(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排気中の窒素酸化物を還元するための液体還元剤又はその前駆体をエアーと共に前記エンジンの排気管内に噴射する還元剤噴射ノズルであって、
前記還元剤噴射ノズルは、途中に折曲部を有して前記排気管内に延設され、かつ、閉塞される先端部の周方向に複数の噴射孔が形成され、
前記先端部の周方向において前記折曲部の曲げの外側に近い噴射孔の径を、前記曲げの内側に近い噴射孔の径よりも小さくした、エンジンの還元剤噴射ノズル。
【請求項２】
前記曲げの外側に近く、かつ、前記折曲部に近いほど、噴射孔の径をより小さくした、請求項１記載のエンジンの還元剤噴射ノズル。
【請求項３】
前記噴射孔を前記先端部の軸方向に複数列に形成すると共に、各列間で相互に周方向に噴射孔の位置をずらし、かつ、前記還元剤噴射ノズルの軸を含む平面を境に対称の角度位置となるように前記噴射孔を配置し、
前記曲げの外側に最も近い噴射孔を小径に形成し、かつ、前記曲げの外側に次に近い噴射孔のうちでより上流側の噴射孔を前記小径に形成し、他の噴射孔を大径に形成した、請求項２記載のエンジンの還元剤噴射ノズル。
【請求項４】
前記還元剤噴射ノズルは、前記排気管の周壁に取り付けられ、前記周壁から前記排気管の軸心に向けて延設されたのち、前記軸心よりも手前側で前記折曲部によって排気流れ方向に向けて延設され、
前記先端部の周方向において前記折曲部の曲げの内側となる所定角度範囲を除いて、前記噴射孔を設けた、請求項１〜３のいずれか１つに記載のエンジンの還元剤噴射ノズル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの排気中の窒素酸化物を還元するための液体還元剤又はその前駆体をエアーと共に前記エンジンの排気管内に噴射する還元剤噴射ノズルに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、エンジンの排ガス中の窒素酸化物ＮＯｘを還元する排気浄化装置として、エンジンの排気管に還元触媒を配置し、この還元触媒の上流側の排気管に液体還元剤又はその前駆体を供給し、還元触媒で窒素酸化物ＮＯｘを還元反応させる装置が知られている。
【０００３】
また、上記の排気浄化装置において、液体還元剤又はその前駆体を排気管内に噴射する還元剤噴射ノズルとして、排気管の周壁に取り付けられ、前記周壁から排気管の軸心に向けて延設され、排気の流れ方向に向けて折曲したノズル先端部を備え、前記ノズル先端部の周方向に複数の噴射孔を形成したノズルが用いられている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４０９０９７２号公報
【特許文献２】特許第３７１５９８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、還元剤噴射ノズルが、途中に折曲部を備え、かつ、液体還元剤又はその前駆体と共に加圧エアーを噴射する場合、折曲部で発生する境界層などに影響されて、各噴射孔から噴射される液体還元剤又はその前駆体の量にばらつきが発生することがあった。
【０００６】
各噴射孔から噴射される液体還元剤又はその前駆体の量がばらつくと、排気ガスに添加される液体還元剤又は前駆体の分布にむらが発生し、窒素酸化物ＮＯｘの転換率が低下するという問題が生じる。
【０００７】
そこで、本発明は上記従来技術の問題点に鑑み、各噴射孔から噴射される液体還元剤又はその前駆体の量のばらつきを抑制できる、エンジンの還元剤噴射ノズル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】
【０００８】
このため、本発明に係る還元剤噴射ノズルは、ノズル先端部の周方向において折曲部の曲げの外側に近い噴射孔の径を、前記曲げの内側に近い噴射孔の径よりも小さくした。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、折曲部を備えた還元剤噴射ノズルにおいて、噴射孔の径を均一とする場合よりも、液体還元剤又はその前駆体の噴射量のばらつきを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態におけるディーゼルエンジンを示す概略図
