内燃机的排气净化装置制造方法
【专利摘要】本发明要解决的问题在于，在下述的内燃机的排气净化装置中适当地去除附着或堆积在混合器上的源自还原剂的固形物，其中所述内燃机的排气净化装置包括：选择还原型催化剂，所述选择还原型催化剂被配置在内燃机的排气通路中；还原剂提供装置，所述还原剂提供装置向比选择还原型催化剂靠上游的排气通路提供源自氨的还原剂；以及混合器，所述混合器配置在比选择还原型催化剂靠上游且比还原剂提供装置靠下游的排气通路中。为了解决该问题，本发明在比所述混合器靠上游的排气通路中设置向所述混合器喷射火焰的升温装置。
【专利说明】内燃机的排气净化装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及配置在排气通路中的排气净化装置，尤其涉及通过从尿素添加阀向选择还原型催化剂提供源自氨的还原剂来净化排气中的氮氧化物(NOx)的排气净化装置。
【背景技术】
[0002]专利文献I中描述了如下技术:在包括设置在内燃机的排气通路中的选择还原型催化剂、以及向流入到选择还原型催化剂之前的排气中添加尿素水溶液的添加阀的内燃机的排气净化装置中，在比选择型还原剂靠上游且比添加阀靠下游的排气通路中，配置促进排气和尿素水的混合的混合器。
[0003]专利文献2中描述了如下技术:在包括设置在内燃机的排气通路中的选择还原型催化剂、以及向流入到选择还原型催化剂之前的排气中添加尿素水溶液的添加阀的内燃机的排气净化装置中，在比添加阀靠上游的排气通路中配置使排气的旋涡流产生的肋片。
[0004]专利文献3中描述了下述的内燃机的排气净化装置，所述内燃机的排气净化装置包括设置在燃机的排气通路中的催化剂载体、向比催化剂载体靠上游的排气通路内提供燃料的添加阀、以及点燃从添加阀提供的燃料的电热塞。
[0005]在先技术文献
[0006]专利文献
[0007]专利文献1:特开2009-002213号公报
[0008]专利文献2:特许第3892452号公报
[0009]专利文献3:特开2006-112401号公报
【发明内容】
[0010]发明要解决的问题
[0011]另外，根据上述专利文献I描述的内燃机的排气净化装置，尿素结晶、氰尿酸、或黑色素等有可能附着或堆积在排气通路的壁面或混合器上。例如，尿素水溶液与排气通路的壁面或混合器碰撞时，排气通路的壁面或混合器上水分蒸发并固形化。之后，固形物被暴露在约200°C至400°C的气氛中时，容易生成尿素结晶、氰尿酸、黑色素。
[0012]作为去除附着或堆积在排气通路的壁面或混合器上的固形物的方法，可考虑通过使排气的温度上升来对排气通路的壁面或混合器进行加热的方法、或通过加热器对排气通路或混合器直接加热的方法等。但是，在通过这些方法来加热排气通路或混合器的过程中，如前面说过的固形物有可能被暴露在400°C以下的气氛中。由此，尿素结晶、氰尿酸、黑色素等的生成量有可能反而增加。
[0013]本发明就是鉴于上述情况而作出的，其目的在于提供一种在下述的内燃机的排气净化装置中能够适当地去除附着或堆积在混合器等上的源自还原剂的固形物如下技术，其中所述内燃机的排气净化装置包括:设置在内燃机的排气通路中的选择还原型催化剂；向比选择还原型催化剂靠上游的排气通路提供源自氨的还原剂的还原剂提供装置；以及配置在比选择还原型催化剂靠上游且比还原剂提供装置靠下游的排气通路中的混合器。
[0014]用于解决问题的手段
[0015]本发明是在下述的内燃机的排气净化装置中，通过使火焰接触混合器来在不引起尿素结晶、氰尿酸和黑色素等的生成的情况下去除附着或堆积在混合器上的固形物的，其中所述内燃机的排气净化装置包括:设置在内燃机的排气通路中的选择还原型催化剂；向比选择还原型催化剂靠上游的排气通路提供源自氨的还原剂的还原剂提供装置；以及被配置在比选择还原型催化剂靠上游且比还原剂提供装置靠下游的排气通路中的混合器。
