JP2019183685A - 還元剤添加システム - Google Patents

Abstract

【課題】早期に還元剤の添加を開始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であって、液状の還元剤を貯えるタンク（４０）と、タンクに接続された供給配管（４２）と、供給配管の先端部に接続された添加弁（５０）と、供給配管に接続され、供給配管を介して添加弁に還元剤を加圧供給するポンプ（４４）と、供給配管におけるポンプよりも下流側の分岐部（Ｂ）とタンクとを接続する分岐配管（５４）と、分岐配管を開閉する開閉弁（６０）と、タンク内の還元剤が凍結している状態において、タンク内における還元剤の解凍状態を示す解凍状態パラメータを取得する取得部解凍と、タンク内の還元剤のうちの一部が解凍された状態で添加弁から添加開始された場合に、解凍状態パラメータに基づいて、開閉弁を開放した状態で還元剤をタンクに還流させるポンプ制御部（７０）と、を備える。【選択図】 図１

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触媒にて選択的に吸着された排気ガス中のＮＯｘに対しアンモニアが添加される。そして、同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ＮＯｘが還元、浄化されることになる。

このような尿素ＳＣＲシステムでは、低温時における尿素水の凍結に対処するために、タンク内に電気ヒータが設けられていることがある。電気ヒータは、タンク内においてポンプ周辺に設けられ、通電によりポンプ周辺の尿素水を解凍する。特許文献１のＳＣＲシステムでは、添加弁からの添加開始前に、ポンプの正転及び逆転を繰り返し、解凍された尿素水をタンクに吸い戻すことにより、タンク内の尿素水の解凍を促進している。

特開２０１６−１８０３６１号公報

特許文献１に記載の尿素ＳＣＲシステムでは、ポンプの逆回転による尿素水の吸い戻しにより、タンク内の尿素水の解凍を促進する。しかし、添加弁からの添加開始後には、ポンプを正回転させて添加弁に尿素水を圧送する必要があるため、ポンプを逆回転させることができない。つまり、添加弁からの添加開始後には、タンク内の尿素水の解凍を促進することができない。そのため、添加弁からの添加開始前に、尿素水を十分に解凍しておく必要があり、尿素水の添加開始までの時間が長期化する問題が生じる。早期に尿素水の添加を開始できる技術が望まれている。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、上記実情に鑑み、早期に還元剤の添加を開始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、前記供給配管に接続され、前記供給配管を介して前記添加弁に前記還元剤を加圧供給するポンプと、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、前記分岐配管を開閉する開閉弁と、前記タンク内の還元剤が凍結している状態において、前記タンク内における還元剤の解凍状態を示す解凍状態パラメータを取得する取得部と、前記タンク内の還元剤のうちの一部が解凍された状態で前記添加弁から添加開始された場合に、前記解凍状態パラメータに基づいて、前記開閉弁を開放した状態で前記還元剤を前記タンクに還流させるポンプ制御部と、を備える。

開閉弁が開放された状態であると、添加弁に還元剤を加圧供給することによって、分岐配管を介して、還元剤がタンクに還流される。つまり、添加弁からの添加開始後に、還元剤をタンクに還流させることができる。そのため、添加弁からの添加開始前に、還元剤を十分に解凍しておかなくても、添加弁からの添加開始後に、タンク内における還元剤の解凍状態を示す解凍状態パラメータに応じた適量の還流を行わせることで、タンク内の還元剤の解凍を促進させることができる。これにより、早期に還元剤の添加を開始することができる。

エンジンの排気浄化システムの概略を示す構成図。 第１実施形態に係るポンプ制御処理を示すフローチャート。 還流量と還流解凍量との関係を示すグラフ。 還流量と目標供給圧力との関係を示すグラフ。 第１実施形態に係るポンプ制御処理における総解凍量及び総噴射量の推移を示す図。 第２実施形態に係るポンプ制御処理を示すフローチャート。 第２実施形態に係るポンプ制御処理における解凍量勾配及び噴射量勾配の推移を示す図。

（第１実施形態）
以下、第１実施形態の還元剤添加システム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、内燃機関である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、液状の還元剤としての尿素水（尿素水溶液）を排気通路３１Ａに噴射供給する尿素水噴射弁（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、ＳＣＲ触媒３３が「ＮＯｘ浄化触媒」に相当し、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を浄化する。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）を生成するための尿素水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３３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、排気浄化システム１０のうち、噴射弁５０の噴射により尿素水を噴射する還元剤噴射システム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。本実施形態において、還元剤噴射システム２０が「還元剤添加システム」に相当する。

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のうちタンク４０側の先端部には、尿素水を吸い込むための吸込口４２Ａが形成されており、タンク４０内に尿素水が貯留された状態において、吸込口４２Ａが尿素水に浸漬した状態になっている。なお、本実施形態において、供給配管４２が「還元剤通路」に相当する。

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から供給される電流により回転駆動される電動ポンプであり、供給配管４２を介して噴射弁５０に尿素水を供給（加圧供給）する。なお、ポンプ４４は、タンク４０の内部に設けられている。

ポンプ４４は歯車４５を有し、その歯車４５の回転数に応じて尿素水を供給する。また、ポンプ４４は、歯車４５が正逆いずれの方向にも回転可能となっている。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。

