JP2009539026A - ディーゼルエンジンの排出ガスを低減するための方法及び装置 - Google Patents

ディーゼルエンジンの排出ガスを低減するための方法及び装置 Download PDF

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Abstract

ディーゼルエンジンからの排出ガスを低減するための方法であって、約０．００６インチ以下の直径を有する開口部を有するインジェクタをディーゼルエンジンの排気口に設ける工程と、約１２０ｐｓｉ〜約６０ｐｓｉの入口圧力でインジェクタに試薬を供給する工程と、約１０Ｈｚ〜約１Ｈｚの周波数及び約１％以上のオン時間でインジェクタをオン／オフ動作させる工程と、開口部を介して試薬を排気口に所定の噴射流量で噴射する工程と、を含み、入口圧力、周波数、オン時間の少なくとも２つを変化させることによって少なくとも約３１：１の最小噴射流量に対する最大噴射流量のターンダウン比を達成する方法。

Description

本発明は、全体として、リーンバーンエンジンによって生成する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から排出される窒素酸化物（ＮＯＸ）を低減するために、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を提供する。より詳細には、本発明は、ディーゼル排出ガスを抑制するための低流量インジェクタと、試薬を低流量で噴射するための方法と、を提供する。
リーンバーンエンジンは、燃料の完全燃焼に必要な量よりも過剰な酸素を使用して動作することによって燃料効率を向上させる。リーンバーンエンジンは希薄（リーン）な混合気で動作する。しかし、リーンバーンエンジンによる燃料経済性の向上は、望ましくない汚染排出物質（窒素酸化物（ＮＯＸ））によって相殺される。
リーンバーン内燃機関から排出されるＮＯＸを低減するために使用される方法として選択的触媒還元（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｃａｔａｌｙｔｉｃ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ：ＳＣＲ）が知られている。例えば、ＳＣＲをディーゼルエンジンから排出されるＮＯＸを低減するために使用する場合、排気ガス温度、エンジン燃料流量によって測定されるエンジンｒｐｍ又はエンジン負荷、ターボ給気圧、排出ＮＯＸ質量流量等から選択される１以上のエンジン動作パラメータと関連してエンジンの排気ガス流に噴霧化された試薬を噴射する。試薬／排気ガス混合物を、試薬の存在下でＮＯＸ濃度を減少させることができる活性炭又は金属（例えば、白金、バナジウム、タングステン）等の触媒を含む反応器内を通過させる。この種のＳＣＲ装置は特許文献１に開示されている。
尿素水溶液は、ディーゼルエンジン用ＳＣＲ装置の有効な試薬であることが知られている。しかし、尿素水溶液の使用には多くの不利な点がある。尿素は非常に腐食性が強く、尿素混合物を排気ガス流に噴射するために使用されるインジェクタ等のＳＣＲ装置の機械部品を腐食させる。また、尿素はディーゼル排気系における高温に長期間曝されると固化する傾向がある。固化した尿素は、インジェクタに通常設けられている狭い通路や出口開口部開口部に堆積する。固化した尿素はインジェクタの可動部品を汚染すると共に開口部を塞ぎ、インジェクタが使用不能になる場合がある。
また、尿素混合物が微細に噴霧化されない場合には、触媒反応器内に尿素堆積物が形成され、触媒の作用を抑制し、ＳＣＲ装置の有効性を低下させる。噴射圧力を高めることによって尿素混合物の不十分な噴霧化という問題を最小化することができる。しかし、噴射圧力を高めるとインジェクタの噴霧プルームが排気流内に過度に浸透し、インジェクタの反対側の排気管の内側表面にプルームが衝突する。そのため、尿素混合物の使用効率が低下し、車両を低いＮＯＸ排出量で動作させることができる範囲が狭まる。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ず、搭載された尿素水溶液を効率的に使用して車両動作範囲を最大化すると共に頻繁な試薬の充填の必要性を減少させなければならない。
