(57)【要約】【課題】内燃機関の運転状態や車両の走行状態にかかわらず還元剤添加弁を効果的に冷却することができ、還元剤添加弁の熱による損傷を防ぐことができる排気浄化装置を提供することを目的とする。【解決手段】排気浄化触媒と還元剤とを用いて内燃機関の排気ガスを浄化する内燃機関の排気浄化装置であって、内燃機関の排気通路に配設された前記排気浄化触媒と、前記還元剤を貯える還元剤タンクと、前記排気浄化触媒より上流側の排気通路へ前記還元剤を添加する還元剤添加弁と、前記還元剤タンクから前記還元剤を汲み上げて前記還元剤添加弁へ圧送する還元剤ポンプと、前記還元剤添加弁を冷却するための冷却装置とを備えた排気浄化装置において、前記冷却装置は液体冷媒による冷却手段を備えるとともに、放熱フィンを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気浄化触媒と還元剤とを用いて内燃機関の排気ガスを浄化する内燃機関の排気浄化装置であって、内燃機関の排気通路に配設された前記排気浄化触媒と、前記還元剤を貯える還元剤タンクと、前記排気浄化触媒より上流側の排気通路へ前記還元剤を添加する還元剤添加弁と、前記還元剤タンクから前記還元剤を汲み上げて前記還元剤添加弁へ圧送する還元剤ポンプと、前記還元剤添加弁を冷却するための冷却装置とを備えた排気浄化装置において、
前記冷却装置は液体冷媒による冷却手段を備えるとともに、放熱フィンを備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記排気通路の重力方向下方または側方に前記冷却装置が取り付けられており、前記排気通路に面する側とは反対側に前記放熱フィンが配置されてい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。
【請求項３】
少なくとも前記還元剤添加弁のノズル部分を覆う形状に成形されたウォータージェケットを含んで前記冷却装置が構成されており、前記ウォータージェケットに前記放熱フィンが形成または取り付けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記液体冷媒は前記内燃機関を冷却するための冷却水であることを特徴とする請求項１乃至３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【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、特に内燃機関から排出されるＮＯｘ（窒素酸化物）を還元剤と排気浄化触媒によって浄化する内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車等に搭載された内燃機関の排気ガス中にはＮＯｘ（窒素酸化物）やＰＭ（微粒子状物資）等が含まれている。ＮＯｘを浄化するための内燃機関の排気浄化装置の一つとして、内燃機関の排気通路内に排気浄化触媒の一種であるＳＣＲ触媒（ＮＯｘ選択還元触媒）を配設するとともに、ＳＣＲ触媒の上流側から還元剤として尿素水（尿素水溶液）を添加することにより、ＮＯｘを浄化する尿素ＳＣＲシステムがある。また、ＮＳＣ触媒（ＮＯｘ吸蔵還元触媒）を排気通路内に配設し、還元剤として燃料を用いてＮＯｘを浄化するＮＳＣシステムなどもある。
【０００３】
また、ＰＭを浄化するための排気浄化装置として、酸化触媒を付したディーゼルパティキュレートフィルタを内燃機関の排気通路内に配設した排気浄化装置などがある。この排気浄化装置では、ディーゼルパティキュレートフィルタによってＰＭを一旦捕獲した後、酸化触媒に燃料などを添加して酸化触媒で発生した酸化熱によってＰＭを燃焼させて浄化する。また、ディーゼルパティキュレートフィルタの上流側の排気通路に酸化触媒を配設して、酸化触媒で生じた酸化熱をディーゼルパティキュレートフィルタに捕らえられたＰＭの浄化に利用するものもある。この場合においても酸化触媒に対して燃料の添加が成される。
【０００４】
上述のような各排気浄化装置において、尿素水や燃料等の還元剤を添加するための還元剤添加弁は、電磁ソレノイドや樹脂カバー、ノズルプレート等の部材を備えている。これらの部材は、他の構成部材と比較して耐熱性が低いので、排気通路に還元剤添加弁が設置されると、高温の排気ガスによって過度に加熱されて損傷するおそれがある。
