JPWO2014156354A1

JPWO2014156354A1 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JPWO2014156354A1
Application number: JP2015508162A
Authority: JP
Inventors: 成弘大野
Original assignee: Bosch Corp
Current assignee: Bosch Corp
Priority date: 2013-03-27
Filing date: 2014-02-14
Publication date: 2017-02-16
Also published as: WO2014156354A1

Abstract

内燃機関の排気浄化装置において、還元剤噴射弁へ伝達される熱を効率的に低減する。内燃機関の排気通路に備えられ、液体還元剤を用いて排気中の窒素酸化物を浄化する排気浄化装置であって、前記排気通路中に備えられた還元触媒と、前記還元触媒よりも上流側で前記液体還元剤を前記排気通路内に噴射するための還元剤噴射弁と、を備えた排気浄化装置において、排気管本体には分岐管が設けられ、前記液体還元剤を噴射するための還元剤噴射弁が前記分岐管に取り付けられ、前記分岐管と前記排気管本体との分岐位置から前記還元剤噴射弁の取り付け位置までの間に、前記還元剤噴射弁への排気熱の伝達を低減するための冷却手段を備える。

Description

本発明は、内燃機関の排気中の窒素酸化物を浄化するための排気浄化装置に関するものである。

ディーゼルエンジン等の内燃機関の排気には窒素酸化物（ＮＯ_X）が含まれている。このＮＯ_Xを浄化する排気浄化装置の一つとして、内燃機関の排気通路中に配置される還元触媒と、還元触媒の上流側で尿素水溶液等の液体還元剤を噴射するための還元剤供給装置とを備えた排気浄化装置が知られている。この排気浄化装置は、還元触媒中で、排気中のＮＯ_Xとアンモニアとを効率的に還元反応させ、ＮＯ_Xを窒素や水等に分解するものとなっている。

還元剤供給装置は、排気管に取り付けられた還元剤噴射弁を用いて液体還元剤を排気通路中に噴射するものとなっているが、還元剤噴射弁は電磁弁形式のものを使用することが一般的であって、排気管を介して伝達される排気熱から保護する必要がある。また、液体還元剤として尿素水溶液を用いる場合、還元剤噴射弁の先端に付着した尿素水溶液が加熱されて尿素が結晶化すると、還元剤噴射弁が詰まってしまい、液体還元剤を噴射することができなくなるおそれがある。そのため、自然放熱を促進する放熱フィンや、冷却水を流通可能な冷却水通路を設けたハウジング（冷却ジャケット）を用いて還元剤噴射弁を排気管に固定することが行われている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００９−１３８６２７号公報

しかしながら、上述した冷却機能は、内燃機関の運転中においては比較的効率的に働くものの、内燃機関の停止後にはその機能が停止し、残留する排気熱によって還元剤噴射弁が加熱されるおそれがある。
また、近年では、建設機械や農業用機械等の非走行車両用内燃機関の排気系にも、上記のような排気浄化装置が用いられるようになっている。非走行車両の場合、乗用車や商用車等の走行車両とは異なり、配管や種々の装置の配置スペースが限られ、還元剤噴射弁も含めて排気浄化装置全体がエンジンルーム内に格納されることが多い。したがって、還元剤噴射弁がさらに熱の影響を受けやすくなることから、還元剤噴射弁への熱の影響を低減する必要性がより高くなる。

したがって、本発明は、内燃機関の排気浄化装置において、還元剤噴射弁へ伝達される熱を効率的に低減することを目的としている。

本発明によれば、内燃機関の排気通路に備えられ、液体還元剤を用いて排気中の窒素酸化物を浄化する排気浄化装置であって、前記排気通路中に備えられた還元触媒と、前記還元触媒よりも上流側で前記液体還元剤を前記排気通路内に噴射するための還元剤噴射弁と、を備えた排気浄化装置において、排気管本体には分岐管が設けられ、前記液体還元剤を噴射するための還元剤噴射弁が前記分岐管に取り付けられ、前記分岐管と前記排気管本体との分岐位置から前記還元剤噴射弁の取り付け位置までの間に、前記還元剤噴射弁への排気熱の伝達を低減するための冷却手段を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置が提供され、上述した問題を解決することができる。

