尿素水噴射弁
【課題】尿素水の微粒化を促進させることで、アンモニア供給不足によるＮＯｘ浄化率の悪化やアンモニアスリップの問題を解消する尿素水噴射弁を提供する。
【解決手段】内燃機関の排気通路へ尿素水を噴射する尿素水噴射弁であって、尿素水を噴射する複数の噴孔２８ａが同心円上に形成されるとともに、噴孔２８ａに通じる尿素水通路２７が内部に形成されたノズルホルダ２４、ノズルボディ２５及び噴孔プレート２８等から構成されるボディ部材と、ノズルボディ２５に形成された円環形状のシート部２５ａに着座離座することで尿素水通路２７を開閉するニードル２６と、を備える。そして、シート部２５ａの直径であるシート径Ｄｓと、噴孔２８ａの前記同心円の直径であるピッチ径Ｄｐとの比率Ｄｓ／Ｄｐを、１．３＜Ｄｓ／Ｄｐ＜２．５とする。
【解決手段】内燃機関の排気通路へ尿素水を噴射する尿素水噴射弁であって、尿素水を噴射する複数の噴孔２８ａが同心円上に形成されるとともに、噴孔２８ａに通じる尿素水通路２７が内部に形成されたノズルホルダ２４、ノズルボディ２５及び噴孔プレート２８等から構成されるボディ部材と、ノズルボディ２５に形成された円環形状のシート部２５ａに着座離座することで尿素水通路２７を開閉するニードル２６と、を備える。そして、シート部２５ａの直径であるシート径Ｄｓと、噴孔２８ａの前記同心円の直径であるピッチ径Ｄｐとの比率Ｄｓ／Ｄｐを、１．３＜Ｄｓ／Ｄｐ＜２．５とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気通路へ尿素水を噴射する尿素水噴射弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、発電所、各種工場、及び車両（特にディーゼルエンジン搭載の車両）等の内燃機関に適用されて、内燃機関の排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）を高い浄化率で浄化する排気浄化装置として、特許文献１等に記載の尿素ＳＣＲ（選択還元）システムの開発が進められており、一部実用化に至っている。この排気浄化装置は、ＮＯｘ還元剤としての尿素水を排気通路へ噴射する尿素水噴射弁と、排気中のＮＯｘを選択的に吸着する触媒とを備えている。そして、尿素水噴射弁から排気中へ噴射された尿素水は、排気熱で加水分解されることによりアンモニア（ＮＨ3）を生成し、生成されたアンモニアが触媒上でＮＯｘを還元させることにより、その排気を浄化する。
【０００３】
この種の尿素水噴射弁は、ガソリンを吸気通路へ噴射する噴射弁と構成が類似しており、以下に説明するボディ部材及びニードルを有して構成されることが一般的である。すなわち、ボディ部材には、尿素水を噴射する複数の噴孔が同心円上に形成されるとともに、噴孔に通じる尿素水通路が内部に形成されている。そして、ボディ部材に形成された円環形状のシート部にニードルが着座離座することで尿素水通路を開閉し、ひいては、尿素水の噴射と噴射停止を切替制御する。
【特許文献１】特表２００２−５０３７８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、尿素水噴射弁から噴射される尿素水はできるだけ微粒化させることが望ましく、微粒化が不十分であると尿素水が加水分解されるタイミングが遅くなる。すると、触媒へのアンモニア供給が不足してＮＯｘ浄化率が悪化するといった問題や、触媒の出口からアンモニアが漏れ出すアンモニアスリップといった問題が生じる。
【０００５】
しかしながら、従来のガソリン用噴射弁をそのまま尿素水噴射弁に適用させようとすると、尿素水はガソリンより気化しにくいため噴射直後の噴霧同士が衝突して粒子の巨大化を誘発しやすく、微粒化されにくいことが分かった。しかも、そもそも尿素水はガソリンより高粘性のため、引きちぎりによる微粒化が為されにくい物性である。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、尿素水の微粒化を促進させることで、アンモニア供給不足によるＮＯｘ浄化率の悪化やアンモニアスリップの問題を解消する尿素水噴射弁を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について記載する。
【０００８】
請求項１記載の発明では、
内燃機関の排気通路へ尿素水を噴射する尿素水噴射弁であって、
尿素水を噴射する複数の噴孔が同心円上に形成されるとともに、前記噴孔に通じる尿素水通路が内部に形成されたボディ部材と、
前記ボディ部材に形成された円環形状のシート部に着座離座することで前記尿素水通路を開閉するニードルと、
を備え、
前記シート部の直径であるシート径（Ｄｓ）と、前記同心円の直径であるピッチ径（Ｄｐ）との比率（Ｄｓ／Ｄｐ）を、１．３＜Ｄｓ／Ｄｐ＜２．５としたことを特徴とする。
【０００９】
まず、Ｄｓ／Ｄｐ＜２．５としたことによる効果を以下に説明する。Ｄｓ／Ｄｐが過大である、つまりシート径Ｄｓに対するピッチ径Ｄｐの値が過大であると、複数の噴孔が互いに近づくこととなる。すると、先述の如く尿素水は気化しにくいため噴射直後の噴霧同士が衝突して粒子が巨大化し、微粒化の妨げとなる。これに対し請求項１記載の発明では、Ｄｓ／Ｄｐ＜２．５としたことによりシート径Ｄｓに対するピッチ径Ｄｐの値が十分に小さくなり、複数の噴孔を十分に離間させることができる。よって、噴射直後の噴霧同士が衝突して巨大化することを抑制でき、尿素水の微粒化を促進できる。したがって、アンモニア供給不足によるＮＯｘ浄化率の悪化やアンモニアスリップの問題を解消できる。
【００１０】
図７は、本発明者による試験結果であり、噴射された尿素水の平均噴霧粒径（ＳＭＤ）を縦軸に、尿素水の噴射圧力を横軸に示すグラフである。そして、グラフ中のＡ１はＤｓ／Ｄｐが２．６３の場合、Ａ２，Ａ３はＤｓ／Ｄｐが１．７６の場合の試験結果である。なお、Ａ１，Ａ２の試験結果が得られた噴射弁は噴孔の数が６個であり、Ａ３の試験結果が得られた噴射弁は噴孔の数が４個である。この試験結果によれば、Ｄｓ／Ｄｐ＜２．５とすることで十分に微粒化できることが分かる。
【００１１】
次に、１．３＜Ｄｓ／Ｄｐとしたことによる効果を以下に説明する。Ｄｓ／Ｄｐが過小である、つまり、例えばシート径Ｄｓをピッチ径Ｄｐよりも小さくすると（Ｄｓ／Ｄｐ＜１）、尿素水通路のうちシート部から噴孔の流入口にかけての連通路部分（例えば、図４中の符号２５ｃに示す部分）において、シート径よりも拡大した拡大部を形成させることが必要となり、このようにボディ部材を加工することは座ぐり等の加工を要し、ボディ部材の成形性が極めて悪くなる。これに対し請求項１記載の発明では、１．３＜Ｄｓ／Ｄｐとしたことにより、シート部から噴孔の流入口にかけての連通路部分について上述した拡大部の形成を不要にできる。よって、ボディ部材の成形性悪化を抑制できる。
【００１２】
請求項２記載の発明では、前記噴孔の流入口が流出口よりも前記同心円の径方向外側に位置するよう、前記噴孔は前記ニードルの軸方向に対して傾くテーパ状に形成されており、前記流出口のうち前記同心円の径方向内側に位置する部分を内側エッジ部（図４中の符号２８ｄ参照）と称し、径方向外側に位置する部分を外側エッジ部（図４中の符号２８ｅ参照）と称し、前記尿素水通路のうち前記ニードル先端より下流側に位置するとともに前記噴孔の上流側に位置する部分を連通路（図４中の符号２５ｂ参照）と称した場合において、前記外側エッジ部を、前記連通路の内壁面よりも前記同心円の径方向外側に位置させるとともに、前記内側エッジ部を、前記連通路の内壁面よりも前記同心円の径方向内側に位置させることを特徴とする。
【００１３】
このように、外側エッジ部を連通路の内壁面よりも外側に位置させることで、複数の噴孔を十分に離間させることができる。よって、噴射直後の噴霧同士が衝突して巨大化することを抑制でき、尿素水の微粒化を促進できる。また、内側エッジ部を連通路の内壁面よりも内側に位置させることで、シート径よりも拡大した拡大部を連通路に形成させることを不要にできる。よって、ボディ部材の成形性悪化を抑制できる。
【００１４】
請求項３記載の発明では、
内燃機関の排気通路へ尿素水を噴射する尿素水噴射弁であって、
尿素水を噴射する複数の噴孔が同心円上に形成されるとともに、前記噴孔に通じる尿素水通路が内部に形成されたボディ部材と、
前記ボディ部材に形成された円環形状のシート部に着座離座することで前記尿素水通路を開閉するニードルと、
を備え、
