JP2006242157A

JP2006242157A - 還元剤添加装置

Info

Publication number: JP2006242157A
Application number: JP2005062634A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Ito; 和浩伊藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-03-07
Filing date: 2005-03-07
Publication date: 2006-09-14

Abstract

【課題】ノズルカバーを設けることに起因して還元剤の炭化や変質が発生することを防止することができる技術を提供する。
【解決手段】還元剤を噴射させる噴孔２５を有する噴射ノズル２２と、噴射ノズル２２の外側を覆い、噴孔２５に対応する位置に当該噴孔２５から噴射される還元剤を内燃機関の排気通路に導入させる開口部３３を有するノズルカバー３０とを備える還元剤添加装置であって、ノズルカバー３０には、開口部３３とは異なる位置に、ノズルカバーの内側と外側を連通させる通気孔３４が設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排気系に設置され、排気に還元剤を添加する還元剤添加装置に関するものである。

内燃機関から排出される排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去するため、内燃機関の排気系に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、単に「ＮＯｘ触媒」という場合もある。）を設け、当該ＮＯｘ触媒の上流の排気通路には、還元剤としての燃料（軽油）を添加する還元剤添加装置を設けている。

この還元剤添加装置は、一般的に排気通路に露出した噴射ノズルから還元剤を噴射するものであるため、噴射ノズルは高温の排気中に曝される。噴射ノズルが排気に曝されると、温度が上昇して、排気に含まれるすすが、特にその噴孔の周囲に付着し、これが排気熱により変質して固化するようになる。そして、この固化したすすが、噴孔近傍に累積する結果、噴孔の開口面積が減少したり、詰まったりしてしまうことから、還元剤の噴射量が低下し、十分な排気浄化性能の維持が困難になる。また、近年アンモニア化合物（例えば尿素水）を還元剤として用いることによる脱硝技術も開発が進んでおり、直接排気系に添加する装置もある。かかる装置においても、還元剤が昇華や変質して、すすが付着することで同様な課題が生じている。

これに対して、噴射ノズルの先端部に、その周囲を覆うカバーを取り付けることが提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。例えば、特許文献１に記載の還元剤添加装置においては、噴射ノズル１００は、図６に示すように、胴部１０１、ならびに胴部１０１の開閉弁１０２側に形成され胴部１０１よりも大径の大径部１０３を有している。また、噴孔１０４、当該噴孔１０４と開閉弁１０２の還元剤出口側とを連通する連通路１０５が形成されており、当該連通路１０５と開閉弁１０２の還元剤出口側との間には導入部１０６が形成されている。噴孔１０４は、排気の流れの下流側に向けて形成されている。そして、噴射ノズル１００の外側には、当該噴射ノズル１００の外側を覆うようにノズルカバー１１０が装着されている。ノズルカバー１１０は、噴射ノズル１００の外周側に位置している円筒部１１１を有しており、噴射ノズル１００の噴孔１０４と対応する位置に開口部１１２が形成されている。開口部１１２は円筒部１１１の噴孔１０４側の端部に形成されている。すなわち、開口部１１２は噴孔１０４から排気通路への還元剤の流れを妨げない位置に開口している。これにより、噴孔１０４から噴射された還元剤は、ノズルカバー１１０の開口部１１２を介して、排気通路を流れる排気に添加される。
特開２００４−１７６５８７号公報特開２００３−２７８５３０号公報特開２００４−１７６５８８号公報

上述した特許文献１の還元剤添加装置においては、ノズルカバー１１０が設けられていることにより、排気流れの下流側の噴射ノズル１００周囲の圧力と排気通路内の排気圧との圧力差が大きくなる。その結果、開閉弁１０２が閉じているときでも、連通路１０５あるいは導入部１０６に残った還元剤が噴射ノズル１００の外側に導かれ、当該導かれた還元剤が炭化あるいは変質する。これにより、噴孔１０４の開口面積が減少したり、詰まったりしてしまうことから、還元剤の噴射量が低下し、十分な排気浄化性能の維持が困難になる。

