JP7108498B2 - 還元剤タンク及び排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、還元剤タンク及び排気浄化装置に関する。

車両等の移動体に搭載されるディーゼルエンジン等の内燃機関の排気ガス中にはＮＯ_X（窒素酸化物）が含まれる。かかるＮＯ_Xを還元して窒素や水等に分解することにより排気ガスを浄化する装置として、尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システムが実用化されている。

尿素ＳＣＲシステムは、液体還元剤として尿素水溶液を使用し、尿素水溶液が分解することにより生成されるアンモニアを排気ガス中のＮＯ_Xと反応させることにより、ＮＯ_Xを分解するシステムである。尿素水溶液は、還元剤タンクに貯蔵される。還元剤タンク内の尿素水溶液は、ポンプによって圧送されるとともに、電磁弁等の制御弁によって調量されて排気通路内に供給される。

特開２０１７－１２２３９１号公報

しかしながら、還元剤タンクを移動体に搭載する際のレイアウト上の制約等により、ポンプによる液体還元剤の吸込み口が還元剤タンクの水平方向の端部側に位置する場合がある。この場合、路面の傾き等によって、液体還元剤の吸込み口が位置する側の高さが反対側の高さよりも高くなるようにして車体が傾くと、吸込み口の周囲の液体還元剤が少量になりやすい。その結果、液体還元剤を排気通路に供給することができなくなって、排気ガスの浄化が不十分となるおそれがある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、車体が傾いた場合であっても液体還元剤の供給を継続可能な還元剤タンク及び排気浄化装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、内燃機関を備えた車両に搭載され、内燃機関から排出される排気ガスの浄化に用いられる液体還元剤を貯留する還元剤タンクであって、還元剤タンクの底部に接して設けられ、液体還元剤を圧送するポンプの吸込み口が位置する吸入エリアを囲むように形成されるとともに、周壁の一部に液体還元剤を流通可能な開放部を有する壁部材を備える還元剤タンクが提供される。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、液体還元剤を貯留する還元剤タンクと、液体還元剤を内燃機関の排気通路に供給する還元剤供給装置と、排気通路に配設されて液体還元剤を用いて内燃機関から排出される排気ガス中の窒素酸化物を還元する選択還元触媒と、を備えた排気浄化装置であって、還元剤タンクは、還元剤タンクの底部に接して設けられ、液体還元剤を圧送するポンプの吸込み口が位置する吸入エリアを囲むように形成されるとともに、周壁の一部に液体還元剤を流通可能な開放部を有する壁部材を備える排気浄化装置が提供される。

以上説明したように本発明によれば、車体が傾いた場合であっても液体還元剤の供給を継続することができる。

本発明の実施の形態に係る排気浄化装置の構成例を示す模式図である。 同実施形態に係る還元剤タンクを上方から見た模式図である。 同実施形態に係る還元剤タンクを側方から見た模式図である。 図２の還元剤タンクを左側から見た模式図である。 図２の還元剤タンクを右側から見た模式図である。 壁部材の一例を示す斜視図である。 壁部材を備えない還元剤タンクが水平に維持された状態を示す説明図である。 壁部材を備えない還元剤タンクが傾いた状態を示す説明図である。 同実施形態に係る還元剤タンクが水平に維持された状態を示す説明図である。 同実施形態に係る還元剤タンクが傾いた状態を示す説明図である。 ポンプユニットがレベルセンサを備える例を示す説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

＜１．尿素ＳＣＲシステムの構成例＞
まず、尿素ＳＣＲシステム１０の構成例について説明する。図１は、尿素ＳＣＲシステム１０の構成例を示す模式図である。

尿素ＳＣＲシステム１０は、ディーゼルエンジン等の内燃機関５の排気系に設けられる排気浄化装置である。尿素ＳＣＲシステム１０は、内燃機関５を備えた車両、建設機械又は農機等の移動体や発電機等の機器に搭載される。尿素ＳＣＲシステム１０は、液体還元剤として尿素水溶液を用いて、内燃機関５から排出される排気ガス中のＮＯ_Xを分解して排気ガスを浄化する。尿素水溶液としては、例えば凍結温度が最も低い約３２．５％濃度の尿素水溶液が用いられる。

