JP2010019134A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】尿素水溶液の貯蔵タンク内の尿素水溶液が凍結しても、この尿素水溶液を急速に解凍することができる解凍機能を備えた内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】排気浄化装置２は、エンジン４の排気通路１０に設けられ、ＳＣＲ触媒２８を含む触媒装置８と、貯蔵タンク３８に貯蔵された尿素水溶液をＳＣＲ触媒２８の上流側に噴射する噴射ノズルユニット３２とを含む排気浄化装置において、貯蔵タンク３８を遊びを存して収容するケース２０と、触媒装置８の下流側にてメイン排気通路１４から分岐され、その途中にケース２０を介挿させたサブ排気通路１８と、サブ排気通路１８の分岐位置に設けられ、排ガスの流れ方向を切り替える切替弁１６とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関（以下、エンジンという。）の排ガス中の窒素酸化物を還元剤により還元処理して排ガスを浄化する排気浄化装置に係り、詳しくは還元剤が凍結した際、短時間で解凍できる解凍機能を備えた排気浄化装置に関するものである。

エンジンの排ガス中の窒素酸化物を浄化する排気浄化装置としては、添加剤として尿素を利用した選択還元触媒システム（以下、尿素ＳＣＲシステムという）が知られている。この尿素ＳＣＲシステムは、排気通路内の選択還元型ＮＯx触媒（以下、ＳＣＲ触媒という。）の上流側に噴射ノズルユニットを備え、この噴射ノズルユニットから尿素水溶液を噴射供給することで、排ガス中に尿素を供給し、斯かる尿素を加水分解してアンモニアを生成し、このアンモニアによりＳＣＲ触媒において、排ガス中の窒素酸化物を無害な窒素と水に還元するというものである。

この尿素ＳＣＲシステムにおいて、尿素水溶液は貯蔵タンクに貯蔵されており、この貯蔵タンクから噴射ノズルユニットに向けて尿素水溶液が供給される。
ところで、尿素水溶液は、−１１℃以下になると凍結する。そのため、尿素ＳＣＲシステムを搭載した自動車が寒冷地で使用される場合、あるいは、高地など寒冷地域を通過するような場合、貯蔵タンク内の尿素水溶液が凍結し、尿素水溶液を噴射ノズルに供給できず、この噴射ノズルから尿素水溶液が噴射できない不具合が生じることがある。

そこで、このような尿素水溶液の凍結を防止する機能を備えた尿素ＳＣＲシステムを採用した排気浄化装置として、例えば、特許文献１に記載のエンジンの排気浄化装置等が挙げられる。
特許文献１に記載の排気浄化装置は、尿素水溶液の貯蔵タンク内を通過すべくエンジンクーラントの循環通路を配設し、エンジンの冷却に用いられ高温になったエンジンクーラントの熱により、尿素水溶液の凍結防止あるいは解凍を行うというものである。
特開２００５−０８３２２３号公報

ところで、特許文献１の排気浄化装置においては、周囲の温度が尿素水溶液の凝固点以下となる環境下で尿素水溶液が完全に凍結してしまったような場合、エンジンを始動しても、エンジンクーラントの温度上昇は遅れ、尿素水溶液の解凍に時間がかかる。尿素水溶液の解凍が完了しなければ、尿素水溶液の噴射ができないので、尿素ＳＣＲシステムは機能せず、それ故、尿素水溶液が完全に解凍されるまでの間、排ガス中の窒素酸化物の浄化ができないという問題が生じる。

また、特許文献１の排気浄化装置においては、貯蔵タンクからＳＣＲ触媒に尿素水溶液を供給する供給通路が長くなり、斯かる供給通路に解凍及び保温用のヒータ装置を別途設ける対策が必要となるので、製造コストが嵩む問題は避けられない。更に、尿素水溶液供給通路内で凍結した尿素水溶液の解凍に比べ、尿素水溶液貯蔵タンク内で凍結した尿素水溶液の解凍にはより長い時間を要するため、尿素水溶液貯蔵タンクにおける尿素水溶液の解凍の促進が必要である。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、尿素水溶液の貯蔵タンク内の尿素水溶液が凍結しても、この尿素水溶液を急速に解凍することができる解凍機能を備えた内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関のメイン排気通路に設けられ、選択還元型ＮＯｘ触媒と、貯蔵タンク内の尿素水溶液を前記選択還元型ＮＯｘ触媒の上流の排ガス中に供給する尿素水溶液供給手段とを含む内燃機関の排気浄化装置において、前記貯蔵タンクを遊びを存して収容するケースと、前記メイン排気通路内を流れる排ガスを迂回させ、前記ケース内を通過させて導く排ガス迂回手段とを備えたことを特徴とするものである（請求項１）。

