JP2009121265A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】尿素水タンク内の尿素水の過度な温度上昇を防止することが可能な排気浄化装置を提供する。
【解決手段】アンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを選択還元するアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒４０と、尿素水５４を貯留し、貯留している尿素水５４を流出させるためのサクションポート６６を有する尿素水タンク５０と、駆動用ソレノイドが組み込まれ、尿素水タンク５０のサクションポート６６から供給された尿素水の一部を、アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒４０の上流側排気中に噴射すると共に、上記尿素水の残部を尿素水タンク５０に戻す尿素水インジェクタ４４とを備え、尿素水タンク５０は、サクションポート６６によって排出可能な尿素水５４の最低水位が、尿素水タンク５０内の尿素水５４の温度を所定温度以下に保つために必要な尿素水５４の残留量を確保する水位となるよう、サクションポート６６の位置が定められている。
【選択図】図２

Description

本発明はエンジンの排気を浄化する排気浄化装置に関し、特にアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒にアンモニアを供給するための尿素水を貯留する尿素水タンクを備えた排気浄化装置に関する。

エンジンの排気中に含まれる汚染物質の１つであるＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化するための排気浄化装置として、エンジンの排気通路にアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒を配設し、還元剤としてアンモニアをアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒に供給することにより、ＮＯｘを還元して排気を浄化するようにした排気浄化装置が知られている。
このような排気浄化装置では、アンモニアをアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒に供給するために、アンモニアに比べて取り扱いが容易な尿素水を排気中に供給するのが一般的である。そして、排気中への尿素水の供給方式には、尿素水を圧縮空気と共に噴射する、いわゆるエアアシスト方式と、圧縮空気を用いずに尿素水のみを噴射する、いわゆるエアレス方式とがある。

後者のエアレス方式の場合、排気中への尿素水の供給量を調整するためのソレノイドバルブと、実際に尿素水が噴射されるノズルとの間の距離が長いと、ソレノイドバルブを閉じた後にソレノイドバルブとノズルとの間に残留する尿素水が固化して目詰まりを生じる可能性があるため、ソレノイドバルブとノズルとを一体化した尿素水インジェクタが用いられる。従って、ソレノイドバルブとノズルとを一体化した尿素水インジェクタにおいては、ソレノイドバルブ用の駆動ソレノイドが尿素水インジェクタに組み込まれている。

尿素水インジェクタは尿素水を排気中に噴射するために、排気の熱によって高温となる排気通路に装着されるが、駆動ソレノイドの温度が過度に上昇した場合、絶縁不良や焼き付きなどの問題が生じるおそれがある。そこで、駆動ソレノイドの温度が過剰に上昇するのを防止するため、尿素水インジェクタに供給された尿素水の一部を排気中に噴射すると共に、供給された尿素水の残部で尿素水インジェクタを冷却するようにした冷却機構付尿素水インジェクタが開発されている。このような冷却機構付尿素水インジェクタを用いた排気浄化装置においては、尿素水インジェクタの冷却に使用された尿素水が、尿素水を貯留するための尿素水タンクに戻されるようになっている。

一方、尿素水を貯留する尿素水タンクには、例えば特許文献１に示されているように、その底部近傍に尿素水を流出させるためのサクションポートが設けられており、このサクションポートから尿素水噴射ノズルや尿素水インジェクタに尿素水が供給される。
特開２００５−３３７１１２号公報

ところが、上述した冷却機構付尿素水インジェクタを用いて、尿素水タンクから供給された尿素水を排気中に噴射するようにした場合、尿素水インジェクタの冷却に使用されて温度の上昇した尿素水が尿素水タンクに戻されるため、尿素水タンク内の尿素水の温度は徐々に上昇していくことになる。一方、尿素水の消費が進むことにより、尿素水タンク内に残留する尿素水の量が減少していくが、上記特許文献１に示されるような尿素水タンクを用いた場合、尿素水インジェクタに供給される尿素水が流出するサクションポートが尿素水タンクの底面近傍に設けられているため、尿素水タンク内に微量の尿素水しか残っていない状態まで、尿素水の減少が継続することになる。従って、尿素水タンク内に少量の尿素水しか残っていない状態で、上述のように温度の上昇した尿素水が尿素水タンクに戻されると、尿素水タンク内の尿素水が過度に上昇する可能性がある。

