JP6972991B2 - 還元剤噴射装置 - Google Patents

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Description

この明細書による開示は、還元剤噴射装置に関する。
内燃機関の排気が通る排気通路内に尿素水等の還元剤を供給する還元剤噴射装置として、例えば特許文献1には、還元剤噴射装置に供給する還元剤がタンクに貯留されており、還元剤噴射装置からタンクに還元剤を吸い戻す、という技術が開示されている。この還元剤噴射装置では、噴孔としてのオリフィスが設けられたボディとしてのハウジングに弁体としてのアマーチャが収容されており、ハウジングの内周面とアマーチャの外周面との間に通じる所定通路がアマーチャに設けられている。上記特許文献1は、ハウジングとアマーチャとの間に滞留する還元剤が所定通路を通じて吸い戻される、としている。
特開2015−117681号公報
しかしながら、上記特許文献1の構成でも、タンクに吸い戻しきれずにボディと弁体との間に還元剤が溜まることが想定される。この場合、ボディと弁体との間に溜まった還元剤から析出物が析出すると、この析出物により弁体が適正に動作せず、還元剤噴射装置から還元剤が適正に噴射されなくなる、ということが懸念される。
本開示の主な目的は、還元剤を適正に噴射させることができる還元剤噴射装置を提供することにある。
上記目的を達成するため、開示された第1の態様は、
内燃機関(300)の排気に対して還元剤を噴射する還元剤噴射装置(10)であって、
還元剤を噴射する噴孔(20a)が形成されたボディ(20)と、
ボディにより形成され、噴孔に還元剤を供給する供給流路(21)と、
噴孔から還元剤を噴射させる開弁位置と、噴孔から還元剤を噴射させない閉弁位置と、に移動する弁体(30)と、
ボディの内周面のうち供給流路を形成する流路形成面(43)に含まれ、弁体が閉弁位置にある場合に弁体が着座する着座面(44)と、
流路形成面に含まれ且つ着座面の上流端部(44a)から延びた着座上流面(48)が、着座面を上流側に向けて延長させた仮想の延長線(LE)を越えてボディの外側に向けて凹むことで、形成された延長凹部(71)と、
を備え
延長凹部は、ボディの軸方向(α)において、着座面の上流端部(44a)よりも噴孔側に凹んでいる、還元剤噴射装置である。
上記態様によれば、ボディの着座上流面には延長凹部が設けられているため、延長凹部により供給流路がボディの外周側に拡張される。このため、弁体が閉弁位置にある場合に、ボディの流路形成面と弁体の外周面との間に溜まった還元剤から析出物が析出したとしても、この析出物が弁体の外周面に接触する面積が、供給流路が延長凹部により拡張された分だけ小さくなる。この場合、析出物が弁体の外周面に付着しにくくなるため、弁体が閉弁位置から開弁位置に移動する際に、ボディに対する弁体の相対的な移動が析出物により阻害されるということを抑制できる。したがって、還元剤噴射装置により還元剤を適正に噴射することができる。
なお、特許請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものにすぎず、技術的範囲を限定するものではない。
第1実施形態における浄化システムを説明するためのブロック図。 噴射弁の排気管への装着状態を示す断面図。 噴射弁の概略構成を示す断面図。 図3において逃がし凹部周辺の拡大図。 図4のV−V線断面図。 尿素水流路での析出物の析出態様について説明するための図。 第1実施形態とは異なり逃がし凹部がない噴射弁において、尿素水流路での析出物の析出態様について説明するための図。 噴射弁が傾斜している場合において、尿素水流路での析出物の析出態様について説明するための図。 第1実施形態とは異なり逃がし凹部がない噴射弁が傾斜している場合において、尿素水流路での析出物の析出態様について説明するための図。 逃がし領域の容積と摺動抵抗との関係について説明するための図。 第2実施形態における噴射弁の逃がし凹部周辺の拡大図。 変形例1における噴射弁の逃がし凹部周辺の拡大図。 変形例2における噴射弁の逃がし凹部周辺の拡大図。
以下、本開示の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、各実施形態において対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明を省略する場合がある。各実施形態において構成の一部分のみを説明している場合、当該構成の他の部分については、先行して説明した他の実施例の構成を適用することができる。また、各実施形態の説明において明示している構成の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても複数の実施形態の構成同士を部分的に組み合わせることができる。そして、複数の実施形態及び変形例に記述された構成同士の明示されていない組み合わせも、以下の説明によって開示されているものとする。
(第1実施形態)
浄化システム200は、エンジン300の燃焼駆動によって発生した排ガスを浄化する。図1に示すように浄化システム200は、エンジン300の排気管310に設けられている。エンジン300が内燃機関に相当する。
浄化システム200は、添加装置100、SCR触媒400、および、センサ500を有する。添加装置100は尿素水を排気管310に添加する。尿素水は排気管310内で加水分解され、アンモニアが生成される。このアンモニアがSCR触媒400に添加される。SCR触媒400はこの添加されたアンモニアを貯蔵する。そしてSCR触媒400は、貯蔵したアンモニアと排ガス中のNOxとを反応させる。こうすることでNOxが水や窒素に分解される。すなわち、アンモニアによりNOxの還元が行われる。この場合、尿素水が還元剤に相当する。なお、NOxの還元反応においては、厳密に言うとアンモニアが還元剤して作用することになるが、本実施形態では、添加装置100により排気管310に添加される尿素水を還元剤とする。
センサ500は、第1NOxセンサ501、第2NOxセンサ502、第1排気温センサ503、および、第2排気温センサ504を備えている。エンジン300からその下流に向かって、第1NOxセンサ501、第1排気温センサ503、添加装置100、第2排気温センサ504、SCR触媒400、および、第2NOxセンサ502が順に並んで排気管310に設けられている。