[0016]详细地说，本发明涉及的内燃机的排气净化装置包括:选择还原型催化剂，所述选择还原型催化剂被配置在内燃机的排气通路中；还原剂提供装置，所述还原剂提供装置向比所述选择还原型催化剂靠上游的排气通路内提供源自氨的还原剂；混合器，所述混合器被配置在比所述选择还原型催化剂靠上游且比所述还原剂提供装置靠下游的排气通路中，促进排气和从所述还原剂提供装置被提供的还原剂的混合；以及升温装置，所述升温装置被配置在比所述混合器靠上游的排气通路中，通过向所述混合器喷射火焰来使所述混合器升温。
[0017]在如此构成的内燃机的排气净化装置中，从还原剂提供装置提供的还原剂经由混合器流入选择还原型催化剂中。此时，还原剂碰撞混合器的壁面等时，源自还原剂的固形物有可能附着或堆积在混合器上。源自还原剂的固形物被暴露在约200°C至400°C的气氛(以下，称为“改性气氛”)中时，会变成难熔性的物质。例如，在使用尿素水溶液作为源自氨的还原剂的情况下，会变成氰尿酸或黑色素等。
[0018]与此相对，当升温装置向混合器喷射火焰时，附着或堆积在混合器上的固形物暴露在与所述改性气氛相比充分高的温度的气氛中。此时，所述固形物被暴露的气氛不是经过所述改性气氛慢慢升温，而是直接升温至比所述改性气氛高的温度的气氛。其结果是，所述固形物在不改性成氰尿酸、黑色素等的情况下，被熔融而去除。
[0019]因此，根据本发明的内燃机的排气净化装置，能够适当地去除附着或堆积在混合器上的源自还原剂的固形物。另外，当升温装置对混合器喷射火焰时，混合器受到火焰的热而升温。混合器升温时，会促进流入该混合器的还原剂的气化。尤其是在使用尿素水溶液作为源自氨的还原剂的情况下，由于尿素水溶液的热分解或水解被促进，因此也有可能提高混合器对排气和还原剂的混合效果。当混合器对排气和还原剂的混合效果被提高时，也有可能提高选择还原型催化剂中的氮氧化物(NOx)的净化率。
[0020]在本发明涉及的内燃机的排气净化装置中，升温装置也可以被配置在比还原剂提供装置靠上游的排气通路中。这种情况下，升温装置除了向混合器喷射火焰之外，还向从还原剂提供装置提供的还原剂与排气通路的壁面的碰撞位置喷射火焰。
[0021]当从还原剂提供装置提供的还原剂碰撞排气通路的壁面时，源自还原剂的固形物有可能附着或堆积在该壁面(碰撞位置)上。当固形物附着或堆积在所述碰撞位置上时，固形物有可能妨碍还原剂的提供。与此相对，当升温装置对所述混合器和所述碰撞位置喷射火焰时，除了附着或堆积在所述混合器上的固形物之外，附着或堆积在所述碰撞位置的固形物也被熔融以及去除。
[0022]此外，当通过升温装置而产生的火焰到达还原剂提供装置时，有可能产生还原剂提供装置的热劣化等。因此，还原剂提供装置也可以被配置在通过所述升温装置而产生的火焰不到达的位置。根据上述构成，能够在不同时产生还原剂提供装置的热劣化等的情况下，去除附着或堆积在所述混合器或所述碰撞位置上的固形物。
[0023]在本发明涉及的内燃机的排气净化装置中，升温装置也可以包括向所述混合器和所述碰撞位置分配火焰的分配板。
[0024]根据这样的构成，使得通过升温装置而产生的火焰被局部喷射至所述混合器和所述碰撞位置。其结果是，所述混合器和所述碰撞位置被局部加热。由此，能够将产生火焰所需的燃料量抑制得少，并能够去除源自还原剂的固形物。另外，也能够避免所述混合器和所述碰撞位置以外的位置被不必要地加热的情况。
[0025]发明效果
