JP4911193B2 - 内燃機関の排気浄化システム - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気管内へ尿素水を添加することで排気を浄化するシステムに関する。

近年、自動車等に適用される内燃機関（特にディーゼルエンジン）において、排気中の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、以下に説明する尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）の開発が進められている。

すなわち、タンクに貯蔵された尿素水（尿素水溶液）を圧送するポンプと、ポンプの吐出側に接続された吐出配管と、吐出配管を通じて圧送された尿素水を内燃機関の排気管内へ添加する添加弁と、を備えるシステムである。そして、添加弁から排気管内へ尿素水を添加することで、排気と共に尿素水がＳＣＲ触媒へ供給され、該ＳＣＲ触媒上でのＮＯｘの還元反応によって排気が浄化される。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、ＳＣＲ触媒にて選択的に吸着された排気中の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。

ところで、上記尿素水は凍結すると体積膨張する特質を持つ。例えば、３０％濃度の尿素水では−１１℃で凍結して約１０％膨張する。そのため、内燃機関の運転終了後に吐出配管Ｐ２等の各種配管内に尿素水を残存させたままにしておくと、残存尿素水が凍結して膨張し、配管を損傷させることが懸念される。

この懸念に対し図９（ａ）に示す従来手法では、内燃機関の運転終了後にポンプを逆転作動させて、図中の矢印に示すように吐出配管Ｐ２内の残存尿素水をタンク１２へ戻すリターン運転を行っている。しかしながら、吐出配管Ｐ２内が負圧にならないように添加弁２０の噴孔２５ｂを開弁させた状態でこのリターン運転を行うため、排気管１０内の排ガス成分（例えば硫黄や煤）が添加弁２０や吐出配管Ｐ２内に吸い込まれることとなり、以下に例示される種々の問題が生じる。すなわち、添加弁２０の摺動部分に煤が堆積して摺動不良を起こす。また、硫黄が水と反応して生成される硫酸により吐出配管Ｐ２が腐食する。

この問題に対し特許文献１では、図９（ｂ）に示すように、添加弁２０の上流箇所に外気導入弁５０を設けている。そしてリターン運転時には、外気を流入させるよう外気導入弁５０を作動させるとともに、添加弁２０の噴孔２５ｂを閉弁させることで、排ガス成分の吐出配管Ｐ２への流入を回避したリターン運転を実現させている。

特表２００８−５１９９３２号公報

しかしながら、上記特許文献１記載の手法によっても以下の問題が生じるとの知見を本発明者らは得た。

すなわち、外気導入弁５０から流入させる外気（大気）の蒸気圧は、飽和蒸気圧より低いことが一般的である。このような低蒸気圧の外気（乾いた外気）を吐出配管Ｐ２内へ流入させると、尿素水中の水成分が蒸発して尿素成分が析出してしまう。そして、このような析出が例えばポンプ１３等の作動部品に生じると、その作動部品（ポンプ１３）の作動不良が生じてしまう。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、残存尿素水をタンクへ戻すリターン運転を行うにあたり、排ガス成分が配管内へ流入することを回避しつつ、尿素成分が析出することの抑制を図った内燃機関の排気浄化システムを提供することにある。

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記載する。

第１の発明は、タンクに貯蔵された尿素水を圧送するポンプと、前記ポンプの吐出側に接続された吐出配管と、前記吐出配管を通じて圧送された尿素水を内燃機関の排気管内へ添加する添加弁と、前記ポンプを正転作動させて前記添加弁へ尿素水を供給する通常運転と、前記ポンプを逆転作動させて前記吐出配管内の尿素水を前記タンクへ戻すリターン運転とを切り替える制御装置と、を備え、前記タンクと前記吐出配管とを連通させる連通配管を設け、前記リターン運転時には、逆転作動する前記ポンプの吸引力により、前記タンク内の蒸気が前記連通配管を通じて前記吐出配管へ吸引されるとともに、前記吐出配管内の尿素水が前記通常運転時と逆向きに前記ポンプを流通して前記タンクへ戻されるよう構成したことを特徴とする。

これによれば、リターン運転時にタンク内の蒸気を吐出配管へ流入させることで、排ガスや外気を流入させることなく、吐出配管Ｐ２内が負圧にならないようリターン運転を実現させることができる。そして、タンク内の蒸気は、外気に比べて蒸気圧が高い（湿った蒸気）であるため、尿素水中の水成分の蒸発を低減でき、尿素成分の析出を低減できる。よって、残存尿素水をタンクへ戻すリターン運転を行うにあたり、排ガス成分が配管内へ流入することを回避しつつ、尿素成分が析出することの抑制を図ることができる。

第２の発明では、前記連通配管に設けられ、前記リターン運転時には前記連通配管を開放し、前記通常運転時には前記連通配管を閉塞するよう作動する開閉バルブを備えることを特徴とする。

仮に、本発明に反して開閉バルブを備えていない場合には、通常運転時にポンプから圧送された尿素水の一部は、添加弁へ供給されることなく連通配管を通じてタンクへ戻されてしまうので、ポンプ駆動力に無駄が生じる。この点を鑑みた上記発明によれば、通常運転時には開閉バルブにより連通配管を閉塞させるので、上記無駄を解消できる。

