JP2013238167A

JP2013238167A - 添加弁の放熱構造

Info

Publication number: JP2013238167A
Application number: JP2012111610A
Authority: JP
Inventors: Takashi Hajima; 孝志羽島
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-05-15
Filing date: 2012-05-15
Publication date: 2013-11-28
Also published as: EP2664760B1; EP2664760A1

Abstract

【課題】添加弁の熱を効率よく放熱させることができる添加弁の放熱構造を提供する。
【解決手段】添加弁の放熱構造は、還元剤を内燃機関の排気管１１内に添加する添加弁２０と、添加弁２０を収容するための収容空間３２が形成されて収容空間３２に添加弁２０を収容するとともに添加弁２０の熱を放熱する放熱部材３０とを備えている。放熱部材３０の収容空間３２において添加弁２０と放熱部材３０との間には銅粉４２が充填されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、還元剤を内燃機関の排気管内に添加する添加弁の放熱構造に関する。

例えば特許文献１に記載されるように、内燃機関から排出されるＮＯｘ（窒素酸化物）を選択的に還元して浄化する選択還元型ＮＯｘ浄化システムが知られている。このシステムでは、排気管に設けられたＮＯｘ浄化触媒に、添加弁から尿素水溶液やアンモニアガスなどの還元剤を噴射することによって、排気に含まれるＮＯｘを選択的に窒素や水に還元して浄化するようにしている。

特許文献１に記載のものにおいては、還元剤を噴射するための添加弁を高温の排気による熱害から保護すべく、添加弁の熱を放熱部材を通じて放熱するようにしている。具体的には、この放熱部材は、内部に添加弁を収容する収容空間が形成されており、添加弁をこの収容空間に配置することで、添加弁の熱を放熱部材を通じて外部に放熱するようにしている。

特表２００９−５２０９０７号公報

特許文献１記載される添加弁の放熱構造では、放熱部材における収容空間の内周面と添加弁の外周面との間に空隙が存在している。そのため、添加弁の熱を放熱部材に効率よく伝達させることができず、ひいては添加弁の熱を効率よく放熱させることができない。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、添加弁の熱を効率よく放熱させることができる添加弁の放熱構造を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項１に記載の発明に係る添加弁の放熱構造は、還元剤を内燃機関の排気管内に添加する添加弁と、同添加弁を収容するための収容空間が形成されて同空間に前記添加弁を収容するとともに前記添加弁の熱を放熱する放熱部材とを備え、前記収容空間に収容された前記添加弁と前記放熱部材との間には金属粉が充填されていることを要旨とする。

上記構成によれば、収容空間に収容された添加弁と放熱部材との間に、熱伝導率が高い金属粉が充填されているため、添加弁の熱を金属粉を通じて放熱部材に効率よく伝達することができる。また、添加弁と放熱部材との間に、この空間に対応した形状の熱伝導部材を配置する場合と比べて、添加弁と放熱部材との間の空隙をなくすことができる。すなわち、上記構成によれば、添加弁と放熱部材との間に熱伝導率が高い金属粉を隙間なく充填することができるため、添加弁の熱を効率よく放熱部材に伝達させることができ、放熱部材を通じて添加弁の熱を効率よく放熱させることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記添加弁は、還元剤として尿素水を噴射するものであり、前記添加弁と前記放熱部材との間において、前記添加弁の噴孔が形成される同添加弁の先端部と前記放熱部材との間の部位には、断熱材が充填されていることを要旨とする。

添加弁の噴孔近傍の温度が低いと、噴孔近傍において尿素が析出してデポジットとなり、添加弁から噴射される尿素水の分散性が低下する。この点、上記構成では、添加弁の噴孔が形成される先端部と放熱部材との間には断熱材が充填されているため、添加弁の噴孔近傍が放熱部材を通じた放熱により温度低下することを抑制して、尿素が析出することを抑制することができる。これにより、添加弁を熱害から保護しつつ、添加弁から噴射される尿素水の分散性を確保することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記放熱部材は断熱部材を介して前記排気管に取り付けられていることを要旨とする。
上記構成によれば、排気管の熱が放熱部材に伝達されることを断熱部材により抑制することができるため、添加弁の熱を放熱部材を通じて放熱する効率が低下することを抑制することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の何れか１項に記載の発明において、前記金属粉がアルミニウム粉及び銅粉の少なくとも一方からなることを要旨とする。
上記構成によれば、熱伝導率が高く入手が容易な金属粉を用いることで、本発明を容易に具体化することができる。

