JP6281384B2

JP6281384B2 - 尿素ｓｃｒシステム

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Publication number: JP6281384B2
Application number: JP2014076373A
Authority: JP
Inventors: 高橋　謙; 謙高橋; 原田　明典; 原田　　明典; 哲平渡邉; 嘉彦斉藤
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-04-02
Filing date: 2014-04-02
Publication date: 2018-02-21
Anticipated expiration: 2034-04-02
Also published as: JP2015197085A

Description

本発明は、尿素ＳＣＲシステムに関する。

自動車等の排気ガスに尿素水を噴射して、この排気ガスに含まれるＮＯｘをＮ_２等に化学変化させることにより、上記排気ガスを浄化する、尿素ＳＣＲシステムと呼ばれるシステムが知られている。この尿素ＳＣＲシステムに用いられる尿素水噴射弁の内部には、ノズルボディ及びニードルと称される、ステンレス製の部品が設けられている（下記特許文献１参照）。

上記ノズルボディは、尿素水噴射弁の先端に設けられている。また、上記ニードルは、軸線方向に進退動作して、ノズルボディに接離する部品である。尿素水噴射弁は、上記ノズルボディとニードルとが接離する、単位時間あたりの回数等を制御することにより、所定量の尿素水を噴射できるよう構成されている。

ノズルボディとニードルは繰り返し接離するため、これらを構成するステンレス鋼には、高い耐摩耗性が要求される。また、ノズルボディとニードルは、排気ガスによって加熱されて高温になった尿素水に接触するため、ノズルボディ等を構成するステンレス鋼には、高温の尿素水に対する高い耐腐食性が要求される。

近年、温度がより高い環境で使用できる尿素水噴射弁の開発が進められている。温度がより高い環境で尿素水噴射弁を使用すると、尿素水噴射弁内部の尿素水の温度がより高くなる。そのため、ノズルボディやニードルを、より高温の尿素水に耐えられるステンレス鋼によって形成する必要がある。

特開２００９−２５０１６１号公報

しかしながら、従来のステンレス鋼は、温度がより高い尿素水に接触すると、溶解してしまう場合があった。そのため、従来のステンレス鋼を用いてノズルボディやニードルを形成した場合、尿素水の温度がより高くなると溶解してしまい、尿素水の噴射量を正確に制御できなくなるという問題が考えられた。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、温度がより高い尿素水に対しても充分な耐腐食性を有し、かつ耐摩耗性が高いステンレス鋼を用いた尿素水噴射弁を備える、尿素ＳＣＲシステムを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、内燃機関から排出された排ガスが流れる排管と、該排管内に設けられたＳＣＲ触媒と、上記排管のうち上記ＳＣＲ触媒よりも上記排ガスの上流側に位置する部位に取り付けられた尿素水噴射弁と、を備える尿素ＳＣＲシステムであって、
上記尿素水噴射弁は、その先端に設けられたノズルボディと、軸線方向に進退することにより上記ノズルボディに接離するニードルとを備え、上記ノズルボディ及び上記ニードルを構成するステンレス鋼は、ＨＲＣ硬さが４０以上であり、かつ下記式（１）を満たし、
上記尿素水噴射弁には、該尿素水噴射弁内を流れる尿素水を冷却する冷却器が設けられ、
上記排管には貫通孔が形成され、該貫通孔に上記尿素水噴射弁が挿し込まれており、該尿素水噴射弁の上記先端は、上記排管の内面よりも上記排管の内側に位置していることを特徴とする尿素ＳＣＲシステム。
Ｃｒ−１０Ｃ＋２Ｎｉ≧２．１８×１０^−３ｔ^２−１．８７×１０^−１ｔ＋９・・・（１）
但し、上記式（１）における元素記号は、その元素の質量％を意味し、元素記号の前の数値は定数であり、ｔは上記ノズルボディ及び上記ニードルに接触する上記尿素水の最高温度（℃）であり、上記ステンレス鋼はＣ：０．２質量％以下（０質量％含む）、Ｎｉ：３〜１１質量％、Ｃｒ：１２質量％以上を含有する。