第３の発明では、前記連通配管には、前記開閉バルブをバイパスして尿素水を流通させるバイパス配管が取り付けられ、前記バイパス配管には、尿素水の流通量を所定量以下に制限する制限手段（例えばオリフィス）が備えられていることを特徴とする。

上記発明によれば、通常運転時において、開閉バルブにより連通配管を閉塞させつつも、制限手段により所定量以下に制限された尿素水（微量の尿素水）が連通配管を通じてタンクへ戻されることとなる。そのため、通常運転時に微量の尿素水が連通配管を常時溢流することとなるので、吐出配管内で生じる尿素水の圧力脈動を抑制できる。よって、通常運転時における吐出配管内の尿素水圧力を高精度で制御できるようになり、ひいては添加弁からの尿素水の添加量を高精度で制御できるようになる。

特に、上記ポンプにプランジャポンプを採用している場合には、吐出配管内での圧力脈動が顕著に現れるので、上記発明による圧力脈動抑制の効果が好適に発揮される。

第４の発明では、前記制御装置は、前記リターン運転が終了した後に、前記添加弁の噴孔を開放させた状態で前記ポンプを所定時間だけ正転作動させる排出運転を実施することを特徴とする。

ここで、吐出配管のうち連通配管と連通する箇所から添加弁に至るまでの下流部分（図１中の符号Ｐ２ａに例示される部分）、及び添加弁の内部通路へは、リターン運転時にタンク内蒸気を流入させることができない。そのため、リターン運転を行っただけでは吐出配管の下流部分Ｐ２ａ及び添加弁の内部通路の残存尿素水を排出させることが困難となる。特に、添加弁内部通路にて残存尿素水が凍結すると、内部通路内の動作部品を動作できなくなるとの不具合が生じる。

この点を鑑みた上記発明では、リターン運転が終了した後に、添加弁の噴孔を開放させた状態でポンプを所定時間だけ正転作動させる排出運転を実施するので、吐出配管内の蒸気により、添加弁の内部通路及び下流部分Ｐ２ａの残存尿素水を押し出して噴孔から排出させることができる。
さらに、第５の発明では、前記吐出配管のうち前記連通配管と連通する箇所から前記添加弁に至るまでの下流部分、及び前記添加弁の内部通路の経路長に比べ、前記タンクと前記ポンプの吸入側とに接続された吸入配管の長さを長くすることで、前記下流部分及び前記内部通路の容積に比べ、前記吸入配管の容積を大きく構成したことを特徴とする。
ところで、排出運転を実施すると、タンク内の尿素水が吸入配管に流入してポンプに達してしまい、その結果、ポンプ内にて尿素水が凍結して、次回内燃機関始動時にポンプが作動しなくなるとの不具合が懸念される。
この点を鑑みた上記発明によれば、所定時間が経過して排出運転が完了した時点において、タンク内の尿素水がポンプに達することを回避できる。

第６の発明では、前記リターン運転時における前記蒸気の循環経路であって、前記タンク、前記連通配管、前記吐出配管、前記添加弁及び前記ポンプが少なくとも含まれる循環経路は、外部からの気体流入を阻止するよう密閉された状態となっていることを特徴とする。

ところで、従来の一般的なタンクには、内部蒸気圧の上昇を抑制してタンクに要求される耐圧強度の低減を図るべく、タンクに通気穴を形成したものがある。しかしながら、リターン運転時にタンク内の蒸気を吐出配管へ流入させる本発明において通気穴が形成されていると、リターン運転時に乾いた外気が通気穴から循環経路へ流入してしまい、尿素成分の析出低減といった効果が十分には発揮されなくなってしまう。

この点を鑑みた上記発明では、リターン運転時における蒸気の循環経路は、外部からの気体流入を阻止するよう密閉された状態となっており、上記通気穴も廃止されている。よって、リターン運転時に乾いた外気が循環経路へ流入することを回避でき、尿素成分の析出低減といった効果を十分に発揮できる。
第７の発明では、前記制御装置は、前記内燃機関の運転停止時点から予め設定された所定時間が経過したことを条件として、前記リターン運転を開始することを特徴とする。
ここで、リターン運転により吐出配管、ポンプ及び吸入配管から尿素水を排出した後は、吐出配管、ポンプ及び吸入配管に再度尿素水を充填させるのに時間がかかるので、添加弁からすぐには尿素水を噴射できない。
この点を鑑みた上記発明では、所定時間が経過したと判定された場合に、内燃機関停止後直ぐに再始動することがないとみなして、リターン運転を開始する。

本発明の第１実施形態にかかる排気浄化システムの構成図であり、（ａ）は通常運転時の作動を示し、（ｂ）はリターン運転時の作動を示す図。 図１に示す添加弁の断面図。 通常運転に関するＥＣＵの制御内容を示すフローチャート。 リターン運転に関するＥＣＵの制御内容を示すフローチャート。 本発明の第２実施形態にかかる排気浄化システムの構成図であり、（ａ）は通常運転時の作動を示し、（ｂ）はリターン運転時の作動を示す図。 本発明の第３実施形態にかかる排気浄化システムの構成図。 第３実施形態の変形例を示す、排気浄化システムの構成図。 本発明の第４実施形態にかかる排気浄化システムの構成図。 従来の排気浄化システムの構成図。

