JP7238711B2 - 内燃機関の尿素水添加システム - Google Patents

Description

本開示は内燃機関の尿素水添加システムに係り、特に、ディーゼルエンジンにおいて選択還元型ＮＯｘ触媒に尿素水を供給するための尿素水添加システムに関する。

かかる尿素水添加システムでは、ＮＯｘ触媒の上流側の位置で添加モジュールから排気管内に尿素水を添加し、尿素水を加水分解して得られるアンモニアと、ＮＯｘとをＮＯｘ触媒で反応させることで、排気中のＮＯｘを還元浄化する。

添加モジュールには尿素水供給管を通じて尿素水が供給される一方、添加モジュールおよびその内部の尿素水を排気熱から保護するため、添加モジュールには冷却水供給管を通じて冷却水も供給される。冷却水にはエンジン冷却水が用いられる。

特開２０１５－１９７０７９号公報

ところで低温環境下では、尿素水が尿素水供給管内で凍結する虞がある。そのため、尿素水供給管に冷却水供給管を沿わせ、温水となった冷却水の熱により尿素水を加熱することが考えられる。

しかし、一般的には冷却水の温度が高すぎるため、単に冷却水により尿素水を加熱するだけでは、尿素水の品質が低下する虞がある。

そこで本開示は、上記課題に鑑みて創案され、その目的は、尿素水の加熱に際して尿素水の品質低下を抑制することができる内燃機関の尿素水添加システムを提供することにある。

本開示の一の態様によれば、
排気管内に尿素水を添加するための添加モジュールと、
前記添加モジュールに尿素水を供給する尿素水供給管と、
前記添加モジュールに冷却水を供給する冷却水供給管と、
前記冷却水供給管から分岐された分岐管と、
前記分岐管における冷却水の流れを制御する制御弁と、
前記添加モジュールの近傍で前記尿素水供給管と前記分岐管とを結束する保温材と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の尿素水添加システムが提供される。

好ましくは、前記内燃機関は、エンジンルーム内に配置された吸気入口と、前記吸気入口から吸い込まれた吸気の温度を検出する吸気温センサとを備え、
前記尿素水添加システムは、尿素水の温度を検出する温度センサと、前記吸気温センサおよび前記温度センサの検出値に基づいて前記制御弁を制御する制御ユニットとを備え、
前記制御ユニットは、前記温度センサにより検出された尿素水温度が所定の閾値未満で、かつ前記吸気温センサにより検出された吸気温が所定の閾値未満という開弁条件の成立時に前記制御弁を開弁し、前記開弁条件の非成立時に前記制御弁を閉弁する。

好ましくは、前記保温材は、アラミドクロスを含む。

本開示によれば、尿素水の加熱に際して尿素水の品質低下を抑制することができる。

本開示の実施形態に係る車両の構成を示す概略平面図である。 保温材による結束部の構造を示す断面図である。 図２のＩＩＩ－ＩＩＩ断面図である。 保温剤の構造を示す断面図である。 制御ルーチンのフローチャートである。

以下、添付図面を参照して本開示の実施形態を説明する。なお本開示は以下の実施形態に限定されない点に留意されたい。

図１は、本実施形態に係る車両の構成を示す概略平面図である。本実施形態の車両は作業車であり、例えば除雪車である。車両に搭載される内燃機関（エンジンともいう）１はディーゼルエンジンである。しかしながら、内燃機関および車両の種類、用途等は特に限定されない。車両の前後左右上下の各方向は図示の通りである。

車両はラダーフレームを有し、図にはその一部である左右のサイドメンバ２Ｌ，２Ｒが示される。エンジン１は、図示しないキャブの下方で左右のサイドメンバ２Ｌ，２Ｒ間のエンジンルーム３内に縦置きで配置されている。

エンジン１の排気管４には、上流側から順に、排気中の未燃成分（ＣＯ，ＨＣ）を酸化する酸化触媒５と、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタ６と、排気中のＮＯｘを還元する選択還元型ＮＯｘ触媒７と、ＮＯｘ触媒７から排出された余剰アンモニアを酸化するアンモニア酸化触媒８が設けられる。

