JP2006125317A - 還元剤容器の構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 還元剤容器に貯蔵される液体還元剤の解凍を促進しつつ、離間した２点間の温度伝達特性から液体還元剤の濃度を検出する濃度計の検出精度を向上させる。
【解決手段】 容器本体２４Ａの上面に、少なくとも、離間した２点間の温度伝達特性から液体還元剤の濃度を検出する濃度計４０の基部４０Ａと、濃度計４０の基部４０Ａから支柱４０Ｃを介して垂下された検出部４０Ｂを囲みつつ、エンジン冷却水を循環させて液体還元剤との間で熱交換を行う熱交換器４４と、を夫々取り付けると共に、熱交換器４４の下部及び濃度計４０の検出部４０Ｂを取り囲むように、略箱型形状のプロテクタ５０を配設する一方、プロテクタ５０から所定間隔隔てた上方に位置する濃度計４０の支柱４０Ｃにバイザー５２を取り付ける。
【選択図】 図２

Description

本発明は、窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元浄化する排気浄化装置において、還元剤容器に貯蔵される液体還元剤の解凍を促進しつつ、離間した２点間の熱伝達特性から液体還元剤の濃度を検出する濃度計の検出精度を向上させる技術に関する。

エンジン排気に含まれるＮＯｘを除去する触媒浄化システムとして、特開２０００−２７６２７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、エンジン排気系に配設された還元触媒の排気上流に、エンジン運転状態に応じた必要量の液体還元剤を噴射供給することで、排気中のＮＯｘと液体還元剤とを触媒還元反応させて、ＮＯｘを無害成分に浄化処理するものである。
特開２０００−２７６２７号公報

ところで、北海道のような寒冷地では、冬季の外気温度が液体還元剤の凝固点以下となり、還元剤容器に貯蔵される液体還元剤が凍結してしまうことがある。液体還元剤は、外気に接触する容器周辺部から凍結し始め、次第に容器中央部へと向かってその凍結が進行していく。還元剤容器の底部には、離間した２点間の熱伝達特性から液体還元剤の濃度を検出する濃度計の検出部，液体還元剤の吸込口などが位置しているため、液体還元剤が少し凍結しただけで、液体還元剤の濃度検出及び供給ができなくなってしまう。還元剤容器には、エンジン冷却水を循環させて液体還元剤との間で熱交換を行う熱交換器が取り付けられているが、エンジンが長時間に亘って停止していたときには、エンジン始動直後には冷却水温度が低いことから、凍結した液体還元剤の凍結にはある程度の時間を要してしまう。

このため、液体還元剤の吸込口及び濃度計の検出部の周囲に、熱交換器から放出される熱を閉じ込める箱型部材を配設することで、エンジン始動後短時間で液体還元剤を解凍することが考えられるが、次のような不具合が発生してしまうおそれがある。即ち、濃度計と箱型部材との間に隙間があると、還元剤容器に液体還元剤を補充するときに、液体還元剤と一緒に気泡が箱型部材内へと入り込み、濃度計の検出部に気泡が付着してしまうことがある。濃度計の検出部に気泡が付着すると、離間した２点間の熱伝達特性が変化し、その濃度検出精度が大幅に低下してしまう。なお、濃度計は定期的な点検整備が必要なことから、濃度計と箱型部材とを隙間なく結合することはできない。

そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、液体還元剤の解凍を促進する箱型部材に気泡が入り込み難くすることで、還元剤容器に貯蔵される液体還元剤の解凍を促進しつつ、濃度計の検出精度を向上させた還元剤容器の構造を提供することを目的とする。

このため、請求項１記載の発明では、容器本体の上面に、少なくとも、離間した２点間の温度伝達特性から液体還元剤の濃度を検出する濃度計の基部と、該濃度計の基部から支柱を介して垂下された検出部を囲みつつ、エンジンを熱源とする熱媒体を循環させて液体還元剤との間で熱交換を行う熱交換器と、を夫々取り付けると共に、前記熱交換器の下部及び濃度計の検出部を取り囲むように、略箱型形状の箱型部材を配設する一方、前記箱型部材から所定間隔隔てた上方に位置する濃度計の支柱にバイザーを取り付けたことを特徴とする。

