WO2014016909A1 - 排気浄化装置、液体還元剤又はその前駆体の解凍方法 - Google Patents

排気浄化装置、液体還元剤又はその前駆体の解凍方法 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to an exhaust purification device that selectively reduces and purifies nitrogen oxide (NOx) in exhaust gas, and a method for thawing a liquid reducing agent or a precursor thereof used in the exhaust purification device.
  • NOx nitrogen oxide
  • Patent Document 1 As an exhaust gas purification system that purifies NOx contained in engine exhaust, an exhaust gas purification device as described in JP 2012-13060 A (Patent Document 1) has been proposed.
  • This exhaust purification device injects a urea aqueous solution according to the engine operating condition upstream of the exhaust of a selective catalytic reduction (SCR) converter (SCR) disposed in the exhaust pipe of the engine, and generates ammonia by hydrolysis.
  • SCR selective catalytic reduction
  • the temperature of the engine cooling water is low.
  • the temperature of the engine cooling water rises slowly. It was difficult to thaw in a short time.
  • an object of the present invention is to provide a technique capable of thawing a liquid reducing agent or a precursor thereof in a short time even immediately after a cold start.
  • the exhaust purification device includes a reduction catalytic converter that reduces and purifies NOx in exhaust gas, a tank that stores a liquid reducing agent or a precursor thereof, and a liquid reducing agent stored in the tank or a precursor thereof upstream of the reduction catalytic converter. And a bypass pipe for bypassing a part of the exhaust gas flowing through the exhaust pipe to the tank and exchanging heat with the liquid reducing agent or its precursor stored in the tank.
  • the method of thawing the liquid reducing agent or its precursor is a method for reducing the amount of exhaust flowing through the exhaust pipe through a tank for storing the liquid reducing agent or its precursor that is injected upstream of the reduction catalytic converter that reduces and purifies NOx in the exhaust.
  • the liquid reducing agent or its precursor heated in part and frozen in the tank is thawed.
  • the liquid reducing agent or its precursor can be thawed in a short time even immediately after a cold start.
  • FIG. 1 shows an example of an exhaust purification device that purifies particulate matter (PM) and NOx in exhaust gas.
  • An intake pipe 14 connected to the intake manifold 12 of the diesel engine 10 includes an air cleaner 16 that filters dust and the like in the intake air along a direction of intake air flow, a compressor 18A of a turbocharger 18 that supercharges intake air, and a turbocharger 18.
  • An intercooler 20 that cools the intake air that has passed through is disposed in this order.
  • an exhaust pipe 24 connected to the exhaust manifold 22 of the diesel engine 10 includes a turbine 18B of a turbocharger 18 and a continuous regeneration type diesel particulate filter (DPF) device 26 along the exhaust circulation direction.
  • the injection nozzle 28 for injecting the urea aqueous solution, the SCR converter 30 for selectively reducing and purifying NOx using ammonia generated by hydrolyzing the urea aqueous solution, and the oxidation catalytic converter 32 for oxidizing the ammonia that has passed through the SCR converter 30 are in this order. Arranged.
  • the continuous regeneration type DPF device 26 includes a diesel oxidation catalyst (DOC) converter 26A that oxidizes at least nitric oxide (NO) into nitrogen dioxide (NO 2 ), a DPF 26B that removes PM in the exhaust, It is comprised including.
  • DOC diesel oxidation catalyst
  • DPF 26B that removes PM in the exhaust, It is comprised including.
  • CSF Catalyzed Soot Filter
  • the urea aqueous solution is an example of a precursor of a liquid reducing agent.
  • the aqueous urea solution stored in a metal tank 34 such as stainless steel is supplied to the injection nozzle 28 via a reducing agent addition unit 36 having a built-in pump and flow control valve.
  • the reducing agent addition unit 36 may be divided into two parts: a pump module with a built-in pump and a dosing module with a built-in flow control valve.
  • the diesel engine 10 is provided with an exhaust gas recirculation (EGR) device 38 that reduces NOx by lowering the combustion temperature by introducing a part of the exhaust gas into the intake air and recirculating it.
  • the EGR device 38 includes an EGR pipe 38A that introduces part of the exhaust gas flowing through the exhaust pipe 24 into the intake pipe 14, an EGR cooler 38B that cools the exhaust gas that flows through the EGR pipe 38A, and EGR of the exhaust gas that is introduced into the intake pipe 14. And an EGR control valve 38C for controlling the rate.
  • EGR exhaust gas recirculation
  • the outside air mixing device 42 controls the ratio of the outside air to be mixed with the exhaust gas by increasing or decreasing the opening area (opening degree) at the connection portion of the outside air introduction pipe 44 for introducing outside air.
