JP2010007617A - 還元剤供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】ポンプの駆動停止後における尿素等の析出を抑制し、ひいては還元剤水溶液を好適に添加供給する。
【解決手段】尿素水タンク２１には尿素水供給管２２を介して尿素水添加弁１５が接続されている。尿素水供給管２２の途中には、尿素水タンク２１内の尿素水に浸漬しない状態で尿素水ポンプ２３が設けられている。尿素水供給管２２には、尿素水ポンプ２３による尿素水の給送に伴い尿素水を貯留するフィルタ装置２５と、尿素水ポンプ２３が駆動停止した状態で、フィルタ装置２５に貯留されている尿素水を所定量ずつ尿素水ポンプ２３に供与する第１チェック弁２４とが設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、還元剤供給システムにかかり、具体的には排気管のＮＯｘ触媒上流部など、所定の還元剤添加場所に対して還元剤水溶液を添加する還元剤供給システムに関するものである。例えば、本システムは、エンジンの排気管に設けられた選択還元型のＮＯｘ触媒の上流側に尿素水溶液を添加する尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システムとして実用化されている。

近年、自動車等に適用されるエンジン（特にディーゼルエンジン）において、排気中のＮＯｘを高い浄化率で浄化する排気浄化システムとして、尿素ＳＣＲシステムの開発が進められており、一部実用化に至っている。尿素ＳＣＲシステムとしては次の構成が知られている。すなわち、尿素ＳＣＲシステムでは、エンジン本体に接続された排気管に選択還元型のＮＯｘ触媒が設けられるとともに、その上流側に、ＮＯｘ還元剤としての尿素水（尿素水溶液）を排気管内に添加する尿素水添加弁が設けられている。

上記システムにおいては、尿素水添加弁により排気管内に尿素水が添加されることで、ＮＯｘ触媒上で排気中のＮＯｘが選択的に還元除去される。ＮＯｘの還元に際しては、尿素水が排気熱で加水分解されることによりアンモニア（ＮＨ3）が生成され、そのアンモニアがＮＯｘ触媒に吸着するととともに同ＮＯｘ触媒上にてアンモニアに基づく還元反応が行われることによってＮＯｘが還元、浄化されることになる。

ここで、尿素ＳＣＲシステムでは、尿素水タンク内に貯留されている尿素水を尿素水添加弁に給送する尿素水ポンプが設けられており、例えば特許文献１のポンプ装置が知られている。ただし、かかるポンプ装置は還元剤用の供給ポンプとして特殊でかつ複雑な構成を有するものとなっている。また、尿素水ポンプとして、既存の燃料ポンプやオイルポンプを流用することが提案されている。具体的には、例えばタービンポンプやトロコイドポンプを用いることが検討されている。
特表２００４−５１００９３号公報

ところで、タービンポンプやトロコイドポンプなど、ポンプ部において回転部材と他の部材との間に微小隙間が存在している構成では、当該ポンプ内において尿素の析出が生じると、ポンプ部の作動不良が生じるおそれがある。すなわち、ポンプの停止後において、ポンプ部に尿素水が付着残留し、その残留尿素水から水分が蒸発すると尿素が析出する。この場合、析出した尿素がポンプ部の微小隙間に入り込むことにより、次回のポンプ起動後において尿素の噛み込みにより作動ロックが生じ、尿素水を好適に添加供給できなくなるといった不都合が生じる。

本発明は、ポンプの駆動停止後における尿素等の析出を抑制し、ひいては還元剤水溶液を好適に添加供給することができる還元剤供給システムを提供することを主たる目的とするものである。

以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について説明する。

本発明の還元剤供給システムでは、還元剤水溶液を貯留する還元剤タンクと、該還元剤タンクに還元剤通路を介して接続される還元剤添加装置と、還元剤通路の途中であって還元剤タンク内の還元剤水溶液に浸漬しない状態で設けられるポンプとを備える。そして、ポンプの駆動により還元剤添加装置に対して還元剤水溶液が給送され、還元剤添加装置により還元剤水溶液が所定の還元剤添加場所に添加される。また特に、請求項１に記載の発明では、還元剤通路に設けられ、ポンプによる還元剤水溶液の給送に伴い還元剤水溶液を貯留する還元剤貯留部と、ポンプが駆動停止した状態で、還元剤貯留部に貯留されている還元剤水溶液を所定量ずつポンプに供与する還元剤供与部と、を備えている。

上記構成によれば、還元剤貯留部には、ポンプの駆動中に還元剤水溶液が貯留される。そして、ポンプの駆動停止後には、還元剤供与部により、還元剤貯留部に貯留されている還元剤水溶液が所定量ずつポンプに供与される。これにより、ポンプの駆動停止後にも、当該ポンプに還元剤水溶液が連続して又は断続的に供給されるようになり、ポンプ内部がウエット状態で保持される。ゆえに、還元剤水溶液中の還元剤（尿素等）の析出を抑制できる。なお、還元剤水溶液の供与量（所定量）は、還元剤水溶液の供与期間内において常に一定でもよいし、時間の経過に合わせて変更される量であってもよい。

補足すると、本発明のポンプは、還元剤タンク内の還元剤水溶液に浸漬しない状態で設けられているため、還元剤水溶液の凍結・膨張による破損を抑制できる反面、駆動停止後においてポンプ内に残留する還元剤水溶液から水分が蒸発すると還元剤（尿素等）が析出する。この析出物によりポンプの駆動に支障が及ぶおそれがある。この点、上記のようにポンプの駆動停止後にもポンプ内部がウエット状態で保持されることで、ポンプが還元剤水溶液に浸漬されていなくても尿素等の析出を抑制できる。その結果、還元剤水溶液を好適に添加供給することができる。

請求項２に記載の発明では、ポンプを下側、還元剤貯留部を上側としてこれらが上下（重力方向上下）に設置されるとともに、それらポンプと還元剤貯留部との間に還元剤供与部が設置されている。また、還元剤供与部は、還元剤貯留部に貯留されている還元剤水溶液をその自重によりポンプに供与するものである。