【図２】図１のディーゼルエンジンに備えられる還元剤噴射ノズルを示す図
【図３】図２の還元剤噴射ノズルの先端部を示す部分拡大図
【図４】図２の還元剤噴射ノズルの噴射孔を示す部分拡大断面図
【図５】図２の還元剤噴射ノズルの噴射孔の配置を説明するための模式図
【図６】図２の還元剤噴射ノズルの噴射孔形成範囲（噴射範囲）を示す図
【図７】還元剤噴射ノズルの噴射孔を均一径とした場合の各噴射孔における噴射量を示すグラフ
【図８】ノズル先端部が排気の流れ方向に対して傾けられる還元剤噴射ノズルを示す図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、添付した図面を参照して本発明の実施形態を詳述する。
図１は、本発明に係る還元剤噴射ノズルを含む、エンジンの排気浄化装置を示す。
図１において、ディーゼルエンジン１０の吸気マニフォールド１２に接続される吸気管１４には、上流側から順に、空気中の埃などを除去するエアクリーナ１６，ターボチャージャ１８のコンプレッサ１８Ａ，ターボチャージャ１８によって高温となった吸気を冷却するインタークーラ２０，吸気脈動を平滑化する吸気コレクタ２２などが配設される。
【００１２】
一方、ディーゼルエンジン１０の排気マニフォールド２４に接続される排気管２６には、上流側から順に、ターボチャージャ１８のタービン１８Ｂ，連続再生式ＤＦＰ（Diesel Particulate Filter）装置２８，還元剤前駆体としての尿素水溶液を噴射する還元剤噴射ノズル３０，尿素水溶液によって生成されるアンモニア（還元剤）を使用してＮＯｘを還元するＳＣＲ触媒（還元触媒）３２，ＳＣＲ触媒３２を通過したアンモニアを酸化させる酸化触媒３４などが配設される。
【００１３】
連続再生式ＤＰＦ装置２８は、少なくともＮＯ（一酸化窒素）をＮＯ2（二酸化窒素）へと酸化させる酸化触媒であるＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst）２８Ａと、排気中のＰＭ（Particulate Matter）を捕集するフィルタであるＤＰＦ２８Ｂと、を含む。
尚、連続再生式ＤＰＦ装置２８の代わりに、ディーゼル・パーティキュレート・フィルター（ＤＰＦ）に酸化触媒成分を付加し、フィルタ機能と共に酸化機能を併せ持つ、ＣＳＦ（Catalyzed Soot Filter）を使用することもできる。
【００１４】
還元剤噴射ノズル３０には、還元剤供給装置３８によって、還元剤タンク３６に貯留された尿素水溶液（還元剤前駆体）、及び、エアータンク３９に貯留された加圧エアー（圧縮空気）が供給される。そして、還元剤噴射ノズル３０は、尿素水溶液を加圧エアーと共に、ＳＣＲ触媒３２上流の排気管２６内に噴射する。
ここで、還元剤供給装置３８は、還元剤噴射ノズル３０に供給する尿素水溶液、即ち、還元剤タンク３６からＳＣＲ触媒３２に供給する尿素水溶液の流量を制御する。
【００１５】
本実施形態では、還元剤としてのアンモニアを用いてＳＣＲ触媒３２における還元反応を行わせるが、加水分解して容易にアンモニアを発生させる尿素水溶液を、還元剤（アンモニア）の前駆体として、還元剤噴射ノズル３０から噴射させる。
尚、還元剤噴射ノズル３０から、アンモニア水溶液（液体還元剤）を噴射させることができる。
【００１６】
また、例えば、ＤＰＦ２８Ｂを通過した排気が、進行方向を１８０°だけ変え、それまでとは逆方向に進んで、ＳＣＲ触媒３２に流入するように、排気経路が、ＤＰＦ２８ＢとＳＣＲ触媒３２との間で折り返されるように形成することができる。
また、少なくとも還元剤噴射ノズル３０と、当該還元剤噴射ノズル３０の下流に配置されるＳＣＲ触媒（酸化触媒）３２とを備えればよく、ＳＣＲ触媒３２と酸化触媒３４との間にＤＰＦ２８Ｂを配置したり、酸化触媒３４の下流側にＤＰＦ２８Ｂを配置したりすることができる。
【００１７】