  • the outside air mixing device 42 does not need to divert the exhaust to the tank 34 when the urea aqueous solution stored in the tank 34 is not frozen. Has the function of blocking. Therefore, an exhaust return pipe 46 that directly returns the exhaust gas to the exhaust pipe 24 without diverting the exhaust gas that has passed through the oxidation catalytic converter 32 to the tank 34 is connected to the outside air mixing device 42.
  • the bypass pipe 40 is not limited to the exhaust gas downstream of the oxidation catalyst converter 32, but is located between the exhaust pipe 24, the SRC converter 30, and the oxidation catalyst converter 32 positioned between the continuous regeneration DPF device 26 and the injection nozzle 28. A part of the exhaust may be taken out from the exhaust pipe 24 or the like located. In this case, the exhaust gas detoured to the tank 34 is returned to the position of the exhaust pipe 24 corresponding to the purification state of the exhaust gas.
  • the intermediate portion of the bypass pipe 40 contacts at least a part of the outer peripheral surface of the tank 34 so as to exchange heat between the exhaust gas flowing through the bypass pipe 40 and the urea aqueous solution stored in the tank 34.
  • the detour pipe 40 at the portion that contacts the tank 34 is bent a plurality of times as shown in FIG.
  • a metal sheet 48 that promotes heat transfer between the tank 34 and the bypass pipe 40 may be interposed.
  • a heat sink (not shown) may be formed on the metal sheet 48.
  • the detour pipe 40 has a certain degree of strength because it forms a part of the exhaust system. For this reason, as shown in FIG. 3, the detour pipe 40 can also form at least a part of a bracket 50 for attaching the tank 34 to a vehicle body (not shown). In this way, the bracket 50 for attaching the tank 34 to the vehicle body can be simplified, so that the weight can be reduced.
  • the bracket structure for attaching the tank 34 to the vehicle body directly fixes an attachment member 54 for detachably attaching a strap 52 for fixing the tank 34 to the bypass pipe 40, or FIG.
  • the detour tube 40 may be fitted into a recessed groove formed around the tank 34.
  • the elastic member 56 made of may be wound.
  • An exhaust temperature sensor 58 for detecting the exhaust temperature (exhaust temperature) Te is attached to the exhaust pipe 24 positioned between the continuous regeneration type DPF device 26 and the injection nozzle 28.
  • a reducing agent temperature sensor 60 that detects the temperature Tu of the aqueous urea solution stored in the tank 34 is attached to the tank 34.
  • an outside air temperature sensor 62 that detects an outside air temperature (outside air temperature) To is attached to a predetermined portion of the vehicle.
  • a rotational speed sensor 64 for detecting the rotational speed Ne and a load sensor 66 for detecting the load Q are respectively attached to predetermined locations of the diesel engine 10.
  • torque, fuel injection amount, supercharging pressure, accelerator opening, throttle opening, and the like can be used.
  • the outside air temperature To, the rotational speed Ne, and the load Q are not limited to the configuration directly read from each sensor, but from various control units such as an engine control unit connected via an in-vehicle network such as CAN (Controller Area Network). You may make it read.
  • CAN Controller Area Network
  • the output signals of the exhaust temperature sensor 58, the reducing agent temperature sensor 60, the outside air temperature sensor 62, the rotation speed sensor 64, and the load sensor 66 are input to a control unit 68 incorporating a computer, respectively.
  • the control unit 68 executes a control program stored in a non-volatile memory such as a flash ROM (Read Only Memory), so that the reducing agent addition unit 36 corresponds to the exhaust temperature Te, the rotational speed Ne, and the load Q.
  • the pump and flow control valve are electronically controlled.
  • the control unit 68 executes the control program to electronically control the outside air mixing device 42 according to the exhaust temperature Te, the reducing agent temperature Tu, and the outside air temperature To.
  • the exhaust temperature Te, the rotational speed Ne, and the load Q are listed as examples of the engine operating state.
  • exhaust gas from the diesel engine 10 is introduced into the DOC converter 26A of the continuous regeneration type DPF device 26 through the exhaust manifold 22 and the turbine 18B of the turbocharger 18.
  • Exhaust introduced into the DOC converter 26A flows to DPF26B being oxidized NO is to NO 2.
  • DPF 26B PM in the exhaust gas is removed and PM is continuously oxidized (incinerated) using NO 2 generated by the DOC converter 26A.
  • the urea aqueous solution injected from the injection nozzle 28 according to the engine operating state is hydrolyzed using exhaust heat and water vapor in the exhaust, and converted into ammonia that functions as a reducing agent.
  • This ammonia is known to be selectively reduced with NOx in the exhaust gas in the SCR converter 30 and purified to harmless H 2 O (water) and N 2 (nitrogen).