[0026]根据本发明，能够在包括设置在内燃机的排气通路中的选择还原型催化剂、向比选择还原型催化剂靠上游的排气通路提供源自氨的还原剂的还原剂提供装置、以及被配置在比选择还原型催化剂靠上游且比还原剂提供装置靠下游的排气通路中的混合器的内燃机的排气净化装置中，适当地去除附着或堆积在混合器上的源自还原剂的固形物。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1是示出第一实施例中的内燃机的排气净化装置的概略构成的图；
[0028]图2是示出通过燃料添加阀和电热塞而产生的火焰的飞行路径的图；
[0029]图3是示出第一实施例中的内燃机的排气净化装置的其他构成例的图；
[0030]图4是示出第二实施例中的内燃机的排气系统统的概略构成的图；
[0031]图5是示出通过燃料添加阀和电热塞而产生的火焰的飞行路径的图。
【具体实施方式】
[0032]以下，基于附图对本发明的【具体实施方式】进行说明。本实施例中记载的结构部件的尺寸、材质、形状、其相对配置等只要没有特别说明，则不表明发明的技术范围仅限定于这些。
[0033]<实施例1>
[0034]首先，基于图1至图3对本发明的第一实施例进行说明。图1是示出应用本发明的内燃机的排气系统的概略构成的图。图1所示的内燃机I为压缩点火式的内燃机(柴油机)，但是也可以是能够进行稀薄燃烧运行(Lean burn operation)的火花点火式的内燃机(汽油发动机)。
[0035]在图1中，内燃机I上连接有排气通路2。排气通路2是用于使从内燃机I的气缸内排出的已燃气体(排气)流通的通路。排气通路2的中途配置有离心式增压器(Centrifugalsupercharger)的汽轮机3。在比汽轮机3靠下游的排气通路2中配置有催化剂套管4。
[0036]所述催化剂套管4在筒状的套管内容纳承载有选择还原型催化剂的催化剂载体。催化剂载体例如为在由堇青石或Fe-Cr-Al系的耐热钢形成的具有蜂窝形状的横断面的蜂窝型的基材上涂布铝系或沸石系的活性成分(载体)的载体。另外，催化剂载体上承载有具有氧化能力的贵金属催化剂(例如，钼(Pt))。
[0037]在位于上述的汽轮机3和催化剂套管4之间的排气通路2中安装有还原剂添加阀
5、升温装置、以及混合器8。[0038]还原剂添加阀5配置在比催化剂套管4靠上游的排气通路2中向该排气通路2的径向外侧凹进的部分(凹部)20，使得该还原剂添加阀5不露到排气通路2内。另外，还原剂添加阀5经由第一泵50连接在还原剂罐51上。第一泵50吸引蓄积在还原剂罐51中的还原剂，并且将被吸引的还原剂向还原剂添加阀5压送。还原剂添加阀5将从第一泵50压送来的还原剂向排气通路2内喷射。这些还原剂添加阀5、第一泵50以及还原剂罐51是本发明涉及的还原剂提供装置的一个实施方式。
[0039]此外，蓄积在还原剂罐51的还原剂为源自氨的还原剂。作为源自氨的还原剂，可以使用尿素、碳酸氢氨等的水溶液。本实施例中，假定使用尿素水溶液作为源自氨的还原剂。
[0040]混合器8是配置在比还原剂添加阀5靠下游且比催化剂套管4靠上游的排气通路2中以促进排气和从还原剂添加阀5添加的还原剂的混合的机器。例如，混合器8通过使排气的旋涡流产生，或使排气的流动发生混乱，来搅拌排气和还原剂。
[0041]这里，当从还原剂添加阀5喷射尿素水溶液时，该尿素水溶液与排气一起流入混合器8中。混合器8使尿素水溶液和排气搅拌。其结果是，尿素水溶液和排气被均匀混合，并且，尿素水溶液受到排气的热量而被热分解或水解。尿素水溶液被热分解或水解时产生氨(NH3)。由此，从混合器8流出的气体成为排气和氨(NH3)均匀混合的气体。当这样的气体流入催化剂套管4时，氨(NH3)会遍布到催化剂套管4的大致全体中。流入催化剂套管4的氨(NH3)被吸附或吸储在选择还原型催化剂中。吸附或吸储在选择还原型催化剂中的氨(NH3)与排气中所含的氮氧化物(NOx)反应而生成氮(N2)或水(H20)。即，氨(NH3)作为氮氧化物(NOx)的还原剂起作用。此时，当氨(NH3)被吸附在选择还原型催化剂的广范围内时，能够提高选择还原型催化剂中的氮氧化物(NOx)的净化率。
