JP2002543337A - 排ガス後処理装備の調量弁のための弁受容装置 - Google Patents

排ガス後処理装備の調量弁のための弁受容装置

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Abstract

(57)【要約】 排ガスから調量弁に作用する廃熱を、温度の低い環境にある凝縮ゾーンへ搬送するために弁受容装置内にて、調整されていないヒートパイプを使用することにより、簡単な形式で、調量弁を冷却し、高い温度に基づく還元媒体の化学的な変化を予防することができた。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 発明の属する技術分野 本発明は、請求項１の上位概念として記載した排ガス後処理装備の調量弁のた
めの弁受容装置に関する。
【０００２】 燃料がシリンダの燃焼室へ直接的に噴射されるディーゼル内燃機関及び稀薄燃
料運転されるオット内燃機関においては、該内燃機関が運転される高い空気過剰
率に基づき高いＮＯｘエミッションの発生する傾向がある。前記形式の内燃機関
の排ガスにおけるＮＯｘ−含有量の低減のためにはいわゆるセレクティブカタリ
ティクリダクション（ＳＣＲ）法が公知である。この場合には還元触媒器の上流
側の１箇所にて電気的に制御された調量装置を用いて還元媒体が排ガス流へ送り
込まれる。この還元媒体は排ガスに包含された窒素酸化物を酸素の存在で還元触
媒器にて無害のＮ２とＨ２Ｏに変換する。このような方法は例えば、「乗用自動
車における未来のエミッション限界値を遵守するための調整された排ガス後処理
システム」Schoeppe et al, 17. Internat. Wiener Motorensymposium, 1996, B
d.1, の公開文献に記載されている。還元媒体としてはアンモニアＮＨ３が用い
られ、取扱い性の理由から尿素水溶液が使用される。しかしながら、燃料又は誘
導体を還元媒体として使用することもできる。
【０００３】 このような排ガス後処理システムにおいては内燃機関の制御装置により又は特
別な制御装置、多くの場合には調量制御装置又はＤＥＮＯｘ制御装置と呼ばれる
特別な制御装置により連続的に、調量しようとする還元媒体の目標量が、内燃機
関の運転パラメータ、例えば燃焼室へ供給された燃料量、運転温度及び回転数並
びに還元触媒器の温度の基本状態に合わせて算出される。
【０００４】 この場合、調量装置としては、有利には通常の噴射弁、例えば低圧ガソリン噴
射設備にて使用されるような噴射弁が使用される。このような噴射弁（調量弁）
の変えられた使用目的、つまり還元媒体、例えば尿素水溶液を噴射するという目
的に相応して、少なくとも尿素溶液に直接的に晒される弁のコポーネントが耐尿
素性の材料（高級鋼、被覆された金属、プラスチック）から製作され、弁の出口
開口の幾何学的な形状が燃料調量に際して供給する量に較べて小さい供給量に適
合させられる。
【０００５】 前述のようなＳＣＲーシステムにおいては還元媒体は排ガスへ直接的に加えら
れるので、調量弁は適宜な受容装置又はアダプタを用いて、液体噴流が熱い排ガ
ス流に侵入しかつ気化されるように排ガス導管に固定される。この場合には液体
がアダプタ又は排ガス導管の壁を濡らすことは回避したい。何故ならばこの結果
、所定の温度領域では堆積物が前記壁に形成されることになるからである。
【０００６】 排ガス温度は不利な条件では調量弁のところで５００℃よりも高くなる。これ
は供給しようする還元媒体及び調量弁自体に不都合な影響を及ぼす。
【０００７】 従来の低圧ガソリン噴射弁の使用は通常は所定の温度まで、一般的には約１３
０℃までしか許されない。その理由はコイル構造、特に電磁的な駆動装置のため
のコイルの絶縁及び使用された材料、例えばシールの耐熱強度にある。
【０００８】 噴射弁又は少なくともその部分が前記最大許容温度の上の温度で比較的に長く
加熱されると、噴射弁の完全な欠落に及び機能障害が発生する。
【０００９】 還元媒体として尿素水溶液を使用した場合には、尿素水溶液は所定の温度限界
（一般的には上限約７０℃）を越えて比較的に長時間加熱されてはならない。何
