特許第5738155号(P5738155)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】5738155
(24)【登録日】2015年5月1日
(45)【発行日】2015年6月17日
(54)【発明の名称】エンジンの還元剤噴射ノズル
(51)【国際特許分類】
   F01N 3/08 20060101AFI20150528BHJP
   F01N 3/36 20060101ALI20150528BHJP
   B01D 53/94 20060101ALI20150528BHJP
【FI】
   F01N3/08 B
   F01N3/36 M
   B01D53/36 101A
【請求項の数】4
【全頁数】13
(21)【出願番号】特願2011-255488(P2011-255488)
(22)【出願日】2011年11月22日
(65)【公開番号】特開2013-108460(P2013-108460A)
(43)【公開日】2013年6月6日
【審査請求日】2014年9月25日
(73)【特許権者】
【識別番号】000003908
【氏名又は名称】UDトラックス株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100129425
【弁理士】
【氏名又は名称】小川 護晃
(74)【代理人】
【識別番号】100087505
【弁理士】
【氏名又は名称】西山 春之
(74)【代理人】
【識別番号】100167025
【弁理士】
【氏名又は名称】池本 理絵
(74)【代理人】
【識別番号】100168642
【弁理士】
【氏名又は名称】関谷 充司
(74)【代理人】
【識別番号】100136227
【弁理士】
【氏名又は名称】長谷 玲子
(74)【代理人】
【識別番号】100099623
【弁理士】
【氏名又は名称】奥山 尚一
(74)【代理人】
【識別番号】100096769
【弁理士】
【氏名又は名称】有原 幸一
(74)【代理人】
【識別番号】100107319
【弁理士】
【氏名又は名称】松島 鉄男
(74)【代理人】
【識別番号】100114591
【弁理士】
【氏名又は名称】河村 英文
(74)【代理人】
【識別番号】100125380
【弁理士】
【氏名又は名称】中村 綾子
(74)【代理人】
【識別番号】100142996
【弁理士】
【氏名又は名称】森本 聡二
(74)【代理人】
【識別番号】100154298
【弁理士】
【氏名又は名称】角田 恭子
(74)【代理人】
【識別番号】100166268
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 祐
(74)【代理人】
【識別番号】100170379
【弁理士】
【氏名又は名称】徳本 浩一
(74)【代理人】
【識別番号】100161001
【弁理士】
【氏名又は名称】渡辺 篤司
(74)【代理人】
【識別番号】100179154
【弁理士】
【氏名又は名称】児玉 真衣
(74)【代理人】
【識別番号】100180231
【弁理士】
【氏名又は名称】水島 亜希子
(74)【代理人】
【識別番号】100184424
【弁理士】
【氏名又は名称】増屋 徹
(74)【代理人】
【識別番号】100078330
【弁理士】
【氏名又は名称】笹島 富二雄
(72)【発明者】
【氏名】杉山 敏
【審査官】 山田 由希子
(56)【参考文献】
【文献】 特表2003−510175(JP,A)
【文献】 特表2002−531743(JP,A)
【文献】 特開2008−075603(JP,A)
【文献】 特許第3715985(JP,B1)
【文献】 特表2008−509328(JP,A)
【文献】 特開2009−250116(JP,A)
【文献】 特開2008−151087(JP,A)
【文献】 特開2009−257234(JP,A)
【文献】 特表2012−533704(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
