(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
尿素溶液を含む試薬を排気ガス流に噴射するための噴霧インジェクタであって、
試薬入口と、試薬出口と、出口オリフィスを有する渦流室と、を有するインジェクタ本体と、
前記渦流室が取り外し可能な回転板を含み、前記回転板に形成され、前記渦流室に導入された試薬に回転速度を与える複数の回転溝と、
前記インジェクタ本体内に移動可能に配置され、前記試薬入口及び前記試薬出口と連結された中空流路を有し、閉位置と開位置との間を移動することができるメータリングプラグと、
前記試薬入口、前記渦流室、前記複数の回転溝、前記中空流路及び前記試薬出口を含み、前記メータリングプラグの前記閉位置及び前記開位置の両方において前記インジェクタを連続的に冷却することを可能とする、前記インジェクタ本体内の試薬用流路と、
前記出口オリフィスを取り囲み、前記出口オリフィスと位置合わせされた開口部を有し、前記渦流室から放出された前記試薬を通過させる熱シールドと、
を含み、
前記インジェクタ本体及び前記メータリングプラグの少なくとも一方が尿素適合性材料を含む噴霧インジェクタ。
【請求項２】
請求項１において、
前記試薬を前記インジェクタ本体に導入するための手段と、
前記インジェクタ本体内の前記試薬を加圧するために所定の圧力を加えるための手段と、
をさらに含み、
前記メータリングプラグが、前記出口オリフィスからの前記回転速度を有する前記試薬の正確な量を計量する噴霧インジェクタ。
【請求項３】
請求項２において、前記所定の圧力を、動作範囲の上昇及び噴霧パターンの変化の少な
くとも１つを生じさせるように動作条件に応じて変化させる噴霧インジェクタ。
【請求項４】
請求項２において、前記所定の圧力が、前記出口オリフィスから計量される前記試薬の液滴の大きさを変化させる噴霧インジェクタ。
【請求項５】
請求項４において、前記液滴の大きさが約５０μｍ  ＳＭＤ以下である噴霧インジェクタ。
【請求項６】
請求項２において、前記所定の圧力が、前記出口オリフィスから計量される前記試薬の流量を変化させる噴霧インジェクタ。
【請求項７】
請求項６において、前記出口オリフィスから計量される前記試薬の前記流量が約１〜６００ｇ／分である噴霧インジェクタ。
【請求項８】
請求項１において、前記メータリングプラグを前記閉位置に付勢する付勢部材をさらに含む噴霧インジェクタ。
【請求項９】
請求項８において、前記付勢部材が、前記メータリングプラグと同軸に配置されたコイルばねを含む噴霧インジェクタ。
【請求項１０】
請求項８において、前記メータリングプラグを前記閉位置と前記開位置との間で作動させるアクチュエータをさらに含み、前記アクチュエータは、磁力を発生させる磁気コイルを有し、前記磁力は、前記磁気コイルが通電された時に前記付勢部材に抗して前記メータリングプラグを摺動させ、前記渦流室内において前記メータリングプラグを前記閉位置から前記開位置に移動させて前記出口オリフィスを介して前記渦流室から前記試薬を放出させる噴霧インジェクタ。
【請求項１１】
請求項１において、前記中空流路が実質的に前記メータリングプラグの長さにわたって延在している噴霧インジェクタ。
【請求項１２】
請求項１１において、
前記渦流室に最も近接する前記メータリングプラグの第１の端部に配置され、前記中空流路と接続された複数の穴と、
前記メータリングプラグの第２の端部に配置された出口と、
をさらに含み、
前記インジェクタ本体内の前記試薬用流路が、前記メータリングプラグの位置とは関係なく、前記試薬入口、前記渦流室、前記複数の回転溝、前記複数の穴、前記中空流路、前記メータリングプラグの前記出口及び前記試薬出口内に延在するように前記出口が前記中空流路に接続されている噴霧インジェクタ。
【請求項１３】
請求項１において、前記熱シールドが、前記出口オリフィスを取り囲むプレートと、前記プレート上に配置された絶縁材料の層と、を含む噴霧インジェクタ。
【請求項１４】
請求項１において、前記開位置において、霧状試薬が前記出口オリフィスから約１〜６００ｇ／分の流量で供給される噴霧インジェクタ。
【請求項１５】
請求項１において、前記試薬出口に形成され、前記流路を流れる前記試薬の量を制御する絞りオリフィスをさらに含む噴霧インジェクタ。
【請求項１６】
請求項１において、前記インジェクタ本体から延びる複数の冷却フィンをさらに含む噴
霧インジェクタ。
【請求項１７】
請求項１において、前記インジェクタ本体及び前記メータリングプラグの少なくとも一方がステンレス鋼を含む噴霧インジェクタ。
【請求項１８】
請求項１において、前記インジェクタ本体及び前記メータリングプラグの少なくとも一方が熱可塑性材料を含む噴霧インジェクタ。
【請求項１９】
請求項１において、前記インジェクタ本体及び前記メータリングプラグの少なくとも一方が熱硬化性材料を含む噴霧インジェクタ。
【請求項２０】
請求項１において、前記インジェクタ本体内における前記試薬の圧力が約６０〜１５０ポンド／平方インチである噴霧インジェクタ。