尿素ＳＣＲシステム１０は、排気管１１の途中に配設された選択還元触媒１３と、選択還元触媒１３よりも上流の排気通路内に尿素水溶液を供給する還元剤供給装置３０とを備える。

選択還元触媒１３は、内燃機関５の排気ガス中に含まれるＮＯ_Xを、アンモニアを用いて選択的に還元する。選択還元触媒１３は、還元剤供給装置３０により供給された尿素水溶液が分解することにより生成されるアンモニアを吸着する。選択還元触媒１３は、流入する排気ガス中のＮＯ_Xをアンモニアと反応させて分解する。

還元剤供給装置３０は、選択還元触媒１３よりも上流の排気通路内に尿素水溶液を供給する。還元剤供給装置３０は、制御装置１００によって制御される。尿素水溶液の噴射量は、選択還元触媒１３よりも下流に流出するＮＯ_Xの濃度及びアンモニアの濃度が基準値以下となるように制御される。

選択還元触媒１３よりも上流及び下流の排気管１１には、それぞれの位置で排気温度を検出する排気温度センサ２１，２３が設けられる。排気温度センサ２１，２３のセンサ信号は制御装置１００に出力される。排気温度センサ２１，２３によって検出される排気温度は、選択還元触媒１３の温度推定にも用いられる。選択還元触媒１３よりも下流に設けられる排気温度センサ２３は省略されてもよい。これ以外に、排気管１１には、図示しないＮＯ_X濃度センサやアンモニアセンサ等が設けられていてもよい。

還元剤供給装置３０は、噴射弁３１とポンプ４１とを備える。ポンプ４１は、還元剤タンク６０内の尿素水溶液を噴射弁３１に向けて圧送する。噴射弁３１は、選択還元触媒１３よりも上流側の位置で排気管１１に固定される。噴射弁３１は、液体還元剤を調量して排気通路内に噴射する。ポンプ４１及び噴射弁３１は、制御装置１００によって制御される。

本実施形態において、ポンプ４１は、還元剤タンク６０の底部に装着される。ポンプ４１には、他端が噴射弁３１に接続された還元剤供給路５７が接続される。ポンプ４１は、還元剤タンク６０内の尿素水溶液を吸い込み、還元剤供給路５７を介して噴射弁３１に供給する。ポンプ４１としては、例えば電磁駆動式のダイヤフラムポンプ又はギヤポンプが用いられる。噴射弁３１としては、例えば通電制御により開弁及び閉弁が切り替えられる電磁駆動式の噴射弁が用いられる。ポンプ４１及び噴射弁３１は、制御装置１００により制御される。

例えば制御装置１００は、噴射弁３１に供給される尿素水溶液の圧力が所定の目標値で維持されるようにポンプ４１の出力を制御する。また、制御装置１００は、尿素水溶液の目標噴射量に応じて開弁時間を調節する。例えば制御装置１００は、一定の噴射サイクルごとに、噴射サイクルの全体の時間に対する通電時間の比であるデューティ比を調節することにより、尿素水溶液の噴射量を制御する。

＜２．還元剤タンク＞
次に、液体還元剤としての尿素水溶液を貯留する還元剤タンク６０の構成について説明する。

図２～図５は、還元剤タンク６０を示す模式図である。図２は、還元剤タンク６０を上方から見た模式図であり、図３は、還元剤タンク６０を側方から見た模式図である。図４は、図２の還元剤タンク６０を左側から見た模式図であり、図５は、図２の還元剤タンク６０を右側から見た模式図である。

本実施形態に係る還元剤タンク６０は、第１の方向（図中のＹ方向：以下、「長手方向」ともいう。）の長さが第１の方向に直交する第２の方向（図中のＸ方向）の長さよりも長い平面形状を有する。例えば、乗用車に搭載される還元剤タンク６０が車体後部のトランクルームの下方に配置される場合、還元剤タンク６０は、タイヤハウスや補助タイヤ、燃料タンクその他が配置される空間の隙間に設置可能なように、長手方向を有する形状となり得る。

図示した還元剤タンク６０の平面形状は矩形状となっているが、平面形状は矩形状に限られず、長円形その他の長手方向を有する形状であってよい。また、還元剤タンク６０の平面形状が長手方向を有していなくてもよいが、長手方向を有する場合、還元剤タンク６０が傾いた場合の尿素水溶液の液面の上下変動幅が大きいため、本実施形態に係る還元剤タンク６０として特に好適である。

