JP6165146B2 - 凍結適応構造を備えた選択触媒還元のための還元剤供給ユニット - Google Patents

Description

本発明は、還元剤をエンジン排気システムに供給する還元剤供給ユニット（ＲＤＵ）に関し、さらに具体的には、凍結の際の尿素氷の膨張を受け入れるＲＤＵに関する。

発明の背景
欧州および北米における新ラウンドの厳格な排ガス法の出現によって、新規な排気後処理システム、特に、希薄燃焼技術、例えば、希薄条件および超希薄条件下で作動する、圧縮点火（ディーゼル）エンジン、および層状給気火花点火エンジン（通常は、直接噴射による）の実現が推進されている。希薄燃焼エンジンは、高レベルの窒素酸化物（ＮＯｘ）排出を示し、これは、希薄燃焼の特徴である酸素リッチな排気環境では処理することが困難である。これらの条件下でＮＯｘを処理する、排気後処理技術は現在開発中である。これらの技術の１つは、窒素（Ｎ₂）および水（Ｈ₂Ｏ）を生じる、アンモニア（ＮＨ₃）と排気窒素酸化物（ＮＯｘ）との反応を促進する触媒を含む。この技術は、選択触媒還元（ＳＣＲ）と呼ばれる。

アンモニアは、自動車環境ではそれを純粋な形で取り扱うことは困難である。従って、これらのシステムでは、液体尿素水溶液、典型的には、３２％濃度の尿素溶液（ＣＯ（ＮＨ₂）₂）を用いることは費用がかさむ。この溶液は、ＡＵＳ−３２と呼ばれ、またその商品名ＡｄＢｌｕｅとしても公知である。この尿素溶液は、熱い排気流に与えられ、加熱分解を受けた後に排気中のアンモニアに変換されるか、または熱分解によって、アンモニアおよびイソシアン酸（ＨＮＣＯ）に変換される。次いで、イソシアン酸は、排気中に存在する水による加水分解を受けて、アンモニアおよび二酸化炭素（ＣＯ２）に変換される。次いで、加熱分解および加水分解から生じるアンモニアは、前記のような窒素酸化物との触媒反応を受ける。

ＡＵＳ−３２またはＡｄＢｌｕｅの凝固点は、−１１℃である。開発中の別の還元剤キャリアは、商業上はＤｅｎｏｘｉｕｍとして公知であり、−３０℃という凝固点を有する。両方の液体の場合、凝固系は、寒冷気候で生じると予想される。これらの液体は水性であるので、固体状態（氷）への移行後に容積膨張が生じる。この膨張する氷は、注入パイプまたは流体供給パイプのような任意の閉じた容積に有意な力を及ぼし得る。従来のＳＣＲシステムでは、流体は、このシステムおよびＲＤＵからエンジンのシャットダウン時に排出されて、注入ユニット中の流体の局所的な凍結を回避する。しかし、ある程度の尿素溶液の氷がこのユニット中で形成され得る。例えば、図１を参照すると、ＲＤＵは、その全体が１０で示されており、これは、内部キャリア１４に溶接された流体注入器１２を備える。入口カップ構造１６は、シールド１８に固定されている。これらの２つのアセンブリは、キャリア１４およびシールド１８のつば部分を覆うフランジ２０の端部の折り畳み（かしめ）によって互いに圧着される。結果として、全体的なアセンブリは、圧着およびシールド・ツー・カップ（ｓｈｉｅｌｄ−ｔｏ−ｃｕｐ）構造の固定の強度的制限内で、一緒に固定される。

尿素溶液の氷がこのユニット内で生成される場合、尿素溶液の氷は、注入器１２の入口の外側に向かって膨張する傾向がある。次いで、この氷は、入口カップ構造１６上に力を及ぼす。反力が、注入器１２のフィルターおよび調整チューブのような内部注入器構成要素に及ぼされる。この調整チューブが、この力によって動かされるか、そうでなければ損傷される場合、この注入器はもはや正確に設定された値で流体を流すことができず、結果的にシステムが誤作動することになる。他の内部損傷、例えば、注入器１２の変形が生じる場合があり、これは、アーマチュアの固着による開口をもたらし、またシステムの誤作動を惹起する。

