JP2009103013A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気からアンモニア噴射弁が受ける熱を低減し、アンモニア噴射弁の耐久性を高める排気浄化装置を提供する。
【解決手段】排気浄化装置１０は、排気にアンモニアを添加するインジェクタ２１を備えている。インジェクタ２１は、保持部材２８により排気通路１４を形成する排気管部１３に固定されている。保持部材２８は、インジェクタ２１の先端を覆う受熱部５２を有している。受熱部５２には、タンク部２２に蓄えられている液体のアンモニアが供給される。受熱部５２を通過するアンモニアは、受熱部５２で気化する。これにより、受熱部５２を形成している保持部材２８はアンモニアの気化熱によって冷却されるとともに、排気通路１４からインジェクタ２１の電磁駆動部３１側への熱の伝達は受熱部５２で遮られる。その結果、インジェクタ２１が受ける熱の影響は低減される。また、アンモニアは、受熱部５２を通過することにより、気化が促進される。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、特に還元剤としてアンモニアを用いる排気浄化装置に関する。

内燃機関、特にディーゼルエンジンから排出されるＮＯｘを還元する排気浄化装置として、ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システムが公知である。ＳＣＲシステムを用いた排気浄化装置は、例えば尿素やアンモニアなどを還元剤として噴射することにより、排気に含まれるＮＯｘから窒素と水とを生成する（排気浄化装置について特許文献１参照）。
特許第３９１７８１６号明細書

しかしながら、内燃機関を搭載した車両に尿素を用いた排気浄化装置を適用する場合、液体の尿素水を噴射するための圧縮空気などが必要となる。また、還元剤として尿素水に比較して気化が容易なアンモニアを用いると、噴射弁から圧縮空気を用いることなくアンモニアを排気に添加することができる。しかし、噴射弁はコイルなどから構成される電磁駆動部を有している。そのため、排気が流れる排気通路の近傍に噴射弁を配置すると、排気の熱によりコイルの破壊や寸法の変化を招く。その結果、電磁駆動部をはじめとする駆動部分の耐久性の低下を招くという問題がある。

そこで、本発明の目的は、排気からアンモニア噴射弁が受ける熱を低減し、アンモニア噴射弁の耐久性を高める排気浄化装置を提供することにある。

請求項１記載の発明では、排気通路とアンモニア噴射弁との間には、供給通路の一部とともに受熱部が設けられている。そのため、受熱部が排気通路を流れる排気から受けた熱は、供給通路を流れるアンモニアに伝えられる。アンモニアは排気から熱を受けた受熱部によって加熱され、液体のアンモニアは気化する。このとき、気化するアンモニアは、気化熱によって周囲の温度を奪い、受熱部を冷却する。すなわち、排気の熱は供給通路を流れるアンモニアを気化させるとともに、アンモニアの気化によって受熱部は冷却される。供給通路の一部を含む受熱部は、排気通路とアンモニア噴射弁との間に設けられている。これにより、排気通路からアンモニア噴射弁への熱の伝達は低減される。したがって、供給通路部を流れるアンモニアの気化によってアンモニア噴射弁が排気から受ける熱を低減することができる。また、アンモニア噴射弁が排気から受ける熱を低減することにより、アンモニア噴射弁の駆動部の作動不良が低減され、耐久性を高めることができる。

本発明の請求項１記載の発明では、タンク部に蓄えられている液体のアンモニアは排気の熱によって受熱部を経由する供給通路部において気化する。そのため、液体のアンモニアを還元剤として用いる場合でも、アンモニア噴射弁からは気体のアンモニアが噴射される。したがって、排気に対するアンモニアの拡散および混合が促進され、ＮＯｘから窒素および水への変換効率を高めることができる。

