用于內燃機的排氣系統結構的制作方法
【專利摘要】本發明的目的是在配備有將尿素水溶液添加至排氣的添加裝置的排氣系統結構中，通過簡單措施來防止或減少尿素的沉積。根據本發明的用于內燃機的排氣系統結構包括：排氣管，其連接至內燃機；以及添加裝置，其位于排氣管的中途來將尿素水溶液添加至在排氣管中流動的排氣。排氣管的通過添加裝置所添加的尿素水溶液所沖擊到的部分的外壁與排氣系統的布置在上述部分的上游處的部件的外壁接觸，以便升高上述部分的溫度。
【專利說明】
用于內燃機的排氣系統結構
技術領域
[0001]本發明涉及一種用于內燃機的排氣系統結構，并且更具體地，涉及一種配備有將尿素水溶液等添加至排氣的添加裝置的排氣系統結構。
【背景技術】
[0002]已知一種用于內燃機的排氣系統結構，其具有SCR(SelectiveCatalyticReduct1n，選擇性催化還原)催化劑和用于將尿素水溶液添加至SCR催化劑的上游處的排氣的添加裝置，兩者都附接至排氣管。在該排氣系統結構中，存在通過添加裝置添加的尿素水溶液可附著至排氣管的內表面的可能。
[0003]尤其近些年，出于提高SCR催化劑的排氣凈化率的目的或者由于有限的安裝空間，SCR催化劑趨于布置在排氣系統中的上游位置處。在這種布置中，需要將尿素水溶液添加在緊鄰SCR催化劑的上游的狹小空間中。結果，如此通過添加裝置添加的尿素水溶液可能會附著至排氣管的內表面。
[0004]隨著附著至排氣管的內表面的尿素水溶液中的水蒸發，析出了尿素。當這發生時，如果排氣管的內表面的溫度在大約140攝氏度的低溫度范圍中，則析出的尿素可以沉積在內表面上。即使在內表面的溫度高時，如果通過添加裝置添加了大量的尿素水溶液，則排氣管的內表面會被尿素水溶液冷卻，這可能導致尿素沉積在內表面上。
[0005]針對上述問題的一種已知對策是:在SCR催化劑的上游的排氣通道中設置一種電氣加熱式熱板，并將尿素水溶液噴或滴在該熱板上(參見專利文獻I)。
[0006]還已知一種還原劑添加系統，其適于通過布置在渦輪增壓器的渦輪的下游的添加閥來將尿素水溶液注入到排氣管中的排氣中，并且該添加系統設置有排氣注入系統，其適于將渦輪的上游的排氣注入到排氣管中的通過添加閥的注入所指向的空間中(參見專利文獻2)。
[0007]還已知一種系統，其適于將渦輪增壓器的壓縮機的下游的進氣引入到設置在排氣歧管中的蒸發器中，并將還原劑添加到該進氣中(參見專利文獻3)。
[0008]還已知一種系統，其適于將還原劑供應到旁路通道中，該旁路通道將渦輪增壓器的渦輪的上游的排氣通道與渦輪的下游的排氣通道連接(參見專利文獻4)。
[0009]還已知一種系統，其適于將尿素水溶液供應到渦輪增壓器的渦輪的上游的排氣通道中(參見專利文獻5)。
[0010]引用列表
[0011]專利文獻
[0012]專利文獻1:日本專利申請公開第2006-017043號
[0013]專利文獻2:日本專利申請公開第2013-160128號
[0014]專利文獻3:日本專利申請公開第2013-124555號
[0015]專利文獻4:日本專利申請公開第2013-007335號
[0016]專利文獻5:日本專利申請公開第2011-127471號
【發明內容】
[0017]技術問題
[0018]在專利文獻I所描述的系統中，有必要額外地提供熱板和用于熱板的驅動單元，這可能導致排氣系統的結構的復雜性以及功耗的增加。
[0019]在專利文獻2和4所描述的系統中，流入渦輪的排氣的量的下降可導致渦輪增壓器的增壓效果不充分。
