内燃机的排气净化装置 【技术领域】
本发明涉及一种内燃机的排气净化装置，特别是涉及一种具有选择还原式的NOX催化剂的内燃机的排气净化装置，该NOX催化剂使用还原剂而用于还原除去排气中的NOX。
背景技术
以往，已知有用于除去含在从柴油发动机等内燃机排出的排气中的颗粒状物质(以下称为PM)及氮氧化物(以下称为NOX)的技术。
其中，作为用于除去NOX的技术，已知有如下的选择还原型的排气净化装置(SCR：Selective Catalytic Reduction)：在NOX催化剂的上游侧将还原剂喷射至排气通路内，且将排气与还原剂混合，之后使其流入至NOX催化剂，将排气中的NOX(NO及NO2)高效率地分解为氮(N2)等而放出。
图16表示这样的选择还原型的排气净化装置的一例。该排气净化装置310具有：NOX催化剂313，配置在排气通路311中；还原剂喷射装置315，在NOX催化剂313的上游侧，用于将还原剂喷射至排气通路311中；上游侧以及下游侧氧化催化剂317、319。
在该排气净化装置310中，作为被喷射至排气中的还原剂的尿素水溶液水解，从而生成氨(NH3)，且该NH3与NOX在NOX催化剂中发生反应，分解为氮(N2)及水(H2O)而被放出。
在所述的排气净化装置中，提出有在NOX催化剂的入口配置有多孔板的排气净化装置，其目的为使还原剂高效率地扩散于流入至NOX催化剂中的排气中。更具体而言，公开有如下的排气净化装置，如图17所示，并列地配置DPF333以及尿素脱硝催化剂323(排气的流动为直列)，且通过连通室330使DPF333和尿素脱硝催化剂323连通而使整个装置成为コ字状，在尿素脱硝催化剂323的上游侧的连通室330内的排气的流动方向的中途位置，设置有穿设有多个孔338A的多孔板338(参照专利文献1)。
专利文献1：日本特开2005-155404号公报(段落
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图1)
但是，专利文献1所记载的排气净化装置虽然在排气的流动方向的中途配置多孔板，但是在排气的流速慢时，有可能不能够使还原剂均匀地分散。即，虽然还原剂借助自还原剂喷射阀的喷雾被微粒化且借助多孔板的热被蒸发扩散，但是在排气的流速慢时，不能使还原剂均匀地分散到排气的整个范围中，而有可能使还原剂的分布不均。
【发明内容】
于是，本发明的发明者经过专心努力，发现通过在NOX催化剂的上游侧设置减小流路的截面积的节流部且在该节流部中具有还原剂扩散机构，能够解决这样的问题，使本发明得以完成。
即，本发明的目的在于提供一种内燃机的排气净化装置，能够使在整个范围内均匀地分散有还原剂的排气流入至配置在下游侧的NOX催化剂。
根据本发明，能够提供一种内燃机的排气净化装置，具有：NOX催化剂，配置在内燃机的排气通路中；还原剂喷射部，用于将还原剂喷射至NOX催化剂的上游侧的排气通路内，该内燃机的排气净化装置的特征为，在还原剂喷射部的喷射位置的下游侧并且是NOX催化剂的上游侧的位置具有节流部，该节流部的流路的截面积比排气通路及NOX催化剂的截面积小，并且在节流部中具有还原剂扩散机构，从而能够解决上述的问题。
此外，在构成本发明地排气净化装置时优选，在节流部和NOX催化剂之间具有将排气引导至NOX催化剂的引导部。
此外，在构成本发明的排气净化装置时优选，引导部为朝向下游侧截面积扩大的扩大管。
此外，在构成本发明的排气净化装置时优选，排气通路在NOX催化剂的上游侧弯曲，引导部在弯曲的部位以覆盖NOX催化剂的入口的方式安装且在一部分上具有排气导入口，从排气导入口流入至引导部的排气的流动方向沿着弯曲的方向变化。
此外，在构成本发明的排气净化装置时优选，还原剂喷射部配置为还原剂的喷射方向朝向还原剂扩散机构。
此外，在构成本发明的排气净化装置时优选，还原剂喷射部配置为，使得被喷射的还原剂到达节流部时的喷射范围不超出到还原剂扩散机构的外侧。
根据本发明的内燃机的排气净化装置，在排气通路的节流部具有还原剂扩散机构，从而能够提高通过还原剂扩散机构的排气的流速。因此，还原剂喷射部所喷射的还原剂借助还原剂扩散机构而被促进蒸发且高效率地被扩散混合至排气中。其结果是，能够在还原剂被均匀地分散至排气中的状态下使其流入至NOX催化剂，能够提高NOX的还原效率。
