(57)【要約】【課題】排気管内に供給する還元剤の量を容易に調整可能な排気浄化装置を提供する。【解決手段】排気管１１は、内燃機関の燃焼室からの排気を排出する排気通路１２を形成している。この排気通路１２に流体を噴射するのが添加弁１６であり、添加弁１６は、排気管１１に設けられた触媒部１４の上流側に位置している。ポンプ２２によって圧送された還元剤溶液が添加弁１６から噴射されることにより、噴射された還元剤溶液は、排気とともに触媒部１４に供給され、排気を還元し浄化する。還元剤溶解手段３２によって、流体通路１１の途中において、還元剤貯留部３１から供給された還元剤が溶媒に溶解させられて還元剤溶液が得られる。還元剤溶解手段３２は、流体通路２８、２９の途中で還元剤を溶媒に溶解するので、様々な濃度の還元剤溶液を容易に得ることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室からの排気を排出する排気通路を形成する排気管と、
前記排気通路内に設けられ、排気を浄化する触媒部と、
前記排気管の前記触媒部の上流側に設けられ、溶媒に還元剤を溶解した還元剤溶液または前記溶媒である流体を前記排気通路に噴射する添加弁と、
前記添加弁へ到る流体通路と、
前記流体通路を経由させ前記添加弁へ前記流体を圧送するポンプと、
前記ポンプの駆動を制御するポンプ駆動制御手段と、
を備えた排気浄化装置であって、
前記ポンプ駆動制御手段の制御による前記ポンプの駆動によって前記流体通路に送出される前記溶媒を貯留する溶媒貯留部と、
前記還元剤を貯留する還元剤貯留部と、
前記流体通路の途中において、前記還元剤貯留部から供給された前記還元剤を前記溶媒に溶解させて前記還元剤溶液を得る還元剤溶解手段と、
を備えることを特徴とする排気浄化装置。
【請求項２】
還元剤溶解手段により前記溶媒に溶解させる前記還元剤の量を制御する還元剤量制御手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
【請求項３】
前記還元剤量制御手段は、前記ポンプ駆動制御手段による前記ポンプの駆動および前記添加弁による前記流体の噴射が継続された状態で、前記溶媒に溶解させる前記還元剤の供給を停止可能であることを特徴とする請求項２に記載の排気浄化装置。
【請求項４】
前記流体通路内の前記流体を回収する流体回収手段を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の排気浄化装置。
【請求項５】
前記還元剤溶解手段は、前記還元剤の前記溶媒への溶解を促進させるための混合手段を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の排気浄化装置。
【請求項６】
前記還元剤貯留部に貯留される還元剤は、固体尿素であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の排気浄化装置。
【請求項７】
前記還元剤貯留部に貯留される固体尿素は、粉末状であることを特徴とする請求項６に記載の排気浄化装置。
【請求項８】
前記溶媒貯留部に貯留される溶媒は、水であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の排気浄化装置。
【請求項９】
前記溶媒貯留部に貯留される溶媒は、水よりも凝固点が低い物質であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関としてのエンジンの排気浄化装置に係り、特に尿素ＳＣＲ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  Ｃａｔａｌｙｔｉｃ  Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）システムに好適に採用される排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車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、排気中の窒素酸化物（以下、「ＮＯｘ」という）を高効率に浄化する排気浄化装置として、尿素ＳＣＲシステムの開発が進められている。
尿素ＳＣＲシステムでは、エンジン本体に接続された排気管にＳＣＲ触媒が設けられるとともに、その上流側に還元剤溶液としての尿素水溶液を排気管内に添加する尿素水添加弁が設けられている。尿素水添加弁には尿素水供給管が接続されており、例えば尿素水タンク内に配設されたポンプが吐出駆動されることで、尿素水溶液が尿素水タンクから尿素水供給管を通じて尿素水添加弁に供給されるようになっている。
【０００３】
