JP2014514493A

JP2014514493A - 流体冷却式インジェクタ、並びに流体冷却式インジェクタを使用する排気後処理システム、車両及び方法

Info

Publication number: JP2014514493A
Application number: JP2014503644A
Authority: JP
Inventors: マイヤー，フィリップ; シャオ，ステン
Original assignee: マックトラックスインコーポレイテッド
Priority date: 2011-04-04
Filing date: 2011-09-16
Publication date: 2014-06-19
Also published as: BR112013025571A2; EP2694784A1; CN103649479A; RU2013148822A; US20140013728A1; WO2012138373A1; WO2012138373A8; EP2694784A4

Abstract

本発明の流体冷却式インジェクタは、インジェクタ先端と冷却チャネルとを備え、前記インジェクタ先端がインジェクタオリフィスを有するインジェクタ本体と、熱伝導シールドとを有し、前記熱伝導シールドが、前記インジェクタオリフィスと同軸で配置された熱伝導シールドオリフィスを有し、前記熱伝導シールドが、前記インジェクタ本体と前記インジェクタ先端の少なくとも一方と直接熱伝導接触している。そして排気後処理システムと前記インジェクタを含む車両と前記インジェクタの使用を含む方法が開示されている。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、一般に、流体冷却式インジェクタに関し、より詳細にはインジェクタ先端からの熱移動を容易にするために熱シールドを有する係るインジェクタに関する。

ディーゼルエンジン用の排気後処理システムでは、一般に排気後処理システム内のディーゼル排気微粒子フィルタを再生するために、所謂第７インジェクタ（seventh injector）を使用して燃料を排気流に注入して排気流の温度を高めることが典型的だが、排気ガスの温度を高めるために第７インジェクタが使用されるときには他の状況がある。長距離トラックで使用されるディーゼルエンジン内のそのようなインジェクタは、２０〜４０，０００マイルごとに詰まりやすい。そのようなインジェクタの詰まりは問題であり、過去には、詰まりは、典型的には、時間と燃料を浪費する空気パージを行うことによって対処されていた。

発明者は、詰まり問題の背後にあるメカニズムが何であるかを発見し、問題に取り組む単純な解決策を考案した。発明者は、ディーゼル燃料が約１８０〜２３０℃に加熱されたときに、燃料が粘着性になり易く、表面に付着する可能性があることを理解した。更なる調査から、すすと燃料の混合物が、この温度範囲で金属表面に強く結合する可能性があることが明らかになった。その温度範囲より高いと、結合した混合物は緩くなって、通常は表面から離れやすくなり、その温度範囲より低いと、すすと燃料の混合物は、通常は表面に付着しなくなる。

発明者は、車両内の第７インジェクタ先端の周囲の温度が、エンジン用途と運転条件により約１００〜２８０℃で変化する可能性があることを確認した。発明者は、このことが、ある車両では詰まりが生じやすく他の車両では詰まりが生じにくい理由を説明しており、それは、第７インジェクタ先端の温度が異なるからであると考えた。特定の車両と条件に関して、第７インジェクタ先端の周囲の温度は、約１８０〜２３０℃の範囲になる可能性があり、この範囲では、燃料は、粘着性になりやすく、表面に付着し、したがって、そのような車両内の第７インジェクタを詰まらせやすい。

第７インジェクタの詰まり問題の解決策を提供することが望ましい。また、詰まり問題を克服するために余分な燃料をほとんど使用する必要がなく、実施する費用が易く、既存の車両に後付けされるように適応された解決策を提供することが望ましい。

本発明の一態様によれば、流体冷却式インジェクタは、インジェクタ先端と冷却チャネルとを備えてインジェクタ先端がインジェクタオリフィスを有するインジェクタ本体と、熱伝導シールドとを有し、熱伝導シールドが、インジェクタオリフィスと同軸で配置された熱伝導シールドオリフィスを有し、熱伝導シールドが、インジェクタ本体とインジェクタ先端の少なくとも一方と直接接触してインジェクタ先端から冷却インジェクタ本体に熱を移動する。

本発明の別の態様によれば、流体冷却式インジェクタ用の熱伝導シールドが提供され、流体冷却式インジェクタは、インジェクタ先端と冷却チャネルとを有するインジェクタ本体を有し、インジェクタ先端が、インジェクタオリフィスを有する。熱伝導シールドは、インジェクタオリフィスと同軸で配置されるように適応された熱伝導シールドオリフィスと、第１の部分から離れた第２の部分とを有し、第１の部分と第２の部分の少なくとも一方が、インジェクタ本体と直接接触するように適応される。

