JP6067000B2 - 流体を注入するための注入装置 - Google Patents

Description

本発明は、流体を排気ガス処理装置内に注入するための注入装置に関し、その注入装置は注入器ホルダに配置される注入器を有する。

例えば、排気ガス構成物質の化学変換を実現するために、内燃エンジンの排気ガスを浄化する目的のために、流体が排気ガス処理装置に標的とされる方式で供給されることは公知である。この種類の流体は、例えば酸化剤または還元剤である。流体として、特に尿素水溶液が使用される。排気ガス中の有害な窒素酸化物を還元するために特に一般に使用される３２．５％の尿素水溶液は、例えばＡｄＢｌｕｅ（登録商標）という商標名で利用可能である。この種類の尿素水溶液を用いて、選択的接触還元法（ＳＣＲ）が排気ガス処理装置において実施され得る。流体の投与は注入器を有する注入装置により行われ得る。注入器は投与様式で流体を提供するために標的とする方式で開閉を再度できる。

このような注入装置の場合、一般に供給される流体は沈殿物を形成し得ることを考慮しなければならない。このような沈殿物は特に注入器の領域の注入装置において一般的である。その領域において、注入器に供給される流体の流路は多くの場合、供給される流体がゆっくりとなり、および／または渦巻くことを導く、構造的に誘導される転換部および拡張部を有する。これにより沈殿の形成が促進される。さらに、非常に高い温度変動が一般に注入装置において現れる。これによりまた、沈殿物の形成が増加する。特に、尿素水溶液が流体として使用される場合、高温（排気システムの近接において）が注入装置において既に発生している尿素水溶液の化学変化を引き起こし得、沈殿物の形成を加速させる。同様に、流体はまた、低温で凍結し得るので、体積の膨張に起因して注入器を損傷および／または遮断させることを考慮しなければならない。

これらのことを出発点として考慮して、本発明の目的は、従来技術に関して明らかとなった問題を少なくとも部分的に解決することである。特に、技術的に簡単な構造であり、温度変動の事象において注入器の機能を改善する、注入装置を開示することを目的とする。

前記目的は請求項１の特徴に係る注入装置により達成される。注入装置のさらなる有益な実施形態は従属請求項に特定される。請求項に個々に特定される特徴は、任意の所望の技術的に有用な方法で互いに組み合わされてもよく、本発明のさらなる実施形態を形成することは留意されるべきである。特に図面と併せた説明は本発明をより詳細に提示し、さらなる例示的な実施形態を特定する。

したがって、本発明は、排気ガス処理装置内に流体を注入するための注入装置であって、注入器ホルダに配置される注入器を有し、注入器は供給開口部を有し、構成要素が供給開口部内に延びる、装置に関する。

構成要素は、供給開口部に平行な方向の長手方向において（実質的に）堅固であり、長手方向に対する半径方向において少なくとも部分的に圧縮する場合、記載される注入装置は特に有益である。

注入装置は排気ガス処理装置内に流体を注入するのに特に適している。流体は特に還元剤または尿素水溶液である。したがって、ここで提案されるのは特に、自動車の排気ガス処理装置の排気ライン内に尿素水溶液を注入するための注入装置である。

注入器の供給開口部内に延びる構成要素により、まず、注入器内の流体の流れが加速することが可能となる。さらに、注入器内の流路または流れは均一になり得る。その構成要素によって、流れがあまり通過しない（または効果的に通過しない）領域がより良く流れるかまたはより良くパージ（浄化）されることも可能となるので、前記領域において沈殿物がより効果的に回避される。さらに、注入器の供給開口部の領域におけるコネクタにより誘導されるまたは注入器により誘導される大きな体積が減少し得、温度変動（沸騰および／または凍結）、蒸気泡、沈殿物および／または高い氷圧の事象でも、減少され得るかまたはさらに除去され得る。

提案される注入装置によって、流体の膨張が特に効果的な様式で補償され得る（埋め合わされ得る）。流体（例えば尿素水溶液）は例えば凍結すると膨張する。これは特に、注入装置の注入器の領域において問題がある。なぜなら、注入器は流体の体積の増加の結果として損傷を受け得るからである。

