(57)【要約】【課題】尿素水の噴射後に尿素水と異なる洗浄流体を噴射して、噴孔の目詰まりを低減し、尿素水の確実な噴射を確保する排気浄化装置を提供する。【解決手段】排気浄化装置１０は、ディーゼルエンジン１１の燃焼室１８へ燃料を噴射する燃料インジェクタ１２と別に、燃焼室１８へ尿素水を噴射する尿素水インジェクタ１３を備えている。尿素水インジェクタ１３は、噴孔４９から尿素水を噴射した後、同一の噴孔４９から洗浄流体である燃料を噴射している。これにより、尿素水の噴射時に噴孔４９に残留した尿素水は、その後に噴射される燃料によって噴孔４９から除去される。そのため、尿素水インジェクタ１３のノズル４３が燃焼室１８における高温の排気に晒される場合でも、噴孔４９およびその周囲への尿素水の残留、および残留した尿素水からの尿素の結晶の析出が低減され、尿素水インジェクタ１３からの尿素水の噴射が確保される。【選択図】図１
2010007626.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室に燃料を噴射する第一噴射弁と、
尿素水、および前記尿素水と異なる洗浄流体が供給され、供給された前記尿素水または前記洗浄流体を噴射する噴孔を有し、前記噴孔から前記尿素水または前記洗浄流体のいずれか一方を異なる時期に前記燃焼室へ噴射する第二噴射弁と、
を備えることを特徴とする排気浄化装置。
【請求項２】
前記洗浄流体は、空気であることを特徴とする請求項１記載の排気浄化装置。
【請求項３】
前記第二噴射弁は、前記内燃機関が膨張行程にあるときに前記燃焼室へ前記空気を噴射することを特徴とする請求項２記載の排気浄化装置。
【請求項４】
前記第二噴射弁は、前記燃焼室へ前記尿素水を噴射した後、さらに前記空気を噴射することを特徴とする請求項３記載の排気浄化装置。
【請求項５】
前記洗浄流体は、前記第一噴射弁から噴射される燃料と同一であることを特徴とする請求項１記載の排気浄化装置。
【請求項６】
前記第二噴射弁は、前記第一噴射弁によって主となる燃料の噴射が完了した後のポスト噴射時に、前記燃料を噴射することを特徴とする請求項５記載の排気浄化装置。
【請求項７】
前記第二噴射弁は、前記燃焼室へ前記尿素水を噴射した後、さらに前記燃料を噴射することを特徴とする請求項６記載の排気浄化装置。
【請求項８】
前記第二噴射弁は、
筒状に形成され、外周壁、先端に行くにつれて内径が縮小する円錐台状の内周壁、前記外周壁と前記内周壁とを接続し前記洗浄流体が噴射される前記噴孔、前記噴孔よりも前記内周壁の大径側に設けられている大径弁座、および前記噴孔よりも前記内周壁の小径側に設けられている小径弁座を有するノズルと、
筒状に形成され、前記ノズルとの間に第一流体通路を形成し、外周壁に前記大径弁座に着座可能な第一シール部を有し、前記ノズルの内周側を軸方向へ往復移動して、前記第一シール部が前記大径弁座に着座することにより前記第一流体通路と前記噴孔との間を遮断し、前記第一シール部が前記大径弁座から離座することにより前記第一流体通路と前記噴孔との間を接続する第一ニードルと、
筒状に形成され、内周側に第二流体通路を形成し、外周壁に前記小径弁座に着座可能な第二シール部を有し、前記第一ニードルの内周側において前記第一ニードルと摺動しつつ軸方向へ往復移動して、前記第二シール部が前記小径弁座に着座することにより前記第二流体通路と前記噴孔との間を遮断し、前記第二シール部が前記小径弁座から離座することにより前記第二流体通路と前記噴孔との間を接続する第二ニードルと、
前記第一ニードルを駆動する第一駆動部と、
前記第二ニードルを前記第一ニードルと独立して駆動する第二駆動部と、
を有することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項記載の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気浄化装置に関し、特に排気中のＮＯｘを低減する排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関の燃焼室にアンモニアまたはアンモニア前駆物質を噴射し、排気中の窒素酸化物を低減する排気脱硝装置が公知である（特許文献１参照）。このような排気脱硝装置の場合、内燃機関の膨張行程においてアンモニアなどを噴射して、排気に残存する酸素を利用して窒素酸化物を還元することにより、窒素酸化物を還元するための触媒を不要としている。
【０００３】
アンモニアの前駆物質として尿素を用いる場合、内燃機関の燃焼室には尿素の水溶液である尿素水を噴射弁を用いて噴射する必要がある。しかしながら、内燃機関の燃焼室は高温であるため、噴射弁の噴孔に残留する尿素水は水分の蒸発とともに尿素が結晶として析出する。その結果、噴射弁の噴孔の目詰まりを招き、尿素水の噴射が困難になるという問題がある。
【特許文献１】特開平２−１５７４１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
そこで、本発明の目的は、尿素水の噴射後に尿素水と異なる洗浄流体を噴射して、噴孔の目詰まりを低減し、尿素水の確実な噴射を確保する排気浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１記載の発明では、燃料を噴射する第一噴射弁とは別に尿素水および洗浄流体を噴射する第二噴射弁を備えている。第二噴射弁は、尿素水または洗浄流体を異なる時期に噴射する。例えば第二噴射弁で尿素水を噴射した後、第二噴射弁で洗浄流体を噴射すると、第二噴射弁の噴孔に残留する尿素水は後に噴射される洗浄流体によって除去される。これにより、第二噴射弁の噴孔から尿素水を噴射しても、引き続き噴射される洗浄流体によって噴孔に残留する尿素水が低減される。したがって、噴孔の目詰まりを低減することができ、尿素水の確実な噴射を確保することができる。