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４４による尿素水の吐出（圧送）速度を検出する。

供給配管４２には、ポンプ４４の下流側に圧力検出部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（以下、配管圧力という）を検出し、例えば、ポンプ４４による尿素水の供給圧力Ｐｈを検出する。

噴射弁５０は、供給配管４２の下流側端部（先端部）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からの駆動信号に基づき開放又は閉鎖する。すなわち、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５２が開放方向に移動し、そのニードル５２の移動によって先端噴射口が開放されて尿素水が噴射される。以下、尿素水が噴射される時間を噴射時間Ｔｈという。なお、本実施形態において、噴射時間Ｔｈが「添加時間」に相当する。

供給配管４２には分岐配管５４が接続されている。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Ｂと、タンク４０と、を接続する。なお、圧力検出部４８は、供給配管４２のうちのポンプ４４と分岐部Ｂとの間の部分に設けられている。

分岐配管５４のうちタンク４０側の先端部には、尿素水をタンク４０に戻すための還流口５４Ａが形成されている。還流口５４Ａは、車両にタンク４０が設置された状態において、タンク４０の内部に設けられたポンプ４４よりも上方に位置するように設けられている。

分岐配管５４には開閉弁６０が設けられている。開閉弁６０は、ポンプ制御部７０からの制御信号に基づき分岐配管５４を開閉する。また、開閉弁６０は、ポンプ制御部７０から制御信号が入力されない閉鎖状態において、逆止弁として機能する。この場合、開閉弁６０は、分岐配管５４内の圧力が所定圧力よりも大きい場合に開放し、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。また、分岐配管５４内の圧力が所定圧力よりも低い場合に閉鎖し、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。

タンク４０内には、３つの発熱体６２が設けられている。発熱体６２は、例えば電気式のヒータであり、ポンプ制御部７０からの通電によってタンク内で尿素水を加熱する。これにより、タンク内で凍結した尿素水が解凍される。発熱体６２は、その一端が筒状のポンプケース６３の上側に取り付けられ、ポンプケース６３の径方向において斜め下方に向かって延びるように設けられている。各発熱体６２は、タンク４０内の複数箇所に設けられており、具体的には、上面視において、ポンプケース６３を三方向から囲む位置に配置されている。なお、ポンプケース６３の下端部には、ポンプケース６３の内外を連通する複数の開口部６３Ａが形成されている。なお、本実施形態において、発熱体６２が「加熱部」に相当する。

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からの通電によって供給配管４２内で凍結した尿素水を解凍する。

タンク４０内には、温度センサ６６が設けられている。例えば温度センサ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、外気温センサ６８が設けられている。例えば外気温センサ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の温度を測定する。

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から回転速度を取得し、圧力検出部４８から配管圧力を取得し、温度センサ６６からタンク４０内の尿素水の温度を取得し、外気温センサ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噴射システム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、その尿素水は供給配管４２を介して噴射弁５０に供給される。

また、ポンプ４４の正回転駆動時に、開閉弁６０を開放した状態とすることで、供給配管４２に圧送された尿素水の一部は、分岐配管５４を介してタンク４０に戻される。タンク４０に戻された尿素水は、開口部６３Ａを介してポンプ４４へと到達し、ポンプ４４により再び供給配管４２に圧送される。つまり、ポンプ４４の正回転駆動時に、開閉弁６０を介して尿素水が還流される。

一方、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。

噴射弁５０側への尿素水圧送時には、噴射弁５０により排気管３１内に尿素水が噴射供給される。すると、排気管３１内において排気ガスと共に尿素水がＳＣＲ触媒３３に供給され、ＳＣＲ触媒３３においてＮＯｘの還元反応によりその排気ガスが浄化される。ＮＯｘの還元に際しては、例えば、
（ＮＨ2）2ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→２ＮＨ3＋ＣＯ2 …（式４）
といった反応により、排気熱による高温下で尿素水が加水分解される。これにより、アンモニア（ＮＨ3）が生成され、そのアンモニアがＳＣＲ触媒３３に吸着するとともに、そのＳＣＲ触媒３３において排気ガス中の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３３上でアンモニアに基づく還元反応（上記の反応式（式１）〜（式３））が行われることにより、ＮＯｘが還元、浄化されることとなる。

ところで、本実施形態にかかる排気浄化システム１０が搭載された車両が寒冷地で使用される場合、エンジン始動時にタンク４０内に尿素水が凍結していることがある。この場合、ポンプ４４の回転駆動は停止され、発熱体６２により尿素水が解凍される。尿素水の解凍により、尿素水の圧送が可能であると判定されると、ポンプ４４の回転駆動が再開されることにより、尿素水の噴射が開始される。

例えば、タンク４０内の尿素水の全部が凍結している場合には、発熱体６２への通電のみにより凍結している状態の尿素水を解凍しようとすると、尿素水の噴射開始までの時間が長期化する。この場合に、ポンプ４４の正回転と逆回転とを繰り返し、解凍された尿素水をタンク４０に吸い戻す処理を実施する。これにより、タンク４０内の尿素水の解凍が促進され、ポンプ４４の回転駆動の再開までの時間を短縮できるように思える。

