JP2019100202A - 還元剤添加システム - Google Patents

Abstract

【課題】供給配管内に適切に尿素水を充填できる還元剤添加システムを提供することを目的とする。【解決手段】還元剤添加システム（２０）であって、液状の還元剤を貯えるタンク（４０）と、前記タンクに接続された供給配管（４２）と、前記供給配管の先端部に接続された添加弁（５０）と、前記供給配管の途中に設けられ、正逆回転可能なポンプ（４４）と、前記供給配管における前記ポンプよりも下流側の分岐部（Ｐ）と前記タンクとを接続する分岐配管（５４）と、前記分岐配管に設けられ、前記分岐配管内の圧力が所定の基準圧力よりも高い場合に開放される逆止弁（６０）と、前記供給配管内に空気が充填されている状況において、前記添加弁を閉鎖した状態で前記ポンプの正回転及び逆回転を繰り返し実施するポンプ制御部（７０）と、を備える。【選択図】 図２

Description

本発明は、エンジンの排気管内へ還元剤を添加して排気ガスを浄化する還元剤添加システムに関する。

近年、車両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、排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）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（Selective Catalytic Reduction）システムの開発が進められている。

例えば特許文献１に示すように、尿素ＳＣＲシステムは、タンクに貯蔵された還元剤としての尿素水（尿素水溶液）を供給配管に圧送するポンプと、供給配管を通じて圧送された尿素水をエンジンの排気管内へ添加する添加弁と、を備えている。

添加弁から排気管内へ尿素水が添加される場合、排気ガスと共に尿素水がＳＣＲ触媒へ供給され、該ＳＣＲ触媒上でＮＯｘの還元反応によって排気ガスが浄化される。この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、ＳＣＲ触媒上で、アンモニアに基づく還元反応が行われることによって排気ガス中のＮＯｘが選択的に還元、浄化されることになる。

ところで、還元剤として使用される尿素水は、例えば−１１℃で凍結する。供給配管内で尿素水が凍結すると、尿素ＳＣＲシステムの使用に支障が生じる。そのため、エンジン停止時に供給配管内の尿素水をタンクまで吸い戻す処理が実施されている。

特許第５５４６５１１号公報

上述した尿素ＳＣＲシステムでは、エンジン始動時に供給配管内に尿素水を充填するために、供給配管内に充填されている空気を排出する必要がある。添加弁が開放された状態で、供給配管内に尿素水を充填して添加弁から空気を排出すると、供給配管内に充填された尿素水の一部が排気管内へ漏れ出て、排気管内に尿素が析出するおそれがある。また、添加弁が閉鎖された状態で、ポンプから空気をタンク内に排出しようとすると、供給配管内を略真空とする必要があり、ポンプに求められる性能が過度に高くなる。供給配管内に残存する空気を排出し、供給配管に適切に還元剤を充填する技術が求められている。なお、このような課題は、尿素水に限られず、還元剤として他の液体が用いられる場合にも共通の課題である。

本発明は、供給配管内に適切に尿素水を充填できる還元剤添加システムを提供することを目的とする。

本発明の還元剤添加システムは、液状の還元剤を貯えるタンクと、前記タンクに接続された供給配管と、前記供給配管の先端部に接続された添加弁と、前記供給配管の途中に設けられ、正逆回転可能なポンプと、前記供給配管における前記ポンプよりも下流側の分岐部と前記タンクとを接続する分岐配管と、前記分岐配管に設けられ、前記分岐配管内の圧力が所定の基準圧力よりも高い場合に開放される逆止弁と、前記供給配管内に空気が充填されている状況において、前記添加弁を閉鎖した状態で前記ポンプの正回転及び逆回転を繰り返し実施するポンプ制御部と、を備える。

供給配管内に空気が充填されている状況において、添加弁を閉鎖した状態でポンプの正回転及び逆回転を繰り返し実施することで、供給配管に充填されていた空気をタンク内に排出することができる。以下、その理由について説明する。

供給配管内に空気が残存している状況において、添加弁が閉鎖された状態でポンプを正回転させると、ポンプにより供給配管と分岐配管とに還元剤が圧送される。これにより、ポンプ下流側では、添加弁までの閉空間に空気が押し込められるとともに、一部の空気が分岐管内に入り、逆止弁を介してタンク内に排出される。

次に、添加弁が閉鎖された状態でポンプを逆回転させると、ポンプにより供給配管に充填された還元剤がポンプを介してタンクへと戻される。これにより、添加弁側部分に残存していた空気の一部が、供給配管のうちのポンプと分岐部との間の上流側部分に移動する。

次に、添加弁が閉鎖された状態でポンプを再び正回転させると、上流側部分に移動した一部の空気が分岐管内に入り、逆止弁を介してタンク内に排出される。したがって、添加弁が閉鎖された状態で、ポンプの正回転及び逆回転が繰り返し実施されると、供給配管の添加弁側部分に残存していた空気が、上流側部分を介してタンク内に排出される動作が繰り返される。これにより、供給配管に充填されていた空気をタンク側に排出することができ、供給配管に適切に還元剤を充填することができる。

第１実施形態に係るエンジンの排気浄化システムの概略を示す構成図。 第１実施形態に係る排出処理を示すフローチャート。 排出処理における尿素水の推移を示す図。 排出処理におけるポンプの回転駆動の推移を示すタイムチャート。 ポンプ逆回転時における検出圧力の推移を示すタイムチャート。 噴射処理における尿素水の推移を示す図。 第２実施形態に係る排出処理を示すフローチャート。 排出処理における回数と残存空気の量との関係を示すグラフ。 第３実施形態に係るエンジンの排気浄化システムの概略を示す構成図。

