(57)【要約】【課題】尿素水が濃度分離した状態で凝固することを抑制することができる尿素水撹拌制御装置を提供する。【解決手段】尿素水撹拌制御装置は、ステップＳ１１２、Ｓ１０７の処理による撹拌制御部と、ステップＳ１０４の処理による温度取得部と、を備える。温度取得部は、尿素水の温度を取得する。撹拌制御部は、温度取得部により取得された尿素水の温度が共融点に維持された状態で尿素水が放熱している期間の少なくとも一部が含まれる所定期間で、撹拌部を作動させる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気中に尿素水を供給する排気浄化装置（１００）に用いられる尿素水撹拌制御装置であって、
貯留タンク（４）内の前記尿素水を撹拌する撹拌部（４１）を制御する撹拌制御部（１０、Ｓ１１２、Ｓ１０７）と、
前記尿素水の温度を取得する温度取得部（Ｓ１０４）と、を備え、
前記撹拌制御部は、前記温度取得部により取得された前記尿素水の温度が共融点に維持された状態で前記尿素水が放熱している期間の少なくとも一部を含む所定期間で、前記撹拌部を作動させる尿素水撹拌制御装置。
【請求項２】
前記撹拌制御部は、前記所定期間に加えて、所定温度から共融点まで温度低下している期間にも前記撹拌部を作動させる請求項１に記載の尿素水撹拌制御装置。
【請求項３】
前記排気浄化装置は内燃機関（１）の排気を浄化するものであり、
前記尿素水を加熱するヒータ（６１、６２）を制御するヒータ制御部（１０、Ｓ２００）を備え、
前記ヒータ制御部は、前記内燃機関が停止している場合には、前記ヒータを停止させるヒータ停止制御部（１０、Ｓ２０５）を有する請求項１または２に記載の尿素水撹拌制御装置。
【請求項４】
前記ヒータ制御部は、アイドルストップシステムによる前記内燃機関の自動停止時に前記ヒータが作動している場合には、自動停止期間中は前記ヒータを作動させるヒータ作動制御部（１０、Ｓ２０３）を有する請求項３に記載の尿素水撹拌制御装置。
【請求項５】
前記撹拌制御部は、前記所定期間に前記撹拌部を作動させ、前記所定期間の後の期間に前記撹拌部を停止させ、これらの作動と停止とを複数回切り換えながら運転する間欠運転モードで前記撹拌部の制御を行う請求項１乃至４のいずれか１つに記載の尿素水撹拌制御装置。
【請求項６】
前記撹拌制御部は、外気温度が低いほど、前記間欠運転モードでの停止時間に対する作動時間の割合を大きくする請求項５に記載の尿素水撹拌制御装置。
【請求項７】
前記撹拌制御部は、前記温度取得部により取得された前記尿素水の温度が共融点に維持された状態で前記尿素水が放熱している期間の全期間で、前記間欠運転モードによる制御を行う請求項５または６に記載の尿素水撹拌制御装置。
【請求項８】
前記撹拌部は、前記尿素水内へ気泡を排出することで前記尿素水を撹拌する構造であり、
前記撹拌制御部は、前記所定期間に気泡を排出させるように前記撹拌部を制御する請求項１乃至７のいずれか１つに記載の尿素水撹拌制御装置。
【請求項９】
前記撹拌部は、前記尿素水を吸入して前記貯留タンク内へ吐出することで前記尿素水を撹拌する構造であり、
前記撹拌制御部は、前記所定期間に前記尿素水を吐出させるように前記撹拌部を制御する請求項１乃至７のいずれか１つに記載の尿素水撹拌制御装置。
【請求項１０】
前記撹拌部は、
前記尿素水を前記排気中に噴射する噴射弁（３）へ前記貯留タンクから前記尿素水を供給する尿素水供給配管（３１）と、前記貯留タンクから前記尿素水を吸入し前記尿素水供給配管へ前記尿素水を供給する尿素水ポンプ（４１）と、前記尿素水供給配管を流れる前記尿素水の一部を前記貯留タンクに吐出する吐出配管（３２）と、を備え、
前記撹拌制御部は、
前記所定期間に、前記尿素水ポンプが前記尿素水を吸入して前記尿素水供給配管へ供給することで、前記貯留タンクから前記尿素水供給配管及び前記吐出配管を通り前記貯留タンクへ吐出される経路で前記尿素水が循環するように前記撹拌部を制御することで前記尿素水を撹拌させる請求項９に記載の尿素水撹拌制御装置。
【請求項１１】
前記撹拌制御部は、前記所定期間であっても、前記貯留タンク内の尿素水量が所定量以下であった場合には前記撹拌部による撹拌を禁止する請求項１乃至８のいずれか１つに記載の尿素水撹拌制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、貯留タンク内に貯留された尿素水を撹拌する尿素水撹拌制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気を浄化するための排気管のうち排気浄化装置よりも上流部分には、尿素水が添加される。仮に、添加された尿素水の濃度が適切な濃度範囲よりも低いと、排気に供給される尿素が少なくなるため、排気浄化率が低くなってしまう。また、尿素水の濃度が適切な濃度範囲よりも高いと、過剰な尿素が供給されるため、排気と反応しなかった尿素が大気に放出されてしまう。これらのことから、尿素水は適切な濃度範囲である必要がある。
【０００３】
ここで、寒冷地など気温の低い環境において、尿素水は凝固する。一般的に、尿素水のうち溶液である水の凝固点と溶媒である尿素の凝固点とには差がある。そのため、溶液及び溶媒は異なる温度で凝固し始める。また、水溶液に溶解されている尿素の濃度によっても溶液または溶媒のどちらが先に凝固し始めるかは異なっている。水は、液体状態よりも固体状態の方が比重が小さいため、凝固し固体となると水溶液水面側に集まりやすい。一方、尿素は、固体状態の比重が大きいため、凝固し固体となると水溶液底面側に集まりやすい。よって、尿素水が凝固する際に水及び尿素のどちらか一方が先に凝固し始めた場合、濃度分離が生じる。
【０００４】
