WO2005024194A1 - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

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Toshio Kondou
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    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to an exhaust gas purification device for an engine, and more particularly, to a nitrogen oxide gas (hereinafter referred to as “NOx”) that also discharges power such as a vehicle-mounted diesel engine and a gasoline engine.
  • NOx nitrogen oxide gas
  • an exhaust gas purifying apparatus that purifies the exhaust gas by using a precursor thereof as a reducing agent, particularly by improving the supply system of the reducing agent, the original function of the exhaust gas purifying apparatus is maintained and optimized.
  • a nitrogen oxide gas hereinafter referred to as “NOx”
  • This is configured to include a reducing catalyst provided in an exhaust passage of an engine, and to supply a reducing agent upstream of the reducing catalyst so that NOx in the exhaust gas reacts with the reducing agent. It detoxifies NOx.
  • the supplied reducing agent is stored in a storage tank at normal temperature and in a liquid state, and a required amount of the reducing agent is injected by the injection nozzle.
  • a reducing agent urea, which easily generates ammonia having good reactivity with NOx by hydrolysis or the like, is generally used.
  • the storage tank may store the aqueous solution of urea, the aqueous solution of ammonia, or other aqueous solutions of reducing agents.
  • a heating wire for heating the entire or main part of the storage tank and the supply piping system of the reducing agent is provided.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-027627
  • the exhaust gas purification device described above has the following problems.
  • this method when the concentration of the reducing agent contained in the reducing agent aqueous solution changes, if the driver continues to operate the engine without knowing this, the amount of ammonia added to the exhaust gas will deviate from the appropriate value. It may not be possible to obtain the NOx purification ratio.
  • mixing the reducing agent with water Continued operation of the engine despite improper proportions (i.e. concentration) or mixing of different aqueous solutions or insufficient amount of reducing agent may lead to large NOx emissions. .
  • the storage tank and the supply piping system for the reducing agent are heated to prevent the aqueous solution of the reducing agent from freezing as a measure against the cold season. In such a case, since the change in the concentration of the reducing agent cannot be known, the above inconvenience cannot be avoided.
  • the heat of the road surface heat is radiated by the engine and the muffler force, and the reducing agent in the storage tank may be exposed to a high temperature equal to or higher than a predetermined temperature.
  • a small amount of ammonia-based gas may be generated from the aqueous solution of the reducing agent in the storage tank or the supply piping system.
  • the present invention provides a concentration detecting device for detecting the concentration of the reducing agent stored in the storage tank, and performs an appropriate countermeasure based on the detected concentration as basic information.
  • the purpose is to enable driving.
  • the present invention provides a device for heating the reducing agent in the storage tank or the supply piping system as a countermeasure in the cold season, thereby enabling a stable supply of the reducing agent and a stable detection of the concentration by the concentration detecting device.
  • the purpose is to:
  • an object of the present invention is to provide a device for cooling a storage tank or a supply piping system for a reducing agent, as a measure against the extremely hot season, and to prevent the generation of ammonia in the storage tank or the supply piping system.
  • the present invention provides an exhaust purification device for an engine.
  • a reducing catalyst for promoting reduction of nitrogen oxides is provided in an exhaust passage of an engine, and a reducing agent for reducing nitrogen oxides in exhaust gas is stored in a storage tank. Then, it is supplied upstream of this reduction catalyst.
  • a device for detecting the concentration of this reducing agent will be installed in the storage tank, and a device for heating the reducing agent in the storage tank will be installed.
  • a reducing catalyst for promoting reduction of nitrogen oxides is provided in an exhaust passage of an engine, and a reducing agent for reducing nitrogen oxides in exhaust gas is stored in a storage tank. Power Supply upstream of this reduction catalyst. A device to detect the concentration of this reducing agent will be installed in the storage tank, and a device to cool the reducing agent in the storage tank will be installed. The invention's effect
  • the concentration of the reducing agent detected by the concentration detecting device is adopted as basic information, and based on the information, it is determined whether or not the exhaust purifying device is properly functioning. In addition to judging the situation, if it is not functioning properly, it will be possible to take necessary measures and suppress NOx emissions.
  • the heating device heats the reducing agent in the storage tank and prevents it from freezing, so that the reducing agent is supplied stably and the concentration of the reducing agent is stabilized by the concentration detection device. Can be detected. Even if the moisture near the wall of the storage tank freezes and the concentration of the reducing agent rises in the center of the tank, knowing the change with the concentration detector allows the proper functioning of the exhaust gas purification device to be maintained. it can.
  • the appropriate function of the exhaust gas purification device is maintained based on the concentration information, and the storage tank is configured to radiate heat from the road surface and exhaust heat of the engine during an extremely hot season.
  • the cooling device cools the reducing agent in the storage tank, thereby preventing generation of ammonia-based gas. Even if the concentration falls due to the generation of ammonia-based gas, the concentration detector can respond to this change.
  • FIG. 1 shows a configuration of an exhaust gas purification apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 A main part of a reducing agent storage tank provided in the exhaust gas purification apparatus shown in FIG.
  • FIG. 4 Heat exchange pipe of the heat exchange device shown in FIG.
  • FIG. 5 (a) is a modification of the thermal connection structure between the heat exchange pipe and the supply pipe and return pipe of the reducing agent shown in FIG. 3, and (b) is a cross section taken along line Vb-Vb of (a).
  • FIG. 11 Modification of a reducing agent storage tank subjected to heat insulation treatment
  • FIG. 1 shows a configuration of an exhaust purification device for an engine 1 according to an embodiment of the present invention.
  • Engine 1 is a diesel engine mounted on a vehicle.
  • the exhaust of the engine 1 is discharged from the exhaust manifold 2 into the atmosphere via an exhaust pipe 4 provided with a NOx reduction catalyst 3.
  • the exhaust pipe 4 is provided with three catalysts, an oxidation catalyst for nitrogen monoxide (hereinafter referred to as “N 0”), a reduction catalyst 3 for NOx, and an oxidation catalyst for ammonia, in this order from the upstream side.
