還元剤供給装置及び内燃機関の排気浄化装置
【課題】パージ処理によって排気中の異物が吸い込まれて還元剤噴射弁の噴孔近傍に堆積物が生成された場合であっても、内燃機関の始動時に当該堆積物を除去したうえで、還元剤の噴射制御を開始させることができる還元剤供給装置及び内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】液体の還元剤が収容された貯蔵タンクと、還元剤を圧送するポンプと、ポンプによって圧送された還元剤を内燃機関の排気管内に噴射する還元剤噴射弁と、を備え、内燃機関の停止後に、還元剤供給経路に残留する還元剤を貯蔵タンクに回収するパージ処理が実施される還元剤供給装置において、内燃機関の始動時に、還元剤供給経路内の圧力を通常の還元剤供給圧力よりも高い圧力にして還元剤噴射弁を開閉した後に、還元剤供給経路内の圧力を通常の還元剤供給圧力に戻す制御を実施する制御手段を備える。
【解決手段】液体の還元剤が収容された貯蔵タンクと、還元剤を圧送するポンプと、ポンプによって圧送された還元剤を内燃機関の排気管内に噴射する還元剤噴射弁と、を備え、内燃機関の停止後に、還元剤供給経路に残留する還元剤を貯蔵タンクに回収するパージ処理が実施される還元剤供給装置において、内燃機関の始動時に、還元剤供給経路内の圧力を通常の還元剤供給圧力よりも高い圧力にして還元剤噴射弁を開閉した後に、還元剤供給経路内の圧力を通常の還元剤供給圧力に戻す制御を実施する制御手段を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気中の窒素酸化物の浄化に用いる還元剤を排気管内に供給するための還元剤供給装置及びそのような還元剤供給装置を備えた内燃機関の排気浄化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関から排出される排気中の窒素酸化物（以下「ＮＯX」と称する。）を除去する排気浄化装置の一態様として、排気通路に配設されたＮＯX浄化触媒と、尿素水溶液等の液体の還元剤をＮＯX浄化触媒の上流側で噴射する還元剤供給装置とを備えた装置が実用化されている。
【０００３】
このような排気浄化装置に用いられる還元剤供給装置は、液体の還元剤を収容する貯蔵タンクと、貯蔵タンク内の還元剤を吸い上げて圧送するポンプと、圧送される還元剤を排気管内に噴射する還元剤噴射弁とを備えて構成されている。このうち還元剤噴射弁は、噴孔が排気管内に臨むように取り付けられ、還元剤を直接的に排気管内に噴射するようになっている。
【０００４】
ここで、還元剤として尿素水溶液が用いられる場合、尿素水溶液の濃度は凝固点が最も低くなる濃度（例えば３２．５％濃度、凝固点≒−１１℃）に調整されて用いられる。しかしながら、寒冷地等において、内燃機関の停止中に外気温が凝固点を下回ると、還元剤供給経路内で還元剤が凝固することにより還元剤の体積が膨張して、還元剤供給管や還元剤噴射弁を破損させるおそれがある。そのため、内燃機関の停止時においては、還元剤供給経路内に残留する還元剤を貯蔵タンクに回収するパージ処理が実施されるようになっている（例えば特許文献１を参照）。
【０００５】
また、還元剤の凝固は、尿素水溶液が還元剤噴射弁内に残留している間に、排気熱等によって還元剤噴射弁が加熱されることによっても生じ得る。具体的には、還元剤が加熱されることによってその濃度が濃くなり、凝固点が上昇する結果、還元剤が凝固しやすくなる。そのため、このような熱の影響により還元剤が凝固することによって生じる還元剤噴射弁の噴孔等の詰まりを抑制するように構成された還元剤供給装置が提案されている。具体的には、噴孔の詰まる時期を推定する詰まり推定手段と、詰まり推定手段により推定された詰まり時期よりも前に、あるいは、推定された詰まり時期よりも後に、還元剤を増量あるいは増圧等させて噴射する詰まり解消手段とを備えた還元剤供給装置が開示されている（特許文献２を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−１０１５６４号公報
【特許文献２】特開２００３−２２２０１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ここで、上述したパージ処理は、還元剤噴射弁を開弁するとともに還元剤供給経路内を減圧することによって実行されるため、パージ処理中に排気管内の排気が還元剤供給経路内に吸い込まれることになる。その結果、排気に含まれる微粒子等の異物が噴孔近傍に付着して、堆積物が生成される場合がある。この堆積物によって噴孔が狭められると還元剤の噴射量が少なくなってしまうことから、堆積物は速やかに除去する必要がある。
【０００８】
しかしながら、次回以降の内燃機関の運転時において、還元剤を通常の供給圧力にして噴射制御を実施しても、堆積物を除去できない場合が見られた。また、堆積物が残されたままで内燃機関の運転が継続されると、堆積物は排気熱等の影響を受けて変性し、除去することがさらに困難になるおそれがある。
【０００９】
これに対して、特許文献２の還元剤供給装置では、還元剤の固化による噴孔の詰まりを抑制するために、還元剤の供給圧力を増圧して噴射が実施されるようになっているが、この還元剤供給装置は、外気温や還元剤温度、還元剤供給経路内の圧力等によって還元剤の固化が推定される場合にのみ、供給圧力が増圧されるものとなっている。また、この特許文献２の還元剤供給装置は、還元剤の噴射制御中において所定の制御を実施するものであって、上述したようなパージ処理によって吸い込まれる排気中の異物による堆積物については意図されていない。
【００１０】
