JP2010528210A - 排気浄化装置の再生用インジェクター - Google Patents

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Abstract

本発明は、ディーゼル車両の排気浄化装置用インジェクターに関し、本発明の目的は、インジェクターの劣化による性能低減の影響を最小化して、より精密にディーゼル燃料の噴射量を調節できる排気浄化装置用インジェクターを提供することにある。本発明によると、インジェクターに付加的な冷却装置をさらに備える必要がなく、ディーゼル燃料の流れを利用してインジェクターを冷却することにより、装備の改善において発生する付加的な費用や空間の不足などのような問題を全く生じることなく、インジェクターを効果的に冷却することができる効果がある。これにより、インジェクターの劣化による性能低減の影響が最小化されて、特に、インジェクターの過熱時、ノズル部位に炭素堆積物が付着し、ノズルの噴射効率が低減するような問題点を根本的に除去することができる効果がある。さらに本発明によると、主噴射装置と補助噴射装置を使用して段階的に温度を上昇させるようにすることにより、より精密にディーゼル燃料の噴射量を調節することができる効果がある。これにより、本発明は、同一温度までガスの温度を上昇させるために必要なディーゼル燃料の噴射必要量を節約することができる効果があると共に、全体的な車両の燃費を改善できる大きい効果がある。
【選択図】図２

Description

本発明は、排気浄化装置用インジェクターに関する。
ディーゼル自動車は、ガソリン自動車に比べ、エンジンの耐久性が高くて効率が約２０〜３０％も高く、燃費及び出力面で性能に優れており、主にトラック及びバスなどの大型車両に適用されてきた。また、ディーゼル自動車は、ＣＯ２、ＣＯ、ＴＨＣ及び蒸発炭化水素の量が少なくて、地球温暖化を誘発し難いという長所も有しているため、だんだん中小型車両用エンジンにもディーゼルエンジンを使用する技術が適用されつつ、先進各国ではこのような中小型ディーゼル自動車の需要が増加し続けている。しかしながら、ディーゼル自動車の排気ガスに多量含まれている窒素酸化物(ＮＯｘ)と粒子状物質(PM、Particulate Matter)は、全体大気汚染の４０％を占めるほど大気汚染の主犯と認識され、これにより、ディーゼル自動車の生産時は、環境的規制が厳しく適用されている。窒素酸化物と粒子状物質の排出量基準には、各国相互間に妥協関係(trade-off)があって、さらに各国は、政策的要求によって、その発生程度を調節している。しかし、高油価時代において、従来のガソリン自動車に比べてより効率のよいディーゼル自動車が脚光を浴びており、これにより、ディーゼル自動車の生産に比例して発生する大気汚染物質の排出量を減らすために、先進各国では、ディーゼルエンジンの排気ガス汚染物質含有量に対する規制をより一層強化していく趨勢である。
ディーゼルエンジンの排気ガス規制を満足するための対応技術としては、燃料の改善・燃焼方法の改善・エンジンの改良など、汚染物質が根本的に少なく発生するようにすることに目的がある前処理技術と、排気ガス排出口に装着し、発生された排気ガスを浄化する後処理技術とに分かれる。各分野で度重なる研究と開発がなされているが、現在では、後処理技術が商用化により有利であると評価されており、後処理技術に対してより多い研究・開発がなされている実情である。このような後処理技術としては、（１）粒子状物質(PM)中の未燃焼炭化水素を浄化するための酸化触媒、（２）粒子状物質(PM)をフィルターでフィルタリングする粒子状物質除去用フィルター(Diesel Particulate Filter；以下、‘DPF’という)、（３）還元雰囲気下で窒素酸化物(NOx)を分解または還元するＤｅＮＯｘ触媒システムなどがあるが、現在は、上述の様々な技術を効果的に組み合わせたシステム、即ち、例えば触媒フィルター付ＤＰＦシステムなどのようなハイブリッド型後処理装置が広く使用されている。
従来の排気浄化システムにおいて、煤煙低減装置に流入される排出ガスに含まれる煤煙の中、粒子状物質(PM)は、前記煤煙低減装置により捕集(trapping)されることによって、９０％以上除去が可能である。粒子状物質が飽和すると、煤煙低減装置の捕集能力が喪失されるだけではなく、エンジンに逆圧がかかり、エンジンの駆動を妨害する可能性があるため、前記粒子状物質を除去する過程が必要であって、このように煤煙低減装置に飽和している粒子状物質を除去する過程を再生(regeneration)という。このような再生方法としては、一般に、ディーゼル燃料を、煤煙低減装置に流入される排出ガスに噴射して自然発火させることにより、排出ガスの温度を上昇させて、高温の排出ガスを煤煙低減装置に流入させることにより、煤煙低減装置に捕集されている粒子状物質を燃焼させて除去する方法が広く使用される。