本発明の一実施形態に係るＮＯｘ浄化システムを示す模式図。同実施形態における放熱部材及び排気管の断面構造と添加弁を示す模式図。

以下、本発明を、内燃機関の排気中のＮＯｘを浄化する選択還元型ＮＯｘ浄化システムにおける添加弁の放熱構造として具体化した一実施形態について、図１及び図２を参照して説明する。

図１に示すように、内燃機関のＮＯｘ浄化システム１０においては、内燃機関の燃焼室から排出された排気が排気管１１を流れる。ＮＯｘ浄化システム１０は、排気管１１に設けられて排気中のＮＯｘを還元反応により浄化する選択還元型ＮＯｘ浄化触媒（以下、「ＳＣＲ（ＳｅｌｅｃｔｉｖｅＣａｔａｌｙｔｉｃＲｅｄｕｃｔｉｏｎ）触媒」という）１２と、排気管１１におけるＳＣＲ触媒１２の上流側に設けられる添加弁２０とを備えている。

添加弁２０は、後述する放熱部材３０を介して排気管１１に取り付けられている。添加弁２０には、尿素水供給装置１３が接続されている。尿素水供給装置１３は、尿素水（尿素水溶液に相当）が貯留されている尿素水タンク１４と、尿素水タンク１４内の尿素水を添加弁２０に圧送する圧送ポンプ１５と、尿素水の供給圧力を調節する調整弁１６とを備えている。

制御部１８は、内燃機関の各種制御を実行する。制御部１８は、内燃機関の状態を検出する各種センサが出力する信号が入力され、入力される信号などに基づいて同機関の各種機器を駆動する。制御部１８は、こうした制御の一つとして、添加弁２０への尿素水供給路に設けられた圧力センサ１７の出力信号に基づいて、尿素水の供給圧力がＮＯｘの浄化に適した圧力となるように、圧送ポンプ１５を駆動制御するとともに、調整弁１６の開度を制御する。これにより、尿素水タンク１４内の尿素水が圧送ポンプ１５の駆動により添加弁２０に圧送されるとともに、尿素水の供給圧力が適切な圧力となるように調整弁１６により余剰な尿素水が尿素水タンク１４に戻される。そして、制御部１８が添加弁２０を開弁駆動すると、添加弁２０から排気管１１内に尿素水が噴射される。

こうして排気中に噴射された尿素水は、排気中で加熱されることで尿素が加水分解されてアンモニアを発生する。これによりアンモニアがＳＣＲ触媒１２に吸着され、排気中のＮＯｘが同触媒１２を通過する際にアンモニアによって窒素と水とに還元される。なお、アンモニアの一部は、排気中のＮＯｘを直接還元処理する。

次に、本実施形態の添加弁２０の放熱構造を図１及び図２を参照して説明する。なお、図２は、放熱部材３０及び排気管１１の断面構造と、放熱部材３０内に配置される添加弁２０の側面視を示している。

図１に示すように、排気管１１には、ＳＣＲ触媒１２が設けられる部位の近傍において分岐部１１ａが接合されており、放熱部材３０は後述するようにこの分岐部１１ａに取付けられている。分岐部１１ａは、図１に示すように略円筒形状でＳＣＲ触媒１２に向かう方向に延びており、図２に示すように同分岐部１１ａ内の通路は排気管１１内に連通している。図２に示すように、分岐部１１ａの外周面には、円盤状のフランジ１１ｂが接合されている。

放熱部材３０は、ステンレス製であり、略円筒形状のハウジング３１と、同ハウジング３１の外周面に形成される複数の冷却フィン３３と、ハウジング３１を分岐部１１ａに取り付けるための取付部３５とを備えている。

ハウジング３１の内部は、添加弁２０を収容するための収容空間３２を形成している。ハウジング３１は、排気管１１側に位置する先端部３１ａと、先端部３１ａに対して拡径している基端部３１ｂとを備えている。冷却フィン３３は、円盤状に形成されており、ハウジング３１の先端部３１ａの外周面に一体成形あるいは接合により形成されている。

取付部３５は、略円筒形状の接合部３６と、接合部３６に対して略垂直に接続される円盤状のフランジ部３７とを備えている。接合部３６は、ハウジング３１の先端部３１ａの円筒形状よりも一回り大きい円筒形状であり、先端部３１ａの先端を覆うようにして同先端部３１ａに接合されている。取付部３５のフランジ部３７は、排気管１１の分岐部１１ａに接合されるフランジ１１ｂに、断熱部材としての断熱ガスケット３８を介して、ボルトにより締結されている。断熱ガスケット３８は雲母からなる。

