排気浄化システム及び排気浄化システムの制御方法
【課題】尿素水溶液の固体化に起因した還元剤噴射弁の詰まりを未然に防止して、内燃機関の排気浄化効率の低下を防止することができる排気浄化システムを提供する。
【解決手段】ＤＰＦと還元剤噴射弁及びＳＣＲ触媒とを排気上流側から順次に備えた排気浄化システムにおいて、内燃機関が停止したとき、または内燃機関の運転中において内燃機関が停止したことを想定した場合に、当該停止後、前記尿素水溶液が固化するおそれがあるか否かを判定する条件成立判定部と、条件成立判定部の判定結果をもとに運転者に通知する運転者通知部とを備える。
【解決手段】ＤＰＦと還元剤噴射弁及びＳＣＲ触媒とを排気上流側から順次に備えた排気浄化システムにおいて、内燃機関が停止したとき、または内燃機関の運転中において内燃機関が停止したことを想定した場合に、当該停止後、前記尿素水溶液が固化するおそれがあるか否かを判定する条件成立判定部と、条件成立判定部の判定結果をもとに運転者に通知する運転者通知部とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気浄化システム及び排気浄化システムの制御方法に関する。特に、尿素水溶液の固化に起因した還元剤噴射弁の詰まりを解消することができる排気浄化システム及び排気浄化システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、車両に搭載される内燃機関の排気ガス中には、窒素酸化物（以下、「ＮＯX」と称する。）や微粒子状物質（以下、「ＰＭ」と称する。）が含まれている。
このうち、ＮＯXを還元して排気ガスを浄化するための装置として尿素ＳＣＲシステムがある。尿素ＳＣＲシステムは、圧送ポンプによって貯蔵タンク内から汲み上げた還元剤としての尿素水溶液を還元剤噴射弁から排気管内に供給するための還元剤供給装置と、アンモニアを吸着可能な排気浄化触媒の一種であるＳＣＲ触媒とを備えて構成される。かかる尿素ＳＣＲシステムでは、尿素水溶液の分解により生成されるアンモニアをＳＣＲ触媒に吸着させ、排気ガス中のＮＯXをＳＣＲ触媒中でアンモニアと反応させて、排気ガスを浄化する。
【０００３】
一方、ＰＭを捕集して排気ガスを浄化するための装置としてディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、「ＤＰＦ」と称する。）がある。ＤＰＦは、内燃機関の排気管に配設され、排気ガスが当該ＤＰＦを通過する際に排気ガス中のＰＭを捕集する。ＤＰＦを備えた排気浄化システムでは、ＤＰＦの目詰まりを防止するために、ＤＰＦの温度を５００℃〜６００℃程度に上昇させてＤＰＦに堆積したＰＭを強制的に燃焼させる強制再生制御が適時に行われる。
近年、排気ガスの浄化基準が高められていることに伴い、ＤＰＦ及びＳＣＲ触媒の両方を備えた排気浄化システムが増えてきている。
【０００４】
ところで、尿素ＳＣＲシステムにおいては、内燃機関が停止した際に還元剤供給経路に残存する尿素水溶液を回収するよう一般的に構成されている（例えば、特許文献１を参照）。これにより、尿素水溶液が還元剤供給経路に存在したまま、凍結し、還元剤供給経路に詰まりが生じるのを避けることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２１５８９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載された排気浄化システムでは、内燃機関の停止後に還元剤噴射弁内の尿素水溶液が温められ、その後に冷却する過程で尿素水溶液が固化してしまい、その結果、内燃機関の始動時に、尿素水溶液の供給が阻害され、排気浄化効率が低下してしまうという問題があった。
【０００７】
具体的に説明すると、排気浄化システムでは、内燃機関の停止時に、還元剤供給装置に充填されていた尿素水溶液を貯蔵タンクに回収するパージ処理が一般に行われるものの、貯蔵タンク及び還元剤噴射弁を接続する還元剤通路等の構造上、還元剤供給装置内に充填された尿素水溶液を完全に貯蔵タンクに回収し切れない場合がある。
一方、内燃機関の停止とともに還元剤噴射弁の放熱機能である冷却水の循環等は停止するため、還元剤噴射弁の温度は上昇する。そうすると、上述の還元剤噴射弁内に残留した尿素水溶液中の水分が気化により抜けていき、その濃度は上昇する。その後、排気管や周囲の温度が下がるにつれて、尿素水溶液の温度は下がるが、通常の濃度に比べ高い濃度となっているため、固化する温度も上がり、残留尿素水溶液が固化してしまい還元剤噴射弁に詰まりが発生してしまうおそれがある。
尿素水溶液の濃度は通常およそ３２．５％に調整されており、この場合尿素水溶液の固化する温度はおよそ−１１℃である。その濃度が当該パーセンテージを超えて高くなると、尿素水溶液の固化する温度は高くなる傾向にある。（図８参照）したがって高温により水分が抜けて濃度が高くなった還元剤噴射弁内の残留尿素水溶液は、温度が下がった時に固化しやすく、内燃機関の再始動時において当該還元剤噴射弁の噴射が阻害される可能性がある。
【０００８】
そこで、本発明の発明者はこのような問題に鑑みて、一旦温められた尿素水溶液が内燃機関の停止後の冷却する過程で固化するおそれがあるか否かを判定し、おそれがある場合には、例えば、内燃機関を停止しないように運転者に通知することにより、このような問題を解決できることを見出し、本発明を完成させたものである。
すなわち、本発明は、尿素水溶液の固化に起因した還元剤噴射弁の詰まりを未然に防止でき、ひいては、排気浄化効率の低下を防止することができる排気浄化システム及び排気浄化システムの制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、排出される排気ガス中の排気微粒子を捕集するＤＰＦと、排気ガス中に還元剤としての尿素水溶液を噴射する還元剤噴射弁と、尿素水溶液を用いて排気ガス中のＮＯXを浄化するＳＣＲ触媒と、を排気上流側から順次に備えた排気浄化システムにおいて、内燃機関が停止したときに、または内燃機関の運転中において前記内燃機関が停止したことを想定した場合に、尿素水溶液が固化するおそれがあるか否かを判定する条件成立判定部と、尿素水溶液が固化するおそれがあると判定した場合に、内燃機関の運転者に通知する運転者通知部と、を備えることを特徴とする排気浄化システムが提供され、上述した課題を解決することができる。
【００１０】
このように、還元剤噴射弁内の尿素水溶液が固化するおそれがあるか否かを判定し運転者に通知することによって、尿素水溶液の固化に起因した還元剤噴射弁の詰まりを未然に防止でき、ひいては、排気浄化効率の低下を防止することができる。
【００１１】
また、本発明を構成するに当たり、条件成立判定部は、ＤＰＦの強制再生が開始後終了するまでの間、または当該終了後所定期間内に、内燃機関が停止したとき、または内燃機関の運転中において内燃機関が停止したことを想定した場合に、停止後、尿素水溶液が固化するおそれがあると判定することが好ましい。
このように、ＤＰＦの強制再生中およびその終了後の所定期間は、ＤＰＦの下流にある還元剤噴射弁は高温にさらされ、内燃機関停止後においては、その冷却機能が有効に働かず、還元剤噴射弁内に残留した尿素水溶液の濃度が上がるので、固化する可能性が高いと判断できる。
【００１２】
また、本発明を構成するに当たり、条件成立判定部は、内燃機関が停止したとき、または内燃機関の運転中において内燃機関が停止したことを想定した場合に、還元剤噴射弁の温度、温度勾配、外気温度のうち少なくとも一つに基づいて、当該停止後、前記尿素水溶液が固化するおそれがあるか否かを判定することが好ましい。
還元剤噴射弁内の尿素水溶液が固化するか否かは、還元剤噴射弁の温度に依存するので、還元剤噴射弁の温度、温度勾配、外気温度に基づいて判定することにより、尿素水溶液の固化のおそれをより正確に捉えることができる。
【００１３】
また、本発明の別の態様は、排気ガス中の排気微粒子を捕集するＤＰＦと、排気ガス中に還元剤としての尿素水溶液を噴射する還元剤噴射弁と、尿素水溶液を用いて排気ガス中のＮＯXを浄化するＳＣＲ触媒と、を排気上流側から順次に備えた排気浄化システムの制御方法において、内燃機関が停止したとき、または内燃機関の運転中において内燃機関が停止したことを想定した場合に、当該停止後、前記尿素水溶液が固化するおそれがあるか否かを判定する工程と、尿素水溶液が固化するおそれがあると判定した場合に、内燃機関の運転者に通知する工程と、を有することを特徴とする排気浄化システムの制御方法である。
