JP5704110B2 - 内燃機関の排気浄化装置および添加弁ホルダ - Google Patents

内燃機関の排気浄化装置および添加弁ホルダ Download PDF

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Description

本発明は、内燃機関から排出される排気ガスを浄化する排気浄化装置、およびその排気浄化装置を構成する添加弁の添加弁ホルダの構造に関するものである。
ディーゼルエンジンをはじめとする内燃機関から排出される排気ガスは、窒素や水蒸気の他、有害物質であるCO(一酸化炭素)、HC(炭化水素)、窒素酸化物(NOx)が含まれている。このNOxを浄化するため、内燃機関の排気管の上流側から還元剤添加弁、選択還元型NOx触媒(SCR触媒)を順次配置し、還元剤添加弁から添加された還元剤から生成されるNH3(アンモニア)を用いて、SCR触媒に流入する排気ガス中のNOxを浄化する排気浄化装置を設けたものが知られている。特許文献1の内燃機関の排気浄化装置もその一例である。特許文献1には、排気管25に接続管41を介して取り付けられた還元剤噴射弁35の外周面に、径方向に広がる円板状の放熱フィン35b(冷却フィン)が所定間隔で複数枚取り付けられている構造が開示されている。これより、還元剤噴射弁35に伝達される熱が放熱フィン35bによって放熱されるので、還元剤噴射弁35の過熱が抑制されるようになっている。
特開2009−41370号公報
ところで、特許文献1の排気浄化装置において、内燃機関の作動によってその排気管が振動すると、その振動が還元剤添加弁に伝達される。この振動によって還元剤添加弁に撓みが生じ、還元剤添加弁の噴霧軌道にブレが生じたり、還元剤添加弁を支持するホルダと接続管とを固定するフランジ部にシール不良が生じる可能性があった。これは、前記還元剤添加弁を支持するホルダの剛性不足に起因するものと考えられる。特に、車両に搭載された内燃機関に接続された排気管に設けられる場合には、車両の振動がさらに加えられるため、そのような問題が顕著となる。
本発明は、以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、内燃機関の排気管に設けられる排気浄化装置において、排気管の振動に耐えうる十分な剛性を備えた構造を提供することにある。
上記目的を達成するための、第1発明の要旨とするところは、内燃機関の排気管に設けられている添加弁と、その添加弁よりも下流側の前記排気管に設けられている触媒とを、含んで構成されている内燃機関の排気浄化装置であって、(a)前記添加弁は、筒状のホルダ部、そのホルダ部の一端に固設されて前記排気管に取り付けられるフランジ部、およびそのホルダ部の周囲に固定されている冷却フィンから構成される添加弁ホルダを介して前記排気管に固定されており、(b)前記冷却フィンは、前記ホルダ部および前記フランジ部の両方に固定されており、(c)振動の大きい方向に配置される冷却フィンほど径方向に長くされていることを特徴とする。
このようにすれば、前記冷却フィンは、前記ホルダ部および前記フランジ部の両方に固定されているため、冷却フィンが冷却(放熱)の機能を果たすだけでなく、補強リブとしても機能する。従って、冷却フィンによって添加弁ホルダの剛性が向上し、添加弁ホルダの撓みによる添加弁の噴霧軌道のブレや、フランジ部のシール不良を抑制することができる。また、振動が大きい部位の冷却フィンの径方向の寸法を大きくすることで、振動が大きい部位ほど剛性が高くなり、剛性の向上が必要な部位の剛性を効率よく向上させることができる。
また、好適には、第2発明の要旨とするところは、第1発明において、前記ホルダ部は、円筒状に形成されており、前記冷却フィンは、前記ホルダ部の外周面から径方向に伸びる複数枚の板材で構成され、周方向において等角度間隔に放射状に配置されている。このようにすれば、添加弁ホルダの剛性を、周方向において全体にわたって向上させることができる。
また、好適には、第3発明の要旨とするところは、第1発明または第2発明の内燃機関の排気浄化装置において、前記冷却フィンには、穴または突起が形成されている。このようにすれば、前記穴または突起が形成されることで、前記冷却フィン周辺の空気の流れが積極的に乱され、冷却フィンの冷却効果をさらに向上させることができる。
