JP2021092207A

JP2021092207A - 還元剤噴射弁

Info

Publication number: JP2021092207A
Application number: JP2019224092A
Authority: JP
Inventors: 尚久弓削; Naohisa Yuge
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-12-11
Filing date: 2019-12-11
Publication date: 2021-06-17

Abstract

【課題】効率的に冷却され、かつ、冷却される際にＮＯXセンサが誤計測を起こす虞のない還元剤噴射弁を提供する。【解決手段】還元剤噴射弁は、コイル８０と、還元剤噴射時にコイルへの通電により吸引されるニードル７４と、ニードル７４を摺動可能に保持するチューブ７３と、チューブ７３及びコイル８０の外周面を覆い、チューブ７３及びコイル８０との間に環状空間を形成するカバー８５と、を備え、チューブ７３内の還元剤を環状空間へ排出するための第１の排出孔８６と、環状空間内の還元剤を外部へ排出するための第２の排出孔８７を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、排気浄化装置に使用される還元剤噴射弁に関する。

ディーゼルエンジン等の内燃機関の排気に含まれるＮＯ_X（窒素酸化物）を分解して排気を浄化するための装置として、尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システムが実用化されている。尿素ＳＣＲシステムでは、還元剤として尿素水溶液が用いられる。尿素ＳＣＲシステムは、尿素水溶液が分解することにより生成されるアンモニアを排気中のＮＯ_Xと反応させることによりＮＯ_Xを分解する。

尿素ＳＣＲシステムは、排気管（排気通路）に配設された選択還元触媒と、選択還元触媒よりも上流側の排気管に尿素水溶液を噴射するための還元剤供給装置とを備える。選択還元触媒は、アンモニアを吸着し、流入する排気中のＮＯ_Xとアンモニアとの還元反応を促進する。還元剤供給装置は、貯蔵タンク内に貯蔵された尿素水溶液を圧送するポンプと、ポンプにより圧送される尿素水溶液を噴射する還元剤噴射弁とを備え、制御装置によって駆動制御が行われて、尿素水溶液を排気管内に噴射する。

例えば、下記の特許文献１には、内燃機関の排気管に還元剤を噴射するための還元剤噴射弁の構成が記載されている。

特開２０１５−１１７６８１

還元剤噴射弁は排気管に設置されるため、長時間の高負荷運転などにより、排気が高温となる場合、還元剤噴射弁の先端部が排気の熱により損傷する虞がある。これを回避するため、尿素水溶液を噴射することにより還元剤噴射弁の先端部を冷却することがある。しかしながら、排気温度が高すぎると、噴射された尿素水溶液から生成されたアンモニアが選択還元触媒に吸着されなくなる。

選択還元触媒に吸着されなかったアンモニアは、選択還元触媒の下流側に配設されたアンモニアスリップ防止装置において酸化・分解される。一方、選択還元触媒の下流側にはＮＯ_Xセンサが設置されている。ＮＯ_Xセンサはアンモニアにも反応するため、アンモニアが選択還元触媒に吸着されずに選択還元触媒の下流に流れた場合、選択還元触媒の下流側のＮＯ_Xセンサが誤計測を起こす虞がある。よって、これまでは、排気が高温となる運転モードを考慮し、内燃機関の機種ごとに、より複雑な適合作業が必要であった。

また、近年、尿素ＳＣＲシステムの省スペース化のため、還元剤噴射弁に対しても小型化が望まれている。しかしながら、還元剤噴射弁を小型化すると、還元剤噴射弁内のコイルが排気管に近づくこととなり、コイルの積極的な冷却の必要性が生じる。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、効率的に冷却され、かつ、冷却される際にＮＯ_Xセンサが誤計測を起こす虞のない還元剤噴射弁を提供するものである。

本発明の目的を達成するため、本発明に係る還元剤噴射弁は、
内燃機関の排気管に備えられた選択還元触媒の上流側に還元剤を噴射する還元剤噴射弁であって、コイルと、還元剤噴射時に前記コイルへの通電により吸引されるニードルと、前記ニードルを摺動可能に保持するチューブと、前記チューブ及び前記コイルの外周面を覆い、前記チューブ及び前記コイルとの間に環状空間を形成するカバーと、を備え、前記チューブ内の還元剤を前記環状空間へ排出するための第１の排出孔と、前記環状空間内の還元剤を外部へ排出するための第２の排出孔を備える。

