JP2008286096A - 内燃機関の排気後処理装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 寒冷地における車両走行時または駐停車時において、タンク内の尿素水溶液が凍結することで、水溶液濃度が不安定となり、温度ムラが生じて尿素が析出するのを防止する。
【解決手段】 内燃機関の排気通路１１に設置されたＳＣＲ触媒２３に、還元剤として尿素水溶液を添加する添加弁３を設け、尿素水供給路３１にて尿素水タンク４と接続する。尿素水タンク４内の尿素水溶液を撹拌する撹拌羽根５１を有する撹拌手段５と、尿素水タンク内の尿素水溶液の凍結を監視する尿素水温検出手段７１を設け、その温度から、コントローラユニット７が凍結状態を監視して撹拌手段５を制御し、エンジン駆動時および駐停車時の凍結を防止する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に尿素還元触媒を備える排気後処理装置に関する。
車両内燃機関から排出される窒素酸化物（ＮＯｘ）低減技術として、尿素還元触媒を用いた排気後処理装置（尿素ＳＣＲシステム）が知られている。尿素ＳＣＲシステムの代表的な構成例を、図５に示すと、エンジンの排気管１０１に、還元剤の作用で尿素を選択的に還元するＳＣＲ触媒１０２が配設されており、その入口側に設置した添加弁１０３から、還元剤となる尿素水溶液が噴射されるようになっている。排気管１０１内に添加された尿素水溶液は、排気管１０１内で熱分解反応および加水分解反応を生起し、生成したアンモニアがＳＣＲ触媒上でＮＯｘを浄化する。
還元剤となる尿素水溶液は、車両に搭載された尿素水タンク１０４に貯蔵され、尿素水供給管１０５からフィルタ１０６を経て添加弁１０３へ供給される。尿素水溶液は、アンモニアに比べて取り扱いが容易で毒性がないことから、尿素ＳＣＲシステム用として好適であり、中でも凍結温度が最も低い（−１１℃）の３２．５％水溶液を使用することが主流となっている。
ところが、寒冷地や厳冬期のように使用環境が極低温となる場合には、尿素水タンク１０４近傍の温度が、尿素水溶液の凝固点（−１１℃）まで低下するおそれがある。このため、尿素水タンク内において尿素水溶液が局所的に凍結または全凍結するおそれがあり、低温下での凍結対策が必要となっている。
従来技術として、例えば特許文献１には、タンク内の最高液面レベルと、その上方のタンク上壁面との間に、タンク内室で凍結した液体の体積増大に対応する空隙を設けて、体積増によるタンク損傷等を防止するようにした液体タンク構成が開示されている。さらに、タンク底部にヒータを配置したりタンク外側にヒータを組み込んだ断熱材を設置することで、凍結した尿素水溶液を解凍可能としている。
特開２００４−３２４６５１号公報
特許文献１の技術では、タンク内容物の凍結を、充填レベル測定装置等の測定値を基に検出すると、ヒータを作動させて、凍結したタンク内容物を溶解させるようになっている。ヒータは、有利にはエンジン冷却回路の熱交換媒体を利用した複数の加熱管からなるヒータが使用され、走行運転中の液体の凍結を防止する。電気的なヒータとして形成することも可能としている。
しかしながら、一旦タンク内の尿素水溶液の一部が凍結してしまうと、添加弁へ供給される尿素水溶液の濃度が不安定になる問題があった。この不安定要因は、タンク内が部分凍結し、凍結していない尿素水（高濃度の水溶液）がポンプにて吸入吐出されることによる。そして、部分凍結が進行すると、不凍結部位の尿素水が、さらに高濃度の水溶液となり、局所的に過飽和となって（例えば５０％以上）、尿素成分が結晶として析出してしまう。この析出が生じると、ヒータ作動により凍結したタンク内容物が全解凍された後も、析出した尿素成分が水溶液中に溶け込みにくい状態となり、解凍状態となった部位は、逆に当初の設定濃度よりも低濃度の尿素水溶液となる。
