JP4662886B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。特に、排気管内に配設されたＮＯ_X触媒やパティキュレートフィルタ等の上流側で排気管内に燃料を噴射する燃料噴射装置を備えた内燃機関の排気浄化装置に関する。

従来、ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排出ガス中には、環境汚染を及ぼす可能性がある窒素酸化物（以下ＮＯ_Xと称する）や粒子状物質（以下ＰＭと称する）等が含まれている。
このうち、ＮＯ_Xを還元して排出ガスを浄化するために、ＮＯ_X吸蔵還元触媒やＮＯ_X選択還元触媒等のＮＯ_X触媒が用いられている。ＮＯ_X吸蔵還元触媒は、排気空燃比がリーンの時に排出ガス中のＮＯ_Xを一旦吸蔵し、排気空燃比がリッチの時に、排出ガス中の炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）等によってＮＯ_Xを分解放出して還元浄化する触媒である。また、ＮＯ_X選択還元触媒は、尿素やＨＣを還元剤として触媒上でＮＯ_Xを選択的に還元浄化する触媒である。これらのＮＯ_X触媒を用いてＮＯ_Xを還元浄化するにあたり、排気空燃比をリッチにしたり、排出ガス中にＨＣを混合したりするために、ＮＯ_X触媒の上流側で排気管内に燃料を噴射する方法がある。

また、排出ガス中のＰＭを除去するために、パティキュレートフィルタが用いられている。このパティキュレートフィルタは、例えば、ハニカム構造からなるフィルタであって、排出ガス中のＰＭを捕集するとともに、所定のタイミングで、堆積したＰＭを燃焼させることにより再生を繰り返しながら使用される。そして、パティキュレートフィルタを再生するにあたり、パティキュレートフィルタの上流側に酸化触媒を配設するとともに、さらに上流側において排気管内に燃料を噴射し、燃料成分であるＨＣ等が酸化触媒で酸化される際に発生する熱を利用して、パティキュレートフィルタに堆積したＰＭを燃焼させる方法がある。

ここで、内燃機関の運転中には、排出ガス温度が高温になるとともに、排気管の温度が高温になるために、排気管に取り付けられた燃料噴射弁が熱の影響を受け、構成部品の硬度の低下等の損傷を受けるおそれがある。
そのため、排気管の途中に装備したインジェクタを効率良く冷却して、インジェクタの焼損や添加燃料の流路内での焼付きを回避し得るようにした排気浄化装置が提案されている。より具体的には、図９に示すように、排気浄化用触媒を排気管４０９の途中に装備し、当該排気管４０９の排気浄化用触媒より上流に排出ガス４０８中に燃料を添加するインジェクタ４１１を配設するとともに、当該インジェクタ４１１の周囲に略同心円状に筒形のウォータージャケット４１４を形成し、当該ウォータージャケット４１４におけるインジェクタ４１１の先端側に接線方向から冷却水を導入する給水口４１５を設け、インジェクタ４１１の基端側から接線方向に冷却水を排出する給水口４１６を設けた排気浄化装置である（特許文献１参照）。

また、インジェクタの焼損を防ぐための別の排気浄化装置として、インジェクタのノズルの昇温を効果的に抑制することができる冷却構造を有した排気浄化装置が提案されている。より具体的には、図１０に示すように、インジェクタ４５２が、ノズルカバー４５８を介して、排気管４５４を貫通するように設置され、ノズルカバー４５８は、円筒部４６０と円盤部４６１とを備え、円筒部４６０はインジェクタ４５２のノズル４５６を覆っており、円盤部４６１の上面には、冷却水が循環する冷却パイプ４６２の循環部４６５の下面が接している排気浄化装置である（特許文献２参照）。かかる排気浄化装置によれば、冷却パイプ４６２に冷却水が流れることによって、円盤部４６１が冷却され、それにより円筒部４６０が冷却される。すると、円筒部４６０の内周面内の雰囲気温度が低下し、これによりノズル４５６の昇温が抑制される。
特開２００４−４４４８３号公報 （特許請求の範囲 図２） 特開２００５−２６４７５６号公報 （特許請求の範囲 図３）

しかしながら、特許文献１に開示された排気浄化装置は、インジェクタを排気管に直接取り付ける構成であるとともに、ウォータージャケットを排気管に一体的に形成してあるために、冷却水が排気熱によって昇温しやすく、冷却水による冷却効率が低いという問題がある。
また、特許文献２に開示された排気浄化装置は、冷却水を冷却パイプ及び循環部を通過させ、ノズルカバーの円盤部及び円筒部を介してインジェクタのノズルを冷却する構成であるため、やはり、冷却水による冷却効率が低いという問題がある。

