JP4853472B2 - 尿素水ポンプおよび尿素水噴射システム - Google Patents

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Description

本発明は、尿素水ポンプおよび尿素水噴射システムに関し、特に内燃機関の排気に添加される尿素水を供給する尿素水ポンプおよび尿素水噴射システムに関する。
内燃機関、特にディーゼルエンジンから排出されるNOxを還元する排気浄化装置として、SCR(Selective Catalytic Reduction)システムが公知である。SCRシステムを用いた排気浄化装置は、例えば尿素などを還元剤として噴射することにより、排気に含まれるNOxから窒素と水とを生成する。尿素水は、タンクに貯えられ、液面センサによってタンクにおける残量が検出されている(特許文献1参照)。ところで、尿素水は、空気に触れると水分が蒸発し、溶解している尿素が結晶として析出することがある。そのため、尿素を供給する配管の目詰まりを招き、尿素水の供給が不十分になるおそれがある。そこで、加圧手段を設け、配管に残存する尿素水を除去することが提案されている(特許文献2参照)。
特開2006− 90334号公報 特開2006−132384号公報
しかしながら、尿素水は配管に限らず尿素水ポンプにおいても水分が蒸発する場合がある。尿素水ポンプは、タンクに貯えられている尿素水を排気通路側へ供給する。タンクに貯えられている尿素水の液面は、例えば内燃機関の長期の運転停止にともない尿素水が消費されないときでも、水分の蒸発によって低下する。そのため、尿素水ポンプの内部における尿素水も減少する。尿素水ポンプのポンプ部は、例えば回転部材と回転部材を収容するケーシングとを有している。この回転部材は、ケーシングとの間にわずかなクリアランスを形成して回転している。そのため、回転部材とケーシングとの間に尿素の結晶が析出すると、析出した結晶が回転部材またはケーシングを損傷あるいは摩耗させたり、回転部材とケーシングとを固着させるおそれがある。その結果、尿素水が減少したまま尿素水ポンプを放置すると、析出した結晶によるポンプ部の作動不良を招き、尿素水の供給が困難になるおそれがある。
そこで、本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、尿素水が減少したまま放置されても、尿素の結晶の析出が低減され、ポンプ部の確実な作動および尿素水の供給が確保される尿素水ポンプおよびこれを用いた尿素水噴射システムを提供することにある。
請求項1記載の発明では、接続通路を形成する吸入管部は少なくとも一部がポンプ部よりも上方に位置している。そのため、接続通路に残存する尿素水の液面位置は、ポンプ部よりも上方に位置する。これにより、ポンプ部に残存している尿素水は、接続通路を経由して外部に排出されない。その結果、ポンプ部には、接続通路とともに尿素水が残存する。ポンプ部に尿素水が残存することにより、ポンプ部は常に尿素水に浸され、空気との接触が回避される。したがって、液面位置が低下したまま放置されても、尿素の結晶の析出が低減され、ポンプ部の確実な作動および尿素水の供給を確保することができる。
請求項2記載の発明では、吸入管部はポンプ部から尿素水が吐出される吐出部よりも上方に位置している。これにより、接続通路に残存する尿素水の液面位置は、ポンプ部だけでなくモータ部よりも上方に位置する。そのため、ポンプ部だけでなくモータ部側も常に尿素水に浸される。その結果、例えば軸受など、モータ部側の摺動部における尿素の析出が低減される。したがって、ポンプ部だけでなくモータ部の確実な作動を確保することができる。
請求項3記載の発明では、吸入管部は略S字形状である。したがって、簡単な構造で吸入管部の一部をポンプ吸入部およびポンプ部よりも上方に位置させることができる。
請求項4記載の発明では、吸入管部は開口部を有する。例えば車両が坂路にあるときなど、尿素水は残存しているにも関わらず、吸入端部から尿素水を吸入できない場合がある。この場合でも、開口部が尿素水に浸っていれば、開口部から尿素水が吸入される。したがって、例えば坂路など尿素水の液面位置が不正になるときでも、尿素水を安定して吸入することができる。
