JP2010151050A - 還元剤容器 - Google Patents

Abstract

【課題】液体還元剤又はその前駆体の凍結による体積膨張に対して耐圧構造を備えつつ、小型化且つ軽量化が可能な還元剤容器を提供する。
【解決手段】液体還元剤又はその前駆体を貯蔵する容器本体３０Ａに、液体還元剤又その前駆体の凍結による体積膨張を受けると少なくとも該体積膨張分を吸収するように弾性的に縮小変形する体積膨張吸収手段４４を内装して還元剤容器３０を構成する。体積膨張吸収手段４４が凍結による体積膨張分を吸収して還元剤容器３０にかかる応力を緩和するので、容器３０の壁厚や補強箇所を減らすことが可能になり、小型化且つ軽量化した容器３０を提供できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、還元剤を用いて排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元浄化する排気浄化装置において、還元剤容器に貯蔵された液体還元剤又はその前駆体の凍結により容器が破損、変形等することを防止する技術に関する。

エンジンの排気に含まれるＮＯｘを除去する排気浄化装置として、ＮＯｘ還元触媒を用いるものが提案されている。かかる排気浄化装置は、エンジンの排気管に配設されたＮＯｘ還元触媒の排気上流に、エンジン運転状態に応じた添加流量で液体還元剤又はその前駆体を噴射供給し、排気中のＮＯｘと還元剤とを選択還元反応させて、ＮＯｘを浄化処理するものである。

しかし、北海道のような寒冷地では、冬季の外気温度が液体還元剤又はその前駆体の凝固点以下となり、還元剤容器に貯蔵された液体還元剤又はその前駆体が凍結してしまうことがある。液体還元剤又はその前駆体は、外気に直接接触する容器外周から凍結し始め、次第に容器中央へ向かって凍結が進行する。このとき、還元剤容器の底部から液体還元剤又はその前駆体を吸い込む吸込管において、その内部に存在する液体還元剤又はその前駆体も凍結する。このため、エンジン始動直後に吸込管から液体還元剤又はその前駆体を吸い込めず、ＮＯｘ還元触媒の排気上流に噴射供給できない事態が生ずるおそれがある。そこで、熱媒体としてのエンジン冷却水を循環させ液体還元剤又はその前駆体との間で熱交換を行わせるようにした還元剤容器が、本出願人により提案されている（特許文献１参照）。
特開２００５−０８３２２３号公報

ところで、液体還元剤又はその前駆体は、その凍結時に体積が膨張するため容器を破損、変形等させる応力を発生することがある。このため、還元剤容器は、破損等が生じないように容器の壁厚や補強箇所を増やした耐圧構造とされているのが一般的である。

しかし、耐圧構造を採用すると、還元剤容器の大型化及び重量増の要因となっている。
そこで、本発明は、液体還元剤又はその前駆体の凍結による体積膨張を吸収して、還元剤容器に発生する応力を緩和させることで、小型化且つ軽量化を達成可能な還元剤容器の提供を目的とする。

このため、本発明の還元剤容器は、液体還元剤又はその前駆体を貯蔵する容器本体に、液体還元剤又その前駆体の凍結による体積膨張を受けると少なくとも該体積膨張分を吸収するように弾性的に縮小変形する体積膨張吸収手段を内装したことを特徴とする。

本発明によれば、液体還元剤又はその前駆体の凍結による体積膨張を受けると、該体積膨張分を吸収するように弾性的に縮小変形する体積膨張吸収手段を、還元剤容器に内装した。このため、液体還元剤又はその前駆体の凍結が進行すると、体積膨張吸収手段がその体積膨張分を吸収して縮小変形し、容器本体に作用する力を低減することができる。このため、容器本体に発生する応力が緩和されることから、容器の壁厚や補強箇所を減らすことが可能になり、小型化且つ軽量化した還元剤容器を提供することができる。

以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図１は、液体還元剤の前駆体としての尿素水溶液を使用し、排気中のＮＯｘを選択還元反応により還元浄化する排気浄化装置の全体構成を示す。