従って、凍結の際にＲＤＵが尿素溶液の氷の膨張に適応できるようにする必要性がある。

発明の概要
本発明の目的は、上記で言及される必要性を満たすことである。本発明の原理によれば、この目的は、車両用の選択触媒還元（ＳＣＲ）の後処理のための還元剤供給ユニットを提供することによって達成される。還元剤供給ユニットは、ＳＣＲ触媒変換装置の上流の排気ガス流路と連通するように構成されかつ配置された流体注入器を備える。この流体注入器は、流体入口と流体出口とを有する。この流体入口は、尿素溶液の供給源を受容するように構成されかつ配置されており、この流体出口は、排気流路と連通するように構成されかつ配置されており、それによってこの排ガス流路中への尿素溶液の注入を制御する。移動可能な入口カップ構造は、流体注入器の流体入口と流体連通している。シールドは、流体注入器に対して固定され、この流体注入器および入口カップ構造の少なくとも一部を包囲している。ばねは、入口カップ構造の一部とシールドとの間に介装されている。尿素溶液が流体注入器中で凍結して、注入器の流体入口付近まで膨張するとき、この入口カップ構造は、凍結した尿素溶液を注入器入口が受け入れるように、ばねの付勢力に抗して移動するように構成されかつ配置されており、このばねは、凍結した尿素溶液が一旦融解したならば、この入口カップ構造を最初の位置へ戻す。

開示された実施形態の別の側面によれば、車両用の選択触媒還元（ＳＣＲ）の後処理のための還元剤供給ユニット中での尿素溶液の凍結に適応する方法は、ＳＣＲ触媒変換装置の上流の排気ガス流路と連通するように構成されかつ配置された流体注入器を、還元剤供給ユニットに備える。この流体注入器は、流体入口と流体出口とを有する。この流体入口は、尿素溶液の供給源を受容するように構成されかつ配置されており、この流体出口は、排気流路と連通するように構成されかつ配置されており、それによってこの排ガス流路中への尿素溶液の注入を制御する。このユニットはまた、この流体注入器の流体入口と流体連通している入口カップ構造を備える。尿素溶液が流体注入器中で凍結して、注入器の流体入口付近で膨張するとき、この入口カップ構造は、凍結した尿素溶液を注入器入口が受け入れるように、移動することを可能にされる。

本発明の他の目的、特徴および特徴付け、ならびにこの構造の関連要素の操作方法および機能、部分の組み合わせおよび製造の経済性は、その全体が本明細書の一部を構成する添付の図面を参照して、以下の詳細な説明および添付の特許請求の範囲を考慮すればより明白になる。

本発明は、その好ましい実施形態の以下の詳細な説明から、添付の図面（ここでは同様の参照番号は、同様の部分を指す）と組み合わせて、さらに良好に理解される。

従来のＲＤＵの図面である。 凍結受け入れ構造とともに示される、実施形態によって得られるＲＤＵの図である。

例示的な実施形態の詳細な説明
図２を参照すると、ＲＤＵが示されており、本発明の実施形態によれば、その全体が１０’で示される。ＲＤＵ１０’は、その内容が本明細書中へ参照によって援用される、米国特許出願公開第２００８／０２３６１４７（Ａ１）号明細書に開示の種類のシステムにおいて使用することができる。

ＲＤＵ１０’は、流体を計量しかつ、投与用途において車両の排気通路への流体の噴霧を達成する、ソレノイド流体注入器１２を備える。従って、この流体注入器１２は、ＳＣＲ触媒変換装置の上流の排ガス流路と結合するように構成されかつ配置される。この流体注入器１２は好ましくは、その内容が本明細書中へ参照によって援用される、米国特許第６，６８５，１１２号明細書に開示される種類のような、ガソリンの、電気的に操作される、ソレノイド燃料噴射器である。

この流体注入器１２は、内部キャリア１４に溶接されている。入口カップ構造は、その全体が１６’で示され、これは、カップ２２と、このカップ２２と一体になった入口チューブ２３とを備える。このカップ構造１６’は、注入器１２の入口２４と流体連通されており、移動できるように取り付けられている。この入口チューブ２３は、注入器１２の出口２５から注入されるべき、注入器１２へ供給される尿素溶液の供給源（図示せず）と接続されている。注入器シールド１８’は、キャリア１４およびシールド１８’のつば部分を覆うフランジ２０の端部の折り畳みによって注入器キャリア１４と連結される。従って、シールド１８’は、注入器１２に対して固定される。

