JP5546205B2 - 還元剤噴射ノズル - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの排気浄化装置に使用される還元剤噴射ノズルに関する。

トラックやバス等の車両のディーゼルエンジンから排出される排気を浄化するために、排気浄化装置が使用されている。例えば下記特許文献１あるいは特許文献２に記載されているように、排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するために、還元剤として尿素水を用いるＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction：選択的触媒還元）を備えた車両が公知である。またディーゼル・パティキュレート・フィルタ（ＤＰＦ）を備えた車両も知られている。

前記排気浄化装置は、排気通路内に前記還元剤を供給するための還元剤噴射ノズルを備えている。この還元剤噴射ノズルは、排気通路の周壁をなすケーシングに形成された開口部を塞ぐようにして設けられたフランジ部と、該フランジ部に固定されて前記排気通路内に突出するパイプ部とを有し、該パイプ部の先端部に還元剤噴出孔が形成されている。

前記ケーシングには台座部が設けられており、この台座部に前記フランジ部をボルトによって固定することにより、前記還元剤噴射ノズルがケーシングに取付けられている。この還元剤噴射ノズルのパイプ部の基部はケーシングの外側に位置し、この基部に設けられた還元剤導入口に還元剤供給管が接続されている。この還元剤供給管はドージングユニットに接続され、ドージングユニットから供給される還元剤（例えば尿素水）を前記還元剤噴射ノズルから排気通路内に噴射するように構成されている。従来の還元剤噴射ノズルの前記パイプ部は、その全長にわたって外径が一定の金属製のパイプ材によって構成されていた。

特開２００５−１０５９６９号公報 特開２００９−２４６２９号公報

前記従来の還元剤噴射ノズルは、前記パイプ部の排気通路内への突出長さが大きい場合に、パイプ部が排気の流れの影響を受けたり、エンジンの振動や車両が走行する際の振動を受けたりすることにより、前記フランジ部付近において前記パイプ部の根元付近に曲げ応力等が繰返し作用し、それが原因となって前記パイプ部に亀裂が生じるなど、疲労破壊が発生することが懸念された。特に排気通路が比較的大径なケーシングによって構成されている場合に、前記パイプ部の先端部を排気通路の中央付近すなわちケーシングの中心に配置しようとすると、パイプ部がかなり長くなるためパイプ部が共振することなどによって大きな振幅で揺れることになり、前記の問題を生じる可能性が高くなる。

従って本発明の目的は、パイプ部の根元付近に疲労破壊が生じるなどの不具合を防止できる還元剤噴射ノズルを提供することにある。

本発明は、ケーシングによって構成される排気通路に設けられて排気浄化用の還元剤を前記排気通路内に噴射する還元剤噴射ノズルであって、前記ケーシングに設けられた台座部に固定されるフランジ部と、前記フランジ部に固定された基部を有しかつ該基部から前記排気通路内に向って前記ケーシングの径方向に延びる大径パイプ部と、前記大径パイプ部よりも外径が小さい小径パイプ部とを有し、前記小径パイプ部は、前記ケーシングの径方向に延びるストレート部と、該ストレート部から前記排気通路の上流側に曲がる傾斜部と、該傾斜部から前記ケーシングの径方向に延びかつ前記大径パイプ部の軸線の延長線に対して前記排気通路の上流側に位置するオフセット部と、前記延長線に対して前記排気通路の下流側に位置する先端部とを具備している。

本発明の好ましい形態では、前記大径パイプ部の前記基部から前記小径パイプ部の先端部までの距離をＬ１、前記大径パイプ部の長さをＬ２としたとき、Ｌ２／Ｌ１を０．３５以上、０．６以下としている。

本発明の還元剤噴射ノズルによれば、排気通路内に突出する片持ち形のパイプユニットの固定端側に大径パイプ部が設けられているため、パイプユニットの曲げ剛性やねじり剛性を大きくすることができる。このため排気通路内での排気の流れの影響や車両の振動、あるいはエンジンの振動等の影響によってパイプユニットが揺れたり共振したりすることを抑制することができる。またパイプユニットが振動したとしても、パイプユニットの根元付近が疲労破壊等によって損傷することを抑制できる。
更に、小径パイプ部の先端部とオフセット部とが大径パイプ部の延長線の前後に振り分けて形成されるため、小径パイプ部の質量（マス）が前記延長線の前後でバランスする。このためパイプユニットがケーシングの径方向に揺れたときに、前記延長線まわりに生じるねじれモーメントを小さくすることができる。よってパイプユニットの根元部分にねじれの応力が繰返し作用することを抑制でき、ねじれの影響を小さくすることができる。また、ケーシングの周囲に車両側の部材等が存在する場合に、還元剤噴射ノズルが周囲の部材に干渉することを回避しやすくなり、ケーシングに対する還元剤噴射ノズルの取付け、取外し等の作業を容易に行うことができる。

