JP2017223157A - 噴射弁の冷却装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】内燃機関の排気管内に流体を噴射する噴射弁の先端部の冷却性能を向上できる冷却装置を提供する。【解決手段】噴射弁2の冷却装置としての冷却アダプタはカバー3とボデー4とを備える。カバー3には凹部33が形成される。ボデー4は噴射弁2を内側に配置して、噴射弁2の中心軸線L1回りに筒状に形成されるとともに凹部33に嵌る形に設けられる。凹部33においてカバー3とボデー4の間には冷却水が供給される空間が形成される。空間には中心軸線L1回りの方向に空間を2つの領域に区画するとともに中心軸線L1の方向に沿って延設された2つのバッフル板6が配置される。各バッフル板6は、凹部33の底部32との間で開口601を形成している。バッフル板6により区画される2つの領域のうち一方には冷却水の流入口が形成され、他方には冷却水の流出口が形成される。流入口及び流出口は、開口601よりも空間の上部側に配置される。【選択図】図2

Description

本発明は、内燃機関の排気管内に流体を噴射する噴射弁を冷却する装置に関する。
従来、内燃機関から排出される排気ガスを浄化するシステムの一つに尿素SCRシステム(SCR:Selective Catalytic Reduction)が知られている。この尿素SCRシステムにあっては、内燃機関の排気管内に、排気中のNOxを還元浄化するための触媒部が設けられるとともに、その触媒部の上流に還元剤としての尿素水を噴射する噴射弁が設けられる。
ここで、排気は高温であり、噴孔が形成された噴射弁のノズル先端部は高温の排気にさらされる。ノズル先端部が高温になると、ノズル内部にある尿素水が高温になり、その尿素水がノズルの材質である、例えばステンレスに接触するとステンレスが溶解し易くなり、尿素水の噴射量を正確に制御できなくなるおそれがある。
そこで、噴射弁を冷却する装置が各種提案されている(例えば特許文献1参照)。特許文献1には、噴射弁を冷却する冷却液が通流する基礎冷却体の中に冷却液を導通するガイドインサートが配置され、そのガイドインサートの下縁に凹部が形成された構成が開示されている。この構成によれば、冷却液の流れは、先ずガイドインサートの外面に平行に推移し、その後、下縁に形成された凹部を通過し、最後にガイドインサートの内面に平行に推移する。これによれば、排気と直接接触する噴射弁の端セクションの最適な冷却が行われるとしている。
特許第5863981号公報
しかしながら、特許文献1の構成では、冷却液が噴射弁の先端部(端セクション)に到達するまでの間に、ガイドインサートの外側に配置された、ガイドインサートの外面との間で冷却水の流路を形成するカバー内壁の全周と熱交換する。したがって、噴射弁の先端部に到達するころには冷却液の温度が上がってしまい、噴射弁の先端部の冷却性能が低下してしまう可能性がある。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、噴射弁の先端部の冷却性能を向上できる冷却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、本発明は、
内燃機関(100)の排気管(110)内に流体を噴射する噴射弁(2)の周りを囲み且つ前記噴射弁の軸線方向に沿って前記噴射弁の先端部(23)まで延設された形で、前記噴射弁に近い順に内壁(4)と外壁(3)とを有し、前記内壁と前記外壁との間に前記噴射弁を冷却するための流体である冷却用流体が供給される空間(5)を形成する空間形成部材(3、4)と、
前記空間に設けられ、前記噴射弁の軸線回りの方向に前記空間を複数の領域(53、54)に区画するとともに前記噴射弁の軸線方向に沿って延設された、前記軸線回りの方向の互いに異なる位置に設けられた少なくとも2つの隔壁(6)とを備え、
全ての前記隔壁は、前記空間の、前記噴射弁の先端部を囲む領域である先端領域(55)を前記軸線回りの方向の全周に亘って導通させる開口(601、602)を形成しており、
前記空間の前記先端領域以外の領域に導通する形で前記冷却用流体の流入口(51)と流出口(52)とが形成されており、前記流入口と前記流出口は互いに異なる区画領域(53、54)に配置された噴射弁の冷却装置(1)である。
本発明によれば、隔壁により、冷却用流体が供給される空間が周方向(軸線回りの方向)に複数の領域に区画される。また、各隔壁は、噴射弁の先端部を囲む領域である先端領域を噴射弁の軸線回りの方向の全周に亘って導通させる開口を形成している。したがって、流入口から流入した冷却用流体は、流入口が配置された区画領域である流入区域を先端領域に向かって流れた後、開口から先端領域の全周を流通する。その後、冷却用流体は、流出口が配置された区画領域である流出区域を、流入区域の流れ方向とは逆方向に流れた後、流出口から流出する。このように、先端領域に到達するまでの間に、冷却用流体は、周方向の全周には流れず、一部にしか流れないので、先端領域に、温度上昇が抑えられた冷却用流体を供給できる。これにより、噴射弁の先端部の冷却性能を向上できる。
第1実施形態における噴射弁及び冷却アダプタの、バッフル板が設けられていない位置における、噴射弁の中心軸線に平行な面で切ったときの断面図である。 図1のII−II線での断面図であり、噴射弁及び冷却アダプタの、バッフル板が設けられた位置における断面図である。 図2のIII−III線での断面図であり、噴射弁及び冷却アダプタの、噴射弁の先端部より上流側の位置における、噴射弁の中心軸線に垂直な面で切ったときの断面図である。 図2のIV−IV線での断面図であり、噴射弁及び冷却アダプタの、噴射弁の先端部の位置における、噴射弁の中心軸線に垂直な面で切ったときの断面図である。 第1実施形態においてカバーの内周面、ボデー及びバッフル板を簡略化して斜め方向から見るとともに、冷却水の流れを示した図である。 バッフル板が形成する開口の面積に対する、噴射弁先端温度の変化と、冷却アダプタの圧力損失の変化とを示した図である。 内燃機関の排気浄化システムの概略図である。 第2実施形態における、噴射弁及び冷却アダプタの、噴射弁の中心軸線に垂直な面で切ったときの断面図である。 図8のA部拡大図である。 第3実施形態を説明する図であり、図8のA部と同様の箇所における拡大図である。 第4実施形態における、噴射弁及び冷却アダプタの、噴射弁の中心軸線に垂直な面で切ったときの断面図である。 