注入装置のラインシステム（すなわち特に注入装置の流体が充填される体積）は好ましくは、注入装置の最大の可能な投与精度を達成するために可能な限り堅固であるべきである。これは、ラインシステムをより堅固にすると、操作の間、ラインシステムの体積に対する圧力変動の作用がより少なくなるためである。特に、凍結した場合の流体の膨張の良好な補償に関して、ラインシステムの高度な柔軟性が有益である。柔軟性の程度を高くすると、氷の形成の間の膨張の間に生じる圧力は低くなり、凍結プロセスの間、注入装置（および特に注入器）に対する損傷の危険性はより低くなる。

記載した構成要素により、注入装置の領域において凍結する場合、ラインシステム（または流体が充填された体積）の特に低い圧縮率で、特に効果的な流体の膨張の補償を達成することが可能となることが見出される。還元剤の膨張はここで特に重要である。なぜなら、前記膨張は、注入装置に対する供給ダクト内の供給開口部の方向（長手方向）に離れて導かれ得るからである。したがって、供給開口部において、膨張を特に補償するために供給開口部の長手方向に垂直な半径方向における圧縮を示す構成要素を設けることは有益である。

前記（実質的に半径方向のみの）圧縮は、例えば供給ダクトに対して側方の構成要素の変位および／または変形により達成され得る。この目的のために、適切な場合、構成要素に設けられる間隔を利用することが可能となり、その間隔は、凍結プロセスの間の氷のための（可逆的）置換間隔を提供する。特に、生じる氷圧の事象において、構成要素の部分および／または構成要素自体が変形および／または圧縮され得る。

構成要素が、注入器ホルダにおける注入器と一緒に配置される少なくとも１つの挿入部により形成される場合、注入装置はさらに有益である。

前記種類の挿入部は、その位置に注入器を保持する目的のために注入器ホルダに設けられ得る。挿入部は好ましくは、注入器に対して供給ダクトの構成要素を形成する。供給ダクトは全体的に、さらなるライン部分を介して、流体のための送達ユニットおよび流体のためのタンクに接続される。

注入装置はまた、挿入部が、構成要素および供給開口部に通じ、注入器ホルダを通して延びる供給ダクトを有する場合、有益である。

注入器の供給開口部内に延びる構成要素は好ましくは、注入器の供給開口部の領域において、還元剤が流れることができる断面が供給ダクトの断面に実質的に対応して存在するように構成される。

注入装置はさらに、構成要素がパイプを備える場合、有益である。そのパイプは例えば、注入器に対して連続した供給ダクトを形成する。前記種類のパイプは注入器内の流路の特に効果的な均質化を生じる。前記パイプは好ましくは、供給開口部に隣接する注入器の内側ダクトにほぼ対応する内部断面を有する。

注入装置はさらに、構成要素が少なくとも１つの孔を有する場合、有益である。前記実施形態において、構成要素は好ましくはパイプ壁を有するパイプの形態である。孔（すなわち、複数の通路開口部、穴など）が前記パイプ壁に設けられる。パイプは好ましくは、構成要素全体にわたって均一に分配され、複数の開口部から構成される均一な孔を有する。孔によって、パイプ壁の表面積および体積は好ましくは少なくとも２０％減少し、表面積および体積は特に好ましくは５０％以下減少するはずである。

構成要素が少なくとも１つのゴム被覆により囲まれることもまた、提案される。ゴム被覆はさらに、沈殿物の形成を防止する。ゴム被覆のみの表面は沈殿物の恒久的な接着を防ぐ。さらに、ゴム被覆は弾性であり、供給ダクトにおける流体の圧力が変動する場合、その体積およびその形状を変化させる。ゴム被覆は例えば構成要素上で加硫処理されてもよい。ゴム被覆は好ましくは圧縮性材料から製造される。ゴム被覆によって、構成要素は半径方向において少なくとも部分的に圧縮することが達成される。ゴム被覆は特にまた、構成要素の構成部としても理解され得る。次いで構成要素は好ましくは、複数部分を形成し、（好ましくは堅固な）コアおよび周囲部、可撓性ゴム被覆を有する。

構成要素はさらに、ゴム被覆の領域において粗面を有してもよい。前記種類の表面は特に加硫処理したゴム被覆についての良好な滑り止めを提供する。粗面は好ましくは、５μｍ〜１５μｍの（平均化された）粗さ深さＲＺを有する。

