JP6423733B2 - 排気浄化システム - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化システムに関し、典型的には、ディーゼルエンジンの排気浄化システムに関する。

近年、ディーゼルエンジンからの排気中に含まれるＮＯｘをアンモニアで還元する尿素ＳＣＲ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ；以下ＳＣＲと略記）システムが種々開発されている。この尿素ＳＣＲシステムでは、ＳＣＲコンバータ（排気浄化装置）の入口で尿素水を噴射し、噴射された尿素の加水分解で生じるアンモニアを還元剤として、ＳＣＲコンバータ内でＮＯｘを還元している。
一般に、この種の尿素ＳＣＲシステムでは、排気管に介挿されたＳＣＲコンバータの入口に、尿素タンクから還元剤供給配管で尿素水を供給し、尿素インジェクターでＳＣＲコンバータの入口に尿素水を噴射する。

上述のように還元剤供給配管で尿素水のような液体還元剤を供給するシステムでは、この液体還元剤の凍結に対処する手段が必要であり、従来より種々の技術が提案されている。例えば、液体還元剤のタンク及び供給管系の全体ないし主要部分にわたって電熱線を配置し、その上に断熱材包囲層を設け、さらに必要に応じてタンク内にも電熱線加熱手段を設け、外気温度及び／または還元剤温度に応じてそれらの電熱線への通電を調節して液体還元剤の凍結を防止する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、尿素ＳＣＲシステムにおいて、液体還元剤のタンクから液体還元剤を吸い込むサクションチューブがタンクの一側面壁を貫通した状態で、サプライモジュール（インジェクターに液体還元剤を圧送する電動ポンプが内蔵されたユニット）を還元剤タンクの一側面に直接取り付けるようにした技術も提案されている（例えば、特許文献２参照）。これにより、タンクとサプライモジュールとを接続する電気ヒータ付配管が不要となり、初期コスト及びランニングコストを低減することができるとされている。

また、リヤエンジンバスの排気浄化装置として、尿素水溶液のタンクと還元剤供給装置とをエンジンルーム内に配設してエンジンの熱により、タンクから還元剤供給装置に尿素水溶液を導入する導入路やタンク内の尿素水溶液を加熱するようにした技術が提案されている（例えば、特許文献３参照）。これにより、ホイールベース間の荷室スペースを確保したり車室の低床化をしたりすることができるとされている。

特開２０００−２７６２７号公報 特開２０１０−１３８８２３号公報 特開２００６−１２３７１７号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、例えば、車両後方に設置した液体還元剤のタンクから車両前方のエンジン直下に設置したＳＣＲコンバータまで液体還元剤を供給する場合のように還元剤供給配管が長くなるレイアウトでは、還元剤供給配管を電気ヒータ付配管にしなくてはならない部分が長くなり、初期コスト及びランニングコストが嵩む。
また、特許文献２の技術では還元剤供給配管と還元剤タンクとの特殊なレイアウトが必要であり、還元剤供給配管が長くなるようなレイアウトには適さない。
また、特許文献３の技術は、還元剤供給配管の全長がリヤエンジンのエンジンルーム内に収まるような場合に限って有効であり、還元剤供給配管がエンジンルーム外にも配策されるようなレイアウトには適さない。

本発明は、上述のような状況に鑑みてなされたものであり、還元剤供給配管がエンジンルーム外にも配策されるようなレイアウトにも適合し、初期コスト及びランニングコストを低減可能な、還元剤凍結防止機能を備えた排気浄化システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、ここに次のような技術を提案する：
（１）車両に搭載される内燃機関（例えば、後述のエンジン１）の前方側（例えば、後述の前方側１ａ）の前記内燃機関の上部よりも低い位置に設けられ、前記内燃機関の排気通路（例えば、後述の排気通路２）に接続されて排気を浄化する排気浄化装置（例えば、後述の排気浄化装置１０）と、
前記排気浄化装置に接続され、前記排気浄化装置に液体還元剤を噴射する還元剤噴射装置（例えば、後述の還元剤噴射装置１１）と、
前記内燃機関の後方側（例えば、後述の後方側１ｂ）の前記内燃機関の上部よりも低い位置に設けられ、前記還元剤噴射装置に供給される液体還元剤を貯留する還元剤タンク（例えば、後述の還元剤タンク１２）と、
前記還元剤タンクと前記還元剤噴射装置とを結び前記内燃機関上方に位置して前記内燃機関からの熱を受ける上方受熱区間（例えば、後述の上方受熱区間１３ｕ）を有するように配策された還元剤供給配管（例えば、後述の還元剤供給配管１３）と、を備える排気浄化システム。