本発明の更に別の態様によれば、排気後処理システム内のディーゼル排気微粒子フィルタ（ＤＰＦ）を再生する方法が提供され、この方法は、インジェクタのインジェクタ先端内のインジェクタオリフィスからＤＰＦ内又はＤＰＦの上流に燃料を注入する段階と、インジェクタ内のチャネルを通して冷却材を循環させることによって、インジェクタ先端が突出するインジェクタの本体を冷却する段階と、インジェクタ先端からの熱を、インジェクタ先端とインジェクタ先端のまわりの本体の少なくとも一方との直接接触し、インジェクタオリフィスと同軸で配置された熱伝導シールドオリフィスを有する熱伝導シールドを介して移す段階を含む。

本発明の別の態様によれば、熱伝導シールドは、燃料と排気物質がシールドに付着するのを防ぐために材料の被覆を有してもよい。好適な材料は、Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）又は別の非固着被覆でよい。好ましくは、被覆材料は、排気ガス流に晒された熱伝導シールドの表面に塗布される。

本発明の特徴及び利点は、同様の数字が類似の要素を示す図面と共に以下の詳細な説明を読むことによってよく理解される。

本発明の一態様によるインジェクタの概略断面図である。本発明の一態様によるインジェクタの一部分の概略断面図である。本発明の一態様による熱伝導シールドの断面図である。エンジンと本発明の一態様による排気後処理システムの一部分を概略的に示す図である。

図１Ａは、本発明の一態様による流体冷却式インジェクタ２１を示す。インジェクタ２１は、インジェクタ先端２５と、冷却材（図示せず）が中を循環する冷却チャネル２７とを備えたインジェクタ本体２３を有する。冷却チャネル２７は、通常、環形状であり、インジェクタ先端のインジェクタオリフィス２９に至る中央通路２８を取り囲む。

インジェクタ２１は、更に、インジェクタオリフィスの出口の周囲の部分の温度を限界温度より低く、即ち通常は約１８０℃以下に維持するために、インジェクタ先端２５、より詳細にはインジェクタ先端のインジェクタオリフィス２９の出口のまわりの部分３３から、冷却インジェクタ本体２３への熱移動を容易にする熱伝導シールド３１を有する。熱伝導シールドは、インジェクタオリフィス２９と同軸で配置された熱伝導シールドオリフィス３５を有する。熱伝導シールド３１は、インジェクタ本体２３とインジェクタ先端２５（図１Ａと図１Ｂの両方に示された）の少なくとも一方と直接接触する。熱伝導シールド３１は、図１Ｂと図２に断面で示されている。熱伝導シールド３１は、通常、インジェクタ先端２５が作成された材料と少なくとも同程度の導電性の材料で作成される。熱伝導シールド３１の現在の好ましい材料は銅であるが、他の材料も好適である。

インジェクタ２１は、一般に図３に示されたようなディーゼルエンジン排気システムで使用されるタイプの第７インジェクタでよい。排気システムは、点線で概略的に示されたような車両１００で使用されるタイプのものでよい。インジェクタ２１は、ディーゼルエンジン３７の下流で、かつディーゼル排気微粒子フィルタ３９（ＤＰＦ）などの排気後処理構成要素内又はその上流に配置されてもよい。インジェクタ２１は、例えばＤＰＦ３７の温度を高めてＤＰＦを再生するために、排気ガス流に燃料を注入するように配置されてもよい。インジェクタ２１は、再生中にＤＰＦの温度を高めること以外に使用されてもよいが、これは、係るインジェクタの典型的な用途である。

インジェクタ本体２３は、本体部分４１を有し、インジェクタ先端２５は、本体部分から突出する円柱部分４３を有する。円柱部分４３は、一般に、図１Ａ〜図１Ｂに示されたように、概略円柱又は一連の段が付いた円柱部分でよく（これらの形状は、製造を容易にする）、他の形状でもよい。円柱部分４３から、特にインジェクタ先端２５のインジェクタオリフィス２９の周囲の部分からの熱移動を容易にするために、典型的には、円柱部分は、本体部分４１より質量が小さいことが望ましい。

熱伝導シールド３１は、円柱部分４１の少なくとも一部分、通常は、インジェクタ先端２５の少なくともインジェクタオリフィス２９の出口のまわりの部分３３と直接接触してもよく、その部分は、典型的には、インジェクタオリフィスのまわりの円柱部分の上面である。熱伝導シールド３１は、例えば図１Ｂで分かるように円柱部分４１の少なくとも一部分から離間され、それにより、熱伝導シールドは、インジェクタオリフィス２９の出口のまわりの部分３３で円柱部分とだけ接触してもよいが、熱伝導シールドは、インジェクタ先端２５の外側面全体と接触してもよい。追加又は代替として、熱伝導シールド３１は、本体部分４１と直接熱伝導接触してもよい。熱伝導シールド３１とインジェクタとの間、特に冷却本体部分４１とインジェクタ先端２５との間の熱移動を容易にするために、熱伝導シールドと本体部分と先端との間にヒートシンクペーストが塗布されてもよい。