  • NO is oxidized to NO 2 by the DOC converter 26A, and the ratio of NO and NO 2 in the exhaust approaches a ratio suitable for the selective reduction reaction, so that the NOx purification rate in the SCR converter 30 can be improved. it can.
  • the ammonia that has passed through the SCR converter 30 is oxidized by the oxidation catalytic converter 32 disposed downstream of the exhaust gas, so that it is possible to suppress the ammonia from being released into the atmosphere as it is.
  • FIG. 6 shows an example of a control program that the control unit 68 repeatedly executes every predetermined time when the diesel engine 10 is started.
  • step 1 abbreviated as “S1” in the figure, the same applies hereinafter
  • the control unit 68 reads the temperature Tu of the urea aqueous solution from the reducing agent temperature sensor 60.
  • the control unit 68 determines whether or not the temperature Tu of the urea aqueous solution is equal to or lower than the freezing determination temperature.
  • the freezing determination temperature is a threshold value for determining whether or not the urea aqueous solution stored in the tank 34 may be frozen, for example, the freezing point when the concentration is 32.5%.
  • the temperature is slightly higher than -11 ° C.
  • the control unit 68 advances the process to step 3 if the temperature Tu of the aqueous urea solution is equal to or lower than the freezing determination temperature (Yes), and proceeds to step 8 if the temperature Tu of the aqueous urea solution is higher than the freezing determination temperature. Advance (No).
  • step 3 the control unit 68 determines whether or not the urea solution in the tank 34 has been sucked by the reducing agent addition unit 36.
  • whether or not the urea aqueous solution has been sucked can be determined by, for example, the discharge pressure of a pump built in the reducing agent addition unit 36.
  • the control unit 68 advances the process to step 4 if the urea aqueous solution cannot be sucked (Yes), and advances the process to step 8 if the urea aqueous solution can be sucked (No).
  • step 4 the control unit 68 reads the exhaust temperature Te from the exhaust temperature sensor 58.
  • step 5 the control unit 68 reads the outside air temperature To from the outside air temperature sensor 62.
  • the control unit 68 refers to the map in which the operation amount according to the exhaust temperature and the outside air temperature is set, and calculates the operation amount of the outside air mixing device 42 according to the exhaust temperature Te and the outside air temperature To.
  • the operation amount of the outside air mixing device 42 is an operation amount for cooling the exhaust temperature for heating the urea aqueous solution stored in the tank 34 to a predetermined temperature or less, and for example, a duty ratio according to the opening degree can be applied.
  • the predetermined temperature is a temperature at which ammonia-based gas is not generated even when the urea aqueous solution is heated. For example, about 60 ° C. can be adopted.
  • step 7 the control unit 68 outputs a signal corresponding to the operation amount to the outside air mixing device 42.
  • step 8 since the control unit 68 determines that the urea aqueous solution stored in the tank 34 is not frozen, the control unit 68 instructs the outside air mixing device 42 to shut off the exhaust gas diverted from the exhaust pipe 24 to the bypass pipe 40.
  • a passage blocking signal for the bypass pipe 40 is output.
  • the outside air mixing device 42 blocks the passage of the bypass pipe 40, the exhaust gas supplied from the oxidation catalytic converter 32 to the outside air mixing device 42 is returned to the exhaust pipe 24 through the exhaust return pipe 46.
  • the urea aqueous solution thawing process realized by the control program will be described.
  • Part of the exhaust gas that has passed through the oxidation catalyst converter 32 is supplied to the outside air mixing device 42. If the temperature Tu of the urea aqueous solution stored in the tank 34 is higher than the freezing determination temperature or if the urea aqueous solution can be sucked, it is determined that the urea aqueous solution in the tank 34 is not frozen or thawed, and the outside air mixing device 42
  • the exhaust gas supplied to is returned to the exhaust passage 24 through the exhaust return pipe 46. For this reason, when the urea aqueous solution in the tank 34 is not frozen, the urea aqueous solution is not heated more than necessary, and for example, generation of components derived from urea can be suppressed.
  • the temperature Tu of the urea aqueous solution stored in the tank 34 is equal to or lower than the freezing determination temperature and the urea aqueous solution cannot be sucked, it is determined that the urea aqueous solution in the tank 34 is frozen, and the exhaust temperature Te and the outside air temperature To The outside air mixing device 42 is controlled by an operation amount corresponding to the above.
  • the temperature Tu of the urea aqueous solution being equal to or lower than the freezing determination, it is determined that the urea aqueous solution stored in the tank 34 is frozen when the urea aqueous solution cannot be sucked. Can be improved.