F01N 3/08
F01N 3/36
B01D 53/86−53/94
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
エンジンの排気中の窒素酸化物を還元するための液体還元剤又はその前駆体をエアーと共に前記エンジンの排気管内に噴射する還元剤噴射ノズルであって、
前記還元剤噴射ノズルは、途中に折曲部を有して前記排気管内に延設され、かつ、閉塞される先端部の周方向に複数の噴射孔が形成され、
前記先端部の周方向において前記折曲部の曲げの外側に近い噴射孔の径を、前記曲げの内側に近い噴射孔の径よりも小さくした、エンジンの還元剤噴射ノズル。
【請求項2】
前記曲げの外側に近く、かつ、前記折曲部に近いほど、噴射孔の径をより小さくした、請求項1記載のエンジンの還元剤噴射ノズル。
【請求項3】
前記噴射孔を前記先端部の軸方向に複数列に形成すると共に、各列間で相互に周方向に噴射孔の位置をずらし、かつ、前記還元剤噴射ノズルの軸を含む平面を境に対称の角度位置となるように前記噴射孔を配置し、
前記曲げの外側に最も近い噴射孔を小径に形成し、かつ、前記曲げの外側に次に近い噴射孔のうちでより上流側の噴射孔を前記小径に形成し、他の噴射孔を大径に形成した、請求項2記載のエンジンの還元剤噴射ノズル。
【請求項4】
前記還元剤噴射ノズルは、前記排気管の周壁に取り付けられ、前記周壁から前記排気管の軸心に向けて延設されたのち、前記軸心よりも手前側で前記折曲部によって排気流れ方向に向けて延設され、
前記先端部の周方向において前記折曲部の曲げの内側となる所定角度範囲を除いて、前記噴射孔を設けた、請求項1〜3のいずれか1つに記載のエンジンの還元剤噴射ノズル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、エンジンの排気中の窒素酸化物を還元するための液体還元剤又はその前駆体をエアーと共に前記エンジンの排気管内に噴射する還元剤噴射ノズルに関する。
【背景技術】
【0002】
従来、エンジンの排ガス中の窒素酸化物NOxを還元する排気浄化装置として、エンジンの排気管に還元触媒を配置し、この還元触媒の上流側の排気管に液体還元剤又はその前駆体を供給し、還元触媒で窒素酸化物NOxを還元反応させる装置が知られている。
【0003】
また、上記の排気浄化装置において、液体還元剤又はその前駆体を排気管内に噴射する還元剤噴射ノズルとして、排気管の周壁に取り付けられ、前記周壁から排気管の軸心に向けて延設され、排気の流れ方向に向けて折曲したノズル先端部を備え、前記ノズル先端部の周方向に複数の噴射孔を形成したノズルが用いられている(例えば、特許文献1及び特許文献2参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特許第4090972号公報
【特許文献2】特許第3715985号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ところで、還元剤噴射ノズルが、途中に折曲部を備え、かつ、液体還元剤又はその前駆体と共に加圧エアーを噴射する場合、折曲部で発生する境界層などに影響されて、各噴射孔から噴射される液体還元剤又はその前駆体の量にばらつきが発生することがあった。
【0006】
各噴射孔から噴射される液体還元剤又はその前駆体の量がばらつくと、排気ガスに添加される液体還元剤又は前駆体の分布にむらが発生し、窒素酸化物NOxの転換率が低下するという問題が生じる。
【0007】
そこで、本発明は上記従来技術の問題点に鑑み、各噴射孔から噴射される液体還元剤又はその前駆体の量のばらつきを抑制できる、エンジンの還元剤噴射ノズルを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
