用于内燃机的排气系统结构的制作方法

文档序号:10578853阅读:468来源:国知局
用于内燃机的排气系统结构的制作方法
【专利摘要】本发明的目的是在配备有将尿素水溶液添加至排气的添加装置的排气系统结构中,通过简单措施来防止或减少尿素的沉积。根据本发明的用于内燃机的排气系统结构包括:排气管,其连接至内燃机;以及添加装置,其位于排气管的中途来将尿素水溶液添加至在排气管中流动的排气。排气管的通过添加装置所添加的尿素水溶液所冲击到的部分的外壁与排气系统的布置在上述部分的上游处的部件的外壁接触,以便升高上述部分的温度。
【专利说明】
用于内燃机的排气系统结构
技术领域
[0001]本发明涉及一种用于内燃机的排气系统结构,并且更具体地,涉及一种配备有将尿素水溶液等添加至排气的添加装置的排气系统结构。
【背景技术】
[0002]已知一种用于内燃机的排气系统结构,其具有SCR(SelectiveCatalyticReduct1n,选择性催化还原)催化剂和用于将尿素水溶液添加至SCR催化剂的上游处的排气的添加装置,两者都附接至排气管。在该排气系统结构中,存在通过添加装置添加的尿素水溶液可附着至排气管的内表面的可能。
[0003]尤其近些年,出于提高SCR催化剂的排气净化率的目的或者由于有限的安装空间,SCR催化剂趋于布置在排气系统中的上游位置处。在这种布置中,需要将尿素水溶液添加在紧邻SCR催化剂的上游的狭小空间中。结果,如此通过添加装置添加的尿素水溶液可能会附着至排气管的内表面。
[0004]随着附着至排气管的内表面的尿素水溶液中的水蒸发,析出了尿素。当这发生时,如果排气管的内表面的温度在大约140摄氏度的低温度范围中,则析出的尿素可以沉积在内表面上。即使在内表面的温度高时,如果通过添加装置添加了大量的尿素水溶液,则排气管的内表面会被尿素水溶液冷却,这可能导致尿素沉积在内表面上。
[0005]针对上述问题的一种已知对策是:在SCR催化剂的上游的排气通道中设置一种电气加热式热板,并将尿素水溶液喷或滴在该热板上(参见专利文献I)。
[0006]还已知一种还原剂添加系统,其适于通过布置在涡轮增压器的涡轮的下游的添加阀来将尿素水溶液注入到排气管中的排气中,并且该添加系统设置有排气注入系统,其适于将涡轮的上游的排气注入到排气管中的通过添加阀的注入所指向的空间中(参见专利文献2)。
[0007]还已知一种系统,其适于将涡轮增压器的压缩机的下游的进气引入到设置在排气歧管中的蒸发器中,并将还原剂添加到该进气中(参见专利文献3)。
[0008]还已知一种系统,其适于将还原剂供应到旁路通道中,该旁路通道将涡轮增压器的涡轮的上游的排气通道与涡轮的下游的排气通道连接(参见专利文献4)。
[0009]还已知一种系统,其适于将尿素水溶液供应到涡轮增压器的涡轮的上游的排气通道中(参见专利文献5)。
[0010]引用列表
[0011]专利文献
[0012]专利文献1:日本专利申请公开第2006-017043号
[0013]专利文献2:日本专利申请公开第2013-160128号
[0014]专利文献3:日本专利申请公开第2013-124555号
[0015]专利文献4:日本专利申请公开第2013-007335号
[0016]专利文献5:日本专利申请公开第2011-127471号

【发明内容】

[0017]技术问题
[0018]在专利文献I所描述的系统中,有必要额外地提供热板和用于热板的驱动单元,这可能导致排气系统的结构的复杂性以及功耗的增加。
[0019]在专利文献2和4所描述的系统中,流入涡轮的排气的量的下降可导致涡轮增压器的增压效果不充分。
