JP6187505B2 - 排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気への尿素水添加を行うとともに、尿素水から生成されたアンモニアを還元剤とした選択触媒還元により排気中の窒素酸化物を還元して浄化する排気浄化装置に関する。

上記のような排気浄化装置では、エンジン停止時に、尿素添加弁に尿素水を送る配管から尿素水を尿素水タンクに吸い戻す吸戻制御を実施して、配管内での尿素水の凍結を防ぐとともに、エンジン始動後に配管内に尿素水を充填する充填制御を実施するようにしている。充填制御は、尿素添加弁を開弁した状態で配管内を十分満たせるだけの量の尿素水を、尿素水タンクから尿素添加弁に向けて送るように尿素ポンプを駆動することで行われる。ただし、エンジンの始動後、尿素水添加が実施される前にエンジンが短時間で停止されたときには、充填制御は無駄となり、不要にポンプ駆動が行われることになる。そこで従来、特許文献１に記載の排気浄化装置では、エンジン始動後、選択還元型触媒装置の触媒床温が触媒の活性温度近くまで上昇するのを待ってから、充填制御を行うようにしている。

特開２０１０−１０１２６２号公報

ところで、上記従来の排気浄化装置では、エンジン始動直後ではなく、選択還元型触媒装置の触媒床温が上昇し、尿素水添加の実施が必要となってから充填制御を行うため、不要な充填制御によるポンプ駆動を抑えることは確かに可能である。しかしながら、そうした場合には、エンジンの本格的な運転が開始された後に充填制御が行われることになるため、そのときのエンジンの運転状況によっては、充填制御中の排気通路内の排気圧が高くなっていることがある。充填制御時の配管の内部には、開弁した尿素添加弁を通じて排気圧が加わるため、排気圧が高ければ、尿素ポンプの吐出能力が不足して配管内のエアを押し出せない虞がある。また、このときには、尿素水を吸い込めないまま尿素ポンプが空転して、その温度が高くなるため、そうした空転時の温度上昇も考慮して、尿素ポンプの焼き付きを防止できるように、充填制御における尿素ポンプの駆動時間を制限しなければならなくなる。そのため、配管内の充填不良が発生して、尿素水添加の開始直後に尿素水を適切に添加できなくなったり、尿素水添加の開始が遅れたりする虞がある。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、不要な充填制御によるポンプ駆動を抑えつつ、充填制御での充填不良を抑制することのできる排気浄化装置を提供することにある。

上記課題を解決する排気浄化装置は、排気通路を流れる排気中に尿素水を添加する尿素添加弁と、尿素水を貯留する尿素水タンクから前記尿素添加弁に尿素水を送る尿素ポンプと、前記尿素ポンプと前記尿素添加弁とを繋ぐ配管と、前記尿素添加弁の添加した尿素水から生成されたアンモニアを還元剤とした選択触媒還元により排気中の窒素酸化物を還元する選択還元型触媒装置と、前記尿素添加弁による尿素水添加の実施が必要となったときに前記尿素ポンプを駆動して前記配管に尿素水を充填する充填制御を行うポンプ制御部と、を備える。そして、上記ポンプ制御部は、前記排気通路の排気圧が規定値以下であるときに前記充填制御を行うとともに、同充填制御の実行中に前記排気通路の排気圧が規定値を超えたときには同充填制御を終了するようにしている。

こうした排気浄化装置では、尿素水添加の実施が必要となったと判定されてから充填制御が行われる。そのため、充填制御を行ったものの、尿素水添加が実施されないままエンジンが停止されてしまい、実施した充填制御が無駄となってしまうことが抑えられる。さらに上記排気浄化装置では、排気圧が規定値以下であることを充填制御の実施の条件としているため、排気圧が高い状態で充填制御が行われ、充填不良が発生することが抑えられるようにもなる。したがって、上記排気浄化装置では、不要な充填制御によるポンプ駆動を抑えつつ、充填制御での充填不良を抑制することができる。

なお、充填制御の開始時には排気圧が低くても、その実施の途中に排気圧が高くなった場合には、充填不良が発生する虞がある。その点、上記排気浄化装置では、充填制御の実施中に排気通路の排気圧が規定値を超えたときには、同充填制御を停止するようにしているため、そうした場合の充填不良の発生もより確実に抑制可能となる。

ちなみに、選択還元型触媒装置での窒素酸化物の浄化のための尿素水添加は、触媒が活性する温度以上に選択還元型触媒装置の触媒床温が上昇していることを条件に行われる。よって、選択還元型触媒装置の触媒床温を算出する触媒床温算出手段を更に備えるとともに、その触媒床温算出手段により算出された触媒床温が規定値以上となったことを条件に、尿素水添加の実施が必要となったと判定して、充填制御を実施すれば、選択還元型触媒装置での窒素酸化物の浄化のための尿素水添加の実施に合わせて充填制御を行うことが可能となる。

また、尿素添加弁の先端温度がある程度よりも高くなったときには、尿素添加弁を冷却するための尿素水添加を実施することもある。よって、尿素添加弁の先端温度を算出する先端温度算出手段を更に備えるとともに、その先端温度算出手段により算出された先端温度が規定値以上となったことを条件に、尿素水添加の実施が必要となったと判定して、充填制御を実施すれば、尿素添加弁の冷却のための尿素水添加の実施に合わせて充填制御を行うことが可能となる。