[0042]升温装置是通过向源自从还原剂添加阀5添加的还原剂的固形物容易附着或者堆积的部位(排气通路2的壁面或混合器8)喷射火焰，来使该部位急速升温的装置。升温装置包括燃料添加阀6和电热塞7。
[0043]燃料添加阀6被配置在比所述还原剂添加阀5靠上游的排气通路2中。燃料添加阀6经由第二泵60而与燃料箱61连接。燃料箱61是蓄积内燃机I的燃料的容器。第二泵60吸引蓄积在燃料箱61中的燃料，并且将被吸引的燃料向燃料添加阀6压送。燃料添加阀6将从第二泵60送来的燃料向排气通路2内的排气喷射。
[0044]电热塞7被配置为使得该电热塞7的发热部位于所述燃料添加阀6的喷射口的附近、或从所述燃料添加阀6喷射的燃料的飞行路径上。电热塞7将从未图示的电池或发电机提供的电能转变成热能，由此使发热部发热。电热塞7通过在从所述燃料添加阀6喷射燃料时使发热部发热来点燃燃料。
[0045]这里，当从还原剂添加阀5喷射的还原剂(尿素水溶液)碰撞混合器8或排气通路2的壁面等时，固形物在这些部位析出。这样的固形物暴露在约200°C至400°C的气氛(改性气氛)中时，会变成氰尿酸或黑色素等难熔性物质。因此，当想要通过排气温度的升温或加热器的加热来使所述固形物熔融或去除时，在其升温过程或加热过程中所述固形物被暴露在改性气氛中，有可能促进氰尿酸或黑色素的生成。
[0046]与此相对，当火焰喷射到所述部位时，所述固形物被暴露在比所述改性气氛充分高的温度的气氛中。另外，所述固形物被暴露的气氛不是经过所述改性气氛慢慢升温，而是直接升温到比所述改性气氛高的温度的气氛。其结果是，所述固形物熔融并被去除，而不会改性成氰尿酸或黑色素等。
[0047]因此，控制构成升温装置的燃料添加阀6的燃料添加量、电热塞7的发热量，以使适量的火焰到达所述部位，则所述部位受到火焰的热而急速升温，所述固形物被熔融并去除。此外，在图1所示的例子中，源自还原剂的固形物容易附着或堆积在排气通路2和凹部20的分岔部分(图1中的箭头A所示的部位)以及混合器8上。因此，为了更可靠地使附着或堆积在所述分岔部分A或混合器8上的固形物熔融和去除，如图2所示，可以配置升温装置和混合器8，以使得通过燃料添加阀6和电热塞7而产生的火焰(图2中的虚线的箭头所示的火焰)经由所述分岔部分A而到达混合器8。
[0048]具体而言，燃料添加阀6也可以由添加燃料难以扩散的低扩散型的喷射器构成，并被配置成该喷射器的喷孔指向所述分岔部分A，并且其指向方向相对于排气通路2的轴线倾斜。此时，电热塞7配置在从所述燃料添加阀6添加的燃料的飞行路径上即可。根据这样的构成，从燃料添加阀6喷射的燃料向所述分岔部分A附近的排气通路2的壁面反射并到达混合器8。与此相对应地，通过电热塞7而产生的火焰经由所述分岔部分A而喷射向混合器8。
[0049]因此，能够去除附着或堆积在排气通路2的壁面或混合器8上的源自还原剂的固形物，而不使其变成难熔性的物质。此外，升温装置能够对分岔部分A和混合器8局部地喷射火焰，因此能够抑制燃料消耗量的增加，同时使分岔部分A和混合器8急速升温。另外，燃料添加阀6和电热塞7能够与内燃机I的运行状态无关地动作，因此可以在源自还原剂的固形物的附着量或堆积量过多之前去除，或禁止在源自还原剂的固形物的附着量或堆积量过少时的动作。另外，当升温装置向混合器8喷射火焰时，混合器8的温度或混合器8内的气氛温度变高。因此，促进向混合器8流入的尿素水溶液的气化并且也促进尿素的热分解或水解。其结果是，能够抑制在尿素水溶液保持液相的状态下流入催化剂套管4的情况，并且也能够实现氨(NH3)和排气的更均匀化。
