JP4087350B2 - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents
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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、タンク内で凍結した液体還元剤を解凍する技術に関する。
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。
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溶液が用いられる。更に、タンクに貯蔵した尿素水溶液が、寒冷期に凍結しないように、タンク内に電気ヒータが設けられている。
特開２０００−２７６２７号公報
しかしながら、このような排気浄化装置では、タンクに貯蔵した尿素水溶液等の液体還元剤を加熱するために、電気ヒータにおいて電力が消費されてしまう。このため、電気ヒータの駆動源であるバッテリ及び発電機の容量を増加させる必要があり、コストの上昇や、設置スペースの増大を招い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、エンジンの燃焼室内へ燃料を直接噴射する燃料噴射装置からの高温の余剰燃料を利用して、タンク内の液体還元剤を間接的に加熱することにより、凍結した液体還元剤を電力を消費せずに解凍できる排気浄化装置を提供することを目的とする。
そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、エンジンの燃焼室内へ燃料を直接噴射する燃料噴射装置からの高温の余剰燃料を利用して、タンク内の液体還元剤を間接的に加熱することにより、凍結した液体還元剤を電力を消費せずに解凍でき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、２枚の隔壁により、内部が直列に並ぶ３つの層に仕切られ、外側に位置する層の一方が燃料を貯蔵する燃料貯蔵部となり、他方が液体還元剤を貯蔵する還元剤貯蔵部となるとともに、中間層が熱媒体を貯蔵する熱媒体貯蔵部となるタンクと、エンジンの排気通路に配設され、前記還元剤貯蔵部に貯蔵される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、前記燃料貯蔵部に貯蔵された燃料を加圧して前記エンジンの燃焼室内に直接噴射する燃料噴射装置からの余剰燃料を、前記熱媒体貯蔵部内を経由して前記燃料貯蔵部に戻す戻り配管と、前記戻り配管の前記熱媒体貯蔵部内に位置する部位に介装され、前記余剰燃料と前記熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器と、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記載の発明は、前記熱媒体貯蔵部の底部に開閉可能な開口部が備えられたことを特徴とする。
請求項３記載の発明は、前記熱交換器の上流側の戻り配管と前記燃料貯蔵部とを連通する連通路と、前記余剰燃料が、前記熱交換器または前記連通路のいずれか一方に導入されるように、前記余剰燃料の流路を切り換える切換バルブと、を備えたことを特徴とする。
請求項３記載の発明は、前記熱交換器の上流側の戻り配管と前記燃料貯蔵部とを連通する連通路と、前記余剰燃料が、前記熱交換器または前記連通路のいずれか一方に導入されるように、前記余剰燃料の流路を切り換える切換バルブと、を備えたことを特徴とする。
請求項４記載の発明は、前記還元剤貯蔵部に貯蔵された液体還元剤の温度を検出する温度センサと、前記温度センサにより検出された液体還元剤の温度が所定値以下であるときのみ、前記余剰燃料が前記熱交換器に導入されるように、前記切換バルブを制御する流路制御手段と、を備えたことを特徴とする。
請求項５記載の発明は、前記熱交換器に、熱交換を促進するフィンを備えたことを特徴とする。
請求項５記載の発明は、前記熱交換器に、熱交換を促進するフィンを備えたことを特徴とする。