【請求項２１】
請求項１において、前記複数の回転溝が少なくとも２つの回転溝を含む噴霧インジェクタ。
【請求項２２】
請求項１において、前記回転溝が前記メータリングプラグの長手軸を横切って配置されている噴霧インジェクタ。
【請求項２３】
請求項１において、前記試薬入口が前記渦流室に最も近接している噴霧インジェクタ。
【請求項２４】
尿素溶液を含む霧状試薬を排気ガス流に噴射するための方法であって、
試薬をインジェクタ本体に導入し、
前記インジェクタ本体に配置される渦流室が取り外し可能な回転板を含み、前記回転板に形成される複数の回転溝を有する前記渦流室内に前記試薬を循環させることによって前記試薬に回転速度を与え、
前記インジェクタ本体内に配置されたメータリングプラグを閉位置と開位置との間で選択的に作動させ、
前記インジェクタ本体に配置された試薬入口と、前記複数の回転溝と、前記渦流室と、前記メータリングプラグに設けられた中空流路と、前記インジェクタ本体内に配置された試薬出口と、を含む流路をインジェクタ本体内に設け、
前記試薬を前記流路内を連続的に循環させることによって、前記メータリングプラグの前記閉位置及び前記開位置の両方において前記インジェクタを連続的に冷却し、
前記メータリングプラグが前記開位置にある時に、前記渦流室の前記出口オリフィスからの霧状試薬を計量することを含み、
前記冷却のために前記インジェクタ本体内を循環させる試薬の量が、前記出口オリフィスから計量される試薬の量よりも多く、
前記インジェクタ本体及び前記メータリングプラグの少なくとも一方が尿素適合性材料を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の参照】
【０００１】
本願は、２００４年４月２６日に出願された米国仮特許出願第６０／５６５，３５６号の利益を主張する、２００５年４月２２日に出願された米国特許出願第１１／１１２，０３９号の部分継続出願である、２００８年１１月２１日に出願された米国特許出願第１２／２７５，５３９号に基づいて優先権を主張する。また、本願は、２００４年４月２６日に出願された米国仮特許出願第６０／５６５，３５６号の利益を主張する、２００７年３月５日に出願された米国特許出願第１１／７１４，７１８号の部分継続出願である。上記出願の開示内容は本願明細書に援用する。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、全体として、リーンバーンエンジンからの排出ガスの低減に関する。特に、本発明は、ディーゼルエンジン排気ガスから窒素酸化物（ＮＯｘ）を減少させるために、尿素水溶液等の試薬を排気ガス流に噴射するための方法及び装置に関する。あるいは、本発明は、粒子状物質を減少させるためにディーゼル排気ガスに炭化水素試薬を噴射するために使用することができる。
【背景技術】
【０００３】
リーンバーンエンジンは、燃料の完全燃焼に必要な量を超える過剰酸素の存在下で動作させることによって燃料効率を向上させる。すなわち、リーンバーンエンジンは、希薄燃焼させる（希薄混合気を燃焼させる）エンジンである。しかしながら、リーンバーンエンジンによる燃料経済性の向上は、窒素酸化物（ＮＯｘ）という不要な汚染物質の排出によって相殺される。
【０００４】
リーンバーンエンジン内燃機関からＮＯｘ排出量を減少させるために使用される方法としては、選択的接触還元（ＳＣＲ）が知られている。例えば、ディーゼルエンジンからのＮＯｘ排出量を減少させるためにＳＣＲを使用する場合には、排気ガス温度、エンジン回転数又は燃料流量によって測定されるエンジン負荷、ターボ給気圧又は排出ＮＯｘ質量等の１以上のエンジン動作パラメータとの関連で、エンジンの排気ガス流に霧状試薬を注入する。試薬／排気ガス混合物は、例えば、試薬の存在下においてＮＯｘ濃度を減少させることができる活性炭又は白金、バナジウム又はタングステン等の金属等の触媒を含む反応器を通過させる。このようなＳＣＲシステムは、米国特許第５，９７６，４７５号に開示されている。
【０００５】
尿素水溶液は、ディーゼルエンジン用ＳＣＲシステムにおける有効な試薬であることが知られている。しかしながら、尿素水溶液の使用には多くの不利な点がある。すなわち、尿素は腐食性が高く、排気ガス流に尿素混合物を注入するインジェクタ等のＳＣＲシステムの機械的部品を腐食させる。また、尿素は、ディーゼル排気装置において生じるような高温に長く曝されると固化する傾向がある。固化した尿素は、インジェクタが通常有する狭い流路や出口オリフィスに蓄積する。固化した尿素はインジェクタの可動部を汚染すると共に開口部を塞ぎ、インジェクタが使用できなくなる場合がある。
【０００６】