フィルタ６とＮＯｘ触媒７の間の位置における排気管４には、排気管４内に尿素水を添加するための添加モジュール９が設けられる。添加モジュール９は、実質的に尿素水添加を行う添加弁１０と、添加弁１０を支持すると共に冷却水通路が内部に形成されたハウジング１１とを有する。冷却水通路を流れる冷却水によって添加弁１０とその内部の尿素水とが冷却され、排気熱から保護される。

添加弁１０から添加された尿素水は加水分解されてアンモニアを生成する。このアンモニアと排気中のＮＯｘとがＮＯｘ触媒７内で反応することで、排気中のＮＯｘが還元浄化される。

エンジン１には、吸気を濾過するエアクリーナ１２が設けられ、エアクリーナ１２の入口１３はエンジンルーム３内に配置、開口される。これによりエンジン１には、降雪時等の低温環境下でも、エンジンルーム３内の比較的暖かい吸気が導入される。エアクリーナ１２の入口１３は、エンジン１の吸気入口をなすものである。

車両には、エンジンを制御するためのエンジン制御ユニット（ＥＣＵ（Engine Control Unit）という）１００と、吸気温を検出するための吸気温センサ１４と、ＮＯｘ触媒７より上流側の排気のＮＯｘ濃度を検出するための上流ＮＯｘセンサ１５と、ＮＯｘ触媒７より下流側の排気のＮＯｘ濃度を検出するための下流ＮＯｘセンサ１６とが設けられる。ＥＣＵ１００は、これらセンサを含む複数のセンサの検出値に基づいてエンジン１の燃料噴射量等を制御する。

吸気温センサ１４は、エアクリーナ１２の内部であって交換可能なクリーナエレメント（図示せず）の下流側に配置されている。なお吸気温センサ１４は、エアクリーナ１２の下流側の吸気管に配置されてもよい。上流ＮＯｘセンサ１５および下流ＮＯｘセンサ１６は、それぞれＮＯｘ触媒７の上流側および下流側に配置されている。上流ＮＯｘセンサ１５は、フィルタ６の下流側かつ添加弁１０の上流側に配置され、下流ＮＯｘセンサ１６は、ＮＯｘ触媒７の下流側かつアンモニア酸化触媒８の上流側に配置されている。

次に、尿素水添加システムを説明する。

尿素水添加システムは、前述の添加モジュール９と、尿素水を貯留する尿素水タンク２１と、尿素水タンク２１から尿素水を吸引して添加モジュール９に向けて圧送する供給モジュール２２と、添加弁１０および供給モジュール２２を制御する添加制御ユニット（ＤＣＵ（Dosing Control Unit）という）２００とを備える。

供給モジュール２２は、図示しないが、尿素水タンク２１から尿素水を吸引して吐出する尿素水ポンプと、尿素水の流れの向きを順流方向と逆流方向に切り替えるリバーティングバルブとを備える。図中破線で示すように、尿素水ポンプの作動時でかつリバーティングバルブが順流側に切り替えられているときには、尿素水タンク２１の尿素水が吸引管２３を通じて供給モジュール２２に送られ、次いで供給管２４を通じて添加弁１０に供給される。他方、尿素水ポンプの作動時でかつリバーティングバルブが逆流側に切り替えられているときには、添加弁１０および供給管２４内の尿素水が逆流されて供給モジュール２２に戻され、次いで戻り管２５を通じて尿素水タンク２１に戻される。これにより尿素水を回収し、低温環境下での車両およびエンジン停止中に添加弁１０と尿素水タンク２１の間の経路で尿素水が凍結するのを抑制できる。

ＤＣＵ２００は、ＥＣＵ１００に通信可能に接続され、ＥＣＵ１００と共に制御ユニットを構成する。ＤＣＵ２００は、ＥＣＵ１００から送られた燃料噴射量等の情報を基に、エンジン運転状態に適した目標添加量を計算し、この目標添加量に等しい量の尿素水を添加弁１０から噴射させる。

ところで、外気温が尿素水の凝固点（例えば－１１℃）以下となっている低温環境下で、車両およびエンジンが停止状態で放置されると、尿素水が凍結し、次回運転時の尿素水添加に支障を来す虞がある。よって尿素水添加システムでは、凍結した尿素水を解凍するため、あるいは尿素水の凍結を防止するため、エンジン冷却水である冷却水を用いて尿素水を加熱するようにしている。冷却水は温水とも称される。

