JP4332840B2 - Reducing agent injector for exhaust gas purification - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排ガス中に含有されているNOX(窒素酸化物)を還元剤と還元触媒とによって分解し無害化するための排ガス浄化装置に用いられる、還元剤の噴射器に関する。
【0002】
【従来の技術】
ディーゼルエンジン、ボイラ、ガスタービン、コークス炉などの機械・設備が排出する排ガスによる大気汚染の防止を図るため、排ガス中のNOXを除去・低減することは従前から広く実施されている。脱硝手段としてアンモニアまたは尿素の水溶液を還元剤に使用し、これを排ガス中に噴霧・添加してから還元触媒に接触させる方式を用いるのが普通である。
【0003】
還元剤を排ガス中に噴霧する際、殊に、尿素水溶液は液体のままであると還元剤由来の固形化合物を生成し、還元触媒や排気管に付着・堆積して目詰まりなどの機能障害を引き起こすという問題がある。そこで、還元剤を気化させる手段として、特開平5−31327号公報に還元剤をそのまま排ガス中に噴霧し排ガスの熱により気化させるという手段が提案され、特開平2−207119号公報には還元剤を圧縮空気中に噴霧させてからこれを排ガスと混合して排ガスの熱により気化させるという手段が提案されている。また、特開平5−57146号公報には排ガスボイラの過熱蒸気中に還元剤を噴霧して気化させたものを排ガス中に吐出するという手段が提案され、特開平5−220342号公報には電気ヒータで加熱した空気中に還元剤を噴霧して気化させたものを排ガスに注入するという手段が提案されている。
【0004】
前述の排ガスがもつ熱を利用して還元剤を気化させる手段は、気化のための特別の熱発生手段が不要であるが、排ガス温度が還元剤の気化温度よりも低い場合には固形化合物の生成や、NOXの大気中への大量放出などの不都合を生じる。
また、排ガスボイラの過熱蒸気がもつ熱を利用して還元剤を気化させる手段は、極めて限定された特定分野における手段であって、広く一般的に利用できるものではない。
【0005】
更に、電気ヒータが発する熱を利用する手段は、過熱蒸気の熱を利用する技術と同様に排ガス温度が低くてもNOXの除去・低減という目的を達成しやすいものの、多量の電力を消費し、特に自動車用ディーゼルエンジンに付設した発電機で得た電力を使用する場合は、燃費の低下や発電機の大容量化が避けられないという問題を生じる。加えて、この手段は前述の他の手段と同様に排ガス中のNOX濃度に応じて還元剤の量を調節することを考慮しておらず、過不足を生じて充分なNOXの除去・低減が行えないとともに、過剰の還元剤が大気中に放出されるという無駄を生じるばかりか、大気の更なる汚染を招く心配がある。特に、運転条件が大幅且つ頻繁に変化する自動車用ディーゼルエンジンのように大幅に変動するNOX濃度に対応して、常に適正量の還元剤を噴霧することは到底不可能である。
【0006】
これに対し、本願発明者、特許出願人は、先に特願2002−298498号において、還元剤をポンプで高圧にするとともに、加熱器で沸点より僅かに低い温度に加熱することに加えて、電子式制御装置で加圧・加熱状態を制御しながら噴射器で排ガス通路内に噴射させることにより、NOXを効率的に除去する排ガス浄化装置を提案した。
【0007】
この先願技術は、電子式制御装置を用いてNOX濃度に応じた還元剤噴射量の制御を行うとともに、還元剤や排ガスの温度に応じて還元剤加熱温度の制御を行うことにより、還元剤の過不足を招くことがなく、且つ排ガス通路内に噴霧したときに確実に気化させることができる、という点で有用性が高い。
【0008】
ここで、前記先願技術で用いる噴射器は、小流量から大流量まで高精度且つ鋭敏な流量制御が要求されることから、自動車用内燃機関の燃料供給に用いられる電磁駆動の燃料噴射弁と同様のものを使用するのが好適である。
【0009】
しかし、このような噴射器は、高温の還元剤に曝されるため電磁コイルのニクロム線被覆、コネクタの樹脂部分、気密用Oリングなどに耐熱性に対する信頼が乏しく、故障トラブルが発生しやすいという問題がある。
また、この噴射器は、電磁コイルの吸引力によりプランジャを介して弁体(ニードル弁)を直接駆動させる方式であるが、噴射圧力が高い場合にはこれに応じて吸引力を高める必要があるため、電磁コイルに流す電流の電圧を高くしたり、大電流が流れる抵抗値の低い電磁コイルを用いたりすることが必要となり、加えてそのための電力消費量も問題となりやすい。
【0010】
更に、上述の還元剤を加熱してから排ガス中に噴射する技術においては、排ガスの廃熱を利用した熱交換器や電気ヒータなどの加熱器が用いられるが、これらはいずれも噴射器上流の還元剤配管に設けられているものであり、配管中の還元剤が低温状態であるエンジン始動時においては、加熱器の下流および噴射器内の還元剤は低温のままである。従って、これがそのまま排ガス中に噴射されると始動時の排ガスも低温であることもあって還元剤は充分に気化されず、固形化合物の付着・堆積という問題を生じてしまう。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のような問題点を解決しようとするものであり、排ガス浄化装置に用いられる還元剤の噴射器について、高温の還元剤に曝されても障害が生じないようにするとともに、噴射量制御のために必要な電磁弁の駆動力を最小限とし、更には、噴射直前の還元剤が低温状態の場合や排ガス発生機械・設備の運転状態が過渡的に変化するような場合においても、排ガス通路内での確実な気化を実現することを課題とするものである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は、排ガス発生機械・設備から延び脱硝反応器が設置された排ガス通路に高圧・高温の還元剤を噴射して前記脱硝反応器の還元触媒に前記還元剤を気化状態で接触させることにより排ガス中のNOXを分解する排ガス浄化装置に用いられる還元剤の噴射器を、噴射孔および弁体と前記高圧・高温の還元剤を前記噴射孔に導入する噴射用還元剤通路とを有する噴射部と、高圧・常温の還元剤を通過させる冷却用還元剤通路およびその途中に設けられた弁体駆動用の圧力室とこの圧力室の還元剤圧力を制御する電磁弁とを有する駆動部とからなり、前記駆動部は前記高圧・常温の還元剤が通過することにより冷却され、前記電磁弁は排ガス中のNOX濃度に応じて電子式制御装置が発する駆動信号により前記圧力室の出口を開閉し、開放時に前記圧力室の圧力が低下することによって前記弁体が前記噴射孔を開いて前記高圧・高温の還元剤を噴射させ、閉止時に前記圧力室の圧力が上昇することによって前記弁体が前記噴射孔を閉じるものとされるものとしたことをもって、前記課題を解決するための第一手段とした。