また、好適には、第4発明の要旨とするところは、内燃機関の排気管に設けられてその排気管内に添加剤を添加する添加弁を前記排気管に固定するための添加弁ホルダであって、(a)前記添加弁ホルダは、筒状のホルダ部、そのホルダ部の一端に固設されて前記排気管に取り付けられるフランジ部、およびそのホルダ部の周囲に固定されている冷却フィンから構成され、(b)前記冷却フィンは、前記ホルダ部および前記フランジ部の両方に固定されており、振動の大きい方向に配置される冷却フィンほど径方向に長くされている。
このようにすれば、前記冷却フィンが、前記ホルダ部および前記フランジ部の両方に固定されているため、冷却フィンが冷却(放熱)の機能を果たすだけでなく、補強リブとしても機能する。従って、冷却フィンによって添加弁ホルダの剛性が向上し、添加弁ホルダの撓みによる添加弁の噴霧軌道のブレや、フランジ部のシール不良を抑制することができる。また、振動が大きい部位の冷却フィンの径方向の寸法を大きくすることで、振動が大きい部位ほど剛性が高くなり、剛性の向上が必要な部位の剛性を効率よく向上させることができる。
また、好適には、前記冷却フィンは、前記ホルダ部および前記フランジ部に溶接または一体成形によって固定されている。
また、好適には、前記添加弁は尿素水添加弁であり、前記触媒は選択還元型触媒(SCR触媒)から構成されている。
本発明が好適に適用された内燃機関であるエンジンの排気管に設けられている排気浄化装置の概略構成を示す図である。 図1の尿素水添加弁の拡大図である。 図2の尿素水添加弁を、矢印A方向からみたA矢視図である。 本発明の他の実施例である尿素水添加弁において、主に尿素水添加弁を排気管に固定する添加弁ホルダの構造を示す図であり、前述した実施例の図3に対応している。 本発明のさらに他の実施例である尿素水添加弁において、主に尿素水添加弁を排気管に固定する添加弁ホルダの構造を示す図であり、前述した実施例の図3、4に対応している。 本発明のさらに他の実施例である尿素水添加弁において、主に尿素水添加弁を排気管に固定する添加弁ホルダの構造を示す図であり、前述した実施例の図3〜図5に対応している。 本発明のさらに他の実施例である尿素水添加弁において、主に尿素水添加弁を排気管に固定する添加弁ホルダの構造を示す図であり、前述した実施例の図2に対応している。
以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の実施例において図は適宜簡略化或いは変形されており、各部の寸法比および形状等は必ずしも正確に描かれていない。
図1は、本発明が好適に適用された内燃機関であるエンジン10の排気管12に設けられている排気浄化装置14の概略構成を示している。排気浄化装置14は、主にエンジン10の排気管12に設けられている尿素水添加弁16(添加弁)と、その尿素水添加弁16よりも下流側の排気管12に設けられている公知である選択還元型触媒18(触媒)とを含んで構成されている。
車両に備えられる内燃機関であるエンジン10は、例えば4つの気筒を有する4スロトーク形式のディーゼルエンジンで構成されている。
選択還元型触媒(以下、SCR触媒18)18は、NH3(アンモニア)を用いて排気管12内を流れる排気ガス中の窒素酸化物(以下、NOx)を還元浄化する。例えば、NOは、4NO+4NH3+O2→4N2+H2Oのような反応によってN2に還元される。また、NO2は、6NO2+8NH3→7N2+12H2Oのような反応によってN2に還元される。また、NOおよびNO2は、NO+NO2+2NH3→2N2+3H2Oのような反応によってN2に還元される。また、SCR触媒18は、NH3を吸着する機能を有している。なお、SCR触媒18は、例えばゼオライト等で形成される。
SCR触媒18の上流側に位置する排気管12には、SCR触媒18に加水分解される還元剤(添加剤)として尿素水溶液(以下、尿素水)を添加する尿素水添加弁16が設けられている。尿素水添加弁16からは、尿素水タンク20に溜められている尿素水が指令に基づいて排気管12内に噴射される。噴射された尿素水は、(NH2)2CO+H2O→2NH3+CO2のような反応で排気熱を用いて加水分解され、NH3が生成される。