  • the exhaust system of the engine 1 includes an exhaust pipe 4, three catalysts, a temperature sensor disposed before and after the reduction catalyst 3, a NOx sensor, and the like. It is not shown in detail.
  • the NOx sensor is for detecting the concentration of NOx contained in the exhaust gas after reduction.
  • the NO oxidizing catalyst oxidizes hydrocarbons in the exhaust gas and converts NO in the exhaust gas to NOx mainly composed of nitrogen dioxide (hereinafter referred to as “N02”). It functions to adjust the ratio of NO and N02 contained in the exhaust gas to an optimum value for the reduction of NOx by the reduction catalyst 3.
  • the ammonia oxidation catalyst does not contribute to the reduction of NOx on the reduction catalyst 3, and is for purifying the slip ammonia that has passed through the reduction catalyst 3.
  • the reducing agent 3 is supplied to the NOx reduction catalyst 3 by a reducing agent supply device (hereinafter, simply referred to as “supply device”) 10.
  • supply device a reducing agent supply device
  • urea is employed as the reducing agent, and solid or powdered urea is stored in the storage tank 20 in the form of an aqueous solution.
  • the urea water stored in the storage tank 20 is injected by an injection nozzle 11 installed on the upstream side of the reduction catalyst 3, and is supplied into the exhaust pipe 4.
  • the supply device 10 and the injection nozzle 11 constitute an air-assist type injection device.
  • the urea water in the storage tank 20 is introduced into the supply device 10 through the supply pipe 13 and is injected together with air from the injection nozzle 11.
  • an ammonia aqueous solution or the like may be used as the reducing agent aqueous solution.
  • the injected urea water is hydrolyzed by exhaust heat in the exhaust pipe 4 to generate ammonia.
  • the generated ammonia reacts with NOx in the exhaust gas on the NOx reduction catalyst 3, and purifies the NOx into water and harmless gas.
  • the supply pipe 13 corresponds to the “reducing agent supply pipe” of the present invention.
  • the urea water is sucked from the suction port 12 of the supply pipe 13 located near the center of the bottom of the storage tank 20, and is supplied to the supply device 10 and the injection nozzle 11 via the supply pipe 13.
  • the supply device 10 is connected to the storage tank 20 by a return pipe 14, and excess urea water is returned to the storage tank 20 via the return pipe 14.
  • the return pipe 14 is open at the upper center in the storage tank 20.
  • the storage tank 20 is disposed on the first circulation path 30.
  • the first circulation path 30 is a cooling water circulation path force (not shown) of the engine 1 and is defined as a "first path". It is formed by “piping”. Further, in the first circulation path 30, a first three-way valve 31, a pump 32, an electromagnetic valve 33, a heat exchange device 40, and a second three-way valve 34 are also arranged in order of the upstream force.
  • the heat exchange device 40 exchanges heat between the cooling water of the engine 1 and the urea water in the storage tank 20.
  • a heat exchange pipe 41 as a “pipe member” of the present invention.
  • the heat exchange pipe 41 is formed in a substantially U shape, and the U-shaped turn is disposed near the bottom of the storage tank 20.
  • the first circulation path 30 is obtained from the engine 1.
  • the cooling water of the engine 1 as the heat medium to be circulated is circulated, and functions as a heating device for heating the urea water in the storage tank 20 via the heat exchange pipe 41.
  • the first and second three-way valves 31, 34 sandwiching the storage tank 20 are connected to a second circulation path 50.
  • the second circulation path 50 is connected to the first circulation path 50.
  • a parallel passage to the passage 30 is formed by the “second pipe”.
  • a radiator 51 for radiating the cooling water of the circulating engine 1 is interposed. If the first three-way valve 31, the second three-way valve 34, and the solenoid valve 33 are switched in a direction to open the second circulation path 50, the second circulation path 50 and the first circulation path 30 A part of the cooling water circulates the cooling water radiated and cooled by the radiating device 51 and functions as a cooling device for cooling the urea water in the storage tank 20 via the heat exchange pipe 41.
  • FIG. 2 shows the configuration inside the storage tank 20 in detail.
  • a cap 22 is removably attached to a mounting port 21 provided in a lid portion of the storage tank 20 with bolts and nuts.
  • a urea water concentration detection device 60 is attached to the cap 22. I have.
  • the concentration detecting device 60 is fixed to the cap 22 by the flange 23, and the detecting portion 61 of the concentration detecting device 60 hangs from the cap 22 into the storage tank 20.
  • the detection unit 61 is disposed above the center of the bottom of the storage tank 20, and detects the concentration of urea water based on the temperature difference between the following two built-in temperature sensors (not shown).
  • the detector 61 has a built-in heater and temperature sensors provided at two different points, and one of the temperature sensors is disposed on or near the heater.
  • the concentration detection device 60 By driving the heater and comparing the detection values of the two temperature sensors, the concentration of urea water around the heater can be detected. Therefore, according to the concentration detection device 60, not only the concentration of urea water but also the type of liquid (light oil, kerosene or water, etc.) filled in the storage tank 20 instead of the reducing agent, and the distinction between air and liquid It is also possible to detect a shortage of urea water or a residual amount of urea water. As an example of a concentration detector, a concentration detector manufactured and sold by Mitsui Kinzoku Mining Co., Ltd. is known. Yes.
  • the detection value of the concentration detecting device 60 is input to a display or alarm device 65, and is also input to a control device 66 configured as a computer. Various operating states of the engine 1 are also input to the control device 66.
  • the concentration of urea water in the storage tank 20 can be detected based on the detection value of the concentration detector 60, and the concentration of urea water supplied into the exhaust pipe 4 can be constantly grasped. it can. For this reason, based on the basic information of the concentration of urea water, necessary measures can be taken against changes in the concentration of urea water and NOx emissions can be suppressed. The same applies to the case where the urea water near the wall surface of the storage tank 20 freezes during the cold season and the concentration of the stored urea water changes.
  • the heat exchange pipe 41 of the heat exchange device 40 is curved in a U-shape that is convex downward with respect to the vertical direction of the storage tank 20, and surrounds a lower portion of the concentration detection device 60 including the detection unit 61. ing.