従来技術では、パルス幅変調ソレノイド作動インジェクタを、適切な触媒によってＮＯＸを還元したり、排気ガス温度を上昇させてパティキュレートトラップを再生するためにディーゼルエンジンの排気ガスに微細に噴霧化された尿素又は炭化水素試薬を噴射するために使用している。例えば、特許文献２、特許文献３、特許文献４、本願出願人による同時係属中の特許文献５を参照されたい。通常、これらのインジェクタは、発電に使用される大型の据置ディーゼルエンジンのＮＯＸを低減するために使用したり、建設機械に使用されるディーゼルエンジン等の高出力オンロード又はオフロード移動型ディーゼルエンジンに使用したり、排出される大量のＮＯＸのために大量の試薬が必要となる廃棄物運搬に使用される。０．０１２インチの開口部を有するインジェクタからの典型的な噴射流量は、３２．５％尿素溶液の場合で３６．１〜１０３．５ｇ／分である。乗用車又は小型トラックで使用されるエンジン等の小型のエンジンでは、ＮＯＸの質量排出レベルが低いために必要とされる試薬の量も少ない。例えば、ＮＯＸ抑制に尿素による選択的触媒還元を使用する軽負荷用途では、噴射流量は通常０．５〜５．０ｇ／分である。
インジェクタの開口部の大きさを減少させることにより、０．００６インチの出口開口部を有するインジェクタの場合を示した表１（後述）に示すように流量を多少減少させることができる。しかし、３．３〜２５．５ｇ／分の流量は多くの軽負荷ディーゼルエンジンに必要とされるよりも多い。出口開口部の大きさをさらに減少させて直径を０．００６インチ未満にすることは、開口部の耐久性と加工性の限界のために製造の観点から非実用的な場合がある。０．００６インチ未満、特に０．００４インチ未満の開口部では、試薬を濾過して市販の試薬に含まれる汚染物質によって微細な開口部が目詰まりすることを防止するために特別な対策が必要となる。
米国特許第５，９７６，４７５号公報 米国特許第５，６０５，０４２号公報 米国特許第５，９７６，４７５号公報 米国特許第６，２７９，６０３号公報 米国特許出願第２００５／０２３５６３２ Ａ１号公報
従って、本発明の目的は、ディーゼルエンジン、特に乗用車、小型トラック、オフロード車又は機器に使用されるような小型のディーゼルエンジンからの排出ガスを低減するための方法及び装置を提供することにある。
本発明の別の目的は、低い流量及び高いターンダウン比（ｔｕｒｎ−ｄｏｗｎ ｒｅｔｉｏ。すなわち、インジェクタの最大流量と最小流量の比）を有する試薬インジェクタを使用してディーゼルエンジンからの排出ガスを低減するための方法を提供することにある。
本発明の別の目的は、試薬の低い流量（特に０．５ｇ／分〜５ｇ／分）を達成するように周波数及び／オン時間（％）（パルス幅）を電子的に変更することによって調節することができる流量を有する試薬インジェクタを使用してディーゼルエンジンからの排出ガスを低減するための方法を提供することにある。
本発明の別の目的は、２５ｇ／分を超える試薬の高い流量を達成することができる装置を提供することにある。
上述した目的及びその他の目的は、ディーゼルエンジンからの排出ガスを低減するための方法であって、約０．００６インチ以下の直径を有する開口部を有するインジェクタをディーゼルエンジンの排気口に設ける工程と、約１２０ｐｓｉ〜約６０ｐｓｉの入口圧力でインジェクタに試薬を供給する工程と、約１０Ｈｚ〜約１Ｈｚ（例えば０．５Ｈｚ）の周波数及び約１％以上のオン時間でインジェクタをオン／オフ動作させる工程と、開口部を介して試薬を排気口に所定の噴射流量で噴射する工程と、を含み、入口圧力、周波数、オン時間の少なくとも２つを変化させることによって少なくとも約３１：１の最小噴射流量に対する最大噴射流量のターンダウン比を達成する方法によって達成される。
別の目的は、ディーゼルエンジンからの排出ガスを低減するための方法であって、約０．０３５インチ未満の直径を有する開口部を有する試薬インジェクタを前記ディーゼルエンジンの排気口と連通して設ける工程と、所定の入口圧力で前記インジェクタに試薬を供給する工程と、所定の周波数で前記インジェクタをオン／オフ動作させ、所定の噴射流量で前記試薬を前記開口部を介して前記排気口に噴射する工程と、前記インジェクタのオン時間を約８５％〜約５％の間で調節する工程と、前記入口圧力を第１の入口圧力と第２の入口圧力との間で調節する工程と、を含み、前記オン時間を調節する工程と前記入口圧力を調節する工程とによって１０：１を超える最小噴射流量に対する最大噴射流量のターンダウン比を達成する方法によって達成される。いくつかの実施形態において、上記方法は、前記周波数を約１０Ｈｚの第１の周波数と約１．５Ｈｚの第２の周波数との間で調節し、前記オン時間を約１％以下に調節して少なくとも約５０：１のターンダウン比を達成する工程をさらに含む。
また、本発明は、ディーゼルエンジンからの排出ガスを低減するための方法であって、約０．００６インチ以下の直径を有する開口部を有する試薬インジェクタを前記ディーゼルエンジンの排気口に設ける工程と、約８０ｐｓｉ以下の入口圧力で前記インジェクタに試薬を供給する工程と、約１．５Ｈｚ以下の周波数で前記インジェクタをオン／オフ動作させる工程と、を含み、前記インジェクタをオン／オフ動作させる工程によって約３．３ｇ／分以下の噴射流量で前記試薬を前記開口部を介して前記排気口に噴射し、前記インジェクタが１０．５％未満のオン時間を有する方法も提供する。いくつかの実施形態において、前記インジェクタは５％未満のオン時間を有し、前記インジェクタをオン／オフ動作させる工程によって約１．５ｇ／分以下の噴射流量で前記試薬を前記開口部を介して前記排気口に噴射する。いくつかの実施形態において、前記インジェクタは１％未満のオン時間を有し、前記インジェクタをオン／オフ動作させる工程によって約０．８ｇ／分以下の噴射流量で前記試薬を前記開口部を介して前記排気口に噴射する。
