УСТРОЙСТВО ОЧИСТКИ ОТРАБОТАННЫХ ГАЗОВ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
DEVICE FOR PURIFICATION OF EXHAUST GASES OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройству очистки отработанных газов для двигателя внутреннего сгорания, выполненному с возможностью впрыска добавки, подаваемой в катализатор.
Уровень техники
Для очистки отработанных газов автомобилей (транспортных средств) с дизельным двигателем используются устройства очистки отработанных газов с использованием катализатора-уловителя окисей азота, катализатора избирательного восстановления окисей азота, фильтр очистки от микрочастиц (фильтр очистки от дизельных микрочастиц) и/или подобные в комбинации для предотвращения выброса в атмосферу окисей азота и твердых частиц в отработанных газах дизельного двигателя.
Для таких устройств очистки отработанных газов все шире принимают конфигурацию, в которой катализатор, называемый предварительным катализатором, такой как катализатор окисления или катализатор-восстановитель окисей азота (катализатор-уловитель окисей азота или катализатор избирательного восстановления окисей азота), расположен в выпускном канале для выведения отработанных газов, выпускаемых из двигателя наружу, и клапан добавки топлива (клапан добавки восстанавливающего агента) для впрыска топлива в качестве добавки, требуемой для реакции, проводимой катализатором, расположен перед катализатором, например катализатором окисления.
В таких устройствах очистки отработанных газов, для увеличения эффективности очистки в холодном состоянии двигателя, предварительный катализатор расположен вблизи выпускной стороны двигателя.
Однако пространство в двигательном отсеке ограничено. Таким образом, как показано, например, в Патентном бюллетене (опубликованном патенте Японии № 2005-127260), существует тенденция использовать выпускной канал, включающий изгиб, например L-образный изгиб, позволяющий располагать предварительный катализатор непосредственно после изгиба и впрыскивать топливо снаружи от изгиба к входному концу катализатора, расположенному непосредственно после изгиба.
Однако в этой конфигурации поток топлива, впрыскиваемого снаружи от изгиба к катализатору, сливается с отработанными газами, проходящими изгиб, таким образом, изгибаясь так, что поток топлива имеет тенденцию постоянного отталкивания изнутри наружу изгиба отработанными газами, проходящими изгиб.
Таким образом, при работе с высокой нагрузкой двигателя с увеличенным объемом потока и скоростью отработанных газов отработанные газы отталкивают поток впрыскиваемого топлива от внутренней части изгиба с увеличенной силой таким образом, что поток топлива отклоняется от заданного положения на входном конце катализатора, например, от центра к стороне катализатора, соответствующей внешней стороне изгиба. При работе двигателя с низкой нагрузкой с уменьшенным объемом потока и скоростью отработанных газов, напротив, отработанные газы отталкивают поток впрыскиваемого топлива с уменьшенной силой таким образом, что поток топлива отклоняется к противоположной стороне катализатора. Такое отклонение потока топлива непосредственно отражается на рабочем состоянии двигателя и имеет тенденцию становиться чрезмерно большим.
Это приводит к проблеме, заключающейся в том, что топливо, требуемое для реакции, не может поставляться к предварительному катализатору в требуемом направлении таким образом, что каталитический преобразователь с использованием предварительного катализатора не в состоянии показать удовлетворительные характеристики.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение было осуществлено с учетом указанных выше проблем. Главной его задачей является создание устройства очистки отработанных газов для двигателя внутреннего сгорания, способного предотвращать чрезмерное отклонение потока впрыскиваемой добавки.
Устройство очистки отработанных газов двигателя внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению содержит выпускной канал, содержащий катализатор, изгиб, сформированный посредством изгибания части выпускного канала непосредственно перед катализатором и предназначенный для направления отработанных газов, выпускаемых из двигателя внутреннего сгорания, к угловой части между входной торцевой поверхностью катализатора и частью стенки выпускного канала, которая следует наружу от изгиба, при этом в ходе работы двигателя отработанные газы сталкиваются с угловой частью, увеличивая в ней давление, и клапан впрыска добавки, установленный снаружи от изгиба, причем впрыск добавки осуществляется непосредственно над угловой частью таким образом, что поток добавки отклоняется от оси катализатора к стороне, противоположной стороне, к которой отклоняется поток отработанных газов.
