JP4137831B2 - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体還元剤を用いて、排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元除去するエンジンの排気浄化装置（以下「排気浄化装置」という）に関し、特に、液体還元剤が凍結していても、エンジン始動後迅速にその供給を可能とする技術に関する。

エンジンの排気に含まれるＮＯｘを除去する触媒浄化システムとして、特開２００２−４８４０号公報（特許文献１）に開示された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還元触媒を配設し、ＮＯｘ還元触媒の排気上流に、タンク内に貯蔵した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。

還元反応は、ＮＯｘと反応性のよいアンモニアが用いられる。アンモニアは、タンク内に貯蔵された固体状の尿素を加熱し液体状にして排気中に供給して、排気熱及び排気中の水蒸気を用いた加水分解反応により得られる。
更に、必要な量の尿素を排気中に精度良く供給させるために、固体状の尿素を用いる代わりに、尿素水溶液等の液体還元剤を用いる場合がある。この場合、寒冷時においては、タンク内で液体還元剤が凍結してしまう恐れがあるので、タンク内にヒータを設けて、凍結した液体還元剤をエンジン作動時に加熱するものがある。
特開２００２−４８４０号公報

しかしながら、このようにタンク内にヒータを設けても、タンクの容量が大きいため、凍結した液体還元剤が解凍するまで時間がかかってしまう。従って、エンジン始動後に、排気中への液体還元剤の供給が間に合わず、排気中からＮＯｘが充分に還元除去されなくなってしまう恐れがあった。
そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、メインタンクとメインタンクより小容量のサブタンクとの２つのタンクを含んでタンクを構成し、エンジン始動後にサブタンク内の液体還元剤を電気ヒータで加熱することにより、液体還元剤が凍結していても、エンジン始動後迅速にその供給を可能とする排気浄化装置を提供することを目的とする。

このため、請求項１記載の発明は、エンジンの排気浄化装置であって、エンジン排気通路に配設され、液体還元剤を使用して窒素酸化物を還元浄化する還元触媒と、液体還元剤を貯蔵するメインタンクと、前記メインタンクより小容量であって、前記メインタンクから供給された液体還元剤を貯留するサブタンクと、前記サブタンクに貯留された液体還元剤を前記還元触媒に供給する還元剤供給手段と、前記エンジンを熱源とする熱媒体により、前記メインタンクに貯蔵された液体還元剤を加熱する加熱手段と、前記サブタンクに貯留された液体還元剤を加熱する電気ヒータと、を含んで構成され、前記サブタンクは、熱伝導性に優れた部材で形成されるとともに、内側壁が下方に向かって拡径する略テーパ形状に形成され、前記電気ヒータは、前記サブタンクの下部に配置されることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、前記サブタンクは、前記メインタンクから液体還元剤が流入するように、前記メインタンクの下方に配置されることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、前記サブタンク内に空気を導入する通気管を備えたことを特徴とする。
請求項４記載の発明は、前記通気管を加熱する加熱手段を備えたことを特徴とする。
請求項５記載の発明は、前記サブタンクから外気への放熱を抑制する断熱手段を備えたことを特徴とする。

請求項６記載の発明は、前記エンジンが作動中であるか否かを検出するエンジン作動検出手段と、前記サブタンクの壁面の温度を検出する壁面温度検出手段と、前記エンジンが作動中であり、かつ、前記サブタンクの壁面の温度が所定値以下であるときには、前記電気ヒータを作動させる作動制御手段と、を備えたことを特徴とする。
請求項７記載の発明は、前記メインタンク内の液体還元剤の温度を検出する還元剤温度検出手段と、前記電気ヒータの作動後、前記メインタンク内の液体還元剤の温度が所定値より高くなったときに、前記電気ヒータの作動を停止させる第１の停止制御手段と、を備えたことを特徴とする。

請求項８記載の発明は、前記電気ヒータが作動してから所定時間経過した後に、前記電気ヒータの作動を停止させる第２の停止制御手段を備えたことを特徴とする。
請求項９記載の発明は、前記サブタンクには、液体還元剤の濃度を検出する濃度センサが取り付けられたことを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、メインタンクに貯蔵された液体還元剤は、加熱手段によって、エンジンを熱源とする熱媒体により加熱される。また、電気ヒータによりサブタンクに貯留された液体還元剤が加熱される。そして、サブタンクは、メインタンクより小容量であるので、その内部の液体還元剤が凍結しても、すぐに解凍される。これにより、液体還元剤を速やかに供給することができる。
さらに、サブタンクは、熱伝導性の優れた部材で形成されるとともに、その下部に電気ヒータが設けられるので、サブタンク内の液体還元剤を対流させながら、周囲から効率よく加熱することができる。
また、サブタンクの内側壁は、下方に向かって拡径する略テーパ形状に形成されるので、凍結して内側壁に付着した液体還元剤が、剥がれ落ちやすくなるとともに、内側壁に引っ掛かることなくサブタンクの下部に落下する。そして、サブタンクの下部に設けられた電気ヒータによって加熱されるので、サブタンク内の液体還元剤が効率よく解凍することができる。

