(57)【要約】【課題】尿素の析出にともなう噴孔の目詰まりを低減し、尿素水の確実な噴射が確保される尿素水噴射装置を提供する。【解決手段】噴射装置１１は、ニードル３２のシール部３９がニードル３２の先端側への移動によって弁座３４から離座するいわゆる外開弁である。噴孔３３の近傍に析出した結晶は、ニードル３２のシール部３９が弁座３４から離座するとき、ニードル３２の移動によってボディ３１から破壊されつつ引き剥がされる。そのため、ボディ３１に付着している尿素の結晶は、ニードル３２の移動によってボディ３１から除去され、噴孔３３の周囲への堆積が低減される。これにより、尿素の析出にともなう噴孔３３の目詰まりが低減され、尿素水の確実な噴射が確保される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路を流れる排気に尿素水を噴射する尿素水噴射装置であって、
筒状に形成され、前記排気通路側の端部に噴孔、および前記噴孔よりも先端側に弁座を有するボディと、
前記弁座に着座可能であり、前記弁座よりも前記ボディの先端側へ移動することにより前記弁座から離座し前記噴孔からの前記尿素水の噴射を許容するニードルと、
を備えることを特徴とする尿素水噴射装置。
【請求項２】
前記ニードルは、前記尿素水の圧力によって前記噴孔を開放することを特徴とする請求項１記載の尿素水噴射装置。
【請求項３】
通電により前記ニードルを駆動する電磁駆動部をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の尿素水噴射装置。
【請求項４】
前記噴孔は、前記排気通路における排気の流れ方向において下流側に開口していることを特徴とする請求項１、２または３記載の尿素水噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、尿素水噴射装置に関し、特に排気通路を流れる排気に含まれるＮＯｘを還元する排気浄化装置において、排気通路を流れる排気に尿素水を噴射する尿素水噴射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関、特にディーゼルエンジンから排出されるＮＯｘを還元する排気浄化装置として、ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システムが公知である。ＳＣＲシステムを用いた排気浄化装置は、例えば尿素やアンモニアなどを還元剤として噴射することにより、排気に含まれるＮＯｘを選択的に窒素や水に還元する。尿素水に含まれる尿素は、水分が蒸発することにより結晶となって析出する。析出した尿素は、排気通路を形成する排気管内や噴射弁などに堆積し、動作不良の原因となる。そこで、特許文献１では、加圧した空気を排気管の内部に噴射し、排気管の内壁へ付着する尿素の低減を図っている。
【０００３】
しかしながら、特許文献１の場合、排気管の内壁に付着する尿素は低減されるものの、尿素水を噴射する噴孔の近傍に付着する尿素の低減は困難である。尿素水を噴射する尿素水噴射装置の噴孔の近傍に析出した尿素は、噴孔の目詰まりを引き起こす。その結果、噴射される尿素水が不足したり、尿素水の噴射そのものが停止するという問題がある。
【特許文献１】特開２００５−２７３５７９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、尿素の析出にともなう噴孔の目詰まりを低減し、尿素水の確実な噴射が確保される尿素水噴射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、ニードルはボディの弁座よりも先端側に移動することにより、弁座から離座して噴孔からの尿素水の噴射を許容する。このように、ニードルは、いわゆる外開弁を形成している。噴射の終了によって噴孔の周囲に残留する尿素水は、高温の排気に晒されることによって水分が蒸発する。そのため、尿素水に含まれる尿素は、ボディの噴孔の近傍において結晶として析出する。ニードルを外開弁とすることにより、ニードルが噴孔を開放するとき、ボディに付着した尿素の結晶はニードルの移動によってボディから引き剥がされる。その結果、ボディに付着している尿素の結晶は、ニードルの移動によってボディから除去され、噴孔の周囲への堆積が低減される。したがって、尿素の析出にともなう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記載の発明では、ニードルは尿素水の圧力によって駆動される。そのため、ニードルを駆動するための複雑な機構を必要としない。したがって、構成を簡略化することができる。