さらなる変形例において、ゴム被覆はまた、構成要素上に締まりばめされてもよい。ゴム被覆は例えば、構成要素上に締まりばめホースの形態で取り付けられてもよい。締まりばめホースの形態のゴム被覆が構成要素上に取り付けられた後、締まりばめホースは作用し、周囲条件において特定の変化により締まる。周囲条件の変化は例えば周囲温度を一時的に増加させ得る。締まりばめの結果として、締まりばめホースまたはゴム被覆は次いで、構成要素に対してきつく取り付けられる。構成要素および締まりばめホースの表面は好ましくは、構成要素とゴム被覆との間に高い摩擦係数が存在するように設計される。摩擦係数は好ましくは０．６より大きく、特に好ましくは０．８より大きい。摩擦係数は、ゴム被覆と構成要素との間に伝えられ得る剪断応力と、ゴム被覆と構成要素との間に作用する通常の応力との比を規定する。通常の応力は、存在する場合、構成要素上で締められる場合、締まりばめホースにより付与される力により実質的に決定される。前記摩擦係数がより大きくなると、ゴム被覆は構成要素上でよりきつく封止され、構成要素上でスライドするゴム被覆の危険性がより低くなる。

前記種類のゴム被覆は例えばパイプの内側および外側に別々に形成され得るので、複数の（異なる）ゴム被覆が１つの構成要素に設けられてもよい。

例えば、パイプの形態の構成要素の外側におけるゴム被覆は、還元剤の沈殿物の形成が効果的に防がれるように構造化されてもよい。この目的のために、ゴム被覆は例えば外側で疎水性であってもよく、それにより尿素水溶液はそこのゴム被覆から液滴形態で落ちる。

還元剤の流れは通常、パイプの形態の構成要素の内側を通過するので、沈殿物は外側で大きな問題とならず、多くの場合、新たな還元剤の流れが定期的に通過しない領域が存在する。したがって、ゴム被覆は好ましくはここで、ゴム被覆上での還元剤を流れる摩擦が特に低く、それにより構成要素が特に低い流れ抵抗を示すように構成され得る。この目的のために、ゴム被覆は好ましくは、パイプの形態の構成要素の内側において特に低いレベルの粗度を示す。例えば、内側におけるゴム被覆の表面は、２μｍ未満、好ましくは１μｍ未満の平均化された粗さ深さＲＺを有する。

構成要素は好ましくはゴム被覆に対して実質的に堅固である材料から製造される。これにより、供給ダクトにおける流体の圧力が変動する場合、構成要素の基礎形状、例えばパイプ壁を有するパイプの形状が変形されないことが確保される。

ゴム被覆は注入器の供給開口部において構成要素を封止できる。ゴム被覆は、構成要素が供給開口部内に適合して挿入され得、構成要素と供給開口部との間の接続が封止されるように形成され得る。ゴム被覆は、構成要素と供給開口部との間の接触領域において（わずかに）圧縮され得るので、ゴム被覆は供給開口部の壁に対する前負荷に耐える。

さらに好ましい実施形態において、構成要素はゴム被覆および孔を有し、ゴム被覆は孔を少なくとも部分的に覆う。次いで供給ダクトにおける流体の圧力が非常に増加する場合、（少なくとも１つの）ゴム被覆は孔内に変形できる。これは例えば供給ダクトにおける流体が凍結する場合に生じ得る。一実施形態は、構成要素に対して締まりばめホースとして適用されるゴム被覆を有し、特に有益および安価な様式で達成され得る。前記種類のゴム被覆は、問題なく、孔がゴム被覆により完全に覆われずに、孔を横切って延びる。

構成要素の孔とゴム被覆との組み合わせの結果として、さらに注入装置のための特定の効果的な凍結保護手段を実現することが可能となる。注入装置における流体が凍結する場合、ゴム被覆は孔内に変形し得るので、凍結する場合、流体の体積膨張を補償する。

ゴム被覆と孔の組み合わせは好ましくは、ゴム被覆が、通常の操作圧力より高く存在する圧力にてのみ有意な程度まで孔内に変形するように提供される。これは、とりわけ、以下のパラメータの適切な選択により達成され得る：
孔の個々の開口部のサイズ；
ゴム被覆の厚さ；
ゴム被覆の弾性係数；および
孔の開口部にわたるゴム被覆の張力。

