JP2005504208A - 内燃機関の排気ガス後処理装置用還元剤ポンプ - Google Patents

Abstract

還元剤ポンプのポンプ本体（１１１）をその両端部で閉鎖するポンプ吸入部（１１６）と排出部（１１７）の少なくとも一方を２分割型に構成し、ポンプ吸入部と排出部の少なくとも一方の一部（１１８、１３６）を各々ばね部材（１２６）により閉鎖部（１２０）に対して押圧し、ばね部材のばね力によって与えられる押圧力を超えたとき上記一部と閉鎖部との間に相対運動を引き起こすことで、ポンプ本体の内部に存在する還元剤の凍結による体積増加を吸収し、還元剤ポンプ（１１）の損傷を防止する。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前文に記載の内燃機関の排気ガス後処理装置用還元剤ポンプに関する。
【０００２】
過剰空気で動作する内燃機関、特にディーゼル機関の窒素酸化物排出の防止は、気中の窒素（Ｎ₂）と水蒸気（Ｈ₂Ｏ）に対する選択接触還元技術（ＳＣＲ）で行っている。還元剤として、アンモニアガス（ＮＨ₃）、アンモニア水溶液或いは尿素水溶液を用いる。その場合、尿素をアンモニア触媒として用い、配量装置によって加水分解触媒の前で排気管内に噴射し、そこで加水分解によってアンモニアに変換し、更に本来のＳＣＲ触媒又はＤＥＮＯＸ（窒素酸化物除去）触媒内で窒素酸化物を減少させる。
【０００３】
この種の配量装置は、主要部品として還元剤タンク、ポンプ、圧力調節器、圧力センサおよび配量弁を備える。ポンプは還元剤タンクに貯蔵した還元剤を配量弁に供給し、この配量弁により還元剤を加水分解触媒の上流側で排気ガス中に噴射する。制御装置の出力信号に応じ、配量弁に内燃機関の運転パラメータに応じて決定した実際に必要な量の還元剤を導入する（独国特許第１９７４３３３７号明細書）。
【０００４】
水溶液中に存在しアンモニアを分離する物質、例えば尿素等の物資は、貯蔵、操作、給送および配量の問題を技術的に容易に解決できる利点を持つ。この水溶液の欠点は、一定の温度の下で、水溶液とした物質の濃度に応じて凍結の危険性があることである。
【０００５】
ＳＣＲシステムで還元剤として用いられる、典型的に濃度３２％の尿素水溶液は、−１１℃の凝固点を持つ。そこで、システムの稼働開始後、受容可能な期間中、−１１℃以下の環境温度の下で全システム部品の機能性を保障し、かつ運転中継続してシステム構成部品の凍結を防止すべく、配量装置の加熱装置を設けねばならない。
【０００６】
主要部品の一つは還元剤ポンプである。尿素水溶液のクリープ特性のため、装置の封止性に対し高度の要求がなされるので、一般に軸通過部なしのポンプ、即ち静止型パッキングのみを備えるポンプが用いられる。ダイヤフラムポンプも往復ピストンポンプもこの条件を満たしている。内燃機関における排気ガス後処理のための還元剤として用いられる尿素水溶液の配量のため、特に電磁駆動型の往復ピストンポンプが用いられる。
【０００７】
ここで往復ピストンポンプには、原理的にポンプピストンの静止時、ピストン逆流防止弁と排出側逆流防止弁の間の容積の流体が閉じ込められる問題がある。この流体容積は、ポンプの構造に応じて少なくともポンプピストンのストローク容積と同じ大きさを持つ。仮に還元剤の凍結点以下の温度で還元剤がポンプ排出側で既に凍結しているなら、閉じこめられた還元剤の体積増加をもはや吸収できない。ピストン逆流防止弁が還元剤タンクの方向への圧力補償を行えず、ポンプは圧力上昇に伴い損傷を来す。
【０００８】
