JP2015212530A - 噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の排気通路に液体噴霧を噴射する噴射弁から噴射された液体噴霧がノズル先端付近の壁面に付着するのを抑制できる噴射装置を提供する。
【解決手段】内燃機関としてのディーゼルエンジン２の排気通路３の一部３１は、旋回流で排気ガスを通過させるスパイラルミキサーに構成されている。スパイラルミキサー３１内に尿素水を噴射する噴射弁６が設けられる。その噴射弁６は、ノズル先端６１１が筒状部３２内に位置するように設けられる。筒状部３２のノズル先端６１１付近の壁面に一端７１が接続され、他端７２がスパイラルミキサー３１の下流側に繋がるように、バイパス通路７が設けられる。筒状部３２内を浮遊した尿素水噴霧をバイパス通路７を介してスパイラルミキサー３１の下流側に排出させる。これによって、ノズル先端６１１付近の壁面に尿素水が付着するのを抑制できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に液体を噴射する噴射弁を備えた噴射装置に関する。

内燃機関の排気浄化システムの一つに尿素ＳＣＲシステムが知られている（例えば特許文献１参照）。その尿素ＳＣＲシステムでは排気通路に排気ガス中のＮＯｘを選択的に還元浄化するための還元触媒（ＳＣＲ触媒、ＮＯｘ選択還元触媒、ＳＣＲＦ）が設けられる。その還元触媒の上流には、排気ガス中に還元剤としての尿素水を排気通路に噴射する噴射弁が設けられる。そして、還元触媒において、尿素水から生成されたアンモニアでＮＯｘを窒素と水とに分解する還元反応が行われる。

米国特許出願公開第２０１２／０２１６５１３号明細書

ところで、尿素水等の液体を排気通路に噴射する噴射弁においては、周囲が壁面で囲まれた部位内にノズルの先端が位置するように設けられることがある。この場合、噴射弁から噴射された液体噴霧の一部がノズル先端（噴孔）のまわりを漂い（浮遊し）、噴孔付近の壁面に付着する。壁面に付着した液滴の水分が蒸発すると、その液滴由来の析出物ができ始め、その析出物が次第に堆積していく。その堆積物により、噴射弁から噴射される液体噴霧の通過が妨げられ、排気通路への液体噴霧の供給精度が低下してしまう。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、噴射弁から噴射された液体噴霧がノズル先端付近の壁面に付着するのを抑制できる噴射装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の噴射装置は、周囲が壁面で囲まれた部位内にノズルの先端が位置するように設けられ、前記先端から前記部位内を通して内燃機関の排気通路に所定の液体を噴射する噴射弁と、
一端が前記部位内に繋がるように接続され、他端が前記部位内よりも圧力が低い低圧部位内に繋がるように接続された通路と、
を備えることを特徴とする。

本発明によれば、一端がノズル先端が位置した部位内に繋がるように接続され、他端が前記部位内よりも圧力が低い低圧部位内に繋がるように接続された通路を備えるようにしたので、ノズル先端付近を浮遊する液体噴霧をその通路を介して低圧部位側に排出させることができる。よって、壁面に付着する液滴を抑制でき、排気通路への液体噴霧の供給精度が低下してしまうのを抑制できる。

排気浄化システムを示した図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線で排気通路を切ったときの断面図である。 図２の一部（噴射弁付近）を抜き出して、噴射弁から尿素水噴霧が噴射されている様子を示した図である。 バイパス通路が設けられていない比較例の構成における噴射弁から尿素水噴霧が噴射されている様子及びノズル先端付近に析出物が堆積される様子を示した図である。 図４の状態からさらに析出物の堆積が進行した様子を示した図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。図１は、車両に搭載された排気浄化システム１を示している。先ず、排気浄化システム１の構成を説明する。排気浄化システム１は、内燃機関としてのディーゼルエンジン２（以下、単にエンジンという）から排出される排気ガスを浄化するシステムである。詳細には、排気浄化システム１は、排気ガス中のＮＯｘを浄化する尿素ＳＣＲシステムを含む形で構成されている。その排気浄化システム１では、エンジン２に円筒状の排気通路３が接続されており、エンジン２から排出された排気ガスはその排気通路３を流れて車両外に排出されるようになっている。

排気通路３には、排気ガス中の有害成分の一つであるＨＣやＣＯを酸化浄化する酸化触媒４（ＤＯＣ：Diesel Oxidation Catalyst）が配置されている。酸化触媒４は、例えば、ウォールスルータイプのセラミック製ハニカムや金属製のメッシュなどに、ＨＣ、ＣＯの酸化反応を促進させる触媒成分（例えば、Ｐｔ（白金）やＰｄ（パラジウム）など）を担持した構造となっている。

