JP2008516150A - 内燃機関における排気管への還元剤噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コストダウンを図りつつ噴射量に拘らず全体に亘って高い噴射性能を達成することができる簡易な還元剤噴射装置を提供すること。
【解決手段】内燃機関、特にディーゼル機関における排気管２に還元剤、特に尿素溶液を噴射する噴射装置であって、特にピストン式ポンプ又はダイヤフラム式ポンプとして構成された、還元剤を圧送するポンプ１と、前記排気管２に開口した噴射ノズル５とを備えて成る前記噴射装置において、前記噴射ノズル５を、前記ポンプ１の圧送周期に合わせて周期的且つ自動的に開閉する弁部材を備えた構成とし、該弁部材を、所定の圧力に満たない場合には開放させず、所定の圧力以上で開放させて噴射を行う。

Description

本発明は、特にピストン式ポンプ又はダイヤフラム式ポンプとして構成された、還元剤を圧送するポンプと、内燃機関、特にディーゼル機関の排気管に開口した噴射ノズルとを備えてなる還元剤噴射装置に関する。

従来、内燃機関の排気ガス、特にディーゼル機関の排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を選択触媒還元により低減することが知られている。このため、還元剤、即ち尿素溶液が排気管内に適量噴射される。そして、通常、この還元剤は、排気管内に開口した噴射ノズルへポンプによって圧送される。

特許文献１にはピストン式ポンプを使用した還元剤噴射装置が開示されており、ここでのポンプは、還元剤の貯蔵タンクに連通した吸入ライン接続部と、噴射装置に接続された圧力接続部を備えている。ここで、この噴射装置は、内燃機関の排気管における排ガス浄化装置付近に開口している。又、圧送量を制御するために、ポンプの周波数又はパルス幅を可変に設定している。

尚、制御装置は、エンジン負荷状態に応じてポンプに供給する電力を適切に制御する。又、上記特許文献１には噴射ノズルについて詳しく開示されていないが、通常、噴射ノズルは常時開口した１つ又は複数の開口部を備えている。しかしながら、このような噴射ノズルでは、圧送量を変化させる場合における全動作範囲で均等な噴射は達成できない。

特許文献２には尿素溶液の噴射に用いるピストン式ポンプが開示されており、そのピストンはピエゾ素子を介して動作し、このピエゾ素子は、ゼロから数百ヘルツまでの周波数間で無段階に制御される。そして、内燃機関の排気管内に還元剤を噴射する噴射ノズルは、常時開口されつつオリフィスのように絞られて形成されている。しかしながら、このような噴射ノズルでも、圧送量を変化させる場合における全動作範囲で均等な噴射は達成できない。

特許文献３にも内燃機関の排気管内に還元剤を噴射する噴射装置が開示されており、ポンプが還元剤の圧送に用いられている。又、制御装置が、ポンプに供給する電力を制御することにより還元剤の圧送量を制御している。そして、この制御装置は、分配装置に統合された噴射弁の機能も制御している。

更に、噴射ポンプの代わりに簡易なポンプを圧力制御弁に接続して噴射量の制御に使用できる旨記載されている。尚、この場合にも排気管内への噴射は明らかに噴射弁で行われている。しかしながら、それぞれ別々に制御される別々の部材により圧送及び噴射が行われているため、特許文献３記載の装置はコストがかかるものである。

特許文献４には、無気染料噴射方法が開示されている。但し、これは、技術分野が異なるものであるため、本発明の進歩性を考慮する上で重要ではない。而して、この方法においては、圧送すべき媒体を、逃がし弁が遮断弁として構成された噴射ノズルに脈動的に圧送するダイヤフラム式ポンプが用いられている。尚、遮断弁は自動的且つ周期的に開閉する。即ち、圧送時に低圧であれば媒体供給はなされず、高圧である場合にのみ媒体供給がなされる。従って、噴射には高い圧力のみが使用され、それに応じた最適な噴射がなされる。
米国特許出願公開第２００４／００９３８５６号明細書 欧州特許出願公開第１３８０７３３号明細書 独国特許出願公開第１０１３９１３９号明細書 西独国特許出願公開第２２４９２９１号明細書