請求項３記載の発明では、ニードルは電磁駆動部によって駆動される。電磁駆動部で駆動することにより、ニードルは迅速かつ精密な駆動が可能となる。そのため、所望の時期に所望の量の尿素水が高精度に噴射される。したがって、排気に含まれるＮＯｘをより高精度に浄化することができる。
【０００７】
請求項４記載の発明では、噴孔は排気の流れ方向において下流側に開口している。そのため、尿素水は排気の流れに逆らわず噴射される。また、排気の流れによって噴孔の下流側すなわちニードルの先端における圧力は低下する。そのため、ニードルには、吸引力が加わる。これにより、外開弁のニードルは、排気の流れにともなう吸引力を利用して開放可能である。したがって、ニードルを駆動する力を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明による尿素水噴射装置の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、複数の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実施形態による尿素水噴射装置（以下、「噴射装置」という。）を適用した排気浄化システムを図１に示す。排気浄化システム１０は、噴射装置１１および尿素水供給装置（以下、「供給装置」という。）１２を備えている。排気浄化システム１０は、供給装置から供給されて噴射装置１１から噴射された尿素水を用いて図示しない内燃機関の排気管部１３を流れる排気に含まれるＮＯｘを分解する。内燃機関は、例えばディーゼルエンジンをはじめとして、ガソリンエンジンあるいはガスタービンエンジンなどが適用される。排気管部１３は、一方の端部が図示しない内燃機関に接続している。また、排気管部１３は、内燃機関と反対側の端部が大気に開放されている。排気浄化システム１０は、噴射装置１１よりも大気への開放側に図示しないＳＣＲ触媒を有している。排気浄化システム１０は、ＳＣＲ触媒だけでなく、酸化触媒、三元触媒、アンモニア酸化触媒やＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）など各種の触媒やフィルタなどを有していてもよい。排気管部１３は、筒状であり、内側に排気通路１４を形成している。内燃機関から排出された排気は、排気管部１３が形成する排気通路１４を経由して大気中へ放出される。
【０００９】
供給装置１２は、尿素水タンク２１、尿素水ポンプ２２、圧力調整部２３および尿素水管部２４を有している。尿素水タンク２１は、尿素水すなわち尿素の水溶液を貯える。尿素水ポンプ２２は、尿素水タンク２１に貯えられている尿素水を噴射装置１１へ供給する。圧力調整部２３は、尿素水ポンプ２２によって噴射装置１１へ供給される尿素水の圧力を調整する。尿素水管部２４は、尿素水タンク２１と噴射装置１１との間を接続している。
排気浄化システム１０は、例えばＥＣＵ（Electronic Control Unit）などの制御装置１５を備えている。制御装置１５は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭから構成されるマイクロコンピュータを有している。制御装置１５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に接続され、これらのアクセル開度センサや回転数センサなどから出力された信号に基づいて図示しない内燃機関の運転状態を検出する。制御装置１５は、検出した内燃機関の運転状態に基づいて、圧力調整部２３を制御する。これにより、制御装置１５は、尿素水タンク２１から噴射装置１１へ供給される尿素水の圧力を内燃機関の運転状態に基づいて制御する。
【００１０】
