(57)【要約】  反応剤を注入するインジェクターは、ハウジング内に設けられた、電磁石と、軸方向に移動可能なバルブ部材とを含んでいる。上記バルブ部材は、上記電磁石に電流が印加されると、着座位置から非着座位置へ移動可能である。上記バルブ部材は、中空のチューブを含み、上記チューブは渦巻いた端部を含み、該渦巻いた端部は、ボールが部分的に上記チューブの端部を超えて延伸するが上記チューブを通過しないことを可能にするように縮小された直径を有している。上記チューブは、上記ボールの上記チューブ内での移動を制限する、内側に向かって延伸している戻り止めを含んでいる。ピントルヘッドは、上記チューブに固定されると共に、上記電磁石に近接して設けられている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応剤を注入するインジェクターであって、
ハウジングと、
上記ハウジング内に設けられた電磁石と、
上記ハウジング内に設けられた軸方向に移動可能なバルブ部材とを含み、
上記バルブ部材は、上記電磁石に電流が印加されると、着座位置から非着座位置へ移動させられ、上記バルブ部材は、中空のチューブ、ボール、及びピントルヘッドを含み、上記チューブは渦巻いた端部を含み、該渦巻いた端部は、上記ボールが部分的に上記チューブの端部を超えて延伸するが上記チューブを通過しないことを可能にするように縮小された直径を有し、上記チューブは、上記ボールの上記チューブ内での移動を制限する、内側に向かって延伸している戻り止めを含み、上記ピントルヘッドは、上記チューブに固定されると共に、上記電磁石に近接して設けられていることを特徴とするインジェクター。
【請求項２】
上記チューブは、直径が縮小された部分を有し、該部分は上記ピントルヘッドを介して延伸していることを特徴とする請求項１に記載のインジェクター。
【請求項３】
上記チューブが、上記チューブ上に上記ピントルヘッドを保持するように、上記ピントルヘッドに係合するフランジを含んでいることを特徴とする請求項２に記載のインジェクター。
【請求項４】
上記チューブが、上記ピントルヘッドの上記ボールへの移動を制限する止め部を含んでいることを特徴とする請求項３に記載のインジェクター。
【請求項５】
上記チューブが、上記戻り止めから周辺に離間した、内側に向かって延伸している他の戻り止めを含んでいることを特徴とする請求項１に記載のインジェクター。
【請求項６】
上記戻り止めが、上記チューブからモノリシックに形成されていることを特徴とする請求項１に記載のインジェクター。
【請求項７】
上記戻り止めが、上記ボールと直接的に接触する上記チューブの内面を有することを特徴とする請求項１に記載のインジェクター。
【請求項８】
上記チューブが、注入されなかった反応剤のリターン通路を提供することを特徴とする請求項１に記載のインジェクター。
【請求項９】
上記チューブが、反応剤の流路を提供するように、該チューブを介して延伸する複数の開口部を有することを特徴とする請求項８に記載のインジェクター。
【請求項１０】
上記の渦巻いた端部が、上記チューブの部分的に球状の内面を含んでいることを特徴とする請求項１に記載のインジェクター。
【請求項１１】
反応剤インジェクターを構成する方法であって、
第１端部と、その反対側の第２端部とを有する略円筒形状チューブを設けるステップと、
上記第１端部における上記チューブの内径を縮小するステップと、
上記第２端部において、ボールを上記チューブに挿入するステップと、
上記ボールを、直径が縮小された上記の第１端部において、上記チューブの内面に接触させることによって、上記ボールの一部が、上記第１端部を超えて上記チューブ外へ延伸するようにするステップと、
放射状に内側に向かって突出する戻り止めを形成するように、上記チューブを捲縮させ、これにより上記ボールの上記第２端部への移動を制限するステップと、
ピントルヘッドを上記チューブの第２端部に連結するステップとを含むことを特徴とする方法。
【請求項１２】
上記第２端部における上記チューブの直径を縮小させるステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
直径が縮小された上記の第２端部を上記ピントルヘッドにおける穴を介して延伸させるステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