本構成によれば、還元剤貯留部内の還元剤水溶液の自重により還元剤水溶液がポンプに供与（滴下）されるため、電気的な動力等を要しなくても還元剤水溶液の供与が可能となる。したがって、ポンプの駆動停止後に還元剤水溶液を継続的に供与する場合において好適なる構成を実現できる。

請求項３に記載したように、還元剤供与部は、通路開閉部に並列に設けられ、その通路開閉部を挟んで還元剤貯留部側の還元剤通路とポンプ側の還元剤通路とを連通するオリフィスにより構成されるとよい。これにより、オリフィスを通じて少量ずつの還元剤水溶液の供与が可能となる。

請求項４に記載したように、還元剤貯留部は、還元剤通路内の還元剤水溶液を濾過するための濾過部を有するフィルタ装置であるとよい。フィルタ装置は、エレメント等からなる濾過部を有し、ポンプの駆動停止後において還元剤水溶液を貯留させておく上で都合がよい。

請求項５に記載の発明では、ポンプは、還元剤通路内の還元剤水溶液を双方向に流通させることができるものであり、還元剤添加装置に対する還元剤供給の停止後に、ポンプによる還元剤流通方向を逆にして還元剤吸い戻しを実施する手段を備える。

要するに、還元剤供給の停止後に還元剤通路内が還元剤水溶液で満たされた状態にあると、寒冷地等において還元剤水溶液が凍結膨張することがあり、配管の破損等が生じるおそれがある。この点本発明では、還元剤供給の停止後に、ポンプによる還元剤流通方向を逆にして還元剤吸い戻しが実施されるため、還元剤通路に残留する還元剤水溶液の凍結膨張を抑制できる。ただし、還元剤吸い戻しが行われると、ポンプ内部の還元剤水溶液もタンク等に吸い戻され、ポンプ内部で還元剤（尿素等）が析出しやすくなるが、上記のとおりポンプ駆動停止後に還元剤水溶液の供与が行われることで、還元剤（尿素等）の析出を抑制できる。

請求項６に記載の発明では、還元剤通路に、還元剤貯留部を迂回させて設けられる迂回通路を接続している。そして、前記還元剤吸い戻しの実施時には、迂回通路を介して還元剤水溶液を吸い戻すようにしている。これにより、還元剤吸い戻しの実施時において、還元剤貯留部に還元剤水溶液が流れなくなる。したがって、ポンプの駆動停止後において、還元剤貯留部内に還元剤水溶液を貯留したまま保持できる。

請求項７に記載の発明では、還元剤貯留部には、貯留還元剤の凍結膨張時の変形を許容する易変形部が設けられている。還元剤貯留部に還元剤水溶液が貯留される場合、凍結膨張による破損が懸念されるが、易変形部を設けることで、凍結膨張による破損を抑制できる。

還元剤水溶液を所定の還元剤添加場所に添加する技術としては、選択還元型ＮＯｘ触媒を用いた排気浄化装置が知られている（請求項８）。この場合、還元剤水溶液は、排気通路においてＮＯｘ触媒よりも上流側に添加され、この添加された還元剤水溶液により、ＮＯｘ触媒において好適なるＮＯｘ浄化が行われる。

以下、本発明を具体化した排気浄化システムの一実施形態について図面を参照しつつ説明する。本実施形態の排気浄化システムは、選択還元型触媒を用いて排気中のＮＯｘを浄化するものであり、尿素ＳＣＲシステムとして構築されている。はじめに、図１を参照してこのシステムの構成について詳述する。図１は、本実施形態に係る尿素ＳＣＲシステムの概要を示す構成図である。

図１に示すように、本システムは、自動車に搭載されたディーゼルエンジン（図示略）により排出される排気を浄化対象として、大きくは、排気を浄化するための各種アクチュエータ及び各種センサ、並びにＥＣＵ（電子制御ユニット）３０等を有して構築されている。

エンジン排気系の構成として具体的には、図示しないエンジン本体に接続された排気管１１が設けられており、その排気管１１にはＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）１２と選択還元触媒（以下、ＳＣＲ触媒という）１３とが配設されている。また、排気管１１においてＤＰＦ１２とＳＣＲ触媒１３との間には、還元剤水溶液としての尿素水（尿素水溶液）を排気管１１内に添加供給するための尿素水添加弁１５が設けられている。なお、図示のとおり排気管１１は複数の管材が連結されて構成されているが、ここではそれらを総じて排気管１１としている。

排気管１１においてＳＣＲ触媒１３の下流側には、ＮＯｘ検出部（ＮＯｘセンサ）と排気温検出部（排気温センサ）とが共に内蔵された排気センサ１６が設けられており、同ＳＣＲ触媒１３の下流側にて、排気中のＮＯｘ量（ひいてはＳＣＲ触媒１３によるＮＯｘの浄化率）、及び排気の温度が検出されるようになっている。排気管１１の更に下流には、余剰のアンモニア（ＮＨ3）を除去するためのアンモニア除去装置（例えば酸化触媒）や、排気中のアンモニア量を検出するためのアンモニアセンサ等が必要に応じて設けられる。

ＤＰＦ１２は、排気中のＰＭ（粒子状物質）を捕集するＰＭ除去用フィルタである。ＤＰＦ１２は白金系の酸化触媒を担持しており、ＰＭ成分の１つである可溶性有機成分（ＳＯＦ）とともに、ＨＣやＣＯを除去することができるようになっている。ちなみに、ＤＰＦ１２に捕集されたＰＭは、ディーゼルエンジンにおけるメイン燃料噴射後のポスト噴射等により燃焼除去でき（再生処理に相当）、これによりＤＰＦ１２の継続使用が可能となっている。