以上に示した並び順のため、第1NOxセンサ501はエンジン300から排出された排ガスに含まれるNOxを検出する。第1排気温センサ503はエンジン300から排出された排ガスの温度を検出する。第2排気温センサ504はSCR触媒400に流入する排ガスの温度を検出する。第2NOxセンサ502はSCR触媒400によって浄化された排ガスに含まれるNOxを検出する。また添加装置100が排気管310に尿素水を噴射することで、排ガスに尿素水が添加されるとともに、下流に位置するSCR触媒400にアンモニアが添加される。
添加装置100は噴射弁10を有する。噴射弁10は、開弁状態と閉弁状態とに移行可能になっており、開弁状態にある場合に尿素水の噴射を行い、閉弁状態にある場合に尿素水の噴射を行わない。図2に示すように、噴射弁10は装着装置600によって排気管310に装着されている。排気管310は内面310aと外面310bを有する。排気管310には内面310aと外面310bとを貫通する貫通孔310cが形成されている。この貫通孔310cの外面310b側に、装着装置600によって噴射弁10が固定されている。噴射弁10の先端は排気管310内の空間を通る排ガスに晒されている。
装着装置600は、排気管310の外周面に対してボルト等により固定されている。装着装置600は、この装着装置600を貫通した装着孔606を有しており、噴射弁10は、この装着孔606に挿入された状態で装着装置600により支持されている。この場合、噴射弁10は、その先端部が下端になるように鉛直方向に対して傾斜した状態になっており、後述する軸線CAが鉛直方向に対して傾斜している。
次に、添加装置100を詳説する。図1に示すように添加装置100は、噴射弁10、尿素水タンク60、ポンプ61、DCU62、および、配管90を有する。噴射弁10とポンプ61とは配管90を介して連結されている。そしてポンプ61は尿素水タンク60に連結されている。これにより噴射弁10と尿素水タンク60との間において、ポンプ61と配管90を介して尿素水が流動可能になっている。
DCU62は噴射弁10とポンプ61それぞれと電気的に接続されている。DCU62は噴射弁10の開閉とポンプ61の回転を制御する。DCU62はポンプ61を回転制御することで尿素水タンク60に貯留された尿素水を噴射弁10に供給する。そしてDCU62は噴射弁10を開弁制御することで噴射弁10の先端から尿素水を噴射する。またDCU62はポンプ61を回転制御することで噴射弁10内の尿素水を尿素水タンク60に吸い戻す。この際、DCU62は噴射弁10を開閉制御することで噴射弁10から尿素水タンク60への尿素水の吸い戻しを促進する。
ポンプ61は、正逆方向に回転可能になっている。ポンプ61が正回転すると、尿素水タンク60から噴射弁10へと向かう正圧が配管90に発生する。これにより尿素水タンク60内の尿素水が、配管90を介して噴射弁10に圧送される。一方、ポンプ61が逆回転すると、噴射弁10から尿素水タンク60へと向かう負圧が配管90に発生する。これにより噴射弁10内の尿素水が、配管90を介して尿素水タンク60に吸い戻される。
DCU62はdosing control unitの略である。DCU62は、エンジン300が燃焼駆動している際に、ポンプ61を正回転に駆動して噴射弁10に尿素水を供給するとともに、噴射弁10を開閉制御する。これによりDCU62は噴射弁10から排気管310に噴射される尿素水量を制御する。またエンジン300が燃焼駆動を停止すると、DCU62はポンプ61を逆回転に駆動するとともに、噴射弁10を開閉制御する。これによりDCU62は噴射弁10から尿素水を吸い戻す。
添加装置100は、図1に示すように尿素水圧を検出する圧力センサ91と、尿素水の温度を検出する温度センサ92を有する。これら圧力センサ91と温度センサ92の検出信号はDCU62に入力される。
噴射弁10は、尿素水を排気管310に噴射する噴射弁であり、還元剤噴射装置に相当する。排気管310においては、尿素水が噴射弁10から排気に対して噴射される。噴射弁10は、図3に示すように、ボディ20、弁体30、バネ40、および、電磁部50を有する。ボディ20は尿素水の流通する尿素水流路21を内部に構成している。この尿素水流路21に弁体30とバネ40が設けられている。バネ40は弁体30に付勢力を付与する。これにより尿素水流路21が閉塞される。この結果、噴射弁10は閉弁される。なお、尿素水流路21が噴孔20aに尿素水を供給する供給流路に相当する。
電磁部50はボディ20に設けられる。電磁部50は磁気回路を形成する。これにより弁体30がバネ40の付勢力に抗して動かされ、尿素水流路21が開放される。この結果、噴射弁10が開弁される。以下、噴射弁10の各構成要素を詳説する。
ボディ20は、ノズルボディ部22、非磁性部材23、導入部24、および、噴孔部25を有する。ノズルボディ部22、非磁性部材23、および、導入部24のそれぞれは筒形状を成している。ボディ20の軸線CAが延びる方向を軸方向αと称すると、ノズルボディ部22、非磁性部材23及び導入部24の各軸線は、いずれも軸方向αに延びており、軸線CAに一致している。また、弁体30の移動方向は軸方向αになっている。さらに、軸方向αに直交する方向を径方向βと称すると、径方向βはボディ20の径方向に一致する。なお、径方向βが軸方向αに直交する直交方向に相当する。
ノズルボディ部22、非磁性部材23、および、導入部24によって、2つの開口部を有する筒が構成されている。一方の開口部はノズルボディ部22の先端で構成されている。他方の開口部は導入部24の先端で構成されている。ノズルボディ部22の先端とは反対側の端部、および、導入部24の先端とは反対側の端部それぞれが非磁性部材23の端部と機械的に連結されている。
図4に示すように、ボディ20の先端部には噴孔20aが複数設けられており、これら噴孔20aは尿素水流路21に通じている。ボディ20においては、ノズルボディ部22の先端に噴孔部25が固定されており、この噴孔部25に噴孔20aが形成されている。図3の説明に戻り、導入部24において噴孔20aとは反対側の端部に配管90が連結される。配管90から尿素水流路21に尿素水が流入される。この尿素水が噴孔20aから排気管310に噴射される。逆に、尿素水を吸い戻す場合、噴孔20aから尿素水流路21に空気が流入される。これにより尿素水流路21内の尿素水が配管90を介して尿素水タンク60に戻される。