独国特許出願公開第４４３２５７７号明細書で、選択接触還元法の原理で動作する排気ガス浄化装置の一部に、停止時間中および用いる還元剤溶液の凍結点以下でのこの種装置の運転を可能とすべく、凍結損傷の防止装置を設けることは公知である。そのため、この装置は、還元剤溶液用の熱絶縁型の貯蔵タンクとそれに接続され流体用の排出開口に連通する導入管とを備える。導入管には加圧状態のガスの作用を受ける逆流防止弁を設ける。その際、貯蔵タンクと導入管を、熱交換器に熱を供給する電気加熱器で加熱する。
【０００９】
独国特許第３６１０８８２号明細書で、ピストンの周囲に内、外側パッキングを有し、ピストン棒に装着された多分割型ピストンを持ち、固体を含み又は不含の流体を供給する二重作用ピストンポンプが公知である。ピストン棒に、スクレーパリングを有するピストンヘッドを設け、更に両パッキング間に引っ張りばねを配置している。多分割型ピストンは、内・外側ケースおよび該両者間に配置した弾性部材を持ち、引っ張りばねの中心部に配置したケース型ばねを備える。内側ケースはピストン棒部分の周りに固定配置され、剥離リングを有する外側ケースは外側パッキングのカウンタプレートである。この構成により、耐凍結型のポンプが得られる。ポンプ室からの給送媒体の排出、即ち引き抜き後そしてポンプ内に媒体が残留している場合、ポンプを厳寒時に自動的に運転し破壊を防ぐ。ポンプ内の氷結により生ずる体積膨張はケース型ばねの伸長によって補償する。
【００１０】
独国特許出願公開第１０１２９５９２号明細書は、内燃機関を搭載した自動車の排気ガス導管のための機内還元剤給送装置を開示する。該装置は排気ガス導管内に還元剤を噴射するノズルを備える。還元剤給送のためのノズルに伝送管を接続している。またノズルに対向して、伝送管に接続した排出口を持つハウジングを設けている。該ハウジングは、混合室を形成する前端部と、圧縮空気および還元剤の両吸入口を持つ主本体とを有する。電気的に駆動され、露出状態のコイルを有する流体測定ポンプを、圧縮空気吸入口を経てハウジングに供給される空気により冷却する。流体測定装置は、ハウジング還元剤吸入口に接続された吸入口を備える。
【００１１】
本発明の課題は、内燃機関の排気ガス後処理装置用還元剤ポンプを、ポンプで供給する還元剤の凍結点以下の温度でも、排気ガス後処理装置のより確実な運転が保証できるように構成することである。
【００１２】
この課題は、請求項１に記載の特徴事項により解決される。
【００１３】
本発明の基本的な考え方は、ポンプ本体をその両端部で閉鎖するポンプ吸入部と排出部の少なくとも一方を２分割型とし、ポンプ吸入部と排出部の少なくとも一方の一部を各々ばね部材により閉鎖部に対して押圧し、ばね部材のばね力により与える押圧力を超えたとき、上記一部と閉鎖部との間に相対運動を引き起こすことを可能にすることにある。
【００１４】
このことは、ポンプ本体内部に存在する還元剤の凍結による体積増加を吸収し、それにより還元剤ポンプの損傷を回避できるという効果を奏する。
【００１５】
次に図面を参照し、本発明の好ましい構成について更に詳細に説明する。
【００１６】
図１は、過剰空気で駆動され、付属する排気ガス後処理装置を備えた内燃機関を極端に簡略化したブロック図で示す。ここには、本発明の理解に必要な部分のみを示している。特に動力用燃料の通流系統の図示は省略している。この実施例は内燃機関としてディーゼル機関を示し、排気ガスを後処理するための還元剤として尿素水溶液を用いている。
【００１７】
燃焼に必要な空気を、吸気マニホルド２を経て内燃機関１に導入する。噴射装置３は、例えば動力燃料ＫＳＴを内燃機関１のシリンダに直接噴射する噴射弁を備えた高圧蓄積噴射装置（共通レール）として構成できる。内燃機関１の排気ガスは排気管４を経て排気ガス後処理装置５に流し、そこから図示しない消音器を経て大気中に排出する。