故ならば尿素は前記臨界温度の上の温度では他の化学的な化合物に変換しはじめ
かつ効果的な排ガス後処理がもはや保証されなくなるからである。
【００１０】 したがって調量弁を受容するアダプタは、排ガス管と調量弁との間に高い温度
勾配を可能にし、熱い排ガス管に弁が組込まれるにも拘らず、できるだけ有効な
冷却が実現されなければならない。
【００１１】 ＤＥ４４３６３９７Ａ１号には、還元触媒器に供給される排ガスへ還元媒体を
供給するためには、共通のケーシング内で制御弁と組合わされる、電気的に制御
される調量弁が設けらている。前記制御弁は供給された圧縮空気の制御された送
込みに役立つ。該圧縮空気内で調量弁を介して貯蔵された還元媒体量が準備され
、間断的に排ガスへ添加される。制御弁と調量弁とは内燃機関の冷却水回路から
の冷却水によって洗われる共通の保持体に配置されている。このような構成によ
り噴射弁受容部の端面における最大温度は冷却水温度（ｍａｘ、９０℃〜１００
℃）に制限されかつ尿素回路の温度負荷が軽減されはするが、付加的な冷却ジャ
ケット、導管及びホース接続部が必要である。
【００１２】 ＤＥ３８２４９５４Ａ１号によれば内燃機関の排ガスのための浄化設備であっ
て、ケーシング内に配置された触媒器、内燃機関と触媒器との間の排ガス導管を
有し、ヒートパイプがその気化ゾーンで、触媒器に供給された排ガスから熱を奪
いかつこの熱を、温度の低い環境にある凝縮ゾーンを介して放熱する形式のもの
が示されている。調整されないヒートパイプの気化ゾーンは、この場合には排ガ
ス導管にて触媒器ケーシングの上流側に配置されている。
【００１３】 したがって本発明の課題は、冒頭に述べた形式の、過剰空気で運転される内燃
機関の排ガス後処理設備の調量弁のための、簡単に構成された受容装置であって
、調量弁と還元媒体との熱的な負荷ができるだけ少ないものを提供することであ
る。
【００１４】 この課題は請求項１の特徴によって解決された。
【００１５】 調整されていないヒートパイプを弁受容装置にて、排ガスから調量弁に作用す
る廃熱を温度の低い環境にある凝縮ゾーンへ搬送するために使用することによっ
て、簡単な形式で、調量弁を冷却し、高い温度に基づく還元媒体の化学的な変化
を予防することができる。
【００１６】 冷却リングとして調量弁先端を取囲みかつ液体で充たされた弁受容装置におけ
る中空室は、低熱部、例えば表面を拡大するため、ひいては冷却作用を高めるた
めにリブを備えた冷却体と流れ結合されている。
【００１７】 このような配置は、アクティブな冷却のために別個の冷却媒体回路又はコンポ
ーネント（ファン、冷却媒体ポンプ）が電気的な又は液圧式のエレメントを含め
て必要とされないという利点を有している。上記配置は運動する部分を有してお
らず、監視が不要でかつその簡易性に基づき費用的に有利に使用できる。低熱部
は形状がほぼ自由に所与組立条件に適合させられ、単位時間あたり比較的に小さ
な熱量しか放熱する必要がないので問題なく自動車に統合することができる。
【００１８】 調量弁の特に有効な冷却は低熱部が、走行風又は冷却ファンの空気流が当たる
自動車内の場所に配置される冷却体として構成されていると達成される。
【００１９】 冷却力を高めるためには複数のヒートパイプを弁受容装置に設け、これらのヒ
ートパイプの全部を１つの共通の冷却体に接続するか又は各ヒートパイプに１つ
の固有の冷却体を対応配置させることもできる。
【００２０】 ヒートパイプ原理を用いることにより全体としてきわめて構造の簡単な、費用
的に有利な調量弁の冷却が得られる。還元媒体はもはや臨界温度を越えて高めら
れることはなく、還元媒体の熱的な分解は発生しない。以下、本発明の有利な構
成を図面に基づき詳細に説明する。
【００２１】 実施例 図１には過剰空気で運転される内燃機関がそれに配属された排ガス後処理設備
と共に、著しく簡略化して示されている。この場合には本発明を理解するのに必
要な部分しか図示していない。特に燃料回路についての図示は省略した。この実
施例では内燃機関としてはディーゼル内燃機関が示されておりかつ排ガスを後処
理するための還元媒体としては尿素水溶液が用いられている。
【００２２】 内燃機関１には吸気導管２を介して、燃焼に必要な空気が供給される。例えば
