CN1853035A - 发动机的排气净化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种发动机的排气净化装置，可以使将尿素等用作为还原剂的排气净化装置进行适当的运转。另外，可以在寒冷期时进行还原剂的稳定的温度检测及稳定的供给，并且在酷暑期时防止产生氨系气体。发动机(1)的排气净化装置向配设于排气系统中的还原催化剂(3)供给储存箱(20)内的尿素水。在该排气净化装置中，在储存箱(20)内设置浓度检测装置(60)，采用检测出的尿素水浓度作为还原剂的供给控制的基础信息。另外，设置对储存箱(20)内的还原剂进行加热的加热装置及对其进行冷却的冷却装置，最好是对浓度检测装置的检测部(61)及还原剂供给管(13)的吸入口(12)附近的还原剂加热。

Description

发动机的排气净化装置
技术领域
本发明涉及一种发动机的排气净化装置，具体地说，是在还原剂中使用氨或氨前体，将从车载柴油发动机及汽油发动机等排出的氮氧化物(下面称为“NOx”)净化的排气净化装置。特别涉及通过改进还原剂供给系统而使该排气净化装置保持其本来的功能并且更合理化。
背景技术
之前，提出了下面的排气净化装置作为用于净化从发动机排出的有害成分中的、特别是NOx的装置。
该装置包含有设在发动机排气通路上的还原催化剂，把还原剂供给到该还原催化剂的上游，使排气中的NOx与该还原剂反应，从而使NOx无害化。供给的还原剂以常温液体的状态储存在储存箱内，从喷嘴中喷出所需量的还原剂。还原剂通常是采用尿素，该尿素通过加水分解等反应容易产生与NOx反应性良好的氨。在储存箱内，除了该尿素的水溶液外，也可以储存氨水溶液或其它的还原剂水溶液。在寒冷期，还原剂水溶液容易冻结，鉴于这一点，配设有用于对还原剂储存箱以及供给配管系统的整体或主要部分加热的电热线。
专利文献：日本特开2000-027627号公报
发明内容
但是，上述的排气净化装置存在以下问题。该装置中，当还原剂水溶液中所含的还原剂浓度发生了变化，但驾驶者还不知道这一变化而使发动机继续运转时，对排气的氨添加量偏离了适当值，有可能不能得到预期的NOx净化率。尤其是，  当还原剂与水的混合比例(即浓度)不适当、或者有异种水溶液混入或还原剂的余量不足等时，若仍使发动机继续运转，则可能会引起NOx的大量排出。
另外，使用尿素水等凝固点低于水的还原剂水溶液时，在寒冷期，水分比还原剂水溶液先达到凝固点，先产生了水分的冻结。因此，从储存箱的壁面近旁、即从储存箱内的尿素水的外侧，水分开始冻结，在储存箱中央部尿素水浓缩，则被取入到供给配管系统内的尿素水的浓度渐渐增大。在这种情形下若仍然继续发动机的运转，则不仅NOx净化率降低，而且过剩的氨有可能会通过还原催化剂排放到大气中。
上述的排气净化装置中，作为寒冷期的对策，是对还原剂储存箱及供给配管系统进行加热，防止还原剂水溶液的冻结。但是，一旦发生了水分冻结时，由于不知道还原剂的浓度变化，所以不能避免上述问题。
另一方面，在酷暑期，受到路面的热的辐射等，再加上从发动机和消音器散发的热，储存箱内的还原剂有时会暴露于规定或规定以上温度的高温下。这时，可能会从储存箱或供给配管系统内的还原剂水溶液中产生微量的氨系气体。
本发明的目的是，设置用于检测储存于储存箱内的还原剂浓度的浓度检测装置，将其检测出的浓度作为基础信息，实施适当的应对处置，使排气净化装置适当地运转。
另外，本发明的目的是，作为寒冷期对策，设置对储存箱或供给配管系统内的还原剂进行加热的装置，从而能够实现还原剂的稳定供给以及由浓度检测装置进行的浓度的稳定检测。