Когда поток отработанных газов в выпускном канале имеет увеличенную скорость, таким образом, толкая поток впрыскиваемой добавки от внутренней части изгиба с увеличенной силой, возникает тенденция отклонения потока впрыскиваемой добавки. Однако в угловой части между торцевой входной поверхностью и частью стенки, следующей за внешней стороной изгиба, создается увеличенное давление, и это увеличенное давление воздействует на впрыскиваемый поток добавки от внешней стороны изгиба, сдерживая его отклонение. Таким образом, избыточное отклонение впрыскиваемого потока добавки может предотвращаться. Это позволяет подавать добавку к катализатору в требуемом направлении. Следовательно, катализатор может демонстрировать удовлетворительные характеристики.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения клапан впрыска добавки впрыскивает добавку таким образом, что впрыскиваемая добавка проходит непосредственно над угловой частью под углом и падает на входную торцевую поверхность. Эта конфигурация обеспечивает то, что впрыскиваемый поток добавки проходит через область, где давление, созданное в угловой части, эффективно воздействует на впрыскиваемый поток добавки. Другими словами, эта конфигурация позволяет наиболее эффективно применять силу сдерживания отклонения.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения применен канал впрыска добавки, который имеет ближний конец, соединенный с внешней стороной изгиба выпускного канала, и проходит от ближнего конца в направлении, противоположном направлению впрыска добавки, и клапан добавления добавки, расположенный на дальнем конце канала впрыска добавки. В этой конфигурации канал добавления добавки не обращен непосредственно к потоку отработанных газов в выпускном канале, будучи, таким образом, защищенным от тепла. Кроме того, эта конфигурация допускает расположение клапана добавления добавки на большом расстоянии от входной торцевой поверхности катализатора, что приводит к падению распыленной добавки на входную торцевую поверхность с импульсом, уменьшенным для ограничения проникновения.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения катализатор расположен в пространстве, предусмотренном непосредственно под изгибом.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения выпускной канал содержит между изгибом и входной торцевой поверхностью расширенную часть, площадь проходного сечения которой постепенно увеличивается от изгиба к входной торцевой поверхности. В этой конфигурации расширенная часть содействует увеличению давления в угловой части, таким образом допуская увеличение силы, сдерживающей отклонение впрыскиваемого потока добавки. Кроме того, расширенная часть уменьшает скорость потока отработанных газов, таким образом, облегчая слияние добавки и отработанных газов.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения клапан впрыска добавки расположен на удалении от потока отработавших газов в изгибе.
Дополнительный объем применения настоящего изобретения станет очевидным из подробного описания, приведенного далее. Однако следует понимать, что подробное описание и конкретные примеры, при указании на предпочтительный вариант осуществления изобретения, приведены только для иллюстрации, поскольку различные модификации и изменения в пределах сущности и объема изобретения станут очевидными для специалистов в данной области техники при ознакомлении с этим подробным описанием.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение станет более полно понятым при ознакомлении с нижеследующим подробным описанием и прилагаемыми чертежами, которые приведены только для иллюстрации и, таким образом, не вносят ограничений в настоящее изобретение, и на которых:
фиг.1 представляет собой вид сбоку, показывающий целиком устройство очистки отработанных газов согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.2 представляет собой вертикальный вид в сечении для пояснения состояния двигателя при работе с низкой нагрузкой; и
фиг.3 представляет собой вертикальный вид в сечении для пояснения состояния двигателя при работе с высокой нагрузкой.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Настоящее изобретение будет пояснено на основе варианта конструкции, показанного на фиг.1-3.
На фиг.1 показана система выпуска дизельного двигателя. На фиг.1 ссылочной позицией 1 обозначен корпус дизельного двигателя, ссылочной позицией 1а обозначен выпускной коллектор (показан только частично), соединенный с корпусом 1 двигателя, и ссылочной позицией 2 обозначен нагнетатель, например турбокомпрессор, соединенный с выходом 1а выпускного коллектора.
В выпускном отверстии турбокомпрессора 2 расположено устройство 3 очистки отработанных газов. Устройство 3 очистки отработанных газов, например, представляет собой устройство, составленное комбинацией системы 3а удаления окисей азота, предназначенной для адсорбции окисей азота, содержащихся в отработанных газах, и периодического восстановления адсорбируемых окисей азота, таким образом, для удаления окиси азота и системы 3b улавливания твердых частиц, предназначенной для улавливания твердых частиц.
