JP2016180361A - 尿素ｓｃｒシステムにおける尿素水供給装置及び尿素水供給方法 - Google Patents

Abstract

【課題】撹拌羽根を備えた撹拌手段を設けずに、凍結尿素水の解凍を促進し、尿素水の凍結した塊が、走行中に尿素水タンクの壁面や尿素水ポンプを損傷するリスクを低減する。【解決手段】尿素水供給装置１４は、尿素水タンク１５と、尿素水タンク内に貯留されている尿素水１６をディーゼルエンジン１１の排気通路１２に設けられた添加弁１７へ尿素水供給路１８を介して供給する尿素水ポンプ１９と、尿素水ポンプの周囲に設けられた電気ヒータ２０と、を備えている。また、尿素水タンク内の凍結尿素水の解凍時に、電気ヒータへの通電開始後、尿素水ポンプの周囲の尿素水が解凍されたか否かを判断するＥＣＵ２６と、尿素水ポンプの周囲の尿素水が解凍された時点以降、尿素水ポンプを、正転、逆転を繰り返すように制御し、尿素水添加要求信号を受けた時点から、尿素水ポンプを、正転を継続するように制御するＥＣＵ２６と、を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、尿素ＳＣＲシステムにおける尿素水供給装置及び尿素水供給方法に関する。

車両等に搭載された内燃機関から排出される排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する排気浄化装置として、尿素水を還元剤として用いる尿素ＳＣＲシステムがある。尿素ＳＣＲシステムでは、尿素水タンク内に貯えられている尿素水は、尿素水タンクに収容されている尿素水ポンプにより、排気通路に設けられている添加弁へ供給される。尿素水は融点が比較的高く、氷点下で凍結するため、寒冷地や厳冬期のように使用環境が極低温となる場合には、尿素水タンク内において尿素水が局所的に凍結または全凍結する虞があり、低温下での凍結対策が必要となっている。

尿素水の凍結対策として、図５に示すように、尿素水タンク５１の底部中央に設けられて尿素水を撹拌する撹拌羽根５２と、その駆動軸５３を駆動する撹拌手段５４と、尿素水タンク５１内の底面外周部近傍に配置された電気ヒータ５５とを設け、コントローラユニット５６により通電を制御するようにした装置が提案されている（特許文献１参照）。コントローラユニット５６は、尿素水温検出手段５７の検出温度から尿素水の凍結状態を監視して、撹拌手段５４及び電気ヒータ５５を制御する。尿素水を、尿素水供給路５８を介して図示しない尿素水添加弁へ圧送するポンプ５９は、撹拌羽根５２の側方に配置され、その吸入口は、電気ヒータ５５の上面に対向する位置に開口されている。

特開２００８−２８６０９６号公報

搭載スペースの制約による搭載上の理由で、扁平あるいは長細い尿素水タンクを設け、尿素水タンクの底部中央に尿素水ポンプが設けられ、ポンプケースの外側にヒータが一体に設けられた尿素水供給装置がある。このような尿素水供給装置では、尿素水タンクの容積が同じ場合は、ヒータから尿素水タンクの内周面までの距離が大きくなり、尿素水タンクの端にはヒータの熱が及び難く、凍結した尿素水の解凍に時間が掛かる。また、解凍途中で尿素水の凍結した塊が、車両の走行時に尿素タンク内を移動して尿素水タンクの壁面や尿素水ポンプに衝突して、それらの損傷の原因となる。

特許文献１の排気浄化装置では、尿素水タンク５１内の尿素水全体が凍結した場合は考慮しておらず、尿素水温度または外気温度から尿素水の部分凍結が予測され、撹拌手段５４の作動が必要な状態と判断されると、撹拌羽根５２を回転駆動して尿素水溶液を強制撹拌する。そのため、尿素水タンク５１内の尿素水全体が凍結した場合には、撹拌羽根５２が回転可能になるまでに時間が掛かる。また、撹拌羽根５２を備えた撹拌手段５４が必須となり、尿素水タンク５１内の尿素水全体が凍結した状態から解凍を開始した場合、解凍途中で凍結した尿素水の塊が撹拌羽根５２にぶつかって撹拌羽根５２が損傷し易くなる。