ＳＣＲ触媒１３はＮＯｘの還元反応（排気浄化反応）を促進するものであり、例えば、
４ＮＯ＋４ＮＨ3＋Ｏ2→４Ｎ2＋６Ｈ2Ｏ …（式１）
６ＮＯ2＋８ＮＨ3→７Ｎ2＋１２Ｈ2Ｏ …（式２）
ＮＯ＋ＮＯ2＋２ＮＨ3→２Ｎ2＋３Ｈ2Ｏ …（式３）
のような反応を促進して排気中のＮＯｘを還元する。そして、これらの反応においてＮＯｘの還元剤となるアンモニア（ＮＨ3）を添加供給するものが、同ＳＣＲ触媒１３の上流側に設けられた尿素水添加弁１５である。

尿素水添加弁１５は、既存の燃料噴射弁（インジェクタ）とほぼ同様の構成を有するものであり、公知の構成が採用できるため、ここでは構成を簡単に説明する。尿素水添加弁１５は、電磁ソレノイド等からなる駆動部と、尿素水を流通させる尿素水通路や、先端噴出口１５ａを開閉するためのニードルを有する弁体部とを備えた電磁式開閉弁として構成されており、ＥＣＵ１００からの駆動信号に基づき開弁又は閉弁する。すなわち、前記駆動信号に基づき電磁ソレノイドが通電されると、該通電に伴いニードルが開弁方向に移動し、そのニードル移動に伴い先端噴出口１５ａから尿素水が添加（噴射）される。

尿素水添加弁１５に対しては、尿素水タンク２１から尿素水が逐次供給されるようになっており、次に、尿素水供給系の構成について説明する。なお以下には、説明の便宜上、尿素水タンクから尿素水添加弁１５に対して尿素水が供給される場合を基準としてタンク側を上流側、尿素水添加弁側を下流側として記載する。

尿素水タンク２１は給液キャップ付きの密閉容器にて構成されており、その内部に所定濃度の尿素水が貯蔵されている。なお、タンク内尿素水の凍結対策として、尿素水タンク２１にヒータを付設したり、タンク周りに断熱シート等の断熱材を配設したりすることも可能である。

尿素水タンク２１と尿素水添加弁１５とは尿素水供給管２２により接続されており、同尿素水供給管２２の途中に尿素水ポンプ２３が設けられている。尿素水供給管２２内に尿素水通路（還元剤通路）が形成されている。尿素水ポンプ２３は、ＥＣＵ１００からの駆動信号により回転駆動されるインライン式の電動ポンプであり、正逆いずれの方向にも回転が可能となっている。尿素水ポンプ２３が所定の正回転方向に回転駆動されることにより、尿素水タンク２１内の尿素水が汲み上げられ、尿素水供給管２２を通じて尿素水添加弁１５側に吐出（圧送）される。また、尿素水ポンプ２３が逆回転方向に回転駆動されることにより、尿素水添加弁１５側から尿素水供給管２２を通じて尿素水が吸い戻される。本実施形態では、尿素水タンク２１外に、すなわち尿素水に浸漬しない状態で尿素水ポンプ２３が設けられているため、尿素水の凍結・膨張による尿素水ポンプ２３の破損を抑制できるようになっている。

ここで、尿素水ポンプ２３は、負圧により尿素水タンク２１内の尿素水を吸い込むトロコイドポンプであり、その概略構成を図２及び図３に示す。図２は尿素水ポンプ２３の一部破断断面図であり、図３は図２のＡ−Ａ線断面図である。

図２において、尿素水ポンプ２３は、モータ部４１とトロコイド式のポンプ部４２とを有している。ポンプ部４２の下面をカバーするポンプカバー４３には尿素水吸入口４４が形成されており、この尿素水吸入口４４から尿素水がポンプ部４２内に吸入される。図のポンプ上端部には尿素水吐出口４５が設けられている。ポンプ部４２には円筒状をなすポンプケーシング４６が設けられ、その内側にアウタロータ４７とインナロータ４８とが収納されている。

図３に示すように、アウタロータ４７の内周側とインナロータ４８の外周側には、それぞれ内歯４７ａと外歯４８ａが等間隔で形成されており、インナロータ４８の外歯４８ａの歯数がアウタロータ４７の内歯４７ａの歯数よりも１つ少なくなっている。アウタロータ４７は、ポンプケーシング４６に偏心して形成された円形穴４９内に回転自在に嵌合されている。アウタロータ４７の内周側にはインナロータ４８が偏心して収納され、両ロータ４７，４８の各歯の噛合い又は接触によって歯４７ａ，４８ａ間に複数のポンプ室５０が形成されている。

図２に示すように、インナロータ４８の中心部にはモータ部４１の回転軸５１が一体化されている。これにより、回転軸５１が回転すると、これと一体的にインナロータ４８が回転し、さらにインナロータ４８と噛み合うアウタロータ４７も回転するようになっている。また、図３に示すように、ポンプ部４２には、吸入ポート５２と吐出ポート５３とが形成されている。

上記構成において、モータ部４１によってインナロータ４８が回転駆動されると、このインナロータ４８と噛み合うアウタロータ４７が回転する。この場合、アウタロータ４７とインナロータ４８とが互いに偏心しているため、回転時に両ロータ４７，４８の各歯の噛合い量が連続的に増加・減少し、各ポンプ室５０の容積が連続的に増加・減少する動作が１回転を周期として繰り返される。これにより、容積が拡大するポンプ室５０では、吸入ポート５２から尿素水を吸い込みながら両ロータ４７，４８の回転方向に移送し、容積が縮小するポンプ室５０では、移送されてきた尿素水を加圧しながら吐出ポート５３から吐出する。

図１の説明に戻り、尿素水供給管２２において、尿素水ポンプ２３よりも下流側（尿素水添加弁１５側）には、開弁することにより下流方向（図のＡ方向）への尿素水の流通を許容する第１チェック弁２４と、尿素水を濾過するためのフィルタ装置２５と、尿素水の圧力を調整するための圧力調整弁２６とが設けられている。したがって、尿素水ポンプ２３から尿素水が吐出（圧送）されると、その尿素水は第１チェック弁２４を通過した後、フィルタ装置２５により異物等が除去され、さらにその後、圧力調整弁２６により所定の供給圧力に調整される。圧力調整の結果、余剰となった尿素水はリターン配管２７を通じて尿素水タンク２１に戻されるようになっている。本実施形態では特に、尿素水ポンプ２３、第１チェック弁２４及びフィルタ装置２５が、尿素水ポンプ２３を下側、フィルタ装置２５を上側として上下（重力方向の上下）に並べて設けられている。

