УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ВЫХЛОПНОГО ГАЗА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE EXHAUST GAS CLEANING DEVICE

Область техники
Изобретение относится к устройству для очистки выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания.
Уровень техники
В устройстве очистки выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания, оборудованном дизельным сажевым фильтром (далее - «DPF»), устройством селективного каталитического восстановления DeNOx (далее - «устройство SCR») или катализатором накопления-восстановления NOx (далее - «катализатор NSR»), обычно устанавливают устройство подачи добавки, предназначенное для добавления восстановителя в выхлопной канал по потоку до DPF, устройства SCR или катализатора NSR с тем, чтобы выхлопной газ подвергался очистке в ходе реакции с этой добавкой, вводимой из устройства подачи добавки, в DPF, устройстве SCR или на катализаторе NSR. Для предотвращения проскока добавки через DPF, устройство SCR или катализатор NSR и для эффективного использования этой добавки является предпочтительным в значительной степени перемешивать добавку и выхлопной газ, чтобы рассредоточить ее по всему поперечному сечению выхлопного канала.
Следовательно, далее по потоку после устройства подачи добавки, но до DPF, устройства SCR или катализатора NSR предусматривается установка рассеивателя, перемешивающего добавку с выхлопным газом так, чтобы добавка была рассредоточена по всему поперечному сечению выхлопного канала. Однако установка рассеивателя приводит к потере давления в потоке выхлопного газа.
В публикации JP-А-2007-205308 описано устройство для очистки выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания путем подачи очищающей добавки выше по потоку относительно устройства очистки выхлопного газа, имеющегося в выхлопном канале двигателя, с целью очистки выхлопного газа от конкретных компонентов, при этом в выхлопном канале предусматривается наличие наклонного участка для постепенного уменьшения площади поперечного сечения выхлопного канала, а очищающую добавку вводят в радиальном направлении выхлопного канала через отверстие для ввода, расположенное вблизи центральной части выхлопного канала в том месте, где поток выхлопного газа сужается после прохождения наклонного участка, чтобы интенсифицировать рассредоточение очищающей добавки.
Сущность изобретения
В устройстве для очистки выхлопного газа, описанном в JP-А-2007-205308, очищающую добавку вводят на том участке, где скорость потока выхлопного газа становится максимальной, в точке вблизи центра выхлопного канала в радиальном направлении, так что можно предотвратить осаждение очищающей добавки на внутренних стенках выхлопного канала. Однако при такой конструкции, если скорость потока выхлопного газа является большой, вводимая очищающая добавка уносится выхлопным газом, перемещающимся около центра выхлопного канала, и эффективность ее рассредоточения может быть снижена.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение средства гомогенного рассредоточения в выхлопном газе добавки, подаваемой в данное устройство для очистки выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания.
В соответствии с настоящим изобретением, описанным в п.1 формулы изобретения, создано устройство для очистки выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания, в котором в выхлопном канале двигателя предусматривается наличие верхнего по потоку устройства для очистки выхлопного газа и нижнего по потоку устройства для очистки выхлопного газа, которые соединены друг с другом посредством выхлопной трубы, площадь поперечного сечения которой меньше, чем площадь поперечного сечения верхнего по потоку устройства для очистки выхлопного газа и площадь поперечного сечения нижнего по потоку устройства для очистки выхлопного газа, причем устройство для очистки выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания включает средство ввода, расположенное между верхним по потоку устройством для очистки выхлопного газа и нижним по потоку устройством для очистки выхлопного газа и предназначенное для ввода в выхлопной канал добавки, которая вступает в реакцию с конкретными компонентами выхлопного газа, и соединительную часть канала для соединения выходного отверстия катализатора в верхнем по потоку устройстве для очистки выхлопного газа с выхлопной трубой; при этом соединительная часть канала имеет такую форму, что центральная ось верхнего по потоку устройства для очистки выхлопного газа в направлении, в котором перемещается выхлопной газ, не совпадает с центральной осью выхлопной трубы в направлении, в котором перемещается выхлопной газ, средство ввода расположено в соединительной части канала так, что добавка поступает на поверхность противоположной стенки соединительной части канала, каковая добавка перемешивается с выхлопным газом.
То есть в конструкции настоящего изобретения по п.1, включающей верхнее по потоку устройство для очистки выхлопного газа на стадии, предшествующей DPF, устройству SCR или катализатору NSR, добавку подают в соединительную часть канала между катализатором и выхлопной трубой, которая расположена между катализатором верхнего по потоку устройства для очистки выхлопного газа предшествующей стадии и выхлопной трубой. А именно, добавку смешивают (вследствие чего она испаряется) с выхлопным газом, используя интенсивный завихряющийся поток, образующийся в соединительной части канала между катализатором и выхлопной трубой. Внутреннее пространство соединительной части канала имеет большую пропускную способность, чем выхлопная труба. Следовательно, при прохождении через соединительную часть канала между катализатором и выхлопной трубой интенсифицируется испарение добавки, которая эффективно перемешивается и испаряется благодаря интенсивному завихряющемуся потоку в соединительной части канала и эффекту сжатия трубой в месте соединения с выхлопной трубой.
