JP2015017576A

JP2015017576A - 還元剤供給装置

Info

Publication number: JP2015017576A
Application number: JP2013146177A
Authority: JP
Inventors: 敏喜澤木; Toshiki Sawaki
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-07-12
Filing date: 2013-07-12
Publication date: 2015-01-29

Abstract

【課題】内燃機関の始動時における還元剤噴射弁の温度上昇を冷却水によって妨げないようにする。
【解決手段】貯蔵タンク内の液体還元剤を吸い上げて圧送するポンプと、圧送される液体還元剤を内燃機関の排気通路内へ噴射する還元剤噴射弁と、を備えた還元剤供給装置において、前記還元剤噴射弁は前記内燃機関の冷却水の流通路を有する保持ジャケットに保持されており、周囲温度に応じて冷却水の流通路を開閉可能な機械式弁を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、ポンプ及び還元剤噴射弁を備え、液体還元剤を内燃機関の排気通路に供給するための還元剤供給装置に関するものである。

ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排気ガス中には窒素酸化物（ＮＯ_X）が含まれている。従来、このＮＯ_Xを浄化するために用いられる排気浄化装置の一態様として、排気通路中に設けられた選択還元触媒と、選択還元触媒よりも排気上流側で排気中に液体還元剤としての尿素水溶液を供給する還元剤供給装置とを備え、尿素水溶液が分解して生成されるアンモニアによりＮＯ_Xの浄化を行うＳＣＲ（ＳｅｌｅｃｔｉｖｅＣａｔａｌｙｔｉｃＲｅｄｕｃｔｉｏｎ）システムが知られている。

このような排気浄化装置に用いられる還元剤供給装置では、還元剤供給装置内での尿素水溶液の凍結を防ぐために、内燃機関の停止時に尿素水溶液を貯蔵タンク内に回収することが行われている。一方、尿素水溶液を貯蔵タンクに回収した場合であっても、還元剤噴射弁内には少量の尿素水溶液が残ってしまい、残留する排気熱や長時間放置状態に晒されることによって残留する尿素水溶液中の水分が蒸発して、還元剤噴射弁内に尿素結晶の析出が生じる場合がある。

そのために、内燃機関の始動時においては、還元剤噴射弁の温度が、尿素結晶が融解する温度に上昇するまで、尿素水溶液の噴射制御を開始せずに待機することが行われる場合がある。

特開２０１１−０７４８８９号公報

ところで、内燃機関の運転中においては、排気熱の影響により還元剤噴射弁が高温に晒されるおそれがあることから、内燃機関の冷却水を循環させることができる流通路を備えた保持ジャケットに還元剤噴射弁を装着して使用されるものがある。この保持ジャケットを用いて内燃機関の冷却水により還元剤噴射弁が高温に晒されることを防ぐ還元剤供給装置においては、内燃機関の始動と同時に冷却水の循環も開始されることとなり、低温状態の冷却水を循環させることによって、還元剤噴射弁の温度を上昇させる妨げとなるおそれがあった。

これに対して、冷却水の流通路に電磁弁を設け、規定の条件を満たしたときに電磁弁を開け、又は閉じるようにする還元剤供給装置も提案されている。しかしながら、電磁弁を設ける場合には、当該電磁弁のコストが必要になるだけでなく、電子制御装置による制御も必要になって、生産コストの上昇につながることとなる。

本発明は、上記のような従来の問題を解決するためになされたものであり、内燃機関の始動時における還元剤噴射弁の温度上昇を冷却水によって妨げることのない還元剤供給装置及び排気浄化装置並びに保持ジャケットを提供することを目的とする。

本発明によれば、貯蔵タンク内の液体還元剤を吸い上げて圧送するポンプと、圧送される液体還元剤を内燃機関の排気通路内へ噴射する還元剤噴射弁と、を備えた還元剤供給装置において、前記還元剤噴射弁は前記内燃機関の冷却水の流通路を有する保持ジャケットに保持されており、周囲温度に応じて冷却水の流通路を開閉可能な機械式弁を備えることを特徴とする還元剤供給装置が提供され、上述した問題を解決することができる。