請求項２記載の発明では、前記バイザーは、前記濃度計の支柱に形成された周溝に嵌合固定されることを特徴とする。
請求項３記載の発明では、前記バイザーは、弾性部材からなることを特徴とする。
請求項４記載の発明では、前記熱交換器は、前記熱媒体の入口と出口とを相互接続する略Ｕ字形状の管材を屈曲形成して構成されたことを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、熱交換器の下部から放出される熱は、箱型部材の内部に閉じ込められ、その領域内で対流を発生させる。このため、箱型部材の内部に位置する濃度計及びその周囲にある液体還元剤が効率的に解凍され、エンジン始動後短時間で液体還元剤の濃度検出を開始することができる。また、液体還元剤を補充するときには、濃度計の支柱に取り付けられたバイザーにより、液体還元剤がその周囲へと跳ね飛ばされ、支柱と箱型部材との隙間を通って、その内部へと入り込み難くなる。このため、液体還元剤に伴って箱型部材の内部へと入り込んだ気泡が濃度計の検出部に付着し難くなり、離間した２点間の熱伝達特性の変化による濃度検出精度の低下を抑制することができる。従って、還元剤容器に貯蔵される液体還元剤の解凍を促進しつつ、液体還元剤の濃度を検出する濃度計の検出精度を向上させることができる。

請求項２記載の発明によれば、バイザーは濃度計の支柱に形成された周溝に嵌合されるため、液体還元剤が勢いよく当たっても軸方向にずれることがなく、その取付剛性を向上させることができる。
請求項３記載の発明によれば、バイザーは弾性部材からなるため、液体還元剤が勢いよく当たることで不規則に変形し、その跳ね飛ばし方向に不規則性を持たせることができる。このため、濃度計の支柱と箱型部材との隙間を介して液体還元剤が内部へと入り込む量が一層低減し、気泡が濃度計の検出部に付着することをより抑制することができる。

請求項４記載の発明によれば、熱交換器は熱媒体の入口と出口とを相互接続する略Ｕ字形状の管材を屈曲形成して構成されるので、還元剤容器内での全長が長くなり、液体還元剤との間で効率的に熱交換を行うことができる。

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、尿素水溶液を液体還元剤として使用し、エンジン排気中に含まれるＮＯｘを触媒還元反応により浄化する排気浄化装置の全体構成を示す。
エンジン１０の排気マニフォールド１２に接続される排気管１４には、排気流通方向に沿って、一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ₂）へと酸化させる酸化触媒１６と、尿素水溶液を噴射供給する噴射ノズル１８と、尿素水溶液を加水分解して得られるアンモニアによりＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ還元触媒２０と、ＮＯｘ還元触媒２０を通過したアンモニアを酸化させるアンモニア酸化触媒２２と、が夫々配設される。また、還元剤容器２４に貯蔵される尿素水溶液は、その底部に吸込口が位置する供給配管２６を介して還元剤供給装置２８に供給される一方、還元剤供給装置２８で噴射に寄与しない余剰の尿素水溶液は、戻り配管３０を介して還元剤容器２４の上部空間内へと戻される。そして、還元剤供給装置２８は、コンピュータを内蔵したコントロールユニット３２により制御され、エンジン運転状態に応じた必要量の尿素水溶液を、空気と混合しつつ噴射ノズル１８に供給する。

かかる排気浄化装置において、噴射ノズル１８から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、アンモニアを発生する。発生したアンモニアは、ＮＯｘ還元触媒２０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ことは知られたことである。このとき、ＮＯｘ還元触媒２０によるＮＯｘ浄化率を向上させるべく、酸化触媒１６によりＮＯがＮＯ₂へと酸化され、排気中のＮＯとＮＯ₂との割合が触媒還元反応に適したものに改善される。また、ＮＯｘ還元触媒２０を通過したアンモニアは、その排気下流に配設されたアンモニア酸化触媒２２により酸化されるので、異臭を放つアンモニアがそのまま大気中に放出されることを防止できる。

還元剤容器２４は、図２に示すように、略直方体形状をなす容器本体２４Ａの長手方向の２面幅を形成する側面上部に、尿素水溶液を補充するための補充口２４Ｂ及び搬送時に把持する取手２４Ｃが夫々形成されたものである。また、容器本体２４Ａの上面には、図示しない開口部が開設され、これを閉塞するように、複数のボルト３４により天蓋３６が着脱可能に締結される。

