JP3687914B2 - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンから排出される排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を、還元剤を用いて還元浄化する排気浄化装置に関し、特に還元剤を貯蔵するタンクの開閉時に発生する悪臭を抑制させる技術に関する。

エンジンから排出される排気中のＮＯｘを浄化する排気浄化装置として、特開２０００−２７６２７号公報（特許文献１）に開示されるような排気浄化装置が提案されている。
かかる排気浄化装置は、エンジンの排気通路にＮＯｘ還元触媒を介装し、ＮＯｘ還元触媒の上流側に還元剤を噴射供給することにより、排気中のＮＯｘと還元剤とを触媒還元反応させ、ＮＯｘを無害成分に浄化処理するものである。還元剤は常温において液体状態でタンクに貯蔵され、エンジン運転状態に対応した必要量が噴射ノズルから噴射供給される。還元反応は、ＮＯｘと反応性のよいアンモニアを用いるもので、還元剤としては、加水分解してアンモニアを容易に発生する尿素水が用いられる。そして、タンクに貯蔵した尿素水が、寒冷期に凍結しないように、タンク内に電熱線が設けられている。ところが、尿素水が必要以上に高温となってしまうと、タンク内においてアンモニア系ガスが発生してしまう。そこで、これを抑制するために、タンク内の尿素水の温度を検出して、所定温度以上となったときにその加熱を停止している。
特開２０００−２７６２７号公報

しかしながら、このようなエンジンの排気浄化装置では、タンクに貯蔵した尿素水を加熱するために、電熱線において電力が消費されてしまう。このため、電熱線の駆動源であるバッテリの容量を増加させる必要があり、コストの上昇や、バッテリの設置スペースの増大を招いてしまう。このため、電熱線の代わりに、エンジンにより加熱された冷却水をタンク内に循環させることによって、廃熱を利用して尿素水を加熱することが考えられる。

ところが、このようなエンジンの排気浄化装置では、高温の尿素水がタンク内を循環すると、その周囲の尿素水が局所的に加熱されて、アンモニア系ガスが発生してタンクの上部空間に溜まってしまう。そして、例えば、タンク内へ尿素水を補給するときに、作業者がタンクの注入口を開けると、注入口からこのアンモニア系ガスが放出され、悪臭が発生してしまう恐れがあった。また、この悪臭は、尿素水だけでなく、アンモニア水溶液や、炭化水素を主成分とした軽油等であっても、同様に発生してしまう。

そこで、本発明は、以上のような従来の問題点に鑑み、エンジンにより加熱された冷却水が所定温度より高いときにタンク内を循環しないようにして、タンク開閉時に発生する悪臭を抑制させるエンジンの排気浄化装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明では、エンジン排気通路に配設され、窒素酸化物を還元剤により還元浄化する還元触媒と、前記還元剤を貯蔵するタンクと、前記タンクに貯蔵された還元剤を前記還元触媒に供給する還元剤供給装置と、エンジンにより加熱された熱媒体を前記タンク内に循環させることにより、前記タンクに貯蔵された還元剤を加熱する加熱装置と、前記熱媒体を前記タンク内に導く通路を遮断する遮断装置と、前記熱媒体の温度を検出する熱媒体温度検出装置と、前記熱媒体温度検出装置により検出された熱媒体の温度が第１の所定温度より高いときに、前記通路を遮断するように前記遮断装置を制御する第１の制御手段と、を含んで、エンジンの排気浄化装置が構成されることを特徴とする。

請求項２に記載の発明では、前記タンクに貯蔵された還元剤の温度を検出する還元剤温度検出装置と、前記還元剤温度検出装置により検出された還元剤の温度が第２の所定温度以上であるときに、前記通路を遮断するように前記遮断装置を制御する第２の制御手段と、を備えたことを特徴とする。
請求項３に記載の発明では、前記エンジンの始動直後であって、前記熱媒体温度検出装置により検出された熱媒体の温度が前記還元剤の凍結温度より高いときに、前記通路の遮断を強制的に所定時間解除させるように前記遮断装置を制御する第３の制御手段を備えたことを特徴とする。

