JP5145355B2 - Ｓｃｒ噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の形式のＳＣＲ噴射装置に関する。

例えば、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０３２４４８２号明細書により、内燃機関の排ガス中の窒素酸化物含有量を選択触媒還元（ＳＣＲ）により減じることができることが公知である。このために排ガスに、アンモニアのような直接的に還元作用のある物質、又は、排ガス中で初めて還元物質を放出する前駆体が供給される。前駆体としては例えば、尿素水溶液を使用することができる。アンモニアは、一酸化窒素及び二酸化窒素との選択触媒還元において分子状の窒素と水に変換される。選択触媒還元反応はＳＣＲ触媒において行われる。

排ガス中への、例えば尿素水溶液の導入は、ＳＣＲ噴射装置を介して行われる。ＳＣＲ噴射装置は、インジェクタと固定装置を有しており、固定装置によってインジェクタは、排ガス管のフランジに固定されている。インジェクタは、尿素水溶液をこのようにして直接に排ガス管に、ＳＣＲ触媒の上流側で噴射する。

発明の開示
還元剤を良好に排ガス中に導入することができるように、インジェクタは熱い排ガス管のできるだけ近傍に配置されていなければならない。しかしながら、構成部分強度や還元剤の劣化、これに関連する腐食傾向の理由から、インジェクタの温度は運転中、所定のレベルを超えてはならない。本発明の課題は、運転中にインジェクタが低い温度を有していて、同時に簡単かつ安価に製造でき堅牢に構成することができるようなＳＣＲ噴射装置を提供することである。

この課題は、請求項１の特徴を有するＳＣＲ噴射装置により解決される。本発明の有利な別の構成は従属請求項に記載されている。本発明にとって重要な特徴は、さらに、以下の詳細な説明に記載されており、添付の図面が参照される。この場合、これらの特徴は、種々様々に組み合わせた形でも本発明にとって重要である場合があり、このような組み合わせについてはその都度詳しい説明はしない。

本発明によれば、インジェクタは運転中、その先端と高温の排ガスの直接的な接触によってのみ加熱されるのではなく、排ガス管に固定された保持構造体を介した熱伝導によっても加熱されることがわかっている。これに対して本発明によるＳＣＲ噴射装置は、排ガス管からインジェクタへの熱伝導を明らかに減じる、または完全に遮断することで対処している。このために２つの措置がとられている。１つは、熱伝導をスリーブエレメントを介して減じており、この場合、スリーブエレメントは縦長で肉薄な結合区分を有しており、この結合区分が一種の「熱流絞り」を形成していて、この絞りを通って熱は流れなければならないようになっている。第２の措置としては、インジェクタのための保持構造体は、スリーブエレメントの、排ガス管とは反対側の軸方向端部にのみ摩擦接続的に結合されている。これにより、スリーブエレメントを通って至る熱流は、インジェクタのための保持構造体から離されるように維持される。

これは結果として、インジェクタ内の還元剤の劣化が少なくなり、インジェクタは温度負荷に対してより高い堅牢性を有していることを意味する。インジェクタ内の還元剤は、システム圧に応じて、１４０〜１６０℃よりも高い温度で蒸気相に移行するので、改善された熱導出により、インジェクタ内の沸騰およびそれに伴う誤調量は回避される。これら全ては、簡単な構造的な措置により得られ、これにより製造の手間は減じられる。

これは特に、スリーブエレメントが金属から、特に変形加工部分として製造されていると得られる効果である。さらに、このようなスリーブエレメントでは、金属部分はセラミック部分よりも裂断傾向が僅かであるので、耐用期間が改善される。

冷却体と結合区分との間に、熱的な絶縁体が配置されているならば、スリーブエレメントを介した冷却体への熱流はさらに減じられる。

結合区分の長さ・厚さ比が、有利には３よりも大きい。何故ならばこれにより既に良好な「熱絞り」が形成されるからである。比が１０よりも大きい場合はさらに絞り効果が改善され、比が２０よりも大きい場合には、「熱流バリヤ」と言っても良い。