本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ノズルカバーを設けることに起因して還元剤の炭化や変質が発生することを防止することができる技術を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る還元剤添加装置においては、還元剤を噴射させる噴孔を有する噴射ノズルと、当該噴射ノズルの外側を覆い、前記噴孔に対応する位置に当該噴孔から噴射される還元剤を内燃機関の排気通路に導入させる開口部を有するノズルカバーと、を備える還元剤添加装置であって、前記ノズルカバーには、前記開口部とは異なる位置に、当該ノズルカバーの内側と外側を連通させる通気孔が設けられていることを特徴とする。

このように構成された還元剤添加装置においては、開口部とは別に通気孔が設けられていることで、内燃機関が運転状態である場合には、排気通路を流れる排気が通気孔を介してノズルカバー内に流入する。これにより、たとえノズルカバーが噴射ノズルの外側に設けられているとしても、噴射ノズル周囲の圧力と排気圧との圧力差が大きくなり難くなる。その結果、還元剤が噴射ノズルの外側に導かれ難くなるので、ノズルカバーを設けることに起因して還元剤の炭化や変質が発生することを防止することができる。

例えば、前記ノズルカバーの円筒部の内径は前記噴射ノズルの胴部の外径と略同一の大きさであり、前記通気孔は、前記開口部と同じ高さに設けられていることが好適である。これにより、排気を、ノズルカバー内に導き易くすることができるので、噴射ノズル周囲の圧力と排気圧との圧力差を好適に小さくすることができる。

ノズルカバーの円筒部の内径を噴射ノズルの胴部の外径と略同一の大きさとすることにより、ノズルカバーを噴射ノズルの胴部に圧入あるいは溶接するなどして固定することができる。そして、通気孔を噴射ノズルの胴部の下側、例えば、開口部と同じ高さに設けることで、ノズルカバーの内側と外側を連通させることができる。

また、前記ノズルカバーの円筒部の内径は前記噴射ノズルの胴部の外径よりも大きく形成されており、前記通気孔は、当該通気孔を介して前記ノズルカバー内に流入してきた排気が前記円筒部と前記胴部との間に形成された隙間を通って前記開口部から流出する位置に形成されていることが好適である。かかる構成においても、噴射ノズル周囲の圧力と排気圧との圧力差を小さくすることができる。

また、前記通気孔は、排気流れ方向に直交する位置から排気流れの下流側に設けられていることが好適である。これにより、通気孔を排気とは対向しない位置関係になるので、すすなどの微粒子が付着して通気孔が詰まることを抑制することができる。

以上説明したように、本発明によれば、ノズルカバーを設けることに起因して還元剤の炭化や変質が発生することを防止することができる。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この最良の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

図１は、本実施例に係る還元剤添加装置を適用する内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、４つの気筒２を有する水冷式の４サイクル・ディーゼル機関である。

内燃機関１は、各気筒２の燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁３を備えている。各燃料噴射弁３は、蓄圧室（コモンレール）４と接続され、このコモンレール４は燃料供給管５を介して燃料ポンプ６と連通している。

また、内燃機関１には、吸気通路７が接続されており、この吸気通路７はエアクリーナボックス８に接続されている。吸気通路７における前記エアクリーナボックス８より下流の部位には、過給機（ターボチャージャー）９のコンプレッサハウジング９ａが設けられている。

コンプレッサハウジング９ａより下流の吸気通路７には、インタークーラ１０が取り付けられている。更にインタークーラ１０より下流の吸気通路７には、該吸気通路７内を流通する吸気の流量を調節する吸気絞り弁１１が設けられている。

各気筒の燃焼室からの排気は、排気ポート１２、排気マニホールド１３、過給機９のタービンハウジング９ｂ、排気管１４などから形成される排気通路を通り、大気中に排出される。排気管１４の途中には、排気中の有害ガス成分を浄化するためのＮＯｘ触媒１５が配置されている。

上述したように内燃機関１はディーゼル機関であり、排気中に含まれるＨＣやＣＯは比較的少なく、排気空燃比がリッチになる機会が極めて少ない。このため、ＮＯｘ触媒１５に吸蔵されたＮＯｘを還元するための還元剤を排気から得ることは難しい。