請求項４に記載の発明では、前記遮断装置は、手動にて前記通路の遮断を解除できることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、エンジンの排気中の窒素酸化物は、還元剤供給装置によりタンクから供給された還元剤を用いて、還元触媒において還元浄化される。また、エンジンにより加熱された熱媒体が還元剤を貯蔵するタンク内を循環するので、タンク内の還元剤が加熱され、還元剤の凍結を防止できる。
このとき、タンク内を循環する熱媒体の温度が第１の所定温度より高いときに、熱媒体をタンク内に導く通路が遮断されるので、第１の所定温度より高い温度の熱媒体が、タンク内を循環することが防止される。そして、第１の所定温度を、還元剤から気体が発生する下限温度より若干低く設定することによって、タンク内での還元剤からの気体の発生を抑制することができ、作業者がタンクの注入口を開けても、注入口から気体が放出されることが抑制され、悪臭の発生を抑制させることができる。

請求項２に記載の発明によれば、タンクに貯蔵された還元剤の温度が第２の所定温度以上であるときに、熱媒体をタンク内に導く通路が遮断されるので、タンク内の還元剤の温度が第２の所定温度未満に保たれる。そして、第２の所定温度を第１の所定温度と同様に、還元剤から気体が発生する下限温度より若干低く設定することによって、タンク内での還元剤からの気体の発生を更に抑制することができる。

請求項３に記載の発明によれば、熱媒体の温度が還元剤の凍結温度より高いときには、エンジンの始動直後から所定時間は熱媒体がタンク内を循環する。これにより、タンク内に低温の熱媒体が循環することによって還元剤が冷却されて凍結することを防止しつつ、通路内に熱媒体が残留することを防止でき、熱媒体の品質の低下を抑制することができる。

請求項４に記載の発明によれば、手動にて熱媒体の通路の遮断を解除できるので、熱媒体を交換するときに、熱媒体の通路内に残留する熱媒体も排出させて、その全量を交換することができる。

図１に本発明のエンジンの排気浄化装置の構成を示す。
エンジン１の排気通路である排気管２には、ＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ還元触媒３が介装されている。また、ＮＯｘ還元触媒３の上流には、排気管２内に開口した噴孔から還元剤を噴射供給する噴射ノズル４が設けられている。
エアリザーバタンク５に貯留された圧縮空気は、電磁開閉弁６を通過して、還元剤供給装置７に供給される。

タンク１０に貯蔵された還元剤としての尿素水は、供給配管１１を介して還元剤供給装置７に供給される。なお、還元剤は、尿素水の他にアンモニア水溶液、或いは、炭化水素を主成分とする軽油等でもよい。また、タンク１０内には、タンク１０に貯蔵されている尿素水の温度を検出する還元剤温度センサ１２（還元剤温度検出装置）が設けられている。

還元剤供給装置７は、内部にポンプを有しており、ポンプが作動することによりエアリザーバタンク５から供給された圧縮空気に尿素水を添加し、尿素水を噴霧状態にして噴射ノズル４に供給する。なお、尿素水の添加流量は、ポンプの作動を制御することにより可変になっている。そして、還元剤供給装置７にて排気管２内に供給されなかった余剰の尿素水は戻り配管１３を介してタンク１０内に戻される。

一方、エンジン１の図示しない冷却水の循環通路に並列して設けられた冷却水循環通路２０には、電磁開閉弁２２（遮断装置）、タンク１０内の尿素水と熱交換する熱交換パイプ２３を備えた熱交換装置２４（加熱装置）が上流より順番に介装されている。電磁開閉弁２２は、開閉作動することによって、冷却水循環通路２０を開通或いは遮断させる。そして、熱交換装置２４は、電磁開閉弁２２が開いたときに、エンジン１により加熱され熱媒体として作用する冷却水が冷却水循環通路２０を循環することにより、熱交換パイプ２３を介して冷却水と尿素水とを熱交換させて、タンク１０内の尿素水を加熱する。