このようなシステムにおいては、尿素水添加弁により排気管内に尿素水溶液が噴射されることにより、排気とともに尿素水溶液がＳＣＲ触媒に供給され、ＳＣＲ触媒上においてＮＯｘが還元されて、排気が浄化される。すなわち、尿素水溶液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、このアンモニアが排気中のＮＯｘと反応することで、ＮＯｘがＮ2に還元される。
【０００４】
従来、尿素水溶液を液体状態でタンクに貯蔵し使用するのが一般的であった。近年では、車上で固体尿素と水とを尿素水タンク内で混合する尿素ＳＣＲシステムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−１６６１３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の方法では、例えば特許文献１のように固体尿素を尿素水タンク内で混合し車上で尿素水溶液を生成したとしても、排気管内に噴射される尿素水溶液の濃度は一律である。例えば、排気管内に供給する尿素量を多くしたい場合には、噴射時間を長くしなければならず、噴霧状態が悪くなるという問題点があった。また、排気管内に供給する尿素量を少なくしたい場合には、噴射時間を精密に制御しなければならないという問題点があった。そのため、排気管内に供給する尿素量を調整することが困難であった。
【０００６】
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、排気管内に供給する還元剤の量を容易に調整可能な排気浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の排気浄化装置は、排気管、触媒部、添加弁、流体通路、ポンプ、ポンプ駆動制御手段、溶媒貯留部、還元剤貯留部、および、還元剤溶解手段を備えている。ここで、排気管は、内燃機関の燃焼室からの排気を排出する排気通路を形成している。この排気通路に流体を噴射するのが添加弁であり、添加弁は、排気管に設けられた触媒部の上流側に位置している。添加弁が噴射する流体とは、溶媒に還元剤を溶解した還元剤溶液または溶媒である。このような流体を添加弁へ圧送するのがポンプであり、ポンプはポンプ駆動制御手段によって制御される。還元剤溶液が添加弁から噴射されることにより、噴射された還元剤溶液は、排気とともに触媒部に供給され、排気を還元し浄化する。そして特に本発明では、還元剤溶解手段によって、流体通路の途中において、還元剤貯留部から供給された還元剤が溶媒に溶解させられて還元剤溶液が得られる。
【０００８】
すなわち、流体通路の途中で還元剤を溶媒に溶解するようにした。そのため、還元剤をタンク中で溶解するのとは異なり、還元剤の量を調整することで、様々な濃度の還元剤溶液を得ることができる。例えば、排気通路に供給する還元剤量を多くしたい場合、還元剤溶液の濃度を高くすることにより、噴射時間を長くせずに排気通路に供給する尿素量を増やすことができるため、噴射時間が長くなることによる噴霧状態の悪化を防ぐことができる。また、排気通路に供給する還元剤量を少なくしたい場合、還元剤溶液の濃度を低くすることにより、排気通路に供給する尿素量を減らすことができるため、噴霧時間を精密に制御する必要がない。
【０００９】
また、還元剤溶液の濃度と噴射時間とを調整すれば、より幅広い範囲で還元剤の添加量を制御することができる。さらに、還元剤溶液の濃度を調整することによって所望の量の還元剤を供給することができるので、エンジンの排気量毎に添加弁の設計を変える必要がなくなり、部品の共通化を図ることができる。さらにまた、還元剤溶液の濃度を濃くすれば、噴射量を減らすことができ、例えばテーパ噴孔などの微粒化するのに最適な噴孔形状を採用することができる。
【００１０】
排気中のＮＯｘの量は、例えば加速時や高負荷時、高速走行時などに多く、定常運転時には少ない、といった具合に、運転状態によって異なっている。そこで、以下に示す構成を採用することが望ましい。
請求項２に記載の排気浄化装置は、還元剤量制御手段を備えている。還元剤量制御手段は、還元剤溶解手段により溶媒に溶解させる還元剤の量を制御している。例えば、内燃機関の運転状態とＮＯｘ排出量との関係、および、排出されるＮＯｘ量と浄化に必要な還元剤量との関係を予めマップデータ等に記憶させておけば、内燃機関の運転状態に応じて最適な還元剤量が排気通路に添加されるように溶媒に溶解させる還元剤の量を制御することができる。
【００１１】
なお、還元剤溶液が流体通路や添加弁中に残存した状態で排気浄化装置を停止すると、溶媒が蒸発して還元剤が析出したり、残留した還元剤が変質したりするという問題点がある。そこで、以下に示す構成を採用することが望ましい。
請求項３に記載の排気浄化装置の還元剤量制御手段は、ポンプ駆動制御手段によるポンプの駆動および添加弁による流体の噴射が継続された状態で、還元剤の供給を停止可能である。
