JP2019163712A - 排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】尿素水フィルタによって捕集した異物が尿素水タンク内に戻る尿素水に混入するのを抑える。【解決手段】排気ガス浄化装置１４は、尿素選択還元触媒２１、尿素水噴射弁２４、尿素水タンク２５、尿素水管路２６、尿素水供給装置３０、尿素水フィルタ３４を備える。尿素水フィルタ３４は、フィルタケース３５とフィルタエレメント３６とを有し、尿素水管路２６は、タンク側尿素水管路２７と噴射弁側尿素水管路２８とを有している。タンク側尿素水管路２７の他端側には、尿素水をフィルタエレメント３６を通して噴射弁側尿素水管路２８へと流通させるタンク側供給管路３７と、噴射弁側尿素水管路２８からフィルタケース３５に戻された尿素水をフィルタエレメント３６を通さずに尿素水タンク２５に戻すタンク側戻し管路３９とが設けられている。【選択図】図４

Description

本発明は、例えば油圧ショベル等の建設機械に搭載され、エンジンから排出される排気ガス中の有害物質を除去する排気ガス浄化装置に関する。

一般に、油圧ショベル等の建設機械には、エンジン（内燃機関）から排出される排気ガスに含まれる有害物質を除去するための排気ガス浄化装置が搭載されている。この種の排気ガス浄化装置に用いられる尿素ＳＣＲシステムは、エンジンの排気管に接続され排気ガス中の窒素酸化物を除去する尿素選択還元触媒と、還元剤である尿素水を尿素選択還元触媒の上流側に噴射する尿素水噴射弁と、尿素水噴射弁に供給される尿素水を貯える尿素水タンクと、尿素水タンクと尿素水噴射弁との間を接続する尿素水管路と、尿素水管路の途中に設けられ尿素水タンクから尿素水噴射弁に向けて尿素水を供給する尿素水供給装置とを備えている。

尿素水タンク内に蓄えられる尿素水は、定期的に補充する必要がある。尿素水の補充作業は、尿素水タンクのキャップを外した状態で行われるため、尿素水に異物（コンタミネーション）が混入することがある。尿素水に混入した異物は、尿素水供給装置や尿素水噴射弁の内部に侵入付着することにより、尿素水噴射弁に対する尿素水の供給や、尿素水噴射弁からの適正な尿素水の噴射を阻害する虞がある。

これに対し、尿素水タンクと尿素水噴射弁との間を接続する尿素水管路の途中に尿素水フィルタを設け、この尿素水フィルタによって尿素水に混入した異物を捕集することが知られている（特許文献１参照）。

ところで、尿素水は−１１℃以下で凍結するため、尿素ＳＣＲシステムが搭載された油圧ショベルを寒冷地で使用する場合には、尿素水噴射弁、尿素水供給装置、尿素水管路等に残留した尿素水が凍結することにより、尿素ＳＣＲシステムが適正に機能しなくなる不具合がある。また、例えばエンジンからの熱によって尿素水噴射弁が高温になると、エンジンが停止した後に尿素水噴射弁に残留した尿素水中の水分が蒸発する。このため、尿素が結晶化して析出して尿素水噴射弁に付着することにより、尿素水噴射弁から尿素水を噴射することができなくなる虞がある。

このため、尿素ＳＣＲシステムには、一般に、尿素水供給装置を構成する尿素水ポンプとして、正，逆方向の２方向に回転動作することができる尿素水ポンプが適用されている。尿素水ＳＣＲシステムは、エンジンの作動時には、例えば尿素水ポンプを正方向に回転させることにより、尿素水タンク内の尿素水を尿素水噴射弁に供給し、尿素水噴射弁から尿素選択還元触媒の上流側に尿素水を噴射する動作（以下、尿素水供給動作という）を行う。一方、尿素水ＳＣＲシステムは、エンジンが停止した後に尿素水噴射弁、尿素水管路、尿素水供給装置等に残留した尿素水が凍結するのを防止するため、尿素水ポンプを逆方向に回転させることにより、尿素水タンク内に尿素水を戻す動作（以下、アフターラン動作という）を行う。

特開２０１０−１９６５２２号公報

ところで、尿素水に混入した異物は、尿素水を尿素水噴射弁に供給するときに尿素水フィルタによって捕集される。しかし、エンジン停止後に、尿素水噴射弁等に残った尿素水を尿素水タンクに戻すときには、尿素水が尿素水フィルタを逆流する。このため、尿素水フィルタに捕集された異物が尿素水フィルタ離脱し、この異物が尿素水タンク内に戻る尿素水に再び混入してしまうという問題がある。

本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、尿素水が尿素水タンクに戻されるときに、尿素水フィルタによって捕集した異物が尿素水タンク内に戻る尿素水に再び混入するのを抑えることができる排気ガス処理装置を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明は、エンジンの排気管に接続され排気ガス中の窒素酸化物を除去する尿素選択還元触媒と、還元剤である尿素水を前記尿素選択還元触媒の上流側に噴射する尿素水噴射弁と、前記尿素水噴射弁に供給される尿素水を貯える尿素水タンクと、前記尿素水タンクと前記尿素水噴射弁との間を接続する尿素水管路と、前記尿素水管路の途中に設けられ前記尿素水タンクから前記尿素水噴射弁に向けて尿素水を供給する尿素水供給装置と、前記尿素水タンクと前記尿素水供給装置との間に位置して前記尿素水管路の途中に設けられ尿素水に混入した異物を捕集する尿素水フィルタとを備えてなる排気ガス浄化装置に適用される。

