JP2015078611A - 還元剤供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液体還元剤の溶質の析出によって生じる噴射弁の固着を低減可能な還元剤供給装置を提供する。【解決手段】液体還元剤を用いて内燃機関の排気中の窒素酸化物を浄化する排気浄化装置に備えられる還元剤供給装置であって、貯蔵タンク内の液体還元剤を圧送する圧送モジュールと、圧送される液体還元剤を排気管内に噴射するための噴射モジュールと、を備えた還元剤供給装置において、前記噴射モジュールは噴射孔を開閉可能なピストンを有する噴射弁部を備え、前記噴射弁部へ前記液体還元剤を導く通路部分に、前記液体還元剤に対する浸透性が高い高浸透部を有することを備える。【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に液体還元剤を噴射するための還元剤供給装置に関するものである。

車両等に搭載されたディーゼルエンジン等の内燃機関の排気には窒素酸化物（ＮＯ_X）が含まれている。このＮＯ_Xを浄化する排気浄化装置の一つとして、内燃機関の排気通路中に配置される還元触媒と、還元触媒の上流側で尿素水溶液等の液体還元剤を噴射するための還元剤供給装置とを備えた排気浄化装置が知られている。この排気浄化装置は、還元触媒中で、排気中のＮＯ_Xとアンモニアとを効率的に還元反応させ、ＮＯ_Xを窒素や水等に分解するものとなっている。

このような排気浄化装置に用いられる還元剤供給装置の一態様として、貯蔵タンク内の液体還元剤を圧送する圧送モジュールと、圧送される液体還元剤を排気管内に噴射するための噴射モジュールを備え、液体還元剤をポンプによって圧送するとともに、排気管に固定された噴射弁を介して液体還元剤を排気管内に供給する直接噴射式の還元剤供給装置がある。

液体還元剤として尿素水溶液を用いる場合、還元剤供給装置内で尿素水溶液が凍結して、その体積膨張等により圧送モジュールや噴射モジュールが破損するおそれがある。そのため、内燃機関の停止時に還元剤供給装置内に残留する液体還元剤を貯蔵タンク内に回収する制御が行われる（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１０−１９６５２２号公報

このとき、噴射弁内にわずかに残された尿素水溶液が、噴射弁に伝わった排気管の余熱の影響を受けて温められ、溶質が析出するおそれがある。噴射弁内で溶質の析出を生じると、噴射弁のピストンが固着して、動作不良を引き起こすおそれがある。

したがって、本発明は、液体還元剤の溶質の析出によって生じる噴射弁の固着を低減可能な還元剤供給装置を提供することを目的としている。

本発明によれば、液体還元剤を用いて内燃機関の排気中の窒素酸化物を浄化する排気浄化装置に備えられる還元剤供給装置であって、貯蔵タンク内の液体還元剤を圧送する圧送モジュールと、圧送される液体還元剤を排気管内に噴射するための噴射モジュールと、を備えた還元剤供給装置において、前記噴射モジュールは噴射孔を開閉可能なピストンを有する噴射弁部を備え、前記噴射弁部へ前記液体還元剤を導く通路部分に、前記液体還元剤に対する浸透性が高い高浸透部を有することを備えることを特徴とする還元剤供給装置が提供され、上述した問題を解決することができる。

また、本発明の還元剤供給装置において、前記通路部分は、前記噴射弁部から離れた位置に冷却部を有しており、前記高浸透部は前記噴射弁部に連続する位置から少なくとも前記冷却部にわたって形成されていることが好ましい。

また、本発明の還元剤供給装置において、前記高浸透部が前記通路部分の内周面に設けられることが好ましい。

また、本発明の還元剤供給装置において、前記噴射弁部を重力方向下側に、前記高浸透部を有する前記通路部分を重力方向上側にして配置されることが好ましい。

また、本発明の還元剤供給装置において、前記高浸透部が高浸透性材料からなる構成部分であることが好ましい。

また、本発明の還元剤供給装置において、前記高浸透性材料がウィックであることが好ましい。

また、本発明の還元剤供給装置において、前記高浸透部が一つ又は複数の溝部が形成された構成部分であることが好ましい。

また、本発明の還元剤供給装置において、前記高浸透部を有する前記通路部分が前記噴射モジュール内に設けられることが好ましい。

すなわち、本発明の還元剤供給装置によれば、液体還元剤の回収後、噴射弁内に残留した液体還元剤を冷媒とする噴射弁の冷却構造が形成される。つまり、残留した液体還元剤が、余熱による蒸発と冷却による液化とを繰り返し、噴射弁が徐熱されるとともに噴射弁内が湿潤状態で維持され、噴射弁内での溶質の析出が抑えられる。したがって、噴射弁の固着による動作不良を低減することができる。