本発明の目的とする処は、コストダウンを図りつつ噴射量に拘らず全体に亘って高い噴射性能を達成することができる簡易な還元剤噴射装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明によれば、噴射ノズルを、ポンプの圧送周期に合わせて周期的且つ自動的に開閉する弁部材を備えた構成とし、該弁部材を所定の圧力に満たない場合には開放させずに所定の圧力以上で開放させて噴射を行うことを特徴としている。

本発明によれば、圧送周期に合わせて開閉する噴射ノズル弁部材が噴射を最適化するためにのみ機能する一方、還元剤の圧送及び噴射はポンプのみで行われるので、噴射装置を簡易且つ安価に製造することができる。

又、本発明によれば、弁部材を、噴射ノズルのケーシング内で摺動可能に形成するとともに、シール面で閉鎖された閉鎖位置方向へばねで付勢し、該ばねの付勢方向と逆方向に生じる圧力がこのばねの付勢力を克服した場合に噴射ノズルを開口する方向へ弁部材を摺動させることを特徴としており、その際、ポンプの高圧側に接続された高圧管路を減圧装置を備える減圧管路を介してポンプ動作領域に接続させることにより噴射性能を改善することができる。

又、ポンプ動作領域内の圧力が所定値、特に高圧管路内の圧力を下回った際に、迅速に減圧させることができる。ここで、迅速とは、圧力変化曲線が減圧装置がない場合に比べて急勾配で下降することを意味しており、このような迅速な減圧により、噴射ノズルの弁部材を力バランスによって迅速に閉鎖することが可能であり、弁部材閉鎖後に還元剤の液滴が不意に漏れるのを防止することができる。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１には還元剤を一定量噴射する噴射装置が示されており、図示のポンプ１は、高圧管路４及び噴射ノズル５を介して貯蔵タンク８内の還元剤を排気ガス３が流通する内燃機関（不図示）の排気管２へ圧送する。

ここで、上記ポンプ１を、図３に示すようにピストン式ポンプ１８としても良いし、或いは図４に示すようなダイヤフラム式ポンプ２９としても良い。尚、このポンプ１は圧送ユニット及び配量ユニットとしても動作する。

又、図５に詳細に示す噴射ノズル５は、配量機能を有しておらず、噴射時の圧力レベルを決定するものである。

而して、ポンプ１は制御装置６により制御され、この制御装置６は、排ガス値及び／又は所定のエンジンパラメータに基づいてポンプ１の動作周波数及び一定のピストン往復行程における圧送量を変更する。このとき、ソレノイド２８と共に動作するコイル１９には適当な電流インパルスが印加される。

尚、制御装置６には温度センサ７により検出された還元剤の温度が入力される。

図２は、３つの圧力インパルスで示す、噴射ノズル５の手前の高圧管路４内で生じる圧力変化曲線９のグラフである。

時点１０でポンプ１が作動する。即ち、ポンプ１のピストン２７又はダイヤフラム３０が動作を開始し、高圧管路４内の圧力が高まる。そして、時点１１で噴射ノズル５の弁部材３３が開き、噴射が開始される。更に、時点１２では噴射ノズル５の弁部材３３が閉じ、時点１３では第１の逆止弁であるポンプ１の吸入弁２３が閉じる。又、圧力変化曲線９における圧力低下箇所では、図６〜図８に詳細に示すような減圧システムが作動している。

そして、図示のグラフには、符号１４で示す噴射ノズル開口時間と符号１５で示すピストン又はダイヤフラムの作動時間が示されている。更に、破線１６は圧力レベルを示しており、このとき、噴射ノズル５は開口しているか、又は閉鎖されている。破線１７も圧力レベルを示しており、このとき、ポンプ１の吸入弁２３が閉鎖されているか、又は第２の逆止弁である圧力弁２５が開放されている。尚、還元剤の噴射は、破線で示す圧力レベル以上の場合になされ、それ以下の場合にはなされない。

従って、最適且つ精確な高圧噴射が達成され、これは、窒素酸化物（ＮＯｘ）の最適な化学変化に必要な前提条件である。

図３及び図４にはそれぞれ従来のピストン式ポンプ１８及びダイヤフラム式ポンプ２９が示されており、このような簡易で一定の往復行程を有するポンプは、特に変更を加えることなく本発明による噴射システムに応用することができる。これらピストン式ポンプ１８及びダイヤフラム式ポンプ２９は、ソレノイド２８及び通電可能なコイル１９を備えており、電気的に制御されている。尚、図示のように復帰ばね２０が設けられており、この復帰ばね２０はソレノイド２８をその非作動位置に保持している。