ハウジング３１内の収容空間３２には、上記添加弁２０が配置されている。具体的には、収容空間３２のうちハウジング３１の先端部３１ａに対応する空間には、添加弁２０の先端（噴孔２１が形成される端部）側の部位が収容されており、噴孔２１の位置がハウジング３１の先端に対応している。なお、噴孔２１は、添加弁２０の先端側（図２の排気管１１側の）側面において、同添加弁２０の軸中心に形成されている。また、収容空間３２のうちハウジング３１の基端部３１ｂに対応する空間には、添加弁２０の基端側の部位が収容されている。

ハウジング３１の収容空間３２において、ハウジング３１の先端部３１ａと添加弁２０との間には、添加弁２０の噴孔２１が形成される先端部側とハウジング３１の先端側に断熱カラー４０が配置されるとともに、基端部３１ｂ側の部位にＯリング４１が配置されている。断熱カラー４０は、断熱材としてのセラミックからなる。また、ハウジング３１の収容空間３２において、ハウジング３１の先端部３１ａと添加弁２０との間には、断熱カラー４０とＯリング４１との間に金属粉である銅粉４２が充填されている。

次に、排気管１１に添加弁２０及び放熱部材３０を取り付ける方法について説明する。
まず、放熱部材３０内に添加弁２０を配置する。このとき、添加弁２０の噴孔２１が放熱部材３０のハウジング３１の先端に対応するように配置される。そして、添加弁２０とハウジング３１の先端部３１ａとの間であって基端部３１ｂ側の部位に、Ｏリング４１を配置する。次に、放熱部材３０においてハウジング３１の先端側（取付部３５側）から銅粉４２を充填するこれにより、ハウジング３１の収容空間３２において、ハウジング３１の先端部３１ａと添加弁２０との間に銅粉４２が充填される。次に、放熱部材３０におけるハウジング３１の先端側から断熱カラー４０を挿入して圧着させる。これにより、放熱部材３０に添加弁２０が固定されるとともに、収容空間３２内に銅粉４２が充填される。そして、このようにして放熱部材３０に添加弁２０が収容された状態において、その取付部３５のフランジ部３７を、排気管１１の分岐部１１ａに接合されたフランジ１１ｂに断熱ガスケット３８を介してボルトにより締結する。以上の工程により、排気管１１に添加弁２０及び放熱部材３０が取り付けられる。

次に、本実施形態の作用を説明する。
内燃機関の運転中には、制御部１８の制御により添加弁２０から尿素水が排気管１１内に噴射される。これにより、排気中及びＳＣＲ触媒１２において、ＮＯｘがアンモニアにより窒素と水とに還元される。排気管１１には、高温の排気が流れるため、この高温の熱が添加弁２０に対しその先端（噴孔２１）側から伝達される。こうして、排気から添加弁２０に伝達された熱は、放熱部材３０のハウジング３１における収容空間３２に充填されている銅粉４２を通じてハウジング３１に伝達され、冷却フィン３３を通じて外部に放熱される。また、添加弁２０の噴孔２１近傍においては、収容空間３２に断熱カラー４０が配置されているため、この部位の熱は放熱されにくく、高い温度に維持される。また、排気管１１には高温の排気が流れるものの、放熱部材３０は断熱ガスケット３８を介して排気管１１に接続されているため、放熱部材３０には排気の熱が伝達されにくくなる。

以上詳述した本実施形態によれば、以下の（１）〜（５）の効果が得られる。
（１）本実施形態の添加弁２０の放熱構造は、還元剤を内燃機関の排気管１１内に添加する添加弁２０と、添加弁２０を収容するための収容空間３２が形成されてその空間３２に添加弁２０を収容するとともに添加弁２０の熱を放熱する放熱部材３０とを備えている。そして、収容空間３２に収容される添加弁２０と放熱部材３０との間には金属粉として銅粉４２が充填されている。このように放熱部材３０の収容空間３２において添加弁２０と放熱部材３０との間に、熱伝導率が高い銅粉４２が充填されているため、添加弁２０の熱を銅粉４２を通じて放熱部材３０に効率よく伝達することができる。また、添加弁２０と放熱部材３０との間に、この空間３２に対応した形状の熱伝導部材を配置する場合と比べて、添加弁２０と放熱部材３０との間の空隙をなくすことができる。すなわち、添加弁２０と放熱部材３０との間に熱伝導率が高い銅粉４２を隙間なく充填することができるため、添加弁２０の熱を効率よく放熱部材３０に伝達させることができ、放熱部材３０を通じて添加弁２０の熱を効率よく放熱させることができる。

（２）放熱部材３０の収容空間３２において添加弁２０と放熱部材３０との間には銅粉４２が充填されている。これにより、熱伝導率が高く入手が容易な材料を用いて、添加弁２０の熱を効率よく放熱させることができる。