[0050]但是，当通过升温装置而产生的火焰接触还原剂添加阀5时，有可能导致还原剂添加阀5的热劣化等损害。但是，本实施例的还原剂添加阀5由于设置在排气通路2中向该排气通路2的径向外侧凹入的凹部20中，因此能够避免所述火焰接触还原剂添加阀5的情况。由此，能够在不发生还原剂添加阀5的热劣化的情况下，去除源自还原剂的固形物。此外，作为使得还原剂添加阀5不暴露在所述火焰中的其他构成，也可以采用在还原剂添加阀5的紧接上游侧配置遮挡板等的构成。
[0051]另外，如图3所示，升温装置也可以包括配置在从燃料添加阀6添加的燃料的飞行路径上的分配板9。分配板9优选构成为碰撞到该分配板9的燃料或火焰向排气通路2内的径向扩散并朝向下游侧。根据这样的构成，能够使火焰到达所述分岔部分A的同时，使火焰到达所述混合器8的上游侧端面的大致全体。其结果是，能够可靠地去除附着或堆积在混合器8上的源自还原剂的固形物，并且能够进一步促进混合器8中的尿素水溶液的气化或尿素的热分解和水解。
[0052]<实施例2>
[0053]接着，基于图4和图5来对本发明的第二实施例进行说明。这里，说明与前述的第一实施例不同的构成，省略对相同构成的说明。[0054]前面叙述的第一实施例和本实施例的不同点在于，使用用于催化剂升温的升温装置来去除源自还原剂的固形物。
[0055]图4是示出本实施例中的内燃机I的排气系统的概略构成的图。图4中，与前面叙述的第一实施例相同的构成要素被赋予相同的符号。在图4中，在比燃料添加阀6和电热塞7靠下游、且比还原剂添加阀5靠上游的排气通路2中，配置有承载氧化催化剂的颗粒过滤器10。颗粒过滤器10形成为具有比排气通路2的内径小的外径的圆柱状，并与排气通路2同轴配置。此外，也可以替代颗粒过滤器10而配置圆柱状的催化剂载体，并在该催化剂载体上承载氧化催化剂。
[0056]另外，本实施例的还原剂添加阀5配置在排气通路2的直线部分中向该排气通路2的径向外侧凹进的凹部21中，使得该还原剂添加阀5不露出到排气通路2内。另一方面，升温装置的燃料添加阀6配置在排气通路2的直线部分中向该排气通路2的径向外侧凹进的凹部22中，使得该燃料添加阀6不露到排气通路2内。升温装置的电热塞7与前面叙述的第一实施例同样，被配置为该电热塞7的发热部位于燃料添加阀6的喷孔附近或从燃料添加阀6喷射的燃料的飞行路径上。
[0057]在如此构成的内燃机的排气净化装置中，在使被颗粒过滤器10中捕集的PM氧化的情况下，或者使承载在颗粒过滤器10中的催化剂活化的情况下等，如果使燃料添加阀6和电热塞7动作，则通过该燃料添加阀6和电热塞7而产生的火焰受到排气的压力而到达颗粒过滤器10的附近。在这种情况下，颗粒过滤器10的温度、以及流入颗粒过滤器10的排气的温度迅速上升。其结果是，被颗粒过滤器10捕集的PM被氧化，或者承载在颗粒过滤器10上的氧化催化剂迅速活化。
[0058]但是，当从还原剂添加阀5喷射的还原剂碰撞排气通路2的壁面时，源自还原剂的固形物在该壁面上析出。在图4所示的例子中，源自还原剂的固形物容易附着或堆积在凹部21和排气通路2的交界的台阶部分(图4中的箭头B所示的部位)。
[0059]因此，本实施例的升温装置包括将通过燃料添加阀6和电热塞7而产生的火焰分配给颗粒过滤器10、所述台阶部分B和混合器8的分配板11。分配板11配置在从燃料添加阀6喷射的燃料的飞行路径中比电热塞7的发热部靠下游的位置处。此时，分配板11假定被配置为使得碰撞到该分配板11的燃料或火焰通过颗粒过滤器10和排气通路2的间隙而到达混合器8。