エンジン１０の排気マニフォールド１２に接続される排気管１４には、排気流通方向に沿って、一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ_２）へと酸化させる窒素酸化触媒１６と、尿素水溶液を噴射供給する噴射ノズル１８と、尿素水溶液を加水分解して生成されたアンモニアによりＮＯｘを選択還元浄化するＮＯｘ還元触媒２０と、ＮＯｘ還元触媒２０を通過したアンモニアを酸化させるアンモニア酸化触媒２２と、が夫々配設される。

尿素水溶液を貯蔵する還元剤容器３０は、サクションホース６０を介して、尿素水溶液を吸引して圧送するポンプモジュール６２に連通接続される。ポンプモジュール６２は、プレッシャーホース６４を介して、流量制御弁が内蔵された添加モジュール６６に連通接続される。添加モジュール６６は、添加ホース６８を介して、噴射ノズル１８に連通接続される。そして、ポンプモジュール６２及び添加モジュール６６は、コンピュータを内蔵したＥＣＵ７０により夫々電子制御され、エンジン運転状態に応じた添加流量で、還元剤容器３０に貯蔵された尿素水溶液が噴射ノズル１８からＮＯｘ還元触媒２０の排気上流に噴射供給される。なお、エンジン運転状態としては、例えば、排気温度センサ７２が検出する排気温度Ｔ、エンジン回転速度センサ７４が検出するエンジンの回転速度Ｎｅ、エンジン負荷センサ７６が検出する燃料噴射量、吸気流量、吸気負圧などのエンジン負荷Ｑ等とすることができる。

かかる排気浄化装置において、噴射ノズル１８から噴射供給された尿素水溶液は、排気熱及び排気中の水蒸気により加水分解され、アンモニアへと転化される。転化されたアンモニアは、ＮＯｘ還元触媒２０において排気中のＮＯｘと選択還元反応し、窒素（Ｎ_２）及び水（Ｈ_２Ｏ）へと浄化される。このとき、ＮＯｘ還元触媒２０におけるＮＯｘ浄化率を向上させるべく、窒素酸化触媒１６によりＮＯがＮＯ_２へと酸化され、排気中のＮＯとＮＯ_２との割合が選択還元反応に適したものに改善される。また、ＮＯｘ還元触媒２０を通過したアンモニアは、その排気下流に配設されたアンモニア酸化触媒２２により酸化されるので、アンモニアが大気中に排出されることを抑制できる。

還元剤容器３０は、具体的には、図２に示すように、略直方体形状をなす容器本体３０Ａの長手方向の２面幅を形成する側面上部に、尿素水溶液を補充するための補充口３０Ｂ及び搬送時に把持する取手３０Ｃが夫々形成されたものである。また、容器本体３０Ａの上面には、開口部３０Ｄが開設され、これを閉鎖するように、天蓋３２（天板）が複数のボルト３４により着脱可能に締結される。

天蓋３２の上面には、尿素水溶液を吸い込む吸込管３６と、尿素水溶液の戻り口３８と、尿素水溶液を加熱するヒータ４０と、が夫々設けられる。なお、図示略しているが、天蓋３２の上面には、尿素水溶液の残量及び濃度を検出する検出装置や、還元剤容器３０内の上部空間が負圧とならないように大気開放するブリザーパイプ等も設けられる。

吸込管３６は、容器本体３０Ａの天蓋３２からその底部に向けて垂下されており、後述するヒータ４０の管材４２Ａ，４２Ｂに、その一部を沿わせて溶接等により固着されている。

ヒータ４０は、容器本体３０Ａの天蓋３２からその底部に向けて垂下させた管材４２Ａを後述する第１の実施形態の体積膨張吸収手段４４の上部に接続し、略Ｕ字形状の管材４２Ｂを体積膨張吸収手段４４の下部に接続して形成される。ヒータ４０を構成する管材４２Ａ、体積膨張吸収手段４４及び管材４２Ｂは連通しており、エンジンを熱源とする熱媒体としてのエンジン冷却水（不凍液）が循環する。管材４２Ａの各端部は、天蓋３２から上方へ突出されており、エンジン冷却水の入口と出口とになる。このように、ヒータ４０を構成することにより、管材４２Ａ、４２Ｂの長さに加えて体積膨張吸収手段４４の表面積により容器本体３０Ａ内のヒータ４０の放熱面積が増加する。従って、ヒータ４０に固着された吸込管３６内で凍結する尿素水溶液は勿論、容器本体３０Ａ内で凍結する尿素水溶液を効率的に加熱して解凍することができる。なお、ヒータ４０は、容器本体３０Ａへの組み付けが容易となるように、開口部３０Ｄの開口寸法に収まる大きさとされる。また、管材４２Ａ，４２Ｂの材質としては、尿素水溶液の凍結による体積膨張に耐え得るように、例えば、ＳＵＳ３０４等のステンレス、ナイロン１２（ＰＡ１２）、ナイロン４６（ＰＡ４６）等のＰＡ樹脂が挙げられる。

