根据共振衰减的原理降低低频域的排气噪声。
3.根据权利要求1所述的排气净化装置，其特征在于，采用向发动机的各气缸喷射燃料的燃料喷射装置作为燃料添加装置，控制向气缸内的燃料喷射，如果排气气体中未燃烧的燃料成分残留较多，则执行燃料添加。
4.根据权利要求2所述的排气净化装置，其特征在于，采用向发动机的各气缸喷射燃料的燃料喷射装置作为燃料添加装置，控制向气缸内的燃料喷射，如果排气气体中未燃烧的燃料成分残留较多，则执行燃料添加。
5.根据权利要求1所述的排气净化装置，其特征在于，在选择还原型催化剂的后方装备有对剩余的氨进行氧化处理的减氨催化剂。
6.根据权利要求2所述的排气净化装置，其特征在于，在选择还原型催化剂的后方装备有对剩余的氨进行氧化处理的减氨催化剂。
7.根据权利要求3所述的排气净化装置，其特征在于，在选择还原型催化剂的后方装备有对剩余的氨进行氧化处理的减氨催化剂。
8.根据权利要求4所述的排气净化装置，其特征在于，在选择还原型催化剂的后方装备有对剩余的氨进行氧化处理的减氨催化剂。
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