JP3686670B1 - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 還元剤の凍結防止のために還元剤を貯蔵する還元剤タンクに配管されたエンジンの冷却水循環配管内に冷却水が滞留するの防止しようとする排気浄化装置を提供する。
【解決手段】 前記エンジン１により加熱される冷却水の通路の一部を前記尿素水タンク６に導いて、該尿素水タンク６内に貯蔵された尿素水の凍結防止又は凍結した尿素水の解凍をする冷却水循環配管８と、該冷却水循環配管８の途中に設けられ、該冷却水循環配管８の通路を開閉して冷却水の循環及び循環停止をする冷却水遮断弁９と、該冷却水遮断弁９の開閉動作を制御する制御手段１０とを備えて、該制御手段１０により、エンジン始動時に所定時間だけ冷却水遮断弁９を開き冷却水循環配管８に冷却水を循環させるものである。
【選択図】 図２

Description

本発明は、移動車両搭載のディーゼルエンジン、ガソリンエンジン等から排出される窒素酸化物（ＮＯｘ）を、噴射ノズルで還元剤を還元触媒の排気上流側に噴射して還元除去するエンジンの排気浄化装置に関し、詳しくは、エンジンにより加熱される冷却水の通路の一部を還元剤タンクに導いて、該還元剤タンク内の還元剤の凍結を防止する冷却水循環配管内に冷却水が滞留するのを防止しようとする排気浄化装置に係るものである。

エンジンから排出される排気中の有害物質のうち、特にＮＯｘを除去して排気を浄化するシステムとして、いくつかの排気浄化装置が提案されている。この排気浄化装置は、エンジンの排気系に還元触媒を置き、該還元触媒の上流側の排気通路に還元剤を噴射供給することにより、排気中のＮＯｘと還元剤とを触媒還元反応させ、ＮＯｘを無害成分に浄化処理するものである。還元剤は還元剤タンクに常温で液体状態に貯蔵され、必要量を噴射ノズルから噴射供給する。還元反応は、ＮＯｘとの反応性のよいアンモニアを用いるもので、還元剤としては、加水分解してアンモニアを容易に発生する尿素水溶液、アンモニア水溶液、その他の還元剤水溶液が用いられる（例えば、特許文献１参照）。

この種の排気浄化装置は、例えば還元剤として尿素水を使用している場合に、北海道等の寒冷地において気温が−１１℃以下となったときには、還元剤タンクに貯蔵された尿素水が凍結する場合があった。このような問題に対しては、エンジンの冷却水通路の一部を冷却水循環配管で還元剤タンクに導いて、エンジンの始動により加熱された冷却水の一部を冷却水循環配管に循環させて尿素水の凍結防止又は凍結した尿素水を解凍させることが考えられる。
特開２０００−２７６２７号公報

しかし、還元剤タンクに冷却水循環配管を設けてエンジンの冷却水を循環させるものにおいては、尿素水の凍結の虞が無くなった時期には、冷却水の循環を停止するため、冷却水循環配管内に冷却水が滞留して水あかが付く虞がある。

そこで、本発明は、このような問題点に対処し、エンジンにより加熱される冷却水の通路の一部を還元剤タンクに導いて、該還元剤タンク内の還元剤の凍結を防止する冷却水循環配管内に冷却水が滞留するのを防止しようとする排気浄化装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明による排気浄化装置は、エンジンの排気系に配設され、排気中の窒素酸化物を還元剤により還元浄化する還元触媒と、前記還元剤を貯蔵した還元剤タンクと、該還元剤タンクから還元剤供給手段を介して供給される還元剤を前記排気系の排気通路内にて前記還元触媒の排気上流側に噴射する噴射ノズルとを備えたエンジンの排気浄化装置であって、前記エンジンにより加熱される冷却水の通路の一部を前記還元剤タンクに導いて、該還元剤タンク内に貯蔵された還元剤の凍結防止又は凍結した還元剤の解凍をする冷却水循環配管と、該冷却水循環配管の途中に設けられ、該冷却水循環配管の通路を開閉して冷却水の循環及び循環停止をする冷却水遮断弁と、該冷却水遮断弁の開閉動作を制御する制御手段とを備えて、該制御手段により、エンジン始動時に所定時間だけ前記冷却水遮断弁を開き前記冷却水循環配管に冷却水を循環させるものである。

