JP6001081B2 - 調量弁を冷却する装置 - Google Patents

Description

本発明は、特に、例えば尿素又は尿素水溶液等の還元剤を内燃機関の排ガスラインに注入するための調量モジュールを冷却する装置に関する。

特許文献１は排ガスを後処理する装置に関する。開示されているのは、自己点火式内燃機関の排ガスを後処理する装置で、ここでは、還元剤として働く触媒の働き方を良くするために、触媒に送られる排ガスの中に還元剤が投与される。この還元剤の投与は、制御弁と共に共通のハウジングの中に配置された電気制御式調量弁を介して行われる。制御弁は、送られてきた圧縮空気を制御下で取り込むのに役立ち、そこで、調量弁を介して予備貯蔵された量の還元剤が選別され、間欠的に排ガスに取り込まれる。この間欠的取り込みは、特に尿素沈積の回避、ならびに、取り込まれた還元剤の最適選別に並行して起こる調量弁と制御弁への付着の回避に役立つ。

特許文献２が対象としているのは、ＮＯｘエミッションを下げるために還元剤を吹き付けるランス形スプレー装置である。このスプレー装置は、還元剤、特に尿素水溶液を通す管路を包含し、これが噴霧管に包囲されている。噴霧管は、ジャケット形の液冷室を形成する管状の冷却ハウジングに包囲されている。ジャケット形に作られた液冷室は、噴霧管のかなりの長さのセクション全体にわたっている。液冷室は、流入口を介して液体が供給され、流出口を介して液体が排出される。流入口と流出口は、スプレー装置の、排ガス管と反対の側の端にある。流入口は延長管を具備し、これで、冷却液は流入口と噴射端の間の一箇所から液冷室に流れ込むことになる。

特許文献３が開示しているのは、内燃機関の排ガスラインに尿素を調量注入する調量弁を内蔵した調量モジュールである。調量弁の弁頂部をもって排ガス流にできる限り接近できるようにするため、調量モジュールにおいて調量弁のための弁受けは能動冷却される。ここで、調量モジュールに、冷却液が通流する１つの冷却装置が割り当てられており、これが調量モジュールの包絡面を包囲する。ここで、冷却液とは、例えば車両のクーラント回路から取り出されるクーラントのことである。調量弁が相対的に排ガス流に近い位置にあるにも拘らず、排ガスラインの流出口、すなわち還元剤噴射口の付近の温度は１２０℃超に上昇しない。

特許文献４が開示しているのは、内燃機関のエグゾーストシステムにおいて排ガスを後処理する排ガス後処理装置である。この排ガス後処理装置は、排ガス管にフランジ連結された調量弁を包含する。フランジは、排ガス管の包絡面から横方向に角度を付けて突き出ているので、調量モジュールの熱に敏感な弁頂部は排ガス流から幾分間隔をあけている。放熱のために、調量弁は、この解決の通り、高い熱伝導率を持つ材料から製作された冷却フィンにより部域ごとに包囲されている。ここで図解された冷却フィンによる受動冷却では、調量弁をより有利に排ガスダクトに近い位置に配置することは、スペースの理由から不可能である。

独国特許出願公開第４４３６３９７Ａ１号明細書 米国特許出願公開第２００６０１０８４４３Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１０２００９０４７３７５Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１０２００５０６１１４５Ａ１号明細書

発明通り、調量弁を包含する調量モジュールに１つの冷却装置、詳記するならば、互いに結合している少なくとも２つの室を具備し、それ自体をクーラントが通流する１つの冷却装置を備え付けることを提案する。クーラントとしては、内燃機関の冷却回路を循環するクーラントか、このクーラントから分離し、別の冷却回路を循環し得る別のクーラントか、どちらかが考慮される。ここに挙げた少なくとも２つの室は、調量弁の端部域に割り当てられた第１室と、調量弁の中央部域に割り当てられた第２室を包含する。クーラントは、両方の室を、好ましくは順次通流する。第１室は、調量弁において内燃機関の排ガスラインに組み込まれた部域に位置し、排ガスラインの至近位置にあることからここに最高温度が現れる。第２室は、調量弁の中央部域に位置し、例えば電気短絡を除いて、電気作動式調量弁の電磁コイルが接触する電気接点を冷却する。