さらに、これらの特許文献に開示された排気浄化装置では、一般的に、インジェクタの取付構造として、ボルト及びナットを用いた取付構造を採用している。特に、これらの特許文献に開示された排気浄化装置では、インジェクタから燃料を噴射する方向が規定されており、インジェクタを取り付ける際に、インジェクタの噴射孔の向きを定めにくい取付構造を採用することは困難である。そのため、インジェクタの取付構造を複雑化することが困難であり、特許文献１におけるインジェクタとボス部、あるいは特許文献２におけるインジェクタとノズルカバーとの接触面積を大きくすることに関しては、考慮されていないものである。

そこで、本発明の発明者らは鋭意努力し、排気管内に燃料を噴射する燃料噴射装置を備えた内燃機関の排気浄化装置において、排気管とは別部材からなり、冷却水を循環させて燃料噴射弁を冷却するための冷却部材を備えるとともに、冷却部材と燃料噴射弁とを面接触状態で固定することにより、このような問題を解決できることを見出し、本発明を完成させたものである。
すなわち、本発明の目的は、燃料噴射弁に及ぶ排出ガス温度の影響を小さくするとともに、燃料噴射弁の冷却効率の向上を図ることができる内燃機関の排気浄化装置を提供することである。

本発明によれば、内燃機関の排気管内に配置され、内燃機関から排出される排出ガスを浄化するための排気浄化部材と、排気浄化部材の上流側で排気管内に燃料を噴射するための燃料噴射装置と、を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、燃料噴射装置は、燃料を排気管内に噴射する燃料噴射弁と、排気管に固定され、燃料噴射弁が装着されるとともに当該燃料噴射弁を冷却するための冷却水の循環路が設けられた冷却部材と、を備え、冷却部材は、両端が開口した挿入孔と、当該挿入孔の外側に形成されたドーナツ状の空隙部と、当該空隙部に連通し、挿入孔に沿って形成され、冷却水の給水口と連なる冷却水通路と、空隙部に連通し、挿入孔に沿って形成され、冷却水の排水口と連なる冷却水通路と、を有しており、冷却部材の挿入孔に、燃料噴射弁を挿入し、固定することにより、燃料噴射弁の外周面と挿入孔の内周面とを面接触させてあり、かつ、燃料噴射弁の外周面及び挿入孔の内周面にネジ溝が形成され、燃料噴射弁と冷却部材とをネジ止めにより固定してあることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置が提供され、上述した問題を解決することができる。

また、本発明の内燃機関の排気浄化装置を構成するにあたり、冷却部材と排気管との間にカバー部材を備えるとともに、当該カバー部材と冷却部材との間に間隙を有することが好ましい。

また、本発明の内燃機関の排気浄化装置を構成するにあたり、冷却部材と排気管との間に低伝熱性のガスケットを介在させることが好ましい。
なお、本明細書において、「低伝熱性のガスケット」とは、少なくとも冷却部材の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有するガスケットを意味し、例えば、鉄からなる冷却部材に対して、セラミック材料やメタルビーズ等を用いて構成したガスケットが該当する。

また、本発明の内燃機関の排気浄化装置を構成するにあたり、燃料噴射弁の外周面の少なくとも一部と、冷却部材の挿入孔の内周面の少なくとも一部と、の接触部によってガスシール部を構成することが好ましい。

また、本発明の内燃機関の排気浄化装置を構成するにあたり、燃料噴射弁は外周面に段差部を有するとともに、冷却部材は挿入孔の内周面に、段差部と当接するシート部を有し、段差部及びシート部によってガスシール部を構成することが好ましい。

また、本発明の内燃機関の排気浄化装置を構成するにあたり、冷却装置において、循環路の給水口を、循環路の排水口よりも、燃料噴射弁の先端側に備えることが好ましい。

また、本発明の内燃機関の排気浄化装置を構成するにあたり、燃料噴射弁の先端位置を、排気管の内周面と実質的に一致させることが好ましい。

また、本発明の内燃機関の排気浄化装置を構成するにあたり、燃料噴射弁から噴射する燃料噴射量の調量部が、接続パイプを介して燃料噴射弁と接続されており、調量部を、排気管から離間して配置することが好ましい。

本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、所定の冷却部材を排気管とは別部材として構成することにより、排出ガス温度が直接冷却部材及び燃料噴射弁に及びにくくすることができる。また、冷却部材と排気管とが別部材であることから、冷却部材の不具合を生じた際に容易に交換することができるようになり、メンテナンス性を向上させることができる。
さらに、冷却部材と燃料噴射弁とを面接触状態で固定していることにより、冷却部材と燃料噴射弁との接触面積を大きくして、燃料噴射弁の冷却効率を向上させることができる。
その上、燃料噴射弁と冷却部材とをネジ止めにより固定することにより、接触面積をより大きく確保して、放熱効率をより高くすることができる。
したがって、排出ガス温度によって燃料噴射弁が焼損したり、燃料噴射弁内において燃料が焼き付いて、噴射特性が不安定になったりすることを防止して、排気浄化装置の信頼性を向上させることができる。