このような構成により、エンジンにより加熱される冷却水の通路の一部を還元剤タンクに導いて、該還元剤タンク内に貯蔵された還元剤の凍結防止又は凍結した還元剤の解凍をする冷却水循環配管の途中に設けられた冷却水遮断弁を制御手段でエンジン始動時に所定時間だけ開き、上記冷却水循環配管に冷却水を循環させる。

また、前記制御手段は、前記各構成要素の所定の部位に設けられた各種センサーの検出出力に基づいて、（ａ）エンジンの始動、（ｂ）大気温度≦所定値、（ｃ）還元剤供給手段の温度≦所定値、（ｄ）還元剤タンク内の温度≦所定値、（ｅ）エンジンの回転数≧所定値の、少なくともいずれか一つの条件が満たされていないと判断したときに、前記冷却水遮断弁を所定時間だけ開くものである。これにより、各構成要素の所定部位に備えた各種センサーの検出出力に基づいて、制御手段でエンジンの始動、大気温度≦所定値、還元剤供給手段の温度≦所定値、還元剤タンク内の温度≦所定値、エンジンの回転数≧所定値の、各条件を判断し、該各条件の少なくともいずれか一つが満たされていないと判断すると冷却水遮断弁を所定時間だけ開く。

さらに、前記制御手段は、前記エンジン始動時の所定時間内に前記冷却水の温度が所定温度以上に上昇したときには、前記冷却水遮断弁を閉じるものである。これにより、エンジン始動時の所定時間内に冷却水の温度が所定温度以上に上昇したときには、制御手段で冷却水遮断弁を閉じる。

そして、前記制御手段は、前記全ての条件が満たされているときには、前記冷却水遮断弁を開いて前記還元剤タンクの還元剤の凍結防止又は解凍動作をさせるものである。これにより、上記全ての条件が満たされているときには、制御手段で冷却水遮断弁を開いて還元剤タンクの還元剤の凍結防止又は解凍動作をさせる。

請求項１に係る発明によれば、エンジンにより加熱される冷却水の通路の一部を還元剤タンクに導いて、該還元剤タンク内に貯蔵された還元剤の凍結防止又は凍結した還元剤の解凍をする冷却水循環配管の途中に設けられた冷却水遮断弁をエンジン始動時に所定時間だけ開いて、エンジンの冷却水の一部を冷却水循環配管内に循環させるものとしたことにより、冷却水循環配管内に冷却水が滞留するの防止することができる。したがって、例えば、凍結の虞が無くなった時期に冷却水の循環を停止した場合にも、冷却水循環配管内に水あかが付くのを防止することができる。

また、請求項２に係る発明によれば、エンジンの始動、大気温度≦所定値、還元剤供給手段の温度≦所定値、還元剤タンク内の温度≦所定値、エンジンの回転数≧所定値の、各条件の少なくともいずれか一つが満たされていないとき、冷却水遮断弁を所定時間だけ開くものとしたことにより、滞留防止の冷却水循環動作の判断が容易になる。

さらに、請求項３に係る発明によれば、エンジン始動時の所定時間内に冷却水の温度が所定温度以上に上昇したときには、制御手段で冷却水遮断弁を閉じるものとしてことにより、加熱された冷却水で還元剤タンク内の還元剤、例えば尿素水の温度が上昇してアンモニアが発生するのを防止することができる。

そして、請求項４に係る発明によれば、上記各条件が全て満たされているときには、冷却水遮断弁を開いて還元剤タンクの還元剤の凍結防止又は解凍動作をさせるものとしたことにより、還元剤の凍結防止又は解凍動作の判断が容易になる。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明による排気浄化装置の実施形態を示す概念図である。この排気浄化装置は、移動車両に搭載のディーゼルエンジン、ガソリンエンジン等から排出されるＮＯｘを、還元剤を用いて還元除去するものであり、ガソリンあるいは軽油を燃料とするエンジン１の排気を排気マニフォールド２から大気中に排出させる排気管３にＮＯｘの還元触媒４と、噴射ノズル５とを備え、この噴射ノズル５に連結された尿素水タンク６と、尿素水供給手段７とを備え、さらに上記エンジン１と尿素水タンク６との間に冷却水循環配管８と、冷却水遮断弁９と、制御手段１０とを備えてなる。

