CN105612324B - 排气净化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种能不受内燃机的排气管的配管路径影响地将排气和还原剂均匀地混合的排气净化装置。排气净化装置(1)具备设于排气管(14)内的尿素水喷射喷嘴(2)和设于该尿素水喷射喷嘴的下游侧的催化反应器(12)，将尿素水从尿素水喷射喷嘴(2)喷射至发动机(18)的排气并通过容纳于催化反应器(12)的NOx催化剂(13)来还原排气中的氮氧化物，其中，该尿素水喷射喷嘴配置为从所述排气管的轴心朝向排气的流动方向的下游侧喷射尿素水，混合器(11)连接于所述催化反应器的上游侧端部，所述混合器(11)形成为：多个板状构件(11b)以所述排气管的轴心为中心呈放射状配置，相对于排气的流动方向的所述板状构件的板面(A、B)的角度在上游侧和下游侧分别成为不同的值。

Description

排气净化装置
技术领域
本发明涉及发动机的排气净化装置。特别涉及船舶用的排气净化装置中的尿素水喷射喷嘴。
背景技术
以往，为了使来自船用发动机等的排气中所包含的NOx(氮氧化物)降低而使用选择还原型的NOx催化剂(SCR催化剂)和还原剂将NOx还原为氮和水的排气净化装置广为人知。例如，由喷射到高温排气中的尿素水生成氨并使其与NOx催化剂接触，由此，将NOx还原为氮和水。
在如上所述的排气净化装置中，为了提高NOx催化剂中的还原作用的效率而设有使排气和还原材料混合的混合器的构造广为人知。排气净化装置将通过混合器强制地混合了还原剂的排气供给至NOx催化剂，由此提高排气的还原作用。例如，如专利文献1中所记载。
但是，专利文献1中记载的排气净化装置需要以从添加剂喷射阀(喷射喷嘴)喷射的添加剂与混合器直接碰撞的方式配置添加剂喷射阀。就是说，在专利文献1中记载的排气净化装置中，混合器相对于添加剂喷射阀的位置受到限制。因此，存在根据内燃机的排气管的配管路径的不同而不能在适当的位置设置排气净化装置的添加剂喷射阀和混合器的问题。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2011-47293号公报
发明内容
发明所要解决的问题
本发明是为了解决如上所述的问题而完成的，其目的在于提供一种排气净化装置，该排气净化装置仅使喷射喷嘴和混合器保持规定的距离，就能不受从发动机至催化反应器的配管路径的限制地配置喷射喷嘴和混合器。
用于解决问题的方案
本发明所要解决的问题如上所示，接下来对用于解决该问题的方案进行说明。
即，本发明中的排气净化装置具备设于发动机的排气管内的喷射喷嘴和设于排气的流动方向上的喷射喷嘴的下游侧的催化反应器，将还原剂从喷射喷嘴喷射至发动机的排气并通过容纳于催化反应器的催化剂还原排气中的氮氧化物，其中，喷射喷嘴配置为从排气管的轴心朝向排气的流动方向的下游侧喷射还原剂，混合器连接于排气的流动方向上的催化反应器的上游侧端部，该混合器形成为：多个板状构件以排气管的轴心为中心呈放射状配置，相对于排气的流动方向的板状构件的上游侧端部的角度和相对于排气的流动方向的板状构件的下游侧端部的角度分别成为不同的值。
在本发明中，板状构件形成为相对于排气的流动方向的所述板状构件的下游侧端部的角度比相对于排气的流动方向的所述板状构件的上游侧端部的角度更大，在板状构件彼此接近的排气管的轴心设有端部形成为缩小的锥形形状的芯构件。
发明效果
由于本发明如上所述地构成，因此起到以下所示的效果。
根据本发明，均匀地喷射至排气管内的还原剂通过混合器与排气均匀地混合，因此相对于排气管不具有方向性。由此，仅使喷射喷嘴和混合器保持规定的距离，就能不受从发动机至催化反应器的配管路径的限制地配置喷射喷嘴和混合器。