還元剤供給装置が備えられた排気浄化装置の一例を示す全体図である。 本発明の実施の形態にかかる噴射モジュールの断面図である。 高浸透部がもたらす作用について説明するために示す図である。 （ａ）は別の高浸透部を備えた噴射モジュールの断面図であり、（ｂ）は高浸透部の概略斜視図である。

以下、適宜図面を参照して、本発明の還元剤供給装置に関する実施の形態について具体的に説明する。
なお、それぞれの図中、同じ符号を付してあるものについては、特に説明がない限り同一の部材を示しており、適宜説明が省略されている。

１．排気浄化装置の全体構成
図１は、第１の実施の形態にかかる還元剤供給装置２０が備えられた排気浄化装置１０の一例を説明するために示す概略構成図である。
この排気浄化装置１０は、排気中のＮＯ_Xを浄化するための装置であり、ディーゼルエンジン等の内燃機関１の排気通路１１に備えられている。排気浄化装置１０は、排気通路１１の途中に介装された還元触媒１３と、還元触媒１３よりも上流側の排気通路１１内に液体還元剤を供給するための還元剤供給装置２０とを備えている。

還元触媒１３は、排気中のＮＯ_Xの還元を促進する機能を有する触媒であり、液体還元剤から生成される還元成分を吸着するとともに、触媒に流れ込む排気中のＮＯ_Xを還元成分によって選択的に還元する触媒である。還元剤供給装置２０は、液体還元剤として尿素水溶液が用いられるものであり、尿素水溶液が排気通路１１中で分解されることにより還元成分としてのアンモニアが生成されるようになっている。また、還元触媒１３の上流側には、内燃機関１から排出される排気中のＮＯ_X濃度Ｎｕを検出するためのＮＯ_Xセンサ１５が設けられている。

２．還元剤供給装置
（１）基本的構成
図１において、還元剤供給装置２０は、液体還元剤が収容される貯蔵タンク２１と、液体還元剤を圧送するための圧送モジュール２２と、液体還元剤を排気通路１１内に噴射するための噴射モジュール４０とを備えている。圧送モジュール２２は、ポンプ２３及び流路切換弁２４を備えている。噴射モジュール４０、ポンプ２３、及び、流路切換弁２４は、電子制御装置（Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）６０によって駆動制御が行われるものとなっている。

ポンプ２３と貯蔵タンク２１とは第１の供給通路３１によって接続され、ポンプ２３と噴射モジュール４０とは第２の供給通路３３によって接続されている。このうち、第２の供給通路３３には、第２の供給通路３３内の圧力、すなわち、噴射モジュール４０に供給される液体還元剤の圧力を検出（以下、単に「供給圧力Ｐｕ」と称する。）するための圧力センサ２７が設けられている。ポンプ２３と、第１の供給通路３１及び第２の供給通路３３とは、流路切換弁２４を介して接続されている。第１の供給通路３１の貯蔵タンク２１側の端部は、液体還元剤の吸い上げを可能にするために、貯蔵タンク２１の底面近傍に位置している。

流路切換弁２４は、ポンプ２３によって圧送される液体還元剤が流れる方向を、貯蔵タンク２１側から噴射モジュール４０側に流れる方向（以下「正方向」という。）と、噴射モジュール４０側から貯蔵タンク２１側に流れる方向（以下「逆方向」という。）とに切換える機能を有している。すなわち、液体還元剤の噴射制御を行う際には、液体還元剤を噴射モジュール４０側に供給するために、流路切換弁２４への通電は行われない。このとき、液体還元剤は正方向に流れる。一方、内燃機関１の停止時において、還元剤供給装置２０内の液体還元剤を貯蔵タンク２１に回収する場合には、流路切換弁２４に対して通電される。このとき、液体還元剤は逆方向に流れる。

なお、液体還元剤を貯蔵タンク２１に回収可能とする構成は、流路切換弁２４を設ける例に限られない。例えば、逆回転可能なポンプ２３を用いることによって液体還元剤を回収可能に構成することもできる。

また、第２の供給通路３３の途中には、他端が貯蔵タンク２１に接続されたリターン通路３５が分岐して設けられている。リターン通路３５の貯蔵タンク２１側の端部は、液体還元剤の逆流を防ぐために、貯蔵タンク２１内の気相部分に接続されている。リターン通路３５が分岐する位置は、第２の供給通路３３の途中ではなく、ポンプ２３の出口側２３ｂとなっていてもよい。