上記排気管３の排気口３ａ近傍には、ＮＯｘの還元触媒４が設けられている。このＮＯｘの還元触媒４は、排気管３内を通る排気中のＮＯｘを還元剤により還元浄化するもので、例えばセラミックのコーディライトやＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系の耐熱鋼から成るハニカム形状の横断面を有するモノリスタイプの触媒担体に、ゼオライト系の活性成分が担持されている。そして、上記触媒担体に担持された活性成分は、還元剤の供給を受けて活性化し、排気中のＮＯｘを効果的に無害物質に浄化させる。

上記還元触媒４の排気上流側には、噴射ノズル５が設けられている。この噴射ノズル５は、後述の尿素水タンク６から尿素水供給手段７を介して供給される尿素水を上記排気管３内にて上記還元触媒４の排気上流側に噴射するものであり、ノズル先端５ａを排気下流側に折り曲げて尿素水を還元触媒４に向けて矢印Ａ方向に噴射するようになっている。

上記噴射ノズル５には、尿素水供給配管１１を介して尿素水タンク６が連結されている。この尿素水タンク６は、還元剤としての尿素水を貯蔵する還元剤タンクとなるものである。

また、上記噴射ノズル５と尿素水タンク６との間には、上記尿素水供給配管１１の途中に尿素水供給手段７が設けられている。この尿素水供給手段７は、上記尿素水タンク６から尿素水を吸い上げて噴射ノズル５に供給する還元剤供給手段となるものであり、図２に示すように尿素水タンク６に接続した尿素水供給配管１１ａにより尿素水を矢印Ｂ方向に吸引し、尿素水タンク６に接続した尿素水戻し配管１２により上記吸引した尿素水の一部を矢印Ｃ方向に尿素水タンク６に戻すポンプ部１３と、該ポンプ部１３に尿素水供給配管１１ｂで接続されると共に上記噴射ノズル５に尿素水供給配管１１ｃで接続されてポンプ部１３から矢印Ｄ方向に供給される尿素水に高圧エアを混合して噴射ノズル５に送出する混合部１４とを備えている。

ここで、本発明においては、図２に示すように上記尿素水タンク６には、エンジン１の冷却水通路と接続して冷却水循環配管８が設けられている。この冷却水循環配管８は、エンジン１により加熱される冷却水の通路の一部を尿素水タンク６に導いて、該尿素水タンク６内に貯蔵された尿素水の凍結防止又は凍結した尿素水の解凍をするためのものであり、その配管の一部を尿素水タンク６の内部に導入し、配管内を流れるエンジン１で加熱された冷却水の熱を配管の側壁を通して尿素水側に移動させて尿素水を保温するようになっている。このとき、エンジン１の冷却水の一部は、冷却水循環配管８を同図に示す矢印Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ方向に流れて循環する。

また、上記冷却水循環配管８の途中には、冷却水遮断弁９が設けられている。この冷却水遮断弁９は、冷却水循環配管８の通路を開閉して冷却水の循環及び循環停止をするものであり、例えば電磁バルブからなる。

そして、上記冷却水遮断弁９には、制御手段１０が接続されている。この制御手段１０は、冷却水遮断弁９の開閉動作を制御するものであり、例えばＣＰＵからなる。より詳細には、上記制御手段１０は、例えばエンジン１のオン／オフを検出するエンジン始動センサーや、外気に接する部分に設置された大気温度センサーや、ポンプ部１３の内部に設置されたポンプ部内温度センサーや、尿素水タンク６内に設置された尿素水タンク内温度センサーや、エンジン１に設置されたエンジン回転数検出センサー等の各種センサーの検出出力に基づいて、エンジン１の始動、大気温度≦所定値、尿素水供給手段７（特に、ポンプ部１３内）の温度≦所定値、尿素水タンク６内の温度≦所定値、エンジン１の回転数≧所定値、の少なくともいずれか一つの条件が満たされていないと判断したときに、上記冷却水遮断弁９を所定時間だけ開いて、図２に示すようにエンジン１から矢印Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ方向に冷却水を循環させるようになっている。また、上記エンジン始動時の所定時間内に上記冷却水の温度が所定温度以上に上昇したときには、上記冷却水遮断弁９を閉じ、上記全ての条件が満たされているときには、上記冷却水遮断弁９を開いてエンジン１の始動で加熱された冷却水の一部を冷却水循環配管８に循環させ、上記尿素水タンク６の尿素水の凍結防止又は解凍動作をさせるようになっている。