上記ピントルヘッドを、上記チューブ上に形成された止め部に接触させるステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
上記止め部と接触している上記チューブのピントルヘッドを保持するように、上記チューブの第２端部にフランジを形成するステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
上記ピントルヘッドを上記チューブに圧入するステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
オリフィスプレートを上記ハウジングに連結するステップをさらに含み、上記オリフィスプレートがオリフィスを囲む弁座を含んでいることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１８】
上記オリフィスを通過しない反応剤のリターン通路を提供するように、上記チューブの壁を介して開口部を形成するステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
上記ボールを上記弁座に付勢して係合させるテップをさらに含んでいることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
〔技術分野〕
本発明の開示は、インジェクターシステム（injector system）に関連し、より具体的には、排気流に尿素水溶液等の反応剤を注入して、ディーゼルエンジンの排気からの窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出を減らすインジェクターシステムに関する。
【０００２】
〔背景技術〕
この項では、本開示に関連する背景技術情報について説明するが、それらは必ずしも公知技術であるとは限らない。リーン・バーン・エンジンは、過剰の酸素、つまり利用可能な燃料を完全に燃焼するために必要とする酸素量よりも多い大量の酸素で動作することによって、より一層の燃料効率を提供している。そのようなエンジンは、「希薄」状態で、または「希薄混合気」で動作すると言われる。しかし、非リーン・バーン燃焼とは対照的に、より一層の燃料節約または燃料節約の増進は、望まれていない汚染物質が特に窒素酸化物（ＮＯｘ）の形態で排出されることによって相殺されてしまう。
【０００３】
リーン・バーン内燃機関からのＮＯｘの排出を減らすために用いられる方法の一つとして、選択触媒還元（ＳＣＲ）が知られている。例えば、ディーゼルエンジンからのＮＯｘの排出を減らすために用いられる場合、ＳＣＲは、エンジン燃料流量によって計測される排気ガス温度、エンジン回転数、またはエンジン負荷、あるいはターボ・ブースト圧力またはＮＯｘ排気質量流量等のエンジン動作パラメーターのうち１つまたは複数が選択されたものに関連して、エンジンの排気流への噴霧反応剤の注入を必要とする。反応剤／排気ガス混合物は、触媒を含むリアクター（reactor）を通過する。この触媒としては、活性炭や複数の金属等が挙げられる。これら複数の金属としては、反応剤存在下でＮＯｘ濃度を下げることができるプラチナ、バナジウム、タングステン等が挙げられる。
【０００４】
尿素水溶液は、ディーゼルエンジンにとって、ＳＣＲシステムにおける有効な反応剤であることが知られている。しかしながら、そのような尿素水溶液を使用することによって不利益が生じることがある。尿素は腐食性が高く、ＳＣＲシステムの機構部品（尿素混合物を排気ガス流路に注入するために用いるインジェクター等）に悪影響を及ぼすことがある。尿素は、高温（ディーゼル排気システムにおいて直面する熱等）に長時間さらされると凝固することがある。凝固した尿素は、インジェクターに通常見られる狭い通路、および出射用オリフィス（orifice）開口部に蓄積してしまう。凝固した尿素は、インジェクターの可動部に付着物を付着させ、開口部または尿素の流動通路を塞いでしまうことがあり、その結果、インジェクターが使用できなくなる。
【０００５】