図中実線で示すように、冷却水は、エンジン１から水供給管３１を通じて、添加モジュール９のハウジング１１内の冷却水通路に送られる。そしてその冷却水通路から、水戻り管３２を通じてエンジン１に戻される。こうして冷却水はエンジン１と添加モジュール９の間で常時循環されることとなる。

他方、水供給管３１から分岐供給管３３が分岐され、この分岐供給管３３内を流れる冷却水により尿素水が加熱される。分岐供給管３３には、冷却水の流れを制御する制御弁３４が設けられ、制御弁３４が開弁されたとき冷却水が流れ、制御弁３４が閉弁されたとき冷却水の流れが停止するようになっている。これにより必要なときのみ冷却水を流すことができる。制御弁３４はＤＣＵ２００により制御される。分岐供給管３３は、分岐位置Ａで水供給管３１から分岐され、合流位置Ｂで水戻り管３２に合流される。

分岐供給管３３の途中には、上流側から順に、制御弁３４、尿素水タンク２１および供給モジュール２２が設けられ、これらの内部に冷却水が流通されるようになっている。よって尿素水タンク２１および供給モジュール２２の内部にある尿素水を冷却水で加熱することができる。

供給モジュール２２の下流側に位置する分岐供給管３３は、尿素水を添加弁１０に供給する供給管２４に沿って配索される。分岐供給管３３と供給管２４の大部分は、例えばコルゲートチューブにより形成された保護管３４内に収容されて纏められる。

一方、添加モジュール９の近傍では、分岐供給管３３と供給管２４が、保温材３５により結束されている。詳しくは、添加モジュール９の近傍に位置する供給管２４の下流端部と、これに沿わせられた分岐供給管３３の部分とが、保温材３５により結束されている。これにより供給管２４内の尿素水と、分岐供給管３３内の冷却水とを、外気に対し保温もしくは断熱することができ、尿素水を冷却水で良好に保温もしくは加熱することができる。

なお、供給管２４より下流側に位置する分岐供給管３３の部分は、別の保護管３６内に収容されている。

図２および図３には、保温材３５による結束部の構造を示す。供給管２４の下流端部には、添加弁１０側のコネクタに接続するコネクタ４１が取り付けられている。この供給管２４の下流端部と分岐供給管３３とは、コネクタ４１の直前まで、保温材３５により結束され、互いに接触もしくは隣接されている。これにより冷却水の熱を尿素水に効率よく伝達できる。

図４に示すように、保温材３５は、シート状またはテープ状の部材により形成される。保温材３５は、表層側から順に積層された、例えばアルミ箔からなる金属箔層４２と、例えばアラミドクロスからなる繊維層４３と、接着剤層４４と、例えばポリエステルからなる不織布層４５とを有する。保温材３５の一端または両端で不織布層４５が除去され、接着剤層４４が露出される。不織布層４５を内側にした状態で、供給管２４と分岐供給管３３の外側に、両管を密接させながら保温材３５を巻き付け、一端の接着剤層４４を金属箔層４２の表面に貼り付けて固定し、巻き付け作業を完了する。これにより保温材３５の取り付けを容易に行うことができる。

アラミドクロスは、アラミド繊維を織って作られた布もしくはシートであり、優れた断熱性を有する。よって保温材３５にアラミドクロスを含めることによって、保温材３５の断熱性能を高めることができる。

図２および図３に示すように、保温材３５による結束部は、さらに別の保護管４６の中に収容される。なお上記の保護管３４，３６，４６には保温機能もしくは断熱機能が実質的に存在しない。

図１に戻って、尿素水タンク２１の内部には、尿素水の温度を検出する温度センサ５１が設置され、その検出信号はＤＣＵ２００に送られる。

次に、制御について説明する。エンジン始動後、ＤＣＵ２００は、図５に示すルーチンに従って制御弁３４を制御する。ルーチンは所定の演算周期τ（例えば１０ｍｓｅｃ）毎に繰り返し実行される。

まずステップＳ１０１で、ＤＣＵ２００は、温度センサ５１により検出された尿素水温度Ｔｕが所定の閾値Ｔｕｓ未満か否かを判断する。閾値Ｔｕｓは、添加弁１０に供給される尿素水が確実に凍結していないと推定される温度の最小値とされ、例えば１０℃である。