[0020]在专利文献3所描述的系统中,有必要将蒸发器容纳在排气歧管中,这会导致排气歧管的尺寸的增加。而且,有必要设置用于将来自压缩机的下游的进气通道的进气引导至排气歧管中的蒸发器的通道,这会导致管道的复杂性。出于这个原因,具有小容纳空间的车辆可能不会采用这种系统。
[0021]在专利文献5所描述的系统中,有必要在涡轮的上游的位置处设置尿素水溶液供应单元。因此,尿素水溶液供应单元暴露至高温下,这可能导致尿素水溶液供应单元的耐久性变差。
[0022]考虑到上述情况而进行了本发明,并且其目的是在设置有将尿素水溶液等添加至排气的添加装置的排气系统结构中,通过简单措施来防止或减少尿素的沉积。
[0023]问题的解决方案
[0024]为了解决上述问题,在配备有将尿素水溶液等添加到排气的添加装置的根据本发明的排气系统结构中,利用从排气系统的附接有添加装置的位置的上游处布置的部件散发的热能来加热通过添加装置所添加的尿素水溶液所冲击的部分。
[0025]具体而言,根据本发明,提供了一种用于内燃机的排气系统结构,包括:
[0026]排气管,其连接至内燃机;以及
[0027]添加装置,其位于所述排气管的中途(midway)来将尿素水溶液添加至在所述排气管中流动的排气,
[0028]其中,所述排气管的通过所述添加装置所添加的尿素水溶液所冲击到的部分设置有热接收部,所述热接收部接收从排气系统的布置在所述部分的上游的部件的外壁所散发的热。
[0029]在上述结构中,热接收部接收从排气系统的布置在热接收部的上游的部件的外壁散发的热。而且,由热接收部所接收的热来加热该排气管的通过添加阀添加的尿素水溶液所冲击到的部分。
[0030]排气管接收在排气管中流动的排气的热,并且还接收通过排气管的壁从排气管的上游部传递至下游部的热。排气管从排气接收的热量在沿排气的流动方向的下游部比上游部小。而且,由于通过排气管的壁传递的热部分地从排气管的外壁散发到大气中,因此通过排气管的壁传递的热量在沿排气的流动方向的下游部比上游部小。
[0031]因此,排气管的壁的温度在沿排气的流动方向的下游部比在上游部低。因此,从排气系统的布置在上游的部件的外壁散发的热量比从排气系统的布置在下游的部件的外壁散发的热量大。
[0032]当排气管的尿素水溶液所冲击的部分(下文将称为“冲击部”)设置有热接收部时,冲击部除了被从在排气管中流动的排气接收的热以及通过排气管的壁传递的热加热以外,冲击部还被热接收部从排气系统的上游部件接收的热来加热。
[0033]结果,冲击部的温度升高以防止或减少尿素在冲击部上的沉积。即使在通过添加装置添加大量尿素水溶液的情况下,也会防止或减少冲击部的温度的降低,因为冲击部被热接收部所接收的热所加热。因此,即使在通过添加装置添加了大量尿素水溶液的情况下,也可以防止或减少尿素在冲击部上的沉积。由于根据本发明的排气系统结构利用了从排气系统的布置在上游的部件散发的废热,因此没有必要额外地设置电加热器等。
[0034]本发明的热接收部可以布置成与排气系统的布置在热接收部的上游的部件的外壁相接触。具体而言,排气管可以以热接收部与排气系统的上游部件相接触的方式来布置。在这种情况下,由于从排气系统的上游部件散发的热直接传递至热接收部,因此可以更可靠地升高冲击部的温度。此外,排气系统的部件可以紧凑地布置。这提供了另一优势:该系统可以安装在具有小安装空间的车辆的发动机舱中。
[0035]可以存在如下情况:由于有限的安装空间等,难以使热接收部与排气系统的上游部件的外壁彼此接触。在这种情况下,热接收部和排气系统的上游部件的外壁可以通过传热构件来连接。在这种情况下,排气系统的上游部件的热通过传热构件传递至热接收部。