  • the vertical section of the heat exchange pipe 41 is integrated with the vertical section of the supply pipe 13 (corresponding to the “suction section” of the present invention) 131 and the vertical section of the return pipe 14 by welding or the like. During this time, heat exchange by heat transfer is performed favorably. Therefore, when the cooling water of the engine 1 flowing in the heat exchange device 40 is higher in temperature than the urea water in the storage tank 20, the heat exchange device 40 functions as a heating device for the urea water. On the other hand, when the temperature is low, it functions as a cooling device for urea water.
  • the welds between the vertical portions of the heat exchange pipe 41 and the supply pipe 13 form the “heat transfer body” of the present invention.
  • the storage tank 20 is provided with a temperature sensor 45 for detecting the temperature of the stored urea water.
  • the function of the heat exchange device 40 as a heating device or a cooling device is performed by operating the first three-way valve 31, the second three-way valve 34, and the electromagnetic valve 33 by the control device 66 to detect the temperature of the detected urea water. Can be switched according to The temperature sensor 45 , Corresponds to the “temperature detecting device” of the present invention.
  • FIG. 2 shows a state in which the urea water in the storage tank 20 is frozen.
  • the cooling water of the engine 1 flows through the heat exchange pipe 41 and the heat exchange device 40 functions as a heating device, so that the lower part of the concentration detection device 60 including the detection unit 61 and the supply pipe 13 The suction port 12 and the return port 15 of the return pipe 14 are heated.
  • the lower portion of the concentration detector 60 does not freeze or is thawed after freezing. , Maintain liquid state. As a result, stable detection of the concentration of urea water becomes possible, and the reduction process of NOx can be accurately performed according to the detected concentration of urea water.
  • the storage tank 20 can also absorb and inject liquid urea water and can smoothly inject it into the exhaust pipe 4 by the injection nozzle 11.
  • the cooling water of the engine 1 is adopted as the heat medium obtained from the engine 1 and circulated to heat the urea water, so that the efficiency of the engine 1 as a heat engine is good. Is maintained.
  • the heat medium obtained from the engine 1 in addition to the cooling water of the engine 1, lubricating oil of the engine 1, fuel in the fuel tank, exhaust gas, or the like may be used.
  • the storage tank 20 may be heated by the atmosphere, the road surface, the engine, or the like, and the stored urea water may rise to a high temperature and generate ammonia-based gas.
  • the cooling water of the engine 1 is radiated by the radiator 51.
  • heat is exchanged between the cooling water in the heat exchange pipe 41 and the high-temperature urea water, and the urea water is cooled. For this reason, the temperature of the urea water is properly maintained, and generation of ammonia-based gas in the storage tank 20 can be prevented.
  • FIG. 3 shows a modification of the heat exchange device 40 provided in the storage tank 20.
  • the heat exchange pipe 41 in order to enhance the heat exchange efficiency of the device 40, is provided with a heat radiating fin 42 (Fig. 4) as a heat radiation promoting device.
  • a heat radiating fin 42 Fig. 4
  • the cross-sectional shape of the heat exchange pipe 41 itself is complicated, for example, by forming irregularities on the peripheral surface of the heat exchange pipe 41 instead of or in addition to the installation of the heat dissipation fins 42.
  • the contact area between the pump 41 and the aqueous urea solution may be increased.
  • connection between the supply pipe 13 and the return pipe 14 and the heat exchange pipe 41 is performed by a method other than welding, as shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b). A combination may be used.
  • the supply pipe 13 and the return pipe 14 can be indirectly heated by the heat transfer via the connection fitting 43.
  • the connection fitting 43 corresponds to another “heat transfer body” of the present invention.
  • FIGS. 6 and 7 show other modifications of the heat exchange device 40, respectively.
  • the heat exchange pipe 41a shown in FIG. 6 is formed by forming one of the vertical portions of the U-shaped heat exchange pipe 41 shown in FIG. 2 into a spiral shape, and is disposed around the concentration detection device 60.
  • the heat exchange pipe 41b shown in FIG. 7 is obtained by folding the U-shaped heat exchange pipe 41 shown in FIG. 2 into a parallel double U-shaped pipe. Since these heat exchange pipes 41a and 41b both have a shape that intensively heats the space between the bottom surface of the storage tank 20 and the detection unit 61 of the concentration detection device 60, and the space around the detection unit 61, it freezes. It is possible to prevent freezing near the bottom wall of the storage tank 20 or to quickly thaw this part.
  • FIGs. 8 and 9 show still another modification of the heat exchange device.
  • protectors 70 are provided.
  • the protector 70 protects the detector 61 of the concentration detector 60 and the urea aqueous solution warning switch 62 provided above the detector 61.
  • the urea water partially freezes or is partially thawed after freezing after the engine 1 is stopped, so that a plurality of ice blocks B are stored in the storage tank 20.
  • Generated During traveling of the vehicle, the generated ice blocks B may collide with the detection unit 61 and the remaining amount alarm switch 62 due to the vertical vibration of the vehicle and the acceleration in front and rear, right and left, and may damage or damage them. is there.
  • the protector 70 prevents the collision of the ice block B, and prevents the detection unit 61 and the remaining amount alarm switch 62 from being damaged.
  • the protector 70 is configured by detachably attaching two metal band-shaped members between the heat exchange pipes 41.
  • the protector 70 is a plate-like partition wall 71 that divides the inside of the storage tank 20 in the horizontal direction (see FIG. Shown by lines. ).
  • the protector 70 includes two plate-shaped members 71 erected on both sides of a detection unit 61 and a remaining amount alarm switch 62 in parallel with a bottom wall of the storage tank 20.
  • the plate-shaped member 71 may be provided with a plurality of holes, or the plate-shaped member 71 itself may be formed in a net shape.
  • the ice block B is dammed by the protector 70, and the crossing of the ice block B between the two plate-like members 71 is hindered.
  • FIGS. 10 and 11 show a modified embodiment of the storage tank 20.
  • the storage tank 20 shown in Fig. 10 is obtained by spraying a foamed heat insulating material 81, which is a heat insulating material, on an outer wall of the storage tank 20 as a heat insulating treatment, and the foamed heat insulating material 81 keeps the heat inside the storage tank 20. .
