JP2010096106A - 尿素噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】尿素水溶液の凍結や乾燥による破損や固着等を防止する。
【解決手段】排気管酸化触媒部下流側のＳＣＲ部に尿素水溶液を噴霧する噴霧器に、尿素水溶液がポンプによって送給される尿素噴射装置であって、噴霧器に尿素水溶液を供給する配管の途中のフィルタ３１にフロート弁４０を設ける。フロート弁４０には、フィルタ３１の一次ポート３４と二次ポート３５との途中に設けられた弁口４１と、弁口４１の二次ポート側開口縁辺部に形成された弁座と、弁口４１内に軸線方向に移動自在に挿通された弁棒４３と、弁棒４３の二次ポート側端部に固定された弁体４４と、弁棒４３の一次ポート側端部に固定されたフロート４６とを設け、フロート４６の浮力は尿素水溶液の液面昇降によって昇降可能に設定する。
【選択図】図４

Description

本発明は、尿素噴射装置（Ｕｒｅａ Ｄｏｓｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）に関する。
例えば、自動車用ディーゼルエンジンの選択還元型ＮＯｘ触媒システムに利用して有効なものに関する。

自動車用ディーゼルエンジンの排出ガス対策により、ＰＭ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）低減のために燃焼の最適化が図られ、この燃焼の最適化に伴って排出レベルが高まるＮＯｘ（窒素酸化物）を選択還元型ＮＯｘ触媒（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ：ＳＣＲ）により後処理するＳＣＲシステムが、提案されている。
ＳＣＲシステムは、ＳＣＲの上流に尿素（ＣＯ（ＮＨ2 ）2 ）水溶液と圧縮空気との混合気を噴射することにより、ＮＯｘを窒素に還元するシステムである。
ＳＣＲシステムは酸化触媒部およびＳＣＲ部がエンジンの排気管に直列に配置されており、ＳＣＲ部には尿素噴射装置が設けられている。

尿素噴射装置は、尿素水溶液を貯留するタンクと、尿素水溶液を濾過するフィルタと、尿素水溶液を加圧するポンプと、圧縮空気の圧力を制御する圧力制御弁と、尿素水溶液と圧縮空気とを混合し噴霧する噴霧器と、を備えている。
ＳＣＲシステムにおいては、ＮＯｘ、ＣＯ（酸化炭素）、炭化水素（ＨＣ）が酸化触媒部によって酸化処理される。
噴霧器からＳＣＲ部に噴霧された尿素水溶液は、アンモニア（ＮＨ3 ）と二酸化炭素（ＣＯ2 ）とに分解され、アンモニアがＮＯｘと化学反応して窒素（Ｎ2 ）と水（Ｈ2 Ｏ）とに変換される。
ＳＣＲシステムおよび尿素噴射装置を述べている例としては、特許文献１がある。
特開２００６−３２１３６８号公報

このような尿素噴射装置においては、尿素水溶液をタンクに戻す際には、噴霧器に通ずる配管の尿素水溶液を抜くことにより、尿素水溶液の凍結による配管の破損等を防止する必要がある。
また、ポンプ内やフィルタ内を尿素水溶液によって常時満たしておくことにより、尿素水溶液の乾燥によるポンプや方向制御弁等の機能部品の固着を防止する必要がある。

本発明の目的は、尿素水溶液の凍結や乾燥による破損や固着等を防止することができる尿素噴射装置を提供することにある。

前記した課題を解決するための手段のうち代表的なものは、次の通りである。
（１）排気管酸化触媒部下流側のＳＣＲ部に尿素水溶液を噴霧する噴霧器に、該尿素水溶液がポンプによって送給される尿素噴射装置であって、
前記噴霧器に前記尿素水溶液が供給される流路に、前記尿素水溶液の液面の昇降を利用して該流路を開閉するフロート弁が設けられており、
該フロート弁は、前記尿素水溶液の送給時には前記尿素水溶液の液面の上昇によって前記流路を開き、前記尿素水溶液の前記噴霧器からの戻し時には前記尿素水溶液の液面の降下および前記ポンプの吸入力によって前記流路を閉じるように構成されていることを特徴とする尿素噴射装置。
（２）前記フロート弁は、前記流路の途中に設けられた弁口と、該弁口の二次ポート側開口縁辺部に形成された弁座と、前記弁口内に軸線方向に移動自在に挿通された弁棒と、該弁棒の二次ポート側端部に固定された弁体と、前記弁棒の一次ポート側端部に固定されたフロートとを備えており、前記フロートの浮力は前記尿素水溶液の液面昇降によって昇降可能に設定されていることを特徴とする前記（１）に記載の尿素噴射装置。
（３）前記フロート弁は、前記流路の途中に設けられた弁口と、該弁口の二次ポート側開口縁辺部に形成された弁座と、該弁座に離着座する弁体と、該弁体と一体的に移動するフロートとを備えており、前記フロートの浮力は前記尿素水溶液の液面昇降によって昇降可能に設定されていることを特徴とする前記（１）に記載の尿素噴射装置。