本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、撹拌羽根を備えた撹拌手段を設けずに、凍結尿素水の解凍を促進することができ、凍結した尿素水の塊が、走行中に尿素水タンクの壁面や尿素水ポンプを損傷するリスクを低減することができる尿素ＳＣＲシステムにおける尿素水供給装置及び尿素水供給方法を提供することにある。

上記課題を解決する尿素ＳＣＲシステムにおける尿素水供給装置は、尿素水タンクと、前記尿素水タンク内の底部に設けられ、前記尿素水タンク内に貯留されている尿素水を内燃機関の排気通路に設けられた添加弁へ尿素水供給路を介して供給する尿素水ポンプと、前記尿素水ポンプの周囲に設けられた電気ヒータと、前記尿素タンク内の凍結尿素水の解凍時に、前記電気ヒータへの通電開始後、前記尿素水ポンプの周囲の尿素水が解凍されたか否かを判断する判断手段と、前記尿素水ポンプの周囲の尿素水が解凍された時点以降、前記尿素水ポンプを、正転、逆転を繰り返すように制御し、尿素水添加要求信号を受けた時点から、前記尿素水ポンプを、正転を継続するように制御する制御手段と、を備えている。

この構成によれば、尿素水ポンプの周囲に電気ヒータが設けられているため、凍結尿素水の解凍を行うときに、尿素水ポンプの周囲の凍結尿素水が速やかに解凍される。そして、尿素水ポンプの周囲の尿素水が解凍されると、尿素水ポンプが正転、逆転を繰り返すため、尿素水ポンプが正転のみを行った場合と異なり、解凍された尿素水は、尿素水タンクの端まで循環されて、凍結した尿素水の解凍が促進される。そして、尿素水添加要求信号を受けた時点から、尿素水ポンプは正転を継続するため、尿素水添加は良好に行われる。したがって、撹拌羽根を備えた撹拌手段を設けずに、凍結尿素水の解凍を促進することができ、尿素水の凍結した塊が、走行中に尿素水タンクの壁面や尿素水ポンプを損傷するリスクを低減することができる。

前記電気ヒータは、前記尿素水ポンプのケースの外側に固定されていることが好ましい。この構成によれば、尿素水タンク内に尿素水ポンプを配置すると電気ヒータも自動的に尿素水ポンプに接した位置に配置することができ、尿素水ポンプと電気ヒータとが別体の場合に比べて、尿素水タンクへの組み付けが容易になる。

上記課題を解決する尿素ＳＣＲシステムにおける尿素水供給方法は、尿素水タンクと、前記尿素水タンク内の底部に設けられ、前記尿素水タンク内に貯留されている尿素水を内燃機関の排気通路に設けられた添加弁へ尿素水供給路を介して供給する尿素水ポンプと、前記尿素水ポンプの周囲に設けられた電気ヒータと、前記尿素タンク内の前記尿素水の解凍時に、前記電気ヒータへの通電開始後、前記尿素水ポンプの周囲の尿素水が解凍されたか否かを判断する判断手段と、を備えた尿素ＳＣＲシステムにおける尿素水供給方法である。そして、前記尿素水タンクの前記凍結尿素水の解凍時に、前記尿素水ポンプの周囲の尿素水が解凍された時点以降、前記尿素水ポンプを、正転、逆転を繰り返すように制御し、尿素水添加要求信号を受けた時点から、前記尿素水ポンプを、正転を継続するように制御する。

この構成によれば、尿素ＳＣＲシステムにおいて、尿素水タンク内の凍結尿素水の解凍時に、電気ヒータへの通電開始後、尿素水ポンプの周囲の尿素水が解凍された時点以降、尿素水ポンプを、正転、逆転を繰り返すように制御する。そして、尿素水添加要求信号を受けた時点から、前記尿素水ポンプを、正転を継続するように制御する。したがって、撹拌羽根を備えた撹拌手段を設けずに、凍結尿素水の解凍を促進することができ、尿素水の凍結した塊が、走行中に尿素水タンクの壁面や尿素水ポンプを損傷するリスクを低減することができる。

本発明によれば、撹拌羽根を備えた撹拌手段を設けずに、凍結尿素水の解凍を促進することができ、凍結した尿素水の塊が、走行中に尿素水タンクの壁面や尿素水ポンプを損傷するリスクを低減することができる。

