JP6457883B2 - 冷却構造 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に添加剤を噴射する噴射弁を冷却する冷却構造に関する。

従来、内燃機関から排出される排気ガスを浄化するシステムの一つに尿素ＳＣＲシステム（ＳＣＲ：Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）が知られている。この尿素ＳＣＲシステムにあっては、内燃機関の排気通路に、排気ガス中のＮＯｘを還元浄化するための触媒部が設けられるとともに、その触媒部の上流に添加剤としての尿素水（還元剤）を噴射する噴射弁が設けられる。

ここで、排気ガスは高温であり、噴孔が形成された噴射弁のノズル先端部は高温の排気ガスにさらされる。ノズル先端部が高温になると、ノズル先端部に排気ガス中に含まれる異物（ＰＭ（粒子状物質）、未燃燃料、潤滑油、添加剤、又はこれらが化学反応して生成された物質）がデポジットとして付着しやすくなり、デポジットが噴孔を詰まらせる等の不具合を誘発するおそれがある。

このような問題に対し、噴射弁のノズルを取り囲むように、内部に管路が形成された構造物を設け、その管路に冷却液を循環させることで、ノズルを冷却する技術が従来より知られている（例えば特許文献１参照）。特許文献１では、さらに、管路が形成されたジャケット（構造物）とボディ（ノズル）の間に、ボディよりも熱伝達率の高い材質の熱伝導部材を設ける技術が開示されている。

特開２００９−１７４４８６号公報

しかしながら、冷却液の温度や量等の条件によっては、噴射弁の冷却効率が低くなり、ノズル先端部の温度を目標値以下に抑制できない場合がある。例えば、冷却液の温度が高いと、冷却液と管路の壁面との間の温度差が小さくなり、壁面から冷却液への熱伝達量が低下、つまりノズルの冷却効率が低下する。また、冷却液量が少ない条件でもノズルの冷却効率が低下する。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、噴射弁のノズルをより効率的に冷却することができる冷却構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、噴孔が形成されたノズルを有し、前記噴孔から内燃機関の排気通路に添加剤を噴射する噴射弁を冷却する冷却構造であって、
前記ノズルを取り囲むように設けられるとともに、内部に前記ノズルを冷却するための冷却液が循環する管路が形成された構造物と、
前記管路内に設けられて冷却液の流れを乱す撹拌部と、
を備えることを特徴とする。

本発明によれば、ノズルを冷却するための冷却液が循環する管路内に、冷却液の流れを乱す撹拌部を備えるので、その撹拌部により、冷却液が撹拌されて、管路の断面における冷却液の温度分布を均一にできる。よって、撹拌部を設けない場合に比べて、管路の壁面付近の冷却液の温度を下げることができ、ノズルからの熱が伝達される管路の壁面から冷却液への熱伝達量を増やすことができる。つまり、ノズルをより効率的に冷却することができる。

噴射弁及びその周辺構造の断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線でアダプタを切ったときの断面図である。 図２の枠線部１００の拡大図である。 撹拌部を設けた場合と設けない場合のそれぞれにおける、管路の断面における冷却水の温度分布を示した図である。 水路直径を種々変更したときのノズル先端部の温度変化を、撹拌部が有る場合と無い場合とで比較した図である。 図４の実験のときよりも管路に流す単位時間当たりの冷却水量を減らした場合の冷却水の温度分布を示した図である。 冷却水量を種々変更したときのノズル先端部の温度変化を、撹拌部が有る場合と無い場合とで比較した図である。 直線状の管路を採用した場合における冷却水の温度分布を示した図である。 図８上段の管路構成における水路直径を種々変更したときのノズル先端部の温度変化を、撹拌部が有る場合と無い場合とで比較した図である。 変形例１に係るアダプタの断面図である。 変形例２に係るアダプタの断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図１に示すように、噴射弁１は、車両に搭載されたディーゼルエンジン等の内燃機関の排気管２３に設置されて、排気通路２２に添加剤としての尿素水を噴射する装置である。噴射弁１より下流の排気通路２２には排気ガス中のＮＯｘを選択的に還元浄化するＳＣＲ触媒が設置されている。噴射弁１から添加された尿素水が排気熱により加水分解されることによりアンモニア（ＮＨ３）が生成される。そのアンモニアとＮＯｘとの還元反応がＳＣＲ触媒において行われることで、ＮＯｘは水や窒素に分解（浄化）する。このように、噴射弁１は尿素ＳＣＲシステムの一部を構成する。