【００１２】
例えば、内燃機関の停止後、還元剤の供給を停止し、還元剤を溶解せずにポンプの駆動により溶媒のみを圧送して添加弁から噴射すれば、流体通路や添加弁に還元剤が残留するのを防ぐことができる。これにより、流体通路や添加弁における還元剤の析出や変質を防止することができる。この構成においては、流体中に還元剤が残留しているか否かを判断する残留判断手段を設け、流体中に還元剤が残留していないと判断されてから、ポンプの駆動および添加弁からの流体の噴射を停止することが好ましい。
【００１３】
ところで、溶媒に水を使用する場合、溶媒が凍結し、使用に支障が生じる可能性がある。そこで、加温手段を設けてもよい。加温手段としては、ヒータによる加温や、エンジンの冷却水による熱交換が例示される。また以下の構成を採用してもよい。
請求項４に記載の排気浄化装置は、流体通路内の流体を回収する流体回収手段を備えている。例えば、ポンプ駆動制御手段によりポンプを逆回転させることにより、溶媒を溶媒貯留部に回収することが考えられる。また、回収経路および回収タンクを別途設ける構成としてもよい。請求項３に記載の構成を採用した場合、流体通路および添加弁に溶媒のみを送液し還元剤を除去した後に、ポンプ駆動制御手段によりポンプを逆回転させて溶媒を溶媒貯留部に回収してもよい。これにより、流体通路等に残留する流体の凍結が防止され、流体の体積が膨張することによる還元剤供給系の破損など、使用に支障が生じるのを抑制することができる。
【００１４】
請求項５に記載の排気浄化装置の還元剤溶解手段は、還元剤の溶媒への溶解を促進させるための混合手段を有している。混合手段としては、スクリュー撹拌器や、超音波振動子などが例示される。これにより、還元剤の溶媒への溶解を促進することができる。
請求項６に記載の排気浄化装置の還元剤貯留部に貯留される還元剤としては、固体尿素が好適に用いられる。前述の尿素ＳＣＲシステムに代表されるように、尿素を加水分解することにより生成するアンモニアによってＮＯｘを還元、浄化するＮＯｘ浄化装置は、排気中のＮＯｘを高い浄化率で浄化することができるため、例えばディーゼルエンジンにこの装置を用いれば、燃焼過程でのＮＯｘの発生を許容して燃費および排気中の粒子状物質（ＰＭ）を改善することなども可能になり、ひいては自動車の性能向上などに貢献することができるようになる。
【００１５】
請求項７に記載の排気浄化装置に用いられる固体尿素は、粉末状である。粉末状の固体尿素を用いれば、溶媒への溶解性がよく、また安定した定量が可能となる。粉末状の固体尿素の粒子形状は、溶媒への溶解性がよく、安定した定量が可能な形状のものを選定することが望ましい。
請求項８に記載の排気浄化装置に用いられる溶媒は、水である。溶媒として水を用いれば、排気中に噴霧しても環境への負荷がないため好ましい。
【００１６】
請求項９に記載の排気浄化装置に用いられる溶媒は、水よりも凝固点が低い物質である。凝固点が−３５℃以下の物質が特に好ましく、エタノールやメタノールなどのアルコール類が例示される。このような物質を溶媒として採用すれば、水よりも凍結しにくいため、使用に支障が生じることを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
（第１実施形態）
以下、本発明による排気浄化装置を図面に基づいて説明する。本実施形態の排気浄化装置は、選択還元触媒を用いて排気中の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。
図１に示すように、本実施形態による排気浄化装置１は、排気管１１、添加弁１６、溶媒貯留部としての溶媒タンク２１、ポンプ２２、流体通路２８、２９、尿素供給部３０、電子制御装置（以下、「ＥＣＵ」という）４０等を備えている。
【００１８】
排気管１１は、図示しない内燃機関としてのディーゼルエンジンに接続し、ディーゼルエンジンの排気を排出する排気通路１２を形成している。排気管１１には、酸化触媒１３、触媒部としての選択還元触媒（以下、「ＳＣＲ触媒」という）１４、および、アンモニア除去部１５が配設されている。また、排気管１１において、酸化触媒１３とＳＣＲ触媒１４との間には、流体を排気通路１２に噴射可能な添加弁１６が設けられている。ＳＣＲ触媒１４の下流側には、ＮＯｘセンサ１７が設けられている。
【００１９】
酸化触媒１３は、白金系の酸化触媒であり、排気中に含まれる一酸化窒素（ＮＯ）の一部を二酸化窒素（ＮＯ2）に酸化する。
ＳＣＲ触媒１４は、ＮＯｘの還元反応を促進するものであり、その反応は、例えば、以下の反応式に示すものである。
４ＮＯ＋４ＮＨ3＋Ｏ2  →  ４Ｎ2＋６Ｈ2Ｏ    …（式１）
６ＮＯ2＋８ＮＨ3  →  ７Ｎ2＋１２Ｈ2Ｏ      …（式２）