【０００５】
また、還元剤添加弁が加熱されると、還元剤添加弁の周辺で還元剤の一部が結晶化やデポジット化して付着してしまい、還元剤の噴霧形成が阻害されたり、不均一となったりするおそれがある。また、還元剤添加弁の温度が高くなると、還元剤の一部が気化してしまい、正確な還元剤の噴霧形成が阻害されるおそれがある。これらの結果、所望の排気浄化性能が達成できないおそれがある。
【０００６】
そこで、還元剤添加弁（噴射弁）を投入配置するためのジャケットの内部に冷却通路を設けて冷却液を循環させるよう構成された冷却手段を備え、ジャケットを介して還元剤添加弁の熱を冷却液に移動させることで冷却する技術（特許文献１参照）や、還元剤添加弁（還元剤供給ノズル）をその周囲に車両の走行風が導かれる位置に配置することで、その加熱を抑制する技術（特許文献２参照）などが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−１７４４８６号公報 （全文、全図）
【特許文献２】特開２００３−０８３０５６号公報 （全文、全図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記のような技術においては、ジャケット内部の冷却通路に冷却液を循環させることで還元剤添加弁を冷却しているが、内燃機関の運転状態や車載バッテリの残容量などによる制約を受けて冷却液が十分に循環されず、還元剤添加弁を十分に冷却できないおそれがある。また、車両の走行風が導かれる位置に還元剤添加弁を配置することにより、加熱を抑制することを図っているが、還元剤添加弁の配置に制約を与える上に、車両の停車時等にはその効果が十分に得られないおそれがある。
【０００９】
本発明は、上述のような排気浄化装置において、内燃機関の運転状態や車両の走行状態に拘わらず還元剤添加弁を効果的に冷却することができ、還元剤添加弁の熱による損傷を防ぐことができる排気浄化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、排気浄化触媒と還元剤とを用いて内燃機関の排気ガスを浄化する内燃機関の排気浄化装置であって、内燃機関の排気通路に配設された前記排気浄化触媒と、前記還元剤を貯える還元剤タンクと、前記排気浄化触媒より上流側の排気通路へ前記還元剤を添加する還元剤添加弁と、前記還元剤タンクから前記還元剤を汲み上げて前記還元剤添加弁へ圧送する還元剤ポンプと、前記還元剤添加弁を冷却するための冷却装置とを備えた排気浄化装置において、前記冷却装置は液体冷媒による冷却手段を備えるとともに、放熱フィン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（請求項１）。
【００１１】
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、前記排気通路の重力方向下方または側方に前記冷却装置が取り付けられており、前記排気通路に面する側とは反対側に前記放熱フィンが配置されていることが好ましい（請求項２）。
【００１２】
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、少なくとも前記還元剤添加弁のノズル部分を覆う形状に成形されたウォータージェケットを含んで前記冷却装置が構成されており、前記ウォータージェケットに前記放熱フィンが形成または取り付けられていることが好ましい（請求項３）。
【００１３】
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、前記液体冷媒は前記内燃機関を冷却するための冷却水であることが好ましい（請求項４）。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１の発明に係る排気浄化装置によれば、内燃機関が停止状態であり液体冷媒による冷却手段がほとんど機能しないような場合や、車両が停止している状態であって還元剤添加弁に走行風が当たらずに強制冷却による冷却効果が得られないような場合であっても、放熱フィンによって自然冷却が促進されて還元剤添加弁が熱により損傷することが防止される。