【0013】
これにより、還元剤に無害で取り扱い容易な尿素水溶液を用いることができるともに、噴射部に供給される高圧・高温の還元剤とは別に、高圧・常温の還元剤を電磁式の駆動部に導入して殊に電磁弁部分を冷却することで、駆動部に用いられている低耐熱性部品が高温の噴射用還元剤により熱的障害を受けるのを容易に防止することができる。また、駆動部に導入される還元剤の高圧を利用して、噴射部の弁体を駆動させるので、電磁コイルの吸引力は圧力室の出口を開閉できるだけの強さで足りる。したがって、小形で少電力消費量の電磁弁で高圧噴射にも容易に対応できるようになる。尚、本発明において、高温の還元剤とは気化温度よりも僅かに低い温度に加熱されている還元剤を指し、高圧の還元剤とは噴射部から噴射したとき充分に霧化され且つ圧力室で弁体を駆動する力を与えることができる圧力に加圧されている還元剤を指す。
【0014】
また、前記課題を解決するための第二手段として、前記第一手段に加えて、前記噴射部に前記噴射用還元剤通路の還元剤を加熱する電気ヒータを設け、前記電気ヒータは還元剤が噴射されたときに気化可能な温度よりも低い温度の場合に、前記電子式制御装置の指令により還元剤を気化可能な温度まで加熱するものとした。これにより、還元剤の噴射時における精密な温度管理を行うことができるようになり、殊に、始動時などに低温の還元剤が排ガス通路内に噴射されるという不都合が解消され、排ガス通路内での充分な気化を常に実現できるようになる。
【0015】
更に、前記第一または第二手段において、前記噴射部の噴射用還元剤通路に温度センサを設け、前記温度センサが検知した噴射直前の還元剤の温度に基づいて前記電子式制御装置が前記電気ヒータを制御するものとしたことを第三手段とした。このことにより、噴射直前の還元剤の温度を精密に制御することができるようになり、排ガス通路内に噴射された還元剤の気化が更に確実になる。
【0016】
更にまた、前記第一、第二または第三手段において、前記高圧・高温の還元剤はポンプで加圧し次に加熱器で加熱して前記噴射部に送入するものとし、前記高圧・常温の還元剤は前記ポンプで加圧した還元剤を前記加熱器の前で分流して前記駆動部を通過させて前記ポンプの吸込み側に戻すものとしたことを第四手段とした。このことにより、ポンプで加圧した還元剤は、気化に適するように加熱され噴射部に送入させる経路と、冷却に適するように加熱されずに常温のまま駆動部に送入させる経路とに確実に分流され、駆動部に送入された還元剤は駆動部を冷却しながら通過した後に前記ポンプの吸込側に戻されるため、有効にこれを再利用することができる。
【0017】
加えて、前記第一、第二、第三または第四手段において、前記噴射部と前記駆動部とが、熱伝導を制限する薄肉の筒状体を挟んで配置されているものとしたことを第五手段とした。このことにより、噴射部から駆動部に大量の熱が伝導されるのが防止されるとともに、駆動部からの冷却作用により噴射部の温度が低下させられて噴射時の還元剤温度が低下してしまうことを防ぐことができる。
【0018】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、以下に図面を用いながら詳細に説明する。尚、異なる実施の形態であっても、同じ構成要素には同一の符号を付して説明する。また、本実施の形態において用いる還元剤は、安全性及び取扱いの容易性の観点から尿素水溶液としている。
【0019】
先ず、図1を用いて本発明の噴射器が配置された排ガス浄化装置50の構成および作用を説明する。本実施の形態においては、排ガス発生機械・設備が自動車用ディーゼルエンジン1、排ガス通路が排気管2であり、噴射器として後に詳述する図2に示した噴射部20A、駆動部30Aを有する噴射器6Aが用いられている。
【0020】
タンク9に貯留された還元剤は、配管12により噴射器6Aに送入されるが、その経路において低圧ポンプ8、高圧ポンプ15、加熱器14、電気ヒータ13が設けられている。タンク9から延びた配管12により導かれた還元剤は、低圧ポンプ8で加圧された後、高圧ポンプ15で更に加圧される。還元剤は低圧ポンプ8の吐出側において圧力調整器7aにより圧力調整が行われるとともに高圧ポンプ15の吐出側でも圧力調整器7bにより圧力調整が行われる。また、噴射器6Aによる還元剤噴射は電子式制御装置10により制御されるようになっており、電子式制御装置10からの動作指令(デューティーサイクル信号)で噴射器6Aの駆動部30Aに内蔵された電磁弁が開閉を繰り返して噴射部20Aからの噴射量が調整されるようになっている。
【0021】
一般に、液体を加熱して気化させる場合、液体を低圧にするほど気化しやすくなり、高圧にするほど気化しにくくなる。したがって、液体の状態の還元剤を高圧にしてから加熱すると液体の状態のまま高温にすることができ、これを低圧雰囲気中に噴射すれば瞬時に低圧になるため容易に気化することは広く知られていることである。そこで、本実施の形態においても還元剤を加熱前に加圧するものとした。そして高圧の還元剤を加熱器14さらには電気ヒータ13で気化温度、即ち沸点よりも僅かに低い温度に加熱することにより、液体の状態のまま高温にし、且つ噴射したとき完全に気化させることが可能となる。加えて、本実施の形態ではポンプを二段階にするとともにそれぞれの吐出圧力を一定に調整しており、このことにより、圧力が変動して加熱器14や電気ヒータ13内で還元剤が沸騰し配管内で気泡が発生したり固形化合物が発生したりするという心配を解消することができる。また、噴射する還元剤中に気泡を含まないようにすることで、噴射器6Aからの還元剤の噴射量を正確なものとして排ガス浄化効率を高めることができる。