ＮＯ＋ＮＯ2＋２ＮＨ3  →  ２Ｎ2＋３Ｈ2Ｏ    …（式３）
これらの反応において、ＮＯｘの還元剤となるアンモニア（ＮＨ3）は、ＳＣＲ触媒１４の上流に設けられた添加弁１６から噴射される尿素水溶液が排気熱で加水分解されることによって生成する。この加水分解反応の反応式を（式４）に示す。
（ＮＨ2）2ＣＯ＋２Ｈ2Ｏ  →  ２ＮＨ3＋ＣＯ2    …（式４）
アンモニア除去部１５は、ＳＣＲ触媒１４の下流側に設けられた酸化触媒であり、反応しきれなかったアンモニアの排出（アンモニアスリップ）を防止する。
【００２０】
添加弁１６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ので、ここでは構成を簡単に説明する。添加弁１６は、電磁ソレノイド等からなる駆動部と、噴射孔を開閉するためのニードル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、ＥＣＵ４０からの駆動信号に基づいて開弁又は閉弁する。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、通電に伴ってニードルが開弁方向に移動し、そのニードルの移動によって噴射孔が解放されて流体が排気通路１２に噴射される。
ＮＯｘセンサ１７は、ＳＣＲ触媒１４の下流側に設けられ、排気中のＮＯｘ量を検出することができる。
【００２１】
溶媒タンク２１は、給油キャップ付きの密閉容器にて構成されており、溶媒としての水が貯留されている。溶媒タンク２１内には、水に浸漬した状態でポンプ２２が設けられており、所定の圧力に加圧して流体を添加弁１６に圧送する。ポンプ２２は、ＥＣＵ４０からの駆動信号により回転駆動される電動式ポンプであり、３相の電機子コイルの励磁順序を変更することでモータ回転方向が正逆回転する構成を有している。ポンプ２２が正回転駆動されることにより水が溶媒タンク２１から吐出され、逆回転駆動されることにより水が溶媒タンク２１内に回収される。なお、ポンプ２２が、「特許請求の範囲」における「流体回収手段」し、特に逆回転駆動が「流体回収手段」としての機能に相当する。
【００２２】
プレッシャレギュレータ２３は、添加弁１６に供給される流体の圧力を調整するものであり、この供給圧力が設定値を超えた場合には、流体通路２８中の水が溶媒タンク２１に戻されることになる。
流体通路２８は、溶媒タンク２１と尿素供給部３０とを連通する通路である。流体通路２８には、水圧センサ２４および水温センサ２５が設けられている。流体通路２９は、尿素供給部３０と添加弁１６とを連通する通路である。流体通路２９には、フィルタ２６および尿素センサ２７が設けられている。
【００２３】
フィルタ２６は流体を濾過するものであり、このフィルタ２６によって流体中の異物が取り除かれ、添加弁１６へ供給される。
尿素センサ２７は、尿素水溶液の尿素濃度を検出するものであり、例えば、ヒータにより加熱された測温抵抗体の電気抵抗値に基づいて尿素濃度を検出するものが利用できる。
【００２４】
尿素供給部３０は、流体通路２８と流体通路２９との間に配設されており、還元剤貯留部としての尿素粉末貯留部３１および還元剤溶解手段としての溶解部３２からなる。
尿素粉末貯留部３１は、粉末状の固体尿素が貯留されている。貯留された粉末状の固体尿素は、ＥＣＵ４０の制御により溶解部３２に供給される。尿素粉末貯留部３１に貯留されている粉末状の固体尿素は、所定距離、例えば２万ｋｍ、走行ごとに補充することが望ましい。
【００２５】
溶解部３２は、流体通路の一部を構成しており、流体通路２８と流体通路２９とを連通している。溶解部３２では、尿素粉末貯留部３１から供給された粉末状の固体尿素を流体通路２８から流入した水に溶解し、還元剤溶液としての尿素水溶液が得られる。得られた尿素水溶液は、流体通路２９へ流出する。
【００２６】
ＥＣＵ４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、Ｉ／Ｏ、および、これらを接続するバスラインなどを有するマイクロコンピュータによって構成されている。例えば、ＲＯＭに記憶されているコンピュータプログラムによって、排気浄化装置１を制御する。ＥＣＵ４０の入力側には、上述した各センサが電気的に接続されており、出力側には、添加弁１６、ポンプ２２、尿素供給部３０などの各種アクチュエータが電気的に接続されている。ＲＯＭには、図示しないディーゼルエンジンの運転状態とＮＯｘ排出量との関係、および、排出されるＮＯｘ量と該ＮＯｘを浄化するのに必要な尿素量との関係がマップデータとして予め記憶されている。また、ＥＣＵ４０は、通信線を介してＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）等の所定の通信プロトコルで図示しない他のＥＣＵ、例えばディーゼルエンジンを制御するＥＣＵや車載用ナビゲーション装置を制御するＥＣＵなど、と通信可能に接続されている。