【００１５】
請求項２の発明に係る排気浄化装置によれば、排気通路からの放熱によって放熱フィン周囲の空気が加熱されることが低減されるため、放熱フィンからの放熱が阻害されることなく、効率的に還元剤添加弁を冷却することができる。また、内燃機関の運転中に放熱フィンの影響で排気通路が冷却されることが避けられ、排気通路内での還元剤の結晶化やデポジット化が避けられる。
【００１６】
また、請求項３の発明に係る排気浄化装置によれば、ウォータージェケットに放熱フィンを形成または取り付けることにより、効率的に還元剤添加弁を冷却することができる。
【００１７】
また、請求項４の発明に係る排気浄化装置によれば、還元剤添加弁の冷却のためだけの設備をほとんど追加することなく、還元剤添加弁を冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施の形態における排気浄化装置の構成例を説明するための図である。
【図２】実施の形態における冷却装置を説明するための図である。
【図３】実施の形態における冷却装置を図２におけるＸ方向から見た図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明に係る排気浄化装置を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。各図において同一の符号を付してあるものは同一の部材を示しており、説明を適宜省略している。なお、実施形の態は、本発明の一形態を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の範囲において任意に変更が可能である。
【００２０】
１.排気浄化装置
排気浄化装置１０は、車両に搭載されたディーゼルエンジン等の内燃機関５から排出される排気ガス中のＮＯｘを浄化する装置であり、ＳＣＲ触媒１３と尿素水とを用いてＮＯｘを浄化する尿素ＳＣＲシステムとして構築されている。排気浄化装置１０の全体構成例を図１に示す。
【００２１】
排気浄化装置１０は、内燃機関５の排気系に配置された種々のセンサとＳＣＲ触媒１３、還元剤添加装置２０、冷却装置３０、制御装置４０等から構築されている。種々のセンサや還元剤添加装置２０、制御装置４０等は、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）４４に接続されており、ＣＡＮ４４上に存在する情報の取得や、ＣＡＮ４４上へ情報の出力ができるようになっている。また、このＣＡＮ４４は内燃機関５の運転状態を制御するための装置（図示せず。以下、「ＥＣＵ：Ｅｎｇｉｎｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ」と称する。）との通信が可能となっており、燃料噴射量や噴射タイミング、エンジン回転数等の内燃機関５の運転状態に関する情報が読み取り可能となっている。
【００２２】
内燃機関排気系は、内燃機関５に排気通路１２が接続されるとともに、その排気通路１２にはＳＣＲ触媒１３が配設されて構成されている。内燃機関５とＳＣＲ触媒１３との間には、還元剤としての尿素水を排気通路１２内へ添加するための還元剤添加弁２１が設けられている。
【００２３】
また、ＳＣＲ触媒１３の上流側には温度センサ４１が、下流側にはＮＯｘセンサ４２が設けられている。これらのセンサは、排気通路１２内部の温度情報やＮＯｘ濃度情報を検出し、制御装置４０またはＣＡＮ４４、ＥＣＵ等に送信する。ＥＣＵについての詳細な説明はここでは省略するが、自動車等で用いられている一般的な内燃機関の制御装置で構わない。
【００２４】
ＳＣＲ触媒１３は、排気通路１２内に添加された尿素水により生じたアンモニア（ＮＨ３）とともに排気ガス中のＮＯｘを接触させることで排気ガス中のＮＯｘをＮ２（窒素）等に還元して無害化するＮＯｘ選択還元触媒であり、公知のものを適宜用いることができる。
【００２５】
２. 還元剤添加装置