この尿素噴射装置によれば、尿素水溶液の凍結や乾燥による破損や固着等を防止することができる。

以下、本発明の一実施の形態を図面に即して説明する。

本実施の形態において、本発明に係る尿素噴射装置は、図１に示されているように、自動車用ディーゼルエンジンのＳＣＲシステムに搭載されている。
すなわち、ＳＣＲシステム１０においては、ディーゼルエンジン（図示せず）の排気管１１には酸化触媒部１２およびＳＣＲ部１３が直列に配置されており、ＳＣＲ部１３には尿素噴射装置２０が設けられている。
尿素噴射装置２０は尿素水溶液２１を貯留するタンク２２と、尿素水溶液２１を加圧するポンプ２３と、エアコンプレッサ２４に接続されたエアリザーバ２５と、エアリザーバ２５からの圧縮空気の圧力を制御する圧力制御弁２６と、尿素水溶液２１と圧縮空気とを混合し噴霧する噴霧器２７と、を備えている。
詳細な説明は省略するが、本実施の形態において、ポンプ２３は液体用電磁ポンプが使用されている。ポンプ２３はソレノイドによって駆動され、調整手段としての調整ボルトにより吐出ポートの吐出圧力を変更可能に構成されているとともに、ＰＦＭ（パルス幅一定、周期可変）制御によって吐出流量を変更可能に構成されている。

また、尿素噴射装置２０はコントローラ２８を備えている。コントローラ２８には、タンク２２内の尿素水溶液２１の温度を検出する温度センサ２２ａやタンク２２内の尿素水溶液２１の液面レベルを検出する液面レベルセンサ２２ｂおよびＳＣＲ部１３の温度を検出する温度センサ２９等が、接続されている。

図１に示されているように、ポンプ２３の吐出口には方向制御弁３０が接続されている。方向制御弁３０は、４ポート・２位置・電磁切換弁、に構成されており、ソレノイド部はコントローラ２８によって制御されるように構成されている。
方向制御弁３０は、尿素水溶液の送給時には、ポンプ２３の吐出口を負荷ポートに接続するとともに、ポンプ２３の吸入口をタンク２２に接続し、尿素水溶液の戻し時には、ポンプ２３の吐出口をタンク２２に接続するとともに、ポンプ２３の吸入口を負荷ポートに接続する。

図１に示されているように、方向制御弁３０の負荷ポートにはフィルタ３１が接続されている。フィルタ３１は図２および図３に示されているように構成されている。
図２に示されているように、フィルタ３１は密閉容器であるハウジング３２を備えており、ハウジング３２内にはフィルタケース３３が着脱自在に収容されている。フィルタケース３３内には尿素水溶液を濾過する濾過材（図示せず）が収納されている。
ハウジング３２の側壁には一次ポート３４が開設されており、一次ポート３４は方向制御弁３０の負荷ポート（図１参照）に接続されている。ハウジング３２の一端部（以下、上端部とする）には二次ポート３５が開設されており、二次ポート３５には噴霧器２７に接続される配管３６が接続されている（図１参照）。