第5実施形態を説明する図であり、ボデー及びバッフル板を簡略化して斜め方向から見た図である。 第5実施形態を説明する図であり、ボデー及びバッフル板を簡略化して側面方向から見た図である。 第6実施形態を説明する図であり、ボデー及びバッフル板を簡略化して斜め方向から見た図である。 第6実施形態を説明する図であり、ボデー及びバッフル板を簡略化して側面方向から見た図である。 第7実施形態における噴射弁及び冷却アダプタの、バッフル板が設けられていない位置における、噴射弁の中心軸線に平行な面で切ったときの断面図である。 図16のXVII−XVII線での断面図であり、噴射弁及び冷却アダプタの、バッフル板が設けられた位置における断面図である。 図17のXVIII−XVIII線での断面図であり、第1のバッフル板の下端より上流側の位置における、噴射弁の中心軸線に垂直な面で切ったときの断面図である。 図17のXIX−XIX線での断面図であり、第1のバッフル板の下端位置における、噴射弁の中心軸線に垂直な面で切ったときの断面図である。 第7実施形態においてカバーの内周面、ボデー、第1バッフル板及び第2のバッフル板を簡略化して斜め方向から見るとともに、冷却水の流れを示した図である。 第7実施形態において、第1のバッフル板の下端位置における、噴射弁の中心軸線に垂直な面で切ったときの断面図の別例である。 図19のXXII−XXII線での断面図の第1例である。 図19のXXII−XXII線での断面図の第2例である。 図19のXXII−XXII線での断面図の第3例である。 他の実施形態における噴射弁及び冷却アダプタの、噴射弁の中心軸線に平行な面で切ったときの断面図であり、バッフル板が形成する開口の第1変形例を示した図である。 他の実施形態における噴射弁及び冷却アダプタの、噴射弁の中心軸線に平行な面で切ったときの断面図であり、バッフル板が形成する開口の第2変形例を示した図である。
(第1実施形態)
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図1、図2の噴射弁2は、図7に示すように車両に搭載されたディーゼルエンジン等の内燃機関100の排気管110に設置されて、排気管110内に還元剤としての尿素水を噴射する装置である。噴射弁2より下流の排気管110には排気中のNOxを選択的に還元浄化するSCR触媒120が設置されている。なお、図7では、噴射弁2の上流に酸化触媒(DOC:Diesel Oxidation Catalyst)を配置した例を示している。噴射弁2から添加された尿素水が排気熱により加水分解されることによりアンモニア(NH3)が生成される。そのアンモニアとNOxとの還元反応がSCR触媒において行われることで、NOxは水や窒素に分解(浄化)する。このように、噴射弁2は尿素SCRシステムの一部を構成する。
噴射弁2は、略円筒形状であり、噴射弁2の中心軸線L1が例えば鉛直方向に向くように設置されるが、鉛直方向以外の向き、例えば鉛直方向に対してSCR触媒120の向き(下流側))に斜めに傾いて設置されたとしても良いし、SCR触媒120の上流側の排気管110に曲部を形成して、その曲部の曲げ外側において鉛直方向に対して略90°の向き、つまり水平方向に設置されたとしても良い。
図1に示すように、噴射弁2は、ノズルボディ21と、そのノズルボディ21を支持する筒状のハウジング22と、ノズルボディ21の先端に配置された噴孔プレート23と、ノズルボディ21及びハウジング22内に配置されたノズルニードル(図示外)とを備える。
ハウジング22は略円筒形状に形成された内部空間を有する。ハウジング22の、ノズルボディ21が設けられる側と反対側の端部には、タンクに貯蔵された尿素水が供給される尿素水入口が形成されており、その尿素水入口を通じてハウジング22の内部空間に尿素水が流入する。以下では、噴射弁2の尿素水入口側を上流側、噴孔プレート23側を下流側又は先端側と言う。
ノズルボディ21は、略円筒形状に形成されており、ハウジング22の下流側の端部において、ハウジング22の内側にノズルボディ21の一部が嵌め込まれる形で設けられる。その嵌め込まれた部分において、ノズルボディ21の外周面と、ハウジング22の内周面とが溶接により接続されている。
噴孔プレート23は、ノズルボディ21のハウジング22に嵌め込まれた側と反対側の端面を塞ぐ形で設けられている。噴孔プレート23の先端24には噴孔が形成されており、その噴孔から尿素水が噴射される。
ハウジング22及びノズルボディ21の内部に形成される収容室には、ニードル(弁体)が中心軸線L1の方向へ往復移動可能に収容されている。そのニードルはノズルボディ21と概ね同軸上に配置されており、ノズルボディ21との間に尿素水が流れる尿素水通路を形成する。
噴射弁2は、ニードルを駆動するソレノイド等から構成された駆動部(図示外)を備えている。駆動部のソレノイドが通電されていないときには、ニードルの端部がノズルボディ21内に形成された弁座部に着座することで、尿素水通路が遮断されて、噴孔からの尿素水噴射が停止される。一方、ソレノイドが通電されると、ニードルが弁座部から離れる方向に移動し、この移動により、尿素水通路が開放されて噴孔から尿素水が噴射される。なお、噴射弁2の上流側には駆動部を通電するための電気信号を入力するコネクタ(図示外)が設けられている。
噴射弁2は、図1に示す冷却アダプタ1により排気管に取り付けられている。冷却アダプタ1は、排気管に噴射弁2を取り付ける機能に加えて、噴射弁2を冷却する機能を備えている。その冷却アダプタ1は、カバー3とボデー4とバッフル板6とパッキン71とシール部72と外包部材8とを備えている。なお、冷却アダプタ1が本発明の噴射弁の冷却装置に相当する。
カバー3は、有底の円筒状に形成されている。すなわち、カバー3は、円筒部31と、円筒部31の一方の端部に接続して円筒部31の内側の空間を塞ぐ底部32とを有する。図1、図2の例では、円筒部31は、その中心軸線に沿って径が段階的に変化する形状に形成されているが、中心軸線に沿ったどの位置においても径が一定の形状に形成されたとしても良い。円筒部31の、底部32が設けられていない側の端部は開口部となっている。以下では、この開口部の側をカバー3の入口側という。底部32には部分的に開口34が形成されている。その開口34は、円筒部31の中心軸線を中心とした、円筒部31より小さい径の円形に形成されている。開口34には、ボデー4の先端部42が嵌め込まれている。これら円筒部31、底部32により、カバー3の内側には有底の凹部33が形成される。カバー3は、後述のボデー4を間に挟んで噴射弁2の周りを囲むように配置される。このとき、カバー3の中心軸線と、噴射弁2の中心軸線L1とが概ね一致している。カバー3は例えばステンレス鋼(SUS)等の金属により形成されている。なお、カバー3が本発明の外壁に相当する。
