(57)【要約】【課題】内燃機関の尿素水噴射装置の噴射孔における、尿素水由来の白色生成物の生成を抑制することができる内燃機関の尿素水噴射システム、内燃機関及び内燃機関の尿素水噴射方法を提供する。【解決手段】内燃機関１０の排気通路１３に尿素水Ｕを噴射する内燃機関の尿素水噴射システム１において、二流体噴射ノズル３０で尿素水Ｕと空気Ａｐを混合せずに別々に噴射すると共に、二流体噴射ノズル３０が、尿素水流路３０ａから噴射される尿素水Ｕが空気流路３０ｂから噴射される空気Ａｐで囲まれた状態で、二流体噴射ノズル３０の外部に面した噴孔開口部３０ｃを通過して、尿素水Ｕが噴孔開口部３０ｃに触れることなく、外部に噴射されるように構成される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に尿素水を噴射する内燃機関の尿素水噴射システムにおいて、
二流体噴射ノズルで尿素水と空気を混合せずに別々に噴射すると共に、
前記二流体噴射ノズルが、
尿素水流路から噴射される尿素水が空気流路から噴射される空気で囲まれた状態で、前記二流体噴射ノズルの外部に面した噴孔開口部を通過して、尿素水が前記噴孔開口部に触れることなく、外部に噴射されるように構成されたことを特徴とする内燃機関の尿素水噴射システム。
【請求項２】
前記二流体噴射ノズルが、
前記噴孔開口部における空気の噴射方向が、前記噴孔開口部における尿素水の噴射方向と平行になるように構成されて、前記尿素水流路から噴射された尿素水が前記空気流路から噴射された円筒状の空気で取り囲まれた状態で、尿素水と空気を前記噴孔開口部の外部まで移動させるように構成された請求項１に記載の内燃機関の尿素水噴射システム。
【請求項３】
前記二流体噴射ノズルが、
前記噴孔開口部における空気の噴射方向が、前記噴孔開口部における尿素水の噴射方向と、前記噴孔開口部の外部の位置で交差するように構成して、前記尿素水流路から噴射された尿素水が前記空気流路から噴射された逆円錐状の空気で取り囲まれた状態で、尿素水と空気を前記噴孔開口部の外部まで移動させるように構成された請求項１に記載の内燃機関の尿素水噴射システム。
【請求項４】
当該尿素水噴射システムを制御する制御装置が、
内燃機関が運転状態にあるときに、前記二流体噴射ノズルからの尿素水の噴射の有無にかかわらず、前記二流体噴射ノズルに常時空気を供給する制御を行うように構成される請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関の尿素水噴射システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の内燃機関の尿素水噴射システムを備えて構成される内燃機関。
【請求項６】
内燃機関の排気通路に尿素水を噴射する内燃機関の尿素水噴射方法において、
二流体噴射ノズルで尿素水と空気を混合せずに別々に噴射すると共に、
尿素水流路から噴射される尿素水が空気流路から噴射される空気で囲まれた状態で、前記二流体噴射ノズルの外部に面した噴孔開口部を通過して、尿素水が前記噴孔開口部に触れることなく、外部に噴射されることを特徴とする内燃機関の尿素水噴射方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の尿素水噴射装置の噴射孔における、尿素水由来の白色生成物の生成及び堆積を抑制することができる内燃機関の尿素水噴射システム、内燃機関及び内燃機関の尿素水噴射方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、内燃機関の排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する排気ガス浄化装置に、選択還元型触媒装置（ＳＣＲ触媒装置）を用いた場合には、選択還元型触媒装置へのＮＯｘの還元剤としてのアンモニアを供給するために排気ガス中に尿素水が供給される。この場合に、この尿素水の供給は、尿素水タンクに貯留した尿素水を尿素水供給装置により吸い出して、この吸い出した尿素水を、排気通路に設けた尿素水噴射ノズルから、排気通路を通過する排気ガス中に直接を噴射している。