一方、窒素酸化物の浄化のためには、選択還元型触媒装置に一定量のアンモニアを付着させておくことが望ましく、選択還元型触媒装置のアンモニア付着量が不十分であるときには、アンモニア付着量を必要な量まで回復させるために尿素水添加が実施されることもある。よって、選択還元型触媒装置に付着したアンモニアの量を算出するアンモニア量算出手段を更に備えるとともに、そのアンモニア量算出手段が算出したアンモニアの量が規定値未満であることを条件に、尿素水添加の実施が必要となったと判定して、充填制御を実施すれば、アンモニア付着量の回復のための尿素水添加の実施に合わせて充填制御を行うことが可能となる。

なお、エンジン停止中に配管内に残留した尿素水が凍結してしまうことがあり、これを防止するため、ポンプ制御部は、エンジン停止時に前記尿素ポンプを駆動して配管内の尿素水を前記尿素水タンクに戻す吸戻制御を行うことが望ましい。

排気浄化装置の一実施形態が適用されるディーゼルエンジンの吸気系および排気系の構成を模式的に示す略図。 同実施形態の排気浄化装置において実行される充填制御ルーチンのフローチャート。

以下、排気浄化装置の一実施形態を、図１および図２を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態の排気浄化装置が適用されたディーゼルエンジンの吸気通路１０には、上流側から順に、エアクリーナー１１、エアフローメーター１２、コンプレッサー１３、インタークーラー１４、Ｉ／Ｃ出ガス温度センサー１５、スロットルバルブ１６、吸気圧センサー２７が設けられている。エアクリーナー１１は、吸気中の不純物を濾過し、エアフローメーター１２は、吸気通路１０を流れる吸気の流量（吸入空気量）を検出する。コンプレッサー１３は、駆動に応じて吸気を加圧し、インタークーラー１４は、コンプレッサー１３通過後の吸気を冷却する。Ｉ／Ｃ出ガス温度センサー１５は、インタークーラー１４通過後の吸気の温度を検出し、スロットルバルブ１６は、その開度の変更に応じて吸入空気量を調整する。そして、吸気圧センサー２７は、吸気通路１０の、スロットルバルブ１６よりも下流側の部分における吸気の圧力を検出する。

吸気通路１０は、スロットルバルブ１６の下流側において、ディーゼルエンジンの各気筒１７に接続されている。ディーゼルエンジンの各気筒１７には、燃料を噴射するインジェクター１８がそれぞれ設けられている。そして、各気筒１７では、吸気通路１０を通じて導入された吸気とインジェクター１８から噴射された燃料との混合気の燃焼が行われる。

各気筒１７での混合気の燃焼により生じた排気は、排気通路１９を通って外気に放出される。排気通路１９には、タービン２０が設置されている。タービン２０は、吸気通路１０に設けられたコンプレッサー１３と共に排気タービン式過給機を構成し、排気通路１９を流れる排気の流勢により回転してコンプレッサー１３を駆動する。なお、排気通路１９におけるタービン２０上流の部分には、同タービン２０に対する排気吹付口の開口面積を可変とする可変ノズル２１が設置されており、その可変ノズル２１の開度制御を通じてタービン２０の回転速度が調整されている。

さらに、ディーゼルエンジンには、排気の一部を吸気中に再循環させるＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation：排気再循環）システムが設けられている。ＥＧＲシステムは、排気通路１９におけるタービン２０よりも上流側の部分と吸気通路１０におけるスロットルバルブ１６よりも下流側の部分とを連通するＥＧＲ通路２２、そのＥＧＲ通路２２を通って吸気中に再循環される排気（ＥＧＲガス）を冷却するＥＧＲクーラー２３、ＥＧＲガスの流量を調整するＥＧＲバルブ２４を備える。また、ＥＧＲシステムは、ＥＧＲクーラー２３を迂回してＥＧＲガスを流すためのバイパス通路２５、同バイパス通路２５を通ってＥＧＲクーラー２３を迂回するＥＧＲガスの流量を調整するバイパスバルブ２６も備えている。

続いて、以上のように構成されたディーゼルエンジンに適用される本実施形態の排気浄化装置の構成を説明する。本実施形態の排気浄化装置には、排気中のＰＭ（Particulate Matter：微粒子物質）を捕集するＤＰＦ（Diesel Particulate Filter：ディーゼル微粒子捕集フィルター）システムと、尿素水から生成されたアンモニアを還元剤とした選択還元により排気中のＮＯｘを浄化する尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction：選択触媒還元）システムとが設けられている。