反応剤注入システムには、凝固を最小限にするために尿素水溶液が連続的にポンプで注入されると共に、離れた場所に貯蔵された尿素水溶液にインジェクターからの熱を移動させるように、ポンプと、供給配管と、戻り配管とを含む構成を有しているものがある。インジェクターには、注入されなかった反応剤用のリターン流路を提供するために中空のチューブを含む複数の可動部材を備えているものがある。上記のような中空のチューブは、弁座に係合する円錐形状の端部を有する複数の弁体に溶接されてもよい。上記の弁体は、概して、高合金金属から構成される複合部品である。上記弁体に上記チューブを固定するためには、比較的高価な電子ビームまたはレーザ溶接が必要とされることがある。これまで、比較的複雑なインジェクターバルブ部材は適切に機能してきたが、これらの部品は、相対的に、高価で、複雑で、かなり大きなものになってしまうことがある。したがって、改良したピントルアセンブリ（pintle assembly）を有する反応剤インジェクターを含む改良型インジェクターシステムを提供することが望ましい。
【０００６】
〔概要〕
この項では、本開示の一般的な概要を示すが、その全ての範囲または全ての特徴を包括的に開示するものではない。
【０００７】
反応剤を注入するインジェクターは、ハウジング内に設けられた、電磁石と、軸方向に移動可能なバルブ部材とを含んでいる。上記バルブ部材は、上記電磁石に電流が印加されると、着座位置から非着座位置へ移動可能である。上記バルブ部材は、中空のチューブを含み、上記チューブは渦巻いた端部を含み、該渦巻いた端部は、ボールが部分的に上記チューブの端部を超えて延伸するが上記チューブを通過しないことを可能にするように縮小された直径を有している。上記チューブは、上記ボールの上記チューブ内での移動を制限する、内側に向かって延伸している戻り止めを含んでいる。ピントルヘッドは、上記チューブに固定されると共に、上記電磁石に近接して設けられている。
【０００８】
反応剤インジェクターを構成する方法であって、第１端部と、その反対側の第２端部とを有する略円筒形状チューブを設けるステップを含んでいる。上記第１端部における上記チューブの内径を縮小する。上記第２端部において、ボールを上記チューブに挿入する。上記ボールを、直径が縮小された上記の第１端部において、上記チューブの内面に接触させることによって、上記ボールの一部が、上記第１端部を超えて上記チューブ外へ延伸するようにする。放射状に内側に向かって突出する戻り止めを形成するように、上記チューブを捲縮させ、これにより上記ボールの上記第２端部への移動を制限する。ピントルヘッドを上記チューブの第２端部に連結する。
【０００９】
適用可能な更なる領域は、本明細書で開示する説明によって明らかになるであろう。この欄に示した説明および特定の実施例は、説明のためのものであり、本開示の範囲を制限することを意図したものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
本明細書に示される図面は、全ての実施可能例を示すものではなく、選択された実施形態を示すことのみを目的とし、本開示の範囲を限定することを意図したものではない。
【００１１】
図１は、本開示の教示に基づいて構成された電磁制御式反応剤インジェクターを含む排気後処理システムの例を模式的に示した図である。
【００１２】
図２は、本開示の教示に基づいて構成された反応剤インジェクターの斜視図である。
【００１３】
図３は、上記インジェクターの断面図である。
【００１４】
図４は、上記インジェクターの分解断面図である。
【００１５】
図５は、上記インジェクターの断片的な部分分解斜視図である。
【００１６】
図６は、上記インジェクターのバルブ部材の断面斜視図である。
【００１７】
図７は、上記インジェクターの拡大断片断面図である。
【００１８】
これら各図を通して、同じ符号は同じ部材を示している。
【００１９】
〔詳細な説明〕
実施形態の幾つかの例について、添付図面を参照しながらより詳細に説明する。
【００２０】
本教示は、ディーゼルエンジンおよびＮＯｘの排出削減に関連して記載されているようにみえるが、本教示は、多くの排気流路のいずれの１つに関連して使用されてもよいことが理解されるべきである。該排気流路の例としては、ディーゼル、ガソリン、タービン、燃料電池、ジェット、または排出流を排出するその他のエネルギー源等からの排気流が挙げられるが、これらに限定されるわけではない。さらに、本教示は、多数の望ましくない排ガスのうちのいずれか１つの削減に関連して使用されてもよい。例えば、ディーゼル微粒子フィルタ再生のための炭化水素の注入再生も本教示の範囲に含まれる。その他の記述に関しては、参照によって本教示に組み込まれている、「霧化流体を注入する方法および装置」という名称の、本発明の譲渡人に譲渡された米国特許第８，０４７，４５２号（発行日：２０１１年、１１月１日）に注意が向けられるべきである。