噴射弁１は、噴射弁１の中心線Ｌ１（図１参照）が例えば排気管２３に対して直角となるように設置されるが、例えばＳＣＲ触媒のほう（下流側）に傾いて設置されたとしても良い。噴射弁１は、特許文献１に記載の噴射弁と同様の構造を有している。詳しくは、噴射弁１は、円筒状のハウジング２と、そのハウジング２の一方の端部に接続された本発明のノズルに相当する円筒状のノズルボディ３とを備える。ハウジング２の、ノズルボディ３が設けられる側と反対側の端部には、タンクに貯蔵された尿素水が供給される尿素水入口が形成されており、その尿素水入口を介してハウジング２及びノズルボディ３の内部に尿素水が流入する。

ノズルボディ３は、ハウジング２と同軸に設けられている。そのノズルボディ３は、特許文献１に記載のようにノズルホルダ及びそのノズルホルダの内側に設けられるノズルボディ等、複数の部材の組み合わせにより構成されたとしても良いし、一つの母材から一体に構成されたとしても良い。

ノズルボディ３の先端部４は、先端に近づくにつれて内径が小さくなる円錐状の内壁面に弁座部を有している。また、先端部４の端面（ノズル先端面）には尿素水を噴射する複数の噴孔５が形成されている。噴孔５が形成されたノズル先端面が排気通路２２に露出している。詳しくは、噴射弁１が設けられる排気管２３の部分には開口２４が形成されており、先端部４はその開口２４内に位置している。

ハウジング２及びノズルボディ３の内部に形成される収容室には、ニードル（弁体）が軸方向へ往復移動可能に収容されている。そのニードルはノズルボディ３と概ね同軸上に配置されており、ノズルボディ３との間に尿素水が流れる尿素水通路を形成する。また、ニードルの端部には、先端部４の内部に形成された弁座部と当接可能なシール部が形成されている。

噴射弁１は、ニードルを駆動するソレノイド等から構成された駆動部を備えている。駆動部のソレノイドが通電されていないときには、ニードルの端部に形成されたシール部が弁座部に着座することで、尿素水通路が遮断されて、噴孔５からの尿素水噴射が停止される。一方、ソレノイドが通電されると、ニードルが弁座部から離れる方向に移動し、この移動により、尿素水通路が開放されて噴孔５から尿素水が噴射される。

噴射弁１はアダプタ７により排気管２３に取り付けられている。そのアダプタ７は、本発明の構造物に相当し、ノズルボディ３を取り囲むように設けられる。アダプタ７は例えばアルミニウム製とされる。また、アダプタ７には円筒状の貫通孔８が形成されており、ノズルボディ３の全体及びハウジング２の一部がその貫通孔８に挿入されている。このとき、ノズルボディ３の大部分（先端からの一部）が貫通孔８の壁面に接触している。なお、特許文献１と同様に、ノズルボディ３と貫通孔８（アダプタ７）の間に、ノズルボディ３よりも熱伝導率の高い材質の熱伝導部材が設けられたとしても良い。

アダプタ７は、貫通孔８の軸線に対して直角方向に突出した板状のフランジ部９を有する（図２も参照）。そのフランジ部９は、アダプタ７の先端側（排気管２３側の端部）において、互いに反対方向に突出する形で２箇所に形成されている。また、各フランジ部９は、図２に示すように、排気管２３に固定するためのボルトが挿入される貫通孔１０が形成されている。つまり、アダプタ７は、貫通孔１０に挿入されたボルトにより、排気管２３に取り付けられている。また、噴射弁１は、ノズルボディ３が貫通孔８に挿入されることにより、アダプタ７によって支持されている。