燃料ＫＳＴが内燃機関のシリンダに直接的に噴射される複数の噴射弁を備えた高
圧タンク噴射装置（コモンレール）として構成されていることのできる噴射装置
は、符号３で示されている。内燃機関１の排ガスは排ガス導管４を介し、排ガス
後処理装備５へ流れかつ該排ガス後処理装備から図示されていない消音器を介し
て大気へ流出する。
【００２３】 内燃機関１を制御しかつ調整するためには自体公知の機関制御装置６が概略に
しか図示されていないデータ兼制御導線７を介し内燃機関１と接続されている。
該データ兼制御導線７を介しセンサ（例えば吸気、過給気、冷媒の温度のセンサ
、負荷センサ、速度センサの信号とアクチェータ（例えば噴射弁、調節部材）の
ための信号が内燃機関１と機関制御装置６との間で伝達される。
【００２４】 排ガス後処理装備５は還元触媒器８を有している。この還元触媒器８は直列に
接続された複数の触媒器ユニット８１，８２を有している。還元触媒器の下流及
び／又は上流には付加的にそれぞれ酸化触媒器が配置されていることができる。
さらに還元媒体のための電気的に制御可能なフィードポンプ１１を有する還元媒
体貯蔵タンク１０に配属された調量制御装置９が設けられていることができる。
【００２５】 還元媒体としてはこの実施例においては還元媒体貯蔵タンク１０へ貯蔵されて
いる尿素水溶液が用いられる。この還元媒体貯蔵タンク１０は電気的な加熱装置
１２と尿素水溶液の温度もしくは還元媒体貯蔵タンク１０の充填レベルを検出す
るセンサ１３，１４とを有している。さらに調量制御装置９には還元触媒器８の
上流側に配置された温度センサ及び還元触媒器８の下流側に配置された排ガス測
定器、例えばＮＯｘセンサ（図示せず）の信号が伝送されることもできる。
【００２６】 調量制御装置９は電磁的な調量弁１５を制御する。この調量弁１５には必要に
応じ導管１６を介し尿素水溶液がフィードポンプ１１を用いて尿素水溶液貯蔵タ
ンク１０から供給される。調量弁１５を用いた尿素水溶液の噴射は排ガス導管４
内へ還元触媒器８の上流側で行なわれる。
【００２７】 内燃機関１の運転中には排ガスは記入した矢印の方向で排ガス導管４を通って
流れる。
【００２８】 調量制御装置９は相互的なデータ搬送のために電気的なバス系１７を介し機関
制御装置６に接続されている。バス系１７を介し、尿素水溶液の調量しようとす
る量を算出するのに関係する運転パラメータ、例えば機関回転数、空気質量、燃
料質量、噴射ポンプの調整距離、排ガス質量流、運転温度、過給気質量流、噴射
開始等が調量制御装置９に伝送される。
【００２９】 前記パラメータと排ガス温度のための測定値とＮＯｘ含有量とから出発して調
量制御装置９は尿素水溶液の噴射しようとする量を算出しかつ電気的な接続導線
１８を介して適当な電気的な信号を調量弁１５に送る。排ガス導管４へ噴射する
ことで尿素は加水分解されかつ混合される。触媒器ユニット８１と８２とにおい
て排ガスにおけるＮＯｘがＮ２とＨ２Ｏとに触媒還元される。
【００３０】 尿素水溶液を添加するための調量弁１５としては通常は一般的な低圧ガソリン
噴射弁が用いられる。この低圧ガソリン噴射弁は排ガス導管４の壁に固定的に結
合された弁受容装置内に取外し可能に固定されている。
【００３１】 図５においては前記調量弁１５が弁受容装置１９を含め詳細に説明されている
。この場合、調量弁１５は断面されておらず、弁受容装置１９は部分的に断面さ
れて示されている。この弁受容装置１９は外壁１９１を介し排ガス導管４の壁４
１に固定的に結合され、金属製の弁受容装置１９の場合には前記壁４１と溶接さ
れている。これとは選択的に弁受容装置１９はセラミックから成りかつ／又は少
なくとも弁受容装置１９の、排ガス導管４とは反対側の部分が耐熱性のプラスチ
ックから成ることもできる。使用された材料は一方では悪い熱伝導体であり、で
きるだけわずかな熱しか排ガスと排ガス導管４とから調量弁１５に伝達されない
ようになっており、他方では調量弁１５を受容しかつ内燃機関１の運転中にも確
実に保持するために十分に高い機械的な強度を有していなければならない。
【００３２】 調量弁１５は弁受容装置１９に差込まれかつ適当な螺合又はクランプ装置１９
