CN103502589A - 发动机的排气处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的课题在于即使在发动机刚起动后或轻负载运转时，也能够燃烧积存在DPF中的PM或者能够活化排气净化催化剂的发动机的排气处理装置。为解决该课题，在燃烧催化剂5的上游使可燃性气体供给通路8与排气通路4连通，在该可燃性气体供给通路8设置有空气供给单元9与点火单元10，并使该空气供给单元9、点火单元10与控制单元11连接，在排气温度比规定温度低的情况下，控制单元11控制空气供给单元9使其向可燃性气体2供给空气12，并控制点火单元10使其点燃可燃性气体2，从而有焰燃烧可燃性气体2，进而借助该有焰燃烧的热量使排气通路4中的排气6升温。

Description

发动机的排气处理装置
技术领域
本发明涉及一种发动机的排气处理装置，详细而言，涉及一种即使在发动机刚起动后或轻负载运转时，也能够使积存在DPF（Diesel particulatefilters：柴油颗粒物过滤器）中的PM（Pollution Minimum：颗粒状物质）燃烧，或者能够活化排气净化催化剂的发动机的排气处理装置。
背景技术
一直以来，作为发动机的排气处理装置，具有以如下方式构成的装置，即，用可燃性气体生成器产生可燃性气体，从可燃性气体排出口排出该可燃性气体至排气通路，通过燃烧催化剂使可燃性气体进行催化燃烧，使排气通过催化燃烧热而升温，从而燃烧除去积存在DPF中的PM，该DPF配置在燃烧催化剂的下游，或者使配置在燃烧催化剂的下游的排气净化催化剂活化（例如参照专利文献1）。
根据这种排气处理装置，具有以下优点：即使在排气温度比较低的情况下，通过催化燃烧使可燃性气体对排气进行升温。
然而，在这种现有技术中，存在如下问题：不具备燃烧催化剂以外的可燃性气体的燃烧装置。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2007－71034号公报（参照图1）
发明内容
发明所要解决的问题
问题：在发动机刚起动后或轻负载运转时，无法燃烧积存在DPF中的PM，或者无法活化排气净化催化剂。
由于不具备燃烧催化剂以外的可燃性气体的燃烧装置，在发动机刚起动后或轻负载运转等时排气温度没有达到燃烧催化剂的活化温度的情况下，无法得到燃烧催化剂的催化燃烧热，所以无法燃烧积存在DPF的PM，或者无法活化排气净化催化剂。
本发明的课题在于提供一种即使在发动机刚起动后或轻负载运转时，也能够使积存在DPF中的PM燃烧或者能够活化排气净化催化剂的发动机的排气处理装置。
用于解决问题的手段
第一技术方案的发明的技术特征如下。
如图2所示，一种发动机的排气处理装置，通过可燃性气体生成器1产生可燃性气体2，从可燃性气体排出口3排出该可燃性气体2至排气通路4，通过燃烧催化剂5使可燃性气体2进行催化燃烧，使排气6借助催化燃烧热而升温，从而燃烧除去积存在DPF7中的PM，或者使配置在燃烧催化剂5的下游的排气净化催化剂活化，该DPF7配置在燃烧催化剂5的下游，其特征在于，如图2所示，在燃烧催化剂5的上游使可燃性气体供给通路8与排气通路4连通，在该可燃性气体供给通路8设置有空气供给单元9与点火单元10，并使该空气供给单元9、点火单元10与控制单元11连接，如图2所示，在排气温度比规定温度低的情况下，控制单元11控制空气供给单元9使其向可燃性气体2供给空气12，并控制点火单元10使其点燃可燃性气体2，从而有焰燃烧可燃性气体2，来通过该有焰燃烧的热量使排气通路4中的排气6进行升温。
发明的效果
（第一技术方案的发明）
第一技术方案的发明具有如下效果。
效果：即使在发动机刚起动后或轻负载运转时，也能够燃烧积存在DPF中的PM或者能够活化排气净化催化剂。