В соответствии с настоящим изобретением, описанным в п.2 формулы изобретения, создано устройство для очистки выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания по п.1, в котором соединительная часть канала включает участок с постепенно уменьшающимся поперечным сечением относительно площади поперечного сечения выходного отверстия после катализатора в верхнем по потоку устройстве для очистки выхлопного газа.
То есть в настоящем изобретении по п.2 площадь поперечного сечения канала постепенно уменьшается после катализатора, описанного в п.1, по направлению к выхлопной трубе. В этом случае добавку подают в постепенно сужающийся канал так, чтобы она смешивалась с выхлопным газом и испарялась в интенсивном завихряющемся потоке, создаваемом в соединительной части канала между катализатором и выхлопной трубой, не вызывая потери давления выхлопного газа. В этом случае внутреннее пространство соединительной части канала между катализатором и выхлопной трубой также имеет большую пропускную способность, чем выхлопная труба. Следовательно, при прохождении через соединительную часть канала между катализатором и выхлопной трубой интенсифицируется испарение добавки, которая эффективно перемешивается и испаряется благодаря интенсивному завихряющемуся потоку в соединительной части канала и эффекту сжатия трубой в месте соединения с выхлопной трубой.
В соответствии с настоящим изобретением, описанным в п.3 формулы изобретения, создано устройство для очистки выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания, в котором верхнее по потоку устройство для очистки выхлопного газа и нижнее по потоку устройство для очистки выхлопного газа, имеющиеся в выхлопном канале двигателя, соединены друг с другом посредством выхлопной трубы, площадь поперечного сечения которой меньше, чем площадь поперечного сечения верхнего по потоку устройства для очистки выхлопного газа и площадь поперечного сечения нижнего по потоку устройства для очистки выхлопного газа, причем устройство для очистки выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания включает средство ввода, расположенное между верхним по потоку устройством для очистки выхлопного газа и нижним по потоку устройством для очистки выхлопного газа и предназначенное для ввода в выхлопной канал добавки, которая вступает в реакцию с конкретными компонентами выхлопного газа, и соединительную часть канала для соединения выходного отверстия катализатора в верхнем по потоку устройстве для очистки выхлопного газа с выхлопной трубой, каковая соединительная часть канала имеет такую форму, что центральная ось верхнего по потоку устройства для очистки выхлопного газа в направлении, в котором перемещается выхлопной газ, не совпадает с центральной осью выхлопной трубы в направлении, в котором перемещается выхлопной газ, а средство ввода расположено в соединительной части канала, при этом дополнительно предусмотрено наличие обводного канала, подходящего к соединительной части канала в обход верхнего по потоку устройства для очистки выхлопного газа, и средство ввода подает добавку в направлении места соединения соединительной части канала и обводного канала, и добавка смешивается с выхлопным газом.
То есть в настоящем изобретении по п.3 при наличии обводного канала, подходящего к соединительной части канала в обход верхнего по потоку устройства для очистки выхлопного газа, добавку вводят вблизи места соединения, она эффективно перемешивается с выхлопным газом благодаря интенсивному завихряющемуся потоку выхлопного газа, образующемуся при слиянии. Для предотвращения засорения средства ввода добавкой в форме сажи полезно вводить добавку вдоль направления, в котором обводной канальный поток поступает в соединительную часть канала.
В соответствии с настоящим изобретением, описанным в п.4 формулы изобретения, создано устройство для очистки выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания по любому из пп.1-3, в котором нижнее по потоку устройство для очистки выхлопного газа снабжено катализатором, осуществляющим селективное каталитическое восстановление путем добавления мочевины, а средство ввода осуществляет подачу добавки в направлении к нижней части катализатора верхнего по потоку устройства для очистки выхлопного газа так, что добавка ударяется о нижнюю часть катализатора.
То есть в настоящем изобретении по п.4, когда нижнее по потоку устройство для очистки выхлопного газа снабжено катализатором, осуществляющим селективное каталитическое восстановление путем добавления мочевины, мочевина не выделяет тепло, даже если мочевина вводится так, что вступает в контакт с катализатором верхней по потоку стороны. Следовательно, мочевина обязательно ударяется о катализатор с верхней по потоку стороны, что способствует интенсификации гидролиза мочевины благодаря теплу слоя катализатора верхней по потоку стороны, тем самым, улучшается рассредоточение аммиака, образующегося при гидролизе в выхлопном газе. Эффективность рассредоточения может быть еще более повышена за счет эффекта перемешивания, когда мочевина ударяется о катализатор верхней по потоку стороны.
В соответствии с настоящим изобретением, описанным в п.5 формулы изобретения, создано устройство для очистки выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания по любому из пп.1-4, в котором в соединительной части канала предусматривается наличие рассеивателя, предназначенного для интенсификации перемешивания вводимой добавки с выхлопным газом.
То есть в настоящем изобретении по п.5, когда добавка в соединительной части канала между катализатором и выхлопной трубой смешивается с выхлопным газом и испаряется, рассеиватель, установленный в соединительной части канала, дополнительно интенсифицирует перемешивание добавки с выхлопным газом. Поскольку скорость потока в соединительной части канала невелика, наличие рассеивателя вызывает лишь небольшую потерю давления. Следовательно, перемешивание выхлопного газа с добавкой в соединительной части канала может быть улучшено до гомогенного состояния, что делает возможным уменьшение длины выхлопной трубы далее по потоку после соединительной части канала.