  • the storage tank 20 shown in FIG. 11 has a double-walled outer wall as another heat-insulating treatment, and the outer wall is filled with a foamed heat-insulating material 82.
  • the inner wall is kept warm by the outer wall of the containing storage tank 20.
  • Each of them is effective as an auxiliary material to suppress the cooling of urea water in the cold season and avoid freezing. It has the effect of avoiding the rise.
  • the present invention can also be applied to a gasoline engine.

Abstract

  【課題】還元剤として尿素等を使用する排気浄化装置の適正な運転を可能とする。また、寒冷期における還元剤の安定した濃度検出及び安定した供給を可能とするとともに、酷暑期におけるアンモニア系ガスの発生を防止する。   【解決手段】エンジン1の排気浄化装置は、排気系に配設された還元触媒3に対し、貯蔵タンク20内の尿素水を供給するものである。この排気浄化装置において、貯蔵タンク20内に濃度検出装置60を設置し、検出された尿素水の濃度を還元剤の供給制御の基礎情報として採用する。また、貯蔵タンク20内の還元剤を加熱する加熱装置及びこれを冷却する冷却装置を設置し、好ましくは濃度検出装置の検出部61及び還元剤供給管13の吸込口12付近の還元剤を加熱する。                                                                                 

Description

明 細 書
エンジンの排気浄ィ匕装置
技術分野
[0001] 本発明は、エンジンの排気浄ィ匕装置に関し、詳細には、車載ディーゼルエンジン及 びガソリンエンジン等力も排出される窒素酸ィ匕物(以下「NOx」という。)を、アンモ- ァ又はその前駆体を還元剤に使用して浄ィ匕する排気浄ィ匕装置において、特に還元 剤の供給系の改良により、この排気浄ィ匕装置が持つ本来的機能の維持及び適正化 を図る技術に関する。
背景技術
[0002] エンジン力 排出される有害成分のうち、特に NOxを浄化するためのものとして、 次の排気浄化装置が提案されて 、る。
[0003] このものは、エンジンの排気通路に設置された還元触媒を含んで構成され、この還 元触媒の上流に還元剤を供給して、排気中の NOxとこの還元剤とを反応させること で、 NOxを無害化させるものである。供給される還元剤は、貯蔵タンクに常温、かつ 液体の状態で貯蔵されており、必要な量の還元剤が噴射ノズルにより噴射される。還 元剤には、 NOxとの反応性の良いアンモニアを加水分解等により容易に発生させる 尿素が用いられるのが一般的である。貯蔵タンクには、この尿素の水溶液のほ力、ァ ンモユア水溶液又は他の還元剤水溶液が貯蔵されてもよ 1ヽ。寒冷期における還元剤 水溶液の凍結のおそれに鑑み、還元剤の貯蔵タンク及び供給配管系の全体又は主 要部を加熱するための電熱線が配設されて ヽる。
特許文献 1:特開 2000-027627号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0004] し力しながら、上記の排気浄化装置には、次のような問題がある。このものでは、還 元剤水溶液に含まれる還元剤の濃度が変化したときに、運転者がこれを知らずにェ ンジンの運転を継続させると、排気に対するアンモニア添加量が適正値力 ずれ、所 期の NOx浄ィ匕率を得ることができなくなるおそれがある。特に、還元剤と水との混合 割合 (すなわち、濃度)が不適正であったり、あるいは異種水溶液の混入又は還元剤 の残量不足等が発生したにも関わらずエンジンの運転を継続させると、 NOxの大量 放出を招くおそれがある。
[0005] また、尿素水等、凝固点が水よりも低い還元剤水溶液を使用する場合は、寒冷期 において、還元剤水溶液よりも先に凝固点に達した水分の凍結が早期に発生する。 このため、貯蔵タンクの壁面近傍、すなわち、貯蔵タンク内の尿素水の外側カゝら水分 の凍結が開始して、タンク中央部で尿素水が濃縮されることとなり、供給配管系に取 り込まれる尿素水の濃度が徐々に増大していく。これにも関わらずエンジンの運転を 継続させると、 NOx浄ィ匕率が低下するば力りでなぐ過剰に発生したアンモニアが還 元触媒を通過し、大気中に放出されるおそれがある。
[0006] 上記の排気浄ィ匕装置では、寒冷期対策として還元剤の貯蔵タンク及び供給配管系 を加熱して、還元剤水溶液の凍結を防止することとしているが、一度水分の凍結が発 生したときは、還元剤の濃度変化を知ることができないため、上記の不都合を回避す ることができない。
[0007] 他方、酷暑期では、路面力 の熱の輻射等にエンジン及びマフラー力 の放熱が 加わり、貯蔵タンク内の還元剤が所定の温度以上の高温に曝される場合がある。この 場合は、貯蔵タンク又は供給配管系内の還元剤水溶液カゝら微量のアンモニア系ガス が発生するおそれがある。
[0008] 本発明は、貯蔵タンクに貯蔵されている還元剤の濃度を検出する濃度検出装置を 設け、これにより検出された濃度を基礎情報として適切な対応処置を施し、排気浄化 装置の適正な運転を可能とすることを目的とする。
[0009] また、本発明は、寒冷期対策として、貯蔵タンク又は供給配管系内の還元剤を加熱 する装置を設け、還元剤の安定した供給及び濃度検出装置による濃度の安定検出 を可能とすることを目的とする。