リターン通路３５の途中には、流路面積が小さくされた絞り部３８が設けられ、第２の供給通路３３内の圧力を保持できるようになっている。また、絞り部３８よりも貯蔵タンク２１側のリターン通路３５には、液体還元剤が貯蔵タンク２１側から第２の供給通路３３側に流れないようにするための一方向弁３７が設けられている。一方向弁３７は省略されていても構わない。

なお、図１に示す還元剤供給装置２０においては圧送モジュール２２内に圧力センサ２７が設けられているが、第２の供給通路３３内の圧力を検出できる位置であれば、どの位置に設けられていても構わない。

ポンプ２３は、ＥＣＵ６０による通電制御によって流量（出力）が制御されて、液体還元剤を圧送する。図１の還元剤供給装置２０において、ポンプ２３は電磁式ポンプが用いられており、駆動デューティ比が大きいほどポンプ２３の出力が大きくなるものとなっている。ＥＣＵ６０は、圧力センサ２７によって検出される圧力が目標圧力で維持されるようにポンプ２３の出力をフィードバック制御する。また、本実施の形態においては、このポンプ２３が、液体還元剤を貯蔵タンク２１に回収するための手段としての機能も有する。

噴射モジュール４０は、内燃機関１の運転状態において、ＥＣＵ６０による通電制御によって開閉制御が行われ、所定量の液体還元剤を排気通路１１内に噴射する。噴射モジュール４０は、非通電状態で閉弁し、通電状態で開弁する、電磁式のオンオフ弁が用いられている。ＥＣＵ６０は、所定の演算式に基づいて目標噴射量を求めるとともに、あらかじめ定められた噴射サイクルごとに、目標噴射量に応じた駆動デューティ比を決定して、噴射モジュール４０の通電制御を行う。噴射モジュール４０の駆動デューティ比とは、一噴射サイクル中の通電時間の割合を意味する。

一方、噴射モジュール４０は、内燃機関１の停止時において、液体還元剤を回収する際には、噴射モジュール４０を開弁した状態で保持される。これにより、噴射モジュール４０の噴孔を介して空気（排ガス）が第２の供給通路３３に導入され、液体還元剤が貯蔵タンク２１内に回収されやすくなる。

３．噴射弁
次に、本実施の形態にかかる還元剤供給装置２０に備えられた噴射モジュール４０の構成について詳細に説明する。
図２は、噴射モジュール４０の軸方向断面図を示している。噴射モジュール４０は、噴射孔４２及び噴射孔４２を開閉するピストン４３を有する噴射弁部４１を備えている。ピストン４３は、ハウジング４４内を軸方向に進退動可能に保持されており、電磁コイル４５に通電をすることによって噴射モジュール４０の後端側（噴射孔４２側とは反対側）に対して引き付けられる。

噴射弁部４１には、通路部分４７を通じて液体還元剤が流入し、ピストン４３に形成された燃料通過孔４３ａを介して液体還元剤がピストン４３の内側から外側に流れ、通過孔４２の部分まで到達する。上述のとおり、ピストン４３が後端側に引き付けられると、噴射孔４２が開放され、液体還元剤が噴射される。図中、噴射孔４２は、比較的大きな開口部として示されているが、実際には小径の開口部として形成されるか、あるいは、小径の噴射孔が形成された噴射板が取り付けられる。

ここまで説明した噴射モジュール４０の構成は、従来公知の噴射モジュール４０の構成と同様であり、本発明を限定するものではなく、種々の構成のものを用いることができる。

本実施の形態にかかる噴射モジュール４０は、後端側に冷却部５０を備えている。本実施の形態において、冷却部５０は複数の放熱フィン５５によって構成されている。この冷却部５０は、内燃機関１の停止後においても電気的な制御を要しないものであることが好ましい。

また、噴射弁部４１に液体還元剤を導く通路部分４７の内周面には、液体還元剤が浸透しやすいという特性を有する高浸透部５２が設けられている。図２に示す例では、高浸透部５２は、ナイロンメッシュやステンレスメッシュ等の耐腐食性材料からなる高浸透性材料によって構成されている。具体的には、高浸透性材料はウィックであり、毛細管現象により液体還元剤が浸透しやすくなっている。この高浸透部５２は、噴射弁部４１に連続する位置から冷却部５０にわたって設けられている。また、高浸透部５２は、多孔質膜や、紛体塗装等の多孔質体からなる高浸透性材料によって構成されても良い。

このような冷却部５０及び高浸透部５２を備えた噴射モジュール４０の作用について、図３（ａ）〜（ｂ）を参照しつつ説明する。
内燃機関１が停止すると、液体還元剤の回収制御が開始され、図３（ａ）に示すように、噴射モジュール４０内の液体還元剤Ｒは後端側に移動する。このとき、通路部分４７の内周面に高浸透部５２が設けられていることから、わずかな液体還元剤Ｒが高浸透部５２に付着した状態で噴射モジュール４０内に残る。