В соответствии с настоящим изобретением, описанным в п.6 формулы изобретения, создано устройство для очистки выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания по любому из пп.1-5, в котором соединительная часть канала имеет такую форму, что центральная ось выхлопной трубы в направлении перемещения выхлопного газа не параллельна и не пересекается с центральной осью верхнего по потоку устройства для очистки выхлопного газа.
То есть в настоящем изобретении по п.6 соединительная часть канала имеет такую форму, что центральная ось выхлопной трубы в направлении перемещения выхлопного газа не параллельна и не пересекается с центральной осью верхнего по потоку устройства для очистки выхлопного газа. А именно, образующийся интенсивный завихряющийся поток, разделяющийся на два направления вдоль поверхностей соединительной части канала между катализатором выше по потоку и выхлопной трубой, оказывается асимметричным, и интервал вихревого движения одного завихряющегося потока удлинен, что способствует дополнительному усилению эффекта перемешивания добавки.
В соответствии с настоящим изобретением, описанным в п.7 формулы изобретения, создано устройство для очистки выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания по любому из пп.1-6, в котором предусмотрено наличие средства управления для регулирования количества вводимой добавки или периодичности ввода, причем средство управления определяет условия ввода, при которых подаваемая добавка не образует жидкую пленку в выхлопной трубе, при этом определение осуществляется на основании площади поверхности стенки выхлопного канала, на которой осаждается введенная добавка, и температуры поверхности стенки или температуры выхлопного газа, и регулирует увеличение температуры слоя катализатора в верхнем по потоку устройстве для очистки выхлопного газа.
Ввод добавки до сих пор регулировали, принимая во внимание только температуру выхлопного газа на входе слоя катализатора нижнего по потоку устройства для очистки выхлопного газа. Однако, даже когда добавка испаряется непосредственно перед слоем катализатора нижнего по потоку устройства для очистки выхлопного газа, в выхлопной трубе непосредственно после средства ввода добавки возможно образование жидкой пленки, вследствие чего добавка остается на стенке или образует сажевые отложения. Следовательно, принимая во внимание площадь, на которой осаждается добавка, температуру стенки в месте осаждения, количество вводимой добавки и периодичность ввода, осуществляется попытка повышения температуры слоя катализатора верхнего по потоку устройства для очистки выхлопного газа так, чтобы в выхлопной трубе непосредственно после средства ввода добавки не образовывалась жидкая пленка.
В соответствии с настоящим изобретением, описанным в п.8 формулы изобретения, создано устройство для очистки выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания по любому из пп.1-7, в котором предусмотрено наличие датчика температуры для измерения температуры выхлопного газа в выхлопной трубе далее по потоку после соединительной части канала, измеренная температура выхлопного газа корректируется на основании скрытой теплоты испарения вводимой добавки с целью определения температуры верхнего по потоку устройства для очистки выхлопного газа.
То есть, чтобы избежать искажения данных измерения вследствие осаждения добавки и точно внести поправку на скрытую теплоту испарения добавки, желательно, чтобы датчик температуры выхлопного газа располагался в выхлопной трубе, где добавка уже наверняка испарилась после соединительной части канала. Следовательно, в настоящем изобретении по п.8 датчик температуры расположен в выхлопной трубе по потоку после соединительной части канала, а температуру в верхнем по потоку устройстве для очистки выхлопного газа определяют, корректируя измеренную температуру на основании скрытой теплоты испарения добавки.
В соответствии с настоящим изобретением, описанным в п.9 формулы изобретения, создано устройство для очистки выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания по любому из пп.1 и 3-8, в котором предусмотрено наличие датчика температуры для измерения температуры выхлопного газа в выхлопной трубе далее по потоку после соединительной части канала, измеренная температура выхлопного газа корректируется на основании скрытой теплоты испарения вводимой добавки с целью определения температуры верхнего по потоку устройства для очистки выхлопного газа.
То есть, чтобы избежать искажения данных измерения вследствие осаждения добавки и точно внести поправку на скрытую теплоту испарения добавки, желательно, чтобы датчик температуры выхлопного газа располагался в выхлопной трубе, где добавка уже наверняка испарилась после соединительной части канала. Следовательно, в настоящем изобретении по п.9 датчик температуры расположен в выхлопной трубе по потоку после соединительной части канала, а температуру в верхнем по потоку устройстве для очистки выхлопного газа определяют, корректируя измеренную температуру на основании скрытой теплоты испарения добавки.
В соответствии с настоящим изобретением, описанным в п.10 формулы изобретения, создано устройство для очистки выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания, описанное в п.1, в котором добавку вводят в направлении криволинейной части поверхности противоположной стенки соединительной части канала, ведущей в выхлопную трубу.
В соответствии с настоящим изобретением, описанным в п.10 формулы изобретения, создано устройство для очистки выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания, описанное в п.1, в котором соединительная часть канала включает участок с постепенно уменьшающимся поперечным сечением относительно площади поперечного сечения выходного отверстия после катализатора в верхнем по потоку устройстве для очистки выхлопного газа, и добавку вводят в направлении криволинейной части поверхности противоположной стенки соединительной части канала, ведущей в выхлопную трубу.