天蓋３６の上面には、その長手方向の一端部から中央部にかけて、エンジンを熱源とする熱媒体としてのエンジン冷却水の入口３６Ａ及び出口３６Ｂと、尿素水溶液の供給口３６Ｃ及び戻り口３６Ｄと、内部の上部空間が負圧とならないように大気開放する開放口３６Ｅと、が夫々形成される。また、天蓋３６には、その長手方向の中央部から他端部にかけて、尿素水溶液の残量を検出する水位計３８の基部３８Ａと、尿素水溶液の濃度を検出する濃度計４０の基部４０Ａと、がボルト４２により着脱可能に夫々締結される。水位計３８は、横断面が円形をなす内側電極及び外側電極を同心に配置し、両電極間の静電容量変化から尿素水溶液の水位を検出するもので、その基部３８Ａから容器本体２４Ａの底部に向かって、内側電極及び外側電極からなる検出部３８Ｂが垂下される。一方、濃度計４０は、離間した２点間の温度伝達特性から尿素水溶液の濃度を検出するもので、容器本体２４Ａの底部に検出部４０Ｂが位置するように、その基部４０から支柱４０Ｃを介して検出部４０Ｂが垂下される。

エンジン冷却水の入口３６Ａと出口３６Ｂとは、容器本体２４Ａ内に配設される熱交換器４４により相互接続される。熱交換器４４は、略Ｕ字形状の管材を、図３及び図４に示すように、容器本体２４Ａの底部において水位計３８及び濃度計４０を取り囲むように屈曲形成させ、その先端屈曲部４４Ａを、天蓋３６に固定されたブラケット４６により支持させたものである。このように、略Ｕ字形状の管材を屈曲形成して熱交換器４４を構成すれば、還元剤容器内における熱交換器４４の全長が長くなり、尿素水溶液との間で効率的に熱交換を行うことができる。一方、熱交換器４４は、その先端屈曲部４４Ａが天蓋３６に固定されたブラケット４６により支持されるため、天蓋３６に対して３点で支持固定されることとなり、その取付剛性を高めることができる。

また、尿素水溶液の供給口３６Ｃには、水位計３８と濃度計４０との間であって容器本体２４Ａの底部から尿素水溶液を吸い込む吸込管４８が接続される。吸込管４８は、エンジン冷却水の入口３６Ａから容器本体２４Ａの底部へと延びる熱交換器４４の管材にその一部を沿わせつつ溶接又はロー付けされると共に、その先端部に形成された吸込口４８Ａが水位計３８と濃度計４０との間で下方に向けて開口するように、その中間部から先が屈曲形成される。

さらに、熱交換器４４の下部には、還元剤容器２４内で凍結した尿素水溶液の氷塊から水位計３８及び濃度計４０を保護すると共に、熱交換器４４の下部に位置する水位計３８，濃度計４０及び吸込管４８を取り囲み、熱交換器４４から放出される熱を閉じ込めるべく、略箱型形状の箱型部材としてのプロテクタ５０が配設される。
ところで、水位計３８及び濃度計４０は、定期的な点検整備が必要なことから、プロテクタ５０と隙間なく結合することができない。このため、水位計３８及び濃度計４０とプロテクタ５０との間には隙間が存在し、尿素水溶液の補充時に、この隙間からプロテクタ５０内部へと気泡が侵入し、濃度計４０の検出部４０Ｂに気泡が付着してしまうおそれがる。

そこで、図５（Ａ）に示すように、プロテクタ５０から所定間隔隔てた上方に位置する濃度計４０の支柱４０Ｃに周溝４０Ｄを形成し、ここにラバーなどの弾性部材からなるバイザー５２を嵌合する。バイザー５２は、同図（Ｂ）に示すような円柱形状、又は、同図（Ｃ）に示すような裁頭円錐形状をなし、その横断面形状は、円形，矩形などとすることができる。

次に、かかる構成からなる還元剤容器２４の作用について説明する。
外気温度が尿素水溶液の凝固点以下である状況で、長時間に亘ってエンジン１０が停止していると、外気によって還元剤容器２４の外周から熱が奪われ、その周辺部から尿素水溶液が凍結し始め、次第に中央部へと凍結が進行していく。この状態において、エンジン１０を始動させると、時間経過に伴って温度上昇するエンジン冷却水が熱交換器４４を循環し始める。そして、エンジン冷却水の温度が尿素水溶液の凝固点より高くなると、還元剤容器２４内で凍結した尿素水溶液は徐々に解凍し始める。

このとき、熱交換器４４の下部から放出される熱は、プロテクタ５０の内部に閉じ込められ、その領域内で対流を発生させる。このため、プロテクタ５０の内部に位置する水位計３８，濃度計４０及び吸込管４８の周囲にある尿素水溶液の解凍が促進され、エンジン始動後短時間で排気浄化装置としての機能を発揮することができる。そして、プロテクタ５０より上部にある尿素水溶液は、熱交換器４４により短時間で管材を中心とした略円環形状に解凍されるため、プロテクタ５０内部と還元剤容器２４の上部空間とが連通する。このため、プロテクタ５０内部は、尿素水溶液の吸い込みにより負圧とならず、その吸い込みが困難となることがない。