排気管12の尿素水添加弁16が設けられている部位よりもさらに上流側(エンジン側)には、SCR触媒18に流入する排気ガス中のNOxの濃度を検出する第1NOxセンサ22が設けられている。また、SCR触媒18の下流側には、SCR触媒18から流出する排気ガス中のNOxの濃度を検出する第2NOxセンサ24が設けられている。また、SCR触媒18には、SCR触媒床温を検出する温度センサ26が設けられている。これら各センサによって検出された各データは、電子制御装置28に供給される。
尿素水添加弁16は、例えばON−OFFを繰り返す電流を与えてそのDUTY比を変更することにより、噴射される尿素水の量を調整するDUTYソレノイド弁から構成される。前記噴射される尿素水の量は、エンジン10の回転速度Neやアクセル開度Acc等に基づいて推定されるNOx量、第1NOxセンサ22から検出されるNOxの濃度、第2NOxセンサ24から検出されるNOxの濃度等に基づいて適宜調整される。
図2に、尿素水添加弁16周辺の拡大図を示す。尿素水添加弁16は、排気管12に接続されている接続管30、および尿素水添加弁16を接続管30に固定するための添加弁ホルダ32を介して排気管12に接続されている。なお、接続管30は、排気管12に接続されていることから排気管12の一部であり、本発明の排気管にも対応している。
添加弁ホルダ32は、尿素水添加弁16と接続管30(排気管12)とを固定(連結)するための部材であり、鋼やアルミ等の金属製の円筒形状のホルダ部36と、ホルダ部36の一端から径方向に伸びる円板状の金属製のフランジ部38と、ホルダ部36の周囲に固定された状態で設けられている金属製の冷却フィン40とを有している。
フランジ部38は、ホルダ部36の軸方向において接続管30側の一端に固設され、その一端から径方向に伸びる円板状の部材であり、接続管30を介して排気管12に取り付けられる。また、接続管30の端部にも円板状のフランジ部42が形成されており、ホルダ部36側のフランジ部38と接続管30側のフランジ部42とが、図示しないボルトによって着脱可能に締結(連結)されている。
冷却フィン40は、矩形薄板状の複数枚の金属板材から成り、ホルダ部36の外周面に固定された状態で径方向に伸びるように配置されている。また、冷却フィン40は、周方向において等角度間隔となるように放射状に複数枚配置されている。図3は、図2の尿素水添加弁16および添加弁ホルダ32を、矢印A方向からみたA矢視図である。本実施例では、冷却フィン40は、ホルダ部36の周囲に接した状態で等角度間隔(90度間隔)で放射状に4枚配置されている。
図2に戻り、本実施例の冷却フィン40は、ホルダ部36およびフランジ部38の両方に一体的に固定されている。具体的には、太実線で示す、ホルダ部36と冷却フィン40との接触面46、およびフランジ部38と冷却フィン40との接触面48が、例えば溶接によって一体的に固定されている。或いは、ホルダ部36と、フランジ部38と、冷却フィン40とが、一体成形されることで固定されても構わない。この冷却フィン40が設けられることで、添加弁ホルダ32に伝達される排気ガスの熱が冷却フィン40から放熱され、尿素水添加弁16および添加弁ホルダ32の過熱による損傷が防止される。
ここで、冷却フィン40は、添加弁ホルダ32の剛性を向上させるための補強リブとしても機能している。エンジン駆動時に排気管12が振動すると、接続管30を介して添加弁ホルダ32にもその振動が伝達され、この振動が、尿素水添加弁16側において増幅される。これに起因して添加弁ホルダ32が振動すると添加弁ホルダ32に撓みが生じ、その添加弁ホルダ32に固定された尿素水添加弁16の尿素噴霧軌道にブレが生じたり、フランジ部38、42間においてシール不良が生じたりする不具合が発生する可能性がある。これに対して、本実施例の冷却フィン40は、ホルダ部36およびフランジ部38の両方に一体的に固定されているため、冷却フィン40が添加弁ホルダ32の補強リブとしての機能を果たし、添加弁ホルダ32の剛性が向上する。従って、振動による添加弁ホルダ32の撓みも抑制され、上記不具合の発生も抑制される。なお、冷却フィン40の形状や枚数は、冷却フィン40によって尿素水添加弁16の過熱が防止されるとともに、尿素水添加弁16および添加弁ホルダ32に伝達される振動による上記不具合が抑制されるように、予め実験や計算に基づいて設定されている。