また、凍結防止のために早期にヒータを作動させることも可能であるが、その場合には、タンク内の温度ムラによって尿素水溶液濃度にばらつきが生じやすくなる。これは、ヒータ周囲とタンクから離れた部位とで温度差が生じ、タンク内全体が均一な温度になりにくいこと、尿素の水への溶解度は温度によって異なることによる。さらに、極低温環境において長期間、タンク内の尿素水溶液が静止した状態で放置された場合には、タンク内が完全に凍結してしまい、エンジン始動時に尿素水溶液を速やかに供給することが困難になる。また、ヒータに解凍が開始されても、全解凍するまでにより多くの時間を要する上、解凍過程で供給濃度が不安定になる同様の問題があった。
このように、従来の技術では、安定した狙い濃度の尿素水溶液を添加弁に供給して、所望のＮＯｘ浄化性能を実現することが困難であった。
本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、寒冷地における車両走行時または駐停車時において、タンク内の尿素水溶液が凍結するのを防止することにある。特に、局所的な凍結や温度ムラにより水溶液濃度が不安定となったり、尿素が析出したりするのを防止し、あるいは凍結が進んで供給に支障が生じるのを防止して、タンク内の尿素水溶液を均一で安定した濃度に維持するものである。
請求項１の発明は、内燃機関の排気通路に設置された尿素還元触媒と、
上記尿素還元触媒の上流側に還元剤として尿素水溶液を添加する尿素添加手段と、
上記尿素添加手段と尿素水供給路にて接続される尿素水タンクとを備える排気後処理装置において、
上記尿素水タンク内に蓄えられる尿素水溶液を撹拌する撹拌手段と、
上記尿素水タンク内における尿素水溶液の凍結を監視する凍結監視手段と、
上記凍結監視手段からの凍結監視情報に基づいて、上記撹拌手段による尿素水溶液の撹拌動作を制御する撹拌動作制御手段を設けたことを特徴とする。
請求項１の発明によれば、尿素水タンク内において凍結のおそれがある時には、撹拌動作制御手段が撹拌手段を作動させ、強制的にタンク内の尿素水溶液を攪拌するので、タンク内の温度・濃度が均一化し、凍結を防止する効果が得られる。よって局所的な凍結や温度ムラが生じて水溶液濃度が不安定となったり、尿素が析出するのを防止し、均一な尿素水溶液を安定して供給できる。
請求項２の発明のように、具体的には、上記撹拌手段は、上記尿素水タンク内に設置された撹拌部材と、上記撹拌部材を駆動する駆動手段を有して機械的に尿素水溶液を攪拌する構成とすることで容易にタンク内を均一混合できる。
請求項３の発明のように、上記尿素水タンク内の尿素水溶液を加熱する尿素水加熱手段を有する構成としてもよい。撹拌部材と併用することで、より効果的に凍結を防止できる。
請求項４の発明のように、具体的には、上記尿素水タンクの底面中央部近傍に、上記撹拌部材を配置し、上記尿素水タンクの底面外周部近傍に、上記尿素水加熱手段を配置することができる。
好適には、低温となりやすい尿素水タンクの底面外周部付近に尿素水加熱手段を配して、尿素水溶液の凍結を防止するとよい。また、高濃度となりやすい底面中央部に撹拌部材を配置して、濃度および温度を均一にすることで、固体尿素の析出を防止する効果が得られる。
請求項５の発明のように、上記尿素水供給路へ尿素水溶液を圧送するポンプと、上記尿素水供給路から余剰の尿素水溶液を上記尿素水タンクへ戻すリターン路を有する第２の撹拌手段を設けることもできる。第２の撹拌手段は、上記ポンプの駆動に伴う流体循環により尿素水溶液を攪拌する作用を有し、既存の構成を利用して、容易に尿素水溶液を攪拌する効果を高めることができる。
請求項６の発明において、上記凍結監視手段は、上記尿素水タンク内またはタンク外の温度を検出する温度検出手段を備え、上記撹拌動作制御手段は、上記温度検出手段の検出結果から上記尿素水タンク内における尿素水溶液の凍結可能性の有無を判断し、その判断結果に基づいて上記撹拌手段および尿素水加熱手段の作動と非作動の切替えを行う。