此外，在本发明的内燃机的排气净化装置中，在节流部与NOX催化剂之间具有引导部，从而能够将扩散混合了还原剂的排气高效率地引导至NOX催化剂，能够使还原剂高效率地流入至NOX催化剂。
此外，在本发明的内燃机的排气净化装置中，在从节流部到NOX催化剂的范围内利用扩大管进行引导，从而能够使被分散至排气中的还原剂高效率地流入至NOX催化剂的整个面。
此外，在本发明的内燃机的排气净化装置中，具有使排气的流动方向沿着弯曲部变化的引导部，从而能够在排气通路的设计方面具有自由度且能够在节流部中配置还原剂扩散机构。
此外，在本发明的内燃机的排气净化装置中，使还原剂从还原剂喷射部向还原剂扩散机构喷射，从而能够利用还原剂扩散机构所具有的热量将被喷射的还原剂更高效率地微粒化。
此外，在本发明的内燃机的排气净化装置中，还原剂喷射部配置为使得还原剂的喷射范围不超出到还原剂扩散机构的外侧，从而能够降低还原剂在还原剂扩散机构以外的部位附着而结晶化的可能。
【附图说明】
图1是用于说明本实施方式的内燃机的排气净化装置的结构的图。
图2是表示具有节流部的锥形管的结构例的图。
图3是表示还原剂扩散机构的结构例的图。
图4是表示还原剂扩散机构的其他的结构例的图。
图5是表示具有多个还原剂扩散机构的结构例的图。
图6是用于说明还原剂喷射阀的配置位置的图。
图7是表示具有节流部的上游侧的上游侧引导部的结构例的图。
图8是表示利用L字型排气管的内燃机的排气净化装置的结构例的图。
图9是表示利用L字型排气管的内燃机的排气净化装置的其他的结构例的图。
图10是表示具有节流部的引导部件的结构例的图。
图11是用于说明还原剂喷射阀相对于引导部的配置位置的图。
图12是用于说明还原剂喷射阀相对于引导部的配置位置的其他的图。
图13是表示利用Z字型排气管的内燃机的排气净化装置的结构例的图。
图14是表示利用U字型排气管的内燃机的排气净化装置的结构例的图。
图15是表示利用ψ型排气管的内燃机的排气净化装置的结构例的图。
图16是用于说明以往的排气净化装置的结构的图。
图17是用于说明以往的其他的排气净化装置的结构的图。
【具体实施方式】
以下，参照附图具体地说明有关本发明的内燃机的排气净化装置的实施方式。但是，所述的实施方式只表示本发明的一个方式，并不用于限定本发明，可以在本发明的范围内任意地进行变更。
另外，附图中，标注相同符号的部分表示相同的部件，适当地省略说明。
1.排气净化装置
图1表示本发明的实施方式的内燃机的排气净化装置(以下，简称为“排气净化装置”)10的剖视图。
本实施方式的排气净化装置10具有：内燃机5，排出排气；排气管25，与内燃机5连接；NOX催化剂13，连接在排气管25的中途；还原剂供给装置30，在NOX催化剂13的上游侧将还原剂喷射至排气通路内。此外，在NOX催化剂13的上游侧以及下游侧分别配置有上游侧氧化催化剂19以及下游侧氧化催化剂17。
其中，内燃机5以柴油发动机及汽油发动机为典型，但在现状中适于将以排气中的PM及NOX的净化程度作为课题的柴油发动机作为对象。
此外，还原剂供给装置30具有：还原剂的贮藏容器31、压送贮藏容器31内的还原剂的泵33、和将还原剂喷射至排气通路内的还原剂喷射阀35。泵33例如使用电动泵，被控制以将还原剂的供给经路37内的压力维持为既定的压力。此外，还原剂喷射阀35例如由借助DUTY控制而控制开阀的ON-OFF的ON-OFF阀构成，在NOX催化剂13的上游侧，以喷射孔35a与排气通路内面对的方式被安装在排气管25中。
由该还原剂供给装置30喷射的还原剂的量，与以内燃机5的转速及负荷状态、燃料喷射量等作为基础推定的排出NOX量对应地被确定，且对应于该喷射量而进行还原剂喷射阀35的DUTY控制。但是，图1所示的还原剂供给装置30的结构为例示而并不被用于特别地进行限定，例如，也能够使用空气协助式的还原剂供给装置。