還元剤添加装置２０は、還元剤タンク２７内に貯えられた還元剤としての尿素水を、還元剤添加弁２１等を介してＳＣＲ触媒１３に添加供給する装置である。還元剤添加装置２０の構成例を図１に示す。還元剤添加装置２０は還元剤添加弁２１、還元剤ポンプ２５、還元剤タンク２７、オーバーフローバルブ２３、冷却装置３０、制御装置４０、圧力センサ４３等により構成される。
【００２６】
還元剤添加弁２１は、既存の燃料噴射弁（インジェクタ）とほぼ同様の構成を有するものである。公知の構成を適宜採用できるため、ここでは構成を簡単に説明する。還元剤添加弁２１は、電磁ソレノイド等からなる駆動部と、先端添加孔を開閉するためのニードルを有する弁体部とを備えた電磁式開閉弁として構成されており、制御装置４０からの駆動信号に基づき開弁または閉弁される。すなわち、駆動信号に基づき電磁ソレノイドが通電されると、その通電に伴いニードルが開弁方向に移動し、そのニードル移動によって先端添加孔が開放されて尿素水が添加される。
【００２７】
また、還元剤添加弁２１は電磁ソレノイドや樹脂カバー、ノズルプレート等を備えているが、これらは他の構成部材と比較して熱に弱く、その耐熱温度は、例えば、電磁ソレノイドやノズルプレートで１６０℃程度、樹脂カバーで１２０℃程度である。そのため、本実施の形態の排気浄化装置１０では冷却装置３０が設けられている。
【００２８】
次に、還元剤添加弁２１へ尿素水を供給するための還元剤供給系の構成について説明する。還元剤添加弁２１に対して、還元剤としての尿素水が還元剤タンク２７から逐次供給されるようになっている。還元剤タンク２７には、所定濃度の尿素水が貯蔵されている。
【００２９】
還元剤タンク２７には還元剤送液通路２６を介して還元剤ポンプ２５が接続されている。還元剤ポンプ２５には還元剤供給通路２２の一端が接続されており、同還元剤供給管２２の他端は還元剤添加弁２１に接続されている。還元剤ポンプ２５は制御装置４０からの駆動信号により回転駆動される電動式ポンプであり、その出力は還元剤供給通路内の尿素水の圧力が所定値となるように圧力センサ４３の値に応じてフィードバック制御される。
【００３０】
還元剤添加装置２０の始動に伴い還元剤ポンプ２５が回転駆動されると、還元剤タンク２７から尿素水が汲み上げられ還元剤供給通路２２を通じて還元剤添加弁２１に供給される。還元剤供給通路２２には還元剤放出通路２４の一端がオーバーフローバルブ２３を介して接続されており、同還元剤放出通路２４の他端は還元剤タンク２７に接続されている。これにより、還元剤供給通路２２内の尿素水の圧力が過剰に上昇するような場合には、還元剤供給通路２２内の尿素水の一部がオーバーフローバルブ２３を介して還元剤タンク２７へ戻される。
【００３１】
上述のように還元剤添加装置２０では、内燃機関５の運転時において、還元剤ポンプ２５の駆動により還元剤タンク２７内の尿素水が還元剤供給通路２２を通じて還元剤添加弁２１に供給され、還元剤添加弁２１により排気通路１２内に尿素水が添加される。すると、排気通路１２内において尿素水が加水分解されてＮＨ３を生じつつ、排気ガスとともにＳＣＲ触媒１３に供給され、ＳＣＲ触媒１３においてＮＯｘの還元反応が行われて排気ガスが浄化される。
【００３２】
還元剤供給装置２０における各アクチュエータは制御装置４０によって制御される。制御装置４０は周知のマイクロコンピュータ（図示せず。）や記憶装置（図示せず。）等を備えており、各種センサの検出値に基づいて所望される態様で還元剤添加装置２０等を操作して、排気浄化に係る各種の制御を行う。具体的には、還元剤添加弁２１の通電時間や還元剤ポンプ２５の駆動量や駆動期間等を制御することにより、適切な時期に適正な量の尿素水を排気通路１２内に添加する。なお、この制御装置４０による還元剤添加装置２０等の制御は、ＥＣＵにおける一機能としてＥＣＵによって行わせることも適宜可能である。
【００３３】
３.冷却装置
冷却装置３０は内燃機関５の冷却水の一部を利用するとともに、放熱フィン３４によって還元剤添加弁２１を冷却する装置である。冷却装置の構成例を図２及び３に示す。図２は冷却装置の側面図であり、図３は冷却装置を図２おけるＸ方向から見た場合の図である。冷却装置はウォータージャケット３１や、放熱フィン３４、流量調整弁６、冷却水供給通路７、冷却水循環通路８などで構成される。
【００３４】
