(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路内に試薬を投入するための噴射装置であって、前記噴射装置の長さに沿った軸（Ａ）を有しており、
弁着座領域（３０）と係合可能な着座表面を有する外方に広がる弁部材（１４）と、
前記弁着座領域（３０）を画定する内孔（１２）が設けられた着座部材であって、前記内孔（１２）が、前記弁着座領域（３０）の下流側に流れ方向転換領域（３２）をさらに画定する、着座部材とを備え、
前記着座部材（１０）が、前記流れ方向転換領域（３２）の少なくとも一部分と交差する要素（３８；１３８；２３８；３３８；４３８；５３８）が設けられた端面（３６；１３６）を有しており、前記要素は、前記流れ方向転換領域（３２）と共に、前記弁部材（１４）が前記孔（１２）から外方に移動されて前記弁着座領域（３０）から離れたときの前記噴射装置から出る試薬の噴霧進路を画定し、前記噴霧進路は、前記弁着座領域（３０）の円周周りで、前記軸Ａに対して可変の噴霧角度を有する、噴射装置。
【請求項２】
前記弁着座領域（３０）および前記弁部材（１４）の前記着座表面の各々が、前記軸Ａの周りで回転対称である、請求項１に記載の噴射装置。
【請求項３】
前記弁着座領域（３０）が、円錐状、球状、または丸み付けされた形態を有する、請求項１または２に記載の噴射装置。
【請求項４】
前記着座部材の前記端面に設けられた前記要素が、溝または凹部（３８；１３８；２３８；３３８；５３８）の形態をとる、請求項１から３までのいずれか一項に記載の噴射装置。
【請求項５】
前記溝が、湾曲状（３３８）、三角形（２３８）または矩形（５３８）である、請求項４に記載の噴射装置。
【請求項６】
前記弁着座領域（３０）は前記軸（Ａ）と共に着座角度を画定し、前記溝（３８、１３８）は、前記溝の底部（３８ａ）において前記噴射装置から出る試薬の前記噴霧進路が実質的に前記着座角度で出て、前記溝の上部（３８ｂ）において前記噴射装置から出る前記噴霧が前記着座角度より小さい角度で出るように形成される、請求項４または請求項５に記載の噴射装置。
【請求項７】
前記溝（３８、１３８）が、前記噴射装置から出る試薬の前記噴霧進路が実施的に楕円状であるように形成される、請求項４から６までのいずれか一項に記載の噴射装置。
【請求項８】
前記要素が、前記着座部材（１０）の前記端面（３６）に設けられた隆起領域（４３８）である、請求項１から３までのいずれか一項に記載の噴射装置。
【請求項９】
前記着座部材の前記端面（１３６）が、前記噴射装置の前記軸（Ａ）に対して角度付けされた角度のある領域（１３６ｂ）を含む、請求項１から８までのいずれか一項に記載の噴射装置。
【請求項１０】
前記着座部材の前記端面（１３６）が、前記装置の軸（Ａ）に対して実質的に垂直である別の領域（１３６ａ）を含み、前記角度のある領域（１３６ｂ）と前記別の領域（１３６ａ）の間の交差部の円周は、前記装置の軸（Ａ）周りで楕円進路を画定する、請求項９に記載の噴射装置。
【請求項１１】
前記着座部材の前記端面（１３６）および前記内孔（１２）が、前記円周周りの長さの少なくとも一部に鋭角の縁（４０）を形成する交差部の円周を画定する、請求項９または請求項１０に記載の噴射装置。
【請求項１２】
前記交差部の円周が、前記円周周りの実質的にすべての位置において鋭角の縁（４０）を形成する、請求項１１に記載の噴射装置。
【請求項１３】
前記鋭角の縁（４０）が、前記交差部の円周周りの直径方向に対向する位置では存在しない、請求項１１に記載の噴射装置。
【請求項１４】
前記流れ方向転換領域が凹角である、請求項１から１３までのいずれか一項に記載の噴射装置。
【請求項１５】
前記流れ方向転換領域が球状であるか、または、丸み付けされている、請求項１から１３までのいずれか一項に記載の噴射装置。
【請求項１６】
前記着座部材が受け入れられる、噴射装置の筺体を備える、請求項１から１５までのいずれか一項に記載の噴射装置。
【請求項１７】
試薬の送達を中断するために前記弁着座領域（３０）に対して前記弁部材（１４）を付勢するためのばねをさらに備える、請求項１から１６までのいずれか一項に記載の噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえば、大気への有害物質の排出を低減するために、内燃機関の排気室または通路内に試薬を投入するのに適した噴射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気ガスからの汚染物質を部分的にまたは完全に除去するために、触媒浄化プロセスが使用され得る。詳細には、排気ガスの浄化は、排気ガス中のたとえばＮＯｘなどの１つまたは複数の汚染物質を還元する還元剤を用いて達成され得る。
