JP5137135B2

JP5137135B2 - 排気ガス浄化触媒用還元剤供給装置

Info

Publication number: JP5137135B2
Application number: JP2008315248A
Authority: JP
Inventors: 重夫梶田; 敬米田; 信明的場
Original assignee: キャタピラーエスエーアールエル
Priority date: 2008-12-11
Filing date: 2008-12-11
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2028-12-11
Also published as: JP2010138773A

Description

本発明は、エンジン冷却水の熱を利用して保温した排気ガス浄化触媒用還元剤をエンジンの排気装置に供給する排気ガス浄化触媒用還元剤供給装置に関する。

従来のエンジンの排気浄化に用いる還元剤の凍結防止技術としては、内燃機関の排気マニホールド、排気管、マフラからなる排気系内に配置された排気ガス浄化用触媒の上流側に噴射供給される液体還元剤をその貯蔵タンク及びポンプを含む供給管系において凍結から防ぐ保温装置で、液体還元剤貯蔵タンク及びポンプを含む供給管系の外表面の全体ないし主要部分にわたって電熱線を配置し、その上に断熱材の包囲層を設け、さらに必要に応じて貯蔵タンク内にも電熱線加熱手段を設け、液体還元剤温度及び／または外気温に応じてそれらの電熱線に外部電源から通電し、そしてその通電を遮断し、液体還元剤の温度を凍結を防止するのに適切な温度範囲に維持する構成としたエンジンの排気ガス浄化触媒用還元剤保温装置及びそれを組込んだ排気ガス浄化装置がある（例えば、特許文献１参照）。

また、還元剤の凍結防止のために還元剤を貯蔵する還元剤タンクにエンジンの冷却水循環配管を配管して、エンジンにより加熱された冷却水を還元剤タンクに導くようにした排気浄化装置がある。これは、冷却水循環配管の途中に冷却水遮断弁を設け、この冷却水遮断弁を制御手段により特定の条件下で所定時間だけ開いて、冷却水を循環するように制御している（例えば、特許文献２参照）。
特開２０００−０２７６２７号公報（第３頁、図１）特開２００６−１２５３３１号公報（第５頁、図２）

上記特許文献１に記載された従来技術を油圧ショベルなどの作業機械に適用した場合、タンク内の液体還元剤の凍結を防止するために過大な電力を要し、油圧ショベルなどの作業機械のバッテリでは対応が困難である。特に、寒冷地または山の上などの高地で作業機械を用いる場合は、尿素水などの液体還元剤が凍ってしまい、配管が破裂するおそれがあるので、常時この液体還元剤を温める必要があり、そのために、常時電力を供給するためにエンジンを継続的に駆動する必要があり、燃費が悪い。

また、作業機械では、作業内容に応じてエンジン負荷が変化し、そのエンジン負荷によってエンジン冷却水の温度変化が著しいので、特許文献２に記載された従来技術のように、冷却水循環配管の途中に冷却水遮断弁を設け、この冷却水遮断弁を制御手段により特定の条件下で所定時間だけ開いて、冷却水を循環するように制御するものでは、液体還元剤の温度を一定に保持することが難しい。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、液体還元剤を必要最小限の適切な温度に保持できるように制御することで、燃費を向上できる排気ガス浄化触媒用還元剤供給装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載された発明は、エンジンの排気装置に供給される液体還元剤を収容した還元剤タンクと、エンジンとの熱交換により加熱されたエンジン冷却水の供給を受けて還元剤タンク内の液体還元剤を温める熱交換器と、熱交換器を経たエンジン冷却水を冷却してエンジンに循環させる冷却器と、エンジンから熱交換器を経て冷却器に戻されるエンジン冷却水量を指令信号に応じて比例調整する電磁比例弁と、液体還元剤の温度を検出する温度検出器と、温度検出器で検出された液体還元剤の温度に基づいて電磁比例弁を調整して液体還元剤の温度を一定に制御するコントローラとを具備し、電磁比例弁は、熱交換器にエンジン冷却水を供給する管路中に設けられコントローラからの指令電流に比例して閉状態から開状態へと開度変化する一方の電磁比例弁と、熱交換器を通らないバイパス管路中に設けられコントローラからの指令電流に比例して一方の電磁比例弁が閉状態から開状態へと開度変化するときに開状態から閉状態へと開度変化する他方の電磁比例弁とを備え、コントローラは、冷却器を通過するエンジン冷却水量を一方の電磁比例弁と他方の電磁比例弁とにより一定にする排気ガス浄化触媒用還元剤供給装置である。