【０００６】
請求項２または３記載の発明では、洗浄流体は空気である。尿素水は、例えば内燃機関の膨張行程において燃焼室に噴射される。膨張行程における燃焼室の燃焼ガスは、燃料の燃焼によって生じたすすを含んでいる。このとき、第二噴射弁から空気を噴射することにより、燃焼室には酸素を含む新鮮な空気が供給される。その結果、燃料の燃焼によって生じたすすは、噴射された空気に含まれる酸素によって燃焼する。特に、請求項５記載の発明のように、第二噴射弁から尿素水を噴射した後、さらに空気を噴射することにより、噴孔に残留した尿素水を空気によって除去しつつ燃焼室へ空気が供給される。したがって、噴孔の目詰まりを低減することができるとともに、排気に含まれるすすを低減することができ、排気をより浄化することができる。
【０００７】
請求項４記載の発明では、第二噴射弁から尿素水を噴射した後、さらに空気を噴射している。これにより、噴孔に残留した尿素水を空気によって除去しつつ燃焼室へ空気が供給される。したがって、噴孔の目詰まりを低減することができるとともに、排気に含まれるすすを低減することができ、排気をより浄化することができる。
【０００８】
請求項５記載の発明では、洗浄流体は第一噴射弁から噴射される燃料と同一である。すなわち、第二噴射弁は、燃料を噴射する。そのため、洗浄流体を別途必要とせず、洗浄流体に専用のタンクや流路などが不要である。したがって、構成の複雑化を招くことなく、噴孔への尿素の堆積を低減することができる。
【０００９】
請求項６記載の発明では、洗浄流体である燃料はポスト噴射時に噴射される。内燃機関の排気に含まれる有害成分や内燃機関から発生する騒音を低減するために、内燃機関の燃焼室には例えばパイロット噴射、メイン噴射およびポスト噴射などのようにパルス状の複数回の燃料の噴射が行われる。このうち、メイン噴射は、主となる燃料の噴射である。パイロット噴射はメイン噴射時に先立つ燃料の噴射であり、ポスト噴射はメイン噴射後における燃料の噴射である。このポスト噴射を第二噴射弁で行うことにより、第二噴射弁の噴孔に残留した尿素水はポスト噴射による燃料によって除去される。したがって、噴孔の目詰まりを低減することができる。
【００１０】
特に請求項７記載の発明のように、第二噴射弁で尿素水の噴射の後にポスト噴射のために燃料を噴射することにより、尿素水を噴射した後に噴孔に残留する尿素水は直後に噴射されるポスト噴射のための燃料によって除去される。したがって、ポスト噴射を実施しつつ、あわせて噴孔への尿素の堆積を低減することができる。
請求項８記載の発明のような構成を採用することにより、第一流体通路に供給される尿素水または洗浄流体と、第二流体通路に供給される洗浄流体または尿素水とを互いに異なる時期に同一の噴孔から噴射することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明による排気浄化装置の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施形態において実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による排気浄化装置を図１に示す。図１は、排気浄化装置１０を適用した内燃機関としてのディーゼルエンジン１１を示している。排気浄化装置１０は、第一噴射弁としての燃料インジェクタ１２および第二噴射弁としての尿素水インジェクタ１３を備えている。ディーゼルエンジン１１は、シリンダブロック１４、シリンダヘッド１５およびピストン１６などから構成されている。シリンダブロック１４は、内側に円筒状のシリンダ１７を形成している。シリンダ１７の端部は、シリンダヘッド１５によって塞がれている。シリンダ１７を形成するシリンダブロック１４の内壁面と、シリンダヘッド１５の略円錐状の内壁面と、ピストン１６の端面との間には、燃焼室１８が形成されている。燃焼室１８は、吸気通路２１および排気通路２２に接続している。吸気通路２１は、燃焼室１８に吸入される吸気が流れる。排気通路２２は、燃焼室１８から排出される排気が流れる。
【００１２】
吸気通路２１の燃焼室１８側には、吸気バルブ２３が設けられている。吸気バルブ２３が開閉することにより、吸気通路２１から燃焼室１８への吸気の流入が開閉される。また、排気通路２２の燃焼室１８側には、排気バルブ２４が設けられている。排気バルブ２４が開閉することにより、燃焼室１８から排気通路２２への排気の流出が開閉される。ピストン１６は、シリンダブロック１４が形成するシリンダ１７の内側を軸方向へ往復移動する。
【００１３】
燃料インジェクタ１２は、シリンダヘッド１５に設けられ、シリンダヘッド１５をシリンダ１７の軸方向へ貫いている。燃料インジェクタ１２は、図示しないコモンレールに貯えられている高圧の燃料を燃焼室１８へ噴射する。燃料インジェクタ１２は、図示しないニードル、およびニードルを駆動する駆動部２５を有している。駆動部２５への通電を断続することにより、ニードルが軸方向へ移動し、燃料インジェクタ１２からの燃料の噴射が断続される。燃料インジェクタ１２の駆動部２５は、例えばピエゾ素子や電磁ソレノイドなどを有している。これらのピエゾ素子や電磁ソレノイドを用いて図示しないニードルを閉弁方向へ押し付ける燃料の圧力を調整することにより、駆動部２５はニードルを駆動する。
【００１４】