【０００３】
内燃機関からの排気ガスの排出を低減するために、還元剤（たとえば尿素溶液などの試薬）が、たとえば欧州特許第１８７８８８７号に示されるような噴射装置を用いて排気通路内に噴霧され得る。通常、還元剤の働きは、噴射位置から下流側の触媒と接触した時点で引き起こされる。選択的触媒還元（ＳＣＲ）装置は、（尿素由来の）アンモニアを用いて酸化窒素（ＮＯｘ）の選択的触媒還元を実施する。排気システムの通路に装着された噴射装置が使用されて、尿素を排気流内に噴射する。スリップ触媒がＳＣＲ装置の下流側に配置され、すべての未反応のアンモニアを浄化する。また、ディーゼル微粒子フィルタが設けられ、排気ガス流中に同伴されＳＣＲ装置によって還元されなかった微粒子状物質および煤煙のレベルを低減する。
【０００４】
試薬用の噴射装置は、外方に広がるポペット弁を含んで、良好な霧状の円錐状噴霧を生み出すことが知られている。投射された噴霧の円形の横断面は、円形排気管（すなわち円形の横断面を有する）の円筒形状に良好に適合される。しかし、近年、ＳＣＲ触媒がより早く昇温することを可能にするために、噴霧点をエンジンにより近い排気通路に移動させることが望ましいことが判明した。触媒と微粒子フィルタをできるだけ小型の形態で結合させるために、これらの間の排気通路の流れ断面は、一方の方向において他方より広くなる必要がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、本発明の１つの目的は、非円形の横断面を有する排気通路内に試薬を噴射するのに適した噴射装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
試薬を内燃機関の排気通路に投入するための噴射装置は、その長さに沿った軸を有し、弁着座領域と係合可能な着座表面を有する外方に広がる弁部材と、弁着座領域を画定する内孔が設けられた着座部材とを備える。着座部材の内孔は、さらに、弁着座領域の下流側に流れ方向転換領域を画定する。着座部材は、流れ方向転換領域の少なくとも一部分と交差する要素が設けられた端面を有し、この要素は、流れ方向転換領域と共に、弁部材が孔から外方に移動されて弁着座領域から離れるときの噴射装置から出る試薬の噴霧進路を画定する。この要素および流れ方向転換領域の配置は、噴霧進路が、弁着座領域の円周周りで装置軸に対して可変の噴霧角度を有するようなものである。
【０００７】
非円錐形態のものであり、装置軸に対して可変の噴霧角度を有する噴霧進路を提供する利点は、ＳＣＲシステムの排気通路での使用に適合することであり、この排気通路の流れ断面は、１つの方向においてその垂直方向より広い横断面を有する（すなわち流れ断面は非円形断面のものである）。このため、排気通路内への噴霧点を機関により近づけて移動させることが可能になるが、これは、結果として生じる流れ断面が、噴霧進路の可変の噴霧角度によって良好に合致されるためである。この利点は、機関により近いＳＣＲ触媒が、より早く昇温できることである。
【０００８】
外方に広がる弁部材を有する噴射装置を用いて、非円錐形態のものである（すなわち非円形の流れ断面を有する）噴霧進路を提供することが特に有利である。これは、外方に広がる弁部材の場合、噴霧速度を設定するオリフィス（すなわち弁部材が開いたときの弁着座領域と弁部材の着座表面の間の座部の隙間）が、噴射時の間だけ開くためである。したがって、オリフィスは、（試薬が尿素溶液である場合）排気または尿素の分解生成物によって塞がれにくくなる。さらには、弁着座領域に対する弁部材の閉鎖移動が、形成されたいかなる堆積物も粉砕する傾向があり、それによって、これらが噴射装置上に堆積し、その機能が損なわれることを防止する。
【０００９】
好ましくは、弁着座領域および弁部材の着座表面は、使用時、弁部材が孔から外方向に移動されて弁着座領域から離れるとき、そこから出る試薬の噴霧の速度および軸Ａに対する角度が、弁着座領域の円周周りでほぼ均一であるように配置される。この利点は、弁着座領域の円周周りの噴霧角度を調整することによって引き起こされる噴霧運動量の有意な損失がなく、そのために良好な霧状態が維持されることである。
【００１０】