スリーブエレメントを介して行われる熱流の絞りに基づき、冷却体は受動的な冷却体であって良い。冷却流体、例えば水性の尿素溶液の使用や、これに伴う保持構造体への冷却媒体通路の形成は必須ではない。

ＳＣＲ噴射装置の有利な構造的な構成では、スリーブエレメントが、排ガス管のフランジに面した領域に、半径方向内側にインジェクタの先端に向かって延びるシールド区分を有していて、該区分の自由縁部とインジェクタとの間に僅かなギャップが存在している。このようにして、スリーブエレメントは二重機能を果たしている。即ちスリーブエレメントは一方では、インジェクタを保持するために働き、他方では、排ガス管を流れる排ガスとの集中的な熱的な接触からインジェクタを保護するために働き、ひいては、インジェクタの不都合な加熱から保護するために働く。インジェクタからシールド区分への、ひいてはスリーブエレメントへの熱伝導はギャップにより回避される。

シールド区分に、軸方向に延びるカラーが一体成形されていて、該カラーが、排ガス管のフランジに対する対向フランジへと開口している。このようにして管状の脚部が形成され、この脚部を介してスリーブエレメントは簡単かつ確実な形式で排ガス管のフランジに固定することができる。

結合区分がカラーの領域でシールド区分に一体成形されている。このような部分は簡単に製造可能である。さらには、カラーが既に熱絞りとして機能し、これにより既に減じられた熱エネルギが結合区分に導入される。

スリーブエレメントの具体的な構造的な構成は、スリーブエレメントが、シールド区分から半径方向外側に向かって延びる第１の領域と、該第１の領域に続いていて排ガス管から離れる方向に延びている第２の領域と、該第２の領域に続いていて半径方向に延びている第３の領域とを有している。このようにしてスリーブエレメントは、Ｃ字形、又は選択的にＺ字形の横断面を有していて、このような横断面は一方では良好な強度を有していて、他方では熱絞りの構成のために必要な結合区分の長さを提供することができ、この場合スリーブエレメントは特に大きな寸法を有していることはない。

上記のカラーの代わりに、第１の領域が少なくとも所定の区分で、排ガス管のフランジに対する対向フランジとして形成されている。スリーブエレメントはこれによりさらに簡単かつ安価に製造可能である。

特に良好な熱的な接続は、冷却体が、スリーブエレメントに、特にスリーブエレメントの第３の領域に一体成形されていると得られる。

冷却体とインジェクタとの間に、特にインジェクタの先端の領域に、熱導体がプレス嵌めにより保持されていることが提案される。このような熱導体は例えば黒鉛部材を有しており、ホルダによってプレス嵌めされていて、一方では良好な熱コンタクトが、ひいてはインジェクタから冷却体への良好な熱導出が得られ、他方では、インジェクタがこのようにして極めて簡単に保持される。熱導体は即ち、インジェクタのための保持構造体の部分である。

インジェクタのための保持構造体が、結合区分に対して所定の領域でほぼ平行かつ間隔をおいて延びる、結合区分の半径方向内側に位置する壁区分を有していて、該壁区分は、スリーブエレメントの、排ガス管のフランジとは反対側の軸方向端部に、少なくとも間接的に、摩擦接続的に結合されている。このようにしてスリーブエレメントからの保持構造体の良好な熱的な分離が形成され、ひいてはスリーブエレメントからインジェクタへの熱の進入が減じられるか、または完全に回避される。これは、結合区分と保持構造体との間の摩擦接続的な結合部が熱的な絶縁体を有しているである場合もまさに該当することである。

インジェクタを保持構造体に簡単に固定するために、保持構造体とインジェクタとの間に熱導体がプレス嵌めにより保持されている。熱導体はさらに、冷却体に熱的に直接的に結合することができ、これにより熱を、インジェクタの先端からできるだけ効果的に導出することができる。同じことが保持構造体についても言える。

スリーブエレメントが、排ガス管のフランジに隣接する領域で、全体として半径方向外側に突出する環状のつばを有しており、該つばには組み込み位置で、少なくとも１つのＶ字形クランプが、スリーブエレメントを排ガス管のフランジに固定するために係合しているならば、排ガス管へのＳＣＲ噴射装置の簡単な組み付けに寄与している。