如图2所示，当排气温度比规定温度低时，控制单元11控制空气供给单元9使其向可燃性气体2供给空气12，并控制点火单元10使其点燃可燃性气体2，从而有焰燃烧可燃性气体2，进而借助该有焰燃烧的热量使排气通路4中的排气6升温。因此，即使在发动机刚起动后或轻负载运转等时，本来的排气温度未达到燃烧催化剂5的活化温度的情况下，也能够利用可燃性气体2的有焰燃烧的热量，来使排气6的温度升温，从而能够使排气温度达到燃烧催化剂5的活化温度，由此即使发动机刚起动后或轻负载运转时，也能够燃烧积存在DPF7中的PM，或者能够活化排气净化催化剂。
（第二技术方案）
第二技术方案的发明在第一技术方案的发明效果的基础上，进一步具有如下的效果。
效果：不会使排气压上升。
如图1中的（A）所示，排气通路4与可燃性气体供给通路8并列设置，在可燃性气体供给通路8的下游侧，在排气通路4与可燃性气体供给通路8的边界处形成有散热口13，排气通路4通过该散热口13与可燃性气体供给通路8连通，配置在可燃性气体供给通路8的下游侧的点火单元10面对该散热口13。因此，排气通路4的排气6的流动不会被可燃性气体供给通路8或点火单元10阻碍，排气压也不会上升。
效果：排气升温效率高。
如图1中的（A）示出的例子，由于配置在可燃性气体供给通路8的下游侧的点火单元10面对散热口13，排气6借助可燃性气体2的燃烧火焰直接升温，因此排气6的升温效率高。
（第三技术方案的发明）
第三技术方案的发明在第二技术方案的发明效果的基础上，还具有如下效果。
效果：进一步提高排气的升温效率。
如图1中的（A）示出的例子，在排气通路4的下侧并列设有可燃性气体供给通路8，排气通路4的周面下侧形成有散热口13。因此，可燃性气体2的燃烧火焰的热气浮向排气通路4，提高排气通路4中排气6的温度，排气6的升温效率进一步提高。
（第四技术方案的发明）
第四技术方案的发明在第一技术方案至第三技术方案的发明效果的基础上，还具有如下效果。
效果：能够得到高的散热量。
如图1中的（B）示出的例子，使从可燃性气体出口17朝向混合室14的径向供给的可燃性气体2与回旋的空气12混合，因此可燃性气体2与空气12的混合性良好，从而通过点燃可燃性气体2得到更高的散热量。
附图说明
图1是说明本发明实施方式的柴油机的排气处理装置的图，图1中的（A）是排气处理装置的纵剖视图，图1中的（B）是图1中的（A）的沿B－B线的剖视图，图1中的（C）是可燃性气体喷嘴的变形例的纵剖视图。
图2是图1的排气处理装置及其周边部件的示意图。
图3中的（A）是将在图1排气处理装置中使用的基本例的双重垫片载置在盖体载置面上的俯视图，图3中的（B）是图1的（A）的IIIB部的放大图。
图4中的（A）是图3中的（A）的缩小图，图4中的（B）是具有液体燃料出口的下侧垫片的俯视图，图4中的（C）是具有空气出口的上侧垫片的俯视图
图5是说明双重垫片的第一变形例的图，图5中的（A）相当于图3中的（A），图5中的（B）相当于图3中的（B），图5中的（C）相当于图3中的（C）。
图6是说明双重垫片的第二变形例的图，图6中的（A）相当于图3中的（A），图6中的（B）相当于图3中的（B），图6中的（C）相当于图3中的（C）。
图7是说明设置在图1排气处理装置的空气供给通路上的U字管的图，图7中的（A）表示积存有污染物质的状态，图7中的（B）表示清除污染物质的状态。
图8是用于将图1的排气处理装置中使用的马达的输出轴与排气鼓风机的输入轴连接的十字滑块联轴器（Oldham's coupling）的说明图，图8中的（A）是主视图，图8中的（B）是沿图1中的（A）的B－B线的剖视图。
图9是利用图1的排气处理装置使DPF再生的流程图。
具体实施方式
