JP2014520233A - 噴射装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、特に内燃機関の排ガスラインに流体（２）を噴射する装置に関するものであり、噴射されるべき流体（２）を蓄えるためのリザーバ（４）と、噴射および調量モジュール（１０）と、作動時に流体（２）をリザーバ（４）から噴射および調量モジュール（１０）へ送出するために構成されたポンプ（８）と、噴射および調量モジュール（１０）からの流体（２）の流出を可能にするリターン配管（１６）とを有しており、リターン配管（１６）には、噴射および調量モジュール（１０）から流体を排出するのに適した切換可能なスロットルバルブ（１４）が配置されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、特に内燃機関の排ガスラインに流体を噴射するための多機能装置に関する。

排ガスに含まれる窒素酸化物を低減するために、尿素水溶液（ＡｄＢｌｕｅ（登録商標））を、特にディーゼルエンジンである内燃機関の排ガスラインに噴射することが知られている。尿素水溶液を排ガスラインへ噴射するために設けられた送出モジュールが、容量式に送出をするのではないポンプを有しているとき、ポンプから送出された量のうち余剰の尿素溶液をポンプの圧力側から吸込側に戻るように送り、噴射圧力を一定に保つためのリターンフローが必要である。リターン配管には可変のスロットルが設けられているのが好ましく、それにより、スロットル断面を変えることによって噴射圧力を調整することができる。

送出モジュールから空気（気泡）を取り除くためには、リターンフローを完全に閉鎖することが必要である。

送出モジュールを耐氷圧性にするために、噴射開口部を通じて少量の空気を衝撃的に吸い込み、そのようにして、空気で充填された補償容積を尿素水溶液のために送出モジュールでつくり出すことが知られている。このような衝撃的な吸込を惹起するために、リターン配管に配置されたコントロール可能なスロットルの断面が、非常に迅速に（たとえば約４０ｍｓ以内に）１００倍を超えて拡張される。

上述した３つの機能（圧力コントロール、送出モジュールのエア抜き、および耐氷圧性を向上させるための空気の吸込）は、２つの接続部および上述した３つの機能を有する２／３ウェイバルブによって具体化することができる。

上述した３つの機能に加えて、噴射システムを完全に空にする必要性がしばしば生じる。そのために従来の方式では、通常動作のときに流体を噴射するために設けられたポンプが利用される。このポンプはそのために追加の４／２ウェイバルブを介して、その入力部と出力部が入れ替えられて、ポンプの作動により尿素溶液が送出モジュールから吸い出され、タンクに戻るように送出されるようにつながれている。

このような種類の噴射システムでは、希望される４つの機能を具体化するために、２つの切換可能なバルブ、すなわち２／３ウェイバルブと４／２ウェイバルブとが必要である。

本発明の課題は、システムを完全な空にすることを含めた上述した各機能を具体化可能である、簡素に構成された噴射システムを提供することにある。

特に内燃機関の排ガスラインに流体を噴射するための本発明の装置は、噴射されるべき流体を蓄えるためのリザーバと、流体を排ガスラインに噴射するために構成された噴射および調量モジュールと、作動時に流体をリザーバから噴射および調量モジュールへ送出するために構成されたポンプとを有している。リターン配管も設けられており、これを通じて余剰の流体を噴射および調量モジュールから運び出し可能である。リターン配管には、スロットルバルブがポンプとして作用して流体を噴射および調量モジュールから送り出すポンプモードで作動可能である、切換可能なスロットルバルブが配置されている。

本発明では、スロットルバルブが流体を噴射および調量モジュールから送り出すのに適していることにより、排ガスラインに流体を噴射するための噴射モードと、噴射および調量モジュールから流体を吸引するための吸引モードとの間でポンプを切り換える、追加の切換可能なバルブを省略することができる。したがって本発明による装置は、これまで従来技術で知られている噴射装置よりも、簡素かつ低コストに具体化可能である。

１つの実施形態では、スロットルバルブが選択的に完全に閉じられるか、または完全に開かれるか、または部分的に開かれる、別の動作状態へとスロットルバルブを切換可能である。このような種類の切換可能なスロットルバルブにより、流体の送り出し（ポンプモード）に代えて、噴射および調量モジュールの噴射圧力を制御ないしコントロールし（スロットルバルブが部分的に開かれる）、噴射および調量モジュールをエア抜きし（スロットルバルブが完全に閉じられる）、および／または噴射および調量モジュールへ空気を衝撃的に吸い込んで（スロットルバルブが完全に開かれる）、その耐氷圧性を高めることができる。このような種類のスロットルバルブにより、作動時に必要なすべての機能を、ただ１つのバルブで具体化することができる。特に、ポンプの送出方向を切り換えるための第２のバルブを省略することができる。