また、請求項4記載の発明では、開口部は、ポンプ吸入部および吸入端部よりも下方に位置している。そのため、吸入端部よりも尿素水の液面が低下しても、開口部は尿素水に浸っている。これにより、吸入端部から尿素水を吸入できない位置まで液面が低下したときでも、尿素水は開口部から吸入される。したがって、例えば坂路など尿素水の液面位置が不正になるとき、および液面位置が低下したときでも、尿素水を安定して吸入することができる。一方、開口部をポンプ吸入部および吸入端部よりも下方に設けることにより、接続通路の尿素水は開口部から流出する。接続通路の尿素水が流出すると、ポンプ部は尿素水によって十分に浸されない。そこで、開口部に逆止弁を設けることにより、接続通路から外部への尿素水の流出を制限している。したがって、安定した尿素水の吸入を確保と、接続通路からの尿素水の流出の制限とを両立して達成することができる。
請求項5記載の発明では、尿素水タンクにおける尿素水の液面位置は液面センサによって検出される。制御部は、液面センサによって検出した尿素水の液面位置が吸入端部よりも低下すると、モータ部への通電およびインジェクタからの尿素水の噴射を停止する。これにより、尿素水の液面が低下したとき、尿素水ポンプから尿素水が吐出されず、ポンプ部および接続通路には尿素水が確実に残存する。したがって、液面位置が低下したまま放置されても、尿素の結晶の析出が低減され、ポンプ部の確実な作動および尿素水の供給を確保することができる。
以下、本発明の尿素水ポンプを適用した尿素水噴射システムの複数の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、複数の実施形態において実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態による尿素水噴射システムを図1に示す。尿素水噴射システム10は、内燃機関の排気に尿素水を噴射する。内燃機関としては、例えばガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどのピストンエンジン、あるいはガスタービンエンジンなど任意のエンジンを適用することができる。尿素水噴射システム10は、尿素水タンク11、液面センサ12、インジェクタ13、尿素水ポンプ14および制御部15などを有している。
尿素水タンク11は、インジェクタ13から噴射される尿素水を貯える。液面センサ12は、尿素水タンク11に貯えられている尿素水の液面位置を検出する。液面センサ12は、尿素水タンク11に設けられている。液面センサ12は、検出した尿素水の液面位置を電気信号として制御部15へ出力する。インジェクタ13は、図示しない内燃機関の排気管部16に設けられている。排気管部16は、排気通路17を形成している。排気管部16に設けられているインジェクタ13は、排気通路17を流れる排気に尿素水を噴射する。インジェクタ13は、図示しない電磁弁を有している。この電磁弁は、制御部15から出力された駆動信号に基づいて開閉する。電磁弁が開閉することにより、インジェクタ13は尿素水ポンプ14から供給された尿素水の噴射を断続する。インジェクタ13から噴射された尿素水は、排気通路17を流れる排気に混合された後、排気通路17に設けられた図示しないNOx還元触媒に流入する。排気に含まれるNOxは、NOx還元触媒において尿素水と反応し、窒素(N)および水(HO)を生成する。
尿素水ポンプ14は、尿素水タンク11に収容されている。尿素水ポンプ14は、ポンプ部21およびモータ部22で構成されている。ポンプ部21は、ケーシング23および回転部材としてのインペラ24を有している。ケーシング23は、内側にインペラ24を収容するポンプ通路25を形成している。ポンプ通路25は、一方がケーシング23に設けられているポンプ吸入部26に接続し、他方がモータ部22に接続している。インペラ24は、円板状に形成され、外周側の端部に図示しないはね溝を有している。インペラ24が回転すると、ポンプ通路25に吸入された尿素水は加圧される。加圧された尿素水は、ケーシング23に設けられているポンプ吐出部27からモータ部22側へ吐出される。ケーシング23とインペラ24との間には、わずかなクリアランスが設けられている。これにより、インペラ24は、ポンプ通路25においてケーシング23と摺動しながら回転する。