請求項１の内燃機関の排気浄化装置によれば、始動直後から比較的高温である内燃機関の排ガスが、尿素水溶液の貯蔵タンクが収容されているケースに導入されるので、斯かる排ガスにより貯蔵タンクが暖められ、これにより、凍結した尿素水溶液を短時間で解凍することができる。
具体的には、前記排ガス迂回手段は、前記選択還元型ＮＯｘ触媒の下流側にて前記メイン排気通路から分岐され、その途中に前記ケースを介挿させたサブ排気通路と、前記サブ排気通路の分岐位置に設けられ、排ガスの流れ方向を切り替える切替弁とを含み、前記切替弁は、前記メイン排気通路の上流側部分と下流側部分とを接続する一方、前記サブ排気通路を閉じる第１切替位置と、前記メイン排気通路の上流側部分と前記サブ排気通路とを接続する一方、前記メンイン排気通路の下流側部分を閉じる第２切替位置とを有する構成とすることが好ましい（請求項２）。

請求項２の内燃機関の排気浄化装置によれば、切替弁により高温の排ガスを尿素水溶液の貯蔵タンクが収容されるケース内に簡単に導入することができる。
また、前記ケースはその内面と前記貯蔵タンクの上面を除く外面との間に間隙を確保すべく、前記貯蔵タンクを収容している構成とすることが好ましい（請求項３）。
請求項３の内燃機関の排気浄化装置によれば、ケースの内面と尿素水溶液の貯蔵タンクとの間に間隙が確保されており、この間隙に高温の排ガスが導入される。このため、貯蔵タンクの外周の広い範囲が高温の排ガスと接するので凍結した尿素水溶液を効率よく解凍ができる。

更に、前記貯蔵タンク内に配設された温度センサと、前記温度センサからの情報に基づき前記切替弁の切り替えを制御する制御手段とを含む構成とすることが好ましい（請求項４）。
請求項４の内燃機関の排気浄化装置によれば、尿素水溶液の貯蔵タンク内の温度を温度センサで検出し、尿素水溶液が凍結していることを検知したとき、切替弁を駆動制御し、排ガスをサブ排気通路に流れるようにし、ケース内に高温の排ガスを導入する。そして、解凍が完了し、尿素水溶液が所定温度に達したら、切替弁を駆動制御し、排ガスをメイン排気通路にのみ流すようにすることができる。これにより、尿素水溶液の温度制御が簡単に行うことができる。

請求項１乃至４に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、尿素水溶液が凍結したとしても、短時間で解凍できるので、エンジン始動後早期に排ガスの浄化を行うことができる。このため、排ガス中の窒素酸化物の浄化ができない時間を極力短くでき、エンジン始動後早期に浄化装置を有効に機能させることができ、従来に比べ排ガスの浄化効率が上がる。

また、尿素水溶液の解凍に排ガスを利用するため、尿素水溶液の貯蔵タンクを排気浄化用の触媒の近傍に設置できる。このため、エンジンからのクーラントの循環通路をエンジンから離れた場所まで引き回す必要はなく、尿素水溶液解凍用の装置を簡略化でき、製造コストの削減、故障発生の抑制、レイアウトの自由化に寄与する。

以下、本発明に係る排気浄化装置の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は実施例に係るディーゼルエンジンの排気浄化装置の構成を示す。
この排気浄化装置２は、直列６気筒の内燃機関として構成されているエンジン４の排気通路１０に設けられている。
エンジン４の排ガスは、排気マニホールド６から排気通路１０を通じて排出され、この際、排気通路１０に配設された排気浄化装置２が排ガス中の有害成分を浄化する。