作为被使用的还原剂，尿素水溶液是典型的。例如，在使用该尿素水溶液时，借助排气中的热将被喷射至排气通路中的尿素水解，从而生成氨(NH3)，且该氨(NH3)与排气中的NOX(NO及NO2)在NOX催化剂中发生反应，从而NOX被还原，且被分解为氮(N2)和水(H2O)而被排出。
除此之外，可以将未燃燃料(HC)等能够使NOX还原的材料作为液体还原剂使用。
用于本实施方式的排气净化装置10的NOX催化剂13是选择性地还原净化含在排气中的NOX的选择还原式的NOX催化剂。该NOX催化剂13是已知的催化剂，例如能够使用在多孔质载体上含有作为活性成分的锶或者钡以及镁等碱土类金属、铈和镧等稀土类金属、铂和铑等贵金属等的催化剂。
在本实施方式的排气净化装置10中，在该NOX催化剂13的上游侧连接有扩大管，该扩大管由与排气管25相同的金属材料构成且截面积朝向下游侧逐渐增大。图1的排气净化装置10所具备的扩大管由图2(a)所示的锥形管15构成，且构成为入口部分(上游侧端部)15a的面积比NOX催化剂及排气管的截面积小的节流部21。
作为该扩大管，除了图2(a)所示的锥形管15之外，也可以是图2(b)及(c)所例示的那样的结构的扩大管15’、15”。
此外，如图1所示，在该节流部21中配置还原剂扩散机构11，在排气通过还原剂扩散机构11时，被喷射至排气中的还原剂被均匀地扩散至排气中。特别是由于在节流部21中配置有还原剂扩散机构11，因此能够增大在排气通路中流动的排气在通过节流部21时的流速，能够提高还原剂扩散机构11所产生的扩散效果。并且，锥形管15也作为将通过节流部21的排气引导至NOX催化剂13的引导部而发挥作用，且能够使均匀地扩散至排气中的还原剂高效率地流入至NOX催化剂13。
配置在节流部21中的还原剂扩散机构11，只要是能够对于混合了还原剂的排气的流动产生涡流或者紊流的部件，就能够适当选择地使用。
此外，在使用不锈钢及铝等的导热率高的金属材料构成还原剂扩散机构11时，借助被排气加热的还原剂扩散机构11，能够促进被喷射至排气中的还原剂的蒸发，能够使其高效率地扩散至排气中。因此，还原剂易于均匀地分散至整个排气中。
在图3～图4中表示配置在节流部21中的还原剂扩散机构11的一例。
图3(a)表示穿设了多个孔41a的多孔板41。此外，图3(b)～(c)是具有将板的一部分切开并立起的多个挡板的混合器43A、43B，图3(b)是全部的挡板43a向同一面侧切开并立起的情况，图3(c)是多个挡板43a、43b分别向各面侧切开并立起的情况。
此外，图4(a)是在节流部21中配置将一张板扭转而形成旋转路的旋流类型的静态混合器45的示例。进而，如图4(b)所示，也可以在节流部21的一部分形成多个还原剂的碰撞部47a而形成还原剂扩散机构47。
这些图3(a)～(c)以及图4(a)～(b)所示的还原剂扩散机构可以分别单独地使用，或者也可以多个组合地使用。
图5表示在锥形管15的节流部21中配置具有多个挡板的混合器43A且在锥形管15的比节流部21更靠下游侧的位置配置旋流类型的静态混合器45的示例。在该图5的示例中，被喷射的还原剂通过配置在节流部21中的混合器43A而被微粒化，并且产生比较小的涡流，从而促进与排气的混合。之后与排气混合了的还原剂通过静态混合器45，从而产生大的涡流，能够使还原剂的分布均匀化。
此外，如图1所示，在本实施方式的排气净化装置10中，还原剂喷射阀35的喷射方向配置为朝向还原剂扩散机构11，被喷射的还原剂朝向还原剂扩散机构11行进。从而，还原剂被直接吹向还原剂扩散机构11，更加促进由还原剂的蒸发所导致的雾化。
此外，如图6(a)及图6(b)所示，该还原剂喷射阀35优选配置为，使得被喷射的还原剂到达节流部21时的喷射范围不超出到还原剂扩散机构11的外侧。如图6(a)所示，更优选为，在被喷射的还原剂到达还原剂扩散机构11时的喷射范围为最大的位置上配置还原剂喷射阀35。
如果这样地配置，则能够最大限度地获得还原剂的微粒化、扩散效果，并且能够降低还原剂在作为向NOX催化剂13侧的通路的节流部21以外的部位附着而结晶化的可能。