尿素水温度Ｔｕが閾値Ｔｕｓ以上のとき、添加弁１０に供給される尿素水は凍結していないと推定されるため、ＤＣＵ２００はステップＳ１０４に進んで制御弁３４を閉弁する。これにより分岐供給管３３における冷却水の流れは停止され、供給管２４内の尿素水の積極加熱は停止される。

他方、尿素水温度Ｔｕが閾値Ｔｕｓ未満のとき、ＤＣＵ２００はステップＳ１０２に進み、吸気温センサ１４により検出された吸気温Ｔｉが所定の閾値Ｔｉｓ未満か否かを判断する。閾値Ｔｉｓは、添加弁１０に供給される尿素水が確実に凍結していないと推定される温度の最小値とされ、例えば２５℃である。

吸気温Ｔｉが閾値Ｔｉｓ以上のとき、添加弁１０に供給される尿素水は凍結していないと推定されるため、ＤＣＵ２００はステップＳ１０４に進んで制御弁３４を閉弁する。

他方、吸気温Ｔｉが閾値Ｔｉｓ未満のとき、ＤＣＵ２００はステップＳ１０３に進み、制御弁３４を開弁する。これにより分岐供給管３３内には、水供給管３１から導入された高温かつ新規の冷却水が順次流され、供給管２４内の尿素水は、分岐供給管３３内の冷却水により積極的に加熱される。

このように、Ｔｕ＜ＴｕｓかつＴｉ＜Ｔｉｓのとき開弁条件が成立し、制御弁３４が開弁される。他方、Ｔｕ≧ＴｕｓまたはＴｉ≧Ｔｉｓのとき開弁条件が非成立となり、制御弁３４が閉弁される。

低温環境下（例えば外気温が－２５℃）で車両およびエンジンが長時間停止された場合、供給管２４等の内部では尿素水が凍結している。このときにはエンジン始動後、ステップＳ１０１，Ｓ１０２がイエスとなり、制御弁３４が開弁され、分岐供給管３３に冷却水が流される。これにより尿素水が積極加熱され解凍される。

その後、尿素水温度Ｔｕが閾値Ｔｕｓ以上に上昇すると、ステップＳ１０１がノーとなり、制御弁３４が閉弁され、分岐供給管３３の冷却水の流れが停止される。

その後、この状態を放置すると、尿素水温度Ｔｕがやがて閾値Ｔｕｓ未満に低下する。こうなるとステップＳ１０１がイエスとなり、ステップＳ１０２もイエスならば制御弁３４が開弁され、尿素水の再凍結が防止される。このように尿素水温度Ｔｕを閾値Ｔｕｓ付近に維持するよう制御が働く。

ここでエンジン運転中、水供給管３１と水戻り管３２には、最大で８０～９０℃程度の比較的高温の冷却水がほぼ常時流される。一方、尿素水は、その温度が約４０℃の上限値を超えると品質が低下する。従って水供給管３１または水戻り管３２内の冷却水で尿素水を加熱すると、冷却水の温度が高すぎて尿素水の品質が低下する虞がある。

そこで本実施形態では、分岐供給管３３の冷却水により供給管２４内の尿素水を加熱する。分岐供給管３３には制御弁３４が設けられているため、分岐供給管３３内には冷却水が間欠的もしくは選択的に流される。分岐供給管３３内の冷却水は、水供給管３１および水戻り管３２内の冷却水より低温である。そのため本実施形態によれば、より低温の冷却水により尿素水を加熱することで、尿素水の品質低下を抑制することができる。

ところで、本実施形態の車両と異なる車両、例えば一般的なトラックでは、キャブ背面のバーチカルダクトに吸気入口が設けられ、この吸気入口から外気を直接吸入する。そのため、吸気温センサ１４で検出される吸気温は外気温にほぼ等しい。しかし本実施形態の車両、例えば除雪車だと、エンジンルームＲ内にエアクリーナ１２の入口１３が設けられている。エンジンルームＲ内は概して車外より高温であり、エンジン運転中はエンジンからの放熱があるので尚更である。このため、エンジン運転中に吸気温センサ１４で検出される吸気温は、外気温より高温側に乖離している。