排気浄化装置２は、排気通路１０内に配設された触媒装置８を備え、この触媒装置８は筐体２２を有する。この筐体２２内には、上流側より順に前段酸化触媒２４、ディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦという。）２６、ＳＣＲ触媒２８及び後段酸化触媒３０が収容されている。そして、ＤＰＦ２６とＳＣＲ触媒２８との間には噴射ノズルユニット３２の噴射ノズル３４が配置され、この噴射ノズル３４はＳＣＲ触媒２８に添加剤としての尿素を供給すべく、尿素水溶液を噴射する。より詳しくは、噴射ノズルユニット３２は、噴射ノズル３４の基端に連結された電磁弁３６を更に含んでおり、電磁弁３６は筐体２２の外面に取り付けられている。

そして、噴射ノズル３４の電磁弁３６は、供給ポンプを（図示しない）を備えた循環経路４１を介して尿素水溶液の貯蔵タンク３８に接続されている。この貯蔵タンク３８はステンレス鋼製の箱形状をなし、貯蔵タンク３８からは所定圧に加圧された尿素水溶液が電磁弁３６を通じて噴射ノズル３４に供給可能となっている。それ故、電磁弁３６が開弁されたとき、噴射ノズル３４はその先端の噴射孔（図示しない）から排ガス中に尿素水溶液を噴射する。なお、図１中、循環経路４１の供給配管及び戻り配管は参照符号４０，４２で示され、供給配管４０は貯蔵タンク３８内の尿素水溶液中に位置付けられた吸込み口５０を有し、戻り配管４２は、尿素水溶液の液面上方に位置付けられた吐出口５２を有する。また、貯蔵タンク３８は、尿素水溶液を補充するため補給口（図示しない）をも有する。

更に、貯蔵タンク３８はセンサユニット４４を備えている。このセンサユニット４４は、温度センサ、濃度センサ等を含んでおり、これらセンサは、電子コントロールユニット（以下、ＥＣＵという。）５４に電気的に接続されている。また、ＥＣＵ５４には、その他の図示しないセンサやデバイス類とともに、前述した電磁弁３６が電気的に接続されている。ＥＣＵ５４は、センサユニット４４に加え、各種のセンサからの情報を基に最適な尿素水溶液の噴射量を算出し、この噴出量に従って電磁弁３６の開閉を制御し、噴射ノズル３４から尿素水溶液を噴射させる。

図１から明らかなように貯蔵タンク３８は、ケース２０内に収容されている。
ケース２０もまたステンレス鋼製の箱形状をなし、その内部に、貯蔵タンク３８を余裕をもって収容できる大きさを有する。より詳しくは、貯蔵タンク３８は、その上壁４６がケース２０から露出した状態で収容され、この上壁４６に上述した補給口が設けられ、また、各配管４０，４２及びセンサユニット４４は上壁４６を貫通して、この上壁４６に取り付けられている。このように上壁４６を露出させる構成により、貯蔵タンク３８のメンテナンスを容易に行うことができる。

具体的には、ケース２０はその上壁５６に、貯蔵タンク３８の挿通が可能な貫通孔５８が設けられている。それ故、貯蔵タンク３８は貫通孔５８を通じてケース２０内に収容され、貯蔵タンク３８の上端外周が貫通孔５８の内周に溶接されている。これにより、ケース２０の上壁５６と貯蔵タンク３８の上壁４６とは面一となる。このとき、ケース２０と貯蔵タンク３８との接合は、気密性を保てるものであればどのような接合方法を採用しても構わない。溶接の他、例えば、貯蔵タンク３８の上端外周にフランジを設け、このフランジ部分をケース２０の上壁５６にシール部材を介してボルトにより締結してもよい。

図１から明らかなように、ケース２０内に収容された貯蔵タンク３８の周囲には間隙６０が確保されており、この間隙６０は、貯蔵タンク３８の周壁及び底と、ケース２０の対応する内面との間に形成されている。
上述した間隙６０は、サブ排気通路１８の一部をなす。即ち、ケース２０の一側壁６２には導入口６４が形成され、この導入口６４からサブ排気通路１８の上流排気管６９が延びている。ケース２０の一側壁６２と対向する他側壁６６には導出口６８が設けられており、この導出口６８から、サブ排気通路１８の下流排気管７０が延びている。