第１の実施形態の体積膨張吸収手段４４は、図２〜図４に示すように、略箱形状をなし、その内部が仕切板４６により仕切られ、管材４２Ａと管材４２Ｂとに連通接続されている。このため、エンジン冷却水は、図３，図４の矢印のように流通して循環する。体積膨張吸収手段４４が連通接続される容器本体３０Ａ内の所定位置は、尿素水溶液の体積膨張が特に問題となる残量のとき、即ち、尿素水溶液が容器本体３０Ａ内の高水位まで入れられているときに、その体積膨張分を十分に吸収できる高さ位置であるとよい。また、体積膨張吸収手段４４は、その側壁に外力を受けると変形する６つの変形壁４８を備えている。変形壁４８は、尿素水溶液が液状のときには、図３に示すように、その弾性力やエンジン冷却水の圧力を受けて外側に突出している。一方、尿素水溶液の凍結が進行すると、図４に示すように、その体積膨張による外力Ｆを受けて該体積膨張分を吸収するように内側に凹む。このように、変形壁４８が弾性的に変形することで、体積膨張吸収手段４４が全体として縮小変形し、尿素水溶液の凍結による体積膨張分を吸収して、容器本体３０Ａに作用する力を低減するので、容器本体３０Ａに発生する応力を緩和させることができる。なお、体積膨張吸収手段４４は、ヒータ４０を容器本体３０Ａに組み付けることが容易なように、開口部３０Ｄの開口寸法に収まる大きさとされる。また、体積膨張吸収手段４４の材質としては、例えば、ポリプロピレン、オレフィン系又はスチレン系の熱可塑性エラストマ、架橋ポリエチレン及び架橋ポリブデン等の樹脂が挙げられる。

第２の実施形態の体積膨張吸収手段５０は、図５に示すように、球形状をなしており、容器本体３０Ａの天蓋３２からその底部に向けて垂下させ該底部から天蓋３２に向けて屈曲形成した略Ｕ字形状のヒータ４０に、所定位置で固着されている。該所定位置は、第１の実施形態と同様である。また、体積膨張吸収手段５０は、その内部がヒータ４０のエンジン冷却水が循環する流路と連通している。このため、エンジン冷却水が、図の矢印のように、ヒータ４０の流路と体積膨張吸収手段５０の内部とを流通するようになる。そして、尿素水溶液の凍結が進行すると、球形状を保持しようとする弾性力及びエンジン冷却水の圧力により球形状を保っていた体積膨張吸収手段４４は、その体積膨張による外力を受けて該体積膨張分を吸収するように弾性的に縮小変形する。この場合、体積膨張吸収手段４４内部に存在する凍結しないエンジン冷却水は、ヒータ４０の流路へと押し戻される。このように、体積膨張吸収手段５０の縮小変形により尿素水溶液の凍結による体積膨張分を吸収するので、その作用及び効果は第１の実施形態と同様である。なお、体積膨張吸収手段５０は、ヒータ４０から容器本体３０Ａの中心方向に突出させて設けられるとよい。即ち、ヒータ４０を容器本体３０Ａに組み付けることが容易なように、ヒータ４０と該ヒータ４０に固着される体積膨張吸収手段５０とは、開口部３０Ｄの開口寸法に収まる大きさにされる。また、体積膨張吸収手段５０の材質としては、例えば、エチレンプロピレンゴム等が挙げられる。