還元剤タンク３６に貯留される尿素水溶液は、ポンプ、流量制御弁などを内蔵した還元剤供給装置３８を経由して、噴射ノズル３０に供給される。ここで、還元剤供給装置３８を、ポンプを内蔵したポンプモジュールと、流量制御弁を内蔵したドージングモジュールとに分割することができる。また、噴射ノズル３０は、還元剤供給装置３８と一体化することができる。
【００１８】
連続再生式ＤＰＦ装置２８と噴射ノズル３０との間の排気管２６には、エンジン運転状態の一例としての排気温度を検出する排気温度センサ４０が取り付けられる。
排気温度センサ４０の出力信号は、コンピュータを内蔵した還元剤添加コントロールユニット（ＤＣＵ）４４に入力される。
【００１９】
また、還元剤添加コントロールユニット４４は、ＣＡＮ（Controller Area Network）などの車載ネットワークを介して、ディーゼルエンジン１０を電子制御するエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）４６と接続されている。還元剤添加コントロールユニット４４は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）４６から、エンジン運転状態の一例としてのエンジン回転速度及びエンジン負荷などの情報を読み込む。
【００２０】
そして、還元剤添加コントロールユニット４４は、内蔵するＲＯＭ（Read Only Memory）などに予め記憶された制御プログラムを実行することで、排気温度、エンジン回転速度、エンジン負荷などのエンジン運転状態に応じて還元剤供給装置３８を制御し、噴射ノズル３０からの尿素水溶液の噴射を制御する。
【００２１】
図２〜図４は、噴射ノズル３０を詳細に示す図である。
図２は、噴射ノズル３０が取り付けられる部分の排気管２６を、排気管２６の軸心及び噴射ノズル３０の取付部を含む断面で示す図である。
【００２２】
噴射ノズル３０は、先端が閉塞される中空パイプで形成され、排気管２６の周壁に設けた取付部２６ａから、排気管２６の径方向に沿って、排気管２６の軸心２６ｂに向けて延設され、軸心２６ｂの手前で排気流れ方向（下流側）に向けて略直角に折り曲げられ、閉塞先端３０ａ近傍の周壁部分に、噴射孔３０１を周方向に複数形成してある。
即ち、噴射ノズル３０は、取付部２６ａから排気管２６の径方向に沿って軸心２６ｂに向けて延設されるノズル基端部３０２と、折曲部３０３と、排気管２６の軸心２６ｂと略平行に排気下流側に向けて延設されるノズル先端部３０４とで構成される。
【００２３】
図３（Ａ），（Ｂ）は、ノズル先端部３０４の拡大図である。
この図３（Ａ），（Ｂ）に示すように、噴射孔３０１は、ノズル先端部３０４の軸方向に複数列、一例として２列に形成され、かつ、各列間で相互に噴射孔３０１の位置を周方向にずらしてあり、下流側の例には４個の噴射孔３０１が設けられ、上流側の例にも４個の噴射孔３０１が設けられ、総計で８個の噴射孔３０１を設けてある。
【００２４】
更に、各噴射孔３０１の軸は、図３（Ａ）に示すように、ノズル先端部３０４の径方向から排気下流側に傾けてある。但し、各噴射孔３０１の軸を、ノズル先端部３０４の径方向に設定することができる。
図４は、ノズル先端部３０４の噴射孔３０１が設けられる部分の断面図、詳細には、図３（Ｂ）のIV−IV断面図である。尚、図４では、噴射孔３０１の軸心がノズル先端部３０４の径方向に一致するものとして示してある。
また、図５は、噴射孔３０１の配置を模式的に示す図である。
【００２５】
この図４，５に示すように、ノズル先端部３０４の閉塞先端３０ａ近傍の周壁に、軸方向に２列に設けられる噴射孔のうち、上流側の列は、図４に破線で示す噴射孔３０１ａ，３０１ｃ，３０１ｅ，３０１ｇの４つの噴射孔からなり、下流側の列は、図４に実線で示す噴射孔３０１ｂ，３０１ｄ，３０１ｆ，３０１ｈの４つの噴射孔からなる。
【００２６】
ここで、ノズル先端部３０４の周壁において、取付部２６ａから最も遠い角度位置（曲げの外側の角度位置）を基準角度位置αとすると、噴射孔３０１ｄと噴射孔３０１ｅとは、基準角度位置αから左右方向に同じ角度βだけ離れた位置に設けられ、噴射孔３０１ｃと噴射孔３０１ｆとは、基準角度位置αから左右方向に同じ角度３βだけ離れた位置に設けられ、噴射孔３０１ｂと噴射孔３０１ｇとは、基準角度位置αから左右方向に同じ角度５βだけ離れた位置に設けられ、噴射孔３０１ａと噴射孔３０１ｈとは、基準角度位置αから左右方向に同じ角度７βだけ離れた位置に設けられる。