排ガス管のフランジからスリーブエレメントへの熱の進入を減じることには、両者の間に配置された熱的な絶縁エレメントが貢献している。

結合区分の少なくとも１つの領域が、周辺空気との熱交換装置を形成しているならば特に有利である。これにより、スリーブエレメントを介してインジェクタに至る熱流がさらに減じられる。

ＳＣＲ噴射装置を備えた内燃機関を概略的に示した図である。 図１のＳＣＲ噴射装置の一領域の第１の構成を部分的に示した断面図である。 図２と同様の第２の構成を示した図である。

発明の実施の形態
内燃機関が図1にシンボル的に表されており、符号１０で示されている。高温の排ガスは、排ガス管１２を通ってＳＣＲ触媒１４へと供給される。ＳＣＲ触媒１４の上流側では、排ガス管１２にフランジ１６が一体成形されており、このフランジ１６に、スリーブエレメント２０を有したＳＣＲ噴射装置１８が固定されている。ポンプ２２と弁装置２４とを介して、タンク２８内に貯蔵されている尿素水溶液２６がＳＣＲ噴射装置１８へと供給される。

内燃機関１０の運転時に、尿素水溶液２６がＳＣＲ噴射装置１８によって、排ガス管１２内を流れる排ガス中に微細な噴霧として噴射されると、尿素と水の反応により、アンモニアが生じ、このアンモニアは続いてＳＣＲ触媒１４において、一酸化窒素と二酸化窒素との選択触媒還元により分子状の窒素と水に変換される。

ＳＣＲ噴射装置１８の第１の構成は図２につき詳しく説明される。ＳＣＲ噴射装置１８にはまずインジェクタ３０が設けられており、インジェクタ３０の先端３１はノズル（図示せず）を有していて、このノズルにより尿素水溶液２６は微細な噴霧となるように霧化される。インジェクタ３０は上述したように、排ガス管１２のフランジ１６にスリーブエレメント２０を介して固定される。スリーブエレメント２０は肉薄の結合区分３４を有していて、この結合区分３４は一方の軸方向端部で間接的に排ガス管１２のフランジ１６に、他方の端部で間接的にインジェクタ３０のための保持構造体３６に摩擦接続的に結合されている。摩擦接続的な結合の形式は図２には詳しく示されていないが、プレス嵌め、クランプ結合、縁曲げ等が考えられる。

排ガス管１２のフランジ１６に面した領域に、スリーブエレメント２０は、インジェクタ３０の先端３１に向かって半径方向内側に延びるシールド区分３８を有している。このシールド区分３８は、運転中、「熱的な保護シールド」として働き、これにより、例えばインジェクタ３０の上方部分や、保持構造体３６、さらに記載すべき別の構成部分が熱い排ガスに接触するのが防止される。シールド区分３８の突出した自由縁部（符号なし）と、インジェクタ３０の先端３１との間に、狭いギャップ４０が存在しており、このギャップ４０により、シールド区分３８とインジェクタ３０との間の直接的な熱接触及び接触個所における振動に起因する摩耗が防止される。

結合区分３４は、シールド区分３８から半径方向外側に延びる第１の領域４２と、この領域に続いていて、全体として軸方向で排ガス管１２から離れる方向に延びている第２の領域４４と、この領域に続いていて、半径方向外側に延びる第３の領域４６とを有している。スリーブエレメント２０の壁は、即ち、図２に示されている構成では、全体としてほぼＺ状の横断面ジオメトリを有している。スリーブエレメント２０の実際の結合区分３４は図２に示したように第２の領域４４から形成されている。結合区分３４の長さＬと厚さＤの比は約２０である。