本発明によれば、還元剤噴射弁を効率的に冷却することが可能となり、かつ、冷却時にＮＯ_Xセンサが誤計測を起こす虞がない。

本発明の実施の形態に係る尿素ＳＣＲシステムを示す図である。従来の還元剤噴射弁の模式図である。本発明に係る還元剤噴射弁の模式図である。

以下、本発明の実施の形態について、適宜図面を参照しつつ説明する。尚、以下に説明する部材、配置等は本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。また、それぞれの図中、同じ符号が付されているものは同一の要素を示しており、適宜説明が省略されている。

まず、本実施形態に係る還元剤噴射弁を備えた尿素ＳＣＲシステム１０の構成例について説明する。図１は、尿素ＳＣＲシステム１０の構成例を示す模式図である。

尿素ＳＣＲシステム１０は、ディーゼルエンジン等の内燃機関５の排気系に設けられる。尿素ＳＣＲシステム１０は、内燃機関５を備えた車両、建設機械又は農機等に搭載され、還元剤として尿素水溶液を用いて、内燃機関５から排出される排気中のＮＯ_Xを分解して排気を浄化する。

尿素ＳＣＲシステム１０は、排気管１１の途中に配設された選択還元触媒１３と、選択還元触媒１３よりも上流の排気管１１内に尿素水溶液を噴射する還元剤供給装置３０とを備える。選択還元触媒１３よりも上流及び下流の排気管１１には、それぞれＮＯ_X濃度を検出する上流側ＮＯ_Xセンサ２１及び下流側ＮＯ_Xセンサ２３が設けられている。上流側ＮＯ_Xセンサ２１及び下流側ＮＯ_Xセンサ２３のセンサ信号は制御装置１００に出力される。これ以外に、排気管１１には、温度センサやアンモニアセンサ等の図示しないセンサ類が設けられていてもよい。

選択還元触媒１３は、内燃機関５の排気中に含まれるＮＯ_Xを、アンモニアを用いて選択的に還元する機能を有する。選択還元触媒１３は、還元剤供給装置３０により噴射された尿素水溶液が分解することにより生成されたアンモニアを吸着し、流入する排気中のＮＯ_Xをアンモニアと反応させて分解する。

還元剤供給装置３０は、選択還元触媒１３よりも上流側で排気管１１内に尿素水溶液を噴射する。還元剤供給装置３０は、還元剤噴射弁７０とポンプ４１とを備える。還元剤噴射弁７０は、選択還元触媒１３よりも上流の排気管１１に固定されている。ポンプ４１は、貯蔵タンク５０内の尿素水溶液を吸い上げ、還元剤噴射弁７０に向けて圧送する。ポンプ４１及び還元剤噴射弁７０は、制御装置１００によって駆動制御される。

ポンプ４１の吸入口には、他端が貯蔵タンク５０内に位置する第１の還元剤配管５８が接続されている。ポンプ４１の吐出口には、他端が還元剤噴射弁７０に接続された第２の還元剤配管５７が接続されている。ポンプ４１は、第１の還元剤配管５８を介して貯蔵タンク５０内の尿素水溶液を吸い上げ、第２の還元剤配管５７を介して尿素水溶液を還元剤噴射弁７０に供給する。

還元剤噴射弁７０には、他端が貯蔵タンク５０に接続されたリターン配管５９が接続されている。リターン配管５９には図示しないオリフィスが備えられ、還元剤噴射弁７０内の尿素水溶液の圧力を所定の値に維持しつつ、常に少量の尿素水溶液が還元剤噴射弁７０から貯蔵タンク５０へ還流するように構成されている。また、第２の還元剤配管５７には圧力センサ４３が設けられている。圧力センサ４３は、還元剤噴射弁７０に供給される尿素水溶液の圧力を検出するセンサであり、センサ信号は制御装置１００に出力される。

ポンプ４１としては、例えば電磁駆動式のダイヤフラムポンプ又はギヤポンプが用いられる。ポンプ４１の出力は、制御装置１００により制御される。本実施形態では、制御装置１００は、還元剤噴射弁７０に供給される尿素水溶液の圧力が所定の目標値で維持されるようにポンプ４１の出力を制御する。例えば制御装置１００は、圧力センサ４３により検出される圧力と目標値との差分に基づいて、ポンプ４１の出力をフィードバック制御する。

