CN107109981A - 用于发动机的排气净化装置 - Google Patents

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Abstract

为了使已经在排气净化装置的还原剂储罐(230)中冻结的尿素水溶液能够更快地解冻，当发动机启动且还原剂储罐(230)中的尿素水溶液冻结时，供给到喷射喷嘴(200)的尿素水溶液中的至少一部分被引入到其一部分与热源邻接的还原剂循环流路(256)，然后，被加热的尿素水溶液返回到还原剂储罐(230)。

Description

用于发动机的排气净化装置
技术领域
本发明涉及一种用于发动机的排气净化装置，其通过还原剂来选择性地还原和净化排气中的氮氧化物(NOx)。
背景技术
在用于发动机的排气系统中，排气净化装置是已知的，其包括：选择性还原催化转化器，其通过使用氨作为还原剂来选择性地还原和净化NOx；以及喷射尿素水溶液(还原剂的前驱体)的喷射喷嘴，所述喷射喷嘴在排气流中设置于选择性还原催化转化器的上游。
由于尿素水溶液在约-11℃下冻结，已知存在如专利文献1所述的技术，其中，在发动机停止后，监测残留在喷射喷嘴和还原剂供给流路中的尿素水溶液的冻结变化，此外，在这种冻结变化之后，暂时打开喷射喷嘴，从而将这种残留的尿素水溶液排出到排气管。
参考文献列表
专利文献
专利文献1：日本专利申请特开公报No.2008-138583
发明内容
本发明要解决的问题
顺便提及，特别是在极寒冷的地区，在一些情况下，不仅还原剂供给流路中的尿素水溶液而且还原剂储罐中的尿素水溶液也可能完全冻结。作为针对这一问题的对策，用于使作为一种防冻剂的发动机冷却液流动的发动机冷却液管路被沿着还原剂储罐布设，通过在发动机启动之后受热的发动机冷却液使还原剂储罐升温，并且尿素水溶液被解冻。然而，即使采取上述对策，仍需花费很长时间来解冻尿素水溶液，还需要进一步的改进。
鉴于上述情形，本发明的一个目的在于通过提供如下一种结构而允许进一步缩短该解冻时间：在此结构中，要供给到喷射喷嘴的还原剂或其前驱体中的至少一部分被加热并返回到还原剂储罐。
用于解决问题的手段
为了解决上述问题，根据本发明的用于发动机的排气净化装置包括：选择性还原催化转化器，其通过使用还原剂来选择性地还原和净化排气中的氮氧化物，该选择性还原催化转化器设置在发动机的排气通路中；喷射装置，其将液体还原剂或其前驱体喷射和供给到所述选择性还原催化转化器的沿排气方向的上游部；储罐，其存储要从喷射装置喷射和供给的液体还原剂或其前驱体；还原剂供给流路，其将液体还原剂或其前驱体从所述储罐供应到喷射喷嘴；还原剂循环流路，其从所述还原剂供给流路的中途分支，能够使液体还原剂或其前驱体的一部分返回到所述储罐，并具有被布置成能够与热源进行热交换的部分；还原剂循环阀，其控制所述液体还原剂或其前驱体到所述还原剂循环流路的流动；温度检测单元，其检测所述储罐或还原剂供给流路中的液体还原剂或其前驱体的温度；以及还原剂循环控制单元，当所述液体还原剂或其前驱体的温度等于或低于预定温度时，该还原剂循环控制单元控制所述还原剂循环阀，使得液体还原剂或其前驱体能够流入到所述还原剂循环流路中，该液体还原剂或其前驱体的温度是由温度检测单元检测的。
本发明的技术效果
根据本发明，提供了如下一种结构：在该结构中，要供给到喷射喷嘴的还原剂或其前驱体中的至少一部分被加热并返回到还原剂储罐，因此，使得能够进一步缩短解冻时间。
附图说明
图1是示出排气净化装置的一个示例的整体构造图。
图2是示出还原剂循环流路的布局的第一实施例的透视图。
图3是示出还原剂循环流路的布局的第二实施例的俯视图。
图4是示出还原剂循环流路的布局的第三实施例的侧视图。
图5是示出还原剂添加模式中的流路切换阀的示例的视图。
图6是示出还原剂循环模式中的流路切换阀的示例的视图。
图7是示出吹扫模式中的流路切换阀的示例的视图。