クーラントがその路程において互いに液圧結合した少なくとも２つの室の両方を通流する時、その第１室を通流し、そこで最大の熱負荷が生じると、弁頂部は最適の仕方で冷却される。それは、クーラントがその通流順序の通り相対的に最も低い温度で第１室に流入するからである。これにより、調量弁の弁頂部域の最適な冷却が達成される。その後、クーラントは、第１室と液圧結合した第２室に到達し、そこで、特にプラグコネクタ部域の内部、及び／又は、調量弁のコイル部域の内部ではるかに敏感な部域の冷却が行われる。基本的に、ここに挙げた少なくとも両方の室をクーラントが逆方向で通流することを見込むことも可能である。冷却装置の少なくとも２つの室をクーラントが逆方向で通流する場合は、この通流方向の時にコネクタ部域及び／又は調量弁のコイル部域において最も効果的な冷却が達成されることを考慮すべきである。なぜなら、そこはクーラントが相対的に最も低い温度で流入する部域であるが、これに対し、特に強い熱負荷にさらされる調量弁の弁頂部域はさほど強く冷却できないからである。

運転時、排ガスラインの排ガス管の内部温度は、代表的には２００℃〜８５０℃の範囲内にある。

弁頂部、すなわち、調量弁において還元剤が排ガスラインに流出していく領域は、熱伝導率の低い材料、好ましくは、高い耐熱性、高い耐薬品性、特に還元剤（例えばAdBlue（登録商標）ならびに派生製品等）に対する高い耐薬品性、更に、排ガス凝縮物に対する高い耐薬品性を示す鋼から製作される。更に、弁頂部の製作にとって好ましいこの材料は、溶接性に優れ、成形性にも優れている。

クーラントを使って能動冷却される調量弁の端、すなわち弁頂部は、還元剤が、好ましくは尿素空気混合物又は尿素水溶液として噴霧状態で圧縮空気と混合された上で流出する弁頂部域を包含し、ここから流出した還元剤が内燃機関の排ガスラインの排ガス管の中に到達する。その上、発明通り提案された解決によれば、調量弁の中央部域、すなわち、中に、調量弁を作動させる電磁コイルとプラグコネクタ差し込み口がある調量弁部域が、クーラントで冷却される。この調量弁中央部域は、還元剤、特に尿素又は尿素水溶液を排ガスダクトの中に噴射する管セクションとして形作られた部域を包含してよく、また、機能的に還元剤の送り管路に接続された部域も具備してよく、更に、中に電気接点がある部域を具備してもよい。

有利には、調量弁の弁頂部域は流管内部の流れから間隔をあけていてよく、これで、弁頂部域が流れ方向において現れる最高の温度に直接さらされることはなくなる。発明通り提案された解決の好ましい一実施形態では、クーラントが通流する両室の一方が、中に、調量弁の電磁コイルを電気的に起動制御するプラグコネクタ接点がある部域を包含する。発明通り提案された解決によれば、クーラントが通流する第２室を設けることによって調量弁のコネクタ部域は冷却され、これで、調量モジュールは、比較的高い周囲温度のもとでも使用できることになる。これが特に興味深いのは、調量弁を備えた調量モジュールを車両の下部構造に組み込むのでなく、例えば車両のエンジンルームの中に配置する時で、そこでは比較的高い温度が現れ得るが、発明通り提案された解決によれば、それが調量弁の機能を損なったり寿命を縮めたりすることにつながらない。プラグコネクタは、１６０℃超の温度のもとで損傷をこうむる可能性があり、冷却が行われない場合、電気接触障害を計算に入れなければならない。そこで、これを計算に入れて第２冷却室が調量弁の中央部域に配置されている。これにより、プラグコネクタ部域の周囲で能動冷却が保証され、高い周囲温度のもとでも確実な電気接触が持続できる。