請求項２に記載された発明は、請求項１記載の排気ガス浄化触媒用還元剤供給装置において、蓄熱流体を内部に充填するとともに還元剤タンクを蓄熱流体中に内蔵した蓄熱タンクと、蓄熱タンクの外表面を覆ったタンク断熱材とを備え、熱交換器は、蓄熱タンクの内部に設けられエンジン冷却水の供給を受けて蓄熱タンク内の蓄熱流体を温めることで間接的に還元剤タンク内の液体還元剤を温めるようにした排気ガス浄化触媒用還元剤供給装置である。

請求項１に記載された発明によれば、コントローラは、温度検出器で検出された液体還元剤の温度に基づいて電磁比例弁を調整して、還元剤タンク内の液体還元剤を温める熱交換器に供給されるエンジン冷却水量を制御することで、液体還元剤を必要最小限の適切な温度に保持できるように制御でき、燃費を向上できる。このとき、コントローラは、温度検出器により検出した液体還元剤の温度に基づき電磁比例弁を調整して、熱交換器に供給するエンジン冷却水量を調整することで、液体還元剤の温度を一定に制御するので、エンジンから放熱された熱をエンジン冷却水で回収して蓄熱流体を介し液体還元剤の保温に有効利用でき、その際に、コントローラおよび温度検出器により電磁比例弁を制御して、液体還元剤の温度を適正な範囲に保持できる。特に、一方の電磁比例弁により、エンジンから熱交換器を経て冷却器に戻されるエンジン冷却水量を増加させる方向に比例調整する場合は、他方の電磁比例弁により、エンジンから熱交換器をバイパスして冷却器に戻されるエンジン冷却水量を減少させる方向に比例調整することで、熱交換器から蓄熱流体に供給される熱量を調整する際でも、冷却器を通過するエンジン冷却水量は一定に保つことができ、冷却器による冷却能力を一定に保つことができる。

請求項２に記載された発明によれば、外表面をタンク断熱材で覆われ内部に蓄熱流体が充填された蓄熱タンクの内部に、蓄熱流体を温める熱交換器を設け、この熱交換器とともに蓄熱タンク内の蓄熱流体中に、エンジンの排気装置に供給される液体還元剤を収容した還元剤タンクを内蔵したので、タンク断熱材と、熱交換器により加熱された蓄熱流体の２重のタンク保温構造により、還元剤タンクおよびその内部の液体還元剤を効率良く保温でき、保温に要する熱効率を向上できる。

以下、本発明を、図１乃至図３に示された一実施の形態を参照しながら詳細に説明する。

図２および図３に示されるように、作業機械としての油圧ショベル10は、下部走行体11に機体としての上部旋回体12が旋回可能に設けられ、この上部旋回体12にキャブ13、作業装置14およびエンジン15などが搭載されている。エンジン15は、エンジン本体16と、このエンジン本体16を冷却するためのウォータジャケット（図示せず）とを備えている。

エンジン15には、エンジン本体16の一側部から突設された回転軸に冷却ファン17が設けられ、この冷却ファン17に対向して冷却器としてのラジエータ18が配置されている。エンジン本体16の他側部上には、エンジン15から排出された排気ガスを消音・浄化処理する排気装置19が配置されている。

上部旋回体12の後端部には、カウンタウエイト21が取付けられ、このカウンタウエイト21には、エンジン冷却水の熱を利用して保温した排気ガス浄化触媒用還元剤としての尿素水などの液体還元剤を排気装置19に供給する排気ガス浄化触媒用還元剤供給装置22の主要部分が内蔵されている。

図１に示されるように、エンジン15の出力軸には、下部走行体11および上部旋回体12の油圧モータや作業装置14の油圧シリンダに対して作動油を供給する油圧ポンプ23，24が接続されている。エンジン15の排気装置19は、エンジン本体16に排気管25を介してマフラ本体26が接続され、このマフラ本体26の内部に排気ガス浄化触媒27と、この排気ガス浄化触媒27に対して液体還元剤を噴射するノズル28とが設けられている。