Благодаря этому обеспечивается эффективный контакт добавки с поверхностью стенки соединительной части канала на большой площади, что благоприятно для перемешивания добавки с выхлопным газом и ее испарения.
В изобретениях, описанных в указанных выше пунктах формулы изобретения, используется эффект гомогенного рассредоточения в выхлопном газе добавки, которую подают в устройство для очистки выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания.
Краткое описание чертежей
Фиг.1(а) и (b) - схематическое изображение конструкции одного из вариантов осуществления изобретения, когда оно применено к устройству для очистки выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания.
Фиг.2(а) и (b) - схематическое изображение конструкции одного из вариантов осуществления изобретения, в котором имеется недостаток.
Фиг.3(а) и (b) - изображение диапазонов, которых следует избегать при применении настоящего изобретения в устройстве для очистки выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания.
Фиг.4(а) схематическое изображение конструкции одного из вариантов осуществления изобретения, когда оно применено к устройству для очистки выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания.
Фиг.4(b) - схематическое изображение конструкции одного из вариантов осуществления изобретения, в котором имеется недостаток.
Фиг.5(а), (b), (с), (d) и (е) - изображение диапазонов, которых следует избегать при применении настоящего изобретения в устройстве для очистки выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания.
Фиг.6 - схематическое изображение конструкции одного из вариантов осуществления изобретения, когда оно применено к устройству для очистки выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания.
Фиг.7 - схематическое изображение конструкции другого варианта осуществления изобретения, когда оно применено к устройству для очистки выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания.
Фиг.8 - схематическое изображение конструкции одного из вариантов осуществления изобретения, когда оно применено к устройству для очистки выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания.
Фиг.9(а) - схематическое изображение конструкции одного из вариантов осуществления изобретения, когда оно применено к устройству для очистки выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания.
Фиг.9(b) - изображение, поясняющее случай, когда недостаток возникает вследствие отличия конструкции от конструкции настоящего изобретения.
Фиг.10(а)-(i) - схематический вид сверху, поясняющий конструкцию одного из вариантов осуществления изобретения, когда оно применено к устройству для очистки выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания.
Фиг.11(а) и (b) - схематическое изображение конструкции другого варианта осуществления изобретения, когда оно применено к устройству для очистки выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания.
Фиг.12 - схематическое изображение конструкции еще одного варианта осуществления изобретения, когда оно применено к устройству для очистки выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания.
Фиг.13 - схематическое изображение конструкции еще одного дополнительного варианта осуществления изобретения, когда оно применено к устройству для очистки выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания.
Фиг.14 - схематическое изображение конструкции еще одного варианта осуществления изобретения, когда оно применено к устройству для очистки выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания, где (а) - это тот же вид, что и на фиг.10(а) и (b), на котором схематически показана конструкция одного из вариантов осуществления изобретения в сравнении с (а).
Фиг.15 - схематическое изображение конструкции еще одного варианта осуществления изобретения, когда оно применено к устройству для очистки выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания.
Фиг.16 - блок-схема, поясняющая конструкцию еще одного варианта осуществления изобретения, когда оно применено к устройству для очистки выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания.
Фиг.17 - график, дополняющий блок-схему фиг.16.
Фиг.18 - схематическое изображение конструкции еще одного варианта осуществления изобретения, когда оно применено к устройству для очистки выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания, где (а) - это вид со стороны поперечного сечения соединительной части канала 2 и (b) - это вид в перспективе со стороны наклоненной верхней стороны соединительной части канала 2.
Описание предпочтительного варианта осуществления изобретения
Далее варианты осуществления настоящего изобретения описаны со ссылкой на прилагаемые чертежи. На множестве прилагаемых чертежей одни и те же или соответствующие детали обозначены одной и той же ссылочной позицией.
На фиг.6 и 7 показана конструкция устройства для очистки выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания в целом в соответствии с настоящим изобретением. На фиг.6 показан вариант осуществления устройства для очистки выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания, состоящего из окислительного каталитического конвертера (далее - «ССо») 11, катализатора NSR 12 и DPF 20; на фиг.7 показан вариант осуществления устройства для очистки выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания, состоящего из DPF 13 и устройства SCR или катализатора NSR 20'. Устройство для очистки выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания, соответствующее настоящему изобретению, включает верхнее по потоку устройство 1 или 1' для очистки выхлопного газа, расположенное в выхлопном канале двигателя, нижнее по потоку устройство 20 или 20' для очистки выхлопного газа и средство ввода 3, расположенное между верхним по потоку устройством 1 или 1' для очистки выхлопного газа и нижним по потоку устройством 20 или 20' для очистки выхлопного газа и предназначенное для ввода в выхлопной канал добавки, которая вступает в реакцию с конкретными компонентами выхлопного газа. Выхлопная труба 7 соединяет верхнее по потоку устройство 1 или 1' для очистки выхлопного газа с нижним по потоку устройством 20 или 20' для очистки выхлопного газа. Площадь поперечного сечения выхлопной трубы 7 меньше, чем площади поперечного сечения верхнего по потоку устройства для очистки выхлопного газа и нижнего по потоку устройства для очистки выхлопного газа. Здесь предусматривается наличие соединительной части канала 2 для соединения выхлопной трубы 7 с выходным отверстием после катализатора 12 или 13 верхнего по потоку устройства 1 или 1' для очистки выхлопного газа.