２でしっかりと保持される。したがって調量弁１５は半径方向及び軸方向でセン
タリングされる。
【００３３】 弁受容装置１９はこのために排ガス導管４とは反対側に、調量弁体１５１の直
径に適合させられた切欠き１９３を有し、差込まれた状態で調量弁先端１５２が
その出口開口１５３で、排ガス導管４の、尿素水溶液のための通過開口を備えた
壁４１の直前又は該壁４１の高さに位置している。調量弁先端１５２は弁受容装
置１９に一体成形された円錐部１９４にて排ガスに向かってシールされる。
【００３４】 排ガスから発する熱を導出するため、ひいては調量弁１５を冷却するためには
、弁受容装置１９の、調量弁先端１５２を取囲む部分は熱交換ケーシングとして
構成されている。このためには外側の壁１９５と内側の壁１９６とによって制限
された冷却リング１９７が設けられている。この場合、内側の壁１９６は調量弁
先端１５２の表面と直接、空間的に接触し、ひいては熱交換壁を形成している。
これに対し冷却リング１９７の中空室１９８は液状媒体で充たされている。
【００３５】 調量弁先端１５２と冷却リング１９７との間に改善された熱伝導を達成するた
めには中間層、例えばフォイルを配設することもできる。
【００３６】 ヒートパイプ２０は一方では冷却リング１９７の中空室１９８と流れ結合させ
られておりかつ他方では調量弁１５と排ガス導管４から空間的に離されて、内燃
機関で駆動された自動車の内部に配置されている。冷却体２１は例えば、弁受容
装置１９に又は排ガス導管４に不動に結合されかつ熱い排ガス導管４の放射熱を
、ヒートパイプ２０からも冷却体２１からも遠ざける。そのうえ、前記構成によ
っては、弁受容装置１９、ヒートパイプ２０、冷却体２１及び排ガス導管４が、
自動車の車体にばね弾性的に懸吊された、振動可能な構造体を形成する。
【００３７】 表面を拡大するため、ひいては冷却作用を改善するためには、冷却体２１は多
数の冷却リブ又は冷却翼２１１を有している。冷却作用を強めるためには、冷却
体２１が走行風の当たる個所又は少なくとも部分的に、内燃機関を冷却するため
に設けられたファンの空気流の当たる個所に配置することもできる。
【００３８】 さらに複数の、有利には互いに平行なヒートパイプ２０を設け、これらのヒー
トパイプすべてを冷却リング１９７と結合しかつ１つの共通の冷却体２１に開口
させるか又はヒートパイプ２０の数に相応して複数の冷却体２１に開口させるこ
とも可能である。
【００３９】 還元媒体として尿素水溶液が使用されると、ヒートパイプ２０のための液体と
しては、約６０℃とこの温度で発生する圧力のもとで高い気化熱で沸騰する冷却
媒体が選択される。沸騰過程とそのために消費された気化熱とにより、調量弁先
端１５２の周囲の冷却リング１９７はきわめて効果的に冷却される。気化した冷
却媒体は気化熱を放出して冷却体２１に差込まれたヒートパイプ２０にて凝縮し
かつ弁受容装置における冷却リング１９７へ帰流する。
【００４０】 熱的な特性に基づき、水が冷却媒体としてきわめて適している。何故ならば沸
騰点は約０．２バールの圧力のもとでこの温度領域にありかつ水は比較的に高い
蒸発熱を有しているからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 所属の排ガス後処理装備を有する内燃機関であって、本発明による弁受容装置
が用いられている形式のもののブロック図。
【図２】 本発明による弁受容装置の１実施例の概略図。
【符号の説明】
１ 内燃機関、 ２ 吸気導管、 ３ 噴射設備、 ４ 排ガス導管、 ５
排ガス後処理装備、 ６ 内燃機関制御装置、 ７ 制御導線、 ８ 還元触媒
器、 ９ 調量制御装置、 １０ 還元媒体貯蔵容器、 １１ フィードポンプ
、１２ 加熱装置、 １３，１４ センサ、 １５ 調量弁、 １７ バス系、
１８ 接続導線、 １９ 弁受容装置、 ２０ ヒートパイプ、 ２１ 冷却
体、 ２２ 遮蔽板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3G091 AA12 AA18 AB02 AB05 BA07 CA05 CA16 EA01 EA05 EA08 EA16 EA18 EA20 EA21 EA33 HA08 HA37 HA47