エンジン15の排気ガス浄化触媒用還元剤供給装置22は、蓄熱タンク31の内部にパラフィン、エマルジョン（乳化液）などの蓄熱流体32が充填され、この蓄熱流体32中に、エンジン15の排気装置19に供給される液体還元剤を収容した還元剤タンク33が内蔵され、また、蓄熱タンク31の外表面は、蓄熱流体32の保温のためのタンク断熱材34により覆われている。還元剤タンク33の上端部に設けられた液体還元剤を注入する注入口33aは、タンク断熱材34の上面に開口され、キャップ33bにより閉じられている。

蓄熱タンク31の蓄熱流体32中には、エンジン15との熱交換により加熱されたエンジン冷却水の供給を受けて蓄熱流体32を温めることで還元剤タンク33内の液体還元剤を温める熱交換器35が配置されている。

エンジン冷却水を循環させるエンジン冷却水回路36は、エンジン15のウォータジャケット（図示せず）と、エンジン冷却水を循環させるエンジン冷却水ポンプ37と、ソレノイド38s1に供給される指令電流により比例動作する一方の電磁比例弁38-1と、蓄熱タンク31内の熱交換器35と、熱交換器35を経たエンジン冷却水を冷却してエンジン15のウォータジャケットに循環させる冷却器としてのラジエータ18とが、管路39a，39bによって無端状に接続されている。

エンジン冷却水ポンプ37と一方の電磁比例弁38-1との間の管路39aと、熱交換器35とラジエータ18との間の管路39bとの間には、これらの管路39a，39bを連通するバイパス管路39cが設けられ、このバイパス管路39c中にも、ソレノイド38s2に供給される指令電流により比例動作する他方の電磁比例弁38-2が設けられている。

一方の電磁比例弁38-1は、ソレノイド38s1に供給される指令電流に比例して閉状態から開状態へと開度変化するとともに、他方の電磁比例弁38-2は、ソレノイド38s2に供給される指令電流に比例して開状態から閉状態へと開度変化することで、熱交換器35に供給されるエンジン冷却水の供給流量を調整するものである。

要するに、一方の電磁比例弁38-1および他方の電磁比例弁38-2で構成された電磁比例弁38は、エンジン15から熱交換器35を経てラジエータ18に戻されるエンジン冷却水量を一方の電磁比例弁38-1により増加させる方向に比例調整する場合は、エンジン15から熱交換器35をバイパスしてラジエータ18に戻されるエンジン冷却水量を他方の電磁比例弁38-2により減少させる方向に比例調整するものである。

図示された電磁比例弁38は、２つの電磁比例弁38-1，38-2で構成されているが、１つの多方弁にまとめて構成しても良い。

この電磁比例弁38は、熱交換器35へのエンジン冷却水量を変化させることで熱交換器35から蓄熱流体32に供給される熱量を調整できるとともに、その際でもラジエータ18を通過するエンジン冷却水量は一定に保つことができ、すなわち、ラジエータ18による冷却能力を一定に保つことができる。

還元剤タンク33には、液体還元剤の温度を検出する温度検出器41が接続され、この温度検出器41は、温度検出ライン42によりコントローラ43の検出信号入力部に接続されている。このコントローラ43の制御信号出力部は、制御信号ライン44，45により２つの電磁比例弁38-1，38-2の各ソレノイド38s1，38s2に接続され、還元剤タンク33内の液体還元剤の温度に基づいて２つの電磁比例弁38-1，38-2の開度を調整することで、蓄熱タンク31内の熱交換器35に供給されるエンジン冷却水量を制御し、熱交換器35での熱交換量を調整して液体還元剤の温度を一定に制御する機能を備えている。

エンジン15の排気装置19に液体還元剤を供給する還元剤供給回路51は、還元剤タンク33からマフラ本体26内のノズル28にわたって配設された還元剤供給パイプ52中に、還元剤供給ポンプ53と、還元剤の噴射量を調整する電磁弁54とが設けられたものである。

蓄熱タンク31内の蓄熱流体32を循環させる蓄熱流体循環回路55は、還元剤供給回路51の外部を覆うように蓄熱流体32を流す蓄熱流体通路56の前半部56aが設けられ、この蓄熱流体通路56中に蓄熱流体循環ポンプ57が設けられている。この蓄熱流体通路56の外表面は、全長にわたって回路断熱材58により覆われている。