图8是示出用于尿素水溶液的解冻处理的控制程序的示例的构造图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的实施例。
图1示出对排气中的微粒物质(PM：Particulate Matter)和NOx进行净化的排气净化装置的示例。
在与柴油发动机100的进气歧管110连接的进气管120中，沿着进气流动方向，按下列顺序布设有：滤除进气中的灰尘等的空气滤清器130；使进气增压的涡轮增压器140的压缩机142；使已经通过压缩机142的进气冷却的中间冷却器150；以及使进气的脉动平滑化的进气集管160。
同时，在与柴油发动机100的排气歧管170连接的排气管180中，沿着排气流动方向，按下列顺序布设有：涡轮增压器140的涡轮机144；连续再生式柴油微粒滤清器(continuous regeneration-type diesel particulate filter，下文中称为“DPF”)装置190；喷射和供给作为还原剂前驱体的尿素水溶液的喷射喷嘴200；以及尿素选择性还原催化转化器系统225。
连续再生式DPF装置190包括：至少将NO(一氧化氮)氧化成NO2(二氧化氮)的DOC(柴油氧化催化剂：Diesel Oxidation Catalyst)转化器192；以及收集并去除PM的DPF194。应指出，作为DPF 194，其表面上携带有催化剂(活性成分和添加成分)的CSF(催化滤烟器：Catalyzed Soot Filter)也能够取代一般的DPF来使用。
尿素选择性还原催化转化器系统225包括：选择性还原催化转化器210，其通过使用从尿素水溶液生成的氨作为还原剂来选择性地还原和净化NOx；以及氧化催化转化器220，其氧化已经通过选择性还原催化转化器210的氨。
存储在还原剂储罐230中的尿素水溶液被安装在还原剂供给流路250和251的中途的还原剂添加单元240吸取，通过该还原剂供给流路250、251并被供给到喷射喷嘴200。在位于还原剂供给流路250、251的中途的还原剂添加单元240中，还原剂供给流路250、251分支出用于使尿素水溶液返回到还原剂储罐230的还原剂循环流路256，并且分支出用于将外部空气(空气)导入到还原剂循环流路256的外部空气导入流路254。还原剂循环流路256的末端在还原剂储罐230内连接到还原剂供给流路250的吸入端而形成环路。稍后将描述还原剂循环流路256的细节，其一部分被布设在热源附近。
此外，在还原剂储罐230内的、还原剂供给流路250与还原剂循环流路256之间的连接部处，设置有一个或多个连通孔235，尿素水溶液能够通过所述连通孔在还原剂储罐230与这些流路之间来回流动(尿素水溶液能够从还原剂储罐230被吸到还原剂供给流路250，或者尿素水溶液能够从还原剂循环流路256返回到还原剂储罐230)。因此，尿素水溶液通过设置在所述流路中的连通孔235，被向上吸入到还原剂供给流路250中并供应到喷射喷嘴200。
另外，围绕还原剂供给流路250和251布设有电热器(未示出)。通过这种方式，即使在发动机停止之后残留在还原剂供给流路250和251中的尿素水溶液冻结，因此冻结的尿素水溶液也在发动机启动时被围绕还原剂供给流路250和251的所述电热器加热并解冻。
稍后将描述还原剂添加单元240的内部构造，还原剂添加单元240不仅将尿素水溶液从还原剂储罐230供给到喷射喷嘴200，而且还控制尿素水溶液的流动(流量、路线)以及外部空气到还原剂循环流路256中的引入。
为了掌握选择性还原催化转化器210的活性状态，测量排气的温度(即，排气温度)的排气温度传感器260被附接到位于连续再生式DPF装置190与喷射喷嘴200之间的排气管180。此外，测量尿素水溶液的温度(即，尿素水溶液温度)的尿素水溶液温度传感器265被附接到还原剂储罐230。排气温度传感器260、尿素水溶液温度传感器265和外部空气温度传感器290各自的相输出信号被输入到内置有计算机的还原剂添加控制单元(DCU：DosingControl Unit)270。另外，为了能够在任意时间点读取转速和负荷(发动机运行状态的示例)，DCU 270经由诸如CAN(控制器局域网：Controller Area Network)的车内网络而以可通信方式连接至电子控制柴油发动机100的发动机控制单元(ECU：Engine Control Unit)280。