  • the exhaust gas cooled to a predetermined temperature or less is supplied to the tank 34. Then, the exhaust gas flowing through the bypass pipe 40 and the urea aqueous solution in the tank 34 exchange heat, and the urea aqueous solution is thawed. At this time, since the tank 34 is made of metal, the urea aqueous solution is heated from its bottom wall and peripheral wall. Further, since the exhaust gas for thawing the urea aqueous solution has a high temperature even immediately after a cold start, the exhaust gas is cooled to the appropriate temperature by the outside air.
  • the tank 34 can be mounted at a position away from the diesel engine 10. Further, since the thawing pipe is not disposed inside the tank 34, there is no possibility of reducing the capacity of the tank 34.
  • the exhaust for heating the urea aqueous solution stored in the tank 34 is not limited to the exhaust flowing through the exhaust pipe 24 but may be exhaust flowing through the EGR pipe 38A of the EGR device 38 as shown in FIG.
  • the thawing target is not limited to the urea aqueous solution stored in the tank 34, but may be various liquid reducing agents or precursors thereof used in an exhaust purification device that selectively reduces and purifies NOx.
  • whether or not the urea aqueous solution stored in the tank 34 is frozen is determined based on one of two conditions: the temperature Tu of the urea aqueous solution is equal to or lower than the freezing determination temperature, or the urea aqueous solution cannot be sucked. You can also

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Abstract

　排気浄化装置は、排気中の窒素酸化物を還元浄化する還元触媒コンバータと、液体還元剤又はその前駆体を貯蔵するタンクと、タンクに貯蔵された液体還元剤又はその前駆体を還元触媒コンバータの排気上流に噴射する噴射ノズルと、を有する。そして、排気管を流れる排気の一部を迂回管によりタンクへと迂回させ、タンクに貯蔵された液体還元剤又はその前駆体との間で熱交換させることで、タンク内で凍結した液体還元剤又はその前駆体を解凍する。

Description

排気浄化装置、液体還元剤又はその前駆体の解凍方法
　本発明は、排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を選択還元浄化する排気浄化装置、並びに、排気浄化装置で使用する液体還元剤又はその前駆体の解凍方法に関する。
　エンジンの排気に含まれるＮＯｘを浄化する排気浄化システムとして、特開２０１２－１３０６０号公報（特許文献１）に記載されたような排気浄化装置が提案されている。この排気浄化装置は、エンジンの排気管に配設された選択還元触媒（ＳＣＲ；Selective Catalytic Reduction）コンバータの排気上流に、エンジン運転状態に応じた尿素水溶液を噴射し、加水分解により生成されるアンモニアを用いて、ＳＣＲコンバータでＮＯｘを選択還元反応させて無害成分へと浄化処理する。