ここで、車両に備え付けられた尿素水タンク内の尿素水が凝固した場合、内燃機関の始動時には、凝固した尿素水の一部を解凍し使用する。そのような場合に、尿素水が濃度分離を生じた状態で凝固してしまうと、一部を解凍し使用した際に、適切な濃度範囲内でない尿素水が添加されてしまう可能性がある。そこで、尿素水が濃度分離を生じた状態で凝固しないように、これまで特許文献１のような３２．５％の尿素水が使われていた。尿素と水とには凝固点に違いがあるものの、３２．５％の濃度の尿素水は−１１℃に共融点を有する。共融点とは、尿素と水とが同時に凝固する温度である。そのため、共融点を有する３２．５％の尿素水は凝固時に濃度分離を生じないと考えられていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８‐２８６０９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、共融点で尿素と水とが同時に凝固したとしても、尿素水が凝固を開始してからタンク内のすべての尿素水が完全に凝固し固体のみになるまでの間に、凝固した尿素、凝固した水、及び水溶液が混在した状態となる。そして、凝固した尿素と凝固した水との比重差により、凝固した水は水溶液水面側に集まり、凝固した尿素は水溶液底面側に集まり、鉛直方向に濃度分離が生じることを本発明者は発見した。
【０００７】
本発明は上記問題点を鑑みてなされたものであり、その目的は、尿素水が濃度分離した状態で凝固することを抑制することができる尿素水撹拌制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
ここに開示される発明は上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、特許請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、発明の技術的範囲を限定するものではない。
【０００９】
開示される発明のひとつは貯留タンク（４）内の尿素水を撹拌する撹拌部（４１）を制御する撹拌制御部（Ｓ１１２、Ｓ１０７）と、尿素水の温度を取得する温度取得部（Ｓ１０４）と、を備え、撹拌制御部は、温度取得部により取得された尿素水の温度が共融点に維持された状態で尿素水が放熱している期間の少なくとも一部が含まれる所定期間で、撹拌部を作動させる尿素水撹拌制御装置である。
【００１０】
前述のとおり、尿素水の温度が低下して共融点になると水及び尿素の一部が凝固し始める。そして、凝固した水と凝固した尿素との比重に差が生じる。具体的には、凝固した水は、尿素水よりも軽いため尿素水の水面へ集まりやすい。一方、凝固した尿素は、尿素水よりも重いため尿素水の水底へ集まりやすい。仮に、本発明に反して、尿素水の温度が共融点である時に尿素水の撹拌を行わなかった場合、凝固した水と凝固した尿素とが分離した状態でタンク内のすべての尿素水が凝固し固体となってしまう可能性がある。つまり、水底側は尿素の濃度が高く、水面側が尿素の濃度が低い状態で凝固してしまい、一部を解凍して使用する際に適切な濃度範囲内でない尿素水となる可能性がある。
【００１１】
しかしながら、上記発明によれば、温度取得部により取得された尿素水の温度が共融点に維持された状態で尿素水が放熱している期間の少なくとも一部を含む所定期間で尿素水を撹拌させる。このことにより、凝固した水及び凝固した尿素のそれぞれが水面側及び底面側のそれぞれに分離することを抑制することが可能である。延いては、尿素と水とが濃度分離した状態で凝固することを抑制することができる尿素水撹拌制御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第一実施形態に係る尿素水撹拌制御装置が適用された排気浄化装置の概略図を示す。
【図２】第一実施形態に係る尿素水撹拌制御部装置による尿素水の撹拌制御を示すフローチャートである。
【図３】第一実施形態に係る尿素水撹拌制御部装置のうちタンク内ヒータ及び配管用ヒータの制御を示すフローチャートである。
【図４】第一実施形態に係る尿素水撹拌制御装置による尿素水の撹拌を行う場合のタイムチャートを示す。
【図５】第二実施形態に係る尿素水撹拌制御装置による尿素水の撹拌を行う場合のタイムチャートを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において、先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において、構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を参照し適用することができる。
【００１４】
（第一実施形態）
図１に示すように、本実施形態の尿素水撹拌システムは、車両に搭載された内燃機関の排気浄化装置１００に適用される。本実施形態の内燃機関としては、ディーゼルエンジン１（以下、エンジン１と呼ぶ）が採用されている。尿素水撹拌システムは、尿素水を撹拌するための撹拌部と、撹拌部を制御するための尿素水撹拌制御装置とを備える。
【００１５】
エンジン１に接続された排気管２内にはエンジン１から排気が排出される。排気管２の上流側にはディーゼルパティキュレートフィルタ（Diesel  Particulate  Filter：ＤＰＦ）２１が搭載されている。また、ＤＰＦ２１の下流側には噴射弁３が搭載され、さらに下流側には選択型還元触媒（Selective  Catalytic  Reduction：ＳＣＲ）を備える触媒装置２２が搭載されている。ＤＰＦ２１は、排気に含まれるＰＭを捕集することで排気を浄化する。触媒装置２２は、噴射弁３から供給される還元剤の作用でＮＯｘを選択的に還元浄化する。
【００１６】
本実施形態では、触媒装置２２に供給される還元剤としてアンモニアの前駆体である尿素を使用する。この尿素は、取扱いの容易な尿素水の状態で貯留タンク４に貯留される。そして、尿素水は、貯留タンク４内に設置された尿素水ポンプ４１により尿素水供給配管３１を介して噴射弁３に圧送されることで排気管２内に噴射供給される。