１つの実施形態では、スロットルバルブは、少なくとも１つの第１の接続部と少なくとも１つの別の接続部とを備えるスロットル室を有しており、スロットル室の中には可動のスロットル部材が配置されている。スロットル室の中でスロットル部材を動かすことで、スロットルバルブを閉じたり、完全にまたは部分的に開くことができる。特に、希望される値に合わせて噴射圧力を調整するために、スロットル部材の調整された運動によって、スロットルバルブの開放断面を可変に調整することができる。

１つの実施形態では、スロットルバルブはスロットル室から出入りする第１の接続部と第２の接続部に、第１の接続部ないし第２の接続部における可能な流れ方向を規定し、規定された送出方向と反対向きの流体の流れを妨げる逆止め弁をそれぞれ有している。第１の接続部および第２の接続部に配置された逆止め弁は、スロットル部材の連続的な往復運動によってスロットルバルブをポンプとして作動させ、そのようにして、噴射および調量モジュールから流体を送り出す機能をスロットルバルブによって具体化し、そのために外部のポンプを使用しないことを可能にする。このときスロットル部材は、ポンプピストンの機能を担う。

１つの実施形態では、スロットル室は少なくとも１つの側で柔軟なダイヤフラムにより区切られて、液密に閉鎖されている。柔軟なダイヤフラムは、スロットル室を高い信頼度で密閉し、流体がスロットル室から外に出る可能性がある漏れを回避することを可能にする。ダイヤフラムの柔軟性に基づき、ダイヤフラムを動かすことでスロットル室の容積を変えることが可能である。

１つの実施形態では、スロットルバルブを通る流体の流れが可能でない、閉じられた位置へとスロットル部材を押圧するために構成された、少なくとも１つのばね部材が設けられている。このようなばね部材により、スロットルバルブは、制御されていないときには高い信頼度で閉じられる。

１つの実施形態では、スロットル部材を作動時に閉じた位置から開いた位置へ動かすために、たとえばリニアマグネットドライブとして構成される駆動装置が設けられている。駆動装置の調整された制御により、希望される開いた位置へとスロットル部材を正確に動かすことができる。このことは、所定の噴射圧力を具体化するために、希望される開放断面をスロットルバルブで調整することを可能にする。

本発明は、本発明による装置を作動させる方法も含んでおり、本方法は、スロットルバルブの適切な制御によって流体を噴射および送出モジュールから送り出すことを含んでいる。そのようにして外部のポンプなしに、かつ噴射ポンプのポンプ方向を切り換えるための追加のバルブなしに、噴射および送出モジュールを完全に空にすることができる。

１つの実施形態では、本発明による方法は、スロットルバルブのコントロールされた部分的な開放によって、噴射および調量モジュールの圧力を調整することを追加的に含んでいる。そのようにして、噴射ポンプないし送出ポンプが容量式に送出をするポンプではない場合でも、希望される値に合わせて噴射圧力を正確に調整することができる。

本方法の１つの実施形態は、ポンプの停止とスロットルバルブの完全な開放によって噴射および調量モジュールに空気を吸い込んで、噴射および調量モジュールで空気容量をつくり出し、そのようにして、噴射および調量モジュールの耐氷圧性を高めることを含んでいる。

本方法の１つの実施形態は、スロットルバルブを完全に閉じて、噴射および調量モジュールをエア抜きすることを追加的に含んでいる。

次に、添付の図面を参照しながら本発明について詳しく説明する。図面は次のものを含んでいる：

従来式の噴射装置を示す模式的なブロック図である。 本発明による噴射装置を示す模式的なブロック図である。 本発明による２／４ウェイスロットルバルブを示す模式的な断面図である。