このため、本発明に係る還元剤噴射ノズルは、ノズル先端部の周方向において折曲部の曲げの外側に近い噴射孔の径を、前記曲げの内側に近い噴射孔の径よりも小さくした。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、折曲部を備えた還元剤噴射ノズルにおいて、噴射孔の径を均一とする場合よりも、液体還元剤又はその前駆体の噴射量のばらつきを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
図1】本発明の実施形態におけるディーゼルエンジンを示す概略図
図2図1のディーゼルエンジンに備えられる還元剤噴射ノズルを示す図
図3図2の還元剤噴射ノズルの先端部を示す部分拡大図
図4図2の還元剤噴射ノズルの噴射孔を示す部分拡大断面図
図5図2の還元剤噴射ノズルの噴射孔の配置を説明するための模式図
図6図2の還元剤噴射ノズルの噴射孔形成範囲(噴射範囲)を示す図
図7】還元剤噴射ノズルの噴射孔を均一径とした場合の各噴射孔における噴射量を示すグラフ
図8】ノズル先端部が排気の流れ方向に対して傾けられる還元剤噴射ノズルを示す図
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、添付した図面を参照して本発明の実施形態を詳述する。
図1は、本発明に係る還元剤噴射ノズルを含む、エンジンの排気浄化装置を示す。
図1において、ディーゼルエンジン10の吸気マニフォールド12に接続される吸気管14には、上流側から順に、空気中の埃などを除去するエアクリーナ16,ターボチャージャ18のコンプレッサ18A,ターボチャージャ18によって高温となった吸気を冷却するインタークーラ20,吸気脈動を平滑化する吸気コレクタ22などが配設される。
【0012】
一方、ディーゼルエンジン10の排気マニフォールド24に接続される排気管26には、上流側から順に、ターボチャージャ18のタービン18B,連続再生式DFP(Diesel Particulate Filter)装置28,還元剤前駆体としての尿素水溶液を噴射する還元剤噴射ノズル30,尿素水溶液によって生成されるアンモニア(還元剤)を使用してNOxを還元するSCR触媒(還元触媒)32,SCR触媒32を通過したアンモニアを酸化させる酸化触媒34などが配設される。
【0013】
連続再生式DPF装置28は、少なくともNO(一酸化窒素)をNO2(二酸化窒素)へと酸化させる酸化触媒であるDOC(Diesel Oxidation Catalyst)28Aと、排気中のPM(Particulate Matter)を捕集するフィルタであるDPF28Bと、を含む。
尚、連続再生式DPF装置28の代わりに、ディーゼル・パーティキュレート・フィルター(DPF)に酸化触媒成分を付加し、フィルタ機能と共に酸化機能を併せ持つ、CSF(Catalyzed Soot Filter)を使用することもできる。
【0014】
還元剤噴射ノズル30には、還元剤供給装置38によって、還元剤タンク36に貯留された尿素水溶液(還元剤前駆体)、及び、エアータンク39に貯留された加圧エアー(圧縮空気)が供給される。そして、還元剤噴射ノズル30は、尿素水溶液を加圧エアーと共に、SCR触媒32上流の排気管26内に噴射する。
ここで、還元剤供給装置38は、還元剤噴射ノズル30に供給する尿素水溶液、即ち、還元剤タンク36からSCR触媒32に供給する尿素水溶液の流量を制御する。
【0015】
本実施形態では、還元剤としてのアンモニアを用いてSCR触媒32における還元反応を行わせるが、加水分解して容易にアンモニアを発生させる尿素水溶液を、還元剤(アンモニア)の前駆体として、還元剤噴射ノズル30から噴射させる。
尚、還元剤噴射ノズル30から、アンモニア水溶液(液体還元剤)を噴射させることができる。
【0016】
また、例えば、DPF28Bを通過した排気が、進行方向を180°だけ変え、それまでとは逆方向に進んで、SCR触媒32に流入するように、排気経路が、DPF28BとSCR触媒32との間で折り返されるように形成することができる。
また、少なくとも還元剤噴射ノズル30と、当該還元剤噴射ノズル30の下流に配置されるSCR触媒(酸化触媒)32とを備えればよく、SCR触媒32と酸化触媒34との間にDPF28Bを配置したり、酸化触媒34の下流側にDPF28Bを配置したりすることができる。