すなわち、本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、排気管本体から分岐する分岐管に還元剤噴射弁を取り付けるとともに、分岐管の分岐位置から還元剤噴射弁の取り付け位置までの間に冷却手段を設けることとしているために、還元剤噴射弁の取り付け位置よりも手前で、還元剤噴射弁に伝達される排気熱を低減することができる。したがって、還元剤噴射弁に伝達される熱量を低減することができ、還元剤噴射弁の熱損傷や液体還元剤の結晶化を防ぐことができる。

また、本発明の内燃機関の排気浄化装置を構成するにあたり、前記冷却手段が、前記内燃機関の冷却水を流通可能な冷却水通路であることが好ましい。このように、内燃機関の冷却水を利用した冷却手段とすれば、他の冷却手段を用いることなく、例えば９０℃前後の温度に保たれる冷却水によって、排気熱を低減させることができる。

また、本発明の内燃機関の排気浄化装置を構成するにあたり、前記冷却水通路が、前記分岐管と前記還元剤噴射弁との間に介装される冷却水流通部材に設けられることが好ましい。このような冷却手段を用いることにより、排気浄化装置に対して容易に冷却手段を増設することが可能となる。

また、本発明の内燃機関の排気浄化装置を構成するにあたり、前記冷却水通路が、前記分岐管の端部に設けられ、前記還元剤噴射弁が取り付けられる取付フランジ部に設けられることが好ましい。このような冷却手段を備えることにより、分岐管を介して還元剤噴射弁に伝達される排気熱をより効率的に低減することができる。

また、本発明の内燃機関の排気浄化装置を構成するにあたり、前記冷却水通路が、前記分岐管の外周に巻き付けられた冷却水パイプであることが好ましい。このように冷却手段を構成することにより、内燃機関の冷却水を利用した冷却手段を容易に実現することができる。

また、本発明の内燃機関の排気浄化装置を構成するにあたり、前記還元剤噴射弁がハウジングに保持されて前記分岐管に取り付けられており、前記内燃機関の冷却水を前記ハウジング内にも流通可能とすることが好ましい。このように還元剤噴射弁を分岐管に取り付けるためのハウジングにも冷却水を流通可能とすることにより、還元剤噴射弁に伝達される排気熱をさらに低減することができ、還元剤噴射弁の熱損傷や液体還元剤の結晶化を防ぐことができる。

本発明の実施の形態にかかる排気浄化装置の一例を示す全体図である。本発明の第１の実施の形態にかかる排気浄化装置の冷却手段を説明するために示す図である。本発明の第２の実施の形態にかかる排気浄化装置の冷却手段を説明するために示す図である。冷却水流通部材を説明するために示す図である。本発明の第３の実施の形態にかかる排気浄化装置の冷却手段を説明するために示す図である。

以下、適宜図面を参照して、本発明の内燃機関の排気浄化装置に関する実施の形態について具体的に説明する。
なお、それぞれの図中、同じ符号を付してあるものについては、特に説明がない限り同一の部材を示しており、適宜説明が省略されている。

［第１の実施の形態］
１．排気浄化装置の全体構成
図１は、第１の実施の形態にかかる内燃機関の排気浄化装置（以下、単に「排気浄化装置」という）１０の全体構成の一例を説明するために示す図である。
この排気浄化装置１０は、排気中のＮＯ_Xを浄化するための装置であり、建設機械や農業用機械等の非走行車両に搭載されたディーゼルエンジン等の内燃機関１の排気通路１１に備えられている。このような非走行車両用では、排気浄化装置１０の配置スペースに制約があり、エンジンルーム内、あるいは、エンジンルームに近接して排気浄化装置１０が配置される場合が多い。ただし、本発明の排気浄化装置は、乗用車や商用車等の内燃機関に備えられるものも含む。