しかしながら、噴射弁５０からの噴射開始後には、ポンプ４４を正回転させて噴射弁５０に尿素水を圧送する必要があるため、ポンプ４４を逆回転させることができない。つまり、噴射弁５０からの噴射開始後には、尿素水の吸い戻しによりタンク４０内の尿素水の解凍を促進することができない。したがって、噴射弁５０からの噴射開始前に、尿素水を十分に解凍しておく必要があり、尿素水の噴射開始までの時間が長期化してしまう。

本実施形態のポンプ制御部７０は、上記問題を解決するためにポンプ制御処理を実施する。ポンプ制御処理では、タンク４０内の尿素水のうちの一部が解凍された状態で噴射弁５０から噴射開始された場合に、タンク４０内における尿素水の解凍状態を示す解凍状態パラメータに基づいて、開閉弁６０を開放した状態で尿素水をタンク４０に還流させる。これにより、噴射弁５０からの噴射開始後においてもタンク４０内の尿素水の解凍を促進することができ、早期に尿素水の噴射を開始することができる。

図２に本実施形態のポンプ制御処理のフローチャートを示す。ポンプ制御部７０は、タンク４０内で凍結した尿素水の解凍中に、ポンプ制御処理を実施する。

ポンプ制御処理を開始すると、まずステップＳ１０において、タンク４０内の尿素水が凍結している状態であるか否かを判定する。ポンプ制御部７０は、温度センサ６６と外気温センサ６８とから取得された温度の少なくとも一方から取得された温度が尿素水の凝固点Ｔｃ以下である場合、タンク４０内の尿素水が凍結していると判定する。そのため、タンク４０内の尿素水が凍結している状態には、タンク４０内の尿素水の一部が凍結している状態とともに、タンク４０内の尿素水の全てが凍結している状態が含まれる。一方、タンク４０内の尿素水が凍結していない状態には、タンク４０内の尿素水の全てが解凍している状態のみが含まれる。

ステップＳ１０で否定判定すると、ポンプ制御処理を終了する。一方、ステップＳ１０で肯定判定すると、ステップＳ１２において、発熱体６２に通電する。これにより、発熱体６２が加熱され、その周りの尿素水が解凍される。

ステップＳ１４において、総解凍量Ｍｈを算出する。つまり、ステップＳ１０でタンク４０内の尿素水が凍結している状態であると判定され、かつ、ステップＳ１２における発熱体６２への通電によりタンク４０内における尿素水の一部が解凍された場合に、その総解凍量Ｍｈを算出する。総解凍量Ｍｈは、発熱体６２への通電により解凍された尿素水の総量を意味する。そのため、総解凍量Ｍｈは、タンク４０内における尿素水がどの程度解凍しているか、つまり、タンク４０内における尿素水の解凍状態を示すもの、ということができる。ポンプ制御部７０は、発熱体６２への通電時間に基づいて総解凍量Ｍｈを算出する。なお、本実施形態において、ステップＳ１４の処理が「取得部」に相当し、総解凍量Ｍｈが「解凍状態パラメータ，解凍量」に相当する。

ステップＳ１６において、尿素水の噴射が開始されたか否かを判定する。ポンプ制御部７０は、発熱体６２への通電開始後に上昇を開始する供給圧力Ｐｈが、基準圧力Ｐｋ（図５参照）に到達すると、尿素水の噴射を開始する。

ステップＳ１６で否定判定すると、ポンプ制御処理を終了する。一方、ステップＳ１６で肯定判定すると、ステップＳ１８において、総噴射量Ｑｈを算出する。ポンプ制御部７０は、アクセルペダルの操作量やエンジン負荷、エンジン回転速度等に基づき要求噴射状態として、瞬時の噴射量である噴射量ΔＱを算出する。ポンプ制御部７０は、尿素水の噴射開始からの噴射量ΔＱを合計して、総噴射量Ｑｈを算出する。なお、本実施形態において、総噴射量Ｑｈが「添加量」に相当する。

ステップＳ２０において、ステップＳ１８で算出された総噴射量ＱｈとステップＳ１４で算出された総解凍量Ｍｈとの差分を算出する。具体的には、総噴射量Ｑｈから総解凍量Ｍｈを減算した量を、尿素水不足量Ｚｈとして算出する。なお、本実施形態において、尿素水不足量Ｚｈが「還元剤不足量」に相当し、ステップＳ２０の処理が「不足量算出部」に相当する。

ステップＳ２２において、総噴射量Ｑｈに対して総解凍量Ｍｈが不足するか否かを判定する。具体的には、ステップＳ２０で算出された尿素水不足量Ｚｈが基準量Ｚｋよりも多いか否かを判定する。尿素水不足量Ｚｈは、総噴射量Ｑｈに対して総解凍量Ｍｈが不足する場合に大きな値となり、総噴射量Ｑｈに対して総解凍量Ｍｈが余剰する場合に小さな値となる。そのため、尿素水不足量Ｚｈが基準量Ｚｋよりも多いか否かを判定することで、総噴射量Ｑｈに対して総解凍量Ｍｈが不足するか否かを判定することができる。なお、本実施形態において、ステップＳ２２の処理が「不足判定部」に相当する。また、基準量Ｚｋは、所定の正の値又はゼロであり、本実施形態においてはゼロである。