Система 3а удаления окисей азота, например, составлена из комбинации каталитического преобразователя 6, имеющего катализатор 5 окисления, служащий предварительным катализатором, соединенный с выпускным отверстием турбокомпрессора 2 и проходящий от него вниз, каталитического преобразователя 9, имеющего катализатор-уловитель 8 окисей азота, присоединенный после каталитического преобразователя 6 и отступающий в боковом направлении, и клапана 23, служащего клапаном впрыска добавки, подающим топливо (добавку) в катализатор 5 окисления для катализированной реакции, которая будет описана ниже. Система 3b улавливания состоит из включающего фильтр 11 очистки от микрочастиц, который соединен с каталитическим преобразователем 9. Эти каталитические преобразователи 6, 9, 12, части 13, соединяющие каталитические преобразователи друг с другом и т.д., составляют выпускной канал 15 для выведения отработанных газов, выпускаемых из корпуса 1 дизельного двигателя, наружу.
Вертикальный цилиндрический корпус 17, вмещающий каталитический преобразователь 6, имеющий катализатор 5 окисления, имеет верхнюю часть, имеющую приблизительно L-образную форму, где вход 17а, соединенный с турбокомпрессором 2, расположенным в более высоком положении, обращен почти в боковом направлении, в то время как выход 17b, соединенный с каталитическим преобразователем 9, обращен вниз. Корпус 17 образует L-образный изгиб 15а выпускного канала 15 непосредственно после выпускной стороны дизельного двигателя. Непосредственно под изгибом 15а подготовлено пространство для каталитического преобразователя, в котором расположен каталитический преобразователь, имеющий катализатор 5 окисления.
Клапан 23 добавления добавки расположен непосредственно над катализатором 5 окисления, например, прикреплен к стенке изгиба 15а на внешней стороне изгиба, для впрыска топлива в катализатор 5 окисления для катализированной реакции. Клапан 23 добавления добавки имеет на дальнем конце часть для впрыска топлива, через которую впрыскивается топливо. Клапан 23 добавления добавки прикреплен к крепежному фланцу 24а, расположенному на дальнем конце цилиндрического элемента 24, ответвленного от изгиба 15а на внешней стороне изгиба, при помощи основы 25. Часть для впрыска топлива на дальнем конце клапана 23 добавки топлива обращена внутрь цилиндрического элемента 24, служащего каналом 24b для впрыска топлива. Цилиндрический элемент 24 имеет ближний конец, соединенный с внешней стороной изгиба 15а выпускного канала 15, и проходит от ближнего конца в направлении, противоположном направлению потока α впрыскиваемого топлива, который будет описан ниже. Это позволяет располагать клапан 23 добавления топлива на удалении от потока отработанных газов в изгибе 15а, таким образом, предотвращая прямое воздействие на часть для впрыска топлива высокотемпературного потока отработанных газов, таким образом, предотвращая превышение допустимого температурного предела клапана 23 добавки топлива или повышения до температур, создающих тенденцию образования отложений. Для содействия предотвращению перегрева в основе 25 выполнен охлаждающий канал 25а для охлаждения клапана добавления топлива при помощи хладагента.
Как обозначено стрелками β на фиг.1, изгиб 15а выпускного канала 15 изогнут так, что он направляет отработанные газы от входа 17а к угловой части А между торцевой входной поверхностью 5а каталитического преобразователя, имеющего катализатор 5 окисления, и частью стенки 15b, следующей за внешней стороной изгиба 15а (то есть той частью стенки выпускного канала, которая следует за внешней стороной изгиба). В ходе работы дизельного двигателя такое искривление заставляет отработанные газы сталкиваться с угловой частью А, таким образом создавая более высокое давление в угловой части А по сравнению с другой частью входной торцевой поверхности 5а.