本発明の第１の実施形態に係る還元剤噴射ノズルを備えた排気浄化装置を模式的に示す概略図。 図１に示された排気浄化装置の一部を分解して示す斜視図。 図２に示された排気浄化装置の還元剤噴射ノズルが設けられている箇所を示す断面図。 図３中のＦ４−Ｆ４線に沿う排気浄化装置の一部の断面図。 図３に示された還元剤噴射ノズルをノズル挿入孔に挿入する途中の状態を示す断面図。 大径パイプ部の基部から小径パイプ部の先端部までの長さをＬ１、大径パイプ部の長さをＬ２としたとき、Ｌ２/Ｌ１と強度比との関係を示す図。 本発明の第２の実施形態に係る還元剤噴射ノズルの側面図。

以下に本発明の第１の実施形態に係る還元剤噴射ノズルを備えたエンジンの排気浄化装置について、図１から図５を参照して説明する。
図１はディーゼルエンジン（以下、エンジンと称する）１０と、その排気浄化装置１１を示している。エンジン１０の各気筒に燃料噴射弁１２が設けられている。各燃料噴射弁１２には加圧燃料を供給するためのコモンレール１３が接続されている。燃料噴射弁１２はＥＣＵ（電子コントロールユニット）１４によって開閉が制御され、エンジン１０の運転状態等に応じたタイミングと開度で開弁することにより、各気筒内に適量の燃料を噴射するようになっている。

エンジン１０の吸気側に吸気マニホールド２０が設けられている。吸気マニホールド２０の上流側に接続された吸気通路２１に、上流側から順に、エアクリーナ２２と、ターボチャージャ２３のコンプレッサ２３ａと、インタクーラ２４などが配置されている。エンジン１０の排気側に排気マニホールド２５が設けられている。排気マニホールド２５には、ターボチャージャ２３のタービン２３ｂを介して排気通路２６が接続されている。

排気浄化装置１１は、上流側ケーシング３０と、下流側ケーシング３１と、ミキシング室３２などを含んでいる。ミキシング室３２は上流側ケーシング３０と下流側ケーシング３１との間に設けられている。これらケーシング３０，３１とミキシング室３２の内側が排気通路３３となっている。

上流側ケーシング３０内には、排気の上流側から前段酸化触媒４０と、ＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）４１とが収容されている。下流側ケーシング３１内には、上流側からＳＣＲ触媒（Selective Catalytic Reduction）４２と、後段酸化触媒４３が収容されている。

ミキシング室３２は、上流側ケーシング３０の後端に連続して設けられている。このミキシング室３２は、下流側に向けてテーパ状に径が減少する縮径部３２ａと、径が最小となる絞り部３２ｂと、絞り部３２ｂから下流側ケーシング３１に向けてテーパ状に径が大きくなる拡径部３２ｃとを備えている。上流側ケーシング３０とミキシング室３２との間には、ミキシング室３２を通過する排気に旋回流を生じさせるためのフィン装置４５が設けられている。

そしてミキシング室３２には、フィン装置４５の下流側に還元剤噴射ノズル５０が配置されている。還元剤噴射ノズル５０の構造については後に詳しく説明する。この還元剤噴射ノズル５０に還元剤供給装置５１が接続されている。還元剤供給装置５１は、ＳＣＲ還元剤の一例である尿素水を貯留するユリアタンク５２と、サプライユニット５３と、ドージングユニット（dosing unit）５４と、圧縮空気の供給源５５などを備えている。なお還元剤として、尿素水以外に例えばアンモニア水溶液や炭化水素を主成分とする軽油類などの液体還元剤が使用されてもよい。

サプライユニット５３はＳＣＲ関係のバルブ等を有し、ＥＣＵ１４によって制御されることにより、ユリアタンク５２から供給される尿素水（ＳＣＲ還元剤）を所定の圧力に調整してドージングユニット５４に供給する機能を有している。ドージングユニット５４は排気温度等に応じて開弁する電磁弁（図示せず）を有し、ＥＣＵ１４によって制御されることにより、サプライユニット５３から供給される尿素水を前記電磁弁を介して還元剤噴射ノズル５０に供給するようになっている。