以下、本発明を具体化した各実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付しており、同一符号の部分についてはその説明を援用する。

（第１実施形態）
以下、本発明に係る排気浄化システムを具体化した実施形態について、図１〜図４を参照しつつ説明する。本実施形態に係る排気浄化システムは、車載ディーゼルエンジン（内燃機関）の燃焼室から排出されて排気管１０の排気通路１０ａを流れる排気を浄化するものである。

排気管１０には、ＮＯｘの還元反応（排気浄化反応）を促進する触媒装置１１が設置されており、排気管１０のうち触媒装置１１の上流側には、排気通路１０ａ中の排気に対して尿素水（尿素水溶液）を添加する添加弁２０が設置されている。

このような構成による排気浄化システムでは、添加弁２０により排気中へ尿素水を添加し、排気の流れ（排気流）を利用してその排気共々尿素水を下流の触媒装置１１へ供給するとともに、該触媒上でＮＯｘの還元反応を行うことによってその排気を浄化する。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、触媒にて選択的に吸着された排気中のＮＯｘに対し、このアンモニアが添加される。そして、同触媒上で、その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。

車両には尿素水を貯蔵するタンク１２が搭載されており、タンク１２に貯蔵された尿素水は、ポンプユニット１３により汲み上げられて添加弁２０へ圧送供給される。ポンプユニット１３の吸入側には吸入配管Ｐ１が接続され、吸入配管Ｐ１にはフィルタ１４が設置されている。また、ポンプユニット１３の吐出側には、吐出した尿素水を添加弁２０へと導く吐出配管Ｐ２が接続されている。

ポンプユニット１３は、尿素水を吸入して圧送吐出するポンプ１３ａ、ポンプ１３ａを駆動させる電動モータ１３ｂ、及び吐出圧力を検出する圧力センサ１３ｃ等を有して構成されている。本実施形態のポンプ１３ａにはプランジャポンプが採用されている。また、電動モータ１３ｂの駆動は、ＥＣＵ１５（制御装置）により電子制御（例えばデューティ制御）されており、吐出配管Ｐ２内の尿素水の圧力が所望の圧力となるよう、圧力センサ１３ｃの検出値に基づきフィードバック制御している。

さらに本実施形態では、タンク１２と吐出配管Ｐ２とを連通させる連通配管Ｐ３を備えている。連通配管Ｐ３は、タンク１２内の蒸気（気相の尿素水）を吐出配管Ｐ２へ導くための配管である。そのため、タンク１２内の液相尿素水が連通配管Ｐ３内に導入されないよう、連通配管Ｐ３の開口端はタンク１２内の上方（タンク１２の上蓋近傍）に位置するよう配置されている。

そして、連通配管Ｐ３に設けられた逆止弁１６（開閉バルブ）により、ポンプ１３ａから吐出された尿素水が連通配管Ｐ３を流通してタンク１２へ戻ることが防止される。当該逆止弁１６は以下に説明する周知の構成である。つまり、弁体１６ａと、弁体１６ａを閉弁方向に付勢する弾性部材１６ｂとを備えて構成され、弁体１６ａの前後差圧が設定圧を超えると弾性部材１６ｂの弾性力に抗して開弁する機械式の構造である。

吸入配管Ｐ１、吐出配管Ｐ２及びタンク１２の内部には、尿素水を加熱する電気ヒータ１７（加熱手段）が取り付けられている。電気ヒータ１７への通電はＥＣＵ１５により制御されており、特に、内燃機関の始動直後に通電して発熱させることで、吸入配管Ｐ１、吐出配管Ｐ２及びタンク１２の内部にて凍結した尿素水を解凍させる。

次に、図２を参照して添加弁２０の構成について説明する。添加弁２０は、一方の端部に入口部材２２が取り付けられたハウジング２１を備えており、入口部材２２に形成された供給口２２ａには吐出配管Ｐ２が接続されている。そして、ポンプ１３ａから吐出されて供給口２２ａから供給された尿素水は、フィルタ２３を経由してハウジング２１の内周側に流入する。

ハウジング２１の他方の端部には円筒形状のノズルホルダ２４が設置され、ノズルホルダ２４の内部には円筒形状のノズルボディ２５が収容されている。ノズルボディ２５は、先端に近づくにつれて内径が小さくなる円錐状の内壁面に弁座部２５ａを有している。また、ノズルボディ２５の端面には、尿素水を噴射する複数の噴孔２５ｂが形成されている。なお、供給口２２ａに供給された尿素水は、入口部材２２内部、ハウジング２１内部、ノズルホルダ２４内部、ノズルボディ２５内部を順に流通した後、噴孔２５ｂから排気通路１０ａに噴射される。

ハウジング２１、ノズルホルダ２４及びノズルボディ２５の内部に形成された収容室には、ニードル２６（弁体）が軸方向へ往復移動可能に収容されている。ニードル２６は、ノズルボディ２５と概ね同軸上に配置されており、ノズルボディ２５の外周面とノズルボディ２５の内周面との間は、尿素水が流れる環状通路２７として機能している。また、ニードル２６の端部には、ノズルボディ２５の弁座部２５ａと当接可能なシール部２６ａが形成されている。