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 内燃機関の排ガスへ還元触媒器の上流側にて液状の還元媒体
    を制御して供給するために用いられる調量弁を受容するための弁受容装置であっ
    て、弁受容装置が調量弁を冷却する装置を有している形式のものにおいて、 −弁受容装置（１９）が気化ゾーンと凝縮ゾーンと有する、液体で充たされた
    、調整されていない少なくとも１つのヒートパイプ（２０）を有しており、 −前記気化ゾーンが還元媒体を放出する前記調量弁（１５）の端部（１５２）
    にて、排ガスにより供給された熱を前記調量弁（１５）から吸収し、前記ヒート
    パイプ（２０）が前記調量弁（２０）から距離をおいた、低い温度環境にある冷
    却体（２１）へ凝縮によって放熱する ことを特徴とする、排ガス後処理装備の調量弁のための弁受容装置。
  2. 【請求項２】 −弁受容装置（１９）が外側及び内側の壁（１９５、１９６）により形成され
    た中空室（１９８）を有し、 −内側の壁（１９５）が前記調量弁（１５）の少なくとも１部分を取囲んで熱
    交換壁を形成し、 −前記中空室（１９８）が液体で充たされておりかつヒートパイプ（２０）を
    介し前記冷却体（２１）に流れ接続されている ことを特徴とする、請求項１記載の装置。
  3. 【請求項３】 複数のヒートパイプ（２０）が設けられており、該ヒートパ
    イプ（２０）が共通の気化ゾーンを有し、すべてのヒートパイプ（２０）が同じ
    冷却体（２１）に接続されている、請求項１又は２記載の装置。
  4. 【請求項４】 複数のヒートパイプ（２０）が設けられかつ各ヒートパイプ
    （２０）に固有の冷却体（２１）が配属されている、請求項１又は２記載の装置
    。
  5. 【請求項５】 前記冷却体（２１）の表面に当該内燃機関を搭載した自動車
    の走行風が当たるか又は当該内燃機関を冷却する送風機の空気流が少なくとも部
    分的に当たる箇所に前記冷却体（２１）が配置されている、請求項１から４まで
    のいずれか１項記載の装置。
  6. 【請求項６】 沸点が前記調量弁（１５）で供給しようとする還元媒体の臨
    界温度のいくらか下にある液体でヒートパイプ（２０）が充たされている、請求
    項１又は２記載の装置。
  7. 【請求項７】 前記ヒートパイプ（２０）が水で充たされている、請求項１
    又は６記載の装置。
  8. 【請求項８】 前記気化ゾーンが前記調量弁の先端（１５２）を直接的に取
    囲む冷却リング（１９７）として構成されている、請求項１又は２記載の装置。
  9. 【請求項９】 前記気化ゾーンが冷却リング（１９７）として構成され、該
    冷却リング（１９７）と前記調量弁の先端（１５２）との間に、これらの部分の
    間での熱伝導を改善する中間層が配置されている、請求項１又は２記載の装置。
  10. 【請求項１０】 前記冷却体（２１）が熱い排ガス導管（４）の放射熱に対
    し遮蔽する遮蔽板（２３）に取付けられている、請求項１又は２記載の装置。
  11. 【請求項１１】 前記調量弁（１５）が当記弁受容装置（１９）にクランプ
    装置を介して保持され、したがって軸方向及び半径方向の移動が阻止されている
    、請求項１又は２記載の装置。
  12. 【請求項１２】 前記調量弁（１５）が当該弁受容装置（１９）にて螺合に
    よって保持され、軸方向及び半径方向の移動が阻止されている、請求項１又は２
    記載の装置。
  13. 【請求項１３】 当該弁受容装置（１９）が金属製の材料から成っている、
    請求項１又は２記載の装置。
  14. 【請求項１４】 当該弁受容装置（１９）がセラミック材料から成っている
    、請求項１記載の装置。
  15. 【請求項１５】 当該弁受容装置（１９）が少なくとも部分的に、耐熱性の
    プラスチック材料から成っている、請求項１記載の装置。
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