另外，本发明的目的是，作为酷暑期对策，设置对还原剂储存箱或供给配管系统进行冷却的装置，防止储存箱或供给配管系统内产生氨。
本发明提供发动机的排气净化装置。
本发明的一技术方案中，在发动机的排气通路上设置促进氮氧化物还原的还原催化剂，将用于使排气中的氮氧化物还原的还原剂从储存箱供给到该还原催化剂的上游。在储存箱内设置检测该还原剂浓度的装置，并且设置对储存箱内的还原剂进行加热的装置。
另外，本发明的另一技术方案中，在发动机的排气通路中设置促进氮氧化物还原的还原催化剂，将用于使排气中的氮氧化物还原的还原剂从储存箱供给到该还原催化剂的上游。在储存箱内设置检测该还原剂浓度的装置，并且设置用于对储存箱内的还原剂进行冷却的装置。
根据本发明的一技术方案，将由浓度检测装置检测到的还原剂浓度用作为基础信息，根据该信息判断排气净化装置是否正常地发挥功能，若未正常发挥功能，可以采取必要的应对措施，抑制NOx的放出。另外，在寒冷期，用加热装置对储存箱内的还原剂进行加热，防止其冻结，这样，可以稳定地供给还原剂，并且可以由浓度检测装置稳定地检测还原剂的浓度。即使万一储存箱壁面近旁的水分发生冻结、并且储存箱中央部还原剂的浓度上升时，通过浓度检测装置可以检测出该变化，可保持排气净化装置的正常功能。
另外，本发明的另一实施方式中，根据浓度信息保持排气净化装置的正常功能，并且，在酷暑期，当储存箱被来自路面的辐射热及发动机的排气热加热了时，用冷却装置冷却储存箱内的还原剂，可以防止产生氨系气体。即使由于氨系气体的发生而万一导致了浓度降低时，也可由浓度检测装置应对该变化。
本发明的其它目的及特征，在下面参照附图的说明中将得到了解。
作为优先权基础的日本专利申请(特愿2003-314436号)的内容，作为本申请的一部分而被组入、被参照。
附图说明
图1是本发明一实施方式的排气净化装置的构造。
图2是设在图1所示排气净化装置中的还原剂储存箱的要部。
图3是在热交换管上设有散热翅片的热交换装置。
图4是图3所示热交换装置的热交换管。
图5(a)是图3所示热交换管和还原剂供给管及返回管的热连接构造的变形方式，(b)是(a)的Vb-Vb截面。
图6是热交换管的变形方式。
图7是热交换管的另一变形方式。
图8是设有保护件的还原剂储存箱。
图9是图8的IX-IX线截面。
图10是实施了隔热处理的还原剂储存箱。
图11是实施了隔热处理的还原剂储存箱的变形方式。
附图中符号的说明：
1：柴油机；3：还原催化剂；10：还原剂供给装置；13：供给配管；14：返回管；20：储存箱；30：冷却水循环通路；40：热交换装置；41、41 a、41b：热交换管；50：冷却用循环通路；51：散热装置；60：浓度检测装置；61：检测部；70：保护件；81、82：发泡隔热材
具体实施方式
图1表示本发明一实施方式的发动机1的排气净化装置的构造。
发动机1是装在车辆上的柴油发动机。该发动机1的排气，从排气分流器2，经过配设了NOx的还原催化剂3的排气管4被排出到大气中。具体地说，在排气管4中，从上游侧起依次配设了一氧化氮(下面称为“NO”)的氧化催化剂、NOx的还原催化剂3、氨的氧化催化剂这样三种催化剂。发动机1的排气系统包含排气管4、上述三种催化剂、配置在还原催化剂3前后的温度传感器、NOx传感器等。具体的构造未图示。NOx传感器用于检测还原后的排气中所含的NOx浓度。NO的氧化催化剂的作用是使排气中的碳氢化合物氧化，并且将排气中的NO转换为以二氧化氮(下面称为“NO2”)为主的NOx，将排气中所含的NO和NO2的比率调节为最适合于还原催化剂3进行NOx还原的比率。氨的氧化催化剂并不有助于还原催化剂3上的NOx的还原，而是用于将通过了该还原催化剂3的漏氨净化。