本発明の特徴は、前記尿素水フィルタは、内部に尿素水を貯留する容器からなるフィルタケースと、前記フィルタケース内に設けられ尿素水に混入した異物を捕集するフィルタエレメントとを有し、前記尿素水管路は、一端が前記尿素水タンクに接続され他端が前記尿素水フィルタに接続されたタンク側尿素水管路と、一端が前記尿素水フィルタに接続され他端が前記尿素水噴射弁に接続された噴射弁側尿素水管路とを有し、前記タンク側尿素水管路の他端側には、前記フィルタケース内に開口し尿素水を前記フィルタエレメントを通して前記噴射弁側尿素水管路へと流通させるタンク側供給管路と、前記フィルタケース内に開口し前記噴射弁側尿素水管路から前記フィルタケースに戻された尿素水を前記フィルタエレメントを通さずに前記尿素水タンクに戻すタンク側戻し管路とが設けられていることにある。

本発明によれば、尿素水を尿素水噴射弁に供給する場合には、尿素水は、タンク側供給管路から尿素水フィルタのフィルタケースに流入し、フィルタエレメントを通過して噴射弁側尿素水管路へと流通する。これにより、尿素水に混入した異物をフィルタエレメントによって捕集することができる。一方、尿素水噴射弁、尿素水供給装置等の内部の尿素水を尿素水タンクに戻す場合には、尿素水は、噴射弁側尿素水管路を通じて尿素水フィルタのフィルタケース内に流入した後、フィルタエレメントを通過することなくタンク側戻し管路を通じて尿素水タンクに戻される。従って、フィルタエレメントによって捕集した異物が、尿素水タンク内に戻る尿素水に再び混入してしまうのを抑えることができる。

本発明の第１の実施の形態による排気ガス浄化装置が搭載された油圧ショベルを示す正面図である。 上部旋回体をキャブ、建屋カバー等を省略した状態で示す平面図である。 尿素ＳＣＲシステムを概略的に示す構成図である。 図３中の尿素水フィルタ、噴射弁側尿素水管路、タンク側尿素水管路、タンク側供給管路、タンク側戻し管路、第１，第２のチェック弁を示す縦断面図である。 フィルタケース、フィルタエレメント、噴射弁側尿素水管路、タンク側供給管路、タンク側戻し管路を図４中の矢示Ｖ−Ｖ方向からみた横断面図である。 尿素水タンクに戻される尿素水が、タンク側戻し管路を流通する状態を示す図４と同様位置の縦断面図である。 第２の実施の形態による尿素水フィルタ、噴射弁側尿素水管路、タンク側尿素水管路、タンク側供給管路、タンク側戻し管路、方向制御弁を示す縦断面図である。 尿素水タンクに戻される尿素水が、タンク側戻し管路を流通する状態を示す図７と同様な縦断面図である。

以下、本発明の実施の形態に係る排気ガス浄化装置を、クローラ式の油圧ショベルに適用した場合を例に挙げ、添付図面に従って詳細に説明する。

図１ないし図６は本発明の第１の実施の形態を示している。油圧ショベル１は、自走可能なクローラ式の下部走行体２と、下部走行体２上に旋回可能に搭載された上部旋回体３と、上部旋回体３の前側に俯仰動可能に設けられ土砂の掘削作業等を行う作業装置４とにより構成されている。

上部旋回体３は、支持構造体をなす旋回フレーム５と、該旋回フレーム５の後側に設けられ、作業装置４との重量バランスをとるカウンタウエイト６と、旋回フレーム５の前部左側に設けられオペレータが搭乗するキャブ７と、カウンタウエイト６の前側に設けられ、内部に後述のエンジン９、排気ガス浄化装置１４等を収容する建屋カバー８とを含んで構成されている。

エンジン９は、カウンタウエイト６の前側に位置して旋回フレーム５上に左，右方向に延びる横置き状態で設けられている。このエンジン９の左側には、後述する熱交換器１１に冷却風を供給するための冷却ファン９Ａが設けられている。一方、エンジン９の右側には油圧ポンプ（図示せず）が設けられ、この油圧ポンプは、エンジン９によって駆動されることにより、後述の作動油タンク１２から供給される作動油を圧油として、油圧ショベル１に搭載された油圧アクチュエータに吐出するものである。

ここで、エンジン９には、排気ガスを外部に排出するための排気管１０が接続されている。この排気管１０は、エンジン９の前側を左，右方向に延びる金属製の管路として形成され、エンジン９から排出された高温の排気ガスを後述する第１の排気ガス後処理装置１５へと導くものである。

熱交換器１１は、エンジン９の左側に配設されている。この熱交換器１１は、エンジン９の冷却ファン９Ａに対面して設けられている。熱交換器１１は、例えばエンジン９のウォータジャケット内を流通して加温された冷却水を冷却するラジエータ、作動油を冷却するオイルクーラ、エンジン９が吸込む空気を冷却するインタクーラ等により構成されている。

作動油タンク１２は、油圧ポンプの前側に位置して旋回フレーム５の右側に設けられている。この作動油タンク１２は、下部走行体２、作業装置４等に設けられたアクチュエータを駆動するための作動油を貯えるものである。一方、燃料タンク１３は、作動油タンク１２の前側に位置して旋回フレーム５に設けられている。燃料タンク１３は、エンジン９の供給される燃料を貯えるものである。

排気ガス浄化装置１４は、エンジン９の右側に配置された浄化装置取付架台（図示せず）に取付けられている。排気ガス浄化装置１４は、エンジン９の排気管１０に接続され、エンジン９から排出される排気ガス中の有害物質を除去するものである。また、排気ガス浄化装置１４は、排気ガスの騒音を低減するための消音機構を備えている。図３に示すように、排気ガス浄化装置１４は、後述する第１の排気ガス後処理装置１５、接続管１８、第２の排気ガス後処理装置１９を含んで構成されている。