【0017】
還元剤タンク36に貯留される尿素水溶液は、ポンプ、流量制御弁などを内蔵した還元剤供給装置38を経由して、噴射ノズル30に供給される。ここで、還元剤供給装置38を、ポンプを内蔵したポンプモジュールと、流量制御弁を内蔵したドージングモジュールとに分割することができる。また、噴射ノズル30は、還元剤供給装置38と一体化することができる。
【0018】
連続再生式DPF装置28と噴射ノズル30との間の排気管26には、エンジン運転状態の一例としての排気温度を検出する排気温度センサ40が取り付けられる。
排気温度センサ40の出力信号は、コンピュータを内蔵した還元剤添加コントロールユニット(DCU)44に入力される。
【0019】
また、還元剤添加コントロールユニット44は、CAN(Controller Area Network)などの車載ネットワークを介して、ディーゼルエンジン10を電子制御するエンジンコントロールユニット(ECU)46と接続されている。還元剤添加コントロールユニット44は、エンジンコントロールユニット(ECU)46から、エンジン運転状態の一例としてのエンジン回転速度及びエンジン負荷などの情報を読み込む。
【0020】
そして、還元剤添加コントロールユニット44は、内蔵するROM(Read Only Memory)などに予め記憶された制御プログラムを実行することで、排気温度、エンジン回転速度、エンジン負荷などのエンジン運転状態に応じて還元剤供給装置38を制御し、噴射ノズル30からの尿素水溶液の噴射を制御する。
【0021】
図2図4は、噴射ノズル30を詳細に示す図である。
図2は、噴射ノズル30が取り付けられる部分の排気管26を、排気管26の軸心及び噴射ノズル30の取付部を含む断面で示す図である。
【0022】
噴射ノズル30は、先端が閉塞される中空パイプで形成され、排気管26の周壁に設けた取付部26aから、排気管26の径方向に沿って、排気管26の軸心26bに向けて延設され、軸心26bの手前で排気流れ方向(下流側)に向けて略直角に折り曲げられ、閉塞先端30a近傍の周壁部分に、噴射孔301を周方向に複数形成してある。
即ち、噴射ノズル30は、取付部26aから排気管26の径方向に沿って軸心26bに向けて延設されるノズル基端部302と、折曲部303と、排気管26の軸心26bと略平行に排気下流側に向けて延設されるノズル先端部304とで構成される。
【0023】
図3(A),(B)は、ノズル先端部304の拡大図である。
この図3(A),(B)に示すように、噴射孔301は、ノズル先端部304の軸方向に複数列、一例として2列に形成され、かつ、各列間で相互に噴射孔301の位置を周方向にずらしてあり、下流側の例には4個の噴射孔301が設けられ、上流側の例にも4個の噴射孔301が設けられ、総計で8個の噴射孔301を設けてある。
【0024】
更に、各噴射孔301の軸は、図3(A)に示すように、ノズル先端部304の径方向から排気下流側に傾けてある。但し、各噴射孔301の軸を、ノズル先端部304の径方向に設定することができる。
図4は、ノズル先端部304の噴射孔301が設けられる部分の断面図、詳細には、図3(B)のIV−IV断面図である。尚、図4では、噴射孔301の軸心がノズル先端部304の径方向に一致するものとして示してある。
また、図5は、噴射孔301の配置を模式的に示す図である。
【0025】
この図4,5に示すように、ノズル先端部304の閉塞先端30a近傍の周壁に、軸方向に2列に設けられる噴射孔のうち、上流側の列は、図4に破線で示す噴射孔301a,301c,301e,301gの4つの噴射孔からなり、下流側の列は、図4に実線で示す噴射孔301b,301d,301f,301hの4つの噴射孔からなる。
【0026】