【0022】
配管12は、高圧ポンプ15と加熱器14との間において噴射器6Aの噴射部20Aに向かう噴射用還元剤配管12aと噴射器6Aの駆動部30Aに向かう冷却用還元剤配管12bとに分岐される。
噴射用還元剤配管12aに入った高圧・常温の還元剤は、温度調節装置16により制御される加熱器14で排気管2の管壁がもつ熱により加熱される。排気管2の管壁はディーゼルエンジン1からの伝導熱とその内部を流れる排気の熱とによって加熱され、還元剤を高温に加熱することを可能とする。
【0023】
加熱器14および温度調節装置16の構成の一例は図1の下部の一点鎖線内の拡大図に詳細に示されている。即ち、温度調節装置16は、排気管2の管壁に台座16cを取付けて、加熱器14を断熱材16dを挟んで台座16cに固定させるとともに、伝熱部材16bを台座16cに摺動可能に重ねて接触させたものであって、伝熱部材16bはソレノイド16aから延びるロッド16fに結合されて加熱器14に接触或いはこれより離れるようになっている。台座16cと伝熱部材16bとは熱伝導にすぐれた金属で作られている。また、加熱器14は、同じく高熱伝導の金属で作った中実の胴体14aの内部に伝熱路14bを形成したものであって、伝熱路14bの出口部分に温度センサ17aが設置されている。
【0024】
そして、加熱器14により加熱された高圧・高温の還元剤は電気ヒータ13で更に加熱されてから、高圧・高温の状態で噴射器6Aの噴射部20Aに供給される。ここで、加圧して沸点を上昇させた還元剤を気化しない程度に加熱することにより、ほぼ大気圧の排気管2内に噴射したとき瞬時にこれを気化させることができる。また、加熱器14による加熱に加えて、更に電気ヒータ13で加熱するようにしたのは、比較的高温の廃熱を発生するボイラやガスタービンなどと異なり、比較的低温の廃熱を発生しやすいとともに廃熱の温度変化が大きいというディーゼルエンジンの特性に対応して、充分且つ適切な加熱を行うためである。尚、加熱器14が排気管2からの廃熱を利用して還元剤を加熱するものであり、電気ヒータ13は補助的に加熱するものであるから、還元剤を加熱するための新たに必要とされるエネルギーである電力の消費量は僅かである。
【0025】
そして、加熱器14に温度センサ17aが配置されているのに加えて、電気ヒータ13の出口部分にも温度センサ17bが配置され、更に、排気管2中にも温度センサ5が配置されるとともに排気管2中の脱硝反応器3の前後にはNOXセンサ4a,4bがそれぞれ配置されている。そして、これらの温度センサ17a,17b,5,NOXセンサ4a,4bが検知した値に基づいて電子式制御装置10が温度調節装置16,電気ヒータ13,噴射器6Aに動作指令を発することにより、排ガス温度に対応した還元剤の温度制御および排ガス中のNOX濃度に応じた噴射量制御を行うことができる。また、このように、加熱器14,噴射器6A,電気ヒータ13を電子式制御装置10で制御することにより、還元剤を精密に温度管理して排気管2内で完全に気化させるとともに、排気管2中の排ガス状態の変化に瞬時に対応することができる。
【0026】
上述のように、還元剤が噴射器6Aで噴射されるまでの経路において、その圧力及び温度が適切に制御され気化しないように管理されることは、還元剤が尿素水溶液の場合に固形物を発生させないことに加えて、気相を発生させることにより還元剤圧力が変動することおよび気相部分が噴射されることによって還元剤噴射量に狂いを生じるという問題を確実に防止できる点で極めて有意義である。
【0027】
次に、図2を用いて噴射器6Aについて詳細に説明する。
この噴射器6Aは、上述のディーゼルエンジン1の排ガス浄化装置50に用いられる場合に限らずその他に広く対応できるように、小流量から大流量まで高精度の流量制御を可能とするため、基本的構成は自動車用内燃機関の燃料供給に用いる電磁駆動式の燃料噴射弁と共通するものである。
【0028】
噴射器6Aは、ほぼ円筒状で金属製の本体ケース18の基端側(上部)に駆動部30Aが設けられ、先端側(噴射ノズル側)に噴射部20Aが設けられている。また、本体ケース18は、駆動部30Aを形成する上部本体ケース18aと噴射部20Aを形成する下部本体ケース18b、およびこれらに挟まれたほぼ中央位置の伝熱を制限する薄肉の筒状体18cとからなるものである。
【0029】
噴射部20Aは、ノズル室22および噴射孔21を具えたノズル20aを有し、筒状体18c寄りの側面には噴射用還元剤入口25を有している。ノズル室22には尖った先端部を有する針状の弁体19が、図面における上下方向へ可動に挿入され、上下動によりその先端部が噴射孔21を閉鎖または開放する構造になっている。
【0030】
噴射用還元剤入口25は、噴射口21方向に向かう噴射用還元剤通路24を介してノズル室22に接続されている。ノズル室22は、基端部が拡大されているとともに先端部に噴射孔21が開口しているほぼ円筒状の空間であり、弁体19の先端部を挿入させている。弁体19は駆動部30Aにおいて、後述する圧力室38aを構成するシリンダ孔38に嵌装されているピストン27に、ピストンロッド27aを介して直線的に連結されられているとともに、スプリング23により噴射孔21に先端部を押し付ける(閉鎖する)方向に付勢されている。
【0031】
一方、駆動部30Aは、上端に冷却用還元剤出口35を有し、中央部に電磁コイル31、バルブ29a、電磁弁スプリング36、バルブシート30aを具えた電磁弁41Aを内蔵しているとともに、筒状体18c寄りにシリンダ孔38を有してピストン27を上下に摺動可能に嵌装した支持部材30dを具えている。シリンダ孔38の反ピストン側の空間は圧力室38aを構成し、圧力室38aの天井部ほぼ中央位置に設けた出口オリフィス38bが冷却用還元剤出口35に連通するようになっている。
【0032】