根据本发明，还原剂和排气的混合效率提高。因此，不需要用于确保混合时间的从混合器至催化反应器的配管。由此，仅使喷射喷嘴和混合器保持规定的距离，就能不受从发动机至催化反应器的配管路径的限制地配置喷射喷嘴和混合器。
附图说明
图1是表示本发明的排气净化装置的整体构成的概略图。
图2是表示本发明的排气净化装置的混合器的内部的剖面立体图。
图3是表示本发明的排气净化装置的混合器的上游侧主视图。
图4是表示本发明的排气净化装置的混合器的侧面剖面图。
图5是表示本发明的排气净化装置的从混合器到催化反应器的排气的流动方式的侧面剖面图。
图6是表示本发明的排气净化装置的其他实施方式中的混合器的侧面剖面图。
具体实施方式
以下，使用图1，对作为本发明的排气净化装置的第一实施方式的排气净化装置1进行说明。需要说明的是，本实施方式中的“上游侧”是指排气的流动方向上的上游侧，“下游侧”是指排气的流动方向上的下游侧。
在本实施方式中，采用对作为一个内燃机的发动机(例如，船用发动机中的主机或辅机)设置排气净化装置的构成，但并不限定于此。在设置有多个发动机(例如，船用发动机中的辅机)的情况下，也可以是将来自多个发动机的排气集中起来并通过一个排气净化装置进行净化的构成或者按发动机设置排气净化装置的构成。
排气净化装置1净化来自发动机18的排气。排气净化装置1具备尿素水喷射喷嘴2、尿素供给流路3、空气供给流路4、加压空气阀5、空气罐6、加压空气供给泵(压缩机)7、切换阀8、尿素水供给泵9、尿素水灌10、混合器11、催化反应器12、NOx催化剂13、控制装置17等。需要说明的是，排气净化装置1使用尿素水作为还原剂，但并不限定于此。
作为还原剂的喷射喷嘴的尿素水喷射喷嘴2将作为还原剂的尿素水供给至排气管14的内部。尿素水喷射喷嘴2由管状构件构成，设置为将其一侧(喷射口侧)从与发动机18连接的排气管14的外部***内部。在尿素水喷射喷嘴2连接有作为尿素水的流路的尿素供给流路3。此外，在尿素水喷射喷嘴2连接有作为加压空气的流路的空气供给流路4。
尿素水喷射喷嘴2配置为从排气管14的轴心朝向下游侧喷射尿素水。尿素水喷射喷嘴2将其喷射口作为中心以相等的分配角度从排气管14的轴心喷射尿素水。就是说，尿素水喷射喷嘴2构成为以其喷射口为中心大致圆锥状地喷射尿素水。
加压空气阀5连通或者断开加压空气的流路。加压空气阀5设于空气供给流路4。加压空气阀5由电磁阀构成，电磁线圈(solenoid)连接于控制装置17。加压空气阀5构成为通过使未图示的阀芯(spool)滑动能将通过加压空气供给泵(压缩机)7加压至空气罐6的加压空气供给至尿素水喷射喷嘴2。
切换阀8切换尿素水的流路。切换阀8设于空气供给流路4的尿素水供给泵9的下游侧。切换阀8构成为通过使未图示的阀芯滑动能通过尿素水供给泵9将尿素水灌10的尿素水供给至尿素水喷射喷嘴2。
混合器11对排气和尿素水进行混合。混合器11与尿素水喷射喷嘴2分开规定的距离地连接于下游侧的排气管14。规定的距离是指从尿素水喷射喷嘴2喷射的尿素水在排气管14内分解成氨所需的距离。混合器11具备设于圆筒状的壳体11a的内部的4片板状构件11b和芯构件11c，该圆筒状的壳体11a形成为与排气管14内径相同。混合器11构成为通过板状构件11b和芯构件11c使从混合器11通过的排气产生旋流(参照图2)。就是说，混合器11构成为排气管14的中心部分的排气沿着排气管14的内壁面流动。
催化反应器12通过配置于内部的NOx催化剂13对排气中的NOx进行选择还原。催化反应器12形成为一侧端部和另一侧端部开口的大致长方体形状。进而，催化反应器12的一侧端部形成有缩小的锥形形状D。在催化反应器12的一侧端部连接有混合器11。即，在催化反应器12的一侧(上游侧)端部以紧密连接的方式配置有混合器11。催化反应器12的另一侧侧端部形成有缩小的锥形形状D。在催化反应器12的另一侧侧端部连接有排气管14。