酸化触媒４の活性は温度による依存性が高く、低温ではほとんど酸化作用はない。そのため、エンジン２の始動後に早めに酸化触媒４を暖めてＨＣやＣＯの酸化浄化を促進するために、酸化触媒４は後述するＳＣＲＦ５よりも上流（エンジン２に近い側）に配置されている。また、酸化触媒４は、酸化反応により排気ガスを昇温して、昇温した排気ガスによりＳＣＲＦ５に堆積した粒子状物質（ＰＭ、すす）を燃焼除去する役割も担っている。

酸化触媒４の下流の排気通路３には、排気ガス中のＮＯｘを選択的に還元浄化するＳＣＲＦ（Selective Catalytic Reduction Filter）５が配置されている。ＳＣＲＦ５は、ＮＯｘのＳＣＲ（選択触媒還元）を促進する触媒成分（ＳＣＲ触媒）を含有するとともに、排気ガス中の粒子状物質を捕獲する機能も有している。ＳＣＲＦ５は、例えば、ウォールスルータイプのセラミック製ハニカムに触媒成分を担持した構造となっている。排気ガスは、ＳＣＲＦ５の多孔性の隔壁を通過しながら下流に流れ、その間に排気ガス中の粒子状物質がＳＣＲＦ５に捕集される。

ＳＣＲＦ５に含有されている触媒成分は、尿素水から生成されたアンモニア（ＮＨ３）とＮＯｘとの還元反応として例えば下記式１、式２、式３の還元反応を促進させるものであり、例えばバナジウム、モリブデン、タングステン等の卑金属酸化物である。このように、排気ガスがＳＣＲＦ５を通過する間に、ＮＯｘは例えば下記式１、式２、式３により水や窒素に分解（浄化）する。なお、ＳＣＲＦ５に代えて、通常のＳＣＲ触媒、すなわち粒子状物質の捕集機能を有せず、ＮＯｘの還元浄化のみを行うタイプの触媒を採用しても良い。
４ＮＯ＋４ＮＨ３＋Ｏ２→４Ｎ２＋６Ｈ２Ｏ ・・・（式１）
６ＮＯ２＋８ＮＨ３→７Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ ・・・（式２）
ＮＯ＋ＮＯ２＋２ＮＨ３→２Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ ・・・（式３）

なお、ＳＣＲＦ５は無尽蔵にアンモニアを貯蔵できるわけではなく、ＳＣＲＦ５に貯蔵できるアンモニアの最大貯蔵量は、ＳＣＲＦ５の温度（触媒温度）によって変化する。触媒温度が急激に下がった場合や、ＳＣＲＦ５にアンモニア（尿素水）が過剰供給された場合には、ＳＣＲＦ５からアンモニアが放出されるアンモニアスリップという現象が発生する。そのため、ＳＣＲＦ５の下流の排気通路には、ＳＣＲＦ５から放出されたアンモニアを浄化するための酸化触媒が設けられることがある。

酸化触媒４とＳＣＲＦ５の間の排気通路３１は、排気ガスを旋回流で通過させる、つまり旋回流を生じさせる旋回流型通路に構成されている。以下では、旋回流型通路をスパイラルミキサーという。スパイラルミキサー３１の長さ、つまり酸化触媒４とＳＣＲＦ５の間の長さは、例えば５０ｍｍ〜１００ｍｍ程度となっている。スパイラルミキサー３１は、後述する噴射弁６から噴射された尿素水（尿素水噴霧）を排気ガス中に分散させて、尿素水と排気ガスとの混じりを良くするための通路である。そのスパイラルミキサー３１は、該スパイラルミキサー３１の外周壁を構成する円筒状の外筒３１１と、その外筒３１１の中心軸線Ｌ１上に配置されてその中心軸線Ｌ１の方向に伸びた棒状のボス３１２と、外筒３１１及びボス３１２に溶接接続されてボス３１２の外周に沿ってスパイラル状（らせん状）に形成された旋回流板３１３とを備えている。なお、本実施形態では、排気ガスの旋回流は下流側（後述する図２の方向）から見て、左回り（反時計回り）に発生する。ただし、下流側から見て、右回り（時計回り）の旋回流を発生させるスパイラルミキサーを採用しても良い。