また、尿素混合物が微細に霧状化されない場合には、尿素堆積物が触媒反応器に形成され、触媒の作用を阻害し、ＳＣＲシステムの効果が減少する。高い注入圧力を使用することにより、尿素混合物の不十分な霧状化の問題を最小化することができる。しかしながら、高い注入圧力によってインジェクタからの噴霧プリュームが排気ガス流に過度に進入し、プリュームが排気管のインジェクタとは反対側の内表面に衝突する場合が多い。その結果、尿素混合物の使用効率が低下し、ＮＯｘ排出量を減少させた状態で走行することができる範囲が小さくなる。車両には限られた量の尿素水溶液しか搭載することができないため、搭載された尿素水溶液を効率的に使用して車両の動作範囲を最大化し、試薬を頻繁に補充しなくてもよいようにしなければならない。
【０００７】
また、尿素水溶液は潤滑性が低い。この特性は、インジェクタ内の可動部に悪影響を与え、インジェクタ内において相対的に移動する部品間の特別なかみ合い、隙間及び公差が必要となる。また、尿素水溶液は漏出する傾向が高い。この特性により、多くの位置において係合面のシール性を高めなければならなくなる。
【０００８】
米国特許第６，２７９，６０３号は、リーンバーンディーゼルエンジンの排気ガス流に尿素水溶液を噴射するための従来のインジェクタの一例を開示している。米国特許第６，２７９，６０３号に開示されたインジェクタは、インジェクタの外部の噴霧フックを使用してインジェクタから排出される尿素溶液を分散させる。そして、インジェクタ本体の出口オリフィスの領域に尿素溶液を循環させて冷却を行う。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
尿素溶液を排気ガス流に噴射する前にインジェクタの内部で尿素溶液を霧状化する、リーンバーンエンジンの排気ガス流に尿素水溶液を噴射するための方法及び装置を提供することが有益である。また、尿素が固化することを防止し、インジェクタ部品の寿命を延ばすようにインジェクタを冷却することが有益である。また、インジェクタの内部における堆積物の形成を最小化するために排気管からインジェクタへの熱伝達を最小化することが有益である。また、煤及び尿素が比較的低温のインジェクタの出口オリフィスに付着してインジェクタの外部に堆積物を形成することを防止するために、高温ガスから出口オリフィスへの熱伝達を最小化することが有益である。さらに、経済的及び環境的な観点から、リークを起こさないインジェクタを提供することが有益である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の方法及び装置は、上述した利点及びその他の利点を有する。
【００１１】
本発明は、エンジン排気ガスからの排出物質を減少させるために、尿素水溶液等の試薬を排気ガス流に噴射するための改良された方法及び装置を提供する。特に、本発明のインジェクタは、ディーゼルエンジン、天然ガスエンジン、ジェットエンジン、タービン、燃料電池又はその他のエンジン等の任意のエンジンに使用される高性能噴霧器である。
【００１２】
現在使用されているオンロード及びオフロード小排気量ディーゼルエンジンの尿素インジェクタは、デュアル試薬噴霧化方法を利用している。この方法は、独立した空気コンプレッサーを必要とする。米国特許第６，２７９，６０３号（’６０３特許）に開示されているようなその他の従来の噴霧化方法では、内部に噴霧化工程を有していないインジェクタを利用する。’６０３特許に記載されているインジェクタは、インジェクタ本体の外部に設けられたホットプレート又はフックに衝突する際に小さな液滴を形成する液体の自由噴流を噴射する。
【００１３】
本発明は、従来の尿素水溶液インジェクタ、特に、’６０３特許に記載されているような尿素水溶液インジェクタに対する改良を提供する。本発明は、インジェクタの内部で生じる噴霧化方法を利用する。特に、本発明は、機械的なスピルリターン噴霧化方法を使用して、本願発明者らが予想していたよりも小さな液滴（特に、約５０μｍ  ＳＭＤ（ザウター平均径）以下の液滴）を形成する。上記液滴径範囲は、’６０３特許に記載されているインジェクタとは異なり、オンロードディーゼルエンジンにおける滞留時間内に尿素が反応してアンモニアを生成するために適切な範囲である。この効果は、インジェクタの出口オリフィスを取り囲み、渦流室内に高速回転流を形成する複数の回転溝を有する回転板を使用することによって得られる。試薬の回転流の一部が排気ガス流に向かって出口オリフィスを通過すると、試薬が排気ガス流に噴射される際に、遠心力と空気による試薬の剪断の組み合わせによって噴霧が行われる。
【００１４】
また、本発明は、広い温度範囲にわたるメータリングプラグの磁気引っ張り強さの向上、インジェクタ弁及び関連作動部品の寿命の延長並びにインジェクタ全体における尿素による冷却を含む、’６０３特許に記載されたインジェクタに対するさらなる改良を提供する。また、本発明は、調節可能な噴霧品質特性並びに様々な大きさの液滴を使用するためのオリフィス板の互換性を取り入れている。また、リブを有するインジェクタ本体は冷却性能を向上させる。
【００１５】