第１の排気ガス後処理装置１５は、排気管１０の出口側に接続されている。第１の排気ガス後処理装置１５は、前，後方向に延びる円筒状の筒体１６と、筒体１６内に設けられた酸化触媒１７とを含んで構成されている。ここで、筒体１６は、両端が閉塞された密閉容器として形成され、排気ガスの流れ方向の上流側となる前側部位には、排気管１０が接続されている。

筒体１６内に配置された酸化触媒１７は、例えばセラミックス製のセル状筒体からなり、その軸方向に多数の貫通孔が形成され、内面に貴金属がコーティングされている。酸化触媒１７は、所定の温度下で各貫通孔に排気ガスを流通させることにより、排気ガス中に含まれる一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）等を酸化して除去するものである。また、酸化触媒１７は、必要に応じて粒子状物質（ＰＭ）を燃焼除去するものである。

接続管１８は、第１の排気ガス後処理装置１５と第２の排気ガス後処理装置１９との間を接続するものである。接続管１８は、第１の排気ガス後処理装置１５を構成する筒体１６と平行して前，後方向に延びる円筒状の筒部１８Ａと、筒部１８Ａの上流側となる入口側の端縁を閉塞する上流蓋部１８Ｂと、筒部１８Ａの下流側となる出口側の端縁を閉塞する下流蓋部１８Ｃとにより構成されている。上流蓋部１８Ｂには、後述の尿素水噴射弁２４が取付けられている。

第２の排気ガス後処理装置１９は、第１の排気ガス後処理装置１５の右上方に配置されている。第２の排気ガス後処理装置１９は、接続管１８の出口側に接続され、第１の排気ガス後処理装置１５と平行して前，後方向に延びる円筒状の筒体２０と、筒体２０内に設けられた尿素選択還元触媒２１と、尿素選択還元触媒２１の下流側に配置された酸化触媒２２とにより構成されている。

尿素選択還元触媒２１は、後述する尿素ＳＣＲシステム２３の一部を構成するもので、排気ガス中の窒素酸化物を除去するものである。尿素選択還元触媒２１は、例えばセラミックス製のセル状筒体からなり、軸方向に多数の貫通孔が形成され、内面に貴金属がコーティングされている。尿素選択還元触媒２１は、エンジン９から排出された排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を、尿素水溶液（尿素水）から生成されたアンモニアによって選択的に還元反応させ、窒素と水に分解する。

酸化触媒２２は、尿素選択還元触媒２１よりも排気ガスの流れ方向の下流側に設けられている。この酸化触媒２２は、前述した第１の排気ガス後処理装置１５の酸化触媒１７とほぼ同様に、セラミックス製のセル状筒体からなり、その軸方向には多数の貫通孔が形成され、内面に貴金属がコーティングされている。第２の排気ガス後処理装置１９の酸化触媒２２は、尿素選択還元触媒２１で窒素酸化物を還元した後に残った残留アンモニアを酸化し、窒素と水に分離するものである。

ここで、第２の排気ガス後処理装置１９に設けられた尿素選択還元触媒２１は、尿素ＳＣＲシステム２３の一部を構成するもので、以下、この尿素ＳＣＲシステム２３について説明する。

尿素ＳＣＲシステム２３は、排気管１０内を流れる排気ガスに向けて尿素水を噴射し、排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）をアンモニアによって選択的に還元反応させて窒素と水に分解することにより、排気ガスを浄化するものである。尿素ＳＣＲシステム２３は、図３に示すように、尿素選択還元触媒２１と、後述の尿素水噴射弁２４と、尿素水タンク２５と、尿素水管路２６と、尿素水供給装置３０と、尿素水フィルタ３４とを含んで構成されている。

尿素水噴射弁２４は、例えば接続管１８の上流蓋部１８Ｂに取付けられている、尿素水噴射弁２４は、接続管１８内を流通する排気ガスに向けて還元剤である尿素水（尿素水溶液）を、尿素選択還元触媒２１よりも上流側に噴射するものである。尿素水噴射弁２４は、尿素水管路２６を介して尿素水タンク２５に接続されている。

尿素水タンク２５は、例えば旋回フレーム５に設けられている。尿素水タンク２５は、尿素水噴射弁２４に供給される尿素水を貯えるものである。尿素水タンク２５には、尿素水を給水するための給水口（図示せず）が設けられており、この給水口を通じて尿素水タンク２５内に尿素水が給水される構成となっている。

尿素水管路２６は、尿素水タンク２５と尿素水噴射弁２４との間を接続している。尿素水管路２６の途中には尿素水供給装置３０が設けられ、尿素水供給装置３０を作動させることにより、尿素水タンク２５内に貯えられた尿素水は、尿素水管路２６を通じて尿素水噴射弁２４に供給される。ここで、尿素水管路２６は、尿素水タンク２５と尿素水フィルタ３４との間を接続するタンク側尿素水管路２７と、尿素水フィルタ３４と尿素水噴射弁２４との間を接続する噴射弁側尿素水管路２８とにより構成されている。

タンク側尿素水管路２７は、一端２７Ａが尿素水タンク２５に接続され、他端が尿素水フィルタ３４に接続されている。この場合、タンク側尿素水管路２７の他端側は、後述するタンク側供給管路３７とタンク側戻し管路３９との二股状に分岐し、これらタンク側供給管路３７とタンク側戻し管路３９とは、互いに異なる位置で尿素水フィルタ３４に接続されている。