還元剤タンク６０の長手方向の一端側（図２及び図３の右側）の底部６７には、ポンプ４１が装着される。本実施形態において、ポンプ４１は、還元剤タンク６０の底面から下方に突設された円筒凹部６３に取り付けられる。例えば、円筒凹部６３に形成された開口に対して、ポンプ４１を含むポンプユニットが接合される。ポンプユニットの接合部は、液密に接合される。ポンプ４１は、吸込み口４１ａを備え、当該吸込み口４１ａを介して還元剤タンク６０内の尿素水溶液を吸込み、圧送する。なお、還元剤タンク６０の底面に円筒凹部を設けることなく、底面に開口を形成し、当該開口に対してポンプユニットが接合されてもよい。

還元剤タンク６０は、内部に壁部材６１を備える。壁部材６１は、還元剤タンク６０の底部６７に接して設けられる。また、壁部材６１は、ポンプ４１の吸込み口４１ａが位置する吸入エリア６５を囲むように形成される。本実施形態において、吸入エリア６５は、概ね円筒凹部６３の位置する領域に対応する。

図６は、壁部材６１の一例を示す斜視図である。図６に示した壁部材６１は、矩形状の平面形状を有し、還元剤タンク６０の長手方向の一端側は開放されて、尿素水溶液を流通可能な開放部６９とされる。つまり、壁部材６１を構成する周壁はＵ字状に形成され、還元剤タンク６０の長手方向の一端側が開放されている。また、壁部材６１を構成する周壁のうち、還元剤タンク６０の第２の方向（Ｘ方向）の両側に位置する周壁部６１ｂ，６１ｃの高さは、還元剤タンク６０の長手方向の一端側から他端側にかけて（図２及び図３の右側から左側にかけて）次第に高くなっている。二つの周壁部６１ｂ，６１ｃのうち、他端側の周壁部６１ａに接する位置の高さは、周壁部６１ａの高さに一致する。

図７～図１０を参照して、還元剤タンク６０の作用を説明する。図７及び図８は、壁部材を備えない還元剤タンク１６０を示す参考例であり、図７が、還元剤タンク１６０が水平に維持された状態を示し、図８が、還元剤タンク１６０が傾いた状態を示す。また、図９及び図１０は、壁部材６１を備える本実施形態に係る還元剤タンク１６０を示す例であり、図９が、還元剤タンク６０が水平に維持された状態を示し、図１０が、還元剤タンク６０が傾いた状態を示す。

図７に示すように、参考例に係る還元剤タンク１６０では、例えば車両が水平な路面を走行している間、還元剤タンク１６０内の尿素水溶液の液面は、還元剤タンク１６０の底部６７と略平行になる。このとき、ポンプ４１による吸入エリア６５に尿素水溶液が存在し、ポンプ４１は、尿素水溶液を適切に吸い込むことができる。

一方、図８に示すように、参考例に係る還元剤タンク１６０では、例えば車両が傾いた路面を走行し、ポンプ４１が装着された一端側の高さが高くなるように還元剤タンク１６０が傾いた場合、尿素水溶液は還元剤タンク１６０の他端側に偏る。このとき、尿素水溶液の液面が、ポンプ４１による吸入エリア６５よりも下方に位置するようになると、ポンプ４１は、尿素水溶液を適切に吸い込むことができない。

これに対して、図９に示すように、本実施形態に係る還元剤タンク６０では、例えば車両が水平な路面を走行している間、還元剤タンク６０内の尿素水溶液の液面は、還元剤タンク６０の底部６７と略平行になる。このとき、尿素水溶液は、壁部材６１の開放部６９あるいは上部空間を介して壁部材６１内にも入り込む。このため、ポンプ４１による吸入エリア６５に尿素水溶液が存在し、ポンプ４１は、尿素水溶液を適切に吸い込むことができる。

また、図１０に示すように、本実施形態に係る還元剤タンク６０では、例えば車両が傾いた路面を走行し、ポンプ４１が装着された一端側の高さが高くなるように還元剤タンク６０が傾いた場合、尿素水溶液は還元剤タンク６０の他端側に偏りつつも、壁部材６１によって吸入エリア６５内に尿素水溶液が保持される。このため、ポンプ４１は、尿素水溶液を適切に吸い込むことができる。