また、内燃機関の排気浄化装置において、所定のカバー部材を備え、カバー部材と冷却部材との間に間隙を有することにより、排気熱を冷却部材及び燃料噴射弁に伝わりにくくすることができ、燃料噴射弁の冷却効率をより高めることができる。

また、内燃機関の排気浄化装置において、所定の低伝熱性のガスケットを備えることにより、排気管の熱が冷却部材に直接的に伝わりにくくすることができ、燃料噴射弁の冷却効率をより高めることができる。

また、内燃機関の排気浄化装置において、所定のガスシール部を備えることにより、Ｏリング等の熱劣化しやすい部材を用いる必要がなくなり、排気熱の影響を受けにくくして排出ガスのシール性を向上させることができる。

また、内燃機関の排気浄化装置において、燃料噴射弁の段差部と、冷却部材の挿入孔のシート部とによってガスシール部を構成することにより、例えば、燃料噴射弁と冷却部材とをネジ止めする場合において、シール性を高めることができる。

また、内燃機関の排気浄化装置において、冷却部材における給水口を排水口よりも燃料噴射弁の先端側に備えることにより、冷却水の温度が上昇する前に、排気熱の影響を受けやすい燃料噴射弁先端を冷却することができ、冷却効率の向上を図ることができる。

また、内燃機関の排気浄化装置において、燃料噴射弁の先端位置を排気管の内周面と実質的に一致させることにより、燃料噴射弁の先端が排出ガスにさらされることを防ぐ一方、排出ガスが滞留することを防いで、燃料噴射弁の冷却効率の低下を防ぐことができる。

また、内燃機関の排気浄化装置において、燃料噴射量の調量部を噴射部に対して接続パイプを介して接続するとともに、調量部を排気管から離間させて配置することにより、比較的熱に弱い電磁制御部分が排気熱の影響を受けにくくすることができる。

以下、図面を参照して、本発明の内燃機関の排気浄化装置に関する実施形態について具体的に説明する。ただし、かかる実施形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の範囲内で任意に変更することが可能である。

本発明の実施の形態は、内燃機関の排気管内に配置され、内燃機関から排出される排出ガスを浄化するための排気浄化部材と、排気浄化部材の上流側で排気管内に燃料を噴射するための燃料噴射装置と、を備えた内燃機関の排気浄化装置（以下、単に排気浄化装置と称する場合がある。）である。
かかる排気浄化装置において、燃料噴射装置が、燃料を排気管内に噴射する燃料噴射弁と、排気管に固定され、燃料噴射弁が装着されるとともに当該燃料噴射弁を冷却するための冷却水の循環路が設けられた冷却部材と、を備え、冷却部材は、両端が開口した挿入孔と、当該挿入孔の外側に形成されたドーナツ状の空隙部と、当該空隙部に連通し、挿入孔に沿って形成され、冷却水の給水口と連なる冷却水通路と、空隙部に連通し、挿入孔に沿って形成され、冷却水の排水口と連なる冷却水通路と、を有しており、冷却部材の挿入孔に、燃料噴射弁を挿入し、固定することにより、燃料噴射弁の外周面と挿入孔の内周面とを面接触させてあり、かつ、燃料噴射弁の外周面及び挿入孔の内周面にネジ溝が形成され、燃料噴射弁と冷却部材とをネジ止めにより固定してあることを特徴とする。
以下、本実施形態にかかる排気浄化装置の構成について、図１〜図７に基づいて具体的に説明する。

１．内燃機関及び排気管
本実施形態にかかる排気浄化装置を図１に示す。この図１に示す排気浄化装置１において、排出ガスＧを排出する内燃機関５としては、ディーゼルエンジンやガソリンエンジンが典型的であるが、現状においてＮＯ_XやＰＭの浄化が課題とされているディーゼルエンジンを対象とすることがより適している。また、本実施形態の排気浄化装置１は、内燃機関５の回転数や、燃料噴射量、燃料噴射タイミング等を検出する内燃機関の運転状態検出手段７を備えており、検出結果を考慮して、ＮＯ_X濃度やＰＭ量を推定したり、排気管内への燃料噴射量を制御したりできるように構成されている。

また、排気管１１は、内燃機関５の排出ガスの排出口に接続されており、その途中に、排出ガスを浄化するための排気浄化部材１３が配設されている。かかる排気管１１の断面形状は、円形、楕円、あるいは角柱の排気管等、特に制限されるものではないが、その途中に屈曲部１４を有することが好ましい。かかる屈曲部１４を有することにより、後述する燃料噴射装置２０を屈曲部１４に取り付け、排出ガスの進行方向に対して燃料を噴射させることができる。したがって、噴射した燃料が排気管１１内に付着することを防ぐことができるとともに、排出ガス中に燃料を均一に分散させやすくすることができる。
ただし、燃料噴射装置２０の配置位置は当該屈曲部１４に制限されるものではない。