图1～图9是本发明实施方式的发动机的排气处理装置的图，在该实施方式中，对柴油机的排气处理装置进行说明。
如图2所示，通过可燃性气体生成器1产生可燃性气体2，从可燃性气体排出口3排出该可燃性气体2至排气通路4，通过燃烧催化剂5来催化燃烧该可燃性气体2，通过该催化燃烧热使排气6升温，从而燃烧除去配置于燃烧催化剂5下游的DPF7中积存的PM。
DPF是柴油颗粒物过滤器（Diesel particulate filters）的简称。PM（Pollution Minimum）是颗粒状物质的简称。
该燃烧催化剂5是DOC（Diesel oxidation catalysts）。DOC是柴油氧化催化剂的简称。除去DPF7中的PM，或者活化配置在燃烧催化剂5的下游的排气净化催化剂（SCR催化剂或NOX吸储催化剂等），来代替除去DPF7中PM的处理。SCR催化剂是选择性还原催化剂的简称。
如图2所示，在燃烧催化剂5的上游，可燃性气体供给通路8与排气通路4连通，在该可燃性气体供给通路8上设置有空气供给单元9和点火单元10，该空气供给单元9、点火单元10与控制单元11连接。点火单元10是预热塞（glow plug）。图中的附图标记72是在板材上开有多个孔的火焰保持网，抑制排气4使燃烧火焰熄灭的现象。
如图2所示，当排气温度比规定温度低时，控制单元11控制空气供给单元9使其向可燃性气体2供给空气12，并控制点火单元10使其点燃可燃性气体2，从而使可燃性气体2进行有焰燃烧，进而通过该有焰燃烧的热量对排气通路4中的排气6进行升温。
由此，即使在发动机刚起动后或轻负载运转时等，本来排气温度未达到燃烧催化剂5的活化温度的情况下，也可利用可燃性气体2的有焰燃烧所产生的热量，来使排气6的温度升温，从而能够使排气温度达到燃烧催化剂5的活化温度，由此即使在发动机刚起动后或轻负载运转时，也能够燃烧积存在DPF7中的PM，或者能够活化排气净化催化剂。
如图1中的（A）所示，排气通路4与可燃性气体供给通路8并列设置，在可燃性气体供给通路8的下游侧的排气通路4与可燃性气体供给通路8的边界处形成有散热口13，排气通路4通过该散热口13与可燃性气体供给通路8连通，配置在可燃性气体供给通路8的下游侧的点火单元10面对该散热口13。
由此，排气通路4的排气6的流动不会受到可燃性气体供给通路8或点火单元10的阻碍，排气压也不会上升。另外，利用可燃性气体2的燃烧火焰，使排气6直接升温，排气6的升温效率高。
如图1中的（A）所示，在排气通路4的下侧并列设有可燃性气体供给通路8，排气通路4的周面下侧形成有散热口13。由此，可燃性气体2的燃烧火焰的热气浮向排气通路4，提高排气通路4中排气6的温度，排气6的升温效率进一步提高。
如图1中的（A）和（B）所示，在点火单元10的上游，沿可燃性气体供给通路8形成有用于混合可燃性气体2与空气12的混合室14，在该混合室14设有可燃性气体喷嘴15和空气供给管16，可燃性气体喷嘴15以沿着混合室14的形成方向的方向配置在混合室14的中心部，在该可燃性气体喷嘴15的周面上开有多个可燃性气体出口17，空气供给管16以沿着混合室14的内周面的周向的方向，配置在混合室14的内周面部，从空气供给管16供给的空气12在可燃性气体喷嘴15的周围沿混合室14的内周面回旋。
使该回旋的空气12与从可燃性气体出口17朝向混合室14的径向供给的可燃性气体2混合。由此，可燃性气体2与空气12的混合性良好，从而通过点燃可燃性气体2得到高的散热量。
此外，如图1中的C所示，使喷嘴盖15a盖住可燃性气体喷嘴15，在该喷嘴盖15a的周壁上也沿着周向形成有可燃性气体出口17，从而可以使从可燃性气体喷嘴15流入喷嘴盖15a内的可燃性气体2，从喷嘴盖15a的可燃性气体出口17朝向混合室14的径向供给。