本発明者らは、前述の課題を解決すべく鋭意検討した結果、尿素水噴射弁用ステンレス鋼の腐食は、高温尿素水に含まれるＣＯ_３ ^２−及びＨＣＯ_３ ⁻が主な原因となることを見出した。すなわち、尿素（（Ｈ_２Ｎ）_２Ｃ＝Ｏ）水が熱によって分解してＣＯ_３ ^２−やＨＣＯ_３ ⁻に解離し、この解離したイオンによって不動態皮膜が破壊されるため、ステンレス鋼が腐食するのである。上記式（１）に含まれるＣｒ−１０Ｃ＋２Ｎｉは、ＣＯ_３ ^２−等が腐食原因となる場合におけるステンレス鋼の耐腐食性指標である。この数値が高いほど、ステンレス鋼の、ＣＯ_３ ^２−等に対する耐腐食性が高まる。

尿素水の温度が高くなると、上記イオンによって不動態被膜が破壊されやすくなり、ステンレス鋼が腐食しやすくなる。そのため、上記ノズルボディやニードルを、耐腐食性指標がより高いステンレス鋼によって形成する必要が生じる。

本発明者らは、ステンレス鋼に要求される耐腐食性指標と、尿素水の最高温度ｔとの関係を見出した。つまり、耐腐食性指標が上記式（１）を満たせば、尿素水噴射弁を温度がより高い環境で使用し、尿素水の最高温度ｔがより高くなったとしても、ノズルボディ等を構成するステンレス鋼が尿素水に溶解せず、長期間にわたって、尿素水の噴射量を正確に制御できることを見出した。

また、上記尿素水噴射弁用ステンレス鋼は、ＨＲＣ硬さが４０以上である。そのため、高い耐摩耗性が要求される、尿素水噴射弁のノズルボディ及びニードル用のステンレス鋼として、好適に用いることができる。

以上のごとく、本発明によれば、温度がより高い尿素水に対しても充分な耐腐食性を有し、かつ耐摩耗性が高いステンレス鋼を用いた尿素水噴射弁を備える、尿素ＳＣＲシステムを提供することができる。

実施例１における、ステンレス鋼を１６０℃の尿素水に１２０時間浸漬したときの、耐食性指標と腐食量との関係を表したグラフ。実施例１における、ステンレス鋼を１２０℃の尿素水に１２０時間浸漬したときの、耐食性指標と腐食量との関係を表したグラフ。実施例１における、ステンレス鋼を８０℃の尿素水に１２０時間浸漬したときの、耐食性指標と腐食量との関係を表したグラフ。実験例１における、尿素水の温度と、ステンレス鋼がその温度の尿素水に溶解しないようにするために最低限必要な耐食性指標との関係を表したグラフ。実施例２における、尿素水噴射弁の断面図。実施例２における、尿素水噴射弁の先端部の拡大断面図。実施例２における、尿素ＳＣＲシステムの概念図。

上記尿素ＳＣＲシステムは、車両用の尿素ＳＣＲシステムとすることができる。

（実施例１）
下記表１に示すごとく、組成および耐腐食性指標（Ｃｒ−１０Ｃ＋２Ｎｉ）が互いに異なる、複数種類のステンレス鋼（材料Ｎｏ．１〜１１）を用意した。そして、各ステンレス鋼の、尿素水に対する耐腐食性を測定する実験を行った。

この実験では、まず、各ステンレス鋼を用いて、直径６．７ｍｍ、高さ５．０ｍｍの円柱状の試験片を作成した。そして、個々の試験片を密閉容器に入れ、濃度３２．５質量％の尿素水を１００ｍｌ注入して、１２０時間加熱した。加熱温度は、８０℃、１２０℃、１６０℃に条件振りした。１２０時間経過した後、各試験片を容器から取り出し、それぞれの質量を測定した。これにより、各試験片が、尿素水によって腐食する割合（質量％）を算出した。各材料の耐腐食性指標（Ｃｒ−１０Ｃ＋２Ｎｉ）と、１２０時間経過後の腐食割合とを上記表１に示す。