有利には、弁着座領域および弁部材の着座表面の各々は、軸Ａの周りで回転対称である。こうして、非円形の噴霧形態を生み出し、かつ回転非対称の弁着座領域または着座表面の機械切削または製作を必要としない、すなわち装置の製造の容易さならびにコストおよび製作時間に有害な影響を与える機械切削または製作を必要としない噴射装置が提供される。
【００１１】
１つの例では、流れ方向転換領域は、凹角であり、加えてまたは代替的には、球状または丸み付けされていてよい。
内孔によって画定される弁着座領域および弁部材の着座表面は、好ましくは円錐状である。あるいは、弁部材領域は、球状のまたは丸み付けされた形態を有することができ、弁部材の着座表面は、相補的形状を有することができる。
【００１２】
１つの実施形態では、着座部材の端面に設けられた要素は、溝または凹部の形態をとる。たとえば、溝は湾曲状、三角形または矩形でよい。
１つの実施形態では、弁着座領域は装置軸と共に着座角度を画定し、溝は、溝の底部において噴射装置から出る試薬の噴霧進路が着座角度とほぼ同じ角度で出て、溝の上部において噴射装置から出る噴霧が着座角度より小さい角度で出るように形成される。
【００１３】
溝は、噴射装置から出る試薬の噴霧進路が楕円状であるように形成され得る。
別の実施形態では、その要素は、着座部材の端面に設けられた隆起領域である。
着座部材の端面が、装置軸に対して角度付けされた角度のある領域を含むことが好ましくなり得る。１つの例では、着座部材の端面は、装置軸に対してほぼ垂直である別の領域を含むことができ、角度のある領域とこの別の領域の間の交差部の円周は、装置軸周りに楕円形進路を画定する。
【００１４】
好ましい実施形態では、着座部材の端面は、内孔と共に、円周周りの長さの少なくとも一部に鋭角（および円周周りの長さのほぼ全体に亘って鋭角でもよい）交差縁を画定する。これは、端面上に形成される噴霧堆積の機会が最小限に抑えられるという利点をもたらす。
【００１５】
他の実施形態では、鋭角の縁は、交差部の円周周りの直径方向に対向する位置では実質的に存在しない場合がある。
噴射装置は、さらに、試薬の送達を中断するために弁着座領域に対して弁部材を付勢するためのばねを備えることができる。ばねは、好ましくは、弁部材が内孔から外方向に移動させられて着座領域から離れる、装置の開放圧力を設定する。
【００１６】
着座部材は、装置筺体と一体的に形成されてよく、または装置筺体に固定式に取り付けられた別個の部分でもよい。
本発明は、選択的触媒還元の目的で内燃機関内の排気通路に試薬を送出することに使用するのに特に適しているが、燃焼機関における他の用途も有することができる。
【００１７】
次に本発明が、以下の図を参照して例としてのみ説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施形態の噴射装置の斜視図である。
【図２】図１の噴射装置の部分を形成する着座構成要素の断面図である。
【図３】図１の噴射装置に使用するための代替的な着座構成要素の断面図である。
【図４】図１の噴射装置に使用するための代替的な着座構成要素の断面図である。
【図５】図１の噴射装置に使用するための代替的な着座構成要素の断面図である。
【図６】図１の噴射装置に使用するための代替的な着座構成要素の断面図である。
【図７】図１の噴射装置に使用するための代替的な着座構成要素の断面図である。
【図８】図１の噴射装置に使用するための代替的な着座構成要素の断面図である。
【図９】図８の着座構成要素の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１は、ＳＣＲ投入システムの排気通路内に尿素溶液などの試薬を送出するのに使用するための噴射装置を示す。ＳＣＲ投入システムは、圧縮点火内燃機関に使用される種類のものであり、試薬を排気流中に送出し、それによって（たとえば尿素源由来の）アンモニアを用いて酸化窒素（ＮＯｘ）の選択的触媒還元を実施する。
【００２０】
噴射装置は、着座構成要素または着座部材１０が固定式に中に受け入れられる装置筺体（図示されず）を含む。着座構成要素１０には、装置の弁部材１４が中に受け入れられる内孔１２が設けられる。内孔１２は、円筒状、円錐状、および／または球状の部分から構成される。装置１０は、（図２に示されるように）その長さに沿った軸Ａを有する。
【００２１】