【００２７】
ここで、角度βは、例えば１５°〜１７°程度、一例として、１６．７５°に設定される。
即ち、８個の噴射孔３０１ａ〜３０１ｈは、ノズル基端部３０２の軸心３０２ａ及びノズル先端部３０４の軸心３０４ａ（噴射ノズル３０の軸心）を含む平面を境に対称となる角度位置に形成されており、かつ、取付部２６ａから遠い側、換言すれば、折曲部３０３の曲げの外側となる部分に偏って設けてある。
【００２８】
更に、噴射孔３０１ａ〜３０１ｈの径（直径）は、同一ではなく、図４及び図５に示すように、噴射孔３０１ｃ，３０１ｄ，３０１ｅを同一径Ｄ１に形成し、他の噴射孔３０１ａ，３０１ｂ，３０１ｆ〜３０１ｈを同一径Ｄ２に形成してあり、かつ、径Ｄ１＜径Ｄ２としてある。ここで、例えば、径Ｄ１は、０．４５mm程度、径Ｄ２は、０．５５mm程度とする。
【００２９】
即ち、８個の噴射孔３０１ａ〜３０１ｈのうち、曲げの外側（基準角度位置α）に最も近い２つの噴射孔３０１ｄ，３０１ｅの径を共に小径Ｄ１に形成し、曲げの外側（基準角度位置α）に対して次に近い２つの噴射孔３０１ｃ，３０１ｆのうち、より上流側である噴射孔３０１ｃを小径Ｄ１に形成し、より下流側である噴射孔３０１ｆを大径Ｄ２に形成し、噴射孔３０１ｃ，３０１ｆよりも曲げの内側に近い噴射孔３０１ａ，３０１ｂ，３０１ｇ，３０１ｈを共に大径Ｄ２に形成してある。
【００３０】
噴射ノズル３０のノズル先端部３０４は、排気管２６の軸心２６ｂよりも取付部２６ａに近い位置に配置されるため、ノズル先端部３０４の径方向における排気管２６の周壁までの距離は均一ではなく、取付部２６ａに近い側、換言すれば、折曲部３０３の曲げの内側となる部分でより近くなる。
このため、ノズル先端部３０４の取付部２６ａに近い側に設けた噴射孔から、尿素水溶液を加圧エアーと共に噴射すると、排気管２６の内周壁に尿素水溶液が付着し、排気管２６の内周壁に付着した尿素水溶液から水分が蒸発して尿素が析出し、尿素が堆積する可能性がある。
【００３１】
そこで、ノズル先端部３０４の取付部２６ａに近い側、換言すれば、排気管２６の内周壁に近い側には、噴射孔３０１を設けないようにし、排気管２６の内周壁までの距離が一定以上となる角度位置に噴射孔３０１を設けて、尿素水溶液を噴射させる。このようにすれば、図６に示すように、排気管２６の内周壁に近い位置から尿素水溶液が噴射されないので、排気管２６の内周壁に対する尿素水溶液の付着量が軽減し、尿素の堆積を抑制することができる。
【００３２】
尚、噴射孔３０１を設ける角度範囲（角度β、噴射孔の数）は、排気管２６の内周壁に対する尿素水溶液の付着量を軽減しつつ、尿素水溶液の添加ばらつきを抑制できるように適宜設定する。
また、前述のように、噴射孔３０１ａ〜３０１ｈの径は、同一ではなく、小径Ｄ１の噴射孔と大径Ｄ２の噴射孔とを設けてあり、これによって、各噴射孔３０１ａ〜３０１ｈから噴射される尿素水溶液のばらつきを抑制するようにしてある。
【００３３】
図７は、噴射孔３０１ａ〜３０１ｈを上記と同じ配置とし、かつ、全て同一径とした場合の各噴射孔からの尿素水溶液の噴射量（ｇ/ｈ）を示す図である。
この図７に示すように、８個の噴射孔３０１ａ〜３０１ｈのうち、曲げの外側に最も近い２つの噴射孔３０１ｄ，３０１ｅ、及び、曲げの外側に対して次に近い２つの噴射孔３０１ｃ，３０１ｆのうちのより上流側である噴射孔３０１ｃからの噴射量が、他の噴射孔３０１ａ，３０１ｂ，３０１ｆ，３０１ｇ，３０１ｈからの噴射量に比べて大きく低下する。
【００３４】
これは、折曲部３０３によってノズル内の流れに境界層が生じるなどして、曲げの外側と内側とで内圧に差が生じ（曲げの外側が内側よりも内圧が低くなり）、係る内圧のばらつきに影響された結果として、曲げの内側に配置される噴射孔からの噴射量に比べて、曲げの外側に配置される噴射孔からの噴射量が低下したものと推定される。