また、本発明の還元剤供給装置において、前記機械式弁は、バイメタルを用いて構成されることが好ましい。

また、本発明の還元剤供給装置において、前記機械式弁は、前記流通路を開閉する弁体と、前記弁体を変位させるバイメタルと、を備えることが好ましい。

また、本発明の還元剤供給装置において、前記バイメタルは、前記還元剤噴射弁の温度が１００℃以上相当の温度上昇時に前記流通路を開放する位置に前記弁体を変位させることが好ましい。

また、本発明の還元剤供給装置において、内燃機関の冷却水は、前記貯蔵タンク、前記ポンプ、及び前記液体還元剤の供給通路のうちの少なくとも一つを加熱する手段としても用いられ、前記保持ジャケットの流通路とは別の経路で流通されることが好ましい。

また、本発明の別の態様は、上述したいずれかの還元剤供給装置と、還元剤によって排気中の窒素酸化物を還元する選択還元触媒と、を備えた内燃機関の排気浄化装置である。

また、本発明のさらに別の態様は、貯蔵タンク内の液体還元剤を吸い上げて圧送して、還元剤噴射弁によって内燃機関の排気通路内へ前記液体還元剤を噴射するための還元剤供給装置に用いられ、前記還元剤噴射弁を冷却するための保持ジャケットにおいて、前記内燃機関の冷却水を流通させるための流通路と、周囲温度に応じて前記冷却水の流通路を開閉可能な機械式弁と、を備えることを特徴とする保持ジャケットである。

本発明の還元剤供給装置及び内燃機関の排気浄化装置並びに保持ジャケットによれば、内燃機関の始動後、周囲温度がある程度まで上昇し、冷却水の温度もある程度まで上昇するまで内燃機関の冷却水が保持ジャケット内を流通することがなくなり、排気熱等による還元剤噴射弁の温度の上昇を妨げることを低減することができる。

本発明の実施の形態に係る還元剤供給装置を備えた排気浄化装置の全体的構成の一例を示す図である。還元剤噴射弁が装着された冷却ジャケットの一例を示す斜視図である。機械式弁の構成の一例を説明するために示す図である。

以下、適宜図面を参照して、本発明の還元剤供給装置及び内燃機関の排気浄化装置並びに冷却ジャケットに関する実施の形態について具体的に説明する。
なお、以下に説明する実施の形態は本発明の一態様を示す例にすぎず、本発明の範囲内で適宜の変更が可能であることは言うまでもない。また、それぞれの図中、同じ符号を付してあるものについては、特に説明がない限り同一の部材を示しており、適宜説明が省略されている。

１．排気浄化装置の全体構成
図１は、還元剤供給装置２０を備える排気浄化装置１０の全体構成の一例を説明するために示す図である。
この排気浄化装置１０は、排気中のＮＯ_Xを浄化するための装置であり、ディーゼルエンジン等の内燃機関１の排気系に設けられている。排気浄化装置１０は、排気管１１の途中に介装された還元触媒１３と、還元触媒１３よりも上流側において排気管１１内に液体還元剤を供給するための還元剤供給装置２０とを備えている。

還元触媒１３は、排気中のＮＯ_Xの還元反応を促進する機能を有する触媒であり、液体還元剤から生成される還元成分を吸着するとともに、触媒に流れ込む排気中のＮＯ_Xを還元成分によって選択的に還元するものとなっている。還元剤供給装置２０は、液体還元剤として尿素水溶液が用いられるものであり、尿素水溶液が排気管１１中で分解されることにより還元成分としてのアンモニアが生成されるようになっている。

２．還元剤供給装置
図１において、還元剤供給装置２０は、液体還元剤が収容される貯蔵タンク２１と、液体還元剤を圧送するためのポンプユニット２２と、液体還元剤を排気管１１内に噴射するための還元剤噴射弁２５とを備えている。ポンプユニット２２は、ポンプ２３及び流路切換弁２４を備えている。還元剤噴射弁２５、ポンプ２３及び流路切換弁２４は、図示しない電子制御装置（ＥＣＵ）によって駆動制御が行われるものとなっている。

ポンプ２３と貯蔵タンク２１とは第１の供給通路３１によって接続され、ポンプ２３と還元剤噴射弁２５とは第２の供給通路３３によって接続されている。第２の供給通路３３には、第２の供給通路３３内の圧力、すなわち、還元剤噴射弁２５に圧送される液体還元剤の圧力を検出するための圧力センサ２７が設けられている。ポンプ２３と、第１の供給通路３１及び第２の供給通路３３とは、流路切換弁２４を介して接続されている。