【００１８】
内燃機関１の制御・調節のため、公知の内燃機関制御装置６を、略示したデータ・制御ライン７を経て内燃機関１に接続している。このデータ・制御ライン７を経て、内燃機関１と内燃機関制御装置６との間でセンサ（例えば、吸入空気や、充填空気、冷却材のための温度センサ、更に負荷センサ、速度センサ等）の検知信号および能動部品（例えば噴射弁、調節回路）用の制御信号を伝送する。
【００１９】
排気ガス後処理装置５は、直列に配置した、詳細には図示しない複数の触媒ユニットを内蔵する還元触媒８を備える。還元触媒８の上流側および下流側の少なくとも一方に、付加的に各々酸化触媒を配置する（図示省略）。更に、電気的に駆動制御される還元剤供給用の還元剤ポンプ１１を持つ還元剤収容タンク１０に、配量制御装置９を付設している。
【００２０】
還元剤として、この実施例では尿素水溶液を使用し、それを還元剤収容タンク１０に収容している。還元剤収容タンク１０は電気ヒータ１２を備えると共に、還元剤収容タンク１０内の尿素水溶液の温度や充填状態を検知するセンサ１３、１４を備えている。更に配量制御装置９には、還元触媒８の上流側に配置した温度センサおよび還元触媒８の下流側に配置した排気ガス測定捕集装置、例えばＮＯ_xセンサの信号も入る（図示省略）。
【００２１】
配量制御装置９は、必要なら還元剤収容タンク１０から、還元剤ポンプ１１により導入管１６を経て尿素水溶液を導入する電磁配量弁１５を制御する。導入管１６には、配量システムの圧力を検知し、その信号を配量制御装置９に送出する圧力センサ１８を設けている。配量弁１５による尿素水溶液の噴射は、還元触媒８の上流側の排気管４内で行う。
【００２２】
内燃機関１の駆動時、排気ガスは排気管４を通って矢印方向に流れる。
【００２３】
相互のデータ伝送のため、配量制御装置９を電気的なバスシステム１７を経て内燃機関制御装置６に接続している。バスシステム１７を経て、配量すべき尿素水溶液量を計算するのに適当な運転パラメータ、例えばマシン速度、空気量、動力燃料の量、噴射ポンプの制御パス、排気ガスマスフロー、運転温度、充填空気温度、噴射開始等の関連する運転パラメータを配量制御装置９に入力する。
【００２４】
排気ガス温度とＮＯ_x成分の検知に関連するこれらパラメータと測定値を基に、配量制御装置９が尿素水溶液の必要噴射量を計算し、略示した電気配線を経て配量弁１５に対応した電気信号を送る。排気管４内への噴射により尿素が加水分解され、混合が起る。触媒ユニット内では、排気ガス内のＮＯ_xを触媒作用によりＮ₂とＨ₂Ｏに還元する。
【００２５】
尿素水溶液を排気管４内に注入する配量弁１５は、ほぼ通常の低圧ガソリン噴射弁に相当し、例えば排気管４の壁に固定した弁取り付装置に取り外し自在に取り付けられる。
【００２６】
図２は、還元剤水溶液を供給する還元剤ポンプ１１を断面図で示す。このポンプ１１は電磁往復ピストンポンプとして構成され、しばしば電磁ピストンポンプとも呼ばれる。還元剤ポンプ１１はシリンダ型ポンプ本体１１１と、その内面上を滑動する、詳細には示さない巻線コイルを持つ電磁石１１２を備える。巻線コイルはコイル支持体１１３に装着する。ポンプ本体１１１は、その直径に比べて薄い壁厚の円筒１１４を備える。円筒１１４は耐還元剤性の材料、例えば特殊鋼からなる。円筒１１４内に、電磁石１１２の巻線コイルの駆動に伴い前後動するピストン１１５がある。
【００２７】
円筒１１４の自由端は、２分割型に構成したポンプ吸入部１１６と、同様に２分割型に構成したポンプ排出部１１７とにより閉鎖される。
【００２８】