ここで、ノズル先端部304の周壁において、取付部26aから最も遠い角度位置(曲げの外側の角度位置)を基準角度位置αとすると、噴射孔301dと噴射孔301eとは、基準角度位置αから左右方向に同じ角度βだけ離れた位置に設けられ、噴射孔301cと噴射孔301fとは、基準角度位置αから左右方向に同じ角度3βだけ離れた位置に設けられ、噴射孔301bと噴射孔301gとは、基準角度位置αから左右方向に同じ角度5βだけ離れた位置に設けられ、噴射孔301aと噴射孔301hとは、基準角度位置αから左右方向に同じ角度7βだけ離れた位置に設けられる。
【0027】
ここで、角度βは、例えば15°〜17°程度、一例として、16.75°に設定される。
即ち、8個の噴射孔301a〜301hは、ノズル基端部302の軸心302a及びノズル先端部304の軸心304a(噴射ノズル30の軸心)を含む平面を境に対称となる角度位置に形成されており、かつ、取付部26aから遠い側、換言すれば、折曲部303の曲げの外側となる部分に偏って設けてある。
【0028】
更に、噴射孔301a〜301hの径(直径)は、同一ではなく、図4及び図5に示すように、噴射孔301c,301d,301eを同一径D1に形成し、他の噴射孔301a,301b,301f〜301hを同一径D2に形成してあり、かつ、径D1<径D2としてある。ここで、例えば、径D1は、0.45mm程度、径D2は、0.55mm程度とする。
【0029】
即ち、8個の噴射孔301a〜301hのうち、曲げの外側(基準角度位置α)に最も近い2つの噴射孔301d,301eの径を共に小径D1に形成し、曲げの外側(基準角度位置α)に対して次に近い2つの噴射孔301c,301fのうち、より上流側である噴射孔301cを小径D1に形成し、より下流側である噴射孔301fを大径D2に形成し、噴射孔301c,301fよりも曲げの内側に近い噴射孔301a,301b,301g,301hを共に大径D2に形成してある。
【0030】
噴射ノズル30のノズル先端部304は、排気管26の軸心26bよりも取付部26aに近い位置に配置されるため、ノズル先端部304の径方向における排気管26の周壁までの距離は均一ではなく、取付部26aに近い側、換言すれば、折曲部303の曲げの内側となる部分でより近くなる。
このため、ノズル先端部304の取付部26aに近い側に設けた噴射孔から、尿素水溶液を加圧エアーと共に噴射すると、排気管26の内周壁に尿素水溶液が付着し、排気管26の内周壁に付着した尿素水溶液から水分が蒸発して尿素が析出し、尿素が堆積する可能性がある。
【0031】
そこで、ノズル先端部304の取付部26aに近い側、換言すれば、排気管26の内周壁に近い側には、噴射孔301を設けないようにし、排気管26の内周壁までの距離が一定以上となる角度位置に噴射孔301を設けて、尿素水溶液を噴射させる。このようにすれば、図6に示すように、排気管26の内周壁に近い位置から尿素水溶液が噴射されないので、排気管26の内周壁に対する尿素水溶液の付着量が軽減し、尿素の堆積を抑制することができる。
【0032】
尚、噴射孔301を設ける角度範囲(角度β、噴射孔の数)は、排気管26の内周壁に対する尿素水溶液の付着量を軽減しつつ、尿素水溶液の添加ばらつきを抑制できるように適宜設定する。
また、前述のように、噴射孔301a〜301hの径は、同一ではなく、小径D1の噴射孔と大径D2の噴射孔とを設けてあり、これによって、各噴射孔301a〜301hから噴射される尿素水溶液のばらつきを抑制するようにしてある。
【0033】
図7は、噴射孔301a〜301hを上記と同じ配置とし、かつ、全て同一径とした場合の各噴射孔からの尿素水溶液の噴射量(g/h)を示す図である。
この図7に示すように、8個の噴射孔301a〜301hのうち、曲げの外側に最も近い2つの噴射孔301d,301e、及び、曲げの外側に対して次に近い2つの噴射孔301c,301fのうちのより上流側である噴射孔301cからの噴射量が、他の噴射孔301a,301b,301f,301g,301hからの噴射量に比べて大きく低下する。
【0034】
これは、折曲部303によってノズル内の流れに境界層が生じるなどして、曲げの外側と内側とで内圧に差が生じ(曲げの外側が内側よりも内圧が低くなり)、係る内圧のばらつきに影響された結果として、曲げの内側に配置される噴射孔からの噴射量に比べて、曲げの外側に配置される噴射孔からの噴射量が低下したものと推定される。