流路切換弁２４は、ポンプ２３によって圧送される液体還元剤が流れる方向を、貯蔵タンク２１側から還元剤噴射弁２５側に流れる方向（以下「正方向」という。）と、還元剤噴射弁２５側から貯蔵タンク２１側に流れる方向（以下「逆方向」という。）とに切換える機能を有している。本実施の形態において、流路切換弁２４は、非通電状態で第１の供給通路３１をポンプ２３の吸入側に連通するとともに第２の供給通路３３をポンプ２３の吐出側に連通する一方、通電状態で第１の供給通路３１をポンプ２３の吐出側に連通するとともに第２の供給通路３３をポンプ２３の吸入側に連通するように構成されている。

すなわち、液体還元剤の噴射制御を行う際には、液体還元剤を還元剤噴射弁２５側に供給するために、流路切換弁２４への通電は行われない。このとき、液体還元剤は正方向に流れる。一方、内燃機関の停止時において、還元剤供給装置２０内の液体還元剤を貯蔵タンク２１に回収する場合には、流路切換弁２４に対して通電される。このとき、液体還元剤は逆方向に流れる。

なお、液体還元剤を貯蔵タンク２１に回収可能とする構成は、流路切換弁２４を設ける例に限られない。例えば、逆回転可能なポンプ２３を用いることによって液体還元剤を回収可能に構成することもできる。

また、第２の供給通路３３の途中には、他端が貯蔵タンク２１に接続されたリターン通路３５が分岐して設けられている。リターン通路３５の途中には、流路面積が小さくされた絞り部３６が設けられ、第２の供給通路３３内の圧力を保持できるようになっている。また、絞り部３６よりも貯蔵タンク２１側のリターン通路３５には、液体還元剤が貯蔵タンク２１側から第２の供給通路３３側に流れないようにするための一方向弁３７が設けられている。一方向弁３７は省略されていても構わない。

なお、図１に示す還元剤供給装置２０においてはポンプユニット２２内に圧力センサ２７が設けられているが、第２の供給通路３３内の圧力を検出できる位置であれば、どの位置に設けられていても構わない。

ポンプ２３は、ＥＣＵによる通電制御によって、所定の流量の液体還元剤を圧送する。図１の還元剤供給装置２０において、ポンプ２３は電磁式ポンプが用いられており、駆動デューティ比が大きいほどポンプ２３の出力（吐出流量）が大きくなるものとなっている。このポンプ２３が、液体還元剤を貯蔵タンク２１に回収するための手段としての機能も有する。

還元剤噴射弁２５は、内燃機関の運転状態において、ＥＣＵによる通電制御によって開閉制御が行われ、所定量の液体還元剤を排気管１１内に噴射する。還元剤噴射弁２５は、非通電状態で閉弁し、通電状態で開弁する、電磁式のオンオフ弁が用いられている。一方、還元剤噴射弁２５は、内燃機関の停止時において、液体還元剤を回収する際には、開弁状態で維持される。これにより、還元剤噴射弁２５の噴孔を介して空気（排ガス）が第２の供給通路３３に導入され、液体還元剤が貯蔵タンク２１内に回収されやすくなる。

また、還元剤供給装置２０には、液体還元剤の凍結を防止するため、あるいは、凍結した液体還元剤を解凍するための加熱手段が設けられている。具体的に、第１の供給通路３１、第２の供給通路３３、リターン通路３５及びポンプユニット２２には、それぞれ加熱手段としての電熱ヒータ１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄが備えられている。電熱ヒータ１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄは、電力供給源３８により電力が供給され、ＥＣＵによって作動制御が実行されるものとなっている。

２．冷却水循環システム
図１に示す還元剤供給装置２０には、内燃機関１の冷却水を循環させる冷却水循環システムが設けられている。
冷却水循環ポンプ５によって循環される冷却水は、分岐部７において内燃機関１の冷却装置から分岐して還元剤供給装置２０内を流通し、分岐部８において内燃機関１の冷却装置に戻される。