なお、排気管２３とフランジ部９の間には板状のシール部材２５が設けられている。そのシール部材２５は、例えば膨張黒鉛により形成され、排気ガスが外部に漏れてしまうのを抑制し、またアダプタ７や噴射弁１に排気ガスの熱が伝達するのを抑制する役割を有する。

また、ノズル先端面を除いてノズル先端部４を覆うようにプレート部材２６が設けられている。このプレート部材２６は、ノズル先端部４が挿入される筒状部２６ａと、筒状部２６ａの先端から筒状部２６ａの径方向内側に突出した先端部２６ｂと、筒状部２６ａの根本から筒状部２６ａの径方向外側に突出した根本部２６ｃとを有する。筒状部２６ａの内径は、ノズル先端部４を覆うアダプタ７の部分７ａ（図１参照。以下、アダプタ先端部いう）の径よりも大きくなっている。したがって、筒状部２６ａとアダプタ先端部７ａの間には隙間が形成されている。この隙間により、アダプタ先端部７ａ及びノズル先端部４に高温の熱が伝達されるのを抑制している。

また、先端部２６ｂの中央には開口が形成されており、この開口からノズル先端面が露出している。根本部２６ｃは、アダプタ７と排気管２３の間で挟み込まれている。これによって、プレート部材２６は固定されている。プレート部材の材質は例えばステンレス製とすることができる。これにより、プレート部材２６に、噴射された尿素水に対する耐腐食性や、高温の排気ガスに対する耐熱性を備えさせることができる。

アダプタ７の説明に戻って、アダプタ７の内部には、ノズルボディ３を冷却するための冷却液が循環する管路１１が形成されている。この管路１１には、冷却液として内燃機関の冷却水が流れる。管路１１は、図１、図２に示すように、ノズルボディ３の高さ位置においてノズルボディ３を取り囲むように形成されている。詳しくは、図２に示すように、管路１１は、図２の方向から見てノズルボディ３より右側の位置においてフランジ部９の突出方向に交差する方向に伸びた第１管路１３と、図２の方向から見てノズルボディ３より奥側の位置においてフランジ部９の突出方向と略平行な方向に伸びた第２管路１４と、図２の方向から見てノズルボディ３より左側の位置においてフランジ部９の突出方向に交差する方向に伸びた第３管路１５とから構成されている。

冷却水は図２に示すａからｂの方向に流れる。すなわち、第１管路１３の一端には冷却水の入口１２が形成されている。第１管路１３の他端に、第２管路１４の一端が接続され、第２管路１４の他端に第３管路１５の一端が接続されている。第３管路１５の他端には冷却水の出口１６が形成されている。入口１２から導入された冷却水は、第１管路１３、第２管路１４、第３管路１５の順に流れて、出口１６からアダプタ７の外に出る。なお、入口１２及び出口１６には、アダプタ７の外側に設けられた外部管路が接続されている。

また、図３に示すように、第２管路１４の一端に続く形で第２管路１４の形成時にドリルにより開いた加工孔１７が形成されている。その加工孔１７には埋栓１８が配置されており、加工孔１７から冷却水が漏れないようになっている。

埋栓１８の第２管路１４に面した端面１９には、第２管路１４内に突出した突出部２０が接続されている。また、第２管路１４には、第２管路１４が伸びた方向に沿って、その方向の回りに螺旋状を形成する螺旋状部２１（撹拌部）が配置されている。その螺旋状部２１は、線状部材を螺旋状に巻いたコイルバネ（つるまきばね）の形状を有する。突出部２０が、螺旋状部２１の内側の空間に挿入されている。なお、螺旋状部２１への突出部２０の挿入範囲は、螺旋状部２１の一部範囲となっている。これにより、突出部２０により、冷却水の流れが阻害されるのを抑制できる。