また、還元剤容器２４に尿素水溶液を補充するときには、濃度計４０の支柱４０Ｃに取り付けられたバイザー５２により、尿素水溶液がその周囲へと跳ね飛ばされ、支柱４０Ｃとプロテクタ５０との隙間を通って、その内部へと入り込み難くなる。このため、尿素水溶液に伴ってプロテクタ５０の内部へと入り込んだ気泡が濃度計４０の検出部４０Ｂに付着し難くなり、離間した２点間の熱伝達特性の変化による濃度検出精度の低下を抑制することができる。尿素水溶液を補充するときに発生する実濃度に対する誤差を３０回測定したところ、バイザーがないものにあっては、図６（Ａ）に示すように、その誤差が広範囲に亘って現れたが、バイザーを取り付けることによって、同図（Ｂ）に示すように、その誤差が限られた範囲内に収まるようになった。

従って、尿素水溶液を補充した後、濃度計４０の検出部４０Ｂに気泡が付着したままになることが大幅に激減し、還元剤容器２４に所定濃度の尿素水溶液が十分あるにもかかわらず、例えば、濃度が低めに検出されたり、空であると判定されることを効果的に抑制することができる。
このとき、バイザー５２は濃度計４０の支柱４０Ｃに形成された周溝４０Ｄに嵌合固定されるため、尿素水溶液が勢いよく当たっても軸方向にずれることがなく、その取付剛性を向上させることができる。また、バイザー５２は弾性部材からなるため、尿素水溶液が勢いよく当たることで不規則に変形し、その跳ね飛ばし方向に不規則性を持たせることができる。このため、濃度計４０の支柱４０Ｃとプロテクタ５０との隙間を介して尿素水溶液が内部へと入り込む量が一層低減し、気泡が濃度計４０の検出部４０Ｂに付着することをより抑制することができる。

なお、バイザー５２は、濃度計４０の支柱４０Ｃだけではなく、プロテクタ５０から所定間隔隔てた上方に位置する水位計３８にも取り付けるようにしてもよい。このようにすれば、水位計３０の検出部３８Ｂとプロテクタ５０との隙間を通って、尿素水溶液に伴ってプロテクタ５０内部へと入り込む気泡が減少し、気泡が回り込んで濃度計４０の検出部４０Ｂに付着することを一層抑制することができる。

また、本発明は、尿素水溶液を液体還元剤として使用する排気浄化装置に限らず、アンモニア水溶液や、炭化水素を主成分とするガソリン，軽油，アルコールなどを液体還元剤として使用するものにも適用可能であることはいうまでもない。

本発明の適用対象である排気浄化装置の全体構成図 還元剤容器及びその内部配置を示す斜視図 熱交換器の下部に固定されるプロテクタの正面図 熱交換器の下部に固定されるプロテクタの平面図 濃度計の支柱に取り付けられるバイザーを示し、（Ａ）は取付構造の説明図、（Ｂ）はバイザーの第１実施例の説明図、（Ｃ）はバイザーの第２実施例の説明図 尿素水溶液を補充するときに発生する実濃度に対する誤差を示し、（Ａ）はバイザーがないときの説明図、（Ｂ）はバイザーがあるときの説明図

符号の説明

１０ エンジン
２４ 還元剤容器
２４Ａ 容器本体
３６Ａ 入口
３６Ｂ 出口
４０ 濃度計
４０Ａ 基部
４０Ｂ 検出部
４０Ｃ 支柱
４０Ｄ 周溝
４４ 熱交換器
５０ プロテクタ
５２ バイザー

Claims (4)

1. 容器本体の上面に、少なくとも、離間した２点間の温度伝達特性から液体還元剤の濃度を検出する濃度計の基部と、該濃度計の基部から支柱を介して垂下された検出部を囲みつつ、エンジンを熱源とする熱媒体を循環させて液体還元剤との間で熱交換を行う熱交換器と、を夫々取り付けると共に、前記熱交換器の下部及び濃度計の検出部を取り囲むように、略箱型形状の箱型部材を配設する一方、前記箱型部材から所定間隔隔てた上方に位置する濃度計の支柱にバイザーを取り付けたことを特徴とする還元剤容器の構造。
2. 前記バイザーは、前記濃度計の支柱に形成された周溝に嵌合固定されることを特徴とする請求項１記載の還元剤容器の構造。
3. 前記バイザーは、弾性部材からなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の還元剤容器の構造。
4. 前記熱交換器は、前記熱媒体の入口と出口とを相互接続する略Ｕ字形状の管材を屈曲形成して構成されたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の還元剤容器の構造。