そのため、低温環境下でのエンジン始動後に一旦制御弁３４が開弁され、尿素水解凍後に閉弁され、さらにその後、尿素水温度Ｔｕが閾値Ｔｕｓを下回っても（ステップＳ１０１：イエス）、吸気温Ｔｉが閾値Ｔｉｓを下回らないため（ステップＳ１０２：ノー）、制御弁３４が開弁せず閉じたままとなることがある。こうなると、分岐供給管３３内に新たな高温の冷却水が流されないため、尿素水、特に下流側の供給管２４内の尿素水が再凍結する虞がある。

因みに、再凍結が起こると添加弁１０から尿素水が添加されなくなるため、上流および下流ＮＯｘセンサ１５，１６の検出値に基づいてＥＣＵ１００が算出するＮＯｘ浄化率が異常なほど低下し、ＥＣＵ１００がエンジン故障と診断する。こうなるとエンジン停止後、フィルタ手動再生等の何等かの措置を施さない限り、エンジンを再始動することが禁止されてしまう。

そこで本実施形態では、添加モジュール９の近傍で供給管２４と分岐供給管３３とを保温材３５により結束する。こうすると、添加モジュール９の近傍すなわち供給管２４の下流端部で尿素水凍結を抑制できる。この位置で冷却水が滞留していても、冷却水が外気から保温されているため、その温度低下が少なく、この冷却水の残留熱により尿素水を保温することができる。この位置で尿素水凍結を抑制できれば、尿素水を添加弁１０から噴射させ、少なくとも尿素水の流れを確保できるので、より上流側の供給管２４、さらには尿素水タンク２１から供給モジュール２２までの経路を含む全経路で尿素水凍結を抑制できる。

こうして、最初の解凍後に尿素水が再凍結するのを抑制することができる。そして尿素水再凍結により誤ってエンジン故障と診断されることも回避できる。

上記の説明で理解されるように、本実施形態の供給管２４、水供給管３１および分岐供給管３３は、それぞれ特許請求の範囲にいう尿素水供給管、冷却水供給管および分岐管に相当する。

以上、本開示の実施形態を詳細に述べたが、本開示は他の実施形態も可能である。

（１）例えば、保温材は上記構造でなくてもよい。例えば、金属箔層４２と接着剤層４４と不織布層４５との少なくとも一つを省略することができる。また繊維層４３には、アラミドクロス以外の布を用いてもよい。繊維層４３を、断熱効果のある他の層で置換してもよい。

（２）添加モジュール９の近傍より上流側の位置で、分岐供給管３３と供給管２４を保温材により結束してもよい。

本開示の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本開示の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本開示に含まれる。従って本開示は、限定的に解釈されるべきではなく、本開示の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

１ 内燃機関
４ 排気管
９ 添加モジュール
１４ 吸気温センサ
２４ 供給管
３１ 水供給管
３３ 分岐供給管
３４ 制御弁
３５ 保温材
１００ エンジン制御ユニット
２００ 添加制御ユニット

Claims (3)

1. 作業車に適用される内燃機関の尿素水添加システムであって、
   排気管内に尿素水を添加するための添加モジュールと、
   前記添加モジュールに尿素水を供給する尿素水供給管と、
   前記添加モジュールに冷却水を供給する冷却水供給管と、
   前記冷却水供給管から分岐された分岐管と、
   前記分岐管における冷却水の流れを制御する制御弁と、
   前記添加モジュールの近傍で前記尿素水供給管と前記分岐管とを結束する保温材と、
   を備え、
   前記内燃機関は、エンジンルーム内に配置された吸気入口と、前記吸気入口から吸い込まれた吸気の温度を検出する吸気温センサとを備え、
   前記尿素水添加システムは、尿素水の温度を検出する温度センサと、前記吸気温センサおよび前記温度センサの検出値に基づいて前記制御弁を制御する制御ユニットとを備え、
   前記制御ユニットは、前記温度センサにより検出された尿素水温度が所定の閾値未満で、かつ前記吸気温センサにより検出された吸気温が所定の閾値未満という開弁条件の成立時に前記制御弁を開弁し、前記開弁条件の非成立時に前記制御弁を閉弁する
   ことを特徴とする内燃機関の尿素水添加システム。
2. 前記作業車は除雪車である
   請求項１に記載の内燃機関の尿素水添加システム。
3. 前記保温材は、アラミドクロスを含む
   請求項１または２に記載の内燃機関の尿素水添加システム。

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