表１のデータを用いて、尿素水の温度を１６０℃にした場合の、耐腐食性指標と腐食割合との関係をグラフにしたものを、図１に示す。このグラフから、尿素水の温度が１６０℃の場合は、耐腐食性指標が３５質量％未満であると、ステンレス鋼が尿素水に溶解してしまうことが分かる。また、耐腐食性指標が３５質量％以上であれば、ステンレス鋼は１６０℃の尿素水に溶解しないことが分かる。

次に、表１のデータを用いて、尿素水の温度を１２０℃にした場合の、耐腐食性指標と腐食割合との関係をグラフにしたものを、図２に示す。このグラフから、尿素水の温度が１２０℃の場合は、耐腐食性指標が１８質量％未満であると、ステンレス鋼が尿素水に溶解してしまうことが分かる。また、耐腐食性指標が１８質量％以上であれば、ステンレス鋼は尿素水に溶解しないことが分かる。

次に、表１のデータを用いて、尿素水の温度を８０℃にした場合の、耐腐食性指標と腐食割合との関係をグラフにしたものを、図３に示す。このグラフから、尿素水の温度が８０℃の場合は、耐腐食性指標が８質量％未満であると、ステンレス鋼が尿素水に溶解してしまうことが分かる。また、耐腐食性指標が８質量％以上であれば、ステンレス鋼は尿素水に溶解しないことが分かる。

以上説明したように、ステンレス鋼が尿素水に溶解しないようにするためには、尿素水の温度が８０℃の場合は、耐腐食性指標を最低でも８質量％にする必要があり、尿素水の温度が１２０℃の場合は、耐腐食性指標を最低でも１８質量％にする必要がある。また、尿素水の温度が１６０℃の場合は、耐腐食性指標を最低でも３５質量％にする必要がある。尿素水の温度と、ステンレス鋼がこの温度の尿素水に溶解しないようにするために最低限必要な耐腐食性指標との関係を、図４に示す。

同図に示すグラフの上側の領域は、ステンレス鋼が尿素水に溶解しない領域であり、下側の領域は、ステンレス鋼が尿素水に溶解する領域である。グラフの曲線は、（尿素水の温度、耐腐食性指標）＝（８０℃、８質量％）、（１２０℃、１８質量％）、（１６０℃、３５質量％）の各点を通る。この曲線の近似式は、下記式で表すことができる。
耐腐食性指標＝２．１８×１０^−３ｔ^２−１．８７×１０^−１ｔ＋９

耐腐食性指標が、この曲線よりも高い値に設定されていれば、ステンレス鋼は、尿素水に溶解しない。つまり、尿素水噴射弁内のノズルボディとニードルを構成するステンレス鋼が、下記式（１）を満たせば、その尿素水噴射弁において想定される最高温度ｔの尿素水には、ステンレス鋼は溶解しない。
Ｃｒ−１０Ｃ＋２Ｎｉ≧２．１８×１０^−３ｔ^２−１．８７×１０^−１ｔ＋９・・・（１）

例えば、尿素水噴射弁が、最高１００℃になる環境で使用される場合、その尿素水噴射弁内の尿素水の最高温度ｔは１００℃となる。上記式（１）の右辺にｔ＝１００を代入すると、１２．１になる。そのため、ノズルボディ及びニードルを、耐腐食性指標が１２．１質量％以上のステンレス鋼によって形成しておけば、ノズルボディ及びニードルが尿素水に溶解することを防止できることが分かる。

また、例えば、尿素水噴射弁が、最高１４０℃になる環境で使用される場合、その尿素水噴射弁内の尿素水の最高温度ｔは１４０℃となる。上記式（１）の右辺にｔ＝１４０を代入すると、２５．５になる。そのため、ノズルボディ及びニードルを、耐腐食性指標が２５．５質量％以上のステンレス鋼によって形成しておけば、ノズルボディ及びニードルが尿素水に溶解することを防止できることが分かる。