然后，DCU 270执行在诸如闪速ROM(只读存储器：Read Only Memory)的非易失性存储器中存储的控制程序，由此，基于排气温度、转速和负荷来电子控制所述还原剂添加单元240。此外，DCU 270基于外部空气温度和尿素水溶液温度来执行后述的尿素水溶液的解冻处理。
在此，关于柴油发动机100的负荷，能够使用与发动机扭矩密切相关的一定量的状态，例如，它包括：燃料喷射量、进气流量、进气压力、增压压力、加速器开度等。此外，柴油发动机100的转速和负荷可以通过使用公知的传感器来直接检测，而不是从ECU 280中读取转速和负荷。
在如上所述的这种排气净化装置中，柴油发动机100的排气经由排气歧管170和涡轮增压器140的涡轮机144而被导入到连续再生式DPF装置190的DOC转化器192内。导入到DOC转化器192内的排气流向DPF 194，而NO被氧化成NO2。在DPF 194中，排气中的PM被收集，此外，通过使用由DOC转化器192生成的NO2来使PM连续氧化(燃烧)。
另外，响应于发动机运行状态而从喷射喷嘴200喷射和供给(添加)的尿素水溶液通过利用排气热和排气中的水蒸气而水解，并且被转化成用作还原剂的氨。这种氨与排气中的NOx在选择性还原催化转化器210内发生选择性还原反应，并且被净化成无害的H2O(水)和N2(氮)。此时，通过DOC转化器192将NO氧化成NO2，排气中的NO与NO2的比例被改善成适合于所述选择性还原反应，因此能够提高选择性还原催化转化器210中的NOx净化率。同时，已经通过该选择性还原催化转化器210的氨被在排气流中布设在其下游的氧化催化转化器220氧化，因此，能够抑制氨直接释放到大气中。
图2、图3和图4示出了还原剂循环流路256的布局的示例。关于还原剂循环流路256，所涉及的该流路的一部分被布设在热源附近，以便能够加热流经该流路的尿素水溶液。
图2的还原剂循环流路256的一部分被布设成在构成箱体300的上表面和侧表面的换热板上迂回延伸。在此，箱体300容纳连续再生式DPF装置190、尿素选择性还原催化转化器系统225以及将连续再生式DPF装置190与尿素选择性还原催化转化器系统225彼此连接的排气管180。通过这种方式，流经还原剂循环流路256的尿素水溶液与通过排气管180的这种排气热而被加热的所述换热板交换热量，并且被加热并返回到还原剂储罐230。应指出，还原剂循环流路256只需布设成能够与所述热源交换热量即可，并且例如可以布设成在构成箱体300的下表面和侧表面的换热板上迂回延伸。
图3示出从图2的箱体300上方观察时的另一还原剂循环流路256的布局。应指出，图3的还原剂循环流路256也可以布设成在构成箱体300的下表面和侧表面的换热板上迂回延伸。
此外，如图4所示，还原剂循环流路256可以围绕排气管180呈螺旋形布设。
还原剂添加单元240包括：将尿素水溶液吸入到还原剂供给流路250内的泵242；用于控制尿素水溶液的流量的流量控制阀244；以及用于切换尿素水溶液的路线的流路切换阀246。
作为流量控制阀244，能够使用现有的诸如蝶阀和球阀等的阀，并且流量控制阀244由DCU 270通过诸如执行器的现有方法来控制。
将参照图5(以及图6和图7)来描述流路切换阀246。流路切换阀246由第一旋转阀247和布设在第一旋转阀247的内部中的第二旋转阀248组成。第一旋转阀247和第二旋转阀248由DCU 270通过诸如执行器的现有方法而旋转控制。