このように、還元剤噴射弁内の尿素水溶液が固化するおそれがあるか否かを判定し、固化するおそれがある場合には、運転者に通知することによって、尿素水溶液の固化に起因した還元剤噴射弁の詰まりを未然に防止でき、ひいては、排気浄化効率の低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態に係る排気浄化システムの構成例を示す全体図である。
【図２】排気浄化システムに備えられる制御装置の構成例を示すブロック図である。
【図３】排気浄化システムの制御方法について説明するためのタイミングチャートである。
【図４】排気浄化システムの制御方法について説明するためのフローチャートである。
【図５】排気浄化システムの制御方法について説明するためのフローチャートである。
【図６】排気浄化システムの制御方法について説明するためのフローチャートである。
【図７】排気浄化システムの制御方法について説明するためのタイミングチャートである。
【図８】尿素水溶液の濃度と固化温度T0の関係を表したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明にかかる排気浄化システム及び排気浄化システムの制御方法に関する実施形態について、具体的に説明する。
ただし、以下の実施形態は、本発明の一態様を示すものであってこの発明を限定するものではなく、本発明の範囲内で任意に変更することができる。
なお、各図において同符号を付してあるものは同一の部材ないし部分を示しており、適宜説明が省略されている。
【００１６】
１．排気浄化システム
（１）全体構成
図１は、本実施形態にかかる排気浄化システム（以下、単に「システム」と称する場合がある。）１０の全体構成を示している。
このシステム１０は、ＤＰＦ２２及びＳＣＲ触媒２４を有する排気浄化ユニット２０と、還元剤噴射弁４３を含む還元剤供給装置４０と、ＤＰＦ２２の強制再生制御や還元剤供給装置４０の動作制御を行う制御装置６０とを主たる要素として備えている。
かかるシステム１０は、排気ガス中のＰＭをＤＰＦ２２によって捕集し、かつ、還元剤としての尿素水溶液を用いて排気ガス中のＮＯXをＳＣＲ触媒２４中で選択的に浄化するための装置として構成されたものである。
【００１７】
（２）排気浄化ユニット
排気浄化ユニット２０は、酸化触媒２１と、ＤＰＦ２２と、ＳＣＲ触媒２４とを排気上流側から順次に備えている。
【００１８】
この排気浄化ユニット２０の構成要素のうち、酸化触媒２１は、内燃機関５でのポスト噴射等によって排気管１１内に供給された未燃燃料を酸化し、酸化熱を発生させる。これにより、ＤＰＦ２２に流入する排気ガスを昇温させてＤＰＦ２２を加熱することができる。酸化触媒２１は、公知のもの、例えば、アルミナに白金を担持させたものに所定量のセリウム等の希土類元素を添加したものを用いることができる。
【００１９】
また、ＤＰＦ２２は、排気ガスがＤＰＦ２２を通過する際に排気ガス中のＰＭを捕集する。図１に示すシステム１０では、ＤＰＦ２２がＳＣＲ触媒２４よりも排気上流側に配設されており、ＰＭがＳＣＲ触媒２４に付着するおそれがない。ＤＰＦ２２は、公知のもの、例えば、セラミック材料から構成されたハニカム構造のフィルタを用いることができる。
【００２０】
また、ＳＣＲ触媒２４は、還元剤噴射弁４３によって排気ガス中に噴射される尿素水溶液の分解により生成されるアンモニアを吸着し、流入する排気ガス中のＮＯXを還元する。ＳＣＲ触媒２４は、例えば、アンモニアの吸着機能を有し、かつ、ＮＯXを選択的に還元可能なゼオライト系の還元触媒が用いることができる。
【００２１】
以上説明した排気浄化ユニット２０は、ＤＰＦ２２の前後にそれぞれ圧力センサ５１、５２を備え、ＳＣＲ触媒２４の前後にそれぞれ温度センサ５３、５４を備えている。また、ＳＣＲ触媒２４の排気下流側にはＮＯXセンサ５５を備えている。さらに、排気浄化ユニットの周囲には外気温度を検出する外気温度センサが配置されている。
これらセンサのセンサ値は制御装置６０に送られて、それぞれの位置での圧力や温度、ＮＯX濃度が検出される。
なお、演算によって推定可能であるならば、これらセンサは省略可能である。
【００２２】
また、以上説明した排気浄化ユニット２０は、排気管１１の第１屈曲部２３ａから分岐して、還元剤噴射弁４３を固定するための接続管１２を備えている。この接続管１２を介して、排気ガスの流れ方向と略一致する方向に、還元剤噴射弁４３から尿素水溶液が噴射される。
したがって、排気管１１に還元剤噴射弁４３を直接固定する場合と比較して、排気管１１や排気ガス等から還元剤噴射弁４３への熱を伝わり難くすることができる。
【００２３】
（３）強制再生手段
ここで、本実施形態のシステム１０は、ＤＰＦ２２の強制再生制御を行うための強制再生手段を備える。ＤＰＦ２２を５００℃〜６００℃程度に昇温させ、ＤＰＦ２２に堆積したＰＭを強制的に燃焼させるためである。
本実施形態では、内燃機関５でのポスト噴射等によって排気管１１内に未燃燃料を供給する燃料噴射弁（図示せず）と、燃料噴射弁からの燃料噴射量や噴射タイミング等、燃料噴射弁の制御を指示するための制御装置６０の制御部と、未燃燃料を酸化して酸化熱を発生させる酸化触媒２１とが、強制再生手段を構成する。
【００２４】
なお、強制再生手段は上記例に限られず、排気ガスを５００℃〜６００℃程度に昇温させることができるものであればよい。例えば、ポスト噴射に拠らずに酸化触媒２１に未燃燃料を供給する装置を利用して強制再生手段を構成してもよい。また、バーナや電熱線等の加熱装置を備え、直接ＤＰＦ２２を加熱するようにしてもよい。
【００２５】
（４）還元剤供給装置
また、還元剤供給装置４０は、尿素水溶液を貯蔵する貯蔵タンク４１と、圧送ポンプ４２と、還元剤噴射弁４３とを主たる要素として備えている。
このうち、貯蔵タンク４１及び圧送ポンプ４２が第１の供給通路４４によって接続され、圧送ポンプ４２及び還元剤噴射弁４３が第２の供給通路４５によって接続されている。この第２の供給通路４５には圧力センサ５６が設けられており、センサ値が制御装置６０に送信され、第２の供給通路４５内の圧力が検出される。
また、第２の供給通路４５及び貯蔵タンク４１が第３の供給通路４６によって接続されており、これにより、第２の供給経路４５に供給された余剰の尿素水溶液を、貯蔵タンク４１に戻すことができる。
【００２６】
また、この還元剤供給装置４０は、尿素水溶液の流路を、貯蔵タンク４１から還元剤噴射弁４３へ向かう順方向から、還元剤噴射弁４３から貯蔵タンク４１へ向かう逆方向に切り換える機能を持ったリバーティングバルブ４７を備えている。
すなわち、本実施形態のシステム１０は、内燃機関５の停止時に、還元剤供給装置４０に充填されていた尿素水溶液を貯蔵タンク４１に回収可能な構成である。
【００２７】
この還元剤供給装置４０の構成要素のうち、圧送ポンプ４２は、第２の供給経路４５内の圧力が所定値で維持されるように、貯蔵タンク４１内の尿素水溶液を汲み上げて還元剤噴射弁４３に圧送する。圧送ポンプ４２は代表的には電動式ポンプが用いられる。
【００２８】
また、還元剤噴射弁４３は、制御装置６０から出力される制御信号によって還元剤噴射弁４３が開かれたときに、尿素水溶液を排気管１１中に噴射する。還元剤噴射弁４３としては、例えばＤＵＴＹ制御によって開弁のＯＮ−ＯＦＦが制御されるＯＮ−ＯＦＦ弁が用いられる。
【００２９】
このような還元剤噴射弁４３を構成する電子部分や樹脂部分等は比較的熱に弱く、その耐熱温度Tlimは１４０℃〜１５０℃程度である一方、通常運転時における排気ガス温度は、２００℃〜３００℃程度である。
そのため、この還元剤供給装置４０は、還元剤噴射弁４３のハウジングに設けられた冷却水通路３５と、内燃機関５の冷却水通路３３から分岐して冷却水通路３５に連通する冷却水循環通路３３・３４と、冷却水循環通路３３・３４を流れる冷却水の流量を調節する冷却水流量制御弁３１・３２とを備えている。
これにより、内燃機関５の冷却水を還元剤噴射弁４３の冷却水通路３５に循環させ、還元剤噴射弁４３の温度を７０℃〜８０℃程度に保ち、還元剤噴射弁４３の熱損傷を防止することができる。
また、還元剤噴射弁４３からの還元剤の噴射に伴って、貯蔵タンク４１内の相対的に低温である尿素水溶液が還元剤噴射弁４３に圧送されるために、このような尿素水溶液への熱移動によっても、還元剤噴射弁４３の放熱が促される。
【００３０】
このような、上述のエンジン冷却水の循環や、尿素水溶液への熱移動による還元剤噴射弁４３の放熱能力は、特に、内燃機関５の運転中において発揮される。