その後、噴射モジュール４０は、それ自体の余熱や、排気通路１１から伝達されてくる排気熱等の影響によって高温状態で維持されるため、図３（ｂ）に示すように、冷却部５０から離れた位置にある噴射弁部４１側では、残留する液体還元剤Ｒが温められて気化する。一方で、冷却部５０が設けられた領域においては、気化した液体還元剤が冷却されて液化する。このとき、液体還元剤の熱は放熱フィン５５を介して放熱される。液化した液体還元剤Ｒは凝結し、高浸透部５２を通じて再び高温の噴射弁部４１側に戻される。

したがって、内燃機関１の停止後、噴射モジュール４０に余熱が存在している間、図３（ｃ）に示すように、液体還元剤の気化及び液化の繰り返しによる循環系が形成され、噴射モジュール４０の余熱が効率的に放熱フィン５５から放熱され、噴射モジュール４０の冷却が図られる。その一方で、液体還元剤の循環系が形成されることで、噴射モジュール４０内では湿度が保たれるために、液体還元剤の析出が防止される。

このような作用をより効果的に実現するためには、噴射弁部４１が重力方向下側に、高浸透部５２を有する通路部分４７が重力方向上側になるように、噴射モジュール４０を配置するとよい。このように配置すれば、冷却されて液化した液体還元剤が、効率良く噴射弁部４１に移動しやすくなる。

高浸透部は、上述したウィック等の高浸透性材料を用いた構成に限られるものではない。例えば、図４に示すように、内周面に細溝を設けた部材５３を通路部分４７に配置しても良いし、通路部分４７の内周面に直接細溝を形成するようにしてもよい。
特に、図２や図４の例に示すように、通路部分４７の内周面に高浸透部５２，５３を配置するようにすれば、通路部分４７の中央部に空間が形成される。そうすると、仮に液体還元剤の凍結を生じたとしても、通路部分４７が塞がれることがなく、内部圧力の上昇を抑えることができる。

また、上述の実施の形態においては、噴射モジュール４０に冷却部５０が設けられているが、冷却部は、噴射モジュール４０と圧送モジュール２２とを接続する液体還元剤の配管部分に設けることも可能である。

１：内燃機関、１０：排気浄化装置、１１：排気通路、１３：還元触媒、２０：還元剤供給装置、２１：貯蔵タンク、２２：圧送モジュール、２３：ポンプ、２４：流路切換弁、２７：圧力センサ、３１：第１の供給通路、３３：第２の供給通路、３５：リターン通路、３７：一方向弁、３８：絞り部、４０：噴射弁、４１：噴射弁部、４２：噴射孔、４３：ピストン、４３ａ：燃料通過孔、４５：電磁コイル、４７：通路部分、５０：冷却部、５２・５３：高浸透部、５５：放熱フィン、６０：ＥＣＵ（電子制御装置）

Claims (8)

1. 液体還元剤を用いて内燃機関の排気中の窒素酸化物を浄化する排気浄化装置に備えられる還元剤供給装置であって、貯蔵タンク内の液体還元剤を圧送する圧送モジュールと、圧送される液体還元剤を排気管内に噴射するための噴射モジュールと、を備えた還元剤供給装置において、
   前記噴射モジュールは噴射孔を開閉可能なピストンを有する噴射弁部を備え、
   前記噴射弁部へ前記液体還元剤を導く通路部分に、前記液体還元剤に対する浸透性が高い高浸透部を有することを備えることを特徴とする還元剤供給装置。
2. 前記通路部分は、前記噴射弁部から離れた位置に冷却部を有しており、前記高浸透部は前記噴射弁部に連続する位置から少なくとも前記冷却部にわたって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の還元剤供給装置。
3. 前記高浸透部が前記通路部分の内周面に設けられることを特徴とする請求項１又は２に記載の還元剤供給装置。
4. 前記噴射弁部を重力方向下側に、前記高浸透部を有する前記通路部分を重力方向上側にして配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の還元剤供給装置。
5. 前記高浸透部が高浸透性材料からなる構成部分であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の還元剤供給装置。
6. 前記高浸透性材料がウィックであることを特徴とする請求項５に記載の還元剤供給装置。
7. 前記高浸透部が一つ又は複数の溝部が形成された構成部分であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の還元剤供給装置。
8. 前記高浸透部を有する前記通路部分が前記噴射モジュール内に設けられることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の還元剤供給装置。

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