特に、アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒の上流側に、排気中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタを配設している排気浄化装置の場合、パティキュレートフィルタの強制再生を行う場合にアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度が６００℃前後まで上昇するため、高温の排気の熱を受けた尿素水が尿素水タンクに戻されることによって尿素水タンク内の尿素水が過度に上昇しやすくなる。

このようにして尿素水タンク内の尿素水の温度が過度に上昇すると、尿素水インジェクタを効果的に冷却できなくなるという問題が生じるだけでなく、尿素水タンク内の尿素水の水分が過剰に蒸発して尿素水が濃縮され、尿素水の濃度が適正濃度を逸脱してしまうという問題や、尿素水タンク内の尿素水からアンモニアが生成されやすくなり、尿素水タンクに設けられたタンク内圧調整機構からアンモニアが大気中に漏れ出してしまうという問題が生じる。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、尿素水タンク内の尿素水の過度な温度上昇を防止することが可能な排気浄化装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の排気浄化装置は、エンジンの排気通路に介装され、アンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを選択還元するアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒と、尿素水を貯留し、貯留している尿素水を流出させるためのサクションポートを側壁に有する尿素水タンクと、駆動用ソレノイドが組み込まれて上記排気通路に設けられ、上記尿素水タンクのサクションポートから供給された尿素水の一部を、上記アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒の上流側の排気中に噴射すると共に、上記尿素水の残部を上記尿素水タンクに戻す尿素水インジェクタとを備え、上記尿素水タンクは、上記サクションポートによって排出可能な尿素水の最低水位が、上記尿素水タンク内の尿素水の温度を所定温度以下に保つために必要な尿素水の残留量を確保する水位となるよう、上記サクションポートの位置が定められていることを特徴とする（請求項１）。

このように構成された排気浄化装置によれば、尿素水タンクのサクションポートから供給された尿素水は、その一部が尿素水インジェクタからアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒の上流側の排気中に供給される。排気中に供給された尿素水が排気の熱によって加水分解することによりアンモニアが生成され、生成されたアンモニアは還元剤としてアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒に供給され、排気中のＮＯｘの還元に使用される。一方、尿素水タンクのサクションポートから供給された尿素水の残部は、尿素水インジェクタを冷却した後に尿素水タンクに戻される。

尿素水が消費されるに従い、尿素水タンク内の尿素水の水位は徐々に低下していくが、尿素水の水位がサクションポートから排出可能な尿素水の最低水位に達すると、それ以上尿素水は減少しなくなる。このとき尿素水タンク内には、尿素水インジェクタの冷却によって温度の上昇した尿素水が尿素水タンクに戻されても所定温度を上回ることのないような量の尿素水が確保されている。

また、上記排気浄化装置において、上記所定温度は、上記尿素水タンク内での尿素水からのアンモニアの生成を抑制可能な温度であることを特徴とする（請求項２）。
このように構成された排気浄化装置によれば、尿素水タンク内の尿素水は、尿素水インジェクタの冷却によって温度が上昇した尿素水が尿素水タンクに戻されても、尿素水タンク内の尿素水残留量に拘わらず、アンモニアの生成を抑制可能な温度以下に維持される。

更に、上記排気浄化装置において、上記所定温度は７０℃であることを特徴とする（請求項３）。
このように構成された排気浄化装置によれば、尿素水タンク内の尿素水は、尿素水インジェクタの冷却によって温度が上昇した尿素水が尿素水タンクに戻されても、尿素水タンク内の尿素水残留量に拘わらず７０℃以下の温度となる。