還元剤タンク６０が傾いた状態から再び水平な状態に戻された場合には、尿素水溶液は、壁部材６１の開放部６９あるいは上部空間を介して壁部材６１内に入り込み、図９に示す状態となる。本実施形態において、壁部材６１の開放部６９は、還元剤タンク６０の長手方向の一端側の全体を底部６７に至るまで開放するため、尿素水溶液の残量が比較的少ない場合であっても、還元剤タンク６０が水平な状態になったときに尿素水溶液を壁部材６１内に進入させることができる。

ただし、還元剤タンク６０の長手方向の一端側に位置する周壁の高さによって、還元剤タンク６０が傾いたときに壁部材６１内に保持される尿素水溶液の液面の位置が決まる。このため、還元剤タンク６０の長手方向の一端側に設けられる開放部６９の底部６７からの高さは、還元剤タンク６０が傾いたときの壁部材６１内の尿素水溶液の液面の高さが所望の高さ以上となるように設定されることが好ましい。

例えば、還元剤タンク６０の底部６７から開放部６９までの高さは、還元剤タンク６０が傾いたときの尿素水溶液の吸込みやすさを考慮して設定されてもよい。また、ポンプ４１を含むポンプユニットが、尿素水溶液の残量を検出するレベルセンサを備える場合、還元剤タンク６０の底部６７から開放部６９までの高さは、還元剤タンク６０が傾いた場合であっても、あらかじめ設定された所定レベル以上の距離を示す検出信号を出力可能に設定されてもよい。

図１１は、ポンプ４１を含むポンプユニット４４が尿素水溶液の残量を検出するレベルセンサ４５を備える例を示す。図１１に示したレベルセンサ４５は、ポンプユニット４４から上方に向けて超音波４６を発信し、液面で反射される超音波４６を受信するまでの時間によって、尿素水溶液の残量を計測する。かかるレベルセンサ４５において、超音波４６を発信可能な領域は、図１１中の破線で示される範囲４７に制限されている。このため、還元剤タンク６０の底部６７から開放部６９までの高さは、尿素水溶液が還元剤タンク６０内に存在する場合に、還元剤タンク６０が傾いてもレベルセンサ４５により超音波４６を発信可能な範囲４７内に尿素水溶液が滞留するように設定される。

また、壁部材６１は、還元剤タンク６０が傾いた場合であっても、レベルセンサ４５によって、少なくとも還元剤タンク６０が水平な状態で検出される尿素水溶液の残量レベル以上検出されるように配置あるいは設計される。

これにより、例えば、尿素水溶液の残量が所定レベル未満になったときに内燃機関５からのＮＯ_Xの排出量を抑制するために内燃機関５の出力が制限されるように制御条件が設定されている車両において、適切な量の尿素水溶液が残っているにもかかわらずレベルセンサ４５によって尿素水溶液の残量が所定レベル未満に検出されるおそれを低減することができる。

なお、還元剤タンク６０が傾いた場合に、壁部材６１の内部に尿素水溶液が保持されるようにするには、壁部材６１を構成する周壁の高さが全周に渡って一定であってもよく、壁部材６１の上部に天板が設けられてもよい。ただし、尿素水溶液が壁部材６１により囲まれる割合が高い場合、つまり、壁部材６１の内部空間が外部に開放される割合が低い場合、尿素水溶液の凍結時に、凍結した尿素水溶液が膨張することによってポンプ４１を破損させるおそれがある。このため、上記実施形態に示したように、壁部材６１の上部が解放され、また、壁部材６１を構成する周壁の高さが位置によって低くされることが好ましい。

また、壁部材６１を構成する周壁の高さが一定である場合や、壁部材６１の上部に天板が設けられる場合、例えば還元剤タンク６０が第２の方向（Ｘ方向）に傾いた場合に、尿素水溶液が第２の方向に存在する壁部材６１の周壁によって堰き止められ、尿素水溶液の残量（液面レベル）が不要に高く検出されるおそれがある。このため、上記実施形態に示したように、壁部材６１の上部又は壁部材６１の一部が解放され、かつ、壁部材６１の高さが、還元剤タンク６０の長手方向の一端側から他端側にかけて次第に高くなることが好ましい。