[0010] 更に、本発明は、酷暑期対策として、還元剤の貯蔵タンク又は供給配管系を冷却 する装置を設け、貯蔵タンク又は供給配管系におけるアンモニアの発生を防止する ことを目的とする。
課題を解決するための手段 [0011] 本発明は、エンジンの排気浄ィ匕装置を提供する。
[0012] 本発明の一形態では、エンジンの排気通路に、窒素酸化物の還元を促進させる還 元触媒を設置し、排気中の窒素酸ィ匕物を還元させるための還元剤を、貯蔵タンクか らこの還元触媒の上流に供給する。貯蔵タンク内にこの還元剤の濃度を検出する装 置を設置するとともに、貯蔵タンク内の還元剤を加熱する装置を設置する。
[0013] また、本発明の他の形態では、エンジンの排気通路に、窒素酸化物の還元を促進 させる還元触媒を設置し、排気中の窒素酸化物を還元させるための還元剤を、貯蔵 タンク力 この還元触媒の上流に供給する。貯蔵タンク内にこの還元剤の濃度を検 出する装置を設置するとともに、貯蔵タンク内の還元剤を冷却する装置を設置する。 発明の効果
[0014] 本発明の一形態によれば、濃度検出装置により検出された還元剤の濃度を基礎情 報として採用し、これに基づいて排気浄ィ匕装置が適正に機能している力否かを判断 するとともに、適正に機能していないときは、必要な対応を図り、 NOxの放出を抑制 することが可能となる。また、寒冷期において、加熱装置により貯蔵タンク内の還元剤 を加熱して、その凍結を防止することで、還元剤を安定して供給するとともに、濃度検 出装置により還元剤の濃度を安定して検出することができる。万一貯蔵タンクの壁面 近傍の水分が凍結し、タンク中央部で還元剤の濃度が上昇した場合でも、濃度検出 装置によりその変化を知ることで、排気浄化装置の適正な機能を維持することができ る。
[0015] また、本発明の他の形態によれば、濃度情報に基づいて排気浄化装置の適正な 機能の維持を図るとともに、酷暑期において、貯蔵タンクが路面からの輻射熱及びェ ンジンの排気熱により加熱された場合に、冷却装置により貯蔵タンク内の還元剤を冷 却して、アンモニア系ガスの発生を防止することができる。アンモニア系ガスの発生に より万一濃度が低下した場合でも、濃度検出装置によりこの変化に対応することがで きる。
[0016] 本発明に関する他の目的及び特徴は、添付の図面を参照した以下の説明により理 解することができる。
[0017] 優先権主張の基礎となる日本国特許出願 (特願 2003— 314436号)の内容は、本 願の一部として組み込まれ、参照される。
図面の簡単な説明
[0018] [図 1]本発明の一実施形態に係る排気浄化装置の構成
[図 2]図 1に示す排気浄ィ匕装置に設けられる還元剤貯蔵タンクの要部
[図 3]熱交換パイプに放熱フィンが設けられた熱交換装置
[図 4]図 3に示す熱交換装置の熱交換パイプ
[図 5] (a)は、図 3に示す熱交換パイプと還元剤の供給管及び戻り管との熱的連結構 造の変形態様、(b)は、(a)の Vb— Vb線断面
[図 6]熱交換パイプの変形態様
[図 7]熱交換パイプの他の変形態様
[図 8]プロテクタが設けられた還元剤貯蔵タンク
[図 9]図 8の IX— IX線断面
[図 10]断熱処理が施された還元剤貯蔵タンク
[図 11]断熱処理が施された還元剤貯蔵タンクの変形態様
符号の説明
[0019] 1…ディーゼルエンジン、 3…還元触媒、 10· ··還元剤供給装置、 13· ··供給配管、 1 4…戻り配管、 20…貯蔵タンク、 30· ··冷却水循環通路、 40· ··熱交換装置、 41, 41a , 41b…熱交換パイプ、 50· ··冷却用循環通路、 51· ··放熱装置、 60· ··濃度検出装置 、 61…検出部、 70…プロテクタ、 81, 82…発泡断熱材。
発明を実施するための最良の形態
[0020] 図 1は、本発明の一実施形態に係るエンジン 1の排気浄ィ匕装置の構成を示してい る。
[0021] エンジン 1は、車両に搭載されたディーゼルエンジンである。このエンジン 1の排気 は、排気マ-フォールド 2から NOxの還元触媒 3が配設された排気管 4を経由して、 大気中に排出される。詳細には、排気管 4には上流側から順に一酸化窒素(以下「N 0」という。)の酸化触媒、 NOxの還元触媒 3、アンモニアの酸化触媒の 3つの触媒が 配設されている。エンジン 1の排気系は、排気管 4と、この 3つの触媒と、還元触媒 3 の前及び後に配置された温度センサと、 NOxセンサ等とを含んで構成される力 詳 細には図示されていない。 NOxセンサは、還元後の排気に含まれる NOxの濃度を 検出するためのものである。 NOの酸ィ匕触媒は、排気中の炭化水素を酸化させるとと もに、排気中の NOを、二酸化窒素(以下「N02」という。)を主とする NOxに転換す るものであり、排気に含まれる NOと N02との比率を、還元触媒 3による NOxの還元 に最適なものに調整する作用をなす。アンモニアの酸化触媒は、還元触媒 3上での NOxの還元に寄与せず、この還元触媒 3を通過したスリップアンモニアを浄ィ匕するた めのものである。
[0022] NOxの還元触媒 3には、還元剤供給装置(以下、単に「供給装置」という。 ) 10によ り還元剤が供給される。本実施形態では、この還元剤として尿素を採用しており、固 体又は粉体の尿素を水溶液の状態で貯蔵タンク 20に貯蔵して ヽる。貯蔵タンク 20に 貯蔵されて ヽる尿素水は、還元触媒 3の上流側に設置された噴射ノズル 11により噴 射され、排気管 4内に供給される。供給装置 10及び噴射ノズル 11は、エアアシスト式 の噴射装置を構成している。貯蔵タンク 20内の尿素水は、供給管 13を介して供給装 置 10に導入され、噴射ノズル 11から空気とともに噴射される。還元剤水溶液として、 他にアンモニア水溶液等が採用されてもよい。噴射された尿素水は、排気管 4内に おいて、排気熱により加水分解してアンモニアを発生させる。発生したアンモニアは、 NOxの還元触媒 3上で排気中の NOxと反応し、この NOxを水及び無害なガスに浄 化させる。なお、供給管 13は、本発明の「還元剤供給管」に相当する。