図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線（スパイラルミキサー３１の出口領域において軸線Ｌ１に直交する線）でスパイラルミキサー３１を切ったときの断面を矢視方向（下流側）から見たときの図である。なお、図１、図２では、噴射弁６をその軸線Ｌ２（図２参照）を通る平面で切ったときの断面図として図示している。図１、図２に示すように、スパイラルミキサー３１には、噴射弁６から噴射された尿素水を衝突させる衝突板３１４が設けられている。その衝突板３１４は、噴射弁６が尿素水を噴射する領域であるスパイラルミキサー３１の入口領域にて、衝突板３１４の板表面（衝突面）が噴射弁６の側に向く形で、配置されている。具体的には、衝突板３１４は、旋回流板３１３の外周位置、つまり外筒３１１に近い位置にて、旋回流板３１３の板面から起立する形で配置されている。ここで、衝突板３１４は、外筒３１１の壁に沿って周方向に配置されているので、噴射された尿素水がスパイラルミキサー３１のボス３１２にさえぎられるのを避けることができる。なお、衝突板３１４の周縁が旋回流板３１３に溶接等で接続されている。また、衝突板３１４と旋回流板３１３とは、一体に成型されても良い。

スパイラルミキサー３１の外周壁、つまり外筒３１１には、スパイラルミキサー３１内に尿素水（還元剤）を霧状に噴射する噴射弁６が配置されている。具体的には、噴射弁６は、酸化触媒４とＳＣＲＦ５との間に設けられ、スパイラルミキサー３１の入口領域において外筒３１１が伸びた方向に直交する方向に尿素水を噴射するように、別の言い方をすると、その入口領域に配置された衝突板３１４に向けて尿素水を噴射するように、配置されている。より具体的には、外筒３１１には開口３３（図１参照）が形成されており、その開口３３に合わさる形で筒状部３２が配置されている。その筒状部３２の一端が開口３３に繋がり、他端が外筒３１１の外側に位置している。外筒３１１の外側に位置する筒状部３２の端部には、その端部から筒状部３２の径方向に突出した部分（フランジ）を有したフランジ部８が接続されている。

噴射弁６はそのフランジ部８にボルト８１（図２参照）により取り付けられている。具体的には、噴射弁６には、フランジ部８と接続する接続部６２が設けられている。その接続部６２は、噴射弁６の軸線Ｌ２（図２参照）に直交する方向に突出した突出部（フランジ）を有し、その突出部がフランジ部８とボルト８１で締結されている。また、接続部６２の突出部より中心（軸線Ｌ２側の部分）の部分には、噴射弁６の軸線Ｌ２に沿って貫通孔６２１が形成されている。その貫通孔６２１の一端が筒状部３２内に位置している。

噴射弁６は、尿素水を霧状に噴射させるためのノズル６１を備えている。そのノズル６１が貫通孔６２１に嵌められている。ノズル６１の先端６１１には尿素水の噴射口となる噴孔が形成されている。その先端６１１が筒状部３２内に位置する形（筒状部３２の側壁面で囲まれる形）で噴射弁６が設けられている。このように、噴射弁６は筒状部３２を介してスパイラルミキサー３１の主配管である外筒３１１に接続されているので、スパイラルミキサー３１内を流れる排気ガスの主流（高温の排気ガス流）から距離をあけて噴射弁６（ノズル６１）を配置できる。これによって、噴射弁６が高温になりすぎて故障するのを防止できる。また、接続部６２には冷却機構が備わっており、その冷却機構によりノズル６１は冷却されている。

噴射弁６は、ガソリンエンジンの筒内または吸気ポート内に燃料を噴射する燃料噴射弁（インジェクタ）と同様の構造を有している。すなわち、噴射弁６は、電磁ソレノイド等からなる駆動部と、尿素水を流通させる尿素水通路やノズル６１を開閉するためのニードルを有する弁本部とを備えた電磁式開閉弁として構成されている。そして、電磁ソレノイドが通電されると、その通電に伴いニードルが開弁方向に移動し、そのニードルの移動に伴いノズル先端６１１に形成された噴孔から尿素水が噴射される。

図１、図２に示すように、ノズル先端６１１付近には、ノズル先端６１１付近を浮遊する尿素水噴霧を筒状部３２から排出させるためのバイパス通路７（パイプ）が設けられている。そのバイパス通路７は筒状部３２及び外筒３１１の外側に配置されている。具体的には、筒状部３２の最深部（筒状部３２のノズル先端６１１付近の部分）の側壁面には開口が形成されている。その開口にバイパス通路７の一端７１が接続されている。つまり、バイパス通路７の一端７１が筒状部３２内に繋がっている。なお、一端７１の接続位置が、筒状部３２の奥側（ノズル先端６１１側）に近づくほど、尿素水噴霧の付着を抑制する点で効果的である。また、バイパス通路７の他端７２は、開口３３より下流側の位置で外筒３１１に接続されている。つまり、バイパス通路７の他端７２は、スパイラルミキサー３１の下流側（開口３３よりも下流側）に繋がっている。