尿素水インジェクタ１３は、燃焼室１８へ尿素水および洗浄流体を噴射する。排気浄化装置１０は、尿素水供給部３１、洗浄流体供給部３２および制御部３３を備えている。尿素水供給部３１は、尿素水インジェクタ１３へ尿素水を供給する。尿素水供給部３１は、尿素水タンク３４、尿素水通路部３５および尿素水ポンプ３６を有している。尿素水ポンプ３６は、尿素水タンク３４に貯えられている尿素水を、尿素水通路部３５を経由して尿素水インジェクタ１３へ供給する。洗浄流体供給部３２は、洗浄流体タンク３７、洗浄流体通路部３８および洗浄流体ポンプ３９を有している。洗浄流体ポンプ３９は、洗浄流体タンク３７に貯えられている洗浄流体を、洗浄流体通路部３８を経由して尿素水インジェクタ１３へ供給する。ここで、第１実施形態の場合、洗浄流体は燃料を用いている。そのため、洗浄流体タンク３７は、燃料インジェクタ１２へ供給される燃料が貯えられている燃料タンクと共通にしてもよい。また、洗浄流体ポンプ３９も、洗浄流体タンク３７に貯えられている燃料を燃料インジェクタ１２へ供給するポンプと共用することができる。燃料は、ディーゼルエンジン１１の場合、軽油が用いられる。
【００１５】
制御部３３は、燃料インジェクタ１２からの燃料の噴射と、尿素水インジェクタ１３からの尿素水および洗浄流体としての燃料の噴射とを制御する。制御部３３は、例えば図示しないアクセル開度センサや回転数センサなどの各種センサに接続している。アクセル開度センサは、アクセルペダルの開度を検出して制御部３３へ出力する。回転数センサは、ディーゼルエンジン１１の回転数を検出して制御部３３へ出力する。制御部３３は、これらアクセル開度センサおよび回転数センサなどの各種センサからディーゼルエンジン１１の運転状態を検出する。そして、制御部３３は、ディーゼルエンジン１１の運転状態に基づいて燃料、尿素水および洗浄流体である燃料の噴射時期および噴射量を設定する。制御部３３は、設定した噴射時期および噴射量に基づいて燃料インジェクタ１２および尿素水インジェクタ１３を駆動することにより、適切な時期に適切な量の燃料または尿素水の噴射を実施する。
【００１６】
尿素水インジェクタ１３は、燃焼室１８に尿素水供給部３１から供給された尿素水または洗浄流体供給部３２から供給された燃料を異なる時期に噴射する。尿素水インジェクタ１３は、図２に示すように第一ニードル４１、第二ニードル４２、ノズル４３、ハウジング４４、第一駆動部４５および第二駆動部４６を備えている。ノズル４３は、図３に示すように筒状に形成されている。ノズル４３は、内周側に先端に行くにつれて内径が縮小する円錐台状の内周壁４７を有している。ノズル４３は、この内周壁４７と外周壁４８とを接続する噴孔４９を形成している。噴孔４９は、一方の端部が内周壁４７に開口し、他方の端部が外周壁４８に開口している。ノズル４３は、円錐台状の内周壁４７において噴孔４９が開口する位置よりも大径側すなわち先端とは反対側に大径弁座５１を有している。また、ノズル４３は、円錐台状の内周壁４７において噴孔４９が開口する位置により小径側すなわち先端側に小径弁座５２を有している。これにより、円錐台状の内周壁４７は、先端側へ向けて大径弁座５１、噴孔４９および小径弁座５２の順に有している。また、大径弁座５１の内径は、小径弁座５２の内径よりも大きくなる。ノズル４３は、円錐状の内周壁４７の先端側にサック部５３を有している。ノズル４３は、サック部５３と反対側の端部において、その径方向外側からさらにサック部５３と反対側へ伸びる円筒状の内周壁５４を有している。なお、ノズル４３は、サック部５３を有していなくてもよい。
【００１７】
ノズル４３およびハウジング４４の内側には、第一ニードル４１および第二ニードル４２が設けられている。第一ニードル４１は、第二ニードル４２の外周側に設けられている。第一ニードル４１および第二ニードル４２は、いずれもノズル４３の円錐台状の内周壁４７と同軸上に設けられている。第一ニードル４１は、筒状に形成され、ノズル４３との間すなわちノズル４３の円筒状の内周壁４７との間に第一流体通路５５を形成している。第一ニードル４１は、先端の円錐台状の外壁に第一シール部５６を有している。第一シール部５６は、ノズル４３の内周壁４７に形成されている大径弁座５１に着座可能である。
【００１８】
第二ニードル４２は、第一ニードル４１の内周側に設けられている。第二ニードル４２は、筒状に形成され、内側に第二流体通路５７を形成している。第二ニードル４２は、先端の円錐台状の外壁に第二シール部５８を有している。第二シール部５８は、ノズル４３の内周壁４７に形成されている小径弁座５２に着座可能である。第二ニードル４２の外径は、第一ニードル４１の内径よりもわずかに小さい。これにより、第一ニードル４１と第二ニードル４２とは、摺動可能であり、相対的に軸方向へ移動可能である。
【００１９】
ハウジング４４は、第一ニードル４１および第二ニードル４２をノズル４３とともに収容している。ハウジング４４は、図２に示すように内側に流体通路６１、背圧室６２、背圧通路６３、リーク通路６４および流体通路６５を形成している。流体通路６１は、一方の端部が第一流体通路５５に接続するとともに、他方の端部が尿素水供給部３１の尿素水通路部３５に接続している。これにより、尿素水通路部３５を経由して尿素水インジェクタ１３に供給された尿素水は、流体通路６１を経由して第一流体通路５５へ供給される。流体通路６１は、絞り６６を経由して背圧室６２に接続している。これにより、流体通路６１へ供給された尿素水は、一部が背圧室６２に供給される。
【００２０】
背圧室６２は、例えばコイルスプリングなどの弾性部材６７を収容している。弾性部材６７は、全長が増大する方向の力を有しており、一端が第一ニードル４１に接し、他端が背圧室６２に設けられているワッシャ６８に接している。これにより、第一ニードル４１は、弾性部材６７によって第一シール部５６が大径弁座５１へ着座する方向へ押し付けられている。背圧室６２は、背圧通路６３を経由してリーク通路６４に接続している。
【００２１】