ステップＳ２２で否定判定すると、つまり、総噴射量Ｑｈに対して総解凍量Ｍｈが余剰すると判定された場合に、ステップＳ３８において、開閉弁６０への制御信号の出力を停止して開閉弁６０を閉鎖した状態とする。続くステップＳ４０において、供給圧力Ｐｈを基準圧力Ｐｋとして、ポンプ制御処理を終了する。これにより、開閉弁６０を介したタンク４０への尿素水の還流が停止され、通常の噴射処理が実施される。通常の噴射処理では、基準圧力Ｐｋの尿素水が基準時間Ｔｋ（図５参照）に亘って噴射弁５０から噴射される。

一方、ステップＳ２２で肯定判定すると、つまり、総噴射量Ｑｈに対して総解凍量Ｍｈが不足すると判定された場合に、開閉弁６０を介して尿素水をタンク４０に還流させ、この還流により尿素水の解凍を促進させることにより、総解凍量Ｍｈの不足を補う促進処理Ｓ２４〜Ｓ３４を実施する。

具体的には、ステップＳ２４において、還流解凍量Ｆｈを算出する。還流解凍量Ｆｈは、尿素水の還流によりタンク４０内の凍結した尿素水を解凍させる目標量を意味する。具体的には、尿素水不足量Ｚｈが基準量Ｚｋよりも小さい場合には、還流解凍量Ｆｈはゼロとなり、尿素水不足量Ｚｈが基準量Ｚｋよりも多い場合には、還流解凍量Ｆｈは尿素水不足量Ｚｈと等しくなる。

ステップＳ２６において、総解凍量Ｍｈに基づいて、タンク４０に還流させる尿素水の量である還流量Ｌｈを算出する。つまり、ステップＳ１６によりタンク４０内における尿素水の一部が解凍された状態で噴射弁５０から噴射開始された場合に、総解凍量Ｍｈに基づいて、開閉弁６０を開放した状態で、尿素水をタンク４０に還流させる還流量Ｌｈを算出する。具体的には、総解凍量Ｍｈを用いて算出された還流解凍量Ｆｈに基づいて還流量Ｌｈを算出する。図３に示すように、ポンプ制御部７０には、還流量Ｌｈと還流解凍量Ｆｈとの関係を示す第１換算テーブルが記憶されている。第１換算テーブルは、還流量Ｌｈが多くなると、還流解凍量Ｆｈが多くなる関係を有する。ポンプ制御部７０は、この第１換算テーブルを用いて、還流解凍量Ｆｈから還流量Ｌｈを算出する。そのため、還流解凍量Ｆｈ、すなわち尿素水不足量Ｚｈが多いほど、タンク４０に還流させる尿素水の還流量Ｌｈは多くなる。

ステップＳ２８において、ステップＳ２６で算出された還流量Ｌｈに基づいて目標供給圧力Ｐｔｇを算出する。図４に示すように、ポンプ制御部７０には、還流量Ｌｈと、その還流量Ｌｈの尿素水を還流させるのに必要な目標供給圧力Ｐｔｇと、の関係を示す第２換算テーブルが記憶されている。第２換算テーブルは、目標供給圧力Ｐｔｇが基準圧力Ｐｋよりも大きくなる関係を有するとともに、還流量Ｌｈが多くなると、目標供給圧力Ｐｔｇが大きくなる関係を有する。ポンプ制御部７０は、この第２換算テーブルを用いて、還流量Ｌｈから目標供給圧力Ｐｔｇを算出する。そのため、ポンプ制御部７０は、目標供給圧力Ｐｔｇを上昇させることにより、タンク４０に還流される尿素水の還流量Ｌｈを多くすることができる。

ステップＳ３０において、ステップＳ２８で算出された目標供給圧力Ｐｔｇに基づいて目標噴射時間Ｔｔｇを算出する。上述したように、目標供給圧力Ｐｔｇは基準圧力Ｐｋよりも大きい。そのため、ポンプ制御部７０は、目標供給圧力Ｐｔｇ及び目標噴射時間Ｔｔｇの積と、基準圧力Ｐｋ及び基準時間Ｔｋとの積とが、共に噴射量ΔＱとなるように、目標噴射時間Ｔｔｇを基準時間Ｔｋよりも短い時間に設定する。具体的には、ポンプ制御部７０は、目標供給圧力Ｐｔｇが大きいほど目標噴射時間Ｔｔｇが短くなるように、目標噴射時間Ｔｔｇを算出する。

目標供給圧力Ｐｔｇ及び目標噴射時間Ｔｔｇを算出すると、ステップＳ３２において、開閉弁６０に制御信号を出力して開閉弁６０を開放した状態とする。続くステップＳ３４において、供給圧力Ｐｈを目標供給圧力Ｐｔｇに設定し、ポンプ制御処理を終了する。これにより、開閉弁６０を介して尿素水がタンク４０に還流し、この還流により尿素水の解凍が促進され、総解凍量Ｍｈの不足が補われる。

続いて、図５に、ポンプ制御処理の一例を示す。ここで、図５（ａ）は、発熱体６２の通電状態の推移を示し、図５（ｂ）は、供給圧力Ｐｈの推移を示し、図５（ｃ）は、噴射量ΔＱの推移を示し、図５（ｄ）は、総解凍量Ｍｈと総噴射量Ｑｈとの推移を示す。なお、図５（ｄ）において、総解凍量Ｍｈの推移を実線で示し、総噴射量Ｑｈの推移を破線で示す。

