JP2009534580A - 内燃機関の排ガス系統に還元剤を供給するための装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、内燃機関の排ガス系統（４）に還元剤を供給するための装置（２）であって、還元剤を蓄え容器（６）から排ガス系統（４）に圧送するための圧送ポンプ（８）が設けられている形式のものに関する。圧送ポンプ（８）と排ガス系統（４）との間に配置された調量装置（１６）が設けられており、該調量装置（１６）が、圧送ポンプ（８）によって連続的に圧送された還元剤を一時的に排ガス系統（４）に供給するようになっていることが提案されている。

Description

本発明は、内燃機関の排ガス系統に還元剤、特に尿素水混合液を供給するための装置であって、還元剤を蓄え容器から排ガス系統に圧送するための圧送ポンプが設けられている形式のものに関する。

選択触媒還元またはＳＣＲ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）では、ディーゼルエンジンの排ガス内の窒素酸化物割合を減少させるために、たいてい、一般的にＡｄＢｌｕｅ（登録商標）とも呼ばれる尿素水溶液が排ガス系統に供給される。噴射された溶液の尿素は排ガス系統でアンモニア（ＮＨ_３）に変換される。このアンモニア（ＮＨ_３）は、排ガスに含まれた窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）を、後置されたＳＣＲ触媒において、分子状の窒素（Ｎ_２）と水（Ｈ_２Ｏ）とを形成して低減する。こうして、窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）をほぼ完全に排ガスから除去することができるので、ディーゼルエンジンを比較的リーンな混合気で運転することができる。さらに、これによって、エンジンの燃料節約運転も可能となる。しかし、別の還元剤の使用も同じく可能である。

背景技術
還元剤として尿素水混合液を排ガス系統に供給する、冒頭で述べた形式の既知の装置では、供給が、量調量機能なしの圧送ポンプまたは調量ポンプによって行われる。この場合、前者の圧送ポンプは調量ポンプに比べて、尿素水混合液内の尿素もしくは遊離アンモニアに対して化学的により耐性を備えているだけでなく、尿素水混合液の凍結の事例において、その体積膨張によって生ぜしめられる氷圧に被害なしに耐えることもできるという利点を有している。このことは、後者の調量ポンプの場合には保証されていない。

ここから出発して、本発明の課題は、冒頭で述べた形式の装置を改良して、装置が、還元剤または還元剤の成分に対して耐性を備えていて、水含有の還元剤の場合に耐氷圧性であるだけでなく、量調量も可能にするようにすることである。

発明の開示
この課題を解決するために本発明の構成では、圧送ポンプと排ガス系統との間に配置された調量装置が設けられており、該調量装置が、圧送ポンプによって連続的に圧送された還元剤を一時的に排ガス系統に供給するようになっているようにした。

本発明の有利な構成によれば、調量装置と排ガス系統との間に配置された、還元剤を排ガス系統に噴射するための噴射ノズルが設けられており、該噴射ノズルが、該噴射ノズルに供給される還元剤の圧力によって制御されるようになっている。

本発明の有利な構成によれば、調量装置が、圧送ポンプの吐出し側を選択的に圧送ポンプの吸込み側に接続するかまたは吸込み側から分離するようになっている。

本発明の有利な構成によれば、調量装置が、圧送ポンプと噴射ノズルとの間の吐出し管路と、圧送ポンプと蓄え容器との間の吸込み管路とに沿って配置されており、調量装置が、吐出し管路と吸込み管路とを選択的に互いに接続するかまたは互いに分離するようになっている。

本発明の有利な構成によれば、調量装置が、吐出し管路と吸込み管路とを接続する戻し通路と、該戻し通路を開閉するための制御可能な弁とを有している。

本発明の有利な構成によれば、弁が、電磁弁であり、ばねのばね力によって負荷される弁部材を有しており、該弁部材が、戻し通路を電磁弁の電流なしの状態で閉鎖している。

本発明の有利な構成によれば、弾性変形可能なダイヤフラムが設けられており、該ダイヤフラムが、弁部材によって貫通された、電磁弁と戻し通路との間の開口を、弁部材を取り囲んで気密に閉鎖している。

本発明の有利な構成によれば、ダイヤフラムが環状であり、該ダイヤフラムが、その内側の周面に沿って液密に弁部材に結合されていて、その外側の周面に沿って液密に開口の仕切り壁に結合されている。