ゴム被覆は好ましくは、限界圧力以下の圧力でゴム被覆の変形が、多くても１００μｌ、好ましくは多くても５０μｌ、特に好ましくは多くても１０μｌの最大体積拡張を生じるように形成される。限界圧力は例えば３〜１０ｂａｒの範囲である。限界圧力を超える圧力において、５０μｌ／ｂａｒ超、好ましくは１００μｌ／ｂａｒ超の体積拡張が、圧力のさらなる増加に応じて発生することが好ましい。したがって、通常の操作の間、還元剤で満たされる体積はほぼ一定であるが、還元剤が凍結する場合、顕著な体積拡張が可能であることが確保され得る。

注入装置の一実施形態において、構成要素は可撓性材料から形成される。構成要素は特に可撓性材料から構成されるパイプであってもよい。構成要素は例えば、少なくとも部分的にまたはさらに完全に、細孔を有する材料から構成されてもよく、その細孔は閉鎖され、圧縮性ガス（例えば空気）で充填される。流体は好ましくは孔内に入ることができない。注入装置内の圧力が上昇する場合、孔内のガスは圧縮され得る。したがって構成要素は圧縮され得、それに応じて圧縮可能である。任意に、少なくとも１つの強化構造もまた構成要素（またはパイプ）に設けられてもよい。前記強化構造により、構成要素が長手方向において圧縮されるのが防がれ得る。強化構造は好ましくは半径方向における構成要素の圧縮に対して影響を受けない。

設計される構成要素は、特に注入器に近接または隣接する、少なくとも供給ダクトに対して側方の部分において半径方向におけるよりも長手方向において堅固であるように設計されることが好ましい。特に、注入器または供給ダクトにおいて長手方向に方向付けられる氷圧により、全体として構成要素の変位が生じる。一方、注入器または供給ダクトにおいて半径方向に方向付けられる氷圧により、構成要素の変形／圧縮（局所的に制限され、供給開口部に近接して配置される）が生じる。

構成要素が注入器に対して加速速度で流体を供給するように設計されることもまた有益であると考慮される。構成要素はまた、供給ダクトの収縮部を生じ得る。注入器の領域における流れの加速がこれにより達成される。沈殿物の防止がさらにこのように改善され得る。

供給開口部が第１の断面積を有し、第１の断面積の少なくとも４０％が構成要素により満たされることもまた、提案される。少なくとも５０％、特に好ましくは少なくとも７０％の断面積が満たされることが好ましい。注入器内の流れを確保するために、構成要素は断面積全体を満たすことができないことは自明であり、したがって、多くても８５％の満たされる割合を超えないことが好ましい。これにより、注入器の領域における流体が充填される体積が効果的に減少する。流体による効果的なパージおよび流体の流れの加速が達成され得るので、沈殿物の形成がこのように防がれ得る。

注入装置上に、長手方向において流体の膨張に対応するように設計される氷圧補償要素が設けられることが有益であるとみなされる。氷圧補償要素は好ましくは、長手方向において供給開口部と反対側に配置される。氷圧補償要素は例えば、（流体凍結の結果として）氷圧が注入装置において生じる場合、変形および／または変位できる弾性ベローズおよび／または可撓性隣接部の形態である。流体の膨張は、長手方向において注入器の供給開口部から離れて導かれ得、１つの特に有益な実施形態において、注入器の外側に配置される氷圧補償要素から離れて導かれ得る。氷圧補償要素は好ましくは、（通常の操作圧力において）注入装置の作動の間に実質的に堅固な特性を示し、より高い圧力の場合、さらに体積を広げ、流体の膨張に適応するように設計される。注入装置における氷圧補償要素の数および位置は例えば、注入装置の内部における氷形成プロセスに適合され得る。

本発明に係る注入装置は、注入器がバネにより注入器ホルダに留められる場合、さらに有益である。注入器は前記種類のバネにより注入器ホルダ内に固定して配置され得、同時に供給ダクトおよび注入器を封止するための封止部が、バネにより前負荷下で配置され得るので確実な封止が確保される。注入器が注入器ホルダにおいて挿入部と一緒に留められ、挿入部が供給ダクトを形成することが特に有益である。