ノズルボディ部22は磁性材料からなる。ノズルボディ部22は母材を切削加工などによって形状を整えることで製造される。ノズルボディ部22の中空に弁体30、後述の可動コア56の一部、および、バネ40の一部が設けられている。
非磁性部材23は、その名の示す通り、非磁性材料から成る。非磁性部材23は、電磁部50によって形成される磁気回路の、可動コア56への通過が妨げられることを抑制する機能を果たす。非磁性材料としては、例えばセラミックを採用することができる。
上記したように非磁性部材23はノズルボディ部22と導入部24とを機械的に連結する機能も果たす。非磁性部材23の中空には、可動コア56、バネ40、および、後述の固定コア55それぞれの一部が設けられている。
導入部24は、磁性材料から成る。導入部24は母材を切削加工などによって形状を整えることで製造される。
導入部24の中空に固定コア55の一部が設けられている。固定コア55は筒形状を成している。固定コア55の外側面は導入部24の内周面と接触している。固定コア55は導入部24に固定されている。
また固定コア55の中空に圧入部材26の一部が設けられている。圧入部材26は筒形状を成す。圧入部材26は導入部24の配管90の連結される開口部からその内部へと挿入される。そして圧入部材26は固定コア55の中空に圧入される。これにより圧入部材26の外側面と固定コア55の内側面との間に圧入部材26の復元力が発生する。この復元力によって、圧入部材26は固定コア55を介して導入部24に固定されている。
導入部24の配管90の連結される開口部側の中空には、フィルタ24aが設けられている。フィルタ24aは金属から成り、網目構造を有している。配管90を介して導入部24の構成する尿素水流路21に流入した尿素水はフィルタ24aを通過する。これにより尿素水に含まれるゴミがフィルタ24aによって除去される。このフィルタ24aによってゴミの除去された尿素水が、圧入部材26と固定コア55の構成する中空へと流れる。
導入部24の配管90の連結される開口部を構成する端部の外側面には、Oリング24bとストッパ24cが設けられている。またこの外側面には、ストッパ24cを設けるための環状の溝部24dが形成されている。図3に示すように、軸方向αにおいてノズルボディ部22から導入部24に向かう方向に、Oリング24bとストッパ24cが順に並んでいる。これにより、ストッパ24cによってOリング24bが導入部24から外れることが抑制されている。
噴孔部25はノズルボディ部22の先端の開口部に設けられる。噴孔部25は、図4に示すように、ノズルボディ部22に固定される先端ボディ部41と、噴孔20aが形成された先端カバー部42と、を有する。先端ボディ部41及び先端カバー部42の各軸線は、いずれも軸方向αに延びており、軸線CAに一致している。
先端ボディ部41は筒形状を成す。先端ボディ部41はノズルボディ部22の中空に設けられる。先端ボディ部41の外面がノズルボディ部22の内面に溶接接合されている。先端ボディ部41と中空とノズルボディ部22の中空とが連通している。
先端ボディ部41の内径は不定である。先端ボディ部41の内周面には、尿素水流路21を形成する流路壁面43が含まれている。流路壁面43は、全体として軸線CAの周りに延びた円環状になっている。流路壁面43は、弁体30が着座する円環状の着座面44を有している。着座面44は、軸方向αにおいて噴孔20aから導入部24側に向けて徐々に径が広がるテーパ形状を成している。なお、流路壁面43が流路形成面に相当する。
先端カバー部42は筒形状を成す。先端カバー部42の中空に先端ボディ部41の排気管310側の端部が設けられる。先端カバー部42の内面に先端ボディ部41の外面が溶接接合されている。先端ボディ部41の排気管310側の開口部を先端開口部41aと称すると、この先端開口部41aは先端カバー部42により覆われている。
噴孔20aは、先端カバー部42において先端ボディ部41の先端開口部41aを覆っている部分に、噴孔20aの少なくとも一部が配置される位置に配置されている。これにより、噴孔20aの少なくとも一部が先端開口部41aを介して尿素水流路21に連通している。
弁体30は、開弁位置と閉弁位置とに移動可能になっている。噴射弁10は、弁体30が開弁位置にある場合に開弁状態にあり、弁体30が閉弁位置にある場合に閉弁状態にある。弁体30は、閉弁位置にある場合にボディ20の着座面44に着座しており、開弁位置にある場合に着座面44から離座している。弁体30は母材を切削加工などによって形状を整えることで製造される。弁体30は軸方向αに延びる筒形状を成す。弁体30の軸線は軸方向αに延びており、ボディ20の軸線CAに一致している。
弁体30は自身の中空と連通する1つの開口端と、自身の中空と非連通の1つの閉口端と、を有する。弁体30の閉口端は噴孔20a側に位置する。この閉口端は弁体30の先端に相当する。弁体30の開口端は導入部24側に位置する。この開口端は弁体30の端部に相当する。
弁体30の閉口端の外面には、先端ボディ部41の着座面44と同一の傾斜角度のテーパ形状の縁部としてシート面36が形成されている。弁体30がボディ20の着座面44に着座した場合、シート面36が着座面44に接触する。シート面36と着座面44との接触部分は、軸線CAの周りを円環状に延びており、これにより、弁体30により尿素水流路21が遮断されて噴孔20aからの尿素水の噴射が停止される。径方向βにおいては、シート面36の長さ寸法が着座面44の長さ寸法より小さくなっており、シート面36は着座面44の少なくとも一部に接触している。なお、着座面44の長さ寸法がシート面36の長さ寸法より小さくなっていてもよく、この場合は、着座面44がシート面36の少なくとも一部に接触することになる。
弁体30の開口端に、可動コア56が設けられている。可動コア56は中空を有し、弁体30の中空と連通している。また可動コア56の中空と固定コア55の中空も連通している。したがって、上記したフィルタ24aによってゴミの除去された尿素水は、圧入部材26と固定コア55の構成する中空へと流れるとともに、可動コア56と弁体30の中空へも流れる。
弁体30は内周面30aと外周面30bを有する。内周面30aは弁体30の中空を構成している。上記したように弁体30の中空は可動コア56の中空と連通され、可動コア56の中空とともに尿素水の流動する尿素水流路21を構成している。