第３の実施形態の体積膨張吸収手段５２は、図６に示すように、球形状の密封体として構成され、その内部には圧縮性のある物質５４、例えば、空気５４が内封されている。体積膨張吸収手段５２は、図５の体積膨張吸収手段５０と異なり、ヒータ４０と連通接続されていない。そして、尿素水溶液の凍結が進行すると、空気５４の定常状態により球形状を保っている体積膨張吸収手段５２は、その体積膨張による外力を受けて該体積膨張分を吸収するように縮小変形する。この場合、体積膨張吸収手段５２内部の空気５４が圧縮されることで、体積膨張吸収手段５２が変形する。このように、体積膨張吸収手段５２の変形により尿素水溶液の凍結による体積膨張分を吸収するので、その作用及び効果は第１，２の実施形態と同様である。なお、体積膨張吸収手段５２は、第２の実施形態と同様に、ヒータ４０の組み付けが容易なように、ヒータ４０から容器本体３０Ａの中心方向に突出させて設けられ、開口部３０Ｄの開口寸法に収まる大きさにされる。また、体積膨張吸収手段５２に内封される物質は、空気５４や窒素等の気体のほか、圧縮性があればスポンジ等の固体であってもよい。さらに、体積膨張吸収手段５２の材質としては、例えば、エチレンプロピレンゴム等の弾性体の他、尿素水溶液の凍結による体積膨張に対して変形すると共に、尿素水溶液の解凍の進行とともに定常状態に戻る内封物質の膨張に対して変形するものでもよい。さらにまた、第３の実施形態では、体積膨張吸収手段５２をヒータ４０に固着したが、尿素水溶液の凍結による体積膨張分を吸収できれば、容器本体３０Ａのあらゆる箇所に内装することができ、例えば、容器本体３０Ａの内壁に固着する構成であってもよい。

かかる還元剤容器３０によれば、その内部に、尿素水溶液の凍結による体積膨張分を吸収するように弾性的に縮小変形する体積膨張吸収手段４４、５０、５２を設けた。このため、尿素水溶液の凍結が進行すると、体積膨張吸収手段４４、５０、５２がその体積膨張分を吸収するように変形し、容器本体３０Ａに作用する力を低減する。このため、容器本体３０Ａに発生する応力が緩和されることから、容器３０の壁厚や補強箇所を減らした容器構造が可能になり、小型化且つ軽量化した容器３０を提供することができる。

なお、本発明は、液体還元剤又はその前駆体として、尿素水溶液を使用する排気浄化装置に限らず、炭化水素を主成分とするガソリン、軽油、アルコールなどを使用するものにも適用可能であることはいうまでもない。

本発明の適用対象である排気浄化装置の全体構成図 還元剤容器の内部を示す概略縦断面図 （Ａ）は図２に示す第１の実施形態の体積膨張吸収手段と吸水管との縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）のａ−ａ線横断面図 （Ａ）は図３（Ａ）に示す体積膨張吸収手段が外力を吸収した状態を示す縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）のｂ−ｂ線横断面図 第２の実施形態の体積膨張吸収手段を示す概略縦断面図 第３の実施形態の体積膨張吸収手段を示す概略縦断面図

符号の説明

３０ 還元剤容器
３０Ａ 容器本体
４０ ヒータ
４４，５０，５２ 体積膨張吸収手段
５４ 空気

Claims (4)

1. 液体還元剤又はその前駆体を貯蔵する容器本体に、液体還元剤又その前駆体の凍結による体積膨張を受けると少なくとも該体積膨張分を吸収するように弾性的に縮小変形する体積膨張吸収手段を内装したことを特徴とする還元剤容器。
2. エンジンを熱源とする熱媒体を前記容器本体内で循環させて液体還元剤又その前駆体を加熱するヒータを含んで構成され、
   前記体積膨張吸収手段が、前記ヒータに固着されていることを特徴とする請求項１記載の還元剤容器。
3. 前記体積膨張吸収手段は、前記ヒータの熱媒体が循環する流路と連通接続されていることを特徴とする請求項２記載の還元剤容器。
4. 前記体積膨張吸収手段は、液体還元剤又その前駆体の凍結による体積膨張に対して圧縮性のある物質が密封体に内封されて構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の還元剤容器。

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