５の運転中にエンジン冷却水が循環し、また、内燃機関５の運転中に還元剤噴射弁４３へ尿素水溶液が圧送されるためである。
【００３１】
２．制御装置
（１）全体構成
次に、図２を参照して、本実施形態のシステム１０に備えられる制御装置６０を、温度検出部６２と、強制再生制御部６３と、条件成立判定部６４と、運転者通知部６５に大別して、具体的に説明する。これらの各部は、具体的にはマイクロコンピュータによるプログラムの実行によって実現される。
すなわち、図２は、システム１０に備えられた制御装置６０のうち、尿素水溶液の固化に起因した還元剤噴射弁４３の詰まりを未然に防止するための制御に関する部分を、機能的なブロックで表した構成例である。
【００３２】
この制御装置６０は、各圧力センサや各温度センサをはじめとして、機関回転数Neを検出する回転数センサ、車両の車速Vを検出する車速センサ、アクセルペダルの操作量Accを検出するアクセルセンサ、ブレーキペダルの操作量Brkを検出するブレーキセンサ等の各種センサ信号が読込み可能に構成されている。また、制御装置６０には、各部での演算結果や検出結果を記憶するための図示しないＲＡＭ（Random Access Memory）が備えられている。
【００３３】
制御装置６０は、内燃機関５の運転中にあっては、第２の供給経路４５内の圧力が所定値で維持されるように圧送ポンプ４２の駆動を制御するとともに、機関回転数NeやＳＣＲ触媒の排気下流側に設けられたＮＯXセンサ５５のセンサ値等に基づいて、還元剤噴射弁４３の駆動を制御する。
また、制御装置６０は、内燃機関５の停止時にパージ処理を実行する。具体的に、尿素水溶液の流路を順方向から逆方向に切り換えるための信号を、リバーティングバルブ４７に対して出力するとともに、還元剤噴射弁４３を開弁させて圧送ポンプ４２を駆動させるための信号を、圧送ポンプ４２及び還元剤噴射弁４３に対して出力する。
なお、制御装置６０は内燃機関５の停止後においても、本実施形態のシステム１０において必要な機能は動作可能なように構成されている。
【００３４】
（２）温度検出部
また、温度検出部６２は、還元剤噴射弁温度Tudvを検出するためのものであるが、直接検出できない場合には、その近傍のＤＰＦ２２下流側温度Tdpf等からを求めてもよい。
【００３５】
（３）強制再生制御部
強制再生制御部６３は、ＤＰＦ２２の前後に設けられた圧力センサ５１、５２から求められる差圧に基づいて、ＰＭの堆積量Vpmを推定する。そして、推定ＰＭ堆積量Vpmが所定の閾値Vpm0を超えたときに、ＤＰＦ２２の強制再生が必要であると判定し、強制再生手段に対して、強制再生を実行するための信号を送信する。
一方、強制再生制御部６３は、推定ＰＭ堆積量Vpmが所定量まで低下したことをきっかけとして、強制再生手段に対して送信していた、強制再生を実行するための信号を停止する。
【００３６】
（４）条件成立判定部
条件成立判定部６４は、内燃機関５が停止したとき、または内燃機関の運転中において内燃機関が停止したことを想定した場合に、当該停止後、還元剤噴射弁４３内の尿素水溶液が固化するおそれがあるか否かを判定する。
内燃機関５が停止すると、内燃機関５の冷却水の循環も停止するため還元剤噴射弁４３の放熱能力が有効に発揮されなくなり、還元剤噴射弁４３内の尿素水溶液の温度が上昇し、その中の水分の気化も激しくなる。そうすると尿素水溶液の濃度が上昇し、これに伴って当該尿素水溶液の固化温度T0も上昇する。したがって、内燃機関５停止後の冷却の過程において、当該尿素水溶液の温度がその固化温度T0を下回ると推定される場合には、当該尿素水溶液は固化するとの判定となる。
【００３７】
さらに具体的な判定条件として、ＤＰＦの強制再生中又は強制再生後所定期間内に内燃機関５が停止したとき、または内燃機関５の運転中において内燃機関５が停止したことを想定したときに、当該停止後、尿素水溶液が固化するおそれがあると判定することができる。
つまり、ＤＰＦの強制再生熱や再生直後にあっては、ＤＰＦ２２の排気下流側が非常に高温状態とされて温められ、還元剤噴射弁の温度は高温となりやすく、固化の原因である尿素水溶液の濃度上昇も起こりやすくなると判断できるからである。
ここで所定期間は、強制再生後の余熱による高い熱の影響が還元剤噴射弁４３に及ぶ期間であり、ＤＰＦ２２から還元剤噴射弁４３までの距離や、排気管の熱容量等によって異なるため、実機により試験を行いその結果によって決定することが望ましい。すなわち、実機上で強制再生終了後、内燃機関５の停止までの時間をそれぞれ変えて試験を行い、その後それぞれの場合において還元剤噴射弁４３内の尿素水溶液が固化するか否かを確認し、所定時間を決めることができる。
【００３８】
また、別の判定条件としては、内燃機関５が停止したとき、または内燃機関５の運転中において内燃機関５が停止したことを想定したときに、還元剤噴射弁温度Tudv、温度勾配δTudvや、外気温度Toutに基づいて、当該停止後、尿素水溶液が固化するおそれがあるか否かを判定する。還元剤噴射弁温度Tudvが高いと尿素水溶液中の水分の気化が進み、濃度が上昇し、ひいては固化温度T0が上昇し、冷却後に尿素水溶液が固化する可能性が高くなるからである。さらに還元剤噴射弁の温度勾配δTudvが大きい場合や、外気温度Toutが高い場合にも、同様に尿素水溶液が固化する可能性が高くなるので、これらに基づいて、または、これらおよび還元剤噴射弁温度Tudvとを適宜組み合わせて判定することができる。
ここで、判定に使う還元剤噴射弁温度Tudvは、その時点での温度としてもよいし、その後到達すると推定される温度としてもよい。また、図３、図７に示すような還元剤噴射弁到達最高温度Tudvmaxとしてもよい。
実機で試験を行い、これら還元剤噴射弁温度Tudv、温度勾配δTudvや、外気温度Toutの条件を様々に変えて還元剤噴射弁４３中の尿素水溶液が固化するか否かにより、具体的な数値を決めるのがよい。ちなみに還元剤噴射弁温度Tudvがおよそ１００℃を超えると、その後の冷却の過程で尿素水溶液が固化する可能性が高くなる。
なお、内燃機関５の運転中において、内燃機関５が停止したことを想定するのは、内燃機関５の運転中継続的に当該想定を行っていてもよいし、また、内燃機関がアイドル状態で所定時間継続したときに、当該想定を行うこととしてもよい。
【００３９】
（５）運転者通知部
運転者通知部６５は尿素水溶液が固化するおそれがあると判定した場合に、内燃機関の運転者に通知をする。
一例としては、内燃機関５の運転中において内燃機関５が停止されたことを想定した場合で、当該停止後尿素水溶液が固化するおそれがあると判定された場合には、運転者に対して内燃機関を停止しないよう通知する。また別の例としては、内燃機関が停止されたときで、判定の結果、当該停止後尿素水溶液が固化するおそれがあるとの判定の場合には、運転者に対して内燃機関を再始動するよう通知する。通知の方法は様々考えられるが、例えば、運転席から容易に見える場所に、警告ランプを点灯させたり、運転者に対し音声でその旨を伝えることができる
【００４０】
３．制御方法
以下タイミングチャートとフローチャートを用いて本制御装置によって実行可能な制御方法の具体例について説明する。
【００４１】
図３、図７は、ＤＰＦ下流排気温度Tdpfや、還元剤噴射弁温度Tudvや還元剤噴射弁４３内の尿素水溶液の固化温度T0等の変化を示すタイミングチャートである。
図４は、内燃機関５の運転中において内燃機関５が停止したことを想定したときの制御装置６０における演算処理のフローチャートを示している。
【００４２】
まず、図３のt1においてＤＰＦ２２の強制再生が開始するとＤＰＦ下流排気温度Tdpfは強制再生による再生熱により上昇する。強制再生が行われない状況下におけるＤＰＦ下流排気温度Tdpfは、通常２００〜３００℃程度であるが、強制再生が開始されると、ＤＰＦ下流排気温度Tdpfは、は５００℃〜６００℃程度に達する。
これにともなって還元剤噴射弁温度Tudvも上昇するが、内燃機関５が駆動中においては、還元剤噴射弁４３のハウジングの冷却水通路３５にエンジン冷却水が循環し、また、貯蔵タンク４１内の相対的に低温である尿素水溶液が還元剤噴射弁４３に圧送されるので、還元剤噴射弁温度Tudvは一定温度以上がらず、新たな尿素水溶液も供給されるので、濃度の上昇も少なく、還元剤噴射弁４３内の尿素水溶液の固化温度T0の変化は少ない。
【００４３】