[0023] 尿素水は、貯蔵タンク 20の底部中央近くに位置する供給管 13の吸込口 12から吸 い込まれ、供給管 13を介して供給装置 10及び噴射ノズル 11に供給される。また、供 給装置 10は、戻し管 14により貯蔵タンク 20と接続されており、余剰の尿素水は、この 戻り管 14を介して貯蔵タンク 20に戻される。この戻り管 14は、貯蔵タンク 20内の中 央上部で開口している。
[0024] 貯蔵タンク 20は、第 1の循環路 30上に配置されており、この第 1の循環路 30は、ェ ンジン 1の図示しない冷却水循環路力 分岐した平行通路として、「第 1の配管」によ り形成される。また、この第 1の循環路 30には、第 1の三方向弁 31、ポンプ 32、電磁 バルブ 33、熱交換装置 40及び第 2の三方向弁 34が上流側力も順に配設されている 。熱交換装置 40は、エンジン 1の冷却水と貯蔵タンク 20内の尿素水との間で熱交換 を行うためのものであり、本発明の「管部材」としての熱交換パイプ 41を含んで構成さ れる。この熱交換パイプ 41は、略 U字状に形成されており、 U字の折返しが貯蔵タン ク 20の底部近傍に配置されている。第 1の三方向弁 31、第 2の三方向弁 34及び電 磁バルブ 33が第 1の循環路 30を開通する方向に切り換わる場合は、第 1の循環路 3 0は、エンジン 1から得られる熱媒体としてのエンジン 1の冷却水を循環させ、熱交換 パイプ 41を介して貯蔵タンク 20内の尿素水を加熱する加熱装置として機能する。
[0025] また、貯蔵タンク 20を挟む第 1及び第 2の三方向弁 31, 34には、第 2の循環路 50 が接続されており、この第 2の循環路 50は、第 1の循環路 30に対する平行通路とし て、「第 2の配管」により形成される。この第 2の循環路 50には、循環するエンジン 1の 冷却水を放熱するための放熱装置 51が介装されている。第 1の三方向弁 31、第 2の 三方向弁 34及び電磁バルブ 33が第 2の循環路 50を開通する方向に切り換わる場 合は、第 2の循環路 50及び第 1の循環路 30の一部は、放熱装置 51により放熱及び 冷却された冷却水を循環させ、熱交換パイプ 41を介して貯蔵タンク 20内の尿素水を 冷却する冷却装置として機能する。
[0026] 図 2は、貯蔵タンク 20内の構成を詳細に示している。
[0027] 貯蔵タンク 20の蓋部に設けられた取付口 21には、キャップ 22がボルト及びナットに より着脱自在に取り付けられており、このキャップ 22に尿素水の濃度検出装置 60が 取り付けられている。濃度検出装置 60は、フランジ 23でキャップ 22に固定されており 、濃度検出装置 60の検出部 61が、キャップ 22から貯蔵タンク 20内に垂下している。 この検出部 61は、貯蔵タンク 20の底部中央上方に配置され、内蔵された下記の 2つ の温度センサ(図示せず。)の温度差に基づいて尿素水の濃度を検出する。検出部 61には、加熱ヒータと、異なる 2点に設けられた温度センサとが内蔵されており、一方 の温度センサが加熱ヒータ上又はその近傍に配置されて 、る。加熱ヒータを駆動し、 2つの温度センサの検出値を比較することで、加熱ヒータ周辺の尿素水の濃度を検 出することができる。従って、この濃度検出装置 60によれば、尿素水の濃度に限らず 、還元剤に代えて貯蔵タンク 20に充填された液体の種類 (軽油、灯油又は水等)、空 気と液体との区別、尿素水切れ又は尿素水の残量等を検出することもできる。濃度 検出装置の実例としては、三井金属鉱業 (株)製造販売の濃度検出装置が知られて いる。濃度検出装置 60の検出値は、表示又は警報装置 65に入力されるとともに、コ ンピュータとして構成された制御装置 66に入力される。この制御装置 66には、ェンジ ン 1の各種運転状態も入力される。
[0028] 濃度検出装置 60の検出値をもとに、貯蔵タンク 20内の尿素水の濃度を検出するこ とができ、排気管 4内に供給される尿素水の濃度を常に把握することができる。このた め、尿素水の濃度という基礎情報をもとに、尿素水の濃度変化に対する必要な対応 を図り、 NOxの放出を抑制することができる。これは、寒冷期に貯蔵タンク 20の壁面 近傍力 尿素水が凍結し、貯蔵されている尿素水の濃度が変化する場合も同様であ る。
[0029] 具体的には、尿素水の異常な濃度を検出した場合は、エンジン 1の停止後に手動 により又はエンジン 1の運転中に自動的に水又は尿素水の補給を行ったり、あるいは 貯蔵タンク 20に適正な濃度の尿素水を入れ替えるなどして、尿素水の濃度を適正値 に維持する。また、検出された濃度、及び必要に応じてエンジン 1の運転状態をもと に、制御装置 66により供給装置 10を駆動して尿素水の供給量を制御し、更にェンジ ン 1の燃料噴射装置等を作動させてエンジン 1の運転条件を調整する。
[0030] 熱交換装置 40の熱交換パイプ 41は、貯蔵タンク 20の上下方向に関して下向きに 凸の U字状に湾曲しており、検出部 61を含む濃度検出装置 60の下側部分を包囲し ている。熱交換パイプ 41の鉛直部は、供給管 13の鉛直部 (本発明の「吸込部」に相 当する。) 131及び戻り管 14の鉛直部と溶接等により一体化されており、各鉛直部の 間で伝熱による熱交換が良好に行われる。このため、熱交換装置 40内を流通するェ ンジン 1の冷却水が貯蔵タンク 20内の尿素水よりも高温である場合は、熱交換装置 4 0は、尿素水の加熱装置として機能する。他方、これが低温である場合は、尿素水の 冷却装置として機能する。なお、熱交換パイプ 41及び供給管 13の各鉛直部の溶接 部は、本発明の「伝熱体」を形成する。