なお、尿素水の最高温度ｔの適用範囲は、８０〜１６０℃である。最高温度ｔがこの範囲であれば、上記式（１）を満たす。

また、上記表１から、材料Ｎｏ．１、２のステンレス鋼は、Ｃの含有量がそれぞれ０．６５質量％、および０．５質量％と多いため、これが原因となって耐腐食性指標（Ｃｒ−１０Ｃ＋２Ｎｉ）が低くなっていることが分かる。Ｃは、ステンレス鋼の硬度を高める成分であるが、ステンレス鋼の、尿素水に対する耐腐食性を低下させる性質がある。表１のデータから、少なくとも１２０℃程度の、高温の尿素水に対する充分な耐腐食性を確保するためには、Ｃの含有率をなるべく低くする必要があり、０．２質量％以下にすることが望ましいことが分かる。

また、表１から、材料Ｎｏ．３のステンレス鋼は、Ｎｉの含有量が０．３質量％と少ないため、１２０℃の尿素水に２２質量％溶解していることが分かる。表１のデータから、少なくとも１２０℃程度の、高温の尿素水に対する充分な耐腐食性を確保するためには、Ｎｉの含有量を３質量％以上にすることが望ましいことが分かる。但し、Ｎｉの含有量が増えすぎると、ステンレス鋼の硬度が低下しやすくなる。そのため、Ｎｉの含有量は、１１質量％以下にすることが好ましい。

Ｃｒは、ステンレス鋼の、尿素水に対する耐腐食性を高める成分である。Ｃｒが１２質量％未満になると、充分な耐腐食性を備えることができなくなる。また、Ｃｒは、ステンレス鋼の硬度を高める成分でもある。

以上の理由により、尿素水噴射弁用のステンレス鋼は、Ｃ：０．２質量％以下（０質量％を含む）、Ｎｉ：３〜１１質量％、Ｃｒ：１２質量％以上を含有することが好ましい。なお、上記ステンレス鋼には、Ｃ、Ｎｉ、Ｃｒ以外の成分を含有させることもできる。例えば、表１に示すように、Ｍｏ、Ａｌ、Ｎを含有させてもよい。この他には、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ等の元素を含有させることもできる。

Ｃｕ及びＡｌは、ステンレス鋼の、尿素水に対する耐腐食性を低下させる性質がある。そのため、ＣｕとＡｌの含有量は、なるべく少なくすることが好ましい。Ｃｕが０．３質量％を超える場合や、Ａｌが０．１質量％を超える場合は、充分な耐腐食性を得られなくなるおそれがある。

また、Ｍｏが２．０質量％未満になると、ステンレス鋼の硬度が低下したり、耐腐食性が低下したりする場合がある。Ｍｏが４．０質量％を超えると、熱間加工性が低下したり、コストアップしたりする問題が生じる。また、Ｎが０．２質量％を超えると、残留オーステナイトが増加して硬度が低下しやすくなる。

以上の理由により、尿素水噴射弁用のステンレス鋼は、Ｃｕ：０．３質量％以下（０質量％含む）、Ａｌ：０．１質量％以下（０質量％含む）、Ｍｏ：２．０〜４．０質量％、Ｎ：０．２質量％以下（０質量％含む）となるように、組成を調整することが好ましい。

以上説明したように、本例によれば、温度がより高い尿素水に対しても充分な耐腐食性を有し、かつ耐摩耗性が高いステンレス鋼を用いた尿素水噴射弁を備える、尿素ＳＣＲシステムを提供することができる。