添加弁２０は、ニードル２６を駆動する駆動部４０を有している。駆動部４０は、コイル４１、固定コア４２及び可動コア４３等を有して構成されている。可動コア４３は、ハウジング２１内にて軸方向へ往復移動可能に設置されている。可動コア４３にはニードル２６の端部が圧入又は溶接等により接続されており、ニードル２６と可動コア４３とは一体的に軸方向へ往復移動する。また、可動コア４３は、スプリング４８の弾性力により、弁座部２５ａに向けて押し付けられている。したがって、可動コア４３と接続されているニードル２６は、シール部２６ａを弁座部２５ａに着座させる向きに押し付けられる。

そして、コイル４１への通電状態をＥＣＵ１５で制御することにより、噴孔２５ｂからの尿素水の噴射と噴射停止とを制御している。具体的には、コイル４１への通電をオフさせると、可動コア４３及びニードル２６は弁座部２５ａ側へ押し付けられ、シール部２６ａは弁座部２５ａに着座する。これにより、環状通路２７が遮断されて、噴孔２５ｂからの尿素水噴射が停止される。一方、コイル４１へ通電させると、可動コア４３が固定コア４２に吸引されてニードル２６が弁座部２５ａから離座し、環状通路２７が開放されて噴孔２５ｂから尿素水が噴射される。

なお、触媒装置１１の下流側には、排気中のＮＯｘ量を検出するＮＯｘセンサ１１ａが備えられており、ＮＯｘセンサ１１ａの検出値に基づきＥＣＵ１５が添加弁２０の作動を制御することで、添加弁２０からの尿素水の添加量に過不足が生じないようにしている。

ここで、ポンプユニット１３は、尿素水を吐出配管Ｐ２の側へ吐出する通常運転、及び吸入配管Ｐ１の側へ吐出するリターン運転を切り替えて作動させることが可能となっている。具体的には、正回転駆動（正転作動）及び逆回転駆動（逆転作動）が切替可能な電動モータ１３ｂを採用し、ＥＣＵ１５によりその回転方向を制御する。

内燃機関の運転期間中には、電動モータ１３ｂを正転作動させる通常運転を行うことで、添加弁２０からの尿素水添加を可能にさせる。この通常運転では、図１（ａ）中の１点鎖線に示すように、タンク１２内の尿素水はポンプ１３ａに吸入され、ポンプ１３ａから吐出配管Ｐ２へ吐出された後、添加弁２０へ供給される。通常運転時には逆止弁１６が閉塞状態となるため、ポンプ１３ａから吐出配管Ｐ２に吐出された尿素水が連通配管Ｐ３を通じてタンク１２へ戻されることはない。

一方、内燃機関の運転停止直後には、電動モータ１３ｂを逆転作動させるリターン運転を行うとともに、添加弁２０の噴孔２５ｂを閉弁作動させることで、図１（ｂ）中の１点鎖線に示すように、吐出配管Ｐ２内の尿素水を、ポンプ１３ａへ吸入させ、ポンプ１３ａから吸入配管Ｐ１を通じてタンク１２に戻す。これにより、吐出配管Ｐ２、ポンプ１３ａ及び吸入配管Ｐ１内で尿素水が凍結膨張することにより各種部品が損傷することを回避する。

リターン運転時には、ポンプ１３ａの吸引力（負圧）により逆止弁１６が開弁状態となる。そのため、タンク１２内の蒸気は連通配管Ｐ３を通じて吐出配管Ｐ２へ吸引されるとともに、吐出配管Ｐ２内に残存していた液相尿素水はポンプ１３ａに吸引されてタンク１２内に戻される。

要するに、リターン運転時には、タンク１２内の蒸気が、連通配管Ｐ３、吐出配管Ｐ２、ポンプ１３ａ、吸入配管Ｐ１を順に流通してタンク１２へ戻されるよう、循環経路が構成されることとなる。この循環経路は、外部からの気体流入を阻止するよう密閉された状態となっている。具体的には、添加弁２０の噴孔２５ｂを閉弁して密閉状態にすることで排気通路１０ａの排ガス成分流入を阻止している。また、タンク１２に設けられているパージバルブ１２ａが閉弁作動して密閉状態にすることで、外気がタンク１２内に流入することを阻止している。

但し、通常運転時には逆止弁１６が閉塞状態となるため循環経路が構成されない。そのため、ポンプ１３ａの作動に伴いタンク１２内が負圧とならないようにすべく、タンク１２にはパージバルブ１２ａが取り付けられている。パージバルブ１２ａは、タンク１２内の圧力が設定値を超えた負圧になると開弁作動する機械式の構造である。なお、リターン運転時には上記循環経路が構成されるため、タンク１２内の圧力が設定値を超えて負圧になることはなく、パージバルブ１２ａの閉弁状態は維持される。