請求項１記載の発明によれば、燃料噴射装置により加圧され高温となっている余剰燃料が戻り配管により熱媒体貯蔵部内に設けられた熱交換器に導入される。これにより、熱媒体貯蔵部内の熱媒体が熱交換器を介して加熱されその温度が上昇する。そして、熱媒体は隔壁を介して還元剤貯蔵部内の液体還元剤と接しているので、熱媒体の温度が上昇することによりこの液体還元剤が間接的に加熱される。従って、還元剤貯蔵部内の液体還元剤が凍結していても、解凍させることができる。
請求項２記載の発明によれば、開口部を開き、熱媒体貯蔵部内の熱媒体を排出させることにより、熱媒体貯蔵部内の熱媒体が大気と入れ替わる。大気は熱媒体より熱伝導性が劣るので、燃料貯蔵部内の燃料から還元剤貯蔵部内の液体還元剤への伝熱が抑制される。そして、液体還元剤が凍結していないときに、開口部を開くことによって、還元剤貯蔵部内の液体還元剤が必要以上に加熱されることを抑制できる。
請求項３記載の発明によれば、切換バルブを切り換えることにより余剰燃料を熱交換器に導入させずに連通路を通って燃料貯蔵部に戻すことができる。これにより、余剰燃料によって熱媒体を加熱することが防止され、必要がないときに還元剤貯蔵部内の液体還元剤が加熱されることを防止できる。
請求項４記載の発明によれば、還元剤貯蔵部に貯蔵された液体還元剤の温度が所定値以下であるときのみ、余剰燃料が熱交換器に導入されるように切換バルブが自動的に切り換わるので、切換バルブの切換えミスを防止できる。
請求項４記載の発明によれば、還元剤貯蔵部に貯蔵された液体還元剤の温度が所定値以下であるときのみ、余剰燃料が熱交換器に導入されるように切換バルブが自動的に切り換わるので、切換バルブの切換えミスを防止できる。
請求項５記載の発明によれば、熱交換器内に導入された余剰燃料によって熱媒体が効率よく加熱されて温度上昇するので、液体還元剤を効率よく加熱することができる。
以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
本発明の排気浄化装置には、図１に示すように、２枚の隔壁１により、内部が直列に並ぶ３つの層に仕切られたタンク２が備えられている。タンク２内の３つの層のうち、外側に位置する層の一方が燃料を貯蔵する燃料貯蔵部２ａとなるとともに、他方が液体還元剤を貯蔵する還元剤貯蔵部２ｂとなる。また、中間層は熱媒体としての不凍液を貯蔵する熱媒体貯蔵部２ｃとなる。還元剤貯蔵部２ｂと熱媒体貯蔵部２ｃとを仕切る隔壁１ａは、燃料貯蔵部２ａと熱媒体貯蔵部２ｃとを仕切る隔壁１ｂより熱伝導性が優れている。更に、熱媒体貯蔵部２ｃの底部には、着脱可能なプラグ３により閉塞された開口部４が設けられている。
本発明の排気浄化装置には、図１に示すように、２枚の隔壁１により、内部が直列に並ぶ３つの層に仕切られたタンク２が備えられている。タンク２内の３つの層のうち、外側に位置する層の一方が燃料を貯蔵する燃料貯蔵部２ａとなるとともに、他方が液体還元剤を貯蔵する還元剤貯蔵部２ｂとなる。また、中間層は熱媒体としての不凍液を貯蔵する熱媒体貯蔵部２ｃとなる。還元剤貯蔵部２ｂと熱媒体貯蔵部２ｃとを仕切る隔壁１ａは、燃料貯蔵部２ａと熱媒体貯蔵部２ｃとを仕切る隔壁１ｂより熱伝導性が優れている。更に、熱媒体貯蔵部２ｃの底部には、着脱可能なプラグ３により閉塞された開口部４が設けられている。
エンジン５の排気通路である排気管６には、ＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ還元触媒７が配設されている。ＮＯｘ還元触媒７の排気上流には、排気管６内に開口した噴孔から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８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８には、還元剤供給装置９によって、尿素水溶液が圧縮空気とともに供給される。還元剤供給装置９には、供給配管１０を介して還元剤貯蔵部２ｂに貯蔵された尿素水溶液が供給される。また、還元剤供給装置９にて排気管６内に噴射供給されなかった余剰の尿素水溶液は戻り配管１１を介して還元剤貯蔵部２ｂ内に戻される。還元剤供給装置９は、図示しないコントローラによってエンジン５の運転状態に基づいて作動制御される。
噴射ノズル８には、還元剤供給装置９によって、尿素水溶液が圧縮空気とともに供給される。還元剤供給装置９には、供給配管１０を介して還元剤貯蔵部２ｂに貯蔵された尿素水溶液が供給される。また、還元剤供給装置９にて排気管６内に噴射供給されなかった余剰の尿素水溶液は戻り配管１１を介して還元剤貯蔵部２ｂ内に戻される。還元剤供給装置９は、図示しないコントローラによってエンジン５の運転状態に基づいて作動制御される。