２．排気浄化部材
排気浄化部材１３は、ＮＯ_X触媒やパティキュレートフィルタが典型的である。
本発明の排気浄化装置に用いられるＮＯ_X触媒は、燃料噴射装置３０によって供給される燃料を還元剤として利用し、排出ガス中に含まれるＮＯ_Xを還元浄化するための触媒である。使用できるＮＯ_X触媒は特に制限されるものではなく、公知のもの、例えば、多孔質担体上に、活性成分としてのストロンチウム又はバリウム、及びマグネシウム等のアルカリ土類金属や、セリウムとランタン等の希土類金属、白金とロジウム等の貴金属等を含むものを用いることができる。

また、パティキュレートフィルタは、フィルタを通過する排出ガス中のＰＭを捕集し、排出ガスを浄化するためのフィルタ部材である。そして、排気浄化部材がパティキュレートフィルタである場合には、パティキュレートフィルタの上流側に、パティキュレートフィルタの再生に用いられる酸化触媒が配設される。このパティキュレートフィルタについても特に制限されるものではなく、公知のものを使用することができる。

３．燃料噴射装置
（１）全体構成
燃料噴射装置２０は、排気浄化部材１３の上流側で、排気管１１内に燃料を噴射するための装置である。
本実施形態の排気浄化装置１に備えられる燃料噴射装置２０の一例を図２に示す。この燃料噴射装置２０は、燃料供給部３０と、噴射燃料調量部４０と、燃料噴射部５０とから構成されている。
燃料供給部３０は、燃料タンク３１と、燃料タンク３１内の燃料を汲み上げて圧送するフィードポンプ３３と、圧送する燃料圧力を調整する調圧弁３５とを備えている。
また、噴射燃料調量部４０は、燃料供給部３０から圧送されてくる燃料を調量して燃料噴射部５０に移送する調量弁４１と、調量弁４１の上流側及び下流側に配置された圧力センサ４３、４５と、調量弁４１の上流側に配置された燃料遮断弁４７とを備えている。
さらに、燃料噴射部５０は、噴射燃料調量部４０から移送されてくる燃料を排気管内に噴射するための燃料噴射弁５１と、燃料噴射弁５１を排気熱から保護するための冷却部材５３としてのクーリングアダプタ５３Ａとを備えている。

また、これらの燃料供給部３０、噴射燃料調量部４０、燃料噴射部５０は、燃料流路としての接続パイプ（燃料パイプ）２１を介して接続されている。この接続パイプ２１は、ゴム製のホースや金属製のホースを用いることができる。ただし、金属製のホースを用いる場合には、噴射燃料調量部４０と燃料噴射部５０とを、エンジン側及び車体側に別々に分けて配置すると、振動時の位相や変位差が異なることによってホースが破損するおそれがあることから、噴射燃料調量部４０及び燃料噴射部５０を、それぞれエンジン側あるいは車体側のいずれか同一側に配置することが好ましい。

（２）燃料供給部
燃料供給部３０における燃料タンク３１は、排気管内に噴射するための燃料を貯蔵しておくための専用のタンクを用いることもできるが、部品点数を増やすことなく省スペース化を図れることから、内燃機関燃焼用の燃料タンクと兼用することが好ましい。
また、フィードポンプ３３は特に制限されるものではなく、機械式ポンプや電動ポンプを用いることができる。特に、電動ポンプを用いた場合には、燃料漏れ等の危険状態が生じた場合に一連の燃料流路の最上流で速やかに圧送を中止できるため、安全性が高められる一方、機械式ポンプを用いた場合には、運転時の消費エネルギーを小さくすることができる。
さらに、調圧弁３５は、例えば、逆止弁構造の弁を用いて構成することができる。このような調圧弁であれば、燃料流路内の圧力が所定値を超える場合に弁が開放され、一部の燃料が燃料タンク内に戻されるため、圧送する燃料圧力を所定値に維持することができる。

また、図示しないものの、排気管内に噴射する燃料を供給する燃料供給部として、内燃機関の気筒内に高圧燃料を供給するための高圧ポンプにおける低圧系から還流される、余剰の燃料を利用した構成とすることもできる。このように構成する場合には、燃料漏れ等の異常時に高圧ポンプからの燃料の供給が継続して行われることを防ぐために、後述する噴射燃料調量部の燃料遮断弁等の、燃焼供給遮断手段を備える必要がある。