[0031] 貯蔵タンク 20には、貯蔵されている尿素水の温度を検出するための温度センサ 45 が設置されている。熱交換装置 40の加熱装置又は冷却装置としての機能は、制御 装置 66により第 1の三方向弁 31、第 2の三方向弁 34及び電磁バルブ 33を操作して 、検出された尿素水の温度に応じて切り換えることができる。なお、温度センサ 45は 、本発明の「温度検出装置」に相当する。
[0032] 図 2は、貯蔵タンク 20内の尿素水が凍結した状態を示している。
[0033] この場合は、熱交換パイプ 41にエンジン 1の冷却水を流し、熱交換装置 40を加熱 装置として機能させることで、検出部 61を含む濃度検出装置 60の下側部分、供給管 13の吸込口 12、及び戻り管 14の戻り口 15が加熱される。このため、寒冷期におい て、貯蔵タンク 20内の壁面近傍の尿素水が凍結 (凍結部 Aとして示す。)したとしても 、濃度検出装置 60の下側部分付近は凍結せず又は凍結後に解凍され、液体の状 態を維持する。これにより、尿素水の安定した濃度検出が可能となり、検出された尿 素水の濃度に応じて NOxの還元処理を的確に行うことができる。また、貯蔵タンク 20 力も液状の尿素水を吸 、込み、噴射ノズル 11により排気管 4内に円滑に噴射するこ とができる。なお、本実施系形態では、エンジン 1から得られる熱媒体としてエンジン 1の冷却水を採用し、これを循環させて尿素水を加熱することとしたので、エンジン 1 の熱機関としての効率が良好に維持される。エンジン 1から得られる熱媒体として、ェ ンジン 1の冷却水のほか、エンジン 1の潤滑油、燃料タンク内の燃料又は排気等が採 用されてもよい。
[0034] 他方、酷暑期には、逆に貯蔵タンク 20が大気、路面及びエンジン等からの加熱を 受けることで、貯蔵されている尿素水が高温に上昇し、アンモニア系ガスを発生させ るおそれがある。この場合は、第 1及び第 2の三方向弁コック 31, 34を切り替えて第 2 の循環路 50を開通させるとともに、ポンプ 32を作動させることで、エンジン 1の冷却水 が放熱装置 51で放熱されて、冷却されるから、熱交換パイプ 41内の冷却水と高温の 尿素水との間で熱交換が行われ、尿素水が冷却される。このため、尿素水の温度が 適正に維持され、貯蔵タンク 20内でアンモニア系ガスが発生するのを防止することが できる。
[0035] 図 3は、貯蔵タンク 20に設けられた熱交換装置 40の変形態様を示している。
[0036] この熱交換装置 40では、この装置 40による熱交換効率を高めるため、熱交換パイ プ 41に放熱促進装置としての放熱フィン 42 (図 4)が設けられている。また、放熱促 進装置として、放熱フィン 42の設置に代え又はこれに併せ、熱交換パイプ 41の周面 に凹凸を形成するなど、熱交換パイプ 41自体の断面形状を複雑にして、熱交換パイ プ 41と尿素水との接触面積を拡大させてもよい。
[0037] また、供給管 13及び戻し管 14と熱交換パイプ 41との連結は、溶接による方法以外 に、図 5 (a)及び (b)に示すように連結金具 43とボルト ナット 44との組み合わせによ ることとしてもよい。連結金具 43を介する伝熱により、供給管 13及び戻し管 14を間接 的に加熱することができる。なお、連結金具 43は、本発明の他の「伝熱体」に相当す る。
[0038] 図 6及び 7は、熱交換装置 40の他の変形態様を夫々示して 、る。
[0039] これらの熱交換装置 40では、熱交換パイプの形状を変更し、熱交換パイプと尿素 水との接触面積を拡大させている。図 6に示す熱交換パイプ 41aは、図 2に示す U字 状の熱交換パイプ 41の鉛直部の一方を螺旋状に形成したものであり、濃度検出装 置 60の周囲に配置される。図 7に示す熱交換パイプ 41bは、図 2に示す U字状の熱 交換パイプ 41を折り返して、平行な二重の U字状パイプとしたものである。これらの 熱交換パイプ 41a, 41bは、いずれも貯蔵タンク 20の底面と濃度検出装置 60の検出 部 61との間、及び検出部 61周辺の空間を集中的に加熱する形状であるから、凍結 し易い貯蔵タンク 20の底壁付近の凍結防止又はこの部分の迅速な解凍を図ることが 可能となる。
[0040] 図 8及び 9は、熱交換装置の更に別の変形態様を示している。
[0041] これらの熱交換装置 40では、プロテクタ 70が設けられて 、る。プロテクタ 70は、濃 度検出装置 60の検出部 61と、この検出部 61の上方に設けられた尿素水の残量警 報スィッチ 62とを保護するためのものである。気温が尿素水の凝固点を下回る寒冷 期では、エンジン 1の停止後の放置により、尿素水が部分的に凍結し又は凍結後に 一部解凍されることで、貯蔵タンク 20内に複数の氷塊 Bが生成される。車両の走行中 において、この車両の上下振動及び前後左右の加速度等に起因して、生成された 氷塊 Bが検出部 61及び残量警報スィッチ 62に衝突し、これらを破損又は損傷するお それがある。プロテクタ 70は、この氷塊 Bの衝突を防止し、検出部 61及び残量警報ス イッチ 62の破損等を防止する。プロテクタ 70は、 2つの金属製帯状部材を熱交換パ イブ 41の間に渡して着脱自在に取り付けて構成される。
[0042] プロテクタ 70は、貯蔵タンク 20内を横方向に分割する板状の仕切り壁 71 (図 8に点 線で示す。)とされてもよい。このプロテクタ 70は、 2つの板状部材 71を、検出部 61及 び残量警報スィッチ 62の両側で、貯蔵タンク 20の底壁から平行に立設して構成され る。プロテクタ 70において、板状部材 71に複数の穴が設けられてもよいし、板状部材 71自体が網状に形成されてもよい。プロテクタ 70により氷塊 Bがせき止められ、 2つ の板状部材 71の間を渡る氷塊 Bの横断が阻害される。