請求項２記載の発明では、受熱部は排気管部に接する保持部材に設けられている。供給通路の一部を構成する受熱部は、アンモニア噴射弁の排気通路側の端部に設けられている。そのため、排気の熱は、受熱部を流れるアンモニアの気化によってアンモニア噴射弁側への伝達が遮られる。したがって、アンモニア噴射弁が受ける熱を低減することができる。また、請求項２記載の発明では、受熱部は、アンモニア噴射弁の排気通路側の端部に設けられている。そのため、受熱部を流れるアンモニアは排気通路の近傍を通過する。したがって、アンモニアが排気から受け取る熱が増大し、アンモニアの気化を促進することができる。

請求項３記載の発明では、供給通路とは別に循環通路を形成している冷却部を備えている。すなわち、保持部材には、タンク部からアンモニア噴射弁へアンモニアを供給する供給通路だけでなく、タンク部との間でアンモニアが循環する循環通路も設けられている。これにより、排気通路を流れる排気の温度が高い場合、あるいは受熱部が排気から受ける熱量が大きい場合など、受熱部を経由してタンク部からアンモニア噴射弁へ供給されるアンモニアでは冷却が不十分なときでも、保持部材は循環通路を流れるアンモニアによって冷却される。したがって、アンモニア噴射弁が受ける熱を低減することができる。

請求項４記載の発明では、供給通路とは別に内燃機関の冷却水を受熱部に供給する冷却水供給部を備えている。すなわち、保持部材には、供給通路を経由してタンク部からアンモニアが供給されるだけでなく、内燃機関の冷却水も供給される。これにより、排気通路を流れる排気の温度が高い場合、あるいは受熱部が排気から受ける熱量が大きい場合など、受熱部を経由してタンク部からアンモニア噴射弁へ供給されるアンモニアでは冷却が不十分なときでも、受熱部は内燃機関の冷却水によって冷却される。したがって、アンモニア噴射弁が受ける熱を低減することができる。

請求項５記載の発明では、周回通路部を備えている。周回通路部は、排気管部の外周側を周回している。これにより、タンク部からアンモニア噴射弁へ供給されるアンモニアは、周回通路部において排気管部からの熱を受ける面積が増大する。そのため、アンモニアは、排気管部を流れる排気からより多くの熱を受け取る。したがって、アンモニアの気化を促進することができる。

以下、本発明による排気浄化装置の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施形態において実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による排気浄化装置を図１に示す。排気浄化装置１０は、内燃機関としてのディーゼルエンジン１１の排気系１２に設けられている。ディーゼルエンジン１１から排出された排気は、排気管部１３が形成する排気通路１４を流れる。排気系１２には、酸化触媒１５および排気浄化装置１０が設けられている。ディーゼルエンジン１１から排出された排気は、排気通路１４を経由して酸化触媒１５へ流入する。酸化触媒１５では、排気中に含まれる炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）が酸化され、水（Ｈ_２Ｏ）または二酸化炭素（ＣＯ_２）が生成する。酸化触媒１５を通過した排気は、排気浄化装置１０へ流入する。なお、ディーゼルエンジン１１と酸化触媒１５との間、または酸化触媒１５と排気浄化装置１０との間など、排気系１２にはＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）を設けてもよい。

排気浄化装置１０は、アンモニア噴射弁としてのインジェクタ２１、タンク部２２、供給部２３、制御部２４、ＳＣＲ触媒２５、ＮＯｘセンサ２６、アンモニア酸化触媒２７および保持部材２８を備えている。また、排気系１２の排気通路１４を形成する排気管部１３も排気浄化装置１０を構成している。インジェクタ２１は、図示しないボディの内側を軸方向へ往復移動する可動部を有している。可動部は、電磁駆動部３１によって駆動される。インジェクタ２１は、ボディの先端すなわち排気通路１４側にアンモニアを噴射する噴孔３２が設けられている。電磁駆動部３１により可動部を往復移動することにより、噴孔３２が開閉され、アンモニアの噴射が断続される。

タンク部２２は、アンモニアを蓄えている。アンモニアは、加圧され液体としてタンク部２２に蓄えられている。供給部２３は、供給管部４１、気化管部４２およびポンプ４３を有している。供給管部４１は、タンク部２２と保持部材２８とを接続している。気化管部４２は、保持部材２８とインジェクタ２１とを接続している。ポンプ４３は、タンク部２２からインジェクタ２１へ供給されるアンモニアを加圧する。