（３）噴射燃料調量部
噴射燃料調量部４０における調量弁４１としては、例えば、電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁を用いることができる。この電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁によって、ＮＯ_X触媒において還元するＮＯ_X量や、パティキュレートフィルタに堆積したＰＭ量に応じて必要とされる燃料噴射量をもとに、弁を開閉する通電時間を制御（ＰＷＭ制御）して、燃料流量を制御することができる。
ただし、このような電磁ＯＮ／ＯＦＦ弁以外にも、燃料流量を調整できるものであれば、それ以外の弁や、さらに弁以外のものを用いることもできる。

また、圧力センサ４３、４５は、調量弁４１の上流側及び下流側での燃料圧力を検知するために配置されている。この圧力センサ４３、４５によって検知される圧力値をもとに、例えば、燃料漏れの有無を監視したり、あるいは、上述の調圧弁による圧力値を補正することにより噴射特性を改善したりすることができる。
また、燃料遮断弁４７は、例えば、圧力センサ４３、４５によって検知される圧力値が低下し燃料漏れのおそれが検知された場合に、燃料の供給を遮断して燃料の漏れ量を少なく抑えたり、引火を防いだりするために備えられる。ただし、上述したとおり、フィードポンプとして電動ポンプを用いる場合には、電源の供給をストップすることにより燃料の供給を遮断できることから、この燃料遮断弁を省略することができる。

（４）燃料噴射部
本実施形態の排気浄化装置における燃料噴射部を図３及び図４に示す。図３（ａ）は、燃料噴射部５０が排気管１１に取り付けられた状態を示しており、図３（ｂ）は、その断面図である。また、図４は、燃料噴射部５０をそれぞれの部材ごとに分けて示した図である。
この図３及び図４に示す燃料噴射部５０は、噴射燃料調量部から移送された燃料を排気管内に噴射するための燃料噴射弁５１が、冷却部材５３としてのクーリングアダプタ５３Ａに装着されるとともに、当該クーリングアダプタ５３Ａが排気管１１に取り付けられ固定されている。また、クーリングアダプタ５３Ａと排気管１１の間には、クーリングアダプタ５３Ａ及び燃料噴射弁５１に排気熱が及びにくくするための遮熱カバー（カバー部材）５５を備えている。さらに、遮熱カバー５５を両側から挟み込むように、クーリングアダプタ５３Ａに対して排気管１１の熱が直接的に伝達されないようにするための低伝熱性のガスケット５７Ａ、５７Ｂを備えている。特に、本実施形態の排気浄化装置は、燃料噴射部における、燃料噴射弁５１が冷却部材としてのクーリングアダプタ５３Ａの挿入孔５３ａに挿入され、面接触状態で固定されている。

ここで、本実施形態で用いられる燃料噴射装置は、燃料噴射量の調量弁を噴射燃料調量部に備えているために、燃料噴射弁５１は、電磁制御部を含まない機械式の弁構造を有している。具体的には、図５に示すように、燃料噴射弁５１は、一端側につば部７１ａを有するとともに他端側にスプリング受け部７１ｂを有する弁体７１と、当該弁体７１のつば部７１ａがシートされるシート面７３ａを燃料の噴射方向側に有するバルブシート部７３と、スプリング受け部７１ｂ及びバルブシート部７３に挟持され、弁体７１を閉弁方向に付勢するスプリング７５とを備えており、電磁制御部を有しない構成とされている。
なお、図５に示す燃料噴射弁５１では、弁体７１のスプリング受け部７１ｂとして、弁体７１にスプリングシート７７が固定されている。

このような機械式の弁構造であれば、構成部材を、耐熱性の高い材料を用いて形成することができ、排気熱に対する高耐久性を発揮させることができる。一方、比較的熱に弱い電磁制御部を排気管から離間して配置することができるため、電磁制御部の焼損を防ぐことができるとともに、熱変形による動作不良を防止することができる。
ただし、本発明において、冷却部材に挿入する弁は、機械式の燃料噴射弁に限定されるものではなく、エンジン燃焼用と同種の電磁制御部を備えたインジェクタを用いる場合においても、本発明を実施することにより、従来と比較して冷却効率を上昇させることができるという効果を得ることができる。