また、尿素水供給管２２には、第１チェック弁２４とフィルタ装置２５とを迂回するようにしてバイパス配管２８が接続されている。バイパス配管２８には、開弁することにより上流方向（図のＢ方向）への尿素水の流通を許容する第２チェック弁２９が設けられている。なお、尿素水供給管２２においてバイパス配管２８と並列となる部位は上下となる向きに設けられており、高位置及び低位置の各分岐部の間にバイパス配管２８が設けられている。

尿素水添加弁１５側への尿素水圧送時には、尿素水ポンプ２３が正回転駆動され、尿素水ポンプ２３から吐出される尿素水は、第１チェック弁２４とフィルタ装置２５とを経由して圧力調整弁２６に流れ込み、さらに尿素水添加弁１５に給送される。また、尿素水タンク２１への尿素水吸い戻し時には、尿素水ポンプ２３が逆回転駆動され、尿素水供給管２２内の尿素水がバイパス配管２８及び第２チェック弁２９を経由して吸い戻され、さらに尿素水タンク２１に流入する。

尿素水供給系の他の構成として、尿素水供給管２２には、尿素水供給管２２内の尿素水の圧力を検出するための圧力センサ３１と、同尿素水の温度を検出するための温度センサ３２とが設けられている。

フィルタ装置２５の構成を図４に示す。フィルタ装置２５は、有底円筒形をなす金属製又は合成樹脂製のケース６１と、ケース６１の上面開口に装着されケース６１を液密に閉鎖する金属製又は合成樹脂製のカバー６２と、ケース６１に設けられ吸入ポートを形成する入口側接続管６３と、カバー６２に設けられ吐出ポートを形成する出口側接続管６４とを備えている。

ケース６１及びカバー６２により形成される内部空間には、同内部空間を二室に区画するダイアフラム（区画部材）６５が設けられている。ダイアフラム６５は易変形部に相当する。図示の構成では、金属製のカバー６２を想定し、ケース６１の端部（図の上端部）とダイアフラム６５の周縁部とを挟み込んでカバー６２の周縁部が折り曲げ形成されることで、ダイアフラム６５の周縁部が固定されている。ただしその固定方法は任意である。

カバー６２及びダイアフラム６５の中央部には同軸位置に開口部６２ａ，６５ａがそれぞれ設けられており、それら開口部６２ａ，６５ａに挿通された状態で出口側接続管６４が設けられている。ダイアフラム６５と出口側接続管６４との連結部には連結具６７が設けられており、この連結具６７により、ダイアフラム６５と出口側接続管６４とが強固に接続され、かつダイアフラム６５により区画される二室が液密に区画されるようになっている。これに対し、カバー６２と出口側接続管６４とは互いの相対変位が可能となっている。したがって、ダイアフラム６５の中央部が図の上下いずれかに膨らむように変形する際、出口側接続管６４はカバー６２には関係なく動作できるようになっている。

ダイアフラム６５により区画される二室のうち一方はエレメント室６８、他方は空気室６９であり、エレメント室６８にフィルタエレメント７１が収容されている。フィルタエレメント７１は不織布等の濾紙部材により構成されている。なお、ケース６１内にはフィルタエレメント７１を位置固定するためのストッパ７２が設けられている。

上記構成のフィルタ装置２５では、尿素水ポンプ２３の駆動により尿素水が供給される場合に、エレメント室６８に収容されたフィルタエレメント７１により所定容積分の尿素水を貯留ことができるようになっている。つまり、フィルタ装置２５が還元剤貯留部に相当する。また、寒冷地などで使用される場合にはフィルタ装置２５内の尿素水が凍結することがあり、その尿素水の凍結により体積膨張が生じてケース６１が破損する等の不都合が懸念される。ちなみに、尿素水は−１１℃で凍結し、凍結により約７％膨張する。この点、易変形部としてのダイアフラム６５を備える上記構成によれば、仮にフィルタ内の尿素水が凍結したとしても凍結による膨張分がダイアフラム６５の変形により吸収されるため、ケース６１の破損等を抑制できる。

上記システムの中で電子制御ユニットとして主体的に排気浄化に係る制御を行う部分がＥＣＵ１００である。ＥＣＵ１００は、周知のマイクロコンピュータ（図示略）を備え、各種センサの検出値に基づいて所望とされる態様で尿素水添加弁１５をはじめとする各種アクチュエータを操作することにより、排気浄化に係る各種の制御を行うものである。具体的には、例えば尿素水添加弁１５の通電時間や尿素水ポンプ２３の駆動量等を制御することにより、排気管１１内に、適切な時期に適正な量の尿素水を添加供給する。なお、ＥＣＵ１００には、上述した排気センサ１６、圧力センサ３１、温度センサ３２の他に、水温センサ１０１や外気温センサ１０２の検出信号が逐次入力されるようになっている。

本実施形態に係る上記システムでは、エンジン運転時において、尿素水ポンプ２３の駆動により尿素水タンク２１内の尿素水が尿素水供給管２２を通じて尿素水添加弁１５に圧送され、尿素水添加弁１５により排気管１１内に尿素水が添加供給される。すると、排気管１１内において排気と共に尿素水がＳＣＲ触媒１３に供給され、ＳＣＲ触媒１３においてＮＯｘの還元反応が行われることによってその排気が浄化される。ＮＯｘの還元に際しては、例えば、
（ＮＨ2）2ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→２ＮＨ3＋ＣＯ2 …（式４）
のような反応をもって、尿素水が排気熱で加水分解されることによりアンモニア（ＮＨ3）が生成され、ＳＣＲ触媒１３にアンモニアが吸着するとともに同ＳＣＲ触媒１３において排気中のＮＯｘがアンモニアにより選択的に還元除去される。すなわち、同ＳＣＲ触媒１３上で、そのアンモニアに基づく還元反応（上記反応式（式１）〜（式３））が行われることによって、ＮＯｘが還元、浄化されることになる。