シリンダ孔38付近の上部本体ケース18a外周側面には、冷却用還元剤入口32が開口しており、この冷却用還元剤入口32は、還元剤流入通路33aを経て圧力室38aの側壁に開口した入口オリフィス37に接続されている。
【0033】
バルブシート30aは出口オリフィス38bの上方開口部に形成されている。また、バルブ29aは短軸状であって基端にフランジ状の可動鉄心29fを固結している。そして 、電磁弁スプリング36によりその円錐状先端部がバルブシート30aに当接する方向に付勢されて、支持部材30fにより上下に摺動可能に支持されている。そして、バルブ29aの上方には電子式制御装置10により制御される電磁コイル31が配置され、通電時に発生する磁力により可動鉄心29fが吸引されてバルブ29aを電磁弁スプリング36の付勢力に抗して引っ張り上げるようになっている。
【0034】
尚、出口オリフィス38bは、支持部材30fに設けられた通孔34aおよびバルブ29aのフランジ部に設けられた孔を経由して電磁弁スプリング36の内側を通り、冷却用還元剤出口35に連通している。
【0035】
図2は、電磁弁に2方弁からなる電磁弁41Aを用いた還元剤の噴射器6Aを示し、図2の(A)は電磁コイル31が非通電であって噴射孔21が弁体19により閉鎖された状態を示し、図2の(B)は電磁コイル31が通電状態であって弁体19が後退させられて噴射孔21が開放状態になり、還元剤が噴射されている状態を示す。
【0036】
図2の(A)に示す非通電時において、高圧ポンプ15で加圧され冷却用還元剤配管12bを通って、冷却用還元剤入口32に供給された高圧・常温の還元剤は、還元剤流入通路33aを経由して入口オリフィス37から圧力室38aに導入される。このとき、電磁コイル31に通電されていないため、電磁弁スプリング36の付勢力によりバルブ29aの先端部がバルブシート30aに押し付けられて、圧力室38aの出口オリフィス38bを閉鎖している。したがって、圧力室38a内の高圧・常温の還元剤によりピストン27はその下方へ押圧移動している。
【0037】
一方、噴射部20Aにおいては、噴射用還元剤配管12aを通って噴射用還元剤入口25に供給された還元剤は高圧・高温の状態であり、噴射用還元剤通路24を通ってノズル室22に導入される。このとき、弁体19はスプリング23のばね荷重と圧力室38aの還元剤圧力との和である閉弁方向に働く力が、ノズル室22に供給されている還元剤により弁体19の基端側大径部における円環状の弁体受圧部19bが受ける開弁方向に働く力よりも大きいので、噴射口21を閉鎖状態としている。
【0038】
図2の(B)に示す通電時において、発生した磁力により電磁弁スプリング36の付勢力に抗して可動鉄心29fが吸引され、バルブ29aの先端部がバルブシート30aから離されて圧力室38aから出口オリフィス38bを経由して冷却用還元剤出口35に至る通路が形成される。このとき、入口オリフィス37の流路面積は、出口オリフィス38bの流路面積よりも小さく作られているため圧力室38aの圧力は急速に低下する。このため、弁体受圧部19bが受ける高圧・高温の還元剤による開弁方向の力が、圧力室38aおよびスプリング23による閉弁方向の力より大きくなり、弁体19は上方に移動して噴射孔21を開放し還元剤を噴射させる。したがって、電磁コイル31は、バルブ29aを駆動するだけの吸引力があればよいため、還元剤噴射時に高い噴射圧力が要求される場合であっても、僅かな電力消費量で噴射量を制御することができる。
【0039】
このように、電磁コイル31への通電・非通電による励磁・消磁が長時間繰り返されると、高温の還元剤に曝された噴射部20Aは温度が次第に上昇し、この熱が本体ケース18を経由して駆動部30Aに伝導されることになる。したがって、駆動部30は電磁弁41Aにおいて通電による電気抵抗熱で加熱されることに加えて、噴射部20Aからの熱によっても加熱されることになる。
【0040】
しかし、駆動部30Aには、バルブ29aの開弁の都度、常温の還元剤が送入・送出されて通過するため、駆動部30Aの内部やこれを構成する低耐熱性の部品は絶えず冷却されて、高温になることを防止される。従って、噴射器6Aは先端側の噴射部20Aが高温の還元剤に曝されても、基端側の駆動部30Aの耐熱性に問題のある部分は充分に冷却されるので熱的障害を受ける心配は殆どない。尚、本実施の形態では、噴射部20Aから駆動部30Aへの熱伝導経路である本体ケース18のほぼ中間部分に薄肉の筒状体18bが設けられているため、噴射部20Aからの熱伝導が制限される。また、この筒状体18bは、駆動部30Aが冷却されることによる噴射部20Aの温度低下を抑制して噴射する還元剤の温度を低下させないという機能も有している。
【0041】
図3は噴射器の異なる実施の形態を示すものであって、この噴射器6Bは駆動部30Aを図2の噴射器6Aの駆動部30Aと同一とし、噴射部20Bについては、図2の噴射器6Aの噴射部20Aに電気ヒータ39および温度センサ40を設けたものとしたものである。尚、駆動部30Aの構成、作用は図2のものと同じであるのでその説明は省略する。
【0042】
例えば、ディーゼルエンジン1が冷機状態で始動した直後は、廃熱温度が低く、電気ヒータ13で加熱しても気化に必要な温度に達しないことがある。本実施の形態によると、温度センサ40が噴射直前の還元剤の温度を検出し、その値に基づいて電子式制御装置10が気化に必要な温度に達していないと判定したとき、電気ヒータ39に通電して還元剤を必要な温度まで加熱させる。これにより、加熱不十分の還元剤が排気管2内に噴射されて、充分に気化されずに排気管2や還元触媒に固形化合物が付着するという問題を解消することができる。尚、温度センサ40を用いることなく、加熱器14や電気ヒータ13に設けた温度センサ17a,17bが検出した温度によっても加熱ヒータ39による加熱の制御は可能である。しかし、噴射直前の還元剤温度を温度センサ40で検知することで、噴射する還元剤の温度管理を更に適確なものとすることができる。
【0043】