請求項２記載の発明によれば、メインタンクからサブタンクに液体還元剤が流入するので、メインタンクからサブタンクへ液体還元剤を供給するための装置を新たに設ける必要がなく、コスト上昇を抑制できる。

請求項３記載の発明によれば、メインタンクからサブタンクへの液体還元剤の流入路が閉塞されていても、通気管を通過して空気がサブタンク内に流入される。これにより、サブタンク内の液体還元剤をスムーズに排出することができる。
請求項４記載の発明によれば、通気管内で液体還元剤が凍結しても、すぐに解凍できるので、通気管の閉塞を抑制できる。

請求項５記載の発明によれば、サブタンクから外気への放熱が抑制され、電気ヒータにより効率よくサブタンク内の液体還元剤を加熱できる。
請求項６記載の発明によれば、エンジンが作動中であり、かつ、サブタンク内の液体還元剤が凍結したときに、自動的に電気ヒータが作動し、液体還元剤の供給不足を抑制できる。

請求項７記載の発明によれば、メインタンクからの液体還元剤の供給が可能となった時点で電気ヒータの作動が停止されるので、電気ヒータにて使用される電力の消費を抑制できる。
請求項８記載の発明によれば、電気ヒータが作動してから所定時間経過した後に、電気ヒータの作動が停止する。このとき、所定時間を、凍結したサブタンク内の液体還元剤が、電気ヒータによってその全量が解凍するまでの時間に設定することにより、電気ヒータにて使用される電力の消費を抑制できる。

請求項９記載の発明によれば、液体還元剤が凍結していても、エンジン始動後短時間でその濃度を検出できる。

以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図１は、本発明のエンジンの排気浄化装置の構成図である。
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が配設されている。また、ＮＯｘ還元触媒３の排気上流には、排気管２内に液体還元剤としての尿素水溶液を噴射供給する噴射ノズル４が配設されている。なお、液体還元剤は、尿素水溶液の他にアンモニア水溶液等でもよい。

噴射ノズル４には、還元剤供給装置５によって、タンク６内に貯蔵された尿素水溶液が圧縮空気とともに供給される。また、エンジン運転状態に応じて、ＮＯｘ還元触媒３に供給する尿素水溶液の流量を制御するために、コンピュータを内蔵した噴射コントローラ７が備えられる。噴射コントローラ７は、ＣＡＮ（Controller Area Network）を介して入力されたエンジン運転状態即ちエンジン回転速度及び燃料噴射量に応じて還元剤供給装置５を制御する。

タンク６は、図２に示すように、メインタンク１０とメインタンク１０より小容量のサブタンク１１とを含んで構成されている。
メインタンク１０内の尿素水溶液がサブタンク１１内に流入するように、メインタンク１０とサブタンク１１とが連通接続されている。サブタンク１１内の尿素水溶液は、配管１２を介して還元剤供給装置５に供給される。

メインタンク１０には、その内部に設けられた配管内にエンジン１の冷却水を循環させることにより、メインタンク１０内の尿素水溶液を加熱する熱交換器１３（加熱手段）が設けられている。また、メインタンク１０には、その内部の尿素水溶液の温度を検出する還元剤温度センサ１４が設けられている。
一方、サブタンク１１は、タンク６内の尿素水溶液が凍結しているときに、エンジン１が始動してから熱交換器１３による加熱によってメインタンク１０内の尿素水溶液が解凍して還元剤供給装置５への尿素水溶液の供給が可能となるまでの間に、排気中のＮＯｘを還元浄化するのに必要な量の尿素水溶液が貯留可能な容量になっている。サブタンク１１の内側壁１１ａは、下方に向かって拡径する略テーパ形状に形成されている。サブタンク１１の下部には、サブタンク１１内の尿素水溶液を加熱する電気ヒータ１５が設けられている。サブタンク１１から外気への放熱を抑制するように、サブタンク１１の周囲は断熱材１６により覆われている。