【００１７】
噴射弁３は、図示しない噴孔が先端に形成され、尿素水を霧状化して噴射する。噴射弁３は、排気管２を通る排気の流れの中に噴孔が配置されるように排気管２に備え付けられている。噴射弁３は、図示しない電磁ソレノイド等からなる駆動部と、先端に形成された噴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いる。そして、電磁ソレノイドが通電されると、通電に伴いニードルが開弁方向に移動し、噴孔が開弁することで尿素水が排気管２内へ噴射される。
【００１８】
貯留タンク４内には、尿素水ポンプ４１、タンク内ヒータ６１、尿素水温度センサ５３及び尿素水濃度センサ５４が設置されている。そして、貯留タンク４には、流出口３１１と戻り口３２１が形成されている。流出口３１１には尿素水供給配管３１が接続され、戻り口３２１にはリターン配管３２が接続されている。リターン配管３２は、尿素水供給配管３１のうち尿素水ポンプ４１から噴射弁３までの間と貯留タンク４とを連結する。また、リターン配管３２と貯留タンク４との接続部分である戻り口３２１には、戻り口３２１を開閉するリターン弁３２２が設けられている。リターン弁３２２は通電により開弁する電磁式の弁である。
【００１９】
タンク内ヒータ６１は、尿素水温度センサ５３の検出値に基づき、尿素水が凝固している場合には尿素水の加熱を行う。尿素水温度センサ５３は、貯留タンク４内の尿素水の温度を検出する。尿素水濃度センサ５４は、貯留タンク４内の尿素水の濃度を検出する。
【００２０】
尿素水ポンプ４１は、図示しない電動機、インペラ及び貯留タンク４内の尿素水をインペラへ吸入する吸入口４１１を有する。電動機の駆動に伴いインペラを回転させることにより尿素水の圧送及び吸引を行う非容積式のポンプが尿素水ポンプ４１として取り付けられている。吸入口４１１は、貯留タンク４内の尿素水の量がわずかな場合であっても尿素水の圧送を行えるよう、貯留タンク４の底面に近い位置に形成されていることが好ましい。
【００２１】
このような尿素水ポンプ４１において、インペラは、正回転と逆回転との両方を行うことができる。インペラが正回転される場合には、貯留タンク４内の尿素水は吸入口４１１を介して尿素水供給配管３１へ圧送される。一方、インペラが逆回転される場合には、尿素水供給配管３１内の尿素水は吸入口４１１から貯留タンク４内へ戻される。つまり、尿素水は貯留タンク４内へ吸引される。そして、尿素水供給配管３１内の尿素がすべて貯留タンク４に戻され、尿素水供給配管３１内の尿素水が空になった状態で尿素水ポンプ４１をさらに逆回転させることにより、尿素水供給配管３１内の空気を貯留タンク４内へ引き込むことが可能である。つまり、尿素水ポンプ４１は、インペラを逆回転作動することより、貯留タンク４に形成された吸入口４１１を介して空気を気泡として尿素水内へ排出する。吸入口４１１は貯留タンク４の底面に近い位置に形成されているため、尿素水内へ排出された気泡は底面から水面方向へ上昇する。これにより、尿素水内には水底から水面方向へ向かう流れが生じる。そのため、尿素水ポンプ４１は尿素水を撹拌することが可能である。つまり、尿素水ポンプ４１は、インペラが逆回転で作動されている場合、尿素水を撹拌する撹拌部として機能する。
【００２２】
尿素水供給配管３１には、尿素水供給配管３１に圧送された尿素水の圧力を検出する尿素水圧力センサ５２が設置されている。そして、圧送された尿素水の圧力が所定圧を超えると、後述するＥＣＵ１０はリターン弁３２２に通電して戻り口３２１を開弁させる。これにより、尿素水供給配管３１内を流通する尿素水の一部がリターン配管３２から貯留タンク４内へ戻される。尿素水供給配管３１には、尿素水供給配管３１内を通過する尿素水を温めるための配管用ヒータ６２が取り付けられている。
【００２３】
また、排気浄化装置１００は外気温度を検出する外気温度センサ５１を備える。
【００２４】
排気浄化装置１００の中で、電子制御ユニットとして排気浄化に係わる制御を行う部分がＥＣＵ１０（Electronic  Control  Unit）である。ＥＣＵ１０は、少なくともひとつの演算処理装置（ＣＰＵ）、プログラムとデータとを記憶する記憶媒体としての少なくともひとつのメモリ装置（ＭＭＲ）、入力回路及び出力回路を備える。ＥＣＵ１０は、コンピュータによって読み取り可能な記憶媒体を備えるマイクロコンピュータにより提供される。記憶媒体は、コンピュータによって読み取り可能なプログラムを非一時的に格納する非遷移的実体的記憶媒体である。記憶媒体は、半導体メモリまたは磁気ディスクなどによって提供されうる。ＥＣＵ１０は、ひとつのコンピュータ、またはデータ通信装置によってリンクされた一組のコンピュータ資源により提供されうる。プログラムは、ＣＰＵによって実行されることにより、ＥＣＵ１０をこの明細書に記載される装置として機能させる。
【００２５】
還元剤として用いられる３２．５％の尿素水は、−１１℃に共融点を有する。３２．５％の尿素水とは、尿素水のうち３２．５％が尿素成分（以下、尿素）であり、残りの６７．５％が水成分（以下、水）である。共融点とは、尿素水を冷却した場合に尿素と水とが同時に凝固する温度である。これまで、共融点を有する３２．５％の尿素水は尿素と水とが同時に凝固するため凝固時に濃度分離を生じないと考えられていた。しかしながら、尿素水が凝固を開始してからタンク内のすべての尿素水が完全に凝固し固体のみになるまでの間に、凝固した尿素、凝固した水、及び水溶液が混在した状態となる。ここで、水は、液体状態よりも固体状態の方が比重が小さいため、凝固し固体となると水溶液水面側に集まりやすい。一方、尿素は固体状態の比重が大きいため、凝固し固体となると水溶液底面側に集まりやすい。これらのことから、尿素水の温度が低下し共融点で尿素と水とが同時に凝固したとしても、凝固した尿素、凝固した水、及び水溶液が混在した状態である期間に、凝固した水は水溶液水面側に集まり、凝固した尿素は水溶液底面側に集まる。よって、共融点で尿素と水とが同時に凝固を開始したとしても、凝固した尿素と凝固した水との比重差により鉛直方向に濃度分離が生じる。