次に、図面に示された一実施の形態の作用を説明する。

エンジン運転時は、エンジン冷却水ポンプ37でエンジン冷却水を循環させ、エンジン冷却水が有する熱を蓄熱タンク31内の熱交換器35に供給し、熱交換器35から放出された熱により蓄熱タンク31内の蓄熱流体32を温め、還元剤タンク33内の液体還元剤を一定の設定温度に保つ。

このとき、温度検出器41で液体還元剤の温度を検出し、液体還元剤の検出温度と設定温度との温度差に応じてコントローラ43から電磁比例弁38-1，38-2のソレノイド38s1，38s2に指令電流を出力し、この電流値に比例して電磁比例弁38-1，38-2の開度を相互に逆方向に制御することで、熱交換器35に供給されるエンジン冷却水の供給流量を調整するとともに、ラジエータ18に戻されるエンジン冷却水量を一定量に制御する。

例えば、還元剤タンク33内の液体還元剤の検出温度が設定温度より低温のときは、検出温度と設定温度との温度差に応じて、一方の電磁比例弁38-1の開度を大きくする方向に調整することで、熱交換器35に供給されるエンジン冷却水量を温度差に比例させて増加させるとともに、他方の電磁比例弁38-2は、開度を小さくする方向に調整して、バイパス管路39cでパイパスされるエンジン冷却水量を温度差に比例させて減少させることで、ラジエータ18に戻されるエンジン冷却水量が一定に保たれるように制御する。これにより、ラジエータ18の冷却能力を一定に保つようにする。

また、蓄熱タンク31内の蓄熱流体32は、蓄熱流体循環ポンプ57によって蓄熱タンク31から、還元剤供給回路51の外周部に沿った蓄熱流体通路56を流れて蓄熱タンク31に循環するので、蓄熱流体32が有する熱により還元剤供給回路51を保温し、この還元剤供給回路51により還元剤供給ポンプ53で還元剤タンク33からノズル28まで供給される液体還元剤を保温する。

液体還元剤は、還元剤タンク33から還元剤供給ポンプ53により還元剤供給パイプ52を介して電磁弁54に加圧供給されるので、コントローラ43は、図示していないエンジン回転数、排気温度などのデータに基づき、還元剤の噴射量を演算し、その演算結果に基いて電磁弁54を調整して還元剤の噴射量を制御する。

次に、図面に示された一実施の形態の効果を説明する。

コントローラ43は、温度検出器41で検出された液体還元剤の温度に基づいて電磁比例弁38を調整して、還元剤タンク33内の液体還元剤を蓄熱流体32を介し温める熱交換器35に供給されるエンジン冷却水量を制御することで、液体還元剤を必要最小限の適切な温度に保持できるように制御でき、燃費を向上できる。

このとき、コントローラ43は、温度検出器41により検出した液体還元剤の温度に基づき電磁比例弁38を調整して、熱交換器35に供給するエンジン冷却水量を調整することで、液体還元剤の温度を一定に制御するので、エンジン15から放熱された熱をエンジン冷却水で回収して蓄熱流体32を介し液体還元剤の保温に有効利用でき、その際に、コントローラ43および温度検出器41により電磁比例弁38を制御して、液体還元剤の温度を適正な範囲に保持できる。

特に、一方の電磁比例弁38-1により、エンジン15から熱交換器35を経てラジエータ18に戻されるエンジン冷却水量を増加させる方向に比例調整する場合は、他方の電磁比例弁38-2により、エンジン15から熱交換器35をバイパスしてラジエータ18に戻されるエンジン冷却水量を減少させる方向に比例調整することで、熱交換器35から蓄熱流体32に供給される熱量を調整する際でも、ラジエータ18を通過するエンジン冷却水量は一定に保つことができ、ラジエータ18による冷却能力を一定に保つことができる。

また、外表面をタンク断熱材34で覆われ内部に蓄熱流体32が充填された蓄熱タンク31の内部に、蓄熱流体32を温める熱交換器35を設け、この熱交換器35とともに蓄熱タンク31内の蓄熱流体32中に、エンジン15の排気装置19に供給される液体還元剤を収容した還元剤タンク33を内蔵したので、タンク断熱材34と、熱交換器35により加熱された蓄熱流体32の２重のタンク保温構造により、還元剤タンク33およびその内部の液体還元剤を効率良く保温でき、保温に要する熱効率を向上できる。

さらに、エンジン15の排気装置19に液体還元剤を供給する還元剤供給回路51の外部を覆うように蓄熱流体循環回路55を設け、この蓄熱流体循環回路55の外部を回路断熱材58により覆うので、還元剤供給回路51を蓄熱流体循環回路55と回路断熱材58の２重の回路保温構造により効率良く保温でき、熱効率を向上できる。