排気浄化装置１０は、排気通路１１の途中に介装された還元触媒１３と、還元触媒１３よりも上流側の排気通路１１内に液体還元剤を供給するための還元剤供給装置２０とを備えている。還元触媒１３は、排気中のＮＯ_Xの還元を促進する機能を有する触媒であり、液体還元剤から生成される還元成分を吸着するとともに、触媒に流れ込む排気中のＮＯ_Xを還元成分によって選択的に還元する触媒である。還元剤供給装置２０は、液体還元剤として尿素水溶液が用いられるものであり、尿素水溶液が排気通路１１中で分解されることにより還元成分としてのアンモニアが生成されるようになっている。

還元剤供給装置２０は、液体還元剤が収容される貯蔵タンク２１と、液体還元剤を圧送するためのポンプユニット２２と、液体還元剤を排気通路１１内に噴射するための還元剤噴射弁２５とを備えている。ポンプユニット２２は、ポンプ２３及び流路切換弁２４を備えている。還元剤噴射弁２５、ポンプ２３、及び、流路切換弁２４は、電子制御装置（ＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）４０によって駆動制御が行われるものとなっている。

ポンプ２３と貯蔵タンク２１とは第１の供給通路３１によって接続され、ポンプ２３と還元剤噴射弁２５とは第２の供給通路３３によって接続されている。このうち、第２の供給通路３３には、第２の供給通路３３内の圧力、すなわち、還元剤噴射弁２５に供給される液体還元剤の圧力を検出するための圧力センサ２７が設けられている。ポンプ２３と、第１の供給通路３１及び第２の供給通路３３とは、流路切換弁２４を介して接続されている。第１の供給通路３１の貯蔵タンク２１側の端部は、液体還元剤の吸い上げを可能にするために、貯蔵タンク２１の底面近傍に位置している。

流路切換弁２４は、ポンプ２３によって圧送される液体還元剤が流れる方向を、貯蔵タンク２１側から還元剤噴射弁２５側に流れる方向（以下「正方向」という。）と、還元剤噴射弁２５側から貯蔵タンク２１側に流れる方向（以下「逆方向」という。）とに切換える機能を有している。すなわち、液体還元剤の噴射制御を行う際には、液体還元剤を還元剤噴射弁２５側に供給するために、流路切換弁２４への通電は行われない。このとき、液体還元剤は正方向に流れる。一方、内燃機関１の停止時において、還元剤供給装置２０内の液体還元剤を貯蔵タンク２１に回収する場合には、流路切換弁２４に対して通電される。このとき、液体還元剤は逆方向に流れる。

なお、液体還元剤を貯蔵タンク２１に回収可能とする構成は、流路切換弁２４を設ける例に限られない。例えば、逆回転可能なポンプ２３を用いることによって液体還元剤を回収可能に構成することもできる。

また、第２の供給通路３３の途中には、他端が貯蔵タンク２１に接続されたリターン通路３５が分岐して設けられている。リターン通路３５の貯蔵タンク２１側の端部は、液体還元剤の逆流を防ぐために、貯蔵タンク２１内の気相部分に接続されている。リターン通路３５が分岐する位置は、第２の供給通路３３の途中ではなく、ポンプ２３の出口側２３ｂとなっていてもよい。

リターン通路３５の途中には、流路面積が小さくされた絞り部３８が設けられ、第２の供給通路３３内の圧力を保持できるようになっている。また、絞り部３８よりも貯蔵タンク２１側のリターン通路３５には、液体還元剤が貯蔵タンク２１側から第２の供給通路３３側に流れないようにするための一方向弁３７が設けられている。一方向弁３７は省略されていても構わない。

ポンプ２３は、ＥＣＵ４０による通電制御によって流量（出力）が制御されて、液体還元剤を圧送する。また、このポンプ２３が、液体還元剤を貯蔵タンク２１に回収するための手段としての機能も有する。

還元剤噴射弁２５は、内燃機関１の運転状態において、ＥＣＵ４０による通電制御によって開閉制御が行われ、所定量の液体還元剤を排気通路１１内に噴射する。還元剤噴射弁２５は、非通電状態で閉弁し、通電状態で開弁する、電磁式のオンオフ弁が用いられている。一方、還元剤噴射弁２５は、内燃機関１の停止時において、液体還元剤を回収する際には、還元剤噴射弁２５を開弁した状態で保持される。これにより、還元剤噴射弁２５の噴孔を介して空気（排ガス）が第２の供給通路３３に導入され、液体還元剤が貯蔵タンク２１内に回収されやすくなる。

