JP4137831B2 - Engine exhaust purification system - 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、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。 The present invention relates to an exhaust purification device for an engine (hereinafter referred to as “exhaust purification device”) that uses a liquid reducing agent to reduce and remove nitrogen oxide (NOx) in exhaust gas, and in particular, the liquid reducing agent is frozen. The present invention also relates to a technology that enables the supply of the engine quickly after the engine is started.
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。
As a catalyst purification system for removing NOx contained in engine exhaust, an exhaust purification device disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2002-4840 (Patent Document 1) has been proposed.
Such an exhaust purification device arranges a NOx reduction catalyst in the exhaust passage of the engine, and injects and supplies the reducing agent stored in the tank upstream of the exhaust of the NOx reduction catalyst, thereby reducing NOx and reducing agent in the exhaust. A catalytic reduction reaction is performed to purify NOx into harmless components.
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。
Furthermore, in order to accurately supply a necessary amount of urea into the exhaust gas, a liquid reducing agent such as an aqueous urea solution may be used instead of using solid urea. In this case, since the liquid reducing agent may freeze in the tank when it is cold, a heater is provided in the tank to heat the frozen liquid reducing agent during engine operation.
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。
However, even if the heater is provided in the tank as described above, since the capacity of the tank is large, it takes time until the frozen liquid reducing agent is thawed. Therefore, after the engine is started, too late supply of the liquid reducing agent to the exhaust gas, NOx is a risk would Tsu such is sufficiently reduced and removed kuna from the exhaust.
Therefore, in view of the conventional problems as described above, the present invention comprises two tanks, a main tank and a sub-tank having a smaller capacity than the main tank, so that the liquid reducing agent in the sub-tank is electrically discharged after the engine is started. An object of the present invention is to provide an exhaust purification device that can be supplied quickly after starting the engine even if the liquid reducing agent is frozen by heating with a heater.
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。
For this reason, the invention according to
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。 According to a second aspect of the invention, said sub-tank, the so liquid reducing agent flows from the main tank, you being disposed below the main tank.
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。
According to a third aspect of the present invention, a vent pipe for introducing air into the sub tank is provided.
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided heating means for heating the vent pipe.
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided heat insulating means for suppressing heat dissipation from the sub tank to the outside air.
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。
The invention according to claim 6 is engine operation detecting means for detecting whether or not the engine is operating, wall surface temperature detecting means for detecting the temperature of the wall surface of the sub tank, and the engine is operating. And an operation control means for operating the electric heater when the temperature of the wall surface of the sub tank is equal to or lower than a predetermined value.
According to a seventh aspect of the present invention, after the operation of the reducing agent temperature detecting means for detecting the temperature of the liquid reducing agent in the main tank and the electric heater, the temperature of the liquid reducing agent in the main tank is higher than a predetermined value. And a first stop control means for stopping the operation of the electric heater.
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。
The invention described in claim 8 is characterized in that it comprises second stop control means for stopping the operation of the electric heater after a predetermined time has elapsed since the operation of the electric heater.
The invention according to claim 9 is characterized in that a concentration sensor for detecting the concentration of the liquid reducing agent is attached to the sub tank.
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。
According to the first aspect of the present invention, the liquid reducing agent stored in the main tank is heated by the heat medium having the engine as a heat source by the heating means. Further, the liquid reducing agent stored in the sub tank is heated by the electric heater. Since the sub tank has a smaller capacity than the main tank, even if the liquid reducing agent in the sub tank is frozen, it is immediately thawed. Thereby, a liquid reducing agent can be supplied rapidly.
Further, the sub tank is formed of a member having excellent heat conductivity, and an electric heater is provided below the sub tank, so that the liquid can be efficiently heated from the surroundings while convection of the liquid reducing agent in the sub tank.
Further, since the inner wall of the sub tank is formed in a substantially tapered shape that expands downward, the liquid reducing agent that has been frozen and adhered to the inner wall is easily peeled off and is not caught on the inner wall. Fall to the bottom of the. And since it heats with the electric heater provided in the lower part of the sub tank, the liquid reducing agent in a sub tank can be thawed efficiently.
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。 According to the second aspect of the present invention, since the liquid reducing agent flows from the main tank to the sub tank, it is not necessary to newly provide a device for supplying the liquid reducing agent from the main tank to the sub tank, and an increase in cost can be suppressed. The
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。
According to the invention described in
According to invention of
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。
According to the fifth aspect of the present invention, heat radiation from the sub tank to the outside air is suppressed, and the liquid reducing agent in the sub tank can be efficiently heated by the electric heater.
According to the sixth aspect of the present invention, when the engine is in operation and the liquid reducing agent in the sub tank is frozen, the electric heater is automatically operated, and the supply shortage of the liquid reducing agent can be suppressed.
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。
According to the seventh aspect of the invention, since the operation of the electric heater is stopped when the liquid reducing agent can be supplied from the main tank, the consumption of electric power used by the electric heater can be suppressed.
According to the invention described in claim 8 , the operation of the electric heater is stopped after a predetermined time has elapsed since the operation of the electric heater. At this time, the consumption of electric power used by the electric heater can be suppressed by setting the predetermined time to the time until the liquid reductant in the frozen sub tank is thawed by the electric heater.
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。 According to the ninth aspect of the present invention, even if the liquid reducing agent is frozen, the concentration can be detected in a short time after the engine is started.
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。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a configuration diagram of an exhaust emission control device for an engine according to the present invention.
An
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。
An aqueous urea solution stored in the tank 6 is supplied to the
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。
As illustrated in FIG. 2, the tank 6 includes a
The
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。
The
On the other hand, in the
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。
The upper part of the
The
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。
A
Here, the control procedure of the
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。
First, in step 1 (denoted as S1 in the figure, the same applies hereinafter), it is determined from the operating state of the
In
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。
In
In
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。
In
According to the above configuration, the exhaust of the
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。
Since the
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。
Since the
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。
Further, since the
Since the upper part of the
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。
Further, since the
Note that the
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。
Further, the upper end of the
Further, an electric heater for heating the
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
DESCRIPTION OF
Claims (9)
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。 A reduction catalyst disposed in the engine exhaust passage for reducing and purifying nitrogen oxides using a liquid reducing agent;
A main tank for storing the liquid reducing agent;
A sub-tank having a smaller capacity than the main tank and storing the liquid reducing agent supplied from the main tank;
Reducing agent supply means for supplying the liquid reducing agent stored in the sub-tank to the reduction catalyst;
Heating means for heating the liquid reducing agent stored in the main tank by a heat medium having the engine as a heat source;
An electric heater for heating the liquid reducing agent stored in the sub tank;
It is configured to include a,
The sub-tank is formed of a member having excellent thermal conductivity, and has a substantially tapered shape in which the inner wall expands downward.
The electric heater, the disposed under the sub-tank, engine exhaust purification device you wherein a.
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。 Engine operation detecting means for detecting whether or not the engine is operating;
Wall surface temperature detecting means for detecting the temperature of the wall surface of the sub tank;
An operation control means for operating the electric heater when the engine is operating and the temperature of the wall surface of the sub tank is equal to or lower than a predetermined value;
The exhaust emission control device for an engine according to any one of claims 1 to 5 , further comprising:
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。 Reducing agent temperature detecting means for detecting the temperature of the liquid reducing agent in the main tank;
First stop control means for stopping the operation of the electric heater when the temperature of the liquid reducing agent in the main tank becomes higher than a predetermined value after the operation of the electric heater;
The exhaust emission control device for an engine according to claim 6 .
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