（実施例２）
本発明の効果を確認する実験を行った。まず、下記表２に示すステンレス鋼を用意した。

表２から分かるように、このステンレス鋼は、Ｃ：０．２質量％以下、Ｎｉ：３〜１１質量％、Ｃｒ：１２質量％以上、Ｃｕ：０．３質量％以下、Ａｌ：０．１質量％以下、Ｍｏ：２．０〜４．０質量％、Ｎ：０．２質量％以下を含有する。また、上記ステンレス鋼は、ＨＲＣ硬さが４０以上であり、耐腐食性指標（Ｃｒ−１０Ｃ＋２Ｎｉ）は２４．６８質量％である。

上記ステンレス鋼を用いてノズルボディ２及びニードル３を作成した。そして、これらノズルボディ２及びニードル３を有する尿素水噴射弁１を作成した。この尿素水噴射弁１を、温度が１２０℃になる環境で、車両寿命に相当する回数、接離させて、尿素水４を噴射する実験を行った。そして、ノズルボディ２及びニードル３が尿素水４に溶解せず、尿素水４の噴射量を正確に維持できるか否かを確認した。

実験の結果、ノズルボディ２及びニードル３は尿素水４に腐食せず、実験の前後にわたって、尿素水４の噴射量を正確に維持できることを確認できた。これは、上記ステンレス鋼が上記式（１）を満たしていることが理由の一つであると考えられる。つまり、上記ステンレス鋼の耐腐食性指標（Ｃｒ−１０Ｃ＋２Ｎｉ）は２４．６８質量％であり、尿素水の最高温度ｔが１２０℃であるときの式（１）の右辺の値は１８質量％である。そのため、このステンレス鋼は、式（１）を満たしている。

また、上記ステンレス鋼は、ＨＲＣ硬さが４０以上であり、かつ、組成を実施例１に記載した範囲内にしてある。そのため、ノズルボディ等が摩耗しにくく、上記実験結果を得られたと考えられる。

次に、尿素水噴射弁１の構造について説明する。図５、図６に示すごとく、尿素水噴射弁１は、ニードル３、ノズルボディ２、電磁コイル１１、磁性体３５、ばね部材３０を備える。ノズルボディ２は、尿素水噴射弁１の先端１０に設けられている。ニードル３は、尿素水噴射弁１内に設けられており、軸線方向（Ｚ方向）に進退することにより、ノズルボディ２に接離するよう構成されている。この尿素水噴射弁１は、尿素ＳＣＲシステム（図７参照）に用いられる。

ばね部材３０は、ニードル３をＺ方向における先端側へ加圧している。電磁コイル１１に通電すると、磁性体３５をＺ方向の後端側に引き付ける磁力が発生する。そのため、ばね部材３０の加圧力に抗して、ニードル３が後端側へ移動する。また、電磁コイル１１への通電を停止すると、磁力が消失し、ばね部材３０の加圧力によって、ニードル３が先端側へ移動する。このようにニードル３を進退動作させることにより、後述する弁部４０を開閉し、噴射する尿素水４の量を制御できるよう構成されている。

尿素水噴射弁１は、制御装置（図示しない）に接続するためのコネクタ１２を備える。コネクタ１２内には、制御ピン１３が設けられている。制御ピン１３は、上記電磁コイル１１に接続している。制御装置から、制御ピン１３を介して電磁コイル１１に制御電流を流すことにより、ニードル３を進退動作させるよう構成されている。

ニードル３は、中空になっている。また、ニードル３には、貫通孔３８が形成されている。ニードル３とノズルボディ２との間には、これらが接離することによって開閉する弁部４０が形成されている。

ノズルボディ２には、Ｚ方向に貫通した穴部２８が形成されている。また、ノズルボディ２には、ノズルプレート５を取り付けてある。ノズルプレート５には、噴射孔５０が形成されている。

尿素水４は、尿素水噴射弁１の後端部１００から導入され、ばね部材３０の内側、及びニードル３の内側空間Ｓを流れる。そして、貫通孔３８、弁部４０、噴射孔５０を通って、外部に噴射される。