このような方式の排気浄化システムにおいて、幾つかの問題点が指摘されている。上述のように、煤煙低減装置を再生する過程において、インジェクターは、絶えず高温のガスと接触するようになるため、インジェクター自体の温度が上昇するようになる。特に、高温の熱を放出するエンジンの影響を受けて、インジェクターの温度がさらに上昇する可能性もある。この際、インジェクターの温度が上昇するようになると、排出ガス内に含有されている炭素堆積物(carbon deposit)がインジェクターノズル部位に付着して、これにより、ノズルの噴射効率が低下して、ノズル部位に損傷が発生するような問題が生じる。しかも、インジェクター本体の劣化により、インジェクター自体の寿命が減少して、全体的な作動が不安定で制御が難しくなり、これによって、ディーゼル燃料の消費量が多くなり、全体的な燃費を悪くする原因と指摘されている。このようにインジェクターの温度上昇による様々な問題点が発生することから、このような問題を解決するための当業者及び使用者の要求が絶えず続いてきた。
したがって、本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するために案出されたもので、本発明の目的は、インジェクターの劣化による性能低減の影響を最小化して、より精密にディーゼル燃料の噴射量を調節できる排気浄化装置用インジェクターを提供することにある。
上記のような目的を達成するための本発明の排気浄化装置用インジェクターは、エンジン１００と、前記エンジン１００と連結され、ディーゼル燃料を供給する燃料タンク２００と、前記エンジン１００の排気口１１０と排気ライン１３０で連結されて、前記エンジン１００から排出されるガスの煤煙及び公害物質を浄化して外部に排出する煤煙低減装置３００と、前記燃料タンク２００と連結されて、注入管５２１、注入ポンプ５１０、インジェクター４００及び循環管５２２を順に含んで構成され、前記煤煙低減装置３００の前端の排気ライン１３０上に設けられる注入手段と、前記煤煙低減装置３００の飽和状態を感知して判断し、前記インジェクター４００の作動を制御する制御部５００と、を含んでなる排気浄化システムに採用されるインジェクター４００であって、前記インジェクター４００は、前記排気ライン１３０に連結される本体４１０と、前記本体４１０に備えられる補助噴射装置４２２と、前記補助噴射装置４２２の下流に備えられる昇温装置４４０と、前記昇温装置４４０の下流に備えられる主噴射装置４２１とを含んで構成されて、前記補助噴射装置４２２−前記昇温装置４４０−前記主噴射装置４２１の順に空気を流通して段階的に昇温させることを特徴とする。
ここで、前記インジェクター４００は、箱体状に形成され、前記排気ライン１３０に連結される本体４１０と、前記本体４１０の一側に備えられる補助噴射装置４２２と、前記補助噴射装置４２２を冷却するように前記注入管５２１と連結され、前記補助噴射装置４２２の周りに形成されてディーゼル燃料を流通させる補助噴射循環路４１２と、前記注入管５２１と連結され、前記補助噴射装置４２２に噴射されるディーゼル燃料を供給する補助噴射供給管４３２と、前記本体４１０内部及び前記補助噴射装置４２２の下流側に備えられる昇温装置４４０と、前記本体４１０の一側及び前記昇温装置４４０の下流側に備えられる主噴射装置４２１と、前記主噴射装置４２１を冷却するように前記注入管５２１と連結され、前記主噴射装置４２１の周りに形成されてディーゼル燃料を流通させる主噴射循環路４１１と、前記注入管５２１と連結され、前記主噴射装置４２１に噴射されるディーゼル燃料を供給する主噴射供給管４３１と、を含んでなることを特徴とする。
さらに、前記昇温装置４４０は、ＥＨＣ(Electric Heated Catalyst)、改質触媒(Thermal Cracking)、熱分解プラズマ(Thermal Plasma)、予熱プラグ(Glow Plug)から選択される一つ以上が配置される装置であることを特徴とする。