有利なことに、発明通り提案された装置は、周囲温度＞１６０℃の時でも使用できる。なぜなら、調量弁の電磁コイルとプラグコネクタはそのような温度で損傷しないからであり、他方、先行技術から知られた装置の場合は、そのような温度で弁の故障や電気接触障害を計算に入れなければならないのである。そこで、発明通り提案された冷却装置が設けられていれば、例えば、すでに上で述べた車両のエンジンルームのように高温が支配する周囲環境の中で調量モジュールを使用することが可能になる。発明通り提案された解決の更なる有利な一形態では、調量弁の中央部域にある第２冷却室が、中に調量弁の電磁コイルを配置した部域を包含する。電磁コイルは、調量弁動作時に極めて強い負荷をかけられ、特別に材料疲労をこうむる。調量弁を作動させる電磁コイルは、調量装置の高感度の構造部分であり、その故障を計算に入れて、発明通り提案された解決では、調量弁の電磁コイルの部域に第２冷却室が設けられている。

クーラントが通流する少なくとも１つの第１室と第２室は、１つ以上の通流口を介して互いに液圧結合していてよい。通流口は、両室の互いに境を接する頂面ないしは底面に設けられており、その頂面ないしは底面の方は好ましくは素材同士密着する形で結合している。この結合に適しているのは、特に、素材密着形で継合する両室ないしはその互いに境を接する構造部分の上記部域の接触面に沿ったレーザ溶接である。レーザ溶接により素材密着形結合を形作ることは、コスト的に特に好ましい実現方法である。合目的的に、クーラントが通流する室は、深絞り成形及び／又は曲げ成形により製作できる構造部分である。また、滞留した空気がその高感度の構造部分に侵入できないので、発明通り提案された装置を完全密閉することも可能である。

発明通り提案された解決の更なる有利な特徴として挙げるべきは、それが既存製品の更なる進化の産物であり、従って、既存のコンポーネントと製作機械を極僅か改良するだけで引き続き使用できることであり、このことは製作コストの点で少なからず有利である。更に有利な点として挙げるべきは、発明通り提案された解決によれば、クーラント流入路を軸方向又は少なくともほぼ軸方向の構造に作る可能性が存在することである。これは、半径方向の構造と比べて構造スペースの点で有利であり、従って、発明通りの解決を図る時に限られた構造スペースしか使えないユーザに有益となり得る。

以下、本発明を図面に則して詳細に説明する。

特徴づけられた冷却部域と非冷却部域を持つ調量弁を備えた調量モジュールである。 調量モジュールの斜視図である。 調量モジュールの中央部域に配置された第２冷却体ならびにクーラント入口を持つ調量モジュールである。 クーラントで付勢される第１室と、これより上に配置された、クーラントで付勢される第２室の間の通流口の図解である。 特徴づけられた冷却面を持つ調量モジュールの断面図、ならびに、クーラントが通流する第１室とクーラントが通流する第２室の断面図である。

図１の図解から、下部域にクーラントで冷却される部域を持ち、中央部域に冷却されない部域を持つ調量弁を備えた調量モジュールの断面が分かる。

図１の断面図は、中に調量弁１２が受容された調量モジュール１０を示す。調量弁１２は、垂直方向において上下方向に上から調量弁１２の上に延びる還元剤流入路１４を介して還元剤で付勢される。ここで言う還元剤とは、好ましくは、尿素又は尿素水溶液――商品名AdBlue（登録商標）でも知られている――等の還元剤のことである。図１に描かれた、ほぼ垂直に形作られた還元剤送り管の代わりに、これは、９０°屈曲した形に作られていてもよく、又は、ここに描かれた１つの還元剤流入路１４の代わりに複数の還元剤流入路１４が設けられていてもよい。調量装置１０の調量弁１２は、シールリング１６を介して封止されている。調量モジュール１２の横にプラグコネクタ接点１８のコネクタ差し込み口がある。

図１から分かる通り、調量モジュール１０のこのバリエーションでは、調量弁の下部域だけが冷却され（ポジション２２を参照）、調量装置の調量弁１２の中央部域は非冷却部域２０とされている。