上記の従来のＲＤＵ中で流体をパージする代わりとして、シャットダウン時に流体をＲＤＵ１０’中に残したままにしてもよく、それによって、パージ操作の必要性が省かれる。尿素溶液の凍結の際のＲＤＵ１０’に対する損傷を防止するために、この実施形態によれば、ばね２６が、カップ２２の外面２７と注入器シールド１８’の内面２８との間に介装される。ばね２６は好ましくは、圧縮円錐コイルばねである。このシールド１８’は、カップ２２と、注入器１２の少なくとも一部とを包囲し、かつこれらの構成要素を、車両の排気の過度の熱から隔離する。シールド１８’は、フランジ部分２９を備え、これが、カップ２２の外面２７に面する内面２８を提供する。この入口チューブ２３は、一体のガイド部分３０を、カップ２２に隣接して配置された拡張されたチューブの形態で備える。このシールド１８’は、開口端部を有する、中空のシリンダー状のガイド受容部分３２を備える。このガイド受容部分３２は、ガイド部分３０の外周の一部を囲み、その結果、このガイド受容部分３２は、以下にさらに詳細に説明されるように、シールド１８’に対する入口カップ構造１６’の垂直方向の動きを案内するものである。従って、図１のＲＤＵ１０とは異なり、この実施形態のＲＤＵ１０’は、入口カップ構造１６’とシールド１８’との間を固定するものではない。

尿素溶液は凍結すると、カップ２２に対して矢印Ａの方向に力を及ぼすので、カップ２２は、注入器入口２４に向かって、かつばね２６の付勢力に抗して動くことになり、ここでばね２６は、漸次圧縮される。カップ２２の動きは、シールド１８’のガイド受容部分３２中でスライドするガイド部分３０によって案内される。カップ２２の上向きの予想移動量は、注入器１２の中の流体の容積の関数である。ばね２６は、この最大変位を許容するようにサイズ決めされている。更に、この最大変位時のばね２６の力は、注入器のＯリング３４とカップ２２との摺接によってもたらされる任意の摩擦抵抗に打ち勝つのに十分な力を提供するようにサイズ決めされている。従って、カップ２２は、流体が融解して、氷の力が消失するとき、ばね２６によって最初の位置に戻される。

このように、ばね２６および移動可能な入口カップ構造１６’が、ＲＤＵの注入器１２中に流体の如何なる凍結をも受け入れることが理解できる。

前述の好ましい実施形態は、本発明の構造的および機能的な原理を図示し、そして好ましい実施形態を使用する方法を例示する目的のために示し、かつ記載しており、このような原理から逸脱しない範囲で変更される。従って、本発明は、以下の特許請求の範囲内に包含される全ての改変を包含する。

Claims (8)