由还原剂供给装置(下面简称为“供给装置”)10向NOx的还原催化剂3供给还原剂。本实施方式中，该还原剂是采用尿素，将固体或粉状的尿素以水溶液的状态储存在储存箱20内。储存在储存箱2 0内的尿素水，从设置在还原催化剂3上游侧的喷嘴11喷出，供给到排气管4内。供给装置10和喷嘴11构成空气推进式的喷射装置。储存箱20内的尿素水，通过供给管13被导入到供给装置10内，与空气一起从喷嘴11喷出。另外，还原剂水溶液也可以采用氨水溶液等。喷出的尿素水，在排气管4内被排气热加热分解而产生氨。产生的氨在NOx的还原催化剂3上与排气中的NOx反应，将该NOx净化为水及无害的气体。另外，供给管13相当于本发明中的“还原剂供给管”。
尿素水从位于储存箱20底部中央附近的供给管13的吸入口12吸入，通过供给管13，供给到供给装置10及喷嘴11。另外，供给装置10还通过返回管14与储存箱20相连，剩余的尿素水通过该返回管14返回储存箱20。该返回管14在储存箱20内的中央上部开口。
储存箱20配置在第1循环路30上，该第1循环路30是从发动机1的未图示冷却水循环路上分支出的平行通路，由“第1配管”形成。在该第1循环路30上，从上游侧起依次配设有第1三通阀31、泵32、电磁阀33、热交换装置40、和第2三通阀34。热交换装置40用于使发动机的冷却水与储存箱20内的尿素之间进行热交换，包含有作为本发明的“管部件”的热交换管41。该热交换管41形成为大致U字形，U字形的折回部配置在储存箱20的底部近旁。第1三通阀31、第2三通阀34及电磁阀33被切换到将第1循环路30开通的方向时，第1循环路30起到加热装置的作用，使得作为从发动机1得到的热介质、即发动机1的冷却水循环，通过热交换管41将储存箱20内的尿素水加热。
另外，挟着储存箱20的第1三通阀31及第2三通阀34，与第2循环路50相连，该第2循环路50是与第1循环路30平行的通路，由“第2配管”形成。在该第2循环路50上设置了用于使循环的发动机1的冷却水散热的散热装置51。当第1三通阀31、第2三通阀34及电磁阀33被切换到将第2循环路50开通的方向时，第2循环路50及第1循环路30的一部分起到冷却装置的作用，使得被散热装置51散热而冷却了的冷却水循环，通过热交换管41将储存箱20内的尿素水冷却。
图2中详细表示了储存箱20内的构造。
在储存箱20的盖部设有安装口21，在该安装口21上，用螺栓及螺母可装卸地安装有盖22，在该盖22上安装有尿素水的浓度检测装置60。浓度检测装置60用法兰23固定在盖22上，浓度检测装置60的检测部61从盖22垂下到储存箱20内。该检测部61配置在储存箱20的底部中央上方，根据内装的下述2个温度传感器(未图示)的温度差，检测尿素水的浓度。在检测部61内装有加热器和设在不同2点的温度传感器，其中的一个温度传感器配置在加热器上或其近旁。驱动加热器，比较2个温度传感器的检测值，可以检测出加热器周边的尿素水的浓度。因此，用该浓度检测装置60，不仅可以检测尿素水的浓度，也可以检测出代替还原剂充填在储存箱20内的液体的种类(轻油、煤油或水等)、空气与液体的区别、尿素水的用尽或尿素水的剩余量等。作为浓度检测装置的实例，知道的有三井金属矿业(株)制造销售的浓度检测装置。浓度检测装置60的检测值，输入显示或报警装置65，并且输入由计算机构成的控制装置66。发动机1的各种运转状态也输入该控制装置66。