噴射弁側尿素水管路２８は、一端２８Ａが尿素水フィルタ３４に接続され、他端２８Ｂが尿素水噴射弁２４に接続されている。また、噴射弁側尿素水管路２８の途中部位には、尿素水戻り管路２９の一端２９Ａが接続され、尿素水戻り管路２９の他端２９Ｂは尿素水タンク２５に接続されている。尿素水戻り管路２９は、尿素水噴射弁２４に向けて供給される尿素水のうちの余剰分を尿素水タンク２５に戻すものである。

尿素水供給装置３０は、尿素水管路２６を構成する噴射弁側尿素水管路２８の途中に設けられている。尿素水供給装置３０は、尿素水タンク２５から尿素水噴射弁２４に向けて尿素水を供給するものである。尿素水供給装置３０は、尿素水ポンプ３１と、尿素水ポンプ３１と尿素水噴射弁２４との間に位置して噴射弁側尿素水管路２８の途中に設けられ、噴射弁側尿素水管路２８内の圧力を検出する圧力センサ３２と、尿素水戻り管路２９の途中に設けられ噴射弁側尿素水管路２８内の圧力を調整する絞り３３とを有している。尿素水戻り管路２９の一端２９Ａは、尿素水ポンプ３１と圧力センサ３２との間の部位で噴射弁側尿素水管路２８に接続されている。

尿素水ポンプ３１は、例えば正方向と逆方向の両方向に回転可能なポンプを用いて構成されている。油圧ショベル１の運転時にエンジン９から排出される排気ガスを浄化するため、尿素ＳＣＲシステム２３が尿素水供給動作を行うときには、尿素水ポンプ３１が正方向に回転することにより、尿素水タンク２５内の尿素水は、尿素水管路２６を通じて尿素水噴射弁２４に供給される。一方、エンジン９が停止した後に尿素水噴射弁２４、尿素水管路２６、尿素水供給装置３０等に残留した尿素水が凍結するのを防止するため、尿素ＳＣＲシステム２３がアフターラン動作を行うときには、尿素水ポンプ３１が逆方向に回転することにより、尿素水噴射弁２４、尿素水管路２６、尿素水供給装置３０等に残留した尿素水が、尿素水タンク２５内に戻される構成となっている。

次に、第１の実施の形態に用いられる尿素水フィルタ３４、タンク側供給管路３７およびタンク側戻し管路３９について説明する。

尿素水フィルタ３４は、尿素水供給装置３０の尿素水ポンプ３１と尿素水タンク２５との間に位置して尿素水管路２６の途中に設けられている。即ち、尿素水フィルタ３４には、タンク側尿素水管路２７の他端と噴射弁側尿素水管路２８の一端２８Ａが接続され、尿素水フィルタ３４は、尿素水タンク２５内の尿素水が尿素水管路２６を通じて尿素水噴射弁２４に供給されるときに、尿素水に混入した異物を捕集するものである。

尿素水フィルタ３４は、例えば図４および図５に示すように、内部に尿素水を貯留する円筒状の容器からなるフィルタケース３５と、フィルタケース３５内に設けられた筒状のフィルタエレメント（濾材）３６とを備えている。フィルタケース３５は、円筒状の周壁板３５Ａと、周壁板３５Ａの上端を閉塞する上面板３５Ｂと、周壁板３５Ａの下端を閉塞する底面板３５Ｃとによって囲まれた円筒体として形成されている。フィルタエレメント３６の上，下方向の両端はフィルタケース３５内に固定されている。フィルタエレメント３６は、尿素水のみが通過し、尿素水に混入した異物（コンタミネーション）は通過することができない微細な網目を有している。さらに、フィルタエレメント３６の外周側には、鋸歯状の凹凸部が全周に亘って形成され、表面積（濾過面積）を増大させることによって多くの異物を捕集することができるようになっている。

フィルタケース３５の内部のうちフィルタエレメント３６の内側には、噴射弁側尿素水管路２８の一端２８Ａが開口すると共に、後述するタンク側戻し管路３９の他端３９Ｂが開口している。一方、フィルタケース３５の内部のうちフィルタエレメント３６の外側には、後述するタンク側供給管路３７の他端３７Ｂが開口している。

タンク側供給管路３７は、尿素水管路２６を構成するタンク側尿素水管路２７の他端側に、後述のタンク側戻し管路３９と共に設けられている。即ち、タンク側供給管路３７とタンク側戻し管路３９とは、タンク側尿素水管路２７の他端側に互いに並列に設けられている。タンク側供給管路３７の一端３７Ａは、タンク側尿素水管路２７に接続され、タンク側供給管路３７の他端３７Ｂは、フィルタケース３５の内部のうちフィルタエレメント３６の外側に開口している。

第１のチェック弁３８は、タンク側供給管路３７の途中に設けられている。第１のチェック弁３８は、図４中の矢印Ａで示すように、尿素水タンク２５から尿素水フィルタ３４のフィルタエレメント３６を通って尿素水噴射弁２４に向かう尿素水の流れのみを許し、逆向きの流れを阻止する。従って、尿素ＳＣＲシステム２３が尿素水供給動作を行う場合には、水尿素水タンク２５からの尿素水は、タンク側尿素水管路２７からタンク側供給管路３７を通じてフィルタエレメント３６の外側に流入し、フィルタエレメント３６を通過して噴射弁側尿素水管路２８へと流通する。これにより、尿素水に混入した異物を、フィルタエレメント３６によって捕集することができる。

タンク側戻し管路３９は、尿素水管路２６を構成するタンク側尿素水管路２７の他端側に、タンク側供給管路３７に対して並列に設けられている。タンク側戻し管路３９の一端３９Ａは、タンク側供給管路３７の一端３７Ａと共にタンク側尿素水管路２７に接続され、タンク側戻し管路３９の他端３９Ｂは、フィルタケース３５の内部のうちフィルタエレメント３６の内側に開口している。即ち、フィルタエレメント３６の内側には、噴射弁側尿素水管路２８の一端２８Ａと、タンク側戻し管路３９の他端３９Ｂとが一緒に開口している。