以下に還元剤噴射ノズル５０の詳細について図２〜図５を参照して説明する。
図２に示すようにミキシング室３２の外郭をなす筒状のケーシング６０に、還元剤噴射ノズル５０を取付けるための台座部６１が設けられている。還元剤噴射ノズル５０は、この台座部６１を介してケーシング６０に取付けられる。金属ブロック等からなる台座部６１には、還元剤噴射ノズル５０を挿入するためのノズル挿入孔６３と、ボルト６２をねじ込むための有底のねじ孔６４が形成されている。

還元剤噴射ノズル５０は、前記ボルト６２によって台座部６１に固定されるフランジ部７０と、フランジ部７０に固定された大径パイプ部７１と、大径パイプ部７１に接続された小径パイプ部７２などを含んでいる。大径パイプ部７１と小径パイプ部７２とによって、パイプユニット７３が構成されている。これらパイプ部７１，７２は、ステンレス鋼等の不錆金属を材料とする断面円形のパイプ材からなる。フランジ部７０にはボルト６２を通すための孔７４が形成されている。

図３と図４等に示されるように、大径パイプ部７１の基部７１ａは、溶接等の固定手段によってフランジ部７０に固定されている。大径パイプ部７１の先端部７１ｂ側は、排気通路３３の内部すなわちケーシング６０の内部に向ってケーシング６０の径方向に延びている。大径パイプ部７１の基部７１ａには、フランジ部７０の外側に突出する配管継手を備えた還元剤導入口７５が設けられている。この還元剤導入口７５は、還元剤供給管７６（図２に一部を示す）を介して、ドージングユニット５４に接続される。

小径パイプ部７２の外径は、大径パイプ部７１の外径よりも小さい。すなわち大径パイプ部７１の外径をＤ１、小径パイプ部７２の外径をＤ２としたとき、Ｄ１はＤ２よりも大きく、例えば（Ｄ１／Ｄ２）を１．５以上としている。小径パイプ部７２の内径は大径パイプ部７１の内径と同等である。この小径パイプ部７２は、大径パイプ部７１に連なるストレート部７２ａと、円弧状に曲がった湾曲部７２ｂと、湾曲部７２ｂからケーシング６０の軸線Ｘ方向に延びる先端部７２ｃとを有している。このためこのパイプユニット７３は、側面方向から見て概ねＬ形をなしている。

先端部７２ｃは、排気通路３３の中央付近、望ましくは図３に示すケーシング６０の中心線Ｃ上に位置している。しかもこの先端部７２ｃは、排気通路３３の下流側に配置されている前記ＳＣＲ触媒４２（図１に示す）に向って突き出ている。そしてこの先端部７２ｃの側面等に、尿素水を排気通路３３内に噴出させるための孔（還元剤噴出孔）８０が形成されている。

このように構成された還元剤噴射ノズル５０をケーシング６０に取付けるには、図５に示すようにパイプユニット７３をノズル挿入孔６３に挿入しやすい方向に向け、かつ、パイプユニット７３をケーシング６０に対して斜めに傾けながら、先端部７２ｃを台座部６１のノズル挿入孔６３に通す。そののちパイプユニット７３を起こしつつ、図５に矢印Ａで示すように小径パイプ部７２をノズル挿入孔６３にさらに挿入したのち、大径パイプ部７１をノズル挿入孔６３に挿入し、最後にフランジ部７０を台座部６１の上面に当接させる。

そして台座部６１に対するフランジ部７０の位置を合わせたのち、ボルト６２を台座部６１のねじ孔６４に螺合させ、規定トルクで締付けることにより、フランジ部７０を台座部６１に固定する。こうしてケーシング６０に固定された還元剤噴射ノズル５０の還元剤導入口７５に、還元剤供給管７６が接続される。なお図５中の２点鎖線は、後述する第２の実施形態の還元剤噴射ノズル５０Ａを示している。第２の実施形態の還元剤噴射ノズル５０Ａについては後に詳しく説明する。

以下に第１の実施形態の還元剤噴射ノズル５０を備えた排気浄化装置１１の作用について説明する。
エンジン１０の運転中にエアクリーナ２２を経て吸気通路２１に導入された空気は、ターボチャージャ２３のコンプレッサ２３ａによって加圧される。そして加圧された空気がインタクーラ２４と吸気マニホールド２０を経て、各気筒に分配される。各気筒内では、所定のタイミングで燃料噴射弁１２から燃料が噴射される。気筒内に噴射された燃料は、気筒内で着火、燃焼し、燃焼後の排気が排気マニホールド２５を経てタービン２３ｂを回転させたのち、排気通路２６を経て排気浄化装置１１に導かれる。