排気管６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７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。
エンジン５には、燃料を加圧して燃焼室内に直接噴射する燃料噴射装置１２が設けられている。燃料噴射装置１２には、供給配管１３を介して燃料貯蔵部２ａに貯蔵された燃料が供給される。
エンジン５には、燃料を加圧して燃焼室内に直接噴射する燃料噴射装置１２が設けられている。燃料噴射装置１２には、供給配管１３を介して燃料貯蔵部２ａに貯蔵された燃料が供給される。
燃料噴射装置１２において加圧された燃料のうち、燃焼室内に噴射されなかった余剰燃料を、燃料噴射装置１２から熱媒体貯蔵部２ｃ内を経由して燃料貯蔵部２ａに戻す戻り配管１４が設けられている。
戻り配管１４の熱媒体貯蔵部２ｃ内に位置する部位には、熱交換パイプ１５（熱交換器）が介装されている。熱交換パイプ１５は、内部を通過する燃料と熱媒体貯蔵部２ｃ内の不凍液との間で熱交換させる。
戻り配管１４の熱媒体貯蔵部２ｃ内に位置する部位には、熱交換パイプ１５（熱交換器）が介装されている。熱交換パイプ１５は、内部を通過する燃料と熱媒体貯蔵部２ｃ内の不凍液との間で熱交換させる。
また、熱交換パイプ１５の上流側の戻り配管１４と燃料貯蔵部２ａとを連通する連通路１６が設けられている。燃料噴射装置１２からの余剰燃料（以下、戻り燃料という）が、熱交換パイプ１５または連通路１６のいずれか一方に導入されるように、戻り配管１４と連通路１６との分岐部には、戻り燃料の流路を切り換える切換バルブ１７が設けられる。
還元剤貯蔵部２ｂには、その内部に貯蔵された尿素水溶液の温度を検出する温度センサ１８が設けられている。更に、温度センサ１８からの尿素水溶液の温度を入力し、切換バルブ１７の作動制御を行うコントローラ１９が設けられている。コントローラ１９は、還元剤貯蔵部２ｂ内の尿素水溶液の温度が所定値以下であるときのみ、戻り燃料が熱交換パイプ１５に導入されるように切換バルブ１７を制御する。なお、所定値は尿素水溶液の凍結温度より若干高い温度に設定されている。
還元剤貯蔵部２ｂには、その内部に貯蔵された尿素水溶液の温度を検出する温度センサ１８が設けられている。更に、温度センサ１８からの尿素水溶液の温度を入力し、切換バルブ１７の作動制御を行うコントローラ１９が設けられている。コントローラ１９は、還元剤貯蔵部２ｂ内の尿素水溶液の温度が所定値以下であるときのみ、戻り燃料が熱交換パイプ１５に導入されるように切換バルブ１７を制御する。なお、所定値は尿素水溶液の凍結温度より若干高い温度に設定されている。
以上のような構成によれば、還元剤貯蔵部２ｂ内の尿素水溶液の温度が所定値以下であるときは、戻り燃料が、熱交換パイプ１５に導入される。このとき、燃料噴射装置１２により加圧されることによって戻り燃料は高温になっているので、熱媒体貯蔵部２ｃ内の不凍液は熱交換パイプ１５を介して加熱されその温度が上昇する。そして、不凍液は隔壁１を介して還元剤貯蔵部２ｂ内の尿素水溶液及び燃料貯蔵部２ａ内の燃料に夫々接しているとともに、還元剤貯蔵部２ｂと熱媒体貯蔵部２ｃとを仕切る隔壁１ａが燃料貯蔵部２ａと熱媒体貯蔵部２ｃとを仕切る隔壁１ｂより熱伝導性が優れているので、尿素水溶液が間接的にかつ優先して加熱される。これにより、還元剤貯蔵部２ｂ内の尿素水溶液が凍結していても、解凍させることができる。
また、熱交換パイプ１５における熱交換によって戻り燃料が冷却されるので、燃料貯蔵部２ａ内の燃料の温度上昇を抑制できる。これにより、エンジン５の燃焼室内に噴射される燃料の温度上昇が抑制されるので、燃費を向上させることができる。
還元剤貯蔵部２ｂ内の尿素水溶液の温度が所定値より高いときには、戻り燃料は連通路１６に導入されるので、戻り燃料によって還元剤貯蔵部２ｂ内の尿素水溶液が所定値以上の温度となるまで加熱されることを防止できる。所定値は、尿素水溶液の凍結温度より若干高い温度に設定されているので、解凍されている尿素水溶液を加熱することがなく、必要以上に尿素水溶液が加熱されることを抑制できる。