図３に示されているように、ハウジング３２内の上端部にはフロート弁４０が設置されている。すなわち、フロート弁４０の弁口４１はハウジング３２内の上端部において一次ポート３４と二次ポート３５とを仕切る仕切壁に開設されており、一次ポート３４と二次ポート３５とに連通している。弁口４１の二次ポート３５側（上側）の開口縁辺部には弁座４２が形成されている。
弁口４１内には弁棒４３が軸線方向に移動自在に挿通されており、弁棒４３は上端がハウジング３２内の天井面に突き当たることにより上限を規定されている。弁棒４３の二次ポート３５側端部（上端部）には弁体４４が固定されており、弁体４４はハウジング３２内に形成された弁室４５に移動可能に配置されている。弁棒４３の一次ポート３４側端部（下端部）にはフロート４６が固定されており、フロート４６の浮力はハウジング３２内に形成されたフロート室４７内における尿素水溶液２１の液面の昇降によって昇降可能に設定されている。

尿素水溶液２１は強アルカリ性であるので、尿素水溶液２１を貯留するタンク２２、ポンプ２３、方向制御弁３０、フィルタ３１、フロート弁４０、配管３６および噴霧器２７等における尿素水溶液２１と接触する表面は、耐アルカリ性の材料によって形成することが望ましい。

次に、前記構成に係る尿素噴射装置の作用を、フロート弁の作用を中心に説明する。

ポンプ２３による尿素水溶液２１の送給時には、方向制御弁３０はポンプ２３の吐出口負荷ポートすなわちフィルタ３１の一次ポート３４に接続している。
この時、図２に示されているように、フィルタ３１のフロート室４７内には尿素水溶液２１が充満している。したがって、図３に示されているように、フロート４６が浮き上がって上限に位置するので、フロート弁４０の弁体４４は弁座４２から離れて弁口４１を開いた状態になっている。
ポンプ２３によってフィルタ３１の一次ポート３４に送給された尿素水溶液２１は、フィルタケース３３内を通過することによって濾過され、弁口４１を通って二次ポート３５に至り、配管３６を経由して噴霧器２７に送給される。

噴霧器２７に供給された尿素水溶液２１はエアリザーバ２５からの圧縮空気と混合され、噴霧器２７から排気管１１のＳＣＲ部１３に噴霧される。
噴霧器２７からＳＣＲ部１３に噴霧された尿素水溶液２１は、図１に示されているように、アンモニア（ＮＨ3 ）と二酸化炭素（ＣＯ2 ）とに分解される。
アンモニアは酸化触媒部１２からのＮＯｘと化学反応して窒素（Ｎ2 ）と水（Ｈ2 Ｏ）とに変換されるため、ＮＯｘは除去されたことになる。

尿素水溶液２１の凍結による配管３６の破損等を防止するために、尿素水溶液２１を配管３６から抜く時には、コントローラ２８は方向制御弁３０を切り換え、負荷ポートすなわちフィルタ３１の一次ポート３４をポンプ２３の吸入口に接続する。
この時、図２および図３に示されているように、フロート室４７内には尿素水溶液２１が充満しているので、フロート弁４０の弁体４４は弁口４１を開いたままになっている。したがって、一次ポート３４がポンプ２３の吸入口に接続されると、配管３６内の尿素水溶液２１はポンプ２３の吸引力により、フィルタ３１の二次ポート３５→弁口４１→一次ポート３４→方向制御弁３０→ポンプ２３の吸入口→ポンプ２３を経由して、タンク２２に戻される。

配管３６内の尿素水溶液２１が抜かれることにより、図４に示されているように、フロート室４７内における尿素水溶液２１の液面が所定のレベル以下に降下すると、フロート４６が下がるために、フロート４６に弁棒４３によって連結された弁体４４は弁座４２に当接し、フロート室４７内がポンプ２３の吸入力によって負圧となり、弁口４１を閉じる。
弁口４１が弁体４４によって閉じられてフロート室４７内が負圧になると、コントローラ２８はポンプ２３を停止させる。
この状態において、図４に示されているように、フィルタケース３３内には尿素水溶液２１が充満した状態になっているので、尿素水溶液２１の乾燥によるポンプ２３や方向制御弁３０等の機能部品の固着およびフィルタケース３３の濾過機能の低下等の発生を防止することができる。

前記実施の形態によれば、次の効果が得られる。

（１）方向制御弁を切り換えてフィルタの一次ポートをポンプの吸入口に接続することにより、尿素水溶液を配管から抜くことができるために、尿素水溶液の凍結による配管の破損等を未然に防止することができる。