内燃機関５の回転数が下がり、時刻tiでアイドル状態となり、これが所定時間継続すると、図４のステップＳ１においてこれを検知し、ステップＳ２に進み、内燃機関５の停止を想定する。そしてステップＳ３では固化条件が成立するかどうかが判定される。すなわち、内燃機関５の停止後の冷却の過程で、尿素水溶液が固化するおそれがあるか否かを判定する。
判定方法の具体例については図５及び図６に基づいて後述する。
おそれがあると判断された場合にはステップＳ４に進み内燃機関の運転者に通知し、ステップＳ３に戻る。また、尿素水溶液が固化するおそれのない場合にはステップＳ４へ進み、運転者への通知をせず、本ルーチンを終了する。したがって、本実施形態では尿素水溶液の固化のおそれがなくなるまで運転者への通知を継続し、その後尿素水溶液の固化のおそれがなくなった後、運転者への通知を終了する。
【００４４】
図３に戻り、固化条件成立の判定方法について詳細に説明する。内燃機関５の停止を想定したt2の時点で、その時点におけるその後の各温度変化の推定を図３中に一点鎖線で示す。ＤＰＦ２２排気下流側温度Tdpfが徐々に低下していく一方、内燃機関５の冷却水の循環が停止するため還元剤噴射弁４３の放熱能力が有効に発揮されなくなる。そうすると、t2の時点以降、ＤＰＦ２２排気下流側温度Tdpfが高温である中で、還元剤噴射弁温度Tudvは上昇し、新たな尿素水溶液は供給されないので、還元剤噴射弁４３内の尿素水溶液の濃度は高くなり、尿素水溶液の固化温度T0も上昇すると推定される。
そして、冷却の過程で、還元剤噴射弁温度Tudvが当該上昇した固化温度T0を下回ると推定される場合には、還元剤噴射弁４３内の尿素水溶液は固化のおそれがあると判定される。図３においてはt3の時点で、還元剤噴射弁温度Tudvが固化温度T0を下回り、還元剤噴射弁４３内の尿素水溶液が固化し始めると推定される。したがって、t2の時点で還元剤噴射弁４３内の尿素水溶液が固化のおそれありとの判定になり、運転者への通知がなされる（図４のステップＳ４）。
【００４５】
一方、図７は、t2の時点で内燃機関５の停止を想定した場合に、尿素水溶液の固化のおそれがあると判定し（図４のステップＳ３）、運転者に通知し（図４のステップＳ４）、運転者もその通知に応じて内燃機関を停止せず、その後、t1′の時点でＤＰＦ２２の強制再生が終了し、ＤＰＦ２２排気下流側温度Tdpfも徐々に温度を下がりつつあり、t2′の時点に至った場合を示している。t2′の時点における、その後の各温度変化の推定を図７中に一点鎖線で示す。還元剤噴射弁温度Tudvの上昇は少なく、したがって還元剤噴射弁４３内の尿素水溶液の濃度の上昇も少なく、還元剤噴射弁温度Tudvがその冷却の過程で、尿素水溶液の固化温度T0を下回ることもないとの推定結果を示している。この場合には、内燃機関５を停止しても尿素水溶液の固化のおそれはなくなったので、運転者への通知もt2′の時点で終了する（図４のステップＳ５）。
【００４６】
図５は図４に対して具体的な固化条件成立判定方法の一つを含んだフローチャートを示す。
ステップＳ２１において、内燃機関５がアイドル状態となりこれが所定時間継続すると、ステップＳ２２に進み、内燃機関５が停止したことを想定する。そしてステップＳ２３に進み、ＤＰＦ２２の強制再生中または、強制再生後所定期間内か否かが判定される。ＤＰＦ２２の強制再生中または、強制再生後所定期間である場合にはステップＳ２４に進み、内燃機関の運転者に通知し、ステップＳ２３へ戻る。また、ＤＰＦ２２の強制再生中でも強制再生後所定期間でもない場合にはステップＳ２５へ進み、運転者への通知をせず、本ルーチンを終了する。したがって、本実施形態では強制再生後所定期間を経過するまで運転者への通知を継続し、その後尿素水溶液の固化のおそれがなくなった後、運転者への通知を終了する。
【００４７】
さらに図６は図５とは別の具体的な固化条件成立判定方法の一つを含んだフローチャートを示す。
ステップＳ３１において、内燃機関５がアイドル状態となりこれが所定時間継続したことを検知すると、ステップＳ２２に進み、制御装置６０は内燃機関５が停止したことを想定する。そして、ステップＳ３３に進み、還元剤噴射弁温度Tudvが閾値温度Tsより高いか否かが判定される。還元剤噴射弁温度Tudvが閾値温度Ts以上の場合にはステップＳ３４に進み、内燃機関の運転者に通知し、ステップＳ３３へ戻る。また、還元剤噴射弁温度Tudvが閾値温度Tsよりも低い場合にはステップＳ３４へ進み、運転者への通知をせず、本ルーチンを終了する。したがって、本実施形態では、還元剤噴射弁温度Tudvが閾値温度Tsよりも低い温度となるまで運転者への通知を継続し、低くなった後、運転者への通知を終了する。
ここで、還元剤噴射弁温度Tudvは、その時点での温度としてもよいし、その後到達すると推定される温度としてもよい。また、図３、図７に示すような還元剤噴射弁到達最高温度Tudvmaxとしてもよい。
尚、閾値温度Tsはおよそ１００℃である。
以上の制御方法の説明においては、内燃機関５がアイドル状態を所定期間検知したときに、内燃機関５の停止を想定しているが、内燃機関５の運転中継続的に、内燃機関５の停止を想定することとしてもよい。また、内燃機関５が実際に停止したときに、固化のおそれがあるか否かを判断し、運転者に対して、内燃機関５の再始動をするよう通知することとしてもよい。
【００４８】
本実施形態の排気浄化システム及び排気浄化システムの制御方法によれば、内燃機関５の停止後、その冷却の過程で還元剤噴射弁４３内の残留尿素水溶液の固化のおそれがあるか否かを判断し、固化のおそれがある場合には、運転者に通知し、尿素水溶液の固化を未然に防ぐことができる。したがって、尿素水溶液の固化による排気浄化効率の低下を防止することができる。
【符号の説明】
【００４９】
５：内燃機関、１０：排気浄化システム（システム）、１１：排気管、１２：接続管、２０：排気浄化ユニット、２０ａ・２０ｂ：フランジ部、２１：酸化触媒、２２：ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）、２３ａ・２３ｂ：屈曲部、２４：ＳＣＲ触媒、３１・３２：冷却水循環バルブ、３３・３４：冷却水循環通路、４０：還元剤供給装置、４１：貯蔵タンク、４２：圧送ポンプ、４３：還元剤噴射弁、４４：第１の供給通路、４５：第２の供給通路、４６：第３の供給通路、５１・５２：圧力センサ、５３・５４：温度センサ、５５：ＮＯXセンサ、５６：圧力センサ、６０：制御装置、６２：温度検出部、６３：強制再生制御部、６４：条件成立判定部、６５：運転者通知部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気浄化システム及び排気浄化システムの制御方法に関する。特に、尿素水溶液の固化に起因した還元剤噴射弁の詰まりを解消することができる排気浄化システム及び排気浄化システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、車両に搭載される内燃機関の排気ガス中には、窒素酸化物（以下、「ＮＯX」と称する。）や微粒子状物質（以下、「ＰＭ」と称する。）が含まれている。
このうち、ＮＯXを還元して排気ガスを浄化するための装置として尿素ＳＣＲシステムがある。尿素ＳＣＲシステムは、圧送ポンプによって貯蔵タンク内から汲み上げた還元剤としての尿素水溶液を還元剤噴射弁から排気管内に供給するための還元剤供給装置と、アンモニアを吸着可能な排気浄化触媒の一種であるＳＣＲ触媒とを備えて構成される。かかる尿素ＳＣＲシステムでは、尿素水溶液の分解により生成されるアンモニアをＳＣＲ触媒に吸着させ、排気ガス中のＮＯXをＳＣＲ触媒中でアンモニアと反応させて、排気ガスを浄化する。
【０００３】
一方、ＰＭを捕集して排気ガスを浄化するための装置としてディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、「ＤＰＦ」と称する。）がある。ＤＰＦは、内燃機関の排気管に配設され、排気ガスが当該ＤＰＦを通過する際に排気ガス中のＰＭを捕集する。ＤＰＦを備えた排気浄化システムでは、ＤＰＦの目詰まりを防止するために、ＤＰＦの温度を５００℃〜６００℃程度に上昇させてＤＰＦに堆積したＰＭを強制的に燃焼させる強制再生制御が適時に行われる。
近年、排気ガスの浄化基準が高められていることに伴い、ＤＰＦ及びＳＣＲ触媒の両方を備えた排気浄化システムが増えてきている。
【０００４】