弁体30の外周面30bは先端ボディ部41とノズルボディ部22それぞれの内周面と径方向βに離れて対向している。また可動コア56の外側面はノズルボディ部22と非磁性部材23それぞれの内周面と径方向βに離れて対向している。そのため、弁体30と先端ボディ部41、および、弁体30とノズルボディ部22それぞれとの間に空間が構成されている。また可動コア56とノズルボディ部22、および、可動コア56と非磁性部材23それぞれとの間に空間が構成されている。これらの空間は上記した弁体30の中空や空隙通路と連通される。そのため、これらの空間も尿素水の流動する尿素水流路21を構成している。
尿素水流路21は、第1流通路31及び第2流通路32を有している。第1流通路31は、弁体30の中空と可動コア56の中空とによって構成される流通路であり、第2流通路32は、弁体30、先端ボディ部41、ノズルボディ部22、可動コア56、および、非磁性部材23によって構成される流通路である。
弁体30には、弁体30の中空とノズルボディ部22の中空とを連通するための第1連通孔33が形成されている。また弁体30には、弁体30の中空と先端ボディ部41の中空とを連通するための第2連通孔34が形成されている。すなわち弁体30には、第1流通路31と第2流通路32とを連通するための第1連通孔33と第2連通孔34それぞれが形成されている。これら第1連通孔33と第2連通孔34とにより、第1流通路31と第2流通路32は、噴射弁10の開弁状態と閉弁状態とによらずに連通している。
第1連通孔33は、弁体30におけるノズルボディ部22との対向面に設けられている。第2連通孔34は、弁体30における先端ボディ部41との対向面に設けられている。そのため第2連通孔34は第1連通孔33よりも噴孔20a側に位置している。本実施形態では2つの第1連通孔33が弁体30に形成されている。4つの第2連通孔34が弁体30に形成されている。
バネ40は可動コア56と弁体30に付勢力を付与するものである。バネ40は線形状の弾性材料が軸方向αにらせん状に巻き回されて成るコイルバネである。バネ40は軸方向αにおいて可動コア56と圧入部材26との間に設けられている。そして上記の圧入部材26の圧入により、バネ40は可動コア56と圧入部材26との間で軸方向αに圧縮されている。これによりバネ40は、軸方向αにおいてバネ40から離れる方向に付勢力を発生させている。このため、弁体30と可動コア56それぞれに軸方向αにおいて噴孔20a側へ向かうバネ40の付勢力が付与されている。この付勢力によって弁体30と可動コア56との接触状態が保たれている。また電磁部50によって磁気回路が形成されない場合、バネ40の付勢力により、弁体30のシート面36がボディ20の着座面44に着座している。これにより噴射弁10の閉弁状態が保たれている。
電磁部50は、ソレノイドコイル51、コネクタ52、樹脂部53、ハウジング54、固定コア55、および、可動コア56を有する。ソレノイドコイル51はコネクタ52とともに樹脂部53によって一体的に連結されている。ソレノイドコイル51は固定コア55と可動コア56の周囲を囲むように、樹脂部53によってボディ20に固定されている。
ハウジング54は筒形状を成している。ハウジング54はソレノイドコイル51と樹脂部53それぞれの周囲を囲むようにボディ20に固定されている。またハウジング54は装着装置600の本体部601の装着孔606の他端と径方向βにおいて円環状に接触している。これにより装着孔606はハウジング54とボディ20とによって閉塞されている。
固定コア55は筒形状を成している。固定コア55は導入部24と非磁性部材23の中空に設けられている。可動コア56は筒形状を成している。可動コア56は非磁性部材23とノズルボディ部22の中空に設けられている。
ハウジング54、固定コア55、および、可動コア56それぞれは磁性材料によって形成されている。上記したようにノズルボディ部22と導入部24も磁性材料によって形成されている。そして非磁性部材23は非磁性材料によって形成されている。固定コア55と可動コア56それぞれは径方向βにおいて非磁性部材23と隣り合っている。
以上により、コネクタ52を介してソレノイドコイル51に電流を流すと、それによって発生する磁束は、導入部24、固定コア55、可動コア56、ノズルボディ部22、および、ハウジング54を通る磁気回路を形成する。この磁気回路が形成されると、可動コア56はバネ40の付勢力に抗して軸方向αに沿って導入部24側へと移動しようとする。可動コア56と弁体30とは軸方向αにともに移動する。したがって磁気回路の形成による可動コア56の導入部24側への移動により、弁体30も導入部24側へと移動する。これにより弁体30のシート面36が先端ボディ部41の着座面44から離座する。この結果、噴孔20aから排気管310への尿素水の噴射がなされる。
噴射弁10に残留している尿素水を吸い戻す際に、DCU62は噴射弁10を開閉制御する。尿素水が吸い戻されるのは、噴射弁10が開弁状態の時である。噴射弁10が開弁状態になると、尿素水流路21が噴孔20aを介して排気管310と連通される。これにより、尿素水流路21においては噴孔20aから配管90に向けて逆流するように尿素水が流れる。
しかしながら尿素水は自重と粘性を有する。そのため、噴射弁10について尿素水の吸い戻しが行われても、噴射弁10内に尿素水が残留することが想定される。噴射弁10においては、噴孔20aが形成された先端部が下端になるように配置されていることに起因して、噴射弁10が閉弁状態になった後、残留した尿素水が噴孔20aに向けて下流側に集まってくる。そして、尿素水流路21において、弁体30の外周面30bとボディ20の流路壁面43との間に溜まった尿素水の水分が、排気管310や排気の熱で蒸発することなどにより、尿素水から尿素等の析出物が析出することがある。この析出物は、尿素水に比べて強度や粘性が高くなりやすく、弁体30及びボディ20に付着することで、ボディ20に対する弁体30の相対的な移動を阻害しやすい。このため、弁体30が閉弁位置から開弁位置に移動しなかったり移動しにくくなったりして、噴孔20aからの尿素水の噴射が適正に行われないことが懸念される。
これに対して、本実施形態のボディ20は、図4に示すように、弁体30とボディ20との間に溜まった尿素水を弁体30から離れる向きに逃がす逃がし凹部71を有している。ここでは、逃がし凹部71について、図4〜図10を参照しつつ説明する。