図１は、流体２を噴射するための従来式の装置の模式的なブロック図を示している。

この装置はリザーバ４を有しており、その中に、噴射されるべき流体２が蓄えられている。フィルタ６が配置された流体取出配管５を介して、噴射されるべき流体２がリザーバ４から取り出され、通常動作では第１の位置１２ａに切り換えられる４／２ウェイ切換弁１２により、ポンプ８の入力部に供給される。ポンプは流体２を圧力下において、噴射されるべき流体２を高い圧力のもとで４／２ウェイ切換弁１２の第２の通路を通じて噴射および調量モジュール１０に供給し、この噴射および調量モジュールは図示しない排ガスラインに配置されており、供給された流体を排ガスラインに噴射するために構成されている。供給配管の内部または表面に配置された圧力センサ１８を用いて、流体の圧力を継続的に測定して監視することができる。

噴射および調量モジュール１０からポンプ８の入力側へ、ないしはリザーバ４へ戻るように流体を案内することを可能にするリターン配管１６が、同じく噴射および調量モジュール１０と接続されている。リターン配管１６には、リターン配管の遮断１４ａと、希望される調整圧力を調整するための調量機能１４ｂと、空気を衝撃的に吸引するための完全な開放１４ｃという３つの状態の間で切換可能である２／３ウェイスロットルバルブ１４が配置されている。リターン配管１６のスロットルバルブ１４を切り換えることで、３つの動作状態のうちの１つを選択的に設定することができる。調量機能１４ｂでは、希望される噴射圧力を調整するために、スロットルバルブ１４の開放断面を変えることができる。

必要に応じて流体を噴射および調量モジュール１０から送り出すために、４／２ウェイ切換弁１２は第２の動作状態１２ｂへ切り換えられ、この動作状態では、噴射および調量モジュール１０がポンプ８の入力部と接続されるとともに、フィルタ６がポンプ８の出力部と接続され、それにより、ポンプ８の作動によって流体が噴射および調量モジュール１０から吸い出され、フィルタ６を通じてリザーバ４に戻るように送られる。

このような種類の装置では、噴射および調量モジュール１０からの流体の送り出しを可能にするために、スロットルバルブ１４に加えて、第２の切換可能なバルブ１２が必要である。

図２は、本発明による噴射装置の１つの実施例の模式的なブロック図を示している。

図１に示すような従来式の噴射装置の構成要素と一致する噴射装置の構成要素は、同じ符号を付して示されており、あらためて詳細に説明することはしない。その代わりに図１の説明を参照されたい。

本発明による噴射装置は、ポンプ８の入力部と出力部を選択的にフィルタ６または噴射および調量モジュール１０と接続するために、４／２ウェイ切換弁１２を有しているのではない。むしろポンプ８の入力部（吸込配管）は継続的に、すなわち間に介在するバルブ（切換弁）なしに、フィルタ６と接続されており、ポンプ８の出力側（圧力配管）は、噴射および調量モジュール１０と継続的に接続されている。

本発明による噴射装置は、２つの接続部と４つの機能とを有する２／４ウェイスロットルバルブ４として構成された、改良型のスロットルバルブ１４を有している。図１との関連で説明したような従来式のスロットルバルブ１４の３つの機能に加えて、本発明による２／４ウェイスロットルバルブ１４は、ポンプモード１４ｄへも切換可能である。ポンプモード１４ｄでは、噴射および調量モジュール１０からポンプ８の入力部へ、またはフィルタ６を通じてリザーバ４へ戻るように、流体を送ることが可能である。

図３は、本発明による２／４ウェイスロットルバルブ１４の断面図を示している。

スロットルバルブ１４はバルブプレート２２を有しており、これにバルブ室２８と、組付け状態のとき噴射および調量モジュール１０と接続される第１の接続部２４と、組付け状態のときポンプ８の入力部およびフィルタ６と接続される第２の接続部２６とが構成されており、その様子は図２にも示されている。

バルブ室２８の中には、軸Ａに沿って可動であるバルブボディ３２が配置されている。バルブ室２８への第１の接続部２４の連通部は、バルブボディ３２の運動によって選択的に開閉することができる。特に開口部の断面を、およびこれに伴ってスロットルバルブ１４のスロットル作用を、バルブボディ３２の運動により、完全に開いた状態と完全に閉じた状態との間で可変に調整することができる。

バルブボディ３２はスライダ３４と機械的に結合されており、それにより、バルブボディ３２はスライダ３４の運動によって軸Ａと平行に、閉じた位置と開いた位置との間で可動であるようになっている。スライダ３４は、バルブ室２８の１つの側を区切って液密に閉鎖する柔軟なダイヤフラム３７を通って外部に向かって案内されるとともに、たとえばリニアマグネットドライブとして構成される外部の駆動装置３８により駆動可能である。