図4および図5は、図2の噴射器6Aまたは図3の噴射器6Bの駆動部30Aにおける2方弁構造の電磁弁41Aを3方弁構造の電磁弁41Bとした駆動部30Bを有する噴射器6Cの部分図である。この噴射器6Cは、噴射部を前述の噴射部20Aまたは噴射部20Bと同一としているため、その図示説明は省略して駆動部30Bのみについて説明する。
【0044】
基端から先端に至る貫通孔29eを有するとともに基端にフランジ状の可動鉄心29gを有する筒状のアウタバルブ29bは、内部に細軸状のインナバルブ29cを基端側から挿入しているとともに、先端側を支持部材30eに上下摺動可能に嵌装しており、電磁弁スプリング36によりその先端がアウタバルブシート30bに押し付けられるように付勢されている。電磁弁スプリング36はまた、インナバルブ29cの基端を上方に押して動かないように固定している。
【0045】
また、アウタバルブ29bの先端付近にはインナバルブ29cの先端により閉鎖されるインナバルブシート30cが設けられている。更に、インナバルブシート30cに近接したアウタバルブ29b壁面には、支持部材30e内に設けられた還元剤流入通路33bを経由して冷却用還元剤入口32に連通する導入孔29dが設けられており、支持部材30eのアウタバルブシート30bに近接した側方には冷却用還元剤出口35方向に還元剤を流通させる還元剤流出通路34bが設けられている。そして、支持部材30eのアウタバルブシート30b下方には、出口オリフィス38dにより接続された圧力室38cおよびシリンダ孔38に上下摺動可能に嵌装されたピストン27が配置されている。
【0046】
図4に示すように、電磁コイル31への非通電時において、アウタバルブ29bは、電磁弁スプリング36によりアウタバルブシート30bに押しつけられているため、圧力室38cからの高圧・常温の還元剤を排出可能な経路は閉鎖されている。このとき、インナバルブ29cはインナバルブシート30cから離れ還元剤流入通路33bを圧力室38cと連通させた状態になる。このため、圧力室38cは高圧状態となり、噴射部における開弁方向の力に勝って弁体が噴射孔21を閉鎖する。
【0047】
図5に示すように、電磁コイル31の通電時において、磁力により電磁弁スプリング36の付勢力に抗して可動鉄心39gが吸引されてアウタバルブ29bがアウタバルブシート30bから離れることにより、圧力室38cと還元剤流出通路34bとが連通させられる。このとき、アウタバルブ29b内のインナバルブシート30cはインナバルブ29cの先端に密着し、還元剤流入通路33bは圧力室38cと遮断された状態となり、圧力室38c内は低圧となる。そのため、噴射部における開弁方向の力が、閉弁方向に働く力よりも大きくなって噴射孔を開放し還元剤を噴射するようになる。
【0048】
このように、電磁弁41Bを3方弁構造にすることで、電磁コイル31への通電によって圧力室38cと出口側の還元剤流出通路34bとが連通した際に、入口側の還元剤流入通路33bと圧力室38cとの連通は完全に閉鎖されるため、圧力室38c内の圧力と噴射部に供給される還元剤の圧力との圧力差がより大きくなり、このため弁体が容易に駆動されて確実に還元剤の噴射が行われる。また、これにより、更にきめ細かい噴射量制御も可能となる。
【0049】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明である噴射器によると、高温の還元剤に曝されても駆動部に熱的障害が生じないようすることができる。また、噴射量制御のために必要な電磁弁の駆動力を最小限とするとともに、排ガス通路内での確実な気化を実現することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の噴射器を用いた排ガス浄化装置の一例を示す一部を拡大した配置図。
【図2】(A)および(B)は、本発明の実施の形態の異なる状態を示す縦断面図。
【図3】本発明の異なる実施の形態の縦断面図。
【図4】本発明の更に異なる実施の形態の縦断面部分図。
【図5】図4の実施の形態における図4とは異なる状態を示す縦断面部分図。
【符号の説明】
1 ディーゼルエンジン、2 排気管、3 脱硝反応器、4a,4b NOXセンサ、5,17a,17b 温度センサ、6A,6B,6C 噴射器、7a,7b 圧力調整器、8 低圧ポンプ、9 タンク、10 電子式制御装置、12配管、12a 噴射用還元剤配管、12b 冷却用還元剤配管、13,39 電気ヒータ、14 加熱器、14a 胴体、14b 伝熱路、15 高圧ポンプ、16 温度調節装置、16a ソレノイド、16b 伝熱部材、16c 台座、16d 断熱材、16e 戻しバネ、16f ロッド、18 本体ケース、18a 上部本体ケース、18b 下部本体ケース、18c 筒状体、19 弁体、19b 弁体受圧部、20A,20B 噴射部、20a ノズル、21 噴射孔、22 ノズル室、23 スプリング、24 噴射用還元剤通路、25 噴射用還元剤入口、27 ピストン、27a ピストンロッド、29a バルブ、29b アウタバルブ、29c インナバルブ、29d 導入孔、29e 貫通孔、29f,29g 可動鉄心、30A,30B 駆動部、30a バルブシート、30b アウタバルブシート、30c インナバルブシート、 30d,30e,30f 支持部材、31 電磁コイル、32 冷却用還元剤入口、33a,33b 還元剤流入通路、34a 通孔、34b 還元剤流出通路、35 冷却用還元剤出口、36 電磁弁スプリング、37 入口オリフィス、38 シリンダ孔、38a,38c 圧力室、38b 出口オリフィス、40 温度センサ、41A,41B 電磁弁、50 排ガス浄化装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a reducing agent injector used in an exhaust gas purifying apparatus for decomposing and detoxifying NOX (nitrogen oxide) contained in exhaust gas with a reducing agent and a reducing catalyst.