また、図６及び図７に例示するように、クーリングアダプタ５３Ａは、燃料噴射弁が装着される挿入孔５３ａと、当該挿入孔５３ａの外側に形成されたドーナツ状の空隙部５３ｂ（図６には図示せず）と、当該空隙部５３ｂに連通し、挿入孔５３ａに沿って形成され、冷却水の給水口５３ｃと連なる冷却水通路５３ｄと、空隙部５３ｂに連通し、挿入孔５３ａに沿って形成され、冷却水の排水口５３ｅと連なる冷却水通路５３ｆとを有するとともに、排気管に取り付けるためのボルトが挿入されるボルト穴５３ｇが設けられている。
なお、図６（ａ）は、クーリングアダプタ５３Ａを排気管に取り付けられる側から見た斜視図であり、図６（ｂ）は、クーリングアダプタ５３Ａを燃料噴射弁の挿入側から見た斜視図である。また、図７（ａ）は、クーリングアダプタ５３Ａを冷却水の給水口及び排出口が存在する側から見た側面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）のクーリングアダプタ５３Ａを燃料噴射弁の挿入孔の軸線に沿って切断した断面図であり、図７（ｃ）は、図７（ａ）中のＡＡ断面を矢印方向に見た断面図であり、図７（ｄ）は、図７（ａ）中のＢＢ断面を矢印方向に見た断面図である。

このクーリングアダプタ５３Ａにおいては、冷却水通路５３ｄ、５３ｆ、ドーナツ状の空隙５３ｂが冷却水の循環路を形成し、給水口５３ｃから導入された冷却水が、冷却水通路５３ｄを通過した後ドーナツ状の空隙部５３ｂに流れ込み、さらに冷却水通路５３ｆを通過して排水口５３ｅから排出される。このとき、それぞれの冷却水通路５３ｄ、５３ｆ及びドーナツ状の空隙部５３ｂが、燃料噴射弁が装着される挿入孔５３ａと近接しているため、冷却水が通過する際に、燃料噴射弁を効率的に冷却させることができる。
なお、クーリングアダプタ中を循環させる冷却水は、ラジエータ水を併用してもよく、あるいは、専用の冷却水を使用しても構わない。

このようなクーリングアダプタ５３Ａであれば、排気管とは別部材からなっているために排気熱の影響を受けにくくされており、排気管側に冷却水の通路を設けた場合と比較して、燃料噴射弁の冷却効率を著しく向上させることができる。また、排気管とは別部材からなることにより、クーリングアダプタ５３Ａが損傷を受ける等の不具合を生じた場合には、当該クーリングアダプタ５３Ａのみを交換することができるために、作業性や維持費の面において長期の使用に伴うメンテナンス性に優れている。

また、クーリングアダプタ５３Ａは、冷却効率を高めるために、鉄やクロム／モリブデン合金等の伝熱性の高い金属を用いて構成され、特に、燃料噴射弁が持つ熱を効率的に冷却水に放熱させることができる。燃料噴射弁とクーリングアダプタとの熱膨張による緩み防止のためには、線膨張係数を一致させるために、燃料噴射弁の構成材料と同等の金属を用いて構成することが好ましい。

また、図３及び図４に示す、クーリングアダプタ５３Ａと排気管１１との間に備えられた遮熱カバー５５は、燃料噴射弁５１の先端部の近傍において、クーリングアダプタ５３Ａと排気管１１との間に間隙Ｓを形成するために用いられる部材である。この間隙Ｓが形成されることによって、排気熱がクーリングアダプタ５３Ａあるいは燃料噴射弁５１に及びにくくなる。したがって、冷却水による冷却効率が低下することを防ぐことができる。
この遮熱カバー５５は、間隙を形成するための所定の深さを有する凹部５５ａを有しているとともに、燃料噴射弁５１の先端を排気管内に望ませる開口５５ｂと、排気管取り付け用のボルト６９が挿入されるボルト穴５５ｃが設けられている。
また、遮熱カバー５５の構成材料に関し、本実施形態のように、遮熱カバー５５と排気管１１との間、及び遮熱カバー５５とクーリングアダプタ５３Ａとの間に低伝熱性のガスケット５７Ａ、５７Ｂを備える場合には、遮熱カバー５５の構成材料は特に制限されるものではない。ただし、上記ガスケット５７Ａ、５７Ｂ等の遮熱対策を施さない場合には、セラミック等の低伝熱性の材料を用いて構成することが好ましい。

また、遮熱カバー５５とクーリングアダプタ５３Ａとの間、遮熱カバー５５と排気管１１との間にそれぞれ介在する低伝熱性のガスケット５７Ａ、５７Ｂは、排気管１１が持つ熱が、直接的にクーリングアダプタ５３Ａに伝達されることを防ぐための部材である。かかる低伝熱性のガスケットを介在させることにより、冷却水による冷却効率が低下することを防止することができる。
この低伝熱性のガスケットは、図４に示すように、遮熱カバー５５に設けられた凹部５５ａの外周とほぼ等しい大きさの開口５７Ａａ、５７Ｂａと、排気管取り付け用のボルト６９が挿入されるボルト穴５７Ａｂ、５７Ｂｂが設けられている。また、このガスケットは、ガスケットの伝熱性を低く抑えるべく、セラミック材料や、メタルビーズを用いて形成されている。
なお、「低伝熱性のガスケット」とは、少なくとも冷却部材の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有するガスケットを意味し、例えば、鉄からなる冷却部材に対して、セラミック材料やメタルビーズ等を用いて構成したガスケットが該当する。