NOx催化剂13促进NOx的还原反应。NOx催化剂13配置于催化反应器12的内部。NOx催化剂13促进尿素水被热解/水解而生成的氨将排气中所包含的NOx还原成氮和水的反应。
在此，对排气管14进行说明。排气管14将来自发动机18的排气排出至外部(大气)。在排气管14设有排气净化装置1的尿素水喷射喷嘴2、混合器11以及催化反应器12。此外，在排气管14设有在尿素水喷射喷嘴2的上游侧切换分支管15和排气的通过路径的排气切换阀16a、16b。就是说，在排气管14，从上游侧依次配置有排气切换阀16a、16b、尿素水喷射喷嘴2、混合器11。分支管15连接于排气管14。排气切换阀16a配置在尿素水喷射喷嘴2的上游侧且分支管15的下游侧的排气管14的内部。排气切换阀16b配置在分支管15的内部。
排气切换阀16a、16b构成为相互连动并能开闭。具体而言，排气切换阀16a、16b构成为：当排气切换阀16a为打开状态时，使排气切换阀16b成为关闭状态，当排气切换阀16a为关闭状态时，使排气切换阀16b成为打开状态。由此，在排气切换阀16a为打开状态且排气切换阀16b为关闭状态的情况下，排气管14构成将排气供给至排气净化装置1的路径(图1的状态)。另一方面，在排气切换阀16a为关闭状态且排气切换阀16b为打开状态的情况下，排气管14构成排气不被排气净化装置1净化而是通过分支管15被放出至外部(大气)的路径。需要说明的是，在排气管14也可以从上游侧依次配置尿素水喷射喷嘴2、排气切换阀16a、16b、混合器11。在该情况下，喷射尿素水时，排气切换阀16b被控制为呈关闭状态。
此外，作为其他实施方式，也可以采用的构成是：将在分支管15的连接部分选择性地使排气管14和分支管15中的任一方呈关闭状态的排气切换阀设于分支管15的连接部分。在分支管15为关闭状态的情况下，排气管14构成将排气供给至排气净化装置1的路径。另一方面，在排气管14为关闭状态的情况下，排气管14构成排气不被排气净化装置1净化而是通过分支管15被放出至外部(大气)的路径。
控制装置17对加压空气阀5、切换阀8、尿素水供给泵9、排气切换阀16a、16b等进行控制。在控制装置17储存有用于控制加压空气阀5、切换阀8、尿素水供给泵9、排气切换阀16a、16b等的各种程序和数据以及排气的限制海域图(map)M1。控制装置17也可以是通过总线连接CPU、ROM、RAM、HDD等的构成，或者也可以是由单片的LDI等形成的构成。此外，控制装置17也能够与控制发动机18的ECU19一体地构成。
控制装置17分别连接于加压空气阀5、切换阀8、尿素水供给泵9、排气切换阀16a、16b以及ECU19。此外，控制装置17连接于GPS(Global Positioning System，全球定位***)装置20。
控制装置17能从ECU19分别取得关于发动机18的各种信息。控制装置17连接于GPS(Global Positioning System，全球定位***)装置20，并且能取得GPS装置20所检测的位置。此外，控制装置17能分别控制加压空气阀5、尿素水供给泵9、切换阀8以及排气切换阀16a、16b。
在这样构成的排气净化装置1中，例如在搭载于船舶的情况下，控制装置17取得GPS装置20所检测的船舶的现在位置，根据限制海域图M1判断现在位置是否为排气的限制海域。在判断为现在位置是排气的限制海域的情况下，控制装置17将排气切换阀16a控制为打开状态且将排气切换阀16b控制为关闭状态。即，排气通过排气净化装置1净化之后向外部排出。在判断为现在位置不是排气的限制海域的情况下，控制装置17将排气切换阀16a控制为关闭状态且将排气切换阀16b控制为打开状态。即，排气不被排气净化装置净化而是通过分支管15向外部排出。需要说明的是，控制装置17也能够取得通过手动操作产生的排气切换阀16a/16b的开闭信号，根据开闭信号来控制排气切换阀16a、16b。