上記（１）の排気浄化システムでは、内燃機関停止後、還元剤供給配管の上方受熱区間に滞留している液体還元剤は、内燃機関上方の上方受熱区間から自重により内燃機関の前後に分かれて管内を降下する。前方側に降下した液体還元剤は、たとえ凍結しても、内燃機関が始動されれば、排気通路から還元剤噴射装置への伝導熱を受熱して速やかに解氷する。このため、還元剤供給配管のうち上方受熱区間から前方側にはヒータを持たないものを適用しても配管内で液体還元剤が凍結することによる不具合を解消することが出来る。また、上方受熱区間から後方側に降下した液体還元剤は、還元剤タンク側に戻るため配管内で液体還元剤が凍結するおそれが無くなる。従って、還元剤供給配管がエンジンルーム外にも配策されるようなレイアウトにも適合し、還元剤供給配管をヒータ付配管にする必要がある部分は極めて限られたものとなり、初期コスト及びランニングコストが低減される。

（２）前記内燃機関の上方部分を覆う内燃機関カバー（例えば、後述のエンジンカバー３）を更に備え、前記内燃機関カバーは、前記還元剤供給配管の前記上方受熱区間を上方から覆うように配置される（１）の排気浄化システム。

上記（２）の排気浄化システムでは、上記（１）の排気浄化システムにおいて更に、内燃機関カバーによって還元剤供給配管の上方受熱区間における受熱効果が促進され、還元剤供給配管内で液体還元剤が凍結するおそれが一層低減される。

本発明によれば、還元剤供給配管がエンジンルーム外にも配策されるようなレイアウトにも適合し、初期コスト及びランニングコストを低減可能な、還元剤凍結防止機能を備えた排気浄化システムが具現される。

本発明の一実施形態としての排気浄化システムの構成を示す模式図である。 図１の排気浄化システムの作用を説明するための図である。

以下に、図面を参照して、本発明の一実施形態としての排気浄化システムについて詳述することにより本発明を明らかにする。

図１は、本発明の一実施形態としての排気浄化システムの構成を示す模式図である。
車両等の、例えば、前部に搭載される内燃機関としてのエンジン１の前方側１ａに、このエンジン１の上部１ｕよりも低い位置に、排気を浄化する排気浄化装置１０が設けられている。エンジン１の前方側１ａには、エンジン１の排気通路２の一部をなす排気マニホールド２１が設けられ、この排気マニホールド２１の排気出口側に排気浄化装置１０の入口側が接続されている。排気浄化装置１０の排気出口側は排気通路２の他部をなすマフラー（不図示）等を含む排気管２２に連なっている。
排気浄化装置１０には、この排気浄化装置１０に液体還元剤（後述の例では、尿素水溶液）を噴射する還元剤噴射装置１１が接続されている。

エンジン１の後方側１ｂのエンジン１の上部１ｕよりも低い位置に、還元剤噴射装置１１に供給される液体還元剤を貯留する還元剤タンク１２が設けられている。本例では、エンジン１、排気浄化装置１０、還元剤噴射装置１１、及び、排気管２２の上流側の一部分２２ａは、車両等のエンジンルームＥＲ内に配置され、還元剤タンク１２はエンジンルームＥＲ外（例えば、車両の床下ＵＦ）の相対的に後部に配置されている。

更に、還元剤タンク１２と還元剤噴射装置１１とを結び、還元剤噴射装置１１に液体還元剤を供給する還元剤供給配管１３が設けられている。
還元剤供給配管１３は、エンジン１上方に位置してエンジン１からの熱を受ける上方受熱区間１３ｕと、一端が上方受熱区間１３ｕに連なり他端が上方受熱区間１３ｕから降下して還元剤噴射装置１１に接続される第１の降下区間１３ａと、一端が上方受熱区間１３ｕに連なり他端が上方受熱区間１３ｕから降下して還元剤タンク１２からの還元剤導出配管１３ｈに接続される第２の降下区間１３ｂと、を含んでいる。