ＤＰＦシステムは、燃料添加弁３０、前段酸化触媒装置３１、ＰＭ捕集フィルター３２を備える。燃料添加弁３０は、排気通路１９におけるタービン２０よりも上流側の部分に設置されている。また、前段酸化触媒装置３１は、排気通路１９におけるタービン２０よりも下流側で、ＰＭ捕集フィルター３２よりも上流側の部分に設置されている。燃料添加弁３０は、排気中に燃料を添加し、ＰＭ捕集フィルター３２は、排気中のＰＭを捕捉する。前段酸化触媒装置３１は、ＰＭのＳＯＦ（Soluble Organic Fraction：可溶性有機物質）成分を酸化するとともに、排気中の一酸化窒素（ＮＯ）を酸化して、ＰＭ捕集フィルター３２の連続再生に必要な二酸化窒素（ＮＯ２）を生成する。また、前段酸化触媒装置３１は、ＰＭ捕集フィルター３２の強制再生に際し、燃料添加弁３０より添加された燃料中の炭化水素（ＨＣ）を酸化し、その酸化反応に伴う発熱で排気を高温化することで、ＰＭ捕集フィルター３２の温度をＰＭの燃焼に必要な温度に高める役割を担ってもいる。

さらにＤＰＦシステムは、同システムの各部における排気の状態を検出するための下記の各センサーを備える。排気通路１９における前段酸化触媒装置３１よりも上流側の部分には、同前段酸化触媒装置３１に流入する排気の温度を検出する入ガス温度センサー３３が設置されている。また、排気通路１９における前段酸化触媒装置３１とＰＭ捕集フィルター３２との間の部分には、ＰＭ捕集フィルター３２に流入する排気の温度を検出する中ガス温度センサー３４が設置されている。さらに、排気通路１９におけるＰＭ捕集フィルター３２よりも下流側の部分には、ＰＭ捕集フィルター３２から流出した排気の温度を検出する出ガス温度センサー３５が設置されている。加えて、排気通路１９におけるＰＭ捕集フィルター３２の設置部分には、ＰＭ捕集フィルター３２前後の排気の圧力差を検出する差圧センサー３６が設置されている。

一方、尿素ＳＣＲシステムは、尿素添加弁４０と、前後２つのＳＣＲ装置、すなわち前段ＳＣＲ装置４１および後段ＳＣＲ装置４２と、ＡＳＣ（Ammonia Slip Catalyst：アンモニアスリップ触媒）装置４３と、を備える。尿素添加弁４０は、排気通路１９におけるＰＭ捕集フィルター３２の下流側の部分に設置されて、尿素水を排気に添加する。前段ＳＣＲ装置４１および後段ＳＣＲ装置４２は、排気熱による加水分解によって尿素から生成されたアンモニアを還元剤として排気中の窒素酸化物を還元する選択還元型触媒装置である。前段ＳＣＲ装置４１は、排気通路１９における尿素添加弁４０よりも下流側の部分に設置され、後段ＳＣＲ装置４２は、排気通路１９における前段ＳＣＲ装置４１よりも下流側の部分に設置されている。ＡＳＣ装置４３は、それら前段ＳＣＲ装置４１および後段ＳＣＲ装置４２をすり抜けて流出したアンモニアを酸化する酸化触媒装置であり、排気通路１９における後段ＳＣＲ装置４２よりも下流側の部分に設置されている。ちなみに、排気通路１９における尿素添加弁４０と前段ＳＣＲ装置４１との間の部分には、尿素添加弁４０が添加した尿素水を排気中に拡散させるための分散板４４が設置されている。

なお、尿素添加弁４０が排気に添加する尿素水は、尿素水タンク４５内に蓄えられている。尿素水タンク４５は、ヒーター付きの配管４６を通じて尿素添加弁４０に接続されている。尿素水タンク４５内には、尿素ポンプ４７が設置されている。そして、その尿素ポンプ４７により、尿素水タンク４５内の尿素水が汲み上げられて、配管４６を通じて尿素添加弁４０に尿素水が送られるようになっている。なお、尿素水タンク４５には、その内部の尿素水の残量を検出する尿素水レベルセンサー４８が設けられている。また、配管４６には、尿素添加弁４０に送られる尿素水の温度を検出する尿素水温度センサー４９が設置されている。

さらに尿素ＳＣＲシステムは、同システムの各部における排気の状態を検出するための下記の各センサーを備える。排気通路１９におけるＰＭ捕集フィルター３２と尿素添加弁４０との間の部分には、入ＮＯｘセンサー５０と空燃比センサー５１とが設置されている。入ＮＯｘセンサー５０は、前段ＳＣＲ装置４１に流入する排気中のＮＯｘ量を検出する。空燃比センサー５１は、排気の酸素／未燃燃料の濃度に応じた出力を発生し、その出力は、気筒１７で燃焼された混合気の空燃比を把握するために用いられる。一方、排気通路１９におけるＡＳＣ装置４３よりも下流側の部分には、出ＮＯｘセンサー５３、ＡＳＣ後ガス温度センサー５４およびＰＭセンサー５５が設置されている。出ＮＯｘセンサー５３は、ＡＳＣ装置４３から流出した排気中のＮＯｘ量を検出する。また、ＡＳＣ後ガス温度センサー５４は、ＡＳＣ装置４３から流出した排気の温度を検出する。さらに、ＰＭセンサー５５は、ＡＳＣ装置４３から流出して、外気へと放出されるＰＭの量を検出する。