（第１実施形態）
以下、第１実施形態に係る還元剤添加システム２０が適用される排気浄化システム１０について、図面を参照しつつ説明する。排気浄化システム１０は、選択還元型触媒（以下、ＳＣＲ触媒という）を用いて排気ガス中の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。排気浄化システム１０は、ディーゼルエンジン（以下、エンジンという）３０が搭載された各種車両に適用できる。排気浄化システム１０は、またクレーン車等の建設機械、トラクター等の農業機械等にも適用可能である。

図１に示すように、排気浄化システム１０では、エンジン排気系において、エンジン３０には排気通路３１ａを形成する排気管３１が接続されており、その排気管３１に、排気上流側から順にＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）３２、ＳＣＲ触媒３３が配設されている。また、排気管３１においてＤＰＦ３２とＳＣＲ触媒３３との間には、還元剤溶液としての尿素水（尿素水溶液）を排気通路３１ａに噴射により添加する尿素水噴射弁（以下、噴射弁という）５０が設けられている。噴射弁５０は、高温の排気ガス（例えば６００℃）から加えられる熱の影響をできるだけ避けるために、先端側のみが排気管３１内に位置されるように取り付けられている。なお、本実施形態において、噴射弁５０が「添加弁」に相当する。

ＤＰＦ３２は、排気ガス中のＰＭ（粒子状物質）を捕集するＰＭ除去用フィルタである。ＤＰＦ３２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。このＤＰＦ３２に捕集されたＰＭは、エンジン３０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、これによりＤＰＦ３２の継続使用が可能となっている。

ＳＣＲ触媒３３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）
といった反応を促進して排気ガス中の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）を噴射供給するものが、同ＳＣＲ触媒３３の上流側に設けられた噴射弁５０である。

なお排気管３１においてＳＣＲ触媒３３の下流側には、アンモニア除去装置としての酸化触媒が設けられていてもよい。この酸化触媒により、ＳＣＲ触媒から排出されるアンモニア（ＮＨ3）、すなわち余剰のアンモニアが除去される。

次に、排気通路３１ａに噴射により尿素水を添加する還元剤添加システム２０の各構成についてそれぞれ説明する。なお、以下の説明では便宜上、尿素水タンク（以下、タンクという）４０から噴射弁５０に対して尿素水が供給される場合を基準にして、タンク４０側を上流側、噴射弁５０側を下流側として記載する。

図１において、タンク４０は、給液キャップ付きの密閉容器にて構成されており、その内部に所定の規定濃度の尿素水が貯蔵されている。本実施形態では、尿素濃度が、凍結温度（凝固点）が最も低い濃度である３２．５％になっている。なお、尿素濃度が３２．５％の場合、マイナス１１℃以下で凍結する。

タンク４０と噴射弁５０とは、供給配管４２により接続されている。供給配管４２の上流側端部は、タンク４０の底面に接続されており、タンク４０内に貯留された尿素水が供給配管４２に流れ込む状態になっている。

供給配管４２の途中には、尿素水ポンプ（以下、ポンプという）４４が設けられている。ポンプ４４は、ポンプ制御部７０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る。

ポンプ４４は歯車４５を有し、その歯車４５が正逆いずれの方向にも回転可能となっている。以下。歯車４５が正回転することを、ポンプ４４の正回転といい、歯車４５が逆回転することを、ポンプ４４の逆回転という。ポンプ４４の正回転によりタンク４０内の尿素水の吸い出しが行われ、ポンプ４４の逆回転によりタンク４０への尿素水の吸い戻しが行われる。また、ポンプ４４は、回転を停止することで、タンク４０内の尿素水がポンプ４４の下流側に漏れ出ることを抑制することが可能となっている。

ポンプ４４には、回転検出部４６が設けられている。回転検出部４６は、ポンプ４４の単位時間当たりの回転数である回転速度を検出し、例えば、ポンプ逆回転時において、ポンプ４４による尿素水の吸引回転数を検出する。

供給配管４２には、ポンプ４４の下流側に圧力センサである圧力検出部４８が設けられている。圧力検出部４８は、供給配管４２内の圧力を検出し、例えば、ポンプ正回転時において、ポンプ４４による尿素水の吐出（圧送）圧力を検出する。

噴射弁５０は、供給配管４２の下流側端部に接続されている。噴射弁５０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。噴射弁５０は、電磁ソレノイド等からなる駆動部と、先端噴射口を開閉するためのニードル５２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、ポンプ制御部７０からの開閉信号に基づき開弁又は閉弁する。すなわち、開閉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５２が開弁方向に移動し、そのニードル５２の移動によって先端添加口が開放されて尿素水が噴射される。なお、本実施形態において、供給配管４２の下流側端部が「供給配管の先端部」に相当する。

供給配管４２には分岐配管５４が設けられている。分岐配管５４は、供給配管４２におけるポンプ４４よりも下流側の分岐部Ｐと、タンク４０と、を接続する。以下、供給配管４２のうちのポンプ４４と分岐部Ｐとの間の部分を上流側部分５６と呼び、分岐部Ｐと噴射弁５０との間の部分を下流側部分５８と呼ぶ。なお、圧力検出部４８は、上流側部分５６に設けられている。