噴射装置１１は、排気通路１４における排気の流れ方向において内燃機関よりも下流側であって、ＳＣＲ触媒よりも上流側に設けられている。噴射装置１１は、排気通路１４を流れる排気に尿素水を噴射する。これにより、噴射装置１１から噴射された尿素水は、排気に混合されてＳＣＲ触媒へ流入する。噴射装置１１は、図２に示すようにボディ３１およびニードル３２を備えている。ボディ３１は、筒状に形成されている。ボディ３１は、軸方向の一方の端部が開口した噴孔３３を形成している。ボディ３１は、この噴孔３３よりも先端側に弁座３４を形成している。ボディ３１の噴孔３３は、排気通路１４における排気の流れ方向において下流側に開口している。これにより、尿素水は、噴射装置１１から排気の流れに沿って下流側へ向けて噴射される。
【００１１】
ニードル３２は、ボディ３１との間に尿素水通路３５を形成している。尿素水通路３５は、一端が尿素水管部２４に接続し、他端が噴孔３３に接続している。ニードル３２は、軸部３６、頭部３７および台部３８を有している。ニードル３２は、噴孔３３側の端部に頭部３７を有し、噴孔３３とは反対側の端部に台部３８を有している。ニードル３２は、台部３８側の一部がボディ３１を貫いて外部へ突出している。ニードル３２は、軸方向へ移動可能にボディ３１を貫いている。ニードル３２は、頭部３７の内側すなわちボディ３１側に、ボディ３１の弁座３４に着座可能なシール部３９を有している。ニードル３２のシール部３９がボディ３１の弁座３４に着座することにより、噴孔３３は閉鎖される。一方、ニードル３２のシール部３９がボディ３１の弁座３４から離座することにより、噴孔３３は開放される。
【００１２】
ニードル３２は、弁座３４とは反対側の端部に、外径が大きな台部３８を有している。ボディ３１の噴孔３３と反対側の端部の外壁４１とニードル３２の台部３８との間には、弾性部材４２が設けられている。弾性部材４２は、例えば板ばねやコイルばねなどで構成されている。弾性部材４２は、全長が伸びる方向へ力を有している。これにより、ニードル３２は、噴孔３３と反対側へ向けた力を弾性部材４２から受ける。その結果、ニードル３２に弾性部材４２以外の力が加わっていないとき、ニードル３２のシール部３９はボディ３１の弁座３４に着座している。
【００１３】
上記の構成による噴射装置１１の作動について説明する。
尿素水の噴射時期でないとき、弾性部材の力によりニードル３２のシール部３９はボディ３１の弁座３４に着座している。そのため、噴孔３３は、ニードル３２の頭部３７によって閉鎖されている。これにより、尿素水は、噴射装置１１の噴孔３３から噴射されない。制御装置１５は、内燃機関の運転状況に応じて尿素水を噴射する時期であると判断すると、圧力調整部２３により噴射装置１１へ供給する尿素水の圧力を調整する。圧力調整部２３は、制御装置１５から指示によって噴射装置１１へ供給する尿素水の圧力を調整する。噴射装置１１へ供給される尿素水の圧力が上昇すると、ニードル３２の頭部３７は尿素水通路３５の尿素水からその圧力に応じた力を受ける。すなわち、ニードル３２の頭部３７は、圧力が上昇した尿素水から力を受ける。ニードル３２の頭部３７に加わる力は、ニードル３２のシール部３９を弁座３４から離座させる方向となる。そのため、圧力調整部２３から噴射装置１１へ供給される尿素水の圧力が上昇し、ニードル３２が尿素水から受ける力が弾性部材４２から受ける力よりも大きくなると、図３に示すようにニードル３２のシール部３９は弁座３４から離座する。これにより、尿素水通路３５へ供給された尿素水は、噴孔３３から排気通路１４を流れる排気へ噴射される。一方、尿素水の圧力が低下すると、ニードル３２が尿素水から受ける力が減少し、弾性部材４２の力によりニードル３２のシール部３９はボディ３１の弁座３４に着座する。その結果、噴孔３３からの尿素水の噴射は終了する。
【００１４】
第１実施形態の場合、図４に示すように内燃機関が始動し、尿素水を噴射する時期になると、制御装置１５は圧力調整部２３から噴射装置１１へ供給する尿素水の圧力を通常の圧力Ｐよりも高い最大圧力Ｐｍａｘまで上昇させる。すなわち、尿素水を噴射する時期になると、圧力調整部２３は噴射装置１１へ圧力がＰｍａｘの尿素水を供給する。排気通路１４は、内燃機関の排気が流れるため高温である。噴射装置１１の噴孔３３の近傍は、排気通路１４の内部に位置しており、排気通路１４を流れる高温の排気に晒される。そのため、尿素水の噴射の終了によって噴孔３３の周辺に残留する尿素水は、水分が蒸発し、水溶液中の尿素が結晶となって析出する。析出した尿素は、噴孔３３の近傍に堆積し、ボディ３１の弁座３４とニードル３２のシール部３９との間の固着の原因となる。