【００２６】
本実施形態に係る尿素水撹拌制御装置は図２に示す処理動作を実行することにより、尿素水ポンプ４１を制御し、貯留タンク４内の尿素水が鉛直方向に濃度分離した状態ですべての尿素水が凝固することを抑制することが可能である。以下、この制御フローを詳細に説明する。なお、以下の説明で用いられる尿素水ポンプ４１の作動とは、インペラを逆回転させる作動を示す。つまり、尿素水ポンプ４１を撹拌部として機能させていることを示している。
【００２７】
図２の制御フローは、尿素水が放熱しており、かつエンジン１が停止している場合に開始される。つまり、図２の制御フローは、エンジン１が停止している状態でＥＣＵ１０への通電が行われることで実行される。ここでいう、尿素水が放熱している場合とは、尿素水温度センサ５３により検出された尿素水の温度が外気温度センサ５１により検出された外気温度よりも高い場合とする。図２の制御フローにおける尿素水の撹拌は尿素水ポンプ４１により行われる。尿素水ポンプ４１は、温度取得部により取得された尿素水の温度が共融点に維持された状態で尿素水が放熱している期間の少なくとも一部を含む所定期間で撹拌制御部により作動される。さらに撹拌制御部は、所定期間に尿素水ポンプ４１を作動させ、所定期間の後の期間に尿素水ポンプ４１を停止させることで尿素水ポンプ４１の作動と停止とを複数回切り換えながら運転する間欠運転モードで尿素水ポンプ４１の制御を行う。図２の制御フローはＥＣＵ１０への通電が終了されるまで所定の周期で繰り返し実行される。
【００２８】
まず、ステップＳ１０１では、あらかじめ決められた前提条件を満たすかを判定する。具体的には、車両に搭載されたバッテリの充電残量が所定量以上であるかが判定される。また、貯留タンク４内に貯留された尿素水の貯留量が所定量より多いかが判定される。バッテリの充電残量が所定量より多く、かつ尿素水の貯留量が所定量より多い場合、前提条件を満たしているとして処理はステップＳ１０３に移行する。前提条件を満たしていない場合、処理はステップＳ１０２へ移行する。ステップＳ１０２では、ＥＣＵ１０への通電を終了する。つまり、バッテリの充電残量が所定量以下であるか、尿素水の貯留量が所定量以下であった場合、撹拌部による撹拌は禁止される。
【００２９】
ステップＳ１０３では、閾値算出部が各判定閾値の算出を行う。具体的には、尿素水の撹拌を開始する温度である第一閾値Ｔｕ１を算出する。また、尿素水が凝固を開始すると推定される外気温度は尿素水濃度により変化するため、尿素水濃度に基づく尿素水が凝固を開始すると推定される外気温度を外気温度閾値Ｔａとして算出する。さらに、閾値算出部は、間欠運転モードにおける尿素水ポンプ４１の作動時間と停止時間とを決定する作動時間閾値Ｔｍｉｘ及び停止時間閾値Ｔｗａｉｔを算出する。
【００３０】
第一閾値Ｔｕ１は、貯留タンク４に設置された尿素水濃度センサ５４の検出値を基に算出される。ここで、仮に尿素水濃度が３２．５％から少しずれていた場合、尿素水が凝固を開始する温度は共融点である−１１℃より高くなる可能性がある。そのため、尿素水の撹拌を開始する第一閾値Ｔｕ１を、尿素水濃度に応じて算出する必要がある。第一閾値Ｔｕ１の算出方法として具体的には、尿素水が凝固を開始する温度と尿素水濃度との相関を示す相関マップがあらかじめ実験などにより求められ、メモリに記録されている。そして、尿素水濃度センサ５４の検出値と相関マップとに基づき、尿素水が凝固を開始する温度を推定する。第一閾値Ｔｕ１は、推定された尿素水が凝固を開始する温度より所定温度、高い値として算出される。つまり、尿素水の撹拌は、凝固尿素水の温度が所定温度から共融点まで温度低下している間の温度で開始される。
【００３１】
外気温度閾値Ｔａは、尿素水濃度センサ５４の検出値を基に算出する。具体的には、尿素水が凝固を開始する外気温度と尿素水濃度との相関を示すマップがあらかじめ実験などにより求められ、メモリに記録されている。尿素水濃度センサ５４の検出値と相関マップとに基づき、尿素水濃度センサ５４により検出された尿素水濃度において尿素水が凝固を開始する外気温度を外気温度閾値Ｔａとして算出する。
【００３２】
作動時間閾値Ｔｍｉｘ及び停止時間閾値Ｔｗａｉｔは、外気温度センサ５１の検出値を基に算出する。作動時間閾値Ｔｍｉｘ及び停止時間閾値Ｔｗａｉｔの算出は、あらかじめ実験等により定められた尿素水が濃度分離せずにすべて凝固するために必要な尿素水ポンプ４１の停止時間に対する作動時間の割合と外気温度との相関マップに基づき算出される。かかる相関マップにおける尿素水ポンプ４１の停止時間に対する作動時間の割合は、外気温度が低いほど大きくなる。つまり、外気温度が低いほど作動時間に対する相対的な停止時間が短くなる。かかる相関マップは、あらかじめメモリに記録されている。閾値算出部により各判定閾値が算出されると、ステップＳ１０４へ移行する。
【００３３】
ステップＳ１０４では、尿素水温度センサ５３により検出された貯留タンク４内の尿素水の温度を温度取得部が取得する。
【００３４】
次にステップＳ１０５では、温度取得部により取得された尿素水の温度が第二閾値Ｔｕ２以上であるかを判定する。第二閾値は、−１３度といった共融点より低い温度としてあらかじめメモリに記録されている。貯留タンク４内の尿素水の温度が第二閾値Ｔｕ２よりも小さいと判定された場合には、尿素水がすべて凝固したとみなしてステップＳ１０２へ移行する。一方、尿素水が第二閾値Ｔｕ２以上であると判定された場合には、尿素水がすべて凝固していない状態、つまり、液体と固体が混在した状態あるいは液体だけの状態とみなしてステップＳ１０６へ移行する。
