(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器本体の上面に、少なくとも、液体還元剤の残量を検出する水位計の基部と、液体還元剤の濃度を検出する濃度計の基部と、前記水位計及び濃度計の基部から垂下された検出部を囲みつつエンジンを熱源とする熱媒体を循環させて液体還元剤との間で熱交換を行う熱交換器と、前記水位計と濃度計との間であって前記容器本体の底部から液体還元剤を吸い込む吸込管と、を夫々取り付けると共に、前記熱交換器の下部に位置する水位計，濃度計及び吸込管を取り囲むように、略箱型形状の箱型部材を配設したことを特徴とする還元剤容器の構造。
【請求項２】
前記熱交換器は、前記熱媒体の入口と出口とを相互接続する略Ｕ字形状の管材を屈曲形成して構成されたことを特徴とする請求項１記載の還元剤容器の構造。
【請求項３】
前記吸込管の先端部に形成された吸込口は、前記容器本体の底面に沿って延びる熱交換器の管材の軸心を通る水平面と略同一面まで延設され、該管材にその外周が固着されたことを特徴とする請求項２記載の還元剤容器の構造。
【請求項４】
前記箱型部材の内底壁は、前記管材に対して固着されたことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の還元剤容器の構造。
【請求項５】
前記吸込管は、前記熱媒体の入口に接続される管材にその一部を沿わせつつ固着されたことを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれか１つに記載の還元剤容器の構造。
【請求項６】
前記吸込管は、前記箱型部材の内部においてその一部が該箱型部材の内側壁に固着されたことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の還元剤容器の構造。
【請求項７】
前記箱型部材の側壁及び上壁は、断熱性部材からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の還元剤容器の構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体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、特に、エンジン始動後短時間でその機能を発揮可能とする技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジン排気に含まれるＮＯｘを除去する触媒浄化システムとして、特開２０００−２７６２７号公報（特許文献１）に開示された排気浄化装置が提案されている。かかる排気浄化装置は、エンジン排気系に配設された還元触媒の排気上流に、エンジン運転状態に応じた必要量の液体還元剤を噴射供給することで、排気中のＮＯｘと液体還元剤とを触媒還元反応させて、ＮＯｘを無害成分に浄化処理するものである。ここで、還元反応は、ＮＯｘと反応性が良好なアンモニアを用いるもので、液体還元剤としては、排気熱及び排気中の水蒸気により加水分解してアンモニアを発生する尿素水溶液が用いられる。
【特許文献１】特開２０００−２７６２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、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の凝固点以下となり、還元剤容器に貯蔵される液体還元剤が凍結してしまうことがある。液体還元剤は、外気に直接接触する容器外周から凍結し始め、次第に容器中央部へ向かってその凍結が進んでいく。還元剤容器の底部には、液体還元剤の残量及び濃度を夫々検出する水位計及び濃度計の検出部，液体還元剤の吸込口などが位置しているため、液体還元剤が少し凍結しただけで、液体還元剤の残量及び濃度を検出できなくなるだけでなく、還元触媒に液体還元剤を供給できなくなってしまうおそれがある。このため、還元剤容器には、エンジン冷却水を循環させて液体還元剤との間で熱交換を行う熱交換器が取り付けられているが、エンジンが長時間に亘って停止していたときには、エンジン始動直後には冷却水温度が低いことから、凍結した液体還元剤の解凍にはある程度の時間を要してしまう。