分岐配管５４の一端は、タンク４０の底面に接続されており、この分岐配管５４の一端に、逆止弁６０が設けられている。逆止弁６０は、分岐配管５４内の圧力が基準圧力よりも低い場合に閉鎖して、タンク４０内に貯留された尿素水が分岐配管５４に流れ込むことを防止する。また、逆止弁６０は、分岐配管５４内の圧力が基準圧力よりも高い場合に開放して、供給配管４２から分岐配管５４に流れ込んだ尿素水がタンク４０に戻ることを許可する。

タンク４０内には、発熱体６２が設けられている。例えば発熱体６２は電気式のヒータであり、ポンプ制御部７０からの指令信号に基づく通電によってタンク４０内で凍結している尿素水を解凍する。なお発熱体６２は凍結した尿素水を解凍可能な位置に設けられていればよく、供給配管４２の吸込口付近に設けられていてもよい。

供給配管４２の外周には、発熱体６４が設けられている。例えば発熱体６４は電気式のヒータであり、ポンプ制御部７０からの指令信号に基づく通電によって供給配管４２内で凍結している尿素水を解凍する。

タンク４０内には、温度検出部６６が設けられている。例えば温度検出部６６は感温ダイオードやサーミスタであり、タンク４０内の尿素水の温度を測定する。また、タンク４０外には、外気温検出部６８が設けられている。例えば外気温検出部６８は感温ダイオードやサーミスタであり、タンク４０から離間して配置され、エンジン３０が搭載された車両の周囲の外気温を測定する。

ポンプ制御部７０は、排気浄化に係る制御を行うＥＣＵ（Electronic Control Unit）であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インターフェース等を含むマイコンにより構成されている。ポンプ制御部７０は、回転検出部４６からポンプ４４の回転速度を取得し、圧力検出部４８から供給配管４２内の圧力を取得し、温度検出部６６からタンク４０内の尿素水の温度を取得し、外気温検出部６８から外気温を取得する。ポンプ制御部７０は、取得したこれらの値により還元剤添加システム２０の各部を制御する。

具体的には、噴射弁５０側への尿素水圧送時には、ポンプ４４に通電されることでポンプ４４が正回転方向に回転駆動される。これにより、タンク４０内の尿素水が吸い出され、分岐部Ｐを通過して下流側に流れる。そして、ポンプ４４から尿素水が圧送され、その尿素水は噴射弁５０に供給される。また、余剰となった尿素水は分岐配管５４を通じてタンク４０に戻される。

また、タンク４０への尿素水の吸い戻し時には、ポンプ４４が逆回転方向に回転駆動される。これにより、供給配管４２内の尿素水がタンク４０内に吸引される。これによりエンジン３０停止後の車両放置中に尿素水が供給配管４２内に残存したままになるのを回避し、尿素水の凍結・膨張による供給配管４２の破損を抑制する。

ところで、エンジン３０停止後に供給配管４２内の尿素水が吸い戻され、その状態で車両が放置された場合、エンジン３０始動時に供給配管４２内に尿素水が充填される。供給配管４２内に尿素水を充填するためには、供給配管４２に残存している空気（以下、残存空気という）を排出する必要がある。

噴射弁５０が開放された状態で供給配管４２内に尿素水を充填すると、噴射弁５０から排気管３１に空気が排出される。しかし、残存空気とともに、供給配管４２内に充填された尿素水の一部が排気管内へ漏れ出てしまい、排気管内に尿素が析出することが懸念される。

また、噴射弁５０が閉鎖された状態で、ポンプ４４により空気をタンク内に排出するには、供給配管４２内を略真空とする必要があり、ポンプ４４に求められる性能が過度に高くなることが懸念される。

本実施形態の還元剤添加システム２０では、上記問題を解決するために、ポンプ制御部７０は排出処理を実施する。排出処理は、供給配管４２に空気が充填されている状態において、噴射弁５０を閉鎖した状態でポンプ４４の正回転及び逆回転を繰り返し実施する処理である。これにより、残存空気を、逆止弁６０を介してタンク４０に排出して、供給配管４２に適切に尿素水を充填することができる。

図２に本実施形態の排出処理のフローチャートを示す。この処理は、ポンプ制御部７０によって、エンジン３０始動時に実施される。

ポンプ制御部７０は、排出処理を開始すると、まずステップＳ１０で、尿素水の充填が不可であるか否か、すなわち尿素水が凍結しているか否かを判定する。尿素水が凍結しているかは、温度検出部６６から取得した尿素水の温度、及び、外気温検出部６８から取得した外気温に基づき判定する。ポンプ制御部７０は、ステップＳ１０で肯定判定した場合、つまり、尿素水の温度と外気温との少なくとも一方がマイナス１１℃以下である場合、ステップＳ２０に進む。ステップＳ２０では、ポンプ制御部７０は、発熱体６２、６４に指令信号を出力し、ステップＳ１０に戻る。これにより、発熱体６２、６４に通電されて尿素水が加熱され、タンク４０や供給配管４２内で凍結している尿素水が解凍する。なお、加熱後のステップＳ１０では、例えば所定時間が経過するまで尿素水が加熱されたことをもって肯定判定されてもよい。

一方、ポンプ制御部７０は、ステップＳ１０で否定判定した場合、つまり、尿素水の温度と外気温とのいずれもがマイナス１１℃よりも大きい場合、又は尿素水の凍結状態が解除された場合、ステップＳ３０に進む。

ステップＳ３０では、ポンプ制御部７０は、ポンプ４４に駆動信号を出力し、ポンプ４４を正回転方向に回転駆動させる。続くステップＳ４０では、ポンプ制御部７０は、圧力検出部４８により検出された圧力（以下、検出圧力という）が、所定の正回転目標圧力Ｐｒｅに到達したか否かを判定する。