２．還元剤噴射弁の冷却構造
ここで、図２に、図１のＸで示す部分を拡大して詳細に示す。図２は、第１の実施の形態にかかる排気浄化装置１０の冷却手段を詳細に説明するために示す図である。
本実施の形態にかかる排気浄化装置１０において、排気通路１１を構成する排気管本体１１ａには分岐管１２が設けられている。この分岐管１２は、その一端側において排気管本体１１ａに接続され、他端側に還元剤噴射弁２５が固定されている。還元剤噴射弁２５は、分岐管１２の端部に取り付けられたハウジング１５の内部に保持されている。

このハウジング１５は、内燃機関１の冷却水を流通可能な冷却水通路（図示せず。）が内部に設けられたものであって、内燃機関１の運転状態において冷却水配管４３を介して供給される冷却水が循環することにより、還元剤噴射弁２５が冷却されるようになっている。

また、本実施の形態の排気浄化装置１０においては、分岐管１２の周囲にも、冷却水を流通可能な冷却水パイプ４１が巻き付けられており、主として、排気管本体１１ａから分岐管１２を介して還元剤噴射弁２５に伝達される排気熱を低減することができるようになっている。このような冷却水パイプ４１を利用した冷却手段であれば、内燃機関の冷却水を利用した冷却手段を容易に実現することができる。

すなわち、冷却水が流通するハウジング１５の冷却構造は、還元剤噴射弁２５を全体的に冷却する機能を有する一方、同じく冷却水が流通する分岐管１２の冷却構造は、還元剤噴射弁２５に伝達される熱量自体を低減し、特に、還元剤噴射弁２５の先端部を冷却する機能を有している。

これにより、還元剤噴射弁２５がより効率的に冷却され、還元剤噴射弁２５の熱損傷を低減できるとともに、還元剤噴射弁２５の先端部に付着した液体還元剤の結晶化を防止することができる。したがって、還元剤噴射弁２５の熱損傷や詰まりを防止して、液体還元剤の噴射制御を適切に行うことができる。

本実施の形態にかかる排気浄化装置１０では、分岐管１２に設ける冷却手段として、内燃機関１の冷却水通路を設けているが、冷却手段はこれに限られるものではない。例えば、液体還元剤の供給通路又はリターン通路を分岐管１２の周囲に配設して、液体還元剤を冷媒として分岐管１２の冷却を行うようにしてもよい。

［第２の実施の形態］
本発明の第２の実施の形態にかかる排気浄化装置は、還元剤噴射弁２５に伝達される排気熱を低減するための冷却手段の構成が第１の実施の形態にかかる排気浄化装置１０の場合と異なっている。以下、冷却手段の構成を中心に説明する。

図３に、還元剤噴射弁２５の取り付け部分を拡大して詳細に示す。図３は、第２の実施の形態にかかる排気浄化装置の冷却手段を詳細に説明するために示す図である。本実施の形態の排気浄化装置においても、還元剤噴射弁２５は冷却水通路（図示せず。）を有するハウジング１６に保持されて取り付けられている。

本実施の形態の排気浄化装置においては、還元剤噴射弁２５を保持するハウジング１５と分岐管１２との間に、冷却手段を構成する冷却水流通部材５１が介装されている。この冷却水流通部材５１は、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、中央部に開口部５１ａを有するドーナツ型の形状を有しており、内部に冷却水流通路５１ｂが形成されている。中央の開口部５１ａは、還元剤噴射弁２５を保持するハウジング１５が取り付けられた状態で、還元剤噴射弁２５の先端部分が配置され、開口部５１ａを通じて液体還元剤が分岐管１２内に噴射されるようになっている。

また、冷却水流通路５１ｂは、入口部５１ｃ及び出口部５１ｄにおいて外部に開口している。図３に示すように、この入口部５１ｃ及び出口部５１ｄには、それぞれ冷却水配管５３ａ、５３ｂが接続され、入口部５１ｃ及び出口部５１ｄを介して冷却水が冷却水流通路５１ｂ内を流通するようになっている。