制御部２４は、インジェクタ２１によるアンモニアの噴射を制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit）である。制御部２４は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭを有するマイクロコンピュータで構成されている。制御部２４は、図示しない車内ＬＡＮを経由してディーゼルエンジン１１の図示しない他の制御装置と接続している。ＳＣＲ触媒２５では、排気に含まれるＮＯｘが選択的に還元される。具体的には、排気に含まれるＮＯｘは、ＳＣＲ触媒２５においてインジェクタ２１から噴射されたアンモニアによって窒素（Ｎ_２）と水（Ｈ_２Ｏ）とに変換される。

ＮＯｘセンサ２６は、排気系１２の排気通路１４においてＳＣＲ触媒２５の出口側に設けられている。ＮＯｘセンサ２６は、排気通路１４を流れる排気に含まれるＮＯｘの濃度を検出する。ＮＯｘセンサ２６は、検出したＮＯｘの濃度を電気信号として制御部２４へ出力する。制御部２４は、ＮＯｘセンサ２６で検出したＮＯｘ濃度、および車内ＬＡＮを経由して取得したディーゼルエンジン１１の運転状態に関する種々のデータに基づいて、インジェクタ２１から噴射されるアンモニアの量すなわちインジェクタ２１の開弁時間を制御する。

アンモニア酸化触媒２７は、アンモニアを酸化する。排気に含まれるＮＯｘを還元する際に、還元剤であるアンモニアを過剰に供給したり、ＳＣＲ触媒２５において反応が不十分なときなど、未反応のアンモニアが大気中へ排出されるおそれがある。アンモニアは刺激臭のある気体であり、大気中へ排出すると、環境に影響を与えるおそれがある。そこで、過剰または未反応のアンモニアは、アンモニア酸化触媒２７によって酸化された後、大気中へ排出される。
保持部材２８は、排気管部１３に取り付けられている。インジェクタ２１は、保持部材２８により排気管部１３に保持されている。インジェクタ２１は、排気の流れ方向において、酸化触媒１５の下流側かつＳＣＲ触媒２５の上流側に設けられている。インジェクタ２１は、噴孔３２側の先端が排気通路１４に露出している。これにより、インジェクタ２１から噴射されたアンモニアは、排気通路１４を流れる排気に吹き付けられる。

保持部材２８は、図２に示すように中心側に軸方向へ貫く挿入孔５１を有している。インジェクタ２１は、挿入孔５１に挿入されている。そのため、インジェクタ２１は、保持部材２８の内周側に保持されつつ排気管部１３に固定される。インジェクタ２１を保持部材２８の挿入孔５１に挿入することにより、インジェクタ２１は径方向外側が保持部材２８によって覆われるとともに、噴孔３２を除く排気通路１４側の先端近傍が保持部材２８によって覆われる。

保持部材２８は、内部に受熱部５２を有している。受熱部５２は、保持部材２８の先端側すなわち排気通路１４側の端部に設けられている。受熱部５２は、図３に示すように保持部材２８と同心の円環状に形成されている。受熱部５２は、インジェクタ２１の先端側すなわち排気通路１４側の端部に位置するとともに、インジェクタ２１の外周側に円環状に設けられている。保持部材２８は、軸方向へ伸びる穴部５３および穴部５４を有している。穴部５３および穴部５４は、保持部材２８の排気通路１４とは反対側の端部２８１から受熱部５２へ伸びている。すなわち、穴部５３および穴部５４は、保持部材２８の排気通路１４とは反対側の端部２８１と受熱部５２とを接続している。

穴部５３は、受熱部５２とは反対側の端部が供給管部４１を経由してタンク部２２に接続している。穴部５４は、受熱部５２とは反対側の端部が気化管部４２を経由してインジェクタ２１の流入口３３に接続している。これにより、供給管部４１、穴部５３、受熱部５２、穴部５４および気化管部４２は、特許請求の範囲の供給通路部を構成するとともに、タンク部２２からインジェクタ２１へ供給されるアンモニアが流れる供給通路を形成している。すなわち、タンク部２２に蓄えられているアンモニアは、供給管部４１、穴部５３、受熱部５２、穴部５４および気化管部４２が形成する供給通路を経由してインジェクタ２１へ流入する。