ポンプ制御部７０は、検出圧力が正回転目標圧力Ｐｒｅを超えて上昇していない場合に否定判定し、ステップＳ３０に戻る。一方、ポンプ制御部７０は、検出圧力が正回転目標圧力Ｐｒｅに到達した場合に肯定判定し、ステップＳ５０に進む。つまり、ポンプ制御部７０は、ステップＳ３０、Ｓ４０において、検出圧力に基づいて、ポンプ４４の回転駆動を圧力フィードバック制御している。

ステップＳ５０では、ポンプ制御部７０は、ポンプ４４の回転駆動を一時的に停止させた後に、ポンプ４４に駆動信号を出力し、ポンプ４４を逆回転方向に回転駆動させる。ポンプ制御部７０は、回転検出部４６により検出された回転速度（以下、検出回転速度という）が、所定の目標回転速度Ｑｒｅに一致するよう回転速度フィードバック制御を行う。

続くステップＳ６０では、ポンプ制御部７０は、検出圧力の低下が停止したか否か判定する。ポンプ制御部７０は、検出圧力の低下が継続されている場合に否定判定し、ステップＳ５０に戻る。一方、ポンプ制御部７０は、検出圧力の低下が停止した場合に肯定判定し、ステップＳ７０に進む。

ステップＳ７０では、ポンプ制御部７０は、ポンプ逆回転時において、検出圧力に基づいて、ポンプ４４の正回転及び逆回転による供給配管４２内の残存空気の排出を停止させるか否かを判定する。具体的には、ポンプ制御部７０は、検出圧力が所定の逆回転目標圧力Ｐｉｎを一定時間維持できるか否かを判定する。ポンプ制御部７０は、検出圧力が逆回転目標圧力Ｐｉｎを一定時間維持できない場合、残存空気が比較的多いことから否定判定し、ステップＳ３０に戻る。一方、ポンプ制御部７０は、検出圧力が逆回転目標圧力Ｐｉｎを一定時間維持できる場合、残存空気が十分に少ないことから肯定判定し、排出処理を停止させる。なお、逆回転目標圧力Ｐｉｎについては後述して詳細に説明する。

続いて、図３及び図４に、排出処理の一例を示す。詳しくは、図３は、排出処理における尿素水の推移を示す。ここで、図３（ａ）は、排出処理開始時の還元剤添加システム２０を示し、図３（ｂ）は、１回目のポンプ正回転時の還元剤添加システム２０を示し、図３（ｃ）は、１回目のポンプ逆回転時の還元剤添加システム２０を示し、図３（ｄ）は、２回目のポンプ正回転時の還元剤添加システム２０を示し、図３（ｅ）は、過剰吸引時の還元剤添加システム２０を示す。なお、図３以降の図では、還元剤添加システム２０を簡略化して示し、ポンプ制御部７０等の記載を省略する。

また、図４は、排出処理におけるポンプ４４の回転駆動の推移を示す。ここで、図４（ａ）は、ポンプ４４の回転駆動の推移を示し、図４（ｂ）は、供給配管４２に残存している空気の量である残存空気の量の推移を示す。

図３（ａ）に示すように、排出処理開始時には、供給配管４２のポンプ４４よりも下流側と分岐配管５４に残存空気が充填されている。そのため、図４（ｂ）に示すように、残存空気の量は、供給配管４２のポンプ４４よりも下流側の容積、つまり、上流側部分５６の容積Ｖｕｐと、下流側部分５８の容積Ｖｄｎ（図６参照）との和に等しい。

図４（ａ）に示すように、時刻ｔ１に排出処理が開始され、供給配管４２内に空気が残存している状況において、噴射弁５０が閉鎖された状態でポンプ４４を正回転させると（ステップＳ３０）、ポンプ４４により供給配管４２と分岐配管５４とに尿素水が圧送される。これにより、図３（ｂ）に示すように、供給配管４２のポンプ４４よりも下流側では、下流側部分５８に残存空気が押し込められるとともに、上流側部分５６に残存していた一部の空気が分岐配管５４内に入り、逆止弁６０を介してタンク４０内に排出される。

具体的には、尿素水の圧送により、上流側部分５６に残存していた空気は、分岐部Ｐにおいて下流側部分５８と分岐配管５４とに分かれてそれぞれ移動する。下流側部分５８に移動した残存空気は、下流側部分５８に残存していた空気とともに、下流側部分５８に押し込められる。一方、分岐配管５４に移動した空気は、分岐配管５４に残存していた空気とともに、逆止弁６０を介してタンク４０内に排出される。この結果、供給配管４２内の残存空気の量がΔＶ１減少する。

下流側部分５８に押し込められた残存空気は、ポンプ４４の吐出（圧送）圧力により圧縮され、体積が減少する。これに伴って、残存空気の圧力が上昇し、検出圧力が正回転目標圧力Ｐｒｅに到達すると（ステップＳ４０ 肯定判定）、ポンプ制御部７０は、時刻ｔ２にポンプ４４の回転駆動を一時的に停止させ、ポンプ４４の回転駆動を正回転から逆回転に切り替える。なお、尿素水の圧力は、残存空気の圧力に等しい。