前記噴孔の流入口が流出口よりも前記同心円の径方向外側に位置するよう、前記噴孔は前記ニードルの軸方向に対して傾くテーパ状に形成されており、
前記流出口のうち前記同心円の径方向内側に位置する部分を内側エッジ部（図４中の符号２８ｄ参照）と称し、径方向外側に位置する部分を外側エッジ部（図４中の符号２８ｅ参照）と称し、前記尿素水通路のうち前記ニードル先端より下流側に位置するとともに前記噴孔の上流側に位置する部分を連通路（図４中の符号２５ｂ参照）と称した場合において、
前記外側エッジ部を、前記連通路の内壁面よりも前記同心円の径方向外側に位置させるとともに、前記内側エッジ部を、前記連通路の内壁面よりも前記同心円の径方向内側に位置させることを特徴とする。
【００１５】
このように、外側エッジ部を連通路の内壁面よりも外側に位置させることで、複数の噴孔を十分に離間させることができる。よって、噴射直後の噴霧同士が衝突して巨大化することを抑制でき、尿素水の微粒化を促進できる。したがって、アンモニア供給不足によるＮＯｘ浄化率の悪化やアンモニアスリップの問題を解消できる。また、内側エッジ部を連通路の内壁面よりも内側に位置させることで、シート径よりも拡大した拡大部を連通路に形成させることを不要にできる。よって、ボディ部材の成形性悪化を抑制できる。
【００１６】
ここで、噴孔の数が過小であると尿素水の噴射量を十分に確保することが困難となり、噴孔の数が過大であると複数の噴孔を十分に離間させることが困難となり微粒化促進の妨げとなる。これらの点を鑑みて為された請求項４記載の発明では、前記噴孔の数を３個以上６個以下としたことを特徴とするので、上記噴射量確保と微粒化促進との両立を好適に図ることができる。
【００１７】
ところで、ニードル外周に沿ってニードル軸方向に流通した尿素水は、シート部下流にてニードル軸方向に対して垂直方向に向きを変え、その後再び、ニードル軸方向に向きを変えて噴孔の流入口に流入し、流出口から噴射される構成が一般的である。そして、従来のガソリン用噴射弁では噴射圧力が１０ＭＰａ以上の高圧であり、この場合には、シート部下流から流入口に至るまでの垂直方向に流れる経路をある程度長くすることで、尿素水を引きちぎる作用を生じさせ、微粒化が図れる場合がある。そして、上述の如く垂直方向経路をある程度長くするということは、複数の噴孔をある程度近づけさせるということである。
【００１８】
しかしながら、尿素水の噴射圧力を１ＭＰａ以下の低圧にした場合には、複数の噴孔をある程度近づけさせると、上述した引きちぎる作用による微粒化のメリットがあまり得られないことに加え、圧力損失が大きくなるというデメリットが大きくなり、却って微粒化促進の妨げとなる。よって、請求項５記載の如く噴孔からの噴射圧力が１ＭＰａ以下の低圧である場合に上記請求項１〜４に記載の発明を適用させると、上記デメリットを抑制できるので、微粒化促進を図る上で好適である。
【００１９】
ここで、ボディ部材のうち噴孔が形成される先端部分は内燃機関の高温排気にさらされる。そして、高温（例えば約５００℃）になった先端部分は焼き鈍りによる硬度低下を招くおそれがある。また、高温（例えば１６０℃以上）になると、排気中に含まれる異物（例えば、ＰＭ（粒子状物質）、未燃燃料、潤滑油、添加剤、又はこれらが化学反応して生成された物質）がデポジットとして付着しやすくなることが一般的に知られており、デポジットが噴孔を詰まらせる等の不具合を誘発するおそれが生じる。
【００２０】
これらの不具合を抑制すべく、請求項６記載の発明では、前記排気通路を内部に形成する排気管には、当該排気管の内壁から排気管径方向の外側に凹む収容室が形成されており、前記ボディ部材のうち少なくとも前記噴孔が形成されている先端部分は、前記収容室に配置されていることを特徴とする。
【００２１】
このように、排気管の内壁から排気管径方向の外側に凹む収容室に先端部分を収容すれば、排気の主流が直接先端部分に向かって流れてくることを回避できるので、先端部分の高温化を抑制できる。なお、排気の主流から分流した副流は収容室内に流入してくるものの、当該副流は主流よりも熱エネルギが小さいため、先端部分の高温化を抑制できる。
【００２２】
ところが、このように収容室に先端部分を配置した請求項６記載の発明では、噴射した尿素水が収容室の内壁面に付着してしまうことが懸念される。特に、噴孔の流入口が流出口よりも同心円の径方向外側に位置するよう、噴孔をニードルの軸方向に対して傾くテーパ状に形成する場合においては、その傾きを大きくすると前記付着が生じやすくなるため、前記傾きは所定以下となるよう制限する必要がある。そして、このような制限は、複数の噴孔から噴射された直後の噴霧同士が衝突しやすくなり、微粒化促進の妨げとなる。したがって、このように微粒化促進の妨げとなる要因を含む尿素水噴射弁に、上記請求項１〜５記載の発明を適用すれば、上述した如く複数の噴孔を十分に離間させることによる微粒化促進の効果が、好適に発揮される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態に係る尿素水噴射弁は、図１に示す排気浄化装置を構成するものであり、この排気浄化装置は、車載ディーゼルエンジン（内燃機関）の燃焼室から排出されて排気管１０の排気通路１０ａを流れる排気を浄化する。
【００２４】
排気浄化装置は、排気浄化反応を促進する触媒装置（図示せず）と、触媒装置の排気上流側に配置され、排気通路１０ａ中の排気に対して尿素水溶液（以下、単に尿素水と呼ぶ）を噴射供給する尿素水噴射弁２０とを有して構成されている。触媒装置は、ＮＯｘの還元反応（排気浄化反応）を促進するものである。
【００２５】
このような構成による排気浄化装置では、噴射弁２０により排気中へ尿素水を噴射供給し、排気の流れ（排気流）を利用してその排気共々尿素水を下流の触媒へ供給するとともに、該触媒上でＮＯｘの還元反応を行うことによってその排気を浄化する。ＮＯｘの還元に際しては、尿素水が排気熱で加水分解されることによりアンモニア（ＮＨ3）が生成され、触媒にて選択的に吸着された排気中のＮＯｘに対し、このアンモニアが添加される。そして、同触媒上で、そのアンモニアに基づく還元反応が行われることによって、ＮＯｘが還元、浄化されることになる。
【００２６】
尿素水タンク１１に貯蔵された尿素水は、尿素水ポンプ１２により汲み上げられて吐出され、フィルタ１３を介して噴射弁２０に供給される。なお、尿素水ポンプ１２から吐出された余剰尿素水は、レギュレータ１４により尿素水タンク１１に戻される。また、尿素水ポンプ１２及び噴射弁２０の作動はエンジンＥＣＵ１５により制御される。
【００２７】
次に、図２、図３及び図４を参照して噴射弁２０の構成について説明する。図２は噴射弁２０の断面図であり、図３は図２の拡大図、図４は図３の拡大図である。噴射弁２０のハウジング２１は円筒状に形成されている。ハウジング２１は、第一磁性部２１ａ、非磁性部２１ｂ及び第二磁性部２１ｃを有している。非磁性部２１ｂは、第一磁性部２１ａと第二磁性部２１ｃとの磁気的な短絡を防止する。
【００２８】
ハウジング２１の軸方向の一方の端部には入口部材２２が取り付けられている。入口部材２２に形成された尿素水入口２２ａには、尿素水ポンプ１２から吐出された尿素水が供給される。尿素水入口２２ａに供給された尿素水は、異物を除去するフィルタ２３を経由してハウジング２１の内周側に流入する。
【００２９】
ハウジング２１の他方の端部にはノズルホルダ２４が設置されている。ノズルホルダ２４は、円筒状に形成され、内側にノズルボディ２５を収容する。ノズルボディ２５は、円筒状に形成され、例えば圧入あるいは溶接などにより、ノズルホルダ２４に固定されている。ノズルホルダ２４とノズルボディ２５との間には、複数の噴孔２８ａが形成された金属製の噴孔プレート２８（図３参照）が挟持されている。噴孔２８ａは、噴孔プレート２８をプレス加工することで形成してもよいし、レーザ加工により形成してもよい。なお、ノズルホルダ２４、ノズルボディ２５及び噴孔プレート２８は、特許請求の範囲に記載の「ボディ部材」に相当するものである。
【００３０】
ハウジング２１、ノズルホルダ２４及びノズルボディ２５により、内部に収容室を形成するバルブボディを構成している。その収容室には、ニードル２６が軸方向（図２の上下方向）へ往復移動可能に収容されている。ニードル２６は、ノズルボディ２５と概ね同軸上に配置されており、ノズルボディ２５との間に尿素水が流れる尿素水通路２７を形成する。ノズルボディ２５は、図３に示すように先端に近づくにつれて内径が小さくなる円錐状の内壁面にシート部２５ａを有している。そして、ニードル２６の端部には、面取り加工によるテーパ面２６ａが形成されており、テーパ面２６ａのうち最も直径が大きい部分は、ノズルボディ２５のシート部２５ａと当接する当接部２６ａとして機能する。