第一駆動部４５は、ハウジング４４の内側に収容されている。第一駆動部４５は、コイル７１、リーク弁７２および弾性部材７３を有している。コイル７１は、樹脂性のスプール７４に巻かれており、制御部３３によって通電がオンまたはオフされる。リーク弁７２は、磁性体で形成され、背圧通路６３とリーク通路６４との接続部分を開閉する。背圧通路６３のリーク通路６４側の端部には、弁座７５が設けられている。リーク弁７２は、弁座７５に着座することにより背圧通路６３とリーク通路６４との間を遮断し、弁座７５から離座することにより背圧通路６３とリーク通路６４との間を開放する。弾性部材７３は、リーク弁７２を背圧通路６３とリーク通路６４との間を遮断する方向、すなわちリーク弁７２を弁座７５側へ押し付けている。
【００２２】
制御部３３からコイル７１へ通電すると、コイル７１とリーク弁７２との間に発生した磁気吸引力により、リーク弁７２は弾性部材７３の押し付け力に抗してコイル７１側へ移動する。そのため、背圧通路６３とリーク通路６４とは接続される。リーク通路６４は、背圧通路６３とは反対側が尿素水タンク３４に接続している。これにより、リーク弁７２がコイル７１側へ移動すると、背圧室６２の尿素水は背圧通路６３およびリーク通路６４を経由して尿素水インジェクタ１３の外部へ流出し、尿素水タンク３４へ戻される。
【００２３】
第二駆動部４６は、ハウジング４４の内側に収容されている。第二駆動部４６は、コイル７６、ドライブピン７７および弾性部材７８を有している。コイル７６は、樹脂製のスプール７９に巻かれており、制御部３３によって通電がオンまたはオフされる。ドライブピン７７は、磁性体で形成され、コイル７６とは反対側の端部が第二ニードル４２の噴孔４９とは反対側の端部に接続している。弾性部材７８は、ドライブピン７７を経由して第二ニードル４２を小径弁座５２側へ押し付けている。制御部３３からコイル７６へ通電すると、コイル７６とドライブピン７７との間に発生した磁気吸引力により、ドライブピン７７および第二ニードル４２は弾性部材７８の押し付け力に抗してコイル７６側へ移動する。ドライブピン７７は、ハウジング４４が形成する孔部８１の内側を軸方向へ移動可能である。ドライブピン７７は、軸方向の途中にガイド部８２を有している。ガイド部８２は、外壁の一部が孔部８１を形成するハウジング４４の内壁と摺動可能である。これにより、ドライブピン７７は、ガイド部８２によってハウジング４４に案内されつつ軸方向へ移動する。また、第二ニードル４２も、孔部８１を形成するハウジング４４の内壁と一部が摺動し、軸方向の移動が案内される。
【００２４】
第二ニードル４２が形成する第二流体通路５７は、噴孔４９とは反対側の端部がハウジング４４の孔部８１の内側に形成される流体室８３に接続している。流体室８３は、第二ニードル４２が形成する第二流体通路５７に接続するとともに、ハウジング４４を径方向へ貫く流体通路６５に接続している。流体通路６５は、ハウジング４４が形成する流体室８３と洗浄流体供給部３２の洗浄流体通路部３８とを接続している。これにより、洗浄流体通路部３８から供給される洗浄流体である燃料は、流体通路６５を経由して流体室８３に供給される。ガイド部８２は、一部が面取りされているため、流体室８３へ供給された洗浄流体である燃料は、ガイド部８２の外壁とハウジング４４の内壁との間を経由して第二ニードル４２の第二流体通路５７へ流入する。
【００２５】
次に、上記の構成による排気浄化装置１０の作動について説明する。
第１実施形態の場合、尿素水インジェクタ１３は尿素水および洗浄流体として燃料を噴射する。このように尿素水インジェクタ１３から洗浄流体である燃料を噴射する場合、尿素水インジェクタ１３は燃料インジェクタ１２からの燃料の噴射に引き続き尿素水および燃料を噴射する。以下、燃料インジェクタ１２および尿素水インジェクタ１３からの燃料および尿素水の噴射の手順を図４に基づいて具体的に説明する。
【００２６】
制御部３３は、ディーゼルエンジン１１の図示しないクランクシャフトの回転角度が燃料の噴射時期に到達すると、燃料インジェクタ１２から燃料を噴射する。燃料インジェクタ１２は、従来、燃焼室１８における燃料の燃焼を促進し、排気に含まれる有害物質および発生する騒音を低減するために、メイン噴射、パイロット噴射およびポスト噴射を含む多段噴射を実施している。メイン噴射は、燃焼室１８における燃焼の主となる燃料の噴射である。パイロット噴射は、メイン噴射に先立つ燃料の噴射である。ポスト噴射は、メイン噴射後の燃料の噴射である。パイロット噴射およびポスト噴射では、メイン噴射に比較して少量の燃料が噴射される。制御部３３は、燃料インジェクタ１２の駆動部２５にパルス状の駆動信号を出力することにより、燃料インジェクタ１２からの燃料の噴射を制御する。
【００２７】
第１実施形態の場合、燃料インジェクタ１２は、従来通りパイロット噴射およびメイン噴射を実施する。一方、ポスト噴射は、燃料インジェクタ１２に代えて尿素水インジェクタ１３から実施する。尿素水インジェクタ１３は、燃料インジェクタ１２によるメイン噴射の後に、燃焼室１８へ尿素水を噴射する。燃焼室１８へ尿素水を直接噴射することにより、排気に含まれるＮＯｘは尿素水インジェクタ１３から噴射された尿素水と反応して還元される。このように尿素水インジェクタ１３から尿素水を噴射する場合、尿素水の一部は尿素水インジェクタ１３の噴孔４９に残留する。尿素水インジェクタ１３は噴孔４９を含むノズル４３の先端が燃焼室１８に露出しているため、噴孔４９の近傍は燃焼室１８の高温の排気に晒される。その結果、噴孔４９に残留した尿素水の水分は蒸発し、噴孔４９には尿素水に含まれる尿素の結晶が析出する。噴孔４９に析出した尿素の結晶は、噴孔４９の目詰まりの原因となり、その後の尿素水の噴射を妨げるおそれがある。
【００２８】