また、本発明は、特に、ディーゼル排気ガスにおける粒子状物質を減少させるために炭化水素を噴射するためのインジェクタを提供することができる。瞬時のタイミング制御を行うためのパルス幅変調と機械的な噴霧化方法の組み合わせは、少量の炭化水素を正確なタイミングで噴射するために適している。本発明による冷却により、インジェクタは高温の排気ガス条件に耐えることができると共に、炭化水素の過早点火を防止することができる。
【００１６】
本発明の実施形態は、霧状試薬を噴射するための方法及び装置を提供する。インジェクタ本体と、インジェクタ本体に設けられた渦流室と、を含む低圧インジェクタを使用する。渦流室は、出口オリフィスを有する。渦流室に導入された試薬に回転速度を与えるための複数の回転溝を渦流室に設けることができる。渦流室内に配置された弁座は、出口オリフィスを取り囲んでいる。インジェクタ本体内にはメータリングプラグを配置することができる。また、アクチュエータをインジェクタ本体に取り付け、メータリングプラグを閉位置と開位置との間で移動させるためにメータリングプラグに接続することができる。アクチュエータはインジェクタ本体内に配置され、メータリングプラグを閉位置と開位置との間で移動させるためにメータリングプラグに接続することができる。
【００１７】
メータリングプラグは、メータリングプラグが閉位置にある場合に、メータリングプラグが弁座内に静止して試薬が出口オリフィスから供給されることを防止するように、インジェクタ本体内に配置することができる。一実施形態では、メータリングプラグが閉位置にある場合に、インジェクタ内に試薬を循環させてインジェクタを冷却することができる。メータリングプラグが開位置にある場合には、メータリングプラグは弁座から離れ、試薬を出口オリフィスから供給することができる。開位置では、メータリングプラグの端部が弁座から離れ、渦流室からの試薬の回転流の一部は出口オリフィスを通過し、試薬が排気ガス流に噴射される際に、遠心力と空気による試薬の剪断の組み合わせ及び／又は排気ガス流によって噴霧が行われる。
【００１８】
インジェクタは、インジェクタ内に延びる試薬入口と、インジェクタから延びる試薬出口と、をさらに含むことができる。試薬入口と試薬出口は、メータリングプラグの中空部を介して渦流室と連通していてもよい。試薬入口、試薬出口及びメータリングプラグの中空部は、試薬が試薬インジェクタ内を流れるための流路となり、試薬インジェクタを冷却することができる。試薬インジェクタ内の試薬の流路は、メータリングプラグの位置とは関係なく設けられてもよい。
【００１９】
インジェクタ本体内に配置された絞りオリフィスによって、所与の入口圧力において試薬インジェクタ内を流れる冷却試薬の流量を制御することができる。
【００２０】
別の実施形態では、インジェクタ本体を取り囲む複数のリブを設け、インジェクタ本体から熱を分散させることができる。また、出口オリフィスを取り囲む熱シールドを設け、排気ガス流からインジェクタ本体への熱の伝達を減少させることができる。熱シールドは、出口オリフィスと位置合わせされた開口部を有し、渦流室から放出された試薬を通過させることができる。熱シールドは、出口オリフィスを取り囲むプレートと、プレート上に配置された絶縁材料の層と、を含むことができる。
【００２１】
インジェクタ本体及びメータリングプラグは、ステンレス鋼を含むことができる。いくつかの実施形態では、インジェクタ本体及びメータリングプラグは、プラスチック、熱可塑性材料、熱硬化性材料又は尿素又は使用する試薬と適合性を有するその他の材料を含むことができる。メータリングプラグを閉位置に付勢する付勢部材を設けることにより、逆作動弁を設けることができる。付勢部材は、メータリングプラグと同軸に配置されたコイルばねであってもよい。
【００２２】
アクチュエータは、磁力を生じさせる磁気コイルを含むことができる。磁力は、磁気コイルが通電された時に付勢部材に抗してメータリングプラグを摺動させることができる。これにより、アクチュエータが通電された時に渦流室内においてメータリングプラグを閉位置から開位置に移動させて渦流室の出口オリフィスから試薬を供給することができる。磁気コイルを通電するための手段を設けることができる。例えば、１２Ｖのパルス幅変調信号によって所定の期間にわたって磁気コイルに通電し、所定量の試薬を噴射することができる。磁気コイルに通電するためのその他の公知の手段を使用することもできる。
【００２３】
また、本発明は、試薬をガス流に噴射するための方法を提供する。本発明の方法は、試薬をインジェクタ本体に導入し、インジェクタ本体内の試薬を加圧するために所定の圧力を与え、インジェクタ本体内の加圧された試薬の少なくとも一部に高速回転流を与え、出口オリフィスからガス流に供給される回転速度を有する試薬の正確な量を計量することを含む。
【００２４】