　寒冷地などでは、冬期に外気温度が尿素水溶液の凝固点以下まで低下し、タンクに貯蔵された尿素水溶液が徐々に凍結して、ＳＣＲコンバータの排気上流に尿素水溶液を噴射できなくなってしまうことがある。このため、特許文献１で提案された従来技術では、エンジン冷却水を利用し、タンク内で凍結した尿素水溶液を解凍する構成が採用されている。
特開２０１２－１３０６０号公報
　しかしながら、コールドスタート直後などには、エンジン冷却水の温度が低く、特に、発熱量が少ない小排気量エンジンの場合には、エンジン冷却水の温度上昇が緩やかであることから、タンク内の尿素水溶液を短時間で解凍することが困難であった。
　そこで、本発明は、コールドスタート直後などであっても、液体還元剤又はその前駆体を短時間で解凍できる技術を提供することを目的とする。
　排気浄化装置は、排気中のＮＯｘを還元浄化する還元触媒コンバータと、液体還元剤又はその前駆体を貯蔵するタンクと、タンクに貯蔵された液体還元剤又はその前駆体を還元触媒コンバータの排気上流に噴射する噴射ノズルと、排気管を流れる排気の一部をタンクへと迂回させ、タンクに貯蔵された液体還元剤又はその前駆体との間で熱交換させる迂回管と、を有する。また、液体還元剤又はその前駆体の解凍方法は、排気中のＮＯｘを還元浄化する還元触媒コンバータの排気上流に噴射する液体還元剤又はその前駆体を貯蔵するタンクを、排気管を流れる排気の一部で加熱し、タンク内で凍結した液体還元剤又はその前駆体を解凍する。
　本提案技術によれば、コールドスタート直後などであっても、液体還元剤又はその前駆体を短時間で解凍できる。
排気浄化装置の一例を示す全体構成図である。 迂回管の一例を示す斜視図である。 ブラケットの一部を構成する迂回管の一例の斜視図である。 ブラケットの一部を構成する迂回管の他の例の斜視図である。 ブラケットの一部を構成する迂回管の更に他の例の斜視図である。 制御プログラムの一例を示すフローチャートである。 排気浄化装置の他の例を示す部分構成図である。
　以下、添付された図面を参照し、本発明を実施するための実施形態について詳述する。
　図１は、排気中の粒子状物質（ＰＭ；Particulate Matter）及びＮＯｘを浄化する排気浄化装置の一例を示す。
　ディーゼルエンジン１０の吸気マニフォールド１２に接続される吸気管１４には、吸気流通方向に沿って、吸気中の埃などを濾過するエアクリーナ１６，吸気を過給するターボチャージャ１８のコンプレッサ１８Ａ，ターボチャージャ１８を通過した吸気を冷却するインタークーラ２０がこの順番で配設される。
　一方、ディーゼルエンジン１０の排気マニフォールド２２に接続される排気管２４には、排気流通方向に沿って、ターボチャージャ１８のタービン１８Ｂ，連続再生式ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ；Diesel Particulate Filter）装置２６，尿素水溶液を噴射する噴射ノズル２８，尿素水溶液を加水分解して生成されるアンモニアを用いてＮＯｘを選択還元浄化するＳＣＲコンバータ３０，ＳＣＲコンバータ３０を通過したアンモニアを酸化させる酸化触媒コンバータ３２がこの順番で配設される。連続再生式ＤＰＦ装置２６は、少なくとも一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ2）へと酸化させるディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ；Diesel Oxidation Catalyst）コンバータ２６Ａと、排気中のＰＭを除去するＤＰＦ２６Ｂと、を含んで構成される。なお、ＤＰＦ２６Ｂの代わりに、その表面に触媒（活性成分及び添加成分）を担持させたＣＳＦ（Catalyzed Soot Filter）を使用することもできる。ここで、尿素水溶液は、液体還元剤の前駆体の一例として挙げられる。
　ステンレスなどの金属製のタンク３４に貯蔵された尿素水溶液は、ポンプ及び流量制御弁が内蔵された還元剤添加ユニット３６を介して、噴射ノズル２８に供給される。ここで、還元剤添加ユニット３６としては、ポンプが内蔵されたポンプモジュールと、流量制御弁が内蔵されたドージングモジュールと、に２分割されていてもよい。
　また、ディーゼルエンジン１０には、排気の一部を吸気に導入して再循環させることで、燃焼温度の低下によりＮＯｘを低減する排気再循環（ＥＧＲ；Exhaust Gas Recirculation）装置３８が取り付けられる。ＥＧＲ装置３８は、排気管２４を流れる排気の一部を吸気管１４へと導入するＥＧＲ管３８Ａと、ＥＧＲ管３８Ａを流れる排気を冷却するＥＧＲクーラ３８Ｂと、吸気管１４に導入する排気のＥＧＲ率を制御するＥＧＲ制御弁３８Ｃと、を含んで構成される。
　酸化触媒コンバータ３２の排気下流に位置する排気管２４には、排気管２４を流れる排気の一部をタンク３４へと迂回させ、タンク３４に貯蔵された尿素水溶液との間で熱交換させる迂回管４０が併設される。排気管２４と迂回管４０との接続箇所には、迂回管４０を流れる排気に対して外気を混合させる外気混合装置４２が配設される。