エンジン１０の運転中に、ミキシング室３２内では、ドージングユニット５４から供給される尿素水が適宜のタイミングで還元剤噴射ノズル５０からＳＣＲ触媒４２に向って噴射される。ミキシング室３２内に噴射された尿素水は排気中で拡散して霧化し、排気中の水蒸気および排気熱によって加水分解してアンモニアを発生する。このアンモニアと排気中の窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）がＳＣＲ触媒４２を通る際に化学反応を生じることにより、窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）が窒素と水に還元され無害化される。ＳＣＲ触媒４２を通過した余剰アンモニアは、後段酸化触媒４３によって処理される。

エンジン１０の運転中は、排気通路３３を排気が流通する。このため還元剤噴射ノズル５０のパイプユニット７３が排気の流れにさらされる。この排気の流れがパイプユニット７３を通る際に例えばカルマン渦を生じることなどにより、パイプユニット７３が振動することがある。また車両の走行中に路面からの振動やエンジン１０の振動等がケーシング６０を介してパイプユニット７３に入力することがある。このため台座部６１によって支持されているパイプユニット７３は様々な方向に揺れる。

例えば、パイプユニット７３がケーシング６０の軸線Ｘ方向（図３に示す）に振動したり、あるいはケーシング６０の径方向（図４に矢印Ｗで示す方向）に振動したりする。小径パイプ部７２は大径パイプ部７１よりも大きな振幅で揺れるが、小径パイプ部７２の揺れは大径パイプ部７１によって応力が緩和された状態でフランジ部７０と台座部６１を介してケーシング６０によって支持される。このためパイプユニット７３の根元部分（大径パイプ部７１の基部７１ａ付近）に応力が集中することを回避でき、パイプユニット７３の損傷を防止することができる。

すなわち本実施形態の還元剤噴射ノズル５０によれば、排気通路３３内に突出する片持ち形のパイプユニット７３の固定端側に大径パイプ部７１が設けられているため、パイプユニット７３の曲げ剛性やねじり剛性を大きくすることができる。このためパイプユニット７３が揺れたり共振したりすることを抑制することができる。またパイプユニット７３が振動したとしても、パイプユニット７３の根元付近が疲労破壊等によって損傷することを抑制できるものである。

しかも小径パイプ部７２の外径が大径パイプ部７１の外径よりも小さいため、先端部７２ｃに形成される孔（還元剤噴出孔）８０をあけるための機械加工が容易となり、かつ、パイプユニット７３を台座部６１のノズル挿入孔６３に挿入する作業（図４参照）も容易に行うことができる。しかも排気通路３３内に突出するパイプユニット７３の流通抵抗を小さくすることができる。

図４において、大径パイプ部７１の基部７１ａから小径パイプ部７２の先端部７２ｃまでの長さをＬ１、大径パイプ部の長さをＬ２で表わしている。図６は、Ｌ２／Ｌ１と強度比との関係を示している。図６の横軸がＬ２／Ｌ１であり、縦軸が応力の逆数（１／応力）を表わしている。図６から明らかなようにＬ２／Ｌ１が０．３５以上になると強度比の上昇が顕著になるため、Ｌ２／Ｌ１は０．３５以上がよい。

しかしＬ２／Ｌ１が０．６を越えると、パイプユニット７３の先端側の質量（マス）が大きくなりすぎ、パイプユニット７３が振られたときの慣性力が大きくなることにより、パイプユニット７３の根元部分に発生する応力が大きくなる。またＬ２／Ｌ１が大きくなるほどパイプユニット７３の先端側の質量（マス）が大きくなることに伴って熱容量も大きくなるため、還元剤噴射後に先端部７２ｃ付近が冷却されにくくなり、先端部７２ｃに付着した還元剤が高温の影響を受けやすくなる。このためＬ２／Ｌ１を１．０に近付けることは実用上不可であり、Ｌ２／Ｌ１を０．３５以上、０．６以下とすることが推奨される。

図７は、本発明の第２の実施形態に係る還元剤噴射ノズル５０Ａを示している。この還元剤噴射ノズル５０Ａの小径パイプ部７２は、ケーシング６０の径方向に延びるストレート部７２ａと、先端側に形成された湾曲部７２ｂと、先端部７２ｃを有している点において第１の実施形態の還元剤噴射ノズル５０と共通である。

しかしこの第２の実施形態の還元剤噴射ノズル５０Ａは、ストレート部７２ａから排気通路３３の上流側に曲がる傾斜部７２ｄと、この傾斜部７２ｄからケーシング６０の中心に向ってケーシング６０の径方向に延びるオフセット部７２ｅとを有している点で、第１の実施形態の還元剤噴射ノズル５０とは異なっている。