如图2所示，在向可燃性气体生成器1供给液体燃料26与空气25来通过可燃性气体生成催化剂22生成可燃性气体2时，如果可燃性气体生成催化剂22的温度比规定温度低，则控制单元11控制空气供给单元9使其向可燃性气体2供给空气25，并且控制点火单元10使其点燃可燃性气体2，从而有焰燃烧可燃性气体2，进而用该有焰燃烧的热量使从可燃性气体生成器1流出的液体成分气化。由此，从可燃性气体生成器1中流出的液体成分不会附着在排气通路4内，从而能够防止发动机起动时产生白烟的情况。
如图1中的（A）所示，在可燃性气体生成器1设置有可燃性气体生成催化剂室21，在该可燃性气体生成催化剂室21容纳有可燃性气体生成催化剂22，在可燃性气体生成催化剂室21的前端部配置有环状壁23，在该环状壁23的内侧形成有空燃混合室24，通过向该空燃混合室24供给空气25与液体燃料26，在空燃混合室24中形成空燃混合气体27，将该空燃混合气体27供给至可燃性气体生成催化剂22，通过可燃性气体生成催化剂22生成可燃性气体2，此时以如下方式进行处理。
如图3中的（B）所示，在环状壁23的前端部配置有盖体28，在环状壁23的前端部设置有环状的盖体载置面29，在盖体28设置有被载置面30，隔着环状垫片31、32将盖体28的被载置面30载置固定在环状壁23的盖体载置面29上。
如图3中的（A）所示的例子，在垫片31上以沿其周向保持规定间隔的方式设置多个液体燃料入口33和液体燃料出口34，液体燃料出口34从各液体燃料入口33向垫片31的内侧延伸。
如图3中的（B）所示的例子，在环状壁23的盖体载置面29和盖体28的被载置面30中的某个面上，凹陷设置有沿其周向延伸的液体燃料导槽35，使各液体燃料入口33与该液体燃料导槽35的开口连通，以使供给于液体燃料导槽35的液体燃料26经由各液体燃料入口33，从液体燃料出口34流向空燃混合室24。
由此，与在环状壁23内形成液体燃料导路和液体燃料出口的情况相比，能够容易对环状壁23进行加工。
如图3中的（A）示出的例子，在空气25在空燃混合室24中回旋的情况下，液体燃料出口34朝向空燃混合室24的空气回旋方向的下游侧。由此，空燃混合室24中的空气25和液体燃料26的混合均匀。
如图3中的（A）所示的例子，在垫片32上以沿其周向保持规定间隔的方式设置多个空气入口36和空气出口37，空气出口37从各空气入口36向垫片32的内侧延伸，如图3中的（B）示出的例子，在环状壁23的盖体载置面29和盖体28的被载置面30中的某个面上，凹陷设置沿其周向延伸的空气导槽38，使各空气入口36与该空气导槽38的开口连通，以使供给于空气导槽38的空气25经由各空气入口36，从空气出口37流向空燃混合室24。
由此，与在环状壁23内形成空气导路和空气出口的情况相比，能够容易地对环状壁23进行加工。
如图3中的（A）示出的例子，在空气25在空燃混合室24中回旋的情况下，空气出口37朝向空燃混合室24的空气回旋方向的下游侧。由此，能够容易地使空气25在空燃混合室24中回旋。
在图4中的（B）所示的基本例中，在垫片31上以沿周向保持规定间隔的方式配置有4个液体燃料出口34。
在图5中的（B）所示的第一变形例中，在垫片31上以沿周向保持规定间隔的方式配置有6个液体燃料出口34。
在图6中的（B）所示的第二变形例中，在垫片31上以沿周向保持规定间隔的方式配置有12个液体燃料出口34。
如图6中的（B）示出的例子，如果在垫片31上设有12个液体燃料出口34，则当可燃性气体生成器1倾斜时，倾斜下方侧的6个液体燃料出口34的总开口面积比较大，所需的液体燃料26全都经由倾斜下方侧的液体燃料出口34供给，并不从倾斜上方侧的液体燃料出口34供给液体燃料26，导致空燃混合室24中的液体燃料24的分配不均，无法有效利用可燃性气体生成催化剂22整体，可燃性气体2的生成效率下降。