螺旋状部２１の内径は、突出部２０の径と略同じとなっている。そのため、螺旋状部２１の内周部は突出部２０の側面に接触している。つまり、突出部２０（埋栓１８）は螺旋状部２１を動かないようにガイドする機能、言い換えると螺旋状部２１を支持する機能を有する。これによって、螺旋状部２１が第２管路１４の径方向や、長さ方向に動いてしまうのを抑制できる。このように、埋栓１８を利用することで、螺旋状部２１の支持構造を容易に形成できる。

螺旋状部２１の長さは長いほうが好ましく、本実施形態では、第２管路１４の全範囲をカバーする長さとなっている。また、螺旋状部２１の外径は第２管路１４の径より若干小さい径となっている。このように、螺旋状部２１と、第２管路１４の壁面との隙間を小さくすることで、第２管路１４の壁面付近の冷却水の流れを速くでき、流れが速くなることで、管路壁面から熱を奪いやすくできる。

なお、本実施形態では、第２管路１４のみに螺旋状部２１を設けた例を説明しているが、第２管路１４に加えて又は代えて、第１管路１３や第３管路１５に螺旋状部を設けても良い。すなわち、管路１１の壁面付近の冷却水の温度が高くなりやすい箇所、言い換えると、管路断面の冷却水の温度分布が不均一になりやすい箇所に螺旋状部を設けるのが好ましい。

次に、本実施形態の作用効果を説明する。管路１１を冷却水が循環することで、アダプタ７が冷却され、アダプタ７が冷却されることでノズルボディ３が冷却される。ここで、図４は、図３の螺旋状部２１と同様の撹拌部を設けた場合（図４（ａ））と設けない場合（図４（ｂ））のそれぞれにおける、管路の断面における冷却水の温度分布の実験結果を示している。図４（ａ）、（ｂ）の結果は、第２管路１４のノズルボディ３付近の断面１０１（図４上段の管路構成図参照）における温度分布を示している。また、図４（ａ）、（ｂ）において、左側にノズルボディ３が配置されている。

図４（ｂ）に示すように、管路に撹拌部を設けないとすると、管路の断面における冷却水の温度は、断面中央付近に比べて、管路の壁面付近が高くなりやすい。これは、管路の壁面は、高温の排気ガスに晒されるノズル先端部からの熱が伝達されるため高くなっており、壁面付近を流れる冷却水は、高温の壁面に接触しているためである。図４（ｂ）では、ノズルボディが設けられた左側の温度が特に高くなっている。管路の壁面付近の冷却水の温度が高くなると、壁面と冷却水の温度差（温度勾配）が小さくなり、壁面から冷却水への熱伝達量が低下、つまりノズルボディの冷却効率が低下する。

これに対し、管路に撹拌部を設けると、撹拌部（図３の螺旋状部２１）によって冷却水の流れが乱される（撹拌される）。つまり、管路壁面付近の高温の冷却水が断面中央付近の低温側に移動し、断面中央付近の低温の冷却水が管路壁面付近に移動する。特に、撹拌部を図３に示す螺旋状部２１とすることで、螺旋状部２１の螺旋に沿って冷却水の旋廻流を生じさせることができる。これにより、冷却水が流れにくくなるのを抑制しつつ、効果的に冷却水を撹拌できる。この結果、図４（ａ）に示すように、管路の断面における各位置間の冷却水の温度差を小さくでき、また管路壁面付近の冷却水の温度を下げることができる。よって、管路壁面と、管路壁面付近の冷却水の温度差（温度勾配）を大きくできるので、管路壁面から冷却水への熱伝達量を増やすことができ、ひいてはノズルボディ３の冷却性能を向上できる。これによって、ノズル先端部へのデポジットの付着を抑制でき、噴孔を詰まらせるなどの不具合の発生を抑制できる。