次に、時刻ｔ３において、噴射弁５０が閉鎖された状態でポンプ４４を逆回転させると（ステップＳ５０）、ポンプ４４により供給配管４２に充填された尿素水がポンプ４４を介してタンク４０へと戻される。これにより、図３（ｃ）に示すように、供給配管４２の下流側部分５８に押し込められた残存空気の体積が増大し、残存空気の一部が上流側部分５６に移動する。これに伴って、残存空気がポンプ４４まで到達し、粘度の低い空気中で歯車４５が空転して検出圧力の低下が停止すると（ステップＳ６０ 肯定判定）、ポンプ制御部７０は、検出圧力が逆回転目標圧力Ｐｉｎを一定時間維持できるかを確認し、維持できない場合、時刻ｔ４にポンプ４４の回転駆動を一時的に停止させ、ポンプ４４を再び正回転に切り替える（ステップＳ７０ 否定判定）。

次に、時刻ｔ５において、噴射弁５０が閉鎖された状態でポンプ４４を再び正回転させると（ステップＳ３０）、上流側部分５６に移動した残存空気の一部が分岐配管５４内に入り、逆止弁６０を介してタンク４０内に排出される。この結果、残存空気の量がΔＶ２減少し、図３（ｄ）に示すように、供給配管４２のポンプ４４よりも下流側では、ポンプ４４を１回目に正回転駆動させた場合よりも多くの尿素水が下流側部分５８に充填される。

噴射弁５０が閉鎖された状態で、ポンプ４４の正回転及び逆回転が繰り返し実施されると、残存空気が、上流側部分５６を介してタンク４０内に排出される動作が繰り返される。これにより、残存空気がタンク４０内に排出され、供給配管４２に適切に尿素水が充填される。

なお、ポンプ４４を２回目に正回転駆動させた場合の残存空気の減少量ΔＶ２は、１回目に正回転駆動させた場合の残存空気の減少量ΔＶ１よりも少ない。これは、１回目に逆回転駆動させた場合における残存空気の体積の増大により、２回目にポンプ４４を正回転させ始める際に上流側部分５６に存在する残存空気の量が、１回目にポンプ４４を正回転させ始める際に、上流側部分５６に存在する残存空気の量よりも減少しているからである。したがって、ポンプ４４を正回転させた回数Ｎ（Ｎ：ゼロ又は自然数）が増加するほど、ポンプ４４をＮ回目に正回転駆動させた場合の残存空気の減少量ΔＶＮは減少する。

次に、図５を用いて、ポンプ逆回転時における排出処理の停止判定について説明する。図５に、ポンプ逆回転時における検出圧力の推移を示す。ここで、図５（ａ）は、ポンプ４４の回転駆動の推移を示し、図５（ｂ）は、検出圧力の推移を示し、図５（ｃ）は、吸引完了判定フラグの推移を示し、図５（ｄ）は、停止判定仮フラグの推移を示し、図５（ｅ）は、停止判定カウンタの推移を示し、図５（ｆ）は、停止判定フラグを示す。なお、図５（ａ）、（ｂ）、（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）において、グラフＦ１（破線）は、残存空気の量が多い場合の推移を示し、グラフＦ２（破線）は、残存空気の量が少ない場合の推移を示す。

図５（ａ）に示すように、時刻ｔ１１において、ポンプ４４を逆回転させると、供給配管４２に充填された尿素水がタンク４０へと戻されることに伴い、検出圧力が低下する。なお、時刻ｔ１１は、図４の時刻ｔ３等に対応するポンプ４４の逆回転開始時刻である。

図３（ｅ）に示すように、ポンプ逆回転時では、供給配管４２に充填された尿素水がタンク４０へと戻された後に、慣性により、残存空気の一部が一時的にポンプ４４よりも上流側の供給配管４２に過剰に吸引される。なお、本実施形態のポンプ４４は、ポンプ４４を介して残存空気をタンク４０に排出する性能を有していないため、過剰吸引された残存空気は、その後、ポンプ４４よりも下流側の供給配管４２へ戻る。

図５（ｂ）に示すように、検出圧力は、残存空気の過剰吸引中も低下を続け、過剰吸引された残存空気が、ポンプ４４よりも下流側の供給配管４２に戻り始める時刻ｔ１３に極小値Ｐｍｉｎに到達する。ポンプ制御部７０は、検出圧力の低下が停止した場合に、つまり、検出圧力が極小値Ｐｍｉｎに到達した場合に、供給配管４２に充填された尿素水がタンク４０へと戻されたと判定し（ステップＳ６０ 肯定判定）、吸引完了判定フラグをオンする（図５（ｃ）参照）。

ポンプ制御部７０は、吸引完了判定フラグをオンすると、検出圧力が逆回転目標圧力Ｐｉｎを一定時間維持できるか判定する（ステップＳ７０）。具体的には、図５（ｄ）〜（ｆ）に示すように、ポンプ制御部７０は、時刻ｔ１３よりも前の時刻ｔ１２に、残存空気の圧力が逆回転目標圧力Ｐｉｎよりも低下することによりオンした停止判定仮フラグが、所定の判定時間Ｔｊ維持されるかを判定する。ポンプ制御部７０は、停止判定仮フラグがオンした時刻ｔ１２から停止判定カウンタのカウントを開始する。ポンプ制御部７０は、時刻ｔ１３よりも後の時刻ｔ１４に、残存空気の圧力が逆回転目標圧力Ｐｉｎに到達し、時刻ｔ１２から判定時間Ｔｊが経過する前に停止判定仮フラグがオフした場合（Ｆ１）、検出圧力は逆回転目標圧力Ｐｉｎを一定時間維持できないと判定する（ステップＳ７０ 否定判定）。この場合、ポンプ制御部７０は、停止判定フラグをオフに維持したまま、時刻ｔ１４にポンプ４４の回転駆動を一時的に停止させる。