【００３１】
噴射弁２０は、ニードル２６を駆動する駆動部４０を有している。駆動部４０は、スプール４１、コイル４２、固定コア４３、プレートハウジング４４及び可動コア４７を有している。スプール４１は、ハウジング２１の外周側に設置されるとともに絶縁材で筒状に形成され、スプール４１の外周側にはコイル４２が巻かれている。コイル４２は、コネクタ４５の端子部４６に接続している。ハウジング２１を挟んでコイル４２の内周側には固定コア４３が設置されている。固定コア４３は、例えば鉄などの磁性材料により筒状に形成され、ハウジング２１の内周側に圧入などにより固定されている。磁性材で形成されたプレートハウジング４４はコイル４２の外周側を覆っている。
【００３２】
可動コア４７は、ハウジング２１内にて軸方向へ往復移動可能に設置されており、例えば鉄などの磁性材料により形成されている。そして、可動コア４７にはニードル２６の端部が圧入又は溶接等により接続されており、ニードル２６と可動コア４７とは一体的に軸方向（図２の上下方向）へ往復移動する。また、可動コア４７は、スプリング４８の弾性力により、シート部２５ａに向けて押し付けられている。したがって、可動コア４７と接続されているニードル２６は、当接部２６ａをシート部２５ａに着座させる向きに押し付けられる。
【００３３】
コイル４２に通電していないとき、可動コア４７及びニードル２６はシート部２５ａ側へ押し付けられ、当接部２６ａはシート部２５ａに着座する。これにより、尿素水通路２７が遮断されて、噴孔２８ａからの尿素水噴射が停止される。一方、コイル４２に通電したときには、可動コア４７が固定コア４３に吸引されてニードル２６がシート部２５ａから離座し、尿素水通路２７が開放される。すると、尿素水入口２２ａに供給された尿素水は、入口部材２２内部、ハウジング２１内部、ノズルホルダ２４内部、ノズルボディ２５内部を順に流通した後、噴孔２８ａから排気通路１０ａに噴射される。
【００３４】
また、これらノズルホルダ２４及びノズルボディ２５は、高温の排気により加熱され、焼き鈍りによる硬度低下を招くことが懸念される。また、ノズルボディ２５が高温（例えば１６０℃以上）になると、排気中に含まれる異物（例えば、ＰＭ（粒子状物質）、未燃燃料、潤滑油、又はこれらが化学反応して生成された物質）や噴射された尿素水がデポジットとして付着しやすくなることが一般的に知られており、デポジットが噴孔２８ａを詰まらせることが懸念される。
【００３５】
これらの懸念を解消すべく、ノズルホルダ２４の外周側には冷却手段６０が備えられている（図１参照）。冷却手段６０は、ジャケット６１内部の冷却通路６２に冷却液を循環させるよう構成されており、この冷却液には、燃焼室を内部に形成するシリンダブロック等を冷却するエンジン冷却液が用いられている。
【００３６】
図１に示すように、噴射弁２０は、触媒装置へ向かって尿素水を噴射するように排気管１０に対して傾けて、すなわち噴孔２８ａを触媒の側へ向けて配設されている。このように噴射弁２０を傾けて排気管１０に取り付けることを実現するために、排気管１０には分岐管１７が溶接等により傾けて接続され、この分岐管１７の端部に取付部材１６を取り付けている。したがって、分岐管１７の内部空間は、排気管１０の内壁から排気管径方向の外側に凹む形状の空間となり、排気通路１０ａの一部を構成するとともに噴射弁２０の先端部分（以下、ボディ先端部と呼ぶ）が収容される収容室１７ａとして機能する。
【００３７】
このように、排気管径方向の外側に凹む形状の収容室１７ａに噴射弁２０のボディ先端部を収容することにより、排気通路１０ａを流れる排気の主流Ｙ１がボディ先端部に直接向かって流れてくることを回避する。よって、ボディ先端部が排気で加熱されることの低減を図っている。なお、排気の主流Ｙ１から分流した副流Ｙ２（図１参照）が収容室１７ａに流入してくるものの、当該副流Ｙ２は主流Ｙ１よりも熱エネルギが小さいため、ボディ先端部の高温化を抑制できる。
【００３８】
さらに本実施形態では、このような副流Ｙ２がボディ先端部に直接衝突して高温化を招くことを回避すべく、ボディ先端部に対向配置されたプレート部材７０を設けている。プレート部材７０は、取付部材１６の貫通穴１６ａ全体を覆う円盤形状であり、プレート部材７０の中央部分には、噴孔２８ａから噴射された尿素水を通過させる通過穴７０ａが形成されている。通過穴７０ａは、噴射弁２０の中心線Ｊ１と同軸に位置する円形である。このプレート部材７０により、排気主流Ｙ１から分岐してボディ先端部に向かって流れてくる副流Ｙ２は、図１中の矢印Ｙ３に示すようにボディ先端部から逸れるよう偏向される。よって、排気流Ｙ３がボディ先端部に直接衝突することを抑制できるので、ボディ先端部の高温化を抑制でき、ボディ先端部の硬度低下及びデポジット付着の懸念を低減できる。
【００３９】
次に、図３〜図５を用いて、噴孔２８ａの形状配置等を詳細に説明する。なお、図５は噴孔プレート２８単体を示す３面図であり、図５（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は底面図である。
【００４０】
図５に示すように噴孔プレート２８は有底の円筒形状に形成されており、噴孔プレート２８の底部分には、貫通する４つの噴孔２８ａが同心円上に等間隔で形成されている。図５（ａ）中の符号Ｒは前記同心円を表す仮想線であり、噴孔２８ａの流入口２８ｂの中心を通る円である。
【００４１】
また、図３及び図４に示すように、噴孔２８ａが噴孔プレート２８を貫通する向きは、噴孔２８ａの流出口２８ｃが噴孔２８ａの流入口２８ｂよりも中心線Ｊ１の外側に位置するように傾斜している。つまり、噴孔２８ａの流入口２８ｂが流出口２８ｃよりも同心円Ｒの径方向外側に位置するよう、噴孔２８ａの軸方向Ｊ２はニードル２６の軸方向Ｊ１に対して傾くテーパ状に形成されている。さらに噴孔２８ａは、流入口２８ｂから流出口２８ｃにかけて徐々に通路径を拡大させる末広がり形状に形成されている。
【００４２】
ところで、先述した通り、噴孔２８ａから噴射される尿素水はできるだけ微粒化されていることが望ましく、微粒化を促進させることは、触媒におけるＮＯｘ浄化率及びアンモニアスリップの低減を図る上で有効である。以下、微粒化を図るための構成を説明する。図４，図５中の符号Ｄｐは、４つの噴孔２８ａの同心円Ｒの直径（以下ピッチ径Ｄｐと呼ぶ）を示す。図４中の符号Ｄｓは、ノズルボディ２５のうちニードル２６が着座する部分であるシート部２５ａの直径（以下シート径Ｄｓと呼ぶ）を示す。そして、これらシート径Ｄｓとピッチ径Ｄｐとの比率Ｄｓ／Ｄｐを、１．３＜Ｄｓ／Ｄｐ＜２．５としている。
【００４３】
また、図４中の符号２８ｄは、噴孔２８ａの流出口２８ｃのうち同心円Ｒの径方向内側に位置する部分である内側エッジ部２８ｄを示す。図４中の符号２８ｅは、噴孔２８ａの流出口２８ｃのうち同心円Ｒの径方向外側に位置する部分である外側エッジ部２８ｅを示す。図４中の符号２５ｂは、尿素水通路２７のうちニードル２６の先端より下流側に位置するとともに噴孔２８ａの流入口２８ｂより上流側に位置する部分である連通路２５ｂを示す。この連通路２５ｂは、ノズルボディ２５の下流端部分にて開口する形状であり、その開口直径を符号Ｄｈに示す。
【００４４】
そして、外側エッジ部２８ｅを、連通路２５ｂの内壁面よりも同心円Ｒの径方向外側に位置させるとともに、内側エッジ部２８ｄを、連通路２５ｂの内壁面よりも同心円Ｒの径方向内側に位置させる。要するに、噴孔２８ａの流出口２８ｃは、同心円Ｒの径方向において連通路２５ｂの内壁面を跨ぐように配置されている。また、連通路２５ｂの開口直径Ｄｈは、ピッチ径Ｄｐよりも大きく、シート径Ｄｓよりも小さくなるよう設定されている。
【００４５】
以上詳述した本実施形態によれば、Ｄｓ／Ｄｐ＜２．５としたことと、外側エッジ部２８ｅを連通路２５ｂの内壁面よりも外側に位置させることで、複数の噴孔２８ａが十分に離間されることとなる。よって、噴射直後の噴霧同士が衝突して巨大化することを抑制でき、尿素水の微粒化を促進できる。したがって、アンモニア供給不足によるＮＯｘ浄化率の悪化やアンモニアスリップの問題を解消できる。