また、図５（e）は、還流解凍量Ｆｈの推移を示し、図５（ｆ）は、還流量Ｌｈの推移を示し、図５（ｇ）は、開閉弁６０の開閉状態を示し、図５（ｈ）は、噴射時間Ｔｈの推移を示す。

図５（ａ）に示すように、時刻ｔ１に車両のイグニッションスイッチがオンされ、エンジン３０が始動すると、ポンプ制御処理が開始され、タンク４０内の尿素水が凍結している状態であるかが判定される。本実施形態では、ポンプ制御処理の開始時において、タンク４０内の尿素水が全て凍結している状態であるものとする。そのため、時刻ｔ１にて、発熱体６２が通電状態に切り替わる。これにより、発熱体６２が加熱され、その周りの尿素水が解凍されることにより、タンク４０内の尿素水のうちの一部が解凍された状態となるとともに、総解凍量Ｍｈがゼロから増加を開始する（図５（ｄ）参照）。

時刻ｔ１から所定の解凍準備時間Ｔｐが経過した時刻ｔ２にて、ポンプ４４の回転駆動が開始される。ここで、解凍準備時間Ｔｐは、尿素水の噴射開始後に、解凍された尿素水が不足して尿素水の噴射が停止されることを抑制するため、尿素水の噴射開始前に解凍された尿素水を準備する時間である。具体的には、解凍準備時間Ｔｐは、総解凍量Ｍｈが基準解凍量Ｍｋに到達する時間に設定されている。

図５（ｂ）に示すように、その後時刻ｔ３にてポンプ４４の供給圧力Ｐｈが基準圧力Ｐｋに到達すると、尿素水の噴射が開始される。具体的には、噴射時間Ｔｈが基準時間Ｔｋに設定され、噴射量ΔＱの尿素水が噴射される。これにより、図５（ｄ）に示すように、総噴射量Ｑｈがゼロから増加を開始する。

図５（ｃ）に示すように、本実施形態では、噴射量ΔＱは、第１噴射量ΔＱ１と第２噴射量ΔＱ２と第３噴射量ΔＱ３とに設定可能である。第１噴射量ΔＱ１と第２噴射量ΔＱ２と第３噴射量ΔＱ３とは、この順に噴射量が多くなるように設定されている。

時刻ｔ３では、噴射量ΔＱが第１噴射量ΔＱ１に設定される。噴射量ΔＱが第１噴射量ΔＱ１である場合、総噴射量Ｑｈの傾き（時間微分値）は総解凍量Ｍｈの傾きよりも小さい（図５（ｄ）参照）。そのため、尿素水不足量Ｚｈが増加することはない。

その後時刻ｔ４にて、噴射量ΔＱが第３噴射量ΔＱ３に設定される。噴射量ΔＱが第２噴射量ΔＱ２及び第３噴射量ΔＱ３である場合、総噴射量Ｑｈの傾きは総解凍量Ｍｈの傾きよりも大きい（図５（ｄ）参照）。そのため、尿素水不足量Ｚｈが増加を開始する。

そして、時刻ｔ５にて尿素水不足量Ｚｈが基準量Ｚｋよりも多くなると、総噴射量Ｑｈに対する総解凍量Ｍｈの不足分を、還流解凍量Ｆｈにより補うため、尿素水をタンク４０に還流させる促進処理が実施される。

具体的には、図５（ｅ），（ｆ）に示すように、尿素水不足量Ｚｈに基づいて還流解凍量Ｆｈが算出され、この還流解凍量Ｆｈに基づいて還流量Ｌｈが算出される。つまり、尿素水不足量Ｚｈに基づいて、タンク４０に還流される尿素水の還流量Ｌｈが制御される。

また、図５（ｂ），（ｈ）に示すように、この還流量Ｌｈを実現可能な目標供給圧力Ｐｔｇが算出され、この目標供給圧力Ｐｔｇに基づいて目標噴射時間Ｔｔｇが算出される。そして、図５（ｇ）に示すように、時刻ｔ５にて、開閉弁６０が開放されることにより、尿素水の噴射が継続されつつ、タンク４０に尿素水が還流され、尿素水の解凍が促進される。

その後時刻ｔ６にて、噴射量ΔＱが第２噴射量ΔＱ２に設定される。これにより、還流解凍量Ｆｈの増加が抑制される。また、その後の時刻ｔ７にて、噴射量ΔＱが第１噴射量ΔＱ１に設定される。これにより、還流解凍量Ｆｈが減少する。促進処理では、還流解凍量Ｆｈの変動に伴って、還流量Ｌｈ，目標供給圧力Ｐｔｇ，及び目標噴射時間Ｔｔｇが変動する。

そして、時刻ｔ８にて尿素水不足量Ｚｈが基準量Ｚｋよりも小さくなると、促進処理を終了し、還流解凍量Ｆｈ及び還流量Ｌｈがゼロにリセットされる。また、供給圧力Ｐｈが基準圧力Ｐｋとなり、噴射時間Ｔｈが基準時間Ｔｋとなる。これに伴って、時刻ｔ８にて、開閉弁６０が閉鎖した状態とされ、開閉弁６０を介したタンク４０への尿素水の還流が停止される。その後時刻ｔ９にて、タンク４０内の尿素水が解凍状態となると、発熱体６２が非通電状態に切り替わり、ポンプ制御処理を終了する。