在第一旋转阀247中，在其转子中形成有“T”形流路，并且第一旋转阀247具有在顺时针方向上的0°和90°的两个旋转位置(第一旋转位置和第二旋转位置)。
在第一旋转位置(图5和图6)，外部空气导入流路254被封闭，从而使三方能够彼此连通，其中，这三方是上游侧的还原剂供给流路250、下游侧的还原剂供给流路251、和还原剂循环流路256。
此外，在第二旋转位置(图7)，下游侧的还原剂供给流路251被封闭，从而使三方能够彼此连通，其中，这三方是外部空气导入流路254、还原剂循环流路256、和上游侧的还原剂供给流路250。
在第二旋转阀248中，在第一旋转阀247的转子的中心处布设的转子的偏心位置处形成直线状流路，并且第二旋转阀248具有顺时针方向上的0°、45°和90°的三个旋转位置(旋转位置A、B和C)。
第二旋转阀248的旋转位置A(图5)与第一旋转阀247的第一旋转位置联合使用，封闭所述还原剂循环流路256，并且仅允许上游侧的还原剂供给流路250与下游侧的还原剂供给流路251彼此连通(还原剂添加模式)。
第二旋转阀248的旋转位置B(图6)与第一旋转阀247的第一旋转位置联合使用，封闭下游侧的还原剂供给流路251，并且仅允许上游侧的还原剂供给流路250与还原剂循环流路256彼此连通(还原剂循环模式)。
第二旋转阀248的旋转位置C(图7)与第一旋转阀247的第二旋转位置联合使用，封闭上游侧的还原剂供给流路250，并且仅允许外部空气导入流路254与还原剂循环流路256彼此连通(吹扫模式)。
如上所述，流路切换阀246能够根据第一旋转阀247和第二旋转阀248的相应旋转位置来切换流路，并且具有三种模式，即还原剂添加模式、还原剂循环模式和吹扫模式。
图8示出在发动机启动之后由ECU 280每隔预定时间反复执行的控制程序的示例。通过这种控制程序，实现还原剂循环控制单元和外部空气导入控制单元的功能。
在步骤1(图8中被缩写为“S1”；以下同)，ECU 280确定还原剂储罐230内储存的尿素水溶液是否冻结。具体地，ECU 280从尿素水溶液温度传感器265读取尿素水溶液温度，并确定该尿素水溶液温度是否等于或低于尿素水溶液的冻结温度(尿素水溶液是否冻结)。在一个示例中，该冻结温度被设定为约-11℃，在该温度时，尿素水溶液冻结。
应指出，用于测量尿素水溶液的温度的温度传感器可以设置在还原剂供给流路250和251中，可以从该温度传感器读取尿素水溶液温度，并且可以确定尿素水溶液是否冻结。
然后，如果ECU 280确定尿素水溶液冻结(“是”)，则ECU 280使该进程前进至步骤2，与此同时，如果ECU 280确定尿素水溶液未冻结(“否”)，则ECU 280使该进程前进至步骤10。
在步骤2中，ECU 280将流路切换阀246设定成还原剂循环模式(参照图6)达预定时间。具体地，DCU 270将控制信号输出到控制该流路切换阀246的执行器，由此将流路切换阀246设定成还原剂循环模式，并且允许还原剂供给流路250与还原剂循环流路256彼此连通。通过这种方式，从还原剂储罐230吸入到还原剂供给流路250中的尿素水溶液被引导到还原剂循环流路256。然后，被引导到还原剂循环流路256的尿素水溶液与邻近该还原剂循环流路256的诸如换热板的热源交换热量，并加热该尿素水溶液。如此被加热的尿素水溶液返回到还原剂储罐230并与还原剂储罐230内的尿素水溶液交换热量，由此解冻该还原剂储罐230内的尿素水溶液。在步骤2中，在执行还原剂循环模式达预定时间之后，该进程前进至步骤3。
在步骤3中，ECU 280将流路切换阀246设定成还原剂添加模式达预定时间。具体地，DCU 270将控制信号输出到控制该流路切换阀246的促动器，由此将流路切换阀246设定成还原剂添加模式。通过这种方式，从还原剂储罐230吸入到还原剂供给流路250中的尿素水溶液被供给到喷射喷嘴200。在步骤3中，在执行还原剂添加模式达预定时间之后，该进程前进至步骤4。