第１実施形態の場合、尿素水インジェクタ１３は、尿素水を噴射した後、同一の噴孔４９から洗浄流体である燃料を噴射する。これにより、噴孔４９の残留する尿素水は、その後に噴射される燃料によって噴孔４９から除去される。すなわち、噴孔４９に残留する尿素水は、燃料によって洗浄される。その結果、目詰まりの原因となる尿素の結晶の噴孔４９への付着は低減される。このように尿素水インジェクタ１３から洗浄流体である燃料を噴射する第１実施形態では、尿素水の噴射に続く燃料の噴射をポスト噴射の時期に実施する。すなわち、制御部３３は、燃料インジェクタ１２でパイロット噴射およびメイン噴射を実施した後、尿素水インジェクタ１３から尿素水および燃料を続けて噴射する。このとき、尿素水インジェクタ１３は、メイン噴射とポスト噴射との間に尿素水を噴射する。このように、尿素水インジェクタ１３は、ＮＯｘを還元するための尿素水を噴射した後、ポスト噴射に対応する燃料を噴射することにより、噴孔４９に残留する尿素水の除去を図っている。これらにより、尿素水インジェクタ１３の噴孔４９の目詰まり低減と、ポスト噴射による排気の浄化とが同時に達成される。
【００２９】
次に、尿素水および洗浄流体としての燃料を異なる時期に噴射する尿素水インジェクタ１３の作動について説明する。
制御部３３は、尿素水インジェクタ１３から尿素水を噴射する時期になるまで第一駆動部４５のコイル７１および第二駆動部４６のコイル７６に通電しない。第一駆動部４５のコイル７１が通電されていないとき、リーク弁７２にはコイル７１側から磁気吸引力が加わらない。そのため、リーク弁７２は、弾性部材７３の押し付け力により弁座７５に着座している。これにより、リーク弁７２は、背圧通路６３とリーク通路６４との間を遮断している。その結果、流体通路６１を経由して尿素水通路部３５から供給された尿素水は、背圧室６２およびノズル４３の第一流体通路５５に貯えられている。この場合、背圧室６２における尿素水の圧力と第一流体通路５５における尿素水の圧力とは同一である。そのため、尿素水から第一ニードル４１に加わる力は、軸方向の両端部においてほぼ同一となる。一方、第一ニードル４１は、背圧室６２に設けられている弾性部材６７によって大径弁座５１に着座する方向へ押し付けられている。これにより、第一ニードル４１が閉弁方向すなわち第一シール部５６が大径弁座５１に着座する方向へ受ける力は、開弁方向すなわち第一シール部５６が大径弁座５１から離座する方向へ受ける力よりも大きくなる。したがって、第一ニードル４１の第一シール部５６は大径弁座５１に着座し、噴孔４９からは尿素水が噴射されない。
【００３０】
また、第二駆動部４６のコイル７６が通電されていないとき、ドライブピン７７にはコイル７６側から磁気吸引力が加わらない。そのため、弾性部材７８は、ドライブピン７７および第二ニードル４２を小径弁座５２側へ押し付けている。これにより、第二ニードル４２の第二シール部５８は、小径弁座５２に着座している。このように、第一駆動部４５および第二駆動部４６に通電していないとき、噴孔４９からは尿素水も洗浄流体である燃料も噴射されない。
【００３１】
尿素水を噴射する時期になると、制御部３３は第一駆動部４５のコイル７１に通電する。第一駆動部４５のコイル７１に通電すると、発生した磁気吸引力によりリーク弁７２は弁座７５から離座する。これにより、背圧通路６３とリーク通路６４とが接続され、背圧室６２の尿素水は背圧通路６３およびリーク通路６４を経由して排出される。リーク通路６４はほぼ大気圧の尿素水タンク３４に接続しているため、背圧室６２における尿素水は第一流体通路５５の尿素水に比較して圧力が低下する。そのため、第一ニードル４１は、背圧室６２の尿素水から受ける力よりも、第一流体通路５５の尿素水から受ける力の方が大きくなる。すなわち、第一ニードル４１は、第一流体通路５５の尿素水から背圧室６２側へ力を受ける。この第一ニードル４１が第一流体通路５５の尿素水から背圧室６２側へ受ける力が弾性部材６７の押し付け力よりも大きくなると、第一ニードル４１は背圧室６２側へ移動する。その結果、第一シール部５６は大径弁座５１から離座し、第一流体通路５５と噴孔４９とは接続する。このとき、第二駆動部４６のコイル７６には通電されていないため、第二ニードル４２の第二シール部５８は小径弁座５２に着座している。そのため、第二流体通路５７と噴孔４９との間は、遮断されている。これにより、第一駆動部４５のコイル７１に通電すると、噴孔４９から尿素水が噴射される。
【００３２】
制御部３３が第一駆動部４５のコイル７１への通電を停止すると、コイル７１とリーク弁７２との間の磁気吸引力が消滅し、リーク弁７２は弁座７５に着座する。これにより、背圧通路６３とリーク通路６４とが遮断され、背圧室６２の尿素水の圧力は再び上昇する。そして、背圧室６２の尿素水の圧力と第一流体通路５５の尿素水の圧力とが等しくなると、弾性部材６７の押し付け力により第一ニードル４１の第一シール部５６は大径弁座５１に着座する。これにより、噴孔４９からの尿素水の噴射は終了する。
【００３３】
尿素水の噴射が終了した後、ポスト噴射の時期になると、制御部３３は第二駆動部４６のコイル７６に通電する。第二駆動部４６のコイル７６に通電すると、発生した磁気吸引力によりドライブピン７７および第二ニードル４２は弾性部材７８の押し付け力に抗してコイル７６側へ移動する。これにより、第二ニードル４２の第二シール部５８は小径弁座５２から離座し、第二流体通路５７と噴孔４９とは接続される。このとき、第一駆動部４５のコイル７１には通電されていないため、第一ニードル４１の第一シール部５６は大径弁座５１に着座している。そのため、第一流体通路５５と噴孔４９との間は、遮断されている。これにより、第二駆動部４６のコイル７６に通電すると、噴孔４９から洗浄流体としての燃料が噴射される。
第二駆動部４６への通電を停止することにより、ドライブピン７７および第二ニードル４２は弾性部材７８の押し付け力により再び小径弁座５２側へ移動する。そして、第二ニードル４２の第二シール部５８は、ノズル４３の小径弁座５２に着座する。したがって、第二流体通路５７と噴孔４９との間が遮断され、洗浄流体である燃料の噴射が終了する。