【００２７】
次に、本実施形態における排気浄化装置１の動作について説明する。
本実施形態による排気浄化装置１では、ポンプ２２の正回転駆動により水が流体通路２８を経由して溶解部３２に圧送される。尿素粉末貯留部３１に貯留された粉末状の固体尿素は、定量されて溶解部３２に供給される。粉末状の固体尿素の定量方法については、図２に基づいて後述する。溶解部３２では、ポンプ２２により圧送された水の流れによって粉末状の固体尿素が溶解され、尿素水溶液が得られる。水に粉末状の固体尿素を溶解して得られた尿素水溶液は、流体通路２９へ送出される。尿素水溶液は、フィルタ２６で濾過されて添加弁１６に供給され、排気通路１２に噴射される。排気通路１２に噴射された尿素水溶液は、（式４）に示したように、排気熱によって加水分解されアンモニアが生成する。生成したアンモニアは、排気とともにＳＣＲ触媒１４に供給され、（式１）〜（式３）に示した還元反応により、ＮＯｘが還元、浄化される。
【００２８】
ここで、図２に基づいて、粉末状の固体尿素の定量方法（以下、「尿素定量サイクル」という）について説明する。本実施形態では、尿素粉末貯留部３１の重力方向下側に溶解部３２が設けられており、尿素粉末貯留部３１と溶解部３２との間には３つの電磁弁が設けられている。尿素粉末貯留部３１と溶解部３２との間に設けられた３つの電磁弁は、尿素粉末貯留部３１側から溶解部３２側に向かって順に第１電磁弁３６、第２電磁弁３７、第３電磁弁３８である。第１電磁弁３６、第２電磁弁３７、および、第３電磁弁３８は、ＥＣＵ４０の制御により、開弁または閉弁する。なお、図２においては、開弁状態を点線で示し、閉弁状態を実線で示している。
第１電磁弁３６と第２電磁弁３７との間には定量室３１１が形成され、第２電磁弁３７と第３電磁弁３８との間にはバッファ室３１２が形成されている。バッファ室３１２の体積は、定量室３１１の体積よりも大きい。
溶解部３２は、第３電磁弁３８の反尿素粉末貯留部３１側に設けられており、溶解部３２の溶解部入口２８１は流体通路２８と連通し、溶解部出口２８２は流体通路２９と連通している。ポンプ２２が正回転駆動しているとき、溶解部入口２８１から溶解部出口２８２へ向かう水の流れが形成される。なお、図２を用いた尿素定量サイクルの説明において、ポンプ２２は正回転駆動しているものとする。
【００２９】
図２（ａ）では、第１電磁弁３６、第２電磁弁３７、および、第３電磁弁３８は、いずれも閉弁状態である。このとき、定量室３１１は粉末状の固体尿素で満たされており、バッファ室３１２は粉末状の固体尿素はない。次に、図２（ｂ）に示すように、第２電磁弁３７を開弁する。第１電磁弁３６と第３電磁弁３８とは閉弁状態のままである。第２電磁弁３７を開弁すると、定量室３１１を満たしていた粉末状の固体尿素は重力によってバッファ室３１２へ移動する。定量室３１１を満たしていた粉末状の固体尿素全量がバッファ室３１２へ移動すると、図２（ｃ）に示すように、第２電磁弁３７を閉弁する。続いて、図２（ｄ）に示すように、第１電磁弁３６と第３電磁弁３８とを開弁する。第２電磁弁３７は、閉弁状態のままである。第１電磁弁３６を開弁することにより、尿素粉末貯留部３１に貯留された粉末状の固体尿素が定量室３１１に供給される。第３電磁弁３８を開弁することにより、バッファ室３１２内にある粉末状の固体尿素が溶解部３２に供給される。ポンプ２２は正回転駆動しているので、溶解部３２では、溶解部入口２８１から溶解部出口２８２へ向かう水の流れが形成されている。この水の流れによって、バッファ室３１２から供給された粉末状の固体尿素が水に溶解し、尿素水溶液が得られる。得られた尿素水溶液は、溶解部出口２８２から流出する。その後、図２（ａ）に示すように、第１電磁弁３６と第３電磁弁３８とを閉弁する。定量室３１１は粉末状の固体尿素で満たされ、バッファ室３１２は粉末状の固体尿素がない状態に戻る。
【００３０】
図２（ａ）から図２（ｄ）を用いて説明した尿素定量サイクルを繰り返すことにより、定量室３１１の体積分の粉末状の固体尿素が定量され、溶解部３２で水に溶解され、尿素水溶液が得られる。このとき、ＥＣＵ４０の制御によって電磁弁の開閉を調整し、生成される尿素水溶液の尿素濃度を調整することができる。例えば、尿素濃度を高くしたい場合には、尿素定量サイクルが早く行われるように電磁弁の開閉を制御し、尿素濃度を低くしたい場合には、尿素定量サイクルが遅く行われるように電磁弁の開閉を制御する、といった具合である。
【００３１】