他端７２と開口３３の間のスパイラルミキサー３１内には、旋回流板３１３が介在している。よって、その旋回流板３１３の存在により、開口３３の位置における圧力Ｐ１（筒状部３２内の圧力）と、他端７２の位置における圧力Ｐ２との間で差圧が生じ、具体的には、圧力Ｐ１のほうが圧力Ｐ２よりも大きくなっている。その結果、バイパス通路７を介して筒状部３２から排気通路３への排気ガス流れが生じ、筒状部３２内の掃気が促進され、残留噴霧が排気通路３へ排出される。

なお、バイパス通路７の径が大きすぎると、バイパス通路７を通過する排気ガス量が多くなりすぎてしまい、噴射弁６が高温になりやすくなってしまう。反対に、バイパス通路７の径が小さすぎると、筒状部３２内に浮遊する尿素水噴霧がバイパス通路７を通過しにくくなってしまい、筒状部３２内やバイパス通路７内に尿素水が付着しやすくなる。以上のことを考慮してバイパス通路７の径が設定されるのが好ましい。

また、排気浄化システム１には、尿素水を貯蔵する尿素水タンク（図示外）、尿素水タンクと噴射弁６の間を繋ぐ配管（図示外）、尿素水タンクから尿素水を汲み上げて配管を通じて噴射弁６側に吐出するポンプ（図示外）、配管内の尿素水の圧力を所定圧力となるように調整するレギュレータ（図示外）、噴射弁６を駆動制御する制御回路（図示外）等が設けられている。その制御回路は、噴射弁６を間欠駆動して、エンジン２の運転状態に応じた尿素水量、言い換えるとエンジン２から排出されるＮＯｘ量に応じた尿素水量を噴射弁６で噴射させる。

以上が排気浄化システム１の構成である。次に、排気浄化システム１の作用を説明する。図３は、本発明の作用効果を説明するための図であり、図２の一部（噴射弁６付近）を抜き出して、噴射弁６から尿素水噴霧が噴射されている様子を示した図である。噴射弁６を制御する制御回路はエンジン２の運転状態に応じた量の尿素水を噴射弁６に噴射させる。噴射弁６から噴射された尿素水噴霧の大部分は、筒状部３２を通ってスパイラルミキサー３１内に供給される。スパイラルミキサー３１内に供給された尿素水噴霧９１（図３参照）の大部分は、衝突板３１４に衝突する。衝突板３１４に衝突した尿素水噴霧は、排気ガスや衝突板３１４から熱をもらって速やかに蒸発（微粒化）する。

衝突板３１４に衝突し微粒化した尿素水噴霧は、スパイラルミキサー３１内の広い範囲に満遍なく散らばって、排気ガスとともに旋回流板３１３に囲まれたスパイラル状の通路を通過し、旋回流となってＳＣＲＦ５の上流側表面に到達する。なお、尿素水は、ＳＣＲＦ５の内部で又はＳＣＲＦ５に到達する前に、加水分解によりアンモニア（ＮＨ３）に変換される。そして、ＳＣＲＦ５にて、アンモニアとＮＯｘとが反応して、ＮＯｘが還元浄化される。

一方、噴射弁６から噴射された尿素水噴霧の一部、特に微小粒径の噴霧９２（図３参照）は十分な貫徹力（筒状部３２を貫通する勢い）を持たず、筒状部３２内に浮遊する。しかし、本発明では、バイパス通路７が設けられているので、その浮遊した尿素水噴霧９２を、バイパス通路７を通して、筒状部３２内よりも低圧側のスパイラルミキサー３１の下流側に排出（バイパス）させることができる。これによって、筒状部３２内の壁面（特に、ノズル先端６１１付近の壁面）に尿素水が付着して、尿素水由来の析出物（シアヌル酸、アンメリド、アンメリン、メラミンなど）が堆積するのを抑制できる。

また、バイパス通路７は、スパイラルミキサー３１の下流側に繋がっているので、バイパス通路７を通過した尿素水噴霧をスパイラルミキサー３１内に供給することができる。よって、スパイラルミキサー３１内への尿素水の供給精度、つまりＳＣＲＦ５への尿素水の供給精度が低下してしまうのを抑制できる。結果、所望のＮＯｘ浄化率を得ることができる。