図4に示すように、ボディ20の流路壁面43は、着座面44に加えて、逃がし凹部71の内周面である逃がし面45と、弁体30を摺動させる摺動面46と、逃がし面45と摺動面46とを接続する接続面47とを有している。逃がし面45は、着座面44の上流端部44aから延びている。これら着座面44、逃がし面45、摺動面46及び接続面47は、いずれも先端ボディ部41の内周面に含まれており、いずれも軸線CAの周方向に延びた円環状になっている。例えば、図5に示すように、円状の先端開口部41aの周縁部に沿って着座面44が円環状に延びており、この着座面44の外周端に沿って逃がし凹部71が円環状に延びている。逃がし凹部71においては、軸線CAの周方向のどの部分でも軸方向αの断面形状が同じになっている。なお、図5においては、弁体30の図示を省略している。
図4の説明に戻り、摺動面46は、着座面44から尿素水流路21の上流側に向けて離間した位置に配置されている。噴射弁10においては、ボディ20に対して弁体30が摺動する摺動部分に摺動面46が配置されており、ボディ20に対して弁体30が径方向βに位置ずれすることが摺動面46により抑制される。
接続面47は、摺動面46の下流端部から尿素水流路21の下流側に向けて延びており、摺動面46から離れることで径方向βにおいて外周側に膨らんだ形状になっている。接続面47は、いずれの部分も径方向βにおいて摺動面46よりも外周側に配置されている。接続面47においては、上流端部の直径が最も小さくなっている。
流路壁面43においては、着座面44の上流端部44aから延びた部分を着座上流面48と称する。着座上流面48には、少なくとも逃がし面45、摺動面46及び接続面47が含まれている。なお、着座上流面48には、流路壁面43において摺動面46から更に上流側に延びた部分も含まれている。
着座面44がテーパ状になっていることに起因して、着座面44の上流端部44aと下流端部44bとを最短距離で真っ直ぐに結んだ線に沿って延びており、この線を尿素水流路21の上流側に延長させた着座延長線LEを仮想線として想定する。この着座延長線LEは、径方向βにおいて軸線CAから遠い部分ほど、軸方向αにおいて噴孔20aから遠ざかっていく。なお、着座延長線LEを尿素水流路21の下流側に延長させた場合、この延長部分は軸線CAを通る。
逃がし凹部71は、尿素水流路21において着座面44と摺動面46との間に設けられている。逃がし凹部71は、着座延長線LEに直交する方向において、流路壁面43の着座上流面48が着座延長線LEを越えてボディ20の外側に向けて凹んでいる。この場合、逃がし凹部71は、軸方向αにおいて着座面44の上流端部44aよりも噴孔20a側にまで凹んでおり、径方向βにおいて接続面47よりも外周側にまで凹んでいる。ただし、逃がし凹部71の凹みは、軸方向αにおいて着座面44の下流端部44bと上流端部44aとの間に位置までにとどまっている。逃がし凹部71は、着座延長線LEに直交する方向において、着座延長線LEよりもボディ20の外側に凹んだ逃がし領域71aを有している。なお、逃がし凹部71が延長凹部に相当する。
逃がし面45は、着座面44から延びた着座延び面45aと、接続面47から延びた接続延び面45bと、軸方向αにおいて最も噴孔20aに近い位置に配置された逃がし底面45cと、径方向βにおいて最も外周側に配置された逃がし縦面45dとを有している。着座延び面45aは、軸方向αにおいて着座面44の下流端部44bから噴孔20a側に向けて徐々に直径が増加するテーパ形状になっている。図6に示すように、径方向βに延びる径線Lβを仮想線として想定すると、径線Lβに対する着座面44の傾斜角度θ1は、径線Lβに対する着座延び面45aの傾斜角度θ2より大きくなっている。ここで、着座面44及び着座延び面45aがそれぞれの下流端部から延びる向きが径方向βにおいて噴孔20aから離れる向きであれば、傾斜角度θ1,θ2を正の値とし、噴孔20aに近付く向きであれば傾斜角度θ1,θ2を負の値としている。本実施形態では、径線Lβに対する着座面44の傾斜角度θ1が正の値になっている一方で、径線Lβに対する着座延び面45aの傾斜角度θ2は負の値になっている。
着座延び面45aは、軸方向αにおいて着座面44の下流端部44bを挟んで噴孔20aとは反対側に配置されている。この場合、軸方向αにおいて、着座延び面45aの長さ寸法は着座面44の長さ寸法より小さくなっている。着座延び面45aの全体が、径方向βにおいて接続延び面45bの上流端部よりも内周側に配置されている。
図4の説明に戻り、接続延び面45bは、軸方向αにおいて接続面47の下流端部から噴孔20a側に向けて徐々に直径が増加するテーパ形状になっている。接続延び面45bの全体が、軸方向αにおいて着座延び面45aを挟んで噴孔20aとは反対側に配置されている。なお、着座延長線LEが、着座面44よりも径方向βでの外側において接続延び面45bに交差している。
逃がし底面45cは、着座延び面45aにおける着座面44とは反対側の端部から径方向βでの外側に延びており、軸線CAに直交している。逃がし底面45cは、接続面47の下流端部を径方向βに跨ぐ位置に配置されている。逃がし底面45cは、軸方向αにおいて着座面44の上流端部44aと下流端部44bとの間に配置されている。
逃がし縦面45dは、軸方向αにおいて接続延び面45bの下流端部から噴孔20a側に延びており、径方向βに直交している。逃がし縦面45dは、着座面44の上流端部44aを軸方向αに跨ぐ位置に配置されている。
ボディ20は、軸方向αにおいて逃がし底面45cから噴孔20aとは反対側に向けて突出した底凸部72を有している。底凸部72は、着座延び面45a及び着座面44によりテーパ状に形成されており、軸方向αにおいて噴孔20aとは反対側に向けて径方向βの幅寸法が徐々に小さくなっている。底凸部72は、径方向βにおいて、尿素水流路21を逃がし凹部71側の領域と着座面44側の領域とに仕切っている。
径方向βにおいて、逃がし面45において弁体30の外周面30bから最も離間した部分とその外周面30bとの離間距離L1は、接続面47において弁体30の外周面30bから最も離間した部分とその外周面30bとの離間距離L2より大きくなっている。このように、逃がし面45と弁体30の外周面30bとの間の空間は、接続面47と弁体30の外周面30bとの間の空間に比べて、径方向βに分厚くなっている。なお、逃がし縦面45dが、逃がし面45において弁体30の外周面30bから最も離間した部分になっている。