正確に計量された量を超える試薬は、インジェクタ内を循環させて試薬を所望の温度範囲内に維持することができる。所望の温度範囲は、尿素水溶液を含む尿素溶液の場合には、約５〜８５℃であってもよい。所望の温度範囲は、試薬の凝固点を超え、試薬の沸点未満の温度であってもよい。また、試薬は炭化水素であってもよい。ガス流はディーゼル排気ガス流であってもよいが、本発明は、様々な排気ガス流及び／又は所望の処理プロトコルのいずれかに適用することができる。所定の圧力は、動作範囲の上昇及び／又は噴霧パターンの変化を生じさせるように動作条件に応じて変化させることができる。
【００２５】
また、本発明は、本願明細書に記載する方法を実施するための手段となる装置を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係るインジェクタを使用した汚染制御システムを有するオンロードディーゼルエンジンの一実施形態の概略図を示す。
【図２】本発明に係るインジェクタの一実施形態の縦断面図を示す。
【図３Ａ】本発明に係る回転板の一実施形態の上面図を示す。
【図３Ｂ】本発明に係る回転板の一実施形態の断面図を示す。
【図３Ｃ】本発明に係る回転板の一実施形態の底面図を示す。
【図４Ａ】図２に示すインジェクタに使用されるメータリングプラグの一実施形態を示す。
【図４Ｂ】図２に示すインジェクタに使用されるメータリングプラグの一実施形態を示す。
【図５】排気管に取り付けられた本発明に係るインジェクタの一実施形態の斜視図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図面を参照して本発明について説明する。図面では、同一の構成要素には同一の参照番号を付している。
【００２８】
なお、以下の詳細な説明は実施形態の例示であって、本発明の範囲、利用可能性又は構成を限定することを意図するものではない。以下の実施形態の詳細な説明は、当業者が本発明の実施形態を実施することを可能とするものである。なお、請求項に記載した本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、構成要素の機能及び構成に様々な変更を加えることができることを理解されたい。また、ディーゼルエンジン及びＮＯｘ排出量の低減に関連して本発明について説明するが、本発明は、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン、タービン、燃料電池、ジェットエンジン又は排出流を排出するその他の動力源等から排出される排気ガス流のいずれかに関連して使用することができる。さらに、本発明は、様々な不要な物質のいずれかの排出量の低減に関連して使用することができる。
【００２９】
図１は、ディーゼルエンジン２１の排気ガスからのＮＯｘ排出量を低減するための汚染制御システムの一例を示す。図１において、システムの要素間の実線は試薬用流体ラインを示し、破線は電気的接続を示す。本発明のシステムは、試薬を保持するための試薬タンク１０と、タンク１０から試薬を供給するための供給モジュール１２と、を含むことができる。試薬は、尿素溶液、炭化水素、アルキルエステル、アルコール、有機化合物又は水等であってもよく、それらの混合物であってもよい。また、１種以上の試薬をシステムで利用可能にし、単独又は組み合わせて使用してもよい。タンク１０及び供給モジュール１２は、一体型試薬タンク／供給モジュールを形成することができる。また、システムの一部として、電子噴射制御装置１４と、低圧インジェクタモジュール１６と、少なくとも１つの触媒床１７を有する排気装置１９と、が設けられている。
【００３０】
供給モジュール１２は、供給ライン９及びインラインフィルタ２３を介してタンク１０から試薬が供給されるポンプを含むことができる。試薬タンク１０は、ポリプロピレン、エポキシ樹脂被覆炭素鋼、ＰＶＣ又はステンレス鋼で形成されていてもよく、用途（例えば、車両の大きさ、車両の用途等）に応じた大きさを有することができる。フィルタ２３は、硬質プラスチック又はステンレス鋼で形成され、取り外し可能なカートリッジを有するハウジングを含むことができる。所定の圧力（例えば、約６０〜８０ｐｓｉの比較的低い圧力又は実施形態によっては約６０〜１５０ｐｓｉの圧力）にシステムを維持する圧力調整器（図示せず）を設けることができ、圧力調整器は、試薬インジェクタ１６からの戻りライン３５に配置することができる。試薬インジェクタ１６に接続されたフレキシブルなラインに圧力センサーを設けることができる。また、システムは、凍結した尿素を解凍するか、尿素の凍結を防止するための様々な凍結防止手段を含むことができる。例えば、システムの動作時には、インジェクタが試薬を排気ガス中に放出しているか否かにかかわらず、タンク１０と試薬インジェクタ１６との間に試薬を連続的に循環させ、インジェクタを冷却し、試薬の温度が低く維持されるようにインジェクタないにおける試薬の滞留時間を最小化する。連続的な試薬の循環は、エンジン排気装置における３００〜６５０℃の高温において固化する傾向がある尿素水溶液等の感温性試薬を使用する場合に必要である。尿素の固化を確実に防止する安全マージンを設けるために、尿素混合物を１４０℃未満、好ましくは５〜９５℃の低い動作範囲に維持することが重要であることが判明した。固化した尿素はインジェクタの可動部と開口部を汚染し、インジェクタが使用できなくなる場合がある。流量は、エンジンの大きさとＮＯｘレべルに応じて異なる。