【０００３】
しかしながら、尿素水噴射ノズルを尿素水のみを噴射する一流体式ノズルで構成した場合には、この尿素水噴射ノズルの噴孔部に尿素水の液ダレが発生し、排気通路に面した噴孔部で高温の排気ガスに触れて結晶化して白色生成物（尿素結晶）が生成し、噴孔部に堆積する。この問題は、尿素水噴射ノズルを、アトマイザと呼ばれる混合器で空気と尿素水を混合した状態でノズル内に入れて、噴孔部から噴射する二流体式ノズルで構成した場合でも、尿素水が噴孔部に接触するため、一流体式ノズルと同様に尿素水の液ダレが発生するため、噴孔部で白色生成物の生成及び堆積が発生する。そして、この噴孔部における白色生成物の堆積が進むと、尿素水の噴射量の流量制御に支障がでるという問題がある。
【０００４】
これに関連して、尿素水流路と気体流路とが構成され、尿素水と気体とが混合されて噴射口から噴射される尿素水噴射ノズルであって、当該尿素水噴射ノズルの側面に沿って尿素水の噴射方向と同一の方向に気体が吐出されるように側面吐出口が構成され、当該側面吐出口と気体流路とが分岐流路によって連通させる尿素水噴射ノズルが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この尿素水噴射ノズルでは、ノズル内で空気と混合された状態で尿素水が噴射されているため、ノズルの出口部分に尿素水が接触するので、排気ガスのよって昇温したノズルの出口部分に尿素水が触れて尿素水が結晶化するので、白色生成物（尿素結晶）の堆積を防止するのは難しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−００５７４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関の尿素水噴射ノズルの噴孔開口部における、尿素水由来の白色生成物の生成及び堆積を抑制することができて、尿素水の噴射量の流量制御を確実に行うことができる内燃機関の尿素水噴射システム、内燃機関及び内燃機関の尿素水噴射方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するための本発明の内燃機関の尿素水噴射システムは、内燃機関の排気通路に尿素水を噴射する内燃機関の尿素水噴射システムにおいて、二流体噴射ノズルで尿素水と空気を混合せずに別々に噴射すると共に、前記二流体噴射ノズルが、尿素水流路から噴射される尿素水が空気流路から噴射される空気で囲まれた状態で、前記二流体噴射ノズルの外部に面した噴孔開口部を通過して、尿素水が前記噴孔開口部に触れることなく、外部に噴射されるように構成される。
【０００８】
この構成によれば、尿素水流路から噴射される尿素水が空気流路から噴射される空気で囲まれた状態で、前記二流体噴射ノズルの外部に面した噴孔開口部を通過して、尿素水が前記噴孔開口部に触れることなく、外部に噴射されるので、すなわち、噴射された空気流を利用して、尿素水が噴孔開口部に付着しないように空気で包み込んで尿素水を移動させて、開口部の先の外部で混合するので、噴孔開口部に尿素水を接触させない。そのため、噴孔開口部における液ダレを防止することができ、尿素水由来の白色生成物の生成及び堆積を抑制することができる。従って、尿素水の噴射量の流量制御を確実に行うことができるようになる。
【０００９】