以上説明した本実施形態によれば、以下の効果を奏する。

開閉弁６０が開放された状態であると、噴射弁５０に尿素水を供給することによって、分岐配管５４を介して、尿素水がタンク４０に還流される。つまり、尿素水の噴射開始後に、尿素水をタンク４０に還流させることができる。そのため、尿素水の噴射開始前に、尿素水を十分に解凍しておかなくても、尿素水の噴射開始後に、タンク４０内における尿素水の解凍状態に応じた適量の還流を行わせることで、タンク４０内の尿素水の解凍を促進させることができる。これにより、早期に尿素水の噴射を開始することができる。

具体的には、尿素水の噴射開始後に、タンク４０内の尿素水の解凍を促進させることができるため、図５（ｄ）に示す基準解凍量Ｍｋを縮小することができる。これにより、解凍準備時間Ｔｐを短くすることができ、早期に尿素水の噴射を開始することができる。

本実施形態では、総解凍量Ｍｈに基づいて還流量Ｌｈを算出する。そのため、総解凍量Ｍｈに応じた適量の還流を行わせることができ、タンク４０内の尿素水の解凍を好適に促進させることができる。

特に本実施形態では、尿素水不足量Ｚｈが基準量Ｚｋよりも多い場合、つまり、総噴射量Ｑｈに対して総解凍量Ｍｈが不足する場合に、尿素水をタンク４０に還流させる。これにより、タンク４０内の尿素水の解凍が促進され、総解凍量Ｍｈの不足を好適に解消することができる。

本実施形態では、尿素水不足量Ｚｈが多い場合に還流量Ｌｈを多くする。還流量Ｌｈを多くすることで、タンク４０内の尿素水の解凍が好適に促進され、総解凍量Ｍｈの不足を適正に解消することができる。

本実施形態では、尿素水をタンク４０に還流させるために、目標供給圧力Ｐｔｇを上昇させた場合には、目標供給圧力Ｐｔｇが大きいほど、目標噴射時間Ｔｔｇを短くし、噴射量ΔＱの増加を抑制する。これにより、総噴射量Ｑｈの増加により総解凍量Ｍｈの不足が促進されたり、排気通路３１Ａにおける尿素水のデポジットが増加したりすることを抑制することができる。

（第２実施形態）
次に第２実施形態に係る還元剤噴射システム２０について図６，７を用いて説明する。第２実施形態に係る還元剤噴射システム２０は、第１実施形態に係る還元剤噴射システム２０と比べて、ポンプ制御処理が異なる。以下では、第２実施形態に係るポンプ制御処理について説明する。

図６に示すように、第２実施形態のポンプ制御処理が、第１実施形態のポンプ制御処理と異なる点は、尿素水不足量Ｚｈの傾きを示す不足量勾配Ｚｄを用いて、促進処理を実施するか否かを判定する点である。なお図６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。

ポンプ制御処理では、ステップＳ１２で発熱体６２に通電すると、続くステップＳ５０において、総解凍量Ｍｈ及び解凍量勾配Ｍｄを算出する。解凍量勾配Ｍｄは、総解凍量Ｍｈの傾きを意味する。ポンプ制御部７０は、今回のステップＳ５０の処理で算出された総解凍量Ｍｈから、前回のステップＳ５０の処理で算出された総解凍量Ｍｈを差し引しひいた解凍量差分値を、これらの処理の間の経過時間で割ることにより解凍量勾配Ｍｄを算出する。なお、本実施形態において、ステップＳ５０の処理が「取得部」に相当する。

また、ステップＳ１６で肯定判定すると、ステップＳ５２において、総噴射量Ｑｈ及び噴射量勾配Ｑｄを算出する。噴射量勾配Ｑｄは、総噴射量Ｑｈの傾きを意味する。なお、噴射量勾配Ｑｄの算出方法は、解凍量勾配Ｍｄの算出方法と略同一であるため、説明を省略する。

ステップＳ５４において、不足量勾配Ｚｄを算出する。ポンプ制御部７０は、ステップＳ５２で算出された噴射量勾配ＱｄからステップＳ５０で算出された解凍量勾配Ｍｄを減算した量を、不足量勾配Ｚｄとして算出する。

ステップＳ５６において、解凍量勾配Ｍｄに基づいて、総噴射量Ｑｈに対して総解凍量Ｍｈが不足するか否かを判定する。具体的には、解凍量勾配Ｍｄを用いて算出された不足量勾配Ｚｄが基準勾配Ｚｗよりも大きいか否かを判定する。不足量勾配Ｚｄは、尿素水不足量Ｚｈが増加する場合に大きな値となり、尿素水不足量Ｚｈが減少する場合に小さな値となる。そのため、不足量勾配Ｚｄが基準勾配Ｚｗよりも大きいか否かを判定することで、近い将来、尿素水不足量Ｚｈが増加して尿素水不足量Ｚｈが基準量Ｚｋよりも多くなるか、すなわち、総噴射量Ｑｈに対して総解凍量Ｍｈが不足するか否かを判定することができる。なお、本実施形態において、ステップＳ５６の処理が「不足判定部」に相当する。また、基準勾配Ｚｗは、所定の正の値又はゼロであり、本実施形態においてはゼロである。