こうした排気浄化装置において、燃料添加弁３０による燃料添加、尿素添加弁４０による尿素水添加は、電子制御ユニット５６により制御されている。電子制御ユニット５６は、制御のための演算処理を行う中央演算処理装置、制御用のプログラムやデータが記憶された読出専用メモリー、中央演算処理装置の演算結果や各センサーの検出結果を一時的に記憶する読書可能メモリー、外部からの信号を受信するための入力ポート、および外部に信号を送信するための出力ポートを備える。電子制御ユニット５６の入力ポートには、上述の各センサーが接続されている。また、電子制御ユニット５６の出力ポートには、燃料添加弁３０および尿素添加弁４０が接続されている。そして、電子制御ユニット５６は、燃料添加弁３０および尿素添加弁４０の駆動制御により、排気に対する燃料およびアンモニアの添加量を制御している。

さらに、電子制御ユニット５６の出力ポートには、尿素ポンプ４７も接続されている。そして、電子制御ユニット５６は、尿素ポンプ４７を駆動して、尿素添加弁４０への尿素水の送出や配管４６からの尿素水の吸戻しを行わせる。本実施形態の排気浄化装置では、こうした電子制御ユニット５６がポンプ制御部に相当する構成となっている。

（尿素水添加制御）
電子制御ユニット５６は、ディーゼルエンジンの運転中に、ＮＯｘ浄化、尿素添加弁４０の冷却、前段ＳＣＲ装置４１および後段ＳＣＲ装置４２のアンモニア付着量の回復のそれぞれを目的とした尿素水添加を実施する。

ＮＯｘ浄化を目的とした尿素水の添加（以下、ＮＯｘ浄化用添加と記載する）は、排気中のＮＯｘの浄化に必要な量の尿素を前段ＳＣＲ装置４１および後段ＳＣＲ装置４２に供給するために行われる。ＮＯｘ浄化用添加の実施中に電子制御ユニット５６は、前段ＳＣＲ装置４１および後段ＳＣＲ装置４２に規定量のアンモニアが付着した状態を維持するために必要な尿素水添加量を演算して、その演算した量の尿素水添加の実施を尿素添加弁４０に指令する。こうしたＮＯｘ浄化用添加は、前段ＳＣＲ装置４１および後段ＳＣＲ装置４２の触媒床温の推定値（以下、推定ＳＣＲ床温TSCRと記載する）が触媒の活性温度α以上であること、充填制御が完了していること、を含む各種条件の成立をもって実施される。

推定ＳＣＲ床温TSCRは、温度降下係数を出ガス温度センサー３５の排気温度の検出値に乗算した値として求められている。温度降下係数は、前段ＳＣＲ装置４１および後段ＳＣＲ装置４２を出てから出ガス温度センサー３５の設置位置に到達するまでの間の排気温度の低下分を補正するための補正係数であり、「１」未満の値とされている。本実施形態では、温度降下係数の値を外気温に応じて可変設定している。具体的には、温度降下補正係数の値は、外気温が低く、排気通路１９の管壁が冷却されるときほど、小さくされる。

こうした推定ＳＣＲ床温TSCRの算出は、電子制御ユニット５６により行われる。よって、本実施形態では、電子制御ユニット５６が、選択還元型触媒装置の触媒床温を算出する触媒床温算出手段に相当する。

尿素添加弁４０の冷却を目的とした尿素水の添加（以下、冷却用添加と記載する）は、過熱状態となった尿素添加弁４０を冷却するために行われる。冷却用添加は、尿素添加弁４０の先端温度の推定値（以下、推定先端温度TINJ）が規定値β以上であること、充填制御が完了していること、を含む各種条件の成立をもって実施される。電子制御ユニット５６は、冷却用添加の実施条件が成立すると、尿素添加弁４０の先端温度を規定値β未満に低下させるために必要な分の尿素水添加を実施した後、冷却用添加を停止する。なお、電子制御ユニット５６は、排気流量の演算値（以下、排気流量GAEXと記載する）を、エアフローメーター１２による吸入空気量（質量）の検出値とインジェクター１８からの燃料噴射量（質量）との和として求めている。

推定先端温度TINJは、出ガス温度センサー３５の排気温度の検出値や、排気流量の演算値、尿素添加弁４０の尿素水添加の実施状況から求められている。具体的には、まず、尿素添加弁４０の設置位置から出ガス温度センサー３５の設置位置に到達するまでの排気温度の低下分を考慮して、出ガス温度センサー３５の排気温度の検出値を補正した値が推定先端温度TINJのベース値として求められる。そして、そのベース値に、排気温度による補正係数、排気流量による補正係数、及び尿素水添加量による補正係数を乗算することで、推定先端温度TINJの値が演算されている。排気温度による補正係数は、尿素添加弁４０の先端の周囲を流れる排気の温度が高いほど先端温度が高くなることを考慮して、出ガス温度センサー３５の排気温度の検出値が高いほど大きい値に設定される。また、排気流量による補正係数は、尿素添加弁４０の先端の周囲を流れる排気の流量が多くなるほど先端温度が高くなることを考慮して、排気流量の演算値が大きいほど大きい値に設定される。更に、尿素水添加量による補正係数は、添加時の尿素水による尿素添加弁４０の冷却を考慮して、尿素水添加量が多いほど小さい値に設定される。

こうした推定先端温度TINJの算出は、電子制御ユニット５６により行われる。よって、本実施形態では、電子制御ユニット５６が、尿素添加弁の先端温度を算出する先端温度算出手段に相当する。