【００３１】
必要とされる試薬の量は、負荷、エンジンＲＰＭ、エンジン速度、排気ガス温度、排気ガス流量、エンジン燃料噴射タイミング及び所望のＮＯｘ低減量に応じて異なる。エンジン作動パラメータの全て又は一部を、エンジン／車両データバスを介してエンジン制御装置２７から試薬噴射コントローラ１４に供給することができる。また、製造者が望む場合には、試薬噴射制御装置１４をエンジン制御装置２７の一部として設けることができる。
【００３２】
排気ガス温度、排気ガス流量及び排気ガス背圧は個別のセンサーによって測定することができる。
【００３３】
試薬が不足して噴射装置が過熱することを防止するために、電圧に基づく最小試薬レベル検出器又はプログラムロジックを使用することができる。タンク１０内において最小試薬レべルに達すると、噴射を停止し、故障ライト及び／又はテキストアラームが車両の運転台において点灯する。
【００３４】
噴射率は、「ディーゼル選択的接触還元システム及び方法（Ｍｏｂｉｌｅ  Ｄｉｅｓｅｌ  Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  Ｃａｔａｌｙｔｉｃ  Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ）」と題する本願と譲受人が同一である米国特許第６，９４１，７４６号（付与日：２００５年９月１３日）に記載されているように、噴射制御計画又はマップによって試薬噴射制御装置１４をプログラミングすることによって設定することができる。米国特許第６，９４１，７４６号の開示内容は本願明細書に援用する。噴射制御計画は、米国特許第６，９４１，７４６号に記載されているように、ＮＯｘ検出器２５を一時的に車両に設置することによって策定することができる。ＮＯｘ検出器２５は、サンプリング装置を有するセンサー又は測定器であってもよい。図１は、排気装置１９の外部におけるガス濃度又は質量を分析するＮＯｘ測定器２５を示している。
【００３５】
図２は、図１に示すシステムにおいて使用することができる、本発明に係る試薬インジェクタ１６の一実施形態の断面図を示す。試薬インジェクタ１６は、上部１８ａ及び下部１８ｂを有するインジェクタ本体１８を含むことができる。インジェクタ本体１８の内部には、細長い円筒室３０を配置することができる。円筒室３０は、上部に取り付けられた場合にディーゼルエンジンの排気装置１９（図１）内の排気ガスに開口する出口オリフィス２２を有する回転板５０と流体連結されていてもよい。出口オリフィス２２の周囲には、任意の実用的な形状を有することができるが、好ましくは円錐状である（例えば、図３Ｂを参照）弁座２４を設けることができる。細長いメータリングプラグ２６としての弁部材を円筒室３０内に摺動可能に取り付けることができる。
【００３６】
図３Ａは、回転板５０の上面図を示す。図３Ｂは、回転板５０の断面図を示す。図３Ｃは、回転板５０の底面図を示す。図３Ａに示すように、回転板５０は、弁座２４を取り囲み、メータリングプラグ２６の端部２８（図２を参照）の周囲の領域に渦流室５２を形成する複数（２以上）の回転溝５１を有することができる。回転溝５１は、排気ガス流に導入する試薬流を形成することができる多くの形状のいずれかを有することができる。例えば、回転溝５１は、様々な角度、オフセット及び放射方向の向きで配置することができ、角度対称／非対称性等を有することができる。また、各回転溝５１は、直線状、アーチ形、非線形等の様々な形状及び様々なサイズ（幅及び長さ等）を有することができる。図３Ｂに示すように、渦流室５２は、円錐形の弁座２４と組み合わせた場合に円錐形状を有していてもよい。図３Ａ及び図３Ｂに示すように、弁座２４は渦流室５２から霧状試薬を供給するための出口オリフィス２２を取り囲んでいる。回転板５０は、保持キャップ７４によってインジェクタ本体の下部１８ｂに取り付けることができる。
【００３７】
図示する構成例では、回転板５０とインジェクタ本体の下部１８ｂとの間に流体保持ガスケット６０を挿入し、回転板５０、インジェクタ本体１８及び保持キャップ７４の係合面間に試薬が漏れることを防止することができる。ガスケットは、シリコーン材料を含むことができる。インジェクタ本体の上部１８ａは、インジェクタ本体の上部１８ａとインジェクタ本体の下部１８ｂ、インジェクタ本体の下部１８ｂと底板７５、底板７５とコイル３８及びコイル３８とインジェクタ本体の上部１８ａの係合面間に挿入されて試薬の漏出を防止するシール用Ｏリング７６を含むことができる。
【００３８】
図４Ａ及び図４Ｂは、メータリングプラグ２６の一実施形態の断面図及び外観図をそれぞれ示す。メータリングプラグ２６は、密閉するように弁座２４と係合し、出口オリフィス２２が渦流室５２と流体連結されることを防止するように形成された端部２８を有することができる。メータリングプラグ２６は、渦流室５２内において、図２に示す閉位置と、端部２８が弁座２４と係合しない開位置との間で移動することができてもよい。開位置では、出口オリフィス２２が開いて渦流室５２と流体連結される。