На фиг.8 представлено изображение, поясняющее конструкцию указанной выше соединительной части канала 2. Катализатор 10 в верхнем по потоку устройстве для очистки выхлопного газа, показанный на фиг.8, соответствует катализатору 12 или 13 верхнего по потоку устройства 1 или 1' для очистки выхлопного газа варианта осуществления, показанного на фиг.6 или 7. То есть соединительная часть канала 2 имеет такую форму, что центральная ось верхнего по потоку устройства для очистки выхлопного газа в направлении, в котором перемещается выхлопной газ из катализатора 10, не соответствует центральной оси выхлопной трубы 7 (см. фиг.6 и 7) в направлении, в котором перемещается выхлопной газ. Отверстие для ввода средства ввода 3 расположено так, чтобы ввод добавки осуществлялся в соединительную часть канала 2, давление ввода добавки средством ввода установлено таким, чтобы введенная добавка, когда двигатель работает, попадала на поверхность противоположной стенки соединительной части канала с тем, чтобы введенная добавка эффективно перемешивалась с выхлопным газом, вовлекаемая завихряющимся потоком выхлопного газа.
То есть в устройстве, состоящем из верхнего по потоку устройства для очистки выхлопного газа на стадии, предшествующей DPF, устройству SCR и катализатору NSR, добавку подают в соединительную часть канала 2, ведущую к выхлопной трубе 7 от катализатора 10, причем соединительная часть расположена между катализатором 10 верхнего по потоку устройства для очистки выхлопного газа предыдущей стадии и выхлопной трубой 7 (см. фиг.6 и 7). Затем добавка смешивается с выхлопным газом и испаряется под действием интенсивного завихряющегося потока, создаваемого в соединительной части канала 2 между катализатором 10 и выхлопной трубой 7 без потери давления выхлопного газа. Внутреннее пространство соединительной части канала 2 между катализатором 10 и выхлопной трубой 7 имеет большую пропускную способность, чем выхлопная труба 7. При прохождении через соединительную часть канала 2 между катализатором 10 и выхлопной трубой 7 интенсифицируется испарение добавки, которая эффективно перемешивается и испаряется благодаря интенсивному завихряющемуся потоку в соединительной части канала 2 и эффекту сжатия трубой в месте соединения с выхлопной трубой.
В случае, показанном на фиг.1(а) и (b), желательно, чтобы соединительная часть канала 2 представляла собой часть канала, в которой площадь поперечного сечения канала постепенно уменьшается от площади поперечного сечения выходного отверстия после катализатора 10 в верхнем по потоку устройстве для очистки выхлопного газа, и чтобы отверстие для ввода средства ввода 3 было расположено так, чтобы добавка вводилась в соединительную часть канала с постепенно уменьшающейся площадью поперечного сечения.
То есть, как показано на фиг.1(а) и (b), площадь поперечного сечения соединительной части канала 2 постепенно уменьшается от катализатора 10 к выхлопной трубе 7, и добавка поступает в соединительную часть с постепенно уменьшающимся диаметром. Затем добавка смешивается с выхлопным газом и испаряется под действием интенсивного завихряющегося потока, создаваемого в соединительной части канала 2 между катализатором 10 и выхлопной трубой 7 без потери давления выхлопного газа. И в этом случае внутреннее пространство соединительной части канала 2 между катализатором 10 и выхлопной трубой 7 имеет большую пропускную способность, чем выхлопная труба 7. При прохождении через соединительную часть канала 2 между катализатором 10 и выхлопной трубой 7 интенсифицируется испарение добавки, которая эффективно перемешивается и испаряется благодаря интенсивному завихряющемуся потоку в соединительной части канала 2 и эффекту сжатия трубой в месте соединения с выхлопной трубой.
Кроме того, как показано на фиг.1(а) и (b), желательно, чтобы давление ввода добавки средством ввода 3 было таким, чтобы вводимая добавка, когда двигатель работает, попадала на поверхность противоположной стенки соединительной части канала 2.
Фиг.2(а) и (b) поясняют случай, когда давление ввода недостаточное. Фиг.2(а) соответствует фиг.1(а), и фиг.2(b) соответствует 1(b) в том, что касается расположения средства ввода 3. Однако в случае, показанном на фиг.2(а) и (b), в котором давление ввода недостаточное, вводимая добавка поступает в выхлопную трубу 7 без использования интенсивного завихряющегося потока, создаваемого в соединительной части канала 2, и не может эффективным образом перемешаться с выхлопным газом и испариться.
То есть, как видно на фиг.3(а) и (b), выхлопной газ А, перемещающийся через весь катализатор 10, включает поток В, который из соединительной части канала 2 поступает сразу в выхлопную трубу. Следовательно, когда давление ввода мало, как в случае, показанном на фиг.2(а) и (b), введенная добавка выходит, уносимая потоком В, и не может быть в достаточной степени перемешана с выхлопным газом.