ところで、エンジン停止に伴い尿素水ポンプ２３の駆動が停止された後には、尿素水ポンプ２３内の尿素水が尿素水タンク２１に戻されるが、同ポンプ２３内の各部材表面には尿素水がウエット状態（湿潤状態）で付着残留し、そのウエット状態で残留する尿素水から水分が蒸発すると尿素が析出する。この場合、析出した尿素が尿素水ポンプ２３のポンプ部４２（図２，図３参照）に入り込むと、同ポンプ部４２での作動不良の原因となる。具体的には、析出尿素がアウタロータ４７とインナロータ４８との間のポンプ室５０に入り込むと、これら各ロータ４７，４８が析出尿素の噛み込みによりロックしてしまい、モータ部４１を作動させても尿素水を圧送できなくなる。本実施形態では、インライン式の尿素水ポンプ２３を採用し、尿素水タンク２１内に尿素水ポンプ２３を浸漬させない構成としているため、こうした不都合が生じるものとなっている。

また本実施形態では、エンジン停止後において残留尿素水の凍結膨張による尿素水供給管２２の破損等を抑制すべく、エンジン停止後には尿素水ポンプ２３を逆回転させることで尿素水の吸い戻しを行う構成としている。この場合、尿素水ポンプ２３を逆回転させることで尿素水供給管２２内の尿素水が尿素水タンク２１に吸い戻され、ポンプ内部は上記のとおり尿素水が残留した状態となる。したがって、尿素析出による上記不都合が生じる原因となっている。

そこで本実施形態では、エンジン停止後において尿素水ポンプ２３内での尿素析出を抑制すべく、フィルタ装置２５内に貯留されている尿素水を用いて尿素水ポンプ２３に対して尿素水を少量ずつ滴下する構成を採用している。これにより、尿素水ポンプ２３内部でウエット状態が保持され、ポンプ内部での尿素析出を抑制できるようになっている。つまり、本システムでは、尿素水ポンプ２３が駆動停止した状態で、フィルタ装置２５に貯留されている尿素水を時間あたり所定量ずつ尿素水ポンプ２３に供与する尿素水供与部（還元剤供与部）を備える構成としており、第１チェック弁２４に一体に尿素水供与部（後述のオリフィス９１）が設けられている。これからすれば、第１チェック弁２４は尿素水の供与装置であるとも言える。以下、第１チェック弁２４の構成を詳しく説明する。

図５は、第１チェック弁２４の構成を示す断面図である。第１チェック弁２４は、バルブ本体８１と、そのバルブ本体８１の入口側及び出口側にそれぞれ設けられるジョイント部８２，８３とを有している。ジョイント部８２，８３には、それぞれ入口側通路８２ａと出口側通路８３ａとが設けられている。これら各部材８１〜８３は、接合部分に中空円板状のスペーサ８４，８５が介装された状態で一体に結合されている。第１チェック弁２４は、各ジョイント部８２，８３と図示しない配管とを通じて尿素水ポンプ２３及びフィルタ装置２５にそれぞれ接続されている。

バルブ本体８１は中空状をなしており、その中空部が貫通孔８６となっている。貫通孔８６は、孔径が各々異なりかつ同軸の３つの孔部８６ａ，８６ｂ，８６ｃを有しており、そのうち中央の孔部８６ｂに弁座部材８７が配設されている。弁座部材８７の中央部には通路８７ａが形成され、その通路８７ａを囲むようにして弁座面８７ｂが形成されている。弁座部材８７の図の上方には弁押さえ部材８８が設けられ、弁座部材８７と弁押さえ部材８８との間に球状の弁体８９が配設されている。また、スペーサ８５と弁押さえ部材８８との間にはスプリング９０が設けられており、そのスプリング９０の付勢力により、弁体８９が弁座面８７ｂに押しつけられている。本実施形態は、弁体８９が弁座面８７ｂに押しつけられる部位（着座部位）により通路開閉部が構成されている。

上記構成の第１チェック弁２４では、尿素水ポンプ２３側の尿素水圧力（ＩＮ側圧力）と、フィルタ装置２５側の尿素水圧力（ＯＵＴ側圧力）との対比において、「ＩＮ側圧力＜スプリング付勢力＋ＯＵＴ側圧力」であれば閉弁状態が保持され、「ＩＮ側圧力＞スプリング付勢力＋ＯＵＴ側圧力」であれば開弁する。尿素水ポンプ２３による尿素水吐出時にはＩＮ側圧力の上昇に伴い弁体８９が着座状態から離座状態に移行し、第１チェック弁２４が開弁する。

尿素水の吸い戻し時（尿素水ポンプ２３の逆回転駆動時）には、ＯＵＴ側圧力＞ＩＮ側圧力となるため、弁体８９が離座することはなく、第１チェック弁２４が閉弁状態で保持される。なお、尿素水吸い戻し時には、第２チェック弁２９（図１参照）が開弁状態となることで、バイパス配管２８を介して尿素水の吸い戻しが行われる（前述のとおり）。

また、弁座部材８７には、フィルタ装置２５に貯留されている尿素水をその自重により尿素水ポンプ２３に供与するための構成が設けられており、具体的にはオリフィス（絞り孔）９１が形成されている。オリフィス９１は、弁座部材８７及び弁体８９の通路開閉部を迂回して設けられ、その通路開閉部を挟んでポンプ側通路（ＩＮ側通路）とフィルタ側通路（ＯＵＴ側通路）とを連通するものである。エンジン停止時には、オリフィス９１を介して、フィルタ装置２５よりも下方の尿素水ポンプ２３に対して尿素水が少量ずつ滴下され、その尿素水の滴下により尿素水ポンプ２３のウエット状態が保持されるようになっている。