ステップＳ５６で否定判定すると、ステップＳ３８に進む。一方、ステップＳ５６で肯定判定すると、ステップＳ５８において、還流解凍量Ｆｈを算出する。本実施形態では、不足量勾配Ｚｄが基準勾配Ｚｗよりも小さい場合には、還流解凍量Ｆｈはゼロとなり、不足量勾配Ｚｄが基準勾配Ｚｗよりも大きい場合には、不足量勾配Ｚｄの大きさに比例する還流解凍量Ｆｈが算出される。

続いて、図７に、ポンプ制御処理の一例を示す。ここで、図７（ｄ）は、解凍量勾配Ｍｄと噴射量勾配Ｑｄとの推移を示す。なお、図７（ｄ）において、解凍量勾配Ｍｄの推移を実線で示し、噴射量勾配Ｑｄの推移を破線で示す。

図７（ｃ），（ｄ）に示すように、噴射量ΔＱが第１噴射量ΔＱ１である場合、噴射量勾配Ｑｄは解凍量勾配Ｍｄよりも小さく、噴射量ΔＱが第２噴射量ΔＱ２及び第３噴射量ΔＱ３である場合、噴射量勾配Ｑｄは解凍量勾配Ｍｄよりも大きい。そのため、時刻ｔ４にて、噴射量ΔＱが第３噴射量ΔＱ３に設定されると、不足量勾配Ｚｄが基準勾配Ｚｗよりも大きくなるため、総噴射量Ｑｈに対する総解凍量Ｍｈの不足分を、還流解凍量Ｆｈにより補うため、尿素水をタンク４０に還流させる促進処理が実施される。

具体的には、図７（ｅ）に示すように、不足量勾配Ｚｄに比例する還流解凍量Ｆｈが算出される。そのため、還流解凍量Ｆｈは、不足量勾配Ｚｄが大きいほど大きくなる。そして、図７（ｇ）に示すように、時刻ｔ４にて、開閉弁６０が開放されることにより、尿素水の噴射が継続されつつ、タンク４０に尿素水が還流され、尿素水の解凍が促進される。

また、時刻ｔ７にて噴射量ΔＱが第１噴射量ΔＱ１に設定されると、不足量勾配Ｚｄが基準勾配Ｚｗよりも小さくなるため、還流解凍量Ｆｈ及び還流量Ｌｈがゼロにリセットされる。これに伴って、時刻ｔ７にて、開閉弁６０が閉鎖した状態とされることにより、開閉弁６０を介したタンク４０への尿素水の還流が停止される。

以上説明したように、本実施形態では、解凍量勾配Ｍｄと噴射量勾配Ｑｄとに基づいて、総噴射量Ｑｈに対して総解凍量Ｍｈが不足するか否かを判定するので、実際に総解凍量Ｍｈの不足が発生する前にその不足を判定することができる。

具体的には、解凍量勾配Ｍｄと噴射量勾配Ｑｄとに基づいて総解凍量Ｍｈの不足を判定するので、実際に総解凍量Ｍｈの不足が発生する時刻ｔ５よりも前の時刻ｔ４にて促進処理を開始することができ、総解凍量Ｍｈの不足の発生を好適に抑制することができる。

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。

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噴射するものであってもよい。

尿素水が噴射により排気通路３１Ａに供給される形態を例示したが、これに限定されず、例えば、水滴状の尿素水を排気通路３１Ａに添加供給してもよい。

上記実施形態では、ポンプ制御処理の開始時において、タンク４０内の尿素水が全て凍結している状態である形態を例示したが、これに限定されず、例えば、タンク４０内の尿素水の一部が凍結している状態であってもよい。この場合、ポンプ４４の回転速度等に基づいて、ポンプ制御処理の開始時に解凍されている尿素水の初期解凍量を算出し、算出した初期解凍量を総解凍量Ｍｈに加算してもよい。

上記実施形態では、タンク４０内における還元剤の解凍状態を示す解凍状態パラメータが、総解凍量Ｍｈである形態を示したが、これに限られない。例えば、解凍状態パラメータは、発熱体６２への通電を開始してからの経過時間に基づき算出される尿素水の解凍予想量であってもよい。また、予め目標解凍量が設定されており、この目標解凍量に基づいて発熱体６２への通電が制御されている場合には、この目標解凍量であってもよい。

上記実施形態では、タンク４０へ尿素水を還流させる場合に、開閉弁６０に制御信号を出力して、開閉弁６０を開放した状態とする形態を例示したが、必ずしも開閉弁６０に制御信号を出力する必要はない。例えば、開閉弁６０の逆止弁としての機能を利用して、ポンプ４４の供給圧力Ｐｈを変動させることで、タンク４０へ尿素水を還流させてもよい。

上記実施形態では、尿素水不足量Ｚｈとの比較に用いる基準量Ｚｋがゼロである形態を例示した。つまり、総解凍量Ｍｈが総噴射量Ｑｈと等しくなることを、総解凍量Ｍｈの不足の判断状態としていたが、これに限られない。基準量Ｚｋが正の値であってもよい。この場合、総解凍量Ｍｈが総噴射量Ｑｈに対して、基準量Ｚｋに相当する余剰を有することとなるため、総解凍量Ｍｈの不足の発生を好適に抑制することができる。不足量勾配Ｚｄとの比較に用いる基準勾配Ｚｗについても同様である。