次に、上記の構成による排気浄化装置１０の作用について説明する。
ポンプ４３は、タンク部２２に蓄えられている液体のアンモニアを供給管部４１へ吐出する。供給管部４１へ吐出された液体のアンモニアは、穴部５３を経由して受熱部５２へ流入する。受熱部５２は、排気通路１４を流れる排気によって加熱されている。そのため、受熱部５２へ流入した液体のアンモニアは、熱を受けることにより受熱部５２で気化する。気化したアンモニア、すなわち気体のアンモニアは、穴部５４および気化管部４２を経由して流入口３３からインジェクタ２１へ流入する。その結果、液体のアンモニアは、受熱部５２を通過することにより気化した後、インジェクタ２１へ流入する。

一方、アンモニアは、受熱部５２で気化することにより、気化熱によって周囲の熱を奪う。そのため、受熱部５２を形成している保持部材２８は、アンモニアが気化する際に、その気化熱によって冷却される。これにより、排気通路１４を形成する排気管部１３に接している受熱部５２は排気通路１４を流れる排気から熱を受けるものの、熱の移動は受熱部５２によって遮られる。すなわち、排気管部１３から保持部材２８に伝わった熱は、受熱部５２によって遮られ、受熱部５２よりも排気通路１４とは反対側すなわちインジェクタ２１の流入口３３側への伝達が低減される。
インジェクタ２１は、噴孔３２よりも流入口３３側に電磁駆動部３１を有している。インジェクタ２１の先端である噴孔３２の近傍に受熱部５２を設けることにより、熱の影響を受けやすい電磁駆動部３１は受熱部５２によって排気通路１４からの熱の伝達が遮られる。そのため、インジェクタ２１は、電磁駆動部３１が受ける熱が低減される。

以上説明したように、第１実施形態では、インジェクタ２１を排気管部１３に保持する保持部材２８は受熱部５２を有している。受熱部５２は、インジェクタ２１の先端を覆っている。受熱部５２には、タンク部２２に蓄えられている液体のアンモニアが供給される。保持部材２８は排気通路１４を形成する排気管部１３に接しているため、受熱部５２は排気通路１４を流れる排気によって加熱される。そのため、受熱部５２を通過するアンモニアは、受熱部５２で気化する。これにより、受熱部５２を形成している保持部材２８はアンモニアの気化熱によって冷却されるとともに、排気通路１４からインジェクタ２１の電磁駆動部３１側への熱の伝達は受熱部５２で遮られる。したがって、排気通路１４を流れる排気からインジェクタ２１が受ける熱を低減することができ、インジェクタ２１の耐久性を高めることができる。

また、第１実施形態では、受熱部５２は排気で加熱されるため、アンモニアは受熱部５２で気化する。ＳＣＲ触媒２５においてＮＯｘを効率的に還元するためには、還元剤であるアンモニアの拡散を促進する必要がある。アンモニアの拡散および排気との混合を促進する場合、アンモニアは気体であることが望ましい。第１実施形態では、受熱部５２で液体のアンモニアを気化させることにより、別途アンモニアを気化するための構成を必要としない。したがって、構造の複雑化を招くことなくアンモニアの気化を促進し、ＳＣＲ触媒２５におけるＮＯｘの還元効率を高めることができる。さらに、上述のようにインジェクタ２１の耐久性の向上とアンモニアの気化の促進とを両立して達成することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態による排気浄化装置を図４、図５および図６に示す。
第２実施形態の場合、排気浄化装置１０は冷却部６１を備えている。冷却部６１は、図５に示すように保持部材２８の受熱部５２のさらに排気通路１４側に設けられている。すなわち、保持部材２８は、受熱部５２の排気通路１４側に冷却部６１を有している。
保持部材２８は、図５および図６に示すように穴部５３および穴部５４と概ね平行に軸方向へ伸びる冷却穴部６２および冷却穴部６３を有している。冷却穴部６２および冷却穴部６３は、保持部材２８の排気通路１４とは反対側の端部２８１から冷却部６１へ伸びている。冷却穴部６２は、図４に示すように循環管部６４を経由してタンク部２２に接続している。また、冷却穴部６３は、循環管部６５を経由してタンク部２２に接続している。循環管部６５には、ポンプ６６が設けられている。これにより、タンク部２２から吐出されたアンモニアは、循環管部６４、冷却穴部６２、冷却部６１、冷却穴部６３および循環管部６５を経由してタンク部２２へ戻される。すなわち、循環管部６４、冷却穴部６２、冷却部６１、冷却穴部６３および循環管部６５は、タンク部２２と冷却部６１との間でアンモニアが循環する循環通路を形成している。このタンク部２２と冷却部６１とを接続する循環通路は、タンク部２２からインジェクタ２１へアンモニアを供給する供給通路とは別系統である。