ここで、図５は、図４上段の管路構成（図２の管路構成）における管路直径（水路直径）を種々変更したときのノズル先端部の温度変化を、撹拌部が有る場合と無い場合とで比較した図である。図５に示すように、撹拌部の有無にかかわらず、水路直径が大きいほどノズル先端部の温度が低くなる。これは、水路直径が大きいと、管路を流れる水量が増え、また管路壁面と冷却水との接触面積が大きくなり、熱を奪いやすくなるためである。

一方、図５において、撹拌部の有無で比較すると、いずれの水路直径においても、撹拌部が有る場合には無い場合に比べてノズル先端部の温度が低くなっている。このことから、撹拌部を設けることで、どのような水路直径であっても、ノズル先端部の冷却性能を向上できることが分かる。

また、図６は、図４の実験のときよりも管路に流す単位時間当たりの冷却水量を減らした場合における、管路断面１０１（図６上段の管路構成図参照）の冷却水の温度分布の実験結果を示している。図６（ａ）は撹拌部を設けた場合の温度分布を示し、図６（ｂ）は撹拌部を設けない場合の温度分布を示している。図６に示すように、冷却水量が少ない条件であっても、撹拌部を設けることで、管路断面における冷却水の温度分布の均一性を向上でき、管路壁面付近の冷却水の温度を下げることができる。

図７は、図６上段の管路構成（図２の管路構成）における冷却水量を種々変更したときのノズル先端部の温度変化を、撹拌部が有る場合と無い場合とで比較した図である。図７に示すように、撹拌部の有無にかかわらず、冷却水量が多いほどノズル先端部の温度が低くなる。これは、冷却水量が多いと、冷却水の流速が速くなるので、熱を奪いやすくなるためである。反対に、冷却水量が少ないと、管路壁面から熱を奪った冷却水が管路内に長く留まることになるので、熱を奪いにくくなる。

一方、図７において、撹拌部の有無で比較すると、いずれの冷却水量においても、撹拌部が有る場合には無い場合に比べてノズル先端部の温度が低くなっている。このことから、撹拌部を設けることで、どのような冷却水量であっても、ノズル先端部の冷却性能を向上できることが分かる。

図８は、図２の管路構成を変更して、ノズルボディ３付近に直線状の管路２７（図８上段参照）を採用した場合における管路断面１０２の冷却水の温度分布の実験結果を示している。図８（ａ）は、管路断面１０２に図３の螺旋状部２１と同様の撹拌部を設けた場合の温度分布を示し、図８（ｂ）は撹拌部を設けない場合の温度分布を示している。図８に示すように、直線状の管路２７の構成であっても、撹拌部を設けることで、管路断面における冷却水の温度分布の均一性を向上でき、管路壁面付近の冷却水の温度を下げることができる。

図９は、図８上段の管路構成における管路直径（水路直径）を種々変更したときのノズル先端部の温度変化を、撹拌部が有る場合と無い場合とで比較した図である。図９に示すように、いずれの水路直径においても、撹拌部が有る場合には無い場合に比べてノズル先端部の温度が低くなっている。このことから、撹拌部を設けることで、どのような管路構成のどのような水路直径であっても、ノズル先端部の冷却性能を向上できることが分かる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載を逸脱しない限度で種々の変更が可能である。ここで、図１０は、変形例１に係るアダプタ７の断面図を示している。図１０の断面図は、図１のＩＩ−ＩＩ線でアダプタ７を切ったときの断面図である。なお、図１０において、図２と同様の構成には同一の符号を付している。図１０に示すように、第２管路１４の壁面に螺旋状の溝２８又は凸部（めねじ構造と同様の溝又は凸部）を形成しても良い。これによっても上記実施形態と同様の作用効果が得られる。加えて、管路とは別部材の螺旋状部２１（図３参照）やそれを支持する突出部２０（図３参照）を設ける必要が無いので、構成を簡素にできる。なお、溝２８が本発明の撹拌部、螺旋状部に相当する。