アンモニア付着量の回復を目的とした尿素水の添加（以下、付着回復用添加と記載する）は、前段ＳＣＲ装置４１および後段ＳＣＲ装置４２に付着したアンモニアの量が不十分なときに、その付着量を十分な量に回復させるために行われる。付着回復用添加は、前段ＳＣＲ装置４１および後段ＳＣＲ装置４２に付着したアンモニアの量の推定値（以下、推定アンモニア付着量AMMOと記載する）が規定値γ未満であること、充填制御が終了していること、を含む各種条件の成立をもって実施される。電子制御ユニット５６は、付着回復用添加の実施条件が成立すると、推定アンモニア付着量AMMOを規定値γ以上とするために必要な分の尿素水添加を実施した後、付着回復用添加を停止する。

推定アンモニア付着量AMMOは、入ＮＯｘセンサー５０のＮＯｘ量の検出値、尿素添加弁４０の尿素水添加量、推定ＳＣＲ床温TSCRから求められている。具体的にはまず、前段ＳＣＲ装置４１および後段ＳＣＲ装置４２に新規に付着するアンモニアの量を尿素水添加量から求めるとともに、それを積算することで推定アンモニア付着量AMMOのベース値が求められる。そして、ＮＯｘ量による補正係数、及び床温による補正係数をそのベース値に乗算することで、推定アンモニア付着量AMMOが求められている。ＮＯｘ量による補正係数は、ＮＯｘ量が多いほど尿素水添加量が多くなることを考慮して、入ＮＯｘセンサー５０のＮＯｘ量の検出値が大きいほど大きい値に設定される。床温による補正係数は、前段ＳＣＲ装置４１、後段ＳＣＲ装置４２の床温が高いほど、アンモニアが付着し難くなることを考慮して、推定ＳＣＲ床温TSCRが高いほど小さい値に設定される。

こうした推定アンモニア付着量AMMOは、電子制御ユニット５６により行われる。よって、本実施形態では、電子制御ユニット５６が、選択還元型触媒装置に付着したアンモニアの量を算出するアンモニア量算出手段に相当する。

（吸戻制御）
また、電子制御ユニット５６は、エンジン停止中の配管４６を尿素水が抜けた状態として配管４６内での尿素水の凍結を防止するための吸戻制御を実施する。吸戻制御では、ディーゼルエンジンの停止時に、後述の充填実施フラグがセットされていることを条件に吸戻制御が実施される。吸戻制御が開始されると、電子制御ユニット５６は、尿素添加弁４０を開弁するとともに、配管４６から尿素水タンク４５に尿素水を吸戻すように尿素ポンプ４７を駆動する。そして、電子制御ユニット５６は、尿素ポンプ４７の駆動を規定時間継続した後、尿素添加弁４０を閉弁して、吸戻制御を完了する。このときの尿素ポンプ４７の駆動時間は、配管４６の容積分の尿素水を確実に尿素水タンク４５に吸戻し可能な時間に設定されている。なお、電子制御ユニット５６は、吸戻制御の開始時に吸戻完了フラグをクリアし、吸戻制御の完了時に吸戻完了フラグをセットする。吸戻完了フラグの値は、不揮発性のメモリーに記憶され、エンジン停止中も保持される。よって、吸戻完了フラグがセットされていれば、前トリップにおけるディーゼルエンジンの停止時に吸戻制御が最後まで行われたことになる。

（充填制御）
さらに電子制御ユニット５６は、尿素水添加の実施に先立って、配管４６内に尿素水を充填しておくための充填制御を実施する。

図２に、そうした充填制御の実施およびその実施判定のために電子制御ユニット５６が実行する充填制御ルーチンのフローチャートを示す。電子制御ユニット５６は、ディーゼルエンジンの運転中に、同ルーチンの処理を、規定の制御周期毎に繰り返し実行する。

さて、本ルーチンの処理が開始されると、まずステップＳ１００において、充填制御の前提条件が成立しているか否かが判定される。具体的には、下記（イ）〜（ハ）がすべての成立が、充填制御の前提条件となっている。
（イ）上述の吸戻完了フラグがセットされていること。
（ロ）ＳＣＲシステムの作動開始フラグがセットされていること。
（ハ）充填完了フラグがクリアされていること。

ここで、ＳＣＲシステムの作動開始フラグは、ディーゼルエンジンの始動時にはクリアされており、同システム（各センサーや尿素添加弁４０、尿素ポンプ４７など）の動作チェックが終了し、かつ、エンジン始動後に配管４６に対する規定時間のヒーター加熱が完了した時点でセットされる。また、充填完了フラグは、ディーゼルエンジンの始動時にはクリアされており、充填制御が完了したときにセットされる。なお、上述したように吸戻完了フラグは、前トリップにおけるディーゼルエンジンの停止時に吸戻制御が完了していれば、セットされている。