第２実施形態では、冷却部６１を設けることにより、保持部材２８は受熱部５２よりも先端側すなわち排気通路１４側が冷却部６１によって冷却される。そのため、排気通路１４から受熱部５２へ伝達される熱は低減される。これにより、排気通路１４を流れる排気からインジェクタ２１の電磁駆動部３１側へ伝達される熱はさらに低減される。したがって、インジェクタ２１が排気から受ける熱をさらに低減することができ、インジェクタ２１の耐久性をさらに向上することができる。

第２実施形態では、冷却部６１へ供給されたアンモニアをタンク部２２へ戻す構成について説明した。しかし、冷却部６１は受熱部５２よりも排気通路１４側に設けられているため、冷却部６１では受熱部５２よりもアンモニアの気化が促進される。そこで、冷却部６１からタンク部２２へアンモニアが戻される循環管部６５の途中に気液分離部を設け、気化したアンモニアを回収する構成としてもよい。そして、回収した気体のアンモニアを、インジェクタ２１の流入口３３へ供給する構成としてもよい。これにより、気化したアンモニアをより効率的にインジェクタ２１へ供給することができる。
また、第２実施形態では、受熱部５２の排気通路１４側に冷却部６１を設ける構成について説明した。しかし、冷却部６１と受熱部５２との位置関係は、上述の例に限らず、受熱部５２を冷却部６１よりも排気通路１４側に設けてもよい。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態による排気浄化装置を図７、図８、図９に示す。
第３実施形態の場合、排気浄化装置１０は第２実施形態の構成に加え、冷却水供給部７０を備えている。冷却水供給部７０は、ディーゼルエンジン１１の冷却水を保持部材２８へ供給する。保持部材２８は、図８および図９に示すように受熱部５２、冷却部６１に加え、冷却水通路７２を有している。冷却水通路７２は、保持部材２８を貫いてラジエータ７３と接続している。冷却水通路７２には、ラジエータ７３から冷却水が供給される。これにより、保持部材２８は、冷却水によって冷却される。第３実施形態の場合、冷却水通路７２は、冷却部６１よりもさらに排気通路１４側に設けられている。

第３実施形態では、保持部材２８は、受熱部５２および冷却部６１を流れるアンモニアだけでなく、冷却水通路７２を流れる冷却水によっても冷却される。そのため、排気の温度が高く、排気通路１４から受熱部５２へ伝達される熱量が大きい場合でも、冷却水通路７２を流れる冷却水によって排気通路１４から受熱部５２へ伝達される熱が低減される。これにより、インジェクタ２１の電磁駆動部３１側へ伝達される熱はさらに低減される。したがって、インジェクタ２１が排気から受ける熱をさらに低減することができ、インジェクタ２１の耐久性をさらに向上することができる。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態による排気浄化装置を図１０に示す。
第４実施形態の場合、タンク部２２からインジェクタ２１までの間に周回通路部８０を備えている。周回通路部８０は、タンク部２２から受熱部５２までの間、受熱部５２からインジェクタ２１の流入口３３までの間、またはこれらの双方など、タンク部２２からインジェクタ２１までの間であれば任意の位置に設けることができる。周回通路部８０は、排気管部１３の外周側を周回している。これにより、周回通路部８０と排気管部１３との接触面積が増大し、周回通路部８０を流れるアンモニアは排気通路１４を流れる排気からより多くの熱を受け取る。したがって、アンモニアの気化を促進することができる。