図１１は、変形例２に係るアダプタ７の断面図を示している。図１１の断面図は、図１のＩＩ−ＩＩ線でアダプタ７を切ったときの断面図である。なお、図１１において図２と同様の構成には同一の符号を付している。図１１に示すように、埋栓１８の端面１９には、第２管路１４が伸びた方向に伸びた断面円状の棒状部２９が設けられている。その棒状部２９は、第２管路１４のほぼ全範囲に及ぶ長さを有する。棒状部２９の外周部には螺旋状の溝３０又は凸部（おねじ構造と同様の溝又は凸部）が形成されている。これによっても上記実施形態と同様の作用効果が得られる。なお、棒状部２９が本発明の撹拌部、螺旋状部に相当する。

また、上記実施形態では、撹拌部として螺旋状部を採用した例を説明したが、管路内に螺旋状以外の凹凸部を設けても良い。これによっても、冷却水の流れを乱す（撹拌する）ことができるので、管路断面における冷却水の温度分布を均一にでき、管路壁面（ノズルボディ）から冷却水への冷却効率を向上できる。

１ 噴射弁
３ ノズルボディ
５ 噴孔
７ アダプタ
１１ 管路
２１ 螺旋状部
２２ 排気通路
２８ 溝
２９ 棒状部

Claims (7)

1. 噴孔（５）が形成されたノズル（３）を有し、前記噴孔から内燃機関の排気通路（２２）に添加剤を噴射する噴射弁（１）を冷却する冷却構造であって、
   前記ノズルを取り囲むように設けられるとともに、内部に前記ノズルを冷却するための冷却液が循環する管路（１１）が形成された構造物（７）と、
   前記管路内に設けられて冷却液の流れを乱す撹拌部（２１、２８、２９）と、
   を備え、
   前記撹拌部は、前記管路が伸びた方向の回りに螺旋状を形成する螺旋状部であり、
   前記螺旋状部（２１）は、線状部材を螺旋状に巻いた形状を有することを特徴とする冷却構造。
2. 噴孔（５）が形成されたノズル（３）を有し、前記噴孔から内燃機関の排気通路（２２）に添加剤を噴射する噴射弁（１）を冷却する冷却構造であって、
   前記ノズルを取り囲むように設けられるとともに、内部に前記ノズルを冷却するための冷却液が循環する管路（１１）が形成された構造物（７）と、
   前記管路内に設けられて冷却液の流れを乱す撹拌部（２１、２８、２９）と、
   を備え、
   前記撹拌部は、前記管路が伸びた方向の回りに螺旋状を形成する螺旋状部であり、
   前記螺旋状部は、前記管路が伸びた方向に伸びて、外周部に螺旋状の溝（３０）又は凸部が形成された棒状部（２９）であることを特徴とする冷却構造。
3. 噴孔（５）が形成されたノズル（３）を有し、前記噴孔から内燃機関の排気通路（２２）に添加剤を噴射する噴射弁（１）を冷却する冷却構造であって、
   前記ノズルを取り囲むように設けられるとともに、内部に前記ノズルを冷却するための冷却液が循環する管路（１１）が形成された構造物（７）と、
   前記管路内に設けられて冷却液の流れを乱す撹拌部（２１、２８、２９）と、
   を備え、
   前記撹拌部は、前記管路の形成時に開いた加工孔（１７）の埋栓（１８）に支持されたことを特徴とする冷却構造。
4. 前記撹拌部は、前記管路が伸びた方向の回りに螺旋状を形成する螺旋状部であることを特徴とする請求項３に記載の冷却構造。
5. 前記螺旋状部（２１）は、線状部材を螺旋状に巻いた形状を有することを特徴とする請求項４に記載の冷却構造。
6. 前記螺旋状部は、前記管路の壁面に螺旋状に形成された溝（２８）又は凸部であることを特徴とする請求項４に記載の冷却構造。
7. 前記螺旋状部は、前記管路が伸びた方向に伸びて、外周部に螺旋状の溝（３０）又は凸部が形成された棒状部（２９）であることを特徴とする請求項４に記載の冷却構造。

Images