1. 車両用の選択触媒還元（ＳＣＲ）の後処理のための還元剤供給ユニットであって、前記還元剤供給ユニットは、
   ＳＣＲ触媒変換装置の上流の排ガス流路と連通するように構成されかつ配置された流体注入器であって、前記流体注入器は、流体入口および流体出口を有しており、前記流体入口は、尿素溶液の供給源を受容するように構成されかつ配置されており、かつ前記流体出口は、排気流路と連通して、それによって前記排ガス流路中への尿素溶液の注入を制御するように構成されかつ配置されている、流体注入器と、
   前記流体注入器の流体入口と流体連通している入口カップ構造であって、移動できるように取り付けられている、入口カップ構造と、
   前記流体注入器に対して固定されたシールドであって、前記流体注入器および前記入口カップ構造の少なくとも一部を包囲している、シールドと、
   前記入口カップ構造の一部とシールドとの間に介装されたばねと、
   を備え、
   前記尿素溶液が、前記流体注入器中で凍結して、前記流体注入器の流体入口付近まで膨張するとき、前記入口カップ構造が、前記ばねの付勢力に抗して前記流体入口の方向に移動して、凍結した尿素溶液を受け入れ、前記凍結した尿素溶液が一旦融解したならば、前記ばねにより前記入口カップ構造を最初の位置へ戻すように前記入口カップ構造は構成されかつ配置されており、
   前記入口カップ構造が、カップ、および前記カップと一体の入口チューブを備え、前記カップは、前記ばねが係合する前記入口カップ構造の一部としての外面を有し、
   前記シールドが前記カップの前記外面に面する内面を形成するフランジ部分を有し、前記内面に、前記ばねが係合しており、
   前記入口チューブが、前記カップに隣接するガイド部分を備え、かつ前記シールドが、前記ガイド部分の一部を囲むガイド受容部分を備え、それによって前記入口カップ構造の動きを案内し、
   前記カップは、前記流体注入器の一部を包囲し、
   前記カップの内面と前記流体注入器の外面との間にＯリングをさらに備えていて、前記ばねは、前記凍結した尿素溶液が一旦融解したならば、前記Ｏリングと前記カップとの間の接触面の摩擦抵抗に打ち勝って、前記入口カップ構造を最初の位置に戻すための十分な力を発揮するように構成されかつ配置されている、還元剤供給ユニット。
2. 前記ばねが、圧縮コイルばねである、請求項１記載のユニット。
3. 前記ばねが、円錐コイルばねである、請求項２記載のユニット。
4. 前記ガイド受容部分は、開口端部を有する中空シリンダーの形態であり、前記ガイド部分は、前記中空シリンダー内で移動できるように受容されたチューブの形態である、請求項１から３までのいずれか１項記載のユニット。
5. 車両用の選択触媒還元（ＳＣＲ）の後処理のための還元剤供給ユニットであって、前記還元剤供給ユニットは、
   ＳＣＲ触媒変換装置の上流の排ガス流路と連通するように構成されかつ配置された流体注入器であって、前記流体注入器は、流体入口および流体出口を有しており、前記流体入口は、尿素溶液の供給源を受容するように構成されかつ配置されており、かつ前記流体出口は、排気流路と連通して、それによって前記排ガス流路中への尿素溶液の注入を制御するように構成されかつ配置されている、流体注入器と、
   前記流体注入器の流体入口と流体連通している入口カップ構造であって、移動できるように取り付けられている、入口カップ構造と、
   前記流体注入器に対して固定されたシールドであって、前記流体注入器および前記入口カップ構造の少なくとも一部を包囲している、シールドと、
   前記入口カップ構造を付勢するための手段と、
   を備え、
   前記尿素溶液が、前記流体注入器中で凍結して、前記流体注入器の流体入口付近まで膨張するとき、前記入口カップ構造が、前記付勢するための手段の付勢力に抗して前記流体入口の方向に移動して、凍結した尿素溶液を受け入れ、前記凍結した尿素溶液が一旦融解したならば、前記付勢するための手段により前記入口カップ構造を最初の位置へ戻すように前記入口カップ構造は構成されかつ配置されており、
   前記入口カップ構造が、カップ、および前記カップと一体の入口チューブを備え、前記カップは、前記付勢するための手段が係合する前記入口カップ構造の一部としての外面を有し、前記シールドが前記カップの前記外面に面する内面を形成するフランジ部分を有し、前記内面に、前記付勢するための手段が係合しており、
   前記入口チューブが、前記カップに隣接するガイド部分を備え、前記シールドが、前記ガイド部分の一部を囲むガイド受容部分を備え、それによって前記入口カップ構造の動きを案内し、
   前記カップは、前記流体注入器の一部を包囲し、
   前記カップの内面と前記流体注入器の外面との間にＯリングをさらに備えていて、前記付勢するための手段は、前記凍結した尿素溶液が一旦融解したならば、前記Ｏリングと前記カップとの間の接触面の摩擦抵抗に打ち勝って、前記入口カップ構造を最初の位置に戻すための十分な力を発揮するように構成されかつ配置されている、還元剤供給ユニット。
6. 前記付勢するための手段が、前記入口カップ構造の一部と前記シールドとの間に介装された圧縮コイルばねである、請求項５記載のユニット。
7. 前記ばねが、円錐コイルばねである、請求項６記載のユニット。
8. 前記ガイド受容部分は、開口端部を有する中空シリンダーの形態であり、前記ガイド部分は、前記中空シリンダー内で移動できるように受容されたチューブの形態である、請求項５から７までのいずれか１項記載のユニット。

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