[0020]在專利文獻3所描述的系統中，有必要將蒸發器容納在排氣歧管中，這會導致排氣歧管的尺寸的增加。而且，有必要設置用于將來自壓縮機的下游的進氣通道的進氣引導至排氣歧管中的蒸發器的通道，這會導致管道的復雜性。出于這個原因，具有小容納空間的車輛可能不會采用這種系統。
[0021]在專利文獻5所描述的系統中，有必要在渦輪的上游的位置處設置尿素水溶液供應單元。因此，尿素水溶液供應單元暴露至高溫下，這可能導致尿素水溶液供應單元的耐久性變差。
[0022]考慮到上述情況而進行了本發明，并且其目的是在設置有將尿素水溶液等添加至排氣的添加裝置的排氣系統結構中，通過簡單措施來防止或減少尿素的沉積。
[0023]問題的解決方案
[0024]為了解決上述問題，在配備有將尿素水溶液等添加到排氣的添加裝置的根據本發明的排氣系統結構中，利用從排氣系統的附接有添加裝置的位置的上游處布置的部件散發的熱能來加熱通過添加裝置所添加的尿素水溶液所沖擊的部分。
[0025]具體而言，根據本發明，提供了一種用于內燃機的排氣系統結構，包括:
[0026]排氣管，其連接至內燃機;以及
[0027]添加裝置，其位于所述排氣管的中途(midway)來將尿素水溶液添加至在所述排氣管中流動的排氣，
[0028]其中，所述排氣管的通過所述添加裝置所添加的尿素水溶液所沖擊到的部分設置有熱接收部，所述熱接收部接收從排氣系統的布置在所述部分的上游的部件的外壁所散發的熱。
[0029]在上述結構中，熱接收部接收從排氣系統的布置在熱接收部的上游的部件的外壁散發的熱。而且，由熱接收部所接收的熱來加熱該排氣管的通過添加閥添加的尿素水溶液所沖擊到的部分。
[0030]排氣管接收在排氣管中流動的排氣的熱，并且還接收通過排氣管的壁從排氣管的上游部傳遞至下游部的熱。排氣管從排氣接收的熱量在沿排氣的流動方向的下游部比上游部小。而且，由于通過排氣管的壁傳遞的熱部分地從排氣管的外壁散發到大氣中，因此通過排氣管的壁傳遞的熱量在沿排氣的流動方向的下游部比上游部小。
[0031]因此，排氣管的壁的溫度在沿排氣的流動方向的下游部比在上游部低。因此，從排氣系統的布置在上游的部件的外壁散發的熱量比從排氣系統的布置在下游的部件的外壁散發的熱量大。
[0032]當排氣管的尿素水溶液所沖擊的部分(下文將稱為“沖擊部”)設置有熱接收部時，沖擊部除了被從在排氣管中流動的排氣接收的熱以及通過排氣管的壁傳遞的熱加熱以外，沖擊部還被熱接收部從排氣系統的上游部件接收的熱來加熱。
[0033]結果，沖擊部的溫度升高以防止或減少尿素在沖擊部上的沉積。即使在通過添加裝置添加大量尿素水溶液的情況下，也會防止或減少沖擊部的溫度的降低，因為沖擊部被熱接收部所接收的熱所加熱。因此，即使在通過添加裝置添加了大量尿素水溶液的情況下，也可以防止或減少尿素在沖擊部上的沉積。由于根據本發明的排氣系統結構利用了從排氣系統的布置在上游的部件散發的廢熱，因此沒有必要額外地設置電加熱器等。
[0034]本發明的熱接收部可以布置成與排氣系統的布置在熱接收部的上游的部件的外壁相接觸。具體而言，排氣管可以以熱接收部與排氣系統的上游部件相接觸的方式來布置。在這種情況下，由于從排氣系統的上游部件散發的熱直接傳遞至熱接收部，因此可以更可靠地升高沖擊部的溫度。此外，排氣系統的部件可以緊湊地布置。這提供了另一優勢:該系統可以安裝在具有小安裝空間的車輛的發動機艙中。
[0035]可以存在如下情況:由于有限的安裝空間等，難以使熱接收部與排氣系統的上游部件的外壁彼此接觸。在這種情況下，熱接收部和排氣系統的上游部件的外壁可以通過傳熱構件來連接。在這種情況下，排氣系統的上游部件的熱通過傳熱構件傳遞至熱接收部。