還元剤噴射弁７０は、コイルへの通電制御によりノズルの開弁及び閉弁が切り替えられる電磁駆動式の噴射弁が用いられる。本実施形態では、制御装置１００は、還元剤噴射弁７０に供給される尿素水溶液の圧力が所定の目標値となるようにポンプ４１の出力を制御しつつ、尿素水溶液の目標噴射量に応じて開弁時間を調節する。例えば制御装置１００は、一定の噴射サイクルごとに、噴射サイクルの全時間に対する通電時間の比であるデューティ比を調節することにより、尿素水溶液の噴射量を制御する。

次に、従来用いられている還元剤噴射弁７０ａについて説明する。図２は、従来用いられている還元剤噴射弁７０ａの模式図である。還元剤噴射弁７０ａは、ハウジング７２、チューブ７３、ニードル７４、ストッパ７６、圧縮バネ７８、コイル８０、調整スリーブ８２、フィルタ８４を備える。

チューブ７３は有底筒状に形成され、還元剤噴射弁下側に位置する底部に、尿素水溶液を噴射するためのオリフィス７３ａが設けられている。また、チューブ７３はその内部に、ニードル７４、ストッパ７６、圧縮バネ７８、調整スリーブ８２、フィルタ８４を備える。

ニードル７４は軸方向に移動可能とされ、ストッパ７６はチューブ７３に対して固定されている。ニードル７４及びストッパ７６は鉄などの金属から構成されている。

調整スリーブ８２は、ストッパ７６に対して固定されている。圧縮バネ７８は、一端が調整スリーブ８２に当接し、他端がニードル７４の当接面７４ａに当接している。ニードル７４、ストッパ７６、及び調整スリーブ８２は、いずれも内部に空間を有している。ストッパ７６、及び調整スリーブ８２は、中空のパイプ形状とされ、ニードル７４は、先端部７４ｈが球形状とされ、先端部７４ｈ以外は中空形状とされている。

コイル８０は、チューブ７３の外周面に配設されている。詳述すれば、コイル８０は、ストッパ７６の外周面を、チューブ７３を介して覆うように配設されている。

ハウジング７２は、コイル８０の上部（ニードル７４と反対側）において、チューブ７３の外周面を覆う樹脂部材であり、制御装置１００に接続されるコネクタ部を備える。

尿素水溶液は、図２の矢印Ａ１方向から供給され、フィルタ８４を通過して、調整スリーブ８２へ供給される。調整スリーブ８２、ストッパ７６は中空のパイプ形状とされているため、尿素水溶液は調整スリーブ８２及びストッパ７６の内部を通過してニードル７４へ供給される。

図２に示すように、ニードル７４には、その内部と外部を接続する孔７４ｉが設けられている。尿素水溶液は、ストッパ７６側からニードル７４の内部へ供給され、孔７４ｉを通ってニードル７４の外部へ送られ、先端部７４ｈの方向へ送られる。

コイル８０に通電がされていない状態では、ニードル７４の先端部７４ｈがチューブ７３の先端の内側に設けられた弁座７２ｂと当接している。従って、孔７４ｉから先端部７４ｈの方向に送られた尿素水溶液は、オリフィス７３ａから噴射されない。

一方、コイル８０に通電が行われると、通電により生じる電磁力により、ニードル７４がストッパ７６側へ吸引される。これにより、ニードル７４の先端部７４ｈが弁座７２ｂから離座し、尿素水溶液がオリフィス７３ａから排気管１１へ噴射される。

次に、本発明に係る還元剤噴射弁７０について説明する。図３は、本発明に係る還元剤噴射弁７０の模式図である。以下、本発明に係る還元剤噴射弁７０について、図２に示した従来の還元剤噴射弁７０ａに対し異なる部分を中心に説明する。本発明に係る還元剤噴射弁７０は、チューブ７３及びコイル８０の外周面を覆う、段付きの円筒形のカバー８５を備える。

カバー８５は、チューブ７３の下端部側（ニードル７４の先端部７４ｈ側）からコイル８０の上端面にかけて、チューブ７３及びコイル８０の外周面を覆う。カバー８５の下端部側は、チューブ７３下端面にできるだけ近い部分に位置することが望ましい。

図３に示すように、チューブ７３の、コイル８０よりもオリフィス７３ａ側の外周面と、カバー８５の内周面との間には、環状の空間が形成されている。コイル８０とカバー８５の内周面との間にも、環状の空間が形成されている。チューブ７３とカバー８５とにより形成される環状空間は、コイル８０とカバー８５とにより形成される環状空間と連通している。