本発明のその他の目的及び特徴及び利点は、図面及び以下の詳細な説明から明らかになるだろう。
本発明に係るインジェクタを使用した汚染排出ガス抑制装置を備えたオンロード用ディーゼルエンジンの実施形態の概略図を示す。 図１に示す装置に使用されるインジェクタの実施形態の縦断面図を示す。 図２に示すインジェクタの回転板部分の実施形態の上面図を示す。 図２に示すインジェクタの回転板部分の実施形態の断面図を示す。 図２に示すインジェクタの回転板部分の実施形態の下面図を示す。 図２に示すインジェクタの計量プラグの実施形態を示す。 図４Ａに示す計量プラグを示す。 本発明に係る排気管に取り付けられた図１に示す装置に使用されるインジェクタの実施形態の斜視図を示す。 本発明に係る代表的な試薬流量とオン時間（％）のグラフである。
以下、添付図面を参照して本発明について説明する。図面では、同一の参照番号は同一の構成要素を示す。
以下の詳細な説明は代表的な実施形態を示すものであり、本発明の範囲、利用可能性又は構成を制限することを意図するものではない。以下の代表的な実施形態の詳細な説明は、当業者が本発明の代表的な実施形態を実施することを可能とするものである。また、添付した請求項に記載する本発明の範囲から逸脱することなく、構成要素の機能及び構成（配置）に対して様々な変更を加えることができる。
本発明は、ディーゼル排出ガスを抑制するための低流量インジェクタ及び試薬を低流量で噴射するための方法を提供する。
本発明は、本願出願人による同時係属中の「噴霧化された流体を噴射するための方法及び装置（Ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｉｎｊｅｃｔｉｎｇ Ａｔｏｍｉｚｅｄ Ｆｌｕｉｄ）」と題する２００５年４月２２日に出願された米国特許出願第１１／１１２，０３９号（米国特許出願公開第２００５／０２３５６３２ Ａ１号）に開示されているような市販のインジェクタにおいて低流量を実現する。米国特許出願第１１／１１２，０３９号の開示内容は、この参照によって本願の開示内容として援用する。
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抑制装置の一例を示す。図１において、装置の構成要素間の実線は流体ラインを示し、破線は電気的な接続を示す。本発明の装置は、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、例えば、尿素水溶液、炭化水素、水及び／又はその他の流体であってもよい。タンク１０と供給モジュール１２は一体型の試薬タンク／供給モジュールを構成することができる。また、装置の一部として、電子噴射制御装置１４と、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を有する排気系１９と、が設けられている。
供給モジュール１２は、インラインフィルタ２３を介してタンク１０から供給される試薬を供給ライン９を介して供給す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又はステンレス鋼からなることができ、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からなり、着脱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。装置を所定の圧力（例えば、約６０ｐｓｉ）に維持するために圧力調整弁（図示せず）を設けることができ、圧力調整弁はインジェクタ１６からの戻りライン３５に配置されていてもよい。試薬インジェクタ１６に接続された自在ラインには圧力センサーを設けることができる。装置には、凍結した尿素を解凍するか、尿素が凍結することを防止するための各種凍結保護手段を組み込むことができる。例えば、装置の運転時には、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、試薬をタンク１０とインジェクタ１６との間で連続的に循環させてインジェクタを冷却すると共に試薬が低温に維持されるようにインジェクタ内における試薬の滞在時間をできるだけ短くする。連続的な試薬の循環は、エンジン排気系において生じ得る３００℃〜６５０℃の高温に曝された場合に固化する傾向がある尿素水溶液等の温度感受性試薬に必要である。尿素の固化を確実に防止するためには、１４０℃未満、好ましくは５℃〜９５℃の低温動作範囲に尿素混合物を維持することが重要であることが分かっている。固化した尿素はインジェクタの可動部品と開口部を汚染し、インジェクタが使用不能になる場合がある。流量は、エンジンのサイズとＮＯＸレべルに依存する。