ボデー4は、噴射弁2を内側に配置して、噴射弁2の中心軸線L1の回りに筒状に形成されている。詳しくは、ボデー4には、内側に噴射弁2を収容する収容部41が形成されている。収容部41には、噴射弁2の先端24からの一部が少なくとも収容されており、具体的には、噴孔プレート23、ノズルボディ21及びハウジング22の一部が収容されている。また、収容部41には、パッキン71及びシール部72も収容されている。収容部41の径は、パッキン71及びシール部72の分だけ、噴射弁2の外径よりも大径に設定されている。本実施形態では、収容部41の中心軸線は、噴射弁2の中心軸線L1と一致しているが、噴射弁2の中心軸線L1が収容部41の中心軸線から偏心するよう収容部41を形成しても良い。
ボデー4は、その中心軸線に沿って段階的に径が変化する形状に形成されている。詳しくは、ボデー4の下流側に位置しカバー3の開口34と同径の外径を有した先端筒状部42と、ボデー4の上流側に位置し凹部33の入口側における径と同型の外径を有した上部筒状部43と、先端筒状部42と上部筒状部43の間に位置し凹部33の径よりも小径に形成された中間筒状部44とを有する。
上述したように、先端筒状部42はカバー3の開口34に嵌っている。上部筒状部43は、凹部33の入口の位置において外周面が凹部33の壁面に接触する形で配置されている。つまり、上部筒状部43は、凹部33の入口を塞ぐ形で配置されている。中間筒状部44は、冷却水の流路の内壁を構成し、凹部33内において凹部33の側面と、噴射弁2の径方向に間隔をあけて対向する形に配置されている。
このように、ボデー4は先端からの少なくとも一部が凹部33に嵌る形に設けられている。このとき、カバー3の中心軸線とボデー4の中心軸線とが一致する形にそれらカバー3、ボデー4が配置される。
ボデー4はカバー3に溶接等で固定されている。溶接で固定する場合、その固定箇所は、例えば上部筒状部43や先端筒状部42とカバー3とが接触している箇所とすることができる。ボデー4は例えばステンレス鋼(SUS)等の金属により形成されている。なお、ボデー4が本発明の内壁に相当する。また、カバー3及びボデー4が本発明の空間形成部材に相当する。
凹部33内においてカバー3とボデー4との間には空間5が形成されている。その空間5は、噴射弁2を冷却するための冷却用流体としての冷却水が供給される空間とされる。なお、冷却水としては、例えば内燃機関の冷却水が用いられる。空間5は、ボデー4を間に挟んで噴射弁2の先端側の全周を囲んでいる。すなわち、空間5は、噴射弁2の中心軸線L1回りの全周を囲むとともに中心軸線L1の方向に沿って噴射弁2の先端部である噴孔プレート23の位置まで延設された形に形成される。
また、凹部33の入口と底部32との間の方向を深さ方向としたとき、空間5は、深さ方向における両端が壁面で閉塞されている。すなわち、空間5の深さ方向における一端側は凹部33の底部32で閉塞されている。空間5の深さ方向における他端側は上部筒状部43で閉塞されている。
図1に示すように、空間5には、冷却水を空間5に流入するための流入口51と、空間5から冷却水を流出するための流出口52とが形成されている。それら流入口51、流出口52は、空間5の上部、つまり底部32よりも上部筒状部43に近い位置においてカバー3の壁面を径方向に貫通する形に形成されている。言い換えると、中心軸線L1の方向のうち噴射弁2の先端部23から遠ざかる方向を上流方向としたとき、流入口51及び流出口52は、後述するバッフル板6により形成される開口601よりも上流方向の側に配置されている。
また、流入口51及び流出口52は、空間5(言い換えるとボデー4)の周方向においてバッフル板6が設けられていない位置に形成されている。詳しくは、バッフル板6で区画された空間5の2つの領域53、54(図3、図5参照)のうち一方53に流入口51が形成され、他方に流出口52が形成されている。本実施形態では、流入口51及び流出口52は、噴射弁2の中心軸線L1に対する対称位置、つまり空間5の周方向における180°反対側に形成されている。ただし、流入口51及び流出口52は、互いに異なる区画領域53、54に配置されていることを条件として、中心軸線L1に対する対称位置に形成されていなくても良い。
空間5には隔壁としてのバッフル板6が配置されている。バッフル板6は、図2に示すように、カバー3とボデー4の間の方向、つまりカバー3やボデー4の径方向(噴射弁2の径方向でもある)に延設されるとともに、空間5の深さ方向つまり噴射弁2の中心軸線L1に沿った方向にも延設されている。本実施形態では、バッフル板6の、空間5の周方向に向いた面である側面600(図2、図5参照)の全部が、噴射弁2の中心軸線L1との成す角度が0°となる平面に形成されている。つまり、バッフル板6は平板に形成されて、中心軸線L1に対して傾きが無い状態で配置される。
また、バッフル板6は2つ配置されている。2つのバッフル板6は、図3に示すように、噴射弁2の中心位置O(中心軸線L1の位置)に対する対称位置に配置されている。すなわち、中心軸線L1に直交する平面で切ったときの断面で見て、一方のバッフル板6と中心位置Oとを結ぶ直線と、他方のバッフル板6と中心位置Oとを結ぶ直線との成す角度が180°となっている。
2つのバッフル板6により、空間5は周方向に2つの領域53、54に区画される(図3参照)。以下では、流入口51が配置された区画領域53を流入区域といい、流出口52が配置された区画領域54を流出区域という。流入区域53及び流出区域54は周方向に等分された領域に設定され、つまり流入区域53が描く円弧の中心角及び流出区域54が描く円弧の中心角は共に180°に設定される。