着座構成要素１０は、第１の噴射端部１６を有し、その近傍において尿素は装置から出射して排気通路内に入る。着座構成要素の第２の上側端部１８は、噴射端部１６から遠隔にあり、ばね２２用の第１の当接表面２０を画定する。弁部材１４は、その長さに沿って段付けされて、２つの別個の領域、すなわち着座構成要素の噴射端部１６と協働する（以下でさらに詳細に説明されるような）拡大された直径の下側領域と、上昇停止部材１５内に圧入式に受け入れられるステム１４ａを形成する低減された直径の上側領域とを画定する。上昇停止部材１５は、その上側端部に近い段部２４の形態のばね２２用の第２の当接表面と、ばね２２用の第１の当接表面２０と係合することによって弁部材１４の開放移動の最大限を限定する上昇停止要素２６とを画定する。第１と第２の当接表面２０、２４の間に係合されているばね２２は、知られている方法で、またたとえば本出願人の欧州特許第１８７８８８７号において説明されるように、装置用の開放圧力を設定する。
【００２２】
図２で最も明確に見られ得るように、着座構成要素１０の噴射端部１６において、内孔１２は、図示する実施形態では、略円錐形態のものである着座領域３０を画定する。別の実施形態（図示されず）では、内孔の着座領域は、円錐形態のものである必要はなく、装置の軸の周りで回転対称を有する別の形状（たとえば球形状または丸み付けされた（radiussed）形状）でよい。類似の方法では、弁部材１４は、着座領域３０と係合するその領域では円錐形態のものである必要はなく、これもまた装置の軸の周りで回転対称を有する、着座領域に相補的な形状のものでよい。
【００２３】
弁部材の略円錐の着座表面１４ｂは、着座領域３０と係合可能であり、それによって装置から排気通路内への試薬の送出を制御する。円錐状に形成された着座表面間の係合は、弁部材１４が閉じられたときに構成要素間に正確な封止が存在することを確実にする。
【００２４】
着座領域３０の下流では、着座構成要素１０の内孔１２が流れ方向転換領域（flow re-directing region）３２を画定し、この流れ方向転換領域３２は、弁部材１４の外面と共に、弁部材が装置から外方向に移動されて着座領域３０から離れたときの試薬の噴霧進路（spray path）を画定する。図示される実施形態では、流れ方向転換領域３２は装置の軸Ａの周りで球状である、または代替の実施形態では、丸み付けされていてもよい。噴射装置から出現する噴霧パターンは図１に示され、参照番号３４によって特定される。
【００２５】
着座構成要素１０の端面３６には、溝３８の形態の要素が設けられ、この要素は、内孔１２の円周周りで２つの直径方向に対向する位置において流れ方向転換領域３２と交差する。溝３８および流れ方向転換領域３２の配置およびこれらが交差する方法の結果、装置から出る噴霧は着座構成要素１０の円周周りで、可変量だけ方向転換される。この結果、着座構成要素１０の円周周りで非円形の形状を有する噴霧パターン３４が生じる。図１および２に示される例では、出射する噴霧パターン３４は、軸Ａ周りで非円形の楕円断面を有し、すなわち軸Ａに対して垂直な第１の方向ではより大きい横断面を有するのに対して、第１の方向に対して垂直な第２の方向ではより小さい横断面を有する。
【００２６】
より詳細には、着座構成要素１０の端面内の溝３８は、溝のくぼみである底部領域３８ａと、端部表面３６で始まる上部領域３８ｂとを有する。溝３８は、溝の底部領域３８ａにおいて装置から出る噴霧が、着座領域３０の円錐角と類似の角度で出射し、一方で上部領域３８ｂにおいて溝から出射する噴霧が装置の軸Ａにより近くなるように方向転換されるように形成される。これは、図１に見られるように、扇形状のまたは略楕円様の外形を有する噴霧パターン３４をもたらし、このとき短軸Ｂは、垂直な長軸Ｃより小さい。
【００２７】
流れ方向転換領域３２が、図２に示されるように凹角（re-entrant）である場合、装置から出た噴霧の一部は、装置の前面の一点上に集められるように方向転換される。実際、この効果は、装置の出口直後の噴霧パターンが、楕円の噴霧形状をとり、出口に比較的近いが排気通路内にさらに入る噴霧は数字の８様の外形をとる。噴霧パターンは、Ｂ軸に沿った噴霧が排気通路内へとさらに収束するときにより楕円の噴霧形状に戻る。装置出口直後の噴霧パターン３４の楕円性質は、図１の図で明確に示される。
【００２８】
以下の図では、図１および２に示されるものに類似する部分は、同じ参照番号で特定される。
図３に示されるような代替の実施形態では、溝１３８はより小さい深さのものであり、より開いたおよびより浅い形態を有する（すなわち溝１３８の底部領域１３８ａは、溝の上部領域１３８ｂにより近い）。これは、短軸Ｂの寸法が増大される（および長軸Ｃに対する短軸Ｂの比が増大される）こと以外は、図１に示される楕円状の噴霧パターンに類似する特性を有する噴霧パターンをもたらす。