本発明の発明者らはこのような課題に鑑みて、内燃機関の始動時に、還元剤供給経路内の圧力を一旦通常の還元剤供給圧力よりも高い圧力にして還元剤噴射弁を開閉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、パージ処理によって排気中の異物が吸い込まれて還元剤噴射弁の噴孔近傍に堆積物が生成された場合であっても、内燃機関の始動時に当該堆積物を除去したうえで、還元剤の噴射制御を開始させることができる還元剤供給装置及び内燃機関の排気浄化装置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】
【００１１】
本発明によれば、液体の還元剤が収容された貯蔵タンクと、還元剤を圧送するポンプと、ポンプによって圧送された還元剤を内燃機関の排気管内に噴射する還元剤噴射弁と、を備え、内燃機関の停止後に、還元剤供給経路に残留する還元剤を貯蔵タンクに回収するパージ処理が実施される還元剤供給装置において、内燃機関の始動時に、還元剤供給経路内の圧力を通常の還元剤供給圧力よりも高い圧力にして還元剤噴射弁を開閉した後に、還元剤供給経路内の圧力を通常の還元剤供給圧力に戻す制御を実施する制御手段を備えたことを特徴とする還元剤供給装置が提供され、上述した問題を解決することができる。
【００１２】
すなわち、本発明の還元剤供給装置によれば、内燃機関の停止時に実施されたパージ処理によって排気中の異物が吸い込まれ、還元剤噴射弁の噴孔の近傍に堆積物が生成されていた場合であっても、次回の内燃機関の始動時に、通常の還元剤供給圧力よりも高い圧力で還元剤又は還元剤供給経路内の空気が噴射されて、堆積物が除去されるようになる。したがって、還元剤の噴射制御が開始された後において、噴射量が不足するおそれを低減することができる。また、内燃機関の始動時に堆積物が除去されるために、堆積物が変性することで除去が困難になることを防ぐことができる。
【００１３】
また、本発明の還元剤供給装置を構成するにあたり、制御手段は、還元剤噴射弁の開閉を複数回実施することが好ましい。
【００１４】
本発明において、還元剤噴射弁を開閉して堆積物を除去する際に、還元剤噴射弁を複数回開閉することにより、高圧での還元剤又は空気の噴射が複数回実施され、堆積物が生成されていた場合であっても、当該堆積物を確実に除去することができる。
【００１５】
また、本発明の還元剤供給装置を構成するにあたり、制御手段は、還元剤噴射弁を開閉させる際に、瞬間的な開弁制御を実施することが好ましい。
【００１６】
本発明において、還元剤噴射弁を開閉して堆積物を除去する際に、瞬間的に還元剤噴射弁を開閉することにより、堆積物を除去するための制御において排気管内に噴射される還元剤の量を少なくすることができる。
【００１７】
また、本発明の還元剤供給装置を構成するにあたり、制御手段は、還元剤噴射弁の開閉によって、還元剤供給経路内の空気を噴射することが好ましい。
【００１８】
本発明において、堆積物を除去するために実施される還元剤噴射弁の開閉によって、還元剤供給経路内の空気が噴射されるようにすることにより、堆積物を除去するための制御において排気管内に還元剤が噴射されることを防ぐことができる。
【００１９】
また、本発明の別の態様は、上述したいずれかの還元剤供給装置と、還元剤供給装置から供給される還元剤を用いて窒素酸化物を浄化する触媒と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置である。
【００２０】
すなわち、本発明の排気浄化装置によれば、内燃機関の始動時に、通常の還元剤供給圧力よりも高い圧力で還元剤又は還元剤供給経路内の空気が噴射されて、堆積物が除去されるようになっているため、還元剤の噴射制御中において、噴射量が不足するおそれを低減することができる。また、内燃機関の始動時に堆積物が除去されるために、堆積物が変性することで除去が困難になることを防ぐことができる。したがって、排気効率の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態に係る排気浄化装置の構成例を示す全体図である。
【図２】還元剤供給装置の制御処理装置（制御手段）の構成例を示すブロック図である。
【図３】還元剤供給装置の作動状態を説明するための図である。
【図４】還元剤供給装置の制御方法について説明するためのタイムチャート図である。
【図５】還元剤供給装置の制御方法を説明するためのフローチャート図である。
【図６】内燃機関の始動時に実施される高圧噴射制御の具体例を説明するためのフローチャート図である。
【図７】内燃機関の通常運転状態において実施される還元剤の噴射制御の具体例を説明するためのフローチャート図である。
【図８】内燃機関の停止時に実施されるパージ処理の具体例を説明するためのフローチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、適宜図面を参照して、本発明の還元剤供給装置及び内燃機関の排気浄化装置に関する実施の形態について具体的に説明する。ただし、以下の実施の形態は、本発明の一態様を示すものであって本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可能である。
なお、それぞれの図中、同じ符号を付してあるものについては同一の部材が示され、適宜説明が省略されている。
【００２３】
１．排気浄化装置
（１）全体的構成
図１は、本発明の実施の形態にかかる排気浄化装置１０の構成の一例を示している。この排気浄化装置１０は、車両等に搭載された内燃機関１から排出される排気中のＮＯXを、ＮＯX浄化触媒１１上で還元剤を用いて浄化するように構成された排気浄化装置である。
【００２４】