【００３４】
以上説明したように、第１実施形態では、尿素水インジェクタ１３の噴孔４９から尿素水を噴射した後、同一の噴孔４９から洗浄流体である燃料を噴射している。これにより、尿素水の噴射時に噴孔４９に残留した尿素水は、その後に噴射される燃料によって噴孔４９から除去される。そのため、尿素水インジェクタ１３のノズル４３が燃焼室１８における高温の排気に晒される場合でも、噴孔４９およびその周囲への尿素水の残留、および残留した尿素水からの尿素の結晶の析出が低減される。したがって、析出した尿素の結晶による噴孔４９の目詰まりを低減することができ、確実な尿素水の噴射を確保することができる。
【００３５】
また、第１実施形態では、尿素水インジェクタ１３は、燃料インジェクタ１２から噴射される燃料を洗浄流体として噴射する。そのため、燃料インジェクタ１２に燃料を供給する構成を利用することにより、洗浄流体のための専用の構成が不要である。したがって、構成の複雑化を招くことなく、噴孔４９への尿素の堆積を低減することができる。
さらに、第１実施形態では、尿素水インジェクタ１３は、洗浄流体である燃料をポスト噴射時に噴射する。すなわち、燃料インジェクタ１２によって実施する多段噴射のうち、メイン噴射に続くポスト噴射は尿素水インジェクタ１３で実施される。尿素水インジェクタ１３は、燃料インジェクタ１２によってメイン噴射が実施されると、これに引き続き尿素水を噴射するとともに、さらにポスト噴射時に燃料インジェクタ１２に代わって燃料を噴射する。これにより、尿素水インジェクタ１３の噴孔４９に残留した尿素水は、ポスト噴射に対応する燃料の噴射によって除去される。したがって、ポスト噴射による排気の浄化および騒音の低減を図りつつ、あわせて噴孔４９への尿素の堆積を低減することができる。
【００３６】
（変形例）
第１実施形態では、洗浄流体として燃料を噴射する例について説明した。しかし、洗浄流体は、燃料に限らず空気であってもよい。図５に示すように、尿素水インジェクタ１３は、尿素水を噴射した後、空気を噴射する。この空気は、第１実施形態の燃料と同様に第二流体通路５７を経由して供給され、第二ニードル４２の移動によって噴孔４９からの噴射が断続される。尿素水インジェクタ１３で噴孔４９から尿素水を噴射した後に空気を噴射することにより、尿素水の噴射時に噴孔４９に残留する尿素水は続いて噴射される空気によって除去される。すなわち、噴孔４９に残留する尿素水は、尿素水に引き続いて噴射される空気とともに噴孔４９から燃焼室１８へ排出される。その結果、噴孔４９および噴孔４９の周囲への尿素の結晶の析出が低減される。したがって、析出した尿素の結晶による噴孔４９の目詰まりを低減することができ、確実な尿素水の噴射を確保することができる。
【００３７】
また、尿素水インジェクタ１３から尿素水を噴射するとき、ディーゼルエンジン１１は燃料が燃焼し燃焼室１８の体積が増加する膨張行程にある。そのため、燃焼室１８における燃焼ガスには、燃料の燃焼によって生じたすすが含まれている。ここで尿素水インジェクタ１３から洗浄流体として空気を噴射することにより、燃焼室１８には酸素を含む新鮮な空気が供給される。その結果、燃料の燃焼によって生じたすすは、噴射された空気に含まれる酸素によって燃焼する。したがって、噴孔４９の目詰まりを低減することができるとともに、排気に含まれるすすを低減することができ、排気をより浄化することができる。
【００３８】
なお、以上説明した第１実施形態および変形例では、洗浄流体として燃料および空気を例に説明した。しかし、洗浄流体は、燃料および空気に加えて、窒素、酸素あるいは水素などであってもよい。また、洗浄流体とする燃料も、内燃機関の主となる燃料だけでなるその他の燃料を適用してもよい。例えばディーゼルエンジン１１に燃料インジェクタ１２から燃料として軽油を噴射する場合、尿素水インジェクタ１３からは例えば天然ガス、エーテル類あるいはアルコール類など軽油以外の燃料を噴射してもよい。また、内燃機関はディーゼルエンジンに限らずガソリンエンジンなど他の形式であってもよく、その燃料は、軽油に限らず、例えばガソリン、重油、バイオマス燃料、天然ガスあるいはアルコール類など、任意の燃料を適用できるのは当然である。
【００３９】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態による排気浄化装置において尿素水インジェクタのノズルの拡大図を図６に示す。
図６に示すように、第２実施形態による排気浄化装置の尿素水インジェクタ１１３は、構成が第１実施形態と異なる。第２実施形態では、尿素水インジェクタ１１３は、第一ニードル１４１、第二ニードル１４２およびノズル１４３を有している。ノズル１４３は、第１実施形態と同様にハウジング４４と接続されている。ノズル１４３は、筒状に形成され、内周側に円錐台状の内周壁１４７を有している。円錐台状の内周壁１４７は、大径弁座１５１および小径弁座１５２を有している。小径弁座１５２は、大径弁座１５１よりも噴孔１４９側すなわち先端側に設けられている。これにより、大径弁座１５１の内径は、小径弁座１５２の内径よりも大きい。
【００４０】
ノズル１４３は、この円錐台状の内周壁１４７の先端側にサック部１５３を有している。また、ノズル１４３は、円錐台状の内周壁１４７のサック部１５３とは反対側に円筒状の内周壁１５４を有している。さらに、ノズル１４３は、サック部１５３の先端において内周側とノズル１４３の外周壁１４８とを接続する噴孔１４９を有している。ノズル１４３は、円筒状の内周壁１５４の径方向外側に第一流体通路１５５を有している。第一流体通路１５５は、ノズル１４３を軸方向の途中まで貫くとともに、噴孔１４９側の端部が径方向内側へ伸びて円筒状の内周壁１５４に開口している。第一流体通路１５５は、端部が尿素水供給部３１の尿素水通路部３５に接続している。これにより、第一流体通路１５５には尿素水が供給される。なお、ノズル１４３は、サック部１５３を有していなくてもよい。