続いて、ステップＳ１０１において、上述したＮＯｘ浄化用、冷却用、付着回復用の各尿素水添加の実施が必要となったか否かが判定される。具体的には、下記（ニ）〜（ヘ）のいずれかが成立したか否かが判定される。ここで、下記（ニ）〜（ヘ）のいずれかが成立しており、尿素水添加の実施が必要となったと判定されれば（ＹＥＳ）、ステップＳ１０２に処理が進められる。一方、下記（ニ）〜（ヘ）のいずれもが成立しておらず、尿素水添加の実施が必要となっていないと判定されれば、ステップＳ１０３に処理が進められる。
（ニ）推定ＳＣＲ床温TSCRが活性温度α以上であること。
（ホ）推定先端温度TINJが規定値β以上であること。
（ヘ）推定アンモニア付着量AMMOが規定値γ未満であること。

ステップＳ１０２に処理が進められると、そのステップＳ１０２において、排気圧が規定値以下であるか否かが判定される。ここでの判定は、排気流量GAEXを、排気通路１９における尿素添加弁４０の設置部分の排気圧の指標値として用いて行われ、排気流量GAEXが規定値δ以下であるときに排気圧が規定値以下であると判定する。なお、規定値δには、排気通路１９における尿素添加弁４０の設置部分の排気圧が、配管４６に尿素水を確実に充填可能な排気圧の上限値となるときの排気流量がその値として設定されている。ここで、排気圧が規定値以下と判定されれば（ＹＥＳ）、ステップＳ１０５に処理が進められ、規定値を超えると判定されれば（ＮＯ）、ステップＳ１０３に処理が進められる。

ステップＳ１０１，Ｓ１０２の双方で肯定判定されて、ステップＳ１０５に処理が進められると、そのステップＳ１０５において、充填実施フラグがセットされる。充填実施フラグは、エンジン始動時にはクリアされており、一旦セットされるとエンジン停止までセットされたままとなる。

また、続くステップＳ１０６において、尿素添加弁４０の開弁、および配管４６に尿素水を充填するための尿素ポンプ４７の駆動が指令される。そして、さらに続くステップＳ１０７において、充填時間カウンターの値がインクリメントされた後、ステップＳ１０８に処理が進められる。充填時間カウンターの値は、充填制御の開始後の尿素ポンプ４７の駆動時間を表しており、エンジン始動時にはその値は「０」とされている。

ステップＳ１０８に処理が進められると、そのステップＳ１０８において、充填時間カウンターの値が規定の充填完了判定値εに達したか否かが判定される。充填完了判定値εには、配管４６の容積と尿素ポンプ４７の尿素水吐出能力に鑑みて、配管４６への尿素水の充填を確実に完了できるだけの尿素ポンプ４７の駆動時間に相当する充填時間カウンターのインクリメント回数がその値として設定されている。ここで、充填時間カウンターの値が充填完了判定値εに達していれば（ＹＥＳ）、ステップＳ１０９に処理が進められ、達していなければ（ＮＯ）、そのまま今回の処理が終了される。

ステップＳ１０９に処理が進められると、そのステップＳ１０９において、充填完了フラグがセットされる。そして、上述のステップＳ１０４において、尿素添加弁４０の閉弁、および尿素ポンプ４７の停止が指令された後、今回の本ルーチンの処理が終了される。

一方、上記ステップＳ１０１，Ｓ１０２のいずれかで否定判定されて、ステップＳ１０３に処理が進められると、そのステップＳ１０３において、充填時間カウンターの値が「０」にリセットされる。さらに、続くステップＳ１０４において、尿素添加弁４０の閉弁、および尿素ポンプ４７の停止が指令された後、今回の本ルーチンの処理が終了される。ちなみに、ステップＳ１０７の処理における充填時間カウンターの操作、ステップＳ１０８の処理における尿素添加弁４０の開弁指令、および尿素ポンプ４７の駆動指令が行われていない状態で、これらステップＳ１０３，Ｓ１０４に処理が進められたときには、これらのステップでは実質的な処理は行われないことになる。

（作用）
次に、本実施形態の排気浄化装置の作用を説明する。
本実施形態の排気浄化装置では、エンジン停止時に吸戻制御が実施されるため、ディーゼルエンジンの始動時の配管４６は尿素水が抜けた状態となっている。そして、エンジン始動後に、尿素水添加の実施が必要となったと判定され、かつ排気圧が規定値以下となったときに、配管４６に尿素水を充填するための充填制御が実施される。充填制御が開始されると、尿素添加弁４０が開弁されるとともに、配管４６に尿素水を充填するための尿素ポンプ４７の駆動が開始される。そして、配管４６への尿素水の充填に必要な時間だけ尿素ポンプ４７が駆動されると、尿素添加弁４０が閉弁されるとともに尿素ポンプ４７が停止されて、充填制御が完了する。

こうした本実施形態の排気浄化装置では、尿素水添加の実施が必要となったと判定される前にディーゼルエンジンが短時間で停止される場合には、充填制御は実施されないようになる。一方、充填制御は、排気圧が規定値以下であることを条件に実施されるため、尿素ポンプ４７が配管４６に送り出す尿素水が排気の圧力で押し戻されることによる充填不良は生じにくい。