[0036]在本發明中，排氣系統的布置在所述熱接收部的上游的部件可以是排氣歧管或渦輪增壓器的渦輪殼。由于排氣歧管緊鄰內燃機的下游布置，因此排氣歧管散發了最大量的熱。由于渦輪殼緊鄰排氣歧管的下游布置，因此渦輪殼也散發了大量的熱。因此，如果熱接收部接收從排氣歧管或渦輪殼散發的熱，則熱接收部可以接收大量的熱從而可以升高沖擊部的溫度。
[0037]根據本發明，用于內燃機的排氣系統結構包括排氣管和添加裝置，其中該排氣管連接至內燃機，該添加裝置位于排氣管的中途以將尿素水溶液添加至在排氣管中流動的排氣中，在所述排氣系統結構中，所述排氣管的通過所述添加裝置所添加的尿素水溶液所沖擊到的部分可以設置有具有比其他部分高的熱容量的蓄熱部。
[0038]在該結構中，排氣管的通過添加裝置所添加的尿素水溶液所沖擊到的部分(沖擊部)具有比其他部分大的熱容量。這在尿素水溶液沖擊在沖擊部上時，使沖擊部的溫度的下降更小。因此，即使通過添加裝置添加了大量尿素水溶液，沖擊部的溫度的下降也小，且尿素不太可能沉積在沖擊部上。
[0039]如果沖擊部的熱容量大，則可能存在以下擔憂:例如，當內燃機冷起動時，難以升高沖擊部的溫度。然而，當布置在沖擊部的下游的排氣凈化設備(例如，SCR(選擇性催化還原)催化劑)還沒有變得有活性時，不通過添加裝置來添加尿素水溶液。在SCR催化劑變得有活性時，沖擊部的溫度已變得足夠高，從而在開始通過添加裝置添加尿素水溶液時，尿素不太可能沉積在沖擊部上。
[0040]使沖擊部的熱容量大的方法可以是使排氣管的厚度在沖擊部中比在其他部分中大，或在沖擊部中采用具有比制成其他部分的材料高的熱容量的材料。
[0041]本發明的有益效果
[0042]根據本發明，可以在設置有將尿素水溶液等添加至排氣的添加裝置的排氣系統結構中，通過簡單措施來防止或減少尿素的沉積。
【附圖說明】
[0043]圖1為示出了根據第一實施例的用于內燃機的排氣系統結構的示意圖。
[0044]圖2為示出了根據第一實施例的用于內燃機的排氣系統結構的變形例的示意圖。
[0045]圖3為示出了根據第一實施例的用于內燃機的排氣系統結構的變形例的示意圖。
[0046]圖4為示出了根據第一實施例的用于內燃機的排氣系統結構的變形例的示意圖。
[0047]圖5為示出了根據第一實施例的用于內燃機的排氣系統結構的變形例的示意圖。
[0048]圖6為示出了根據第一實施例的用于內燃機的排氣系統結構的變形例的示意圖。
[0049]圖7為示出了根據第二實施例的用于內燃機的排氣系統結構的示意圖。
[0050]圖8為示出了通過添加閥注入的尿素水溶液的量與沖擊部的壁表面的溫度之間的關系的曲線圖。
[0051]圖9為示出了根據第二實施例的用于內燃機的排氣系統結構的變形例的示意圖。
【具體實施方式】
[0052]在下文中，將參照附圖來描述本發明的具體實施例。除非特別說明，否則將要結合實施例描述的部件的尺寸、材料、形狀、相對布置以及其他特征并非意在將本發明的技術范圍限制于此。
[0053]實施例1
[0054]首先，將參照圖1至圖6來描述本發明的第一實施例。圖1是示出了根據本發明的用于內燃機的排氣系統結構的示意圖。
[0055]圖1示出的內燃機I是具有多個氣缸的壓燃式內燃機1(柴油機)。內燃機I可以是在稀燃狀態下運行的火花點火式內燃機(汽油機)。
[0056]內燃機I與排氣歧管3連接。排氣歧管3包括已燃燒氣體(排氣)從內燃機I的氣缸2排出所經過的多個支管，以及與支管會合成的會合部。
[0057]排氣歧管3的會合部連接至渦輪殼40的入口，該渦輪殼為渦輪增壓器4的部件。渦輪殼40的出口連接至排氣管5。第一催化劑罩6位于排氣管5的中途。