必要な試薬の量は、負荷、エンジンのＲＰＭ（エンジン回転数）、排気ガスの温度、排気ガスの流量、排気ガスの背圧、エンジンの燃料噴射タイミング、所望のＮＯＸ低減量に応じて異なる場合がある。エンジン動作パラメータの全て又は一部は、エンジン／車両データバスを介してエンジン制御装置２７から試薬噴射制御装置１４に供給することができる。トラックメーカが試薬噴射制御装置１４の機能を設けることを望む場合には、エンジン制御装置２７の一部として試薬噴射制御装置１４を設けることができる。
排気ガスの温度、排気ガスの流量、排気ガスの背圧は、対応する各センサーによって測定することができる。
電圧に基づく最小試薬レベル切り替え又はプログラムロジックを使用して噴射装置が乾燥して過熱することを防止することができる。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を車両の運転席において点灯させることができる。
噴射流量は、「移動式ディーゼル選択的触媒還元装置及び方法（Ｍｏｂｉｌｅ Ｄｉｅｓｅｌ Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ）」と題する２００５年９月１３日に本願出願人に付与された米国特許第６，９４１，７４６号に記載されているように、噴射制御手順又はマップによって試薬噴射制御装置１４をプログラムすることにより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、この参照によって本願の開示内容として援用する。米国特許第６，９４１，７４６号に記載されているように、噴射手順はＮＯＸ検出器２５を一時的に車両に設置することによって作成することができる。ＮＯＸ検出器２５は、サンプリング装置を有するセンサー又は計器であってもよい。図１は、排気系１９の外部でガス濃度又は質量を分析するＮＯＸメータ２５を示している。
図２は、図１に示す装置に使用することができる本発明に係るインジェクタ１６の代表的な実施形態の断面図を示す。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内には細長い円筒室３０を配置することができる。円筒室３０は回転板５０と流体連通していてもよく、回転板５０はディーゼルエンジンの排気系１９（図１）内の排気ガスに向かって開口する出口開口部２２を有する。出口開口部２２は、実用的な形状（ましくは円錐状）を有する座２４に取り囲まれていてもよい。円筒室３０内には、細長い計量プラグ２６である弁部材を摺動可能に設けることができる。
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の下面図を示す。図３Ａに示すように、回転板５０は、弁座２４を取り囲むと共に計量プラグ２６の端部２８（図２を参照）を取り囲む領域において渦流室（ｗｈｉｒｌ ｃｈａｍｂｅｒ）５２を形成する複数の回転溝５１を含むことができる。図３Ａ及び図３Ｂに示すように、弁座２４は渦流室５２から噴霧化された流体を供給するための出口開口部２２を取り囲んでいる。回転板５０は、保持キャップ７４（図２を参照）によってインジェクタ本体の下部１８ｂに取り付けられていてもよい。
図２に示す構成例では、流体保持ガスケット６０を回転板５０とインジェクタ本体の下部１８ｂとの間に挿入し、回転板５０、インジェクタ本体１８、保持キャップ７４の係合面間に流体が漏出す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、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、流体の漏出を防止する複数のＯ−リング７６を含むことができる。
図４Ａ及び図４Ｂは、計量プラグ２６の代表的な実施形態の断面図及び外観図をそれぞれ示す。計量プラグ２６は、弁座２４と密閉係合し、渦流室５２と流体連通しないように出口開口部２２を閉じるように形成された端部２８を有することができる。計量プラグ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との密閉係合から解放される開位置との間を移動可能であってもよい。開位置では、出口開口部２２が開かれて渦流室５２との流体連通が生じる。