【００４６】
また、先述した図７の試験結果によれば、Ｄｓ／Ｄｐ＜２．５とすることで十分に微粒化できることが分かる。なお、本実施形態に係る噴射弁２０による試験結果は実線Ａ３に示し、図７中の実線Ａ２の試験結果は、本実施形態の変形例に係る噴射弁であり、図６に示す如く噴孔２８ａを６個にした場合の噴射弁による試験結果を示す。また、図７中の実線Ａ１の試験結果は、Ｄｓ／Ｄｐを２．６３とした従来の噴射弁による試験結果を示す。
【００４７】
図７に係る試験の条件をより詳細に説明すると、噴孔プレート２８の厚み寸法はＡ１〜Ａ３の全てにおいて０．２ｍｍである。噴孔２８ａの流入口２８ｂ側の穴径寸法は、Ａ２，Ａ３においては０．１３０ｍｍ、Ａ１においては０．１８０ｍｍである。ピッチ径Ｄｐは、Ａ２，Ａ３においては０．９ｍｍ、Ａ１においては０．６ｍｍである。
【００４８】
そして、このように尿素水の微粒化を促進できた結果、アンモニア供給不足によるＮＯｘ浄化率の悪化やアンモニアスリップの問題を解消できる。図８は、触媒から漏れ出たアンモニアスリップ量を縦軸に、触媒によるＮＯｘの低減率を横軸に示すグラフである。この図８中の破線Ｂ１はＤｓ／Ｄｐが２．６３の場合を示し、実線Ｂ２はＤｓ／Ｄｐが１．７６の場合を示している。
【００４９】
そして、これら２つの曲線は、尿素水の供給量を多くしていくにつれ、ＮＯｘ低減率が向上し、アンモニアスリップ量が増大する傾向となることを示している。また、この図から確認できるように、Ｄｓ／Ｄｐが１．７６の場合の方が、Ｄｓ／Ｄｐが２．６３の場合に比べて、ＮＯｘ低減率を高く、かつアンモニアスリップ量を低減できることが分かる。
【００５０】
ところで、一般的には、ＮＯｘ低減率の向上とアンモニアスリップ量の低減とはトレードオフの関係にあると言われている。これに対し、上述した図８に示すように、Ｄｓ／Ｄｐが１．７６の方が、Ｄｓ／Ｄｐが２．６３に比べて、ＮＯｘ低減率を高く、かつアンモニアスリップ量を低減できる。そのため、Ｄｓ／Ｄｐを２．６３としたＢ１の噴射弁に比べ、Ｄｓ／Ｄｐを１．７６としたＢ２，Ｂ３の噴射弁の方が、ＮＯｘ低減率向上とアンモニアスリップ量低減とを両立できることが分かる。
【００５１】
しかも、本実施形態においては、収容室１７ａに噴射弁２０のボディ先端部を収容する構造で、ボディ先端部が排気で加熱されることの低減を図っているため、噴孔２８ａの軸方向Ｊ２をニードル２６の軸方向Ｊ１に対して傾ける角度を単純に大きくしただけでは、噴射した尿素水が、分岐管１７の内壁面及びプレート部材７０の内壁面に付着してしまうという制約がある。このような制約がある状態において、本実施形態ではＤｓ／Ｄｐ＜２．５としたことと、外側エッジ部２８ｅを連通路２５ｂの内壁面よりも外側に位置させることにより、前記内壁面への尿素水付着を回避しつつ、噴射直後の噴霧同士が衝突することの抑制を図ることができる。
【００５２】
さらに本実施形態によれば、１．３＜Ｄｓ／Ｄｐとしたことと、内側エッジ部２８ｄを連通路２５ｂの内壁面よりも内側に位置させることで、ノズルボディ２５のうち、シート部２５ａから噴孔２８ａの流入口２８ｂにかけての連通路部分２５ｃに、座ぐり等による通路拡大部を形成することを不要にできる。よって、ノズルボディ２５の成形性悪化を抑制できる。
【００５３】
（他の実施形態）
上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。また、本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、各実施形態の特徴的構成をそれぞれ任意に組み合わせるようにしてもよい。
【００５４】
・図２等に示す上記実施形態では、ノズルホルダ２４、ノズルボディ２５及び噴孔プレート２８により特許請求の範囲に記載の「ボディ部材」を構成しているが、本発明の実施にあたり、例えば噴孔プレート２８を廃止して、ノズルホルダ２４及びノズルボディ２５のいずれか一方に噴孔を形成するようにしてもよい。また、当該ボディ部材は、別体に形成されたノズルホルダ２４、ノズルボディ２５及び噴孔プレート２８を溶接等により接続して構成してもよいし、同一の母材から削り出し、又は鋳造等により一体に構成してもよい。
【００５５】
・本発明の実施にあたり、尿素水の噴射圧力を例えば０．４ＭＰａ〜１．０ＭＰａに設定するのが望ましく、０．９ＭＰａに設定することがより望ましい。
【００５６】
・本発明の実施にあたり、噴孔２８ａの数を３個〜６個に設定するのが望ましく、４個に設定することがより望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の一実施形態に係る尿素水噴射弁が適用された、排気浄化装置を示す模式図。
【図２】図１の尿素水噴射弁を示す断面図。
【図３】図２の拡大図。
【図４】図３の拡大図。
【図５】図４の噴孔プレート単体を示す３面図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は底面図。
【図６】図５の噴孔プレートに対する変形例を示す３面図。
【図７】本発明による尿素水微粒化の効果を示す試験結果。
【図８】尿素水微粒化によるアンモニアスリップ量低減及びＮＯｘ低減率向上の効果を示す試験結果。
【符号の説明】
【００５８】
１０ａ…排気通路、２０…尿素水噴射弁、２４…ノズルホルダ（ボディ部材）、２５…ノズルボディ（ボディ部材）、２５ａ…シート部、２５ｂ…連通路、２６…ニードル、２７…尿素水通路、２８…噴孔プレート（ボディ部材）、２８ａ…噴孔、２８ｂ…噴孔の流入口、２８ｃ…噴孔の流出口、２８ｄ…内側エッジ部、２８ｅ…外側エッジ部、Ｄｓ…シート径、Ｄｐ…ピッチ径。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気通路へ尿素水を噴射する尿素水噴射弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、発電所、各種工場、及び車両（特にディーゼルエンジン搭載の車両）等の内燃機関に適用されて、内燃機関の排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）を高い浄化率で浄化する排気浄化装置として、特許文献１等に記載の尿素ＳＣＲ（選択還元）システムの開発が進められており、一部実用化に至っている。この排気浄化装置は、ＮＯｘ還元剤としての尿素水を排気通路へ噴射する尿素水噴射弁と、排気中のＮＯｘを選択的に吸着する触媒とを備えている。そして、尿素水噴射弁から排気中へ噴射された尿素水は、排気熱で加水分解されることによりアンモニア（ＮＨ3）を生成し、生成されたアンモニアが触媒上でＮＯｘを還元させることにより、その排気を浄化する。
【０００３】
この種の尿素水噴射弁は、ガソリンを吸気通路へ噴射する噴射弁と構成が類似しており、以下に説明するボディ部材及びニードルを有して構成されることが一般的である。すなわち、ボディ部材には、尿素水を噴射する複数の噴孔が同心円上に形成されるとともに、噴孔に通じる尿素水通路が内部に形成されている。そして、ボディ部材に形成された円環形状のシート部にニードルが着座離座することで尿素水通路を開閉し、ひいては、尿素水の噴射と噴射停止を切替制御する。
【特許文献１】特表２００２−５０３７８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、尿素水噴射弁から噴射される尿素水はできるだけ微粒化させることが望ましく、微粒化が不十分であると尿素水が加水分解されるタイミングが遅くなる。すると、触媒へのアンモニア供給が不足してＮＯｘ浄化率が悪化するといった問題や、触媒の出口からアンモニアが漏れ出すアンモニアスリップといった問題が生じる。
【０００５】
しかしながら、従来のガソリン用噴射弁をそのまま尿素水噴射弁に適用させようとすると、尿素水はガソリンより気化しにくいため噴射直後の噴霧同士が衝突して粒子の巨大化を誘発しやすく、微粒化されにくいことが分かった。しかも、そもそも尿素水はガソリンより高粘性のため、引きちぎりによる微粒化が為されにくい物性である。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、尿素水の微粒化を促進させることで、アンモニア供給不足によるＮＯｘ浄化率の悪化やアンモニアスリップの問題を解消する尿素水噴射弁を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について記載する。