ところで、本発明は、溶解部３２で溶解する粉末状の固体尿素の量を調整できる点に特徴を有している。そこで、図３に示すフローチャートに基づいて本実施形態の排気浄化装置１における尿素供給処理を説明する。なお、本実施形態においては、ポンプ２２によって圧送される水の流速および水圧を一定とする。また、添加弁１６における尿素水溶液の噴射時間は一定とし、排気通路１２に供給される尿素量は、尿素水溶液の濃度によって規定されるものとする。
【００３２】
最初のステップＳ１０１（以下、「ステップ」を省略し、単に記号「Ｓ」で示す）では、ディーゼルエンジンの運転状態を取得する。
Ｓ１０２では、Ｓ１０１で取得されたディーゼルエンジンの運転状態が停止であるか否かを判断する。Ｓ１０１で取得されたディーゼルエンジンの運転状態が停止である場合（Ｓ１０２：ＹＥＳ）、Ｓ１１１へ移行する。Ｓ１０１で取得されたディーゼルエンジンの運転状態が停止でない場合（Ｓ１０２：ＮＯ）、Ｓ１０３へ移行する。
【００３３】
Ｓ１０３では、ポンプ２２を正回転駆動し、溶媒タンク２１に貯蔵された水を流体通路２８に圧送する。
続くＳ１０４では、Ｓ１０１で取得したディーゼルエンジンの運転状態に応じ、予め記憶されているマップデータから、排気中のＮＯｘ量を求める。そして、求められた排気中のＮＯｘ量を浄化するのに必要な尿素量を、予め記憶されているマップデータから求める。本実施形態においては、添加弁１６における尿素水溶液の噴射時間は一定なので、求められた尿素量に基づいて尿素水溶液の濃度が決定される。また、ポンプ２２によって圧送される水の流速は一定なので、決定された尿素水溶液の濃度に基づいて尿素粉末貯留部３１から供給される粉末状の固体尿素量が決定される。
【００３４】
Ｓ１０５では、Ｓ１０４で決定された量の粉末状の固体尿素を、尿素粉末貯留部３１から溶解部３２に供給する。溶解部３２に供給された粉末状の固体尿素は、流体通路２８から流入した水の流れによって溶解し、尿素水溶液が得られる。得られた尿素水溶液は、流体通路２９へ流出する。
【００３５】
Ｓ１０６では、粉末状の固体尿素を水に溶解して得られた尿素水溶液が添加弁１６に供給され、排気通路１２中に噴射される。噴射された尿素水溶液は、排気熱によって加水分解されアンモニア（ＮＨ3）を生成し、生成されたアンモニア（ＮＨ3）は、排気中のＮＯｘを還元、浄化する。そしてＳ１０１へ戻る。
【００３６】
Ｓ１０１で取得されたディーゼルエンジンの運転状態が停止である場合（Ｓ１０２：ＹＥＳ）に移行するＳ１１１では、尿素粉末貯留部３１からの粉末状の固体尿素の供給を停止する。そしてポンプ２２の正回転駆動を継続し（Ｓ１１２）、添加弁１６からの流体の噴射を継続する（Ｓ１１３）。すなわち、粉末状の固体尿素の供給が停止され、ポンプ２２の正回転駆動による水の供給が継続されるので、添加弁１６に供給される流体の尿素濃度は次第に低下していく。
【００３７】
続くＳ１１４では、添加弁１６に尿素が残留しているか否かを判断する。添加弁１６に尿素が残留しているか否かは、例えば、流体通路２８に設けられた尿素センサ２７において尿素濃度が「０」であることが検出されてから所定時間の経過によって判断することができる。添加弁１６に尿素が残留していると判断された場合（Ｓ１１４：ＮＯ）、Ｓ１１２に戻り、ポンプ２２の正回転駆動、および、添加弁１６からの流体の噴射を継続する。添加弁１６に尿素が残留していないと判断された場合（Ｓ１１４：ＹＥＳ）、添加弁１６からの流体の噴射を停止する（Ｓ１１５）。そしてポンプ２２を逆回転駆動し、流体通路中の水を溶媒タンク２１に回収する（Ｓ１１６）。
【００３８】
Ｓ１１７では、流体通路２８中の水の回収が終了したか否かを判断する。流体通路２８中の水の回収が終了していないと判断された場合（Ｓ１１７：ＮＯ）、Ｓ１１６に戻り、ポンプ２２の逆回転駆動を継続する。流体通路２８中の水の回収が終了したと判断された場合（Ｓ１１７：ＹＥＳ）、ポンプ２２の駆動を停止し、尿素供給処理を終了する。
【００３９】
本実施形態におけるＥＣＵ４０は、「ポンプ駆動制御手段」および「還元剤量制御手段」を構成する。そして、図３中のＳ１０３、Ｓ１１２、Ｓ１１６およびＳ１１８が「ポンプ駆動制御手段」の機能としての処理に相当し、図３中のＳ１０４、Ｓ１０５およびＳ１１１が「還元剤量制御手段」の機能としての処理に相当する。
【００４０】
以上説明したように、本実施形態による排気浄化装置１では、溶解部３２が流体通路２８と流体通路２９との間に設けられ流体通路の一部を形成している。また、ディーゼルエンジンの運転状態に応じて尿素量を決定し（Ｓ１０４）、決定された尿素量を尿素粉末貯留部３１から溶解部３２に供給して水の流れによって溶解し、尿素水溶液を得る（Ｓ１０５）。そして、得られた尿素水溶液を添加弁１６から排気通路１２に噴射し、排気中のＮＯｘを還元、浄化する（Ｓ１０６）。流体通路の途中で粉末状の固体尿素を水に溶解するので、ＮＯｘ量に応じて尿素水溶液の尿素濃度を調整することができる。