バッフル板6は板状に形成されている(図5参照)。バッフル板6の、カバー3やボデー4や噴射弁2の径方向への延設方向を第1延設方向、カバー3やボデー4や噴射弁2の軸線方向への延設方向を第2延設方向とする。バッフル板6の外周縁は空間5の壁面に向けられている。詳しくは、図3に示すように、バッフル板6の、第1延設方向における一方の端部61はカバー3の内周面の方に向けられており、他方の端部62はボデー4の外周面の方に向けられている。また、図2に示すように、バッフル板6の、第2延設方向における一方の端部63は上部筒状部43の方に向いており、他方の端部64は底部32の方に向いている。以下では、バッフル板6のカバー3の方に向いた端部61を外側端部、ボデー4の方に向いた端部62を内側端部、上部筒状部43の方に向いた端部63を上端部、底部32の方に向いた端部64を下端部という。
バッフル板6は、どの部材にどのように固定されたとしても良い。図3の例では、カバー3の内周面にカバー3の軸線方向に延設された溝35が形成されており、その溝35に外側端部61が嵌っている。これら溝35、外側端部61の嵌合によりバッフル板6はカバー3に固定されている。内側端部62は、ボデー4の外周面に接触しても良いし、その外周面との間に微小な隙間を有した形で設けられても良い。
なお、溝35及び外側端部61の嵌合に代えて又は加えて、例えばボデー4の外周面と内側端部62とを、嵌合や溶接により固定しても良い。また、ボデー4とバッフル板6とを固定する場合には、カバー3の内周面と外側端部61とを接触させても良いし、接触させないようにしても良い(つまりそれらの間に微小な隙間を有していても良い。)。バッフル板6をカバー3との間で隙間を有する形で設けることで、カバー3の熱がバッフル板6を介してボデー4や噴射弁2に伝達されてしまうのを抑制でき、結果、噴射弁2の冷却性能を向上できる。
バッフル板6とカバー3との間で隙間を形成する場合には、その隙間は、例えば隙間から冷却水が流れない程度に小さく設定され、具体的には後述の開口601の大きさ(面積)より小さく設定される。これによれば、冷却水が開口601を流れる際の圧力損失よりも、隙間を流れる際の圧力損失の方が大きくなるので、冷却水は隙間よりも開口601を流れる。つまり、隙間から冷却水が漏れてしまうのを抑制でき、軸線方向の冷却水の流れを形成しやすくなる。
図2に示すようにバッフル板6の上端部63は上部筒状部43に接触している。つまり、上端部63と上部筒状部43の間には開口は形成されていない。なお、上端部63と上部筒状部43とを接触させないで、それらの間に冷却水が流れない程度の微小隙間を有していても良い。一方、下端部64は底部32との間で間隔をあけて配置されており、つまり下端部64と底部32との間に開口601が形成されている。本実施形態では、下端部64の全部が底部32に非接触に設けられることで、開口601の径方向における幅は、空間5の径方向における幅と一致している。また、開口601は、全て(2つ)のバッフル板6に形成されている。この2つの開口601により、空間5の、噴射弁2の先端部を囲む領域である先端領域55(図4、図5参照)を、噴射弁2の中心軸線L1回りの方向(つまり周方向)の全周に亘って冷却水が導通可能となっている。
ここで、図6は、開口601の面積に対する噴射弁2の先端温度の変化をライン201で示し、開口601の面積に対する冷却アダプタの圧力損失の変化をライン202で示している。ライン201で示されるように、開口601が小さいほど、開口601を通過する冷却水の流速を増大できるので、噴射弁2の先端温度を下げることができる。一方で、ライン202で示されるように、開口601が小さいほど冷却アダプタの圧力損失が大きくなる。圧力損失が大きいと、冷却水を送るポンプの体格が大きくなってしまったり、ポンプによる冷却水の送出力が不足して、冷却性能が低下したりする可能性がある。
このように、開口601の面積に対する、噴射弁2の先端温度と、冷却アダプタの圧力損失とはトレードオフの関係となっている。開口601の面積は、噴射弁2の先端温度の許容値(上限値)と、冷却アダプタの圧力損失の許容値(上限値)の両方を満たすように設定される。図6には、両許容値を満たすライン203を示している。開口601の面積は、許容ライン203と圧力損失のライン202との交点における値S1と、許容ライン203と先端温度のライン201との交点における値S2の間の範囲に設定される。ライン201、202の交点における面積S3は最適開口面積であり、開口601の面積を最適開口面積S3に設定することで、先端温度と圧力損失を共に許容ライン203に対してある程度小さい値にすることができる。
バッフル板6はどのような材料で形成されたとしても良く、すなわち、ステンレス鋼(SUS)等の金属により形成されたとしても良いし、樹脂により形成されたとしても良い。
パッキン71及びシール部72は、それぞれ環状に形成されて、収容部41において内周面が噴射弁2の外周面に接触し、外周面がボデー4の内周面に接触する形に配置される。つまり、パッキン71及びシール部72の内側空間に噴射弁2が挿入されている。パッキン71は、収容部41の下流側すなわち先端筒状部42の直上位置に配置される。シール部72は、パッキン71より上流側に、パッキン71と間をあけて配置されている。
パッキン71は、噴射弁2とボデー4とをパッキン71を介して密着させることで、噴射弁2の熱を、冷却水で冷却されたボデー4に伝えやすくする役割を持った部材である。また、パッキン71は、排気が外部に漏れないようシールする役割も持っている。パッキン71は例えば黒鉛により形成されている。
一方、シール部72は、排気が外部に漏れないようシールする役割を持った部材である。シール部72は、ゴム等の弾性材で形成されたとしても良いし、銅等の金属で形成されたとしても良い。
外包部材8は、上記カバー3、ボデー4等から構成された冷却アダプタ1を排気管に取り付けるための部材である。外包部材8は、図1に示すように、筒状部81と、その筒状部81の側方に張り出した張出部82とを有する。筒状部81の内側にカバー3が挿入されており、筒状部81とカバー3とは溶接等で固定されている。
また、排気管には、排気管の外壁から排気管の径方向外側に突出した筒状部111(図1参照)が、排気管内と導通する形に設けられている。図1に示すように、筒状部111の先端側には筒状部111の側方に張り出した張出部112が形成されている。その張出部112の上に外包部材8の張出部82が載っており、両張出部82、112が締結部材113により固定されている。
このように、外包部材8は、内部の空間が排気管内に導通した形で設けられ、それに伴い、噴射弁2の先端部23は排気管内に露出した形で設けられる。また、流入口51及び流出口52は、外包部材8の外側に配置されており、つまり排気管の外側に配置されている。