本発明の有利な構成によれば、吐出し管路と吸込み管路とが、調量装置の内部で少なくとも部分的に、弾性変形可能な圧縮体によって仕切られるようになっている。

本発明の有利な構成によれば、調量装置が、圧送ポンプと別個の構成部材である。

本発明の有利な構成によれば、噴射ノズルが、弾性変形可能な少なくとも１つの圧縮体を有しており、該圧縮体が、噴射ノズルの内部の、排ガス系統への還元剤の供給のための管路を少なくとも部分的に取り囲んでいる。

上述した課題を解決するために、本発明によれば、圧送ポンプと排ガス系統との間に付加的な調量装置を設けることが提案される。この調量装置は、圧送ポンプによって連続的に圧送された還元剤を一時的に排ガス系統に供給し、これによって、量調量機能を引き受けている。この解決手段によって、１つには、量調量機能なしの有効な慣用の圧送ポンプを使用することが可能となる。この圧送ポンプは廉価に入手可能であるだけでなく、還元剤、たとえば尿素水混合液に対して耐性を備えていて、耐氷圧性でもある。もう１つには、圧送ポンプが内燃機関の全運転期間の間に作業することができる。これによって、ポンプの制御を省略することができる。このことは、コスト節約に繋がるだけでなく、このような形式の圧送ポンプのより頑丈の構造に基づき、より僅かな故障しやすさも保証している。さらに、圧送ポンプは、場合により内燃機関によって直接駆動されてもよい。

排ガス内での還元剤の可能な限り均質な分配を生ぜしめるためは、還元剤が、有利には噴射ノズルによって排ガス系統に噴射される。ノズルに対する付加的な制御の要求を回避するためには、このノズルが、有利には、ノズルの前方の還元剤の圧力によって制御される。この場合、ノズルは、この圧力が、規定された開放圧を上回った場合に開放され、圧力が開放圧未満に減少した場合に閉鎖される。ノズルの前方の還元剤の圧力を制御するためには、調量装置が働く。この調量装置は、本発明の有利な構成によれば、還元剤を排ガス系統に供給したくない場合にポンプの吐出し側をポンプの吸込み側に接続し、排ガス系統への還元剤の供給の目的のために、ノズルの前方の圧力を増加させたい場合にポンプの吐出し側を吸込み側から分離する。

ポンプの吐出し側がポンプの吸込み側に接続されている場合には、ポンプが還元剤を循環経路において圧送する。これは、ノズルの前方に、このノズルの開放圧を上回る十分な圧力が形成され得ず、したがって、ノズルが閉鎖されたままであることを意味している。これに対して、ポンプの吐出し側がポンプの吸込み側から分離されている場合には、ポンプの連続的な圧送によって自動的に、ノズルの開放圧を上回る圧力がノズルの前方に形成され、これによって、このノズルが開放され、排ガス系統への還元剤の供給を生ぜしめる。

調量装置は、有利には、ポンプをノズルに接続する吐出し管路と、ポンプを蓄え容器に接続する吸込み管路とに沿って配置されていて、吐出し管路と吸込み管路とを接続する戻し通路を有している。この戻し通路は、制御可能な弁によって要求に従って開閉することができる。

弁は、有利には電磁弁として形成されていて、弁部材を有している。この弁部材はばねのばね力によって、戻し通路に設けられた弁座に対して圧着され、これによって、この弁座が閉鎖される。電磁弁への給電によって、弁部材が弁座から持ち上げられ、これによって、戻し通路が開放される。

電磁弁の少なくとも幾つかの構成部材、たとえばコイルおよびコイルへの給電部は、慣用の還元剤、たとえば尿素水混合液もしくは尿素水混合液からガス発生するアンモニアに対して耐性を備えていないので、これらの構成部材は、腐食と、これに起因した運転障害とを回避するために、還元剤、たとえば尿素水混合液または還元剤の成分または分解生成物、たとえばアンモニアに接触しないことが望ましい。この理由から、有利には、弁部材によって貫通された、電磁弁のコイル室と戻し通路との間の開口が、弁部材を取り囲んで、弾性変形可能なダイヤフラムによって気密に閉鎖されている。

調量装置を耐氷圧性にし、これによって、この調量装置が、その内部での凍結した還元剤、たとえば尿素水混合液の体積膨張に基づき損傷されないようにするためには、吐出し管路および／または吸込み管路が調量ユニットの内部で少なくとも部分的に、弾性変形可能な圧縮体によって取り囲まれている。この圧縮体は、還元剤の、凍結に起因した体積膨張時に圧縮され、こうして、氷圧の著しい減少を生ぜしめる。