第２のチェック弁４０は、タンク側戻し管路３９の途中に設けられている。第２のチェック弁４０は、図６中の矢印Ｂで示すように、尿素水噴射弁２４から噴射弁側尿素水管路２８、タンク側戻し管路３９、タンク側尿素水管路２７等を通って尿素水タンク２５に向かう尿素水の流れのみを許し、逆向きの流れを阻止する。従って、尿素ＳＣＲシステム２３がアフターラン動作を行う場合には、尿素水噴射弁２４から尿素水タンク２５へと戻る尿素水は、噴射弁側尿素水管路２８を通じてフィルタエレメント３６の内側に流入し、フィルタエレメント３６を通過することなくタンク側戻し管路３９を通じてタンク側尿素水管路２７へと流通する。これにより、尿素水噴射弁２４から尿素水タンク２５に戻る尿素水によって、フィルタエレメント３６から異物が離脱するのを抑え、尿素水に再び異物が混入するのを抑えることができる。

ここで、タンク側戻し管路３９の他端３９Ｂは、フィルタケース３５の上面板３５Ｂから下向きに突出した位置に開口している。この場合、図４に示すように、フィルタケース３５の上面板３５Ｂから底面板３５Ｃまでの高さ寸法をＨとし、フィルタケース３５の上面板３５Ｂからタンク側戻し管路３９の他端３９Ｂまでの長さ（タンク側戻し管路３９の突出長さ）をＬとすると、タンク側戻し管路３９の突出長さＬは、２／５Ｈ以上に設定されている（Ｌ≧２／５Ｈ）。

尿素ＳＣＲシステム２３がアフターラン動作を行うときには、フィルタケース３５内の尿素水は、タンク側戻し管路３９を通じて尿素水タンク２５に還流する。このため、アフターラン動作後にフィルタケース３５内に残留する尿素水の液面位置は、タンク側戻し管路３９の他端３９Ｂの位置となる。一般に、フィルタケース３５内で尿素水が凍結した場合、この凍結尿素水は、凍結前の尿素水の液面からフィルタケース３５の高さ寸法Ｈに対して約４０％（２／５Ｈ）上昇するように膨張することが知られている。

これに対し、フィルタケース３５の上面板３５Ｂから底面板３５Ｃまでの高さ寸法Ｈに対し、タンク側戻し管路３９の突出長さＬを２／５Ｈ以上に設定することにより、アフターラン動作後にフィルタケース３５内に残留する尿素水の液面位置を、フィルタケース３５の上面板３５Ｂから２／５Ｈ以上低い位置に設定することができる。従って、アフターラン動作後にフィルタケース３５内に残留した尿素水が凍結したとしても、容積が膨張した凍結尿素水によってフィルタエレメント３６、フィルタケース３５等が破損するのを抑えることができ、尿素水フィルタ３４の信頼性を高めることができる。

第１の実施の形態による排気ガス浄化装置１４は上述の如き構成を有するもので、この排気ガス浄化装置１４を搭載した油圧ショベル１を用いて作業を行うときには、オペレータは、キャブ７に搭乗してエンジン９を作動させる。そして、オペレータは、キャブ７内に配置された走行用の操作レバー（図示せず）を操作することにより、油圧ショベル１を走行させることができ、作業用の操作レバー（図示せず）を操作することにより、作業装置４を用いて土砂の掘削作業等を行うことができる。

油圧ショベル１の作業時に、エンジン９から排出される排気ガスは、排気管１０を介して排気ガス浄化装置１４の第１の排気ガス後処理装置１５内に導入される。そして、図３に矢印で示すように、排気ガスは、第１の排気ガス後処理装置１５から接続管１８、第２の排気ガス後処理装置１９を通過した後、大気中に排出される。

この場合、第１の排気ガス後処理装置１５は、酸化触媒１７によって排気ガスに含まれる一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）等を酸化して除去し、必要に応じて粒子状物質（ＰＭ）を燃焼して除去する。一方、接続管１８内では、尿素水噴射弁２４から排気ガスに向けて尿素水が噴射され、第２の排気ガス後処理装置１９は、尿素選択還元触媒２１によって窒素酸化物を窒素と水に分解する。さらに、酸化触媒２２が残留アンモニアを酸化し、窒素と水に分離する。このようにして、エンジン９からの排気ガスは、排気ガス浄化装置１４によって十分に浄化された後、大気中に排出される。

次に、排気ガス浄化装置１４を構成する尿素ＳＣＲシステム２３の動作について説明する。

まず、尿素ＳＣＲシステム２３は、尿素水噴射弁２４、尿素水管路２６、尿素水供給装置３０に残留した尿素水が凍結するのを防止するため、油圧ショベル１のエンジン９が停止した後にアフターラン動作を行う。これにより、尿素水噴射弁２４、尿素水管路２６、尿素水供給装置３０に残留した尿素水は、尿素水タンク２５内に戻されている。このため、エンジン９を始動した後には、尿素ＳＣＲシステム２３は、尿素水タンク２５内の尿素水を尿素水噴射弁２４に供給すると共に、尿素水噴射弁２４から噴射される尿素水の圧力（噴射圧）が既定の噴射圧になるように尿素水ポンプ３１の吐出圧を上昇させる制御（以下、スタートアップ動作）を行う。