熱伝導シールド３１の接触をインジェクタ先端２５のインジェクタオリフィス２９のまわりの部分３３と冷却本体部分４１との直接接触に制限し、インジェクタ先端の他の部分での熱伝導シールドの接触を最小にして、インジェクタオリフィスのまわりの部分からの熱移動があることをより確実にし、インジェクタ先端のその部分が限界温度より低く冷却されることをより確実にすることが望ましい。したがって、図１Ｂで分かるように、インジェクタ先端２５の外壁面４７、４９及び５１と、熱伝導シールド３１の内壁面５３、５５及び５７との間に空所４５が提供されてもよい。

熱伝導シールド３１の外側の面（図１Ｂではインジェクタ２１に面する側と反対の面）は、排ガス及び未燃焼炭化水素（燃料）に晒される。排気ガス物質と燃料が熱伝導シールドに付着するのを防ぐため、熱伝導シールドの露出した外側面は、Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）や別の好適な被覆材料などの非固着被覆で被覆されてもよい。

熱伝導シールド３１は、インジェクタ２１に任意の好適な手法で固定されてもよい。図１Ｂは、熱伝導シールド３１の内側面５９とインジェクタ先端２５の外側面６１との間で締りばめによってインジェクタ２１に固定された熱伝導シールド３１を示す。締りばめの代わりに、インジェクタ先端２５と熱伝導シールド３１は、ネジ接続を有してもよく、熱伝導シールドは、溶接、ろう付け、幾つかの好適な締結具、又はエポキシ樹脂などの接着剤などによって本体部分４１に固定されてもよい。

熱伝導シールド３１は、様々な形状でよいが、現在好ましい形状は、熱伝導シールドオリフィス３５を有する第１の部分６３を有し、熱伝導シールドオリフィスとインジェクタオリフィスは同軸で配置されている。第１の部分６３は、インジェクタ先端のインジェクタオリフィス２９のまわりの部分３３によってインジェクタ先端２５と接触するように適応されてもよい。熱伝導シールド３１の第２の部分６５は、第１の部分６３から離れており、インジェクタ本体２３及びインジェクタ先端と直接接触するように適応されてもよい。熱伝導シールド３１は、インジェクタ先端２５を収容するための開口を画定する内側面５３、５５、５７及び５９を備えた概略円筒状の壁６７を有する。熱伝導シールド３１の第２の部分６５は、第１の部分６３のまわりに環状に配置されたフランジ６９を有してもよい。

本発明の一態様による方法では、図３に示されたような排気後処理システムのＤＰＦ３９は、インジェクタ２１のインジェクタ先端（２５，図１Ａ〜図２）のインジェクタオリフィス（２９，図１Ａ〜図２）を通ってＤＰＦ内又はＤＰＦの上流に燃料を注入することにより再生される。インジェクタ先端が突出するインジェクタ２１の本体（４１，図１Ａ〜図１Ｂ）は、インジェクタ２１内のチャネル（２７，図１Ａ）内に冷却材を循環させることによって冷却される。インジェクタ先端からの熱は、インジェクタ先端とインジェクタ先端のまわりの本体との少なくとも一方と直接接触した熱伝導シールド（３１，図１Ａ〜図２）を介して伝わる。インジェクタ先端２５のインジェクタオリフィス２９のまわりの部分３３の温度は、ディーゼル燃料が粘着性になりインジェクタ先端に付着しやすい約１８０℃の限界温度よい低い温度に維持され、それにより詰まりの可能性が減少する。様々な条件に応じて冷却材の流れを制御してインジェクタ先端２５の部分３３の温度を調整することができる。

本発明の態様は、第７インジェクタ先端での温度をディーゼル燃料が粘着性になって金属に付着しやすい温度の範囲内になるのを防ぐことによって、第７インジェクタの詰まりの問題の解決策を提供する。従来の第７インジェクタ上に単純な熱伝導シールドを使用することにより、詰まり問題を克服するために余分な燃料をほとんど使用せず、実施する費用が安く、また既存の車両に後付けするように適応された解決策が提供される。