図１は、調量装置１０が冷却部域２２にポット２４を包含することを示す。ポット２４はインサート部材２８を包囲する。インサート部材２８の方は、これと共に、クーラント、例えば内燃機関において冷却回路の中を循環するクーラントで付勢される第１室２６を限定するカバー部材３０で覆われている。図１の図解から、調量弁１２の細長い形に作られた下部域は心出し具ないしはカバー部材３０の中の支持部材３２により心出しされることが分かる。調量弁１２の下端が、カバー部材３０の底、ならびに、インサート部材２８とポット２４の底を貫通する調量弁１２の弁頂部、すなわち、調量弁１２において最大の熱負荷にさらされる箇所で、ここから、尿素であれ尿素水溶液であれ、特に微細に噴霧されたミスト状の還元剤が内燃機関の排ガスラインの中の排ガス流に噴射される。

図１の図解から、更に、非冷却部域２０に補助冷却体３６のあることが分かる。接触面３８に沿って、調量弁１２の中央部分にある補助冷却体３６と、覆い面３４を持つカバー部材３０は、素材密着形で互いに結合している。素材密着形結合を作る方法としてレーザ溶接が定評を得ており、これは量産方式において極めて簡単に、極めて低いコストで実現できる。

図２は、調量モジュールの斜視図を示す。

図２の斜視図に描かれた調量モジュール１０は、ほぼ垂直方向に延びる還元剤流入路１４と、横方向のコネクタ差し込み口１８を具備し、その下に補助冷却体３６がある。以下、これを後続の図に則して更に詳細に説明する。補助冷却体３６とカバー部材３０は、接触面３８に沿って、また、平削り面として形作られた覆い面３４に沿って素材密着形で互いに密に結合している。図２の斜視図から、カバー部材３０の周方向カラーに沿って位置決め用凹部４０が設けられており、これが、発明通り提案された調量モジュール１０を内燃機関の排ガスラインに組み込む時に整列させるのに役立つ。この位置決め用凹部４０は、有利なことにトラックエリア内の調量モジュール１０の組み込みに役立つ。調量モジュール１０のトラックへの固定は、ねじ込みフランジを使って行われ、その時、位置決め用凹部４０が固定用ねじに必要なスペースを提供する。

図３の図解から、クーラント流入口（ポジション４２を参照）がカバー部材３０のカラーの覆い面３４の中にあることが分かる。クーラントを通すラインの接続を容易にするため、補助冷却体３６の包絡面に一種の窪み４４が設けられており、これが、接続用チューブないしは接続用ホースのために必要なスペースを提供するので、接続組み立て作業はより容易にできることになる。図３から更に、プラグコネクタ接点１８は保護キャップ６２により覆われていることが分かる。カバー部材３０の覆い面３４は平削り面４６として形作られているので、クーラント入口４２も平らにつながる形に作られている。位置決め用凹部４０が設けられたカバー部材３８のカラーの下に、インサート部材２８もカバー部材３０も包囲するポット２４がある。

図４は、先行の図と比べて９０°回転した位置から見た調量モジュール１０を示す。図４の図解から、調量モジュール１０が包含する補助冷却体３６は、クーラントを通流させる少なくとも１つの開口部を介して、カバー部材３０により形成される第１室２６、つまり少なくとも１つの開口部５０と液圧結合していることが分かる。これで、調量装置１０の下部にある第１室２６からのクーラントが、少なくとも１つの開口部５０を介して、補助冷却体３６の中に形作られた第２室５２の中まで越流できることになる。

図４の断面図から分かる通り、補助冷却体３６は、カバー部材３０の上方、特に平削り面４６として形作られたその覆い面の上にある。カバー部材３０と補助冷却体３６は、好ましくはレーザ溶接により形作られた素材密着形結合３８により互いに密着結合している。図４は、インサート部材２８及びカバー部材３０により境界を限定された第１室２６と、補助冷却体３６の中にある第２室５２が、少なくとも１つの開口部５０を通して結合していることを示す。一方で蓋部分６６の中に形作られていて、他方で補助冷却体３６の底部分６４の中にあるこの少なくとも１つの開口部５０を通って、クーラントが越流方向４８において第１室２６から第２室５２の中へと流れる。カバー部材３０の蓋部分６６の平削り面６４には更に、クーラント流入のための開口部４２がある。すでに上で述べた通り、最初に第１室２６に流入するクーラントは、内燃機関の冷却回路の中を循環するクーラントであっても、別個に貯留されていて別個の循環回路中を循環するクーラントであってもよい。