還元剤供給装置２０内を流通する冷却水は、分岐部４８においてさらに分岐し、一方の流通路４７が貯蔵タンク２１、ポンプユニット２２、第１の供給通路３１及び第２の供給通路３３に沿って流れ、他方の流通路４５が還元剤噴射弁２５が装着される冷却ジャケット４０内を流通する。それぞれの流通路４５，４７を流れた冷却水は、分岐部４９において合流し、内燃機関１の冷却装置に戻される。

このうち、流通路４７側を流れる冷却水は、主として加熱手段としての機能を果たす。すなわち、内燃機関１の始動後には内燃機関１の冷却水の温度が徐々に上昇するために、貯蔵タンク２１、第１の供給通路３１、ポンプユニット２２及び第２の供給通路３３内で液体還元剤が凍結しているおそれがある場合に、冷却水の熱によって凍結した液体還元剤を解凍させるために用いられる。したがって、一旦液体還元剤が解凍した後など、冷却水を循環させる必要が無い場合もあることから、電磁弁４６によって流通路４７内の液体還元剤の流通の可否を制御できるようになっている。

なお、加熱手段として電熱ヒータ等の別の手段が用いられる場合には、流通路４７を省略した構成とすることもできる。

また、流通路４５側を流れる冷却水は、主として冷媒としての機能を果たす。すなわち、内燃機関１の始動後には排気熱の影響を受けて還元剤噴射弁２５が高温に晒されるおそれがあることから、冷却ジャケット４０内を冷却水を循環させることによって、熱交換作用で還元剤噴射弁２５の徐熱を行うために用いられる。

３．冷却ジャケット
図２は、本実施の形態にかかる還元剤供給装置２０に用いられる冷却ジャケット４０の一例を示す斜視図である。
この冷却ジャケット４０は、還元剤噴射弁２５を装着した状態で、固定穴４４，４５を利用して排気管１１に対して固定するために用いるものとなっている。

冷却ジャケット４０は、インレット配管部４２とアウトレット配管部４３とを有している。これらのインレット配管部４２及びアウトレット配管部４３には流通路４５を構成する冷却水配管が接続され、インレット配管部４２から導入される内燃機関の冷却水が、冷却ジャケット４０内の図示しない冷却水流通路を流れてアウトレット配管部４３から導出される。冷却ジャケット４０には還元剤噴射弁２５が装着されており、冷却水流通路を流れる冷却水によって還元剤噴射弁２５が徐熱されるものとなっている。

本実施の形態において、冷却ジャケット４０のインレット配管部４２には機械式弁４１が設けられている。機械式弁４１は、周囲温度に応じて冷却水の流通路を開閉可能に構成されたものとなっている。つまり、ＥＣＵ等による制御等が不要に構成された機械式構成の弁として構成されている。

図３（ａ）及び（ｂ）は、本実施の形態にかかる機械式弁４１の動作を断面図により示している。図３（ａ）〜（ｂ）において、左側が冷却水の流れの上流側（図１の分岐部４８側）であり、右側が冷却水の流れの下流側（図１の冷却ジャケット４０内部側）である。
この機械式弁４１は、ケーシング５６と、弁体５２と、弁体５２を閉弁方向に付勢するコイルバネ５５と、弁体５２を変位させるバイメタル５１とを備えている。弁体５２は、弁軸５２ｂと、ケーシング５６の接地部５７に接地可能な弁本体５２ａとにより構成されている。

バイメタル５１は、熱膨張率が異なる２枚の金属板５１ａ，５１ｂを貼り合わせ、その一端側をケーシング５６に固定するとともに、その他端側を弁軸５２ｂに支持させている。本実施の形態においては、高膨張率の金属板５１ａを分岐部４８側、低膨張率の金属板５１ｂを冷却ジャケット内部４０側に配置している。また、高膨張率の金属板５１ａは、その膨張温度は冷却水によって還元剤噴射弁２５の昇温の妨げとならない温度以上、例えば、４０℃以上となるように使用金属（合金）が選択されている。したがって、低膨張率の金属板５１ｂは、高膨張率の金属板５１ａが膨張する温度以下に対して膨張変化しないように使用金属（合金）が選択されている。

このような構成においては、内燃機関１の停止状態で、バイメタル５１の周囲温度が低い場合、例えば、４０℃未満の場合には、図３（ａ）に示すように、コイルバネ５５の付勢力によって弁軸５２ｂが図の左側に保持され、弁本体５２ａが接地部５７に当接した状態となる。したがって、冷却水の流通路４５は閉鎖された状態で維持される。