[0043] 図 10及び 11は、貯蔵タンク 20の変形態様を示して 、る。
[0044] 図 10に示す貯蔵タンク 20は、断熱処理として、その外壁に断熱材である発泡断熱 材 81が吹き付けられたものであり、この発泡断熱材 81により貯蔵タンク 20内の保温 が図られる。また、図 11に示す貯蔵タンク 20は、他の断熱処理として、その外壁が二 重構造とされるとともに、この外壁に発泡断熱材 82が充填されたものであり、この発 泡断熱材 82を含む貯蔵タンク 20の外壁により内部の保温が図られる。いずれも寒冷 期における尿素水の冷却を抑制して、その凍結を回避する補助材として有効であり、 他方、酷暑期には、外部力 の熱の進入を抑制して、尿素水の過剰な温度上昇を回 避する効果がある。
[0045] なお、本発明は、ガソリンエンジンに適用することもできる。
[0046] 以上では、幾つかの好ましい実施の形態により本発明を説明したが、本発明の範 囲は、この説明に何ら制限されるものではなぐ特許請求の範囲の記載をもとに、適 用条文に従い判断される。

Claims

請求の範囲
[1] エンジンの排気通路に設置された、窒素酸化物の還元を促進させる還元触媒と、 排気中の窒素酸ィ匕物の還元のための還元剤を貯蔵する貯蔵タンクと、 前記排気通路にぉ ヽて、この貯蔵タンクに貯蔵されて ヽる還元剤を前記還元触媒 の上流に供給する供給装置と、
前記貯蔵タンク内の還元剤の濃度を検出する濃度検出装置と、
前記貯蔵タンク内の還元剤を加熱する加熱装置と、を含んで構成されるエンジンの 排気浄化装置。
[2] 前記濃度検出装置は、前記還元剤の濃度に対応する電気信号を発生させる検出 部を含んで構成され、
前記加熱装置は、少なくともこの濃度検出装置の検出部付近の還元剤を加熱する 請求項 1に記載のエンジンの排気浄ィ匕装置。
[3] 前記貯蔵タンク内の還元剤を前記供給装置に導入させるための還元剤供給管を 更に含んで構成され、
前記加熱装置は、前記還元剤供給管の吸込口付近の還元剤を加熱する請求項 1 に記載のエンジンの排気浄ィ匕装置。
[4] 前記加熱装置は、前記還元剤供給管のうち、前記貯蔵タンク内に位置する吸込部 を加熱する請求項 3に記載のエンジンの排気浄ィ匕装置。
[5] 前記加熱装置は、前記貯蔵タンク内に挿入され、エンジンから得られる熱媒体を流 通させるための第 1の配管の一部を形成する管部材を含んで構成される請求項 1〖こ 記載のエンジンの排気浄ィ匕装置。
[6] 前記貯蔵タンク内の還元剤を前記供給装置に導入させるための還元剤供給管を 更に含んで構成され、
この還元剤供給管のうち、前記貯蔵タンク内に位置する吸込部に対し、前記管部 材が伝熱体を介して接続された請求項 5に記載のエンジンの排気浄ィヒ装置。
[7] 前記管部材のうち、前記貯蔵タンク内に位置する部分に放熱促進装置が設けられ た請求項 5に記載のエンジンの排気浄ィ匕装置。
[8] 前記還元剤の濃度に対応する電気信号を発生させる前記濃度検出装置の検出部 と、
この濃度検出装置の検出部と、前記貯蔵タンクの壁面との間に配置され、この検出 部を固体の衝突力 保護するプロテクタとを更に含んで構成される請求項 1に記載の エンジンの排気浄化装置。
[9] 前記貯蔵タンク内の還元剤を前記供給装置に導入させるための還元剤供給管を 更に含んで構成され、
前記検出部と、この還元剤供給管の吸込口とが前記プロテクタにより包囲された請 求項 8に記載のエンジンの排気浄ィ匕装置。
[10] 前記貯蔵タンクの壁部に断熱処理が施された請求項 1に記載のエンジンの排気浄 化装置。
[11] 前記貯蔵タンク内の還元剤を冷却する冷却装置を更に含んで構成される請求項 1 に記載のエンジンの排気浄ィ匕装置。
[12] 前記加熱装置と、前記冷却装置とを選択的に作動させる制御装置を更に含んで構 成される請求項 11に記載のエンジンの排気浄化装置。
[13] 前記加熱装置は、前記貯蔵タンク内に挿入され、エンジンから得られる熱媒体を流 通させるための第 1の配管の一部を形成する管部材を含んで構成され、
前記冷却装置は、前記管部材の上流側及び下流側で前記第 1の配管に接続され た第 2の配管と、この第 2の配管に介装された放熱装置とを含んで構成される請求項
12に記載のエンジンの排気浄ィ匕装置。
[14] 前記貯蔵タンク内の還元剤の温度を検出する温度検出装置と、
この温度検出装置により検出された還元剤の温度に基づいて前記加熱装置を作 動させる制御装置とを更に含んで構成される請求項 1に記載のエンジンの排気浄ィ匕 装置。
[15] 前記貯蔵タンク内の還元剤の温度を検出する温度検出装置を更に含んで構成さ れ、
前記制御装置は、この温度検出装置により検出された還元剤の温度に基づいて前 記加熱装置及び冷却装置を選択的に作動させる請求項 12に記載のエンジンの排 気浄化装置。
[16] エンジンの排気通路に設置された、窒素酸化物の還元を促進させる還元触媒と、 排気中の窒素酸ィ匕物の還元のための還元剤を貯蔵する貯蔵タンクと、 前記排気通路にぉ ヽて、この貯蔵タンクに貯蔵されて ヽる還元剤を前記還元触媒 の上流に供給する供給装置と、
前記貯蔵タンク内の還元剤の濃度を検出する濃度検出装置と、
前記貯蔵タンク内の還元剤を冷却する冷却装置と、を含んで構成されるエンジンの 排気浄化装置。
[17] 前記貯蔵タンク内の還元剤の温度を検出する温度検出装置と、
この温度検出装置により検出された還元剤の温度に基づいて前記冷却装置を作 動させる制御装置とを更に含んで構成される請求項 16に記載のエンジンの排気浄 化装置。
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