【００２１】
複数の図面に関しては、ディーゼルエンジン２１の排気ガスからＮＯｘの排出を削減するための汚染制御システム８が設けられている。図１では、システムの要素間の実線は反応剤の流体管路を示しており、破線は電気的接続を示している。本教示のシステムは、反応剤を収容するための反応剤タンク１０と、タンク１０から反応剤を供給するための供給モジュール１２とを含んでいてもよい。上記反応剤としては、尿素水溶液、炭化水素、アルキルエステル、アルコール、有機化合物、水、及び、それらの混合物またはそれらを組み合わせたもの等が挙げられる。１つ以上の反応剤をシステムで使用してもよく、この場合、１つ以上の反応剤を単独または組み合わせて用いてもよいということも理解されるべきである。上記のタンク１０と供給モジュール１２は、一体化した反応剤タンク／供給モジュールを形成するものであってもよい。システム８の一部として、電子注入コントローラー１４、反応剤インジェクター１６、および排気システム１８が更に設けられている。排気システム１８は、少なくとも１つの触媒層１７に排気流を供給する排気導管１９を含んでいる。
【００２２】
供給モジュール１２は、供給配管９を介してタンク１０から反応剤を供給するポンプを備えていてもよい。反応剤タンク１０の材質としては、ポリプロピレン、エポキシ塗装炭素鋼、ＰＶＣ、及びステンレス等が挙げられる。反応剤タンク１０は、用途（たとえば、車両の大きさ、該車両の使用目的等）に応じてサイズを決めればよい。圧力調整弁（不図示）を設けて、システムを所定の圧力設定値（例えば、比較的低圧力の約６０〜８０ｐｓｉ、または、いくつかの実施形態では約６０〜１５０ｐｓｉの圧力）で維持するようにしてもよい。上記圧力調整弁を、反応剤インジェクター１６からの戻り配管３５内に設けてもよい。反応剤インジェクター１６に導く供給配管９内に圧力センサーを設けてもよい。本システムは、凝固した反応剤を融解するため、または反応剤が凝固するのを防ぐための種々の凝固防止の方策が更に組み込まれていてもよい。システムが作動している間、インジェクターが排気ガス中に反応剤を放出しているか否かに関わらず、反応剤を冷却すると共に反応剤の滞留時間を最小にして反応剤を冷たい状態に維持するために、インジェクター内の反応剤をタンク１０と反応剤インジェクター１６との間で連続的に循環させてもよい。エンジン排気システム内で到達するであろう３００℃〜６５０℃の高温にさらされると凝固する傾向にある温度に敏感な反応剤（尿素水溶液など）に対しては、連続的に反応剤を循環させることが必要なこともある。
【００２３】
さらに、反応剤の混合物を１４０℃未満、好ましくはより低い動作範囲である５℃〜９５℃に保ち、反応剤の凝固を確実に防ぐことが望ましい。凝固した反応剤が形成されてしまった場合、インジェクターの可動部および開口部が汚染されてしまうことがある。
【００２４】
求められる反応剤の量は、負荷、排気ガス温度、排気ガス流量、エンジンへの燃料注入のタイミング、所望のＮＯｘ削減量、気圧、相対湿度、ＥＧＲ率、およびエンジンの冷却水温度に応じて変化することがある。ＮＯｘセンサーまたはメーター２５が触媒層１７の下流に設けられる。ＮＯｘセンサー２５は、排気ガスＮＯｘの含有量を示す信号をエンジン制御ユニット２７に出力するように動作可能である。エンジン制御ユニット２７からエンジン／車両データバスを介して、エンジン動作パラメーターの全て、または一部が反応剤電子注入コントローラー１４に供給されてもよい。反応剤電子注入コントローラー１４は、エンジン制御ユニット２７の一部として含まれてもよい。排気ガス温度、排気ガス流量、排気背圧、および他の車両動作パラメーターは、それぞれのセンサーによって計測されるようにしてもよい。
【００２５】