上記の内燃機関の尿素水噴射システムにおいて、前記二流体噴射ノズルが、前記噴孔開口部における空気の噴射方向が、前記噴孔開口部における尿素水の噴射方向と平行になるように構成されて、前記尿素水流路から噴射された尿素水が前記空気流路から噴射された円筒状の空気で取り囲まれた状態で、尿素水と空気を前記噴孔開口部の外部まで移動させるように構成されると、これにより、非常に簡単な構成で、尿素水を空気で囲まれた状態で噴孔開口部を通過して、尿素水が噴孔開口部に触れることなく、外部に噴射することができる。
【００１０】
あるいは、上記の内燃機関の尿素水噴射システムにおいて、前記二流体噴射ノズルが、前記噴孔開口部における空気の噴射方向が、前記噴孔開口部における尿素水の噴射方向と、前記噴孔開口部の外部の位置で交差するように構成して、前記尿素水流路から噴射された尿素水が前記空気流路から噴射された逆円錐状の空気で取り囲まれた状態で、尿素水と空気を前記噴孔開口部の外部まで移動させるように構成されると、これにより、非常に簡単な構成で、尿素水を空気で囲まれた状態で噴孔開口部を通過して、尿素水が噴孔開口部に触れることなく、外部に噴射することができる。
【００１１】
この場合に、空気の噴射方向と尿素水の噴射方向が交叉する位置は、空気と混合した時に尿素水が噴孔開口部に戻るおそれがないように、噴孔開口部からある程度離れた位置とすることが好ましく、例えば、噴孔開口部の直径の１０倍以上離れていることが好ましい。
【００１２】
また、上記の内燃機関の尿素水噴射システムにおいて、当該尿素水噴射システムを制御する制御装置が、内燃機関が運転状態にあるときに、前記二流体噴射ノズルからの尿素水の噴射の有無にかかわらず、前記二流体噴射ノズルに常時空気を供給する制御を行うように構成される。
【００１３】
この構成によれば、エンジンが運転状態にあるときに、即ち、エンジンが停止していないときに、この二流体噴射ノズルに常時空気を供給することで、尿素水流路に残留した尿素水が噴孔開口部に触れないように、尿素水を噴孔開口部の外部へ吹き飛ばすことができるので、噴孔開口部における尿素水由来の白色生成物の生成及び堆積をより抑制することができる。
【００１４】
また、上記の目的を達成するための本発明の内燃機関は、上記の内燃機関の尿素水噴射システムを備えて構成され、上記の内燃機関の尿素水噴射システムと同様の効果を奏することができる。
【００１５】
そして、上記の目的を達成するための本発明の内燃機関の尿素水噴射方法は、内燃機関の排気通路に尿素水を噴射する内燃機関の尿素水噴射方法において、二流体噴射ノズルで尿素水と空気を混合せずに別々に噴射すると共に、尿素水流路から噴射される尿素水が空気流路から噴射される空気で囲まれた状態で、前記二流体噴射ノズルの外部に面した噴孔開口部を通過して、尿素水が前記噴孔開口部に触れることなく、外部に噴射されることを特徴とする方法である。
【００１６】
この方法によれば、尿素水流路から噴射される尿素水が空気流路から噴射される空気で囲まれた状態で、前記二流体噴射ノズルの外部に面した噴孔開口部を通過して、尿素水が前記噴孔開口部に触れることなく、外部に噴射されるので、すなわち、噴射された空気流を利用して、尿素水が噴孔開口部に付着しないように空気で包み込んで尿素水を移動させて、開口部の先の外部で混合するので、噴孔開口部に尿素水を接触させないので、噴孔開口部における液ダレを防止することができ、尿素水由来の白色生成物の生成及び堆積を抑制することができる。従って、尿素水の噴射量の流量制御を確実に行うことができるようになる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の内燃機関の尿素水噴射システム、内燃機関及び内燃機関の尿素水噴射方法によれば、内燃機関の尿素水噴射ノズルの噴孔開口部における、尿素水由来の白色生成物の生成及び堆積を抑制することができて、尿素水の噴射量の流量制御を確実に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る実施の形態の内燃機関の尿素水噴射システムの構成を模式的に示す図である。