【００１５】
尿素水の通常の噴射に先立って最大圧力Ｐｍａｘの尿素水を噴射装置１１へ供給することにより、噴射装置１１のニードル３２には尿素水から通常の噴射よりも大きな力が加わる。そのため、図２に示すように噴孔３３の周囲に尿素の結晶が付着しニードル３２とボディ３１とが固着していても、図３に示すようにニードル３２は尿素水から大きな力を受け付着した尿素の結晶を破壊しながらシール部３９が弁座３４から離座する。特に、第１実施形態のようにいわゆる外開弁の場合、尿素水からニードル３２に加わる力は尿素の結晶が付着しやすいシール部３９の近傍に集中する。その結果、噴孔３３の周囲に付着した尿素の結晶は、確実に破壊され、ニードル３２の開弁が確保される。
【００１６】
さらに、第１実施形態の場合、噴射装置１１のボディ３１は排気の流れにそって下流側に噴孔３３を形成している。そのため、排気の流れの上流側であるニードル３２の台部３８側では排気の圧力が高く、下流側である噴孔３３側では排気の圧力が低くなる。これにより、台部３８は、排気通路１４を流れる排気から排気の流れ方向において下流側へ向けて力を受ける。すなわち、排気通路１４を流れる排気は、台部３８に当たることにより、ニードル３２を排気の流れ方向において下流側へ押し付ける。一方、噴射装置１１は噴孔３３が排気の流れ方向の下流側へ向けて配置されているため、噴孔３３の近傍には排気の流れによって下流方向へ吸引される。これらの結果、ニードル３２は、排気通路１４を流れる排気から排気の流れ方向において下流側すなわちシール部３９が弁座３４から離座する方向へ力を受ける。したがって、尿素水からニードル３２に加える力、すなわち尿素水の圧力を大きく高める必要がない。
【００１７】
以上説明したように本発明の第１実施形態では、噴射装置１１はニードル３２が噴孔３３よりも先端側へ移動することによりシール部３９が弁座３４から離座するいわゆる外開弁である。そのため、噴孔３３の近傍に析出した結晶は、ニードル３２のシール部３９が弁座３４から離座するとき、ニードル３２の移動によってボディ３１から引き剥がされる。その結果、ボディ３１に付着している尿素の結晶は、ニードル３２の移動によってボディ３１から除去され、噴孔３３の周囲への堆積が低減される。したがって、尿素の析出にともなう噴孔３３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。
【００１８】
また、第１実施形態では、ニードル３２は圧力調整部２３から供給される尿素水の圧力によって駆動される。これにより、噴射装置１１は、簡単な構造でニードル３２を駆動する。したがって、構造を簡略化することができるとともに、部品点数を低減することができる。
さらに、第１実施形態では、噴孔３３は排気の流れ方向において下流側に開口している。そのため、尿素水は排気の流れに逆らわず噴射される。また、噴孔３３を下流側に向けて配置することにより、排気の圧力は上流側に対し下流側すなわち噴孔３３側において小さくなる。また、排気は、ボディ３１から露出しているニードル３２の台部３８を下流側すなわちシール部３９が弁座３４から離座する方向へ押し付ける。そのため、ニードル３２は、噴孔３３を開放する方向へ排気からの力を受ける。これにより、外開弁のニードル３２は、開弁する際に排気の流れにともなう吸引力が利用される。したがって、ニードル３２を駆動する力を低減することができ、尿素水ポンプ２２の負荷を低減することができる。
【００１９】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態による噴射装置を図５に示す。