（３）添加弁２０は、還元剤として尿素水を噴射するものであり、放熱部材３０に形成される収容空間３２において、同添加弁２０の噴孔が形成される先端部と放熱部材３０との間には、断熱カラー４０が充填されている。添加弁２０の噴孔２１近傍の温度が低いと、噴孔２１近傍において尿素が析出してデポジットとなり、添加弁２０から噴射される尿素水の分散性が低下する。この点、本実施形態では、添加弁２０の噴孔２１に対応する部位には、放熱部材３０との間に断熱カラー４０が充填されているため、添加弁２０の噴孔２１近傍が放熱部材３０を通じた放熱により温度低下することを抑制して、尿素が析出することを抑制することができる。これにより、添加弁２０を熱害から保護しつつ、添加弁２０から噴射される尿素水の分散性を確保することができる。

（４）断熱カラー４０は、セラミックからなる。このように断熱カラー４０を剛性の高い断熱材であるセラミックで構成するようにしたため、収容空間３２に充填した銅粉４２を断熱カラーで封止して圧着させる際に、断熱カラー４０がその圧着処理に十分耐えることができる。

（５）放熱部材３０は断熱ガスケット３８を介して排気管１１に取り付けられている。これにより、排気管１１の熱が放熱部材３０に伝達されることを断熱ガスケット３８により抑制することができる。そのため、放熱部材３０に排気管１１の熱が伝達されることを抑制して、添加弁２０の熱を放熱部材３０を通じて放熱する効率が低下することを抑制することができる。また、排気管１１の熱が放熱されることで、排気管１１に噴射された尿素水の尿素が排気管１１内で析出してデポジットが堆積することを抑制することができる。

なお、本発明は、上記実施形態にて例示した態様に限られるものではなく、以下に示すように変更して実施することができる。
・上記実施形態において例示した添加弁及び放熱部材の具体的な構成態様や、構成する材料は特に限定されない。

例えば、上記実施形態では、放熱部材のハウジングの収容空間においてハウジングの先端部と添加弁との間に銅粉が充填されていたが、ハウジングの基端部側においても、添加弁との間に銅粉を充填するようにしてもよい。また、上記実施形態では、収容空間に充填する金属粉を銅粉とした。しかしながら、金属粉は銅粉に限定されず、アルミニウム粉であってもよいし、その他の金属粉であってもよい。また、複数種類の金属粉を混合して充填するようにしてもよい。

また、断熱カラーの材料はセラミックに限定されず、断熱ガスケットの材料は雲母に限定されない。すなわち、断熱カラーや断熱ガスケットの材料として、この他の断熱材を用いるようにしてもよい。また、添加弁の放熱構造において、断熱カラーや断熱ガスケットが設けられていなくてもよく、金属粉の圧縮、固定及び排気のシールができる構造とすれば、収容空間に金属粉を充填することで、添加弁の熱を充填された金属粉を通じて放熱部材に効率よく伝達させることで、添加弁の熱を効率よく放熱させることはできる。

また、放熱部材はステンレス製でなく、アルミニウム合金などその他の材料で構成するようにしてもよい。
・上記各実施形態では、添加弁から還元剤として尿素水を噴射するようにしていたが、アンモニアガスなどを噴射するようにしてもよい。

１０…ＮＯｘ浄化システム、１１…排気管、１２…選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ触媒）、１１ａ…分岐部、１１ｂ…フランジ、１３…尿素水供給装置、１４…尿素水タンク、１５…圧送ポンプ、１６…調整弁、１７…圧力センサ、１８…制御部、２０…添加弁、２１…噴孔、３０…放熱部材、３１…ハウジング、３１ａ…先端部、３１ｂ…基端部、３２…収容空間、３３…冷却フィン、３５…取付部、３６…接合部、３７…フランジ部、３８…断熱ガスケット、４０…断熱カラー、４１…Ｏリング、４２…銅粉。

Claims

還元剤を内燃機関の排気管内に添加する添加弁と、同添加弁を収容するための収容空間が形成されて同空間に前記添加弁を収容するとともに前記添加弁の熱を放熱する放熱部材とを備え、
前記収容空間に収容された前記添加弁と前記放熱部材との間には金属粉が充填されている
添加弁の放熱構造。
前記添加弁は、還元剤として尿素水を噴射するものであり、
前記添加弁と前記放熱部材との間において、前記添加弁の噴孔が形成される同添加弁の先端部と前記放熱部材との間の部位には、断熱材が充填されている
請求項１に記載の添加弁の放熱構造。
前記放熱部材は断熱部材を介して前記排気管に取り付けられている
請求項１又は２に記載の添加弁の放熱構造。
前記金属粉がアルミニウム粉及び銅粉の少なくとも一方からなる
請求項１〜３の何れか１項に記載の添加弁の放熱構造。