ポンプ吸入部１１６は、一体のシリンダ状基体１１８とシリンダ状閉鎖部１２０からなる。基体１１８は円筒１１４の内径に対応し、円筒１１４内に突出している。また基体１１８の、円筒１１４から突出する端部に、基体１１８より小径のシリンダ状接続片１１９を備える。閉鎖部１２０は、基体１１８を円筒１１４内に固定し、接続片１１９は還元剤導管、特にホースを還元剤収容タンク１０に接続する（図１）。
【００２９】
閉鎖部１２０は、接続片１１９が貫通する中心貫通孔１２１と、その段付き部外周面のねじ部１２２を備える。ねじ部１２２はコイル支持体１１３の連結部１２４に形成した対向ねじ部１２３とねじ結合する。連結部１２４は、コイル支持体１１３の端面から突出するリングとして形成し、その内径は円筒１１４の直径より大きい。その際、連結部１２４の軸方向長さは、基体１１８を円筒１１４内に挿入し、閉鎖部１２０によりねじ止めした後、コイル支持体１１３の端面とそれに対向する閉鎖部１２０の対向面の間にシリンダ室１２５状の中空空間が生ずるよう設定する。該シリンダ室１２５内に閉鎖部１２０をねじ込んだ際基体１１８を円筒１１４内に弾性的に固定すべく、ばね部材１２６を配置する。ばね部材１２６として、図２は皿ばねを示す。しかし、他のばね部材、例えば渦巻きばねや板ばね、その他類似のばね部材も使用できる。
【００３０】
基体１１８は、外周部にラジアルパッキング１２７を装着するための、詳細には図示しない周方向溝を持つ。ラジアルパッキング１２７として、所謂Ｏリングが適する。
【００３１】
基体１１８とそれに合わせて形成した接続片とは、還元剤をピストン１１５に導く貫通中心通流路１２８を備える。ピストン１１５も、同様にポンプ吸入部１１６に対向する側に空間１３５を有し、その中にピストン逆流防止弁１３０を配置している。この弁１３０は、図示の場合、周知のボールとそれに作用するばね部材を備え、通流路１２９を必要に応じて閉鎖するようになっている。
【００３２】
ポンプ排出部１１７はポンプ吸入部１１６とほぼ同様の構造を持つ。ここでは相違点のみを説明する。ポンプ排出部１１７の円筒状基体１３６は、その中央通流路１２８内にピストン１１５の対向する側に空間１３２を備えており、その中に排出逆流防止弁１３１を配置している。この弁１３１は、図示の場合、周知のボールとそれに作用するばね部材とを備え、通流路１２８を必要に応じて閉鎖する。
【００３３】
ポンプ排出部１１７の基体の自由端に形成した接続片１３３は、還元剤導管、特にホースの接続のために用いる。この導管を、配量弁１５（図１）に間接又は直接に導く。
【００３４】
円筒１１４内に、ピストン１１５のポンプ排出部１１７に対向する端面と、ポンプ排出部１１７の基体のピストン１１５に対向する端面とで中間空間を画定し、該空間内にピストン１１５をポンプ吸入部１１６の方向に押圧するばね部材１３４を設けている。
【００３５】
以上の配置により、往復ピストンポンプ１１を還元剤の凍結時の過圧力に基づく破壊、即ち還元剤の体積増加による破壊から確実に保護できる。特定の過大な圧力の発生時、基体１１８がばね部材１２６のばね力に対抗して外側へ押圧される。ばね部材１２６は、例えば実験によって確かめられる最大圧力と円筒１１４の断面積との積に相当する一定の力を考慮して設計する。その結果往復ピストンポンプ１１内に存在する還元剤の体積増加を基体１１８の軸方向変位で吸収できる。基体１１８と円筒１１４の間のラジアルパッキングは、Ｏリングによりその軸方向変位を可能とする。
【００３６】
図２を参照し、ポンプの吸入部と排出部を、弾性的に支持する実施例につき説明する。しかしその際ポンプの一側、特に吸入側のみを弾性的に支持してもよい。その際、ポンプ排出部１１７を一体に構成できる。即ち基体と閉鎖部を単一部材とし、コイル支持体にねじ止めできる。