一方、ポンプ制御部７０は、停止判定カウンタのカウント開始から判定時間Ｔｊが経過するまでの間、残存空気の圧力が逆回転目標圧力Ｐｉｎを超えて上昇していない場合（Ｆ２）、検出圧力は逆回転目標圧力Ｐｉｎを一定時間維持できると判定する（ステップＳ７０ 肯定判定）。この場合、ポンプ制御部７０は、時刻ｔ１２から判定時間Ｔｊが経過した時刻ｔ１５に、停止判定フラグをオフするとともに、ポンプ４４の回転駆動を一時的に停止させる。

排出処理後、ポンプ制御部７０は、尿素水の噴射開始タイミングに先立って、尿素水を供給配管４２及び噴射弁５０に圧送する圧送処理を実施する。

図６に、圧送処理前停止後における尿素水の推移を示す。ここで、図６（ａ）は、排出処理停止直後で圧送処理前の還元剤添加システム２０を示し、図６（ｂ）は、圧送処理後の還元剤添加システム２０を示す。

図６（ａ）に示すように、排出処理停止直後で圧送処理前には、検出圧力が、逆回転目標圧力Ｐｉｎよりも低下している。以下、圧送処理前の検出圧力を開始圧力Ｐｓｔという。ここで、逆回転目標圧力Ｐｉｎは、噴射弁５０の容積Ｖｉｊに対する、上流側部分５６の容積Ｖｕｐと下流側部分５８の容積Ｖｄｎと噴射弁５０の容積Ｖｉｊとを加えた合計容積の比である容積比Ｒｖに基づいて設定される。具体的には、逆回転目標圧力Ｐｉｎは、正回転目標圧力Ｐｒｅに容積比Ｒｖを積した圧力に設定される。
Ｒｖ＝Ｖｉｊ／（Ｖｕｐ＋Ｖｄｎ＋Ｖｉｊ） …（式４）
Ｐｓｔ＜Ｐｉｎ＝Ｒｖ×Ｐｒｅ …（式５）

そのため、図６（ｂ）に示すように、圧送処理後には、ボイルの法則により、残存空気の容積が、噴射弁５０の容積Ｖｉｊよりも低下する。以下、圧送処理後の残存空気の容積を終了容積Ｖｅｎという。
Ｖｅｎ＝（Ｖｕｐ＋Ｖｄｎ＋Ｖｉｊ）／Ｐｒｅ×Ｐｓｔ …（式６）
Ｖｅｎ＜（Ｖｕｐ＋Ｖｄｎ＋Ｖｉｊ）／Ｐｒｅ×Ｐｉｎ＝Ｖｉｊ …（式７）

終了容積Ｖｅｎが噴射弁５０の容積Ｖｉｊよりも低下するため、圧送処理後に尿素水の一部が噴射弁５０に到達する。そのため、例えば尿素析出物により噴射弁５０が固着している場合でも、到達した尿素水により尿素析出物を溶解させることができる。この結果、噴射処理では、噴射処理開始時に尿素析出物により噴射弁５０が固着していても、徐々に尿素析出物の溶解が進み噴射弁５０から排気通路３１ａに尿素水が噴射される。

以上説明した本実施形態によれば、以下の効果を奏する。

還元剤添加システム２０は、供給配管４２内に空気が充填されている状況において、噴射弁５０が閉鎖された状態でポンプ４４の正回転及び逆回転を繰り返し実施することで、供給配管４２の残存空気を、逆止弁６０を介してタンク４０に排出することができる。これにより、供給配管４２に適切に尿素水を充填することができる。

具体的には、ポンプ制御部７０は、ポンプ正回転時において、噴射弁５０が閉鎖された状態でポンプ４４の圧力フィードバック制御を行う。噴射弁５０を閉鎖させ、かつポンプ４４を正回転させると、供給配管４２内の噴射弁５０付近に残存空気が押し込められた状態となり、分岐配管５４内の空気がタンク４０内に排出されることに伴い、検出圧力が上昇する。ポンプ４４の圧力フィードバック制御を行うことで、供給配管４２内の残存空気のうちポンプ正回転により排出可能な残存空気の排出が終わったことを把握でき、適正な期間でポンプ４４を正回転駆動させることができる。

例えばポンプ正回転時において、ポンプ４４の圧力フィードバック制御に代えて、一定期間が経過するまでポンプ４４を正回転駆動させ続ける期間制御を行うことも可能である。しかし、上述したように、ポンプ４４を正回転駆動させた回数Ｎが増加するほど、ポンプ４４をＮ回目に正回転駆動させた場合の残存空気の減少量ΔＶＮは減少し、残存空気の排出に必要な期間は一定ではない。そのため、期間制御を行うと、残留空気の減少量ΔＶＮが比較的少ない場合には、ポンプ４４の正回転駆動により排出可能な残存空気の排出が終わったにも関わらず、ポンプ４４の正回転駆動が継続されてしまい、排出処理に必要とされる電力が増大する問題が生じる。

本実施形態によれば、ポンプ４４の圧力フィードバック制御を行うことで、適正な期間でポンプ４４を正回転駆動させることができ、上記の問題が生じることを抑制することができる。

また、ポンプ制御部７０は、ポンプ逆回転時において、噴射弁５０を閉鎖した状態でポンプ４４の回転速度フィードバック制御を行う。ポンプ４４の正回転後に逆回転させる場合には、供給配管４２内の噴射弁５０付近に押し込められていた残存空気がポンプ４４側に引き戻され、残存空気がポンプ４４に到達することで、歯車４５が空転し検出圧力の低下が停止する。ポンプ回転速度が上昇する。ポンプ４４の回転速度フィードバック制御を行い、その間の検出圧力の低下が停止することを検出することで、供給配管４２内の残存空気がポンプ４４まで戻ってきたことを把握でき、適正な期間でポンプ４４を逆回転駆動させることができる。