[0002]
[Prior art]
In order to prevent air pollution caused by exhaust gas discharged from machinery and equipment such as diesel engines, boilers, gas turbines, and coke ovens, removal and reduction of NOx in exhaust gas has been widely practiced. As a denitration means, it is common to use an aqueous solution of ammonia or urea as a reducing agent and spray and add it to the exhaust gas and then contact it with the reduction catalyst.
[0003]
When spraying the reducing agent into the exhaust gas, in particular, if the urea aqueous solution remains liquid, it generates a solid compound derived from the reducing agent, and adheres to and accumulates on the reduction catalyst and the exhaust pipe, causing functional problems such as clogging. There is a problem of causing. Therefore, as means for vaporizing the reducing agent, Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-31327 proposes means for spraying the reducing agent directly into the exhaust gas and vaporizing it with the heat of the exhaust gas, and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-207119 discloses a reducing agent. Has been proposed which is sprayed into compressed air, mixed with exhaust gas, and vaporized by the heat of exhaust gas. Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-57146 proposes means for spraying a vaporized gas obtained by spraying a reducing agent into superheated steam of an exhaust gas boiler, and Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-220342 discloses an electric device. There has been proposed means for injecting, into the exhaust gas, a vapor obtained by spraying a reducing agent into air heated by a heater.
[0004]
The means for vaporizing the reducing agent using the heat of the exhaust gas described above does not require special heat generation means for vaporization, but if the exhaust gas temperature is lower than the vaporizing temperature of the reducing agent, the solid compound Inconveniences such as generation and mass release of NOX into the atmosphere occur.
Moreover, the means for vaporizing the reducing agent using the heat of the superheated steam of the exhaust gas boiler is a means in a very limited specific field, and is not widely available.
[0005]
Furthermore, the means for using the heat generated by the electric heater is easy to achieve the purpose of removing and reducing NOx even when the exhaust gas temperature is low, as in the technology using the heat of superheated steam, but consumes a large amount of power. In particular, when using electric power obtained with a generator attached to a diesel engine for automobiles, there arises a problem that reduction in fuel consumption and increase in capacity of the generator are inevitable. In addition, this means does not consider adjusting the amount of the reducing agent according to the NOx concentration in the exhaust gas, as in the other means described above, and it is possible to remove and reduce NOx sufficiently due to excess and deficiency. In addition to being unable to do so, there is a concern that excess reducing agent is wasted into the atmosphere, as well as causing further pollution of the atmosphere. In particular, it is impossible to always spray an appropriate amount of reducing agent in response to the NOX concentration that varies greatly as in the case of an automobile diesel engine whose operating conditions change significantly and frequently.
[0006]
On the other hand, the inventor of the present application and the patent applicant previously referred to Japanese Patent Application No. 2002-298498, in addition to making the reducing agent high pressure with a pump and heating it to a temperature slightly lower than the boiling point with a heater, We proposed an exhaust gas purification device that efficiently removes NOX by injecting it into the exhaust gas passage with an injector while controlling the pressurization and heating state with an electronic control device.
[0007]
This prior application technology uses an electronic control device to control the reducing agent injection amount in accordance with the NOx concentration, and also to control the reducing agent heating temperature in accordance with the temperature of the reducing agent and exhaust gas. It is highly useful in that it does not cause excess or deficiency and can be reliably vaporized when sprayed into the exhaust gas passage.
[0008]
Here, since the injector used in the prior application technique requires high-precision and sharp flow control from a small flow rate to a large flow rate, an electromagnetically driven fuel injection valve used for fuel supply of an automobile internal combustion engine and The same is preferably used.
[0009]
However, since such an injector is exposed to a high-temperature reducing agent, the reliability of the heat resistance of the Nichrome wire coating of the electromagnetic coil, the resin part of the connector, the airtight O-ring, etc. is low, and troubles are likely to occur. There's a problem.
In addition, this injector is a system in which a valve body (needle valve) is directly driven via a plunger by the suction force of an electromagnetic coil. However, when the injection pressure is high, it is necessary to increase the suction force accordingly. For this reason, it is necessary to increase the voltage of the current flowing through the electromagnetic coil or to use an electromagnetic coil having a low resistance value through which a large current flows.