与此相比，如图5中的（B）示出的例子，如果在垫片31上以沿周向保持规定间隔的方式配置有6个液体燃料出口34，即使在可燃性气体生成器1倾斜的情况下，倾斜下方侧的3个液体燃料出口34的总开口面积比较小，因此无法仅由倾斜下方侧的液体燃料出口34来供给全部所需的液体燃料26，因此也从倾斜上方侧的液体燃料出口34供给液体燃料26，从而空燃混合室24中的液体燃料26的分配变得更均匀，能够有效利用可燃性气体生成催化剂22整体，提高可燃性气体2的生成效率。
如图4中的（B）示出的例子，如果在垫片31上以沿周向保持规定间隔的方式配置4个液体燃料出口34，即使在可燃性气体生成器1倾斜的情况下，倾斜下方侧的2个液体燃料出口34的总开口面积比较小，无法仅由倾斜下方侧的液体燃料出口34来供给全部所需的液体燃料26，因此也从倾斜上方侧的液体燃料出口34供给液体燃料26，从而空燃混合室24中的液体燃料26的分配变得更均匀，能够有效利用可燃性气体生成催化剂22整体，进一步提高可燃性气体2的生成效率。
如图7中的（A）和（B）示出的例子，在空气供给通路41的途中设置有U字管42，如图7中的（A）示出的例子，当可燃性气体生成器1不生成可燃性气体2时，由于排气6的脉动，从可燃性气体生成器1流入到空气供给通路41的残留燃料等污染物质43积存在U字管42中，如图7中的（B）所示的例子，在可燃性气体生成器1中再次开始生成可燃性气体2时，利用从空气供给源44供给的空气25，将积存在U字管42中的污染物质43清除（purge）至可燃性气体生成器1。由此，能够防止污染物质43进入图2所示的空气供给源44或空气供给用的电磁阀45的情况。
如图8所示，当用十字滑块联轴器50来连接马达46的输出轴47和鼓风机（blower）48的输入轴49时，用橡胶管51来连接马达46的输出轴47与鼓风机48的输入轴49，并在橡胶管51内填充润滑油。由此，能够用橡胶管51来吸收由十字滑块联轴器的晃动（日语原文：ガタ）所引起的冲击，并且能够防止润滑油的飞散。
以如下方式对DPF再生进行控制。
如图1所示，发动机ECU61具有PM堆积量估计单元62和PM再生控制单元63。发动机ECU是发动机电子控制单元的简称。
PM堆积量估计单元62是发动机ECU61的规定运算部，基于发动机负载、发动机转速、由DPF上游侧排气温度传感器64检测出的排气温度、由DPF上游侧排气压传感器65检测出的DPF7上游侧的排气压、由差压传感器66检测出的DPF7上游与下游的差压等，根据事先实验得出的映射数据（map data）估计PM堆积量。
当通过PM堆积量估计单元62估计出的PM堆积量估计值达到规定的再生开始值时，PM再生控制单元63使加热器67发热，并驱动液体燃料泵68和鼓风机48的马达46。由此，将液体燃料26和空气25供给于空燃混合室24，通过可燃性气体生成催化剂22产生可燃性气体2。加热器67的周围由能够保持液体燃料的起动催化剂71包围，加热器67的热量被集中地供给于起动催化剂71所保持的液体燃料，从而迅速地开始生成可燃性气体2。
在开始生成可燃性气体4的初期，使加热器25发热规定时间，一旦开始生成可燃性气体4，则可燃性气体生成催化剂13因发热反应而温度上升，因此在从开始生成可燃性气体4之后经过规定时间的情况下，利用计时器使加热器25停止发热。
将可燃性气体生成催化剂22的温度传感器68、燃烧催化剂5的入口侧温度传感器69与PM再生控制单元63连接，当可燃性气体生成催化剂22的温度、燃烧催化剂5的入口侧温度低于规定温度时，通过点火单元10点燃可燃性气体2。
将DPF7的出口侧温度传感器70与PM再生控制单元63连接，当DPF7的出口侧温度异常高时，紧急终止再生。