排気浄化装置１０は、内燃機関１の排気系に接続された排気管３の途中に介装されたＮＯX浄化触媒１１と、ＮＯX浄化触媒１１の上流側において排気管３内に液体の還元剤を噴射供給するための還元剤供給装置２０と、還元剤供給装置２０の動作制御を行う制御処理装置４０とを主たる要素として備えて構成されている。
【００２５】
（２）ＮＯX浄化触媒
ＮＯX浄化触媒１１は、排気管３内に噴射された還元剤（あるいは当該還元剤から生成される還元成分）と、排気中のＮＯXとの反応を促進させる機能を有している。ＮＯX浄化触媒１１としては、ＮＯX選択還元触媒やＮＯX吸蔵触媒が用いられる。
【００２６】
ＮＯX選択還元触媒は、還元剤を吸着するとともに、この還元剤を用いて、触媒中に流入する排気中のＮＯXを選択的に浄化する機能を有する触媒である。ＮＯX選択還元触媒を用いる場合においては、尿素水溶液や未燃燃料が還元剤として用いられる。還元剤として尿素水溶液を用いる場合には、尿素水溶液中の尿素の分解によって生成されるアンモニア（ＮＨ3）がＮＯXと反応することにより、ＮＯXが窒素（Ｎ2）及び水（Ｈ2Ｏ）に分解される。また、還元剤として未燃燃料を用いる場合には、未燃燃料中の炭化水素（ＨＣ）がＮＯXと反応することにより、ＮＯXが窒素（Ｎ2）、二酸化炭素（ＣＯ2）及び水（Ｈ2Ｏ）に分解される。
【００２７】
また、ＮＯX吸蔵触媒は、触媒中に流入する排気の空燃比がリーンの状態（燃料希薄状態）においてＮＯXを吸蔵する一方、空燃比がリッチの状態に切り換えられたときにＮＯXを放出し、排気中の炭化水素（ＨＣ）を用いてＮＯXを浄化する機能を有する触媒である。炭化水素（ＨＣ）と反応したＮＯXは窒素（Ｎ2）、二酸化炭素（ＣＯ2）及び水（Ｈ2Ｏ）に分解される。ＮＯX吸蔵触媒を用いる場合においては、排気の空燃比をリッチの状態とするために、還元剤としての未燃燃料が排気管３内に噴射供給される。
【００２８】
（３）還元剤供給装置
還元剤供給装置２０は、液体の還元剤を収容する貯蔵タンク２１と、還元剤を圧送するポンプ２３を含むポンプユニット２２と、ポンプ２３により圧送された還元剤を排気管３内に噴射する還元剤噴射弁２５とを備えている。このうち、ポンプ２３及び還元剤噴射弁２５は、制御処理装置４０によって駆動制御が実施されるものとなっている。
【００２９】
貯蔵タンク２１とポンプ２３とは第１の還元剤通路３１で接続され、ポンプ２３と還元剤噴射弁２５とは第２の還元剤通路３３で接続されている。この第２の還元剤通路３３には、第２の還元剤通路３３内の圧力Ｐｕを検出するための圧力センサ２７が備えられている。また、第２の還元剤通路３３には、他端が貯蔵タンク２１に接続されたリターン通路３５が接続されており、リターン通路３５にはリリーフ弁３７及びオリフィス３８が、第２の還元剤通路２３側から順に備えられている。
【００３０】
還元剤噴射弁２５は、例えば、通電／非通電の切り換えにより開弁／閉弁の切り換えが行われる電磁弁が用いられる。本実施形態において、還元剤噴射弁２５は、排気管３内に直接的に還元剤を噴射するものであり、噴孔が排気管３内に臨むように排気管３の外周部に取り付けられている。本実施形態においては、ポンプ２３の吐出口から還元剤噴射弁２５の噴孔までの間をつなぐ、第２の還元剤通路３３及び還元剤噴射弁２５の還元剤の流通空間が、本発明における還元剤供給経路を構成している。
【００３１】
ポンプ２３は、例えば、通電量によって出力Ｖｐｕｍｐを調節可能な電動ポンプが用いられる。本実施形態において、ポンプ２３の出力Ｖｐｕｍｐは、第２の還元剤通路３３内の圧力Ｐｕが所定の目標設定圧（以下、単に「システム圧」と称する。）Ｐｓに維持されるように、圧力センサ２７によって検出される圧力Ｐｕとシステム圧Ｐｓとの偏差ΔＰｕに基づいてフィードバック制御されるようになっている。
【００３２】
また、ポンプユニット２２には、ポンプ２３によって圧送される還元剤の流れる向きを切り換えるためのリバーティングバルブ２４が備えられている。リバーティングバルブ２４は、例えば電磁切換弁によって構成され、制御処理装置４０によって駆動されるようになっている。本実施形態において、リバーティングバルブ２４は、非通電状態において、ポンプ２３の入口側と第１の還元剤通路３１、及び、ポンプ２３の出口側と第２の還元剤通路３３をそれぞれ接続する第１の状態とされる一方、通電状態において、ポンプ２３の出口側と第１の還元剤通路３１、及び、ポンプ２３の入口側と第２の還元剤通路３３をそれぞれ接続する第２の状態とされるものとなっている。
【００３３】
そして、内燃機関１の始動後、イグニッションスイッチがオフにされるまでの間は、リバーティングバルブ２４への通電は行われずに、還元剤が貯蔵タンク２１側から還元剤噴射弁２５側へ流れるようになっている。また、イグニッションスイッチがオフにされて還元剤を貯蔵タンク２１に回収するパージ処理を行う場合には、リバーティングバルブ２４への通電が行われ、還元剤が還元剤噴射弁２５側から貯蔵タンク２１側へと流れるように切り換えられる。なお、リバーティングバルブ２４を用いないで、ポンプ２３を逆回転させることでパージ処理を実施できるように構成されていてもよい。
【００３４】
リリーフ弁３７は貯蔵タンク２１側から第２の還元剤通路３３側への還元剤の流れを遮断する一方向弁として構成され、第２の還元剤通路３３内の圧力Ｐｕがリリーフ弁３７の開弁圧を上回ったときに開弁するようになっている。リリーフ弁３７の開弁圧は、システム圧よりも低い値に設定されている。また、リリーフ弁３７は、第２の還元剤通路３３内から還元剤を回収するパージ処理時においては、第２の還元剤通路３３内が減圧されることによって閉弁状態となる。
【００３５】
リリーフ弁３７の下流側に備えられたオリフィス３８は、リリーフ弁３７の開閉に合わせて第２の還元剤通路３３内の圧力を必要以上に脈動させないようにする機能を有している。
【００３６】
２．制御処理装置（制御手段）