上述のように、本実施例によれば、冷却フィン40は、ホルダ部36およびフランジ部38の両方に固定されているため、冷却フィン40が冷却(放熱)の機能を果たすだけでなく、補強リブとしても機能する。従って、冷却フィン40によって添加弁ホルダ32の剛性が向上し、添加弁ホルダ32の撓みによる尿素水添加弁16の噴霧軌道のブレや、フランジ部38、42のシール不良を抑制することができる。
また、本実施例によれば、ホルダ部36は、円筒状に形成されており、冷却フィン40は、ホルダ部36の外周面から径方向に伸びる複数枚の板材で構成され、周方向において等角度間隔に放射状に配置されている。このようにすれば、添加弁ホルダ32の剛性を、周方向の全体にわたって略均等に向上させることができる。
つぎに、本発明の他の実施例を説明する。なお、以下の説明において前述の実施例と共通する部分には同一の符号を付して説明を省略する。
図4は、本発明の他の実施例である尿素水添加弁60(添加弁)において、主にその尿素水添加弁60を接続管30(排気管12)に固定する添加弁ホルダ62の構造を示す図であり、前述した実施例の図3に対応している。なお、尿素水添加弁60を備える排気浄化装置全体の概略構成は、前述した実施例の排気浄化装置14と略同じであるためその説明を省略する。本実施例では、冷却フィン64がホルダ部36およびフランジ部38に固定された状態で、等角度間隔(120度間隔)で放射状に3枚配置されている。また、冷却フィン64は、前述した実施例と同様に、ホルダ部36およびフランジ部38の両方に一体的に固定されている。従って、本実施例においても、冷却フィン64が尿素水添加弁60および添加弁ホルダ62の過熱防止だけでなく、添加弁ホルダ62の剛性を向上させるための補強リブとして機能している。なお、本実施例では、冷却フィン64は3枚とされており、前述の実施例に比べてさらに部品点数が低減されているが、冷却フィン64によって過熱を防止すると共に、振動による撓みを抑制可能な剛性を得られる範囲内において、冷却フィン64の枚数を減らすこともできる。
上述のように、本実施例によっても、前述した実施例と略同様の効果を得ることができる。また、冷却フィン64の枚数が少なくされることで、部品点数の増加が抑制される。
図5は、本発明のさらに他の実施例である尿素水添加弁70(添加弁)において、主にその尿素水添加弁70を接続管30(排気管12)に固定する添加弁ホルダ72の構造を示す図であり、前述した実施例の図3、図4に対応している。なお、尿素水添加弁70を備える排気浄化装置の概略構成は、前述した実施例の排気浄化装置14と略同じであるためその説明を省略する。本実施例では、冷却フィン74がホルダ部36およびフランジ部38に固定された状態で、等角度間隔(45度間隔)で放射状に8枚配置されている。また、冷却フィン74は、前述した実施例と同様に、ホルダ部36およびフランジ部38の両方に一体的に固定されている。従って、本実施例においても、冷却フィン74が尿素水添加弁70および添加弁ホルダ72の過熱防止だけでなく、添加弁ホルダ72の剛性を向上させるための補強リブとして機能している。なお、本実施例では、冷却フィン74が放射状に8枚配置されているため、添加弁ホルダ72の剛性も高く、冷却フィン74による放熱効果(冷却効果)も向上している。
上述のように、本実施例によっても、前述した実施例と略同様に効果を得ることがでる。また、冷却フィン74の枚数が前述した実施例に比べて増加していることから、添加弁ホルダ72の剛性も高く、冷却フィン74による放熱効果も優れている。