本出願では、「including」などの用語の使用は、非限定であり、「comprising」などの用語と同じ意味を有し、他の構造、材料又は操作の存在を妨げない。同様に、「can」や「may」などの用語の使用は、非限定であり、その構造、材料又は操作が必要でないことを表し、これらの用語を使用しないことは、その構造、材料、又は操作が不可欠であることを表すものではない。その構造、材料、又は操作は、不可欠であると現在考えられる範囲内で、その旨識別される。

本発明を好ましい実施形態にしたがって示し述べてきたが、特許請求の範囲に記載された発明から逸脱することなく変形と変更を行えることを理解されたい。

２１インジェクタ
２３インジェクタ本体
２５インジェクタ先端
２７チャネル
２９インジェクタオリフィス
３１熱伝導シールド
３５熱伝導シールドオリフィス
３７エンジン
３９ディーゼル排気微粒子フィルタ（ＤＰＦ）

Claims

流体冷却式インジェクタであって、
インジェクタ先端と冷却チャネルとを備え、前記インジェクタ先端がインジェクタオリフィスを有するインジェクタ本体と、
熱伝導シールドとを有し、前記熱伝導シールドが、前記インジェクタオリフィスと同軸で配置された熱伝導シールドオリフィスを有し、前記熱伝導シールドが、前記インジェクタ本体と前記インジェクタ先端の少なくとも一方と直接熱伝導接触している流体冷却式インジェクタ。
前記インジェクタ本体が、本体部分を有し、前記インジェクタ先端が、前記本体部分から延在する円柱部分を有する、請求項１に記載の流体冷却式インジェクタ。
前記熱伝導シールドが、前記円柱部分の少なくとも一部分と直接接触する、請求項２に記載の流体冷却式インジェクタ。
前記熱伝導シールドが、前記インジェクタオリフィスのまわりの前記円柱部分の上面と直接接触している、請求項２に記載の流体冷却式インジェクタ。
前記熱伝導シールドが、前記円柱部分の少なくとも一部分から離間されている、請求項２に記載の流体冷却式インジェクタ。
前記熱伝導シールドが、前記本体部分及び前記円柱部分と直接接触している、請求項２に記載の流体冷却式インジェクタ。
前記熱伝導シールドが、前記インジェクタ先端と少なくとも同程度の導電性の材料で作成された、請求項１に記載の流体冷却式インジェクタ。
前記冷却チャネルが、環形状であり、前記インジェクタオリフィスに至る中央通路を取り囲む、請求項１に記載の流体冷却式インジェクタ。
前記熱伝導シールドが、外側面に非固着被覆材料を有する、請求項１に記載の流体冷却式インジェクタ。
請求項１によるディーゼル排気微粒子フィルタと流体冷却式インジェクタを、前記ディーゼル排気微粒子フィルタの上流に有するエンジン用の排気システム。
請求項１０によるエンジンと排気システムを有する車両。
前記流体冷却式インジェクタ用の熱伝導シールドであって、前記流体冷却式インジェクタが、インジェクタ先端と冷却チャネルを備えたインジェクタ本体を有し、前記インジェクタ先端が、インジェクタオリフィスを有し、前記熱伝導シールドが、前記インジェクタオリフィスと同軸で配置されるように適応された熱伝導シールドオリフィスを有する第１の部分と、前記第１の部分から離れた第２の部分とを有し、前記第１の部分と前記第２の部分の少なくとも一方が、前記インジェクタ本体と直接接触するように適応された熱伝導シールド。
前記熱伝導シールドが、前記インジェクタ先端を収容するための開口を画定する概略円柱状の壁を有する、請求項１２に記載の熱伝導シールド。
前記熱伝導シールドの前記第２の部分が、前記第１の部分から延在し前記第１の部分を環状に取り囲むフランジを有する、請求項１２に記載の熱伝導シールド。
前記熱伝導シールドが、銅で作成された、請求項１２に記載の熱伝導シールド。
前記熱伝導シールドが、外側面に非固着材料被覆を有する、請求項１２に記載の熱伝導シールド。
排気後処理システム内のディーゼル排気微粒子フィルタ（ＤＰＦ）を再生する方法であって、
インジェクタのインジェクタ先端内のインジェクタオリフィスからＤＰＦ内又はＤＰＦの上流に燃料を注入する段階と、
前記インジェクタ内のチャネルを通して冷却材を循環させることによって、前記インジェクタ先端が突出する前記インジェクタの本体を冷却する段階と、
前記インジェクタ先端と前記インジェクタ先端のまわりの前記本体の少なくとも一方と直接接触し、かつ前記インジェクタオリフィスと同軸に配置された熱伝導シールドオリフィスを有する熱伝導シールドを介して、前記インジェクタ先端から熱を移す段階とを含む方法。