　外気混合装置４２は、外気を導入する外気導入管４４の接続部における開口面積（開度）を増減することで、排気に混合させる外気の割合を制御する。また、外気混合装置４２は、タンク３４に貯蔵された尿素水溶液が凍結していない場合、排気をタンク３４へと迂回させる必要がないことから、排気管２４から迂回管４０へと分流する排気を遮断する機能を有している。このため、外気混合装置４２には、酸化触媒コンバータ３２を通過した排気をタンク３４へと迂回させずに、排気を排気管２４へと直接戻す排気戻し管４６が接続されている。
　なお、迂回管４０は、酸化触媒コンバータ３２の排気下流に限らず、連続再生式ＤＰＦ装置２６と噴射ノズル２８との間に位置する排気管２４、ＳＲＣコンバータ３０と酸化触媒コンバータ３２との間に位置する排気管２４などから排気の一部を取り出すようにしてもよい。この場合には、排気の浄化状態に応じた排気管２４の位置に、タンク３４へと迂回した排気を戻すようにする。
　迂回管４０の中間部は、迂回管４０を流れる排気とタンク３４に貯蔵された尿素水溶液とを熱交換させるように、タンク３４の外周面の少なくとも一部と接触する。タンク３４に接触する部位の迂回管４０は、タンク３４との接触面積を増やすために、図２に示すように、複数回屈曲形成されている。この場合、タンク３４と迂回管４０との間に、両者間の熱伝達を促進するメタルシート４８を介在させてもよい。また、メタルシート４８からタンク３４への熱伝達を良好ならしめるため、メタルシート４８にヒートシンク（図示せず）を形成するようにしてもよい。
　迂回管４０は、排気系の一部を形成することから、ある程度の強度を有している。このため、迂回管４０は、図３に示すように、タンク３４を車体（図示せず）に取り付けるブラケット５０の少なくとも一部を形成することもできる。このようにすれば、タンク３４を車体に取り付けるブラケット５０が簡略化可能であるため、重量軽減を図ることができる。
　なお、タンク３４を車体に取り付けるブラケットの構造としては、図４に示すように、迂回管４０にタンク３４を固定するためのストラップ５２を着脱可能に取り付ける取付部材５４を直接固定したり、図５に示すように、タンク３４の周囲に陥凹形成した凹溝に迂回管４０を嵌合してもよい。タンク３４の凹溝に迂回管４０を嵌合する場合には、タンク３４と迂回管４０とが直接接触しないようにすべく、例えば、迂回管４０の所定箇所に熱伝導性に優れたゴムなどからなる弾性部材５６を巻き回すようにしてもよい。
　連続再生式ＤＰＦ装置２６と噴射ノズル２８との間に位置する排気管２４には、排気の温度（排気温度）Ｔｅを検出する排気温度センサ５８が取り付けられる。タンク３４には、タンク３４に貯蔵された尿素水溶液の温度Ｔｕを検出する還元剤温度センサ６０が取り付けられる。また、車両の所定箇所には、外気の温度（外気温度）Ｔｏを検出する外気温度センサ６２が取り付けられる。さらに、ディーゼルエンジン１０の所定箇所には、その回転速度Ｎｅを検出する回転速度センサ６４、その負荷Ｑを検出する負荷センサ６６が夫々取り付けられる。ここで、ディーゼルエンジン１０の負荷Ｑとしては、トルク，燃料噴射量，過給圧，アクセル開度，スロットル開度などを使用することができる。なお、外気温度Ｔｏ，回転速度Ｎｅ及び負荷Ｑは、各センサから直接読み込む構成に限らず、ＣＡＮ（Controller Area Network）などの車載ネットワークを介して接続された、エンジンコントロールユニットなどの各種コントロールユニットから読み込むようにしてもよい。
　排気温度センサ５８，還元剤温度センサ６０，外気温度センサ６２，回転速度センサ６４及び負荷センサ６６の各出力信号は、コンピュータを内蔵したコントロールユニット６８に夫々入力される。そして、コントロールユニット６８は、フラッシュＲＯＭ（Read Only Memory）などの不揮発性メモリに格納された制御プログラムを実行することで、排気温度Ｔｅ，回転速度Ｎｅ及び負荷Ｑに応じて、還元剤添加ユニット３６のポンプ及び流量制御弁を電子制御する。また、コントロールユニット６８は、制御プログラムを実行することで、排気温度Ｔｅ，還元剤温度Ｔｕ及び外気温度Ｔｏに応じて、外気混合装置４２を電子制御する。ここで、排気温度Ｔｅ，回転速度Ｎｅ及び負荷Ｑは、エンジン運転状態の一例として挙げられる。
　かかる排気浄化装置において、ディーゼルエンジン１０の排気は、排気マニフォールド２２，ターボチャージャ１８のタービン１８Ｂを経て、連続再生式ＤＰＦ装置２６のＤＯＣコンバータ２６Ａに導入される。ＤＯＣコンバータ２６Ａに導入された排気は、ＮＯがＮＯ2へと酸化されつつＤＰＦ２６Ｂへと流れる。ＤＰＦ２６Ｂでは、排気中のＰＭが除去されると共に、ＤＯＣコンバータ２６Ａにより生成されたＮＯ2を使用してＰＭが連続的に酸化（焼却）される。