スリーブエレメント２０の、シールド区分３８と結合区分３４との間に配置された第１の領域４２は、排ガス管１２のフランジ１６に対する対向フランジとして形成されている。第１の領域４２とフランジ１６との間には、熱的な絶縁エレメント４８が配置されている。この絶縁エレメント４８はつば５０とシールド区分３８との間に保持されている。つば５０はスリーブエレメント２０の結合区分３４から半径方向外側に向かって、かつ、排ガス管１２のフランジ１６へと延びており、図２においてほぼ水平に延びる第１の区分５０ａと、この第１の区分５０ａに続いていて、約４５°の角度をなして斜め下方に延びる第２の区分５０ｂと、図２において排ガス管１２のフランジ１６に対してほぼ垂直に延びる第３の区分５０ｃとを有している。つば５０には、図２に示した組み付け位置で、Ｖ字形クランプ５２が係合しており、このＶ字形クランプ５２はこのようにして、スリーブエレメント２０を排ガス管１２のフランジ１６に固定している。熱的な絶縁エレメント４８により、フランジ１６からスリーブエレメント２０への熱の流れは、実質的にＶ字形クランプ５２とつば５０を介してのみ可能である。これらは僅かな横断面しか有していないので、熱の流れは相応に僅かである。

インジェクタ３０のための保持構造体３６は同様にスリーブ状に形成されていて、スリーブエレメント２０の場合と同様に、全体としてＺ形の横断面ジオメトリを有するスリーブ壁を有している。このスリーブ壁は、結合区分３４若しくはスリーブエレメント２０の第１の領域４２に対して間隔をおいて延び、これらにほぼ平行な２つの壁区分５４若しくは５６を有している。両壁区分５４，５６はさらに、結合区分３４の半径方向内側に延びている。壁区分５４は、スリーブエレメント２０の第３の領域４６に対して平行に延びる壁区分５８を介して既に上述したように、スリーブエレメント２０の第３の領域４６に摩擦接続的に結合されている。しかしながら熱的には保持構造体３６はスリーブエレメント２０から熱的な絶縁エレメント６０によって分離されている。

軸方向に延びる保持構造体３６の壁区分５４とインジェクタ３０との間に、リング状の熱導体６２がプレス嵌めにより保持されている。このようにして、インジェクタ３０も少なくとも間接的に保持構造体３６に保持されている。ＳＣＲ噴射装置１８はさらに、受動的な冷却体６４を有しており、この冷却体６４は同様に、全体としてリング状の形状を有していて、半径方向外側に冷却リブ６６が設けられている。冷却体６４は、保持構造体３６の軸方向壁区分５４よりも幾分大きな直径を有している。従って、冷却体６４の、保持構造体３６に面した端面には、より小さな直径を有した延長部６８が設けられていて、この延長部６８は保持構造体３６内に係合しており、ここで直接的にかつ面的に、熱導体６２の、図２で見て上方の端面に当接している。このようにして、熱導体６２と冷却体６４とは熱的に直接的に互いに結合されている。延長部６８の直径と軸方向の長さとは、冷却体６４が保持構造体３６とも、ここでは特に、軸方向壁区分５４の上方の端部領域と、壁区分５８の半径方向内側の領域とに直接的に熱的に結合されるように寸法設定されている。

図２により、熱導体６２がインジェクタ３０の先端３１の極めて近傍に配置されていることがわかる。このようにして熱導体６２は、インジェクタ３０から、先端３１に進入する熱流を取り除き、この熱流を冷却体６４へと導出する。相応の熱流が図２において矢印７０で示されている。さらに図２により、保持構造体３６とスリーブエレメント２０との間の広い領域において、熱的に絶縁する空隙７２が存在していることがわかる。この空隙は、保持構造体３６とスリーブエレメント２０との間の熱交換を減じる、又は完全に遮断する。スリーブエレメント２０を介して行われる伝熱はさらに最小にされる。即ちこれは、一方では、熱的な絶縁エレメント４８による熱的な絶縁によるものであり、他方では、周囲の空気との熱交換機を成している縦長で肉薄な部分としての、「熱的な絞り」として作用する、結合区分３４の構造によるものである。スリーブエレメント２０と冷却体６４若しくは保持構造体３６との間の熱交換はさらに、熱的な絶縁体６０によって遮断される。このような全ての手段により、図２に矢印７４で示された、フランジ１６からスリーブエレメント２０を介して保持構造体３６と冷却体６４とへと流れる熱流は僅かであると考えられる。