次に、このように構成された排気浄化装置の制御手段１０の制御について、図３及び図４に示すフローチャートを参照して説明する。
先ず、図３に示すステップＳ１において、制御手段１０は、上記各構成要素の所定の部位に設置された各種センサー、例えばエンジン始動センサー、大気温度センサー、ポンプ部内温度センサー、尿素水タンク内温度センサー、エンジン回転数検出センサー等の信号を読み込む。

ステップＳ２においては、制御手段１０は、図１に示す尿素水供給手段７及び図示省略のエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）を含んで構成する尿素水添加システムにエラーが無いか否かを判定する。ここで、上記尿素水添加システムにエラーが発生した場合には、尿素水添加システムに故障が発生したことを意味し、“ＹＥＳ”判定となってステップＳ３に進んで、上記システムを停止する。また、“ＮＯ”判定の場合には、ステップＳ４に進む。

ステップＳ４においては、制御手段１０は、図２に示す各種センサーからの検出出力に基づいて現在の動作状況を判断する。この場合、例えば、エンジン１の始動（IGN SW＝ON）、大気温度≦所定値、ポンプ部１３内の温度≦所定値、尿素水タンク６内の温度≦所定値、エンジン１の回転数≧所定値、の各条件が全て満たされているときには、“ＹＥＳ”判定となってステップＳ５に進む。

ステップＳ５においては、制御手段１０は、冷却水遮断弁９を開き、図２に示すように冷却水循環配管８を通してエンジン１の始動で加熱された冷却水の一部をエンジン１側から矢印Ｅ方向に導入して尿素水タンク６側に導き、さらに尿素水タンク６内を矢印Ｈ方向に流すと共に矢印Ｅ方向に流してエンジン１に戻るように循環させ、尿素水タンク６に貯蔵されている尿素水の凍結防止及び凍結した尿素水の解凍動作を行わせる。一方、ステップＳ４において、“ＮＯ”判定の場合には、図４に示すステップＳ６に進む。

ステップＳ６においては、制御手段１０は、エンジン１が始動（IGN SW＝ON）しているか否かを判定する。ここで、エンジン１が始動していて、“ＹＥＳ”判定となると、ステップＳ７に進む。

ステップＳ７においては、制御手段１０は、冷却水遮断弁動作フラグの設定が初期化（未処理状態で、例えばα＝０）されているか否かを判定する。ここで、“ＹＥＳ”判定、即ち冷却水遮断弁動作フラグが初期化されていると判定されるとステップＳ８に進む。なお、ここでは、冷却水遮断弁９は、閉じられている。

ステップＳ８においては、制御手段１０は、エンジン１の回転数が所定値以上であるか否かを判定する。ここで、エンジン１の回転数が所定値以上に達している場合には、“ＹＥＳ”判定となってステップＳ９に進む。

ステップＳ９においては、制御手段１０は、エンジン１の冷却水温度が所定値以下であるか否かを判定する。ここで、上記冷却水温度が所定値、例えば５５℃以下であり、“ＹＥＳ”判定となるとステップＳ１０に進む。

ステップＳ１０においては、制御手段１０は、図示省略のタイマーを始動して予め設定した所定の時間を計時する。
さらに、ステップＳ１１においては、冷却水遮断弁９を開く。そして、エンジン１から冷却水循環配管８に冷却水の一部を導き、図２に示す矢印Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ方向に冷却水を循環させる。

ステップＳ１２においては、制御手段１０は、上記タイマーの計時が所定時間を経過したか否かを判定する。ここで、所定時間、例えば５分が経過すると、“ＹＥＳ”判定となってステップＳ１３に進む。

ステップＳ１３においては、制御手段１０は、冷却水遮断弁動作フラグを“１”（α＝１）に設定する。これは、エンジン始動時に冷却水遮断弁９が一度開かれたことを示している。そして、ステップＳ１４に進む。

ステップＳ１４においては、制御手段１０は、冷却水遮断弁９を閉じ冷却水循環配管８の冷却水の循環を停止する。
一方、ステップＳ１２おいて、所定の時間が経過しておらず“ＮＯ”判定となった場合には、ステップＳ１５に進む。

ステップＳ１５においては、冷却水の温度が所定値以上になったか否かを判定する。ここで、冷却水遮断弁９を開いてから所定時間、例えば５分内に冷却水の温度が所定値、例えば６５℃以上に上昇した場合（“ＹＥＳ”判定）には、尿素水タンク６の尿素水が高温の冷却水で加熱されてアンモニアガスが生成されるのを防止するために、ステップＳ１４に進んで冷却水遮断弁９を閉じる。