【００３５】
ステップＳ１０６では、撹拌要求判定部が、尿素水の撹拌要求があるか否かを判定する。具体的には、温度取得部により取得された尿素水の温度が第一閾値Ｔｕ１より低いか否かと、外気温度センサ５１による検出値が外気温度閾値Ｔａより低いか否かを判定する。そして、尿素水の温度が第一閾値Ｔｕ１より低く、かつ外気温度が外気温度閾値Ｔａより低いと判定された場合に、撹拌要求判定部は、尿素水の撹拌要求があると判定し、ステップＳ１０８へ移行する。一方、尿素水の温度が第一閾値Ｔｕ１以上または外気温度が外気温度閾値Ｔａ以上であった場合は、撹拌要求判定部は、尿素水の撹拌要求がないと判定する。撹拌要求がないと判定されると、ステップＳ１０７へ移行し、撹拌制御部が尿素水ポンプ４１の撹拌を停止する。
【００３６】
ここで、ＥＣＵ１０は、撹拌要求が為されてからの経過時間をタイマーで計測し、その計測した時間を記録時間Ｔｒｅｃとしてメモリに記録させている。タイマーは、後述するステップＳ１１０の処理が実行される毎に所定時間ずつ記録時間Ｔｒｅｃを積算していく。そしてステップＳ１０８では、記録時間Ｔｒｅｃが、閾値算出部により算出された作動時間閾値Ｔｍｉｘ及び停止時間閾値Ｔｗａｉｔの合計時間以下であるかを判定する。記録時間Ｔｒｅｃが上記合計時間より大きいと判定された場合には、ステップＳ１０９へ移行し、メモリに記録された記録時間Ｔｒｅｃがリセットされ、記録時間Ｔｒｅｃは０になる。一方で、記録時間Ｔｒｅｃが合計時間以下であると判定された場合には、ステップＳ１１０へ移行する。ステップＳ１１０では、メモリに記録される記録時間Ｔｒｅｃを所定時間増やす。
【００３７】
続いてステップＳ１１１では、記録時間Ｔｒｅｃが停止時間閾値Ｔｗａｉｔより大きいか否かを撹拌開始判定部が判定する。記録時間Ｔｒｅｃが停止時間閾値Ｔｗａｉｔよりも大きかった場合には、ステップＳ１１２へ移行する。一方、記録時間Ｔｒｅｃが停止時間閾値Ｔｗａｉｔよりも小さかった場合には、ステップＳ１０７へ移行する。ステップＳ１０７では撹拌制御部が尿素水ポンプ４１の作動を停止する。
【００３８】
ステップＳ１１２では、尿素水ポンプ４１へ電力供給するように撹拌制御部が通電制御する。尿素水が全て凝固していなければ、尿素水ポンプ４１のインペラは逆回転される。すると、尿素水ポンプ４１は、貯留タンク４外からインペラへ空気を引き込むことが可能である。そして、引き込まれた空気は貯留タンク４の底面付近に形成された吸入口４１１から貯留タンク４内へ排出される。排出された空気は気泡となって貯留タンク４の底面から尿素水の水面方向へ上昇する。これにより、貯留タンク４内の尿素水に鉛直方向の流れが生じ、貯留タンク４内の尿素水が撹拌される。
【００３９】
図２の制御フローは、ステップＳ１０５で尿素水がすべて凝固したと判定されるとステップＳ１０２へ移行し、ＥＣＵ１０への通電が停止されることで終了する。
【００４０】
上述の通り、図２における制御フローは、エンジン１が停止してから尿素水がすべて凝固するまで実施される。この図２の制御フローとは別に、図３のヒータ制御がＥＣＵ１０への通電が行われている間、所定の周期で繰り返し実行される。ヒータ制御では、タンク内ヒータ６１及び配管用ヒータ６２の作動と停止との制御を行う。
【００４１】
まずステップＳ２０１で貯留タンク４内の尿素水の温度が所定値以下であるか否かが尿素水温度判定部により判定される。尿素水の温度は、貯留タンク４に設置された尿素水温度センサ５３により検出された値を用いる。ここでいう所定温度とは、例えば、共融点および第一閾値Ｔｕ１よりも大きい値として設定されている（例えば、−５℃程度）。ステップＳ２０１で、尿素水の温度が設定された値以下であると判定された場合には、ステップＳ２０２へ移行する。一方、尿素水の温度が設定された値より大きいと判定された場合には、ステップＳ２０５へ移行する。
【００４２】
ステップＳ２０２でエンジン１が停止しているか否かが判定される。エンジンが停止していない場合はステップＳ２０３へ移行する。ステップＳ２０３では、ヒータ作動部により貯留タンク内に設置されたタンク内ヒータ６１及び配管用ヒータ６２が作動される。
【００４３】
一方、ステップＳ２０２でエンジン１が停止していると判定された場合には、ステップＳ２０４へ移行する。ステップＳ２０４では、エンジン１の停止がアイドルストップシステムによる自動停止か否かが確認される。エンジン１の停止がアイドルストップシステムによる自動停止である場合には、ステップＳ２０３へ移行し、ヒータ作動制御部によりタンク内ヒータ６１及び配管用ヒータ６２は作動される。
【００４４】
一方、ステップＳ２０４でエンジン１の停止がアイドルストップシステムによる自動停止ではないと判定された場合には、ステップＳ２０５へ移行しヒータ停止制御部によりタンク内ヒータ６１は停止される。ステップＳ２０３とステップＳ２０５とがヒータ制御部Ｓ２００に該当する。
【００４５】
次に、尿素水の凝固温度である共融点より、外気温度が低い寒冷地にて本実施形態を適用した場合において、図２の制御フローに従って実現される作動例を、図４のタイムチャートに基づき説明する。
【００４６】
まず、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの期間では、図４（ｂ）のようにエンジン１は所定の回転数で回転している。そのため、図４（ｄ）のように噴射弁３への通電を断続的に行い、図４（ｅ）のように尿素水ポンプ４１を正回転で作動させることで噴射弁３へ尿素水を圧送している。
【００４７】