ところで、尿素ＳＣＲシステムにおいては、内燃機関が停止した際に還元剤供給経路に残存する尿素水溶液を回収するよう一般的に構成されている（例えば、特許文献１を参照）。これにより、尿素水溶液が還元剤供給経路に存在したまま、凍結し、還元剤供給経路に詰まりが生じるのを避けることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２１５８９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載された排気浄化システムでは、内燃機関の停止後に還元剤噴射弁内の尿素水溶液が温められ、その後に冷却する過程で尿素水溶液が固化してしまい、その結果、内燃機関の始動時に、尿素水溶液の供給が阻害され、排気浄化効率が低下してしまうという問題があった。
【０００７】
具体的に説明すると、排気浄化システムでは、内燃機関の停止時に、還元剤供給装置に充填されていた尿素水溶液を貯蔵タンクに回収するパージ処理が一般に行われるものの、貯蔵タンク及び還元剤噴射弁を接続する還元剤通路等の構造上、還元剤供給装置内に充填された尿素水溶液を完全に貯蔵タンクに回収し切れない場合がある。
一方、内燃機関の停止とともに還元剤噴射弁の放熱機能である冷却水の循環等は停止するため、還元剤噴射弁の温度は上昇する。そうすると、上述の還元剤噴射弁内に残留した尿素水溶液中の水分が気化により抜けていき、その濃度は上昇する。その後、排気管や周囲の温度が下がるにつれて、尿素水溶液の温度は下がるが、通常の濃度に比べ高い濃度となっているため、固化する温度も上がり、残留尿素水溶液が固化してしまい還元剤噴射弁に詰まりが発生してしまうおそれがある。
尿素水溶液の濃度は通常およそ３２．５％に調整されており、この場合尿素水溶液の固化する温度はおよそ−１１℃である。その濃度が当該パーセンテージを超えて高くなると、尿素水溶液の固化する温度は高くなる傾向にある。（図８参照）したがって高温により水分が抜けて濃度が高くなった還元剤噴射弁内の残留尿素水溶液は、温度が下がった時に固化しやすく、内燃機関の再始動時において当該還元剤噴射弁の噴射が阻害される可能性がある。
【０００８】
そこで、本発明の発明者はこのような問題に鑑みて、一旦温められた尿素水溶液が内燃機関の停止後の冷却する過程で固化するおそれがあるか否かを判定し、おそれがある場合には、例えば、内燃機関を停止しないように運転者に通知することにより、このような問題を解決できることを見出し、本発明を完成させたものである。
すなわち、本発明は、尿素水溶液の固化に起因した還元剤噴射弁の詰まりを未然に防止でき、ひいては、排気浄化効率の低下を防止することができる排気浄化システム及び排気浄化システムの制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、排出される排気ガス中の排気微粒子を捕集するＤＰＦと、排気ガス中に還元剤としての尿素水溶液を噴射する還元剤噴射弁と、尿素水溶液を用いて排気ガス中のＮＯXを浄化するＳＣＲ触媒と、を排気上流側から順次に備えた排気浄化システムにおいて、内燃機関が停止したときに、または内燃機関の運転中において前記内燃機関が停止したことを想定した場合に、尿素水溶液が固化するおそれがあるか否かを判定する条件成立判定部と、尿素水溶液が固化するおそれがあると判定した場合に、内燃機関の運転者に通知する運転者通知部と、を備えることを特徴とする排気浄化システムが提供され、上述した課題を解決することができる。
【００１０】
このように、還元剤噴射弁内の尿素水溶液が固化するおそれがあるか否かを判定し運転者に通知することによって、尿素水溶液の固化に起因した還元剤噴射弁の詰まりを未然に防止でき、ひいては、排気浄化効率の低下を防止することができる。
【００１１】
また、本発明を構成するに当たり、条件成立判定部は、ＤＰＦの強制再生が開始後終了するまでの間、または当該終了後所定期間内に、内燃機関が停止したとき、または内燃機関の運転中において内燃機関が停止したことを想定した場合に、停止後、尿素水溶液が固化するおそれがあると判定することが好ましい。
このように、ＤＰＦの強制再生中およびその終了後の所定期間は、ＤＰＦの下流にある還元剤噴射弁は高温にさらされ、内燃機関停止後においては、その冷却機能が有効に働かず、還元剤噴射弁内に残留した尿素水溶液の濃度が上がるので、固化する可能性が高いと判断できる。
【００１２】
また、本発明を構成するに当たり、条件成立判定部は、内燃機関が停止したとき、または内燃機関の運転中において内燃機関が停止したことを想定した場合に、還元剤噴射弁の温度、温度勾配、外気温度のうち少なくとも一つに基づいて、当該停止後、前記尿素水溶液が固化するおそれがあるか否かを判定することが好ましい。
還元剤噴射弁内の尿素水溶液が固化するか否かは、還元剤噴射弁の温度に依存するので、還元剤噴射弁の温度、温度勾配、外気温度に基づいて判定することにより、尿素水溶液の固化のおそれをより正確に捉えることができる。
【００１３】
また、本発明の別の態様は、排気ガス中の排気微粒子を捕集するＤＰＦと、排気ガス中に還元剤としての尿素水溶液を噴射する還元剤噴射弁と、尿素水溶液を用いて排気ガス中のＮＯXを浄化するＳＣＲ触媒と、を排気上流側から順次に備えた排気浄化システムの制御方法において、内燃機関が停止したとき、または内燃機関の運転中において内燃機関が停止したことを想定した場合に、当該停止後、前記尿素水溶液が固化するおそれがあるか否かを判定する工程と、尿素水溶液が固化するおそれがあると判定した場合に、内燃機関の運転者に通知する工程と、を有することを特徴とする排気浄化システムの制御方法である。
このように、還元剤噴射弁内の尿素水溶液が固化するおそれがあるか否かを判定し、固化するおそれがある場合には、運転者に通知することによって、尿素水溶液の固化に起因した還元剤噴射弁の詰まりを未然に防止でき、ひいては、排気浄化効率の低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態に係る排気浄化システムの構成例を示す全体図である。
【図２】排気浄化システムに備えられる制御装置の構成例を示すブロック図である。
【図３】排気浄化システムの制御方法について説明するためのタイミングチャートである。
【図４】排気浄化システムの制御方法について説明するためのフローチャートである。
【図５】排気浄化システムの制御方法について説明するためのフローチャートである。
【図６】排気浄化システムの制御方法について説明するためのフローチャートである。
【図７】排気浄化システムの制御方法について説明するためのタイミングチャートである。
【図８】尿素水溶液の濃度と固化温度T0の関係を表したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明にかかる排気浄化システム及び排気浄化システムの制御方法に関する実施形態について、具体的に説明する。
ただし、以下の実施形態は、本発明の一態様を示すものであってこの発明を限定するものではなく、本発明の範囲内で任意に変更することができる。
なお、各図において同符号を付してあるものは同一の部材ないし部分を示しており、適宜説明が省略されている。
【００１６】
１．排気浄化システム
（１）全体構成
図１は、本実施形態にかかる排気浄化システム（以下、単に「システム」と称する場合がある。）１０の全体構成を示している。
このシステム１０は、ＤＰＦ２２及びＳＣＲ触媒２４を有する排気浄化ユニット２０と、還元剤噴射弁４３を含む還元剤供給装置４０と、ＤＰＦ２２の強制再生制御や還元剤供給装置４０の動作制御を行う制御装置６０とを主たる要素として備えている。
かかるシステム１０は、排気ガス中のＰＭをＤＰＦ２２によって捕集し、かつ、還元剤としての尿素水溶液を用いて排気ガス中のＮＯXをＳＣＲ触媒２４中で選択的に浄化するための装置として構成されたものである。
【００１７】
（２）排気浄化ユニット
排気浄化ユニット２０は、酸化触媒２１と、ＤＰＦ２２と、ＳＣＲ触媒２４とを排気上流側から順次に備えている。
【００１８】
この排気浄化ユニット２０の構成要素のうち、酸化触媒２１は、内燃機関５でのポスト噴射等によって排気管１１内に供給された未燃燃料を酸化し、酸化熱を発生させる。これにより、ＤＰＦ２２に流入する排気ガスを昇温させてＤＰＦ２２を加熱することができる。酸化触媒２１は、公知のもの、例えば、アルミナに白金を担持させたものに所定量のセリウム等の希土類元素を添加したものを用いることができる。
【００１９】
また、ＤＰＦ２２は、排気ガスがＤＰＦ２２を通過する際に排気ガス中のＰＭを捕集する。図１に示すシステム１０では、ＤＰＦ２２がＳＣＲ触媒２４よりも排気上流側に配設されており、ＰＭがＳＣＲ触媒２４に付着するおそれがない。ＤＰＦ２２は、公知のもの、例えば、セラミック材料から構成されたハニカム構造のフィルタを用いることができる。