【０００４】
そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、液体還元剤の吸込口並びに水位計及び濃度計の検出部の周囲に、熱交換器から放出される熱を閉じ込めることで、エンジン始動後短時間で排気浄化装置としての機能を発揮可能な還元剤容器の構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
このため、請求項１記載の発明では、容器本体の上面に、少なくとも、液体還元剤の残量を検出する水位計の基部と、液体還元剤の濃度を検出する濃度計の基部と、前記水位計及び濃度計の基部から垂下された検出部を囲みつつエンジンを熱源とする熱媒体を循環させて液体還元剤との間で熱交換を行う熱交換器と、前記水位計と濃度計との間であって前記容器本体の底部から液体還元剤を吸い込む吸込管と、を夫々取り付けると共に、前記熱交換器の下部に位置する水位計，濃度計及び吸込管を取り囲むように、略箱型形状の箱型部材を配設したことを特徴とする。
【０００６】
請求項２記載の発明では、前記熱交換器は、前記熱媒体の入口と出口とを相互接続する略Ｕ字形状の管材を屈曲形成して構成されたことを特徴とする。
請求項３記載の発明では、前記吸込管の先端部に形成された吸込口は、前記容器本体の底面に沿って延びる熱交換器の管材の軸心を通る水平面と略同一面まで延設され、該管材にその外周が固着されたことを特徴とする。
【０００７】
請求項４記載の発明では、前記箱型部材の内底壁は、前記管材に対して固着されたことを特徴とする。
請求項５記載の発明では、前記吸込管は、前記熱媒体の入口に接続される管材にその一部を沿わせつつ固着されたことを特徴とする。
請求項６記載の発明では、前記吸込管は、前記箱型部材の内部においてその一部が該箱型部材の内側壁に固着されたことを特徴とする。
【０００８】
請求項７記載の発明では、前記箱型部材の側壁及び上壁は、断熱性部材からなることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１記載の発明によれば、熱交換器の下部から放出される熱は、箱型部材の内部に閉じ込められ、その領域内で対流を発生させる。このため、箱型部材の内部に位置する水位計，濃度計及び吸込管の周囲にある液体還元剤が効率的に解凍され、エンジン始動後短時間で排気浄化装置としての機能を発揮することができる。また、箱型部材より上部にある液体還元剤は、熱交換器により短時間で管材を中心とした略円環形状に解凍されるため、箱型部材内部と還元剤容器の上部空間とが連通する。このため、箱型部材内部は、液体還元剤の吸い込みにより負圧とならず、その吸い込みが困難となることがない。
【００１０】
請求項２記載の発明によれば、熱交換器は熱媒体の入口と出口とを相互接続する略Ｕ字形状の管材を屈曲形成して構成されるので、還元剤容器内での全長が長くなり、液体還元剤との間で効率的に熱交換を行うことができる。
請求項３記載の発明によれば、吸込管の先端部に形成された吸込口は、容器本体の底面に沿って延びる熱交換器の管材の軸心を通る水平面と略同一面まで延設され、その管材に外周が固着されているので、熱交換器からの熱が伝達され易く短時間での解凍が期待できると共に、その開口付近を凍結し難くすることができる。
【００１１】
請求項４記載の発明によれば、箱型部材の内底壁は、熱交換器の管材に対して固着されているので、熱交換器から伝達される熱によりその温度が上昇する。このため、箱型部材の内部にある液体還元剤は、熱交換器からの熱に加え、箱型部材の底壁からの熱により昇温し、より短時間で解凍することができる。
請求項５記載の発明によれば、吸込管の一部が熱媒体の入口に接続される熱交換器の管材に沿わせつつ固着されているので、熱交換器からの熱によりその内部で凍結している液体還元剤を極力短時間で解凍することができる。
【００１２】
請求項６記載の発明によれば、吸込管の一部が箱型部材の内部においてその内側壁に固着されているので、熱交換器及び箱型部材からの熱によりその内部で凍結している液体還元剤を極力短時間で解凍することができる。