根据浓度检测装置60的检测值，可以检测出储存箱20内的尿素水的浓度，可以经常掌握供给到排气管4内的尿素水的浓度。因此，根据尿素水浓度这一基础信息，可以应对尿素水的浓度变化而抑制NOx的放出。这一点对于在寒冷期时，尿素水从储存箱20壁面近旁冻结，储存着的尿素水浓度变化时，也是同样适用的。
具体地说，检测到尿素水的浓度异常时，在发动机1停止后，由手动进行水或尿素水的补给，或在发动机1的运转中自动地进行水或尿素水的补给，或者把适当浓度的尿素水更换入储存箱20内等，使尿素水的浓度保持在适当值。另外，根据检测出的浓度、必要时根据发动机1的运转状态，控制装置66驱动供给装置10，控制尿素水的供给量。并且使发动机1的燃料喷射装置动作，调节发动机1的运转条件。
热交换装置40的热交换管41，在储存箱20的上下方向上被弯曲成朝下凸的U字形，包围着含有检测部61的浓度检测装置60的下侧部分。热交换管41的铅直部，与供给管13的铅直部(相当于本发明的“吸入部”)131及返回管14的铅直部用焊接等形成为一体，在各铅直部之间由传热而进行良好的热交换。因此，当流过热交换装置40内的发动机1的冷却水的温度高于储存箱20内的尿素水时，热交换装置40起到尿素水的加热装置的作用。另一方面，当流过热交换装置40内的发动机1的冷却水的温度低于储存箱20内的尿素水时，热交换装置40起到尿素水的冷却装置的作用。另外，热交换管41和供给管13的各铅直部的焊接部形成本发明的“传热体”。
在储存箱20上，设有用于检测储存着的尿素水温度的温度传感器45。通过控制装置66操作第1三通阀31、第2三通阀34及电磁阀34，可以与检测出的尿素水温度相应地使热交换装置40的作为加热装置或冷却装置的作用进行切换。另外，温度传感器45相当于本发明的“温度检测装置”。
图2表示储存箱20内的尿素水冻结了的状态。
这时，发动机1的冷却水流到热交换管41内，使热交换装置40起到加热装置的作用，含有检测部61的浓度检测装置60的下侧部分、供给管13的吸入口12、以及返回管14的返回口15被加热。因此，在寒冷期，即使储存箱20内壁面近旁的尿素水冻结(用冻结部A表示)，浓度检测装置60的下侧部分近旁的尿素水也不冻结或冻结后解冻，保持液体状态。由此，可进行尿素水稳定的浓度检测，可根据检测出的尿素水浓度切实进行NOx的还原处理。另外，可从储存箱20吸入液状的尿素水，用喷嘴11顺利地将其喷射到排气管4内。另外，本实施方式中，作为从发动机1得到的热介质是采用发动机1的冷却水，使其循环来加热尿素水，从而可良好地保持发动机1的热机效率。另外，作为从发动机1得到的热介质，除发动机1的冷却水外，也可以采用发动机1的润滑油、燃料箱内的燃料或排气等。
另一方面，在酷暑期，相反地，储存箱20受到来自大气、路面及发动机等的加热，储存着的尿素水升温为高温，有时产生氨系气体。这时，切换第1三通阀31及第2三通阀34，使第2循环路50开通，并使泵32动作，发动机1的冷却水被散热装置51散热而被冷却，所以，热交换管41内的冷却水和高温的尿素水之间进行热交换，尿素水被冷却。因此，尿素水的温度保持为适当值，可防止在储存箱20内产生氨系气体。
图3表示设在储存箱20内的热交换装置40的变形方式。