【００２０】
また、ＳＣＲ触媒２４は、還元剤噴射弁４３によって排気ガス中に噴射される尿素水溶液の分解により生成されるアンモニアを吸着し、流入する排気ガス中のＮＯXを還元する。ＳＣＲ触媒２４は、例えば、アンモニアの吸着機能を有し、かつ、ＮＯXを選択的に還元可能なゼオライト系の還元触媒が用いることができる。
【００２１】
以上説明した排気浄化ユニット２０は、ＤＰＦ２２の前後にそれぞれ圧力センサ５１、５２を備え、ＳＣＲ触媒２４の前後にそれぞれ温度センサ５３、５４を備えている。また、ＳＣＲ触媒２４の排気下流側にはＮＯXセンサ５５を備えている。さらに、排気浄化ユニットの周囲には外気温度を検出する外気温度センサが配置されている。
これらセンサのセンサ値は制御装置６０に送られて、それぞれの位置での圧力や温度、ＮＯX濃度が検出される。
なお、演算によって推定可能であるならば、これらセンサは省略可能である。
【００２２】
また、以上説明した排気浄化ユニット２０は、排気管１１の第１屈曲部２３ａから分岐して、還元剤噴射弁４３を固定するための接続管１２を備えている。この接続管１２を介して、排気ガスの流れ方向と略一致する方向に、還元剤噴射弁４３から尿素水溶液が噴射される。
したがって、排気管１１に還元剤噴射弁４３を直接固定する場合と比較して、排気管１１や排気ガス等から還元剤噴射弁４３への熱を伝わり難くすることができる。
【００２３】
（３）強制再生手段
ここで、本実施形態のシステム１０は、ＤＰＦ２２の強制再生制御を行うための強制再生手段を備える。ＤＰＦ２２を５００℃〜６００℃程度に昇温させ、ＤＰＦ２２に堆積したＰＭを強制的に燃焼させるためである。
本実施形態では、内燃機関５でのポスト噴射等によって排気管１１内に未燃燃料を供給する燃料噴射弁（図示せず）と、燃料噴射弁からの燃料噴射量や噴射タイミング等、燃料噴射弁の制御を指示するための制御装置６０の制御部と、未燃燃料を酸化して酸化熱を発生させる酸化触媒２１とが、強制再生手段を構成する。
【００２４】
なお、強制再生手段は上記例に限られず、排気ガスを５００℃〜６００℃程度に昇温させることができるものであればよい。例えば、ポスト噴射に拠らずに酸化触媒２１に未燃燃料を供給する装置を利用して強制再生手段を構成してもよい。また、バーナや電熱線等の加熱装置を備え、直接ＤＰＦ２２を加熱するようにしてもよい。
【００２５】
（４）還元剤供給装置
また、還元剤供給装置４０は、尿素水溶液を貯蔵する貯蔵タンク４１と、圧送ポンプ４２と、還元剤噴射弁４３とを主たる要素として備えている。
このうち、貯蔵タンク４１及び圧送ポンプ４２が第１の供給通路４４によって接続され、圧送ポンプ４２及び還元剤噴射弁４３が第２の供給通路４５によって接続されている。この第２の供給通路４５には圧力センサ５６が設けられており、センサ値が制御装置６０に送信され、第２の供給通路４５内の圧力が検出される。
また、第２の供給通路４５及び貯蔵タンク４１が第３の供給通路４６によって接続されており、これにより、第２の供給経路４５に供給された余剰の尿素水溶液を、貯蔵タンク４１に戻すことができる。
【００２６】
また、この還元剤供給装置４０は、尿素水溶液の流路を、貯蔵タンク４１から還元剤噴射弁４３へ向かう順方向から、還元剤噴射弁４３から貯蔵タンク４１へ向かう逆方向に切り換える機能を持ったリバーティングバルブ４７を備えている。
すなわち、本実施形態のシステム１０は、内燃機関５の停止時に、還元剤供給装置４０に充填されていた尿素水溶液を貯蔵タンク４１に回収可能な構成である。
【００２７】
この還元剤供給装置４０の構成要素のうち、圧送ポンプ４２は、第２の供給経路４５内の圧力が所定値で維持されるように、貯蔵タンク４１内の尿素水溶液を汲み上げて還元剤噴射弁４３に圧送する。圧送ポンプ４２は代表的には電動式ポンプが用いられる。
【００２８】
また、還元剤噴射弁４３は、制御装置６０から出力される制御信号によって還元剤噴射弁４３が開かれたときに、尿素水溶液を排気管１１中に噴射する。還元剤噴射弁４３としては、例えばＤＵＴＹ制御によって開弁のＯＮ−ＯＦＦが制御されるＯＮ−ＯＦＦ弁が用いられる。
【００２９】
このような還元剤噴射弁４３を構成する電子部分や樹脂部分等は比較的熱に弱く、その耐熱温度Tlimは１４０℃〜１５０℃程度である一方、通常運転時における排気ガス温度は、２００℃〜３００℃程度である。
そのため、この還元剤供給装置４０は、還元剤噴射弁４３のハウジングに設けられた冷却水通路３５と、内燃機関５の冷却水通路３３から分岐して冷却水通路３５に連通する冷却水循環通路３３・３４と、冷却水循環通路３３・３４を流れる冷却水の流量を調節する冷却水流量制御弁３１・３２とを備えている。
これにより、内燃機関５の冷却水を還元剤噴射弁４３の冷却水通路３５に循環させ、還元剤噴射弁４３の温度を７０℃〜８０℃程度に保ち、還元剤噴射弁４３の熱損傷を防止することができる。
また、還元剤噴射弁４３からの還元剤の噴射に伴って、貯蔵タンク４１内の相対的に低温である尿素水溶液が還元剤噴射弁４３に圧送されるために、このような尿素水溶液への熱移動によっても、還元剤噴射弁４３の放熱が促される。
【００３０】
このような、上述のエンジン冷却水の循環や、尿素水溶液への熱移動による還元剤噴射弁４３の放熱能力は、特に、内燃機関５の運転中において発揮される。
５の運転中にエンジン冷却水が循環し、また、内燃機関５の運転中に還元剤噴射弁４３へ尿素水溶液が圧送されるためである。
【００３１】
２．制御装置
（１）全体構成
次に、図２を参照して、本実施形態のシステム１０に備えられる制御装置６０を、温度検出部６２と、強制再生制御部６３と、条件成立判定部６４と、運転者通知部６５に大別して、具体的に説明する。これらの各部は、具体的にはマイクロコンピュータによるプログラムの実行によって実現される。
すなわち、図２は、システム１０に備えられた制御装置６０のうち、尿素水溶液の固化に起因した還元剤噴射弁４３の詰まりを未然に防止するための制御に関する部分を、機能的なブロックで表した構成例である。
【００３２】
この制御装置６０は、各圧力センサや各温度センサをはじめとして、機関回転数Neを検出する回転数センサ、車両の車速Vを検出する車速センサ、アクセルペダルの操作量Accを検出するアクセルセンサ、ブレーキペダルの操作量Brkを検出するブレーキセンサ等の各種センサ信号が読込み可能に構成されている。また、制御装置６０には、各部での演算結果や検出結果を記憶するための図示しないＲＡＭ（Random Access Memory）が備えられている。
【００３３】
制御装置６０は、内燃機関５の運転中にあっては、第２の供給経路４５内の圧力が所定値で維持されるように圧送ポンプ４２の駆動を制御するとともに、機関回転数NeやＳＣＲ触媒の排気下流側に設けられたＮＯXセンサ５５のセンサ値等に基づいて、還元剤噴射弁４３の駆動を制御する。
また、制御装置６０は、内燃機関５の停止時にパージ処理を実行する。具体的に、尿素水溶液の流路を順方向から逆方向に切り換えるための信号を、リバーティングバルブ４７に対して出力するとともに、還元剤噴射弁４３を開弁させて圧送ポンプ４２を駆動させるための信号を、圧送ポンプ４２及び還元剤噴射弁４３に対して出力する。
なお、制御装置６０は内燃機関５の停止後においても、本実施形態のシステム１０において必要な機能は動作可能なように構成されている。
【００３４】
（２）温度検出部
また、温度検出部６２は、還元剤噴射弁温度Tudvを検出するためのものであるが、直接検出できない場合には、その近傍のＤＰＦ２２下流側温度Tdpf等からを求めてもよい。
【００３５】
（３）強制再生制御部
強制再生制御部６３は、ＤＰＦ２２の前後に設けられた圧力センサ５１、５２から求められる差圧に基づいて、ＰＭの堆積量Vpmを推定する。そして、推定ＰＭ堆積量Vpmが所定の閾値Vpm0を超えたときに、ＤＰＦ２２の強制再生が必要であると判定し、強制再生手段に対して、強制再生を実行するための信号を送信する。
一方、強制再生制御部６３は、推定ＰＭ堆積量Vpmが所定量まで低下したことをきっかけとして、強制再生手段に対して送信していた、強制再生を実行するための信号を停止する。
【００３６】
（４）条件成立判定部
条件成立判定部６４は、内燃機関５が停止したとき、または内燃機関の運転中において内燃機関が停止したことを想定した場合に、当該停止後、還元剤噴射弁４３内の尿素水溶液が固化するおそれがあるか否かを判定する。