次に、本実施形態の作用効果を説明する。流入口51から空間5に流入した冷却水は、流入区域53を底部32側の方向(下方向)に流れた後、開口601を介して、先端領域55の周方向に流れる。その後、冷却水は、流出区域54を上部筒状部43の方向(上方向)に流れた後、流出口52から流出する。なお、図1、図4、図5では、冷却水の流れを矢印で示している。
このように、冷却水は、バッフル板6により先端領域55まで誘導されるとともに、先端領域55に到達するまでの間に、空間5の周方向の一部である流入区域53にしか流れないので、排気に接した高温のカバー3との間の熱交換を抑えることができる。これにより、先端領域55に温度上昇が抑えられた冷却水を供給でき、先端領域55の内側に配置された噴射弁2の先端部23をボデー4を介して効果的に冷却できる。
また、先端領域55の周方向全周が導通しているので、その周方向全周に対して冷却水の流れを形成でき、噴射弁2の先端部23の全周をムラなく冷却できる。これに対して、上記特許文献1の構成では、ガイドインサートの下縁に、噴射弁の先端部を囲む空間の領域(先端領域)に導通する凹部が形成されるが、その凹部が形成されていない部分では冷却水の流速が小さいと推測され、噴射弁先端部において冷却されにくい部分、つまり温度のムラが生じる可能性がある。
また、流入口51と流出口52とは異なる区画領域53、54に配置されており、且つ、バッフル板6が形成する開口601は軸線方向において流入口51及び流出口52が形成された側と反対側に配置されているので、空間5において冷却水を軸線方向に流すことができる。これによって、バッフル板6が無い場合に比べて、空間5における冷却水の流路長を増大できる。よって、ボデー4及びこの内側に配置された噴射弁2を効果的に冷却できる。これに対して、仮にバッフル板6が設けられていないとすると、空間5において流入口51、52が形成される位置まで冷却水が溜まった以降は、流入口51から流出口52への最短経路で冷却水が流れて、噴射弁2の先端側での冷却水の滞留時間が長くなる。その結果、噴射弁2の先端部23が冷却しにくくなる。
また、バッフル板6の内側端部62(図3参照)とボデー4とを接触させる構成を採用すると、バッフル板6を介してボデー4を冷却しやすくでき、ひいては噴射弁2を効果的に冷却できる。
さらに、バッフル板6は平板であるので、バッフル板6を容易に製造できる。これに対して、特許文献1のガイドインサートは筒状であるとともに、下縁の周方向に沿って複数の凹部が形成されているので、バッフル板6に比べて製造しにくい。
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態を上記実施形態と異なる部分を中心に説明する。本実施形態では、図8、図9に示すようにバッフル板6が第1実施形態と異なっており、それ以外は同じである。図8、図9に示すバッフル板6は、噴射弁2の軸線方向に直交する平面で切ったときの断面で見て、噴射弁2の軸線位置Oを中心とした円周方向(ボデー4の外周面の周方向でもある)に沿って延びてボデー4の外周面に接触する板状の内側部65を有する。内側部65は、ボデー4の方に向いた面の全体でボデー4と接触している。つまり、内側部65とボデー4とは面接触している。
また、バッフル板6は、図9の断面で見て内側部65の流出区域54側の一端652に接続した板状の外側部66を有する。外側部66は、内側部65と接続した側と反対側である先端部67に近づくにしたがって次第に内側部65の、外側部66に接続した側と反対側の端部651(流入区域53側の端部)側且つカバー3側に近づいていき、先端部67がカバー3の内周面に接触している。つまり、外側部66は、図8、図9の断面で見て内側部65より中心位置Oを中心とした円における径方向外側に位置して、内側部65との間で90°より小さい角度θ1(つまり鋭角)を形成する形に設けられる。
さらに、外側部66の先端部67は、図9の断面で見て内側部65側に折れ曲がったV字状に形成されており、このV字の折り返し部671がカバー3に接触し、折り返し部671以外の部分はカバー3に非接触に設けられている。
また、内側部65及び外側部66は、単一の板材を折り曲げ加工することで形成されており、それらの成す角度θ1を大きくする方向にスプリング力(弾性力)が付与された状態でカバー3とボデー4の間に配置されている。そのスプリング力は大きい方が好ましい。また、内側部65と外側部66との間には隙間130が形成されている。この隙間130が流入区域53側に位置している。なお、内側部65及び外側部66は、第1実施形態と同様に噴射弁2の軸線方向、つまり図8、図9の紙面垂直方向に延設されている。バッフル板6の固定方法はどのような方法でも良いが、例えば内側部65とボデー4とを溶接等で固定するとすれば良い。
このように、本実施形態のバッフル板6は、V字の折り返し部671でカバー3と接触していることから、カバー3の、軸線方向への延設方向に沿ってカバー3と線接触している。これによって、面接触に比べて、バッフル板6とカバー3との接触面積を小さくでき、高温のカバー3の熱がバッフル板6を介してボデー4や噴射弁2側に伝わってしまうのを抑制できる。これにより、噴射弁2の冷却性能を向上できる。また、バッフル板6とカバー3との接触面積を小さくできることで、接触圧を大きくでき、バッフル板6とカバー3との間のシール性を向上できる。これによって、バッフル板6とカバー3との間から冷却水が漏れてしまうのを抑制できる。
さらに、バッフル板6はカバー3を押圧する方向にスプリング力が付与された状態で配置されるので、バッフル板6とカバー3との間のシール性をより向上できる。また、隙間130(図9参照)は、流出区域54よりも高圧の流入区域53の側に配置されているので、流入区域53と流出区域54との差圧を外側部66の、内側部65側に向いた面に作用させることができる。これにより、折り返し部671がカバー3を押圧する力を増大でき、バッフル板6とカバー3との間のシール性をより向上できる。
(第3実施形態)
図9では、先端部67がV字状に形成された例を示したが、図10のようにバッフル板6を形成しても良い。図10のバッフル板6は、図9と同様に内側部65と外側部68とを有する。内側部65は図9と同様の形状である。外側部68の先端部69が図9と異なっており、それ以外は同じである。先端部69は、V字等の曲げ形状とはなっておらず、平板縁の形状に形成されている。先端部69の端面691は、カバー3の内周面に対して斜めの方向に向いている。そして、端面691における縁692のみがカバー3の内周面に接触している。