Клапан 23 добавления добавки расположен так, чтобы впрыскивать топливо от внешней стороны изгиба 15а таким образом, что впрыскиваемое топливо проходит непосредственно над угловой частью А и падает в заданном положении на входную торцевую поверхность 5а катализатора 5 окисления, например в центр входной торцевой поверхности 5а. В частности, ориентация клапана 23 впрыска топлива задана так, что поток α впрыскиваемого топлива проходит непосредственно над угловой частью А под углом. Более конкретно, поток α впрыскиваемого топлива отклоняется от оси (не показана) катализатора 5 к стороне, противоположной стороне, к которой отклоняется поток β отработанных газов. Это позволяет давлению, созданному в угловой части, воздействовать на поток α впрыскиваемого топлива как сила, толкающая его от внешней стороны изгиба 15а, а именно сила, противодействующая силе, толкающей поток α впрыскиваемого топлива от внутренней части изгиба 15а и вызывающей отклонение потока α впрыскиваемого топлива.
Площадь проходного сечения части выпускного канала между изгибом 15а и торцевой входной поверхностью 5а катализатора 5 постепенно увеличивается от выхода изгиба 15а к входной торцевой поверхности 5а, образуя расширенную часть 26 с увеличенной площадью проходного сечения перед катализатором 5 окисления. Расширенная часть 26 облегчает создание давления, воздействующего на поток α впрыскиваемого топлива. Само собой разумеется, расширенная часть 26 также имеет функцию уменьшения скорости потока отработанных газов, таким образом облегчая слияние топлива и отработанных газов.
Топливо, впрыскиваемое клапаном 23 добавления топлива, используется для генерирования восстановителя реакцией катализатора 5 окисления для уменьшения количества и удаления окисей азота и окисей серы, адсорбируемых катализатором-уловителем 8 окисей азота, и для сжигания и удаления твердых частиц, захваченных фильтром 11 очистки от микрочастиц, теплом, полученным подобным образом реакцией катализатора 5 окисления. Таким образом, в ходе работы дизельного двигателя клапан 23 добавления топлива управляется управляющим устройством, управляющим дизельным двигателем, например электронным управляющим устройством (не показано), для впрыска топлива, когда требуется катализированная реакция для удаления окисей азота и окисей серы посредством восстановления, сжигания твердых частиц и т.п.
Далее на основании фиг.1-3 будет описана работа устройства 3 очистки отработанных газов, выполненного как описано выше.
Как показано на фиг.1, в ходе работы дизельного двигателя отработанные газы, выпускаемые из дизельного двигателя, испускаются в окружающий воздух после прохождения через выпускной коллектор 1а, турбокомпрессор 2, корпус 17, каталитический преобразователь, имеющий катализатор 5 окисления, каталитический преобразователь, имеющий катализатор-уловитель 8 окисей азота, и фильтр 11 очистки от микрочастиц.
Окиси азота, содержащиеся в отработанных газах, адсорбируются на катализаторе-уловителе 8 окисей азота, в то время как твердые частицы, содержащиеся в отработанных газах, захватываются фильтром 11 очистки от микрочастиц.
Предположим, что удаление адсорбированных окисей азота и/или захваченных твердых частиц становится необходимым, и клапан 23 добавления топлива работает.
Как показано на фиг.1 и 2, топливо, требуемое для удаления окисей азота и твердых частиц, впрыскивается из части для впрыска топлива клапана 23 добавки топлива в канал 24b для впрыска топлива к центру входной торцевой поверхности 5а катализатора 5 окисления. Ссылочной позицией α обозначен поток впрыскиваемого топлива.
Как показано на фиг.2 и 3, поток α впрыскиваемого топлива отталкивается в боковом направлении, а именно отталкивается от внутренней части изгиба 15а потоком β отработанных газов, ходящих через изгиб 15а.
Сила, с которой поток β отработанных газов отталкивает поток α впрыскиваемого топлива, невелика, когда дизельный двигатель работает с малой нагрузкой с малым объемом потока и скоростью отработанных газов, как показано на фиг.2, и большая, когда дизельный двигатель работает с высокой нагрузкой с увеличенным объемом потока и скоростью отработанных газов, как показано на фиг.3.
В ходе работы двигателя создается область S высокого давления в угловой части А и вблизи нее на стороне, соответствующей внешней стороне изгиба 15а, отработанными газами, сталкивающимися с угловой частью А после прохождения изгиба 15а.
Область S высокого давления изменяется в зависимости от рабочего состояния дизельного двигателя таким образом, что ее давление повышается с увеличением объема потока и скорости отработанных газов, как показано на фиг.3, и давление падает с уменьшением объема потока и скорости отработанных газов, как показано на фиг.2.