尿素水タンク内またはタンク外の温度により、尿素水タンク内における尿素水溶液の凍結可能性の有無を容易に判断することができ、その結果から撹拌手段および尿素水加熱手段を作動させることで、上記効果が容易に得られる。
請求項７の発明において、上記撹拌動作制御手段は、上記温度検出手段の検出結果に基づいて、上記尿素水タンク内の尿素水溶液が少なくとも部分的に凍結する温度以下となった時に、上記撹拌手段および尿素水加熱手段を作動させ、尿素水溶液が凍結するおそれのない所定温度以上となったら、上記撹拌手段および尿素水加熱手段の作動を停止する。
具体的には、尿素水溶液の温度が、例えば凍結温度より高い所定温度を下回ったら、部分的に凍結する状態にあると判断して、撹拌手段および尿素水加熱手段を作動させる。これを凍結のおそれのない所定温度となるまで継続することで、タンク内を温度ムラなく、均一撹拌して、凍結を防止することができる。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
図１に、本発明の第１実施形態における内燃機関の排気後処理装置の全体構成を示す。本実施形態の内燃機関としては、図示しない車両に搭載された多気筒（例えば４気筒）のディーゼルエンジン１が採用されている。エンジン１の排気通路１１には、排気マニホールドの下流にターボチャージャ１２のタービンが設置されており、排気によりタービンが駆動されると、図示しない吸気通路のコンプレッサが回転して吸入空気を圧縮する方式となっている。
エンジン１から排出される排気は、ターボチャージャ１２下流の排気通路１１に設置した排気後処理装置を通過した後、車外に放出される。排気後処理装置は、排気中のＮＯｘを浄化するための触媒として、上流側から順に酸化触媒２１、ＮＯｘ触媒２２を備え、ＮＯｘ触媒２２は、尿素還元触媒（ＳＣＲ触媒）２３の後段に、酸化触媒２４を一体的に収容した構成としてある。ＳＣＲ触媒２３の前段に配置される酸化触媒２１は、排気中の一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ2 ）に転換してＮＯｘ中のＮＯ2 比率を高め、後段のＮＯｘ還元反応を容易にする。同時に、排気中の炭化水素（ＨＣ）および一酸化炭素（ＣＯ）を酸化する作用を有する。なお、ＳＣＲ触媒２３と後段の酸化触媒２４を一体とせず、別体に設ける構成としてももちろんよい。
ＳＣＲ触媒２３は、還元剤の作用でＮＯｘを選択的に還元浄化する。このため、酸化触媒２１とＮＯｘ触媒２２の間には、ＳＣＲ触媒２３に還元剤を供給するための還元剤添加弁３が配設される。本発明では、還元剤としてアンモニアの前駆体である尿素を使用し、取り扱いの容易な尿素水溶液の状態で、添加弁３から排気通路１１内に噴射供給する。ＳＣＲ触媒２３後段の酸化触媒２４は、尿素から生成されるアンモニアがＮＯｘと反応せずに放出されるのを抑制するためのもので、ＳＣＲ触媒２３を通過したアンモニアを酸化、分解して無害化する。
添加弁３に供給される尿素水溶液は、尿素水タンク４に貯蔵される。尿素水タンク４と添加弁３とは尿素水供給路３１で接続されており、尿素水タンク４内下部に配置したポンプ４１を駆動することで尿素水溶液が吸い出され、尿素水供給路３１の途中に介装されたフィルタ（図略）を経由して添加弁３へ圧送される。尿素水タンク４上部には、圧力調整用のプレッシャレギュレータ３２が設置されて尿素水供給路３１に接続されており、供給圧力が所定圧を超えると弁が開放されて、リターン口３３から余剰の尿素水溶液を尿素水タンク４上部へ戻すようになっている。添加弁３は、例えば公知のエアアシスト式の噴射弁構造とすることができる。エアアシスト式では、添加弁３に尿素水供給路３１を接続する一方、図示しない空気供給路を接続してアシスト用の空気を供給し、先端ノズル部を開閉して排気通路１１内に尿素水溶液を噴射する。