完全を期すために述べておきたいのは、インサート部材２８がポット２４により包囲されており、まさしく、プラグコネクタ接点１８が、ゴム又はプラスチック材料から作られていてよい保護キャップ６２により包囲されているのと同様であることである。

図５の図解から調量モジュールが縦断面において分かる。

調量モジュール１０の調量弁１２は、垂直方向において上下方向に上から調量弁１２の本体の中まで延びる還元剤流入路１４を介して還元剤――尿素であれ尿素水溶液であれ、商品名AdBlue（登録商標）でも知られている――で付勢される。調量弁１２の横に、すでに述べた保護キャップ６２により包囲されたプラグコネクタ接点１８がある。還元剤流入路１４は、調量弁１２の上方にあるシールリング１６で封止されている。図５は、補助冷却体３６が接触面３８に沿ってカバー部材３０の覆い面３４と素材密着形で結合していることを示す。図５の断面図には、第１室２６を補助冷却体３６の中の第２室５２と互いに液圧結合させる少なくとも１つの開口部５０が描かれていない。インサート部材２８とカバー部材３０により形成された第１室２６へのクーラント入口（図５に描かれていない）を介して流入するクーラントが、カバー部材３０のスリーブ形突起の、参照符号５８で表された冷却面を冷却する。この冷却面は、調量弁１２のテーパ状に形作られた軸部に平行に延びる。カバー部材３０の内部に心出し具ないしは支持部材３２が入り込んでおり、これが、垂直方向下向きに延びる調量弁１２の弁頂部をカバー部材３０において心出しし、封止する。調量弁１２の正面側は、インサート部材２８の開口部５６とポット２４にある開口部５４とを突き抜け、内燃機関の排ガスライン（図５に描かれていない）の中に突き入り、その内燃機関の排ガスラインの中を、ＮＯｘ分を含有する極めて高温の排ガスが通流する。

第１室２６からは、今、冷却面５８の冷却により温められたクーラントが、図４の断面図に描かれた少なくとも１つの開口部５０を通って、補助冷却体３６において第１室２６の上方にある第２室５２の中に越流する。そこで、参照符号６０で表された面は冷却され、その結果、調量弁１０の中央部域、特にプラグコネクタ接点１８の、保護キャップ６２により包囲された部域において冷却効果が生まれる。補助冷却体３６の中にある、発明通り提案された第２室５２により、プラグコネクタ接点１８の部域の温度境界が１６０℃の温度レベルに到達することができる。これは、発明通り提案された解決により調量モジュール１０の調量弁１２の中央部域において冷却が確実になされることから、例えばエアギャップ絶縁と比べてより効果的なクーラント冷却が達成できるので、プラグコネクタ接点１８の部域における不具合発生が排除されていることを意味する。

図５は、補助冷却体３６がそれぞれ底面６４でカバー部材３０の覆い面３４の平削り面４６の上に平らに座っており、これにより、これら両方のコンポーネント、すなわち、補助冷却体３６とカバー部材３０の間の良好な熱伝達が保証されていることを示す。上記コンポーネント、すなわち補助冷却体３６とカバー部材３０は、は、製作技術上特に単純な仕方で深絞り品として製作することができる。上記コンポーネント、すなわち補助冷却体３６とカバー部材３０の間の素材密着形結合は、両コンポーネントの間の周方向における接触面３８に沿って、好ましくは周方向レーザ溶接シームとして実現させられる。この方法は、量産スケールにおいて特にコスト的に好ましく効率的であることが実証されている。

発明通り提案された解決により、調量モジュール１０の完全冷却が達成できる。特に有利な仕方で、最大の熱負荷にさらされる部域の完全冷却が、相対的に低い温度を持つクーラントで第１室２６を満たすことにより実現できる。第２冷却室５２を含む補助冷却体３６を介して電気接触部域１８は冷却でき、これで、周囲温度が比較的高いレベルにある時でも、そこの信頼できる機能は保証されることになる。これでまた、発明通り提案された調量装置１０を車両の下部構造部域に、すなわちエグゾーストシステムの至近位置に配置するだけでなく、これを設計要件とＯＥＭ要件に応じて車両のエンジンルーム内に設置することも可能になる。調量装置１０の完全冷却により、特に調量弁１２の中央部域における補助冷却体３６の第２室５２により、電気接点１８は温度調節でき、これで、電気接触の不具合は排除されることになる。