ここで、図２〜図７を参照し、反応剤インジェクター１００について更に説明する。反応剤インジェクター１００は、上部１０２ａと下部１０２ｂとを有するインジェクター本体１０２を含んでいる。フラックスフレーム（flux frame）１０４は、上部１０２ａと下部１０２ｂとを互いに連結する。シール１０６は、上部と下部との界面に設けられている。下部１０２ｂは、保持溝１０９においてフラックスフレーム１０４に捲縮された可変形部１０８を含んでいてもよい。
【００２６】
電磁石アセンブリ１１０は、各図に示されているように、上部１０２ａ内に設けられている。電磁石アセンブリ１１０は、ボビン１１４に巻かれた電線コイル１１２を含んでいる。フラックスフレーム１０４は、ボビン１１４に隣接する端部壁１１６と、電磁石アセンブリ１１０を囲む円筒壁１１８とを含んでいる。
【００２７】
ポールピース（pole piece）１２２は、上部１０２ａの穴１２４内に収容されている。ポールピース１２２は、ボビン１１４を介して延伸している。穴１２８は、ポールピース１２２を介して延伸しており、注入された反応剤のリターン流路を提供する（下記により詳細に記載する）。シール１３０は、上部１０２ａとポールピース１２２との間に設けられている。オリフィス（orifice）１３２は、穴１２８を通る反応剤の流速を制限するように、当該穴１２８内に設けられている。
【００２８】
バルブ部材１３８は、下部１０２ｂを介して延伸する穴１４０内に摺動可能に設けられている。バルブ部材１３８は、ステンレス鋼円筒形チューブ１４２等を含む細長いピントル（pintle）として構成されている。硬化鋼ボール１４４はチューブ１４２の端部１４６に固定されている。ボール１４４は、オリフィスプレート（orifice plate）１５０に設けられている弁座１４８と選択的に係合可能である。オリフィスプレート１５０は、下部１０２ｂの窪み１５２と連結され、該窪み１５２内に保持されてもよい。オリフィスプレート１５０はオリフィス１５４を含んでおり、バルブ部材１３８がその着座位置から移動した時に、加圧反応剤が当該オリフィス１５４を貫流する。バルブ部材１３８が、着座位置または閉鎖位置にある時、ボール１４４は、反応剤がオリフィス１５４を通過しないように、弁座１４８に封孔係合（sealingly engage）する。バネ１５６は、バルブ部材１３８を着座位置に動かすように、ポールピース１２２の穴１２８内に設けられている。バルブ部材１３８は、ボール１４４が弁座１４８から離間する非着座位置（開放位置）（unseated, open position）に移動可能である。弁座１４８はオリフィス１５４を取り囲んでおり、その形状は円錐形または円錐状であってもよい。
【００２９】
ピントルヘッド（pintle head）１５８は、端部１４６の反対側にある、チューブ１４２の端部１５９に固定されている。ピントルヘッド１５８は、ポールピース１２２内に形成された座ぐり部（counterbore）１６０内に摺動可能に設けられている。ピントルヘッド１５８と座ぐり部１６０との間の可動滑合（running-class fit）によって、バルブ部材１３８の軸方向への移動のためのガイドを提供する。バルブ部材１３８と弁座１４８を一直線上に並べるための他のガイドを提供するように、チューブ１４２と穴１４０との間に他の可動滑合が存在してもよい。ピントルヘッド１５８は、磁気金属シートから打ち抜いたものであってもよい。
【００３０】
バルブ部材１３８は、略直線の壁付の円筒形チューブから始めることによって、迅速にかつ経済的に作られてもよい。チューブ１４２の端部１４６は、チューブの壁を放射状に内側へ捲縮するように、機械的に変形されている。この処理工程によって、チューブ１４２の内径が局所的に縮小する。この新たに縮小された内径は、ボール１４４の球面が弁座１４８に接触するように、（ｉ）ボール１４４の一部が端部１４６を超えて延伸するようにすると共に、（ｉｉ）ボール１４４が上記内径を通過しない大きさになっている。
【００３１】
チューブ１４２の端部１４６が捲縮された後、ボール１４４は、端部１５９からチューブ１４２に挿入される。ボール１４４は、チューブ１４２の内側の一部が球状の面１６８に接触させられる。この時、チューブ１４２は、捲縮処理においてさらに機械的に変形される。なお、上記の捲縮処理においては、周辺に離間した複数の戻り止め１７０が、内側へ突出してボール１４４に接触する。捲縮処理が完了した後、ボール１４４は、湾曲面１６８と戻り止め１７０との間の固定位置に保持される。この処理は、溶接等を含む他の機械的締結処理に関するコストを抑えると共に、該機械的締結処理に関して起こり得る問題を回避するものである。