添加弁３は、図示するように、排気通路１１壁に対して傾斜して取り付けられる。この時、排気通路１１内に突出するノズル部の噴射方向が、排気の流れと平行な方向となり、尿素水溶液が、ＳＣＲ触媒２３の入口側端面の全面に均等に供給される。噴射された尿素水中の尿素は、排気熱により熱分解および加水分解し、アンモニアが発生する（式１、２）。発生したアンモニアは、ＳＣＲ触媒２３上でＮＯｘの還元剤として作用し、ＮＯｘの還元反応を促進する（式３）。一方、ＮＯｘの還元に寄与せずにＳＣＲ触媒２３を通過したアンモニアスリップは酸化触媒２４により浄化される（式４）。
( ＮＨ2 ) 2 ＣＯ＋Ｈ2 Ｏ→ＮＨ3 ＋ＮＨＣＯ・・・（式１）
ＮＨＣＯ＋Ｈ2 Ｏ→ＮＨ3 ＋ＣＯ2 ・・・（式２）
ＮＯ＋ＮＯ2 ＋２ＮＨ3 →２Ｎ2 ＋３Ｈ2 Ｏ・・・（式３）
４ＮＨ3 ＋３Ｏ2 →２Ｎ2 ＋６Ｈ2 Ｏ・・・（式４）
尿素水タンク４は所定容量の密封容器であり、アンモニア前駆体である尿素水溶液、通常は、凍結温度が最も低い（−１１℃）の３２．５％水溶液を収容している。ただし寒冷地で使用する際には、さらに低温となって局所的に凍結が生じる可能性があり、添加弁３に供給される水溶液濃度が不安定となる要因となる。低温環境下にて尿素水タンク４内に収容される尿素水溶液は、外気に晒されるタンク底面および側面に接する部位において温度が低くなり、部分凍結や温度ムラによる高濃度化で固体尿素の析出が生じやすい。この状態下、タンク内より圧送される不凍結状態の尿素水溶液は上記所定濃度より高濃度となり、また、一旦析出した固体尿素は水溶液中へ再溶解しにくいので、その後、温度上昇して全解凍状態となった際には、逆に上記所定濃度より低濃度となってしまう現象が起こる。
そこで、本発明では、尿素水タンク４内の尿素水溶液を撹拌するための撹拌手段を設け、尿素水溶液の凍結監視情報に基づいて撹拌手段の動作を制御することにより、尿素水タンク４内の尿素水溶液を均一攪拌し、局所的な温度低下による凍結を防止する。本実施形態では撹拌手段として、尿素水タンク４の底面中央部近傍に撹拌部材となる撹拌羽根５１を備え、その駆動軸５２を車載バッテリ６を動力として駆動するタンク内撹拌手段５を設けている。
また、尿素水タンク４内の尿素水溶液を加熱する尿素水加熱手段を設けて、補助的に作動させるとより効果的である。本実施形態では、尿素水タンク４内の底面外周部近傍に、尿素水加熱手段として電気的ヒータ４２を配して、コントローラユニット７により通電を制御するようにしている。
図示するように、具体的には、ヒータ４２を薄平な円環状に形成して尿素水タンク４の底面外周壁側に配置するとよい。凍結しやすい尿素水タンク４の周側面近傍の尿素水溶液は、ヒータ４２への通電加熱により温められて凍結防止され、また、温度上昇により対流流れ（上下方向の流れ）を生じて、付近の尿素水溶液の加熱を促進する。また、撹拌手段５である撹拌羽根５１は、円環状ヒータ４２内の空洞領域であって、尿素水タンク４の底面略中央部に配置され、尿素水タンク４の周方向に旋回流れを生じさせる。これにより、ヒータ４２にて加熱された尿素水溶液が、尿素水タンク４の周側面を効果的に温度上昇させる。また、タンク内の流れにより尿素水溶液が均一に攪拌されて、濃度や温度のムラを解消する。
この時、ポンプ４１は、図示するように撹拌羽根５１の側方に配置し、その吸入口を、ヒータ４２の上面に対向する位置に開口させるとよい。このように、ヒータ４２にて加熱され、撹拌羽根５１にて均一攪拌される部位にポンプ４１の吸入口を配置することで、均一な尿素水溶液を吸入することができる。
また、尿素水溶液の凍結を監視する凍結監視手段として、尿素水タンク４内下部の尿素水溶液温度を検出する尿素水温検出手段７１を設け、その検出結果を、撹拌動作制御手段としてのコントローラユニット７に出力させる。尿素水タンク４外に外気温度検出手段７２を設けて、その検出結果を反映させるようにすることもできる。タンク内撹拌手段５を駆動するモータは、電動または油圧駆動とすることができる。