[0036]在本发明中,排气系统的布置在所述热接收部的上游的部件可以是排气歧管或涡轮增压器的涡轮壳。由于排气歧管紧邻内燃机的下游布置,因此排气歧管散发了最大量的热。由于涡轮壳紧邻排气歧管的下游布置,因此涡轮壳也散发了大量的热。因此,如果热接收部接收从排气歧管或涡轮壳散发的热,则热接收部可以接收大量的热从而可以升高冲击部的温度。
[0037]根据本发明,用于内燃机的排气系统结构包括排气管和添加装置,其中该排气管连接至内燃机,该添加装置位于排气管的中途以将尿素水溶液添加至在排气管中流动的排气中,在所述排气系统结构中,所述排气管的通过所述添加装置所添加的尿素水溶液所冲击到的部分可以设置有具有比其他部分高的热容量的蓄热部。
[0038]在该结构中,排气管的通过添加装置所添加的尿素水溶液所冲击到的部分(冲击部)具有比其他部分大的热容量。这在尿素水溶液冲击在冲击部上时,使冲击部的温度的下降更小。因此,即使通过添加装置添加了大量尿素水溶液,冲击部的温度的下降也小,且尿素不太可能沉积在冲击部上。
[0039]如果冲击部的热容量大,则可能存在以下担忧:例如,当内燃机冷起动时,难以升高冲击部的温度。然而,当布置在冲击部的下游的排气净化设备(例如,SCR(选择性催化还原)催化剂)还没有变得有活性时,不通过添加装置来添加尿素水溶液。在SCR催化剂变得有活性时,冲击部的温度已变得足够高,从而在开始通过添加装置添加尿素水溶液时,尿素不太可能沉积在冲击部上。
[0040]使冲击部的热容量大的方法可以是使排气管的厚度在冲击部中比在其他部分中大,或在冲击部中采用具有比制成其他部分的材料高的热容量的材料。
[0041]本发明的有益效果
[0042]根据本发明,可以在设置有将尿素水溶液等添加至排气的添加装置的排气系统结构中,通过简单措施来防止或减少尿素的沉积。
【附图说明】
[0043]图1为示出了根据第一实施例的用于内燃机的排气系统结构的示意图。
[0044]图2为示出了根据第一实施例的用于内燃机的排气系统结构的变形例的示意图。
[0045]图3为示出了根据第一实施例的用于内燃机的排气系统结构的变形例的示意图。
[0046]图4为示出了根据第一实施例的用于内燃机的排气系统结构的变形例的示意图。
[0047]图5为示出了根据第一实施例的用于内燃机的排气系统结构的变形例的示意图。
[0048]图6为示出了根据第一实施例的用于内燃机的排气系统结构的变形例的示意图。
[0049]图7为示出了根据第二实施例的用于内燃机的排气系统结构的示意图。
[0050]图8为示出了通过添加阀注入的尿素水溶液的量与冲击部的壁表面的温度之间的关系的曲线图。
[0051]图9为示出了根据第二实施例的用于内燃机的排气系统结构的变形例的示意图。
【具体实施方式】
[0052]在下文中,将参照附图来描述本发明的具体实施例。除非特别说明,否则将要结合实施例描述的部件的尺寸、材料、形状、相对布置以及其他特征并非意在将本发明的技术范围限制于此。
[0053]实施例1
[0054]首先,将参照图1至图6来描述本发明的第一实施例。图1是示出了根据本发明的用于内燃机的排气系统结构的示意图。
[0055]图1示出的内燃机I是具有多个气缸的压燃式内燃机1(柴油机)。内燃机I可以是在稀燃状态下运行的火花点火式内燃机(汽油机)。
[0056]内燃机I与排气歧管3连接。排气歧管3包括已燃烧气体(排气)从内燃机I的气缸2排出所经过的多个支管,以及与支管会合成的会合部。
[0057]排气歧管3的会合部连接至涡轮壳40的入口,该涡轮壳为涡轮增压器4的部件。涡轮壳40的出口连接至排气管5。第一催化剂罩6位于排气管5的中途。