DPF再生流程如下。
如图9所示，在步骤S1中，判断PM堆积估计值是否达到再生开始值，当判断为“是”时，在步骤S2中开始生成可燃性气体，在步骤S3中，判断燃烧催化剂5的入口侧排气温度是否在250℃以上，当判断为“是”时，在步骤S4中判断可燃性气体生成催化剂22的温度是否在400℃以上，当判断为“是”时，在步骤S5中，不点燃可燃性气体2，而将可燃性气体2供给于排气通路4，在步骤S6中，判断PM堆积估计值是否达到再生结束值，当判断为“是”时，在步骤S7中结束可燃性气体的生成，从而结束DPF的再生。
在步骤S6中，当判断为“否”时，返回步骤S3。在步骤S3、步骤S4判断为“否”的情况中的任一情况下，在步骤S8中都点燃可燃性气体2，将有焰燃烧的热量供给于排气通路4。
附图标记的说明
1可燃性气体生成器
2可燃性气体
3可燃性气体排出口
4排气通路
5燃烧催化剂
6排气
7DPF
8可燃性气体供给通路
9空气供给单元
10点火单元
11控制单元
12空气
13散热口
14混合室
15可燃性气体喷嘴
16空气供给管
17可燃性气体出口

Claims (4)

1.一种发动机的排气处理装置，通过可燃性气体生成器（1）产生可燃性气体（2），从可燃性气体排出口（3）排出该可燃性气体（2）至排气通路（4），通过燃烧催化剂（5）使可燃性气体（2）进行催化燃烧，使排气（6）借助催化燃烧热而升温，从而燃烧除去积存在DPF（7）中的PM，或者使配置在燃烧催化剂（5）的下游的排气净化催化剂活化，该DPF（7）配置在燃烧催化剂（5）的下游，其特征在于，
在燃烧催化剂（5）的上游使可燃性气体供给通路（8）与排气通路（4）连通，在该可燃性气体供给通路（8）设置有空气供给单元（9）与点火单元（10），并使该空气供给单元（9）、点火单元（10）与控制单元（11）连接，
在排气温度比规定温度低的情况下，控制单元（11）控制空气供给单元（9）使其向可燃性气体（2）供给空气（12），并控制点火单元（10）使其点燃可燃性气体（2），从而有焰燃烧可燃性气体（2），来通过该有焰燃烧的热量使排气通路（4）中的排气（6）升温。
2.如权利要求1所述的发动机的排气处理装置，其特征在于，
排气通路（4）与可燃性气体供给通路（8）并列设置，在可燃性气体供给通路（8）的下游侧，在排气通路（4）与可燃性气体供给通路（8）的边界处形成有散热口（13），排气通路（4）通过该散热口（13）与可燃性气体供给通路（8）连通，配置在可燃性气体供给通路（8）的下游侧的点火单元（10）面对该散热口（13）。
3.如权利要求2所述的发动机的排气处理装置，其特征在于，
在排气通路（4）的下侧并列设置可燃性气体供给通路（8），在排气通路（4）的周面下侧形成有散热口（13）。
4.如权利要求1至3中任一项所述的发动机的排气处理装置，其特征在于，
在点火单元（10）的上游沿可燃性气体供给通路（8）形成有用于混合可燃性气体（2）与空气（12）的混合室（14），在该混合室（14）中设有可燃性气体喷嘴（15）与空气供给管（16），可燃性气体喷嘴（15）以沿着混合室（14）的形成方向的方向配置在混合室（14）的中心部，在该可燃性气体喷嘴（15）的周面上形成有多个可燃性气体出口（17），空气供给管（16）以沿着混合室（14）的内周面的周向的方向配置在混合室（14）的内周面部，从空气供给管（16）供给的空气（12）在可燃性气体喷嘴（15）的周围沿混合室（14）的内周面回旋，
使从可燃性气体出口（17）朝向混合室（14）的径向供给的可燃性气体（2）与该回旋的空气（12）混合。
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