かかる場合、弁座部材８７の上面には、それよりも上方（重力方向上方）の尿素水である、フィルタ装置２５及びその下方の通路部分（フィルタ装置２５〜弁体８９までの部分）における貯留尿素水の重みにより圧力Ｐが作用し、オリフィス９１では、圧力Ｐに応じて定まる量で尿素水が滴下される。このとき、圧力Ｐは、フィルタ装置２５及びその下方の通路部分（フィルタ装置２５〜弁体８９までの部分）における尿素水の容量Ｖに依存して変化し、尿素水の滴下が行われることで次第に尿素水容量Ｖが減少すると、それに伴い尿素水の滴下量（オリフィス流量Ｑ）も減じられるようになっている。

尿素水の滴下動作を図６を用いて説明する。エンジン停止時において、フィルタ装置２５には、満容量に相当する容量ＶＡの尿素水が貯留されている。このとき、尿素水の重みにより弁座部材８７の上面部分に作用する圧力Ｐは「ＰＡ」であり、オリフィス流量Ｑは「ＱＡ」である。尿素水の滴下が開始され継続して行われると、尿素水容量Ｖが徐々に減少する。なお、容量Ｖは下記の（数式１）にて求められ、オリフィス流量Ｑは下記の（数式２）で求められる。

Ｖ＝Ｓ１×Ｐ／（ρ×ｇ） …（数式１）
Ｑ＝μ×Ｓ２×√（２×Ｐ／ρ） …（数式２）
（数式１）（数式２）中、Ｓ１は弁座部材８７の上面の面積（受圧面積）、ρは尿素水密度（＝１０９０ｋｇ／ｍ3）、ｇは重力加速度（＝９．８ｍ／ｓｅｃ2）、Ｓ２はオリフィス開口の断面積、μは流量係数である。

そして、容量Ｖが「ＶＯ」まで減少すると、圧力Ｐが「ＰＯ」まで減少し、オリフィス流量Ｑは「ＱＯ」に減少する。エンジン停止からの経過時間Ｔで見ると、この時点で時間ＴＯが経過していることになる。容量ＶがＶＯからさらに減少すると、オリフィス流量Ｑがさらに減ることになるが、時間Ｔｚになるまで尿素水の滴下を継続できる。

時間Ｔｚは、尿素水の滴下を継続して実施することが可能な実施可能期間であり、例えば１週間として定められている。ただし、フィルタ装置２５における容積（尿素水の満容量）を大きくしたり、オリフィス開口面積を小さくしたりすれば、時間Ｔｚの延長が可能である。また逆に、フィルタ装置２５における容積（尿素水の満容量）を小さくしたり、オリフィス開口面積を大きくしたりすれば、時間Ｔｚの短縮が可能である。自動車を通勤等に毎日使用することを想定すれば、時間Ｔｚを１日、又は２日程度に設定することも可能である。

ちなみに、時間が経過するほどオリフィス流量Ｑ（尿素水滴下量）が少なくなるが、ある程度の尿素水滴下が行われると、ポンプ内部が飽和蒸気圧に達し、尿素が析出しにくくなると考えられる。ゆえに、オリフィス流量Ｑが時間の経過とともに少なくなっても支障がないと考えられる。

以上詳述した本実施形態によれば、以下の優れた効果が得られる。

尿素水供給管２２において尿素水ポンプ２３の上方に第１チェック弁２４とフィルタ装置２５とを設け、尿素水ポンプ２３の駆動停止後に、第１チェック弁２４に設けられているオリフィス９１により、フィルタ装置２５に貯留されている尿素水を所定量ずつ尿素水ポンプ２３に供与（滴下）する構成とした。これにより、尿素水ポンプ２３の駆動停止後にも、当該ポンプ２３に尿素水が断続的に供給されるようになり、ポンプ内部がウエット状態（湿潤状態）で保持される。ゆえに、ポンプ内部での尿素の析出を抑制でき、次回のポンプ起動後においてポンプ部４２での析出尿素に起因して作動不良が生じる等の不都合を抑制できる。

補足すると、本実施形態では、尿素水ポンプ２３が、尿素水タンク２１内の尿素水に浸漬しない状態で設けられているため、尿素水の凍結膨張による破損を抑制できる反面、駆動停止後においてポンプ内部に残留する尿素水から水分が蒸発すると尿素が析出する。この点、上記のように尿素水ポンプ２３の駆動停止後にもポンプ内部がウエット状態で保持されることで、尿素水ポンプ２３が尿素水に浸漬されていなくても尿素の析出を抑制できる。その結果、エンジン排気管内に尿素水を好適に添加供給することができる。

なお、上記のごとく尿素水ポンプ２３に対して尿素水を滴下する構成であっても、エンジン停止後（ポンプ停止後）においていずれは尿素が析出し始めることも考えられる（例えば、時間経過に伴い滴下量不足が生じた場合など）。ただし、上記構成によれば、尿素が析出し始める時期を遅らせることができるため、尿素の析出抑制の効果を間違いなく得られることとなる。

また、エンジン停止後に、尿素水ポンプ２３を逆回転させて尿素水の吸い戻しを行う構成としたため、尿素水供給管２２内に残留する尿素水の凍結膨張を抑制できる。ただしこの場合、ポンプ内部の尿素水も尿素水タンク２１に吸い戻され、ポンプ内部で尿素が析出しやすくなるが、上記のとおりポンプ駆動停止後に尿素水の供与（滴下）が行われることで、ポンプ内部での尿素の析出を抑制できる。

上記のように尿素水の添加供給が好適に行えるようになれば、ＳＣＲ触媒１３でのＮＯｘ浄化の適正化を実現できる。

第１チェック弁２４において、フィルタ装置２５に貯留されている尿素水をその自重により尿素水ポンプ２３に供与（滴下）する構成としたため、電気的な動力等を要しなくても尿素水の供与が可能となる。したがって、尿素水ポンプ２３の駆動停止後（すなわち、尿素水ポンプ２３の停止放置後）に尿素水を継続的に供与する場合において好適なる構成を実現できる。