在步骤4中，ECU 280确定还原剂储罐230内存储的尿素水溶液是否解冻。具体地，ECU 280从尿素水溶液温度传感器265读取尿素水溶液温度，并确定该尿素水溶液温度是否已超过尿素水溶液的冻结温度(尿素水溶液是否解冻)。
然后，如果ECU 280确定尿素水溶液已解冻(“是”)，则ECU 280使该进程前进至步骤5，与此同时，如果ECU 280确定尿素水溶液未解冻(“否”)，则ECU 280使该进程返回至步骤2。
本实施例中的尿素水溶液解冻方法是在还原剂循环模式与还原剂添加模式之间进行切换的同时解冻尿素水溶液。因此，在尿素水溶液在发动机启动时冻结的情况下，在尿素水溶液解冻的同时净化了排气中的NOx。
在此，将描述用于执行步骤2的还原剂循环模式和步骤3的还原剂添加模式的预定时间。在本实施例中，当尿素水溶液完全冻结时，通过长时间地持续进行还原剂循环模式而使尿素水溶液解冻，并且当尿素水溶液解冻时，减少还原剂循环模式的时间并同时增加还原剂添加模式的时间。尿素水溶液的解冻状态可以基于尿素水溶液温度传感器265来确定，或者可以基于还原剂循环模式的应用时间来估计和确定。
在步骤5中，ECU 280将流路切换阀246设定成吹扫模式(参照图7)。具体地，DCU270将控制信号输出控制该流路切换阀246的执行器，由此将流路切换阀246设定成吹扫模式并允许外部空气供给流路254与还原剂循环流路256彼此连通。通过这种方式，从外部空气供给流路254供给的外部空气被引导到还原剂循环流路256，并且还原剂循环流路256中残留的尿素水溶液被推出到还原剂储罐230。将外部空气导入到还原剂循环流路256中达预定时间，由此使还原剂循环流路256变空。此后，即使流路切换阀246返回到还原剂添加模式，还原剂循环流路256也保持空的状态。在步骤5中，在执行吹扫模式达预定时间之后，该进程前进至步骤10。
在步骤10中，ECU 280将流路切换阀246设定成还原剂添加模式(参照图5)。此后，ECU 280响应于发动机运行状态而从喷射喷嘴200喷射和供给(添加)尿素水溶液，并净化排气中的NOx。
根据本实施例，在还原剂储罐230中的尿素水溶液在发动机启动时冻结的情况下，尿素水溶液流入到其一部分与热源邻接的还原剂循环流路256中，并且，如此加热的尿素水溶液返回到还原剂储罐230。通过这种方式，还原剂储罐230的尿素水溶液能够更快地解冻。
此外，根据本实施例，还原剂供给流路250在还原剂储罐230中连接到还原剂循环流路256，并且与上述储罐的内部连通的连通孔235设置在该连接部中。在还原剂循环流路256中加热的尿素水溶液与还原剂储罐230中的尿素水溶液通过该连通孔235而在还原剂储罐230中彼此混合，并能够在还原剂储罐230的大范围内有效地进行热交换。
另外，根据本实施例，还原剂供给流路250与还原剂循环流路256彼此连接而形成环路。通过这种方式，形成了小容量的实质上闭合的回路，然后该回路被加热，因此能够在很大程度上缩短解冻时间。
此外，根据本实施例，所述电热器设置在该还原剂供给流路250和251中。通过这种方式，即使当尿素水溶液在还原剂供给流路250和251中冻结时，还原剂供给流路250和251中的尿素水溶液也通过所述电热器而解冻，并且，通过使如此解冻的尿素水溶液循环，能够解冻还原剂储罐230中的尿素水溶液。因此，不再需要围绕还原剂储罐230及还原剂供给流路250、251布设发动机冷却液管道(它用于使作为一种防冻剂的发动机冷却液流动)以解冻所冻结的尿素水溶液，并且能够简化用于发动机冷却液的管道结构。
另外，根据本实施例，在停止将尿素水溶液导入到还原剂循环流路256中之后，将外部空气导入到还原剂循环流路256中，并且使还原剂循环流路256变为空的。通过这种方式，能够抑制尿素水溶液在还原剂循环流路256中冻结。
在本实施例的流路切换阀246中，将尿素水溶液导入到还原剂循环流路256中的功能与将外部空气导入到还原剂循环流路256中的功能合为一体；然而，所述功能也能够通过使用多个阀来实现，例如，用于控制尿素水溶液流向还原剂循环流路的还原剂循环阀，以及用于控制外部空气流入还原剂循环流路中的外部空气导入阀。