１０ 調量モジュール
１２ 調量弁
１４ 還元剤流入路
１６ シールリング
１８ 電気接点
２０ 非冷却部域
２２ 冷却部域
２４ ポット
２６ 第１（冷却）室
２８ インサート部材
３０ カバー部材
３２ 支持部材
３４ 覆い面
３６ 補助冷却体
３８ 接触面ないしは素材密着形結合
４０ 位置決め用凹部
４２ クーラント入口
４４ 接続具用窪み
４６ 平削り面
４８ 越流方向
５０ 開口部
５２ 第２（冷却）室
５４ ポットの開口部
５６ インサート部材の開口部
６４ 底部分
６６ 蓋部分

Claims (13)

1. 調量弁（１２）とクーラントが通流する冷却装置とを具備し、この冷却装置が、クーラント入口（４２）を具備する少なくとも１つの第１室（２６）を包含する調量装置（１０）であって、前記調量弁（１２）が、第２室（５２）を包含する補助冷却体（３６）を備え、その第２室と前記第１室（２６）との間で、少なくとも１つの開口部（５０）を介して、前記クーラントが通流し、
   前記補助冷却体（３６）が電気接点（１８）を包囲し、
   前記第１室（２６）がクーラントを受容すべくインサート部材（２８）とカバー部材（３０）により境界が限定されていて、
   前記補助冷却体（３６）と前記カバー部材（３０）の平削り面（４６）の間に素材密着形結合（３８）が形作られていることを特徴とする調量装置（１０）。
2. 前記クーラントが越流方向（４８）において前記第１室（２６）から前記第２室（５２）の中に越流することを特徴とする請求項１に記載の調量装置（１０）。
3. 前記補助冷却体（３６）が前記調量弁（１２）の中央部域を包囲することを特徴とする請求項１又は２に記載の調量装置（１０）。
4. 前記補助冷却体（３６）が前記カバー部材（３０）と結合していることを特徴とする請求項１から３の１項に記載の調量装置（１０）。
5. 前記素材密着形結合がレーザ溶接継手として形作られていることを特徴とする請求項１から４の１項に記載の調量装置（１０）。
6. 前記素材密着形結合が硬ろう付け継手又はろう付け継手として形作られていることを特徴とする請求項１から４の１項に記載の調量装置（１０）。
7. 前記補助冷却体（３６）が台をもって、前記カバー部材（３０）の平削り面（４６）として形作られた覆い面（３４）の上で平らに支持されていることを特徴とする請求項１から６の１項に記載の調量装置（１０）。
8. 前記調量弁（１２）が前記カバー部材（３０）において心出しないしは支持部材（３２）により支持されていることを特徴とする請求項１から７の１項に記載の調量装置（１０）。
9. 前記カバー部材（３０）の覆い面（３４）に少なくとも１つの前記クーラント入口（４２）があることを特徴とする請求項１から８の１項に記載の調量装置（１０）。
10. 前記補助冷却体（３６）において前記クーラント入口（４２）の付近に、クーラントを通すラインの組み込みを容易にする窪み（４４）が形作られていることを特徴とする請求項１から９の１項に記載の調量装置（１０）。
11. 前記第１室（２６）と前記第２室（５２）との間で前記クーラントを通流させる少なくとも１つの開口部（５０）が、前記補助冷却体（３６）の底部分（６４）と前記カバー部材（３０）の蓋部分（６６）を通って延びることを特徴とする請求項１から１０の１項に記載の調量装置（１０）。
12. 少なくとも１つの前記クーラント入口（４２）がほぼ軸方向に作り付けられていることを特徴とする請求項１から１１の１項に記載の調量装置（１０）。
13. 請求項１から１２の１項に記載の調量装置（１０）を乗用車（Ｐｋｗ）及びトラック（Ｌｋｗ）において使用すること。

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