スタートアップ動作を行うときには、例えば第２の排気ガス後処理装置１９の筒体２０内を流れる排気ガスの温度が、尿素選択還元触媒２１が活性化する温度以上に達すると、尿素ＳＣＲシステム２３は、尿素水噴射弁２４を開弁（開放）させた状態で、尿素水ポンプ３１を正方向に回転させる。これにより、尿素水管路２６内および尿素水供給装置３０内の空気は、尿素水噴射弁２４を通じて排気ガス浄化装置１４内に排出されると共に、尿素水戻り管路２９を通じて尿素水タンク２５の気層部に排出される。

そして、尿素水タンク２５内の尿素水が、尿素水供給装置３０の絞り３３および尿素水噴射弁２４に達すると、絞り３３を通過するときの圧損等によって尿素水ポンプ３１の吐出圧が上昇する。この尿素水ポンプ３１の吐出圧が所定の閾値に達すると、尿素ＳＣＲシステム２３は尿素水噴射弁２４を閉弁させる。これにより、尿素水ポンプ３１の吐出圧がさらに上昇し、この尿素水ポンプ３１の吐出圧が尿素水の噴射に適した規定値（第２の閾値）に達すると、スタートアップ動作が成功したと判定する。これにより、尿素ＳＣＲシステム２３は、尿素水ポンプ３１の吐出圧を一定に保つ制御を開始し、尿素水噴射弁２４から尿素選択還元触媒２１の上流側に向けて尿素水を噴射する尿素水供給動作が行われる。

一方、尿素水ポンプ３１の吐出圧が所定の閾値に達した後、一定時間内に尿素水ポンプ３１の吐出圧が規定値（第２の閾値）に達しない場合には、尿素ＳＣＲシステム２３は、尿素水ポンプ３１を逆方向に回転させる。そして、尿素水管路２６および尿素水供給装置３０内の尿素水が、尿素水管路２６を通じて尿素水タンク２５内に排出された後に、再度、尿素水ポンプ３１を正方向に回転させることにより、尿素水を尿素水噴射弁２４に供給する。この制御を複数回繰返す間に、尿素水ポンプ３１の吐出圧が規定値（第２の閾値）に達しない場合には、スタートアップ動作が失敗したと判定し、尿素ＳＣＲシステム２３は停止される。

尿素ＳＣＲシステム２３は、スタートアップ動作が成功した後には、油圧ショベル１の運転時にエンジン９から排出される排気ガスを浄化するため、尿素水供給動作に移行する。この尿素水供給動作においては、尿素水ポンプ３１が正方向に回転することにより、尿素水タンク２５内の尿素水は、タンク側尿素水管路２７、尿素水フィルタ３４、噴射弁側尿素水管路２８等を通じて尿素水噴射弁２４に供給され、尿素水噴射弁２４から尿素選択還元触媒２１の上流側（接続管１８内）に尿素水が噴射される。

この場合、尿素水は、図４中の矢印Ａで示すように、タンク側尿素水管路２７からタンク側供給管路３７を通じて尿素水フィルタ３４のフィルタケース３５内に流入するが、タンク側供給管路３７の他端３７Ｂは、フィルタエレメント３６の外側に開口している。従って、尿素水は、タンク側供給管路３７の他端３７Ｂから噴射弁側尿素水管路２８の一端２８Ａへと流通する間に、フィルタエレメント３６を外側から内側へと通過する。この結果、尿素ＳＣＲシステム２３が尿素水供給動作を行うときには、尿素水に混入した異物をフィルタエレメント３６によって確実に捕集することができる。

次に、油圧ショベル１を用いた作業が終了し、エンジン９を停止した後には、尿素水噴射弁２４、尿素水管路２６、尿素水供給装置３０に残留した尿素水が凍結するのを防止するため、尿素ＳＣＲシステム２３は、尿素水タンク２５内に尿素水を戻すアフターラン動作を行う。

このアフターラン動作では、尿素水ポンプ３１が逆方向に回転することにより、尿素水噴射弁２４、尿素水管路２６、尿素水供給装置３０に残留した尿素水が、噴射弁側尿素水管路２８、尿素水フィルタ３４、タンク側尿素水管路２７等を通じて尿素水タンク２５内に還流する。

ここで、尿素水は、図６中の矢印Ｂで示すように、噴射弁側尿素水管路２８を通じて尿素水フィルタ３４のフィルタケース３５内に流入した後、タンク側戻し管路３９からタンク側尿素水管路２７を通じて尿素水タンク２５内に戻される。この場合、タンク側戻し管路３９の他端３９Ｂは、噴射弁側尿素水管路２８の一端２８Ａと一緒にフィルタエレメント３６の内側に開口している。従って、尿素水は、フィルタエレメント３６を内側から外側へと通過することなく、噴射弁側尿素水管路２８の一端２８Ａからタンク側戻し管路３９の他端３９Ｂに導入される。

この結果、フィルタエレメント３６によって捕集された異物が、尿素水タンク２５内に還流する尿素水に再び混入してしまうのを抑えることができ、清浄な尿素水を尿素水噴射弁２４に供給することができる。

かくして、第１の実施の形態による排気ガス浄化装置１４は、排気ガス中の窒素酸化物を除去する尿素選択還元触媒２１と、還元剤である尿素水を尿素選択還元触媒２１の上流側に噴射する尿素水噴射弁２４と、尿素水噴射弁２４に供給される尿素水を貯える尿素水タンク２５と、尿素水タンク２５と尿素水噴射弁２４との間を接続する尿素水管路２６と、尿素水管路２６の途中に設けられ尿素水タンク２５から尿素水噴射弁２４に向けて尿素水を供給する尿素水供給装置３０と、尿素水タンク２５と尿素水供給装置３０との間に位置して尿素水管路２６の途中に設けられ尿素水に混入した異物を捕集する尿素水フィルタ３４とを備えている。