また、ステップＳ１５におてい、“ＮＯ”判定となった場合には、ステップＳ１１に戻る。この場合、ステップＳ１１では、冷却水遮断弁９は開かれているので、ステップＳ１２において、所定時間が経過したと判定されるまで冷却水遮断弁９の開状態が維持される。

ステップＳ１６においては、上記タイマーをリセットする。そして、以下、上述のステップＳ１〜Ｓ１６を繰返し実行する。なお、エンジン１が始動されていない（ステップＳ６において“ＮＯ”判定）場合、冷却水遮断弁動作フラグが初期化されていない、即ち冷却水遮断弁９が既に一度開かれている（ステップＳ７において“ＮＯ”判定）場合、エンジン１の回転数が所定数に達していない（ステップＳ８において“ＮＯ”判定）場合、またはエンジン１の冷却水温度が所定値に達していない（ステップＳ９において“ＮＯ”判定）場合にも上述のステップＳ１〜Ｓ１６が繰返し実行される。

なお、図２に示すように、冷却水は、ウォータタンク１５からエンジン１の冷却水通路に供給され（矢印Ｈ参照）、エンジン１の冷却水通路を通って矢印Ｉ方向に戻るようになっている。また、上記冷却水循環配管８の途中に気液分離タンクを備えれば、例えば冷却水を交換した際に混入した気泡を、冷却水遮断弁を開いて循環させることにより容易に取除くことができる。

そして、上記実施形態においては、還元剤として尿素水を使用した場合について説明したが、これに限られず、排気を浄化するために好適な他の還元剤、例えばアンモニア水溶液を使用してもよい。

本発明による排気浄化装置の実施形態を示す概念図である。 上記排気浄化装置の要部の構成を示す説明図である。 上記排気浄化装置に備える制御手段の制御の前半部を説明するフローチャートである。 上記排気浄化装置に備える制御手段の制御の後半部を説明するフローチャートである。

符号の説明

１…エンジン
３…排気管（排気通路）
４…還元触媒
６…尿素水タンク（還元剤タンク）
７…尿素水供給手段（還元剤供給手段）
５…噴射ノズル
８…冷却水循環配管
９…冷却水遮断弁
１０…制御手段

Claims (4)

1. エンジンの排気系に配設され、排気中の窒素酸化物を還元剤により還元浄化する還元触媒と、前記還元剤を貯蔵した還元剤タンクと、該還元剤タンクから還元剤供給手段を介して供給される還元剤を前記排気系の排気通路内にて前記還元触媒の排気上流側に噴射する噴射ノズルとを備えたエンジンの排気浄化装置であって、
   前記エンジンにより加熱される冷却水の通路の一部を前記還元剤タンクに導いて、該還元剤タンク内に貯蔵された還元剤の凍結防止又は凍結した還元剤の解凍をする冷却水循環配管と、
   該冷却水循環配管の途中に設けられ、該冷却水循環配管の通路を開閉して冷却水の循環及び循環停止をする冷却水遮断弁と、
   該冷却水遮断弁の開閉動作を制御する制御手段とを備えて、
   該制御手段により、エンジン始動時に所定時間だけ前記冷却水遮断弁を開き前記冷却水循環配管に冷却水を循環させることを特徴とする排気浄化装置。
2. 前記制御手段は、前記各構成要素の所定の部位に設けられた各種センサーの検出出力に基づいて、
   （ａ）エンジンの始動
   （ｂ）大気温度≦所定値
   （ｃ）還元剤供給手段の温度≦所定値
   （ｄ）還元剤タンク内の温度≦所定値
   （ｅ）エンジンの回転数≧所定値
   の少なくともいずれか一つの条件が満たされていないと判断したときに、前記冷却水遮断弁を所定時間だけ開くことを特徴とする請求項１記載の排気浄化装置。
3. 前記制御手段は、前記エンジン始動時の所定時間内に前記冷却水の温度が所定温度以上に上昇したときには、前記冷却水遮断弁を閉じることを特徴とする請求項１又は２記載の排気浄化装置。
4. 前記制御手段は、前記全ての条件が満たされているときには、前記冷却水遮断弁を開いて前記還元剤タンクの還元剤の凍結防止又は解凍動作をさせることを特徴とする請求項２記載の排気浄化装置。
   

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