チューブ７３の側面には、チューブ７３内から、チューブ７３とカバー８５との間の環状空間へ尿素水溶液を排出することのできる第１の排出孔８６が形成されている。第１の排出孔８６は、ニードルに設けられている孔７４ｉよりもオリフィス７３ａ側（下側）であって、チューブ７３とカバー８５との間の環状空間の先端部（下端部）に形成されている。

カバー８５の側面には、コイル８０とカバー８５とにより形成される環状空間の外側へ尿素水溶液を排出するための第２の排出孔８７が形成されている。第２の排出孔８７は、カバー８５の、コイル８０に面した部分に形成されている。第２の排出孔８７は、コイル８０の上端面に近い位置に形成されることが望ましい。

尚、カバー８５の下端部とチューブ７３との間、及び、カバー８５の上端部とコイル８０との間は、適宜のシール部材によりシールされ、尿素水溶液が第２の排出孔８７以外の箇所から外部へ排出されることがないように構成されている。

すなわち、尿素水溶液は、排気管１１へ噴射されない状態であっても、チューブ７３内から、チューブ７３とカバー８５との間の環状空間へ第１の排出孔８６を通って排出され、コイル８０とカバー８５とにより形成される環状空間を経由して第２の排出孔８７から排出される。第２の排出孔８７から排出された尿素水溶液は、カバー８５に接続された図示しない配管等を経由してリターン配管５９へ排出される。

以上、説明した様に、本構成により、尿素水溶液を排気管１１へ噴射することなく、ニードル７４の先端部７４ｈ付近やコイル８０を効果的に冷却することができる。

尚、図３において、第１の排出孔８６及び第２の排出孔８７は、１８０度間隔で２個ずつ形成されているが、本発明の実施にあたっての第１の排出孔８６及び第２の排出孔８７の数はこれに限られるものではない。

また、第１の排出孔８６及び第２の排出孔８７の数は、異なっていてもよい。

また、第１の排出孔８６及び第２の排出孔８７は、還元剤噴射弁７０を軸方向から見た時に、異なる位相となるように形成されていてもよい。例えば、以下の様な構成とすることができる。すなわち、第１の排出孔８６及び第２の排出孔８７が２個ずつ形成されている場合、還元剤噴射弁７０を軸方向から見た時に、２個の第１の排出孔８６の位相が１８０度間隔となる様に形成し、同様に２個の第２の排出孔８７の位相も１８０度間隔となる様に形成する。そして、還元剤噴射弁７０を軸方向から見た時に、２個の第１の排出孔８６を結ぶ直線と、２個の第２の排出孔８７を結ぶ直線とが直交するように配置することができる。

この様に、第１の排出孔８６及び第２の排出孔８７が、位相が異なる様に配置されることにより、チューブ７３及びコイル８０の周囲に、円周方向の尿素水溶液の流れが生じ易くなる。その結果、尿素水溶液の流れに偏りがなくなり、冷却がより効率的となる。

５：内燃機関、１１：排気管、１３：選択還元触媒、７０：還元剤噴射弁、７０ａ：還元剤噴射弁、７３チューブ、７４：ニードル、８０：コイル、８５：カバー、８６：第１の排出孔、８７：第２の排出孔、１００：制御装置

Claims

内燃機関の排気管に備えられた選択還元触媒の上流側に還元剤を噴射する還元剤噴射弁であって、コイルと、還元剤噴射時に前記コイルへの通電により吸引されるニードルと、前記ニードルを摺動可能に保持するチューブと、前記チューブ及び前記コイルの外周面を覆い、前記チューブ及び前記コイルとの間に環状空間を形成するカバーと、を備え、前記チューブ内の還元剤を前記環状空間へ排出するための第１の排出孔と、前記環状空間内の還元剤を外部へ排出するための第２の排出孔を備えた還元剤噴射弁。
前記第１の排出孔は、前記環状空間の先端部と前記チューブの内部を連通する、請求項１に記載の還元剤噴射弁。
前記第２の排出孔は、前記環状空間を形成する前記カバーの、前記コイルに対向する部分に形成される、請求項１または２に記載の還元剤噴射弁。
前記第１の排出孔と前記第２の排出孔が、前記還元剤噴射弁を軸方向から見て異なる位相となるように形成されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の還元剤噴射弁。