第１チェック弁２４において、弁体８９を有してなる通路開閉部に並列にオリフィス９１を設け、そのオリフィス９１により、通路開閉部を挟んでフィルタ側の尿素水通路とポンプ側の尿素水通路とを連通する構成とした。これにより、尿素水ポンプ２３の駆動停止後において、オリフィス９１の開口面積に応じて少量ずつの尿素水の滴下が可能となる。

尿素水ポンプ２３の駆動停止後に尿素水ポンプ２３に供与するための尿素水を貯留する尿素水貯留部としてフィルタ装置２５を用いたため、尿素水貯留部として新たな貯留部を設ける必要が無く、構成の簡素化を図る上で有効である。また、フィルタ装置２５は、ケース６１内にエレメント等からなる濾過部を有し、その濾過部には尿素水の貯留が可能となっている。したがって、ポンプ駆動停止後において尿素水を貯留させておく上で都合がよいと言える。

フィルタ装置２５に貯留されている尿素水は同フィルタ装置２５の容積分に限られ、有限であるが、オリフィス径（オリフィス断面積）を適宜設定する等により、尿素水の滴下量（時間あたりの滴下量）の調整が可能となる。したがって、尿素水の滴下処理を長時間にわたって継続させることが可能となる。

フィルタ装置２５に、貯留尿素水の凍結膨張時の変形を許容する易変形部としてダイアフラム６５を設けたため、フィルタ装置２５内における尿素水の凍結膨張による破損を抑制できる。

尿素水の吸い戻しが行われる際、バイパス配管２８を介して、すなわちフィルタ装置２５を迂回して尿素水が吸い戻されるため、尿素水ポンプ２３の駆動停止後において、フィルタ装置２５内に尿素水を貯留したまま保持できる。また、フィルタ装置２５に捕集されている異物が尿素水と共に逆流して尿素水ポンプ２３に入り込む（異物の噛み込みが生じる）といった不都合を回避できる。

また、オリフィス９１が小径孔であることを考えれば、尿素水の吸い戻し時に仮にフィルタ装置２５から第１チェック弁２４に異物が流れ込んだとしても、その異物がオリフィス９１を介して尿素水ポンプ２３側に流れ込むことがなく、尿素水ポンプ２３への異物混入を抑制する上でも有効である。

（他の実施形態）
本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施されてもよい。

・上記実施形態では、尿素水ポンプ２３の下流側（尿素水添加弁側）に、第１チェック弁２４及びフィルタ装置２５を設ける構成を採用したが（図１参照）、これを変更してもよい。例えば、図７に示すように、尿素水ポンプ２３の上流側（タンク側）に、第１チェック弁２４及びフィルタ装置２５を設ける構成とする。この場合、尿素水供給管２２には、フィルタ装置２５、第１チェック弁２４及び尿素水ポンプ２３がこの順で上下に並べて設置されている（これは図１と同様）。例えば、尿素水ポンプ２３をブラシレスモータで構成する場合、ブラシ接触部が無くなるため、ポンプ内部で異物が発生しなくなる。したがって、尿素水ポンプ２３の下流側にフィルタ装置２５を設置する必要がなく、図７の構成が可能となる。また、尿素水ポンプ２３の上流側にフィルタ装置２５を設置したため、尿素水タンク２１内の異物が尿素水ポンプ２３に侵入するといった不都合を防止できる。

・尿素水供給管２２の途中に設けられる還元剤貯留部として、フィルタ装置２５に代えて、尿素水供給管２２に連通する容積室を有しかつその容積室の内部容積が可変である容積可変装置を設ける構成としてもよい。具体的には、図８（ａ）に示すように、尿素水ポンプ２３の下流側（尿素水添加弁側）には容積可変装置９５が設けられている。なお、本構成では、尿素水ポンプ２３が尿素水を吐出する場合、チェック弁９６が開放されることで尿素水が下流側（尿素水添加弁側）に給送されるようになっている。また、尿素水タンク２１内には、尿素水供給管２２の入口部にフィルタ（インタンクフィルタ）９７が設けられている。

図８（ｂ）に示すように、容積可変装置９５は、シリンダ部９５ａと、シリンダ部９５ａ内に摺動可能に設けられるピストン部９５ｂとを有し、シリンダ部９５ａの内壁とピストン部９５ｂとに囲まれて容積室９５ｃが設けられている。容積室９５ｃは、上流側（ポンプ側）及び下流側（添加弁側）の尿素水供給管２２に連通しており、ピストン部９５ｂの位置に応じて内部容積が可変となっている。また、容積可変装置９５には、容積室９５ｃの内部容積を減縮する方向にピストン部９５ｂを付勢するスプリング９５ｄが設けられている。さらに、容積室９５ｃに接続される上流側（ポンプ側）及び下流側（添加弁側）の尿素水供給管２２のうち、上流側の尿素水供給管２２との接続部にはオリフィス（絞り孔）９５ｅが設けられている。

上記構成の容積可変装置９５では、尿素水ポンプ２３による尿素水の吐出に伴い容積可変装置９５の容積室９５ｃに尿素水が貯留され、尿素水ポンプ２３が駆動停止した状態で、容積室９５ｃ内に貯留されている尿素水がオリフィス９５ｅを介して少量ずつ（時間あたり所定量ずつ）滴下される。これにより、尿素水ポンプ２３の駆動停止後においてポンプ内部がウエット状態で保持され、尿素の析出を抑制できる。オリフィス９５ｅからの尿素水の滴下が行われると、次第に容積室９５ｃの内部容積が小さくなるが、その状態でも尿素水の滴下は継続される。

・あらかじめ定めた尿素水滴下の実施可能期間（図６のＴｚ）内にユーザがエンジンを始動させないことも想定される。したがって、エンジン停止から所定の実施可能期間が経過した時点で、尿素水ポンプ２３を駆動させて再びフィルタ装置２５内に尿素水を送り込む構成とすることも可能である。より具体的には、エンジン停止からの経過時間（ソーク時間）を計測し、その経過時間が所定の実施可能期間（例えば１週間）に達した時点でＥＣＵ１００を起動させる。そして、ＥＣＵ１００から尿素水ポンプ２３に対して駆動指令を出し、一定期間だけ尿素水ポンプ２３を駆動させる。尿素水ポンプ２３の駆動時間は、フィルタ装置２５内が尿素水で満たされるのに足りる時間であればよい。