還元剤貯蔵部２ｂ内の尿素水溶液の温度が所定値より高いときには、戻り燃料は連通路１６に導入されるので、戻り燃料によって還元剤貯蔵部２ｂ内の尿素水溶液が所定値以上の温度となるまで加熱されることを防止できる。所定値は、尿素水溶液の凍結温度より若干高い温度に設定されているので、解凍されている尿素水溶液を加熱することがなく、必要以上に尿素水溶液が加熱されることを抑制できる。
なお、本実施形態では、切換バルブ１７を尿素水溶液の温度に基づいて自動的に切り換えるが、手動で切換バルブ１７を切り換えてもよい。
また、尿素水溶液が凍結していないときには、熱媒体貯蔵部２ｃ内の不凍液を開口部４から排出させるとよい。これにより、熱媒体貯蔵部２ｃ内の不凍液が大気と入れ替わる。大気は不凍液より熱伝導性が劣るので、燃料貯蔵部２ａ内の燃料から還元剤貯蔵部２ｂ内の尿素水溶液への伝熱が抑制され、還元剤貯蔵部２ｂ内の尿素水溶液が必要以上に加熱されることを更に抑制できる。
また、尿素水溶液が凍結していないときには、熱媒体貯蔵部２ｃ内の不凍液を開口部４から排出させるとよい。これにより、熱媒体貯蔵部２ｃ内の不凍液が大気と入れ替わる。大気は不凍液より熱伝導性が劣るので、燃料貯蔵部２ａ内の燃料から還元剤貯蔵部２ｂ内の尿素水溶液への伝熱が抑制され、還元剤貯蔵部２ｂ内の尿素水溶液が必要以上に加熱されることを更に抑制できる。
更に、熱交換パイプ１５に熱交換を促進させるフィンを設けるとよい。これにより、不凍液が戻り燃料によって効率よく加熱されて温度上昇するので、尿素水溶液を効率よく加熱することができる。
１ 隔壁
２ タンク
２ａ 燃料貯蔵部
２ｂ 還元剤貯蔵部
２ｃ 熱媒体貯蔵部
４ 開口部
５ エンジン
６ 排気管
７ ＮＯｘ還元触媒
８ 噴射ノズル
９ 還元剤供給装置
１２ 燃料噴射装置
１４ 戻り配管
１５ 熱交換パイプ
１６ 連通路
１７ 切換バルブ
１８ 温度センサ
１９ コントローラ
２ タンク
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２ｂ 還元剤貯蔵部
２ｃ 熱媒体貯蔵部
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Claims (5)
- ２枚の隔壁により、内部が直列に並ぶ３つの層に仕切られ、外側に位置する層の一方が燃料を貯蔵する燃料貯蔵部となり、他方が液体還元剤を貯蔵する還元剤貯蔵部となるとともに、中間層が熱媒体を貯蔵する熱媒体貯蔵部となるタンクと、
エンジンの排気通路に配設され、前記還元剤貯蔵部に貯蔵される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、
前記燃料貯蔵部に貯蔵された燃料を加圧して前記エンジンの燃焼室内に直接噴射する燃料噴射装置からの余剰燃料を、前記熱媒体貯蔵部内を経由して前記燃料貯蔵部に戻す戻り配管と、
前記戻り配管の前記熱媒体貯蔵部内に位置する部位に介装され、前記余剰燃料と前記熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器と、
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。 - 前記熱媒体貯蔵部の底部に開閉可能な開口部が備えられ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。
- 前記熱交換器の上流側の戻り配管と前記燃料貯蔵部とを連通する連通路と、
前記余剰燃料が、前記熱交換器または前記連通路のいずれか一方に導入されるように、前記余剰燃料の流路を切り換える切換バルブと、
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。 - 前記還元剤貯蔵部に貯蔵された液体還元剤の温度を検出する温度センサと、
前記温度センサにより検出された液体還元剤の温度が所定値以下であるときのみ、前記余剰燃料が前記熱交換器に導入されるように、前記切換バルブを制御する流路制御手段と、
を備えたことを特徴とする請求項３に記載のエンジンの排気浄化装置。 - 前記熱交換器に、熱交換を促進するフィン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。
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