図２は、本実施形態の制御処理装置４０の構成のうち、還元剤供給装置２０の動作制御に関連する部分を機能的なブロックで表したものである。この制御処理装置４０は、本発明における制御手段を構成するものとなっている。
【００３７】
制御処理装置４０は、公知のマイクロコンピュータを中心に構成されたものであり、イグニッションスイッチ位置検出部４１と、圧力検出部４３と、ポンプ駆動制御部４５と、リバーティングバルブ駆動制御部４７と、還元剤噴射弁駆動制御部４９とを主たる構成要素として備えている。具体的に、これらの各手段は、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ものとなっている。
【００３８】
この他、制御処理装置４０には、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）及びＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等の図示しない記憶素子や、ポンプ２３、リバーティングバルブ２４、還元剤噴射弁２５への通電を行うための図示しない駆動回路等が備えられている。また、制御処理装置４０には、圧力センサ２７の検出信号やイグニッションスイッチの操作信号をはじめとして、還元剤供給装置２０や内燃機関１等に備えられた種々のセンサ等の信号が入力されるようになっている。
【００３９】
イグニッションスイッチ位置検出部４１は、イグニッションスイッチの操作信号に基づいて、イグニッションスイッチの位置を検出するように構成されている。また、圧力検出部４３は、圧力センサ２７の検出信号に基づいて、第２の還元剤通路３３内の圧力Ｐｕを検出するように構成されている。
【００４０】
ポンプ駆動制御部４５は、内燃機関１の通常の運転状態においては、圧力検出部４３で検出される第２の還元剤通路３３内の圧力Ｐｕがあらかじめ設定されたシステム圧Ｐｓとなるように、ポンプ２３の出力の制御（通常運転モード）を行うように構成されている。本実施形態においては、イグニッションスイッチ位置検出部４１によってイグニッションスイッチがオンになっていることが検出されている間、ポンプ駆動制御部４５は、第２の還元剤通路３３内の圧力Ｐｕとシステム圧Ｐｓとの偏差ΔＰｕを用いてポンプ２３の出力Ｖｐｕｍｐを求め、ポンプ２３の駆動回路に対して指示を行うように構成されている。
【００４１】
ただし、ポンプ駆動制御部４５は、イグニッションスイッチがオンにされた後の所定の期間においては、第２の還元剤通路３３内の圧力Ｐｕが、一旦通常のシステム圧Ｐｓよりも高い始動時圧力Ｐｓｔとなるようにポンプ２３の出力の制御（始動時モード）を行うように構成されている。この始動時モードでのポンプ２３の制御は、後述する還元剤噴射弁駆動制御部４９によって所定の開閉制御が実施されたときに解除されて、通常運転モードに移行する。
【００４２】
さらに、ポンプ駆動制御部４５は、内燃機関１の停止時においては、パージ処理を実施するために、イグニッションスイッチがオフにされた後の所定時間、あらかじめ定められた所定の出力Ｖｐｕｍｐ０でポンプ２３の駆動制御が行われるように、ポンプ２３の駆動回路に対して指示を行うように構成されている。
【００４３】
リバーティングバルブ駆動制御部４７は、内燃機関１の始動時及び通常の運転状態においては、還元剤が貯蔵タンク２１側から還元剤噴射弁２５側へと流れるようにリバーティングバルブ２４を切り換えるよう、リバーティングバルブ２４の駆動回路に対して指示を出力するように構成されている。
【００４４】
また、リバーティングバルブ駆動制御部４７は、内燃機関１の停止時においては、パージ処理を実施するために、還元剤が還元剤噴射弁２５側から貯蔵タンク２１側へと流れるようにリバーティングバルブ２４を切り換えるよう、リバーティングバルブ２４の駆動回路に対して指示を出力するように構成されている。
【００４５】
還元剤噴射弁駆動制御部４９は、内燃機関１の通常の運転状態においては、排気温度Ｔｇａｓ、触媒温度Ｔｃａｔ、ＮＯX浄化触媒１１の下流側におけるＮＯX濃度Ｎ、さらには内燃機関１の運転状態に関する情報等に基づいて還元剤の指示噴射量Ｑｕを算出するとともに、算出された指示噴射量Ｑｕに応じて、還元剤噴射弁２５への通電量及び通電時間を決定して、還元剤噴射弁２５の駆動回路に対して指示を行うように構成されている。
【００４６】
また、還元剤噴射弁駆動制御部４９は、内燃機関１の停止時においては、還元剤供給経路内に残留する還元剤を貯蔵タンク２１に回収するパージ処理を実施するために、還元剤噴射弁２５が開弁状態で維持されるように、還元剤噴射弁２５の駆動回路に対して指示を出力するように構成されている。
【００４７】
ただし、還元剤噴射弁駆動制御部４９は、イグニッションスイッチがオンにされた後、還元剤の通常の噴射制御を開始する前において、第２の還元剤通路３３内の圧力Ｐｕが始動時圧力Ｐｓｔに昇圧された状態で、還元剤噴射弁２５を所定回数開閉する制御を実施するようになっている。この制御は、還元剤噴射弁２５の噴孔近傍に堆積物が生成されている場合に、当該堆積物を除去するために実施されるものとなっている。
【００４８】
図３（ａ）〜（ｄ）は、内燃機関１の通常の運転状態、パージ処理時、及び内燃機関１の始動時のそれぞれにおける還元剤供給装置２０の作動状態を示している。
まず、図３（ａ）は、内燃機関１の通常の運転状態における還元剤供給装置２０の作動状態を示している。この状態においては、ポンプ２３によって還元剤が還元剤噴射弁２５に向けて圧送され、第２の還元剤通路３３内の圧力Ｐｕがシステム圧Ｐｓで維持されるようにポンプ２３の出力がフィードバック制御されている。また、還元剤噴射弁２５は、演算によって求められる指示噴射量Ｑｕに応じて通電制御が実施される。
【００４９】