[0058]第一催化剂罩6是一种将颗粒过滤器和氧化催化剂容纳其中的圆柱形罩。氧化催化剂可以布置在颗粒过滤器的上游或者支撑在颗粒过滤器上。第一催化剂罩6中所容纳的可以是三元催化剂或存储还原催化剂而非氧化催化剂。
[0059]第一催化剂罩6的下游的排气管5设置有第二催化剂罩7。第二催化剂罩7是一种将选择性催化还原催化剂(SCR催化剂)、氧化催化剂等容纳其中的圆柱形罩。在第二催化剂罩7中所容纳的可以是其上支撑有SCR催化剂的颗粒过滤器。在这种情况下,氧化催化剂可以设置在第一催化剂罩6中。可替代的,第一催化剂罩6可以被去除,且氧化催化剂可以设置在第二催化剂罩7中。
[0060]添加阀8附接至第一催化剂罩6和第二催化剂罩7之间的排气管5。添加阀8是一种用以将尿素水溶液添加到在排气管5中流动的排气的阀门单元,且对应于根据本发明的添加装置。尿素水溶液通过添加阀8的添加由电子控制单元(ECU,未示出)来控制。
[0061]在如上所述的用于内燃机I的排气系统结构中,通过添加阀8添加至排气的尿素水溶液随排气流入第二催化剂罩7中。然后,尿素水溶液从待分解的排气接收热,或者尿素水溶液由第二催化剂罩7中的SCR催化剂来水解。尿素水溶液的热分解或水解生成了氨(NH3)。由此生成的NH3由SCR催化剂来吸附或存储。吸附或存储在SCR催化剂中的NH3与排气中包含的氮氧化物(NOx)反应而生成氮(N2)和水(H2O)。因而,NH3充当NOx的还原剂。
[0062]存在通过添加阀8添加的尿素水溶液可附着至排气管5的内表面的可能性。然后,随着尿素水溶液中的水成分蒸发,尿素析出。当暴露至大约200摄氏度到300摄氏度的范围内的高温时,从尿素水溶液析出的尿素被从排气管5的内表面去除。然而,当排气管5的壁表面处于大约140摄氏度的低温时,存在从尿素水溶液析出的尿素可沉积在排气管5的内表面上的可能性。
[0063]作为对此的对策,如图1所示,根据本实施例的用于内燃机的排气系统结构设置有热接收部50,其设置在排气管5的通过添加阀8添加(或注入)的尿素水溶液所冲击到的部分(冲击部)上。热接收部50接收从上述部分的排气系统上游的部件的外壁散发的热。具体而言,排气管5以排气管5的冲击部的外壁与排气歧管3的外壁接触的方式布置。而且,添加阀8以尿素水溶液朝排气管5的与排气歧管3的外壁接触的那部分的内表面注入的方式附接至排气管5。
[0064]排气管5接收在排气管5中流动的排气的热,并且还接收通过排气管5的壁从排气管5的上游部向下游部传递的热。排气管5从排气接收的热量在关于排气的流动的上游部比在下游部大。由于通过排气管5的壁传递的热部分地从排气管5的外壁散发到大气中,因此通过排气管5的壁传递的热量在关于排气的流动的上游部比在下游部大。
[0065]因此,排气管5的壁的温度在关于排气的流动的上游部比在下游高。结果,从排气系统的布置在上游的部件的外壁散发的热量大于从排气系统的布置在下游的部件的外壁散发的热量。尤其地,布置在内燃机I的排气系统中的最上游的排气歧管3除了接收排气的热外,还接收内燃机I的热。结果,排气歧管3的温度显著地高于上述冲击部的温度。
[0066]如果热接收部50设置在上述冲击部上,则冲击部除了被从在排气管5中流动的排气接收的热以及通过排气管5的壁传递的热加热之外,冲击部还被由热接收部从排气歧管3接收的热来加热。
[0067]结果,冲击部的温度升高,从而防止了尿素在冲击部上沉积。而且,即使在通过添加阀8添加大量尿素水溶液的情况下,也防止了冲击部的温度的降低,因为冲击部被由热接收部50接收的热来加热。因此,即使在通过添加阀8来添加大量尿素溶液的情况下,也防止了尿素在冲击部上沉积。