次に、尿素水の吸い戻しが行われた後に噴射弁10が閉弁状態に移行した場合について、尿素水流路21での尿素水の溜まり方について説明する。
噴射弁10の軸線CAが鉛直方向に延びている場合、噴射弁10に残留した尿素水は、図6に矢印で示すように、弁体30の外周面30bやボディ20の着座上流面48に沿って噴孔20a側に向けて流下してくる。この場合、着座面44がシート面36よりも上流側に延びていれば、着座面44と弁体30との間に尿素水が多少は溜まる可能性があるものの、大部分の尿素水は逃がし凹部71に流れ込むことになる。逃がし凹部71に溜まった尿素水が底凸部72を越えて逃がし領域71aから着座面44側に溢れていなければ、この尿素水の大部分が弁体30から径方向βの外側に逃げて離間した位置に存在することになる。仮に、尿素水が底凸部72を越えて逃がし領域71aから着座面44側に溢れていたとしても、尿素水が弁体30の外周面30bに接触する面積は比較的小さい。
したがって、逃がし凹部71に溜まった尿素水から析出物Pが析出した場合、この析出物Pが弁体30に付着しない又は付着したとしても付着面積が比較的小さいため、析出物Pが弁体30の移動を阻害するということが生じにくくなっている。また、逃がし領域71aが接続面47よりも径方向βでの外側に膨らんでいることに起因して析出物Pが径方向βに肉厚になっている。このため、仮に析出物Pが弁体30の外周面30bとボディ20の流路壁面43とに密着していたとしても、析出物Pが肉厚になっている分だけ弁体30とボディ20とを連結する力が比較的低くなっている。この場合、析出物Pが径方向βにおいて内周側部分と外周側部分とに分離するなど変形しやすいため、ボディ20に対する弁体30の相対的な移動を析出物Pが阻害するということが生じにくくなっている。なお、図6等では、尿素水流路21に溜まった析出物Pをドットハッチングで図示している。
析出物Pは、径方向βに肉薄なほど、内周側部分と外周側部分とに分離しにくくなるなど変形しにくくなるため、ボディ20に対する弁体30の相対的な移動が析出物Pにより阻害されやすくなる。例えば、本実施形態とは異なり、図7に示すように、ボディ20が逃がし凹部71を有していない構成では、着座延長線LEに直交する方向において流路壁面43が着座延長線LEよりもボディ20の外側に凹んでいない。この構成では、尿素水流路21において、尿素水が弁体30から離間する位置に逃げる空間がない。このため、本実施形態のように逃がし凹部71がある構成に比べて、弁体30の外周面と流路壁面43との間に溜まった尿素水の水位が高くなり、尿素水から析出した析出物Pが径方向βに肉薄になる。この場合、弁体30やボディ20に対する析出物Pの密着力が高くなることや、析出物Pが変形しにくくなることに起因して、ボディ20に対する弁体30の相対的な移動を析出物Pが阻害しやすくなってしまう。
本実施形態では、上述したように、噴射弁10の軸線CAが鉛直方向に対して傾斜した状態になっている(図2参照)。この場合、尿素水流路21に溜まった尿素水がボディ20の流路壁面43側に偏ることになる。例えば、図8に示すように、円環状の逃がし凹部71のうち下端に配置された部分においては、尿素水流路21に溜まった尿素水が底凸部72を越えて着座面44側に溢れにくくなっている。この場合、析出物Pが弁体30に更に付着しにくくなっている。
また、本実施形態とは異なり、ボディ20が逃がし凹部71を有していない構成について、図9に示すように、ボディ20が鉛直方向に対して傾斜した状態になっている場合、析出物Pが径方向に肉薄なことに変わりがない。このため、弁体30の移動が析出物Pにより阻害されやすいことに変わりはない。
噴射弁10においては、逃がし領域71aの容積が大きいほど析出物が弁体30に付着しにくくなり、弁体30がボディ20に対して相対的に移動する際に析出物による摺動抵抗が大きくなりにくい。図10に示すように、逃がし領域71aの容積が大きいほど摺動抵抗が小さくなっている。例えば、計測点A1は、逃がし凹部71がないことで逃がし領域71aの容積がゼロになっており、摺動抵抗が大きくなっている。計測点A3は、計測点A2に比べて逃がし領域71aの容積が大きくなっており、摺動抵抗も小さくなっている。なお、計測点A3は、本実施形態の噴射弁10についての計測値を示している。また、計測点A2は、後述する第2実施形態の噴射弁10についての計測値を示している。
ここまで説明した本実施形態によれば、ボディ20の着座上流面48に逃がし凹部71が設けられているため、尿素水が逃がし凹部71の逃がし領域71aに溜まりやすくなっている。この場合、尿素水から析出物が析出したとしても、この析出物が弁体30に付着しにくくなっているため、ボディ20に対する弁体30の相対的な移動が析出物により阻害されるということを抑制できる。このように、弁体30の開閉動作が適正に行われることで、弁体30の噴射弁10により尿素水を適正に噴射することができる。
浄化システム200は、SCR触媒400を有する尿素SCRシステムであり、尿素水の吸い戻しにより噴射弁10から尿素水が抜き取られることで、尿素水の凍結防止や、配管90等の破損防止、噴射弁10等の腐食防止を実現することが可能になる。また、噴射弁10のボディ20に逃がし凹部71が設けられている。この場合、仮に、尿素水流路21に尿素水が残留し、その残留した尿素水が排気管310等からの受熱によりデポ化したとしても、尿素水が弁体30から離れる位置に溜まるように逃がし凹部71により誘導される。このように、尿素水流路21において、尿素水から析出する析出物が堆積する場所を、弁体30を適正に移動させるために不都合になりにくい位置になるようにコントロールすることで、弁体30が開閉動作しなくなるというインジェクタスタックを抑制できる。
しかも、尿素水流路21において、摺動面46よりも下流側の部分の容積が逃がし凹部71により増加されるため、尿素水流路21に残留した尿素水が、摺動面46を含む摺動部分に溜まることを抑制できる。これにより、摺動部分においてボディ20と弁体30とが析出物により固着して弁体30が適正に開閉動作しなくなる、ということを回避できる。また、エンジン300が停止状態にある場合に、尿素水流路21において尿素水からの析出物が弁体30に付着していたとしても、噴射弁10が有する本来の燃料噴射性能を極力短期間で発揮させることができる。しかも、上記のようなインジェクタスタックを抑制できる構成を、尿素水流路21に対して逃がし凹部71を形成するという安価な構造で実現することができる。