また、図３（ｂ）は、内燃機関１の停止時におけるパージ処理中の還元剤供給装置２０の作動状態を示している。この状態においては、還元剤供給経路内に残留する還元剤が、ポンプ２３によって貯蔵タンク２１内に回収されている。このとき、還元剤噴射弁２５は開弁状態で保持されており、図３（ｂ）においては、噴孔を介して排気が還元剤供給経路内に吸い込まれ、排気中の異物Ｍが噴孔近傍に付着して堆積する様子が示されている。
【００５０】
また、図３（ｃ）〜（ｄ）は、内燃機関１の始動時における還元剤供給装置２０の作動状態を示している。内燃機関１の始動直後においては、図３（ｃ）に示すように、還元剤噴射弁２５が閉じられるとともに、ポンプ２３の駆動が開始されて、第２の還元剤通路３３内の圧力Ｐｕが始動時圧力Ｐｓｔとなるまで昇圧される。第２の還元剤通路３３内の圧力Ｐｕが始動時圧力Ｐｓｔになったときには、図３（ｄ）に示すように、還元剤噴射弁２５が開弁される。このとき、還元剤噴射弁２５から噴射される高圧の空気又は還元剤によって、噴孔近傍に堆積していた異物Ｍが吹き飛ばされて除去されるようになる。
【００５１】
ここで、内燃機関１の始動時に行われる還元剤噴射弁２５の開閉制御においては、還元剤噴射弁２５を瞬間的に開弁することが好ましい。瞬間的な開弁であれば、還元剤を実際に噴射させることなく、還元剤供給経路に存在する空気のみの噴射によって堆積物を吹き飛ばすことができる。また、仮に還元剤が噴射されてしまう場合であっても極少量で済ますことができるため、還元剤の噴射量制御や排気浄化効率への影響を小さく抑えることができる。瞬間的な開弁は、例えば、通電時間を０．１〜０．５秒とすることで実現することができる。
【００５２】
また、内燃機関１の始動時に行われる還元剤噴射弁２５の開閉制御においては、開閉を複数回実施することが好ましい。一回の噴射によって堆積物が除去されない場合も考えられるため、複数回の噴射によって堆積物の除去を確実なものとすることができる。また、開弁を複数回に分けることにより、始動時圧力Ｐｓｔ下での還元剤又は空気の噴射が断続的に実施されるようになって、堆積物をより除去しやすくすることができる。還元剤噴射弁２５の開閉を複数回実施するには、例えば、瞬間的な開弁を２〜５回実施するように設定することができる。
【００５３】
３．還元剤供給装置の制御方法
次に、本実施形態の制御処理装置４０によって行われる還元剤供給装置２０の制御方法の具体例について、図４のタイムチャート図及び図５〜図８のフローチャート図に基づいて説明する。フローチャート図のうち、図５は、本実施形態における還元剤供給装置２０の制御方法のメインフローを示している。
【００５４】
まず、図５のステップＳ１において、制御処理装置４０が、イグニッションスイッチがオンにされたことを検出すると（図４のｔ１の時点）、ステップＳ２に進み、内燃機関１の始動時の高圧噴射制御を実施する（図４のｔ１〜ｔ２の期間）。
【００５５】
図６は、始動時の高圧噴射制御を実施するための具体的なフローの一例を示している。このフローの例では、まず、ステップＳ１１において、制御処理装置４０は、還元剤噴射弁２５を閉弁状態で保持するとともに、リバーティングバルブ２４への通電を行わないで、還元剤が貯蔵タンク２１側から還元剤噴射弁２５側へと流れるようにする。また、制御処理装置４０は、第２の還元剤通路３３内の圧力Ｐｕの目標値を始動時圧力Ｐｓｔにセットする。
【００５６】
次いで、制御処理装置４０は、ステップＳ１２においてポンプ２３の駆動を開始した後、ステップＳ１３において第２の還元剤通路３３内の圧力Ｐｕを検出するとともに、ステップＳ１４において、検出された圧力Ｐｕが始動時圧力Ｐｓｔに到達したか否かを判別する。
【００５７】
検出された圧力Ｐｕが始動時圧力Ｐｓｔに到達していない場合にはステップＳ１３に戻り、検出される圧力Ｐｕが始動時圧力Ｐｓｔに到達するまでの間、ステップＳ１３〜ステップＳ１４が繰り返される。そして、検出された圧力Ｐｕが始動時圧力Ｐｓｔに到達した場合には、ステップＳ１５に進み、制御処理装置４０は還元剤噴射弁２５を開閉する制御を行う。この開閉制御は、上述したように、還元剤噴射弁２５を瞬間的に開弁させることにより、あるいは、複数回開弁させることにより実施されることが好ましい。
【００５８】
ステップＳ１５における還元剤噴射弁２５の開閉制御によって、高圧の空気又は還元剤が還元剤噴射弁２５から噴射され、噴孔近傍に堆積物が生成されている場合には、当該堆積物が吹き飛ばされて除去される。
【００５９】
図５に戻り、ステップＳ２において、内燃機関１の始動時の高圧噴射制御が終了すると（図４のｔ２の時点）、ステップＳ３において、制御処理装置４０は、内燃機関１の通常運転状態での還元剤の噴射制御を実施する（図４のｔ２〜ｔ３の期間）。
【００６０】
図７は、通常運転状態での還元剤の噴射制御を実施するための具体的なフローの一例を示している。このフローの例では、まず、ステップＳ２１において、制御処理装置４０は、第２の還元剤通路３３内の圧力Ｐｕの目標値を所定のシステム圧Ｐｓにセットするとともに、ポンプ２３の出力のフィードバック制御を開始する。すなわち、ポンプ２３の出力は、圧力センサ２７を用いて検出される第２の還元剤通路３３内の圧力Ｐｕとシステム圧Ｐｓとの差分ΔＰｕがゼロとなるように制御される。
【００６１】
次いで、制御処理装置４０は、ステップＳ２２において第２の還元剤通路３３内の圧力Ｐｕを検出するとともに、ステップＳ２３において検出される圧力Ｐｕとシステム圧Ｐｓとの差分ΔＰｕが、あらかじめ設定された閾値ΔＰｕ０以下となったか否かを判別する。
【００６２】