　また、エンジン運転状態に応じて噴射ノズル２８から噴射された尿素水溶液は、排気熱及び排気中の水蒸気を使用して加水分解され、還元剤として機能するアンモニアへと転化される。このアンモニアは、ＳＣＲコンバータ３０において排気中のＮＯｘと選択還元反応し、無害なＨ2Ｏ（水）及びＮ2（窒素）へと浄化されることは知られたことである。このとき、ＤＯＣコンバータ２６ＡによりＮＯがＮＯ2へと酸化され、排気中のＮＯとＮＯ2との比率が選択還元反応に適した比率に近づくため、ＳＣＲコンバータ３０におけるＮＯｘ浄化率を向上させることができる。一方、ＳＣＲコンバータ３０を通過したアンモニアは、その排気下流に配設された酸化触媒コンバータ３２により酸化されるので、アンモニアがそのまま大気中に放出されることを抑制できる。
　図６は、ディーゼルエンジン１０が始動されたことを契機として、コントロールユニット６８が所定時間ごとに繰り返し実行する制御プログラムの一例を示す。
　ステップ１（図では、「Ｓ１」と略記する。以下同様。）では、コントロールユニット６８が、還元剤温度センサ６０から尿素水溶液の温度Ｔｕを読み込む。
　ステップ２では、コントロールユニット６８が、尿素水溶液の温度Ｔｕが凍結判定温度以下であるか否かを判定する。ここで、凍結判定温度は、タンク３４に貯蔵された尿素水溶液が凍結している可能性があるか否かを判定するための閾値であって、例えば、濃度が３２．５％の場合の凝固点－１１℃より若干高い温度とする。そして、コントロールユニット６８は、尿素水溶液の温度Ｔｕが凍結判定温度以下であれば処理をステップ３へと進める一方（Ｙｅｓ）、尿素水溶液の温度Ｔｕが凍結判定温度より高ければ処理をステップ８へと進める（Ｎｏ）。
　ステップ３では、コントロールユニット６８が、還元剤添加ユニット３６によりタンク３４の尿素水溶液が吸入できたか否かを判定する。ここで、尿素水溶液が吸入できたか否かは、例えば、還元剤添加ユニット３６に内蔵されたポンプの吐出圧などにより判定することができる。そして、コントロールユニット６８は、尿素水溶液が吸入できなければ処理をステップ４へと進める一方（Ｙｅｓ）、尿素水溶液が吸入できたならば処理をステップ８へと進める（Ｎｏ）。
　ステップ４では、コントロールユニット６８が、排気温度センサ５８から排気温度Ｔｅを読み込む。
　ステップ５では、コントロールユニット６８が、外気温度センサ６２から外気温度Ｔｏを読み込む。
　ステップ６では、コントロールユニット６８が、排気温度及び外気温度に応じた操作量が設定されたマップを参照し、排気温度Ｔｅ及び外気温度Ｔｏに応じた外気混合装置４２の操作量を演算する。外気混合装置４２の操作量は、タンク３４に貯蔵された尿素水溶液を加熱する排気温度を所定温度以下に冷却するための操作量であって、例えば、開度に応じたデューティ比などが適用できる。また、所定温度は、尿素水溶液を加熱してもアンモニア系ガスが発生しない温度であって、例えば、約６０℃を採用することができる。
　ステップ７では、コントロールユニット６８が、外気混合装置４２に対して操作量に応じた信号を出力する。
　ステップ８では、コントロールユニット６８が、タンク３４に貯蔵された尿素水溶液が凍結していないと判定したため、排気管２４から迂回管４０へと分流する排気を遮断すべく、外気混合装置４２に対して迂回管４０の通路遮断信号を出力する。ここで、外気混合装置４２が迂回管４０の通路を遮断すると、酸化触媒コンバータ３２から外気混合装置４２へと供給された排気は、排気戻し管４６を通って排気管２４へと戻される。
　次に、かかる制御プログラムにより実現される、尿素水溶液の解凍処理について説明する。
　酸化触媒コンバータ３２を通過した排気の一部は、外気混合装置４２に供給される。タンク３４に貯蔵された尿素水溶液の温度Ｔｕが凍結判定温度より高く、又は、尿素水溶液が吸入できたならば、タンク３４の尿素水溶液は凍結していない又は解凍されたと判定され、外気混合装置４２に供給された排気は、排気戻し管４６を通って排気通路２４へと戻される。このため、タンク３４の尿素水溶液が凍結していない場合には、尿素水溶液を必要以上に加熱することがなく、例えば、尿素由来の成分が生成されることを抑制することができる。
　一方、タンク３４に貯蔵された尿素水溶液の温度Ｔｕが凍結判定温度以下、かつ、尿素水溶液が吸入できなければ、タンク３４の尿素水溶液は凍結していると判定され、排気温度Ｔｅ及び外気温度Ｔｏに応じた操作量で外気混合装置４２が制御される。このとき、尿素水溶液の温度Ｔｕが凍結判定以下であることに加え、尿素水溶液が吸入できなかった場合に、タンク３４に貯蔵された尿素水溶液が凍結していると判定されるため、凍結判定精度を向上させることができる。このため、タンク３４の尿素水溶液が凍結している場合には、所定温度以下に冷却された排気がタンク３４に供給される。そして、迂回管４０を流れる排気とタンク３４の尿素水溶液とが熱交換し、尿素水溶液が解凍される。このとき、タンク３４は金属製であることから、その底壁及び周壁から尿素水溶液が加熱される。また、尿素水溶液を解凍する排気は、コールドスタート直後などであっても温度が高いので、これを外気で冷却して適温となる。
　従って、エンジン冷却水とは異なり、コールドスタート直後や低負荷運転時などであっても、タンク３４で凍結した尿素水溶液の解凍を開始することが可能となり、解凍時間の短縮を図ることができる。また、尿素水溶液を解凍する排気は外気と混合して適温となるので、ディーゼルエンジン１０から離れた位置にタンク３４を搭載することができる。さらに、タンク３４の内部に解凍用の配管が配設されていないため、タンク３４の容量を低下させるおそれがない。