【００３９】
試薬は、試薬入口３４（図２）を介して渦流室５２に供給することができる。試薬入口３４は渦流室５２と流体連結されていてもよく、供給ライン９を介してタンク１０に外部的に接続されていてもよい。試薬は、所定の圧力で試薬入口３４及び渦流室５２にポンプによって供給することができる。加圧された試薬は、回転溝５１において高速に加速することができる。これにより、渦流室５２内において高速回転流を得ることができる。メータリングプラグの端部２８が弁座２４から離れると、試薬の回転流の一部は出口オリフィス２２を通過し、試薬が排気ガス流に噴射される際に、遠心力と空気による試薬の剪断の組み合わせによって噴霧が行われる。
【００４０】
所定の圧力は、動作範囲の上昇及び噴霧パターンの変化の少なくとも１つを生じさせるように動作条件に応じて変化させることができる。
【００４１】
出口オリフィス２２を開閉するために、例えば、インジェクタ本体１８で取り付けられた磁気コイル３８としてアクチュエータを設けることができる。磁石３８に通電すると、メータリングプラグ２６は閉位置から開位置に引き上げられる。底板７５及びインジェクタ本体の上部１８ａを磁気ステンレス鋼で形成し、耐食性を維持しながら、磁化表面を設けることができる。インジェクタ本体の下部１８ｂは、３１６ステンレス鋼等の非磁気ステンレス鋼で形成することができる。これにより、底板７５における磁性特性の分離を向上させ、メータリングプラグ２６が出口オリフィス２２に向かって磁化されることを制限することができる。磁石は、例えば、図１に示す電子制御装置１４からの信号に応じて通電することができ、電子制御装置１４は、センサー入力信号及びプログラムされたアルゴリズムに基づき、排気ガス流における有効なＮＯｘの選択的接触還元に試薬が必要な時点を決定する。
【００４２】
図５は、排気管８０に接続された試薬インジェクタ１６の外観図を示す。例えば、試薬噴射コントローラ１４（図１）から試薬インジェクタ１６に制御信号を供給するために電気的接続部８２を設けることができる。磁気コイル３８は、パルス幅変調デジタル信号による１２〜２４ＶのＤＣ電流によって通電することができる。
【００４３】
図４Ａに示すように、メータリングプラグ２６は、メータリングプラグ２６の穴９２を介して渦流室５２と流体連結されていてもよい中空部９０を含む。メータリングプラグ２６の中空部９０は、少なくともインジェクタ本体１８の下部１８ｂ（図２）内に延在していてもよい。出口オリフィス２２から排出されない渦流室５２からの加圧試薬は、メータリングプラグ２６の中空上部９４の出口部を介して、穴９２、中空部９０及び出口３６に排出することができる。試薬出口３６は、メータリングプラグ２６の中空部９０の上部９４から試薬を排出するために図２に示すように配置することができる。試薬出口３６は外部的に戻りライン３５（図５）に接続することができ、試薬を、図１に示すタンク１０から、供給ライン９及び試薬入口３４を介して渦流室５２に循環させ、メータリングプラグ２６の中空部９０を介して、中空上部９４の出口部から試薬出口３６に循環させ、戻りライン３５を介して図１に示すタンク１０に戻すことができる。このような循環により、試薬インジェクタ１６を低温に維持し、インジェクタ内における試薬の滞留時間を最小化することができる。試薬入口３４、試薬出口３６及びメータリングプラグ２６の中空部９０は、試薬が試薬インジェクタ１６内を流れるための流路となり、試薬インジェクタ１６を冷却することができる。試薬インジェクタ１６内の試薬の流路は、メータリングプラグ２６の位置とは関係なく設けられてもよい。なお、流路の特定の順序（及び／又は図示する順序）は、本発明の範囲から逸脱することなく変更することができる。従って、特記しない限り、そのような変形は本発明の範囲に含まれる。試薬インジェクタ１６内を流れる冷却試薬の量を制御するために絞りオリフィス３７を設けることができる。
【００４４】
そのため、例えば、尿素水溶液を冷却試薬インジェクタ１６と共に使用する場合に、尿素水溶液は試薬インジェクタ１６（特に渦流室５２の領域）内で固化することはない。尿素が固化した場合には、メータリングプラグ２６の密閉性が損なわれたり、メータリングプラグ２６が開位置又は閉位置に固定されたり、及び／又は出口オリフィス２２が詰まったりする場合がある。また、試薬、可動部分及び弁の開口部に対する高温の有害な影響を回避することができる。例えば、インジェクタを直接冷却することにより、弁座の領域のみを冷却する従来技術と比較して性能を向上させることができる。また、冷却を良好に行うことにより、メータリングプラグ２６、関連する作動備品及び弁座２４を含むインジェクタ部品の寿命を延ばすことができる。インジェクタ本体の上部１８ａの外部に設けられた冷却リブ７２は冷却能力をさらに向上させる。