接下来，使用图2～图4，对混合器11的构造进行详细说明。
如图2～图4所示，混合器11由壳体11a、4个板状构件11b以及芯构件11c构成。
壳体11a是混合器11的主要构成构件。壳体11a由具有与排气管14大致相同的内径的圆筒状构件形成。壳体11a的上游侧以其轴心与排气管14的轴心一致的方式连接于排气管14，下游侧连接于催化反应器12的一侧端部。即，壳体11a连接于排气管14而构成排气通路。
4个板状构件11b是使排气的流动形成旋流的构件。4个板状构件11b以壳体11a的轴心为中心放射状地配置于壳体11a的内部。具体而言，使4个板状构件11b的一侧端面朝向壳体11a的轴心，4个板状构件11b的另一侧端面分别固定于壳体11a的内侧面。此时，4个板状构件11b按等角度(在本实施方式中为按90°)进行配置(参照图2、图3)。需要说明的是，在本实施方式中，虽然将板状构件11b的数量设为4个，但并不限定于此。
板状构件11b配置为其上游侧和下游侧相对于排气的流动方向分别形成规定的角度。就是说，板状构件11b在其中途部弯曲。具体而言，板状构件11b以如下方式弯曲：将比弯曲位置更靠近上游侧的板面A的相对于排气的流动方向的角度(以下，简称为“倾斜角”)设为倾斜角θ1，将比弯曲位置更靠近下游侧的板面B的倾斜角设为倾斜角θ2。进而，板状构件11b以倾斜角θ2大于倾斜角θ1的方式弯曲。就是说，板状构件11b构成为随着从上游侧朝向下游侧，倾斜角变大。需要说明的是，板状构件11b也可以是板面A与板面B之间弯曲形成为圆弧状的构成。
芯构件11c阻塞混合器11的轴心部。芯构件11c形成为大致棒状。芯构件11c以其轴心与壳体11a的轴心一致的方式配置于壳体11a的内部。在芯构件11c的沿着排气的流动方向的侧面固定有4个板状构件11b的一侧端面。就是说，芯构件11c通过4个板状构件11b被固定支承。此外，4个板状构件11b介由芯构件11c彼此固定。
在芯构件11c的上游侧端部形成有朝向上游侧缩小的锥形形状C。进而，在芯构件11c的下游侧端部形成有朝向下游侧缩小的锥形形状C。具体而言，芯构件11c的上游侧端部和下游侧端部形成为以其轴心为顶点的圆锥状。由此，芯构件11c构成为阻塞混合器11的轴心部，将流入混合器11的轴心部的排气引导至配置于周围的4个板状构件11b(参照图4中的黑色箭头)。
此外，作为其他实施方式，混合器11也可以由如图6所示地形成为弯曲形状的板状构件11d构成。具体而言，混合器11形成为从上游侧的倾斜角θ1连续地(圆弧状地)变化至下游侧的倾斜角θ2。就是说，混合器11构成为：从上游侧到下游侧，形成为圆弧状的板状构件11b的板面的切线方向与排气的流动方向所形成的倾斜角从倾斜角θ1变化至倾斜角θ2。
接下来，使用图3～图5，对从尿素水喷射喷嘴2喷射的尿素水通过混合器11和催化反应器12被混合的方式进行详细说明。
如图5所示，尿素水喷射喷嘴2配置为喷射口的中心与排气管14的轴心F一致。尿素水喷射喷嘴2将由于加压空气的作用而变成雾状的尿素水从排气管14的轴心以圆锥状喷射至排气管14内。尿素水喷射喷嘴2在排气管14内将尿素水喷洒至垂直于排气的流动方向的面中的排气的整个流域。因此，尿素水喷射喷嘴2将尿素水均匀地喷射至排气管14的内部，所以相对于排气管14不具有方向性。即，如上所述的尿素水喷射喷嘴2的配置能抑制排气管14的配管路径对尿素水的分散状态的影响。
被喷射了雾状的尿素水的排气通过排气管14被引导至混合器11。如图3所示，混合器11构成为从其轴向观察的由板状构件11b和芯构件11c构成的构造以轴心为中心呈点对称。就是说，混合器11在排气管14的内部对从垂直于排气的流动方向的面中的排气的整个流域通过的排气进行混合。因此，混合器11均匀地混合从排气管14供给的排气，所以相对于连接的排气管14不具有方向性。即，仅使尿素水喷射喷嘴2和混合器11保持规定的距离，混合器11的性能就不会根据排气管14的配管路径的不同而产生变动。