サブタンク１１の上部は、通気管１７を介してメインタンク１０の上部に連通接続されている。通気管１７は、断熱材１８により、少なくともメインタンク１０の最大液面高さより下方の部位の周囲が覆われている。
サブタンク１１には、その壁面の温度を検出する壁面温度センサ１９が設けられている。更に、サブタンク１１には、その内部の尿素水溶液の濃度を検出する濃度センサ２０が設けられている。濃度センサ２０により検出された尿素水溶液の濃度は、噴射コントローラ７に出力され、例えば、還元剤供給装置５の作動制御に利用される。

還元剤温度センサ１４からの尿素水溶液の温度と、壁面温度センサ１９からの壁面の温度と、ＣＡＮを介してエンジン１の運転状態と、を入力し、電気ヒータ１５の作動を制御するコントローラ２１が設けられている。
ここで、図３を用いて、本発明の排気浄化装置の実施形態におけるコントローラ２１での電気ヒータ１５の制御手順を説明する。まず、コントローラ２１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、ＣＡＮを介して入力したエンジン１の運転状態から、エンジン１が作動中であるか否かを判定する。作動中であるときには、ステップ２に進む。作動中でないときは、ＥＮＤに進む。なお、ステップ１の処理は、エンジン作動検出手段に該当する。
ステップ２では、壁面温度センサ１９から壁面温度Ｔａを入力し、所定値Ｔ１以下であるか否かを判定する。壁面温度Ｔａが所定値Ｔ１以下であるときには、ステップ３に進む。所定値Ｔ１より高いときには、ＥＮＤに進む。なお、所定値Ｔ１は、尿素水溶液の凍結温度より若干高めに設定すればよい。

ステップ３では、電気ヒータ１５の作動を開始させる。なお、ステップ１〜３の処理は、作動制御手段に該当する。
ステップ４では、還元剤温度センサ１４から尿素水の温度Ｔｂを入力し、所定値Ｔ１より高いか否かを判定する。尿素水の温度Ｔｂが所定値Ｔ１より高いときには、ステップ５に進む。尿素水の温度Ｔｂが所定値Ｔ１以下であるときは、ステップ４を繰り返す。

ステップ５では、電気ヒータ１５の作動を停止させる。そして、ＥＮＤに進む。なお、ステップ４及び５の処理は第１の停止制御手段に該当する。
以上のような構成によれば、エンジン１の排気は、排気管２を通過して、ＮＯｘ還元触媒３へと導かれる。このとき、噴射コントローラ７は、エンジン１の回転速度及び燃料噴射量に基づいて還元剤供給装置５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量の尿素水溶液が、圧縮空気とともに噴射ノズル４からＮＯｘ還元触媒３の排気上流である排気管２内に噴射供給される。排気管２内に噴射供給された尿素水溶液は、排気熱及び排気中の水蒸気により加水分解され、アンモニアが生成される。生成されたアンモニアは、ＮＯｘ還元触媒３において、排気中のＮＯｘと反応し、水及び無害なガスに浄化される。

メインタンク１０にはエンジン１の冷却水を利用した熱交換器１３が設けられているので、エンジン１が作動することによって、その冷却水によりメインタンク１０内の尿素水溶液が加熱される。更に、サブタンク１１には電気ヒータ１５が設けられており、エンジン１作動時に、サブタンク１１の壁面温度が所定値Ｔ１以下であるときに、電気ヒータ１５を作動させるので、サブタンク１１内で凍結した尿素水溶液が、電気ヒータ１５によって加熱される。このとき、サブタンク１１は、エンジン１が始動してからメインタンク１０からの尿素水溶液の供給が可能となるまでの間に必要な量の尿素水溶液を貯留できる程度の容量であるので、その内部の尿素水溶液がすぐに解凍され、尿素水溶液を速やかに排気管２内に噴射供給することができる。これにより、排気管２内への尿素水溶液の供給不足を抑制できる。

サブタンク１１の周囲には断熱材１６が設けられているので、サブタンク１１から外気への放熱が抑制され、電気ヒータ１５により効率よくサブタンク１１内の尿素水溶液を加熱できる。また、サブタンク１１は、熱伝導性の優れた部材で形成されるとともに、その下部に電気ヒータ１５が設けられるので、サブタンク１内の尿素水溶液を対流させながら、周囲から効率よく加熱することができる。更に、サブタンク１１の内側壁１１ａは、下方に向かって拡径する略テーパ形状に形成されるので、凍結して内側壁１１ａに付着した尿素水溶液が、剥がれ落ちやすくなるとともに、内側壁１１ａに引っ掛かることなくサブタンク１１の下部に落下する。そして、サブタンク１１の下部に設けられた電気ヒータ１５によって加熱されるので、サブタンク１１内の尿素水溶液が効率よく解凍される。