【００３７】
以上の往復ピストンポンプの動作原理（ピストンの往復動作、不確実な自己吸引）に基づいて、ポンプは還元剤タンクのレベル以下に配置する（図１）。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明による還元剤ポンプを備える排気ガス後処理装置を付設した内燃機関のブロック図である。
【図２】還元剤ポンプの詳細を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１ 内燃機関、２ 吸気マニホルド、３ 噴射装置、４ 排気管、５ 排気ガス後処理装置、６ 内燃機関制御装置、７ データ制御ライン、８ 還元触媒、９ 配量制御装置、１０ 還元剤収容タンク、１１ 還元剤ポンプ、１２ 電気ヒータ、１３、１４、１８ センサ、１５ 配量弁、１６ 導入管、１７ バスシステム、１１１ ポンプ本体、１１２ 電磁石、１１３ コイル支持体、１１４ 円筒、１１５ ピストン、１１６ ポンプ吸入部、１１７ ポンプ排出部、１１８、１３６ 基体、１１９、１３３ 接続片、１２０ 閉鎖部、１２１ 中心貫通孔、１２２、１２３ ねじ部、１２４ 連結部、１２５ シリンダ室、１２６、１３４ ばね部材、１２７ ラジアルパッキング、１２８、１２９ 通流路、１３０、１３１ 逆流防止弁、１３２、１３５ 空間

Claims (8)

1. 内燃機関の排気ガス後処理装置に還元剤水溶液を供給する還元剤ポンプにおいて、
   シリンダ状ポンプ本体（１１１）と、
   電磁石（１１２）を収容し、ポンプ本体（１１１）を取り囲むコイル支持体（１１３）と、
   電磁石（１１２）の制御に伴いポンプ本体（１１１）内に軸方向運動を生ずるピストン（１１５）と、
   ポンプ本体（１１１）をその両端部で閉鎖するポンプ吸入部（１１６）およびポンプ排出部（１１７）とを備え、
   ポンプ吸入部（１１６）およびポンプ排出部（１１７）の少なくとも一方は２分割型に構成され、かつポンプ吸入部（１１６）およびポンプ排出部（１１７）の少なくとも一方の一部（１１８、１３６）は各々ばね部材（１２６）により閉鎖部（１２０）に対して押圧され、ばね部材（１２６）のばね力によって与えられる押圧力を超えたとき前記一部（１１８、１３６）と閉鎖部（１２０）の間に相対運動を引き起こすポンプ。
2. ポンプ吸入部（１１６）およびポンプ排出部（１１７）の少なくとも一方が、ポンプ本体（１１１）内に突出するシリンダ状基体（１１８、１３６）および閉鎖部（１２０）を備えることを特徴とする請求項１記載のポンプ。
3. 基体（１１８、１３６）がポンプ本体（１１１）内に変位可能に支持され、閉鎖部（１２０）がコイル支持体（１１３）に固定されたことを特徴とする請求項２記載のポンプ。
4. 基体（１１８、１３６）および閉鎖部（１２０）の相対向する両端面間にばね部材（１２６）が配置されたことを特徴とする請求項３記載のポンプ。
5. ばね部材（１２６）が皿ばね、板ばね又は渦巻きばねとして構成されたことを特徴とする請求項１又は４記載の還元剤ポンプ。
6. 閉鎖部（１２０）がコイル支持体（１１３）にねじ止めされたことを特徴とする請求項１又は３記載の還元剤ポンプ。
7. 基体（１１８、１３６）が還元剤用導管を受けるための接続片（１１９）を備えることを特徴とする請求項２から４の１つに記載のポンプ。
8. 基体（１１８、１３６）がその外周部に、ラジアルパッキング（１２７）を挿入する溝を備え、基体（１１８、１３６）がポンプ本体（１１１）内で軸方向に運動したときラジアルパッキング（１２７）が封止性を保障することを特徴とする請求項２から４の１つに記載のポンプ。