なお、充填制御の実施中に排気通路１９の排気圧が規定値を超えたときには、充填制御が停止される。この場合の充填制御は、その後に排気圧が規定値以下に低下したときに再実施される。ちなみに、本実施形態では、充填制御の実施中に排気通路１９の排気圧が規定値を超えたときには、充填時間カウンターの値がクリアされるため、その後に充填制御が再実施される際にも、規定時間の尿素ポンプ４７の駆動が行われる。すなわち、本実施形態では、充填制御が停止されたときには、その後に充填制御を始めからやり直すようにしている。これに対して、充填制御の実施中に排気通路１９の排気圧が規定値を超えたときにも充填時間カウンターの値を保持しておいて、その後に排気圧が規定値以下に低下したときに充填制御を途中から再開するようにしてもよい。

一方、ディーゼルエンジンが始動されてから停止されるまでに充填制御が実施されなかった場合、充填実施フラグはクリアされたままとなっている。そのため、このときには、エンジン停止時の吸戻制御も実施されないようになる。ちなみに、充填制御が途中まででも実施されれば、充填実施フラグはセットされるため、その場合にはエンジン停止時の吸戻制御が実施されることになる。

以上説明した本実施形態の排気浄化装置によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）尿素添加弁４０による尿素水添加の実施が必要となったと判定され、かつ排気通路１９の排気圧が規定値以下であるときに、充填制御を行っているため、不要な充填制御によるポンプ駆動を抑えつつ、充填制御での充填不良を抑制することができる。

（２）充填制御の実施中に排気圧が規定値を超えたときには、充填制御を停止しているため、充填制御での充填不良をより確実に抑制することができる。
（３）高排気圧下で充填制御が実施されることがなく、空転による温度上昇を考慮しての充填制御中の尿素ポンプ４７の駆動時間の制限が不要となる。そのため、充填制御時に尿素ポンプ４７の駆動時間をより長くして、配管４６内への尿素水の充填がより確実に行われるようにすることができる。

（４）高排気圧下でも充填を完了できるだけの高い吐出能力を持たせる必要がないため、より安価な低吐出能力の尿素ポンプ４７の採用が可能となる。
（５）ディーゼルエンジンの始動から停止までに充填制御が実施されなかったときには、エンジン停止時の吸戻制御も実施しないようにしているため、不要な吸戻制御によるポンプ駆動も抑えられる。

なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施することもできる。
・上記実施形態では、選択還元型触媒装置（前段ＳＣＲ装置４１、後段ＳＣＲ装置４２）の触媒床温（推定ＳＣＲ床温TSCR）を、出ガス温度センサー３５の検出結果等から推定した値として算出していた。前段ＳＣＲ装置４１および後段ＳＣＲ装置４２の触媒床温を直接検出するセンサーを設けて、そのセンサーの検出信号からそうした触媒床温を算出するようにしてもよい。

・上記実施形態では、尿素添加弁４０の先端温度（推定先端温度TINJ）を、出ガス温度センサー３５の排気温度の検出値や、排気流量の演算値、尿素添加弁４０の尿素水添加の実施状況等から推定した値として算出していた。尿素添加弁４０の先端温度を直接検出するセンサーを設けて、そのセンサーの検出信号からそうした先端温度を算出するようにしてもよい。

・上記実施形態では、選択還元型触媒装置（前段ＳＣＲ装置４１、後段ＳＣＲ装置４２）に付着したアンモニアの量を、入ＮＯｘセンサー５０のＮＯｘ量の検出値、尿素添加弁４０の尿素水添加量、推定ＳＣＲ床温TSCRから推定した値として算出するようにしていた。前段ＳＣＲ装置４１や後段ＳＣＲ装置４２に、その内部に付着したアンモニアの量を検出するセンサーを設けて、そのセンサーの検出信号からそうしたアンモニアの量を算出するようにしてもよい。

アンモニア付着量の回復を目的とした尿素水の添加（以下、付着回復用添加と記載する）は、前段ＳＣＲ装置４１および後段ＳＣＲ装置４２に付着したアンモニアの量が不十分なときに、その付着量を十分な量に回復させるために行われる。付着回復用添加は、前段ＳＣＲ装置４１および後段ＳＣＲ装置４２に付着したアンモニアの量の推定値（以下、推定アンモニア付着量AMMOと記載する）が規定値γ未満であること、充填制御が終了していること、を含む各種条件の成立をもって実施される。電子制御ユニット５６は、付着回復用添加の実施条件が成立すると、推定アンモニア付着量AMMOを規定値γ以上とするために必要な分の尿素水添加を実施した後、付着回復用添加を停止する。

推定アンモニア付着量AMMOは、から求められている。具体的にはまず、前段ＳＣＲ装置４１および後段ＳＣＲ装置４２に新規に付着するアンモニアの量を尿素水添加量から求めるとともに、それを積算することで推定アンモニア付着量AMMOのベース値が求められる。そして、ＮＯｘ量による補正係数、及び床温による補正係数をそのベース値に乗算することで、推定アンモニア付着量AMMOが求められている。ＮＯｘ量による補正係数は、ＮＯｘ量が多いほど尿素水添加量が多くなることを考慮して、入ＮＯｘセンサー５０のＮＯｘ量の検出値が大きいほど大きい値に設定される。床温による補正係数は、前段ＳＣＲ装置４１、後段ＳＣＲ装置４２の床温が高いほど、アンモニアが付着し難くなることを考慮して、推定ＳＣＲ床温TSCRが高いほど小さい値に設定される。