本実施形態では、還元剤供給配管１３の、上方受熱区間１３ｕ、第１の降下区間１３ａ、及び、第２の降下区間１３ｂはヒータを持たないデリバリホースであり、還元剤導出配管１３ｈはヒータ付きのデリバリホースである。還元剤導出配管１３ｈも、実体的に還元剤供給配管であるが説明の便宜上このように称呼する。
還元剤供給配管１３の第２の降下区間１３ｂと還元剤導出配管１３ｈとの接続部にはホースコネクタ１４が設けられている。
尚、第２の降下区間１３ｂの他端が還元剤タンク１２の還元剤導出口に接続された態様も採り得る。
本実施形態では、更に、エンジン１の上方部分を覆うエンジンカバー３を更に備えている。このエンジンカバー３は、還元剤供給配管１３の上方受熱区間１３ｕを上方から覆うように配置される。

次に、排気浄化装置１０について説明する。
排気浄化装置１０は、排気マニホールド２１に接続される排気の流れの上流側の部位に、前段酸化触媒３１（ＤＯＣ：Ｄｉｅｓｅｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｃａｔａｌｙｓｔ）が配され、次段にミキサ３２が配され、後段に後段触媒コンバータ３３が配されている。
前段酸化触媒３１は、例えば、アルミナ、シリカ、ゼオライト等からなる担体に、白金やパラジウム等の金属や、金属酸化物等を担持させたものである。前段酸化触媒３１は、排気に含まれる炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、一酸化窒素（ＮＯ）を酸化して、水、二酸化炭素（ＣＯ_２）、二酸化窒素（ＮＯ_２）等に変換する。

ミキサ３２は、ここを通過した流体に旋回流を生じさせる等して還元剤噴射装置１１から噴射供給された液体還元剤（尿素水溶液）と排気との混合を促進する。
後段触媒コンバータ３３は、多孔質壁で区画形成された複数のセルが上流側と下流側とで互い違いに目封じされたウォールフロー型のハニカム支持体の各セル内に、尿素ＳＣＲが担持されてなる選択還元触媒付フィルタ（ＳＣＲＦと称される）から構成される。エンジン１から排出された排気に含まれる粒子状物質（ＰＭと称される）は、ＳＣＲＦの多孔質壁の細孔を通過する過程で捕集される。

次に、図１に図２を併せ参照して、図１の排気浄化システムの作用効果について説明する。
図２は、図１の排気浄化システムの作用を説明するための図である。
図２において、図１との対応部には同一の符号が附してある。
エンジン１が回転し、排気浄化装置１０が稼働しているときには、還元剤タンク１２→還元剤導出配管１３ｈ→還元剤供給配管１３の第２の降下区間１３ｂ→還元剤供給配管１３の上方受熱区間１３ｕ→還元剤供給配管１３の第１の降下区間１３ａ→還元剤噴射装置１１の経路で、還元剤噴射装置１１に液体還元剤としての尿素水溶液が供給され、排気浄化装置１０において既述のように排気の浄化が行われる。

この場合、上述の経路における還元剤導出配管１３ｈは、エンジンルームＥＲ外（車両の床下ＵＦ）に配策されているヒータ付きのデリバリホースである。ヒータによって保温されているため、還元剤導出配管１３ｈ内では液体還元剤は凍結しない。
また、還元剤供給配管１３の第２の降下区間１３ｂ→還元剤供給配管１３の上方受熱区間１３ｕ→還元剤供給配管１３の第１の降下区間１３ａ→還元剤噴射装置１１の経路部分は、エンジンルームＥＲ内に配置されているため、エンジン１が回転している間は周囲の温度が比較的高い。従って、この経路部分では、還元剤供給配管１３としてヒータを持たないデリバリホースを適用しても液体還元剤が凍結するおそれは殆どない。

特に、還元剤供給配管１３の上方受熱区間１３ｕではエンジン１から上方に上がってくる熱を積極的に受熱するが、更に、エンジンカバー３によって上方受熱区間１３ｕにおける受熱効果が促進され、還元剤供給配管１３内で液体還元剤が凍結するおそれが一層低減される。