例えばポンプ逆回転時において、回転速度フィードバック制御における検出圧力の低下の停止を検出する方法に代えて、一定期間が経過するまでポンプ４４を逆回転駆動させ続ける期間制御を行うことも可能である。しかし、上述したように、ポンプ４４を正回転駆動させた回数Ｎが増加するほど、ポンプ４４をＮ回目に正回転駆動させた場合に供給配管４２に充填される尿素水の量は増加し、尿素水の吸引に必要な期間は一定ではない。そのため、期間制御を行うと、ポンプ４４の正回転駆動において供給配管４２に充填される尿素水の量が比較的少ない場合には、ポンプ４４の逆回転駆動により供給配管４２に充填された尿素水がタンク４０へと戻され終わったにも関わらず、ポンプ４４の逆回転が継続されてしまい、排出処理に必要とされる電力が増大する問題が生じる。

本実施形態によれば、ポンプ４４の圧力フィードバック制御を行い、検出圧力の低下が停止することを検出することで、適正な期間でポンプ４４を逆回転駆動させることができ、上記の問題が生じることを抑制することができる。

また、ポンプ逆回転時において、ポンプ４４の回転速度フィードバック制御を行い、供給配管４２内の残存空気がポンプ４４まで戻ってきていることを把握することで、次回のポンプ正回転での残存空気の排出を適正に実施することができる。

ポンプ制御部７０は、ポンプ逆回転時に、検出圧力が逆回転目標圧力Ｐｉｎまで低下していることで、ポンプ４４の正回転及び逆回転を停止させる。検出圧力が逆回転目標圧力Ｐｉｎまで低下していることにより、その後の噴射処理により尿素水を噴射弁５０に到達させることができる。そのため、例えば尿素析出物により噴射弁５０が固着しており、これにより、噴射弁５０を開弁できない場合でも、到達した尿素水により尿素析出物を溶解させることができ、噴射処理において適正に噴射弁５０を開放させて尿素水を排気通路３１ａに噴射させることができる。

（第２実施形態）
次に第２実施形態に係る還元剤添加システム２０について図７、８を用いて説明する。第２実施形態に係る還元剤添加システム２０は、第１実施形態に係る還元剤添加システム２０と比べて、排出処理が異なる。そのため、以下では、第２実施形態に係る排出処理について説明する。

図７に示すように、第２実施形態の排出処理が、第１実施形態の排出処理と異なる点は、排出処理の終了条件である。なお図７において、先の図２で説明した内容と同一の内容については、説明を省略する。

ポンプ制御部７０は、排出処理を開始すると、まずステップＳ１１０で、ポンプ４４を正回転させた回数Ｎをゼロに設定する。なお、ポンプ４４を正回転させた回数Ｎは、ポンプ４４を逆回転させた回数Ｎに等しい。

ポンプ制御部７０は、ステップＳ６０で肯定判定すると、ステップＳ１２０で、回数Ｎを１増加させ、ステップＳ１３０に進む。ステップＳ１３０では、ポンプ制御部７０は、回数Ｎが所定の目標回数Ｎｔｇに到達したか否かを判定する。ポンプ制御部７０は、回数Ｎが目標回数Ｎｔｇに到達していない場合に否定判定し、ステップＳ３０に戻る。一方、ポンプ制御部７０は、回数Ｎが目標回数Ｎｔｇに到達している場合に肯定判定し、排出処理を停止させる。

図８に、排出処理における回数Ｎと残存空気の量との関係を示す。図８に示すように、回数Ｎが増加するほど、残存空気の量は減少する。そのため、目標回数Ｎｔｇを、残存空気の量が噴射弁５０の容積Ｖｉｊよりも少なくなる回数に予め設定しておくことで、目標回数Ｎｔｇに基づいて、残存空気の圧力が逆回転目標圧力Ｐｉｎを超えて低下したことを判定することができる。

（第３実施形態）
次に第３実施形態に係る還元剤添加システム２０について図９を用いて説明する。第３実施形態に係る還元剤添加システム２０は、第１実施形態に係る還元剤添加システム２０と比べて、供給配管４２と分岐配管５４との形状が異なる。そのため、以下では、第３実施形態に係る供給配管４２と分岐配管５４とについて説明する。なお図９において、先の図１で説明した内容と同一の内容については、説明を省略する。

図９に示すように、第３実施形態の供給配管４２の容積Ｖｕｐは、第１実施形態の供給配管４２の容積Ｖｕｐに比べて増大している。具体的には、上流側部分５６は、分岐配管５４側に折れ曲がっており、分岐部Ｐ付近に、下流側部分５８よりも開口断面積が大きい拡大部８０が設けられている。なお、第１実施形態と第３実施形態とでは、尿素水の流動方向における長さが等しく、また、拡大部８０以外の部分において開口断面積が等しい。