本発明によると、インジェクターに付加的な冷却装置をさらに備える必要がなく、ディーゼル燃料の流れを利用してインジェクターを冷却することにより、装備の改善において発生する付加的な費用や空間の不足などのような問題を全く生じることなく、インジェクターを効果的に冷却することができる効果がある。これにより、インジェクターの劣化による性能低減の影響が最小化されて、特に、インジェクターの過熱時、ノズル部位に炭素堆積物が付着し、ノズルの噴射効率が低減するような問題点を根本的に除去することができる効果がある。さらに本発明によると、主噴射装置と補助噴射装置を使用して段階的に温度を上昇させるようにすることにより、より精密にディーゼル燃料の噴射量を調節することができる効果がある。これにより、本発明は、同一温度までガスの温度を上昇させるために必要なディーゼル燃料の噴射必要量を節約することができる効果があると共に、全体的な車両の燃費を改善できる大きい効果がある。
本発明によるインジェクターを採用する排気浄化装置のシステム図である。 本発明によるインジェクターの詳細断面図である。 本発明によるインジェクターの詳細断面図である。
以下、上記のような構成を有する本発明による排気浄化装置用インジェクターを、添付の図面を参考して詳細に説明する。
図１は、本発明のインジェクターが採用される排気浄化システムを簡略に示したものである。本発明によるインジェクターが採用される排気浄化システムは、エンジン１００と、前記エンジン１００と連結され、ディーゼル燃料を供給する燃料タンク２００と、前記エンジン１００の排気口１１０と排気ライン１３０で連結されて、前記エンジン１００から排出されるガスの煤煙及び公害物質を浄化して外部に排出する煤煙低減装置３００と、前記煤煙低減装置３００の前端の排気ライン１３０上に設けられ、前記煤煙低減装置３００が飽和状態である場合、ディーゼル燃料を噴射して自然発火させることにより、前記煤煙低減装置３００に流入される排出ガスの温度を上昇させて前記煤煙低減装置３００を再生させて、前記煤煙低減装置３００が飽和状態ではない場合は閉鎖されるインジェクター４００と、一側が前記燃料タンク２００と連結されて、他側が前記インジェクター４００と連結される注入管５２１と、前記注入管５２１上に備えられて、ディーゼル燃料を流通させる注入ポンプ５１０と、一側が前記インジェクター４００と連結されて、他側が前記燃料タンク２００と連結され、前記インジェクター４００の閉鎖時、前記注入管５２１を通じて流れてきたディーゼル燃料を再び前記燃料タンク２００に戻らせる循環管５５２と、前記煤煙低減装置３００の飽和状態を感知して判断し、前記インジェクター４００の作動を制御する制御部６００と、を含んでなる。以下、本発明のシステム全般についてより詳細に説明する。
エンジン１００は、燃料タンク２００と連結されて、ディーゼル燃料を供給されて働くようになる。前記エンジン１００から発生した煤煙を含む排出ガスは、排気口１１０と連結された煤煙低減装置３００を通過しながら浄化され、排気管３１０を通じて排出される。前記煤煙低減装置３００は、上述のような様々な後処理技術を使用する装置であって、一般には触媒を施したフィルターを備えるＤＰＦシステムが広く使用されており、粒子状物質を含む公害物質を除去する装置であれば、いかなる形態の装置でもよい。
煤煙低減装置３００に粒子状物質が飽和するか飽和に近づくと、粒子状物質の捕集能力が減少して、また逆圧力がかかりエンジンの駆動に深刻な問題を起こす可能性があるため、これを防止するための対策が必要である。煤煙低減装置３００の入り口側に前記燃料タンク２００と連結されたインジェクター４００を備えて、排出ガスにディーゼル燃料を噴射して自然発火が起こるようにすることにより、前記煤煙低減装置３００に流入される排出ガスの温度を強制的に上昇させると、煤煙低減装置３００の内部に飽和している粒子状物質が、前記高温の排出ガスにより、燃焼によって除去されるようになる。
この際、上述のように、煤煙低減装置３００を再生するためには、前記インジェクター４００から適宜ディーゼル燃料を噴射する必要があるため、前記煤煙低減装置３００の飽和程度を測定するために様々な方法が使用される。現在一般的には、エンジン１００にＲＰＭセンサー１２０を、煤煙低減装置３００に圧力センサー３２１及び温度センサー３２２、３２３を備えることにより、エンジン１００の回転数（ｒｐｍ値）及び煤煙低減装置３００の前・後端の圧力及び温度または圧力差及び温度差のような変数を使用して制御部６００が飽和程度を算出して、これによりインジェクター４００の作動を適宜制御して、噴射されるディーゼル燃料の量を調節するようになる。もちろん前記制御部６００が使用する変数は、設計によって多様に変形され得て、これにより前記センサーが設けられる位置や数なども多様に変われる。