【００３２】
バルブ部材１３８の製造工程を継続するために、チューブ１４２の部分１７４を狭めて、直径を小さくしている。チューブ１４２は、全長が所定の長さになるように切断される。ピントルヘッド１５８は、部分１７４上に設けられていると共に、止め部１８２と係合するように設けられている。上記の止め部１８２は、縮小された直径を有する部分１７４と、元の大きい外径を有するチューブ１４２の隣接部分との変わり目に位置する。ピントルヘッド１５８を介して延伸する穴１８４は、縮小された直径を有する部分１７４に圧入工法を用いて係合するような大きさにしてもよい。ピントルヘッド１５８がチューブ１４２に取り付けられた後、直径が拡大されたフランジ（flange）１８６が設けられるように、チューブ１４２の端部１５９は、広げられたり、捲縮されたり、あるいは機械的に変形されたりする。これにより、止め部１８２とフランジ１８６との間にピントルヘッド１５８が捕捉される。ピントルヘッド１５８は、フランジ１８６を収容するための凹部１８７を有していてもよい。放射状に広がる複数の開口部１８８が、チューブ１４２を貫通して開けられている。開口部１８８は、下部１０２ｂに設けられたリザーバ（reservoir）１９２と連通する位置に軸方向に設けられている。
【００３３】
インレットチューブ（inlet tube）１９４は、下部１０２ｂに固定されていると共に、加圧反応剤がインジェクター１００に入るための通路を提供している。フィルター１９５がインレットチューブ１９４内に設けられている。通路１９６が下部１０２ｂを介して延伸しており、これにより、インレットチューブ１９４から供給される加圧反応材が、オリフィスプレート１５０の複数のスロット１９８と連通するように配置される。バルブ部材１３８が開放位置にあるときに、スロット１９８は、加圧反応剤を旋回させて当該加圧反応剤をオリフィス１５４から流出させる。通路１９６は、通路２０２と連通し、この通路２０２は、リザーバ１９２と連通している。このように、オリフィス１５４から流出されない加圧反応剤のためのリターン流路が設けられる。詳細には、反応剤は、インレットチューブ１９４、通路１９６、通路２０２、リザーバ１９２、および複数の開口部１８８を貫流してチューブ１４２に入る。加圧反応剤は、チューブ１４２、穴１２８、オリフィス１３２を貫流し、アウトレット２０４を通ってインジェクター１００から流出する。
【００３４】
上部１０２ａのレセプタ２１０は、コイル１１２と電気的に接続される端子２１２を含んでいる。コイル１１２に電流が流れると、磁場が発生する。ピントルヘッド１５８は、ポールピース１２２に向かって引っ張られ、これにより、バルブ部材１３８が着座位置から非着座位置（開放位置）に移動する。加圧流体が、排気導管１９に注入される。
【００３５】
上述した軽量かつ容易に製造可能なバルブ部材を、各図面に描かれたインジェクターと異なる構成を有するその他のインジェクターを何個使用してもよいことは理解されるべきである。上述した製造上の利点に加えて、捲縮ピントルを含むバルブ部材は、本発明に係るボール保持法に鑑み、直径が縮小されたチューブの利用を促進し得る。バルブ部材がその内部を摺動する当該バルブ部材に対応する穴は、また、インジェクターアセンブリもまた小型化および軽量化されるように、その穴の大きさを小さくしてもよい。
【００３６】
さらに、上記の記述は、本開示の例示的な実施形態を開示および記載しているにすぎない。当業者であれば、そのような記載、および添付の図面および請求項から、下記の請求項において規定される本開示の精神および範囲から逸脱しない範囲で、種々の変形、修正、変更を加えてもよいことを容易に理解するだろう。
【図１】
2015529299.tif 000003
【図２】
2015529299.tif 000004
【図３】
2015529299.tif 000005
【図４】
2015529299.tif 000006
【図５】
2015529299.tif 000007
【図６】
2015529299.tif 000008
【図７】
2015529299.tif 000009
【国際調査報告】
2015529299.tif 000010
2015529299.tif 000011