Это также справедливо в отношении направления ввода. То есть добавка, введенная в направлении ввода, показанном на фиг.4(а), может эффективным образом смешиваться с выхлопным газом и испариться под действием интенсивного завихряющегося потока, создаваемого в соединительной части канала 2. Однако добавка, введенная в направлении ввода, показанном на фиг.4(b), поступает в выхлопную трубу 7, уносимая потоком В, и не может быть в достаточной степени перемешана с выхлопным газом.
Фиг.5(а), (b), (с), (d) и (е) поясняют случай, когда введенная добавка попадает на поверхность противоположной стенки соединительной части канала 2. Как показано на фиг.5(а) и (b), если угол, образуемый направлением ввода и направлением потока в соединительной части канала 2, обозначить α, имеет место показанное на фиг.5(d) соотношение между давлением ввода и углом α, когда добавка попадает на поверхность противоположной стенки соединительной части канала 2. То есть, чем меньше угол α, или, другими словами, чем больше направление ввода приближается, идя навстречу    к направлению потока выхлопного газа через соединительную часть канала 2, тем больше должно быть давление ввода. Кроме того, определено подаваемое количество добавки для расхода Ga выхлопного газа. Следовательно, как показано на фиг.5(с), давление ввода также должно быть увеличено при повышении расхода Ga выхлопного газа. Следовательно, если определен расход Ga выхлопного газа, давление ввода определяют по фиг.5(с), а направление ввода определяют по фиг.5(d) с тем,     чтобы получить давление ввода. А именно, определяют направление установки отверстия для ввода. Однако, как показано на фиг.5(с), имеется верхний предел расхода Ga выхлопного газа, который следует интерпретировать, и, следовательно, существует верхний предел давления ввода для средства ввода 3; то есть давление ввода средством ввода 3 устанавливают не превышающим верхний предел давления ввода. Кроме того, если угол α, образуемый направлением ввода и направлением потока в соединительной части канала 2, находится в диапазоне 90°<α<180°, длина завихряющегося участка потока выхлопного газа, которая может быть использована, становится небольшой, и добавка легко выходит, не распределяясь по выхлопному газу в достаточной степени. Следовательно, желательно интенсифицировать смешивание добавки с выхлопным газом и ее испарение путем увеличения угла струи β, как показано на фиг.5(е).
В описанной выше структуре наличие катализатора 10 по потоку до соединительной части канала 2 является обязательным. То есть, когда по потоку до соединительной части канала 2 имеется катализатор 10, как показано на фиг.9(а), поток выхлопного газа распределяется в соединительной части канала 2, образуя поток С, и образуется благоприятный завихряющийся поток, как показано на фиг.8. Однако, когда по потоку до соединительной части канала 2 нет катализатора 10, как показано на фиг.9(b), в соединительной части канала 2 образуется мертвое пространство D, и благоприятный завихряющийся поток, показанный на фиг.8, не создается.
Фиг.10(а)-(i) - это виды сверху соединительной части канала 2, поясняющие различные варианты осуществления изобретения, направленные на надлежащее перемешивание добавки с выхлопным газом в соединительной части канала 2. На фиг.10(а) показан завихряющийся поток Е-Е выхлопного газа в соединительной части канала 2. Поток выхлопного газа в соединительной части канала 2 завихряется, разделяемый на два направления движения навстречу друг другу, и выходит через выходное отверстие 4 в сторону выхлопной трубы 7 (см. фиг.6 и 7). Вводимая средством ввода 3, как показано на фиг.10(b), добавка распределяется и смешивается, как показано на фиг.10(с), уносимая завихряющимся потоком Е-Е. Кроме того, когда в соединительной части канала 2 вдоль ее диаметра установлен металлический диск с отверстиями 5, как показано на фиг.10(d), происходит диспергирование добавки металлическим диском с отверстиями 5, как показано на фиг.10(е), и, соответственно, распределение и смешивание при вовлечении в завихряющийся поток Е-Е. При этом, если металлический диск с отверстиями установлен вдоль диаметра так, что симметрично делит завихряющийся поток Е-Е на правую и левую части, как показано на чертеже, центральная линия потока выхлопного газа становится параллельной металлическому диску с отверстиями, в результате чего можно избежать потери давления вследствие установки металлического диска с отверстиями. Кроме того, когда форма соединительной части канала 2 изменена, и добавку вводят так, что она ударяется о деформированную часть, как показано на фиг.10(f), происходит распределение и перемешивание добавки, как показано на фиг.10(g). Когда добавку вводят по направлению к выходному отверстию 4 соединительной части канала 2, становится трудно обеспечить достаточно большое расстояние для распределения добавки, показанное на фиг.10(b) и (с). В этом случае, следовательно, добавку вводят при широком угле струи, как показано на фиг.10(h), так, чтобы завихряющиеся потоки Е-Е уносили ее во взаимно противоположных направлениях, как показано на фиг.10(i), с целью улучшения распределения добавки путем использования соударения потоков друг с другом.
На фиг.11(а) и (b) поясняется вариант осуществления изобретения, в котором обводной канал 5 подходит к соединительной части канала в обход верхнего по потоку устройства для очистки выхлопного газа, и отверстие для ввода добавки средства ввода ориентировано в направлении места соединения.