而して、コイル１９に通電すると、ピストン２７或いはダイヤフラム３０がポンプ動作領域２６を縮小するように摺動し、吸入ライン接続部２１及び吸入弁２３を介して吸入される還元剤の圧力が高められる。ここで、還元剤の高圧管路４への供給は高圧接続部２４及び圧力弁（逆止弁）２５を介して行われる。又、ケーシング２２がガイド及び必要な圧力室確保のために設けられている。

尚、図示のポンプは十分に公知であるので、図示において詳細部分は省略している。

図５には本実施の形態による噴射システムに使用される噴射ノズル５が示されている。この噴射ノズル５はケーシング３２内で案内される弁部材３３を含んで構成されており、この弁部材３３の端部は皿状に形成されてケーシング３２とのシール面３４を構成している。

又、図示のように閉鎖ばね３５が設けられており、この閉鎖ばね３５は、ケーシング３２及び弁部材３３で支持されるとともに、弁部材３３を、これを閉鎖する方向に付勢している。そして、弁部材３３の面に作用する圧力が閉鎖ばね３５の付勢力よりも大きくなると、上記シール面３４がケーシング３２から離間し、内燃機関の排気管２への還元剤の噴射がなされる。

即ち、噴射ノズル５は、所定の圧力以上で噴射ノズル５から噴射がなされるよう弁部材３３の面に作用する圧力と閉鎖ばね３５の付勢力が調節されており、そのため、少量の噴射であっても、或いは多量の噴射であっても同様の噴射条件とすることができる。

図６には減圧装置４２が示されている。図示の減圧装置４２は減圧管路４１を備えており、この減圧管路４１は高圧管路４とポンプ動作領域２６を接続している。尚、減圧装置は図７に示すように逆止弁４４で構成しても良いし、或いは図８に示すようなアーチ状の２位置間を往復動するダイヤフラム４５で構成しても良い。

又、逆止弁４４は弁部材を備えており、この弁部材は流体をポンプ動作領域２６方向に解放するよう摺動する。そして、減圧装置４２により高圧管路４からポンプ動作領域２６へ一定流量の自動的な流通が可能となり、噴射ノズル５閉鎖後の高圧管路４における迅速な減圧がなされる。

このような減圧は、ポンプ動作領域２６内の圧力が高圧管路４内の圧力を下回ると行われる。即ち、これは、ポンプ１の圧送動作が終了し、吸入動作が行われる場合である。そして、高圧管路４内の圧力がポンプ動作領域２６内の圧力を上回ると、逆止弁４４が開放されるか、或いはダイヤフラム４５がアーチ状に図示とは逆の位置を占める。そして、高圧管路４内の圧力が残圧程度まで低下するが、このとき、逆止弁４４の場合にはその弾性力が生じた圧力を上回り、それにより当該逆止弁４４が閉鎖される。

尚、上記残圧は圧力が負荷される面とばね剛性の設定に依存する。

而して、減圧装置４２は、圧送動作の終了後圧力変化曲線が急激に落ち込み、従って、圧力管路４内の圧力が急激に低下する。このような圧力管路４内の減圧により、噴射ノズル５の弁部材３３は、減圧装置を備えない噴射装置に比べて短縮された管路のために、力バランスによって迅速且つ安定的に閉鎖されることができる。

従って、弁部材３３閉鎖後に還元剤の少なくとも大きな液滴が排気管２に漏れるのを防止することができる。即ち、還元剤の噴射時の噴射性能に関して好ましくない圧力範囲を除去、或いは少なくとも迅速に脱するため、全動作領域において噴射量に拘らず精確な噴射が達成できる。

本発明による還元剤噴射装置の概要図である。 高圧管路内で生じる還元剤の圧力変化を示すグラフである。 ピストン式ポンプの断面図である。 ダイヤフラム式ポンプの断面図である。 噴射ノズルの断面図である。 高圧管路とポンプ動作領域を接続する減圧管路と共に示す減圧装置の断面図である。 逆止弁で構成された減圧装置の断面図である。 ダイヤフラムで構成された減圧装置の断面図である。