次に、内燃機関の運転期間中にＥＣＵ１５が実行する排気浄化システムの制御内容について、図３及び図４のフローチャートを用いて説明する。図３及び図４の処理は、ＥＣＵ１５が有するマイコンにより所定周期で繰り返し実行される処理である。

はじめに、図３を用いて通常運転に関する制御内容について説明する。

先ず、ステップＳ１０において、内燃機関のイグニッションスイッチが運転者によりオン操作されているか否かを判定する。オン操作されていれば（Ｓ１０：ＹＥＳ）、続くステップＳ１１にて電気ヒータ１７への通電をオンさせて、吸入配管Ｐ１、吐出配管Ｐ２及びタンク１２の内部を加熱する。続くステップＳ１２では、配管Ｐ１，Ｐ２及びタンク１２内の解凍が完了したか否かを判定する。例えば、電気ヒータ１７への通電をオンさせてから所定時間が経過していれば解凍完了と判定してもよいし、ポンプ１３ａを作動させた状態で圧力センサ１３ｃの検出値が所定値以上であれば解凍完了と判定してもよい。

解凍完了と判定されなければ（Ｓ１２：ＮＯ）処理はステップＳ１０に戻り、解凍完了と判定されれば（Ｓ１２：ＹＥＳ）ステップＳ１３に進み、排気浄化システムが正常であるか否かを判定する。例えば、ポンプユニット１３、添加弁２０及び電気ヒータ１７における電気系統に、断線や短絡等の異常が生じていないかを判定する。

システムに異常があると判定されれば（Ｓ１３：ＮＯ）、続くステップＳ１４において、ダイアグ信号を出力するとともに、フェイルセーフ処置を実行する。例えば、触媒装置１１に流入するＮＯｘ量が所定量以下となるよう内燃機関の運転状態を制限するとともに、異常発生の旨を運転者に報知する。システムが正常であると判定されれば（Ｓ１３：ＹＥＳ）、続くステップＳ１５において、吐出配管Ｐ２内の圧力、つまり圧力センサ１３ｃの検出値を取得する。

続くステップＳ１６では、取得した吐出配管Ｐ２内の圧力に基づき、ポンプ１３ａの制御量（電動モータ１３ｂのデューティ比）を算出する。本実施形態では、圧力センサ１３ｃの検出値と目標圧力との偏差に基づき前記デューティ比を補正することで、電動モータ１３ｂをフィードバック制御している。そして、続くステップＳ１７（通常運転制御手段）では、ステップＳ１６で算出した制御量にて正転作動させるよう、電動モータ１３ｂを駆動制御する。

次に、ステップＳ１８において、添加弁２０から添加させる尿素水の要求量を、ＮＯｘセンサ１１ａの検出値に基づき算出する。具体的には、検出したＮＯｘ量が多いほど要求添加量を増量補正する。続くステップＳ１９では、ステップＳ１８にて算出した要求添加量に基づき、添加弁２０のコイル４１への通電時間（噴孔２５ｂの開弁時間）を算出する。続くステップＳ２０では、ステップＳ１９にて算出した通電時間に基づき添加弁２０のコイル４１へ制御信号を出力する。そして、続くステップＳ２１において、イグニッションスイッチのオン操作状態が維持されていると判定されれば（Ｓ２１：ＹＥＳ）処理はステップＳ１３に戻り、オフ操作されたと判定されれば（Ｓ２１：ＮＯ）、図３の一連の処理を終了する。

次に、図４を用いてリターン運転に関する制御内容について説明する。

先ず、ステップＳ３０において、内燃機関のイグニッションスイッチが運転者によりオフ操作された状態であるか否かを判定する。オフ操作されていれば（Ｓ３０：ＹＥＳ）、続くステップＳ３１にて停止時間タイマーをインクリメント処理する。つまり、上記オフ操作が為された時点（内燃機関の運転停止時点）からの経過時間を計測する。イグニッションスイッチがオン状態であれば（Ｓ３０：ＮＯ）、ステップＳ３１でのタイマーをゼロにリセットする（Ｓ４１）。

続くステップＳ３２では、ステップＳ３１でのタイマー計測に基づき、内燃機関の運転停止時点から予め設定された第１所定時間が経過したか否かを判定する。ここで、リターン運転により吐出配管Ｐ２、ポンプ１３ａ及び吸入配管Ｐ１から尿素水を排出した後は、吐出配管Ｐ２、ポンプ１３ａ及び吸入配管Ｐ１に再度尿素水を充填させるのに時間がかかるので、添加弁２０からすぐには尿素水を噴射できない。ステップＳ３２はこの点を鑑みた処理であり、運転者が短時間のうちに内燃機関を再始動することがないことを確認するための処理である。

第１所定時間が経過していないと判定（Ｓ３２：ＮＯ）された場合には、ステップＳ３０に戻る。よって、次のステップＳ３１の処理によりタイマーが加算されることとなる。一方、第１所定時間が経過したと判定（Ｓ３２：ＹＥＳ）された場合には、エンジン停止後直ぐに再始動することがないとみなして、続くステップＳ３３（リターン運転制御手段）において、先述したリターン運転を開始する。つまり、ポンプユニット１３を逆転作動させる。