То есть, как показано на фиг.11(а) и (b), обводной канал 5 подходит к соединительной части канала 2 в обход верхнего по потоку устройства для очистки выхлопного газа, а добавку вводят вблизи места соединения, и она эффективно перемешивается с выхлопным газом благодаря интенсивному завихряющемуся потоку выхлопного газа, образующемуся при слиянии. Для предотвращения засорения средства ввода добавкой в форме сажи полезно вводить добавку вдоль направления, в котором обводной канальный поток поступает в соединительную часть канала.
Когда нижнее по потоку устройство для очистки выхлопного газа снабжено катализатором, который осуществляет селективное каталитическое восстановление путем добавления мочевины, как в устройстве SCR 20' на фиг.7, выгодно, если отверстие для ввода добавки средства ввода ориентировано в направлении нижней части катализатора 10 верхнего по потоку устройства для очистки выхлопного газа, и мочевина при введении соударяется с нижней частью катализатора 10, как показано на фиг.12.
То есть, как показано на фиг.12, когда нижнее по потоку устройство для очистки выхлопного газа снабжено катализатором, который осуществляет селективное каталитическое восстановление путем добавления мочевины подобно устройству SCR 20' на фиг.7, мочевина, используемая для селективного каталитического восстановления, не выделяет тепло, даже если вступает в контакт с катализатором 10 выше по потоку. Следовательно, мочевина обязательно ударяется о катализатор 10 верхней по потоку стороны, что способствует интенсификации гидролиза мочевины благодаря теплу слоя катализатора верхней по потоку стороны, тем самым, улучшается рассредоточение аммиака, образующегося при гидролизе в выхлопном газе. Эффективность рассредоточения может быть еще более повышена за счет эффекта перемешивания, когда мочевина ударяется о катализатор верхней по потоку стороны.
В описанной выше конструкции в соединительной части канала 2 предусматривается наличие рассеивателя 6, как показано на фиг.13, для интенсификации перемешивания вводимой добавки с выхлопным газом и, кроме того, для улучшения рассредоточения добавки в выхлопном газе.
А именно, когда добавка должна смешаться с выхлопным газом и испариться в соединительной части канала 2 между катализатором 10 и выхлопной трубой 7 (см. фиг.6 и 7), рассеиватель 6 размещают в соединительной части канала 2 для дополнительной интенсификации перемешивания добавки с выхлопным газом. Поскольку скорость потока выхлопного газа в соединительной части канала 2 мала, установка рассеивателя 6 вызывает небольшую потерю давления. Следовательно, выхлопной газ и добавка могут быть гомогенно перемешаны в соединительной части канала 2, а длина выхлопной трубы 7 после соединительной части канала 2 может быть уменьшена.
Кроме того, как показано на фиг.14(b), соединительная часть канала 2 имеет такую форму, что центральная ось выхлопной трубы 7 (см. фиг.6 и 7) в направлении движения выхлопного газа не параллельна и не пересекается с центральной осью верхнего по потоку устройства для очистки выхлопного газа. Благодаря этому можно дополнительно интенсифицировать перемешивание добавки с выхлопным газом.
То есть, на фиг.14(а), где показан вид сверху соединительной части канала 2, завихряющийся поток Е-Е симметрично завихряется справа и слева, выходит через выходное отверстие 4 и поступает в выхлопную трубу 7. Как показано на фиг.14(b), форма соединительной части канала 2 такова, что центральная ось выхлопной трубы (см. фиг.6 и 7) в направлении движения выхлопного газа не проходит через центр соединительной части канала 2, поэтому завихряющийся поток Е-Е в соединительной части канала 2 становится асимметричным, и завихряющийся поток Е с одной стороны соединительной части канала 2 завихряется в достаточной степени. Таким образом, можно дополнительно усилить эффект перемешивания добавки в интенсивном завихряющемся потоке, создаваемом в соединительной части канала 2 между катализатором 10 (см. фиг.8) по потоку до выхлопной трубы 7.
В описанной выше конструкции добавку вводят при помощи средства ввода 3, регулируя количество вводимой добавки во время добавления или периодичность ввода. Однако введение добавки до сих пор регулировали, принимая во внимание только температуру выхлопного газа на входе слоя катализатора 20 или 20' (см. фиг.6 и 7) нижнего по потоку устройства для очистки выхлопного газа. Однако, даже когда добавка испаряется непосредственно перед слоем катализатора 20 или 20' нижнего по потоку устройства для очистки выхлопного газа, в выхлопной трубе 7 непосредственно после средства ввода 3 добавки возможно образование жидкой пленки, вследствие чего добавка остается на стенке или образует сажевые отложения. Следовательно, принимая во внимание площадь, на которой осаждается добавка, температуру стенки в месте осаждения, количество вводимой добавки и периодичность ввода, то есть параметры отражают основные факторы, влияющие на образование жидкой пленки, температуру слоя катализатора 12, 13 верхнего по потоку устройства 1, 1' для очистки выхлопного газа повышают так, чтобы в выхлопной трубе 7 непосредственно после средства ввода 3 добавки не образовалась жидкая пленка.
В описанном выше случае, как показано на фиг.15, площадь S на поверхности стенки соединительной части канала 2, на которую осаждается водимая добавка, изменяется в зависимости от расхода Ga выхлопного газа и места ввода добавки. Следовательно, предусматривается наличие средства опережающего управления вводом добавки, снабженное алгоритмом нахождения площади S на поверхности стенки соединительной части канала 2, на которую осаждается водимая добавка, на основании площади поверхности стенки, на которую подается вводимая добавки, и расхода Ga выхлопного газа во время ввода добавки.