上記実施形態では、尿素水不足量Ｚｈが基準量Ｚｋよりも多い場合には、還流解凍量Ｆｈは尿素水不足量Ｚｈと等しくなる形態を例示した。つまり、総解凍量Ｍｈと総噴射量Ｑｈとが等しくなるように、タンク４０へ尿素水を還流させる形態を例示したが、これに限られない。還流解凍量Ｆｈは尿素水不足量Ｚｈよりも大きくてもよい。この場合、総解凍量Ｍｈが総噴射量Ｑｈよりも多くなるように、タンク４０へ尿素水を還流させるため、総解凍量Ｍｈの不足の発生を好適に抑制することができる。不足量勾配Ｚｄに基づいて還流解凍量Ｆｈを算出する場合についても同様である。

上記実施形態では、還流解凍量Ｆｈが総噴射量Ｑｈ等に基づいて変動する量である形態を例示したが、これに限られず、還流解凍量Ｆｈは予め定められた所定値であってもよい。還流解凍量Ｆｈが比較的大きな値に設定されることで、還流解凍量Ｆｈにより総解凍量Ｍｈの不足を補うことができる。

上記実施形態では、タンク４０に尿素水を還流する際に、開閉弁６０を開放した状態とし、目標供給圧力Ｐｔｇを変動させることにより、還流量Ｌｈの尿素水を還流させる例を示したが、これに限られない。例えば、目標供給圧力Ｐｔｇを予め定められた所定値とし、開閉弁６０の開度を変動させることにより、還流量Ｌｈの尿素水を還流させてもよい。

上記実施形態では、尿素水不足量Ｚｈを算出する際に、総噴射量Ｑｈから総解凍量Ｍｈを減算する例を示したが、これに限られない。例えば、解凍された尿素水が減少すると、ポンプ４４の負荷が減少することから、ポンプ４４の回転速度等に基づいて尿素水不足量Ｚｈを算出してもよい。この場合、ポンプ４４の回転速度等が「相関値」に相当する。

上記第１実施形態では、総噴射量Ｑｈと総解凍量Ｍｈとの差分を算出する際に、総噴射量Ｑｈから総解凍量Ｍｈを減算して、尿素水不足量Ｚｈを算出する例を示したが、これに限られない。例えば、総解凍量Ｍｈから総噴射量Ｑｈを減算して、尿素水余裕量を算出してもよい。

上記第２実施形態では、解凍量勾配Ｍｄと噴射量勾配Ｑｄとに基づいて、総噴射量Ｑｈに対して総解凍量Ｍｈが不足するか否かを判定する際に、噴射量勾配Ｑｄから解凍量勾配Ｍｄを減算して、不足量勾配Ｚｄを算出する例を示したが、これに限られない。例えば、解凍量勾配Ｍｄから噴射量勾配Ｑｄを減算して、余裕量勾配を算出してもよい。

４０…タンク、４２…供給配管、４４…ポンプ、５０…噴射弁、５４…分岐配管、６０…開閉弁、７０…ポンプ制御部。

Claims (6)

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、
   前記供給配管に接続され、前記供給配管を介して前記添加弁に前記還元剤を加圧供給するポンプ（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（Ｂ）と前記タンクとを接続する分岐配管（５４）と、
   前記分岐配管を開閉する開閉弁（６０）と、
   前記タンク内の還元剤が凍結している状態において、前記タンク内における還元剤の解凍状態を示す解凍状態パラメータを取得する取得部と、
   前記タンク内の還元剤のうちの一部が解凍された状態で前記添加弁から添加開始された場合に、前記解凍状態パラメータに基づいて、前記開閉弁を開放した状態で前記還元剤を前記タンクに還流させるポンプ制御部（７０）と、
   を備える還元剤添加システム。
2. 前記タンク内の還元剤を加熱する加熱部（６２）を備え、
   前記取得部は、前記解凍状態パラメータとして、前記還元剤の解凍量を取得し、
   前記ポンプ制御部は、前記解凍量に基づいて、前記還元剤を前記タンクに還流させる請求項１に記載の還元剤添加システム。
3. 前記添加弁による添加量に対して前記解凍量が不足するか否かを判定する不足判定部を備え、
   前記ポンプ制御部は、前記不足判定部により前記解凍量が不足すると判定された場合に、前記還元剤を前記タンクに還流させる請求項２に記載の還元剤添加システム。
4. 前記添加量と前記解凍量との差分又はその相関値を還元剤不足量（Ｚｈ）として算出する不足量算出部を備え、
   前記還元剤不足量が多いほど、前記タンクに還流させる前記還元剤の還流量を多くする請求項３に記載の還元剤添加システム。
5. 前記ポンプ制御部は、前記添加弁に加圧供給する前記還元剤の供給圧力を上昇させることにより、前記タンクに還流される前記還元剤の還流量を多くし、
   前記還元剤の供給圧力が大きいほど、前記還元剤の添加時間を短くする請求項４に記載の還元剤添加システム。
6. 前記不足判定部は、前記添加量の時間微分値と前記解凍量の時間微分値とに基づいて、前記添加量に対して前記解凍量が不足するか否かを判定する請求項３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。

Images