煤煙低減装置３００を再生するために使用されるインジェクティングシステムは、一般に図１に示されたように、注入ポンプ５１０、インジェクター４００、注入管５２１及び循環管５２２からなる。インジェクター４００は、上述のように、煤煙低減装置３００が飽和状態になった時または飽和状態に近づいた時、前記注入ポンプ５１０が注入管５２１を通じて供給するディーゼル燃料を噴射するようになる。しかし、煤煙低減装置３００が飽和状態ではなくて、噴射が不要である場合は、前記インジェクター４００は閉鎖されて、注入管５２１を通じて供給されたディーゼル燃料は、循環管５２２を通じて再び燃料タンク２００に循環して戻ってくる。
ところが、このようにインジェクター４００では、持続的に高温の排出ガスが接触するばかりか、隣接部位で発火が起こるため、前記インジェクター４００の本体は、外部から熱を絶えず受けるようになり、特に、高温の熱を放出するエンジンの影響によりさらに熱を受け、温度が上昇するようになる。したがって、様々な方法によりインジェクター４００の損傷が発生し、インジェクター４００により噴射されるディーゼル燃料の量を制御するにおいても、誤動作が発生する可能性が高くなる。本発明では、このような問題点を除去するために、効果的にインジェクター４００を冷却するだけではなく、前記インジェクター４００により噴射されるディーゼル燃料の量を精密に制御できるようにするインジェクター４００の構造を提示する。
図２及び図３は、本発明によるインジェクターの概略的な構造図である。本発明のインジェクター４００は、図示されたように、箱体状に形成される本体４１０と、前記本体４１０に備えられる主噴射装置４２１及び補助噴射装置４２２、そして昇温装置４４０を含んで構成される。前記インジェクター４００は、図１に示されたように、エンジンから排出されるガスが煤煙低減装置３００に流入される前の位置に設けられるため、高温の排出ガス自体が有している熱の影響を受けるだけではなく、前記噴射装置４２１、４２２により噴射されたディーゼル燃料が自然発火することにより発生する熱によってもさらに影響を受けるようになる。特に、前記噴射装置４２１、４２２は、制御部６００によりその動作が制御されているため、熱により部品が損傷される場合、誤動作を起こす虞があるため、前記噴射装置４２１、４２２が受ける熱を冷却する必要がある。
前記主噴射装置４２１及び前記補助噴射装置４２２には、それぞれ主噴射循環路４１１及び補助噴射循環路４１２が形成されて、前記循環路４１１、４１２は、一側に注入管５２１が連結されて、他側に循環管５２２が連結され、ディーゼル燃料を流通させるようになっている。前記循環路４１１、４１２は、図２に示されたように、単に前記噴射装置４２１、４２２の周りに形成される二重壁面の内部空間からなっていてもよく、あるいは別途の通路が形成されていてもよい。即ち、前記循環路４１１、４１２が一側方向のみに向かって形成されていても、螺旋をなすように形成されていてもよく、上述のように循環路４１１、４１２内部にディーゼル燃料を流通させることができる形態であれば、いかなる形態でも構わない。
このように、前記本体４１０には、それぞれその周りに主噴射循環路４１１及び補助噴射循環路４１２が形成されている主噴射装置４２１と補助噴射装置４２２が備えられるが、前記補助噴射装置４２２により１次昇温された空気が主噴射装置４２１側に流れてきて、主噴射装置４２１により２次昇温される構造になっている。前記補助噴射装置４２２では、排気ライン１３０に流れる排気ガスを加熱するために必要なディーゼル燃料の１０％程度を噴射して、予め流れを加熱する。このように、補助噴射装置４２２で１次昇温された空気は、前記補助噴射装置４２２の下流に備えられた昇温装置４４０を経つつさらに昇温される。このように、前記昇温装置４４０により、必要なだけ空気を加熱するために噴射するディーゼル燃料の量を節約することができる。前記昇温装置４４０を経て出た空気に、前記主噴射装置４２１で残りの９０％程度のディーゼル燃料をさらに噴射することにより火炎を生成して、これにより、排気ライン１３０に沿って流れる排気ガスが十分加熱されるようになる。
このように本発明によると、空気が補助噴射装置４２２−昇温装置４４０−主噴射装置４２１の順に通過しながら段階的に加熱されるため、必要なだけ空気を加熱するために噴射するディーゼル燃料の量を、従来に比べ著しく節約することができると共に、ディーゼル燃料の量を著しく精密に調節することができるようになる。もちろん、本実施例で触れていない形態であっても、上述のような本発明の趣旨、即ち空気が補助噴射装置４２２−昇温装置４４０−主噴射装置４２１を順に通過しつつ段階的に加熱される構造から外れない形態であれば、どんな形態で構成されてもかまわない。