請求項７記載の発明によれば、箱型部材の側壁及び上壁は断熱性に優れた部材（樹脂又はラバー等）からなるため、箱型部材内の熱が側壁及び上壁を介して外部に放出されることが抑制され、熱交換器からの熱を効率良く利用して解凍時間の短縮を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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、尿素水溶液を液体還元剤として使用し、エンジン排気中に含まれるＮＯｘを還元触媒反応により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（ＮＯ2）へと酸化させる酸化触媒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得られるアンモニアによりＮＯｘを還元浄化する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。また、還元剤容器２４に貯蔵される尿素水溶液は、その底部に吸込口が位置する供給配管２６を介して還元剤供給装置２８に供給される一方、還元剤供給装置２８で噴射に寄与しない余剰の尿素水溶液は、戻り配管３０を介して還元剤容器２４の上部空間内へと戻される。そして、還元剤供給装置２８は、コンピュータを内蔵したコントロールユニット３２により制御され、エンジン運転状態に応じた必要量の尿素水溶液を、空気と混合しつつ噴射ノズル１８に供給する。
【００１４】
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、アンモニアを発生する。発生したアンモニアは、ＮＯｘ還元触媒２０において排気中のＮＯｘと反応し、水及び無害なガスに浄化されることは知られたことである。このとき、ＮＯｘ還元触媒２０によるＮＯｘ浄化率を向上させるべく、酸化触媒１６によりＮＯがＮＯ2へと酸化され、排気中のＮＯとＮＯ2との割合が触媒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、異臭を放つアンモニアがそのまま大気中に放出されることを防止できる。
【００１５】
還元剤容器２４は、図２に示すように、略直方体形状をなす容器本体２４Ａ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２４Ｂ及び搬送時に把持する取手２４Ｃが夫々形成されたものである。また、容器本体２４Ａの上面には、図示しない開口部が開設され、これを閉塞するように、締結部材としての複数のボルト３４により天蓋３６が着脱可能に締結される。
【００１６】
天蓋３６の上面には、その長手方向の一端部から中央部にかけて、エンジンを熱源とする熱媒体としてのエンジン冷却水の入口３６Ａ及び出口３６Ｂと、尿素水溶液の供給口３６Ｃ及び戻り口３６Ｄと、内部の上部空間が負圧とならないように大気開放する開放口３６Ｅと、が夫々形成される。また、天蓋３６には、その長手方向の中央部から他端部にかけて、尿素水溶液の残量を検出する水位計３８の基部３８Ａと、尿素水溶液の濃度を検出する濃度計４０の基部４０Ａと、が締結部材としてのボルト４２により着脱可能に夫々締結される。水位計３８は、横断面が円形をなす内側電極及び外側電極を同心に配置し、両電極間の静電容量変化から尿素水溶液の水位を検出するもので、その基部３８Ａから容器本体２４Ａの底部に向かって、内側電極及び外側電極からなる検出部３８Ｂが垂下される。一方、濃度計４０は、離間した２点間の温度伝達特性から尿素水溶液の濃度を検出するもので、容器本体２４Ａの底部に検出部４０Ｂが位置するように、その基部４０Ａから検出部４０Ｂが垂下される。
【００１７】