符号の説明

１ ポンプ
２ 排気管
３ 排気ガス
４ 高圧管路
５ 噴射ノズル
６ 制御装置
７ 温度センサ
８ 貯蔵タンク
９ 圧力変化曲線
１０，１１，１２，１３ 時点
１４ 噴射ノズル開口時間
１５ ピストン又はダイヤフラムの動作時間
１６，１７ 破線
１８ ピストン式ポンプ
１９ コイル
２０ 復帰ばね
２１ 吸入ライン接続部
２２，３２ ケーシング
２３ 吸入弁
２４ 高圧接続部
２５ 圧力弁
２６ ポンプ動作領域
２７ ピストン
２８ ソレノイド
２９ ダイヤフラム式ポンプ
３０，４５ ダイヤフラム
３３ 弁部材
３４ シール面
３５ 閉鎖ばね
４１ 減圧管路
４２ 減圧装置
４３ 吸入管路
４４ 逆止弁

Claims (9)

1. 内燃機関、特にディーゼル機関における排気管（２）に還元剤、特に尿素溶液を噴射する噴射装置であって、
   特にピストン式ポンプ（１８）又はダイヤフラム式ポンプ（２９）として構成された、還元剤を圧送するポンプ（１）と、
   前記排気管（２）に開口した噴射ノズル（５）と
   を備えて成る前記噴射装置において、
   前記噴射ノズル（５）を、前記ポンプ（１）の圧送周期に合わせて周期的且つ自動的に開閉する弁部材（３３）を備えた構成とし、該弁部材を、所定の圧力に満たない場合には開放させず、所定の圧力以上で開放させて噴射を行うことを特徴とする噴射装置。
2. 前記ポンプ（１）を一定の行程を有するポンプで構成するとともに、この行程周期を所定のエンジンパラメータ又は排ガス組成に基づいて前記ポンプの電気的な制御により可変に設定したことを特徴とする請求項１記載の噴射装置。
3. 前記弁部材（３３）を、前記噴射ノズル（５）のケーシング（３２）内で摺動可能に形成するとともに、シール面（３４）で閉鎖された閉鎖位置方向へばねで付勢し、該ばねの付勢方向と逆方向に生じる圧力がこのばねの付勢力を克服した場合に、前記弁部材（３３）を前記噴射ノズルが開口する方向へ摺動させることを特徴とする請求項１又は２記載の噴射装置。
4. 前記噴射ノズルを開口させる前記弁部材（３３）の摺動方向を噴射方向と同方向に設定するとともに、前記シール面（３４）を、リング状に形成して前記ケーシング（３２）と皿状の縁部として形成された前記弁部材（３３）の端部の間に形成したことを特徴とする請求項３記載の噴射装置。
5. 前記ポンプ（１）をポンプ動作領域（２６）を備える構成とし、該ポンプ動作領域の一方を第１の逆止弁（２３）及び吸入管路（４３）を介して貯蔵タンク（８）に連通させ、他方を第２の逆止弁（２５）及び高圧管路（４）を介して前記噴射ノズル（５）に接続したことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の噴射装置。
6. 前記高圧管路（４）を、減圧装置（４１）を備える減圧管路（４１）を介して前記第２の逆止弁（２５）と前記噴射ノズル（５）の間で前記ポンプ動作領域（２６）に接続し、前記ポンプ（１）の吸入行程において前記減圧装置（４２）により一定容積を自動的に前記高圧管路（４）から前記ポンプ動作領域（２６）に導入して、前記高圧管路（４）及び前記噴射ノズル（５）での減圧を迅速に行うことを特徴とする請求項５記載の噴射装置。
7. 前記ポンプ動作領域（２６）での圧力が前記高圧管路（４）内の圧力を下回った場合に減圧を行うことを特徴とする請求項６記載の噴射装置。
8. 前記減圧装置（４２）を前記ポンプ動作領域（２６）方向に開放する逆止弁（４４）として構成したことを特徴とする請求項６又は７記載の噴射装置。
9. 前記減圧装置（４２）をダイヤフラム（４５）で構成し、該ダイヤフラムをこの両側での容積移動に伴い生じる差圧に応じて２つのアーチ状の位置の何れかを占めるように設定したことを特徴とする請求項６又は７記載の噴射装置。

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