尿素水供給装置の概略図。 尿素水ポンプのケースを破断した概略図。 尿素水ポンプの平面図。 凍結尿素水解凍時の尿素水ポンプの動作、温度変化等を示すタイムチャート。 従来技術の尿素水供給装置の概略図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図４にしたがって説明する。
図１に示すように、尿素ＳＣＲシステムは、内燃機関としてのディーゼルエンジン１１から排出された排気ガスが流通する排気通路１２と、排気通路１２に設けられたＳＣＲ触媒（選択還元触媒）１３と、尿素水供給装置１４とを備えている。

尿素水供給装置１４は、尿素水タンク１５と、尿素水タンク１５内の底部中央に設けられ、尿素水タンク１５内に貯留されている尿素水１６をディーゼルエンジン１１の排気通路１２に設けられた添加弁１７へ尿素水供給路１８を介して供給する尿素水ポンプ１９と、尿素水ポンプ１９の周囲に設けられた電気ヒータ２０と、を備えている。

図２に示すように、尿素水ポンプ１９は、下方が開放されて上方が閉鎖された円筒状のケース２１と、ケース２１内に収容されたギヤポンプ２２と、ギヤポンプ２２を駆動するモータ部２３とで構成されている。モータ部２３は３相モータで構成されている。モータ部２３は、通電時に３相のうち２相のみ通電される状態と、３相全てに通電される状態とに切り替え可能に構成されている。ケース２１には窓２４が複数設けられ、窓２４には、尿素水１６の通過は許容するがゴミなどの異物の通過を阻止するフィルタ２５が設けられている。

図１〜図３に示すように、電気ヒータ２０は複数設けられ、この実施形態では図３に示すように４個設けられている。電気ヒータ２０は、一端側が尿素水ポンプ１９のケース２１の筒状部上側に取り付けられ、ケース２１の径方向において斜め下側に向かって延びるように設けられている。電気ヒータ２０として、ゴムヒータ（例えば、シリコンラバーヒータ）が使用されている。ゴムヒータは、薄い板状で、多少湾曲する状態で設けられているため、尿素水ポンプ１９を上から見た状態、正面から見た状態、側面から見た状態のいずれの場合も大きな幅を有する状態で見える。

尿素水供給装置１４は、尿素水タンク１５内の尿素水１６の凍結時に、電気ヒータ２０への通電開始後、尿素水ポンプ１９の周囲の尿素水１６が解凍されたか否かを判断する判断手段としてのＥＣＵ（電子制御装置）２６を備えている。尿素水ポンプ１９は温度センサ２７を備えており、ＥＣＵ２６は、温度センサ２７の検出信号を入力して、尿素水ポンプ１９の周囲の尿素水１６が解凍されたか否かを判断する。

ＥＣＵ２６は、尿素水ポンプ１９の周囲の尿素水１６が解凍された時点以降、尿素水ポンプ１９を、正転、逆転を繰り返すように制御し、尿素水添加要求信号を受けた時点から尿素水ポンプ１９を、正転を継続するように制御する制御手段としても機能する。

次に前記のように構成された尿素水供給装置１４の凍結尿素水を解凍する際の作用を図４に従って説明する。
ディーゼルエンジン１１が始動されると、電気ヒータ２０（タンクヒータ）への通電及びモータ部２３すなわちポンプモータへの通電が開始される。モータ部２３ヘの通電は、３相のうち２相への通電が行われる。モータ部２３は３相モータで構成されているため、２相に通電されてもモータ部２３は駆動せず、通電により発熱する。そのため、電気ヒータ２０のみに通電した場合に比べて発熱量が大きくなり、凍結した尿素水１６の解凍が促進される。

ＥＣＵ２６は、温度センサ２７の検出信号により、尿素水ポンプ１９の周囲の尿素水１６の温度を把握し、その温度が尿素水ポンプ１９の周囲の尿素水１６が解凍された温度に達すると、モータ部２３に対する通電を３相全ての通電に切り替える。

また、ＥＣＵ２６は、尿素水ポンプ１９を、正転、逆転を繰り返すように、モータ部２３（ポンプモータ）を、正転及び逆転を予め設定された時間間隔で繰り返すように制御する。ＥＣＵ２６は、モータ部２３を正転及び逆転を繰り返すように制御している状態で、尿素水添加要求信号を受けると、添加弁１７への尿素水充填のため、尿素水添加要求信号を受けた時点から、尿素水ポンプ１９、すなわちモータ部２３を、正転を継続するように制御する。その後、尿素水１６の温度が予め設定された温度に達すると、電気ヒータ２０への通電を停止する。