時刻ｔ１でイグニッションスイッチが切られると、エンジン１の回転数は０になる。つまりエンジン１が停止する。エンジン１が停止すると、尿素水供給配管３１内の尿素水を貯留タンク４内へ引き戻す尿素水の引き戻しが行われる。尿素水の引き戻しは、尿素水ポンプ４１を所定時間、逆回転で作動させることにより行われる。この時間は、排気浄化装置１００により異なり、あらかじめメモリに記録されている。引き戻しの開始時点では噴射弁３を閉弁させているので、尿素水ポンプ４１が逆回転で作動されることにより、尿素水供給配管３１内には負圧が生じる。尿素水供給配管３１内に負圧が生じた状態で噴射弁３に通電し、噴射弁３を開弁すると、噴孔から排気管２内の空気が尿素水供給配管３１内へ吸い込まれる。そのため、尿素水供給配管３１内に滞留していた尿素水が貯留タンク４内へ引き戻される。時刻ｔ２で尿素水供給配管３１内の尿素水が空になると、噴射弁３への駆動電流の供給は停止される。
【００４８】
また、時刻ｔ１でエンジン１が停止すると、図２の制御フローが実行される。そして、時刻ｔ３で、図４（ａ）のように尿素水の温度及び外気温度が第一閾値Ｔｕ１及び外気温度閾値Ｔａよりも低くなると、撹拌要求判定部により尿素水撹拌要求があると判定される。尿素水撹拌要求があると判定されると、図４の（ｃ）のようにタイマーによる経過時間の計測が開始される。タイマーにより計測されて記録された記録時間Ｔｒｅｃが停止時間閾値Ｔｗａｉｔより大きいか否かが撹拌開始判定部により判定される。時刻ｔ３から時刻ｔ３ａより前までは、記録時間Ｔｒｅｃが停止時間閾値Ｔｗａｉｔより小さいと判定される。そのため、撹拌要求はあるものの、撹拌制御部により尿素水ポンプ４１は停止される。そして、時刻ｔ３ａで、記録時間Ｔｒｅｃが停止時間閾値Ｔｗａｉｔ以上であると判定されると、尿素水ポンプ４１は作動される。尿素水ポンプ４１が逆回転作動されると、噴射弁３は駆動電流が供給されることにより開弁する。これにより、排気管２内の空気が尿素水供給配管３１を介して貯留タンク４内へ引き込まれる。引きこまれた空気は、貯留タンク４内の底面に近い位置に形成された吸入口４１１から貯留タンク４内の尿素水へ排出される。排出された空気は尿素水の水底から尿素水の水面に向かって上昇する。つまり、貯留タンク４内の尿素水が気泡により撹拌される。
【００４９】
時刻ｔ３ｂで記録時間Ｔｒｅｃが作動時間閾値Ｔｍｉｘ及び停止時間閾値Ｔｗａｉｔの合計値以上であると記録時間判定部により判定されると、尿素水ポンプ４１は停止される。同時に、タイマーによる記録時間Ｔｒｅｃがリセットされ０になる。時刻ｔ３から時刻ｔ３ａのような尿素水ポンプ４１の作動と停止との切り換えが、時刻ｔ４まで複数回行われる。
【００５０】
このような間欠運転モードでの尿素水の撹拌は、時刻ｔ４で尿素水の温度が第二閾値Ｔｕ２より小さくなる時刻ｔ４で停止される。時刻ｔ４で尿素水の温度が第二閾値Ｔｕ２より小さくなると貯留タンク４内の尿素水がすべて凝固したとしてＥＣＵ１０への通電が終了される。これにより、図２の制御フローは終了される。
【００５１】
以上のような本実施形態によると、撹拌制御部は、温度取得部により取得された尿素水の温度が共融点に維持された状態で尿素水が放熱している期間の少なくとも一部を含む所定期間で尿素水ポンプ４１を作動させる。このことにより、凝固した水及び凝固した尿素のそれぞれが水面側及び水底のそれぞれに分離することを抑制することが可能である。これにより、尿素と水とが濃度分離した状態で凝固することを抑制することができる尿素水撹拌制御装置を提供することができる。
【００５２】
また、本実施形態によれば、撹拌制御部は、尿素水の温度が共融点である場合に加えて、所定温度から共融点まで温度低下している場合にも尿素水ポンプ４１を作動させる。つまり、水及び尿素が共融点で凝固し始めるよりも前には尿素水ポンプ４１により尿素水は撹拌されている。仮に、本実施形態に反して、水及び尿素が共融点で凝固し始めるよりも前に撹拌が行われていないと、尿素又は水が凝固し始めた場合に凝固した水及び尿素が偏った状態で結晶として成長しやすくなる。つまり、水又は尿素に偏った結晶が成長してしまう可能性がある。しかしながら、本実施形態のように、水及び尿素が凝固し始めるよりも前に撹拌が行われることにより、水及び尿素がどちらかに偏った状態で結晶成長することを抑制することができる。また、実際の濃度が適正濃度からずれていた場合には共融点よりも高い温度で凝固を開始する。このような場合を想定すると、所定温度から共融点まで温度低下している場合にも尿素水ポンプ４１を作動させる本実施形態によれば、撹拌開始が凝固開始の後になってしまうおそれを低減できる。
【００５３】
また、本実施形態では、尿素水を加熱するタンク内ヒータ６１及び配管用ヒータ６２を制御するヒータ制御部Ｓ２００はヒータ停止制御部を有する。ヒータ停止制御部は、尿素水の温度が共融点より高い上記の所定値以下で、かつエンジン１が停止している場合には、タンク内ヒータ６１及び配管用ヒータ６２を停止させる。タンク内ヒータ６１及び配管用ヒータ６２を作動させている間は、貯留タンク４内の尿素水は温められるため凝固を抑制することができる。また、エンジン１の始動時等の尿素が凝固している状態においては、タンク内ヒータ６１及び配管用ヒータ６２を作動させることにより尿素を解凍することが可能である。しかしながら、尿素水の濃度分布を均一な状態で凝固させる場合においては、尿素水がタンク内ヒータ６１及び配管用ヒータ６２で温められてしまうと尿素水の凝固に時間がかかるため撹拌部である尿素水ポンプ４１の作動時間が長くなる。ここで、本実施形態では、尿素水の温度が共融点よりは高い所定値以下で、かつエンジン１が停止している場合には、ヒータ停止制御部がタンク内ヒータ６１及び配管用ヒータ６２を停止させる。これにより、尿素水を凝固させる場合には、尿素水ポンプ４１を余分に作動させることを抑制することが可能である。
【００５４】