此外，为了防止还原剂附着在作为向NOX催化剂侧的通路的节流部以外的部位而结晶化，如图7(a)～(b)所示，也可以在节流部21的上游侧具有上游侧引导部23a、23b。该引导部23a、23b构成为，被配置为比节流部21靠上游侧，且朝向节流部21而排气通路的截面积减小。
通过具有上述的上游侧引导部，能够提高被导向节流部21的排气的流速，且能够防止被喷射的还原剂附着在还原剂扩散机构11以外的部位上，能够使其流入至还原剂扩散机构11。
此外，本实施方式的排气净化装置10在NOX催化剂13的上游侧以及下游侧具有氧化催化剂(以下，称为上游侧氧化催化剂及下游侧氧化催化剂。)17、19。由于具有下游侧氧化催化剂17，即便在作为还原剂的尿素水溶液水解而生成的氨漏过而直接通过NOX催化剂13时，也能够借助该下游侧氧化催化剂17使其氧化，能够使其成为有害性比较低的NO2而放出。
此外，上游侧氧化催化剂19将含在排气中的未燃燃料(HC)及一氧化碳(CO)氧化，从而能够利用该氧化热使排气升温。因此，能够使处于比较高的高温状态下的排气流入至还原剂扩散机构11及NOX催化剂13中，能够将还原剂扩散机构11加热且使NOX催化剂13升温活性化。此外，能够调整将CO氧化而生成的CO2和CO的比率，以便使NOX催化剂13中的NOX的还原效率最佳化。
作为这些上游侧氧化催化剂19以及下游侧氧化催化剂17，是公知的催化剂，例如可以使用下述催化剂：在将铂载持在氧化铝上的材料中添加既定量的铈等稀土类元素而得到的催化剂。
2.配置结构的变形例
本发明的排气净化装置的配置结构并不限定于如图1所示那样的结构，可以进行各种的变形。例如，由于搭载排气净化装置的车辆等的不同而排气管的结构多种多样，以下的图8～图14表示在形状分别不同的排气管中设置的排气净化装置。
图8以及图9分别是在上游侧氧化催化剂19和NOX催化剂13之间具有弯曲部51a的L字型的排气管时的配置结构例。
其中，图8中，配置有上游侧氧化催化剂19的上游侧排气管部53与配置有NOX催化剂13的下游侧排气管部55在同一平面上，在NOX催化剂13的入口部分连接有锥形管15而形成节流部21。此外，在节流部21中配置有还原剂扩散机构11，并且在弯曲部51a的与还原剂扩散机构11对置的部位上，以喷射方向朝向该还原剂扩散机构11的方式安装有还原剂喷射阀35。
此外，图9(a)～(b)中，配置有上游侧氧化催化剂19的上游侧排气管部53与配置有NOX催化剂13的下游侧排气管部55存在于不同的平面上，且上游侧排气管部53与下游侧排气管部55通过连通室57而连通。在该连通室57内，以覆盖下游侧排气管部55的入口侧开口55a的方式配置引导部件59，设置在该引导部件59上的排气导入口59a相对于连通室57的大小具有节流功能。在作为该节流部21的排气导入口59a上配置有还原剂扩散机构11，且在与该还原剂扩散机构11对置的部位上以喷射方向朝向还原剂扩散机构11的方式安装有还原剂喷射阀35。
另外，图9(b)是从箭头方向看的图9(a)的XX截面的剖视图。
引导部件59例如如图10(a)～(b)所示，构成为向下游侧排气管部的入口侧开口的安装面59A被开放，并且侧面部的一部分被开口而形成排气导入口59a。而且，从排气导入口59a流入的排气的流动方向被导向安装面59A侧而流入至下游侧排气管部。该图10(a)是从安装面59A侧看引导部件59的立体图，图10(b)是从与安装面59A相反侧的面看引导部件59的立体图。
在使用如图10所示那样的引导部件59时，引导部件59的排气导入口59a以及还原剂喷射阀35的配置位置(方向)可以适当地选择为如图11(a)～(c)以及图12(a)～(b)所示的那样，但优选考虑排气的流动方向而设定为使排气高效率地流入至排气导入口59a。
此外，图13是在上游侧氧化催化剂19的下游侧以及NOX催化剂13的上游侧分别具有折返部61a、61b的Z字型的排气管时的配置结构例。在该例中，将配置有上游侧氧化催化剂19的上游侧排气管部53和配置有NOX催化剂13的下游侧排气管部55经由第1连通室63、连接管65、第2连通室67连通，且将上游侧排气管部53、下游侧排气管部55、连接管65置于同一平面上。并且，在第2连通室67内，以覆盖下游侧排气管部55的入口侧开口55a的方式配置引导部件59，在该引导部件59上设置的排气导入口59a相对于第2连通室67的大小具有节流功能。在作为该节流部21的排气导入口59a上配置有还原剂扩散机构11，且在与该还原剂扩散机构11对置的部位上以喷射方向朝向还原剂扩散机构11的方式安装有还原剂喷射阀35。