一方、エンジン１が停止すると、還元剤供給配管１３の上方受熱区間１３ｕに滞留している液体還元剤は、自重により第１の降下区間１３ａと第２の降下区間１３ｂとに分かれて管内を降下する。
これは、還元剤供給配管１３のうちエンジン１から上方に上がってくる熱を受熱する受熱領域１３０ｕに位置する上方受熱区間１３ｕは、上下への多少の曲り部分を含むものであったとしても、平均的に鉛直方向の高さが、還元剤供給配管１３の他部との相対において最高となっているからである。
即ち、還元剤供給配管１３は、鉛直方向の高さが最高となっている受熱領域１３０ｕ（上方受熱区間１３ｕ）に連なってエンジン１の既述の前方側１ａに掛け下がった第１の掛け下がり構造部１３０ａ（還元剤供給配管１３の第１の降下区間１３ａ）と、受熱領域１３０ｕに連なってエンジン１の既述の後方側１ｂに掛け下がった第２の掛け下がり構造部１３０ｂ（還元剤供給配管１３の第２の降下区間１３ｂ）とを含む構造（以下、適宜「掛け下がり構造」と称する）を採る。

還元剤供給配管１３は、このような掛け下がり構造を有するため、受熱領域１３０ｕ内を通る還元剤供給配管１３の上方受熱区間１３ｕの内で相対的に高さが下がった部分１３１Ｌの液体還元剤も、第１の掛け下がり構造部１３０ａや第２の掛け下がり構造部１３０ｂとの連接によるサイフォン効果によって、相対的に低い位置に向けて流出し、滞留が回避される。

一方、上述の掛け下がり構造における第１の掛け下がり構造部１３０ａ（還元剤供給配管１３の第１の降下区間１３ａ）へと降下した液体還元剤は、還元剤噴射装置１１への接続部位近傍の部分１３２Ｌに滞留する。しかしながら、この部分１３２Ｌに滞留した液体還元剤は、たとえ凍結しても、エンジン１が始動されれば、排気マニホールド２１等排気通路２から還元剤噴射装置１１への伝導熱を受熱して速やかに解氷する。このため、還元剤供給配管１３の第１の降下区間１３ａにはヒータを持たないデリバリホースを適用しても配管内で液体還元剤が凍結することによる不具合を解消することが出来る。
また、上述の掛け下がり構造における第２の掛け下がり構造部１３０ｂ（還元剤供給配管１３の第２の降下区間１３ｂ）へと降下した液体還元剤は、ヒータ付きのデリバリホースである還元剤導出配管１３ｈを通して還元剤タンク１２に戻るため配管内で凍結するおそれがない。

この場合、第２の掛け下がり構造部１３０ｂである還元剤供給配管１３の第２の降下区間１３ｂは、その鉛直方向の高さが単調減少するが如く降下しているため、配管の途中に液体還元剤が滞留することがない。
還元剤導出配管１３ｈについては、その鉛直方向の高さが単調減少せず、降下から上昇に転じる凹状になった部分が、図示の例では、２箇所存在する。一つは、その鉛直方向の高さが他部との相対において最も低くなった最下点部分１３３Ｌであり、もう一つは、最下点部分１３３Ｌよりも多少高い極下点部分１３４Ｌである。

上述のような最下点部分１３３Ｌや極下点部分１３４Ｌには液体還元剤の滞留が懸念される。しかしながら、本実施形態のシステムでは、既述の掛け下がり構造における第２の掛け下がり構造部１３０ｂである還元剤供給配管１３の第２の降下区間１３ｂ内の液体還元剤の水頭圧で、最下点部分１３３Ｌや極下点部分１３４Ｌ内の液体還元剤は還元剤タンク１２に戻される。

極低温の環境下では、一般的には、エンジンが停止した後、還元剤供給配管内に液体還元剤が残っている場合、液体還元剤が凍り、還元剤供給配管が膨張すること等に起因して故障等の不具合が起こるおそれがある。このため、エンジン停止時（イグニッションスイッチがオフの時）にモータを逆回転させ、吸い戻しを行うことが行われている。このような吸い戻しに支障を来さないようにするために、還元剤タンクから還元剤噴射装置までの経路では、自由な高さ関係で還元剤供給配管の配策レイアウトを行うことが困難であった。
しかしながら、本実施形態では、還元剤供給配管１３の配策レイアウトとして、敢えて上述のような掛け下がり構造を採用したため、還元剤供給配管１３内での液体還元剤の滞留や、凍結に起因する不具合の発生のおそれが払拭される。