Фиг.16 представляет собой блок-схему управления количеством вводимой добавки или интервалом ввода. А именно, площадь S на поверхности стенки соединительной части канала 2, на которую осаждается добавка, определяется на этапе 100, температуру поверхности стенки соединительной части канала 2 определяют на этапе 200. Оценка температуры стенки может быть выполнена на основании величины, измеренной датчиком температуры выхлопного газа. На этапе 300 определяют минимальный интервал ввода добавки, при котором в выхлопной трубе 7 не образуется жидкая пленка, на основании величины площади S осаждения добавки и температуры поверхности стенки, по результатам вычисления минимального интервала ввода добавки рассчитывают необходимую температуру Т слоя катализатора 20, 20' (см. фиг.6 и 7) нижнего по потоку устройства для очистки выхлопного газа. Если на этапе 400 необходимая температура Т слоя катализатора меньше, чем температура регенерации катализатора 20, 20' нижнего по потоку устройства для очистки выхлопного газа, программа переходит к этапу 500, на котором температуру слоя катализатора 12, 13 верхнего по потоку устройства 1, 1' для очистки выхлопного газа увеличивают до тех пор, пока она не станет больше, чем температура регенерации катализатора 20, 20'. Если необходимая температура Т слоя катализатора становится больше, чем температура регенерации катализатора 20, 20', программа переходит к этапу 600, на котором начинается ввод добавки.
При описанном выше регулировании, когда расход Ga выхлопного газа является большим, возникает явление, заключающееся в соударении добавки и потока выхлопного газа и атомизации добавки, как показано на фиг.17. То есть образование жидкой пленки в выхлопной трубе 7 будет незначительным. Следовательно, если площадь осаждения и температура стенки не изменяются, минимальный интервал ввода добавки в катализатор увеличивается с увеличением расхода Ga выхлопного газа, и жидкая пленка в выхлопной трубе 7 не образуется, несмотря на то, что температура слоя катализатора 12, 13 верхнего по потоку устройства для очистки выхлопного газа 1, 1' мала. Следовательно, при определении минимального интервала ввода добавки на этапе 300 желательно скорректировать минимальный интервал ввода в зависимости от расхода Ga выхлопного газа.
Температуру слоя катализатора до сих пор определяли на основании величины, измеряемой датчиком температуры выхлопного газа, расположенным по потоку после катализатора, то есть, на основании температуры выхлопного газа, который прошел через катализатор. Однако, в соответствии с настоящим изобретением, если датчик температуры выхлопного газа расположен в соединительной части канала 2, жидкая добавка может осаждаться на датчике температуры выхлопного газа, вызывая искажение результата измерения. Кроме того, поскольку добавка не полностью испаряется в соединительной части канала 2, степень испарения неизвестна. Следовательно, температуру слоя катализатора 12, 13 нельзя определить точно. Следовательно, желательно располагать датчик температуры выхлопного газа в выхлопной трубе 7 далее по потоку после соединительной части канала 2, чтобы производить измерение температуры выхлопного газа после того, как добавка полностью испарилась в выхлопном газе, и чтобы оценка температуры слоя катализатора 12, 13 основывалась на величине скрытой теплоты испарения, когда жидкая добавка полностью превращается в газ.
В этом случае, если датчик температуры выхлопного газа расположен в выхлопной трубе 7 слишком далеко от соединительной части канала 2, температура выхлопного газа понижается вследствие теплового излучения. Следовательно, желательно, чтобы датчик температуры выхлопного газа располагался вблизи соединительной части канала. В одном из вариантов осуществления изобретения предпочтительное положение датчика находится на расстоянии от 0 мм до 150 мм далее по потоку от выходного отверстия соединительной части канала 2.
Фиг.18 поясняет еще один вариант осуществления эффективного перемешивания добавки с выхлопным газом в соединительной части канала 2, где (а) представляет собой вид со стороны поперечного сечения соединительной части канала 2 и (b) - это вид в перспективе со стороны наклоненной верхней стороны соединительной части канала 2. А именно, в данном варианте осуществления изобретения добавку вводят при помощи средства ввода 3 в направлении криволинейной поверхности стенки напротив средства ввода в соединительной части канала 2 перед выхлопной трубой. Благодаря этому добавка контактирует с большой площадью поверхности стенки соединительной части канала 2, что благоприятно для эффективной интенсификации перемешивания добавки с выхлопным газом и ее испарения.
Перечень ссылочных позиций
1, 1' - верхнее по потоку устройство для очистки выхлопного газа
2 - соединительная часть канала
3 - средство ввода добавки
4, 4' - выходное отверстие
5 - обводной канал
6 - рассеиватель
7 - выхлопная труба
10 - катализатор
11 - ССо (окислительный каталитический конвертер)
12 - катализатор NSR (катализатор накопления-восстановления NOx)
13 - DPF
20 - DPF
20' - устройство SCR или катализатор NSR
А - канал для потока выхлопного газа
В - поток газа поступает непосредственно в выхлопную трубу
С - поток газа распределяется в соединительной части канала
D - мертвое пространство
Е - завихряющийся поток
S - площадь проекции ввода топлива