[0058]第一催化劑罩6是一種將顆粒過濾器和氧化催化劑容納其中的圓柱形罩。氧化催化劑可以布置在顆粒過濾器的上游或者支撐在顆粒過濾器上。第一催化劑罩6中所容納的可以是三元催化劑或存儲還原催化劑而非氧化催化劑。
[0059]第一催化劑罩6的下游的排氣管5設置有第二催化劑罩7。第二催化劑罩7是一種將選擇性催化還原催化劑(SCR催化劑)、氧化催化劑等容納其中的圓柱形罩。在第二催化劑罩7中所容納的可以是其上支撐有SCR催化劑的顆粒過濾器。在這種情況下，氧化催化劑可以設置在第一催化劑罩6中。可替代的，第一催化劑罩6可以被去除，且氧化催化劑可以設置在第二催化劑罩7中。
[0060]添加閥8附接至第一催化劑罩6和第二催化劑罩7之間的排氣管5。添加閥8是一種用以將尿素水溶液添加到在排氣管5中流動的排氣的閥門單元，且對應于根據本發明的添加裝置。尿素水溶液通過添加閥8的添加由電子控制單元(ECU，未示出)來控制。
[0061]在如上所述的用于內燃機I的排氣系統結構中，通過添加閥8添加至排氣的尿素水溶液隨排氣流入第二催化劑罩7中。然后，尿素水溶液從待分解的排氣接收熱，或者尿素水溶液由第二催化劑罩7中的SCR催化劑來水解。尿素水溶液的熱分解或水解生成了氨(NH3)。由此生成的NH3由SCR催化劑來吸附或存儲。吸附或存儲在SCR催化劑中的NH3與排氣中包含的氮氧化物(NOx)反應而生成氮(N2)和水(H2O)。因而，NH3充當NOx的還原劑。
[0062]存在通過添加閥8添加的尿素水溶液可附著至排氣管5的內表面的可能性。然后，隨著尿素水溶液中的水成分蒸發，尿素析出。當暴露至大約200攝氏度到300攝氏度的范圍內的高溫時，從尿素水溶液析出的尿素被從排氣管5的內表面去除。然而，當排氣管5的壁表面處于大約140攝氏度的低溫時，存在從尿素水溶液析出的尿素可沉積在排氣管5的內表面上的可能性。
[0063]作為對此的對策，如圖1所示，根據本實施例的用于內燃機的排氣系統結構設置有熱接收部50，其設置在排氣管5的通過添加閥8添加(或注入)的尿素水溶液所沖擊到的部分(沖擊部)上。熱接收部50接收從上述部分的排氣系統上游的部件的外壁散發的熱。具體而言，排氣管5以排氣管5的沖擊部的外壁與排氣歧管3的外壁接觸的方式布置。而且，添加閥8以尿素水溶液朝排氣管5的與排氣歧管3的外壁接觸的那部分的內表面注入的方式附接至排氣管5。
[0064]排氣管5接收在排氣管5中流動的排氣的熱，并且還接收通過排氣管5的壁從排氣管5的上游部向下游部傳遞的熱。排氣管5從排氣接收的熱量在關于排氣的流動的上游部比在下游部大。由于通過排氣管5的壁傳遞的熱部分地從排氣管5的外壁散發到大氣中，因此通過排氣管5的壁傳遞的熱量在關于排氣的流動的上游部比在下游部大。
[0065]因此，排氣管5的壁的溫度在關于排氣的流動的上游部比在下游高。結果，從排氣系統的布置在上游的部件的外壁散發的熱量大于從排氣系統的布置在下游的部件的外壁散發的熱量。尤其地，布置在內燃機I的排氣系統中的最上游的排氣歧管3除了接收排氣的熱外，還接收內燃機I的熱。結果，排氣歧管3的溫度顯著地高于上述沖擊部的溫度。
[0066]如果熱接收部50設置在上述沖擊部上，則沖擊部除了被從在排氣管5中流動的排氣接收的熱以及通過排氣管5的壁傳遞的熱加熱之外，沖擊部還被由熱接收部從排氣歧管3接收的熱來加熱。
[0067]結果，沖擊部的溫度升高，從而防止了尿素在沖擊部上沉積。而且，即使在通過添加閥8添加大量尿素水溶液的情況下，也防止了沖擊部的溫度的降低，因為沖擊部被由熱接收部50接收的熱來加熱。因此，即使在通過添加閥8來添加大量尿素溶液的情況下，也防止了尿素在沖擊部上沉積。