このように、本実施形態では、板面の縁(エッジ)でバッフル板6とカバー3とが接触している。これによっても、第2実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
(第4実施形態)
次に、本発明の第4実施形態を上記実施形態と異なる部分を中心に説明する。上記実施形態では、噴射弁の中心軸線に直交する平面で切ったときの断面で見て、一方のバッフル板と噴射弁の中心位置とを結ぶ直線と、他方のバッフル板と中心位置とを結ぶ直線との成す角度が180°となるよう、2つのバッフル板を配置した例を示した。これに代えて、図11のように、流入区域53における、2つのバッフル板6と噴射弁2の中心位置Oとで形成される角度θ2を180°より小さい角度に設定しても良い。この場合、流出区域54における、2つのバッフル板6と中心位置Oとで形成される角度θ3は180°より大きくなる。
これによれば、流入区域53において壁面と冷却水との接触面積をさらに小さくできるので、噴射弁2の先端部を囲む先端領域に到達するまでの間に冷却水の温度が上がってしまうのをより一層抑制できる。また、流入区域53における、噴射弁2の中心軸線に直交する平面で切ったときの断面積が小さくなるので、流入区域53を流れる冷却水の流速を増大できる。以上より、噴射弁2の先端部をより効果的に冷却できる。
(第5実施形態)
次に、本発明の第5実施形態を上記実施形態と異なる部分を中心に説明する。上記実施形態では、噴射弁の中心軸線との成す角度が0°となるようバッフル板を配置した例を示した。これに代えて、図12、図13のように、バッフル板6を噴射弁2の中心軸線L1に対して傾斜して設けられたとしても良い。このとき、図13に示すように、流入区域53における、噴射弁の中心軸線L1に直交する平面で切ったときの断面積が、上流側P2よりも開口601を形成する下流側P1のほうが小さくなるように、バッフル板6の傾斜方向を設定する。
また図12、図13の例では、バッフル板6の全体が、中心軸線L1に対して一定角度に傾斜した例を示している。つまり、バッフル板6の側面600(図13参照)と中心軸線L1との成す角度θ4は側面600のどの位置においても0°以外の角度となっている。なお、バッフル板6はどのように固定されたとしても良いが、例えばボデー4と溶接等により固定される。
図12、図13には冷却水の流れを矢印で示している。本実施形態によれば、流入区域53の下流側P1の断面積を小さくしているので、その下流側P1に位置する開口601を通過する冷却水の流速を増大できる。これにより、冷却水が、噴射弁の先端部を囲む領域55(図12参照)をより循環できるようになり、噴射弁の先端部をより効果的に冷却できる。なお、冷却水は、先端領域55を循環した後、流出区域54(図13参照)を上方に流れて流出口から流出する。
(第6実施形態)
図12、図13の例ではバッフル板6の全体を傾斜させた例を示したが、図14、図15のように、バッフル板6の一部611のみを噴射弁の中心軸線L1に対して傾斜させても良い。すなわち、図14、図15のバッフル板6は、中心軸線L1との角度が0°に設けられた非傾斜部610と、中心軸線L1との角度が0°以外の角度に設けられた傾斜部611とを有する。傾斜部611は、非傾斜部610の、中心軸線L1への延設方向における先端領域55側の端部から図15の紙面で斜め下方向に延設される形で設けられる。
また、図15に示すように、流入区域53における、噴射弁の中心軸線L1に直交する平面で切ったときの断面積が、上流側P2(つまり非傾斜部610により形成される断面積)よりも開口601を形成する下流側P1(つまり傾斜部611により形成される断面積)のほうが小さくなるように、傾斜部611の傾斜方向を設定する。なお、非傾斜部610と傾斜部611とは単一の板材を折り曲げ加工により形成されたとしても良いし、別々の板材を溶接等で固定することにより形成されたとしても良い。
図14、図15には冷却水の流れを矢印で示している。本実施形態によれば、第5実施形態と同様に、流入区域53の下流側P1の断面積を小さくしているので、第5実施形態と同様の作用効果が得られる。なお、図15には流出区域を符号54で示している。
(第7実施形態)
次に、本発明の第7実施形態を上記実施形態と異なる部分を中心に説明する。図16、図17に示す冷却アダプタ1は、第2のバッフル板9(図19、図20参照)を備えている点で上記第1実施形態と異なっており、それ以外は第1実施形態と同じである。
第2のバッフル板9は、空間5における、噴射弁2の先端部を囲む先端領域55(図20参照)と、それ以外の領域56(図18参照)との境界を塞ぐように、噴射弁2の中心位置O(図19参照)を中心とした円周方向に延設されている。言い換えると、第2のバッフル板9は、第1のバッフル板6の、中心軸線L1の方向への延設方向における先端領域55側の端部から円周方向に延設されている。
第2のバッフル板9は、流入区域53及び流出区域54のそれぞれに、先端領域55に導通する開口91、92を形成している(図19、図20参照)。流入区域53に形成された開口91を第1開口、流出区域54に形成された開口92を第2開口として、第1開口91と第2開口92とは噴射弁2の中心軸線L1の位置Oに対して対称となる位置に形成されている(図19参照)。図19の例では、第1開口91及び第2開口92は、中心位置Oを中心とした円周方向において2つの第1のバッフル板6の中間位置に形成された例を示しているが、中間位置以外の位置に形成されたとしても良い。つまり、図19において、中心位置Oを通り、2つの第1のバッフル板6を通る直線L2との角度が90°以外の角度となる直線L3上に、第1開口91及び第2開口92が形成されたとしても良い。これによっても、第1開口91及び第2開口92を、中心位置Oに対して対称となる位置に配置できる。
第2のバッフル板9は、例えば、4つの部分9a〜9d(図19参照)に分割された構造を有する。各部分9a〜9dは円弧状に形成されている。第1部分9a及び第2部分9bは流入区域53側に配置され、第3部分9c及び第4部分9dは流出区域54側に配置される。