第３実施形態の分岐配管５４は直線状をなしており、その軸方向が上方を向いている。詳細には、分岐配管５４は、供給配管４２の分岐部Ｐから鉛直方向の上方に延びている。なお、水平方向に対する分岐配管５４の角度は、必ずしも９０°でなくてもよく、少なくとも分岐配管５４において、分岐部Ｐ側の端部からタンク４０側の端部にかけても範囲で上向きになっていればよい。一方、供給配管４２は、分岐部Ｐにおいて鉛直方向の下方に折れ曲がっており、下流側部分５８は、分岐部Ｐから鉛直方向の下方に延びている。なお、水平方向に対する下流側部分５８の角度は、必ずしも９０°でなくてもよく、少なくとも下流側部分５８において、分岐部Ｐ側の端部から噴射弁５０側の端部にかけても範囲で下向きになっていればよい。また、分岐配管５４の開口断面積は、下流側部分５８の開口断面積よりも大きい。

本実施形態の上流側部分５６では、上流側部分５６に拡大部８０が設けられているため、拡大部８０が設けられていない構成に比べて、上流側部分５６の容積Ｖｕｐを増大させることができる。そのため、ポンプ逆回転時に、ポンプ４４付近により多くの残存空気を引き戻すことができ、その直後のポンプ正回転時に、分岐配管５４を通過させてタンク４０内に排出させる残存空気の排出量を増やすことができる。

分岐配管５４は、供給配管４２の分岐部Ｐから鉛直方向の上方に延びている。そのため、ポンプ正回転時に、ポンプ４４付近に引き戻された残存空気を、尿素水の圧送に伴い、浮力により分岐部Ｐから分岐配管５４に移動させることができる。これにより、供給配管４２に充填されていた残存空気を効率的にタンク４０側に排出することができる。

分岐配管５４の開口断面積は、下流側部分５８の開口断面積よりも大きい。そのため、ポンプ正回転時に、ポンプ４４付近に引き戻された残存空気を、尿素水の圧送に伴い、下流側部分５８よりも分岐配管５４に移動させることができる。これにより、供給配管４２に充填されていた残存空気を効率的にタンク４０側に排出することができる。

本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、次のように実施されてもよい。

供給配管４２の形状を図２、９に例示したが、これに限定されず、公知の形状の供給配管に適用することができる。

液状の還元剤は、尿素水に限定されず、例えば、尿素水以外のアンモニア由来化合物を添加するものであってもよい。

上流側部分５６の容積Ｖｕｐを増大させる方法として、拡大部８０が設ける例を示したが、これに限定されない。例えば、上流側部分５６の流動方向における長さを長くすることで、上流側部分５６の容積Ｖｕｐを増大させてもよい。

回転検出部４６は、ポンプ４４と別体の回転センサでもよければ、ポンプ４４と一体に構成されていてもよい。例えば、ポンプ４４のモータを構成するコイルに発生する逆起電力を検出することによって、ポンプ４４の回転速度を検出してもよい。

２０…還元剤添加システム、４０…タンク、４２…供給配管、４４…ポンプ、５４…分岐配管、６０…逆止弁、７０…ポンプ制御部、Ｐ…分岐部。

Claims (7)

1. 液状の還元剤を貯えるタンク（４０）と、
   前記タンクに接続された供給配管（４２）と、
   前記供給配管の先端部に接続された添加弁（５０）と、
   前記供給配管の途中に設けられ、正逆回転可能なポンプ（４４）と、
   前記供給配管における前記ポンプよりも下流側の分岐部（Ｐ）と前記タンクとを接続する分岐配管（５４）と、
   前記分岐配管に設けられ、前記分岐配管内の圧力が所定の基準圧力よりも高い場合に開放される逆止弁（６０）と、
   前記供給配管内に空気が充填されている状況において、前記添加弁を閉鎖した状態で前記ポンプの正回転及び逆回転を繰り返し実施するポンプ制御部（７０）と、
   を備える還元剤添加システム（２０）。
2. 前記供給配管内の圧力を検出する圧力検出部（４８）を備え、
   前記ポンプ制御部は、前記ポンプの正回転時において、前記圧力検出部により検出された圧力に基づいて、前記ポンプの駆動をフィードバック制御する請求項１に記載の還元剤添加システム。
3. 前記ポンプのポンプ回転速度を検出する回転検出部（４６）を備え、
   前記ポンプ制御部は、前記ポンプの逆回転時において、前記回転検出部により検出されたポンプ回転速度に基づいて、前記ポンプの駆動をフィードバック制御する請求項２に記載の還元剤添加システム。
4. 前記ポンプ制御部は、前記ポンプの逆回転時において、前記圧力検出部により検出された圧力に基づいて、前記ポンプの正回転及び逆回転による前記供給配管内の空気の排出を停止させる請求項３に記載の還元剤添加システム。
5. 前記ポンプ制御部は、
   前記ポンプの正回転時において、前記圧力検出部により検出された圧力が、所定の正回転目標圧力（Ｐｒｅ）まで上昇するように、前記ポンプの駆動をフィードバック制御しており、
   前記ポンプの逆回転時において、前記圧力検出部により検出された圧力が、前記添加弁の容積を、前記供給配管における前記ポンプよりも下流側の容積と前記添加弁の容積とを加えた合計容積で除した値に、前記正回転目標圧力を掛けた逆回転目標圧力（Ｐｉｎ）まで低下した場合に、前記ポンプの正回転及び逆回転による前記供給配管内の空気の排出を停止させる請求項４に記載の還元剤添加システム。
6. 前記供給配管のうち前記ポンプと前記分岐部との間の上流側部分（５６）に、前記分岐部と前記添加弁との間の下流側部分（５８）よりも開口断面積が大きい拡大部（８０）が設けられている請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の還元剤添加システム。
7. 前記分岐配管は、前記分岐部から鉛直方向の上方に延びている請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の還元剤添加システム。

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