【００４５】
例えば、出口オリフィス２２から供給される試薬の量よりも多い約１０ガロン／時の試薬をインジェクタを介して循環させることができる。なお、上記流量は用途に応じて変更することができる。メータリングプラグの端部２８が弁座２４から離れると、用途及び／又は制御アルゴリズムに応じて、約１〜６００ｇ／分、特に、約３〜５００ｇ／分の流量で霧状試薬を排出することができる。出口オリフィス２２から排出される試薬の噴霧特性は、戻りライン及び供給ラインにおいて維持される圧力の比に応じて変化させることができる。例えば、液滴の大きさは、供給ライン９内の圧力を変更することによって制御することができる。また、噴霧特性は、噴霧板を交換する（異なる噴霧板を使用する）ことによって変化させることができる。例えば、保持キャップ７４によってインジェクタ本体に取り付けられた回転板５０を取り外し、異なる大きさの出口オリフィス２２、異なる数の回転溝５１又は異なる長さ、深さ又は幅を有する回転溝を備えた回転板と交換することができる。また、噴霧板は、インジェクタ本体１８ａの下部に取り付けた場合に、より大きな又はより小さな渦流室５２を形成するように構成することができる。また、絞りオリフィス３７の内径を変更することによって試薬循環速度を変更することができる。試薬循環速度を変更することにより、液滴の大きさが変化し、試薬による冷却レべルが変化する。
【００４６】
メータリングプラグ２６の円形ガイド部３２は、円筒室３０内におけるメータリングプラグ２６の摺動の主要なガイド機能を有することができる。円形ガイド部３２と円筒室３０の公差は、メータリングプラグの移動をガイド時ながら、相対的な移動並びにメータリングプラグ２６の潤滑を可能とするように設計する。
【００４７】
通常、メータリングプラグ２６と円筒室３０との間の様々な部分において必要な特定の公差は、動作温度、動作圧力、試薬の所望の流量及び循環速度、試薬のトライボロジ的特性並びにメータリングプラグ２６及びインジェクタ本体１８の材料に応じて異なる。最適なインジェクタ性能のための公差は、実地試験によって実験的に得ることができる。
【００４８】
図２に示すように、メータリングプラグ２６は付勢部材によって閉位置に付勢されていてもよく、付勢部材は、例えば、ばね４２がメータリングプラグ２６を付勢することができるばね弁座として機能するメータリングプラグ２６の中空上部９４と同軸に配置されたコイルばね４２であってもよい。
【００４９】
図示する構成では、熱シールド５８を回転板５０の外部に取り付けることができ、保持キャップ７４は、排気ガスからの熱が回転板５０及びインジェクタ本体１８に伝達されることを防止すると共に、インジェクタ本体に接触した液滴が堆積物を形成することを防ぐ加熱面となる。例えば、熱シールド５８はインコネルで形成することができる。あるいは、出口オリフィス２２をインジェクタ１６又は回転板５０の噴射端部の外部に設けることにより、噴霧角度αを増加させると共に、冷却特性を維持しながら、噴霧角度の範囲を広げることができる。熱ガスケット７０は、加熱された排気管８０からインジェクタ本体１８及び回転板５０を隔離するために有用な低い伝熱性を有するステンレス鋼材料で覆われた可撓性黒鉛ホイルで形成することができ、試薬インジェクタ１６への熱の伝達を減少させ、弁内を循環する試薬を低温に維持することができる。
【００５０】
メータリングプラグ２６は、好ましくは、インジェクタの寿命にわたって生じる金属疲労を減少させながら、尿素耐食性及び磁気特性を維持するコーティングでコーティングされた４３０Ｃ又は４４０Ｆステンレス鋼で形成することができる。回転板５０は、インコネル又は３１６ステンレス鋼で形成することができ、試薬インジェクタ１６の寿命にわたって生じる金属疲労を減少させながら、尿素耐食性を維持するコーティングでコーティングされていてもよい。底板７５はメータリングプラグ２６から分離されていてもよく、メータリングプラグ２６は、メータリングプラグの質量を大きく減少させるために製造に妥当な最も短い長さを有するように形成することができる。メータリングプラグ２６の質量を減少させることにより、メータリングプラグ２６（特に、弁座２４に対して繰返し衝突するによって摩耗及び変形するメータリングプラグ２６の端部２８）の寿命を延ばすことができる。
【００５１】
本発明は、ＮＯｘ排出量を減少させるために、オンロードディーゼルエンジンの排気ガス流に尿素水溶液を噴射するための有利な方法及び装置を提供する。
【００５２】
様々な実施形態に関連して本発明について説明したが、請求項に記載する本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、様々な変形及び改良を加えることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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