此外，这样的液体还原剂或其前驱体不限于尿素水溶液，并且也可以响应于对排气的有害物质等进行净化的排气净化元件的功能，用氨水溶液、含碳氢化合物作为主要成分的柴油等作为液体还原剂或其前驱体。在此情况下，用于确定液体还原剂或其前驱体是否冻结的冻结温度仅需响应于其特性而适当地选择。
附图标记列表
100 柴油发动机
110 进气歧管
120 进气管
130 空气滤清器
140 涡轮增压器
142 压缩机
144 涡轮机
150 中间冷却器
160 进气集管
170 排气歧管
180 排气管
190 连续再生式DPF装置
192 DOC转化器
194 DPF
200 喷射喷嘴
210 选择性还原催化转化器
220 氧化催化转化器
225 尿素选择性还原催化转化器系统
230 还原剂储罐
235 连通孔
240 还原剂添加单元
242 泵
244 流量控制阀
246 流路切换阀
247 第一旋转阀
248 第二旋转阀
250、251 还原剂供给流路
254 外部空气导入流路
256 还原剂循环流路
260 排气温度传感器
265 尿素水溶液温度传感器
270 DCU
280 ECU
290 外部空气温度传感器
300 箱体

Claims (5)

1.一种用于发动机的排气净化装置，所述排气净化装置包括：
选择性还原催化转化器，所述选择性还原催化转化器设置在所述发动机的排气通路中，并通过使用还原剂来选择性地还原和净化排气中的氮氧化物；
喷射装置，所述喷射装置将液体还原剂或其前驱体喷射和供给到所述选择性还原催化转化器的沿排气方向的上游部；
储罐，所述储罐储存所述液体还原剂或其前驱体，所述液体还原剂或其前驱体从所述喷射装置被喷射和供给；
还原剂供给流路，所述还原剂供给流路将所述液体还原剂或其前驱体从所述储罐供给到所述喷射喷嘴；
还原剂循环流路，所述还原剂循环流路从所述还原剂供给流路的中途分支，能够使所述液体还原剂或其前驱体的一部分返回到所述储罐中，并具有被布置成能够与热源进行热交换的部分；
还原剂循环阀，所述还原剂循环阀控制所述液体还原剂或其前驱体到所述还原剂循环流路的流动；
温度检测单元，所述温度检测单元检测所述储罐或所述还原剂供给流路中的所述液体还原剂或其前驱体的温度；以及
还原剂循环控制单元，当所述液体还原剂或其前驱体的温度等于或低于预定温度时，所述还原剂循环控制单元控制所述还原剂循环阀，使得所述液体还原剂或其前驱体能够流入到所述还原剂循环流路中，该温度是由所述温度检测单元检测的。
2.根据权利要求1所述的用于发动机的排气净化装置，其中，所述还原剂循环流路在所述储罐中连接到所述还原剂供给流路，并且，在该连接部中设置有与所述储罐的内侧连通的连通部。
3.根据权利要求1或2所述的用于发动机的排气净化装置，其中，从所述发动机排出的排气被用作所述热源。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的用于发动机的排气净化装置，还包括：
外部空气导入流路，所述外部空气导入流路将外部空气导入到所述还原剂循环流路，以将所述还原剂循环流路中的所述液体还原剂或其前驱体吹扫到所述储罐中；
外部空气导入阀，所述外部空气导入阀执行控制以导入外部空气；以及
外部空气导入控制单元，所述外部空气导入控制单元控制所述外部空气导入阀，以在所述液体还原剂或其前驱体停止流入所述还原剂循环流路之后将外部空气导入到所述还原剂循环流路。
5.根据权利要求4所述的用于发动机的排气净化装置，其中，所述外部空气导入流路连接到所述还原剂循环流路的从所述还原剂供给流路分支的分支部，并且所述外部空气导入阀与所述还原剂循环阀在所述分支部处彼此成一体。
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