圧力の差分ΔＰｕが閾値ΔＰｕ０以下となるまではステップＳ２２〜ステップＳ２３が繰り返され、圧力の差分ΔＰｕが閾値ΔＰｕ０以下となったときにステップＳ２４に進む。これ以降は、排気温度Ｔｇａｓ、触媒温度Ｔｃａｔ、ＮＯX浄化触媒１１の下流側におけるＮＯX濃度Ｎ、さらには内燃機関１の運転状態に関する情報等に基づいて還元剤の指示噴射量Ｑｕを算出するとともに、算出された指示噴射量Ｑｕに応じて、還元剤噴射弁２５への通電量及び通電時間を決定して、還元剤噴射弁２５の通電制御が実施される。
【００６３】
図５に戻り、制御処理装置４０は、ステップＳ３で還元剤の噴射制御を開始した後に、ステップＳ４でイグニッションスイッチがオフにされたことを検出したときには（図４のｔ３の時点）、ステップＳ５に進んで、還元剤供給経路内に残留する還元剤を貯蔵タンク２１内に回収するパージ処理を実施する（図４のｔ３〜ｔ４の期間）。
【００６４】
図８は、パージ処理を実施するための具体的なフローの一例を示している。このフローの例では、まず、ステップＳ３１において、制御処理装置４０は、リバーティングバルブ２４に継続的に通電を行い、還元剤が還元剤噴射弁２５側から貯蔵タンク２１側へと流れるように流路を切り換えるとともに、ポンプ２３の出力Ｖｐｕｍｐを、あらかじめ設定した所定の出力Ｖｐｕｍｐ０にセットする。
【００６５】
次いで、制御処理装置４０は、ステップＳ３２において還元剤噴射弁２５を開弁状態で保持した後、ステップＳ３３において、パージ処理が終了したか否かを判別する。パージ処理の終了の判別は、例えば、タイマカウントが所定値に到達したか否かによって行うことができるが、他の方法であってもかまわない。
【００６６】
ステップＳ３３においてパージ処理が終了したと判別された場合には、ステップＳ３４に進み、制御処理装置４０は、ポンプ２３の駆動を停止するとともに、還元剤噴射弁２５及びリバーティングバルブ２４への通電も停止する。これによって、還元剤供給装置２０の作動が完全に停止状態となる。そして、次回の内燃機関１の始動時には再びステップＳ１から制御が開始される。
【００６７】
本実施形態の還元剤供給装置２０によって、以上のような制御が実施されることにより、内燃機関１の始動時には、システム圧Ｐｓよりも高圧の始動時圧力Ｐｓｔでの還元剤又は空気の噴射が実施され、その後に、通常の還元剤の噴射制御に移行するようになる。したがって、内燃機関１の停止時に実施されるパージ処理によって、排気中の異物が還元剤噴射弁２５の噴孔近傍に付着して堆積物が生成された場合であっても、当該堆積物が除去された上で還元剤の噴射制御が開始されるようになる。その結果、還元剤が不足するおそれを低減することができ、排気浄化効率の低下を抑えることができるようになる。
【符号の説明】
【００６８】
１：内燃機関、３：排気管、１０：排気浄化装置、１１：ＮＯX浄化触媒、１３：ＮＯXセンサ、２０：還元剤供給装置、２１：貯蔵タンク、２２：ポンプユニット、２３：ポンプ、２４：リバーティングバルブ、２５：還元剤噴射弁、２７：圧力センサ、３１：第１の還元剤通路、３３：第２の還元剤通路、３５：リターン通路、３７：リリーフ弁、３８：オリフィス、４０：制御処理装置（制御手段）、４１：イグニッションスイッチ位置検出部、４３：圧力検出部、４５：ポンプ駆動制御部、４７：リバーティングバルブ駆動制御部、４９：還元剤噴射弁駆動制御部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気中の窒素酸化物の浄化に用いる還元剤を排気管内に供給するための還元剤供給装置及びそのような還元剤供給装置を備えた内燃機関の排気浄化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関から排出される排気中の窒素酸化物（以下「ＮＯX」と称する。）を除去する排気浄化装置の一態様として、排気通路に配設されたＮＯX浄化触媒と、尿素水溶液等の液体の還元剤をＮＯX浄化触媒の上流側で噴射する還元剤供給装置とを備えた装置が実用化されている。
【０００３】
このような排気浄化装置に用いられる還元剤供給装置は、液体の還元剤を収容する貯蔵タンクと、貯蔵タンク内の還元剤を吸い上げて圧送するポンプと、圧送される還元剤を排気管内に噴射する還元剤噴射弁とを備えて構成されている。このうち還元剤噴射弁は、噴孔が排気管内に臨むように取り付けられ、還元剤を直接的に排気管内に噴射するようになっている。
【０００４】
ここで、還元剤として尿素水溶液が用いられる場合、尿素水溶液の濃度は凝固点が最も低くなる濃度（例えば３２．５％濃度、凝固点≒−１１℃）に調整されて用いられる。しかしながら、寒冷地等において、内燃機関の停止中に外気温が凝固点を下回ると、還元剤供給経路内で還元剤が凝固することにより還元剤の体積が膨張して、還元剤供給管や還元剤噴射弁を破損させるおそれがある。そのため、内燃機関の停止時においては、還元剤供給経路内に残留する還元剤を貯蔵タンクに回収するパージ処理が実施されるようになっている（例えば特許文献１を参照）。
【０００５】
また、還元剤の凝固は、尿素水溶液が還元剤噴射弁内に残留している間に、排気熱等によって還元剤噴射弁が加熱されることによっても生じ得る。具体的には、還元剤が加熱されることによってその濃度が濃くなり、凝固点が上昇する結果、還元剤が凝固しやすくなる。そのため、このような熱の影響により還元剤が凝固することによって生じる還元剤噴射弁の噴孔等の詰まりを抑制するように構成された還元剤供給装置が提案されている。具体的には、噴孔の詰まる時期を推定する詰まり推定手段と、詰まり推定手段により推定された詰まり時期よりも前に、あるいは、推定された詰まり時期よりも後に、還元剤を増量あるいは増圧等させて噴射する詰まり解消手段とを備えた還元剤供給装置が開示されている（特許文献２を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−１０１５６４号公報