モータ部22は、シャフト31とともに回転する回転子32、および回転子32の外周側で対向する固定子33とを有している。なお、モータ部22の構成は、本明細書に記載した例に関わらず、例えば直流モータあるいは交流モータなど任意の構成を採用することができる。シャフト31は、軸方向の端部にインペラ24が設けられている。モータ部22に通電することによりシャフト31が回転すると、シャフト31とともにインペラ24が回転する。モータ部22の回転子32および固定子33は、ケーシング23に収容されている。ケーシング23とモータ部22との間には、ポンプ部21から吐出された尿素水が流れる吐出通路34が形成される。また、ケーシング23は、ポンプ部21とは反対側の端部に吐出部35を有している。吐出部35は、供給配管部36を経由してインジェクタ13に接続している。これにより、ポンプ部21のポンプ吐出部27から吐出された尿素水は、吐出通路34を経由して吐出部35から尿素水ポンプ14の外部へ吐出される。尿素水ポンプ14から吐出された尿素水は、供給配管部36を経由してインジェクタ13へ供給される。
制御部15は、図示しないCPU、ROMおよびRAMを有するマイクロコンピュータで構成されている。制御部15には、回転数センサ41およびアクセルセンサ42から電気信号が入力される。回転数センサ41は、図示しない内燃機関の回転数を検出し、検出した回転数を電気信号として制御部15へ出力する。また、アクセルセンサ42は、図示しないアクセルペダルの開度を検出し、検出したアクセルペダルの開度を電気信号として制御部15へ出力する。一方、制御部15は、インジェクタ13の図示しない電磁弁および尿素水ポンプ14のモータ部22に接続している。制御部15は、上述のようにインジェクタ13の電磁弁に対し、尿素水の噴射時期および噴射期間に対応する駆動信号を出力する。また、制御部15は、モータ部22への通電を制御する。
制御部15は、アクセルセンサ42で検出したアクセルペダルの開度に基づいて内燃機関の負荷を検出する。制御部15は、検出した内燃機関の負荷および回転数センサ41で検出した内燃機関の回転数から、尿素水の噴射タイミングおよび噴射量を算出する。制御部15は、算出した尿素水の噴射タイミングおよび噴射量に基づいてインジェクタ13の電磁弁へ出力する駆動信号を生成するとともに、尿素水ポンプ14の駆動量を制御する。また、制御部15は、液面センサ12から出力された電気信号に基づいて、尿素水タンク11に貯えられている尿素水の液面位置を検出する。
次に、上記の構成による尿素水ポンプ14について詳細に説明する。
尿素水ポンプ14は、吸入管部50を備えている。吸入管部50は、筒状に形成され、一方の端部が尿素水ポンプ14のポンプ吸入部26に接続している。吸入管部50の他方の端部は、フィルタ51を経由して尿素水タンク11の内側に開口する吸入端部52を形成している。吸入管部50は、吸入端部52とポンプ吸入部26とを接続する接続通路53を形成している。フィルタ51は、接続通路53へ吸入される尿素水に含まれる異物を捕集する。
吸入管部50は、略S字形状に形成されている。詳細には、吸入管部50は、重力方向においてS字形状の上下端を横倒しにした形状である。これにより、吸入管部50は、ポンプ吸入部26と吸入端部52のフィルタ51までの間に、上湾曲部54および下湾曲部55を有する。上湾曲部54は、重力方向においてポンプ吸入部26および吸入端部52よりも上方に位置している。下湾曲部55は、重力方向においてポンプ吸入部26の下方に位置している。
上湾曲部54は、重力方向においてポンプ部21よりも上方に位置している。詳細には、上湾曲部54は、ポンプ部21のポンプ吐出部27よりも上方に位置している。このように、吸入管部50は、少なくとも一部すなわち上湾曲部54がポンプ部21よりも上方に位置している。そのため、尿素水タンク11に貯えられている尿素水の液面位置が低下しても、接続通路53では液面位置が吸入管部50の上湾曲部54の下端56まで維持される。これにより、尿素水ポンプ14の内側では、この吸入管部50の上湾曲部54の下端56に相当する高さまで尿素水が貯えられる。したがって、尿素水タンク11における尿素水の液面位置に関わらず、ポンプ部21は尿素水に浸される。なお、上湾曲部54の下端56の位置は、ポンプ吐出部27の上方に限らず、ケーシング23とインペラ24との摺動部分よりも上方であればよい。すなわち、尿素水タンク11における尿素水の液面位置に関わらず、ケーシング23とインペラ24との摺動部分が尿素水に浸されるように上湾曲部54の下端56の位置を設定すればよい。