そこで、本実施例では燃料噴射弁３とは別に、このＮＯｘ触媒１５に還元剤を供給するための還元剤添加装置１６を備えている。この還元剤添加装置１６は、燃料通路１７を介して前記燃料ポンプ６と接続されており、還元剤としての燃料を排気中に添加するものである。なお、還元剤添加装置１６は、シリンダヘッド１８に形成された凹部に挿入され、図示しないクランプの締め付けによってシリンダヘッド１８に取り付けられている。そして、シリンダヘッド１８の凹部の底部とリテーナ４０との間には、図２に示すように、排気をシールするためのシール部材５０が介装されている。

以下、図２に基づいて、還元剤添加装置１６の具体的構成について説明する。還元剤添加装置１６は、内蔵された電磁ソレノイド（図示省略）によって開閉弁２１が駆動し、噴射ノズル２２を介して、還元剤としての燃料を排気中に噴射する。

噴射ノズル２２は、図２に示すように、胴部２３、ならびに胴部２３の開閉弁２１側に形成され胴部２３よりも大径の大径部２４を有している。また、噴射ノズル２２には、噴孔２５、当該噴孔２５と開閉弁２１の還元剤出口側とを連通する連通路２６が形成されており、当該連通路２６と開閉弁２１の還元剤出口側との間には導入部２７が形成されている。噴孔２５は、排気の流れの下流側に向けて燃料を噴射できるように形成されている。

そして、噴射ノズル２２の外側にはノズルカバー３０が装着されている。当該ノズルカバー３０は、図２に示すように噴射ノズル２２の胴部２３の外径とほぼ同じ径の内径を有する円筒部３１およびフランジ部３２を有している。フランジ部３２は、噴射ノズル２２の大径部２４とリテーナ４０との間に挟み込まれており、これにより、ノズルカバー３０は、噴射ノズル２２の外側を覆うように固定されている。

また、ノズルカバー３０には、噴射ノズル２２の噴孔２５と対応する位置に開口部３３が形成されている。開口部３３は円筒部３１の噴孔２５側の端部に形成されている。すなわち、開口部３３は噴孔２５から排気通路への還元剤の流れを妨げない位置に開口している。これにより、噴孔２５から噴射された還元剤は、ノズルカバー３０の開口部３３を介して排気通路を流れる排気に添加される。

また、図２に示すように、ノズルカバー３０の円筒部３１の端部であって、開口部３３の反対側で排気と対向する位置には、通気孔３４が設けられている。これにより、内燃機関１が運転状態である場合には、排気通路を流れる排気が通気孔３４を介してノズルカバー３０内に流入する。

このように、開口部３３とは別に通気孔３４が設けられていることで、たとえノズルカバー３０が噴射ノズルの外側に設けられているとしても、噴射ノズル３０周囲の圧力と排気圧との圧力差が大きくなり難くなる。これにより、開閉弁２１が閉じているときに連通路２６あるいは導入部２７に還元剤が残存しているとしても、還元剤が噴射ノズル２２の外側に導かれ難くなるので、ノズルカバー３０を設けることに起因して還元剤の炭化や変質が発生することを防止することができる。それゆえ、噴孔２５の開口面積が減少したり、詰まったりしてしまうことを防止することができる。

本実施例においては、図３に示すように、通気孔３４を、ノズルカバー３０の円筒部３１であって、排気とは対向しない（排気流れに直交する位置から排気流れの下流側）側面に４個設けている。かかる構成においても、通気孔３４の大きさあるいは数によっては、排気が通気孔３４を介してノズルカバー３０内に流入する。そして、このように、通気孔３４が設けられていることで、ノズルカバー３０が噴射ノズルの外側に設けられているとしても、噴射ノズル３０周囲の圧力と排気圧との圧力差が大きくなり難くなる。これにより、実施例１と同様に、開閉弁２１が閉じているときに連通路２６あるいは導入部２７に還元剤が残存しているとしても、還元剤が噴射ノズル２２の外側に導かれ難くなるので、ノズルカバー３０を設けることに起因して還元剤の炭化や変質が発生することを防止することができる。また、通気孔３４を排気とは対向しない位置に設けているので、すすなどの微粒子が付着して通気孔３４が詰まることを抑制することができる。