【００４１】
第一ニードル１４１は、円筒状に形成され、外壁がノズル１４３の円筒状の内周壁１５４と摺動可能であるともに、ノズル１４３の内周側を軸方向へ往復移動可能である。第一ニードル１４１は、内周側に第二ニードル１４２を移動可能に収容している。尿素水インジェクタ１１３は図示しない第一駆動部を備えており、第一ニードル１４１は第一駆動部により軸方向へ往復駆動される。第一ニードル１４１は、先端側に内周側と外周側とを接続する接続孔１９１を有している。第一ニードル１４１は、先端の外壁に大径弁座１５１に着座可能な第一シール部１５６を有している。第一ニードル１４１の第一シール部１５６がノズル１４３の大径弁座１５１に着座することにより、第一ニードル１４１は軸方向の移動、すなわち噴孔１４９側への移動が制限される。
【００４２】
第二ニードル１４２は、概ね柱状に形成され、第一ニードル１４１の内側に収容されている。尿素水インジェクタ１１３は図示しない第二駆動部を備えており、第二ニードル１４２は第二駆動部により軸方向へ往復駆動される。第二ニードル１４２は、先端よりもやや噴孔１４９と反対側に径方向外側へ突出する突出部１９２を有している。突出部１９２は、図７に示すように第二ニードル１４２の周方向において複数設けられている。第２実施形態の場合、突出部１９２は、第二ニードル１４２の周方向へ等間隔で四カ所設けられている。突出部１９２は、第二ニードル１４２の外壁から径方向外側へ突出するとともに、外周側の端部が第一ニードル１４１の内壁に接している。これにより、第二ニードル１４２は、第一ニードル１４１に接する突出部１９２によって軸方向への移動が案内される。
【００４３】
第二ニードル１４２は、図６および図７に示すように径方向へ貫く横孔１９３および軸方向へ貫く縦孔１９４を有している。横孔１９３は、突出部１９２および第二ニードル１４２を貫いて径方向へ形成されている。縦孔１９４は、第二ニードル１４２の中心軸上に設けられ、一方の端部が第二ニードル１４２の先端に開口するとともに、他方の端部が横孔１９３に接続している。第二ニードル１４２は、先端の外壁に小径弁座１５２に着座可能な第二シール部１５８を有している。
【００４４】
第二ニードル１４２は、突出部１９２を除く部分の外径が第一ニードル１４１の内径よりも小さい。そのため、第一ニードル１４１の内壁と第二ニードル１４２との間には、第二流体通路１５７が形成される。突出部１９２は、図７に示すように第二ニードル１４２の周方向へ不連続に形成されている。そのため、突出部１９２を挟んで噴孔１４９側と噴孔１４９と反対側の第二流体通路１５７は、突出部１９２が設けられていない部分を経由して互いに接続している。第二流体通路１５７は、図６に示すように端部が洗浄流体供給部３２の洗浄流体通路部３８に接続している。これにより、第二流体通路１５７には、洗浄流体である燃料または空気が供給される。第二ニードル１４２の第二シール部１５８がノズル１４３の小径弁座１５２に着座することにより、第二流体通路１５７と噴孔１４９が開口するサック部１５３との間は遮断される。第二ニードル１４２の横孔１９３は、第二シール部１５８が小径弁座１５２に着座しているとき、噴孔１４９側の端部においてノズル１４３の径方向へ伸びる第一流体通路１５５の延長線上に位置している。
【００４５】
上記の尿素水インジェクタ１１３の場合、第一ニードル１４１を駆動する第一駆動部および第二ニードル１４２を駆動する第二駆動部は、制御部３３からの指示によってそれぞれ第一ニードル１４１または第二ニードル１４２を駆動する。第２実施形態では、第一駆動部および第二駆動部について説明していないが、第１実施形態と同様に第一ニードル１４１または第二ニードル１４２を個別に駆動する。第一駆動部および第二駆動部の構成は、第１実施形態と同様でもよく、周知の電磁的な駆動部の構成を適用してもよい。
【００４６】
次に、第２実施形態による尿素水インジェクタ１１３による尿素水および洗浄流体の噴射について説明する。
制御部３３は、尿素水インジェクタ１１３から尿素水を噴射する時期になるまで第一駆動部および第二駆動部へ駆動指示を出力しない。そのため、第一ニードル１４１は第一シール部１５６が大径弁座１５１に着座し、第二ニードル１４２は第二シール部１５８が小径弁座１５２に着座している。これにより、噴孔１４９から尿素水も洗浄流体も噴射されない。
【００４７】
尿素水を噴射する時期になると、制御部３３は第一駆動部へ駆動の指示を出力する。これにより、第一駆動部は、第一ニードル１４１を噴孔１４９とは反対側すなわち図６の上方へ駆動する。第一駆動部が第一ニードル１４１を駆動することにより、第一ニードル１４１の第一シール部１５６はノズル１４３の大径弁座１５１から離座する。このとき、第一シール部１５６と大径弁座１５１とは単に第一ニードル１４１の噴孔１４９側への移動を規制するために接しているに過ぎない。そのため、第一シール部１５６が大径弁座１５１から離座しただけでは尿素水は噴孔１４９から噴射されない。
【００４８】
第一ニードル１４１が上方へ駆動され、第一ニードル１４１の接続孔１９１がノズル１４３の第一流体通路１５５および第二ニードル１４２の横孔１９３の延長線上まで移動すると、第一流体通路１５５と横孔１９３とは接続孔１９１を経由して接続する。これにより、第一流体通路１５５とサック部１５３との間は、接続孔１９１ならびに第二ニードル１４２の横孔１９３および縦孔１９４を経由して接続する。そのため、サック部１５３には第一流体通路１５５から尿素水が供給される。このとき、第二ニードル１４２の第二シール部１５８は、ノズル１４３の小径弁座１５２に着座している。そのため、第二流体通路１５７とサック部１５３との間は、遮断されている。したがって、サック部１５３に供給された尿素水は、噴孔１４９から燃焼室１８へ噴射される。