図6は、本発明のさらに他の実施例である尿素水添加弁80(添加弁)において、主に尿素水添加弁80を接続管30(排気管12)に固定する添加弁ホルダ82の構造を示す図であり、前述した実施例の図3〜図5に対応している。なお、尿素水添加弁80を備える排気浄化装置の概略構成は、前述した実施例の排気浄化装置14と略同じであるためその説明を省略する。本実施例では、フランジ部86が楕円形状に形成されている。また、冷却フィン84の径方向の長さが、配置される部位に応じて変化している。具体的には、フランジ部86の長軸側に設けられている冷却フィン84aが最も径方向に長く形成されており、短軸側に設けられている冷却フィン84cが最も径方向に短く形成されている。また、周方向において冷却フィン84aと冷却フィン84cとの間に設けられている冷却フィン84bは、冷却フィン84aと冷却フィン84cとの中間程度の径方向の長さとされている。従って、冷却フィン84aが固定されている部位の剛性が高く、冷却フィン84cが固定されている部位の剛性が低くなる。すなわち、本実施例では、冷却フィン84の大きさや形状が配置される部位に応じてそれぞれ異なることで、剛性が周方向において変化している。
ここで、冷却フィン84aが設けられている部位は、振動が伝達された際に振れ(振幅)が大きい部位に設定されている。すなわち、振動の大きい方向に配置される冷却フィン84ほど径方向に長くされ、それに従って剛性が高くされている。なお、周方向において振動が大きい部位は、予め実験や計算によって求められており、これに基づいて振動が大きい部位の剛性が高くなるように、冷却フィン84が適切な大きさや形状に設定されている。従って、周方向において振動の大きい部位、すなわち剛性を向上させる必要のある部位ほど剛性が高くされる。これより、振動の小さい部位では冷却フィンを小型化、或いはなくすこともでき、一方、振動の大きい部位では冷却フィンを大きくすることで、添加弁ホルダ82の剛性を必要に応じて効率よく確保することができる。
上述のように、本実施例によっても、前述した実施例と略同様の効果を得ることができる。また、冷却フィン84は、配置される部位に応じて大きさや形状がそれぞれ異なる。具体的には、振動が大きい部位ほど冷却フィン84の径方向の長さが長くなっている。このようにすれば、周方向において振動が大きい部位の冷却フィン84の長さが長くされることで、振動が大きい部位ほど剛性が高くなる。このように、冷却フィン84の大きさや形状を振動の大きさに応じて異ならせることで、剛性の向上が必要な部位の剛性を、効率よく向上させることができる。
図7は、本発明のさらに他の実施例である尿素水添加弁90(添加弁)において、主に尿素水添加弁90を接続管30(排気管12)に固定する添加弁ホルダ92の構造を示す図であり、前述の実施例の図2に対応している。なお、尿素水添加弁90を備える排気浄化装置の概略構成は、前述した実施例の排気浄化装置14と略同じであるためその説明を省略する。本実施例の冷却フィン94には、それぞれ4個の貫通穴96(本発明において穴に対応)が形成されている。このように、冷却フィン94に貫通穴96が形成されると、冷却フィン周辺の空気の流れに乱れが生じる。ここで、空気の流れに乱れがあるほど、冷却フィンと空気との間での熱伝達が向上することから、冷却フィン94による冷却効果(放熱効果)が向上する。また、冷却フィン周辺の空気の流れに乱れを発生させる範囲において、貫通穴96に代わって、冷却フィン94に例えば半球或いは円柱状の突起96’を設けても構わない。この突起96’によっても空気の流れに乱れを生じさせることができ、冷却フィン94の冷却効果をさらに向上させることができる。
上述のように、本実施例によっても、前述した実施例と略同様の効果を得ることができる。また、冷却フィン94には、貫通穴96または突起96’が形成されることで、冷却フィン周辺の空気の流れが積極的に乱され、冷却フィン94の冷却効果をさらに向上させることができる。
以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、本発明はその他の態様においても適用される。
例えば、前述の各実施例は、それぞれ別個の尿素水添加弁として説明されているが、例えば、図5の冷却フィン74に貫通穴96を形成するなど、前述した各実施例を適宜組み合わせて実施しても構わない。
また、前述の各実施例は、尿素水添加弁であったが、尿素水だけでなく他の水溶液を添加する構成であっても本発明を適宜適用することができる。
また、前述の実施例において、冷却フィンの枚数として、3、4、8枚の態様が説明されているが、冷却フィンの枚数は、冷却性や剛性に基づいて適宜変更しても構わない。