ウォータージャケット３１は還元剤添加弁２１のノズル部分を覆う形状に成形されており、その中央に還元剤添加弁２１を挿入することができるようになっている。また、ウォータージャケット３１には、冷媒導入口３２と冷媒排出口３３が設けられているとともに、その内部へ冷媒液体を供給し、循環させるための冷媒通路（図示せず。）が形成されており、冷媒導入口３２と冷媒排出口３３とは冷媒通路で連通されている。ウォータージャケット３１に挿入された還元剤添加弁２１の電磁ソレノイドや樹脂カバー、ノズル部分などの比較的熱に弱い部材は、冷媒通路に流された液体冷媒によって冷却されるようになっている。
【００３５】
ウォータージャケット３１に形成された冷媒導入口３２と冷媒排出口３３はそれぞれ冷却水供給通路７と冷却水循環通路８に接続されており、内燃機関５の冷却水の一部が冷却装置３０と内燃機関５との間を循環させられるようになっている。この冷却水の循環は内燃機関５に備えられた循環手段、例えば内燃機関５の駆動力によって駆動するポンプ（図示せず。）などによって行われる。なお、冷却水供給通路７と冷却水循環通路８の途中に電動ポンプを別途配置して冷却水を循環させることもできる。電動ポンプを別途配置することにより、内燃機関５の運転状態等に極力依存せずに冷却水を循環させて、還元剤添加弁２１を冷却することができる。
【００３６】
また、冷却水供給通路７には流量調整弁６が設置されており、内燃機関５の運転状態や還元剤添加弁２１の温度状況等に応じて、冷却装置へ供給される冷却水の流量が適宜制御される。この流量調整弁６や電動ポンプ等の制御は制御装置４０やＥＣＵによって実施することができる。
【００３７】
放熱フィン３４はウォータージェケット３１に一体形成または直接取り付けられている。放熱フィン３４をウォータージェケット３１に直接取り付けることにより、添加弁噴射弁２１において特に高温に晒されるノズル部分を効果的に冷却することができる。また、放熱フィン３４は還元剤添加弁２１を挟んでウォータージェケット３１の反対側に配置されるようになっており、冷却装置３０が排気通路１２に取り付けられた際に、放熱フィン３４と排気通路１２並びに冷却水供給通路７等が干渉することが防止される。
【００３８】
上述のように、還元剤添加弁２１を冷却するための冷却装置３０が液体冷媒による冷却手段を備えるとともに、放熱フィン３４を備えることにより、内燃機関５が停止状態であり液体冷媒による冷却手段がほとんど機能しないような場合や、車両が停止している状態であって還元剤添加弁２１に走行風が当たらずに強制冷却による冷却効果が得られないような場合であっても、放熱フィン２７によって自然冷却が促進されるため、還元剤添加弁２１が熱によって損傷することを防止できる。
【００３９】
冷却装置３０は、排気通路取付部３７を介して排気通路１２へ取り付けられる。図１に示すように排気通路１２の重力方向下方または側方に還元剤添加弁２１と冷却装置３０を取り付け、排気通路１２に面する側とは反対側に放熱フィン３４が配置されるように設置することによって、排気通路１２からの放熱によって放熱フィン３４周囲の空気が加熱されることが低減されるため、放熱フィン３４からの放熱が阻害されることなく、効率的に還元剤添加弁２１を冷却することができる。また、内燃機関５の運転中に排気通路１２が放熱フィン３４の影響を受けて冷却されることが避けられ、排気通路内１２での還元剤の結晶化やデポジット化が避けられる。
【符号の説明】
【００４０】
５：内燃機関、６：流量調整弁、７：冷却水供給通路、８：冷却水循環通路、１０：排気浄化装置、１２：排気通路、１３：ＳＣＲ触媒、２０：還元剤添加装置、２１：還元剤添加弁、２２：還元剤供給通路、２３：オーバーフローバルブ、２４：還元剤放出通路、２５：還元剤ポンプ、２６：還元剤送液通路、２７：還元剤タンク、３０：冷却装置、３１：ウォータージャケット、３２：冷媒導入口、３３：冷媒排出口、３４：放熱フィン、３５：排気通路取付ボルト穴、３６：還元剤導入通路、３７：排気通路取付部、４０：制御装置、４１：温度センサ、４２：ＮＯｘセンサ、４３：圧力センサ、４４：ＣＡＮ
【図１】
2011080397.tif 000003
【図２】
2011080397.tif 000004
【図３】
2011080397.tif 000005