注入器ホルダ内に留められる注入器により、氷圧補償要素が注入装置に設けられることが特に有益な様式で可能となる。構成要素は好ましくはバネと注入器との間に配置される。次いで構成要素は、バネにより付与される前負荷力に対向する注入器に対して変位可能である。長手方向における膨張は構成要素の変位により補償され得る。バネにより与えられる前負荷力は好ましくは、構成要素が（正常な操作圧力における）注入装置の操作の間に変位しないように設定される。

本発明は特に、内燃エンジン、内燃エンジンの排気ガスを浄化するための排気ガス処理装置、および排気ガス処理装置に流体を供給するための本発明に係る注入装置を有する自動車に使用される。

本発明を図面に基づいて以下により詳細に説明する。図面は特に本発明の好ましい実施形態の変形例を示すが、本発明はそれらに限定されないことは留意されるべきである。特に図面および特に例示した比率は単なる概略であることが留意されるべきである。

注入装置を示す。 注入装置の詳細を示す。 異なる注入装置を有する自動車を示す。 注入装置のさらなる詳細を示す。

図１は、注入器ホルダ３に配置される注入器２を有する本発明に係る注入装置１を示す。注入器２は、注入器２を開閉するための制御信号が導入され得る電気端子１８を有する。注入器２は供給開口部４を有し、その供給開口部４内に挿入部９の構成要素５が延在する。挿入部９はバネ１１により注入器ホルダ３において注入器２と一緒に留められる。バネ１１は好ましくは板バネである。注入器ホルダ３の上側領域はキャップ１６により形成される。挿入部９は供給ダクト１０を形成し、その供給ダクト１０を通して流体は注入器２内または注入器２の供給開口部４内を通過し得る。

注入器２および挿入部９はＯリングシール１７により周囲に対して封止される。

供給開口部４に対して平行に方向付けられた長手方向２３、および前記長手方向に対して垂直に方向付けられた半径方向２４も例示目的のために示す。

図２は図１に示した詳細Ａをより詳細に示す。この図面は、挿入部９および供給開口部４が配置される注入器２の部分を示す。挿入部９の構成要素５は供給開口部４内に延びる。挿入部９は供給ダクト１０を形成し、供給ダクト１０は供給開口部４内に流体を供給する機能をする。構成要素５はこの場合、（狭い）パイプ６の形態であり、パイプ６のパイプ壁１４は孔７を有する。孔７は好ましくは構成要素５またはパイプ壁１４における複数の開口部または凹部により形成される。

構成要素５またはパイプ壁１４は加硫ゴム被覆２２により囲まれる。ゴム被覆２２は好ましくは孔７にわたって延びる。図の右側における構成要素５の領域において、供給ダクト１０における圧力が増加した場合、ゴム被覆２２は孔７内に変形する仕方が見られ得る。

注入器２の供給開口部４は第１の断面積８を有する。前記第１の断面積８は、パイプ６によりまたはパイプ６のパイプ壁１４の断面積により少なくとも部分的に満たされる。挿入部９および注入器２はＯリングシール１７により周囲に対して封止される。

図３は、内燃エンジン１３および内燃エンジン１３の排気ガスを浄化するための排気ガス処理装置１５を有する自動車１２を示す。２つの異なる注入装置１を図３に示す。第１の注入装置１は内燃エンジン１３上に設けられ、例えば内燃エンジン１３内に燃料を供給する機能をする。この目的のために、前記注入装置１は燃料タンク２０から燃料が供給される。第２の注入装置１は排気ガス処理装置１５（の排気ライン）上に示され、排気ガス処理装置１５内に還元剤を供給する機能をし、その還元剤により、内燃エンジン１３の排気ガス中の窒素酸化物の選択接触還元がＳＣＲ触媒コンバータ（図示せず）において実施され得る。前記注入装置１には、還元剤タンク１９から還元剤が供給され、要求に応じて注入装置（複数も含む）１の操作が制御装置２１により制御される。