（２）尿素水溶液を配管から抜いた後に、フィルタケース内に尿素水溶液が充満した状態に維持することにより、尿素水溶液の乾燥によるポンプや方向制御弁等の機能部品の固着およびフィルタケースの濾過機能の低下等の発生を防止することができる。

（３）フィルタの一次ポートと二次ポートとの間にフロート弁を設け、フロート弁は尿素水溶液の送給時には尿素水溶液の液面の上昇によって弁口を開き、尿素水溶液の噴霧器からの戻し時には尿素水溶液の液面の降下およびポンプの吸入力によって弁口を閉じるように構成することにより、尿素水溶液を配管から抜くための電磁弁が不要になるので、尿素噴射装置およびＳＣＲシステム全体としてのイニシャルコストおよびランニングコストを低減することができるとともに、重量および体積を低減することができる。

（４）フロート弁を使用することにより、液面センサ等の精度誤差やフィードバック制御のタイムラグ等を誤差なく尿素水溶液の流量を管理することができる。

図５は本発明の他の実施形態を示すものである。

本実施形態が前記実施形態と異なる点は、フロート４６Ａと弁体４４Ａとが一体的に形成されており、弁体４４Ａとフロート４６Ａとのアッシー４８がハウジング３２内の二次ポート３５側に配置されている点である。

本実施形態によれば、前記実施形態と同様の作用および効果に加えて、フロート弁を小形化することができるという効果が得られる。

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々に変更が可能であることはいうまでもない。

例えば、フロート弁はフィルタに配置するに限らず、方向制御弁と噴射器との間の流路に配置してもよい。

本発明の一実施の形態であるＳＣＲシステムを示す模式図である。 本発明の一実施の形態である尿素噴射装置のフィルタとフロート弁アッシーを示す縦断面図である。 フロート弁部分を示す拡大断面図である。 その閉弁時を示す拡大断面図である。 本発明の他の実施の形態であるフロート弁部分を示す拡大断面図である。

符号の説明

１０…ＳＣＲシステム、１１…排気管、１２…酸化触媒部、１３…ＳＣＲ部、
２０…尿素噴射装置、２１…尿素水溶液、２２…タンク、２３…ポンプ、２４…エアコンプレッサ、２５…エアリザーバ、２６…圧力制御弁、２７…噴霧器、
２８…コントローラ、２９…温度センサ、
３０…方向制御弁、
３１…フィルタ、３２…ハウジング、３３…フィルタケース、３４…一次ポート、３５…二次ポート、３６…配管、
４０…フロート弁、４１…弁口、４２…弁座、４３…弁棒、４４…弁体、４５…弁室、４６…フロート、４７…フロート室、
４４Ａ…弁体、４６Ａ…フロート、４８…弁体とフロートアッシー。

Claims (3)

1. 排気管酸化触媒部下流側のＳＣＲ部に尿素水溶液を噴霧する噴霧器に、該尿素水溶液がポンプによって送給される尿素噴射装置であって、
   前記噴霧器に前記尿素水溶液が供給される流路に、前記尿素水溶液の液面の昇降を利用して該流路を開閉するフロート弁が設けられており、
   該フロート弁は、前記尿素水溶液の送給時には前記尿素水溶液の液面の上昇によって前記流路を開き、前記尿素水溶液の前記噴霧器からの戻し時には前記尿素水溶液の液面の降下および前記ポンプの吸入力によって前記流路を閉じるように構成されていることを特徴とする尿素噴射装置。
2. 前記フロート弁は、前記流路の途中に設けられた弁口と、該弁口の二次ポート側開口縁辺部に形成された弁座と、前記弁口内に軸線方向に移動自在に挿通された弁棒と、該弁棒の二次ポート側端部に固定された弁体と、前記弁棒の一次ポート側端部に固定されたフロートとを備えており、前記フロートの浮力は前記尿素水溶液の液面昇降によって昇降可能に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の尿素噴射装置。
3. 前記フロート弁は、前記流路の途中に設けられた弁口と、該弁口の二次ポート側開口縁辺部に形成された弁座と、該弁座に離着座する弁体と、該弁体と一体的に移動するフロートとを備えており、前記フロートの浮力は前記尿素水溶液の液面昇降によって昇降可能に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の尿素噴射装置。

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