【０００８】
請求項１記載の発明では、
内燃機関の排気通路へ尿素水を噴射する尿素水噴射弁であって、
尿素水を噴射する複数の噴孔が同心円上に形成されるとともに、前記噴孔に通じる尿素水通路が内部に形成されたボディ部材と、
前記ボディ部材に形成された円環形状のシート部に着座離座することで前記尿素水通路を開閉するニードルと、
を備え、
前記シート部の直径であるシート径（Ｄｓ）と、前記同心円の直径であるピッチ径（Ｄｐ）との比率（Ｄｓ／Ｄｐ）を、１．３＜Ｄｓ／Ｄｐ＜２．５としたことを特徴とする。
【０００９】
まず、Ｄｓ／Ｄｐ＜２．５としたことによる効果を以下に説明する。Ｄｓ／Ｄｐが過大である、つまりシート径Ｄｓに対するピッチ径Ｄｐの値が過大であると、複数の噴孔が互いに近づくこととなる。すると、先述の如く尿素水は気化しにくいため噴射直後の噴霧同士が衝突して粒子が巨大化し、微粒化の妨げとなる。これに対し請求項１記載の発明では、Ｄｓ／Ｄｐ＜２．５としたことによりシート径Ｄｓに対するピッチ径Ｄｐの値が十分に小さくなり、複数の噴孔を十分に離間させることができる。よって、噴射直後の噴霧同士が衝突して巨大化することを抑制でき、尿素水の微粒化を促進できる。したがって、アンモニア供給不足によるＮＯｘ浄化率の悪化やアンモニアスリップの問題を解消できる。
【００１０】
図７は、本発明者による試験結果であり、噴射された尿素水の平均噴霧粒径（ＳＭＤ）を縦軸に、尿素水の噴射圧力を横軸に示すグラフである。そして、グラフ中のＡ１はＤｓ／Ｄｐが２．６３の場合、Ａ２，Ａ３はＤｓ／Ｄｐが１．７６の場合の試験結果である。なお、Ａ１，Ａ２の試験結果が得られた噴射弁は噴孔の数が６個であり、Ａ３の試験結果が得られた噴射弁は噴孔の数が４個である。この試験結果によれば、Ｄｓ／Ｄｐ＜２．５とすることで十分に微粒化できることが分かる。
【００１１】
次に、１．３＜Ｄｓ／Ｄｐとしたことによる効果を以下に説明する。Ｄｓ／Ｄｐが過小である、つまり、例えばシート径Ｄｓをピッチ径Ｄｐよりも小さくすると（Ｄｓ／Ｄｐ＜１）、尿素水通路のうちシート部から噴孔の流入口にかけての連通路部分（例えば、図４中の符号２５ｃに示す部分）において、シート径よりも拡大した拡大部を形成させることが必要となり、このようにボディ部材を加工することは座ぐり等の加工を要し、ボディ部材の成形性が極めて悪くなる。これに対し請求項１記載の発明では、１．３＜Ｄｓ／Ｄｐとしたことにより、シート部から噴孔の流入口にかけての連通路部分について上述した拡大部の形成を不要にできる。よって、ボディ部材の成形性悪化を抑制できる。
【００１２】
請求項２記載の発明では、前記噴孔の流入口が流出口よりも前記同心円の径方向外側に位置するよう、前記噴孔は前記ニードルの軸方向に対して傾くテーパ状に形成されており、前記流出口のうち前記同心円の径方向内側に位置する部分を内側エッジ部（図４中の符号２８ｄ参照）と称し、径方向外側に位置する部分を外側エッジ部（図４中の符号２８ｅ参照）と称し、前記尿素水通路のうち前記ニードル先端より下流側に位置するとともに前記噴孔の上流側に位置する部分を連通路（図４中の符号２５ｂ参照）と称した場合において、前記外側エッジ部を、前記連通路の内壁面よりも前記同心円の径方向外側に位置させるとともに、前記内側エッジ部を、前記連通路の内壁面よりも前記同心円の径方向内側に位置させることを特徴とする。
【００１３】
このように、外側エッジ部を連通路の内壁面よりも外側に位置させることで、複数の噴孔を十分に離間させることができる。よって、噴射直後の噴霧同士が衝突して巨大化することを抑制でき、尿素水の微粒化を促進できる。また、内側エッジ部を連通路の内壁面よりも内側に位置させることで、シート径よりも拡大した拡大部を連通路に形成させることを不要にできる。よって、ボディ部材の成形性悪化を抑制できる。
【００１４】
請求項３記載の発明では、
内燃機関の排気通路へ尿素水を噴射する尿素水噴射弁であって、
尿素水を噴射する複数の噴孔が同心円上に形成されるとともに、前記噴孔に通じる尿素水通路が内部に形成されたボディ部材と、
前記ボディ部材に形成された円環形状のシート部に着座離座することで前記尿素水通路を開閉するニードルと、
を備え、
前記噴孔の流入口が流出口よりも前記同心円の径方向外側に位置するよう、前記噴孔は前記ニードルの軸方向に対して傾くテーパ状に形成されており、
前記流出口のうち前記同心円の径方向内側に位置する部分を内側エッジ部（図４中の符号２８ｄ参照）と称し、径方向外側に位置する部分を外側エッジ部（図４中の符号２８ｅ参照）と称し、前記尿素水通路のうち前記ニードル先端より下流側に位置するとともに前記噴孔の上流側に位置する部分を連通路（図４中の符号２５ｂ参照）と称した場合において、
前記外側エッジ部を、前記連通路の内壁面よりも前記同心円の径方向外側に位置させるとともに、前記内側エッジ部を、前記連通路の内壁面よりも前記同心円の径方向内側に位置させることを特徴とする。
【００１５】
このように、外側エッジ部を連通路の内壁面よりも外側に位置させることで、複数の噴孔を十分に離間させることができる。よって、噴射直後の噴霧同士が衝突して巨大化することを抑制でき、尿素水の微粒化を促進できる。したがって、アンモニア供給不足によるＮＯｘ浄化率の悪化やアンモニアスリップの問題を解消できる。また、内側エッジ部を連通路の内壁面よりも内側に位置させることで、シート径よりも拡大した拡大部を連通路に形成させることを不要にできる。よって、ボディ部材の成形性悪化を抑制できる。
【００１６】
ここで、噴孔の数が過小であると尿素水の噴射量を十分に確保することが困難となり、噴孔の数が過大であると複数の噴孔を十分に離間させることが困難となり微粒化促進の妨げとなる。これらの点を鑑みて為された請求項４記載の発明では、前記噴孔の数を３個以上６個以下としたことを特徴とするので、上記噴射量確保と微粒化促進との両立を好適に図ることができる。
【００１７】
ところで、ニードル外周に沿ってニードル軸方向に流通した尿素水は、シート部下流にてニードル軸方向に対して垂直方向に向きを変え、その後再び、ニードル軸方向に向きを変えて噴孔の流入口に流入し、流出口から噴射される構成が一般的である。そして、従来のガソリン用噴射弁では噴射圧力が１０ＭＰａ以上の高圧であり、この場合には、シート部下流から流入口に至るまでの垂直方向に流れる経路をある程度長くすることで、尿素水を引きちぎる作用を生じさせ、微粒化が図れる場合がある。そして、上述の如く垂直方向経路をある程度長くするということは、複数の噴孔をある程度近づけさせるということである。
【００１８】
しかしながら、尿素水の噴射圧力を１ＭＰａ以下の低圧にした場合には、複数の噴孔をある程度近づけさせると、上述した引きちぎる作用による微粒化のメリットがあまり得られないことに加え、圧力損失が大きくなるというデメリットが大きくなり、却って微粒化促進の妨げとなる。よって、請求項５記載の如く噴孔からの噴射圧力が１ＭＰａ以下の低圧である場合に上記請求項１〜４に記載の発明を適用させると、上記デメリットを抑制できるので、微粒化促進を図る上で好適である。
【００１９】
ここで、ボディ部材のうち噴孔が形成される先端部分は内燃機関の高温排気にさらされる。そして、高温（例えば約５００℃）になった先端部分は焼き鈍りによる硬度低下を招くおそれがある。また、高温（例えば１６０℃以上）になると、排気中に含まれる異物（例えば、ＰＭ（粒子状物質）、未燃燃料、潤滑油、添加剤、又はこれらが化学反応して生成された物質）がデポジットとして付着しやすくなることが一般的に知られており、デポジットが噴孔を詰まらせる等の不具合を誘発するおそれが生じる。
【００２０】
これらの不具合を抑制すべく、請求項６記載の発明では、前記排気通路を内部に形成する排気管には、当該排気管の内壁から排気管径方向の外側に凹む収容室が形成されており、前記ボディ部材のうち少なくとも前記噴孔が形成されている先端部分は、前記収容室に配置されていることを特徴とする。
【００２１】
このように、排気管の内壁から排気管径方向の外側に凹む収容室に先端部分を収容すれば、排気の主流が直接先端部分に向かって流れてくることを回避できるので、先端部分の高温化を抑制できる。なお、排気の主流から分流した副流は収容室内に流入してくるものの、当該副流は主流よりも熱エネルギが小さいため、先端部分の高温化を抑制できる。
【００２２】