ニードル３が後退すると弁部４０が開き、尿素水４が流れて、噴射孔５０から尿素水４０が噴射する。本例の尿素水噴射弁１は、弁部４０を開閉する単位時間当たりの回数を制御することにより、尿素水４０の噴射量を制御できるよう構成されている。

図７に示すごとく、尿素水噴射弁１は、車両の排気管６に取り付けられる。車両のエンジンから発生した排気ガスｇは、排気管６内を流れ、ＳＣＲ触媒８を通る。この排気ガスｇに尿素水４を噴射する。そして、排気ガスに含まれるＮＯｘと尿素とを、ＳＣＲ触媒８において化学反応させ、Ｎ_２、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ等に変化させる。

尿素水噴射弁１の先端１０は、排気管６内に挿入されている。そのため、先端１０に設けられたノズルボディ２及びニードル３は、排気ガスｇによって加熱される。また、尿素水噴射弁１には、冷却器１９が取り付けられている。冷却器１９を用いて尿素噴射弁１を冷却し、ノズルボディ２及びニードル３が、予め定められた温度よりも高くならないようにしてある。

上述したように、近年、尿素水噴射弁１を、より温度が高い環境で使用できるようにすることが求められている。具体的には、尿素水噴射弁１の使用最高温度が１２０℃以上になってしまう場合でも、充分に使用できる尿素水噴射弁１が求められている。使用最高温度が１２０℃以上になると、尿素水噴射弁１内の尿素水４の最高温度ｔが１２０℃以上になる。しかしながら、本例では、ノズルボディ２及びニードル３を、上記式（１）を満たすステンレス鋼によって形成してあるため、ノズルボディ２及びニードル３が１２０℃以上の尿素水４に腐食しないようにすることができ、長期間にわたって、尿素水４の噴射量を正確に制御することができる。

１尿素水噴射弁
２ノズルボディ
３ニードル
４尿素水

Claims

内燃機関から排出された排ガスが流れる排管（６）と、該排管（６）内に設けられたＳＣＲ触媒（８）と、上記排管（６）のうち上記ＳＣＲ触媒（８）よりも上記排ガスの上流側に位置する部位に取り付けられた尿素水噴射弁（１）と、を備える尿素ＳＣＲシステムであって、
上記尿素水噴射弁（１）は、その先端に設けられたノズルボディ（２）と、軸線方向に進退することにより上記ノズルボディ（２）に接離するニードル（３）とを備え、上記ノズルボディ（２）及び上記ニードル（３）を構成するステンレス鋼は、ＨＲＣ硬さが４０以上であり、かつ下記式（１）を満たし、
上記尿素水噴射弁（１）には、該尿素水噴射弁（１）内を流れる尿素水（４）を冷却する冷却器（１９）が設けられ、
上記排管（６）には貫通孔が形成され、該貫通孔に上記尿素水噴射弁（１）が挿し込まれており、該尿素水噴射弁（１）の上記先端は、上記排管（６）の内面よりも上記排管（６）の内側に位置していることを特徴とする尿素ＳＣＲシステム。
Ｃｒ−１０Ｃ＋２Ｎｉ≧２．１８×１０^−３ｔ^２−１．８７×１０^−１ｔ＋９・・・（１）
但し、上記式（１）における元素記号は、その元素の質量％を意味し、元素記号の前の数値は定数であり、ｔは上記ノズルボディ（２）及び上記ニードル（３）に接触する上記尿素水（４）の最高温度（℃）であり、上記ステンレス鋼はＣ：０．２質量％以下（０質量％含む）、Ｎｉ：３〜１１質量％、Ｃｒ：１２質量％以上を含有する。
上記尿素水（４）の最高温度ｔは８０〜１６０℃であることを特徴とする請求項１に記載の尿素ＳＣＲシステム。
上記ステンレス鋼は、さらに、Ｃｕ：０．３質量％以下（０質量％含む）、Ａｌ：０．１質量％以下（０質量％含む）、Ｍｏ：２．０〜４．０質量％、Ｎ：０．２質量％以下（０質量％含む）を含有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の尿素ＳＣＲシステム。