発明の実施形態
以下に、本発明を、図面に示した実施例につき詳しく説明する。

全体として図１に示した装置２は、矢印Ａの方向にディーゼルエンジ（図示せず）の排ガスによって通流される排ガス管４内に還元剤を供給するために働く。供給される還元剤は、有利には尿素水混合液（ＡｄＢｌｕｅ：登録商標）であるものの、別の還元剤、特に液状の還元剤が使用されてもよい。装置２は、主として、還元剤のための蓄え容器６と、液状の還元剤、たとえば尿素水混合液のための連続的に作業する慣用の圧送ポンプ８と、この圧送ポンプ８によって圧送された還元剤を噴射ノズル１４によって排ガス管４内に一時的に調量するための調量ユニット１６とから成っている。圧送ポンプ８の吸込み側は、吸込み管路１０によって蓄え容器６に接続されており、圧送ポンプ８の吐出し側は、吐出し管路１２によって、排ガス管４に取り付けられた噴射ノズル１４に接続されている。

図１に概略的に矢印Ｂによって示したように、還元剤を排ガスとの一層良好な混合のためにスプレーコーンとして排ガス管４内に噴射する噴射ノズル１４は、圧力制御式のノズルである。このノズルは、ノズル１４の前方の吐出し管路１２内の圧力が、ノズル１４の、前調整された開放圧を上回った場合に開放される。しかし、ノズル１４の前方の吐出し管路１２内の圧力がノズル１４の開放圧を下回っている限り、ノズル１４は閉鎖されたままである。

最良に図２に示したように、圧送ポンプ８から噴射ノズル１４に通じる吐出し管路１２と、蓄え容器６から圧送ポンプ８に通じる吸込み管路１０とは、調量ユニット１６を通って延びている。この場合、吐出し管路１２と吸込み管路１０との、調量ユニット１６の内部に配置された管路区分１８，２０は、有利には互いに平行に方向付けられている。この管路区分１８，２０は調量ユニット１６の内部で戻し通路２２によって接続されている。この戻し通路２２は、調量ユニット１６の電磁弁２４によって選択的に開閉することができる。

この電磁弁２４は、ハウジング２６と、このハウジング２６のコイル室２８内に収納された、給電部（図示せず）によって電流で負荷可能なコイル３０と、このコイル３０によって取り囲まれた、コイル３０の長手方向軸線Ｌに沿って可動なソレノイドプランジャ３２と、このソレノイドプランジャ３２に剛性的に結合された、弁ニードルの形の弁部材３４と、圧縮コイルばね３６とから成っている。この圧縮コイルばね３６は、ハウジング２６と、ソレノイドプランジャ３２の、弁部材３４と反対の側の端面端部との間に配置されている。

図２には、図面を簡単にするために、吐出し管路１２が吸込み管路１０の上方に示してあり、電磁弁２４が吐出し管路の上方に示してあるのに対して、実際の使用では、有利には、吐出し管路１２と、吸込み管路１０と、戻し通路２２とが、１つの平面に相並んで位置しており、電磁弁２４がこの平面の外部で戻し通路２２の上方にまたは下方に配置されている。

コイル３０の電流なしの状態では、圧縮ばね３６が弁部材３４を、戻し通路２２に設けられた弁座３８に向かって押圧し、これによって、この弁座３８が閉鎖されるのに対して、コイル３０への給電によって、ソレノイドプランジャ３２が圧縮ばね３６のばね力に抗してコイル３０の長手方向軸線Ｌの方向に移動させられ、これによって、弁部材３４が戻し通路２２の開放下で弁座３８から持ち上げられる。

戻し通路２２の開放時には、圧送ポンプ８が、蓄え容器から吸い込まれた還元剤を循環経路において、圧送ポンプ８の吐出し側を、調量ユニット１６に設けられた戻し通路２２に接続する吐出し管路１２の管路区分４０と、戻し通路２２と、この戻し通路２２を圧送ポンプの吸込み側に接続する吸込み管路１０の管路区分４２とを通して圧送し、これによって、調量ユニット１６に続く、噴射ノズル１４に通じる吐出し管路１２の管路区分４４に圧力が形成され得ない。したがって、噴射ノズル１４は閉鎖されたままであり、還元剤は排ガス管４内に供給されない。エンジンの制御装置（図示せず）によって、排ガス管４内への還元剤の供給が要求されるやいなや、電磁弁２４のコイル３０への給電が遮断される。引き続き、圧縮ばね３６が弁部材３４を、戻し通路２２に設けられた弁座３８に向かって押圧し、この弁座３８を閉鎖する（図２参照）。矢印Ｃ，Ｄによって図２に示したように、圧送ポンプ８が戻し通路２２の閉鎖時に還元剤を蓄え容器６から吐出し管路１２内に圧送する場合には、この吐出し管路１２内に圧力が形成される。この圧力は、噴射ノズル１４の開放圧の上回り時に排ガス管４内への還元剤の供給を生ぜしめる。