　なお、タンク３４に貯蔵された尿素水溶液を加熱する排気は、排気管２４を流れる排気に限らず、図７に示すように、ＥＧＲ装置３８のＥＧＲ管３８Ａを流れる排気であってもよい。また、解凍対象としては、タンク３４に貯蔵された尿素水溶液に限らず、ＮＯｘを選択還元浄化する排気浄化装置で使用する、各種の液体還元剤又はその前駆体であってもよい。さらに、タンク３４に貯蔵された尿素水溶液が凍結しているか否かは、２つの条件のうちの一方、尿素水溶液の温度Ｔｕが凍結判定温度以下、又は、尿素水溶液の吸入ができないという条件から判定することもできる。
　　２４　排気管
　　２６Ｂ　ＤＰＦ
　　２８　噴射ノズル
　　３０　ＳＣＲコンバータ
　　３２　酸化触媒コンバータ
　　３４　タンク
　　３８Ａ　ＥＧＲ管
　　４０　迂回管
　　４２　外気混合装置
　　４８　メタルシート
　　５０　ブラケット
　　５８　排気温度センサ
　　６０　還元剤温度センサ
　　６２　外気温度センサ
　　６８　コントロールユニット

Claims (13)

  1. 　排気中の窒素酸化物を還元浄化する還元触媒コンバータと、
    　液体還元剤又はその前駆体を貯蔵するタンクと、
    　前記タンクに貯蔵された液体還元剤又はその前駆体を、前記還元触媒コンバータの排気上流に噴射する噴射ノズルと、
    　排気管を流れる排気の一部を前記タンクへと迂回させ、前記タンクに貯蔵された液体還元剤又はその前駆体との間で熱交換させる迂回管と、
    　を有することを特徴とする排気浄化装置。
  2. 　前記迂回管を流れる排気に対して外気を混合させる外気混合装置を更に有することを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
  3. 　前記迂回管は、前記タンクを車体に取り付けるブラケットの少なくとも一部を形成することを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
  4. 　排気の温度を検出する排気温度センサと、
    　外気の温度を検出する外気温度センサと、
    　前記排気温度センサにより検出された排気の温度、及び、前記外気温度センサにより検出された外気の温度に基づいて、前記外気混合装置を制御するコントロールユニットと、
    　を更に有することを特徴とする請求項２に記載の排気浄化装置。
  5. 　前記タンクに貯蔵された液体還元剤又はその前駆体の温度を検出する還元剤温度センサを更に有し、
    　前記外気混合装置は、前記排気管から前記迂回管へと分流する排気を遮断する機能を有すると共に、
    　前記コントロールユニットは、前記還元剤温度センサにより検出された液体還元剤又はその前駆体の温度に基づいて、前記タンクに貯蔵された液体還元剤又はその前駆体が凍結しているか否かを判定し、前記液体還元剤又はその前駆体が凍結していないと判定した場合に、前記排気管から前記迂回管へと分流する排気を遮断するように前記外気混合装置を制御することを特徴とする請求項４に記載の排気浄化装置。
  6. 　前記迂回管と前記タンクとの間に、メタルシートが介在されていることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
  7. 　前記メタルシートに、ヒートシンクが取り付けられていることを特徴とする請求項６に記載の排気浄化装置。
  8. 　前記還元触媒コンバータの排気下流に、前記還元触媒コンバータを通過した液体還元剤又はその前駆体を酸化させる酸化触媒コンバータが更に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
  9. 　前記還元触媒コンバータの排気上流に、排気中の粒子状物質を除去するディーゼルパティキュレートフィルタが更に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
  10. 　前記液体還元剤又はその前駆体は、尿素水溶液であることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
  11. 　排気中の窒素酸化物を還元浄化する還元触媒コンバータの排気上流に噴射する液体還元剤又はその前駆体を貯蔵するタンクを、排気管を流れる排気の一部で加熱し、前記タンク内で凍結した液体還元剤又はその前駆体を解凍することを特徴とする液体還元剤又はその前駆体の解凍方法。
  12. 　前記タンクを加熱する排気に外気を混合して、前記排気と前記外気との混合気の温度を低下させることを特徴とする請求項１１に記載の液体還元剤又はその前駆体の解凍方法。
  13. 　前記迂回管は、前記タンクを車体に取り付けるブラケットの少なくとも一部を形成することを特徴とする請求項１１に記載の液体還元剤又はその前駆体の解凍方法。
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