Здесь, поскольку поток α впрыскиваемого топлива проходит непосредственно над угловой частью А, давление, созданное в угловой части А, воздействует на поток α впрыскиваемого топлива от внешней стороны изгиба 15а.
Независимо от того, находится ли дизельный двигатель в состоянии работы с малой нагрузкой или работы с высокой нагрузкой, поток α впрыскиваемого топлива имеет тенденцию отклоняться, будучи отталкиваемым потоком β отработанных газов от внутренней части изгиба 15а. Однако давление, созданное в угловой части А, действует от внешней стороны изгиба 15а, толкая поток α впрыскиваемого топлива и, таким образом, сдерживая отклонение потока α впрыскиваемого топлива.
Таким образом, независимо от того, в каком рабочем состоянии находится дизельный двигатель, силы, эквивалентные по величине, воздействуют на поток α впрыскиваемого топлива от внутренней и внешней частей изгиба 15а таким образом, что избыточное отклонение предотвращается.
Таким образом, поток α впрыскиваемого топлива не демонстрирует чрезмерного отклонения или, другими словами, поток α впрыскиваемого топлива может поддерживаться почти в заданном направлении. Это приводит к равномерной подаче топлива к катализатору 5 окисления для реакций таким образом, что каталитический преобразователь с использованием катализатора 5 окисления может показывать удовлетворительные характеристики.
Кроме того, поток α впрыскиваемого топлива проходит непосредственно над угловой частью А под углом таким образом, что он эффективно принимает давление, созданное в угловой части А. Другими словами, он ориентирован так, что сдерживающая отклонение сила прилагается к потоку α впрыскиваемого топлива наиболее эффективно.
Это сдерживающее отклонение устройство пригодно и удобно в особенности для конфигурации, в которой клапан 23 добавления топлива расположен на удалении от потока отработанных газов, позволяя впрыскиваемому топливу пролетать достаточное расстояние, таким образом, вызывая падение топлива на входную торцевую поверхность 5а каталитического преобразователя, имеющего катализатор 5 окисления, с уменьшенным импульсом для ограничения проникновения.
Кроме того, применение части между выходом изгиба 15а и катализатором 5 окисления, как расширенной части 26 с постепенно расширяющейся площадью проходного сечения, помогает производить удовлетворительный эффект, облегчая создание силы, сдерживающей отклонение потока α впрыскиваемого топлива в угловой части.
Настоящее изобретение не ограничено описанным выше вариантом конструкции, но может быть модифицировано различными путями, не отступая от сущности и объема настоящего изобретения. Например, в описанном варианте конструкции настоящее изобретение применяется в устройстве очистки отработанных газов, в котором катализатор окисления расположен непосредственно после изгиба, и катализатор-уловитель окисей азота, и фильтр очистки от микрочастиц расположены после него. Настоящее изобретение, однако, не ограничено этим и может применяться с устройствами очистки отработанных газов, предназначенными для другой процедуры очистки, такими как устройство очистки отработанных газов, в котором катализатор-уловитель окисей азота расположен непосредственно после изгиба, фильтр очистки от микрочастиц расположен после него и клапан добавления расположен перед катализатором-уловителем окисей азота, или устройство очистки отработанных газов, в котором катализатор-уловитель окисей азота расположен непосредственно после изгиба, катализатор окисления и фильтр очистки от микрочастиц расположены после него, и клапан добавления расположен перед катализатором-уловителем окисей азота, или устройство очистки отработанных газов, в котором катализатор избирательного восстановления и фильтр очистки от микрочастиц расположены непосредственно после клапана впрыска добавки.
Кроме того, хотя в описанном варианте конструкции в качестве добавки ипользуется топливо, добавка может быть любым веществом, которое подают к катализатору. Например, добавка может быть восстановителем, таким как дизельное топливо, бензин, этанол, метиловый эфир, природный газ, пропан, мочевина, аммиак, водород или угарный газ, или веществом, не являющимся восстановителем, таким как воздух, азот или углекислый газ, используемым для охлаждения катализатора, или воздухом, или окисью церия, используемыми для содействия сжиганию сажи, захваченной фильтром очистки от микрочастиц.