コントローラユニット７は、検出された尿素水温度または外気温度から尿素水溶液の部分凍結が予測され、タンク内撹拌手段５の作動が必要な状態と判断されると、撹拌手段５の撹拌羽根５１を回転駆動して尿素水溶液を強制撹拌する。本実施形態のように、撹拌羽根５１を、低温になりやすい尿素水タンク４の底部に配設すると、攪拌による凍結防止効果が高い。また、尿素水タンク４内の尿素水溶液を加熱する尿素水加熱手段を設けて、補助的に作動させることもできる。本実施形態では、尿素水タンク４内の側面近傍に、尿素水加熱手段として電気的ヒータ４２を配して、コントローラユニット７により通電を制御するようにしている。
上記構成によれば、タンク内撹拌手段５の作動により、尿素水タンク４内に流れが形成されることで、濃度ムラおよび温度ムラが解消され、凍結や固体尿素の析出が起きにくくなる。特に、撹拌動作に加えて、尿素水加熱手段４２を併用し、凍結しやすいタンク側面近傍の尿素水溶液の温度上昇を促進して、局所的な凍結を防止し、あるいは容易に解凍して再凍結を防止する。また、ヒータ４２を尿素水タンク４の底面に設置したので、温度上昇した尿素水溶液が上方へ移動することで、タンク内に対流が起きやすくする。この自然対流によって、タンク内撹拌手段５に準じた撹拌効果が期待できるので、尿素水溶液の凍結をより効果的に防止することができる。
さらに、ポンプ４１の作動時には、ポンプ４１による吸引とプレッシャレギュレータ３２からのリターン流によって、タンク内に上下方向の対流が生じる。この流体循環による撹拌効果を第２の攪拌手段として利用することで、タンク内撹拌手段５やヒータ４２による対流との相乗効果で、凍結防止効果を高めることができる。この時、プレッシャレギュレータ３２からのリターン口３３と、ポンプ４１による吸入口とが対角線上に位置することが望ましく、循環流による攪拌効果が得やすい。また、プレッシャレギュレータ３２からの還流口を、尿素水タンク４内底部近傍まで延出することもでき、高温のリターン流がタンク底部に導入されることによって上下流が生じやすくなる。
このように、タンク内撹拌手段５や、ヒータ４２、ポンプ４１によりタンク内に生じる流れが干渉し合うことで攪拌効果が高まり、尿素水溶液の濃度や温度が均一に保たれる。本実施形態では、タンク内撹拌手段５により水平方向の旋回流を形成し、ヒータ４２やポンプ４１による上下方向の対流と直交する流れを生じさせているので、これら流れが干渉し合って尿素水タンク４内全体を均一に攪拌し、所望濃度の尿素水溶液を安定して供給することができる。
なお、ヒータ４２等の尿素水加熱手段は尿素水タンク４内に限らず、尿素水タンク４外に配置または尿素水タンク４壁内に埋設する等、設置場所を適宜選択することができる。また、尿素水タンク４の外周を断熱材で覆う等、温度低下を抑制するための通常公知の断熱構造を採用することができる。
コントローラユニット７による撹拌動作の制御は、尿素水タンク４内外の温度条件に、例えば、エンジン停止時またはポンプ４１停止時といった条件を加えることもでき、これら条件を満たした場合に、タンク内撹拌手段５やヒータ４２を作動させる。また、エンジン停止時の制御のために、動力源となるバッテリ６の残量を検出するバッテリ残量検出手段６１を設け、次回のエンジン始動時にバッテリ上がりがないように制御するとよい。エンジン停止時には、タンク内撹拌手段５を間欠的に作動させることによって、尿素水タンク４内を強制撹拌させるようにしてもよい。また、ポンプ４１作動時には、尿素水タンク４内に尿素水溶液の循環による撹拌作用が見込めるため、ポンプ４１停止時に限定して、必要以上の撹拌動作を抑制するようにしてもよい。
次に、本実施形態による制御の一例をフローチャートを用いて説明する。