【特許文献２】特開２００３−２２２０１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ここで、上述したパージ処理は、還元剤噴射弁を開弁するとともに還元剤供給経路内を減圧することによって実行されるため、パージ処理中に排気管内の排気が還元剤供給経路内に吸い込まれることになる。その結果、排気に含まれる微粒子等の異物が噴孔近傍に付着して、堆積物が生成される場合がある。この堆積物によって噴孔が狭められると還元剤の噴射量が少なくなってしまうことから、堆積物は速やかに除去する必要がある。
【０００８】
しかしながら、次回以降の内燃機関の運転時において、還元剤を通常の供給圧力にして噴射制御を実施しても、堆積物を除去できない場合が見られた。また、堆積物が残されたままで内燃機関の運転が継続されると、堆積物は排気熱等の影響を受けて変性し、除去することがさらに困難になるおそれがある。
【０００９】
これに対して、特許文献２の還元剤供給装置では、還元剤の固化による噴孔の詰まりを抑制するために、還元剤の供給圧力を増圧して噴射が実施されるようになっているが、この還元剤供給装置は、外気温や還元剤温度、還元剤供給経路内の圧力等によって還元剤の固化が推定される場合にのみ、供給圧力が増圧されるものとなっている。また、この特許文献２の還元剤供給装置は、還元剤の噴射制御中において所定の制御を実施するものであって、上述したようなパージ処理によって吸い込まれる排気中の異物による堆積物については意図されていない。
【００１０】
本発明の発明者らはこのような課題に鑑みて、内燃機関の始動時に、還元剤供給経路内の圧力を一旦通常の還元剤供給圧力よりも高い圧力にして還元剤噴射弁を開閉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、パージ処理によって排気中の異物が吸い込まれて還元剤噴射弁の噴孔近傍に堆積物が生成された場合であっても、内燃機関の始動時に当該堆積物を除去したうえで、還元剤の噴射制御を開始させることができる還元剤供給装置及び内燃機関の排気浄化装置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】
【００１１】
本発明によれば、液体の還元剤が収容された貯蔵タンクと、還元剤を圧送するポンプと、ポンプによって圧送された還元剤を内燃機関の排気管内に噴射する還元剤噴射弁と、を備え、内燃機関の停止後に、還元剤供給経路に残留する還元剤を貯蔵タンクに回収するパージ処理が実施される還元剤供給装置において、内燃機関の始動時に、還元剤供給経路内の圧力を通常の還元剤供給圧力よりも高い圧力にして還元剤噴射弁を開閉した後に、還元剤供給経路内の圧力を通常の還元剤供給圧力に戻す制御を実施する制御手段を備えたことを特徴とする還元剤供給装置が提供され、上述した問題を解決することができる。
【００１２】
すなわち、本発明の還元剤供給装置によれば、内燃機関の停止時に実施されたパージ処理によって排気中の異物が吸い込まれ、還元剤噴射弁の噴孔の近傍に堆積物が生成されていた場合であっても、次回の内燃機関の始動時に、通常の還元剤供給圧力よりも高い圧力で還元剤又は還元剤供給経路内の空気が噴射されて、堆積物が除去されるようになる。したがって、還元剤の噴射制御が開始された後において、噴射量が不足するおそれを低減することができる。また、内燃機関の始動時に堆積物が除去されるために、堆積物が変性することで除去が困難になることを防ぐことができる。
【００１３】
また、本発明の還元剤供給装置を構成するにあたり、制御手段は、還元剤噴射弁の開閉を複数回実施することが好ましい。
【００１４】
本発明において、還元剤噴射弁を開閉して堆積物を除去する際に、還元剤噴射弁を複数回開閉することにより、高圧での還元剤又は空気の噴射が複数回実施され、堆積物が生成されていた場合であっても、当該堆積物を確実に除去することができる。
【００１５】
また、本発明の還元剤供給装置を構成するにあたり、制御手段は、還元剤噴射弁を開閉させる際に、瞬間的な開弁制御を実施することが好ましい。
【００１６】
本発明において、還元剤噴射弁を開閉して堆積物を除去する際に、瞬間的に還元剤噴射弁を開閉することにより、堆積物を除去するための制御において排気管内に噴射される還元剤の量を少なくすることができる。
【００１７】
また、本発明の還元剤供給装置を構成するにあたり、制御手段は、還元剤噴射弁の開閉によって、還元剤供給経路内の空気を噴射することが好ましい。
【００１８】
本発明において、堆積物を除去するために実施される還元剤噴射弁の開閉によって、還元剤供給経路内の空気が噴射されるようにすることにより、堆積物を除去するための制御において排気管内に還元剤が噴射されることを防ぐことができる。
【００１９】
また、本発明の別の態様は、上述したいずれかの還元剤供給装置と、還元剤供給装置から供給される還元剤を用いて窒素酸化物を浄化する触媒と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置である。
【００２０】
すなわち、本発明の排気浄化装置によれば、内燃機関の始動時に、通常の還元剤供給圧力よりも高い圧力で還元剤又は還元剤供給経路内の空気が噴射されて、堆積物が除去されるようになっているため、還元剤の噴射制御中において、噴射量が不足するおそれを低減することができる。また、内燃機関の始動時に堆積物が除去されるために、堆積物が変性することで除去が困難になることを防ぐことができる。したがって、排気効率の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態に係る排気浄化装置の構成例を示す全体図である。