前記昇温装置４４０は、低温でも燃焼が起これるようにするための装置であって、ＥＨＣ(Electric Heated Catalyst)、改質触媒(Thermal Cracking)、熱分解プラズマ(Thermal Plasma)、予熱プラグ(Glow Plug)などのように、一般に上述のような目的で使用されるものであれば、いかなる装置を使用してもかまわない。
前記循環路４１１、４２１は、燃料タンク２００と直接連結されているか（図３）または順に連結されている（図２）。したがって、エンジン１００の熱から受ける影響が最小化されたディーゼル燃料をその内部に流通させることができる。前記循環路４１１、４２１は、図示されたように、主噴射装置４２１及び補助噴射装置４２２を取り囲むようになっている。したがって、前記循環路４１１、４２１に沿って流通されるディーゼル燃料により前記主噴射装置４２１及び補助噴射装置４２２から熱を奪って冷却させる効果が発生する。
本発明は、上述の実施例に限らず、適用範囲が多様であり、請求の範囲で請求する本発明の要旨を逸脱することなく、 本発明の属する分野で通常の知識を有する者なら誰でも多様な変形実施が可能であることはもちろんである。
１００ エンジン
１１０ 排気口
１２０ ＲＰＭセンサー
１３０ 排気ライン
２００ 燃料タンク
３００ 煤煙低減装置
３１０ 排気管
３２１ 圧力センサー
３２２、３２３ 温度センサー
４００ (本発明による)インジェクター
４１０ 本体
４１１ 主噴射循環路
４１２ 補助噴射循環路
４２１ 主噴射装置
４２２ 補助噴射装置
４３１ 主噴射供給管
４３２ 補助噴射供給管
４４０ 昇温装置
５１０ 注入ポンプ
５２１ 注入管
５２２ 循環管
６００ 制御部

Claims (3)

  1. エンジン１００と、
    前記エンジン１００と連結され、ディーゼル燃料を供給する燃料タンク２００と、
    前記エンジン１００の排気口１１０と排気ライン１３０で連結されて、前記エンジン１００から排出されるガスの煤煙及び公害物質を浄化して外部に排出する煤煙低減装置３００と、
    前記燃料タンク２００と連結されて、注入管５２１、注入ポンプ５１０、インジェクター４００及び循環管５２２を順に含んで構成され、前記煤煙低減装置３００の前端の排気ライン１３０上に設けられる注入手段と、
    前記煤煙低減装置３００の飽和状態を感知して判断し、前記インジェクター４００の作動を制御する制御部５００と、を含んでなる排気浄化システムに採用されるインジェクター４００であって、
    前記インジェクター４００は、前記排気ライン１３０に連結される本体４１０と、前記本体４１０に備えられる補助噴射装置４２２と、前記補助噴射装置４２２の下流に備えられる昇温装置４４０と、前記昇温装置４４０の下流に備えられる主噴射装置４２１とを含んで構成されて、前記補助噴射装置４２２−前記昇温装置４４０−前記主噴射装置４２１の順に空気を流通して段階的に昇温させることを特徴とする、排気浄化装置用インジェクター。
  2. 前記インジェクター４００は、
    箱体状に形成され、前記排気ライン１３０に連結される本体４１０と、
    前記本体４１０の一側に備えられる補助噴射装置４２２と、前記補助噴射装置４２２を冷却するように前記注入管５２１と連結され、前記補助噴射装置４２２の周りに形成されてディーゼル燃料を流通させる補助噴射循環路４１２と、前記注入管５２１と連結され、前記補助噴射装置４２２に噴射されるディーゼル燃料を供給する補助噴射供給管４３２と、
    前記本体４１０内部及び前記補助噴射装置４２２の下流側に備えられる昇温装置４４０と、
    前記本体４１０の一側及び前記昇温装置４４０の下流側に備えられる主噴射装置４２１と、前記主噴射装置４２１を冷却するように前記注入管５２１と連結され、前記主噴射装置４２１の周りに形成されてディーゼル燃料を流通させる主噴射循環路４１１と、前記注入管５２１と連結され、前記主噴射装置４２１に噴射されるディーゼル燃料を供給する主噴射供給管４３１と、
    を含んでなることを特徴とする、請求項１に記載の排気浄化装置用インジェクター。
  3. 前記昇温装置４４０は、ＥＨＣ(Electric Heated Catalyst)、改質触媒(Thermal Cracking)、熱分解プラズマ(Thermal Plasma)、及び、予熱プラグ(Glow Plug)から選択される一つ以上が配置される装置であることを特徴とする、請求項１または２に記載の排気浄化装置用インジェクター。
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