本実施形態の排気後装置を搭載した車両のエンジン１の駆動時において、コントローラユニット７は、図３の凍結監視処理ルーチンを所定制御サイクル毎に繰り返す。図３において、ステップＳ１では、「凍結防止要求」の有無を判定する。「凍結防止要求」は、例えばイグニッションキーがオフ状態となると、この要求が発信されるように設定される。あるいは、切替スイッチを設けて運転者による操作によりこの要求が発信させるようにしてもよい。ステップＳ１で「凍結防止要求」有と判断されると、ステップＳ２へ進み、「凍結防止要求」無の場合にはそのまま本処理を終了する。
ステップＳ２では、尿素水温検出手段７１により尿素水温度Ｔを検出し、ステップＳ３で、検出した尿素水温度Ｔが、予め設定したタンク内撹拌手段５およびヒータ４２の作動を要求する温度（Ｔｂ）を下回っているかどうかを判定する。作動要求温度（Ｔｂ）は、尿素水タンク４内の尿素水溶液が部分的に凍結すると推測される温度であり、例えば、−５℃とする。ここで、作動要求温度（Ｔｂ）は、凍結温度（−１１℃）より高い温度に設定するのは、温度ムラ等による局所的な凍結を回避するためである。尿素水温度Ｔが作動要求温度（Ｔｂ）以上であり、ステップＳ３が否定判定された場合には、尿素水の凍結や固体尿素の析出のおそれなしと判断して本処理を終了する。
尿素水温度Ｔが作動要求温度（Ｔｂ）を下回っている場合（Ｔｂ＞Ｔ）には、ステップＳ４へ進み、タンク内撹拌手段５およびヒータ４２を作動させる。次いで、ステップＳ５にて、尿素水温検出手段７１により再検出される尿素水温度Ｔが、予め設定したタンク内撹拌手段５およびヒータ４２の作動停止を要求する温度（Ｔｂ＋ΔＴ）を上回ったかどうかを判定する（尿素水温度Ｔを再検出するステップは省略）。作動停止要求温度（Ｔｂ＋ΔＴ）は、Ｔｂに対して十分高く、尿素水タンク４内に凍結が生じた場合でも、全解凍が可能な温度であり、ΔＴは例えば、５℃である。
尿素水温度Ｔが作動停止要求温度（Ｔｂ＋ΔＴ）を上回った場合（Ｔ＞Ｔｂ＋ΔＴ）には、ステップＳ６へ進んで、タンク内撹拌手段５およびヒータ４２の作動を停止し、本処理を一旦終了する。ステップＳ５が否定判定された時は、肯定判定されるまでタンク内撹拌手段５およびヒータ４２の作動を継続する。
このように、本制御フローは、イグニッションキーのオン、オフ状態に関わらず、「凍結防止要求」の発信中であれば、常時、上記制御ロジックを実行可能である。よって、車両走行中および駐停車時に、尿素水温度Ｔに応じて、ヒータ４２と攪拌手段５の作動を制御することにより、省電力にて効果的に尿素水溶液の凍結および固体尿素の析出を防止することができる。
ただし、駐停車が長時間となる場合には、バッテリ上がりが懸念される。そのため、エンジン１の停止時には、攪拌手段５のモータやヒータ４２の作動時間を規制したり、バッテリ残量検出手段６１の検出結果を予め設定した閾値と比較し、バッテリ残量＜閾値となった時には攪拌手段５やヒータ４２を非作動とすることで、バッテリ上がりを防止する。これにより、駐停車時の凍結および固体尿素の析出を防止し、次回のエンジン始動時に、尿素水溶液を安定して供給することができる。
図３に本実施形態の構成に基づく制御の他の例を、フローチャートを用いて説明する。本制御例では、イグニッションキーがオン状態である時に、攪拌手段５とヒータ４２の作動とを、尿素水温度Ｔの監視情報に基づいて制御する。また、エンジン作動時には、ポンプ４１の作動に伴う循環流が発生するので、これら流体流れによる攪拌作用を利用して、凍結抑制を行う。
図３のステップＳ１１において、イグニッションキーがオン状態となったら、ステップＳ１２へ進み、尿素水温検出手段７１により尿素水温度Ｔを検出する。続くステップＳ１３では、検出した尿素水温度Ｔが、ポンプ４１の運転が可能な尿素水温度Ｔａを上回っているかどうかを判定する。ポンプ４１の運転可能温度Ｔａは、尿素水溶液の凍結温度、例えば、３２．５％尿素水溶液では−１１℃とする。尿素水温度Ｔが運転可能温度Ｔａを上回っており（Ｔａ＜Ｔ）、ステップＳ１３が肯定判定されたら、ステップＳ１４へ進む。