エンジン１には、冷却水の温度を検出する冷却水温度センサ２９（熱媒体温度検出装置）、エンジン１の回転速度や負荷等のエンジン運転状態を検出する運転状態検出センサ３０が設けられている。マイクロコンピュータを内蔵したコントローラ３１は、運転状態検出センサ３０からエンジン運転状態を入力して、還元剤供給装置７のポンプ、電磁開閉弁６を作動制御することにより、エンジンの運転状態に見合った最適な量の尿素水を噴射ノズル４から排気管２内に噴射供給させる。

また、コントローラ３１は、還元剤温度センサ１２及び冷却水温度センサ２９から、タンク１０内の尿素水、冷却水の温度を入力し、電磁開閉弁２２を作動制御する。
ここで、図２を用いて、コントローラ３１での電磁開閉弁２２の制御手順を説明する。まず、コントローラ３１は、キースイッチ等の電源スイッチＯＮにて電源が供給され、制御を開始する。なお、図示するフローチャートによる制御は所定時間毎に繰り返して行われる。

始めにステップ１（図ではＳ１と表記する、以下同様）では、電磁開閉弁２２を閉じるように制御する。
ステップ２では、還元剤温度センサ１２からタンク１０内の尿素水の温度を入力する。
ステップ３では、ステップ２にて入力した尿素水の温度が、所定温度Ｔａ以下であるか否かを判定する。尿素水の温度が所定温度Ｔａ以下であるときには、ステップ４へ進む（ＹＥＳ）。尿素水の温度が所定温度Ｔａ以下でないときには、ステップ１へ戻る（ＮＯ）。なお、所定温度Ｔａは、尿素水の凍結温度より若干高く設定すればよい。

ステップ４では、冷却水温度センサ２９から冷却水の温度を入力する。
ステップ５では、ステップ４にて入力した冷却水の温度が所定温度Ｔｂ（第１の所定温度）以下であるか否かを判定する。冷却水の温度が所定温度Ｔｂ以下であるときには、ステップ６へ進む（ＹＥＳ）。冷却水の温度が所定温度Ｔｂ以下でないときには、ステップ１へ戻る（ＮＯ）。なお、所定温度Ｔｂは、尿素水からアンモニアが発生する下限温度より若干低く設定すればよく、例えば、３５重量パーセント濃度の尿素水の場合には８０℃より若干低く設定すればよい。

ステップ６では、電磁開閉弁２２を開くように制御する。
ステップ７では、還元剤温度センサ１２からタンク１０内の尿素水の温度を入力する。 ステップ８では、ステップ７にて入力した尿素水の温度が所定温度Ｔｃ（第２の所定温度）以上であるか否かを判定する。尿素水の温度が所定温度Ｔｃ以上であるときには、ステップ９へ進む（ＹＥＳ）。尿素水の温度が所定温度Ｔｃ以上でないときには、ステップ４へ戻る（ＮＯ）。なお、所定温度Ｔｃを所定温度Ｔａより若干高めに設定することで、タンク１０内の尿素水の温度を所定温度Ｔａ〜Ｔｃの間に制御することができる。

ステップ９では、電磁開閉弁２２を閉じるように制御し、その後ＥＮＤに進む。
なお、ステップ１、４及び５の一連の制御は第１の制御手段に該当し、ステップ７〜９の一連の制御は第２の制御手段に該当する。
次に、以上のような構成の排気浄化装置の作用について説明する。
エンジン１の排気は、排気管２を通って、ＮＯｘ還元触媒３へと導かれる。このとき、コントローラ３１は、運転状態検出センサ３０からエンジン１の回転速度や負荷等のエンジン運転状態を入力して、還元剤供給装置７のポンプ、電磁開閉弁６を作動制御することにより、エンジン運転状態に見合った最適な量の尿素水を噴射ノズル４から排気管２内に噴射供給させる。これにより、ＮＯｘ還元触媒３にて排気中のＮＯｘが効率よく還元除去される。