上流排気管６９は、触媒装置８の下流位置にて、メイン排気通路１４の分岐ポート７２に切替弁１６を介して接続されている。この切替弁１６は、エンジン４から排ガスをメイン排気通路１４及びサブ排気通路１８（上流排気管６９）の何れに流すべく切替作動される。
即ち、切替弁１６は、弁ハウジング７１を備え、この弁ハウジング７１は前述の分岐ポート７２に加えて、メイン排気通路１４の上流側部分及び下流側部分を接続する入口ポート７４及び出口ポート７６を有する。そして、弁ハウジング７１内には弁体７８が配置され、この弁体７８は、入口ポート７４と出口ポート７６とを連通し且つ分岐ポート７２を閉じる第１切替位置と、入口ポート７４と分岐ポート７２とを連通し且つ出口ポート７６を閉じる第２切替位置とを有し、これらの切替位置間にて切替作動可能となっている。

このため、切替弁１６は弁体７８の切替作動をなす駆動部（図示しない）を更に備え、この駆動部が前述したＥＣＵ５４に電気的に接続されている。ＥＣＵ５４は、前述した貯蔵タンク３８内のセンサユニット４４からの尿素水溶液の温度情報に基づき、駆動部を介して弁体７８の切替作動させる。
また、エンジン４の燃料噴射弁（図示しない）もまたＥＣＵ５４に電気的に接続されている。ＥＣＵ５４は、エンジン回転速度Ｎe及びアクセル操作量θaccに基づいて燃料噴射量を設定するマップ（図示しない）と、エンジン回転速度Ｎe及び燃料噴射量に基づいて燃料噴射時期を設定するマップ（図示しない）をそれぞれ有し、これらマップに従って設定された燃料噴射量及び燃料噴射時期に基づき、燃料噴射弁を介してエンジン４を駆動する。

エンジン４の駆動中、エンジン４からの排ガスは排気マニホールド６及び排気通路１０のメイン排気通路１４を経て触媒装置８内に導入される。導入された排ガスは、前段酸化触媒２４にて、排ガス中の炭化水素及び一酸化炭素が二酸化炭素と水に変化され、ＤＰＦ２６にて、排ガス中のパティキュレートマター（以下、ＰＭという。）が捕集される。
その後、排ガスは、下流側のＳＣＲ触媒３６に到達する。

ここで、貯蔵タンク３８内の尿素水溶液が凍結しておらず、尿素水溶液の温度が適温である場合、貯蔵タンク３８内のセンサユニット４４の温度センサは尿素水溶液が適温であることを示す情報をＥＣＵ５４に送り、この情報に基づき、ＥＣＵ５４は切替弁１６の駆動部を介して、その弁体７８を図１中のＡで示す第１切替位置に切替作動させ、弁体７８によりサブ排気通路１８の上流排気管６９を閉鎖し、メイン排気通路１４を開く。また、ＥＣＵ５４による制御を受け、排ガス中に噴射ノズル３４から尿素水溶液が最適な噴射量にて噴射される。この結果、ＳＣＲ触媒２８は、排ガスに対するＮＯx浄化作用を効率良く発揮する。

それ故、浄化された排ガスは、切替弁１６を介してメイン排気管１４の下流部分８０を通じて外部へ排出される。
一方、エンジンが寒冷地などで使用され、貯蔵タンク３８内の尿素水溶液が凍結している場合、ＥＣＵ５４は尿素水溶液の解凍作業をなすべく、切替弁１６の切替制御を以下のように実施する。

すなわち、まず、貯蔵タンク３８内のセンサユニット４４、即ち、その温度センサが、貯蔵タンク３８内の尿素水溶液が−１１℃以下であることを検出し、尿素水溶液が凍結しているという情報をＥＣＵ５４に送ると、その情報に基づき、ＥＣＵ５４は駆動部を介して切替弁１６の弁体７８を図１中のＢで示す第２切替位置に切替作動させる。それ故、この場合には、メイン排気通路１４は切替弁１６よりも下流部分８０にて閉じられ、メイン排気通路１４はサブ排気通路１８に接続される。一方、このとき、ＥＣＵ５４は、噴射ノズル３４からの尿素水溶液の噴射を中止させる。

この状態で、エンジン４が運転されても、触媒装置８のＳＣＲ触媒は機能していないので排ガス中のＮＯxの浄化は行われていない。しかしながら、酸化触媒により排ガス中の炭化水素及び一酸化炭素は浄化され、ＤＰＦによりＰＭが捕集された排ガスが排出される。斯かる排ガスは、切替弁１６を通じてサブ排気通路１８の上流排気管６９内に導かれ、そして、ケース２０の間隙６０に導入される。この後、排ガスは、ケース２０からサブ排気通路１８の下流排気管７０を介して外部に排出される。ここで、エンジン４より排出された排ガスの温度は十分に高いので、間隙６０内に導入された高温の排ガスは貯蔵タンク３８内の凍結した尿素水溶液を解凍する。