流体は、流体入口３４（図２）を介して渦流室５２に供給することができる。流体入口３４は渦流室５２と流体連通し、供給ライン９を介してタンク１０と外部から接続されていてもよい。尿素水溶液試薬等の流体は、所定の圧力で流体入口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。加圧された流体は、回転溝５１内で加速させることができる。これにより、渦流室５２内において高速の回転流が生じる。計量プラグの端部２８を弁座２４から離すと、流体の回転流の一部が出口開口部２２を通過し、排気流内に噴射される際に遠心力と空気による流体のせん断の組み合わせによって流体が噴霧化される。
所定の圧力は、高い動作範囲と出口開口部２２からの各噴霧パターンの少なくとも１つを生じさせる運転条件に応じて異なる。
出口開口部２２を開閉するためにアクチュエータを設けることができる。アクチュエータは、例えば、インジェクタ本体１８に設けられた磁気コイル３８であってもよい。磁気コイル３８に通電すると、計量プラグ２６は閉位置から開位置へと上方に引き寄せられる。底板７５とインジェクタ本体の上部１８ａは、磁化表面を生じさせると共に耐食性を保持する磁性ステンレス鋼からなることができる。インジェクタ本体の下部１８ｂは、３１６ステンレス鋼等の非磁性ステンレス鋼からなることができる。これにより、底板７５において磁気特性を良好に分離し、計量プラグ２６が出口開口部２２に向かって磁化する可能性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、センサ入力信号と予めプログラムされたアルゴリズムに基づき、排気流内のＮＯＸの効果的な選択的触媒還元に試薬が必要な時を決定する。
図５は、排気管８０に接続されたインジェクタ１６の外観図を示す。例えば試薬噴射制御装置１４（図１）からインジェクタ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を使用して１２〜２４ＶのＤＣ電流によって通電することができる。
図４Ａに示すように、計量プラグ２６は、計量プラグ２６の穴９２を介して渦流室５２と流体連通することができる中空部９０を含む。出口開口部２２から排出されない渦流室５２からの加圧された流体は、穴９２及び中空部９０に入り、計量プラグ２６の中空の上端部９４を介して出口３６に入る。流体出口３６は、計量プラグ２６の中空部９０の上端部９４から流体を除去するために図２に示すように配置することができる。流体出口３６は戻りライン３５（図５）に接続することができ、流体は図１に示すタンク１０から供給ライン９及び流体入口３４を介して渦流室５２に入り、計量プラグ２６の穴９２及び中空部９０を通過し、中空部９０から出て流体出口３６に入り、戻りライン３５を介して図１に示すタンク１０に戻る。このような循環により、インジェクタ１６は低温に保たれ、インジェクタにおける流体の滞在時間を最小化することができる。流体入口３４、流体出口３６、計量プラグ２６の中空部９０は、インジェクタ１６内を流れる流体の流路として機能し、インジェクタ１６を冷却することができる。インジェクタ１６内を流れる流体の流路は、計量プラグ１８の位置とは独立していてもよい。インジェクタ１６内を流れる冷却液の量を制御するために絞り開口部３７を設けることができる。
そのため、例えば冷却されたインジェクタ１６と共に尿素水溶液を使用した場合に、尿素水溶液はインジェクタ１６内（特に渦流室５２の領域）において固化することはない。すなわち、尿素水溶液が固化した場合には、尿素によって計量プラグ２６の適切な配置が妨げられたり、計量プラグ２６が開位置又は閉位置に固定されたり、及び／又は出口開口部２２が詰まったりする場合がある。また、試薬、可動部及び弁の開口部に対する高温の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、弁座の領域においてのみインジェクタを冷却する従来技術と比較して高い性能を達成することができる。また、冷却能力を高めることにより、計量プラグ２６、その関連作動要素及び弁座２４を含むインジェクタの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も冷却能力を高める。
例えば、１時間あたり約１０ガロンの流体をインジェクタ内に循環させることができる。流量は用途に応じて変更することができる。計量プラグ２６の端部２８を弁座２４から離すと、用途及び／又は制御アルゴリズムに応じて噴霧化された流体を約３〜５００ｇ／分の流量で排出することができる。以下に説明するように、３ｇ／分未満よりも非常に低い流量、例えば約０．２ｇ／分の流量を本発明に係る方法によって実現することができる。
出口開口部２２から排出される流体の噴霧特性は、戻り流路と供給流路で維持される圧力の圧力比に応じて異なる。例えば、液滴の大きさは、供給ライン９における圧力を変化させることによって制御することができる。また、噴霧特性は、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固定された噴霧板５０を取り除き、異なる大きさの出口開口部２２、異なる数の回転溝５１又は異なる長さ、深さ又は幅の回転溝を有する噴霧板と交換することができる。また、噴霧板は、インジェクタ本体の下部１８ａに固定された際に渦流室５２の大きさを変化させるように構成されていてもよい。また、流体の循環流量は絞り開口部３７の内径を変更することによって変化させることができる。流体の循環流量を変化させると、液滴の大きさが変化すると共に流体による冷却レべルが影響を受ける。