ところが、このように収容室に先端部分を配置した請求項６記載の発明では、噴射した尿素水が収容室の内壁面に付着してしまうことが懸念される。特に、噴孔の流入口が流出口よりも同心円の径方向外側に位置するよう、噴孔をニードルの軸方向に対して傾くテーパ状に形成する場合においては、その傾きを大きくすると前記付着が生じやすくなるため、前記傾きは所定以下となるよう制限する必要がある。そして、このような制限は、複数の噴孔から噴射された直後の噴霧同士が衝突しやすくなり、微粒化促進の妨げとなる。したがって、このように微粒化促進の妨げとなる要因を含む尿素水噴射弁に、上記請求項１〜５記載の発明を適用すれば、上述した如く複数の噴孔を十分に離間させることによる微粒化促進の効果が、好適に発揮される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態に係る尿素水噴射弁は、図１に示す排気浄化装置を構成するものであり、この排気浄化装置は、車載ディーゼルエンジン（内燃機関）の燃焼室から排出されて排気管１０の排気通路１０ａを流れる排気を浄化する。
【００２４】
排気浄化装置は、排気浄化反応を促進する触媒装置（図示せず）と、触媒装置の排気上流側に配置され、排気通路１０ａ中の排気に対して尿素水溶液（以下、単に尿素水と呼ぶ）を噴射供給する尿素水噴射弁２０とを有して構成されている。触媒装置は、ＮＯｘの還元反応（排気浄化反応）を促進するものである。
【００２５】
このような構成による排気浄化装置では、噴射弁２０により排気中へ尿素水を噴射供給し、排気の流れ（排気流）を利用してその排気共々尿素水を下流の触媒へ供給するとともに、該触媒上でＮＯｘの還元反応を行うことによってその排気を浄化する。ＮＯｘの還元に際しては、尿素水が排気熱で加水分解されることによりアンモニア（ＮＨ3）が生成され、触媒にて選択的に吸着された排気中のＮＯｘに対し、このアンモニアが添加される。そして、同触媒上で、そのアンモニアに基づく還元反応が行われることによって、ＮＯｘが還元、浄化されることになる。
【００２６】
尿素水タンク１１に貯蔵された尿素水は、尿素水ポンプ１２により汲み上げられて吐出され、フィルタ１３を介して噴射弁２０に供給される。なお、尿素水ポンプ１２から吐出された余剰尿素水は、レギュレータ１４により尿素水タンク１１に戻される。また、尿素水ポンプ１２及び噴射弁２０の作動はエンジンＥＣＵ１５により制御される。
【００２７】
次に、図２、図３及び図４を参照して噴射弁２０の構成について説明する。図２は噴射弁２０の断面図であり、図３は図２の拡大図、図４は図３の拡大図である。噴射弁２０のハウジング２１は円筒状に形成されている。ハウジング２１は、第一磁性部２１ａ、非磁性部２１ｂ及び第二磁性部２１ｃを有している。非磁性部２１ｂは、第一磁性部２１ａと第二磁性部２１ｃとの磁気的な短絡を防止する。
【００２８】
ハウジング２１の軸方向の一方の端部には入口部材２２が取り付けられている。入口部材２２に形成された尿素水入口２２ａには、尿素水ポンプ１２から吐出された尿素水が供給される。尿素水入口２２ａに供給された尿素水は、異物を除去するフィルタ２３を経由してハウジング２１の内周側に流入する。
【００２９】
ハウジング２１の他方の端部にはノズルホルダ２４が設置されている。ノズルホルダ２４は、円筒状に形成され、内側にノズルボディ２５を収容する。ノズルボディ２５は、円筒状に形成され、例えば圧入あるいは溶接などにより、ノズルホルダ２４に固定されている。ノズルホルダ２４とノズルボディ２５との間には、複数の噴孔２８ａが形成された金属製の噴孔プレート２８（図３参照）が挟持されている。噴孔２８ａは、噴孔プレート２８をプレス加工することで形成してもよいし、レーザ加工により形成してもよい。なお、ノズルホルダ２４、ノズルボディ２５及び噴孔プレート２８は、特許請求の範囲に記載の「ボディ部材」に相当するものである。
【００３０】
ハウジング２１、ノズルホルダ２４及びノズルボディ２５により、内部に収容室を形成するバルブボディを構成している。その収容室には、ニードル２６が軸方向（図２の上下方向）へ往復移動可能に収容されている。ニードル２６は、ノズルボディ２５と概ね同軸上に配置されており、ノズルボディ２５との間に尿素水が流れる尿素水通路２７を形成する。ノズルボディ２５は、図３に示すように先端に近づくにつれて内径が小さくなる円錐状の内壁面にシート部２５ａを有している。そして、ニードル２６の端部には、面取り加工によるテーパ面２６ａが形成されており、テーパ面２６ａのうち最も直径が大きい部分は、ノズルボディ２５のシート部２５ａと当接する当接部２６ａとして機能する。
【００３１】
噴射弁２０は、ニードル２６を駆動する駆動部４０を有している。駆動部４０は、スプール４１、コイル４２、固定コア４３、プレートハウジング４４及び可動コア４７を有している。スプール４１は、ハウジング２１の外周側に設置されるとともに絶縁材で筒状に形成され、スプール４１の外周側にはコイル４２が巻かれている。コイル４２は、コネクタ４５の端子部４６に接続している。ハウジング２１を挟んでコイル４２の内周側には固定コア４３が設置されている。固定コア４３は、例えば鉄などの磁性材料により筒状に形成され、ハウジング２１の内周側に圧入などにより固定されている。磁性材で形成されたプレートハウジング４４はコイル４２の外周側を覆っている。
【００３２】
可動コア４７は、ハウジング２１内にて軸方向へ往復移動可能に設置されており、例えば鉄などの磁性材料により形成されている。そして、可動コア４７にはニードル２６の端部が圧入又は溶接等により接続されており、ニードル２６と可動コア４７とは一体的に軸方向（図２の上下方向）へ往復移動する。また、可動コア４７は、スプリング４８の弾性力により、シート部２５ａに向けて押し付けられている。したがって、可動コア４７と接続されているニードル２６は、当接部２６ａをシート部２５ａに着座させる向きに押し付けられる。
【００３３】
コイル４２に通電していないとき、可動コア４７及びニードル２６はシート部２５ａ側へ押し付けられ、当接部２６ａはシート部２５ａに着座する。これにより、尿素水通路２７が遮断されて、噴孔２８ａからの尿素水噴射が停止される。一方、コイル４２に通電したときには、可動コア４７が固定コア４３に吸引されてニードル２６がシート部２５ａから離座し、尿素水通路２７が開放される。すると、尿素水入口２２ａに供給された尿素水は、入口部材２２内部、ハウジング２１内部、ノズルホルダ２４内部、ノズルボディ２５内部を順に流通した後、噴孔２８ａから排気通路１０ａに噴射される。
【００３４】
また、これらノズルホルダ２４及びノズルボディ２５は、高温の排気により加熱され、焼き鈍りによる硬度低下を招くことが懸念される。また、ノズルボディ２５が高温（例えば１６０℃以上）になると、排気中に含まれる異物（例えば、ＰＭ（粒子状物質）、未燃燃料、潤滑油、又はこれらが化学反応して生成された物質）や噴射された尿素水がデポジットとして付着しやすくなることが一般的に知られており、デポジットが噴孔２８ａを詰まらせることが懸念される。
【００３５】
これらの懸念を解消すべく、ノズルホルダ２４の外周側には冷却手段６０が備えられている（図１参照）。冷却手段６０は、ジャケット６１内部の冷却通路６２に冷却液を循環させるよう構成されており、この冷却液には、燃焼室を内部に形成するシリンダブロック等を冷却するエンジン冷却液が用いられている。
【００３６】
図１に示すように、噴射弁２０は、触媒装置へ向かって尿素水を噴射するように排気管１０に対して傾けて、すなわち噴孔２８ａを触媒の側へ向けて配設されている。このように噴射弁２０を傾けて排気管１０に取り付けることを実現するために、排気管１０には分岐管１７が溶接等により傾けて接続され、この分岐管１７の端部に取付部材１６を取り付けている。したがって、分岐管１７の内部空間は、排気管１０の内壁から排気管径方向の外側に凹む形状の空間となり、排気通路１０ａの一部を構成するとともに噴射弁２０の先端部分（以下、ボディ先端部と呼ぶ）が収容される収容室１７ａとして機能する。
【００３７】
このように、排気管径方向の外側に凹む形状の収容室１７ａに噴射弁２０のボディ先端部を収容することにより、排気通路１０ａを流れる排気の主流Ｙ１がボディ先端部に直接向かって流れてくることを回避する。よって、ボディ先端部が排気で加熱されることの低減を図っている。なお、排気の主流Ｙ１から分流した副流Ｙ２（図１参照）が収容室１７ａに流入してくるものの、当該副流Ｙ２は主流Ｙ１よりも熱エネルギが小さいため、ボディ先端部の高温化を抑制できる。