【図２】二流体噴射ノズルの構成の一例を模式的に示す図であり、空気の噴射方向を、尿素水の噴射方向と平行にした場合を示す図である。
【図３】二流体噴射装置のノズルの他の例を模式的に示す図であり、空気の噴射方向を、尿素水の噴射方向と逆円錐形状にした場合を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関の尿素水噴射システム、内燃機関及び内燃機関の尿素水噴射方法について図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態の内燃機関は、この実施の形態の内燃機関の尿素水噴射ノズルの冷却システムを備えて構成され、この内燃機関の尿素水噴射ノズルの冷却システムと同様の効果を奏することができる。
【００２０】
最初に、図１を参照しながら、この実施の形態の内燃機関の浄化液噴射システム１が配置されるエンジン（内燃機関）１０について説明する。このエンジン１０では、外部から導入された新気Ａは、ターボチャージャ１４のコンプレッサ１４ｂにより加圧され、必要に応じて、ＥＧＲ通路（図示しない）から吸気通路１２に流入する排気ガス（ＥＧＲガス）を伴って、エンジン本体１１の気筒に送られる。また、この気筒で発生した排気ガスＧは、排気通路１３に流出し、その一部はＥＧＲ通路にＥＧＲガスとして流れ、残りの排気ガスＧは、タービン１４ａを経由してから、排気ガス浄化装置２０に流入して、浄化された後、浄化された排気ガスＧｃとしてマフラー（図示しない）を経由して大気中へ放出される。この排気ガス浄化装置２０は、この図１の構成では、酸化触媒装置（ＤＯＣ）２１、微粒子捕集装置２２、選択還元型触媒装置（ＳＣＲ）２３等で構成される。
【００２１】
選択還元型触媒装置２３の上流側に配設された尿素水噴射ノズル３０は、ＮＯｘ還元用の尿素水Ｕを排気通路１３内に噴射する装置であり、噴射された尿素水Ｕは分解してアンモニアを生成し、このアンモニアを用いて選択還元型触媒装置２３で排気ガスＧ中のＮＯｘを水と窒素に還元して無害化する。
【００２２】
また、酸化触媒装置２１の上流側に配設された燃料噴射ノズル２４は、軽油（未燃燃料Ｆｓを排気通路１３内に噴射する装置であり、微粒子捕集装置２２の再生処理時に、排気通路１３内に軽油Ｆｓを噴射し、酸化触媒装置２１で酸化された軽油Ｆｓの酸化熱により排気ガスＧを昇温して微粒子捕集装置２２をＰＭ燃焼可能な温度域まで昇温させて捕集されたＰＭを燃焼除去する役割を持っている。
【００２３】
そして、この内燃機関の浄化液噴射システム１では、この尿素水噴射ノズル（浄化液噴射ノズル）３０を、二流体噴射ノズルで構成する。図２及び図３に示すように、この二流体噴射ノズル３０は、尿素水供給システム（浄化液供給システム）で供給される尿素水（浄化液）Ｕと空気供給システムで供給される空気Ａｐとを混合して、この混合流体Ｍを噴射する。
【００２４】
この尿素水噴射ノズル３０に二流体混合噴射ノズルを用いると、排気通路１３に尿素水Ｕを噴射するときに、空気Ａｐにより尿素水Ｕを吸い出しながら噴射するので、尿素水Ｕの噴霧圧力Ｐｕを例えば９００ｋＰａ（９ｂａｒ）のような高圧にする必要が無くなり、尿素水Ｕの供給圧力Ｐｕを例えば２００ｋＰａ（２ｂａｒ）程度以下まで低下させることができる。また、加圧された空気Ａｐとの混合により、尿素水Ｕの噴射粒径を微小化することができる。
【００２５】
そして、尿素水供給装置３１としてソレノイド制御ポンプを使用して、尿素水Ｕを尿素水タンク３２から尿素水供給経路３３を経由して、尿素水噴射ノズル３０に供給する。つまり、ソレノイド制御ポンプ３１で、排気通路１３に尿素水Ｕを噴射するときのみ、尿素水Ｕを尿素水噴射ノズル３０に供給する。また、空気供給システムで、エアポンプ（空気供給装置）３４を使用して、空気Ａｐをエアタンク（図示しない）等から空気供給経路３５を経由して尿素水噴射ノズル３０に供給する。