ステップＳ１４では、尿素水溶液の吐出要求（ＱＲ）に有無を判定し、吐出要求（ＱＲ）がある場合には、ステップＳ１５でポンプ４１を作動させて、次のステップＳ１６へ進む。ステップＳ１６では、検出した尿素水温度Ｔが、ポンプ４１の運転可能温度Ｔａを上回り、かつタンク内撹拌手段５およびヒータ４２の作作動要求温度（Ｔｂ）を下回っているかどうかを判定する。ステップＳ１６が肯定判定された場合（Ｔａ＜Ｔ＜Ｔｂ）には、ステップＳ１７へ進み、タンク内撹拌手段５およびヒータ４２を作動させる。次いで、ステップＳ１８にて、尿素水温検出手段７１により再検出される尿素水温度Ｔが、タンク内撹拌手段５およびヒータ４２の作動停止要求温度（Ｔｂ＋ΔＴ）を上回ったかどうかを判定する（尿素水温度Ｔを再検出するステップは省略）。
尿素水温度Ｔが作動停止要求温度（Ｔｂ＋ΔＴ）を上回った場合（Ｔ＞Ｔｂ＋ΔＴ）には、ステップＳ１９へ進んで、タンク内撹拌手段５およびヒータ４２の作動を停止し、ステップＳ２０へ進む。また、ステップＳ１３、１４、１６が否定判定された場合には、ポンプ４１の停止を維持したまま、ステップＳ２０へ進む。ステップＳ２０では、イグニッションキーがオフ状態かどうかを判定し、肯定判定されたら本処理を一旦終了する。イグニッションキーがオン状態にあり、ステップＳ２０が否定判定された時は、ステップＳ１２以降を繰り返す。
このように、イグニッションキーがオン状態であれば、本制御フローに基づき、尿素水温度Ｔを監視し、その結果と尿素ＳＣＲシステムからの尿素水吐出要求３に応じて、タンク内撹拌手段５およびヒータ４２と、ポンプ４１の作動を制御する。この時、撹拌手段５による旋回流とヒータ４２による自然対流に加え、ポンプ４１の作動に伴う循環流が生じるので、尿素水タンク４内の攪拌効果が高まる。よって、効果的に尿素水溶液の凍結を抑制して、尿素ＳＣＲシステムの添加弁３からＳＣＲ触媒２３に尿素水溶液を安定して供給することができる。
図４（ａ）は、従来の攪拌手段を有しない尿素水タンクを長時間放置した場合の、タンク内濃度および温度の状態を示す図である。図示するように、タンク底部から上部、外周部から内周部へ向かうほど、温度が高くなり、濃度は薄くなる傾向にある。また、低温の底部外周付近では、尿素水の水が凍結して氷となりやすく、濃度が濃くなる底部中央付近で、固体尿素が析出しやすくなる。
この状態から、例えばヒータ等によりタンク内を加熱しても、図４（ｂ）のように、氷は溶解するものの、高濃度の底部中央にある固体尿素は溶解せず、濃度ムラが解消することは難しい。このように、一旦析出が生じると、外部の影響（乱流等）がない状態では溶解しにくいが、本発明では、攪拌手段を設けて強制的に尿素水タンク内を攪拌可能とする。特に、図１の構成のように、攪拌手段５を尿素水タンク４の底部中央に設置して、強制攪拌による旋回流を形成すると、低温・低濃度の底部外周との混合を促進し、高濃度化による固体尿素の析出を抑制する効果が高い。よって、タンク全体を攪拌して、温度および濃度を均一化させることができる。
なお、駐停車時のバッテリ上がりを防止する手段として、別電源を設置することもできる。この場合も基本構成は上記図１の第１の実施形態と同様であり、撹拌手段として撹拌羽根５１を有するタンク内撹拌手段５を設ける。上記第１の実施形態では、駐停車時にはバッテリ残量を監視しながら攪拌動作を行う構成としたが、例えば、撹拌手段５の動力源５３となるモータに、切替器を介してバッテリ６とＡＣ／ＤＣコンバータを接続することもできる。エンジンキー停止時には、切替器をＡＣ／ＤＣコンバータ側に切替え、ＡＣ／ＤＣコンバータに接続した電源プラグを介して、家庭用電源にて電力を供給する。
このように、エンジン停止時（駐停車時）に、別電源から電力供給する構成とすれば、駐停車時にバッテリ上がりのおそれがなく、低温環境下における凍結を防止することができる。また、切替器の切替モードによっては、家庭用電源からバッテリへの充電も可能である。