尿素水ポンプ１９の周囲に電気ヒータ２０が設けられているため、凍結尿素水の解凍を行うときに、尿素水ポンプ１９の周囲の凍結尿素水が速やかに解凍される。そして、尿素水ポンプ１９の周囲の尿素水が解凍されると、尿素水ポンプ１９が正転、逆転を繰り返すため、尿素水ポンプ１９が正転のみを行った場合と異なり、解凍された尿素水１６は、尿素水タンク１５の端まで循環されて、凍結した尿素水の解凍が促進される。そして、尿素水添加要求信号を受けた時点から、尿素水ポンプ１９は正転を継続するため、尿素水添加は良好に行われる。

この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）尿素水供給装置１４は、尿素水タンク１５と、尿素水タンク１５内の底部に設けられ、尿素水タンク１５内に貯留されている尿素水１６をディーゼルエンジン１１の排気通路１２に設けられた添加弁１７へ尿素水供給路１８を介して供給する尿素水ポンプ１９と、尿素水ポンプ１９の周囲に設けられた電気ヒータ２０と、を備えている。また、尿素水タンク１５内の凍結尿素水の解凍時に、電気ヒータ２０への通電開始後、尿素水ポンプ１９の周囲の尿素水が解凍されたか否かを判断する判断手段（ＥＣＵ２６）と、尿素水ポンプ１９の周囲の尿素水が解凍された時点以降、尿素水ポンプ１９を、正転、逆転を繰り返すように制御し、尿素水添加要求信号を受けた時点から、尿素水ポンプ１９を、正転を継続するように制御する制御手段（ＥＣＵ２６）と、を備えている。したがって、撹拌羽根を備えた撹拌手段を設けずに、凍結尿素水の解凍を促進することができ、尿素水の凍結した塊が、走行中に尿素水タンク１５の壁面や尿素水ポンプ１９を損傷するリスクを低減することができる。

（２）電気ヒータ２０は、尿素水ポンプ１９のケース２１の外側に固定されている。この構成によれば、尿素水タンク１５内に尿素水ポンプ１９を配置すると電気ヒータ２０も自動的に尿素水ポンプ１９に接した位置に配置することができ、尿素水ポンプ１９と電気ヒータ２０とが別体の場合に比べて、尿素水タンク１５への組み付けが容易になる。

（３）電気ヒータ２０への通電開始後、尿素水ポンプ１９の周囲の尿素水が解凍されたか否かを判断する判断手段（ＥＣＵ２６）は、尿素水ポンプ１９が備えている温度センサ２７の検出信号を入力して尿素水ポンプ１９の周囲の尿素水が解凍されたか否かを判断する。したがって、新たに専用の温度センサを設ける必要がない。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 電気ヒータ２０への通電開始後、尿素水ポンプ１９の周囲の尿素水１６が解凍されたか否かの判断は、尿素水ポンプ１９の周囲の尿素水１６の温度を温度センサ２７で測定する方法に限らない。例えば、予め電気ヒータ２０ヘの通電開始から尿素水ポンプ１９の周囲の尿素水１６が解凍されるまでの時間を計測して、その時間をＥＣＵ２６のメモリに記憶しておき、電気ヒータ２０ヘの通電開始からの経過時間で判断してもよい。この場合は、外気温及びエンジン（内燃機関）の駆動状態の影響を受けるため、外気温センサ及びエンジンの駆動状態と対応して複数の設定時間を設ける必要がある。エンジンの駆動状態に対応するデータとしては、例えば、エンジン水温、エンジン回転数、燃料噴射量、排気温等が挙げられる。

○ 電気ヒータ２０は、尿素水ポンプ１９に固定、即ちケース２１に接触している状態で設けられていなくても、尿素水ポンプ１９の周囲に設けられていればよい。例えば、尿素水ポンプ１９の中心から尿素水タンク１５の側壁内面までの距離の半分以内の箇所に設けられていればよい。