[0068]在如上所述的本實施例的用于內燃機的排氣系統結構中，由于利用從排氣系統的布置在沖擊部的上游的部件散發的廢熱來加熱沖擊部，因此無需提供電加熱器等，從而可以通過簡單結構防止尿素的沉積。
[0069]在上述圖1所示的示意性情況下，第一催化劑罩6和第二催化劑罩7以第一催化劑罩6中的排氣的流動方向和第二催化劑罩7中的排氣的流動方向相同的方式來布置。然而，根據本發明的用于內燃機的排氣系統不限于圖1所示的布置。
[0070]例如，如圖2和圖3所示，在流出第一催化劑罩6的排氣在轉向180度之后流入第二催化劑罩7的結構中，位于第一催化劑罩6和第二催化劑罩7之間的排氣管5的外壁的一部分也可以布置成與排氣歧管3的外壁接觸，且添加閥8可以以朝排氣管5在該接觸部處的內表面注入尿素水溶液的方式附接至排氣管5。
[0071]此外，如圖4所示，在流出第一催化劑罩6的排氣在轉向90度之后流入第二催化劑罩7中的結構中，位于第一催化劑罩6和第二催化劑罩7之間的排氣管5的外壁的一部分可以布置成與排氣歧管3的外壁接觸，且添加閥8可以以朝排氣管5在該接觸部處的內表面來注入尿素水溶液的方式附接至排氣管5。
[0072]如果由于有限的安裝空間或其他原因而難以使排氣管5的外壁與排氣歧管3的外壁彼此接觸，則位于第一催化劑罩6和第二催化劑罩7之間的排氣管5的外壁的一部分可以與渦輪殼40的外壁接觸，且添加閥8可以以朝排氣管5在該接觸部處的內表面來注入尿素水溶液的方式附接至排氣管5。
[0073]可替代地，如圖6所示，位于第一催化劑罩6和第二催化劑罩7之間的排氣管5的外壁的一部分與排氣歧管3的外壁可以通過由具有高導熱性的材料制成的支撐構件(或支柱)51來連接或橋接，且添加閥8可以以朝排氣管5在該連接部處的內表面來注入尿素水溶液的方式附接至排氣管5。上述支撐構件51可以將位于第一催化劑罩6和第二催化劑罩7之間的排氣管5的外壁的一部分與渦輪殼40的外壁連接。對于將位于第一催化劑罩6和第二催化劑罩7之間的排氣管5的外壁的一部分與排氣歧管3(或渦輪殼40)的外壁連接的構件而言，重要的是其具有傳熱功能，而其不必具有支撐功能。
[0074]對于上述各種結構，可以利用從排氣系統的布置在沖擊部的上游的部件(諸如排氣歧管3和渦輪殼40)的外壁散發的廢熱，來升高沖擊部的溫度。結果，可以在不額外地提供電加熱器等的情況下，防止尿素在沖擊部上的沉積的發生。
[0075]〈實施例2>
[0076]下面，將參照圖7至圖9來描述本發明的第二實施例。在下文中，將描述與第一實施例中的特征不同的特征，并且相似的特征將不進行描述。
[0077]在第一實施例中，已經描述了熱接收部設置在排氣管5的通過添加閥8所注入的尿素水溶液所沖擊到的部分上的情況。在本實施例中，將描述蓄熱部設置在該沖擊部上的情況。
[0078]圖7是示出了本實施例中的用于內燃機的排氣系統結構的示意圖。在圖7中，與上述第一實施例中的部件相同的部件通過相同的參考標號來標記。在圖7示出的排氣系統結構中，蓄熱部52設置在排氣管5的通過添加閥8所注入的尿素水溶液所沖擊到的部分上。
[0079]蓄熱部52適于具有大于排氣管5的其他部分的熱容量。具體而言，排氣管5的壁厚在蓄熱部52中比在其他部分中大。可替代地，蓄熱部52由具有比制成排氣管5的材料大的熱容量的材料制成。
[0080]如果通過添加閥8注入了相對大量的尿素水溶液，則沖擊在沖擊部上的尿素水溶液的量變大。隨著沖擊在沖擊部上的尿素水溶液的量增大，從沖擊部傳遞到尿素水溶液的熱量增大，這導致沖擊部的溫度下降。