還元剤の、排ガス管４内に供給される量は、圧送ポンプ８の出力と、噴射ノズル１４の特性線と、戻し通路２２の閉鎖期間とから生ぜしめられ、したがって、最後に記載したパラメータの変更によって制御することができる。

圧送ポンプ８と噴射ノズル１４との間に付加的な圧力調整器（図示せず）が設けられている場合には、還元剤の、排ガス管４内に供給される量が、圧力調整器で調整された圧力と、戻し通路２２の閉鎖期間とから生ぜしめられ、これによって、還元剤の、排ガス管４内に供給される量の制御のために、同じく戻し通路２２の閉鎖期間を変更することができる。

電磁弁２４もしくは電磁弁２４の構成要素、たとえばコイル３０、ハウジング２６の内部のコイル３０への給電線路ならびに場合によりソレノイドプランジャ３２は、一般的に還元剤もしくは還元剤の成分または分解生成物に対して化学的に耐性を備えていないので、弁部材３４によって貫通される、電磁弁２４と戻し通路２２の弁座３８との間の段付き孔４６が、弾性変形可能なダイヤフラム４８によって液密にかつガス密に閉鎖されており、これによって、電磁弁２４のコイル室２８内への戻し通路２２からの還元剤または還元剤の成分もしくは還元剤の分解生成物の侵入が阻止される。

このためには、環状のダイヤフラム４８がその内側の周縁部で液密にかつガス密に、弁部材３４の周面に設けられた全周にわたって延びる溝内に埋め込まれているのに対して、ダイヤフラム４８の外側の周縁部は、段付き孔４６の環状肩部と、電磁弁２４の、部分的に段付き孔４６内に突入したコイル保持部材５０との間に液密にかつガス密に緊締されている。戻し通路２２の閉鎖時に変形させられないダイヤフラム４８は、ソレノイドプランジャ３２がコイル３０への給電によってばね３６のばね力に抗してコイル３０の長手方向軸線Ｌの方向に移動させられ、この場合、弁部材３４が弁座３８から持ち上げられる場合に弾性変形させられる。しかし、この場合、弁部材３４と段付き孔４６の壁との間の環状ギャップは、弁部材３４の各弁位置でダイヤフラム４８によって気密に閉鎖される。

圧送ポンプ８と、吐出し管路１２と、吸込み管路１０と、蓄え容器６と、場合により蓄え容器６と圧送ポンプ８との間に配置されたフィルタ（図示せず）とが、これらの構成部材内に含まれた液状の還元剤の凍結の事例において、これにより生ぜしめられる氷圧に対して耐性を備えているように公知の形式で形成されているのに対して、図２に示した調量ユニット１６の耐氷圧性は、吐出し管路１２と吸込み管路１０との、調量ユニット１６を通って延びる管路区分１８；２０がその長さの一部で、管状の圧縮体５２によって取り囲まれていることによって達成される。この圧縮体５２は弾性変形可能であり、これによって、圧縮体５２が、凍結に基づく、調量ユニット１６内に含まれた液状の還元剤の体積増加時に幾分圧縮され、還元剤の融解時に再びその当初の形状をとる。

このような調量ユニット１６によって、装置２の全ての構成要素を耐氷圧性に形成することができるので、管路１０，１２の手間のかかる排出を省略することができる。さらに、管路１０，１２の不完全な排出に基づき生ぜしめられ得る誤調量が回避される。なぜならば、管路１０，１２の空気抜き時の液状の還元剤の、管路１０，１２内に残された残量が、望ましくない誤量ひいては排ガス管４内に供給される還元剤のバランスにおける偏差ひいては所望の調量策における偏差に繋がり得るからである。