図３のステップＳ１７における通常運転では、配管内圧力が目標値となるよう電動モータ１３ｂの駆動を制御（フィードバック制御）しているのに対し、上記ステップＳ３３におけるリターン運転では、短時間で尿素水を排出させるべく、ポンプ１３ａが最大吐出量となるよう電動モータ１３ｂの駆動を制御（オープン制御）している。

続くステップＳ３４では、イグニッションスイッチのオフ状態が継続されているか否かを判定し、リターン運転実施中にオン操作が為されれば（Ｓ３４：ＮＯ）、運転者がエンジン再始動を意図したとみなし、ポンプ１３ａの逆転作動を停止させる（Ｓ４２）。オフ状態が継続されていれば（Ｓ３４：ＹＥＳ）、続くステップＳ３５において、ポンプ１３ａの逆転作動時間が、予め設定された第２所定時間を経過したか否かを判定する。吐出配管Ｐ２、ポンプ１３ａ及び吸入配管Ｐ１内の残存尿素水が、リターン運転により排出されるのに要する時間となるよう、第２所定時間は設定されている。

イグニッションスイッチのオフ状態が継続されており（Ｓ３４：ＹＥＳ）、第２所定時間に達していなければ（Ｓ３５：ＮＯ）、リターン運転を継続させる。その後、第２所定時間に達したと判定（Ｓ３５：ＹＥＳ）された時点で、続くステップＳ３６（排出運転制御手段）において、添加弁２０の噴孔２５ｂを開放させた状態でポンプ１３ａを第３所定時間だけ正転作動（排出運転）させるとともに、続くステップＳ３７において、添加弁２０のコイル４１に通電してニードル２６を開弁作動させる。

ここで、吐出配管Ｐ２のうち連通配管Ｐ３と連通する箇所（図１中の符号Ｑ参照）から添加弁２０に至るまでの下流部分（図１中の符号Ｐ２ａ参照）、及び添加弁２０の内部通路（例えば弁座部２５ａ及びシール部２６ａの間（シート間）や、環状通路２７等）は、リターン運転時に構成される循環経路には含まれない。よって、これらの下流部分Ｐ２ａ及び添加弁内部通路へはリターン運転時にタンク内蒸気を流入させることができない。そのため、リターン運転を行っただけでは下流部分Ｐ２ａ及び添加弁内部通路の残存尿素水を排出させることができない。特に、前記シート間２５ａ，２６ａでは僅かにでも凍結が生じていると、噴孔２５ｂを開弁できず尿素水の添加ができなくなる。

上記ステップＳ３６による排出運転は、この点を鑑みた処理であり、リターン運転が完了した直後に、添加弁２０の噴孔２５ｂを開弁させた状態でポンプ１３ａを所定時間だけ正転作動させるので、吐出配管Ｐ２内の蒸気により、添加弁内部通路及び下流部分Ｐ２ａの残存尿素水を押し出して噴孔２５ｂから排出させることができる。

なお、排出運転時には逆止弁１６は閉塞状態となる。また、排出運転では、短時間で尿素水を排出させるべく、ポンプ１３ａが最大吐出量となるよう電動モータ１３ｂの駆動を制御（オープン制御）している。

排出運転を実施すると、タンク１２内の尿素水が吸入配管Ｐ１に流入してポンプ１３ａに達してしまい、その結果、ポンプ１３ａ内にて尿素水が凍結して、次回エンジン始動時にポンプ１３ａが作動しなくなるとの不具合が懸念される。或いは、ポンプ１３ａ内で凍結した尿素水を電気ヒータ１７で解凍するのに長時間を要することが懸念される。

そこで本実施形態では、下流部分Ｐ２ａ及び添加弁内部通路の経路長に比べ、吸入配管Ｐ１の長さを長くするよう設定している。これによれば、第３所定時間が経過して排出運転が完了した時点において、タンク１２内の尿素水がポンプ１３ａに達することを回避できる。

続くステップＳ３８では、イグニッションスイッチのオフ状態が継続されているか否かを判定し、リターン運転実施中にオン操作が為されれば（Ｓ３８：ＮＯ）、運転者がエンジン再始動を意図したとみなし、ポンプ１３ａの正転作動（排出運転）を停止させるとともに、添加弁２０への通電を停止して噴孔２５ｂを閉弁させる（Ｓ４３）。

オフ状態が継続されていれば（Ｓ３８：ＹＥＳ）、続くステップＳ３９において、排出運転時間が予め設定された第３所定時間を経過したか否かを判定する。添加弁内部通路及び下流部分Ｐ２ａの残存尿素水が、排出運転により排出されるのに要する時間となるよう、第３所定時間は設定されている。

イグニッションスイッチのオフ状態が継続されており（Ｓ３８：ＹＥＳ）、第３所定時間に達していなければ（Ｓ３９：ＮＯ）、排出運転を継続させる。その後、第３所定時間に達したと判定（Ｓ３９：ＹＥＳ）された時点で、続くステップＳ４０において、ポンプ１３ａの正転作動（排出運転）を停止させるとともに、添加弁２０への通電を停止して噴孔２５ｂを閉弁させる。