○ 電気ヒータ２０は、板状のゴムヒータを複数放射状に設ける代わりに、円環状のゴムヒータを設けてもよい。
○ 電気ヒータ２０への通電開始後、尿素水ポンプ１９の周囲の尿素水１６が解凍されたか否かを判断する判断手段と、尿素水ポンプ１９の周囲の尿素水１６が解凍された時点以降、尿素水ポンプ１９を、正転、逆転を繰り返すように制御し、尿素水添加要求信号を受けた時点から、尿素水ポンプ１９を、正転を継続するように制御する制御手段とは別のＥＣＵで行ってもよい。

○ 内燃機関は、ディーゼルエンジンに限らず、ガソリンエンジンであってよい。
○ 尿素水ポンプ１９の位置は、尿素水タンク１５内の底部中央に限らず、中央からずれた位置であってもよい。

○ 電気ヒータ２０への通電開始後、尿素水ポンプ１９の周囲の尿素水１６が解凍されたか否かを判断する判断手段と、尿素水ポンプ１９が正転、逆転を繰り返す状態あるいは正転を継続する状態に制御を行う制御手段の役割を、内燃機関（エンジン）の制御を行うＥＣＵが行うようにしてもよい。

○ ＥＣＵ２６は、尿素水添加要求信号を受けたとしても、尿素水１６の温度が予め設定された温度に達し、電気ヒータ２０への通電を停止するまでは、尿素水ポンプ１９を正転、逆転を繰り返すように制御してもよい。

以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の発明において、前記判断手段は、前記電気ヒータへの通電開始からの経過時間と、外気温度と、内燃機関の駆動状態とから前記尿素水ポンプの周囲の尿素水が解凍された時点を判断する。

（２）請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の発明において、前記判断手段は、前記尿素水ポンプに設けられた温度センサの検出信号から前記尿素水ポンプの周囲の尿素水が解凍された時点を判断する。

１１…内燃機関としてのディーゼルエンジン、１２…排気通路、１４…尿素水供給装置、１５…尿素水タンク、１６…尿素水、１７…添加弁、１８…尿素水供給路、１９…尿素水ポンプ、２０…電気ヒータ、２１…ケース、２６…判断手段及び制御手段としてのＥＣＵ。

Claims (3)

1. 尿素水タンクと、
   前記尿素水タンク内の底部に設けられ、前記尿素水タンク内に貯留されている尿素水を内燃機関の排気通路に設けられた添加弁へ尿素水供給路を介して供給する尿素水ポンプと、
   前記尿素水ポンプの周囲に設けられた電気ヒータと、
   前記尿素水タンク内の凍結尿素水の解凍時に、前記電気ヒータへの通電開始後、前記尿素水ポンプの周囲の尿素水が解凍されたか否かを判断する判断手段と、
   前記尿素水ポンプの周囲の尿素水が解凍された時点以降、前記尿素水ポンプを、正転、逆転を繰り返すように制御し、尿素水添加要求信号を受けた時点から、前記尿素水ポンプを、正転を継続するように制御する制御手段と、
   を備えていることを特徴とする尿素ＳＣＲシステムにおける尿素水供給装置。
2. 前記電気ヒータは、前記尿素水ポンプのケースの外側に固定されている請求項１に記載の尿素ＳＣＲシステムにおける尿素水供給装置。
3. 尿素水タンクと、
   前記尿素水タンク内の底部に設けられ、前記尿素水タンク内に貯留されている尿素水を内燃機関の排気通路に設けられた添加弁へ尿素水供給路を介して供給する尿素水ポンプと、
   前記尿素水ポンプの周囲に設けられた電気ヒータと、
   前記尿素水タンク内の凍結尿素水の解凍時に、前記電気ヒータへの通電開始後、前記尿素水ポンプの周囲の尿素水が解凍されたか否かを判断する判断手段と、
   を備えた尿素ＳＣＲシステムにおける尿素水供給方法であって、
   前記尿素水タンク内の前記凍結尿素水の解凍時に、前記尿素水ポンプの周囲の尿素水が解凍された時点以降、前記尿素水ポンプを、正転、逆転を繰り返すように制御し、尿素水添加要求信号を受けた時点から、前記尿素水ポンプを、正転を継続するように制御することを特徴とする尿素ＳＣＲシステムにおける尿素水供給方法。