第1部分9aは周方向における一端が一方の第1のバッフル板6aの側面又は先端領域55側に向いた端面と接触した形で又は微小な隙間を有した形で設けられる。第1部分9aの周方向における他端は、第2部分9bの端部と間隔をあけて配置される。第2部分9bは周方向における一端が他方の第1のバッフル板6bの側面又は先端領域55側に向いた端面と接触した形で又は微小な隙間を有した形で設けられる。第2部分9bの周方向における他端は、第1部分9aの端部と間隔をあけて配置される。第1部分9aの端部と、その端部と間隔をあけて対向する第2部分9bの端部と、それら2つの端部の間に位置するカバー3の内周面及びボデー4の外周面とにより、第1開口91が形成される。
同様に、第3部分9cは周方向における一端が一方の第1のバッフル板6aの側面又は先端領域55側に向いた端面と接触した形で又は微小な隙間を有した形で設けられる。第3部分9cの周方向における他端は、第4部分9dの端部と間隔をあけて配置される。第4部分9dは周方向における一端が他方の第1のバッフル板6bの側面又は先端領域55側に向いた端面と接触した形で又は微小な隙間を有した形で設けられる。第4部分9dの周方向における他端は、第3部分9cの端部と間隔をあけて配置される。第3部分9cの端部と、その端部と間隔をあけて対向する第4部分9dの端部と、それら2つの端部の間に位置するカバー3の内周面及びボデー4の外周面とにより、第2開口92が形成される。
なお、第1部分9a及び第3部分9cは一体として設けられ、第2部分9b及び第4部分9dは一体として設けられたとしても良い。つまり、第2のバッフル板9は、C字状の2つの部分に分割した構造を有しても良い。
また、図21に示すように、第2のバッフル板9を、周方向の全周を繋いだリング状に形成、つまり単一部品として形成して、流入区域に位置する部分と流出区域に位置する部分のそれぞれに先端領域に導通する貫通孔93を第1開口及び第2開口として形成しても良い。この場合、貫通孔93の個数は何個であっても良い。
第1開口91及び第2開口92は、先端領域55における流路面積に対して小さすぎると圧損が大きくなるので、例えば先端領域55における流路面積、言い換えると開口601の面積よりも大きいとするのが好ましい。
第2のバッフル板9はどの部材にどのように固定されたとしても良いが、例えば、第1のバッフル板6と溶接等により固定されたとすることができる。第2のバッフル板9の外周縁941(図19参照)はカバー3の内周面と接触した形又は微小な隙間を有した形に設けられる。また、第2のバッフル板9の内周縁942(図19参照)はボデー4の外周面と接触した形又は微小な隙間を有した形に設けられる。
また、第2のバッフル板9の、噴射弁の中心軸線に平行な平面で切ったときの断面(つまり図18の紙面に垂直な平面で切ったときの断面)は、図22のように直線状であっても良いし、図23の形状であっても良い。図23の例では、第2のバッフル板9は、ボデー4の外周面に沿って設けられるボデー側部分95と、カバー3の内周面に沿って設けられるカバー側部分96と、それらを繋げる接続部97とを有する。ボデー側部分95はボデー4に接触している。カバー側部分96はカバー3に接触している。図23の例では、接続部97は、ボデー側部分95の下端と、カバー側部分96の下端との間を接続しているが、下端以外の部分を接続しても良い。
また、第2のバッフル板9は、図9や図10と同様に、カバー3を押圧するスプリング力を有した形状に形成されたとしても良い。具体的には、例えば図24のように、第2のバッフル板9はボデー4の外周面に沿って設けられるボデー側部分98と、そのボデー側部分98の一端からボデー3側に延設されたるカバー側部分99とを有する。カバー側部分99は、カバー3の内周面に対して斜めに設けられる。そして、カバー側部分99の先端部991の縁と、カバー3とが接触している。さらに、カバー側部分99には、ボデー側部分98とカバー側部分99との成す角度θ5を大きくする方向にスプリング力が作用している。
これによれば、高温のカバー3と、第2のバッフル板9との接触が周方向に沿った線接触となるので、高温のカバー3と第2のバッフル板9との接触面積を小さくでき、第2のバッフル板9を介してカバー3からボデー4や噴射弁に熱が伝わってしまうのを抑制できる。また、線接触とすることで、カバー3と第2のバッフル板9との間のシール性を向上できる。さらに、第2のバッフル板9は、カバー3を押圧するスプリング力が付与された状態で配置されるので、カバー3と第2のバッフル板9との間のシール性をより一層向上できる。
なお、図9と同様に、カバー側部分の先端部をV字状に形成して、V字の折り返し部でカバー3と接触するように構成しても良い。
第2のバッフル板9はどのような材料で形成されたとしても良く、ステンレス鋼(SUS)等の金属により形成されたとしても良いし、樹脂により形成されたとしても良い。なお、第2のバッフル板9が本発明の第2の隔壁に相当する。
次に、図16、図19、図20を参照して本実施形態の作用効果を説明する。流入口51から空間5に流入した冷却水は流入区域53を底部32(図16参照)側の方向(下方向)に流れた後、第1開口91から先端領域55に流入する。先端領域55に流入した冷却水は、第1開口91に対して周方向の反対側の位置にある第2開口92まで周方向に流れた後、第2開口92から流出区域54に流入する、流出区域54に流入した冷却水は上方向に流れた後、流出口52から流出する。なお、図16、図19、図20には冷却水の流れを矢印で示している。
これによって、先端領域55において周方向に循環する冷却水の流れを強化でき、先端領域55の内側に位置するボデー4の先端部及び噴射弁2の先端部をより効果的に冷却できる。
また、第1開口91及び第2開口92は、中心軸線L1に対して対称となる位置に形成されているので、噴射弁2の先端部の外周全周をムラなく冷却できる。
(他の実施形態)
第1実施形態では、バッフル板の下端部の全部が、空間の底部に非接触に設けられることで、周方向に導通する開口を形成していた。これに代えて、図25に示すように、バッフル板6の下端部64付近に貫通孔602を形成するとともに、下端部64を底部32に接触させたとしても良い。これによっても、貫通孔602を、周方向に導通する開口として機能させることができる。なお、この場合は、貫通孔602の個数は1つであっても良いし、複数であっても良い。