[0068]在如上所述的本实施例的用于内燃机的排气系统结构中,由于利用从排气系统的布置在冲击部的上游的部件散发的废热来加热冲击部,因此无需提供电加热器等,从而可以通过简单结构防止尿素的沉积。
[0069]在上述图1所示的示意性情况下,第一催化剂罩6和第二催化剂罩7以第一催化剂罩6中的排气的流动方向和第二催化剂罩7中的排气的流动方向相同的方式来布置。然而,根据本发明的用于内燃机的排气系统不限于图1所示的布置。
[0070]例如,如图2和图3所示,在流出第一催化剂罩6的排气在转向180度之后流入第二催化剂罩7的结构中,位于第一催化剂罩6和第二催化剂罩7之间的排气管5的外壁的一部分也可以布置成与排气歧管3的外壁接触,且添加阀8可以以朝排气管5在该接触部处的内表面注入尿素水溶液的方式附接至排气管5。
[0071]此外,如图4所示,在流出第一催化剂罩6的排气在转向90度之后流入第二催化剂罩7中的结构中,位于第一催化剂罩6和第二催化剂罩7之间的排气管5的外壁的一部分可以布置成与排气歧管3的外壁接触,且添加阀8可以以朝排气管5在该接触部处的内表面来注入尿素水溶液的方式附接至排气管5。
[0072]如果由于有限的安装空间或其他原因而难以使排气管5的外壁与排气歧管3的外壁彼此接触,则位于第一催化剂罩6和第二催化剂罩7之间的排气管5的外壁的一部分可以与涡轮壳40的外壁接触,且添加阀8可以以朝排气管5在该接触部处的内表面来注入尿素水溶液的方式附接至排气管5。
[0073]可替代地,如图6所示,位于第一催化剂罩6和第二催化剂罩7之间的排气管5的外壁的一部分与排气歧管3的外壁可以通过由具有高导热性的材料制成的支撑构件(或支柱)51来连接或桥接,且添加阀8可以以朝排气管5在该连接部处的内表面来注入尿素水溶液的方式附接至排气管5。上述支撑构件51可以将位于第一催化剂罩6和第二催化剂罩7之间的排气管5的外壁的一部分与涡轮壳40的外壁连接。对于将位于第一催化剂罩6和第二催化剂罩7之间的排气管5的外壁的一部分与排气歧管3(或涡轮壳40)的外壁连接的构件而言,重要的是其具有传热功能,而其不必具有支撑功能。
[0074]对于上述各种结构,可以利用从排气系统的布置在冲击部的上游的部件(诸如排气歧管3和涡轮壳40)的外壁散发的废热,来升高冲击部的温度。结果,可以在不额外地提供电加热器等的情况下,防止尿素在冲击部上的沉积的发生。
[0075]〈实施例2>
[0076]下面,将参照图7至图9来描述本发明的第二实施例。在下文中,将描述与第一实施例中的特征不同的特征,并且相似的特征将不进行描述。
[0077]在第一实施例中,已经描述了热接收部设置在排气管5的通过添加阀8所注入的尿素水溶液所冲击到的部分上的情况。在本实施例中,将描述蓄热部设置在该冲击部上的情况。
[0078]图7是示出了本实施例中的用于内燃机的排气系统结构的示意图。在图7中,与上述第一实施例中的部件相同的部件通过相同的参考标号来标记。在图7示出的排气系统结构中,蓄热部52设置在排气管5的通过添加阀8所注入的尿素水溶液所冲击到的部分上。
[0079]蓄热部52适于具有大于排气管5的其他部分的热容量。具体而言,排气管5的壁厚在蓄热部52中比在其他部分中大。可替代地,蓄热部52由具有比制成排气管5的材料大的热容量的材料制成。
[0080]如果通过添加阀8注入了相对大量的尿素水溶液,则冲击在冲击部上的尿素水溶液的量变大。随着冲击在冲击部上的尿素水溶液的量增大,从冲击部传递到尿素水溶液的热量增大,这导致冲击部的温度下降。