（その他の実施形態）
以上説明した複数の実施形態では、各実施形態を個別に排気浄化装置１０に適用する例について説明した。しかし、複数の実施形態を組み合わせて排気浄化装置１０に適用してもよい。例えば、第２実施形態で説明した冷却部６１を保持部材２８から除去するとともに、第３実施形態で説明した冷却水通路７２を保持部材２８に設けてもよい。また、第２実施形態または第３実施形態の排気浄化装置１０から第４実施形態の周回通路部８０が分岐する構成としてもよい。
このように、以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。

本発明の第１実施形態による排気浄化装置を示す概略図 本発明の第１実施形態による排気浄化装置の要部を拡大した部分断面図 図２のIII−III線で切断した断面図 本発明の第２実施形態による排気浄化装置を示す概略図 本発明の第２実施形態による排気浄化装置の要部を拡大した部分断面図 （Ａ）は図５のＡ−Ａ線で切断した断面図、（Ｂ）は図５のＢ−Ｂ線で切断した断面図 本発明の第３実施形態による排気浄化装置を示す概略図 本発明の第３実施形態による排気浄化装置の要部を拡大した部分断面図 図８のＩＸ−ＩＸ線で切断した断面図 本発明の第４実施形態による排気浄化装置を示す概略図 （Ａ）は図１０のＸＩ−ＸＩ線で切断した断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線で切断した断面図

符号の説明

図面中、１０は排気浄化装置、１１はディーゼルエンジン（内燃機関）、１３は排気管部、１４は排気通路、２１はインジェクタ（アンモニア噴射弁）、２２はタンク部、２８は保持部材、４１は供給管部（供給通路部）、４２は気化管部（供給通路部）、５２は受熱部（供給通路部）、５３、５４は穴部（供給通路部）、６１は冷却部、６２、６３は冷却穴部（循環通路）、６４、６５は循環管部（循環通路）７０は冷却水供給部、８０は周回通路部を示す。

Claims (5)

1. 内燃機関の排気が流れる排気通路を形成する排気管部と、
   前記排気管部に設けられ、前記排気通路を流れる排気にアンモニアを噴射するアンモニア噴射弁と、
   前記アンモニア噴射弁に供給されるアンモニアを液体で蓄えるタンク部と、
   前記タンク部と前記アンモニア噴射弁とを接続する供給通路を形成する供給通路部と、
   前記排気通路と前記アンモニア噴射弁との間に設けられ、前記供給通路の一部を構成し、前記排気通路を流れる排気から受ける熱によって前記供給通路を流れるアンモニアを気化させる受熱部と、
   を備えることを特徴とする排気浄化装置。
2. 前記排気管部に接し前記アンモニア噴射弁を前記排気管部に保持する保持部材をさらに備え、
   前記保持部材は、前記アンモニア噴射弁の外周側を覆い、前記アンモニア噴射弁の前記排気通路側の端部近傍に前記受熱部を有することを特徴とする請求項１記載の排気浄化装置。
3. 前記タンク部から前記保持部材を経由して前記タンク部へ連通する循環通路を形成し、前記循環通路に前記アンモニアを循環させることにより前記保持部材を冷却する冷却部をさらに備えることを特徴とする請求項２記載の排気浄化装置。
4. 前記内燃機関の冷却水を前記保持部材に供給し、前記保持部材を冷却する冷却水供給部をさらに備えることを特徴とする請求項２または３記載の排気浄化装置。
5. 前記タンク部から前記アンモニア噴射弁までの間に、前記排気管部の外周側を周回する周回通路部をさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の排気浄化装置。

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