本発明の排気浄化装置によれば、尿素水の消費に伴い、尿素水タンク内の尿素水の水位がサクションポートから排出可能な尿素水の最低水位に達したとしても、尿素水タンク内には、尿素水インジェクタの冷却に使用されて温度の上昇した尿素水が尿素水タンクに戻されることで所定温度を上回ることのないような量の尿素水が確保される。従って、尿素水タンクから供給された尿素水を尿素水インジェクタから供給している間に尿素水タンク内の尿素水の温度が上昇しても、所定温度を超えることはない。この結果、尿素水タンク内における尿素水の過度の温度上昇を防止し、尿素水インジェクタの冷却を効果的に行うことができると共に、尿素水の濃縮に伴う適正濃度からの逸脱を防止し、尿素水タンク内でのアンモニアの生成を抑制することが可能となる。

また、請求項２の排気浄化装置によれば、尿素水タンク内の尿素水は、温度が上昇した尿素水が尿素水タンクに戻されても、アンモニアの生成を抑制可能な温度以下に維持されるので、尿素水タンク内でのアンモニアの生成を良好に抑制することができる。
更に、尿素水は水を溶剤とするものであるが、請求項３の排気浄化装置によれば、尿素水タンク内の尿素水は、温度が上昇した尿素水が尿素水タンクに戻されても、７０℃を超えることはないので、尿素水の水分の蒸発が抑制され、尿素水の濃縮による適正濃度の逸脱を確実に防止できると共に、尿素水タンク内でのアンモニアの生成も確実に抑制することが可能となる。

以下、図面に基づき本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る排気浄化装置が適用された４気筒のディーゼルエンジン（以下、エンジンという）の全体構成図を示しており、図１に基づき本発明に係る排気浄化装置の構成を説明する。
エンジン１は各気筒共通の高圧蓄圧室（以下コモンレールという）２を備えており、図示しない燃料噴射ポンプから供給されてコモンレール２に蓄えられた高圧の燃料を、各気筒に設けられたインジェクタ４に供給し、各インジェクタ４からそれぞれの気筒内に燃料が噴射される。

吸気通路６にはターボチャージャ８が装備されており、図示しないエアクリーナから吸入された吸気は、吸気通路６からターボチャージャ８のコンプレッサ８ａへと流入し、コンプレッサ８ａで過給された吸気はインタークーラ１０及び吸気制御弁１２を介して吸気マニホールド１４に導入される。また、吸気通路６のコンプレッサ８ａより上流側には、エンジン１への吸入空気流量を検出するための吸気量センサ１６が設けられている。

一方、エンジン１の各気筒から排気が排出される排気ポート（図示せず）は、排気マニホールド１８を介して排気管２０に接続されている。なお、排気マニホールド１８と吸気マニホールド１４との間には、ＥＧＲ弁２２を介して排気マニホールド１８と吸気マニホールド１４とを連通するＥＧＲ通路２４が設けられている。
排気管２０はターボチャージャ８のタービン８ｂを経た後、排気絞り弁２６を介して排気後処理装置２８に接続されている。また、タービン８ｂの回転軸はコンプレッサ８ａの回転軸と連結されており、タービン８ｂが排気管２０内を流動する排気を受けてコンプレッサ８ａを駆動するようになっている。

排気後処理装置２８は、上流側ケーシング３０と、上流側ケーシング３０の下流側に連通路３２で連通された下流側ケーシング３４とで構成され、本実施形態では上流側ケーシング３０、連通路３２及び下流側ケーシング３４が本発明の排気通路に相当する。
上流側ケーシング３０内には、前段酸化触媒３６が収容されると共に、この前段酸化触媒３６の下流側にはパティキュレートフィルタ（以下フィルタという）３８が収容されている。フィルタ３８は、排気中のパティキュレートを捕集することによりエンジン１の排気を浄化するために設けられる。また前段酸化触媒３６は、排気中のＮＯ（一酸化窒素）を酸化させてＮＯ_２（二酸化窒素）を生成するので、このように前段酸化触媒３６とフィルタ３８とを配置することにより、フィルタ３８に捕集されて堆積しているパティキュレートは、前段酸化触媒３６から供給されたＮＯ_２と反応して酸化し、フィルタ３８の連続再生が行われるようになっている。