また、前述の実施例において、各冷却フィンは、矩形に形成されているが、冷却フィンの形状は矩形に限定されず、例えば三角形状など適宜変更しても構わない。また、冷却フィンの形状は、必ずしも全て同一形状とする必要はなく、適宜変化させて実施することもできる。
また、前述の実施例において、各冷却フィンは、板厚が等しい平板で形成されているが、板厚が径方向に変化したり、平板ではなく曲面を有する板で形成されても構わない。なお、この場合であっても、冷却フィンは、ホルダ部およびフランジ部の両方に一体的に固定される。
また、前述の実施例において、各冷却フィンは、周方向において等角度間隔で放射状に配置されているが、必ずしも等角度間隔で放射状に配置する必要はない。例えば、振動の大きい部位ほど冷却フィンの数を多くするなど、適宜変更することができる。
また、前述の実施例において、冷却フィン周辺の空気に乱れを生じさせる範囲において冷却フィン94に形成されている貫通穴96および突起96’の個数や形状を適宜変更しても構わない。
また、前述の実施例では、SCR触媒18がゼオライトで形成されるとしたが、活性成分として他の貴金属等を用いて実施しても構わない。
また、前述の各実施例では、各冷却フィンとホルダ部およびフランジ部とが、隙間なく固定されているが、各冷却フィンがホルダ部およびフランジ部の両方に固定されているのであれば、一部に隙間が形成されていても構わない。
また、前述の実施例では、尿素水添加弁16は、DUTYソレノイド弁で構成されているとしたが、リニアソレノイド弁など尿素水の量を調整可能な弁であれば適宜変更しても構わない。
また、前述の各実施例では、尿素水添加弁と添加弁ホルダとがそれぞれ別体で構成されていたが、これらが一体で構成されるものであっても構わない。なお、尿素水添加弁と添加弁ホルダとが一体で構成される場合には、冷却フィンが尿素水添加弁の部位まで延長されても構わない。
なお、上述したのはあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を加えた態様で実施することができる。
10:エンジン(内燃機関)
12:排気管
14:排気浄化装置
16、60、70、80、90:尿素水添加弁(添加弁)
18:選択還元型触媒(触媒)
30:接続管(排気管)
32、62、72、82、92:添加弁ホルダ
36:ホルダ部
38、86:フランジ部
40、64、74、84、94:冷却フィン
96:貫通穴(穴)
96’:突起

Claims (4)

  1. 内燃機関の排気管に設けられている添加弁と、該添加弁よりも下流側の前記排気管に設けられている触媒とを、含んで構成されている内燃機関の排気浄化装置であって、
    前記添加弁は、筒状のホルダ部、該ホルダ部の一端に固設されて前記排気管に取り付けられるフランジ部、および該ホルダ部の周囲に固定されている冷却フィンから構成される添加弁ホルダを介して前記排気管に固定され、
    前記冷却フィンは、前記ホルダ部および前記フランジ部の両方に固定されており、振動の大きい方向に配置される冷却フィンほど径方向に長くされていることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
  2. 前記ホルダ部は、円筒状に形成されており、
    前記冷却フィンは、前記ホルダ部の外周面から径方向に伸びる複数枚の板材で構成され、周方向において等角度間隔に放射状に配置されていることを特徴とする請求項1の内燃機関の排気浄化装置。
  3. 前記冷却フィンには、穴または突起が形成されていることを特徴する請求項1または2の内燃機関の排気浄化装置。
  4. 内燃機関の排気管に設けられて該排気管内に添加剤を添加する添加弁を前記排気管に固定するための添加弁ホルダであって、
    前記添加弁ホルダは、筒状のホルダ部、該ホルダ部の一端に固設されて前記排気管に取り付けられるフランジ部、および該ホルダ部の周囲に固定されている冷却フィンから構成され、
    前記冷却フィンは、前記ホルダ部および前記フランジ部の両方に固定されており、振動の大きい方向に配置される冷却フィンほど径方向に長くされていることを特徴とする添加弁ホルダ。
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