在该图13所示的Z字型的排气管61的情况的配置结构例中，引导部件59的排气导入口59a的配置位置(方向)可以适当地选择为图11(a)～(c)以及图12(a)～(b)所示的那样。
此外，图14(a)～(c)是在上游侧氧化催化剂19与NOX催化剂13之间具有折返部71a的U字型的排气管时的配置结构例。
其中，图14(a)中，通过连通室73将配置有上游侧氧化催化剂19的上游侧排气管部53和配置有NOX催化剂13的下游侧排气管部55连通，且将上游侧排气管部53、下游侧排气管部55、连通室73置于同一平面上。并且，在连通室73内，在下游侧排气管部55的入口侧开口55a上连接锥形管15而形成节流部21，且在该节流部21上配置有还原剂扩散机构11。此外，在与该还原剂扩散机构11对置的部位上以喷射方向朝向还原剂扩散机构11的方式安装有还原剂喷射阀35。
此外，图14(b)中，U字型的排气管的结构与图14(a)相同，另一方面，在连通室73内，以覆盖下游侧排气管部55的入口侧开口55a的方式配置引导部件59。设置在该引导部件59上的排气导入口59a具有作为节流部21的功能，且在该节流部21上配置有还原剂扩散机构11。此外，在与该还原剂扩散机构11对置的部位上以喷射方向朝向还原剂扩散机构11的方式安装有还原剂喷射阀35。
此外，图14(c)中，U字型的排气管71的结构与图14(a)相同，另一方面，在连通室73内，配置有覆盖下游侧排气管部55的入口侧开口55a且排气导入口79a朝向U字的内侧的引导部件79。设置在该引导部件79上的排气导入口79a具有作为节流部21的功能，且在该节流部21上配置有还原剂扩散机构11。此外，在与该还原剂扩散机构11对置的部位上以喷射方向朝向还原剂扩散机构11的方式安装有还原剂喷射阀35。
其中，在图14(b)及(c)所示的U字型的排气管71的情况的配置结构例中，引导部件的排气导入口的配置位置(方向)也可以适当地选择为图11(a)～(c)以及图12(a)～(b)所示的那样。
此外，图15是排气通路在中途分为两股的ψ型的排气管的情况的配置结构例。在该例中，通过连通室83将配置有上游侧氧化催化剂19的上游侧排气管部53与隔着上游侧排气管部53配置在两侧的两个下游侧排气管部55A、55B连通，将全部的排气管部以及连通室置于同一平面上。并且，在上游侧排气管部53的通向连通室83内的出口侧开口53a上连接锥形管15而形成节流部21，且在该节流部21上配置有还原剂扩散机构11。此外，在与该还原剂扩散机构11对置的部位上以喷射方向朝向还原剂扩散机构11的方式安装有还原剂喷射阀35。
其中，根据如图13～图15所示那样的排气管具有折返部的结构，上游侧氧化催化剂19和NOX催化剂13以及下游侧氧化催化剂17被配置在比较近的位置上，从而能够将排气净化装置10紧凑化，并且能够提高各氧化催化剂及NOX催化剂的保温性，且能够提高净化效率。
除此之外，在例示的配置结构例以外，可以进行各种变形。但是，无论采用哪种配置结构，通过将还原剂喷射阀以喷射方向朝向还原剂扩散机构的方式安装在与还原剂扩散机构对置的正面位置上，都能够使还原剂均匀地流入至还原剂扩散机构。此外，因为还原剂不易流入至还原剂扩散机构以外的部位，所以能够降低还原剂附着在排气通路内而发生结晶化等的情况。
另外，在NOX催化剂为吸留还原型的催化剂(NSC)时，为了使流入至NOX催化剂的排气处于充足状态，有时具备与上述那样的还原剂喷射机构相同的结构的HC燃料喷射机构。在这样的排气净化装置中，也能够应用本发明。
此外，在上游侧氧化催化剂与NOX催化剂之间具有用于收集排气中的颗粒的颗粒过滤器，或者也可以代替上游侧氧化催化剂而具有涂敷有氧化催化剂的颗粒过滤器。通过具有所述的颗粒过滤器，能够一同除去排气中的颗粒及NOX。