该热交换装置40中，为了提高该装置40的热交换效率，在热交换管41上设有作为散热促进装置的散热翅片42(图4)。另外，作为散热促进装置，也可以取代翅片42或者在设置翅片的同时，在热交换管41的周面上形成凹凸，使热交换管41本身的截面形状变复杂，扩大热交换管41与尿素水的接触面积。
另外，供给管13与热交换管41的连接及返回管14与热交换管41的连接，除了用焊接方法外，也可以如图5(a)及(b)所示那样，采用连接配件43与螺栓螺母44的组合。通过连接配件43的传热，可以间接地对供给管13及返回管14加热。另外，连接配件43相当于本发明的另一“传热体”。
图6和图7分别表示热交换装置40的其它变形方式。
这些热交换装置40中，改变热交换管的形状，扩大了热交换管与尿素水的接触面积。图6所示的热交换管41a，  是将图2所示U字形热交换管41的一方铅直部形成为螺旋状，配置在浓度检测装置60的周围。图7所示的热交换管41b，是将图2所示U字形热交换管41折回，形成为平行的双重U字形管。这些热交换管41a、41b，都是对储存箱20的底面与浓度检测装置60的检测部61之间、以及检测部61周边的空间集中地进行加热的形状，所以，可防止容易冻结的储存箱20底壁附近的冻结，或者可以使该部分的冻结迅速地解冻。
图8和图9表示热交换装置的其它变形方式。
这些热交换装置40中设有保护件70。保护件70用于保护浓度检测装置60的检测部61、和设在检测部61上方的尿素水剩余量报警开关62。在气温下降到尿素水凝固点以下的寒冷期，发动机1停止后放置了一段时间时，尿素水的一部分产生冻结，或者冻结后一部分解冻，在储存箱20内生成了多个冰块B。在车辆的行驶中，由于该车辆的上下振动及前后左右的加速度等原因，生成的冰块B碰撞检测部61及剩余量报警开关62，引起破损或损伤。保护件70防止该冰块B的碰撞，防止检测部61及剩余量报警开关62的破损等。保护件70是将2个金属制带状部件可装卸地架设在热交换管41之间而构成的。
保护件70也可以做成为在横向上分割储存箱20内的板状分隔壁71(图8中虚线所示)。该保护件70是在检测部61及余量报警开关62的两侧，从储存箱20的底壁平行地立设2个板状部件71而构成的。保护件70中，也可以在板状部件71上穿设多个孔，也可以将板状部件71自身形成为网状。由保护件70挡住冰块B，阻止冰块B穿过2个板状部件71之间。
图10和图11表示储存箱20的变形方式。
图10所示的储存箱20，实施了隔热处理，在其外壁上吹喷有作为隔热材的发泡隔热材81，借助该发泡隔热材81，实现储存箱20内的保温。另外，图11所示的储存箱20，实施了另一种隔热处理，其外壁做成双层构造，在该外壁内充填了发泡隔热材82，借助含有该发泡隔热材82的储存箱20的外壁，实现内部的保温。无论哪种储存箱都能在寒冷期抑制尿素水的冷却，作为避免其冻结的补助材而有效。另一方面，在酷暑期，可抑制外部的热进入，有效避免尿素水的过度的温度上升。
另外，本发明也可用于汽油发动机。
上面用几个较佳实施方式说明了本发明，但本发明的范围并不受上面说明的限制，本发明的范围以权利要求中的记载为依据，按照适用条文进行判断。

Claims (17)

1.一种发动机的排气净化装置，包括还原催化剂、储存箱、供给装置、浓度检测装置、和加热装置；
上述还原催化剂，设置在发动机的排气通路中，促进氮氧化物的还原；
上述储存箱，用于储存对排气中的氮氧化物进行还原的还原剂；
上述供给装置，在上述排气通路中，将储存在上述储存箱内的还原剂供给到上述还原催化剂的上游；
上述浓度检测装置，用于检测上述储存箱内的还原剂的浓度；
上述加热装置，对上述储存箱内的还原剂进行加热。