【００４１】
すなわち、ＮＯｘの排出量が多いとき、例えば加速時や高負荷時、高速走行時などには、尿素粉末貯留部３１から供給され溶解部３２で溶解する尿素量を増やし、尿素水溶液の尿素濃度を高くすることができる。これにより、噴射時間を長くせずに排気通路１２中に噴射する尿素量を増やすことができるので、噴射時間が長くなることによる噴霧状態の悪化を防ぐことができる。また、ＮＯｘの排出量が少ないとき、例えば定常走行時、には、尿素粉末貯留部３１から供給され溶解部３２で溶解する尿素量を減らし、尿素水溶液の尿素濃度を低くすることにより、排気通路１２中に噴射する尿素量を減らすことができる。尿素濃度が高い尿素水溶液を用いて排気通路１２中へ供給される尿素量を減らすには噴射時間を精密に制御する必要があるが、本実施形態においては、尿素水溶液の尿素濃度を低くすることができるので、噴射時間を精密に制御する必要がない。
【００４２】
さらに、尿素水溶液の尿素濃度を調整することによって所望の量の尿素を排気通路１２に供給することができるので、エンジンの排気量毎に添加弁の設計を変える必要がなく、部品の共通化を図ることができる。さらにまた、尿素水溶液の濃度を濃くすれば、添加弁１６からの噴射量を減らすことができ、例えばテーパ噴孔などの微粒化するのに最適な噴孔形状を採用することが可能となり、尿素水溶液を良好な噴霧状態で噴射することができる。
【００４３】
また、本実施形態による排気浄化装置１は、ディーゼルエンジンの運転状態が停止であると判断された場合（Ｓ１０２：ＹＥＳ）、粉末状の固体尿素の供給を停止し（Ｓ１１１）、ポンプ２２の正回転駆動を継続し（Ｓ１１２）、添加弁１６から流体の噴射を継続する（Ｓ１１３）。そして、添加弁１６に尿素が残留していないと判断された場合（Ｓ１１４：ＹＥＳ）、添加弁１６から流体の噴射を停止する（Ｓ１１５）。
【００４４】
すなわち、ディーゼルエンジンの停止後、添加弁１６に尿素が残留していないと判断されるまでの間、粉末状の固体尿素の供給を停止し、粉末用の固体尿素を溶解せずにポンプの駆動により水のみを圧送して添加弁から噴射するので、添加弁１６や流体通路２９に尿素が残留するのを防ぐことができる。したがって、添加弁１６や流体通路２９における尿素の析出や変質を防止することができる。
【００４５】
さらに、本実施形態による排気浄化装置１は、添加弁１６に尿素が残留していないと判断され（Ｓ１１４：ＹＥＳ）、添加弁１６から流体の噴射を停止した後（Ｓ１１５）、ポンプ２２を逆回転駆動し、流体通路２８、２９中の水を回収する（Ｓ１１６）。これにより、流体通路２８、２９等には水が残留しないので、低温条件下における水の凍結が防止され、水の体積が膨張することによる排気浄化装置１の破損など、使用に支障が生じるのを抑制することができる。
【００４６】
（第２実施形態）
次に、本発明の他の実施形態を図４から図６に基づいて説明する。以下の実施形態においては、第１実施形態と同じ、もしくは同等の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
【００４７】
上記第１実施形態では、ポンプ２２は、溶媒タンク２１内に水に浸漬した状態で設けられているが、第２実施形態では、図４に示すように排気浄化装置５のポンプ５２２は、溶媒タンク５２１内になく、流体通路５２８と流体通路５２９との間に設けられている。また、尿素供給部３０は、流体通路５２７と流体通路５２８との間に設けられている。
【００４８】
ポンプ５２２は、流体を所定の圧力に加圧して添加弁１６へ圧送する。流体通路５２９には、水圧センサ２４および尿素センサ２７が設けられている。プレッシャレギュレータ５２３は、添加弁１６へ供給される流体の圧力を調整するものであり、この供給圧力が設定値を超えた場合には、流体通路５２９内の流体がリターン通路５３３を経由して流体通路５２８へ戻される。ポンプ５２２の上流側は加圧されておらず、ポンプ５２２の上流側の圧力は大気圧となっている。
流体通路５２７には、水温センサ２５が設けられており、流体通路５２８にはフィルタ２６が設けられている。
【００４９】
本実施形態においては、溶解部３２が流体通路５２７と流体通路５２８との間に設けられて流体通路の一部を形成しているので、上述した実施形態と同様の効果を奏する。また、溶解部３２は、ポンプ５２２の上流側に位置しており、大気圧下にあるので、溶解部３２を耐圧構造にする必要がない。また粉末状の固体尿素の水への溶解を大気圧下で実施できるので、構造を簡素化することができる。
【００５０】
（他の実施形態）