また、2つの噴射孔301d,301eよりも曲げの内側に近い2つの噴射孔301c,301fは、曲げの内外方向の角度位置において同等の位置(対称の位置)に配置されるものの、噴射孔301cの方がより上流側で折曲部303により近い位置に開口し、境界層などの影響をより大きく受けるため(内圧がより低い位置であるため)、下流側の噴射孔301fに比べて噴射量が低下したものと推定される。
【0035】
即ち、各噴射孔301a〜301hの径を均一とした場合、曲げの外側に近い角度位置ほど、かつ、折曲部303に近い上流側ほど、曲げの影響をより大きく受けて、噴射量が低下する傾向を示す。
そこで、係る噴射量のばらつきを抑制するために、同じ径としたときに噴射量が他に比べて低下する3つの噴射孔301c,301d,301eの径を他よりも小さくすることで、3つの噴射孔301c,301d,301eでの流速を速めて噴射量(g/h)を増やすことで、各噴射孔301a〜301hにおける噴射量のばらつきを抑制するようにしてある。
【0036】
換言すれば、曲げの外側に近く、かつ、折曲部303に近い噴射孔301ほど、径をより小さくすれば、同じ径としたときに噴射量が他に比べて低下する噴射孔からの噴射量を他の噴射孔での噴射量に対して相対的に増やすことになり、これによって、各噴射孔301からの噴射量のばらつきを抑制できる。
【0037】
尚、噴射孔301がノズル先端部304の軸方向において1列にだけ設けられる場合には、上下流方向での噴射孔の位置ずれ(折曲部303からの距離の差)がないため、曲げの外側に近い噴射孔の径を、曲げの内側により近い噴射孔の径よりも小さくすることで、各噴射孔301からの噴射量のばらつきを抑制できる。
各噴射孔301から噴射される尿素水溶液の量のばらつきを低減できれば、排気ガスに添加される尿素水溶液の分布のむらを低減でき、窒素酸化物NOxの浄化性能を改善できる。
【0038】
尚、噴射孔301は、ノズル先端部304の中空内周面に開口する孔の径と、外周面に開口する孔の径とが同一であるストレート形状の他、ノズル先端部304の中空内周面に開口する孔の径よりも外周面に開口する孔の径が大きく、外方に向けて広がるテーパ形状とすることができる。
噴射孔301をテーパ形状とすれば、各噴射孔301から噴射される尿素水溶液の噴霧角がストレート形状の場合よりも広角に広がり、排気ガスに対してよりむらなく尿素水溶液を混ぜることが可能となる。
【0039】
また、図8に示すように、折曲部303から閉塞先端30aに近づくに従って、排気管26の軸心26bにより近づくように、噴射ノズル30のノズル先端部304を、排気管26の軸心26bに交差する方向に沿って延設させることができる。
この場合、折曲部303の曲げ角度が図2の場合に比べて小さく、境界層などの曲げによる流れの乱れが少なくなって、内圧のばらつきがより小さくなくから、噴射孔301の径を異ならせることで、噴射量のばらつきをより小さく抑制できる。
【0040】
また、噴射孔301の径を、大小の2つに設定する他、3つ以上の異なる径の噴射孔301を、ノズル先端部304における角度位置及び折曲部303からの距離に応じて使い分けることができ、この場合も、曲げの外側に近く、かつ、折曲部303に近い噴射孔301ほど、より小さい径の噴射孔とする。
更に、噴射孔301を、ノズル先端部304の軸方向に複数列設ける場合に、複数列間で噴射孔を周方向にずらすことなく、複数の噴射孔がノズル先端部304の軸方向に沿って直線的に並ぶようにすることができる。
【符号の説明】
【0041】
10 ディーゼルエンジン
30 噴射ノズル
32 SCR触媒(還元触媒)
36 還元剤タンク
38 還元剤供給装置
39 エアータンク
301 噴射孔
302 ノズル基端部
303 折曲部
304 ノズル先端部
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8