タンク１０内の尿素水の温度が所定温度Ｔａ以下、即ち尿素水が凍結する可能性があり、かつ、エンジン１の冷却水の温度が所定温度Ｔｂ以下、即ち冷却水が高温でないときには、電磁開閉弁２２が開く。これにより、エンジン１により加熱された冷却水が冷却水循環通路２０を循環するので、タンク１０内の尿素水は、熱交換パイプ２３を介して冷却水と熱交換して加熱される。このため、尿素水の凍結を防止できる。

このとき、エンジン１の冷却水の温度が所定温度Ｔｂより高い、即ち冷却水が高温であるときには、電磁開閉弁２２が閉じるので、高温の冷却水がタンク１０内を循環することが防止される。これにより、タンク１０内で尿素水からアンモニアが発生することを抑制することができ、作業者がタンク１０の注入口を開けても、注入口からアンモニアが放出されることが抑制され、悪臭の発生を抑制することができる。

また、タンク１０内の尿素水の温度が所定温度Ｔｃ以上、即ちタンク１０内の尿素水が高温であるときにも、電磁開閉弁２２が閉じるので、タンク１０内の尿素水は、アンモニアが発生しない温度に保たれる。これにより、タンク１０内で尿素水からアンモニアが発生することを更に抑制することができる。
更に、コントローラ３１は、エンジン１の始動直後に、冷却水の温度が尿素水の凍結温度より高いときには、電磁開閉弁２２を強制的に所定時間開放させるように制御することが望ましい。この制御は、第３の制御手段に該当する。これにより、冷却水の温度が尿素水の凍結温度より高いときには、エンジン１の始動直後から所定時間は冷却水が冷却水循環通路２０を循環するので、タンク１０内に低温の冷却水が循環することによって尿素水が冷却されて凍結することを防止しつつ、冷却水循環通路２０内に冷却水が残留することを防止でき、冷却水の品質の低下を抑制することができる。

その他、電磁開閉弁２２を、手動にて開放させることができるようにすることが望ましい。このようにすれば、冷却水を交換するときに、冷却水循環通路２０内に残留する冷却水を排出させて、その全量を交換することができる。

本発明の排気浄化装置の実施形態の構成図 同上における電磁開閉弁の制御手順を示すフローチャート

符号の説明

１ エンジン
２ 排気管
３ ＮＯｘ還元触媒
７ 還元剤供給装置
１０ タンク
１２ 還元剤温度センサ
２０ 冷却水循環通路
２２ 電磁開閉弁
２４ 熱交換装置
２９ 冷却水温度センサ
３１ コントローラ

Claims (4)

1. エンジン排気通路に配設され、窒素酸化物を還元剤により還元浄化する還元触媒と、
   前記還元剤を貯蔵するタンクと、
   前記タンクに貯蔵された還元剤を前記還元触媒に供給する還元剤供給装置と、
   エンジンにより加熱された熱媒体を前記タンク内に循環させることにより、前記タンクに貯蔵された還元剤を加熱する加熱装置と、
   前記熱媒体を前記タンク内に導く通路を遮断する遮断装置と、
   前記熱媒体の温度を検出する熱媒体温度検出装置と、
   前記熱媒体温度検出装置により検出された熱媒体の温度が第１の所定温度より高いときに、前記通路を遮断するように前記遮断装置を制御する第１の制御手段と、
   を含んで構成されることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
2. 前記タンクに貯蔵された還元剤の温度を検出する還元剤温度検出装置と、
   前記還元剤温度検出装置により検出された還元剤の温度が第２の所定温度以上であるときに、前記通路を遮断するように前記遮断装置を制御する第２の制御手段と、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
3. 前記エンジンの始動直後であって、前記熱媒体温度検出装置により検出された熱媒体の温度が前記還元剤の凍結温度より高いときに、前記通路の遮断を強制的に所定時間解除させるように前記遮断装置を制御する第３の制御手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載のエンジンの排気浄化装置。
4. 前記遮断装置は、手動にて前記通路の遮断を解除できることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のエンジンの排気浄化装置。

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