また、コントローラ２１は、メインタンク１０内の尿素水溶液の温度が所定値Ｔ１より高くなったときに、電気ヒータ１５の作動を停止させるよう制御するので、メインタンク１０からの尿素水溶液の供給が可能となった時点で電気ヒータ１５の作動が停止する。これにより、電気ヒータ１５にて使用される電力の消費を抑制できる。
サブタンク１１の上部は、通気管１７を介してメインタンク１０の上部に連通接続されているので、メインタンク１０からサブタンク１１への尿素水溶液の流入口がメインタンク１０内の凍結した尿素水溶液により閉塞されていても、メインタンク１０の上部から通気管１７を通過して空気がサブタンク１１内に流入される。これにより、サブタンク１１内の尿素水溶液をスムーズに排出することができる。更に、通気管１７は、その周囲を断熱材１８により覆われているので、その内部で尿素水溶液が凍結することによって通気管１７が閉塞されることを抑制できる。

また、濃度センサ２０を、サブタンク１１内に設けたので、尿素水溶液が凍結していても、エンジン始動後短時間でその濃度を検出できる。
なお、本実施形態のコントローラ２１は、メインタンク１０内の尿素水溶液の温度が所定値Ｔ１より高いときに、電気ヒータ１５の作動を停止させるよう制御するが、電気ヒータ１５が作動してから所定時間Ｔ２経過後に、電気ヒータ１５の作動を停止させてもよい。所定時間Ｔ２は、凍結したサブタンク１１内の尿素水溶液が、電気ヒータ１５によってその全量が解凍するまでの時間に設定すればよい。なお、コントローラ２１によるこの処理は、第２の停止制御手段に該当する。

また、通気管１７の上端を、メインタンク１０の最大液面高さより上方に延長させて開放させてもよい。
更に、通気管１７を加熱する電気ヒータを設けてもよい。これにより、通気管１７内で尿素水溶液が凍結しても、すぐに解凍することができる。

本発明のエンジンの排気浄化装置の構成図 同上のタンクの構造図 同上のコントローラにおける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
５ 還元剤供給装置
１０ メインタンク
１１ サブタンク
１１ａ 内側壁
１３ 熱交換器
１４ 還元剤温度センサ
１５ 電気ヒータ
１６ 断熱材
１７ 通気管
１９ 壁面温度センサ
２０ 濃度センサ
２１ コントローラ

Claims (9)

1. エンジン排気通路に配設され、液体還元剤を使用して窒素酸化物を還元浄化する還元触媒と、
   液体還元剤を貯蔵するメインタンクと、
   前記メインタンクより小容量であって、前記メインタンクから供給された液体還元剤を貯留するサブタンクと、
   前記サブタンクに貯留された液体還元剤を前記還元触媒に供給する還元剤供給手段と、
   前記エンジンを熱源とする熱媒体により、前記メインタンクに貯蔵された液体還元剤を加熱する加熱手段と、
   前記サブタンクに貯留された液体還元剤を加熱する電気ヒータと、
   を含んで構成され、
   前記サブタンクは、熱伝導性に優れた部材で形成されるとともに、内側壁が下方に向かって拡径する略テーパ形状に形成され、
   前記電気ヒータは、前記サブタンクの下部に配置される、ことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
2. 前記サブタンクは、前記メインタンクから液体還元剤が流入するように、前記メインタンクの下方に配置される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. 前記サブタンク内に空気を導入する通気管を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のエンジンの排気浄化装置。
4. 前記通気管を加熱する加熱手段を備えたことを特徴とする請求項３に記載のエンジンの排気浄化装置。
5. 前記サブタンクから外気への放熱を抑制する断熱手段を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のエンジンの排気浄化装置。
6. 前記エンジンが作動中であるか否かを検出するエンジン作動検出手段と、
   前記サブタンクの壁面の温度を検出する壁面温度検出手段と、
   前記エンジンが作動中であり、かつ、前記サブタンクの壁面の温度が所定値以下であるときには、前記電気ヒータを作動させる作動制御手段と、
   を備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のエンジンの排気浄化装置。
7. 前記メインタンク内の液体還元剤の温度を検出する還元剤温度検出手段と、
   前記電気ヒータの作動後、前記メインタンク内の液体還元剤の温度が所定値より高くなったときに、前記電気ヒータの作動を停止させる第１の停止制御手段と、
   を備えたことを特徴とする請求項６に記載のエンジンの排気浄化装置。
8. 前記電気ヒータが作動してから所定時間経過した後に、前記電気ヒータの作動を停止させる第２の停止制御手段を備えたことを特徴とする請求項6に記載のエンジンの排気浄化装置。
9. 前記サブタンクには、液体還元剤の濃度を検出する濃度センサが取り付けられたことを特徴とする請求項１〜８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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