そして、尿素水フィルタ３４は、内部に尿素水を貯留する容器からなるフィルタケース３５と、フィルタケース３５内に設けられ尿素水に混入した異物を捕集するフィルタエレメント３６とを有し、尿素水管路２６は、一端２７Ａが尿素水タンク２５に接続され他端が尿素水フィルタ３４に接続されたタンク側尿素水管路２７と、一端２８Ａが尿素水フィルタ３４に接続され他端２８Ｂが尿素水噴射弁２４に接続された噴射弁側尿素水管路２８とを有し、タンク側尿素水管路２７の他端側には、フィルタケース３５内に開口し尿素水をフィルタエレメント３６を通して噴射弁側尿素水管路２８へと流通させるタンク側供給管路３７と、フィルタケース３５内に下向きに突出した位置で開口し噴射弁側尿素水管路２８からフィルタケース３５に戻された尿素水をフィルタエレメント３６を通さずに尿素水タンク２５に戻すタンク側戻し管路３９とが設けられている。

従って、尿素水を尿素水噴射弁２４に供給する場合には、尿素水は、タンク側供給管路３７からフィルタケース３５に流入し、フィルタエレメント３６を外側から内側に通過して噴射弁側尿素水管路２８へと流通する。これにより、尿素水に混入した異物をフィルタエレメント３６によって捕集することができる。一方、尿素水噴射弁２４、尿素水管路２６、尿素水供給装置３０等に残留した尿素水を尿素水タンク２５に戻す場合には、尿素水は、噴射弁側尿素水管路２８を通じてフィルタケース３５内に流入した後、フィルタエレメント３６を内側から外側に通過することなくタンク側戻し管路３９を通じて尿素水タンク２５に戻される。従って、フィルタエレメント３６によって捕集した異物が、尿素水タンク２５内に戻る尿素水に再び混入するのを抑えることができる。この結果、尿素水噴射弁２４に常に清浄な尿素水を供給することができ、尿素ＳＣＲシステム２３を含む排気ガス浄化装置１４の信頼性を高めることができる。

第１の実施の形態によれば、タンク側供給管路３７の途中には、尿素水タンク２５から尿素水噴射弁２４に向かう尿素水の流れのみを許す第１のチェック弁３８が設けられ、タンク側戻し管路３９の途中には、尿素水噴射弁２４から尿素水タンク２５に向かう尿素水の流れのみを許す第２のチェック弁４０が設けられている。これにより、尿素水タンク２５から尿素水噴射弁２４に向かう尿素水が、タンク側戻し管路３９を通じて噴射弁側尿素水管路２８に流入するのを抑えることができる。この結果、尿素水に混入した異物がフィルタエレメント３６によって捕集されずに尿素水噴射弁２４まで運ばれるのを抑えることができる。また、尿素水噴射弁２４から尿素水タンク２５に戻される尿素水が、噴射弁側尿素水管路２８からフィルタエレメント３６を通過してタンク側供給管路３７に流入するのを抑えることができる。この結果、フィルタエレメント３６によって捕集した異物が、尿素水タンク２５に戻される尿素水に再び混入するのを抑えることができる。

さらに、第１の実施の形態によれば、フィルタケース３５の上面板３５Ｂから底面板３５Ｃまでの高さ寸法をＨとし、フィルタケース３５の上面板３５Ｂからのタンク側戻し管路３９の突出長さをＬとすると、タンク側戻し管路３９の突出長さＬは、２／５Ｈ以上に設定されている。

これにより、尿素ＳＣＲシステム２３がアフターラン動作を行った後に、フィルタケース３５内に残留する尿素水の液面位置を、フィルタケース３５の上面板３５Ｂから２／５Ｈ以上低い位置に設定することができる。従って、フィルタケース３５内で尿素水が凍結し、この凍結尿素水が、フィルタケース３５の高さ寸法Ｈに対して約４０％（２／５Ｈ）上昇するように膨張したとしても、この凍結尿素水によってフィルタエレメント３６、フィルタケース３５等が破損するのを抑えることができ、尿素水フィルタ３４の信頼性を高めることができる。

次に、図７および図８は本発明の第２の実施の形態を示している。第２の実施の形態の特徴は、タンク側尿素水管路とタンク側供給管路およびタンク側戻し管路との間に、タンク側供給管路およびタンク側戻し管路のうちいずれか一方を選択的にタンク側尿素水管路に接続する方向制御弁が設けられていることにある。なお、第２の実施の形態では、第１の実施の形態と同一の構成要素に同一符号を付し、その説明を省略するものとする。

図中、方向制御弁４１は、タンク側尿素水管路２７とタンク側供給管路３７およびタンク側戻し管路３９との間に設けられている。即ち、方向制御弁４１は、タンク側尿素水管路２７とタンク側供給管路３７とタンク側戻し管路３９との合流部に設けられている。方向制御弁４１は、例えば３ポート２位置の電磁弁からなり、電磁パイロット部４１Ａに供給される信号に応じて供給位置（ａ）と戻し位置（ｂ）とに切換えられるものである。

尿素ＳＣＲシステム２３が尿素水供給動作を行うときには、方向制御弁４１は、図７に示す供給位置（ａ）に切換られ、タンク側供給管路３７がタンク側尿素水管路２７に接続される。これにより、図７中の矢印Ａで示すように、水尿素水タンク２５からの尿素水は、タンク側尿素水管路２７からタンク側供給管路３７を通じてフィルタケース３５のうちフィルタエレメント３６の外側に流入し、フィルタエレメント３６を通過して噴射弁側尿素水管路２８へと流通する。これにより、尿素水に混入した異物を、フィルタエレメント３６によって捕集することができる。