一方、下流側ケーシング３４内には、アンモニアを吸着し、吸着したアンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）を選択還元して排気を浄化するアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒（以下ＳＣＲ触媒という）４０が収容されると共に、このＳＣＲ触媒４０の下流側にはＳＣＲ触媒４０から流出したアンモニアを除去するための後段酸化触媒４２が収容されている。この後段酸化触媒４２は、フィルタ３８の強制再生でパティキュレートが焼却される際に発生するＣＯ（一酸化炭素）を酸化し、ＣＯ_２（二酸化炭素）として大気中に排出する機能も有している。

また、連通路３２には、連通路３２内の排気中に尿素水を噴射供給する尿素水インジェクタ４４が設けられている。この尿素水インジェクタ４４は、バルブ機構（図示せず）の開閉によって尿素水の噴射を行うものであり、このバルブ機構の開閉を行うための駆動用ソレノイド（図示せず）が組み込まれている。尿素水インジェクタ４４は、供給された尿素水の一部をバルブ機構の開閉によって排気中に噴射すると共に残部を冷却に用い、尿素水インジェクタ４４の駆動用ソレノイドなどの温度が排気の熱を受けて過剰に上昇しないようにしている。なお、このような尿素水インジェクタ４４は既に知られており、ここではその詳細な構成についての説明は省略する。

尿素水インジェクタ４４は、尿素水供給パイプ４６及び尿素水リターンパイプ４８によって尿素水タンク５０と接続されており、尿素水供給パイプ４６に介装された尿素水供給ポンプ５２により、尿素水タンク５０に貯留されている尿素水が尿素水供給パイプ４６を通って尿素水インジェクタ４４に供給される。尿素水インジェクタ４４に供給された尿素水の一部は、上述したように尿素水インジェクタ４４に設けられた駆動用ソレノイドを駆動してバルブ機構の開閉を行うことにより、連通路３２内の排気中に噴射される。一方、尿素水インジェクタ４４に供給された尿素水の残部は、尿素水インジェクタ４４を冷却した後、尿素水リターンパイプ４８を介して尿素水タンク５０に戻される。

尿素水インジェクタ４４から噴射された霧状の尿素水は、排気の熱により加水分解してアンモニアとなり、ＳＣＲ触媒４０に供給される。ＳＣＲ触媒４０は供給されたアンモニアを吸着し、吸着したアンモニアと排気中のＮＯｘとの脱硝反応を促進することにより、ＮＯｘを浄化して無害なＮ_２とする。なお、このとき、アンモニアがＮＯｘと反応せずにＳＣＲ触媒４０から流出した場合には、このアンモニアが後段酸化触媒４２によって除去されるようになっている。

また、尿素水インジェクタ４４の冷却に用いられた尿素水は、尿素水インジェクタ４４から奪った熱によって温度が上昇しており、この尿素水が尿素水タンク５０に戻されることにより、尿素水タンク５０内の尿素水の温度も徐々に上昇していく。特に、フィルタ３８に堆積したパティキュレートを除去するためにフィルタ３８の強制再生を行う際には、フィルタ３８から流出してＳＣＲ触媒４０に流入する排気の温度が６００℃前後まで上昇するため、尿素水タンク５０内の尿素水の温度も、フィルタ３８の強制再生が行われない場合に比べ、大きく上昇する。

尿素水タンク５０内の尿素水の温度が過度に上昇すると、尿素水インジェクタ４４を効果的に冷却することができなくなる上、尿素水の水分が過剰に蒸発することによって尿素水の濃度が適正値を超えて上昇したり、尿素水からアンモニアが生成されやすくなって尿素水タンク５０の外に漏れ出したりするおそれがある。このため本実施形態では、排気の熱によって温度の上昇した尿素水が尿素水タンク５０に戻されても、尿素水タンク５０内の尿素水温度が所定温度を上回ることのないように尿素水タンク５０が構成されている。なお、本実施形態において所定温度は、尿素水インジェクタ４４を効果的に冷却可能であることに加え、水を溶剤とする尿素水の水分が過剰に蒸発せずに尿素水の濃縮による適正濃度の逸脱を確実に防止できると共に、尿素水タンク５０内でのアンモニアの生成も確実に抑制できる温度として７０℃に設定されている。