計量プラグ２６の環状案内部３２は、円筒室３０内で計量プラグ２６を摺動させるための案内機能を有する。円形ガイド部３２と円筒室３０との間の公差は、計量プラグの動きを案内しながら計量プラグ２６の相対運動と潤滑を可能とするために十分なものとなっている。
通常、計量プラグ２６と円筒室３０との間の様々な部分で必要となる特定の公差は、運転温度、運転圧力、試薬の所望の流量と循環流量、試薬の摩擦特性、計量プラグ２６とインジェクタ本体１８に選択した材料に応じて異なる。インジェクタの最適な性能のための公差は試験によって実験的に得ることができる。
図２に示すように、計量プラグ２６はバイアス部材によって閉位置にバイアスさせることができ、バイアス部材は、例えば、計量プラグ２６の中空部の上端部９４と同軸に配置されたコイルばね４２であってもよく、上端部９４はコイルばね４２が計量プラグ２６をバイアスさせるためのばね座として機能する。
図示する構成では、熱シールド５８を回転板５０及び保持キャップ７４の外部に取り付け、排気ガスからの熱が回転板５０とインジェクタ本体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しないようにする加熱面として機能することができる。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、出口開口部２２を回転板５０の外部又は噴射端部に移動させ、噴霧角度αを増加させると共に冷却性を保持しながら噴霧角度をより広い範囲に設定することができる。熱ガスケット７０は、低い熱伝導性によってインジェクタ本体１８と回転板５０を熱い排気管８０から分離するステンレス鋼材料で覆われた可撓性黒鉛箔からなることができ、インジェクタ１６への熱の伝達を抑制し、弁内を循環する流体を低温に保つことができる。
計量プラグ２６は、好ましくは尿素耐食性と磁気特性を保持すると共に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るコーティングが施された４３０Ｃ又は４４０Ｆステンレス鋼からなることができる。回転板５０はインコネル又は３１６ステンレス鋼からなることができ、尿素耐食性を保持すると共にインジェクタ１６の寿命にわたって生じる金属疲労を減少させるコーティングが施されていてもよい。底板７５は計量プラグ２６から分離されていてもよく、計量プラグ２６は製造に妥当な最小の長さに形成して計量プラグの質量を大きく減少させることができる。計量プラグ２６の質量を減少させることにより、計量プラグの寿命、特に、弁座２４に対する衝撃の繰返しによって摩耗及び変形する計量プラグの端部２８の寿命を延ばすことができる。
本発明のインジェクタ１６は、約０．００６インチの直径を有する出口開口部２２を有することができる。本発明は、（例えば、試薬噴射コントローラ１４（図１）によって）１０Ｈｚから約１．５Ｈｚに周波数を調節すると共にオン時間の割合を約１〜１０％に調節することによって０．００６インチの出口開口部２２を有するインジェクタ１６において低流量を実現する。なお、０．００６インチという出口開口部の直径は一例であって、０．００６インチとは異なる大きさの出口開口部（例えば、約０．００４〜０．０３５インチの直径を有する出口開口部）によっても低流量を達成することができる。
本発明によって達成される噴射する試薬の流量は、約０．２ｇ／分〜２５ｇ／分以上とすることができる。本発明によれば、開口部の大きさ、噴射頻度、入口圧力及び／又は噴射時間（例えば、オン時間）を変化させることにより、０．５ｇ／分未満から９００ｇ／分の噴射流量を達成することができる。
例えば、本発明の一実施形態では、表２に示すように、約１．５Ｈｚの周波数と１％〜１０．４％のオン時間で約０．８ｇ／分〜５．５ｇ／分という試薬（例えば、３２％尿素水溶液）の非常に低い流量を達成することができる。
Figure 2009539026
Figure 2009539026
図６は、インジェクタのパルス幅変調周波数を（１０Ｈｚではなく）１．５Ｈｚに設定した場合に本発明によって達成される尿素流量とオン時間（％）のグラフを示す。図６に示すように、１．５Ｈｚにおいて本発明によって達成される流量は、オン時間が５％未満であっても直線的である。１０Ｈｚではインジェクタのオン時間を５％未満に減少させると流量が非直線的になるため、直線的な流量が得られたことは予想外だった。