エンジン停止中においてフィルタ装置２５への尿素水供給を行う構成によれば、尿素水滴下の実施可能期間（図６のＴｚ）が比較的短くても、その実施可能期間を超える期間で尿素水の滴下処理を実施できる。したがって、尿素水ポンプ２３への尿素水の時間当たりの滴下量（オリフィス流量）を充分に確保しつつ、尿素水の滴下処理を長時間にわたって継続できる。

・上記実施形態では、尿素水ポンプ２３としてトロコイド式ポンプを用いたが、他の構造のポンプを用いることも可能である。例えば、尿素水ポンプ２３としてタービンポンプを用いてもよい。タービンポンプの場合にも、尿素の析出により作動不良が生じるおそれがあり、本発明の適用により作動不良を解消できる。

・還元剤添加装置として、尿素水添加弁以外の構成を採用してもよい。例えば、還元剤添加装置として、エンジン排気管においてＳＣＲ触媒の上流側に細管状の添加ノズルを設け、その添加ノズルから尿素水（還元剤水溶液）を添加する構成としてもよい。

・車載ディーゼルエンジン用の尿素ＳＣＲシステムとして実用化する以外に、例えばガソリンエンジン、特にリーンバーンエンジン用の尿素ＳＣＲシステムとして実用化することも可能である。また、尿素水以外の還元剤水溶液を用いる排気浄化システムにおいても本発明を同様に適用することが可能である。例えば、還元剤水溶液として、アンモニア含有の水溶液を用いることが考えられる。

発明の実施の形態における尿素ＳＣＲシステムの概略を示す構成図。 尿素水ポンプの構成を示す一部破断断面図。 図２のＡ−Ａ線断面図。 フィルタ装置の構成を示す一部破断断面図。 第１チェック弁の構成を示す断面図。 尿素水の滴下動作を説明するための図。 他の実施形態における尿素水供給系の構成を示す図。 他の実施形態における尿素水供給系の構成を示す図。

符号の説明

１１…排気管（排気通路）、１３…ＳＣＲ触媒（ＮＯｘ触媒）、１５…尿素水添加弁（還元剤添加装置）、２１…尿素水タンク（還元剤タンク）、２２…尿素水供給管（還元剤通路）、２３…尿素水ポンプ、２４…第１チェック弁、２５…フィルタ装置（還元剤貯留部）、２８…バイパス配管（迂回通路）、６５…ダイアフラム（易変形部）、７１…フィルタエレメント（濾過部）、８７…弁座部材、８９…弁体、９１…オリフィス（還元剤供与部）、９５…容積可変装置（還元剤貯留部）、９５ｅ…オリフィス（還元剤供与部）。

Claims (8)

1. 還元剤水溶液を貯留する還元剤タンクと、該還元剤タンクに還元剤通路を介して接続され同タンク内の還元剤水溶液を所定の還元剤添加場所に添加する還元剤添加装置と、前記還元剤通路の途中であって前記還元剤タンク内の還元剤水溶液に浸漬しない状態で設けられ前記還元剤添加装置に対して還元剤水溶液を給送するポンプとを備える還元剤供給システムであって、
   前記還元剤通路に設けられ、前記ポンプによる還元剤水溶液の給送に伴い還元剤水溶液を貯留する還元剤貯留部と、
   前記ポンプが駆動停止した状態で、前記還元剤貯留部に貯留されている還元剤水溶液を所定量ずつ前記ポンプに供与する還元剤供与部と、
   を備えることを特徴とする還元剤供給システム。
2. 前記ポンプを下側、前記還元剤貯留部を上側としてこれらが上下に設置されるとともに、それらポンプと還元剤貯留部との間に前記還元剤供与部が設置され、
   前記還元剤供与部は、前記還元剤貯留部に貯留されている還元剤水溶液をその自重により前記ポンプに供与するものである請求項１に記載の還元剤供給システム。
3. 前記ポンプと前記還元剤貯留部との間の還元剤通路に設けられ、前記ポンプによる還元剤水溶液の給送時に開放される通路開閉部を備え、
   前記還元剤供与部は、前記通路開閉部に並列に設けられ、その通路開閉部を挟んで前記還元剤貯留部側の還元剤通路と前記ポンプ側の還元剤通路とを連通するオリフィスにより構成されている請求項２に記載の還元剤供給システム。
4. 前記還元剤貯留部は、前記還元剤通路内の還元剤水溶液を濾過するための濾過部を有するフィルタ装置である請求項１乃至３のいずれか一項に記載の還元剤供給システム。
5. 前記ポンプは、前記還元剤通路内の還元剤水溶液を双方向に流通させることができるものであり、
   前記還元剤添加装置に対する還元剤供給の停止後に、前記ポンプによる還元剤流通方向を逆にして還元剤吸い戻しを実施する手段を備える請求項１乃至４のいずれか一項に記載の還元剤供給システム。
6. 前記還元剤通路に、前記還元剤貯留部を迂回させて設けられる迂回通路を接続し、
   前記還元剤吸い戻しの実施時には、前記迂回通路を介して還元剤水溶液を吸い戻すようにした請求項５に記載の還元剤供給システム。
7. 前記還元剤貯留部には、貯留還元剤の凍結膨張時の変形を許容する易変形部が設けられている請求項１乃至６のいずれか一項に記載の還元剤供給システム。
8. 内燃機関の排気通路に設けられ、還元剤により排気中のＮＯｘを選択的に浄化するＮＯｘ触媒を備える排気浄化装置に適用され、
   前記排気通路においてＮＯｘ触媒よりも上流側を前記還元剤添加場所として還元剤水溶液を添加する請求項１乃至７のいずれか一項に記載の還元剤供給システム。

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