弁体３２ないしスライダ３６の周りにコイルばねの形態で配置され、これらに支持されるばね部材３０，３６が、弁体３２ないしスライダ３６を休止状態のときに、すなわち駆動装置３８が不作動のときに、閉じた位置へと押圧し、この位置では、スロットル室２８に通じる第１の接続部２４を弁体３２が液密に閉止する。

スライダ３４に構成された突起３５は、バルブ室２８の少なくとも１つの側を区切る柔軟なダイヤフラム３７と協働作用し、それにより、スライダ３４が（図３の図面では下から上に向かって）閉じた位置から開いた位置へ動いたときに、バルブ室２８と向かい合う外側に向かってダイヤフラム３７が折り返されるようになっている。柔軟なダイヤフラム３７が折り返されることで、バルブ室２８の容積が拡大されて、バルブ室２８の中の圧力が低下する。

バルブ室２８に通じる第１の接続部２４には、第１の接続部２４からバルブ室２８への流体の流れを可能にするとともに、バルブ室２８から第１の接続部２４への流体の環流を妨げる、第１の逆止め弁４０が設けられている。

同様に、バルブ室２８から出ていく第２の接続部２６には、バルブ室２８から第２の接続部２６への流体の流れを可能にするとともに、第２の接続部２６からバルブ室２８への流体の流れを妨げる第２の逆止め弁４２が設けられている。

駆動装置３８が不作動になると、バルブボディ３２およびスライダ３４はばね部材３０，３６により（下方に向かって）閉じた位置へと押圧され、この位置では、たとえば噴射装置の完全なエア抜きを可能にするために、スロットルバルブ１４が完全に閉じられる。

駆動装置３８の作動により、スライダ３４および弁体３２は（上方に向かって）開いた位置へと可動となる。バルブボディ３２が完全に開いた位置へと急速に動くことによるスロットルバルブ１４の急激な完全開放は、噴射および調量モジュール１０への空気の衝撃的な吸入を引き起こし、それにより、そこで弾性的な空気容積が作りだされ、これが凍結した流体の追加の容積を収容することができ、それによって噴射および調量モジュール１０の耐氷圧性を高める。

スロットルバルブ１４の完全ではない開放により、スロットルバルブ１４のスロットル機能を具体化することができる。完全に開いていない状態へのスロットルバルブ１４の正確な制御は、希望される噴射圧力を噴射および調量モジュール１０で調整することを可能にする。

スロットルバルブ１４の本発明によるポンプ機能は、スライダ３４の周期的な運動によって具体化可能である。駆動装置３８の制御により、スライダ３４が（上方に向かって）駆動装置３８に向かう方向へ動くと、バルブボディ３２が開いた位置へと動くだけでなく、これに加えて、柔軟なダイヤフラム３７が外方に向かって折り返されて、バルブ室２８の容積が拡大される。

バルブ室２８の容積の拡大によって引き起こされるバルブ室２８の圧力低下に基づき、流体２は第１の接続部２４から、この流動方向に開いている逆止め弁４０を通じて、バルブ室２８へと流れ込む。このようにしてバルブ室２８が流体で充填された後、駆動装置３８の相応の制御によって、ないしは駆動装置３８が不作動になった後にはばね部材３０，３６の力によって、スライダ３４が反対方向へ（下方に向かって）動く。スライダ３４と結合されている弾性的なダイヤフラム３７も、この場合、下方に向かってバルブプレート２２に向かう方向へ動き、その際にバルブ室２８の容積を縮小させる。バルブ室２８の容積の縮小はバルブ室２８の圧力を高め、流体はバルブ室２８から、第２の接続部２６に配置された第２の逆止め弁４２を通じて第２の接続部２６へ、およびそこからポンプの入力側へ、または流体リザーバ４へ戻るように流れる（図２参照）。

このように、スライダ３４を往復運動で周期的に駆動することでポンプ機能を具体化し、流体を第１の接続部２４からポンプ室２８を通じて第２の接続部２６へと送ることができる。両方の逆止め弁４０，４２は、バルブの急速な開放が重要となる「衝撃的な吸戻し」の機能のときに有意な抵抗とならないために、できる限り小さい力ないし低い流体圧力で開くことができるように構成されているのが好ましい。