以下、本発明に係る低流量インジェクタを使用してディーゼルエンジンからの排出ガスを低減する４つの代表的な方法について説明する。第１の例では、０．０３０インチの開口部を有するリターンフローインジェクタを最初に１２０ｐｓｉの試薬圧力及び１０Ｈｚの周波数で動作させ、（例えば、Ｖｉｓｃｏｒ試験流体を使用して）６３１．０ｇ／分の最大噴射流量とする。インジェクタは、１２０ｐｓｉの圧力で６８．０ｇ／分の最低流量を有する。噴射圧力を８０ｐｓｉに低下させると、最低流量は５８．８ｇ／分に低下する。そのため、最大で噴射流量を６３１．０ｇ／分から５８．８ｇ／分に減少させることができる（１０．７：１のターンダウン比）。
しかしながら、動作周波数を１．５Ｈｚに変化させることにより、インジェクタの最小オン時間を１％まで減少させることができ、８０ｐｓｉで１２．６ｇ／分の最低噴射流量を達成することができる。そのため、上述したインジェクタの動作の組み合わせにより、噴射流量を６３１．０ｇ／分から１２．６ｇ／分へと大幅に減少させることができる（５０：１のターンダウン比）。
第２の例では、０．００６インチの開口部を有するインジェクタは、５％のオン時間に対応する最低動作点において３．６ｇ／分の動作噴射範囲を有し、８０ｐｓｉで水を流し、１０Ｈｚの周波数で動作させた場合に１００％のオン時間で２５．６ｇ／分の最大噴射流量を有する。周波数を１．５Ｈｚに変化させることにより、オン時間（最低動作率）を１％に低下させ、８０ｐｓｉで０．６ｇ／分の最低噴射流量を達成することができる。従って、８０ｐｓｉの一定の圧力におけるターンダウン比は約４３：１である。
第３の例では、５０％のオン時間、８０ｐｓｉの圧力、１０Ｈｚの周波数で動作させる０．００５インチの開口部を有するインジェクタの溝面積を、液滴のザウタ平均粒径（ＳＭＤ）を１００μｍ未満に維持し、２．６〜７．５ガロン／時（ｇｐｈ）の低い戻り流量でインジェクタを冷却するように選択する。低い循環流量と戻り流量はポンプ注入に必要な電力を低下させるために有益だが、渦流室における速度を適切なものとして液滴の大きさを維持し、インジェクタの冷却を維持することが必要である。従って、インジェクタを介した戻り流量が試薬の噴射量よりも大きくなるように試薬循環流量を設定することが望ましい。表３は第３の例において生成されたデータを示す。
Figure 2009539026
第４の例では、０．００５インチの開口部を有するインジェクタを１％のオン時間及び１Ｈｚの周波数で水を試薬として動作させ、６０ｐｓｉの動作圧力で０．２ｇ／分の最低噴射流量及び１２０ｐｓｉの動作圧力で０．３５ｇ／分の最低噴射流量とし、１２０ｐｓｉの動作圧力及び１００％のオン時間での最大噴射流量は２０．５ｇ／分である。従って、ターンダウン比は１００：１である。１２０ｐｓｉの圧力及び１０Ｈｚの周波数で動作させた場合には、最小オン時間は５％であり、最低噴射流量は２．２ｇ／分である。従って、動作周波数を１０Ｈｚから１Ｈｚに調節する能力により、単独及び圧力の変化との組み合わせによってターンダウン比を大きく向上させることができる。
本実施形態では、予想外なことに、粒径データは液滴の大きさがオン時間と周波数に依存しないことを示した。供給圧力のみが液滴の大きさを大きく変化させることが判明した。液滴の平均ＳＭＤは、８０ｐｓｉで６９μｍ、６０ｐｓｉで７７μｍ、１２０ｐｓｉで５６μｍだった。
上述したように、本発明は、ディーゼルエンジンからＮＯＸ排出ガスを低減するために使用されるインジェクタ等の市販の単一流体パルス幅変調試薬インジェクタの周波数とオン時間（％）（パルス幅）を調節することにより、低い流量を実現すると共に最大の流量ターンダウン比を有利に達成することができる。
各種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範囲から逸脱することなく様々な変更を加えることができる。

Claims (28)

  1. ディーゼルエンジンからの排出ガスを低減するための方法であって、
    約０．００６インチ以下の直径を有する開口部を有するインジェクタを前記ディーゼルエンジンの排気口に設ける工程と、
    約１２０ｐｓｉ〜約６０ｐｓｉの入口圧力で前記インジェクタに試薬を供給する工程と、
    約１０Ｈｚ〜約１Ｈｚの周波数及び約１％以上のオン時間で前記インジェクタをオン／オフ動作させる工程と、
    前記開口部を介して前記試薬を前記排気口に所定の噴射流量で噴射する工程と、
    を含み、
    前記入口圧力、前記周波数、前記オン時間の少なくとも２つを変化させることによって少なくとも約３１：１の最小噴射流量に対する最大噴射流量のターンダウン比を達成する方法。
  2. 請求項１において、前記噴射流量が約０．２ｇ／分〜約２５ｇ／分である方法。
  3. 請求項１において、前記試薬が、尿素溶液及び炭化水素溶液の少なくとも１つを含む方法。