エンジン15との熱交換により加熱されたエンジン冷却水の供給を受けた熱交換器35により、蓄熱タンク31内の蓄熱流体32を温め、その熱で還元剤タンク33内の液体還元剤を温めその温度を保持するので、従来技術のように電気を必要とせず、ラジエータ18により冷却される前のエンジン冷却水が有する熱を有効利用するので、電力に変換する場合より、発電用のエンジン駆動に要する燃料を節約でき、燃費を向上できる。

油圧ショベルなどの作業機械におけるカウンタウエイト21に、蓄熱流体32を用いて熱を蓄える蓄熱タンク31などの排気ガス浄化触媒用還元剤供給装置22を設けることにより、大きな容量の蓄熱タンク31を設置でき、大熱容量の蓄熱流体32により液体還元剤を長時間保温できる。

カウンタウエイト21は、エンジン15および排気装置19の後方の近接位置に隣接しているので、エンジン冷却水回路36、還元剤供給回路51および蓄熱流体循環回路55の各配管を容易に配設できるとともに、供給元から供給先までの距離が短いので、エンジン冷却水、液体還元剤および蓄熱流体32が供給時に温度低下することを効果的に抑制できる。

なお、本発明は、還元剤タンク33内の液体還元剤中または還元剤タンク33の外表面に、エンジン15から放出された熱を吸収したエンジン冷却水の供給を受けて液体還元剤を温めるタイプの熱交換器（図示せず）を配置する構成を含む場合もある。この場合は、蓄熱タンク31および蓄熱流体32が不要となる。

本発明の排気ガス浄化触媒用還元剤供給装置22は、油圧ショベルなどの作業機械、自動車、産業機械などに用いられるエンジンに利用可能である。

本発明に係る排気ガス浄化触媒用還元剤供給装置の一実施の形態を示すシステム構成図である。同上還元剤供給装置を備えた作業機械の側面図である。同上還元剤供給装置を備えた作業機械の平面図である。

15 エンジン
18 冷却器としてのラジエータ
19 排気装置
22 排気ガス浄化触媒用還元剤供給装置
31 蓄熱タンク
32 蓄熱流体
33 還元剤タンク
34 タンク断熱材
35 熱交換器
38 電磁比例弁
38-1 一方の電磁比例弁
38-2 他方の電磁比例弁
39a 管路
39c バイパス管路
41 温度検出器
43 コントローラ

Claims

エンジンの排気装置に供給される液体還元剤を収容した還元剤タンクと、
エンジンとの熱交換により加熱されたエンジン冷却水の供給を受けて還元剤タンク内の液体還元剤を温める熱交換器と、
熱交換器を経たエンジン冷却水を冷却してエンジンに循環させる冷却器と、
エンジンから熱交換器を経て冷却器に戻されるエンジン冷却水量を指令信号に応じて比例調整する電磁比例弁と、
液体還元剤の温度を検出する温度検出器と、
温度検出器で検出された液体還元剤の温度に基づいて電磁比例弁を調整して液体還元剤の温度を一定に制御するコントローラとを具備し、
電磁比例弁は、
熱交換器にエンジン冷却水を供給する管路中に設けられコントローラからの指令電流に比例して閉状態から開状態へと開度変化する一方の電磁比例弁と、
熱交換器を通らないバイパス管路中に設けられコントローラからの指令電流に比例して一方の電磁比例弁が閉状態から開状態へと開度変化するときに開状態から閉状態へと開度変化する他方の電磁比例弁とを備え、
コントローラは、冷却器を通過するエンジン冷却水量を一方の電磁比例弁と他方の電磁比例弁とにより一定にする
ことを特徴とする排気ガス浄化触媒用還元剤供給装置。
蓄熱流体を内部に充填するとともに還元剤タンクを蓄熱流体中に内蔵した蓄熱タンクと、
蓄熱タンクの外表面を覆ったタンク断熱材とを備え、
熱交換器は、蓄熱タンクの内部に設けられエンジン冷却水の供給を受けて蓄熱タンク内の蓄熱流体を温めることで間接的に還元剤タンク内の液体還元剤を温める
ことを特徴とする請求項１記載の排気ガス浄化触媒用還元剤供給装置。