エンジン冷却水の入口３６Ａと出口３６Ｂとは、容器本体２４Ａ内に配設される熱交換器４４により相互接続される。熱交換器４４は、略Ｕ字形状の管材を、図３及び図４に示すように、容器本体２４Ａの底部において水位計３８及び濃度計４０を取り囲むように屈曲形成させ、その先端屈曲部４４Ａを、天蓋３６に固定されたブラケット４６により支持させたものである。このように、略Ｕ字形状の管材を屈曲形成して熱交換器４４を構成すれば、還元剤容器内における熱交換器４４の全長が長くなり、液体還元剤との間で効率的に熱交換を行うことができる。一方、熱交換器４４の先端屈曲部４４Ａは、天蓋３６に固定されたブラケット４６により支持されるため、天蓋３６に対して３点で支持固定されることとなり、その取付剛性を高めることができる。
【００１８】
また、尿素水溶液の供給口３６Ｃには、水位計３８と濃度計４０との間であって容器本体２４Ａの底部から尿素水溶液を吸い込む吸込管４８が接続される。吸込管４８は、エンジン冷却水の入口３６Ａから容器本体２４Ａの底部へと延びる熱交換器４４の管材にその一部を沿わせつつ溶接又はロー付けされると共に、その先端部に形成された吸込口４８Ａが水位計３８と濃度計４０との間で下方に向けて開口するように、その中間部から先が屈曲形成される。吸込口４８Ａは、図５に示すように、容器本体２４Ａの底面に沿って延びる熱交換器４４の管材の軸心を通る水平面と略同一面まで延設され、熱交換器４４の管材にその外周が溶接又はロー付けされる。
【００１９】
さらに、熱交換器４４の下部には、還元剤容器２４内で凍結した尿素水溶液の氷塊から水位計３８及び濃度計４０を保護すると共に、熱交換器４４の下部に位置する水位計３８，濃度計４０及び吸込管４８を取り囲み、熱交換器４４から放出される熱を閉じ込めるべく、略箱型形状の箱型部材としてのプロテクタ５０が固定される。プロテクタ５０は、図６に示すように、底板部材５０Ａと、側板部材５０Ｂと、天板部材５０Ｃと、を含んで構成される。底板部材５０Ａは、プロテクタ５０の底面及び１つの側面を形成するもので、略Ｌ字断面に形成された薄板金属部材から構成される。側板部材５０Ｂは、プロテクタ５０の３つの側面を形成するもので、略コ字断面に形成された薄板金属部材から構成される。天板部材５０Ｃは、プロテクタ５０の上面を形成するもので、略矩形形状をなす薄板金属部材であって、その四隅に熱交換器４４及び吸込管４８を通すための切欠が形成されたものである。そして、溶接又はロー付けにより、底板部材５０Ａは熱交換器４４の管材に対して、側板部材５０Ｂは底板部材５０Ａに対して、天板部材５０Ｃは底板部材５０Ａ及び側板部材５０Ｂに対して夫々固定される。なお、プロテクタ５０は、図６に示す構成に限らず、熱交換器４４の下部に位置する水位計３８，濃度計４０及び吸込管４８を取り囲むことができる略箱型形状であれば、如何なる構成から形成されていてもよい。
【００２０】
ここで、吸込管４８の中間部から先は、側板部材５０Ｂに対して溶接又はロー付けにより固定されることが望ましい。また、天板部材５０Ｃには、水位計３８及び濃度計４０を着脱可能に嵌合支持すべく、ゴムなどの弾性材からなるグロメット５２が装着される。
次に、かかる構成からなる還元剤容器２４の作用について説明する。
外気温度が尿素水溶液の凝固点以下である状況で、長時間に亘ってエンジン１０が停止していると、外気によって還元剤容器２４の外周から熱が奪われ、その外周から尿素水溶液が凍結し始め、次第に中央部へと凍結が進んでいく。この状態において、エンジン１０を始動させると、時間経過に伴って温度上昇するエンジン冷却水が熱交換器４４を循環し始める。そして、エンジン冷却水の温度が尿素水溶液の凝固点より高くなると、還元剤容器２４内で凍結した尿素水溶液は徐々に解凍し始める。
【００２１】
このとき、熱交換器４４の下部から放出される熱は、プロテクタ５０の内部に閉じ込められ、その領域内で対流を発生させる。このため、プロテクタ５０の内部に位置する水位計３８，濃度計４０及び吸込管４８の周囲にある尿素水溶液が効率的に解凍され、エンジン始動後短時間で排気浄化装置としての機能を発揮することができる。そして、プロテクタ５０より上部にある尿素水溶液は、熱交換器４４により短時間で管材を中心とした略円環形状に解凍されるため、プロテクタ５０内部と還元剤容器２４の上部空間とが連通する。このため、プロテクタ５０内部は、尿素水溶液の吸い込みにより負圧とならず、その吸い込みが困難となることがない。
【００２２】