以上により、本実施形態によれば、リターン運転時にタンク１２内の蒸気を吐出配管Ｐ２へ流入させることで、排ガスや外気を流入させることなく、吐出配管Ｐ２内が負圧にならないようリターン運転を実現させることができる。そして、タンク１２内の蒸気は飽和蒸気圧となっているため、外気に比べて蒸気圧が高い。よって、尿素水中の水成分の蒸発を低減でき、吐出配管Ｐ２、ポンプ１３ａ、吸入配管Ｐ１の内部で尿素成分が析出することを抑制できる。よって、残存尿素水をタンク１２へ戻すリターン運転を行うにあたり、排ガス成分が配管内へ流入することを回避しつつ、尿素成分が析出することの抑制を図ることができる。

また、通常運転時には逆止弁１６により連通配管Ｐ３を閉塞させるので、ポンプ１３ａから圧送された尿素水の一部が添加弁２０へ供給されることなく連通配管Ｐ３を通じてタンク１２へ戻されてしまうといった、ポンプ駆動力の無駄を回避できる。

また、リターン運転が終了した直後に、噴孔２５ｂを開放させた状態でポンプ１３ａを第３所定時間だけ正転作動（排出運転）させるので、添加弁内部通路及び下流部分Ｐ２ａの残存尿素水を押し出して噴孔２５ｂから排出させることができる。

リターン運転時に形成される循環経路は、パージバルブ１２ａが閉弁するとともに噴孔２５ｂを閉弁させ、密閉された状態となっているので、リターン運転時に乾いた外気が循環経路へ流入することを回避でき、尿素成分の析出低減といった効果を十分に発揮できる。

また、リターン運転時には循環経路が形成されるので、図９（ａ）の如く噴孔２５ｂから吸引する場合に比べて圧力損失を低減できるとともに、ポンプ１３ａの吐出量を増大できる。よって、リターン運転時間を短時間で完了させることができ、ポンプ駆動に要する消費電力を低減できる。

（第２実施形態）
図５に示す本実施形態では、連通配管Ｐ３に、逆止弁１６をバイパスして尿素水を流通させるバイパス配管Ｐ４が取り付けられており、バイパス配管Ｐ４には、尿素水の流通量を所定量以下に制限する制限手段として、オリフィス１８（絞り弁）が取り付けられている。これらバイパス配管Ｐ４及びオリフィス１８以外の構成については、図１に示す上記第１実施形態と同じ構成であり、図３及び図４に示す制御内容についても同じである。

本実施形態ではバイパス配管Ｐ４を備えるので、通常運転時において、ポンプ１３ａから吐出された尿素水は図５（ａ）中の１点鎖線に示すように流れる。すなわち、ポンプ１３ａから吐出された尿素水のうち大部分が添加弁２０へ供給され、微量の尿素水がバイパス配管Ｐ４を通じてタンク１２へ戻ることとなる。つまり、ポンプ１３ａから吐出された尿素水の一部が連通配管Ｐ３を常時溢流することとなる。

なお、オリフィス１８の開度は、リターン運転時における開弁状態の逆止弁１６の開度よりも小さくなるよう設定されている。また、オリフィス１８の開度は、通常運転時における開弁状態のシート間２５ａ，２６ａの開度又は噴孔２５ｂの開度よりも小さくなるよう設定されている。

一方、リターン運転時においては、ポンプ１３ａの吸引力（負圧）により逆止弁１６が開弁状態となる。そのため、タンク１２内の蒸気は、図５（ｂ）中の１点鎖線に示すように、連通配管Ｐ３を通じて吐出配管Ｐ２へ吸引されるとともに、吐出配管Ｐ２内に残存していた液相尿素水はポンプ１３ａに吸引されてタンク１２内に戻される。要するに、リターン運転時には、タンク１２内の蒸気が、連通配管Ｐ３、吐出配管Ｐ２、ポンプ１３ａ、吸入配管Ｐ１を順に流通してタンク１２へ戻されるよう、循環経路が構成されることとなる。

ところで、本実施形態のポンプ１３ａにはプランジャポンプが採用されているため、通常運転時において吐出配管Ｐ２内に圧力脈動が生じる。この圧力脈動が大きいと、添加弁２０の開弁時間が同じであっても、噴孔２５ｂからの噴射量が変化してしまい、添加量を高精度で制御する妨げとなる。また、電動モータ１３ｂの駆動をフィードバック制御するにあたり、その制御性が低下する。

これに対し本実施形態では、通常運転時においてポンプ１３ａから吐出された尿素水の一部が連通配管Ｐ３を常時溢流することとなるため、吐出配管Ｐ２及び添加弁内部通路等で生じる尿素水の圧力脈動を抑制できる。よって、添加弁２０からの尿素水の添加量を高精度で制御できるようになる。

（第３実施形態）
上記第１実施形態では、連通配管Ｐ３に設けられた開閉バルブに逆止弁１６を採用しているのに対し、図６に示す本実施形態では、逆止弁１６に替えて電磁弁１６０を採用している。この電磁弁１６０は、通常運転時及び排出運転時には閉弁し、リターン運転時には開弁するようＥＣＵ１５により制御される。