図４は注入装置のさらなる実施形態を詳細に示す。図２に対応する図４のそれらの詳細はここで再び説明せず、参照は前記図面に関する説明になされている。

図４において、注入器ホルダ３の構成要素５は同様に注入器２の供給開口部４内に延びる。この場合また、構成要素５はパイプ６の形態である。しかしながら前記パイプ６は孔を有さず、代わりに可撓性および／または圧縮性材料から構成される。パイプ６は例えば細孔２６を有する材料から構成されてもよく、その細孔は閉鎖され、圧縮性ガス（例えば空気）で充填される。流体は好ましくは細孔２６内に浸透できない。注入装置内の圧力が上昇する場合、細孔２６内のガスは圧縮され得る。このように構成要素５は圧縮され得る。すなわちその固有の体積に関して減少し、前記体積の減少は少なくとも部分的に氷により誘導される膨張を補償する（埋め合わせる）。加えてまたは代替として、少なくとも１つの強化構造２５もまた、構成要素５またはパイプ６に設けられてもよい。前記強化構造２５は構成要素５が長手方向２３において圧縮することを防止できる。強化構造２５は好ましくは、半径方向２４における構成要素５の圧縮に対して（顕著な）影響を受けない。

図面の説明に関して、それらに提示される機能、操作様式および技術的特徴はまた、本発明自体および／または他の図面の詳細に適用されてもよいこともまた留意されるべきである。詳細を調査した場合、当業者は、ある図面について本明細書に提示した機能、操作様式および／または技術的詳細がまた、他の図面のものと個々に組み合わされてもよいことを容易に認識するであろう。この場合の唯一の例外としては、そのような組み合わせが除外されているかまたは技術的に不可能な場合である。

１ 注入装置
２ 注入器
３ 注入器ホルダ
４ 供給開口部
５ 構成要素
６ パイプ
７ 孔
８ 第１の断面積
９ 挿入部
１０ 供給ダクト
１１ バネ
１２ 自動車
１３ 内燃エンジン
１４ パイプ壁
１５ 排気ガス処理装置
１６ キャップ
１７ Ｏリングシール
１８ 電気端子
１９ 還元剤タンク
２０ 燃料タンク
２１ 制御装置
２２ ゴム被覆
２３ 長手方向
２４ 半径方向
２５ 強化構造
２６ 細孔

Claims (7)

1. 排気ガス処理装置（１５）内に流体を注入するための注入装置（１）であって、注入器ホルダ（３）と、前記注入器ホルダ（３）に配置される注入器（２）と、前記注入ホルダ（３）に配置される挿入部（９）とを有し、
   前記注入器（２）は、前記排気ガス処理装置（１５）に前記流体を供給するための供給開口部（４）を有し、
   前記挿入部（９）は、前記注入器（２）の前記供給開口部（４）内に延びるパイプ状の構成要素（５）と該構成要素（５）に連なる供給ダクト（１０）を有し、
   前記構成要素（５）は、前記供給開口部（４）に平行な方向の長手方向（２３）において堅固であり、前記長手方向（２３）に対する垂直方向（２４）において少なくとも部分的に圧縮可能である、注入装置（１）。
2. 前記構成要素（５）が少なくとも１つのゴム被覆（２２）により囲まれる、請求項１に記載の注入装置（１）。
3. 前記構成要素（５）はパイプ壁を貫通する孔（７）を有し、前記ゴム被覆（２２）は前記孔（７）を少なくとも部分的に覆う、請求項２に記載の注入装置（１）。
4. 前記供給開口部（４）の断面積（８）に対する前記構成要素の断面積が占める割合は、前記構成要素（５）が加速速度で前記注入器（２）に流体を供給するように設計される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の注入装置（１）。
5. 前記供給開口部（４）の断面積（８）に対する前記構成要素の断面積が占める割合は４０％〜８５パーセントである、請求項４に記載の注入装置（１）。
6. 前記注入ホルダ（３）に形成されるキャップ（１６）側にバネ（１１）を介して前記挿入部（９）を配置することにより氷圧補償要素を構成し、長手方向（２３）において流体の膨張に適応するように設計される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の注入装置（１）。
7. 内燃エンジン（１３）、前記内燃エンジン（１３）の排気ガスを浄化するための排気ガス処理装置（１５）、および前記排気ガス処理装置（１５）に流体を供給するための請求項１〜６のいずれか一項に記載の注入装置（１）を有する、自動車（１２）。

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