[0060]例如，在如图4所示的例子中，由于从燃料添加阀6添加的燃料向排气通路2的径向内侧飞行，因此分配板11被配置为与排气通路2的轴向大致平行。如此配置分配板11时，如图5所示，通过燃料添加阀6和电热塞7而产生的火焰(图5中的虚线箭头所示的火焰)在与分配板11碰撞之后向排气通路2的径向分散。
[0061]向排气通路2的周缘附近分散的火焰流入颗粒过滤器10和排气通路2的间隙。另外，向排气通路2的中心附近分散的火焰在碰撞颗粒过滤器10的上游侧端面之后，流入颗粒过滤器10和排气通路2的间隙。流入颗粒过滤器10和排气通路2的间隙的火焰向排气通路2的轴向前进。接着，当所述火焰到达比颗粒过滤器10的下游侧端面靠下游的位置时，该火焰的一部分在排气通路2的周缘部沿轴向前进，剩余的火焰在向排气通路2的径向内侧扩散的同时向下游侧前进。即，所述火焰在颗粒过滤器10的下游侧端面的下游向径向扩张的同时到达混合器8。[0062]因此，通过燃料添加阀6和电热塞7而生成的火焰被分配至颗粒过滤器10、所述台阶部分B和混合器8。其结果是，附着或堆积在所述台阶部分B或混合器8上的固形物被去除而不改性成氰尿酸或黑色素等难熔融性的物质。
[0063]另外，在火焰碰撞颗粒过滤器10的上游侧端面时或通过颗粒过滤器10和排气通路2的间隙时，该火焰的热量传递到颗粒过滤器10的外周面，因此也可以使颗粒过滤器10迅速升温。
[0064]另外，由于在颗粒过滤器10的下游侧端面的下游火焰向径向扩张的同时到达混合器8，因此能够使火焰到达所述混合器8的上游侧端面的大致整个区域。其结果是，能够更可靠地去除附着或堆积在混合器8的源自还原剂的固形物，并能够进一步促进混合器8中的尿素水溶液的气化、尿素的热分解以及水解。
[0065]根据以上叙述的实施例，能够共用用于使颗粒过滤器10升温的升温装置、以及用于去除源自还原剂的固形物的升温装置。其结果是，能够抑制部件件数的增加，并适当地去除源自还原剂的固形物。
[0066]符号说明
[0067]I内燃机
[0068]2排气通路
[0069]3汽轮机
[0070]4催化剂套管
[0071]5还原剂添加阀
[0072]6燃料添加阀
[0073]7电热塞
[0074]8混合器
[0075]9分配板
[0076]10颗粒过滤器
[0077]11分配板
[0078]50 第一泵
[0079]51还原剂罐
[0080]60 第二泵
[0081]61燃料箱
【权利要求】
1.一种内燃机的排气净化装置，包括: 选择还原型催化剂，所述选择还原型催化剂被配置在内燃机的排气通路中； 还原剂提供装置，所述还原剂提供装置向比所述选择还原型催化剂靠上游的排气通路内提供源自氨的还原剂； 混合器，所述混合器被配置在比所述选择还原型催化剂靠上游且比所述还原剂提供装置靠下游的排气通路中，促进排气和从所述还原剂提供装置被提供的还原剂的混合；以及升温装置，所述升温装置被配置在比所述混合器靠上游的排气通路中，通过向所述混合器喷射火焰来使所述混合器升温。
2.根据权利要求1所述的内燃机的排气净化装置，其中， 所述升温装置被配置在比所述还原剂提供装置靠上游的排气通路中，向从所述还原剂提供装置被提供的还原剂与排气通路的壁面的碰撞位置以及所述混合器喷射火焰。
3.根据权利要求2所述的内燃机的排气净化装置，其中， 所述还原剂提供装置被配置在通过所述升温装置而产生的火焰不到达的位置。
4.根据权利要求2或3所述的内燃机的排气净化装置，其中， 所述升温装置包括向所述碰撞位置和所述混合器分配火焰的分配板。
【文档编号】F01N3/08GK103502591SQ201180070484
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2011年4月28日 优先权日:2011年4月28日
【发明者】中野隆德, 片山晴之, 古久保辰巳 申请人:丰田自动车株式会社