他の構成については、図１に示す上記第１実施形態と同じ構成であり、図３及び図４に示す制御内容についても同じである。本実施形態によれば、上記第１実施形態と同じ効果が発揮される。

なお、本実施形態の変形例として、第２実施形態におけるバイパス配管Ｐ４及びオリフィス１８を本実施形態に組み合わせて、図７に示す構成にすることが挙げられる。

（第４実施形態）
図８に示す本実施形態では、上記第１実施形態では、添加弁２０を冷却するための冷却装置１９を備えた排気浄化システムに、本発明を適用させている。図８に例示される冷却装置１９は、エンジン冷却水を内部に流入させる流入口１９ａ及び流出口１９ｂを備え、流入口１９ａから流入させたエンジン冷却水と添加弁２０とを熱交換させることで添加弁２０を冷却させるよう構成されている。

そして本実施形態では、このような冷却装置１９に電磁弁１６０（開閉バルブ）を組み付けている。これにより、開閉バルブの搭載性を向上させている。なお、本実施形態の開閉バルブに逆止弁１６を採用してもよい。また、第２実施形態におけるバイパス配管Ｐ４及びオリフィス１８を本実施形態に組み合わせてもよく、この場合、オリフィス１８を冷却装置１９に組み付けて、オリフィス１８の搭載性向上を図ってもよい。

（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、以下のように変更して実施してもよい。また、各実施形態の特徴的構成をそれぞれ任意に組み合わせるようにしてもよい。

・上記各実施形態では、ポンプユニット１３をタンク１２の外部に配置したインラインタイプに本発明を適用させているが、ポンプユニット１３をタンク１２の内部に配置したインタンクタイプに本発明を適用させてもよい。

・上記各実施形態では、電動モータ１３ｂをデューティ制御しているが、例えば、以下に例示するオンオフ制御であってもよい。すなわち、圧力センサ１３ｃの検出値（実圧力）が目標圧力よりも所定以上高くなった時に電動モータ１３ｂへの通電をオフし、実圧力が目標圧力よりも所定以上低くなった時に電動モータ１３ｂへの通電をオンする。

・上記各実施形態では、ポンプ１３ａにプランジャポンプを採用しているが、例えばインペラポンプ等、他のポンプを採用してもよい。

・上記各実施形態のポンプユニット１３では、ポンプ１３ａの駆動源として電動モータ１３ｂを採用しているが、当該駆動源は電動モータ１３ｂに限られるものではなく、例えば、内燃機関の駆動力によりポンプ１３ａを駆動させるようにしてもよい。

１２…タンク、１３ａ…ポンプ、１５…ＥＣＵ（制御装置）、１６…逆止弁（開閉バルブ）、２０…添加弁、１６０…電磁弁（開閉バルブ）、Ｓ１７…通常運転制御手段、Ｓ３３…リターン運転制御手段、Ｓ３６…排出運転制御手段、Ｐ２…吐出配管、Ｐ３…連通配管、Ｐ４…バイパス配管。

Claims (5)

1. タンクに貯蔵された尿素水を圧送するポンプと、
   前記ポンプの吐出側に接続された吐出配管と、
   前記吐出配管を通じて圧送された尿素水を内燃機関の排気管内へ添加する添加弁と、
   前記ポンプを正転作動させて前記添加弁へ尿素水を供給する通常運転と、前記ポンプを逆転作動させて前記吐出配管内の尿素水を前記タンクへ戻すリターン運転とを切り替える制御装置と、
   を備え、
   前記タンクと前記吐出配管とを連通させる連通配管を設け、
   前記リターン運転時には、逆転作動する前記ポンプの吸引力により、前記タンク内の蒸気が前記連通配管を通じて前記吐出配管へ吸引されるとともに、前記吐出配管内の尿素水が前記通常運転時と逆向きに前記ポンプを流通して前記タンクへ戻されるよう構成し、
   前記制御装置は、前記リターン運転が終了した後に、前記添加弁の噴孔を開放させた状態で前記ポンプを所定時間だけ正転作動させる排出運転を実施し、
   前記吐出配管のうち前記連通配管と連通する箇所から前記添加弁に至るまでの下流部分、及び前記添加弁の内部通路の経路長に比べ、前記タンクと前記ポンプの吸入側とに接続された吸入配管の長さを長くすることで、前記下流部分及び前記内部通路の容積に比べ、前記吸入配管の容積を大きく構成したことを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
2. 前記連通配管に設けられ、前記リターン運転時には前記連通配管を開放し、前記通常運転時には前記連通配管を閉塞するよう作動する開閉バルブを備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化システム。
3. 前記連通配管には、前記開閉バルブをバイパスして尿素水を流通させるバイパス配管が取り付けられ、
   前記バイパス配管には、尿素水の流通量を所定量以下に制限する制限手段が備えられていることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化システム。
4. 前記リターン運転時における前記蒸気の循環経路であって、前記タンク、前記連通配管、前記吐出配管、前記添加弁及び前記ポンプが少なくとも含まれる循環経路は、外部からの気体流入を阻止するよう密閉された状態となっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化システム。
5. 前記制御装置は、前記内燃機関の運転停止時点から予め設定された所定時間が経過したことを条件として、前記リターン運転を開始することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化システム。

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