また、ヒータ制御部Ｓ２００は、アイドルストップシステムによるエンジン１の自動停止時にタンク内ヒータ６１及び配管用ヒータ６２が作動している場合には、自動停止期間中はタンク内ヒータ６１及び配管用ヒータ６２を作動させるヒータ作動制御部を有する。これによれば、アイドルストップシステムによるエンジン１の自動停止時にタンク内ヒータ６１及び配管用ヒータ６２が作動している場合にはタンク内ヒータ６１及び配管用ヒータ６２の作動状態を維持する制御をヒータ作動維持制御部が行う。これにより、例えば、タンク内の尿素水のすべてが凝固している状態でエンジン１を始動し、尿素水を解凍するためにタンク内ヒータ６１の始動を行った場合において、その直後に自動停止させたとしても、タンク内ヒータ６１の作動を維持することが可能である。よって、凝固した尿素水の解凍を好適に実行することが可能である。
【００５５】
また、本実施形態では、撹拌制御部は、バッテリから供給される電力により尿素水ポンプ４１を作動させる。そのため、尿素水ポンプ４１の作動を長時間継続して行うと、バッテリの残電力がなくなった状態である、所謂バッテリ上がりが生じる可能性がある。
【００５６】
そこで、本実施形態のように撹拌制御部は、所定期間に尿素水ポンプ４１を作動させ、所定期間の後の期間に尿素水ポンプ４１を停止させ、これらの作動と停止とを複数回切り換えながら運転する間欠運転モードで尿素水ポンプ４１を制御する。貯留タンク内の尿素水が共融点で凝固し始めてからすべて凝固するまでには、所定の時間がかかる。そのため、尿素水が共融点である間中継続して尿素水ポンプ４１を作動させなくとも、尿素水が共融点である場合に定期的に撹拌することで尿素水がすべて凝固する際に濃度分離が生じることを抑制することができる。よって、本実施形態のように間欠運転モードによって尿素水を撹拌したとしても、尿素水がすべて凝固する際に、濃度分離が生じることを抑制することできる。これにより、尿素水ポンプ４１の作動による使用電力、つまり消費電力を節約することが可能である。よって、バッテリ上がりを抑制することが可能である。
【００５７】
また、本実施形態において撹拌制御部は、間欠運転モードで外気温度が低いほど、尿素水ポンプ４１の停止時間に対する作動時間の割合を大きくする制御を行う。尿素水の凝固速度は、外気温度により変化する。例えば、共融点に対して外気温度が低いほど尿素水の凝固速度は速く、外気温度が共融点に近いほど尿素水の凝固速度は遅くなる。外気温度が共融点に対して低く凝固速度が速い場合には、尿素及び水の結晶の成長が速い。そのため、凝固した尿素と凝固した水とが底面側と水面側とに偏った状態で結晶成長しやすい。よって、撹拌制御部は、外気温度が尿素水の共融点よりも低い時ほど尿素水ポンプ４１の停止時間を短くする。これにより、尿素水の凝固速度が速い場合においても、凝固した尿素と凝固した水とが偏った状態で結晶成長し、濃度分布の偏った状態ですべての尿素水が凝固することを抑制することができる。
【００５８】
一方、外気温度が尿素水の共融点に近く凝固速度が遅い場合には、尿素及び水の結晶の成長は遅い。よって、撹拌制御部は、外気温度が共融点に近い時ほど尿素水ポンプ４１の停止時間に対する尿素水ポンプ４１の作動時間の割合を小さくする。これにより、尿素水の凝固速度が遅い場合において、１回の尿素水ポンプ４１の作動時間を短くし停止時間を長くすることにより、１回の作動によるバッテリ消費量が少量になる。そのため、仮にすべての尿素水が凝固するのに時間がかかったとしても長時間、間欠運転モードを行うことができる。つまり、尿素水が凝固を開始してからすべての尿素水が凝固するまで撹拌を行うことが可能である。
【００５９】
また、本実施形態において撹拌制御部は、温度取得部により取得された尿素水の温度が共融点に維持された状態で尿素水が放熱している期間の全期間で、間欠運転モードによる尿素水ポンプ４１の制御を行う。これにより、尿素水の濃度分離抑制を促進することが可能である。
【００６０】
また、尿素水ポンプ４１は、尿素水内へ気泡を排出することで尿素水を撹拌する構造であり、撹拌制御部は、尿素水ポンプ４１を制御することで尿素水を撹拌させる。撹拌制御部により駆動された尿素水ポンプ４１により尿素水内に気泡が排出されると、気泡は尿素水の水面に向かって上昇する。つまり、気泡は尿素水内を鉛直方向に移動する。その時に、気泡が尿素水内に鉛直方向の流れを生じさせる。これにより、貯留タンク内の尿素が撹拌され、濃度分離が進行することを抑制することができる。
【００６１】
また、撹拌制御部は、尿素水が共融点以下であっても、貯留タンク４内の尿素水量が所定量以下であった場合には尿素水ポンプ４１による撹拌を禁止する。仮に、尿素水の温度が共融点以下であったとしても、貯留タンク４内の尿素水の量が所定量以下である場合、貯留タンク内の尿素水の量が少ないため鉛直方向の尿素水の濃度分離による影響は少ない。よってそのような時には撹拌を禁止する。これにより、尿素水ポンプ４１を作動させることによるバッテリ上がりを抑制することができる。
【００６２】
（第二実施形態）
第二実施形態における尿素水撹拌制御装置の制御による作動例を図５のタイムチャートを用いて説明する。なお、第一実施形態と重複する説明は省略する。
【００６３】
第二実施形態では、時刻ｔ３で撹拌要求判定部により尿素水の撹拌要求があると判定されると、図５（ｆ）のように、尿素水ポンプ４１を正回転で作動させる。このとき、第二実施形態では第一実施形態のように噴射弁３への駆動電流の供給は行わない。時刻ｔ３ａで尿素水ポンプ４１が正回転で作動されると同時に、戻り口３２１に形成されたリターン弁３２２へ通電して開弁させる。この時、図５（ｅ）のように、リターン弁の開弁は尿素水ポンプ４１が所定時間駆動されてから行う。リターン弁３２２が開弁していない状態で尿素水ポンプ４１を所定時間駆動すると、尿素水供給配管３１内の尿素水の圧力が高くなる。そして、尿素水供給配管３１内の圧力が高くなった状態でリターン弁３２２を開弁することにより、尿素水供給配管３１内の圧力が高くなった尿素水は圧力の低い貯留タンク４へ流れ込む。時刻ｔ３ｂで記録時間Ｔｒｅｃが作動時間閾値Ｔｍｉｘと停止時間閾値Ｔｗａｉｔの合計値以上になると、撹拌制御部により尿素水ポンプ４１は停止される。