[0010]
Furthermore, in the technique of heating the above-described reducing agent and then injecting it into the exhaust gas, a heater such as a heat exchanger or an electric heater using waste heat of the exhaust gas is used. The reducing agent pipe is provided, and at the time of engine start when the reducing agent in the pipe is in a low temperature state, the reducing agent in the downstream of the heater and in the injector remains at a low temperature. Therefore, if it is directly injected into the exhaust gas, the exhaust gas at the time of start-up may be at a low temperature, so that the reducing agent is not sufficiently vaporized, causing a problem of solid compound adhesion / deposition.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention is intended to solve the above-described problems, and for the reducing agent injector used in the exhaust gas purifying apparatus, it is possible to prevent a failure even when exposed to a high temperature reducing agent, Minimize the driving force of the solenoid valve required for injection quantity control. Furthermore, when the reducing agent immediately before injection is in a low temperature state or when the operating state of the exhaust gas generating machine / equipment changes transiently However, it is an object to realize reliable vaporization in the exhaust gas passage.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, the present invention is to inject a high-pressure and high-temperature reducing agent into an exhaust gas passage extending from an exhaust gas generating machine / equipment and provided with a denitration reactor to bring the reducing agent into contact with the reduction catalyst of the denitration reactor in a vaporized state. The reducing agent injector used in the exhaust gas purifying apparatus for decomposing NOX in the exhaust gas thereby has an injection hole and a valve body and an injection reducing agent passage for introducing the high-pressure and high-temperature reducing agent into the injection hole. A drive unit having an injection unit, a reducing agent passage for cooling through which a reducing agent at high pressure and room temperature passes, a pressure chamber for driving a valve body provided in the middle thereof, and an electromagnetic valve for controlling the reducing agent pressure in the pressure chamber The drive unit is cooled by the passage of the high-pressure / normal-temperature reducing agent, and the solenoid valve opens the outlet of the pressure chamber by a drive signal generated by an electronic control device in accordance with the NOx concentration in the exhaust gas. Open and close The valve body opens the injection hole by injecting the pressure in the pressure chamber when opened, and injects the high-pressure and high-temperature reducing agent, and the pressure in the pressure chamber increases by closing to close the valve body. The fact that the injection hole is closed is the first means for solving the problem.
[0013]
This makes it possible to use an aqueous urea solution that is harmless to the reducing agent and is easy to handle. In addition to the high-pressure / high-temperature reducing agent supplied to the injection unit, a high-pressure / normal-temperature reducing agent is introduced into the electromagnetic drive unit. In particular, by cooling the solenoid valve portion, it is possible to easily prevent the low heat resistant parts used in the drive unit from being thermally damaged by the high temperature reducing agent for injection. Moreover, since the valve body of the injection unit is driven using the high pressure of the reducing agent introduced into the driving unit, the suction force of the electromagnetic coil is sufficient to open and close the outlet of the pressure chamber. Therefore, it is possible to easily cope with high-pressure injection with a small-sized electromagnetic valve with low power consumption. In the present invention, the high-temperature reducing agent refers to a reducing agent that is heated to a temperature slightly lower than the vaporization temperature, and the high-pressure reducing agent is sufficiently atomized and injected into the pressure chamber when injected from the injection unit. It refers to a reducing agent that has been pressurized to a pressure that can provide a force to drive the valve body.
[0014]
Further, as a second means for solving the above problem, in addition to the first means, an electric heater for heating the reducing agent in the injection reducing agent passage is provided in the injection unit, and the electric heater includes a reducing agent. When the temperature is lower than the temperature that can be vaporized when injected, the reducing agent is heated to a temperature at which vaporization can be performed according to a command from the electronic control device. This makes it possible to perform precise temperature control during the injection of the reducing agent. In particular, the inconvenience that the low-temperature reducing agent is injected into the exhaust gas passage at the time of starting or the like is eliminated, and the inside of the exhaust gas passage is eliminated. Sufficient vaporization can always be realized.
[0015]
Further, in the first or second means, a temperature sensor is provided in the injection reducing agent passage of the injection unit, and the electronic control unit is configured to perform the electric control based on the temperature of the reducing agent immediately before injection detected by the temperature sensor. The third means is to control the heater. This makes it possible to precisely control the temperature of the reducing agent immediately before injection, and further ensures the vaporization of the reducing agent injected into the exhaust gas passage.
[0016]
Furthermore, in the first, second or third means, the high-pressure / high-temperature reducing agent is pressurized with a pump, then heated with a heater, and sent to the injection unit. The reducing agent is a fourth means in which the reducing agent pressurized by the pump is diverted in front of the heater, passed through the drive unit, and returned to the suction side of the pump. As a result, the reducing agent pressurized by the pump is heated to be suitable for vaporization and sent to the injection unit, and the route to be fed to the drive unit at room temperature without being heated to be suitable for cooling. Since the reducing agent that has been reliably diverted and sent to the drive unit passes through the drive unit while cooling, it is returned to the suction side of the pump, so that it can be effectively reused.
[0017]
In addition, in the first, second, third, or fourth means, the injection unit and the driving unit are arranged with a thin cylindrical body that restricts heat conduction interposed therebetween. The fifth means. As a result, a large amount of heat is prevented from being conducted from the injection unit to the drive unit, and the temperature of the injection unit is lowered by the cooling action from the drive unit, and the reducing agent temperature at the time of injection is reduced. Can be prevented.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that, even in different embodiments, the same components are described with the same reference numerals. The reducing agent used in the present embodiment is an aqueous urea solution from the viewpoint of safety and ease of handling.
[0019]
First, the configuration and operation of the exhaust gas purification apparatus 50 in which the injector of the present invention is arranged will be described with reference to FIG. In the present embodiment, the exhaust gas generating machine / equipment is an
[0020]
The reducing agent stored in the tank 9 is sent to the
[0021]
In general, when a liquid is heated and vaporized, the liquid is more easily vaporized as the pressure is lower, and the vaporization is more difficult as the pressure is increased. Therefore, if the reducing agent in a liquid state is heated to a high pressure and then heated, it can be heated to a high temperature while being in a liquid state. It is being done. Therefore, in this embodiment also, the reducing agent is pressurized before heating. Then, the high-pressure reducing agent is heated to a vaporization temperature, that is, a temperature slightly lower than the boiling point, by the
[0022]
The
The high pressure / normal temperature reducing agent that has entered the injection reducing
[0023]
An example of the configuration of the
[0024]
The high pressure / high temperature reducing agent heated by the
[0025]
In addition to the
[0026]
As described above, in the path until the reducing agent is injected by the
[0027]
Next, the
The
[0028]
The
[0029]
20 A of injection parts have the
[0030]
The injection reducing
[0031]
On the other hand, the
[0032]
A cooling reducing
[0033]
The
[0034]
The
[0035]
FIG. 2 shows a reducing
[0036]
At the time of non-energization shown in FIG. 2A, the high pressure / normal temperature reducing agent pressurized by the
[0037]
On the other hand, in the
[0038]
At the time of energization shown in FIG. 2B, the
[0039]
Thus, when excitation and demagnetization by energizing / de-energizing the
[0040]
However, each time the
[0041]
FIG. 3 shows a different embodiment of the injector. The injector 6B has the
[0042]
For example, immediately after the
[0043]
4 and 5 show an injection having a
[0044]
A cylindrical
[0045]
An
[0046]
As shown in FIG. 4, when the
[0047]
As shown in FIG. 5, when the
[0048]
As described above, the
[0049]
【The invention's effect】
As described above, according to the injector of the present invention, it is possible to prevent a thermal failure from occurring in the drive unit even when exposed to a high temperature reducing agent. In addition, it is possible to minimize the driving force of the solenoid valve necessary for the injection amount control and to realize reliable vaporization in the exhaust gas passage.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partial enlarged view showing an example of an exhaust gas purifying apparatus using an injector of the present invention.