[0081]圖8示出了通過添加閥8注入的尿素水溶液的量與沖擊部的壁表面的溫度之間的關系。如圖8所示，隨著通過添加閥8注入的尿素水溶液的量增大，沖擊部的壁表面的溫度趨于降低。因此，當通過添加閥8注入的尿素水溶液的量變大時，存在沖擊部的壁表面的溫度可降低至以下溫度范圍的可能性:在該溫度范圍下，從尿素水溶液析出的尿素不能被完全去除。
[0082]作為對此的對策，本實施例的用于內燃機的排氣系統結構在沖擊部上設置有蓄熱部52，通過該蓄熱部，即使當大量尿素水溶液沖擊在沖擊部上時，也防止了沖擊部的壁表面的溫度大大地降低。結果，可以防止尿素從尿素水溶液析出以及已析出的尿素在沖擊部上的沉積。
[0083]可能存在以下擔憂:例如，當內燃機I冷起動時，設置在沖擊部上的蓄熱部52使得沖擊部的溫度難以升高。然而，直到布置在沖擊部的下游的SCR催化劑變得有活性，才通過添加閥8注入尿素水溶液。在SCR催化劑變得有活性時，沖擊部的溫度已經變得足夠高，從而在開始通過添加閥8來添加尿素水溶液時，尿素不太可能沉積在沖擊部上。
[0084]第一實施例中的熱接收部和本實施例中的蓄熱部可被結合使用。例如，如圖9所示，該系統可以以如下方式布置:排氣管5的通過添加閥8所注入的尿素水溶液所沖擊到的部分的外壁布置成與排氣歧管3的外壁接觸，且排氣管5的熱容量在該接觸部中比在其他部分中大。如果是這種情況，則隨著通過添加閥8注入大量尿素水溶液，沖擊部的溫度的下降變得更小。結果，可以更可靠地防止尿素在沖擊部上的沉積。
[0085]參考標記列表
[0086]1:內燃機
[0087]2:氣缸
[0088]3:排氣歧管
[0089]4:渦輪增壓器
[0090]5:排氣管
[0091]6:第一催化劑罩
[0092]7:第二催化劑罩
[0093]8:添加閥
[0094]40:渦輪殼
[0095]50:熱接收部
[0096]52:蓄熱部
【主權項】
1.一種用于內燃機的排氣系統結構，包括: 排氣管，其連接至所述內燃機；以及 添加裝置，其位于所述排氣管的中途以將尿素水溶液添加至在所述排氣管中流動的排氣中， 其特征在于，所述排氣管的通過所述添加裝置所添加的尿素水溶液所沖擊到的部分設置有熱接收部，所述熱接收部接收從所述排氣系統的布置在所述部分的上游的部件的外壁所散發的熱。2.根據權利要求1所述的用于內燃機的排氣系統結構，其特征在于，所述熱接收部與所述排氣系統的布置在所述熱接收部的上游的所述部件的所述外壁相接觸。3.根據權利要求1所述的用于內燃機的排氣系統結構，其特征在于，所述熱接收部通過傳熱構件與所述排氣系統的布置在所述熱接收部的上游的所述部件的所述外壁連接。4.根據權利要求1至3中的任一項所述的用于內燃機的排氣系統結構，其特征在于，所述排氣系統的布置在所述熱接收部的上游的所述部件為排氣歧管。5.根據權利要求1至3中的任一項所述的用于內燃機的排氣系統結構，其特征在于，所述排氣系統的布置在所述熱接收部的上游的所述部件為渦輪增壓器的渦輪殼。6.—種用于內燃機的排氣系統結構，包括: 排氣管，其連接至所述內燃機；以及 添加裝置，其位于所述排氣管的中途以將尿素水溶液添加至在所述排氣管中流動的排氣中， 其特征在于，所述排氣管的通過所述添加裝置所添加的尿素水溶液所沖擊到的部分設置有具有比其他部分大的熱容量的蓄熱部。
【文檔編號】F01N3/20GK105940194SQ201580005373
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2015年1月28日
【發明人】佐藤正明, 淺浦慎也
【申請人】豐田自動車株式會社