次に、上記の構成による尿素水噴射システム10の作動について説明する。
内燃機関の運転が開始され、排気通路17におけるNOxの濃度が所定値以上になると、制御部15はインジェクタ13から尿素水の噴射を実施する。排気通路17におけるNOxの濃度は、内燃機関の燃料の噴射量すなわち内燃機関の負荷に依存する。そこで、制御部15は、アクセルセンサ42で検出したアクセルペダルの開度および回転数センサ41で検出した内燃機関の回転数から噴射する尿素水の量を算出する。また、制御部15は、尿素水を噴射するタイミングも算出する。制御部15は、尿素水の噴射量および噴射タイミングを算出すると、算出した値に基づいてインジェクタ13に駆動信号を出力する。インジェクタ13は、駆動信号により電磁弁が駆動され、尿素水の噴射が断続される。インジェクタ13は、排気通路17を流れる排気に尿素水を噴射する。噴射された尿素水は、排気通路17を流れる排気に混合された後、NOx還元触媒へ流入する。排気に含まれるNOxは、NOx還元触媒で尿素とともに窒素および水へ分解される。
また、制御部15は、インジェクタ13からの尿素水の噴射にともない尿素水ポンプ14の駆動を制御する。制御部15は、算出されたインジェクタ13からの尿素水噴射量に基づいて尿素水ポンプ14の駆動すなわち回転数を制御する。尿素水ポンプ14は、制御部15からの通電によってモータ部22のシャフト31が回転する。シャフト31の回転によってインペラ24が回転し、ポンプ通路25における尿素水を加圧する。インペラ24が回転すると、ポンプ通路25の圧力は低下する。そのため、吸入端部52から吸入された尿素水は、接続通路53およびポンプ吸入部26を経由してポンプ通路25へ流入する。インペラ24の回転によってポンプ通路25で加圧された尿素水は、ポンプ吐出部27、吐出通路34、吐出部35および供給配管部36を経由してインジェクタ13へ供給される。
以上説明した第1実施形態では、略S字形状に形成された吸入管部50は、最上部となる上湾曲部54がポンプ部21のポンプ吐出部27よりも上方に位置している。そのため、尿素水タンク11における尿素水の液面が低下しても、吸入管部50の上湾曲部54よりもポンプ吸入部26側、およびポンプ部21では尿素水の液面位置が上湾曲部54の下端56と同一の高さに位置している。これにより、尿素水タンク11における尿素水の液面位置に関わらず、ポンプ部21は尿素水に浸されている。例えば尿素水の蒸発などによって尿素水タンク11内の液面位置が低下したまま放置されても、ポンプ部21は尿素水に浸されている。その結果、ポンプ部21のインペラ24およびケーシング23は、尿素水に浸される。インペラ24およびケーシング23を尿素水に浸すことにより、インペラ24およびケーシング23と空気との接触は回避される。その結果、インペラ24やケーシング23への尿素の結晶の析出は低減される。したがって、析出した結晶によるポンプ部21の摩耗、損傷あるいは固着を低減することができ、ポンプ部21の確実な作動を確保することができる。
(変形例)
上記の構成による尿素水噴射システム10では、制御部15は液面センサ12によって尿素水タンク11における尿素水の液面位置を検出している。そこで、制御部15は、液面センサ12で検出した尿素水の液面位置が吸入端部52であるフィルタ51の下端部よりも低いとき、インジェクタ13による尿素水の噴射および尿素水ポンプ14の作動を停止させる構成としてもよい。尿素水の液面位置がフィルタ51の下端部よりも低いとき、インジェクタ13および尿素水ポンプ14の作動を継続すると、ポンプ部21および接続通路53に残存する尿素水はインジェクタ13側へ吐出される。そのため、ポンプ部21に残存する尿素水の液面が低下する。そこで、液面センサ12で検出した尿素水の液面位置によってインジェクタ13および尿素水ポンプ14の作動を停止させることにより、尿素水のポンプ部21への確実な残存が図られる。また、蒸発などにより尿素水ポンプ14の液面位置が低下したときでも、尿素水ポンプ14およびインジェクタ13の作動による尿素水の消費が回避される。そのため、ポンプ部21は尿素水へ浸された状態が維持される。したがって、液面位置が低下したり、液面位置が低下したまま放置されたりした場合でも、ポンプ部21への尿素の結晶の析出が低減され、ポンプ部21の確実な作動および尿素水の供給を確保することができる。