すなわち、冷却水が流通するハウジング１５の冷却構造は、加熱され得る還元剤噴射弁２５を全体的に冷却する機能を有する一方、同じく冷却水が流通する冷却水流通部材５１を有する冷却構造は、還元剤噴射弁２５に伝達される熱量自体を低減し、特に、還元剤噴射弁２５の先端部を冷却する機能を有している。このような冷却水流通部材５１を用いた冷却手段であれば、既存の排気浄化装置に対して容易に冷却手段を増設することが可能となる。

［第３の実施の形態］
本発明の第３の実施の形態にかかる排気浄化装置は、第２の実施の形態における冷却水流通部材５１がハウジング１５及び分岐管１２とは別体の部材として構成されているのに対して、分岐管１２におけるハウジング１５の取付フランジ部に冷却水流通路を設ける点で、第２の実施の形態と異なっている。

図５（ａ）〜（ｄ）は、本実施の形態にかかる排気浄化装置の還元剤噴射弁の冷却構造に用いられる分岐管１２の取付フランジ部６０ａ〜６０ｄを示している。それぞれの取付フランジ部６０ａ〜６０ｄには、還元剤噴射べ２５を保持するハウジング１５を固定するためのねじ穴６１と、還元剤噴射弁２５の先端部が配置されて液体還元剤が通過可能にされた開口部６５とが、取付フランジ部６０ａ〜６０ｄの厚さ方向に沿って形成されている。

また、取付フランジ部６０ａ〜６０ｄには、取付フランジ部６０ａ〜６０ｄの内部を液体還元剤が循環可能なように冷却水流通路６３が設けられている。冷却水流通路６３は取付フランジ部６０ａ〜６０ｄの側部からドリル等によって穿設された長穴の組み合わせによって形成されており、不要な開口端はプラグ６７によって塞がれている。図５（ａ）〜（ｄ）にそれぞれ示すように、液体還元剤は入口開口６３ａから冷却水流通路６３内に流れ込み、冷却水流通路６３内を流れて出口開口６３ｂから流出する。入口開口６３ａ及び出口開口６３ｂには、図示しない冷却水パイプが接続されて、内燃機関１の冷却水が導入可能となっている。

これにより、還元剤噴射弁２５がより効率的に冷却され、還元剤噴射弁２５の熱損傷を低減できるとともに、還元剤噴射弁２５の先端部に付着した液体還元剤の結晶化を防止することができる。したがって、還元剤噴射弁２５の熱損傷や詰まりを防止して、液体還元剤の噴射制御を適切に行うことができる。特に、本実施の形態においては、分岐管１２と一体的に構成されている取付フランジ部６０ａ〜６０ｄに冷却水流通路６３を設けて、分岐管１２から還元剤噴射弁２５に伝達される排気熱を取り除くこととしているために、還元剤噴射弁２５に伝達される排気熱をさらに容易に低減することができる。

Claims

内燃機関の排気通路に備えられ、液体還元剤を用いて排気中の窒素酸化物を浄化する排気浄化装置であって、前記排気通路中に備えられた還元触媒と、前記還元触媒よりも上流側で前記液体還元剤を前記排気通路内に噴射するための還元剤噴射弁と、を備えた排気浄化装置において、
排気管本体には分岐管が設けられ、前記液体還元剤を噴射するための還元剤噴射弁が前記分岐管に取り付けられ、
前記分岐管と前記排気管本体との分岐位置から前記還元剤噴射弁の取り付け位置までの間に、前記還元剤噴射弁への排気熱の伝達を低減するための冷却手段を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記冷却手段が、前記内燃機関の冷却水を流通可能な冷却水通路であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記冷却水通路が、前記分岐管と前記還元剤噴射弁との間に介装される冷却水流通部材に設けられることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記冷却水通路が、前記分岐管の端部に設けられ、前記還元剤噴射弁が取り付けられる取付フランジ部に設けられることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記冷却水通路が、前記分岐管の外周に巻き付けられた冷却水パイプであることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記還元剤噴射弁がハウジングに保持されて前記分岐管に取り付けられており、前記内燃機関の冷却水を前記ハウジング内にも流通可能としたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。