一方、尿素ＳＣＲシステム２３がアフターラン動作を行う場合には、方向制御弁４１は、図８に示す戻し位置（ｂ）に切換られ、タンク側戻し管路３９がタンク側尿素水管路２７に接続される。これにより、図８中の矢印Ｂで示すように、尿素水噴射弁２４から尿素水タンク２５へと戻る尿素水は、噴射弁側尿素水管路２８を通じてフィルタケース３５のうちフィルタエレメント３６の内側に流入し、フィルタエレメント３６を通過することなくタンク側戻し管路３９を通じてタンク側尿素水管路２７へと流通する。これにより、尿素水噴射弁２４から尿素水タンク２５に戻る尿素水によって、フィルタエレメント３６から異物が離脱するのを抑え、尿素水に再び異物が混入するのを抑えることができる。

第２の実施の形態による排気ガス浄化装置は、上述の如き構成を有するもので、その基本的作動については、第１の実施の形態と格別差異はない。

即ち、第２の実施の形態は、タンク側尿素水管路２７とタンク側供給管路３７およびタンク側戻し管路３９との間に、タンク側供給管路３７およびタンク側戻し管路３９のうち一方を選択的にタンク側尿素水管路２７に接続する方向制御弁４１を設ける構成としている。

この構成によれば、尿素水を尿素水噴射弁２４に供給する場合には、方向制御弁４１が供給位置（ａ）に切換えられることにより、タンク側供給管路３７がタンク側尿素水管路２７に接続される。従って、尿素水タンク２５からの尿素水は、タンク側尿素水管路２７からタンク側供給管路３７を通じてフィルタケース３５に流入し、フィルタエレメント３６を外側から内側に通過して噴射弁側尿素水管路２８へと流通する。これにより、尿素水に混入した異物をフィルタエレメント３６によって捕集することができる。

一方、尿素水噴射弁２４、尿素水管路２６、尿素水供給装置３０等に残留した尿素水を尿素水タンク２５に戻す場合には、方向制御弁４１が戻し位置（ｂ）に切換えられることにより、タンク側戻し管路３９がタンク側尿素水管路２７に接続される。従って、尿素水は、噴射弁側尿素水管路２８を通じてフィルタケース３５内に流入した後、フィルタエレメント３６を通過することなく、タンク側戻し管路３９およびタンク側尿素水管路２７を通じて尿素水タンク２５に戻される。従って、フィルタエレメント３６によって捕集された異物が、尿素水タンク２５内に戻る尿素水に再び混入するのを抑えることができる。

なお、実施の形態では、排気ガス浄化装置１４が搭載される建設機械としてクローラ式の油圧ショベル１を例示している。しかし、本発明はこれに限るものではなく、例えばホイール式の油圧ショベル、ホイールローダ等のエンジンを搭載した建設機械に広く適用することができる。

９ エンジン
１０ 排気管
１４ 排気ガス浄化装置
２１ 尿素選択還元触媒
２４ 尿素水噴射弁
２５ 尿素水タンク
２６ 尿素水管路
２７ タンク側尿素水管路
２７Ａ，２８Ａ 一端
２８ 噴射弁側尿素水管路
２８Ｂ 他端
３０ 尿素水供給装置
３４ 尿素水フィルタ
３５ フィルタケース
３６ フィルタエレメント
３７ タンク側供給管路
３８ 第１のチェック弁
３９ タンク側戻し管路
４０ 第２のチェック弁
４１ 方向制御弁

Claims (3)

1. エンジンの排気管に接続され排気ガス中の窒素酸化物を除去する尿素選択還元触媒と、
   還元剤である尿素水を前記尿素選択還元触媒の上流側に噴射する尿素水噴射弁と、
   前記尿素水噴射弁に供給される尿素水を貯える尿素水タンクと、
   前記尿素水タンクと前記尿素水噴射弁との間を接続する尿素水管路と、
   前記尿素水管路の途中に設けられ前記尿素水タンクから前記尿素水噴射弁に向けて尿素水を供給する尿素水供給装置と、
   前記尿素水タンクと前記尿素水供給装置との間に位置して前記尿素水管路の途中に設けられ尿素水に混入した異物を捕集する尿素水フィルタとを備えてなる排気ガス浄化装置において、
   前記尿素水フィルタは、内部に尿素水を貯留する容器からなるフィルタケースと、前記フィルタケース内に設けられ尿素水に混入した異物を捕集するフィルタエレメントとを有し、
   前記尿素水管路は、一端が前記尿素水タンクに接続され他端が前記尿素水フィルタに接続されたタンク側尿素水管路と、一端が前記尿素水フィルタに接続され他端が前記尿素水噴射弁に接続された噴射弁側尿素水管路とを有し、
   前記タンク側尿素水管路の他端側には、前記フィルタケース内に開口し尿素水を前記フィルタエレメントを通して前記噴射弁側尿素水管路へと流通させるタンク側供給管路と、前記フィルタケース内に開口し前記噴射弁側尿素水管路から前記フィルタケースに戻された尿素水を前記フィルタエレメントを通さずに前記尿素水タンクに戻すタンク側戻し管路とが設けられていることを特徴とする排気ガス浄化装置。
2. 前記タンク側供給管路の途中には、前記尿素水タンクから前記尿素水噴射弁に向かう尿素水の流れのみを許す第１のチェック弁が設けられ、前記タンク側戻し管路の途中には、前記尿素水噴射弁から前記尿素水タンクに向かう尿素水の流れのみを許す第２のチェック弁が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
3. 前記タンク側尿素水管路と前記タンク側供給管路および前記タンク側戻し管路との間には、前記タンク側供給管路および前記タンク側戻し管路のうちいずれか一方を選択的に前記タンク側尿素水管路に接続する方向制御弁が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の排気ガス浄化装置。

Images