【００２６】
なお、尿素水供給装置３１としてソレノイド制御ポンプ３１ではなくても、二流体混合噴射ノズル３０とは別体の装置により、尿素水Ｕの供給と流量制御を行うことができればよいので、尿素水Ｕの供給には従来技術の尿素水ポンプを採用し、尿素水ポンプと二流体混合噴射ノズル３０の間の尿素水供給経路３３に、尿素水Ｕの流量制御を行う流量調整弁（図示しない）を別途設けてもよい。
【００２７】
また、このソレノイド制御ポンプ３１を使用せずに、圧力を加えて尿素水Ｕを貯蔵しておき、尿素水供給通路３３に設けた開閉弁（図示しない）をＯＮ／ＯＦＦして供給する方法もある。
【００２８】
しかしながら、ソレノイド制御ポンプ３１は、尿素水Ｕの供給のＯＮ／ＯＦＦの切り替えを迅速に行えると共に、尿素水Ｕを供給するときの圧力変動を少なくでき、パルス噴射を円滑に行うことができるので、応答性の面などからソレノイド制御ポンプ３１を使用することが好ましい。
【００２９】
そして、さらに、内燃機関の尿素水噴射システムを制御する制御装置４０を設けるこの制御装置４０は、通常は、エンジン１０に備えた各種センサー、または、エンジン１０を搭載した車両に備えた各種センサーの情報に基づいて、エンジン１０の全般の制御や車両の全般の制御を行うエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）に組み込まれて構成されるが、エンジンコントロールユニットとは独立して設けてもよい。
【００３０】
そして、本発明に係る実施の形態の内燃機関の尿素水噴射システム１では、図２及び図３に示すように、二流体噴射ノズル３０で尿素水Ｕと空気Ａｐを混合せずに別々に噴射すると共に、二流体噴射ノズル３０が、尿素水流路３０ａから噴射される尿素水Ｕが空気流路３０ｂから噴射される空気Ａｐで囲まれた状態で、二流体噴射ノズル３０の外部に面した噴孔開口部３０ｃを通過して、尿素水Ｕが噴孔開口部３０ｃに触れることなく、外部に噴射されるように構成される。
【００３１】
これにより、尿素水流路３０ａから噴射される尿素水Ｕが空気流路３０ｂから噴射される空気Ａｐで囲まれた状態で、二流体噴射ノズル３０の外部に面した噴孔開口部３０ｃを通過して、尿素水Ｕが噴孔開口部３０ｃに触れることなく、外部に噴射される。すなわち、噴射された空気流Ａｐを利用して、尿素水Ｕが噴孔開口部３０ｃに付着しないように空気Ａｐで包み込んで尿素水Ｕを移動させて、噴孔開口部３０ｃの先の外部で混合するので、噴孔開口部３０ｃに尿素水Ｕを接触させない。そのため、噴孔開口部３０ｃにおける液ダレを防止することができ、尿素水Ｕ由来の白色生成物の生成及び堆積を抑制することができる。従って、尿素水Ｕの噴射量の流量制御を確実に行うことができるようになる。
【００３２】
より具体的には、図２に示すように、二流体噴射ノズル３０が、噴孔開口部３０ｃにおける空気Ａｐの噴射方向が、噴孔開口部３０ｃにおける尿素水Ｕの噴射方向と平行になるように構成される、これにより、尿素水流路３０ａから噴射された尿素水Ｕが空気流路３０ｂから噴射された円筒状の空気Ａｐで取り囲まれた状態で、尿素水Ｕと空気Ａｐを噴孔開口部３０ｃの外部まで移動させることができる。従って、非常に簡単な構成で、尿素水Ｕを空気Ａｐで囲まれた状態で噴孔開口部３０ｃを通過して、尿素水Ｕが噴孔開口部３０ｃに触れることなく、外部に噴射させることができる。
【００３３】
あるいは、図３に示すように、二流体噴射ノズル３０が、噴孔開口部３０ｃにおける空気Ａｐの噴射方向が、噴孔開口部３０ｃにおける尿素水Ｕの噴射方向と、噴孔開口部３０ｃの外部の位置Ｐで交差するように構成して、尿素水流路３０ａから噴射された尿素水Ｕが空気流路３０ｂから噴射された逆円錐状の空気Ａｐで取り囲まれた状態で、尿素水Ｕと空気Ａｐを噴孔開口部３０ｃの外部まで移動させるように構成する。これにより、非常に簡単な構成で、尿素水Ｕを空気Ａｐで囲まれた状態で噴孔開口部３０ｃを通過して、尿素水Ｕが噴孔開口部３０ｃに触れることなく、外部に噴射させることができる。