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態による尿素水ポンプを適用した尿素水噴射システムを図2に示す。
第2実施形態による尿素水ポンプ14の場合、吸入管部150の上湾曲部54が吐出部35よりも重力方向において上方に位置している。そのため、尿素水タンク11の液面位置が低下したとき、ポンプ部21だけでなくモータ部22も尿素水に浸される。詳細には、吸入管部150の上湾曲部54の下端56は、モータ部22のポンプ部21とは反対側に設けられている吐出部35よりも上方に位置している。そのため、尿素水タンク11の液面位置が低下したとき、ポンプ部21のポンプ通路25だけでなくモータ部22の吐出通路34も尿素水に浸される。
第2実施形態では、モータ部22の吐出通路34も尿素水に浸される。そのため、モータ部22を構成する回転子32と固定子33との間、およびシャフト31と図示しない軸受との間における尿素の結晶の析出が低減される。したがって、ポンプ部21だけでなくモータ部22の摩耗、損傷あるいは固着を低減することができ、ポンプ部21の確実な作動を確保することができる。
(第3実施形態)
本発明の第3実施形態による尿素水ポンプを適用した尿素水噴射システムを図3に示す。
第3実施形態による尿素水ポンプ14の場合、吸入管部250の下湾曲部55はポンプ吸入部26および吸入端部52よりも下方に位置している。すなわち、吸入管部250の下湾曲部55の下端57は、吸入端部52のフィルタ51の下端よりも下方に位置している。また、吸入管部250は、図4に示すようにこの下湾曲部55の下端57に板厚方向に貫く開口部58を有している。吸入管部250の開口部58には、逆止弁59が設けられている。第3実施例の場合、逆止弁59は接続通路53と外部との圧力差によって開口部58を開閉する球状部材である。逆止弁59は、吸入管部250の外部から接続通路53への尿素水の流れを許容するとともに、接続通路53から吸入管部250の外部への尿素水の流れを制限する。
例えば尿素水タンク11における尿素水の残量が少なく、車両が傾斜地あるいは坂路を走行または停車しているとき、図3に示すように尿素水タンク11における尿素水の液面位置は傾斜した不正な状態となる。また、車両の走行時の揺れなどによっても、尿素水タンク11に貯えられている尿素水の液面位置は不正な状態となる。このとき、尿素水タンク11に尿素水が残存しているにも関わらず、尿素水の液面位置がフィルタ51の下端よりも下方になると、尿素水ポンプ14は尿素水の吸入が困難になる。第3実施形態では、吸入管部250の最下部となる下湾曲部55に開口部58が設けられている。下湾曲部55は、フィルタ51よりも下方にある。そのため、フィルタ51が尿素水に浸っていない場合でも、下湾曲部55は尿素水に浸っている。その結果、尿素水の液面が不正な状態となりフィルタ51からの尿素水の吸入が困難な場合でも、尿素水ポンプ14を作動したとき尿素水は開口部58から吸入される。
一方、開口部58を設けることにより、吸入管部50に残存する尿素水は開口部58を経由して外部へ流出するおそれがある。そこで、開口部58には、逆止弁59を設けている。逆止弁59は、接続通路53から外部への尿素水の流出を制限する。そのため、モータ部22が停止されると、逆止弁59は開口部58を閉塞し、外部への尿素水の流出が低減される。これにより、尿素水タンク11における尿素水の液面位置が低下しているとき、モータ部22が停止されても、接続通路53には尿素水が残存する。したがって、安定した尿素水の吸入を確保と、接続通路53からの尿素水の流出の制限とを両立して達成することができる。
(その他の実施形態)