如图3～图5所示，混合器11通过板状构件11b的板面A以排气的流动方向沿着板面A的方向的方式进行引导。就是说，混合器11将排气的流动方向变为倾斜角θ1的方向。进而，混合器11通过板状构件11b的板面B以排气的流动方向沿着板面B的方向的方式进行引导。就是说，混合器11将排气的流动方向变为倾斜角θ2的方向。由此，排气朝向混合器11的壳体11a的内侧面流动，并在壳体11a的内侧面的周向移动。其结果，在排气的流动中产生旋流，排气和尿素水进行混合(参照图3中的黑色箭头)。
在混合器11中，由板状构件11b在排气所产生的阻力比将板状构件11b的倾斜角统一设为倾斜角θ2的情况降低。进而，在混合器11中，通过板状构件11b所产生的排气的旋流比将板状构件11b的倾斜角统一设为倾斜角θ1的情况变大。即，混合器11能抑制由倾斜角在上游侧和下游侧变化的板状构件11b在排气所产生的阻力，并加大由板状构件11b在排气所产生的旋流。
此外，混合器11通过芯构件11c的端部的锥形形状C将送至混合器11的轴心部的排气引导至板状构件11b。就是说，混合器11将作为旋流的中心的混合器11的轴心部的排气引导至板状构件11b，由此提高混合效率。
如图5所示，从混合器11通过的排气以产生旋流的状态被供给至与混合器11连接的催化反应器12。催化反应器12通过形成于其一侧端部的锥形形状D来增大排气的旋流的旋转直径。由此，排气与尿素水均匀地混合，并且遍及配置于催化反应器12的内部的NOx催化剂13。因此，在混合器11和催化反应器12之间不需要设置用于确保使排气和尿素水混合的混合时间的空间。
如上所述地构成的排气净化装置1以尿素水从排气管14的轴心以相等的分配角度喷射的方式设有尿素水喷射喷嘴2，并且设有以排气管14的轴心为中心点对称地构成的混合器，由此排气和尿素水不受排气管14的配管路径的影响地进行混合。此外，使混合器11的板状构件11b的倾斜角变化，并将芯构件11c配置于轴心部，由此，排气和尿素水高效且均匀地混合。进而，通过将催化反应器12的一侧端部形成为锥形形状D，从而不需要用于确保混合时间的从混合器11至催化反应器12的配管。由此，能不受从发动机18至催化反应器12的排气管14的配管路径的限制地配置尿素水喷射喷嘴2和混合器11。
产业上的可利用性
本发明能利用于发动机的排气净化装置，特别是，能适用于船舶用的排气净化装置中的尿素水喷射喷嘴。
附图标记说明：
1 排气净化装置
2 尿素水喷射喷嘴
11 混合器
11b 板状构件
12 催化反应器
13 NOx催化剂
14 排气管
18 发动机

Claims (1)

1.一种排气净化装置，具备设于发动机的排气管内的喷射喷嘴和设于排气的流动方向上的喷射喷嘴的下游侧的催化反应器，将还原剂从喷射喷嘴喷射至发动机的排气并通过容纳于催化反应器的催化剂来还原排气中的氮氧化物，其中，
所述喷射喷嘴配置为从排气管的轴心朝向排气的流动方向的下游侧喷射还原剂，
混合器连接于排气的流动方向上的催化反应器的上游侧端部，所述混合器形成为：多个板状构件以排气管的轴心为中心呈放射状配置，所述板状构件的上游端相对于排气的流动方向形成倾斜角θ1，所述板状构件的下游端相对于排气的流动方向在与所述倾斜角θ1的倾斜方向相对称的方向上形成大于所述倾斜角θ1的倾斜角θ2，从所述板状构件的上游端起直至下游端为止，相对于排气的流动方向设有所述倾斜角θ1以上且θ2以下的倾斜角，
所述板状构件彼此接近的排气管的轴心设有端部形成为缩小的锥形形状的芯构件。
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