以下に、図３につきＳＣＲ噴射装置１８の選択的な構成を記載さする。この場合、既に説明した部材及び範囲と同様の機能を有する部材及び範囲には同じ符号をつけ、再度説明はしない。

第１の相違点は、スリーブエレメント２０と排ガス管１２のフランジ１６との結合に関する。即ち、図２に示した構成とは異なり、図３に示したＳＣＲ噴射装置１８は、シールド区分３８に、軸方向でフランジ１６に向かって延びるカラー７６が一体成形されており、このカラー７６は、半径方向外側に向かって延びる対向フランジ５０で、排ガス管１２のフランジ１６に向かって開口している。対向フランジはつば５０を形成しており、このつば５０にはＶ字形クランプ５２が係合しており、これによりスリーブエレメント２０を、排ガス管１２のフランジ１６に堅固に結合することができる。

スリーブエレメント２０の横断面ジオメトリは、図３に示した構成では、第３の領域４６が半径方向内側に向かって延びているので、Ｚ形ではなくＣ形である。さらに保持構造体３６と冷却体６４とはそれぞれ別個の部分として形成されておらず、スリーブエレメント２０に一体的に結合されている。保持構造体３６は冷却体６４によって形成されている。即ち冷却体６４は単に、スリーブエレメント２０の第３の領域４６から軸方向で図３で見て上方に延びるリング５８を有していて、このリング５８に半径方向外側に延びる冷却リブ６６が一体成形されている。冷却体６４若しくは保持構造体３６のリング５８とインジェクタ３０との間には熱導体６２がプレス嵌めにより保持されている。

結合区分３４は図３に示した構成では、３つ全ての領域４２，４４，４６によって形成されている。第２の領域４４はごく僅かな長さしか有していないので、スリーブエレメント２０は軸方向で極めて短く、これにより、熱導体６２を、インジェクタ３０の先端３１の極めて近傍に配置することができる。

Claims (25)