以上説明した複数の実施形態では、吸入管部50、150、250を略S字形状に形成する例について説明した。しかし、吸入管部50、150、250は、少なくとも一部がポンプ部21よりも上方に位置する構成であれば、略S字形状に限らない。また、第3実施形態で説明したように吸入管部250に形成する開口部58の位置は、吸入管部250の下湾曲部55の下端57に限らない。開口部58は、ポンプ吸入部26および吸入端部52よりも下方に位置する部分であれば吸入管部50の任意の部分に設けることができる。
また、開口部58には、フィルタ51と同様にフィルタを設けてもよい。これにより、開口部58から接続通路53へ吸入される尿素水は、開口部58に設けられたフィルタによって異物が捕集される。したがって、尿素水ポンプ14のポンプ部21において、異物による破損、摩耗あるいは固着などを低減することができる。
以上説明した各実施形態では、それぞれ個別に適用する例について説明した。しかし、複数の実施形態を組み合わせて適用してもよい。また、第2実施形態および第3実施形態に第1実施形態の変形例を組み合わせて適用してもよい。
以上説明した本発明は、上記実施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の実施形態に適用可能である。
本発明の第1実施形態による尿素水ポンプを適用した尿素水噴射システムを示す模式図 本発明の第2実施形態による尿素水ポンプを適用した尿素水噴射システムを示す模式図 本発明の第3実施形態による尿素水ポンプを適用した尿素水噴射システムを示す模式図 本発明の第3実施形態による尿素水ポンプの吸入管部において下湾曲部を拡大した断面図
符号の説明
図面中、10は尿素水噴射システム、11は尿素水タンク、12は液面センサ、13はインジェクタ、14は尿素水ポンプ、15は制御部、17は排気通路、21はポンプ部、22はモータ部、26はポンプ吸入部、35は吐出部、50、150、250は吸入管部、52は吸入端部、53は接続通路、58は開口部、59は逆止弁を示す。

Claims (5)

  1. ポンプ部と、
    前記ポンプ部を駆動するモータ部と、
    重力方向において前記ポンプ部の下方に接続し尿素水を吸入するポンプ吸入部と、
    重力方向において前記ポンプ部の上方に接続し前記ポンプ部で加圧された尿素水を吐出するポンプ吐出部と、
    前記ポンプ吸入部に接続され前記ポンプ吸入部とは反対側の吸入端部から吸入された尿素水が前記ポンプ吸入部へ流れる接続通路を形成し、前記接続通路の少なくとも一部が重力方向において前記ポンプ部の前記ポンプ吐出部よりも上方に位置する吸入管部と、
    を備えることを特徴とする尿素水ポンプ。
  2. 前記モータ部の前記ポンプ部とは反対側の端部に設けられ、前記ポンプ部で加圧された尿素水が吐出される吐出部を備え、
    前記吸入管部は、前記接続通路の少なくとも一部が重力方向において前記吐出部よりも上方にあることを特徴とする請求項1記載の尿素水ポンプ。
  3. 前記吸入管部は、略S字形状であることを特徴とする請求項1または2記載の尿素水ポンプ。
  4. 前記吸入管部は、前記ポンプ吸入部と前記吸入端部との間に開口部を有し、
    前記開口部は、前記ポンプ吸入部および前記吸入端部よりも重力方向下方に位置する部分に設けられ、
    前記開口部を開閉可能に設けられ、前記吸入管部の外側から前記接続通路への尿素水の流れを許容し、前記接続通路から前記吸入管部の外側への尿素水の流れを遮断する逆止弁をさらに備えることを特徴とする請求項1、2または3記載の尿素水ポンプ。
  5. 請求項1から4のいずれか一項記載の尿素水ポンプと、
    前記尿素水ポンプが収容され、尿素水を貯える尿素水タンクと、
    前記尿素水タンクに貯えられている尿素水の液面位置を検出する液面センサと、
    前記尿素水ポンプから吐出された尿素水を、内燃機関の排気通路を流れる排気に噴射するインジェクタと、
    前記液面センサで検出した前記尿素水タンクに貯えられている尿素水の液面位置が重力方向において前記吸入端部よりも下方にあるとき、前記モータ部への通電および前記インジェクタからの尿素水の噴射を停止する制御部と、
    を備えることを特徴とする尿素水噴射システム。
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