また、吸込管４８の先端部に形成された吸込口４８Ａは、容器本体２４Ａの底面に沿って延びる熱交換器４４の管材の軸心を通る水平面と略同一面まで延設され、その管材に外周が固着されているので、熱交換器４４からの熱が伝達され易く短時間での解凍が期待できると共に、その開口付近を凍結し難くすることができる。さらに、プロテクタ５０は、底板部材５０Ａを介して熱交換器４４に固着されているので、熱交換器４４から伝達される熱によりその温度が上昇する。このため、プロテクタ５０の内部にある尿素水溶液は、熱交換器４４からの熱に加え、プロテクタ５０の周壁からの熱により昇温し、より短時間で解凍される。その他、吸込管４８は、その一部がエンジン冷却水の入口３６Ａに接続される熱交換器４４の管材に沿わせつつ固着されると共に、他の一部がプロテクタ５０の内部において側板部材５０Ｂに固着されているため、熱交換器４４及びプロテクタ５０からの熱によりその内部で凍結している尿素水溶液を極力短時間で解凍することができる。
【００２３】
一方、水位計３８及び濃度計４０の先端部は、プロテクタ５０の天板部材５０Ｃに装着されたグロメット５２により弾性支持されるため、点検整備のために取り外し可能であると共に、走行中の振動や氷塊被弾の衝撃を受けたとしてもその衝撃力が吸収され、長期間に亘って機能を維持することができる。
なお、熱交換器４４と尿素水溶液との間の熱交換をより効率的に行うために、熱交換器４４の管材の周囲にフィンを列設するようにしてもよい。また、プロテクタ５０の側板部材５０Ｂ及び天板部材５０Ｃを、断熱性に優れた部材（樹脂又はラバー等）から構成するようにしてもよい。このようにすれば、プロテクタ５０内の熱がその側壁及び上壁を介して外部に放出されることが抑制され、熱交換器４４からの熱を効率良く利用して解凍時間の短縮を図ることができる。さらに、本発明は、尿素水溶液を液体還元剤として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，アルコールなどを液体還元剤として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。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の適用対象である排気浄化装置の全体構成図
【図２】還元剤容器及びその内部配置を示す斜視図
【図３】熱交換器の下部に固定されるプロテクタの正面図
【図４】熱交換器の下部に固定されるプロテクタの平面図
【図５】吸込管の先端に形成された吸込口の固定構造図
【図６】プロテクタの詳細構成を示す斜視図
【符号の説明】
【００２５】
１０    エンジン
２４    還元剤容器
２４Ａ  容器本体
３６    天蓋
３６Ａ  入口
３６Ｂ  出口
３８    水位計
３８Ａ  基部
３８Ｂ  検出部
４０    濃度計
４０Ａ  基部
４０Ｂ  検出部
４４    熱交換器
４８    吸込管
４８Ａ  吸込口
５０    プロテクタ
５０Ａ  底板部材
５０Ｂ  側板部材
５０Ｃ  天板部材
【要約】
【課題】  エンジン始動後短時間で排気浄化装置としての機能を発揮可能とする。
【解決手段】  容器本体２４Ａの上面に、少なくとも、液体還元剤の残量を検出する水位計３８の基部３８Ａと、液体還元剤の濃度を検出する濃度計４０の基部４０Ａと、水位計３８及び濃度計４０の検出部３８Ｂ及び４０Ｂを囲みつつエンジン冷却水を循環させて液体還元剤との間で熱交換を行う熱交換器４４と、水位計３８と濃度計４０との間であって容器本体２４Ａの底部から液体還元剤を吸い込む吸込管４８と、を夫々取り付けると共に、熱交換器４４の下部に位置する水位計３８，濃度計４０及び吸込管４８を取り囲むように、略箱型形状のプロテクタ５０を配設する。そして、熱交換器４４の下部から放出される熱をプロテクタ５０の内部に閉じ込め、その領域内で対流を発生させることで、水位計３８，濃度計４０及び吸込管４０の周囲で凍結した液体還元剤を効率的に解凍する。
【選択図】  図２
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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