一方、内燃機関１が始動して、排気管１１及び冷却ジャケット４０を介して排気熱が機械式弁４１に伝達され、バイメタル５１部分の周囲温度も上昇して高膨張率の金属板５１ａの膨張温度に達すると、図３（ｂ）に示すように、金属板５１ａの熱膨張によりバイメタル５１が屈曲する。この金属板５１ａの熱膨張によりバイメタル５１が屈曲すると、弁軸５２ｂがスプリング５５の付勢力に抗して冷却ジャケット４０側へと変位し、弁本体５２ａが接地部５７から離れて、冷却水通過孔５４が開放される。これにより、流通路４５内の冷却水は、冷却水通過孔５４を介して冷却ジャケット４０内に導入され、還元剤噴射弁２５の冷却機能が発揮しはじめる。

このように、機械式弁４１は、ＥＣＵ等による制御を要せず、周囲温度に応じてバイメタル５１によって冷却水通過孔５４が開閉される。したがって、内燃機関１の始動時において、バイメタル５１の周囲温度、すなわち、冷却ジャケット４０の周囲温度が低い場合には冷却水を冷却ジャケット４０内に流通させることがない一方、排気熱の影響を受けてバイメタル５１の周囲温度、すなわち、冷却ジャケット４０の周囲温度が上昇した場合には冷却水が冷却ジャケット４０内を流通し始める。

したがって、還元剤噴射弁２５がある程度加温されるまでは、冷却水によって当該加温が阻害されることがなく、還元剤噴射弁２５内で結晶化した尿素水溶液の解凍をおくらせることがない。さらに、還元剤噴射弁２５が高温に加熱される状態においては、冷却水によって還元剤噴射弁２５を冷却することができる。

１：内燃機関、５：冷却水循環ポンプ、７・８：分岐部、１０：排気浄化装置、１１：排気管、１３：還元触媒、２０：還元剤供給装置、２１：貯蔵タンク、２２：ポンプユニット、２３：ポンプ、２４：流路切換弁、２５：還元剤噴射弁、２７：圧力センサ、３１：第１の供給通路、３３：第２の供給通路、３５：リターン通路、３６：絞り部、３７：一方向弁、４０：冷却ジャケット、４１：機械式弁、４５・４７：流通路、４８・４９：分岐部

Claims

貯蔵タンク内の液体還元剤を吸い上げて圧送するポンプと、圧送される液体還元剤を内燃機関の排気通路内へ噴射する還元剤噴射弁と、を備えた還元剤供給装置において、前記還元剤噴射弁は前記内燃機関の冷却水の流通路を有する保持ジャケットに保持されており、周囲温度に応じて冷却水の流通路を開閉可能な機械式弁を備えることを特徴とする還元剤供給装置。
前記機械式弁は、バイメタルを用いて構成されることを特徴とする請求項１に記載の還元剤供給装置。
前記機械式弁は、前記流通路を開閉する弁体と、前記弁体を変位させるバイメタルと、を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の還元剤供給装置。
前記バイメタルは、前記還元剤噴射弁の温度が１００℃以上相当の温度上昇時に前記流通路を開放する位置に前記弁体を変位させることを特徴とする請求項３に記載の還元剤供給装置。
前記内燃機関の冷却水は、前記貯蔵タンク、前記ポンプ、及び前記液体還元剤の供給通路のうちの少なくとも一つを加熱する手段としても用いられ、前記保持ジャケットの流通路とは別の経路で流通されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の還元剤供給装置。
請求項１〜５のいずれか一項に記載の還元剤供給装置と、還元剤によって排気中の窒素酸化物を還元する選択還元触媒と、を備えた内燃機関の排気浄化装置。
貯蔵タンク内の液体還元剤を吸い上げて圧送して、還元剤噴射弁によって内燃機関の排気通路内へ前記液体還元剤を噴射するための還元剤供給装置に用いられ、前記還元剤噴射弁を冷却するための保持ジャケットにおいて、前記内燃機関の冷却水を流通させるための流通路と、周囲温度に応じて前記冷却水の流通路を開閉可能な機械式弁と、を備えることを特徴とする保持ジャケット。