これに対して、図４は、バイパス通路が設けられていない比較例の構成を示している。図４において、本発明と同様の構成には同じ符号を付している。図４の比較例では、バイパス通路が設けられておらずバイパス通路に基づく差圧が発生しないので、筒状部３２の最深部のガスは弱い渦流１００となり、その渦流１００と排気ガスの主流１０１とのガス交換速度が遅い。そのため、筒状部３２内のノズル先端６１１付近の壁面に、ノズル先端６１１付近を浮遊する尿素水が付着する。壁面に付着した尿素水の水分が蒸発すると、尿素水由来の析出物９３ができ始め、その析出物９３が次第に堆積していく。析出物９３の堆積がさらに進行すると、図５に示すように、ノズル先端６１１のまわりに大量に析出物９３が堆積してしまう。そして、その析出物９３が尿素水噴霧の進路を妨害してしまい、スパイラルミキサー３１内への尿素水の供給精度が低下してしまう。

以上説明したように、本実施形態によれば、噴射弁のノズル先端が位置する筒状部内に繋がるようにバイパス通路を設けたので、そのバイパス通路を介してノズル先端付近に浮遊する尿素水噴霧を筒状部から排出できる。よって、ノズル先端付近の壁面に尿素水噴霧が付着するのを抑制できる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載を逸脱しない限度で種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態では、バイパス通路の他端をスパイラルミキサー内の下流側に繋げていたが、筒状部内よりも低圧の部位内であれば、どこにその他端を繋げたとしても良い。これによっても、バイパス通路の両端間で生じる差圧によって、筒状部内から低圧部位側に、浮遊した尿素水噴霧をバイパス通路を介して排出でき、ノズル先端付近の壁面への付着、析出を抑制できる。

また、上記実施形態では、尿素水を噴射する噴射弁を備えたシステムに本発明を適用した例を説明したが、尿素水以外の液体を排気通路に噴射する噴射弁を備えたシステムに本発明を適用しても良い。具体的には、例えば、空燃比リーン時でＮＯｘを吸蔵し、リッチ時に吸蔵されたＮＯｘを還元するＮＯｘ吸蔵還元触媒と、そのＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元するためにリッチ雰囲気にするための燃料を排気通路に噴射する噴射弁とを備えたシステムに本発明を適用しても良い。また、酸化触媒等の触媒を再生させるために触媒の温度を上昇させるための燃料を排気通路に噴射する噴射弁を備えたシステムに本発明を適用しても良い。この添加液体が燃料の場合、ノズル先端付近に付着した燃料は酸化して粘着性のバインダとなり、すすをトラップしデポジットとして成長するため噴射性能に悪影響を及ぼすが、このような場合においても、本発明によれば、ノズル先端付近の壁面に燃料が付着するのを抑制できる。

また、還元触媒（ＳＣＲＦ、ＳＣＲ触媒）の上流に酸化触媒が配置されていない排気浄化システムに本発明を適用しても良い。また、スパイラルミキサーを備えていない尿素ＳＣＲシステム、つまり通常の排気通路に尿素水を供給する尿素ＳＣＲシステムに本発明を適用しても良い。また、ガソリンエンジンの排気浄化システムに本発明を適用しても良い。

２ ディーゼルエンジン（内燃機関）
３１ スパイラルミキサー（旋回流型通路、排気通路）
３２ 筒状部
６ 噴射弁
６１ ノズル
６１１ ノズルの先端
７ バイパス通路
７１ バイパス通路の一端
７２ バイパス通路の他端

Claims (3)

1. 周囲が壁面で囲まれた部位（３２）内にノズル（６１）の先端（６１１）が位置するように設けられ、前記先端から前記部位内を通して内燃機関（２）の排気通路（３１）に所定の液体を噴射する噴射弁（６）と、
   一端（７１）が前記部位内に繋がるように接続され、他端（７２）が前記部位内よりも圧力が低い低圧部位内に繋がるように接続された通路（７）と、
   を備えることを特徴とする噴射装置。
2. 前記噴射弁は、前記排気通路のうち、旋回流で排気ガスが通過するように構成された旋回流型通路の上流側に前記液体を噴射するように設けられ、
   前記他端は前記旋回流型通路の下流側に繋げられたことを特徴とする請求項１に記載の噴射装置。
3. 前記噴射弁より下流の前記排気通路には還元触媒（５）が配置され、
   前記噴射弁は前記還元触媒で還元反応を行わせるための還元剤を噴射することを特徴とする請求項１又は２に記載の噴射装置。

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