あるいは、撹拌手段５の動力源５３となるモータに、エンジン停止時にも電気の供給ができるように、バッテリ６に太陽電池を接続してもよい。太陽電池６５に代えて風力発電機を使用してもよい。このようにすれば、駐停車時には、太陽電池を使用し、バッテリ６を充電しながらモータを駆動することができるので、駐停車時にバッテリ上がりのおそれがなく、低温環境下における凍結を防止することができる。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明の排気後処理装置は、上記図示の構成に限定されるものではなく、通常公知の尿素ＳＣＲシステムにおける種々の構成に適用することが可能である。
本発明の第１の実施形態における排気後処理装置の全体概略構成図である。 第１の実施形態における制御の一例のフローチャートである。 第１の実施形態における制御の他の例のフローチャートである。 従来のタンク内濃度および温度の状態を説明する図で（ａ）は長時間放置時、（ｂ）は放置後加熱時をそれぞれ示す図である。 従来の排気後処理装置の全体概略構成図である。
符号の説明
１ エンジン
１１ 排気通路
２１、２４ 酸化触媒
２３ ＳＣＲ触媒（尿素還元触媒）
３ 添加弁（尿素添加手段）
３１ 尿素水供給路
３２ プレッシャレギュレータ
３３ リターン口
４ 尿素水タンク
４１ ポンプ
４２ ヒータ（加熱手段）
５ 攪拌手段
５１ 攪拌羽根
５２ 駆動軸
６ バッテリ
６１ バッテリ残量検出手段
７ コントロールユニット（攪拌動作制御手段）
７１ 尿素水温検出手段（温度検出手段）
７２ 外気温度検出手段（温度検出手段）

Claims (7)

  1. 内燃機関の排気通路に設置された尿素還元触媒と、
    上記尿素還元触媒の上流側に還元剤として尿素水溶液を添加する尿素添加手段と、
    上記尿素添加手段と尿素水供給路にて接続される尿素水タンクとを備える排気後処理装置において、
    上記尿素水タンク内に蓄えられる尿素水溶液を撹拌する撹拌手段と、
    上記尿素水タンク内における尿素水溶液の凍結を監視する凍結監視手段と、
    上記凍結監視手段からの凍結監視情報に基づいて、上記撹拌手段による尿素水溶液の撹拌動作を制御する撹拌動作制御手段を設けたことを特徴とする内燃機関の排気後処理装置。
  2. 上記撹拌手段は、上記尿素水タンク内に設置された撹拌部材と、上記撹拌部材を駆動する駆動手段を有して機械的に尿素水溶液を攪拌する請求項１記載の内燃機関の排気後処理装置。
  3. 上記尿素水タンク内の尿素水溶液を加熱する尿素水加熱手段を有する請求項２記載の内燃機関の排気後処理装置。
  4. 上記尿素水タンクの底面中央部近傍に、上記撹拌部材を配置し、上記尿素水タンクの底面外周部近傍に、上記尿素水加熱手段を配置した請求項３記載の内燃機関の排気後処理装置。
  5. 上記尿素水供給路へ尿素水溶液を圧送するポンプと、上記尿素水供給路から余剰の尿素水溶液を上記尿素水タンクへ戻すリターン路を有して、上記ポンプの駆動に伴う流体循環により尿素水溶液を攪拌する第２の撹拌手段を設けた請求項２ないし４のいずれか１項に記載の内燃機関の排気後処理装置。
  6. 上記凍結監視手段は、上記尿素水タンク内またはタンク外の温度を検出する温度検出手段を備え、上記撹拌動作制御手段は、上記温度検出手段の検出結果から上記尿素水タンク内における尿素水溶液の凍結可能性の有無を判断し、その判断結果に基づいて上記撹拌手段および尿素水加熱手段の作動と非作動の切替えを行う請求項３ないし５のいずれか１項に記載の内燃機関の排気後処理装置。
  7. 上記撹拌動作制御手段は、上記温度検出手段の検出結果に基づいて、上記尿素水タンク内の尿素水溶液が少なくとも部分的に凍結する温度以下となった時に、上記撹拌手段および尿素水加熱手段を作動させ、尿素水溶液が凍結するおそれのない所定温度以上となったら、上記撹拌手段および尿素水加熱手段の作動を停止する請求項６記載の内燃機関の排気後処理装置。
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