内燃機関５が停止すると、内燃機関５の冷却水の循環も停止するため還元剤噴射弁４３の放熱能力が有効に発揮されなくなり、還元剤噴射弁４３内の尿素水溶液の温度が上昇し、その中の水分の気化も激しくなる。そうすると尿素水溶液の濃度が上昇し、これに伴って当該尿素水溶液の固化温度T0も上昇する。したがって、内燃機関５停止後の冷却の過程において、当該尿素水溶液の温度がその固化温度T0を下回ると推定される場合には、当該尿素水溶液は固化するとの判定となる。
【００３７】
さらに具体的な判定条件として、ＤＰＦの強制再生中又は強制再生後所定期間内に内燃機関５が停止したとき、または内燃機関５の運転中において内燃機関５が停止したことを想定したときに、当該停止後、尿素水溶液が固化するおそれがあると判定することができる。
つまり、ＤＰＦの強制再生熱や再生直後にあっては、ＤＰＦ２２の排気下流側が非常に高温状態とされて温められ、還元剤噴射弁の温度は高温となりやすく、固化の原因である尿素水溶液の濃度上昇も起こりやすくなると判断できるからである。
ここで所定期間は、強制再生後の余熱による高い熱の影響が還元剤噴射弁４３に及ぶ期間であり、ＤＰＦ２２から還元剤噴射弁４３までの距離や、排気管の熱容量等によって異なるため、実機により試験を行いその結果によって決定することが望ましい。すなわち、実機上で強制再生終了後、内燃機関５の停止までの時間をそれぞれ変えて試験を行い、その後それぞれの場合において還元剤噴射弁４３内の尿素水溶液が固化するか否かを確認し、所定時間を決めることができる。
【００３８】
また、別の判定条件としては、内燃機関５が停止したとき、または内燃機関５の運転中において内燃機関５が停止したことを想定したときに、還元剤噴射弁温度Tudv、温度勾配δTudvや、外気温度Toutに基づいて、当該停止後、尿素水溶液が固化するおそれがあるか否かを判定する。還元剤噴射弁温度Tudvが高いと尿素水溶液中の水分の気化が進み、濃度が上昇し、ひいては固化温度T0が上昇し、冷却後に尿素水溶液が固化する可能性が高くなるからである。さらに還元剤噴射弁の温度勾配δTudvが大きい場合や、外気温度Toutが高い場合にも、同様に尿素水溶液が固化する可能性が高くなるので、これらに基づいて、または、これらおよび還元剤噴射弁温度Tudvとを適宜組み合わせて判定することができる。
ここで、判定に使う還元剤噴射弁温度Tudvは、その時点での温度としてもよいし、その後到達すると推定される温度としてもよい。また、図３、図７に示すような還元剤噴射弁到達最高温度Tudvmaxとしてもよい。
実機で試験を行い、これら還元剤噴射弁温度Tudv、温度勾配δTudvや、外気温度Toutの条件を様々に変えて還元剤噴射弁４３中の尿素水溶液が固化するか否かにより、具体的な数値を決めるのがよい。ちなみに還元剤噴射弁温度Tudvがおよそ１００℃を超えると、その後の冷却の過程で尿素水溶液が固化する可能性が高くなる。
なお、内燃機関５の運転中において、内燃機関５が停止したことを想定するのは、内燃機関５の運転中継続的に当該想定を行っていてもよいし、また、内燃機関がアイドル状態で所定時間継続したときに、当該想定を行うこととしてもよい。
【００３９】
（５）運転者通知部
運転者通知部６５は尿素水溶液が固化するおそれがあると判定した場合に、内燃機関の運転者に通知をする。
一例としては、内燃機関５の運転中において内燃機関５が停止されたことを想定した場合で、当該停止後尿素水溶液が固化するおそれがあると判定された場合には、運転者に対して内燃機関を停止しないよう通知する。また別の例としては、内燃機関が停止されたときで、判定の結果、当該停止後尿素水溶液が固化するおそれがあるとの判定の場合には、運転者に対して内燃機関を再始動するよう通知する。通知の方法は様々考えられるが、例えば、運転席から容易に見える場所に、警告ランプを点灯させたり、運転者に対し音声でその旨を伝えることができる
【００４０】
３．制御方法
以下タイミングチャートとフローチャートを用いて本制御装置によって実行可能な制御方法の具体例について説明する。
【００４１】
図３、図７は、ＤＰＦ下流排気温度Tdpfや、還元剤噴射弁温度Tudvや還元剤噴射弁４３内の尿素水溶液の固化温度T0等の変化を示すタイミングチャートである。
図４は、内燃機関５の運転中において内燃機関５が停止したことを想定したときの制御装置６０における演算処理のフローチャートを示している。
【００４２】
まず、図３のt1においてＤＰＦ２２の強制再生が開始するとＤＰＦ下流排気温度Tdpfは強制再生による再生熱により上昇する。強制再生が行われない状況下におけるＤＰＦ下流排気温度Tdpfは、通常２００〜３００℃程度であるが、強制再生が開始されると、ＤＰＦ下流排気温度Tdpfは、は５００℃〜６００℃程度に達する。
これにともなって還元剤噴射弁温度Tudvも上昇するが、内燃機関５が駆動中においては、還元剤噴射弁４３のハウジングの冷却水通路３５にエンジン冷却水が循環し、また、貯蔵タンク４１内の相対的に低温である尿素水溶液が還元剤噴射弁４３に圧送されるので、還元剤噴射弁温度Tudvは一定温度以上がらず、新たな尿素水溶液も供給されるので、濃度の上昇も少なく、還元剤噴射弁４３内の尿素水溶液の固化温度T0の変化は少ない。
【００４３】
内燃機関５の回転数が下がり、時刻tiでアイドル状態となり、これが所定時間継続すると、図４のステップＳ１においてこれを検知し、ステップＳ２に進み、内燃機関５の停止を想定する。そしてステップＳ３では固化条件が成立するかどうかが判定される。すなわち、内燃機関５の停止後の冷却の過程で、尿素水溶液が固化するおそれがあるか否かを判定する。
判定方法の具体例については図５及び図６に基づいて後述する。
おそれがあると判断された場合にはステップＳ４に進み内燃機関の運転者に通知し、ステップＳ３に戻る。また、尿素水溶液が固化するおそれのない場合にはステップＳ４へ進み、運転者への通知をせず、本ルーチンを終了する。したがって、本実施形態では尿素水溶液の固化のおそれがなくなるまで運転者への通知を継続し、その後尿素水溶液の固化のおそれがなくなった後、運転者への通知を終了する。
【００４４】
図３に戻り、固化条件成立の判定方法について詳細に説明する。内燃機関５の停止を想定したt2の時点で、その時点におけるその後の各温度変化の推定を図３中に一点鎖線で示す。ＤＰＦ２２排気下流側温度Tdpfが徐々に低下していく一方、内燃機関５の冷却水の循環が停止するため還元剤噴射弁４３の放熱能力が有効に発揮されなくなる。そうすると、t2の時点以降、ＤＰＦ２２排気下流側温度Tdpfが高温である中で、還元剤噴射弁温度Tudvは上昇し、新たな尿素水溶液は供給されないので、還元剤噴射弁４３内の尿素水溶液の濃度は高くなり、尿素水溶液の固化温度T0も上昇すると推定される。
そして、冷却の過程で、還元剤噴射弁温度Tudvが当該上昇した固化温度T0を下回ると推定される場合には、還元剤噴射弁４３内の尿素水溶液は固化のおそれがあると判定される。図３においてはt3の時点で、還元剤噴射弁温度Tudvが固化温度T0を下回り、還元剤噴射弁４３内の尿素水溶液が固化し始めると推定される。したがって、t2の時点で還元剤噴射弁４３内の尿素水溶液が固化のおそれありとの判定になり、運転者への通知がなされる（図４のステップＳ４）。
【００４５】
一方、図７は、t2の時点で内燃機関５の停止を想定した場合に、尿素水溶液の固化のおそれがあると判定し（図４のステップＳ３）、運転者に通知し（図４のステップＳ４）、運転者もその通知に応じて内燃機関を停止せず、その後、t1′の時点でＤＰＦ２２の強制再生が終了し、ＤＰＦ２２排気下流側温度Tdpfも徐々に温度を下がりつつあり、t2′の時点に至った場合を示している。t2′の時点における、その後の各温度変化の推定を図７中に一点鎖線で示す。還元剤噴射弁温度Tudvの上昇は少なく、したがって還元剤噴射弁４３内の尿素水溶液の濃度の上昇も少なく、還元剤噴射弁温度Tudvがその冷却の過程で、尿素水溶液の固化温度T0を下回ることもないとの推定結果を示している。この場合には、内燃機関５を停止しても尿素水溶液の固化のおそれはなくなったので、運転者への通知もt2′の時点で終了する（図４のステップＳ５）。
【００４６】
図５は図４に対して具体的な固化条件成立判定方法の一つを含んだフローチャートを示す。