2.根据权利要求1所述的发动机的排气净化装置，
上述浓度检测装置包括产生与上述还原剂的浓度对应的电信号的检测部；
上述加热装置，至少对该浓度检测装置的检测部附近的还原剂进行加热。
3.根据权利要求1所述的发动机的排气净化装置，
还包括用于将上述储存箱内的还原剂导入到上述供给装置的还原剂供给管；
上述加热装置对上述还原剂供给管的吸入口附近的还原剂进行加热。
4.根据权利要求3所述的发动机的排气净化装置，
上述加热装置对上述还原剂供给管中的、位于储存箱内的吸入部进行加热。
5.根据权利要求1所述的发动机的排气净化装置，
上述加热装置，包括插入到上述储存箱内、形成第1配管的一部分的管部件，该第1配管用于使从发动机得到的热介质流通。
6.根据权利要求5所述的发动机的排气净化装置，
还包括用于将上述储存箱内的还原剂导入到上述供给装置的还原剂供给管；
上述管部件通过传热体与该还原剂供给管中的、位于上述储存箱内的吸入部连接。
7.根据权利要求5所述的发动机的排气净化装置，
在上述管部件中的、位于上述储存箱内的部分上设有散热促进装置。
8.根据权利要求1所述的发动机的排气净化装置，还包括上述浓度检测装置的检测部、和保护件；
上述浓度检测装置的检测部，产生与上述还原剂的浓度对应的电信号；
上述保护件，配置在该浓度检测装置的检测部与上述储存箱的壁面之间，保护该检测部免受固体碰撞。
9.根据权利要求8所述的发动机的排气净化装置，
还包括用于将上述储存箱内的还原剂导入到上述供给装置的还原剂供给管；
上述检测部和该还原剂供给管的吸入口被上述保护件包围着。
10.根据权利要求1所述的发动机的排气净化装置，对上述储存箱的壁部实施了隔热处理。
11.根据权利要求1所述的发动机的排气净化装置，还包括对上述储存箱内的还原剂进行冷却的冷却装置。
12.根据权利要求11所述的发动机的排气净化装置，还包括选择性地使上述加热装置和上述冷却装置动作的控制装置。
13.根据权利要求12所述的发动机的排气净化装置，
上述加热装置包括插入到上述储存箱内、形成第1配管的一部分的管部件，该第1配管用于使从发动机得到的热介质流通；
上述冷却装置包括在上述管部件的上游侧及下流侧与上述第1配管连接的第2配管、和设在该第2配管上的散热装置。
14.根据权利要求1所述的发动机的排气净化装置，
还包括检测上述储存箱内的还原剂温度的温度检测装置、和根据该温度检测装置检测出的还原剂温度使上述加热装置动作的控制装置。
15.根据权利要求12所述的发动机的排气净化装置，
还包括检测上述储存箱内的还原剂温度的温度检测装置；
上述控制装置根据该温度检测装置检测出的还原剂温度，选择性地使上述加热装置和冷却装置动作。
16.一种发动机的排气净化装置，包括还原催化剂、储存箱、供给装置、浓度检测装置、和冷却装置；
上述还原催化剂，设置在发动机的排气通路中，促进氮氧化物的还原；
上述储存箱，用于储存对排气中的氮氧化物进行还原的还原剂；
上述供给装置，在上述排气通路中，将储存在储存箱内的还原剂供给到上述还原催化剂的上游；
上述浓度检测装置，用于检测上述储存箱内的还原剂的浓度；
上述冷却装置，对上述储存箱内的还原剂进行冷却。
17.根据权利要求16所述的发动机排气净化装置，还包括：
检测上述储存箱内的还原剂温度的温度检测装置；
根据该温度检测装置检测出的还原剂温度，使上述冷却装置动作的控制装置。
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