【００３４】
この場合に、空気Ａｐの噴射方向と尿素水Ｕの噴射方向が交叉する位置Ｐは、空気Ａｐと混合した時に尿素水Ｕが噴孔開口部３０ｃに戻るおそれがないように、噴孔開口部３０ｃからある程度離れた距離Ｓとすることが好ましく、例えば、噴孔開口部３０ｃの直径Ｄの３倍以上離れていることが好ましい。
【００３５】
そして、尿素水噴射システムを制御する制御装置４０が、エンジン１０が運転状態にあるときに、二流体噴射ノズル３０からの尿素水Ｕの噴射の有無にかかわらず、二流体噴射ノズル３０に常時空気Ａｐを供給する制御を行うように構成される。
【００３６】
これにより、エンジン１０が運転状態にあるときに、即ち、エンジン１０が停止していないときに、この二流体噴射ノズル３０に常時空気Ａｐを供給することで、尿素水流路３０ａに残留した尿素水Ｕが噴孔開口部３０ｃに触れないように、尿素水Ｕを噴孔開口部３０ｃの外部へ吹き飛ばすことができるので、噴孔開口部３０ｃにおける尿素水Ｕ由来の白色生成物の生成及び堆積をより抑制することができる。
【００３７】
次に、本発明に係る実施の形態の内燃機関の尿素水噴射方法について説明する。この方法は、エンジン１０の排気通路１３に尿素水Ｕを噴射する内燃機関の尿素水噴射方法であり、二流体噴射ノズル３０で尿素水Ｕと空気Ａｐを混合せずに別々に噴射すると共に、尿素水流路３０ａから噴射される尿素水Ｕが空気流路３０ｂから噴射される空気Ａｐで囲まれた状態で、二流体噴射ノズル３０の外部に面した噴孔開口部３０ｃを通過して、尿素水Ｕが噴孔開口部３０ｃに触れることなく、外部に噴射されることを特徴とする方法である。
【００３８】
上記の構成の内燃機関の尿素水噴射システム、内燃機関及び内燃機関の尿素水噴射方法によれば、噴射された空気流Ａｐを利用して、尿素水Ｕが噴孔開口部３０ｃに付着しないように空気Ａｐで包み込んで尿素水Ｕを移動させて、噴孔開口部３０ｃの先の外部で混合するので、噴孔開口部３０ｃに尿素水Ｕを接触させない。そのため、噴孔開口部３０ｃにおける液ダレを防止することができ、尿素水Ｕ由来の白色生成物の生成及び堆積を抑制することができる。従って、二流体噴射ノズル３０の噴孔開口部３０ｃにおける、尿素水Ｕ由来の白色生成物の生成及び堆積を抑制することができて、尿素水Ｕの噴射量の流量制御を確実に行うことができる。
【符号の説明】
【００３９】
１  内燃機関の尿素水噴射システム
１０  エンジン（内燃機関）
１１  エンジン本体
１２  吸気通路
１３  排気通路
１４  ターボチャージャ（ターボ式過給器）
１４ａ  タービン
１４ｂ  コンプレッサ
２０  排気ガス浄化装置
２１  酸化触媒装置（ＤＯＣ）
２２  微粒子捕集装置
２３  選択還元型触媒装置
２４  燃料噴射装置
３０  尿素水噴射ノズル（二流体噴射ノズル）
３０ａ  尿素水用流路
３０ｂ  空気用流路
３０ｃ  噴孔開口部
３１  ソレノイド制御ポンプ（尿素水供給装置）
３２  尿素水タンク
３３  尿素水供給経路
３４  エアポンプ（空気供給装置）
３５  空気供給経路
４０  制御装置
Ａ  新気
Ａｐ  空気（圧縮空気、加圧空気）
Ｕ  尿素水
Ｍ  混合流体
Ｇ  発生した排気ガス
Ｇｃ  浄化処理された排気ガス
【図１】
2016098714.tif 000003
【図２】
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【図３】
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