この後、貯蔵タンク３８内の尿素水溶液が解凍され、その温度が適温となると、前述したように切替弁１６の弁体７８は再び、図１中のＡの第１切替位置に切替作動される。これにより、サブ排気通路１８の上流排気管６９は閉鎖され、それ以上ケース２０内に排ガスは導入されなくなる。一方、ＥＣＵ５４は、噴射ノズル３４から尿素水溶液を噴射させ、これにより、ＳＣＲ触媒２８による排ガス中のＮＯxの浄化が行われる。

また、車両が走行中に寒冷地を通過する場合、貯蔵タンク３８内の尿素水溶液の温度が低下し、凍結することもある。このような場合にも、切替弁１６の切替作動及び噴射ノズル３４の噴射制御が同様にして実施され、尿素水溶液の解凍が速やかに行われる。
以上のように、本発明の排気浄化装置２は、尿素水溶液の解凍に排ガスを使うものであるが、エンジンの始動直後でも、排ガスの温度は、エンジンクーラントの温度に比べ格段に高いので、エンジンクーラントにより凍結した尿素水溶液を解凍する場合に比べ短時間で解凍が完了し、エンジン始動後、早期に噴射ノズル３４からの尿素水溶液の噴射が可能となる。このため、寒冷地などでの始動時も、ＮＯｘの排出は極力短時間に抑えることができる。

また、本発明の排気浄化装置２においては、触媒装置８の近傍に貯蔵タンク３８を含むケース２０を配設することができるので、貯蔵タンク３８から尿素水溶液を噴射ノズルユニット３２まで供給するための配管も短くすることができる。このため、斯かる配管に凍結防止用のヒータを取り付ける場合、短い範囲にヒータを敷設するだけで済み、尿素ＳＣＲシステムの製造コスト削減に寄与する。

本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば上記実施例では、ＮＯx浄化用にＳＣＲ触媒２８を備えたディーゼルエンジン４の排気浄化装置について説明したが、本発明の排気浄化装置は、尿素ＳＣＲシステムを備えたガソリンエンジンに用いても構わない。

実施例１のディーゼルエンジンの排気浄化装置を示す全体構成図である。

符号の説明

２ 排気浄化装置
４ エンジン（内燃機関）
１０ 排気通路
１４ メイン排気通路
１６ 切替弁
１８ サブ排気通路
２０ ケース
２８ ＳＣＲ触媒
３８ 貯蔵タンク
６０ 間隙
６４ 導入口
６８ 導出口
６９ 上流排気管
７０ 下流排気管

Claims (4)

1. 内燃機関のメイン排気通路に設けられ、選択還元型ＮＯｘ触媒と、貯蔵タンク内の尿素水溶液を前記選択還元型ＮＯｘ触媒の上流の排ガス中に供給する尿素水溶液供給手段とを含む内燃機関の排気浄化装置において、
   前記貯蔵タンクを遊びを存して収容するケースと、
   前記メイン排気通路内を流れる排ガスを迂回させ、前記ケース内を通過させて導く排ガス迂回手段と
   を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記排ガス迂回手段は、
   前記選択還元型ＮＯｘ触媒の下流側にて前記メイン排気通路から分岐され、その途中に前記ケースを介挿させたサブ排気通路と、
   前記サブ排気通路の分岐位置に設けられ、排ガスの流れ方向を切り替える切替弁と
   を含み、
   前記切替弁は、前記メイン排気通路の上流側部分と下流側部分とを接続する一方、前記サブ排気通路を閉じる第１切替位置と、前記メイン排気通路の上流側部分と前記サブ排気通路とを接続する一方、前記メンイン排気通路の下流側部分を閉じる第２切替位置とを有することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記ケースはその内面と前記貯蔵タンクの上面を除く外面との間に間隙を確保すべく、前記貯蔵タンクを収容していることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記貯蔵タンク内に配設された温度センサと、
   前記温度センサからの情報に基づき前記切替弁の切り替えを制御する制御手段と
   を含むことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。

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