また、本発明の排気浄化装置では、燃料噴射弁が冷却部材の挿入孔に挿入され、燃料噴射弁の外周面と挿入孔の内周面とが面接触状態で固定される。したがって、燃料噴射弁と冷却部材との接触面積が大きくなり、燃料噴射弁の熱を冷却部材を介して効率的に冷却水に放熱できるために、冷却効率が著しく高められている。
特に、本実施形態に用いられる燃料噴射部５０では、燃料噴射弁５１におけるクーリングアダプタ５３Ａに挿入される部分の外周面、及びクーリングアダプタ５３Ａにおける燃料噴射弁が挿入される挿入孔５３ａの内周面に、それぞれネジ溝６１、６３が形成されており、互いにネジ面５９で接触し固定されている。したがって、燃料噴射弁とクーリングアダプタとの接触面積がさらに大きくなって、冷却水による冷却効率がより向上させられている。

このようなネジ止めによる固定方法以外にも、図８に示すように、クーリングアダプタ５３Ａの挿入孔５３ａ内に燃料噴射弁５１を圧入し、燃料噴射弁５１の外周面とクーリングアダプタ５３の挿入孔５３ａの内周面とを確実に面接触させることによっても、互いの接触面積を比較的大きく確保することができる。かかる圧入による固定方法を採用した場合には、冷却部材と燃料噴射弁との隙間のシール性を得ることができることから、排気管内の排出ガスが、当該隙間から漏れ出すことを防ぐこともできる。

また、図３（ｂ）に示すように、クーリングアダプタ５３Ａにおける冷却水の給水口５３ｃを、排水口５３ｅよりも燃料噴射弁５１の先端側に形成することが好ましい。このように配置することにより、冷却水が温められる前に、まず排気熱の影響を受けやすい燃料噴射弁５１の先端部分を冷却することができる。すなわち、燃料噴射弁５１の先端部分には、上述の弁体やバルブシート部、スプリングが配設されており、硬度の低下や燃料の炭化を防ぐ必要があることから、この先端部分を重点的に冷却させることができる。したがって、燃料噴射弁５１の焼損を防ぐことができるとともに、噴射孔付近で燃料の焼付きが生じ、噴射特性が不安定になったりすることをより効果的に防止することができる。
なお、図３のクーリングアダプタでは、給水口及び排水口を同一の面側に配置しているが、このような構成に限られるものではなく、互いに反対の面側に配置してもよく、さらに、給水口又は排水口を任意の面に複数設けることもできる。

また、図３（ｂ）に示すように、クーリングアダプタ５３Ａは、排気管１１に嵌め合わせられる凸部５４を備え、燃料噴射弁５１の先端が当該凸部５４の先端近傍に位置し、燃料噴射部５０が排気管１１に取り付けられた状態で、燃料噴射弁５１の先端の位置を排気管１１の内周面と実質的に一致させることが好ましい。すなわち、図３（ｂ）では、クーリングアダプタ５３Ａの凸部５４の高さ、さらに、当該凸部５４を被覆する遮熱カバ５５ーの凹部５５ａの深さは、排気管１１の壁面の厚さと実質的に一致しており、燃料噴射弁５１の先端位置が排気管１１の内周面と一致するように取り付けられている。
したがって、燃料噴射弁の先端が排出ガスに晒されることがない一方で、排出ガスが燃料噴射弁先端付近に滞留することがなく、燃料噴射弁の先端に排気熱の影響を及びにくくすることができる。

さらに、図３（ｂ）及び図４に示す燃料噴射部５０では、燃料噴射弁５１が、クーリングアダプタ５３Ａの挿入孔に挿入される部分において大径部５２ａと小径部５２ｂとを有することにより、外周面に段差６５が設けられるとともに、クーリングアダプタ５３Ａが、燃料噴射弁５１の段差６５と当接するシート部６７を有している。この段差６５とシート部６７とがシートされることによってガスシール部が構成され、排出ガスが燃料噴射弁とクーリングアダプタとの隙間から漏れ出すことを防止することができる。このようなガスシール部であれば、Ｏリング等の比較的熱に弱いシール部材を用いることなく排出ガスのシール部を構成できるために、クーリングアダプタ５３Ａ及び燃料噴射弁５１が高温に晒された場合であっても、排出ガスが漏れ出すことを防止することができる。