本実施形態によれば、以下の効果が奏される。
（１）本実施形態の排気浄化システムは、車両に搭載されるエンジン１の前方側１ａのエンジン１の上部１ｕよりも低い位置に設けられ、エンジン１の排気通路２に接続されて排気を浄化する排気浄化装置１０と、排気浄化装置１０に接続され、排気浄化装置１０に液体還元剤を噴射する還元剤噴射装置１１と、エンジン１の後方側１ｂのエンジン１の上部１ｕよりも低い位置に設けられ、還元剤噴射装置１１に供給される液体還元剤を貯留する還元剤タンク１２と、還元剤タンク１２と還元剤噴射装置１１とを結びエンジン１上方に位置してエンジン１からの熱を受ける上方受熱区間１３ｕを有するように配策された還元剤供給配管１３と、を備える。

上記（１）の本実施形態の排気浄化システムによれば、エンジン１停止後、還元剤供給配管１３の上方受熱区間１３ｕに滞留している液体還元剤は、自重によりエンジン１の前後に分かれて管内を降下する。即ち、図示の例では、前側の第１の降下区間１３ａと後ろ側の第２の降下区間１３ｂとに分かれて管内を降下する。第１の降下区間１３ａ側に降下した液体還元剤は、たとえ凍結しても、エンジン１が始動されれば、排気通路２から還元剤噴射装置１１への伝導熱を受熱して速やかに解氷する。このため、還元剤供給配管１３の第１の降下区間１３ａにはヒータを持たないデリバリホースを適用しても配管内で液体還元剤が凍結することによる不具合を解消することが出来る。また、第２の降下区間１３ｂ側に降下した液体還元剤は、還元剤タンク１２側に戻るため配管内で液体還元剤が凍結するおそれが無くなる。従って、還元剤供給配管１３がエンジンルーム外にも配策されるようなレイアウトにも適合し、還元剤供給配管１３をヒータ付配管にする必要がある部分は極めて限られたものとなり、初期コスト及びランニングコストが低減される。

（２）上記（１）の排気浄化システムの一態様においては、エンジン１の上方部分を覆うエンジンカバー３を更に備え、エンジンカバー３は、還元剤供給配管１３の上方受熱区間１３ｕを上方から覆うように配置される。

上記（２）の排気浄化システムでは、上記（１）の排気浄化システムにおいて更に、エンジンカバー３によって還元剤供給配管１３の上方受熱区間１３ｕにおける受熱効果が促進され、還元剤供給配管１３内で液体還元剤が凍結するおそれが一層低減される。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。

１…エンジン
１ａ…前方側
１ｂ…後方側
１ｕ…上部
２…排気通路
３…エンジンカバー
１０…排気浄化装置
１１…還元剤噴射装置
１２…還元剤タンク
１３…還元剤供給配管
１３ａ…第１の降下区間
１３ｂ…第２の降下区間
１３ｕ…上方受熱区間

Claims (2)

1. 車両に搭載される内燃機関の前方側の前記内燃機関の上部よりも低い位置に設けられ、前記内燃機関の排気通路に接続されて排気を浄化する排気浄化装置と、
   前記排気浄化装置に接続され、前記排気浄化装置に液体還元剤を噴射する還元剤噴射装置と、
   前記内燃機関の後方側の前記内燃機関の上部よりも低い位置に設けられ、前記還元剤噴射装置に供給される液体還元剤を貯留する還元剤タンクと、
   前記還元剤タンクと前記還元剤噴射装置とを結び、前記内燃機関の上方に位置して前記内燃機関からの熱を受ける上方受熱区間を有するように配策された還元剤供給配管と、を備える排気浄化システム。
2. 前記内燃機関の上方部分を覆う内燃機関カバーを更に備え、
   前記内燃機関カバーは、前記還元剤供給配管の前記上方受熱区間を上方から覆うように配置される請求項１に記載の排気浄化システム。

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