本実施例に係るノズルカバー３０の円筒部３１の内径Ｄ１は、図４に示すように、噴射ノズル２２の胴部２３の外径Ｄ２より大きく形成されており、胴部２３と円筒部３１の間に隙間が存在するようになっている。ただし、本実施例に係るノズルカバー３０も、フランジ部３２が噴射ノズル２２の大径部２４とリテーナ４０との間に挟み込まれることにより固定されている。

そして、ノズルカバー３０の円筒部３１であって、排気通路に露出している部分の上方に、通気孔３４が設けられている。かかる構成においても、内燃機関１が運転状態である場合には、排気通路を流れる排気が通気孔３４を介してノズルカバー３０内に流入し、円筒部３１と胴部２３との間に形成された隙間を通って開口部３３から流出する。

これにより、ノズルカバー３０が噴射ノズルの外側に設けられているとしても、噴射ノズル３０周囲の圧力と排気圧との圧力差が大きくなり難くなる。これにより、実施例１あるいは実施例２と同様に、開閉弁２１が閉じているときに連通路２６あるいは導入部２７に還元剤が残存しているとしても、還元剤が噴射ノズル２２の外側に導かれ難くなるので、ノズルカバー３０を設けることに起因して還元剤の炭化や変質が発生することを防止す
ることができる。それゆえ、噴孔２５の開口面積が減少したり、詰まったりしてしまうことを防止することができる。

本実施例においては、図５に示すように、通気孔３４を、排気とは対向しない側面に４個設けている。かかる構成においても、通気孔３４の大きさあるいは数によっては、排気が通気孔３４を介してノズルカバー３０内に流入する。これにより、通気孔３４が設けられていることで、ノズルカバー３０が噴射ノズルの外側に設けられているとしても、噴射ノズル３０周囲の圧力と排気圧との圧力差が大きくなり難くなる。その結果、実施例３と同様に、開閉弁２１が閉じているときに連通路２６あるいは導入部２７に還元剤が残存しているとしても、還元剤が噴射ノズル２２の外側に導かれ難くなるので、ノズルカバー３０を設けることに起因して還元剤の炭化や変質が発生することを防止することができる。また、通気孔３４を排気とは対向しない位置に設けているので、すすなどの微粒子が付着して通気孔３４が詰まることを抑制することができる。

以上の実施例においては、還元剤として燃料を添加しているが、特に燃料に限定されるものではなく、尿素水などのアンモニア化合物であってもよい。

実施例１に係る内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。実施例１に係る還元剤添加装置の概略構成を示す図である。実施例２に係る還元剤添加装置の概略構成を示す図である。実施例３に係る還元剤添加装置の概略構成を示す図である。実施例４に係る還元剤添加装置の概略構成を示す図である。従来の還元剤添加装置の概略構成を示す図である。

符号の説明

１６還元剤添加装置
１８シリンダヘッド
２１開閉弁
２２噴射ノズル
２３胴部
２４大径部
２５噴孔
３０ノズルカバー
３１円筒部
３２フランジ部
３３開口部
３４通気孔
４０リテーナ
５０シール部材

Claims

還元剤を噴射させる噴孔を有する噴射ノズルと、
当該噴射ノズルの外側を覆い、前記噴孔に対応する位置に当該噴孔から噴射される還元剤を内燃機関の排気通路に導入させる開口部を有するノズルカバーと、
を備える還元剤添加装置であって、
前記ノズルカバーには、前記開口部とは異なる位置に、当該ノズルカバーの内側と外側を連通させる通気孔が設けられていることを特徴とする還元剤添加装置。
前記ノズルカバーの円筒部の内径は前記噴射ノズルの胴部の外径と略同一の大きさであり、前記通気孔は、前記開口部と同じ高さに設けられていることを特徴とする請求項１に記載の還元剤添加装置。
前記ノズルカバーの円筒部の内径は前記噴射ノズルの胴部の外径よりも大きく形成されており、
前記通気孔は、当該通気孔を介して前記ノズルカバー内に流入してきた排気が前記円筒部と前記胴部との間に形成された隙間を通って前記開口部から流出する位置に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の還元剤添加装置。
前記通気孔は、排気流れ方向に直交する位置から排気流れの下流側に設けられていることを特徴とする請求項２又は３に記載の還元剤添加装置。