FIGS. 2A and 2B are longitudinal sectional views showing different states of the embodiment of the present invention. FIGS.
FIG. 3 is a longitudinal sectional view of a different embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a partial longitudinal sectional view of still another embodiment of the present invention.
5 is a partial longitudinal sectional view showing a state different from FIG. 4 in the embodiment of FIG. 4;
[Explanation of symbols]
1 diesel engine, 2 exhaust pipe, 3 denitration reactor, 4a, 4b NOX sensor, 5, 17a, 17b temperature sensor, 6A, 6B, 6C injector, 7a, 7b pressure regulator, 8 low pressure pump, 9 tank, 10 Electronic control device, 12 piping, 12a injection reducing agent piping, 12b cooling reducing agent piping, 13, 39 electric heater, 14 heater, 14a fuselage, 14b heat transfer path, 15 high pressure pump, 16 temperature control device, 16a Solenoid, 16b heat transfer member, 16c base, 16d heat insulating material, 16e return spring, 16f rod, 18 body case, 18a upper body case, 18b lower body case, 18c cylindrical body, 19 valve body, 19b valve body pressure receiving portion, 20A, 20B injection part, 20a nozzle, 21 injection hole, 22 nozzle chamber, 23 spring, 24 reducing agent passage for injection, 25 injection Reducing agent inlet, 27 piston, 27a piston rod, 29a valve, 29b outer valve, 29c inner valve, 29d introduction hole, 29e through hole, 29f, 29g movable iron core, 30A, 30B drive unit, 30a valve seat, 30b outer valve seat, 30c Inner valve seat, 30d, 30e, 30f Support member, 31 Electromagnetic coil, 32 Cooling reducing agent inlet, 33a, 33b Reducing agent inflow passage, 34a Through hole, 34b Reducing agent outflow passage, 35 Cooling reducing agent outlet, 36 Solenoid valve spring, 37 inlet orifice, 38 cylinder hole, 38a, 38c pressure chamber, 38b outlet orifice, 40 temperature sensor, 41A, 41B solenoid valve, 50 exhaust gas purification device
Claims (7)
噴射孔および弁体と前記高圧・高温の還元剤を前記噴射孔に導入する噴射用還元剤通路とを有する噴射部と、高圧・常温の還元剤を通過させる冷却用還元剤通路およびその途中に設けられた弁体駆動用の圧力室とこの圧力室の還元剤圧力を制御する電磁弁とを有する駆動部とからなり、
前記駆動部は前記高圧・常温の還元剤が通過することにより冷却され、前記電磁弁は排ガス中のNOX濃度に応じて電子式制御装置が発する駆動信号により前記圧力室の出口を開閉し、開放時に前記圧力室の圧力が低下することによって前記弁体が前記噴射孔を開いて前記高温・高圧の還元剤を噴射させ、閉止時に前記圧力室の圧力が上昇することによって前記弁体が前記噴射孔を閉じるものとされている、
ことを特徴とする排ガス浄化用還元剤噴射器。NOx in the exhaust gas by injecting a reducing agent of high pressure and high temperature into the exhaust gas passage extending from the exhaust gas generating machine / equipment and installing the denitration reactor and bringing the reducing agent into contact with the reduction catalyst of the denitration reactor in a vaporized state A reductant injector used in an exhaust gas purification device for decomposing
An injection part having an injection hole and a valve body and an injection reducing agent passage for introducing the high pressure / high temperature reducing agent into the injection hole, a cooling reducing agent passage through which the high pressure / normal temperature reducing agent passes, and in the middle thereof A drive unit having a pressure chamber for driving the provided valve body and an electromagnetic valve for controlling the reducing agent pressure of the pressure chamber;
The drive unit is cooled by the passage of the high pressure / normal temperature reducing agent, and the solenoid valve opens and closes the outlet of the pressure chamber by a drive signal generated by an electronic control device in accordance with the NOx concentration in the exhaust gas. When the pressure in the pressure chamber decreases, the valve body opens the injection hole to inject the high temperature / high pressure reducing agent, and when the valve body is closed, the pressure in the pressure chamber increases to inject the valve body. It is supposed to close the hole,
A reducing agent injector for exhaust gas purification.
前記噴射部に前記噴射用還元剤通路の還元剤を加熱する電気ヒータを有しており、前記電気ヒータは還元剤が噴射されたときに気化可能な温度よりも低い温度の場合に、前記電子式制御装置の指令により還元剤を気化可能な温度まで加熱するものとされている、
ことを特徴とする排ガス浄化用還元剤噴射器。The injector of claim 1, wherein
The injection unit includes an electric heater that heats the reducing agent in the injection reducing agent passage, and the electric heater has a temperature lower than a temperature that can be vaporized when the reducing agent is injected. It is assumed that the reducing agent is heated to a temperature at which vaporization can be performed according to the command of the type control device.
A reducing agent injector for exhaust gas purification.
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