【００３８】
さらに本実施形態では、このような副流Ｙ２がボディ先端部に直接衝突して高温化を招くことを回避すべく、ボディ先端部に対向配置されたプレート部材７０を設けている。プレート部材７０は、取付部材１６の貫通穴１６ａ全体を覆う円盤形状であり、プレート部材７０の中央部分には、噴孔２８ａから噴射された尿素水を通過させる通過穴７０ａが形成されている。通過穴７０ａは、噴射弁２０の中心線Ｊ１と同軸に位置する円形である。このプレート部材７０により、排気主流Ｙ１から分岐してボディ先端部に向かって流れてくる副流Ｙ２は、図１中の矢印Ｙ３に示すようにボディ先端部から逸れるよう偏向される。よって、排気流Ｙ３がボディ先端部に直接衝突することを抑制できるので、ボディ先端部の高温化を抑制でき、ボディ先端部の硬度低下及びデポジット付着の懸念を低減できる。
【００３９】
次に、図３〜図５を用いて、噴孔２８ａの形状配置等を詳細に説明する。なお、図５は噴孔プレート２８単体を示す３面図であり、図５（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は底面図である。
【００４０】
図５に示すように噴孔プレート２８は有底の円筒形状に形成されており、噴孔プレート２８の底部分には、貫通する４つの噴孔２８ａが同心円上に等間隔で形成されている。図５（ａ）中の符号Ｒは前記同心円を表す仮想線であり、噴孔２８ａの流入口２８ｂの中心を通る円である。
【００４１】
また、図３及び図４に示すように、噴孔２８ａが噴孔プレート２８を貫通する向きは、噴孔２８ａの流出口２８ｃが噴孔２８ａの流入口２８ｂよりも中心線Ｊ１の外側に位置するように傾斜している。つまり、噴孔２８ａの流入口２８ｂが流出口２８ｃよりも同心円Ｒの径方向外側に位置するよう、噴孔２８ａの軸方向Ｊ２はニードル２６の軸方向Ｊ１に対して傾くテーパ状に形成されている。さらに噴孔２８ａは、流入口２８ｂから流出口２８ｃにかけて徐々に通路径を拡大させる末広がり形状に形成されている。
【００４２】
ところで、先述した通り、噴孔２８ａから噴射される尿素水はできるだけ微粒化されていることが望ましく、微粒化を促進させることは、触媒におけるＮＯｘ浄化率及びアンモニアスリップの低減を図る上で有効である。以下、微粒化を図るための構成を説明する。図４，図５中の符号Ｄｐは、４つの噴孔２８ａの同心円Ｒの直径（以下ピッチ径Ｄｐと呼ぶ）を示す。図４中の符号Ｄｓは、ノズルボディ２５のうちニードル２６が着座する部分であるシート部２５ａの直径（以下シート径Ｄｓと呼ぶ）を示す。そして、これらシート径Ｄｓとピッチ径Ｄｐとの比率Ｄｓ／Ｄｐを、１．３＜Ｄｓ／Ｄｐ＜２．５としている。
【００４３】
また、図４中の符号２８ｄは、噴孔２８ａの流出口２８ｃのうち同心円Ｒの径方向内側に位置する部分である内側エッジ部２８ｄを示す。図４中の符号２８ｅは、噴孔２８ａの流出口２８ｃのうち同心円Ｒの径方向外側に位置する部分である外側エッジ部２８ｅを示す。図４中の符号２５ｂは、尿素水通路２７のうちニードル２６の先端より下流側に位置するとともに噴孔２８ａの流入口２８ｂより上流側に位置する部分である連通路２５ｂを示す。この連通路２５ｂは、ノズルボディ２５の下流端部分にて開口する形状であり、その開口直径を符号Ｄｈに示す。
【００４４】
そして、外側エッジ部２８ｅを、連通路２５ｂの内壁面よりも同心円Ｒの径方向外側に位置させるとともに、内側エッジ部２８ｄを、連通路２５ｂの内壁面よりも同心円Ｒの径方向内側に位置させる。要するに、噴孔２８ａの流出口２８ｃは、同心円Ｒの径方向において連通路２５ｂの内壁面を跨ぐように配置されている。また、連通路２５ｂの開口直径Ｄｈは、ピッチ径Ｄｐよりも大きく、シート径Ｄｓよりも小さくなるよう設定されている。
【００４５】
以上詳述した本実施形態によれば、Ｄｓ／Ｄｐ＜２．５としたことと、外側エッジ部２８ｅを連通路２５ｂの内壁面よりも外側に位置させることで、複数の噴孔２８ａが十分に離間されることとなる。よって、噴射直後の噴霧同士が衝突して巨大化することを抑制でき、尿素水の微粒化を促進できる。したがって、アンモニア供給不足によるＮＯｘ浄化率の悪化やアンモニアスリップの問題を解消できる。
【００４６】
また、先述した図７の試験結果によれば、Ｄｓ／Ｄｐ＜２．５とすることで十分に微粒化できることが分かる。なお、本実施形態に係る噴射弁２０による試験結果は実線Ａ３に示し、図７中の実線Ａ２の試験結果は、本実施形態の変形例に係る噴射弁であり、図６に示す如く噴孔２８ａを６個にした場合の噴射弁による試験結果を示す。また、図７中の実線Ａ１の試験結果は、Ｄｓ／Ｄｐを２．６３とした従来の噴射弁による試験結果を示す。
【００４７】
図７に係る試験の条件をより詳細に説明すると、噴孔プレート２８の厚み寸法はＡ１〜Ａ３の全てにおいて０．２ｍｍである。噴孔２８ａの流入口２８ｂ側の穴径寸法は、Ａ２，Ａ３においては０．１３０ｍｍ、Ａ１においては０．１８０ｍｍである。ピッチ径Ｄｐは、Ａ２，Ａ３においては０．９ｍｍ、Ａ１においては０．６ｍｍである。
【００４８】
そして、このように尿素水の微粒化を促進できた結果、アンモニア供給不足によるＮＯｘ浄化率の悪化やアンモニアスリップの問題を解消できる。図８は、触媒から漏れ出たアンモニアスリップ量を縦軸に、触媒によるＮＯｘの低減率を横軸に示すグラフである。この図８中の破線Ｂ１はＤｓ／Ｄｐが２．６３の場合を示し、実線Ｂ２はＤｓ／Ｄｐが１．７６の場合を示している。
【００４９】
そして、これら２つの曲線は、尿素水の供給量を多くしていくにつれ、ＮＯｘ低減率が向上し、アンモニアスリップ量が増大する傾向となることを示している。また、この図から確認できるように、Ｄｓ／Ｄｐが１．７６の場合の方が、Ｄｓ／Ｄｐが２．６３の場合に比べて、ＮＯｘ低減率を高く、かつアンモニアスリップ量を低減できることが分かる。
【００５０】
ところで、一般的には、ＮＯｘ低減率の向上とアンモニアスリップ量の低減とはトレードオフの関係にあると言われている。これに対し、上述した図８に示すように、Ｄｓ／Ｄｐが１．７６の方が、Ｄｓ／Ｄｐが２．６３に比べて、ＮＯｘ低減率を高く、かつアンモニアスリップ量を低減できる。そのため、Ｄｓ／Ｄｐを２．６３としたＢ１の噴射弁に比べ、Ｄｓ／Ｄｐを１．７６としたＢ２，Ｂ３の噴射弁の方が、ＮＯｘ低減率向上とアンモニアスリップ量低減とを両立できることが分かる。
【００５１】
しかも、本実施形態においては、収容室１７ａに噴射弁２０のボディ先端部を収容する構造で、ボディ先端部が排気で加熱されることの低減を図っているため、噴孔２８ａの軸方向Ｊ２をニードル２６の軸方向Ｊ１に対して傾ける角度を単純に大きくしただけでは、噴射した尿素水が、分岐管１７の内壁面及びプレート部材７０の内壁面に付着してしまうという制約がある。このような制約がある状態において、本実施形態ではＤｓ／Ｄｐ＜２．５としたことと、外側エッジ部２８ｅを連通路２５ｂの内壁面よりも外側に位置させることにより、前記内壁面への尿素水付着を回避しつつ、噴射直後の噴霧同士が衝突することの抑制を図ることができる。
【００５２】
さらに本実施形態によれば、１．３＜Ｄｓ／Ｄｐとしたことと、内側エッジ部２８ｄを連通路２５ｂの内壁面よりも内側に位置させることで、ノズルボディ２５のうち、シート部２５ａから噴孔２８ａの流入口２８ｂにかけての連通路部分２５ｃに、座ぐり等による通路拡大部を形成することを不要にできる。よって、ノズルボディ２５の成形性悪化を抑制できる。
【００５３】
（他の実施形態）
上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。また、本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、各実施形態の特徴的構成をそれぞれ任意に組み合わせるようにしてもよい。
【００５４】
・図２等に示す上記実施形態では、ノズルホルダ２４、ノズルボディ２５及び噴孔プレート２８により特許請求の範囲に記載の「ボディ部材」を構成しているが、本発明の実施にあたり、例えば噴孔プレート２８を廃止して、ノズルホルダ２４及びノズルボディ２５のいずれか一方に噴孔を形成するようにしてもよい。また、当該ボディ部材は、別体に形成されたノズルホルダ２４、ノズルボディ２５及び噴孔プレート２８を溶接等により接続して構成してもよいし、同一の母材から削り出し、又は鋳造等により一体に構成してもよい。
【００５５】