一定の環境条件のもとで、尿素水タンク５０から流出する尿素水及び尿素水タンク５０に戻される尿素水のそれぞれの単位時間あたりの量、並びに尿素水タンクに戻される尿素水の温度が一定である場合には、尿素水タンク５０内に貯留されている尿素水の量が少ないほど、尿素水タンク５０内の尿素水の温度が大きく上昇する。そこで、実験によりエンジン１を様々な条件で運転し、尿素水タンク５０内の尿素水の温度が最も上昇する場合であっても、尿素水タンク５０内の尿素水の温度が所定温度以下となるような、尿素水タンク５０内の最少尿素水残留量を予め求め、尿素水タンク５０内の尿素水の量が、このようにして求められた最少尿素水残留量に達する前に尿素水の補充が行われるようにすれば、尿素水タンク５０内の尿素水の温度が所定温度を上回ることはなくなる。

本実施形態では、このような最少尿素水残留量を確保可能な尿素水タンク５０を採用しており、この尿素水タンク５０の詳細について、図２に基づき以下に説明する。
図２は、尿素水タンク５０の詳細を示す断面図である。図２に示すように、尿素水タンク５０内には尿素水５４が貯留されており、尿素水タンク５０の上面には、尿素水タンク５０に尿素水を補充するための注入口５６が設けられている。この注入口５６には、尿素水タンク５０の内圧を大気圧に維持するための通気機構（図示せず）を有して注入口５６を塞ぐキャップ５８が装着されている。そして尿素水タンク５０の底面には、尿素水タンク５０内のゴミを除去するために使用されるドレインポート６０が設けられており、このドレインポート６０はドレインコック６２によって開閉されるようになっている。なお、ゴミの除去などでドレインポート６０を使用する場合を除き、ドレインコック６２は閉じられている。

尿素水タンク５０の側壁上部には、尿素水リターンパイプ４８が接続されるリターンポート６４が設けられており、尿素水インジェクタ４４の冷却に使用された尿素水が、尿素水リターンパイプ４８を通り、リターンポート６４から尿素水タンク５０内に流入する。
また、尿素水タンク５０の底面から所定の高さとなる位置の側壁には、尿素水供給パイプ４６が接続されるサクションポート６６が設けられており、尿素水タンク５０内の尿素水５４は、サクションポート６６から流出した後、尿素水供給ポンプ５２により尿素水供給パイプ４６を通って尿素水インジェクタ４４に供給される。

尿素水タンク５０内に貯留されている尿素水５４は、サクションポート６６の内周面下端部と同レベルの水位、即ち図２中に破線で示す最低水位に達するまで、サクションポート６６から尿素水インジェクタ４４に供給可能であるが、尿素水５４がこの最低水位に達するまで減少したときの尿素水タンク５０内の尿素水残留量が、上述したように実験によって予め求められた、尿素水タンク５０内の尿素水５４の温度を所定温度以下に保つために必要な尿素水タンク５０内の最少尿素水残留量となるように、サクションポート６６の位置が定められている。従って、尿素水５４が減少して破線で示す最低水位に達した場合であっても、温度の上昇した尿素水が尿素水タンク５０内に戻されることによって上昇する尿素水タンク５０内の尿素水５４の温度は所定温度を上回ることがない。

尿素水タンク５０内の尿素水５４の量は、目視又は図示しないレベルセンサなどによって監視され、通常は図２中の破線で示す最低水位に達する前に、注入口５６から尿素水の補充が行われる。このため、尿素水タンク５０内には常に最少尿素残留量以上の尿素水５４が貯留されており、尿素水インジェクタ４４の冷却に使用されて温度の上昇した尿素水が尿素水タンク５０内に戻されても、尿素水タンク５０内の尿素水５４の温度が所定温度を上回ることはない。また、万一尿素水の補充を忘れたとしても、尿素水５４が最低水位に達した時点でそれ以上の尿素水５４の減少は生じなくなるので、尿素水タンク５０内には最少尿素残留量の尿素水５４が確保され、尿素水タンク５０内の尿素水５４の温度が所定温度を上回ることはない。