以上説明したように、本発明の内燃機関の排気浄化装置であれば、燃料噴射弁の冷却部材を排気管とは別部材として設け、燃料噴射弁と冷却部材とを面接触させて固定することにより、排気熱の影響を小さくできるとともに、燃料噴射弁からの放熱効率を高めることができる。さらに、燃料噴射弁と冷却部材とをネジ止めにより固定することにより、接触面積をより大きく確保して、放熱効率をより高くすることができる。したがって、燃料噴射弁の冷却効率を著しく向上させることができるようになる。
また、排気管とは別部材の冷却部材を採用することにより、交換作業を容易にできるとともに、メンテナンス費も低く抑えることができ、長期の使用に対するメンテナンス性の向上を図ることができるようになる。

本発明の実施の形態にかかる内燃機関の排気浄化装置の全体構成を説明するために供する図である。 本発明の実施の形態に用いられる燃料噴射装置の構成例を示す図である。 燃料噴射装置の燃料噴射部の構成例を説明するために供する図である。 燃料噴射部の構成部品を説明するために供する図である。 機械式の燃料噴射弁の構成例を示す図である。 冷却部材としてのクーリングアダプタの構成例を説明するために供する斜視図である。 冷却部材としてのクーリングアダプタの構成例を説明するために供する側面図及び断面図である。 燃料噴射弁をクーリングアダプタに圧入した状態を示す図である。 従来の排気浄化装置の構成について説明するために供する図である。 従来の別の排気浄化装置の構成について説明するために供する図である。

符号の説明

１：排気浄化装置、５：内燃機関、７：運転状態検出手段、１１：排気管、１３：排気浄化部材、２０：燃料噴射装置、２１：接続パイプ、３０：燃料供給部、３１：燃料タンク、３３：フィードポンプ、３５：調圧弁、４０：噴射燃料調量部、４１：調量弁、４３・４５：圧力センサ、４７：燃料遮断弁、５０：燃料噴射部、５１：燃料噴射弁、５２ａ：大径部、５２ｂ：小径部、５３：冷却部材、５３Ａ：クーリングアダプタ、５４：凸部、５５：遮熱カバー（カバー部材）、５５ａ：凹部、５５ｂ：開口部、５５ｃ：ボルト穴、５７Ａ・５７Ｂ：低伝熱性ガスケット、５７Ａａ・５７Ｂａ：開口部、５７Ａｂ・５７Ｂｂ：ボルト穴、５９：ネジ面、６１・６３：ネジ溝、６５：段差、６７：シート部、６９：ボルト、７１：弁体、７１ａ：つば部、７１ｂ：スプリング受け部、７３：バルブシート部、７３ａ：シート面、７５：スプリング

Claims (8)

1. 内燃機関の排気管内に配置され、前記内燃機関から排出される排出ガスを浄化するための排気浄化部材と、前記排気浄化部材の上流側で前記排気管内に燃料を噴射するための燃料噴射装置と、を備えた内燃機関の排気浄化装置において、
   前記燃料噴射装置は、前記燃料を前記排気管内に噴射する燃料噴射弁と、前記排気管に固定され、前記燃料噴射弁が装着されるとともに当該燃料噴射弁を冷却するための冷却水の循環路が設けられた冷却部材と、を備え、
   前記冷却部材は、両端が開口した挿入孔と、当該挿入孔の外側に形成されたドーナツ状の空隙部と、当該空隙部に連通し、前記挿入孔に沿って形成され、冷却水の給水口と連なる冷却水通路と、前記空隙部に連通し、前記挿入孔に沿って形成され、冷却水の排水口と連なる冷却水通路と、を有しており、
   前記冷却部材の挿入孔に、前記燃料噴射弁を挿入し、固定することにより、前記燃料噴射弁の外周面と前記挿入孔の内周面とを面接触させてあり、
   かつ、
   前記燃料噴射弁の外周面及び前記挿入孔の内周面にネジ溝が形成され、前記燃料噴射弁と前記冷却部材とをネジ止めにより固定してあること
   を特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記冷却部材と前記排気管との間にカバー部材を備えるとともに、当該カバー部材と前記冷却部材との間に間隙を有することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記冷却部材と前記排気管との間に、低伝熱性を有するガスケットを介在させることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記燃料噴射弁の外周面の少なくとも一部と、前記冷却部材の前記挿入孔の内周面の少なくとも一部と、の接触部によってガスシール部を構成す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内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記燃料噴射弁は外周面に段差部を有するとともに、前記冷却部材は前記挿入孔の内周面に、前記段差部と当接するシート部を有し、前記段差部及び前記シート部によってガスシール部を構成することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記冷却装置において、前記循環路の給水口を、前記循環路の排水口よりも、前記燃料噴射弁の先端側に備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 前記燃料噴射弁の先端位置を、前記排気管の内周面と実質的に一致させることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
8. 前記燃料噴射弁から噴射する燃料噴射量の調量部が、接続パイプを介して前記燃料噴射弁と接続されており、前記調量部を、前記排気管から離間して配置したことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。

Images