[0081]图8示出了通过添加阀8注入的尿素水溶液的量与冲击部的壁表面的温度之间的关系。如图8所示,随着通过添加阀8注入的尿素水溶液的量增大,冲击部的壁表面的温度趋于降低。因此,当通过添加阀8注入的尿素水溶液的量变大时,存在冲击部的壁表面的温度可降低至以下温度范围的可能性:在该温度范围下,从尿素水溶液析出的尿素不能被完全去除。
[0082]作为对此的对策,本实施例的用于内燃机的排气系统结构在冲击部上设置有蓄热部52,通过该蓄热部,即使当大量尿素水溶液冲击在冲击部上时,也防止了冲击部的壁表面的温度大大地降低。结果,可以防止尿素从尿素水溶液析出以及已析出的尿素在冲击部上的沉积。
[0083]可能存在以下担忧:例如,当内燃机I冷起动时,设置在冲击部上的蓄热部52使得冲击部的温度难以升高。然而,直到布置在冲击部的下游的SCR催化剂变得有活性,才通过添加阀8注入尿素水溶液。在SCR催化剂变得有活性时,冲击部的温度已经变得足够高,从而在开始通过添加阀8来添加尿素水溶液时,尿素不太可能沉积在冲击部上。
[0084]第一实施例中的热接收部和本实施例中的蓄热部可被结合使用。例如,如图9所示,该系统可以以如下方式布置:排气管5的通过添加阀8所注入的尿素水溶液所冲击到的部分的外壁布置成与排气歧管3的外壁接触,且排气管5的热容量在该接触部中比在其他部分中大。如果是这种情况,则随着通过添加阀8注入大量尿素水溶液,冲击部的温度的下降变得更小。结果,可以更可靠地防止尿素在冲击部上的沉积。
[0085]参考标记列表
[0086]1:内燃机
[0087]2:气缸
[0088]3:排气歧管
[0089]4:涡轮增压器
[0090]5:排气管
[0091]6:第一催化剂罩
[0092]7:第二催化剂罩
[0093]8:添加阀
[0094]40:涡轮壳
[0095]50:热接收部
[0096]52:蓄热部
【主权项】
1.一种用于内燃机的排气系统结构,包括: 排气管,其连接至所述内燃机;以及 添加装置,其位于所述排气管的中途以将尿素水溶液添加至在所述排气管中流动的排气中, 其特征在于,所述排气管的通过所述添加装置所添加的尿素水溶液所冲击到的部分设置有热接收部,所述热接收部接收从所述排气系统的布置在所述部分的上游的部件的外壁所散发的热。2.根据权利要求1所述的用于内燃机的排气系统结构,其特征在于,所述热接收部与所述排气系统的布置在所述热接收部的上游的所述部件的所述外壁相接触。3.根据权利要求1所述的用于内燃机的排气系统结构,其特征在于,所述热接收部通过传热构件与所述排气系统的布置在所述热接收部的上游的所述部件的所述外壁连接。4.根据权利要求1至3中的任一项所述的用于内燃机的排气系统结构,其特征在于,所述排气系统的布置在所述热接收部的上游的所述部件为排气歧管。5.根据权利要求1至3中的任一项所述的用于内燃机的排气系统结构,其特征在于,所述排气系统的布置在所述热接收部的上游的所述部件为涡轮增压器的涡轮壳。6.—种用于内燃机的排气系统结构,包括: 排气管,其连接至所述内燃机;以及 添加装置,其位于所述排气管的中途以将尿素水溶液添加至在所述排气管中流动的排气中, 其特征在于,所述排气管的通过所述添加装置所添加的尿素水溶液所冲击到的部分设置有具有比其他部分大的热容量的蓄热部。
【文档编号】F01N3/20GK105940194SQ201580005373
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2015年1月28日
【发明人】佐藤正明, 浅浦慎也
【申请人】丰田自动车株式会社
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