【００４９】
第一駆動部による第一ニードル１４１の上方への移動が停止されると、第一ニードル１４１は再び噴孔１４９側へ移動し、第一シール部１５６が大径弁座１５１に着座する。これにより、第一ニードル１４１の接続孔１９１とノズル１４３の第一流体通路１５５および第二ニードル１４２の横孔１９３との位置にずれが生じ、第一流体通路１５５とサック部１５３との間の接続は解除される。これにより、噴孔１４９からの尿素水の噴射は終了する。
【００５０】
尿素水の噴射が終了すると、制御部３３は第二駆動部により第二ニードル１４２を駆動する。第二駆動部により第二ニードル１４２が駆動されると、第二ニードル１４２は噴孔１４９とは反対側すなわち上方へ移動する。これにより、第二ニードル１４２の第二シール部１５８は、ノズル１４３の小径弁座１５２から離座する。そのため、第二流体通路１５７とサック部１５３との間が接続され、第二流体通路１５７の洗浄流体はサック部１５３へ供給される。このとき、第一ニードル１４１は、第一シール部１５６が大径弁座１５１に着座する位置にあり、第一流体通路１５５と横孔１９３との間は遮断されている。これにより、サック部１５３に供給された洗浄流体は、噴孔１４９から噴射される。
【００５１】
第二駆動部による第二ニードル１４２の上方への移動が停止されると、第二ニードル１４２は再び噴孔１４９側へ移動し、第二シール部１５８が小径弁座１５２に着座する。これにより、第二流体通路１５７とサック部１５３との間は遮断される。したがって、噴孔１４９からの洗浄流体の噴射は終了する。
【００５２】
第２実施形態でも、第１実施形態と同様に、尿素水インジェクタ１１３から尿素水を噴射した後、同一の噴孔１４９から洗浄流体を噴射している。これにより、尿素水の噴射時に噴孔１４９に残留した尿素水は、その後に噴射される洗浄流体によって噴孔１４９から除去される。そのため、尿素水インジェクタ１１３のノズル１４３が燃焼室１８における高温の排気に晒される場合でも、噴孔１４９およびその周囲への尿素の結晶の析出が低減される。したがって、析出した尿素の結晶による噴孔１４９の目詰まりを低減することができ、確実な尿素水の噴射を確保することができる。
また、第２実施形態でも、第１実施形態と同様に洗浄流体として燃料を適用することにより、燃料インジェクタ１２のポスト噴射に代えて尿素水インジェクタ１１３から燃料を噴射することができる。これにより、排気の浄化に必要なポスト噴射によって噴孔１４９に残留する尿素水を除去することができる。なお、第２実施形態でも、洗浄流体は燃料に代えて空気その他の流体であってもよい。
【００５３】
（その他の実施形態）
以上説明した複数の実施形態では、第一流体通路５５、１５５に尿素水を供給し、第二流体通路５７、１５７に洗浄流体を供給する例について説明した。しかし、第一流体通路５５、１５５に洗浄流体を供給し、第二流体通路５７、１５７に尿素水を供給してもよい。
また、第２実施形態では、第一ニードル１４１を軸方向へ上下移動させることにより、ノズル１４３の第一流体通路１５５と第二ニードル１４２の横孔１９３との接続を断続する例について説明した。しかし、第一ニードル１４１を回転駆動することにより、第一流体通路１５５と横孔１９３との接続を断続する構成としてもよい。具体的には、第一ニードル１４１の接続孔１９１を第一ニードル１４１の周方向へ不連続に配置するとともに、この接続孔１９１をノズル１４３の第一流体通路１５５および第二ニードル１４２の横孔１９３の延長線上に配置する。そして、第一駆動部で第一ニードル１４１を周方向へ回転駆動することにより、第一流体通路１５５と横孔１９３との間の接続を断続してもよい。
【００５４】
さらに、上述の各実施形態で説明した尿素水インジェクタ１３、１１３の構成は例示である。したがって、尿素水インジェクタは、尿素水および洗浄流体を同一の噴孔から噴射可能な構成であれば、上述の実施形態で説明した構成以外を適用してもよい。
以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の第１実施形態による排気浄化装置を適用したディーゼルエンジンを示す模式図
【図２】本発明の第１実施形態による排気浄化装置の尿素水インジェクタの断面を示す模式図
【図３】本発明の第１実施形態による排気浄化装置の尿素水インジェクタにおいて噴孔の近傍を拡大した断面図
【図４】本発明の第１実施形態による排気浄化装置の燃料インジェクタおよび尿素水インジェクタの噴射時期を示す模式図
【図５】本発明の第１実施形態の変形例による排気浄化装置の尿素水インジェクタからの尿素水および空気の噴射時期を示す模式図
【図６】本発明の第２実施形態による排気浄化装置の尿素水インジェクタにおいて噴孔の近傍を拡大した断面図
【図７】図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線における断面図
【符号の説明】
【００５６】
図面中、１０は排気浄化装置、１１はディーゼルエンジン（内燃機関）、１２は燃料インジェクタ（第一噴射弁）、１３は尿素水インジェクタ（第二噴射弁）、１８は燃焼室、４１は第一ニードル、４２は第二ニードル、４３はノズル、４５は第一駆動部、４６は第二駆動部、４７は内周壁、４８は外周壁、４９は噴孔、５１は大径弁座、５２は小径弁座、５５は第一流体通路、５６は第一シール部、５７は第二流体通路、５８は第二シール部、１１３は尿素水インジェクタ、１４９は噴孔を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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