1. ＳＣＲ噴射装置（１８）であって、インジェクタ（３０）と、該インジェクタ（３０）を排ガス管（１２）のフランジ（１６）に固定するためのスリーブエレメント（２０）と、冷却体（６４）とを有している形式のものにおいて、
   スリーブエレメント（２０）が、結合区分（３４）を有しており、該結合区分（３４）の長さ・厚さ比が３よりも大きくなっており、該結合区分（３４）が一方の軸方向端部で排ガス管（１２）のフランジ（１６）に、他方の軸方向端部でインジェクタ（３０）のための保持構造体（３６）に少なくとも間接的に、摩擦接続的に結合されており、スリーブエレメント（２０）が、半径方向内側にインジェクタ（３０）の先端（３１）に向かって延びるシールド区分（３８）を有していて、該シールド区分の自由縁部とインジェクタ（３０）との間に僅かなギャップ（４０）が存在していることを特徴とする、ＳＣＲ噴射装置。
2. スリーブエレメント（２０）が金属から変形加工により製造されている、請求項１記載のＳＣＲ噴射装置。
3. 冷却体（６４）が受動的な冷却体である、請求項１または２記載のＳＣＲ噴射装置。
4. スリーブエレメント（２０）が、シールド区分（３８）から半径方向外側に向かって延びる第１の領域（４２）と、該第１の領域に続いていて排ガス管（１２）から離れる方向に延びている第２の領域（４４）と、該第２の領域に続いていて半径方向に延びている第３の領域（４６）とを有している、請求項１記載のＳＣＲ噴射装置。
5. インジェクタの先端（３１）の領域に、熱導体（６２）がプレス嵌めにより保持されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のＳＣＲ噴射装置。
6. 保持構造体（３６）とインジェクタ（３０）との間に熱導体（６２）がプレス嵌めにより保持されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のＳＣＲ噴射装置。
7. 熱導体（６２）が冷却体（６４）に熱的に直接的に結合されている、請求項６記載のＳＣＲ噴射装置。
8. 保持構造体（３６）が冷却体（６４）に直接、熱的に結合されている、請求項１から７までのいずれか１項記載のＳＣＲ噴射装置。
9. スリーブエレメント（２０）が、全体として半径方向外側に突出する環状の対向フランジ（５０）を有しており、スリーブエレメント（２０）の、排ガス管（１２）のフランジ（１６）に面した領域に、対向フランジ（５０）が形成されている、請求項１から８までのいずれか１項記載のＳＣＲ噴射装置。
10. 対向フランジ（５０）には組み込み位置で、少なくとも１つのＶ字形クランプ（５２）が、スリーブエレメント（２０）を排ガス管（１２）のフランジ（１６）に固定するために係合している、請求項９記載のＳＣＲ噴射装置。
11. スリーブエレメント（２０）と排ガス管（１２）のフランジ（１６）との間に熱的な絶縁エレメント（４８）が配置されている、請求項１から１０までのいずれか１項記載のＳＣＲ噴射装置。
12. 結合区分（３４）の少なくとも１つの領域が、周辺空気との熱交換装置を形成している、請求項１から１１までのいずれか１項記載のＳＣＲ噴射装置。
13. 冷却体（６４）と結合区分（３４）との間に、熱的な絶縁体（６０）が配置されている、請求項１から１２までのいずれか１項記載のＳＣＲ噴射装置。
14. 第１の領域（４２）が少なくとも所定の区分で、排ガス管（１２）のフランジ（１６）に対する対向フランジとして形成されている、請求項４記載のＳＣＲ噴射装置。
15. 保持構造体（３６）が、所定の領域でインジェクタ（３０）に対してほぼ平行に延びる壁区分（５４）を有している、請求項１から１４までのいずれか１項記載のＳＣＲ噴射装置。
16. 保持構造体（３６）が、個別の構成部材として形成されており、該構成部材は、所定の領域でインジェクタ（３０）に対してほぼ平行に延びる壁区分（５４）で、結合区分（３４）に対して間隔をおいてかつ結合区分（３４）の半径方向内側に配置されており、保持構造体（３６）は、スリーブエレメント（２０）の、排ガス管（１２）のフランジ（１６）とは反対側の軸方向端部に、少なくとも間接的に、摩擦接続的に結合されている、請求項１５記載のＳＣＲ噴射装置。
17. 結合区分（３４）と保持構造体（３６）との間の摩擦接続的な結合部が熱的な絶縁体（６０）を有している、請求項１から１６までのいずれか１項記載のＳＣＲ噴射装置。
18. 絶縁エレメント（４８）が、一方では対向エレメント（５０）又はＶ字形クランプ（５２）と、他方ではシールド区分（３８）との間に保持されている、請求項９を引用する請求項１０記載のＳＣＲ噴射装置。
19. シールド区分（３８）と対向フランジ（５０）との間に、軸方向に延びるカラー（７６）が一体成形されている、請求項９記載のＳＣＲ噴射装置。
20. 結合区分（３４）がカラー（７６）の領域でシールド区分（３８）に一体成形されている、請求項１９記載のＳＣＲ噴射装置。
21. 冷却体（６４）が、スリーブエレメント（２０）に一体成形されている、請求項１から１２までのいずれか１項または請求項１９または２０記載のＳＣＲ噴射装置。
22. 冷却体（６４）が、スリーブエレメント（２０）の第３の領域（４６）に一体成形されている、請求項４記載のＳＣＲ噴射装置。
23. 冷却体（６４）とインジェクタ（３０）との間に熱導体（６２）がプレス嵌めにより保持されている、請求項１から１２または請求項１９から２２までのいずれか１項記載のＳＣＲ噴射装置。
24. 保持構造体（３６）が、冷却体（６４）に組み込まれている、請求項１から１２または請求項１９から２３までのいずれか１項記載のＳＣＲ噴射装置。
25. 冷却体（６４）が、スリーブエレメント（２０）に一体的に結合されている、請求項１から１２または請求項１９から２４までのいずれか１項記載のＳＣＲ噴射装置。

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