本実施形態によれば、軸方向αにおいて逃がし凹部71が着座面44の上流端部44aよりも噴孔20aに凹んでいるため、逃がし凹部71に溜まった尿素水が着座面44側に溢れにくくなっている。換言すれば、尿素水が着座面44側に溢れることが底凸部72により規制されている。このため、逃がし凹部71に溜まった尿素水から析出物が析出したとしても、この析出物が弁体30に付着しない又は付着しても付着面積が比較的小さくなる構成を実現できる。例えば、尿素水流路21に溜まった尿素水がある程度少なければ、この尿素水から析出した析出物が弁体30に密着すること自体を抑制することが可能になる。仮に、逃がし凹部71から尿素水が溢れていたとしても、この尿素水から析出した析出物が弁体30に密着する面積を低減できる。したがって、弁体30の移動が析出物により阻害されるということを抑制できる。
本実施形態によれば、軸方向αにおいて逃がし凹部71の逃がし底面45cが着座面44の上流端部44aと下流端部44bとの間に配置されている。このため、逃がし凹部71の存在によりボディ20の先端ボディ部41が肉薄になり、先端ボディ部41の強度が不足してしまう、ということを抑制できる。したがって、尿素水からの析出物により弁体30が適正に移動しなくなってしまうということを抑制しつつ、ボディ20の強度を適正に保つことができる。
本実施形態によれば、ボディ20において、摺動面46よりも下流側であって着座面44よりも上流側に逃がし凹部71が設けられている。ここで、摺動面46を含む摺動部分については、弁体30とボディ20との隙間が狭くなっていることに起因して、尿素水の吸い戻しが行われた際に尿素水が通りにくくなっており、摺動面46よりも下流側に尿素水が残留しやすいことが想定される。これに対して、摺動面46よりも下流側に逃がし凹部71が設けられているため、摺動面46よりも下流側に尿素水が残留していたとしても、この尿素水から析出した析出物により弁体30の移動が阻害されるということを抑制できる。
本実施形態によれば、径方向βにおいて逃がし凹部71が接続面47よりもボディ20の外側に向けて凹んでいる。この場合、逃がし凹部71に溜まった尿素水から析出物が析出した場合に、この析出物が径方向βに肉厚な形状になりやすいため、析出物が肉薄な形状に比べて、この析出物が径方向外側部分と径方向内側部分とに分離するなど変形しやすくなる。このため、析出物が弁体30の外周面30b及びボディ20の流路壁面43に付着していたとしても、析出物が変形しやすいことで弁体30がボディ20に対して移動しやすい構成を実現できる。
本実施形態によれば、径方向βにおいて、逃がし面45の逃がし縦面45dと弁体30との離間距離L1は、接続面47と弁体30との離間距離L2より大きくなっている。このため、逃がし縦面45dと弁体30との間に溜まった尿素水から析出物が析出したとしても、この析出物を径方向βに極力肉厚な形状にすることができる。これにより、析出物が変形しやすい構成を実現できる。
本実施形態によれば、逃がし凹部71が軸線CAの周方向に延びた環状になっているため、噴射弁10が鉛直方向に対して傾斜した状態で設置されていたとしても、尿素水流路21に残留した尿素水が逃がし凹部71に溜まりやすくなっている。このため、噴射弁10が、噴孔20aが下端側になるように設置されていれば、設置角度に関係なく、尿素水から析出した析出物により弁体30の移動が阻害されにくい構成を逃がし凹部71により実現することができる。
(第2実施形態)
上記第1実施形態では、逃がし凹部71が、軸方向αにおいて着座面44の上流端部44aよりも噴孔20a側に凹み、且つ径方向βにおいて接続面47よりも外周側に凹んでいた。これに対して、第2実施形態では、逃がし凹部71が、軸方向αにおいて着座面44の上流端部44aよりも噴孔20a側に凹んでおらず、且つ径方向βにおいて接続面47よりも外周側に凹んでいない。この場合でも、逃がし凹部71は、着座延長線LEに直交する方向において着座延長線LEよりもボディ20の外側に向けて凹んだ形状になっている。本実施形態では、上記第1実施形態との相違点を中心に説明する。
図11に示すように、逃がし凹部71の逃がし面45は、着座延び面45a及び接続延び面45bを有している一方で、上記第1実施形態とは異なり、逃がし底面45c及び逃がし縦面45dを有していない。着座延び面45aは、着座面44の上流端部44aから径方向βでの外側に向けて延びている。この場合、着座延び面45aは、軸方向αにおいて噴孔20aには延びておらず、これによって、上記第1実施形態とは異なり、ボディ20には底凸部72が形成されていない。
接続延び面45bは、接続面47の下流端部から軸方向αにおいて噴孔20a側に向けて延びており、径方向βでの外側には延びていない。接続延び面45bは、接続面47と同一平面を形成している。この場合、着座延長線LEと流路壁面43との交差部分が、接続延び面45bと接続面47との境界部になっており、逃がし凹部71の内部領域の全体が逃がし領域71aになっている。
本実施形態によれば、尿素水流路21において、摺動面46よりも下流側の部分が逃がし凹部71により拡張されているため、摺動面46を含む摺動部分に尿素水が残留しにくくなっている。この場合、摺動部分に残留した尿素水から析出した析出物によりボディ20と弁体30とが固着するということを抑制できる。また、この場合、尿素水流路21において、摺動面46よりも下流側の部分に残留した尿素水を径方向βにおいて弁体30から離れた位置に逃がすことができる。このため、尿素水から析出物が析出したとしても、この析出物が弁体30に付着する面積を極力低減することができる。したがって、上記第1実施形態と同様に、弁体30の開閉動作を適正に行わせることができる。
(他の実施形態)
以上、本開示による複数の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定して解釈されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において種々の実施形態及び組み合わせに適用することができる。
変形例1として、逃がし凹部71においては、軸線CAの周方向の少なくとも一部で軸方向αの断面形状が異なっていてもよい。例えば、図12には、円環状の逃がし凹部71において、軸線CAを挟んで対向する部分が互いに異なる断面形状になっている部分を示す。図12においては、左側部分の逃がし凹部71は上記第1実施形態と同じ形状になっている一方で、右側部分の逃がし凹部71は上記第1実施形態とは異なる形状になっている。この場合、右側部分の逃がし領域71aの容積が左側部分の逃がし領域71aの容積より大きくなっている。