以上説明したように、本実施形態に係る還元剤タンク６０は、底部６７に接して設けられ、ポンプ４１による尿素水溶液の吸入エリア６５を囲むように形成され、かつ、周壁の一部に尿素水溶液を流通可能な開放部６９を有する壁部材６１を備える。このため、還元剤タンク６０が所定方向に傾いた場合であっても、吸入エリア６５内に尿素水溶液が保持され、尿素水溶液の供給を継続させることができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態では、壁部材６１が矩形状の平面形状を有していたが、本発明はかかる例に限定されない。壁部材６１の平面形状は円形状その他の形状であってよい。また、上記実施形態では、壁部材６１の開放部６９が、還元剤タンク６０の長手方向の一端側の前面を開放していたが、本発明はかかる例に限定されない。開放部は、高さ方向（Ｚ方向）又は水平方向等の適宜の方向に形成された１つ又は複数のスリットであってもよく、１つ又は複数の孔であってもよい。

５・・・内燃機関、１０・・・尿素ＳＣＲシステム（排気浄化装置）、１３・・・選択還元触媒、３０・・・還元剤供給装置、４１・・・ポンプ、４１ａ・・・吸込み口、４５・・・レベルセンサ、６０・・・還元剤タンク、６１・・・壁部材、６１ａ，６１ｂ，６１ｃ・・・周壁部、６５・・・吸入エリア、６７・・・底部、６９・・・開放部

Claims (4)

1. 内燃機関（５）から排出される排気ガスの浄化に用いられる液体還元剤を貯留する還元剤タンク（６０）において、
   前記還元剤タンク（６０）の底部（６７）に接して設けられ、前記液体還元剤を圧送するポンプ（４１）の吸込み口（４１ａ）が位置する吸入エリア（６５）を囲むように形成されるとともに、周壁（６１ａ～６１ｃ）の一部に前記液体還元剤を流通可能な開放部（６９）を有する壁部材（６１）を備え、
   前記還元剤タンク（６０）の平面形状において、第１の方向の長さが、前記第１の方向に直交する第２の方向の長さよりも長くなっており、
   前記壁部材（６１）は、前記第１の方向の一端側に備えられ、
   前記壁部材（６１）は、前記第１の方向の一端側から他端側に向けて上端部の高さが高くなる
   ことを特徴とする還元剤タンク。
2. 前記還元剤タンク（６１）の底部（６７）に前記ポンプ（４１）が取り付けられる
   ことを特徴とする請求項１に記載の還元剤タンク。
3. 前記吸入エリア（６５）内に、前記液体還元剤の液面までの距離に応じた信号を出力するレベルセンサ（４５）が設けられ、
   前記壁部材（６１）の高さは、前記還元剤タンク（６０）の前記第１の方向の一端側の位置が他端側の位置よりも高くなるように前記還元剤タンク（６０）が傾いた場合であっても、前記レベルセンサ（４５）により超音波（４６）を発信可能な範囲（４７）内に尿素水溶液が滞留可能に設定される
   ことを特徴とする請求項１に記載の還元剤タンク。
4. 液体還元剤を貯留する還元剤タンク（６０）と、前記液体還元剤を内燃機関（５）の排気通路に供給する還元剤供給装置（３０）と、前記排気通路に配設されて前記液体還元剤を用いて前記内燃機関（５）から排出される排気ガス中の窒素酸化物を還元する選択還元触媒（１３）と、を備えた排気浄化装置（１０）において、
   前記還元剤タンク（６０）は、
   前記還元剤タンク（６０）の底部（６７）に接して設けられ、前記液体還元剤を圧送するポンプ（４１）の吸込み口（４１ａ）が位置する吸入エリア（６５）を囲むように形成されるとともに、周壁（６１ａ～６１ｃ）の一部に前記液体還元剤を流通可能な開放部（６９）を有する壁部材（６１）を備え、
   前記還元剤タンク（６０）の平面形状において、第１の方向の長さが、前記第１の方向に直交する第２の方向の長さよりも長くなっており、
   前記壁部材（６１）は、前記第１の方向の一端側に備えられ、
   前記壁部材（６１）は、前記第１の方向の一端側から他端側に向けて上端部の高さが高くなる
   ことを特徴とする排気浄化装置。

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