ステップＳ２１において、内燃機関５がアイドル状態となりこれが所定時間継続すると、ステップＳ２２に進み、内燃機関５が停止したことを想定する。そしてステップＳ２３に進み、ＤＰＦ２２の強制再生中または、強制再生後所定期間内か否かが判定される。ＤＰＦ２２の強制再生中または、強制再生後所定期間である場合にはステップＳ２４に進み、内燃機関の運転者に通知し、ステップＳ２３へ戻る。また、ＤＰＦ２２の強制再生中でも強制再生後所定期間でもない場合にはステップＳ２５へ進み、運転者への通知をせず、本ルーチンを終了する。したがって、本実施形態では強制再生後所定期間を経過するまで運転者への通知を継続し、その後尿素水溶液の固化のおそれがなくなった後、運転者への通知を終了する。
【００４７】
さらに図６は図５とは別の具体的な固化条件成立判定方法の一つを含んだフローチャートを示す。
ステップＳ３１において、内燃機関５がアイドル状態となりこれが所定時間継続したことを検知すると、ステップＳ２２に進み、制御装置６０は内燃機関５が停止したことを想定する。そして、ステップＳ３３に進み、還元剤噴射弁温度Tudvが閾値温度Tsより高いか否かが判定される。還元剤噴射弁温度Tudvが閾値温度Ts以上の場合にはステップＳ３４に進み、内燃機関の運転者に通知し、ステップＳ３３へ戻る。また、還元剤噴射弁温度Tudvが閾値温度Tsよりも低い場合にはステップＳ３４へ進み、運転者への通知をせず、本ルーチンを終了する。したがって、本実施形態では、還元剤噴射弁温度Tudvが閾値温度Tsよりも低い温度となるまで運転者への通知を継続し、低くなった後、運転者への通知を終了する。
ここで、還元剤噴射弁温度Tudvは、その時点での温度としてもよいし、その後到達すると推定される温度としてもよい。また、図３、図７に示すような還元剤噴射弁到達最高温度Tudvmaxとしてもよい。
尚、閾値温度Tsはおよそ１００℃である。
以上の制御方法の説明においては、内燃機関５がアイドル状態を所定期間検知したときに、内燃機関５の停止を想定しているが、内燃機関５の運転中継続的に、内燃機関５の停止を想定することとしてもよい。また、内燃機関５が実際に停止したときに、固化のおそれがあるか否かを判断し、運転者に対して、内燃機関５の再始動をするよう通知することとしてもよい。
【００４８】
本実施形態の排気浄化システム及び排気浄化システムの制御方法によれば、内燃機関５の停止後、その冷却の過程で還元剤噴射弁４３内の残留尿素水溶液の固化のおそれがあるか否かを判断し、固化のおそれがある場合には、運転者に通知し、尿素水溶液の固化を未然に防ぐことができる。したがって、尿素水溶液の固化による排気浄化効率の低下を防止することができる。
【符号の説明】
【００４９】
５：内燃機関、１０：排気浄化システム（システム）、１１：排気管、１２：接続管、２０：排気浄化ユニット、２０ａ・２０ｂ：フランジ部、２１：酸化触媒、２２：ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）、２３ａ・２３ｂ：屈曲部、２４：ＳＣＲ触媒、３１・３２：冷却水循環バルブ、３３・３４：冷却水循環通路、４０：還元剤供給装置、４１：貯蔵タンク、４２：圧送ポンプ、４３：還元剤噴射弁、４４：第１の供給通路、４５：第２の供給通路、４６：第３の供給通路、５１・５２：圧力センサ、５３・５４：温度センサ、５５：ＮＯXセンサ、５６：圧力センサ、６０：制御装置、６２：温度検出部、６３：強制再生制御部、６４：条件成立判定部、６５：運転者通知部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排出される排気ガス中の排気微粒子を捕集するＤＰＦと、前記排気ガス中に還元剤としての尿素水溶液を噴射する還元剤噴射弁と、前記尿素水溶液を用いて前記排気ガス中のＮＯXを浄化するＳＣＲ触媒と、を排気上流側から順次に備えた排気浄化システムにおいて、
内燃機関が停止したときに、または前記内燃機関の運転中において前記内燃機関が停止したことを想定した場合に、前記尿素水溶液が固化するおそれがあるか否かを判定する条件成立判定部と、
前記尿素水溶液が固化するおそれがあると判定した場合に、前記内燃機関の運転者に通知する運転者通知部と、
を備えることを特徴とする排気浄化システム。
【請求項２】
前記条件成立判定部は、前記ＤＰＦの強制再生が開始後終了するまでの間、または当該終了後所定期間内に、前記内燃機関が停止したとき、または前記内燃機関の運転中において前記内燃機関が停止したことを想定した場合に、当該停止後、前記尿素水溶液が固化するおそれがあると判定することを特徴とする請求項１に記載の排気浄化システム。
【請求項３】
前記条件成立判定部は、前記内燃機関が停止したとき、または前記内燃機関の運転中において前記内燃機関が停止したことを想定した場合に、前記還元剤噴射弁の温度、温度勾配、外気温度のうち少なくとも一つに基づいて、当該停止後、前記尿素水溶液が固化するおそれがあるか否かを判定することを特徴とする請求項１に記載の排気浄化システム。
【請求項４】
排気ガス中の排気微粒子を捕集するＤＰＦと、前記排気ガス中に還元剤としての尿素水溶液を噴射する還元剤噴射弁と、前記尿素水溶液を用いて前記排気ガス中のＮＯXを浄化するＳＣＲ触媒と、を排気上流側から順次に備えた排気浄化システムの制御方法において、
前記内燃機関が停止したとき、または前記内燃機関の運転中において前記内燃機関が停止したことを想定した場合に、当該停止後、前記尿素水溶液が固化するおそれがあるか否かを判定する工程と、
前記尿素水溶液が固化するおそれがあると判定した場合に、前記内燃機関の運転者に通知する工程と、
を有することを特徴とする排気浄化システムの制御方法。
【請求項１】
排出される排気ガス中の排気微粒子を捕集するＤＰＦと、前記排気ガス中に還元剤としての尿素水溶液を噴射する還元剤噴射弁と、前記尿素水溶液を用いて前記排気ガス中のＮＯXを浄化するＳＣＲ触媒と、を排気上流側から順次に備えた排気浄化システムにおいて、
内燃機関が停止したときに、または前記内燃機関の運転中において前記内燃機関が停止したことを想定した場合に、前記尿素水溶液が固化するおそれがあるか否かを判定する条件成立判定部と、
前記尿素水溶液が固化するおそれがあると判定した場合に、前記内燃機関の運転者に通知する運転者通知部と、
を備えることを特徴とする排気浄化システム。
【請求項２】
前記条件成立判定部は、前記ＤＰＦの強制再生が開始後終了するまでの間、または当該終了後所定期間内に、前記内燃機関が停止したとき、または前記内燃機関の運転中において前記内燃機関が停止したことを想定した場合に、当該停止後、前記尿素水溶液が固化するおそれがあると判定することを特徴とする請求項１に記載の排気浄化システム。
【請求項３】
前記条件成立判定部は、前記内燃機関が停止したとき、または前記内燃機関の運転中において前記内燃機関が停止したことを想定した場合に、前記還元剤噴射弁の温度、温度勾配、外気温度のうち少なくとも一つに基づいて、当該停止後、前記尿素水溶液が固化するおそれがあるか否かを判定することを特徴とする請求項１に記載の排気浄化システム。
【請求項４】
排気ガス中の排気微粒子を捕集するＤＰＦと、前記排気ガス中に還元剤としての尿素水溶液を噴射する還元剤噴射弁と、前記尿素水溶液を用いて前記排気ガス中のＮＯXを浄化するＳＣＲ触媒と、を排気上流側から順次に備えた排気浄化システムの制御方法において、
前記内燃機関が停止したとき、または前記内燃機関の運転中において前記内燃機関が停止したことを想定した場合に、当該停止後、前記尿素水溶液が固化するおそれがあるか否かを判定する工程と、
前記尿素水溶液が固化するおそれがあると判定した場合に、前記内燃機関の運転者に通知する工程と、
を有することを特徴とする排気浄化システムの制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１３７０３７（Ｐ２０１２−１３７０３７Ａ）
【公開日】平成２４年７月１９日（２０１２．７．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２９０２５９（Ｐ２０１０−２９０２５９）
【出願日】平成２２年１２月２７日（２０１０．１２．２７）
【出願人】（０００００３３３３）ボッシュ株式会社 (510)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１９日（２０１２．７．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２７日（２０１０．１２．２７）
【出願人】（０００００３３３３）ボッシュ株式会社 (510)
【Ｆターム（参考）】
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