【００２９】
図１から３における着座構成要素１０の端面３６の溝付き形状は、特に、着座領域３０に近い、および着座領域３０から有意な距離を離したところの両方において均一な噴霧形成を与える。着座構成要素１０の端面３６の他の形状もまた企図される。たとえば、図４では、溝２３８は三角形のものであり、図５では溝３３８は湾曲状である。図６に示されるような別の代替の実施形態では、溝は隆起領域４３８と置き換えられる。隆起領域４３８は、その円周周りで角度のある表面４３８ａを有し、平坦な頂部（plateau）４３８ｂ内で終端する。
【００３０】
図１から３の実施形態は、着座領域３０の近くでは、噴霧パターンの円周周りで噴霧の均一な分布（体積密度）を生み出し、一方で着座構成要素１０から有意に離れたところでは、この溝の特定の形状によって改変されるのは、その噴霧方向である。
【００３１】
均一な分布が重要でなく、噴霧の垂直軸間の縦横比（aspect ratio）のみが重要である場合、噴霧の３つまたは４つの別個の位置（spot）が、図７に示されるように簡単な矩形溝５３８によって形成され得る。図７では、着座構成要素１０における溝５３８のすぐ隣の表面が、端部表面３６と面一であり、したがってその拡張部を効果的に形成することが理解されよう。
【００３２】
例として、通路内への噴霧点と触媒の間に排気通路の短い直線部が存在する場合、分布の性質は特に重要である。噴霧点を越えたところに下流側の混合器（すなわち排気流中に乱流を作り出す要素）および／もしくは長い排気通路セクションならびに／または噴霧点を越えたところに捩じられた通路が存在する場合、噴霧パターンの分布はそれほど重要ではないことがあるが、排気通路の壁上への噴霧を回避することは依然として重要になる。
【００３３】
着座構成要素１０の端部表面３６の形状は、グリル加工、フライス削りまたはワイヤ浸食などの知られている方法によって形成され得る。ＣＮＣ（コンピュータ数値制御）制御された機械などのより先進の技術では、端部表面３６の他の形状もまた可能である。図８および９は、端面１３６が２つの別個の領域、すなわち装置軸Ａに対して垂直である第１の領域１３６ａと、装置軸Ａに対して角度付けられた第２の領域１３６ｂとを含む例を示す。角度付けられた表面１３６ｂと端部表面の第１の領域１３６ａの間の交差部の円周は、図９に最も明確に見られ得るように、着座構成要素１０の内孔１２の円周周りの楕円経路を辿る。この実施形態では、着座構成要素１０の内孔１２および端面１３６の角度付けられた領域１３６ｂは、その円周周りの全点において鋭角である交差縁４０を画定し、それによって端面１３６上に形成される噴霧堆積物の機会が最小限に抑えられる。角度付けられた表面１３６ｂは、内孔１２の円周周りの直径方向に対向する位置では実質的に存在しなくなる。
【００３４】
図１から９を参照して説明された前述の実施形態の各々においては、着座構成要素１０の着座領域３０は、装置の軸の周りで回転対称である。同様に、着座領域３０と協働する弁部材１４の着座表面は、装置の軸の周りで回転対称である。この形状では、弁部材１４が内孔１２から外方向に移動されたときの着座領域３０と着座表面の間に生み出されるオリフィスまたは空隙もまた回転対称である。したがって、霧状の噴霧を発生させる速度（すなわち軸Ａに対する速度および角度）は、着座領域３０の円周周りの長さ全体に亘って同じである。その後、噴霧は、流れ方向転換領域３２を横切って下流側に移動するとき、装置から出る非円形の噴霧形態を生み出すように方向転換される。
【００３５】
したがって、弁部材１４の下流側に配置された流れ方向転換領域３２を用いることにより、着座領域３０または弁部材１４の着座表面を変更する必要なく、非円形噴霧が有利に生み出される。特に、着座領域３０および弁部材１４の着座表面の両方の回転対称が維持され、この回転対称は、円形の横断面が通常、機械切削／製作するのにより容易であることから、回転非対称を有する配置と比べて、これらの構成要素の製造を簡易化する。弁着座領域３０および弁部材１４の着座表面の回転対称はまた、弁部材１４が閉位置にあるときにそれらの間の良好な封止の形成を容易にする。
【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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【図９】
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