右側部分の逃がし凹部71においては、接続延び面45b及び逃がし縦面45dが、上記第1実施形態とは異なっている。具体的には、接続延び面45bが、軸方向αにおいて噴孔20a側に向けて延びているのではなく、噴孔20aとは反対側に向けて延びており、その分だけ軸方向αでの逃がし縦面45dの長さ寸法が大きくなっている。この場合、着座延長線LEが、着座面44よりも径方向βでの外側において逃がし縦面45dに交差している。
変形例2として、逃がし凹部71が環状になっていなくてもよい。例えば、図13には、軸線CAの周方向に延びている先端ボディ部41において、軸線CAを挟んで対向する部分のうち一方には逃がし凹部71が形成され、他方には逃がし凹部71が形成されていない、という部分を示す。この構成では、噴射弁10を鉛直方向に対して傾斜した状態で設置する場合に、ボディ20において、逃がし凹部71が形成されている部分が下端になるように、軸線CAの周方向について噴射弁10の設置向きを設定することが好ましい。このように噴射弁10を設置することで、尿素水から析出した析出物により弁体30の開閉動作が阻害されるという不都合を逃がし凹部71の存在により抑制できる。また、複数の逃がし凹部71が軸線CAの周方向に並べられていてもよい。
変形例3として、噴射弁10等の還元剤噴射装置から噴射される還元剤は尿素水でなくてもよい。例えば、アンモニア水や炭化水素が還元剤として還元剤噴射装置から噴射されてもよい。
変形例4として、上記第1実施形態において、延長凹部としての逃がし凹部71は、軸方向αにおいて着座面44の下流端部44bよりも噴孔20a側にまで凹んでいてもよい。例えば、逃がし凹部71の逃がし底面45cが、軸方向αにおいて着座面44の下流端部44bよりも噴孔20a側に配置された構成とする。この場合、逃がし凹部71を軸方向αに拡張することで逃がし凹部71の容積を増加させることが可能になるため、尿素水から析出した析出物が弁体30に付着する可能性を更に低減できる。
変形例5として、着座面44は、テーパ状に形成されているのではなく、軸方向αにおいて上流端部44aと下流端部44bとの間で噴孔20a側に凹んだ湾曲面や、噴孔20aとは反対側に膨らんだ湾曲面になっていてもよい。このように着座面44が湾曲面になっている構成では、着座面44の上流端部44aの接線を延長させた仮想線を着座延長線LEとしてもよく、上流端部44aと下流端部44bとを通る真っ直ぐな仮想線を着座延長線LEとしてもよい。これらのような着座延長線LEを基準として、この着座延長線LEよりも外周側に凹んだ凹部を逃がし凹部71と称することができる。
変形例6として、逃がし凹部71は環状であれば、円環状でなくてもよい。例えば、軸線CAの周方向において、逃がし凹部71の内周端が円環状に延びている一方で、逃がし凹部71の外周端が矩形状に延びていてもよい。
変形例7として、逃がし凹部71の逃がし面45は、流路壁面43の着座上流面48に含まれていれば、着座面44の上流端部44aから延びていなくてもよい。例えば、着座面44と逃がし面45の着座延び面45aとを接続する面が着座上流面48に含まれている構成とする。ここで、着座面44の上流端部44aから延びた延び面について、径線Lβに対する傾斜角度が、径線Lβに対する着座面44の傾斜角度θ1より小さい場合は着座延び面45aに該当するが、傾斜角度θ1より小さくない場合は着座延び面45aに該当しない。
10…還元剤噴射装置としての噴射弁、20…ボディ、20a…噴孔、21…供給流路としての尿素水流路、30…弁体、43…流路形成面としての流路壁面、44…着座面、44a…上流端部、44b…下流端部、46…摺動面、47…接続面、48…着座上流面、71…延長凹部としての逃がし凹部、300…内燃機関としてのエンジン、CA…軸線、L1,L2…離間距離、LE…延長線としての着座延長線、α…軸方向、β…直交方向としての径方向。

Claims (6)

  1. 内燃機関(300)の排気に対して還元剤を噴射する還元剤噴射装置(10)であって、
    前記還元剤を噴射する噴孔(20a)が形成されたボディ(20)と、
    前記ボディにより形成され、前記噴孔に前記還元剤を供給する供給流路(21)と、
    前記噴孔から前記還元剤を噴射させる開弁位置と、前記噴孔から前記還元剤を噴射させない閉弁位置と、に移動する弁体(30)と、
    前記ボディの内周面のうち前記供給流路を形成する流路形成面(43)に含まれ、前記弁体が前記閉弁位置にある場合に前記弁体が着座する着座面(44)と、
    前記流路形成面に含まれ且つ前記着座面の上流端部(44a)から延びた着座上流面(48)が、前記着座面を上流側に向けて延長させた仮想の延長線(LE)を越えて前記ボディの外側に向けて凹むことで、形成された延長凹部(71)と、
    を備え
    前記延長凹部は、前記ボディの軸方向(α)において、前記着座面の上流端部(44a)よりも前記噴孔側に凹んでいる、還元剤噴射装置。
  2. 前記着座面の下流端部(44b)は、前記ボディの軸方向(α)において、前記延長凹部よりも前記噴孔に近い位置に設けられている、請求項1に記載の還元剤噴射装置。
  3. 前記着座上流面は、
    前記着座面から上流側に離間した位置に設けられ、前記弁体を摺動させる摺動面(46)を有しており、
    前記延長凹部は、前記摺動面と前記着座面との間に設けられている、請求項1又は2に記載の還元剤噴射装置。
  4. 前記着座上流面は、
    前記摺動面と前記延長凹部とを接続する接続面(47)を有しており、
    前記延長凹部は、前記ボディの軸方向(α)に直交する直交方向(β)において、前記接続面よりも前記ボディの外周側に向けて凹んでいる、請求項に記載の還元剤噴射装置。
  5. 前記直交方向において、前記弁体と前記延長凹部との離間距離(L1)は、前記弁体と前記接続面との離間距離(L2)より大きい、請求項に記載の還元剤噴射装置。
  6. 前記延長凹部は、前記ボディの軸線(CA)の周りに環状に延びている、請求項1〜のいずれか1つに記載の還元剤噴射装置。
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