【００６４】
本実施形態によれば、撹拌部は、尿素水供給配管３１と、尿素水供給配管３１へ尿素水を供給する尿素水ポンプ４１と、尿素水供給配管３１を流れる尿素水の一部を貯留タンク４に吐出するリターン配管３２とを有する。そして撹拌制御部は、所定期間に、尿素水ポンプ４１が尿素水を吸入し尿素水供給配管３１へ供給することで、貯留タンク４から尿素水供給配管３１及びリターン配管３２を通り貯留タンク４へ吐出される経路で尿素水が循環するように尿素水ポンプ４１を制御する。ここでいうリターン配管３２が吐出配管に該当する。このように、尿素水ポンプ４１が尿素水を吸入して尿素水供給配管３１へ供給することで、貯留タンク４から尿素水供給配管３１及びリターン配管３２を通り貯留タンク４へ戻る経路で尿素水が循環する。これにより、貯留タンク４内で尿素水の鉛直方向の流れが生じる。そのため、貯留タンク４内の尿素が撹拌され、濃度分離が進行することを抑制することができる。このように、本実施形態によれば、尿素水を撹拌するための特別な構成を追加しなくとも、貯留タンク４から噴射弁３へ尿素水を供給するために元々備えられた構成を用いて尿素水を撹拌することが可能である。
【００６５】
（他の実施形態）
以上、発明の好ましい実施形態について説明したが、発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、以下に例示するように種々変形して実施することが可能である。各実施形態で具体的に組合せが可能であることを明示している部分同士の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、明示してなくとも実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。
【００６６】
上記実施形態では、リターン弁３２２に、通電により開弁する電磁式の弁を採用している。これに対し、ばねの弾性力により閉弁し、圧力差による開弁力が弾性力よりも大きい場合に開弁する、機械式の弁を採用してもよい。この種の弁の具体例として、リターン配管３２内の圧力が貯留タンク４内の圧力よりも所定以上大きい場合に開弁する、逆止弁が挙げられる。
【００６７】
上記実施形態では、非容積式の尿素水ポンプ４１が設置されていたが、容積式のポンプであってもよい。
【００６８】
撹拌制御部は、尿素水ポンプ４１の作動を開始してから貯留タンク４内の尿素水がすべて凝固するまで尿素水ポンプ４１を作動し続ける連続運転モードで尿素水ポンプ４１の駆動を制御する。例えば、外気温度センサ５１により検出された外気温度が共融点よりも低く、尿素水が急速に凍る可能性がある温度の場合、撹拌制御部は、尿素水ポンプ４１を連続的に作動させる連続運転モードで尿素水ポンプ４１の駆動を制御する。これにより、尿素水の凝固した尿素または凝固した水が貯留タンク４の底面側または尿素水の水面側に集まることを抑制することができる。その結果、凝固した尿素または凝固した水がたがいに結合し、成分の偏った状態で結晶成長することを抑制することが可能である。
【００６９】
貯留タンク４内の尿素水がすべて凝固したか否かの判定は、尿素水の温度からではなく、例えば尿素水ポンプ４１の駆動トルクが所定値以上になったか否かで行ってもよい。尿素水ポンプ４１の駆動トルクの大きさは、尿素水ポンプ４１を流れる電流値から計測する。電流値の計測はシャント抵抗等の検出回路で検出する。
【００７０】
貯留タンク４内の尿素水がすべて凝固したか否かの判定は、尿素水供給配管３１に備え付けられた尿素水圧力センサ５２から行ってもよい。
【００７１】
尿素水ポンプ４１に形成された吸入口４１１は１つであったが複数形成されていてもよい。
【００７２】
ＥＣＵ１０が実行する機能の一部または全部を、１つあるいは複数のＩＣ等によりハードウェア的に構成してもよい。  上記実施形態では、尿素水ポンプ４１は、尿素水温度が共融点である全期間で撹拌要求を出力している。これに対し、共融点である全期間の一部で撹拌要求を出力してもよい。
【００７３】
上記実施形態では、尿素水が凝固し始めてからすべて凝固するまでの全期間で撹拌要求を出力している。これに対し、尿素水が凝固し始めてからすべて凝固するまでの全期間のうち一部期間で撹拌要求を出力してもよい。あるいは、撹拌制御部は、尿素水ポンプ４１を間欠運転モードではなく、尿素水が共融点である全期間ずっと継続して尿素水ポンプ４１を作動させる継続運転モードで制御してもよい。
【００７４】
あるいは、撹拌制御部は、尿素水が共融点である期間のうち、一部期間で尿素水ポンプ４１を作動させてもよい。
【００７５】
また、上記実施形態では、車両に搭載された排気浄化装置１００の尿素水撹拌システムに適用された尿素水撹拌制御装置の一例を示したが、移動式のエンジン１に限らず、エンジンで発電する発電機等の定置式のエンジンに適用させてもよい。さらに、その他の排気を放出する装置に適用されてもよい。
【符号の説明】
【００７６】
１    内燃機関                          ３２    リターン配管
３    噴射弁                            ４１    撹拌部
４    貯留タンク                        ６１    タンク内ヒータ
１０  ＥＣＵ                            ６２    配管用ヒータ
３１  尿素水供給配管                    １００  排気浄化装置
【図１】
2018105145.tif 000003
【図２】
2018105145.tif 000004
【図３】
2018105145.tif 000005
【図４】
2018105145.tif 000006
【図５】
2018105145.tif 000007