このように、サクションポート６６によって排出可能な尿素水の最低水位が、尿素水タンク５０内の尿素水５４の温度を所定温度以下に保つために必要な最少尿素水残留量を確保する水位となるよう、サクションポート６６の位置が定められることにより、尿素水タンク５０内の尿素水５４の温度が７０℃に設定された所定温度を上回ることはないので、尿素水インジェクタ４４を効果的に冷却することができる上、尿素水タンク５０内における尿素水５４の水分の蒸発を抑制して、尿素水５４の濃縮による適正濃度の逸脱を確実に防止できると共に、尿素水タンク５０内での尿素水からのアンモニアの生成も確実に抑制することができる。

以上で本発明の一実施形態に係る排気浄化装置についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
例えば、上記実施形態では、尿素水インジェクタ４４により尿素水のみを排気中に噴射するようにしたが、圧縮空気と共に尿素水を排気中に噴射するようにした尿素水インジェクタを用いる場合であっても、駆動用ソレノイドが尿素水インジェクタに組み込まれたタイプの尿素水インジェクタを用い、尿素水で尿素水インジェクタの冷却を行うようにする場合には、同様に本願発明を適用することが可能である。

更に、上記実施形態のように、尿素水タンク５０内の尿素水５４の最低水位が図２中の破線で示す水位となる位置にサクションポート６６が設けられていれば、尿素水タンク５０における他の構成については、上記実施形態に限定されるものではない。
また、上記実施形態では、上流側ケーシング３０内に前段酸化触媒３６とフィルタ３８を収容すると共に、下流側ケーシング３４内にＳＣＲ触媒４０と後段酸化触媒４２を収容して排気後処理装置２８を構成するようにしたが、排気後処理装置２８の構成はこれに限定されるものではない。即ち、排気後処理装置２８としては、ＳＣＲ触媒４０と、このＳＣＲ触媒４０の上流側に設けられた尿素水インジェクタ４４とを備えていればよい。

更に、上記実施形態では、エンジン１を４気筒のディーゼルエンジンとしたが、エンジン１の気筒数及び形式は、これに限定されるものではない。

本発明の一実施形態に係る排気浄化装置が適用されたエンジンの全体構成図である。 尿素水タンクの詳細を示す断面図である。

符号の説明

１ エンジン
３０ 上流側ケーシング（排気通路）
３２ 連通路（排気通路）
３４ 下流側ケーシング（排気通路）
４０ ＳＣＲ触媒（アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒）
４４ 尿素水インジェクタ
５０ 尿素水タンク
５４ 尿素水
６６ サクションポート

Claims (3)

1. エンジンの排気通路に介装され、アンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを選択還元するアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒と、
   尿素水を貯留し、貯留している尿素水を流出させるためのサクションポートを側壁に有する尿素水タンクと、
   駆動用ソレノイドが組み込まれて上記排気通路に設けられ、上記尿素水タンクのサクションポートから供給された尿素水の一部を、上記アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒の上流側の排気中に噴射すると共に、上記尿素水の残部を上記尿素水タンクに戻す尿素水インジェクタとを備え、
   上記尿素水タンクは、上記サクションポートによって排出可能な尿素水の最低水位が、上記尿素水タンク内の尿素水の温度を所定温度以下に保つために必要な尿素水の残留量を確保する水位となるよう、上記サクションポートの位置が定められていることを特徴とする排気浄化装置。
2. 上記所定温度は、上記尿素水タンク内での尿素水からのアンモニアの生成を抑制可能な温度であることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
3. 上記所定温度は７０℃であることを特徴とする請求項２に記載の排気浄化装置。

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