また、図26のように、バッフル板6の下端部64に切欠き部603を設けたうえで、その下端部64を底部32に接触させても良い。この切欠き部603により、周方向に導通する開口601を形成できる。図26では、ボデー4の外周面と切欠き部603の間で開口601が形成された例を示している。なお、カバー3の内周面との間で開口を形成するよう切欠き部が形成されたとしても良い。
また、尿素水以外の流体を排気管内に噴射する噴射弁(例えば、排気管内に未燃燃料を噴射する噴射弁)の冷却装置に本発明を適用しても良い。また、第1のバッフル板を、カバーの内周面やボデーの外周面との間に微小な隙間を形成する形に設けて、その隙間から微小な冷却水が流れる構成であっても良い。また、第1のバッフル板の個数は3つ以上であっても良い。この場合、空間が3つ以上の領域に区画されることになるが、例えば冷却水の流入口又は流出口を、複数の区画領域に設けることで、全ての区画領域に流入口と流出口のいずれかが配置されるようにしても良いし、流入口と流出口のいずれも配置されない区画領域を設けても良い。バッフル板を3つ以上設ける場合も、上記実施形態と同様に、空間の、噴射弁の先端部を囲む先端領域を周方向に導通させる開口を全てのバッフル板に形成させるようにする。
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。また、上記各実施形態を組み合わせて実施しても良い。
1 冷却アダプタ、2 噴射弁、23 噴孔プレート、3 カバー、4 ボデー、5 カバーとボデーの間の空間、51 流入口、52 流出口、53 流入区域、54 流出区域、55 空間の先端領域、6 バッフル板、601 バッフル板が形成する開口、100 内燃機関、110 排気管

Claims (13)

  1. 内燃機関(100)の排気管(110)内に流体を噴射する噴射弁(2)の周りを囲み且つ前記噴射弁の軸線方向に沿って前記噴射弁の先端部(23)まで延設された形で、前記噴射弁に近い順に内壁(4)と外壁(3)とを有し、前記内壁と前記外壁との間に前記噴射弁を冷却するための流体である冷却用流体が供給される空間(5)を形成する空間形成部材(3、4)と、
    前記空間に設けられ、前記噴射弁の軸線回りの方向に前記空間を複数の領域(53、54)に区画するとともに前記噴射弁の軸線方向に沿って延設された、前記軸線回りの方向の互いに異なる位置に設けられた少なくとも2つの隔壁(6)とを備え、
    全ての前記隔壁は、前記空間の、前記噴射弁の先端部を囲む領域である先端領域(55)を前記軸線回りの方向の全周に亘って導通させる開口(601、602)を形成しており、
    前記空間の前記先端領域以外の領域に導通する形で前記冷却用流体の流入口(51)と流出口(52)とが形成されており、前記流入口と前記流出口は互いに異なる区画領域(53、54)に配置された噴射弁の冷却装置(1)。
  2. 前記隔壁は前記外壁と線接触する形状に形成された請求項1に記載の噴射弁の冷却装置。
  3. 前記隔壁は、前記外壁を押圧するスプリング力を有した形状に形成された請求項1又は2に記載の噴射弁の冷却装置。
  4. 前記隔壁は、
    前記軸線方向に直交する平面で切ったときの断面で見て、
    前記内壁の周方向に沿って延びて前記内壁に接触する内側部(65)と、
    前記内側部の、前記内壁の周方向への延設方向における一端(652)に接続して、先端部(67、69)に近づくにしたがって次第に前記内側部の他端(651)側且つ前記外壁側に近づいていき、先端部が前記外壁に接触する外側部(66、68)とを有し、
    前記隔壁は、前記内側部と前記外側部との成す角度(θ1)を大きくする方向にスプリング力を有している請求項1〜3のいずれか1項に記載の噴射弁の冷却装置。
  5. 前記断面で見て前記外側部(66)の先端部(67)はV字状に形成されており、V字の折り返し部(671)が前記外壁に接触し、その折り返し部以外の部分は前記外壁に非接触に設けられる請求項4に記載の噴射弁の冷却装置。
  6. 前記外側部(68)の先端部における板面が前記外壁の面に対して斜めに設けられることでその板面の縁のみが前記外壁に接触する請求項4に記載の噴射弁の冷却装置。
  7. 前記隔壁は、前記内側部と前記外側部とで挟まれた領域(130)が、前記流入口が配置される区画領域である流入区域(53)の側に位置するように配置される請求項4〜6のいずれか1項に記載の噴射弁の冷却装置。
  8. 前記軸線方向に直交する平面で切ったときの断面で見て、前記流入口が配置される区画領域である流入区域(53)を区画する2つの前記隔壁の一方と前記噴射弁の軸線とを結ぶ直線と、前記流入区域を区画する2つの前記隔壁の他方と前記噴射弁の軸線とを結ぶ直線とが成す前記流入区域側の角度(θ2)は180°より小さい請求項1〜7のいずれか1項に記載の噴射弁の冷却装置。
  9. 前記流入口が配置される区画領域である流入区域(53)における、前記噴射弁の軸線に直交する平面で切ったときの断面積が、前記軸線方向における上流側より前記開口を形成する下流側のほうが小さくなるよう、前記隔壁は前記噴射弁の軸線に対して傾斜して設けられる請求項1〜8のいずれか1項に記載の噴射弁の冷却装置。
  10. 前記流入区域を区画する前記隔壁は全体が前記噴射弁の軸線に対して傾斜して設けられる請求項9に記載の噴射弁の冷却装置。
  11. 前記流入区域を区画する前記隔壁は、下流側の一部のみが前記噴射弁の軸線に対して傾斜して設けられる請求項9に記載の噴射弁の冷却装置。
  12. 前記隔壁を第1の隔壁として、
    前記空間における前記先端領域とそれ以外の領域(56)との境界を塞ぐよう前記空間の周方向に延設された第2の隔壁(9)を備え、
    前記第2の隔壁は、前記流入口が配置される区画領域である流入区域(53)の位置と、前記流出口が配置される区画領域である流出区域(54)の位置のそれぞれに、前記先端領域に導通する開口(91、92、93)が形成されている請求項1〜11のいずれか1項に記載の噴射弁の冷却装置。
  13. 前記第2の隔壁の開口のうち、前記流入区域の位置に形成された方を第1開口(91)、前記流出区域の位置に形成された方を第2開口(92)として、前記第1開口と前記第2開口とは前記噴射弁の軸線に対して対称となる位置に形成されている請求項12に記載の噴射弁の冷却装置。
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