柔軟なダイヤフラム３７により、バルブ室２８の容積は可変である。特にバルブ室２８の容積は、流体がポンプ室２８の中で凍結したときに、ダイヤフラム３７の伸長によって拡大する。このように本発明は、耐氷圧性のあるスロットルバルブ１４を有する噴射装置を提供するものである。

コントロール可能なスロットルバルブ１４を、２／３ウェイスロットルバルブ１４から、追加のポンプ機能を有する２／４ウェイスロットルバルブ１４へと本発明に基づいて拡張することは、噴射および調量モジュール１０からの流体の吸込を可能にするための噴射装置の費用とコストを大幅に引き下げる。

２ 流体
４ リザーバ
８ ポンプ
１０ 噴射および調量モジュール
１４ スロットルバルブ
１６ リターン配管
２４ 第１の接続部
２６ 第２の接続部
２８ バルブ室
３０ ばね部材
３２ バルブボディ
３６ ばね部材
３７ ダイヤフラム
３８ 駆動装置
４０ 逆止め弁
４２ 逆止め弁

本発明による噴射装置は、２つの接続部と４つの機能とを有する２／４ウェイスロットルバルブ１４として構成された、改良型のスロットルバルブ１４を有している。図１との関連で説明したような従来式のスロットルバルブ１４の３つの機能に加えて、本発明による２／４ウェイスロットルバルブ１４は、ポンプモード１４ｄへも切換可能である。ポンプモード１４ｄでは、噴射および調量モジュール１０からポンプ８の入力部へ、またはフィルタ６を通じてリザーバ４へ戻るように、流体を送ることが可能である。

Claims (10)

1. 特に内燃機関の排ガスラインに流体（２）を噴射する装置であって、
   噴射されるべき流体（２）を蓄えるためのリザーバ（４）と、
   噴射および調量モジュール（１０）と、
   作動時に流体（２）を前記リザーバ（４）から前記噴射および調量モジュール（１０）へ送出するために構成されたポンプ（８）と、
   前記噴射および調量モジュール（１０）からの流体（２）の流出を可能にするリターン配管（１６）とを有しており、前記リターン配管（１６）には切換可能なスロットルバルブ（１４）が配置されている、そのような装置において、
   前記スロットルバルブ（１４）は、前記噴射および調量モジュール（１０）から流体を送り出すのに適していることを特徴とする流体を噴射する装置。
2. 前記スロットルバルブ（１４）は送り出しに代えて、
   完全に閉じる、
   完全に開く、
   部分的に開く、
   の各動作状態のうちの少なくとも１つへと切換可能である、請求項１に記載の装置。
3. 前記スロットルバルブ（１４）は、少なくとも１つの第１の接続部（２４）および少なくとも１つの第２の接続部（２６）を備えるバルブ室（２８）と、前記バルブ室（２８）の中で可動のバルブボディ（３２）とを有している、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記スロットルバルブ（１４）は前記第１および前記第２の接続部（２４，２６）にそれぞれ逆止め弁（４０，４２）を有している、請求項３に記載の装置。
5. 前記バルブ室（２８）は少なくとも１つの側で柔軟なダイヤフラム（３７）により液密に閉鎖されており、前記ダイヤフラム（３７）は前記バルブ室（２８）の容積を変えるために駆動装置（３８）によって可動である、請求項３または４に記載の装置。
6. 前記スロットルバルブ（１４）は前記バルブボディ（３２）を閉じた位置へと押圧するために構成された少なくとも１つのばね部材（３０，３６）を有しており、および／または前記バルブボディ（３２）を閉じた位置から開いた位置へ動かすために構成されたリニアマグネット（３８）を有している、請求項３から５のいずれか１項に記載の装置。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の装置を作動させる方法において、前記方法は、前記スロットルバルブ（１４）の適当な制御によって流体（２）を送り出すことを含んでいる方法。
8. 前記方法は、前記スロットルバルブ（１４）の部分的な開放によって前記噴射および調量モジュール（１０）の圧力を調整することを追加的に含んでいる、請求項７に記載の装置を作動させる方法。
9. 前記方法は、前記ポンプ（８）の停止と前記スロットルバルブ（１４）の完全な開放によって前記噴射および調量モジュール（１０）に空気を吸い込ませることを追加的に含んでいる、請求項７または８に記載の装置を作動させる方法。
10. 前記方法は、前記噴射および調量モジュール（１０）をエア抜きするために前記スロットルバルブ（１４）を完全に閉じることを含んでいる、請求項７から９のいずれか１項に記載の装置を作動させる方法。

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