第２実施形態では、図５に示すように噴射装置５０はボディ５１、ニードル５２および電磁駆動部５３を有している。ボディ５１は、第１実施形態と同様に筒状に形成され、内側にニードル５２を移動可能に収容している。ボディ５１は、排気通路１４側の端部に噴孔５４を形成している。ボディ５１は、噴孔５４よりも先端側に弁座５５を形成している。ニードル５２は、ボディ５１の内側に移動可能に収容されている。ニードル５２は、筒状に形成され、内側に尿素水管部２４と噴孔５４との間を接続する尿素水通路５６を形成している。ニードル５２は、ボディ５１の弁座５５に着座可能なシール部５７を有している。ニードル５２のシール部５７は、ボディ５１の弁座５５に着座または弁座５５から離座することにより、噴孔５４を開閉する。
【００２０】
電磁駆動部５３は、コイル５８および弾性部材５９を有している。コイル５８は、通電することにより磁界を発生する。弾性部材５９は、例えばコイルばねなどで構成され、軸方向の一方の端部がボディ５１に接し、他方の端部がニードル５２に接している。弾性部材５９は、全長が伸びる方向へ力を有している。これにより、ニードル５２は、弾性部材５９からシール部５７が弁座５５へ着座する方向の力を受ける。電磁駆動部５３のコイル５８は、制御装置１５に接続している。制御装置１５は、所定の時期になるとコイル５８へ通電する。これにより、制御装置１５は、噴射装置１１からの尿素水の噴射を断続する。
【００２１】
コイル５８へ通電していないとき、ニードル５２は弾性部材５９から力を受けている。そのため、ニードル５２は、弾性部材５９によってコイル５８から離れる方向へ押し付けられ、シール部５７が弁座５５に着座している。コイル５８へ通電すると、ニードル５２にはコイル５８から発生する磁気吸引力が加わる。ニードル５２に加わる磁気吸引力が弾性部材５９から受ける力よりも大きくなると、ニードル５２はコイル５８側へ移動する。これにより、ニードル５２のシール部５７はボディ５１の弁座５５から離座し、噴孔５４から尿素水が噴射される。コイル５８への通電を停止すると、磁気吸引力が消滅し、ニードル５２は弾性部材５９の力によってコイル５８から離れる方向へ移動する。そして、ニードル５２のシール部５７は、ボディ５１の弁座５５に着座する。その結果、尿素水の噴射は停止される。
【００２２】
また、コイル５８へ通電するとき、すなわち尿素水を噴射する時期になると、制御装置１５はコイル５８へ通常の噴射の際よりも大きな電力を供給してもよい。このようにコイル５８へ供給する電力を大きくすることにより、ニードル５２が受ける磁気吸引力は大きくなる。そのため、噴孔５４の周囲に尿素の結晶が堆積していても、その結晶は電磁駆動部５３から大きな力を受けたニードル５２の移動によってボディ５１から引き剥がされる。
【００２３】
第２実施形態では、ニードル５２は電磁駆動部５３によって駆動され、尿素水の噴射が断続される。電磁駆動部５３によってニードル５２を駆動することにより、ニードル５２は迅速かつ精密に駆動される。そのため、尿素水を噴射する時期、および尿素水の噴射量は、高精度に制御される。したがって、排気に含まれるＮＯｘをより高精度に浄化することができる。
また、第２実施形態では、第１実施形態と同様に噴孔５４は排気の流れ方向において下流側に開口している。そのため、排気からニードル５２が受ける力を利用することにより、電磁駆動部５３の駆動力が低減される。したがって、電磁駆動部５３の消費電力を低減することができる。
【００２４】
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】
【００２５】
【図１】本発明の第１実施形態による噴射装置を適用した排気浄化システムを示す模式図
【図２】本発明の第１実施形態による噴射装置の閉弁状態を示す模式図
【図３】本発明の第１実施形態による噴射装置の開弁状態を示す模式図
【図４】本発明の第１実施形態による噴射装置の作動タイミングを示す模式図
【図５】本発明の第２実施形態による噴射装置を適用した排気浄化システムを示す模式図
【符号の説明】
【００２６】
図面中、１１、５０は噴射装置（尿素水噴射装置）、１４は排気通路、３１、５１はボディ、３２、５２はニードル、３３、５４は噴孔、３４、５５は弁座、５０が噴射装置、５３は電磁駆動部を示す。
【図１】
2010001817.tif 000003
【図２】
2010001817.tif 000004
【図３】
2010001817.tif 000005
【図４】
2010001817.tif 000006
【図５】
2010001817.tif 000007