この還元剤噴射ノズル５０Ａは、パイプユニット７３の先端部７２ｃを第１の実施形態の還元剤噴射ノズル５０よりも排気通路３３の上流側に位置させることができる。このため、先端部７２ｃからＳＣＲ触媒４２（図１に示す）までの距離を長くとることができ、尿素水の拡散性が向上するとともに、尿素水がより微細化するという効果を奏することができる。それ以外は第１の実施形態の還元剤噴射ノズル５０と共通であるため、両者に共通の符号を付して説明を省略する。大径パイプ部７１の長さＬ２は例えば２０〜７０ｍｍの範囲で選択できるが、前述した理由により、Ｌ１に対するＬ２の比（Ｌ２／Ｌ１）は、０．３５以上で０．６以下とすることが望ましい。

前記第２の実施形態の還元剤噴射ノズル５０Ａを台座部６１のノズル挿入孔６３に挿入するには、図４に２点鎖線で示すようにパイプユニット７３を傾けた姿勢で小径パイプ部７２をノズル挿入孔６３に挿入しつつ、パイプユニット７３を起こしながら大径パイプ部７１をノズル挿入孔６３に挿入する。この還元剤噴射ノズル５０Ａは、小径パイプ部７２にオフセット部７２ｅが形成されているため、小径パイプ部７２をノズル挿入孔６３に挿入する際の還元剤噴射ノズル５０Ａの上端の高さＨを、第１の実施形態の還元剤噴射ノズル５０よりも低くすることができる。このためケーシング６０の周囲に車両側の部材等が存在する場合に、還元剤噴射ノズル５０Ａが周囲の部材に干渉することを回避しやすくなり、ケーシング６０に対する還元剤噴射ノズル５０Ａの取付け、取外し等の作業を容易に行うことができる。

しかもこの第２の実施形態の還元剤噴射ノズル５０Ａは、図７に示すように大径パイプ部７１の軸線Ｙ１の延長線Ｙ２を境として、小径パイプ部７２の先端部７２ｃとオフセット部７２ｅとが前記延長線Ｙ２の前後に振り分けて形成されるため、小径パイプ部７２の質量（マス）が前記延長線Ｙ２の前後でバランスする。このためパイプユニット７３がケーシング６０の径方向（図４において矢印Ｗで示す方向）に揺れたときに、前記延長線Ｙ２まわりに生じるねじれモーメントを小さくすることができる。よってパイプユニット７３の根元部分にねじれの応力が繰返し作用することを抑制でき、ねじれの影響を小さくすることができる。

なお本発明を実施するに当たって、排気通路を構成するケーシングの具体的な形状をはじめとして、パイプユニットを構成する大径パイプ部や小径パイプ部の形状や長さの比、太さの比などを適宜に変更して実施できることは言うまでもない。また、ケーシングについて筒形のケーシングと同様に箱形のケーシングでも実施することができる。また、エンジンや排気浄化装置の態様についても前記実施形態に制約されることはなく、種々に変更して実施することができる。

１０…エンジン
１１…排気浄化装置
３３…排気通路
５０…還元剤噴射ノズル
６０…ケーシング
７０…フランジ部
７１…大径パイプ部
７１ａ…基部
７２…小径パイプ部
７２ａ…ストレート部
７２ｃ…先端部
７２ｅ…オフセット部
７３…パイプユニット

Claims (2)

1. ケーシングによって構成される排気通路に設けられて排気浄化用の還元剤を前記排気通路内に噴射する還元剤噴射ノズルであって、
   前記ケーシングに設けられた台座部に固定されるフランジ部と、
   前記フランジ部に固定された基部を有しかつ該基部から前記排気通路内に向って前記ケーシングの径方向に延びる大径パイプ部と、
   前記大径パイプ部よりも外径が小さくかつ前記排気通路内に配置される先端部を有しかつこの先端部が前記排気通路の下流側を向く小径パイプ部とを有し、
   前記小径パイプ部は、前記ケーシングの径方向に延びるストレート部と、該ストレート部から前記排気通路の上流側に曲がる傾斜部と、該傾斜部から前記ケーシングの径方向に延びかつ前記大径パイプ部の軸線の延長線に対して前記排気通路の上流側に位置するオフセット部と、前記延長線に対して前記排気通路の下流側に位置する先端部と、
   を具備したことを特徴とする還元剤噴射ノズル。
2. 前記大径パイプ部の前記基部から前記小径パイプ部の前記先端部までの距離をＬ１、前記大径パイプ部の長さをＬ２としたとき、Ｌ２／Ｌ１を０．３５以上、０．６以下としたことを特徴とする請求項１に記載の還元剤噴射ノズル。

Images