・本発明の実施にあたり、尿素水の噴射圧力を例えば０．４ＭＰａ〜１．０ＭＰａに設定するのが望ましく、０．９ＭＰａに設定することがより望ましい。
【００５６】
・本発明の実施にあたり、噴孔２８ａの数を３個〜６個に設定するのが望ましく、４個に設定することがより望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の一実施形態に係る尿素水噴射弁が適用された、排気浄化装置を示す模式図。
【図２】図１の尿素水噴射弁を示す断面図。
【図３】図２の拡大図。
【図４】図３の拡大図。
【図５】図４の噴孔プレート単体を示す３面図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は底面図。
【図６】図５の噴孔プレートに対する変形例を示す３面図。
【図７】本発明による尿素水微粒化の効果を示す試験結果。
【図８】尿素水微粒化によるアンモニアスリップ量低減及びＮＯｘ低減率向上の効果を示す試験結果。
【符号の説明】
【００５８】
１０ａ…排気通路、２０…尿素水噴射弁、２４…ノズルホルダ（ボディ部材）、２５…ノズルボディ（ボディ部材）、２５ａ…シート部、２５ｂ…連通路、２６…ニードル、２７…尿素水通路、２８…噴孔プレート（ボディ部材）、２８ａ…噴孔、２８ｂ…噴孔の流入口、２８ｃ…噴孔の流出口、２８ｄ…内側エッジ部、２８ｅ…外側エッジ部、Ｄｓ…シート径、Ｄｐ…ピッチ径。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路へ尿素水を噴射する尿素水噴射弁であって、
尿素水を噴射する複数の噴孔が同心円上に形成されるとともに、前記噴孔に通じる尿素水通路が内部に形成されたボディ部材と、
前記ボディ部材に形成された円環形状のシート部に着座離座することで前記尿素水通路を開閉するニードルと、
を備え、
前記シート部の直径であるシート径（Ｄｓ）と、前記同心円の直径であるピッチ径（Ｄｐ）との比率（Ｄｓ／Ｄｐ）を、１．３＜Ｄｓ／Ｄｐ＜２．５としたことを特徴とする尿素水噴射弁。
【請求項２】
前記噴孔の流入口が流出口よりも前記同心円の径方向外側に位置するよう、前記噴孔は前記ニードルの軸方向に対して傾くテーパ状に形成されており、
前記流出口のうち前記同心円の径方向内側に位置する部分を内側エッジ部と称し、径方向外側に位置する部分を外側エッジ部と称し、前記尿素水通路のうち前記ニードル先端より下流側に位置するとともに前記噴孔の上流側に位置する部分を連通路と称した場合において、
前記外側エッジ部を、前記連通路の内壁面よりも前記同心円の径方向外側に位置させるとともに、前記内側エッジ部を、前記連通路の内壁面よりも前記同心円の径方向内側に位置させることを特徴とする請求項１記載の尿素水噴射弁。
【請求項３】
内燃機関の排気通路へ尿素水を噴射する尿素水噴射弁であって、
尿素水を噴射する複数の噴孔が同心円上に形成されるとともに、前記噴孔に通じる尿素水通路が内部に形成されたボディ部材と、
前記ボディ部材に形成された円環形状のシート部に着座離座することで前記尿素水通路を開閉するニードルと、
を備え、
前記噴孔の流入口が流出口よりも前記同心円の径方向外側に位置するよう、前記噴孔は前記ニードルの軸方向に対して傾くテーパ状に形成されており、
前記流出口のうち前記同心円の径方向内側に位置する部分を内側エッジ部と称し、径方向外側に位置する部分を外側エッジ部と称し、前記尿素水通路のうち前記ニードル先端より下流側に位置するとともに前記噴孔の上流側に位置する部分を連通路と称した場合において、
前記外側エッジ部を、前記連通路の内壁面よりも前記同心円の径方向外側に位置させるとともに、前記内側エッジ部を、前記連通路の内壁面よりも前記同心円の径方向内側に位置させることを特徴とする尿素水噴射弁。
【請求項４】
前記噴孔の数を３個以上６個以下としたことを特徴とする請求項２又は３記載の尿素水噴射弁。
【請求項５】
前記噴孔からの噴射圧力が１ＭＰａ以下の低圧であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の尿素水噴射弁。
【請求項６】
前記排気通路を内部に形成する排気管には、当該排気管の内壁から排気管径方向の外側に凹む収容室が形成されており、
前記ボディ部材のうち少なくとも前記噴孔が形成されている先端部分は、前記収容室に配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の尿素水噴射弁。
【請求項１】
内燃機関の排気通路へ尿素水を噴射する尿素水噴射弁であって、
尿素水を噴射する複数の噴孔が同心円上に形成されるとともに、前記噴孔に通じる尿素水通路が内部に形成されたボディ部材と、
前記ボディ部材に形成された円環形状のシート部に着座離座することで前記尿素水通路を開閉するニードルと、
を備え、
前記シート部の直径であるシート径（Ｄｓ）と、前記同心円の直径であるピッチ径（Ｄｐ）との比率（Ｄｓ／Ｄｐ）を、１．３＜Ｄｓ／Ｄｐ＜２．５としたことを特徴とする尿素水噴射弁。
【請求項２】
前記噴孔の流入口が流出口よりも前記同心円の径方向外側に位置するよう、前記噴孔は前記ニードルの軸方向に対して傾くテーパ状に形成されており、
前記流出口のうち前記同心円の径方向内側に位置する部分を内側エッジ部と称し、径方向外側に位置する部分を外側エッジ部と称し、前記尿素水通路のうち前記ニードル先端より下流側に位置するとともに前記噴孔の上流側に位置する部分を連通路と称した場合において、
前記外側エッジ部を、前記連通路の内壁面よりも前記同心円の径方向外側に位置させるとともに、前記内側エッジ部を、前記連通路の内壁面よりも前記同心円の径方向内側に位置させることを特徴とする請求項１記載の尿素水噴射弁。
【請求項３】
内燃機関の排気通路へ尿素水を噴射する尿素水噴射弁であって、
尿素水を噴射する複数の噴孔が同心円上に形成されるとともに、前記噴孔に通じる尿素水通路が内部に形成されたボディ部材と、
前記ボディ部材に形成された円環形状のシート部に着座離座することで前記尿素水通路を開閉するニードルと、
を備え、
前記噴孔の流入口が流出口よりも前記同心円の径方向外側に位置するよう、前記噴孔は前記ニードルの軸方向に対して傾くテーパ状に形成されており、
前記流出口のうち前記同心円の径方向内側に位置する部分を内側エッジ部と称し、径方向外側に位置する部分を外側エッジ部と称し、前記尿素水通路のうち前記ニードル先端より下流側に位置するとともに前記噴孔の上流側に位置する部分を連通路と称した場合において、
前記外側エッジ部を、前記連通路の内壁面よりも前記同心円の径方向外側に位置させるとともに、前記内側エッジ部を、前記連通路の内壁面よりも前記同心円の径方向内側に位置させることを特徴とする尿素水噴射弁。
【請求項４】
前記噴孔の数を３個以上６個以下としたことを特徴とする請求項２又は３記載の尿素水噴射弁。
【請求項５】
前記噴孔からの噴射圧力が１ＭＰａ以下の低圧であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の尿素水噴射弁。
【請求項６】
前記排気通路を内部に形成する排気管には、当該排気管の内壁から排気管径方向の外側に凹む収容室が形成されており、
前記ボディ部材のうち少なくとも前記噴孔が形成されている先端部分は、前記収容室に配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の尿素水噴射弁。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−２５０１６１（Ｐ２００９−２５０１６１Ａ）
【公開日】平成２１年１０月２９日（２００９．１０．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１０１１７５（Ｐ２００８−１０１１７５）
【出願日】平成２０年４月９日（２００８．４．９）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月２９日（２００９．１０．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年４月９日（２００８．４．９）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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