また、２つの噴射孔３０１ｄ，３０１ｅよりも曲げの内側に近い２つの噴射孔３０１ｃ，３０１ｆは、曲げの内外方向の角度位置において同等の位置（対称の位置）に配置されるものの、噴射孔３０１ｃの方がより上流側で折曲部３０３により近い位置に開口し、境界層などの影響をより大きく受けるため（内圧がより低い位置であるため）、下流側の噴射孔３０１ｆに比べて噴射量が低下したものと推定される。
【００３５】
即ち、各噴射孔３０１ａ〜３０１ｈの径を均一とした場合、曲げの外側に近い角度位置ほど、かつ、折曲部３０３に近い上流側ほど、曲げの影響をより大きく受けて、噴射量が低下する傾向を示す。
そこで、係る噴射量のばらつきを抑制するために、同じ径としたときに噴射量が他に比べて低下する３つの噴射孔３０１ｃ，３０１ｄ，３０１ｅの径を他よりも小さくすることで、３つの噴射孔３０１ｃ，３０１ｄ，３０１ｅでの流速を速めて噴射量（ｇ/ｈ）を増やすことで、各噴射孔３０１ａ〜３０１ｈにおける噴射量のばらつきを抑制するようにしてある。
【００３６】
換言すれば、曲げの外側に近く、かつ、折曲部３０３に近い噴射孔３０１ほど、径をより小さくすれば、同じ径としたときに噴射量が他に比べて低下する噴射孔からの噴射量を他の噴射孔での噴射量に対して相対的に増やすことになり、これによって、各噴射孔３０１からの噴射量のばらつきを抑制できる。
【００３７】
尚、噴射孔３０１がノズル先端部３０４の軸方向において１列にだけ設けられる場合には、上下流方向での噴射孔の位置ずれ（折曲部３０３からの距離の差）がないため、曲げの外側に近い噴射孔の径を、曲げの内側により近い噴射孔の径よりも小さくすることで、各噴射孔３０１からの噴射量のばらつきを抑制できる。
各噴射孔３０１から噴射される尿素水溶液の量のばらつきを低減できれば、排気ガスに添加される尿素水溶液の分布のむらを低減でき、窒素酸化物ＮＯｘの浄化性能を改善できる。
【００３８】
尚、噴射孔３０１は、ノズル先端部３０４の中空内周面に開口する孔の径と、外周面に開口する孔の径とが同一であるストレート形状の他、ノズル先端部３０４の中空内周面に開口する孔の径よりも外周面に開口する孔の径が大きく、外方に向けて広がるテーパ形状とすることができる。
噴射孔３０１をテーパ形状とすれば、各噴射孔３０１から噴射される尿素水溶液の噴霧角がストレート形状の場合よりも広角に広がり、排気ガスに対してよりむらなく尿素水溶液を混ぜることが可能となる。
【００３９】
また、図８に示すように、折曲部３０３から閉塞先端３０ａに近づくに従って、排気管２６の軸心２６ｂにより近づくように、噴射ノズル３０のノズル先端部３０４を、排気管２６の軸心２６ｂに交差する方向に沿って延設させることができる。
この場合、折曲部３０３の曲げ角度が図２の場合に比べて小さく、境界層などの曲げによる流れの乱れが少なくなって、内圧のばらつきがより小さくなくから、噴射孔３０１の径を異ならせることで、噴射量のばらつきをより小さく抑制できる。
【００４０】
また、噴射孔３０１の径を、大小の２つに設定する他、３つ以上の異なる径の噴射孔３０１を、ノズル先端部３０４における角度位置及び折曲部３０３からの距離に応じて使い分けることができ、この場合も、曲げの外側に近く、かつ、折曲部３０３に近い噴射孔３０１ほど、より小さい径の噴射孔とする。
更に、噴射孔３０１を、ノズル先端部３０４の軸方向に複数列設ける場合に、複数列間で噴射孔を周方向にずらすことなく、複数の噴射孔がノズル先端部３０４の軸方向に沿って直線的に並ぶようにすることができる。
【符号の説明】
【００４１】
１０  ディーゼルエンジン
３０  噴射ノズル
３２  ＳＣＲ触媒（還元触媒）
３６  還元剤タンク
３８  還元剤供給装置
３９  エアータンク
３０１  噴射孔
３０２  ノズル基端部
３０３  折曲部
３０４  ノズル先端部
【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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【図８】
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