こうした推定アンモニア付着量AMMOは、電子制御ユニット５６により行われる。よって、本実施形態では、電子制御ユニット５６が、選択還元型触媒装置に付着したアンモニアの量を算出するアンモニア量算出手段に相当する。

・上記実施形態では、充填制御が実施されないままディーゼルエンジンが停止されたときには、吸戻制御を行わないようにしていたが、充填制御の実施の有無に拘らず、吸戻制御を行うようにしてもよい。そうした場合、エンジン停止中の配管４６に残留した尿素水の凍結をより確実に防止することができる。

・上記実施形態では、上記条件（ニ）〜（ヘ）のいずれかの成立をもって尿素水添加の実施が必要となったと判定していたが、同判定の成立条件を適宜変更してもよい。例えば、排気浄化装置においてＮＯｘ浄化用添加、冷却用添加、付着量添加のいずれかを実施しない場合には、該当する尿素水添加に対応する条件を割愛したり、上記３つ以外の目的の尿素水添加を行う場合には、それに対応する条件を追加したりしてもよい。

・上記実施形態では、吸入空気量の検出値と燃料噴射量とから排気流量GAEXを演算して求めていたが、排気通路１９に流量センサーを設置し、その検出結果から排気流量GAEXを求めるようにしてもよい。

・上記実施形態では、排気流量GAEXを排気圧の指標値として用いて排気圧が規定値以下であるか否かの判定を行っていた。そうした判定を、排気圧の検出値または推定値を用いて行うようにしてもよい。

・上記実施形態では、充填制御の実施中に排気圧が規定値を超えたときには、充填制御を停止していたが、排気圧が規定値を超えても充填制御を継続するようにしてもよい。そうした場合にも、低排気圧下で充填制御が開始されるため、排気圧の高低に拘らず充填制御を実施する場合よりも充填不良の発生は抑えられる。

１０…吸気通路、１１…エアクリーナー、１２…エアフローメーター、１３…コンプレッサー、１４…インタークーラー、１５…Ｉ／Ｃ出ガス温度センサー、１６…スロットルバルブ、１７…気筒、１８…インジェクター、１９…排気通路、２０…タービン、２１…可変ノズル、２２…ＥＧＲ通路、２３…ＥＧＲクーラー、２４…ＥＧＲバルブ、２５…バイパス通路、２６…バイパスバルブ、２７…吸気圧センサー、３０…燃料添加弁、３１…前段酸化触媒装置、３２…ＰＭ捕集フィルター、３３…入ガス温度センサー、３４…中ガス温度センサー、３５…出ガス温度センサー、３６…差圧センサー、４０…尿素添加弁、４１…前段ＳＣＲ装置、４２…後段ＳＣＲ装置、４３…ＡＳＣ装置、４４…分散板、４５…尿素水タンク、４６…配管、４７…尿素ポンプ、４８…尿素水レベルセンサー、４９…尿素水温度センサー、５０…入ＮＯｘセンサー、５１…空燃比センサー、５２…排気流量センサー、５３…出ＮＯｘセンサー、５４…ＡＳＣ後ガス温度センサー、５５…ＰＭセンサー、５６…電子制御ユニット（ポンプ制御部、触媒床温算出手段、先端温度算出手段、アンモニア量算出手段）。

Claims (5)

1. 排気通路を流れる排気中に尿素水を添加する尿素添加弁と、尿素水を貯留する尿素水タンクから前記尿素添加弁に尿素水を送る尿素ポンプと、前記尿素ポンプと前記尿素添加弁とを繋ぐ配管と、前記尿素添加弁の添加した尿素水から生成されたアンモニアを還元剤とした選択触媒還元により排気中の窒素酸化物を還元する選択還元型触媒装置と、前記尿素添加弁による尿素水添加の実施が必要となったときに前記尿素ポンプを駆動して前記配管に尿素水を充填する充填制御を行うポンプ制御部と、を備える排気浄化装置において、
   前記ポンプ制御部は、前記排気通路の排気圧が規定値以下であるときに前記充填制御を行うとともに、同充填制御の実施中に前記排気通路の排気圧が規定値を超えたときには、同充填制御を停止する、
   ことを特徴とする排気浄化装置。
2. 前記選択還元型触媒装置の触媒床温を算出する触媒床温算出手段を更に備えるとともに、同触媒床温算出手段により算出された前記触媒床温が規定値以上となったことを条件に、前記尿素水添加の実施が必要となったと判定する、請求項１に記載の排気浄化装置。
3. 前記尿素添加弁の先端温度を算出する先端温度算出手段を更に備えるとともに、同先端温度算出手段により算出された前記先端温度が規定値以上となったことを条件に、前記尿素水添加の実施が必要となったと判定する、請求項１又は２に記載の排気浄化装置。
4. 前記選択還元型触媒装置に付着したアンモニアの量を算出するアンモニア量算出手段を更に備えるとともに、同アンモニア量算出手段により算出された前記アンモニアの量が規定値未満であることを条件に、前記尿素水添加の実施が必要となったと判定する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の排気浄化装置。
5. 前記ポンプ制御部は、エンジン停止時に前記尿素ポンプを駆動して前記配管内の尿素水を前記尿素水タンクに戻す吸戻制御を行う、請求項１〜４のいずれか１項に記載の排気浄化装置。