上記の実施形態では、ディーゼルエンジンに適用した排気浄化装置について説明したが、本発明を適用する内燃機関は、ディーゼルエンジンに限らず、ガソリンエンジンであってもよい。また、上記の実施形態では、排気管に酸化触媒、ＳＣＲ触媒、および、アンモニア除去部を設ける構成としたが、他の実施形態においては、排気管に、排気中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集する連続再生式のＰＭ除去用のフィルタであるＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ  Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｆｉｌｅｒ）を設けてもよい。
【００５１】
上記の実施形態では、溶解部は、水の流れによって粉末状の固体尿素を水に溶解する構成としたが、他の実施形態では、溶解を促進させるための混合手段を有する構成としてもよい。例えば、図５に示す混合手段としてのスクリュー撹拌器５１や、図６に示す混合手段としての超音波振動子５２を有する構成としてもよい。混合手段は、スクリュー撹拌器や超音波振動子に限らず、還元剤の溶媒への溶解を促進できれば、どのような構成であってもよい。
【００５２】
また、上記の実施形態では、粉末状の固体尿素の定量は、３つの電磁弁を制御することによって行っていたが、他の実施形態では、粉末状の固体尿素を定量できればどのような方法であってもよく、例えばスクリューを回転させることによって定量してもよいし、重量を計測して一定量を供給するようにしてもよい。また、上記の実施形態では、尿素粉末貯留部を溶解部の重力方向上側に設け尿素供給部として一体に構成したが、他の実施形態では、尿素粉末貯留部は、溶解部とは別途に設けられ、粉末状の固体尿素を予め定量して溶解部に供給する構成としてもよい。
【００５３】
上記の実施形態は、溶媒タンクに貯留されている溶媒は水であったが、他の実施形態では、凝固点が水よりも低い物質を使用することができる。凝固点が−３５℃以下の物質が特に好ましく、エタノールやメタノールなどのアルコール類が好適に用いられる。このような物質を用いれば、流体通路中に残留しても凍結しないので、流体回収手段を備えなくても、使用に支障が生じることを防止できる。また、エタノールやメタノールを用いれば、溶媒の蒸発が早く、反応が促進される。また、エタノールやメタノールを用いれば、水よりも粘度が低いので、添加弁から噴霧されるとき微粒化されやすく、反応が促進される。
【００５４】
上記の実施形態では、ポンプから供給される溶媒の流速と水圧、添加弁からの噴射時間を一定としたが、他の実施形態では、内燃機関の運転状態に応じて、ＥＣＵの制御によりポンプから供給される溶媒の流速と水圧、添加弁からの噴射時間、および、尿素水溶液の濃度を調整してもよい。このようにすれば、排気通路中に添加する尿素量を、より幅広い範囲で調整したり、最適な噴霧状態となるように制御したりすることができる。
【００５５】
さらに、上記の実施形態では、ＥＣＵは排気浄化装置のみを制御する構成としたが、他の実施形態では、エンジンをはじめとする車両全体の制御する構成としてもよい。また、他の実施形態では、ＣＡＮより取得可能な情報を用いて、添加する尿素量を制御するようにしてもよい。例えば、地図データおよび車両の現在位置を取得して、高速道路の入口料金所を通過した場合には、加速することが予想されるため尿素量を多くする、といった具合である。また、運転者を識別することにより、それぞれの運転者の運転特性に応じた尿素添加量としてもよい。
【００５６】
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の第１実施形態の排気浄化装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１実施形態による尿素定量方法を説明する模式図である。
【図３】本発明の第１実施形態による尿素噴射処理を示すフローチャートである。
【図４】本発明の第２実施形態の排気浄化装置の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の他の実施形態による排気浄化装置の混合手段を示す模式図である。
【図６】本発明の他の実施形態による排気浄化装置の混合手段を示す模式図である。
【符号の説明】
【００５８】
１：排気浄化装置、１１：排気管、１２：排気通路、１４：ＳＣＲ触媒（触媒部）、１６：添加弁、２１：溶媒タンク（溶媒貯留部）、２２：ポンプ（ポンプ、流体回収手段）、２８：流体通路、２９：流体通路、３１：粉末尿素貯留部（還元剤貯留部）、３２：溶解部（還元剤溶解手段、流体通路）、４０：ＥＣＵ（ポンプ駆動手段、還元剤量制御手段）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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