調量ユニット１６に対して説明した原理は、噴射ノズル１４の内部で吐出し管路１２の少なくとも一部が、管状の圧縮体（図示せず）によって取り囲まれていることによって、噴射ノズル１４を耐氷圧性にするために、噴射ノズル１４にも使用される。

尿素水混合液の形の還元剤を内燃機関の排ガス系統に供給するための本発明による装置の概略図である。 図１に示した部分ＩＩの部分的な拡大断面図である。

符号の説明

２ 装置、 ４ 排ガス管、 ６ 蓄え容器、 ８ 圧送ポンプ、 １０ 吸込み管路、 １２ 吐出し管路、 １４ 噴射ノズル、 １６ 調量ユニット、 １８ 管路区分、 ２０ 管路区分、 ２２ 戻し通路、 ２４ 電磁弁、 ２６ ハウジング、 ２８ コイル室、 ３０ コイル、 ３２ ソレノイドプランジャ、 ３４ 弁部材、 ３６ 圧縮コイルばね、 ３８ 弁座、 ４０ 管路区分、 ４２ 管路区分、 ４４ 管路区分、 ４６ 段付き孔、 ４８ ダイヤフラム、 ５０ コイル保持部材、 ５２ 圧縮体、 Ｌ 長手方向軸線

Claims (11)

1. 内燃機関の排ガス系統に還元剤を供給するための装置であって、還元剤を蓄え容器から排ガス系統に圧送するための圧送ポンプが設けられている形式のものにおいて、圧送ポンプ（８）と排ガス系統（４）との間に配置された調量装置（１６）が設けられており、該調量装置（１６）が、圧送ポンプ（８）によって連続的に圧送された還元剤を一時的に排ガス系統（４）に供給するようになっていることを特徴とする、内燃機関の排ガス系統に還元剤を供給するための装置。
2. 調量装置（１６）と排ガス系統（４）との間に配置された、還元剤を排ガス系統（４）に噴射するための噴射ノズル（１４）が設けられており、該噴射ノズル（１４）が、該噴射ノズル（１４）に供給される還元剤の圧力によって制御されるようになっている、請求項１記載の装置。
3. 調量装置（１６）が、圧送ポンプ（８）の吐出し側を選択的に圧送ポンプ（８）の吸込み側に接続するかまたは吸込み側から分離するようになっている、請求項１または２記載の装置。
4. 調量装置（１６）が、圧送ポンプ（８）と噴射ノズル（１４）との間の吐出し管路（１２）と、圧送ポンプ（８）と蓄え容器（６）との間の吸込み管路（１０）とに沿って配置されており、調量装置（１６）が、吐出し管路（１２）と吸込み管路（１０）とを選択的に互いに接続するかまたは互いに分離するようになっている、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
5. 調量装置（１６）が、吐出し管路（１２）と吸込み管路（１０）とを接続する戻し通路（２２）と、該戻し通路（２２）を開閉するための制御可能な弁（２４）とを有している、請求項４記載の装置。
6. 弁が、電磁弁（２４）であり、ばね（３６）のばね力によって負荷される弁部材（３４）を有しており、該弁部材（３４）が、戻し通路（２２）を電磁弁（２４）の電流なしの状態で閉鎖している、請求項５記載の装置。
7. 弾性変形可能なダイヤフラム（４８）が設けられており、該ダイヤフラム（４８）が、弁部材（３４）によって貫通された、電磁弁（２４）と戻し通路（２２）との間の開口（４６）を、弁部材（３４）を取り囲んで気密に閉鎖している、請求項６記載の装置。
8. ダイヤフラム（４８）が環状であり、該ダイヤフラム（４８）が、その内側の周面に沿って液密に弁部材に結合されていて、その外側の周面に沿って液密に開口（４６）の仕切り壁に結合されている、請求項７記載の装置。
9. 吐出し管路（１２）と吸込み管路（１０）とが、調量装置（１６）の内部で少なくとも部分的に、弾性変形可能な圧縮体（５２）によって仕切られるようになっている、請求項１から８までのいずれか１項記載の装置。
10. 調量装置（１６）が、圧送ポンプ（８）と別個の構成部材である、請求項１から９までのいずれか１項記載の装置。
11. 噴射ノズル（１４）が、弾性変形可能な少なくとも１つの圧縮体を有しており、該圧縮体が、噴射ノズル（１４）の内部の、排ガス系統（４）への還元剤の供給のための管路を少なくとも部分的に取り囲んでいる、請求項２から１０までのいずれか１項記載の装置。

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