  4. 請求項１において、前記入口圧力、前記周波数、前記オン時間の前記少なくとも２つが前記周波数と前記オン時間である方法。
  5. 請求項４において、約８０ｐｓｉの一定の入口圧力を維持する工程をさらに含む方法。
  6. 請求項１において、前記直径が０．００５インチ以下であり、前記入口圧力、前記周波数、前記オン時間のそれぞれを変化させることによって１００：１のターンダウン比を達成する方法。
  7. 請求項１において、約４０μｍ〜約１００μｍのＳＭＤを有する液滴として前記試薬が噴射されるまで前記入口圧力を調節する工程をさらに含む方法。
  8. 請求項１において、前記試薬を試薬タンクから前記インジェクタに供給し、前記試薬の少なくとも一部を前記試薬タンクに再循環させる工程をさらに含む方法。
  9. 請求項８において、再循環流量が前記噴射流量よりも多い方法。
  10. 請求項１において、前記試薬を約２．５ガロン／時〜約１０ガロン／時の流量で供給する方法。
  11. 請求項１０において、最低噴射流量が約０．２ｇ／分であり、最大噴射流量が約２５ｇ／分である方法。
  12. 請求項１において、前記試薬を約７ガロン／時〜約２５ガロン／時の流量で供給する方法。
  13. 請求項１２において、前記最低噴射流量が約２０ｇ／分であり、前記最大噴射流量が約６００ｇ／分である方法。
  14. ディーゼルエンジンからの排出ガスを低減するための方法であって、
    約０．０３５インチ未満の直径を有する開口部を有する試薬インジェクタを前記ディーゼルエンジンの排気口と連通して設ける工程と、
    所定の入口圧力で前記インジェクタに試薬を供給する工程と、
    所定の周波数で前記インジェクタをオン／オフ動作させ、所定の噴射流量で前記試薬を前記開口部を介して前記排気口に噴射する工程と、
    前記インジェクタのオン時間を約８５％〜約５％の間で調節する工程と、
    前記入口圧力を第１の入口圧力と第２の入口圧力との間で調節する工程と、
    を含み、
    前記オン時間を調節する工程と前記入口圧力を調節する工程とによって１０：１を超える最小噴射流量に対する最大噴射流量のターンダウン比を達成する方法。
  15. 請求項１４において、前記直径が約０．０３インチ以下であり、前記最大噴射流量が約８００ｇ／分である方法。
  16. 請求項１４において、前記周波数を約１０Ｈｚの第１の周波数と約１．５Ｈｚの第２の周波数との間で調節し、前記オン時間を約１％以下に調節して少なくとも約５０：１のターンダウン比を達成する工程をさらに含む方法。
  17. 請求項１６において、前記第１の入口圧力が約１２０ｐｓｉであり、前記第２の入口圧力が約８０ｐｓｉである方法。
  18. 請求項１７において、前記開口部の直径が約０．００５インチ以下であり、前記ターンダウン比が少なくとも約１００：１である方法。
  19. 請求項１４において、前記第１の入口圧力が約１２０ｐｓｉであり、前記第２の入口圧力が約６０ｐｓｉである方法。
  20. 請求項１４において、前記第１の入口圧力が約１４０ｐｓｉであり、前記第２の入口圧力が約４０ｐｓｉである方法。
  21. 請求項１４において、前記ターンダウン比が少なくとも約４３：１である方法。
  22. ディーゼルエンジンからの排出ガスを低減するための方法であって、
    約０．００６インチ以下の直径を有する開口部を有する試薬インジェクタを前記ディーゼルエンジンの排気口に設ける工程と、
    約８０ｐｓｉ以下の入口圧力で前記インジェクタに試薬を供給する工程と、
    約１．５Ｈｚ以下の周波数で前記インジェクタをオン／オフ動作させる工程と、
    を含み、
    前記インジェクタをオン／オフ動作させる工程によって約３．３ｇ／分以下の噴射流量で前記試薬を前記開口部を介して前記排気口に噴射し、前記インジェクタが１０．５％未満のオン時間を有する方法。
  23. 請求項２２において、前記インジェクタが５％未満のオン時間を有し、前記インジェクタをオン／オフ動作させる工程によって約１．５ｇ／分以下の噴射流量で前記試薬を前記開口部を介して前記排気口に噴射する方法。
  24. 請求項２２において、前記インジェクタが１％未満のオン時間を有し、前記インジェクタをオン／オフ動作させる工程によって約０．８ｇ／分以下の噴射流量で前記試薬を前記開口部を介して前記排気口に噴射する方法。
  25. 請求項２２において、前記周波数が１．０Ｈｚ以下である方法。
  26. 請求項２２において、前記噴射流量が約０．２ｇ／分〜約３ｇ／分である方法。
  27. 請求項２２において、前記オン時間が約１％以下である方法。
  28. 請求項２２において、前記試薬が、尿素溶液及び炭化水素溶液の少なくとも１つを含む方法。
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