【図２】還元剤供給装置の制御処理装置（制御手段）の構成例を示すブロック図である。
【図３】還元剤供給装置の作動状態を説明するための図である。
【図４】還元剤供給装置の制御方法について説明するためのタイムチャート図である。
【図５】還元剤供給装置の制御方法を説明するためのフローチャート図である。
【図６】内燃機関の始動時に実施される高圧噴射制御の具体例を説明するためのフローチャート図である。
【図７】内燃機関の通常運転状態において実施される還元剤の噴射制御の具体例を説明するためのフローチャート図である。
【図８】内燃機関の停止時に実施されるパージ処理の具体例を説明するためのフローチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、適宜図面を参照して、本発明の還元剤供給装置及び内燃機関の排気浄化装置に関する実施の形態について具体的に説明する。ただし、以下の実施の形態は、本発明の一態様を示すものであって本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可能である。
なお、それぞれの図中、同じ符号を付してあるものについては同一の部材が示され、適宜説明が省略されている。
【００２３】
１．排気浄化装置
（１）全体的構成
図１は、本発明の実施の形態にかかる排気浄化装置１０の構成の一例を示している。この排気浄化装置１０は、車両等に搭載された内燃機関１から排出される排気中のＮＯXを、ＮＯX浄化触媒１１上で還元剤を用いて浄化するように構成された排気浄化装置である。
【００２４】
排気浄化装置１０は、内燃機関１の排気系に接続された排気管３の途中に介装されたＮＯX浄化触媒１１と、ＮＯX浄化触媒１１の上流側において排気管３内に液体の還元剤を噴射供給するための還元剤供給装置２０と、還元剤供給装置２０の動作制御を行う制御処理装置４０とを主たる要素として備えて構成されている。
【００２５】
（２）ＮＯX浄化触媒
ＮＯX浄化触媒１１は、排気管３内に噴射された還元剤（あるいは当該還元剤から生成される還元成分）と、排気中のＮＯXとの反応を促進させる機能を有している。ＮＯX浄化触媒１１としては、ＮＯX選択還元触媒やＮＯX吸蔵触媒が用いられる。
【００２６】
ＮＯX選択還元触媒は、還元剤を吸着するとともに、この還元剤を用いて、触媒中に流入する排気中のＮＯXを選択的に浄化する機能を有する触媒である。ＮＯX選択還元触媒を用いる場合においては、尿素水溶液や未燃燃料が還元剤として用いられる。還元剤として尿素水溶液を用いる場合には、尿素水溶液中の尿素の分解によって生成されるアンモニア（ＮＨ3）がＮＯXと反応することにより、ＮＯXが窒素（Ｎ2）及び水（Ｈ2Ｏ）に分解される。また、還元剤として未燃燃料を用いる場合には、未燃燃料中の炭化水素（ＨＣ）がＮＯXと反応することにより、ＮＯXが窒素（Ｎ2）、二酸化炭素（ＣＯ2）及び水（Ｈ2Ｏ）に分解される。
【００２７】
また、ＮＯX吸蔵触媒は、触媒中に流入する排気の空燃比がリーンの状態（燃料希薄状態）においてＮＯXを吸蔵する一方、空燃比がリッチの状態に切り換えられたときにＮＯXを放出し、排気中の炭化水素（ＨＣ）を用いてＮＯXを浄化する機能を有する触媒である。炭化水素（ＨＣ）と反応したＮＯXは窒素（Ｎ2）、二酸化炭素（ＣＯ2）及び水（Ｈ2Ｏ）に分解される。ＮＯX吸蔵触媒を用いる場合においては、排気の空燃比をリッチの状態とするために、還元剤としての未燃燃料が排気管３内に噴射供給される。
【００２８】
（３）還元剤供給装置
還元剤供給装置２０は、液体の還元剤を収容する貯蔵タンク２１と、還元剤を圧送するポンプ２３を含むポンプユニット２２と、ポンプ２３により圧送された還元剤を排気管３内に噴射する還元剤噴射弁２５とを備えている。このうち、ポンプ２３及び還元剤噴射弁２５は、制御処理装置４０によって駆動制御が実施されるものとなっている。
【００２９】
貯蔵タンク２１とポンプ２３とは第１の還元剤通路３１で接続され、ポンプ２３と還元剤噴射弁２５とは第２の還元剤通路３３で接続されている。この第２の還元剤通路３３には、第２の還元剤通路３３内の圧力Ｐｕを検出するための圧力センサ２７が備えられている。また、第２の還元剤通路３３には、他端が貯蔵タンク２１に接続されたリターン通路３５が接続されており、リターン通路３５にはリリーフ弁３７及びオリフィス３８が、第２の還元剤通路２３側から順に備えられている。
【００３０】
還元剤噴射弁２５は、例えば、通電／非通電の切り換えにより開弁／閉弁の切り換えが行われる電磁弁が用いられる。本実施形態において、還元剤噴射弁２５は、排気管３内に直接的に還元剤を噴射するものであり、噴孔が排気管３内に臨むように排気管３の外周部に取り付けられている。本実施形態においては、ポンプ２３の吐出口から還元剤噴射弁２５の噴孔までの間をつなぐ、第２の還元剤通路３３及び還元剤噴射弁２５の還元剤の流通空間が、本発明における還元剤供給経路を構成している。
【００３１】
ポンプ２３は、例えば、通電量によって出力Ｖｐｕｍｐを調節可能な電動ポンプが用いられる。本実施形態において、ポンプ２３の出力Ｖｐｕｍｐは、第２の還元剤通路３３内の圧力Ｐｕが所定の目標設定圧（以下、単に「システム圧」と称する。）Ｐｓに維持されるように、圧力センサ２７によって検出される圧力Ｐｕとシステム圧Ｐｓとの偏差ΔＰｕに基づいてフィードバック制御されるようになっている。
【００３２】
また、ポンプユニット２２には、ポンプ２３によって圧送される還元剤の流れる向きを切り換えるためのリバーティングバルブ２４が備えられている。リバーティングバルブ２４は、例えば電磁切換弁によって構成され、制御処理装置４０によって駆動されるようになっている。本実施形態において、リバーティングバルブ２４は、非通電状態において、ポンプ２３の入口側と第１の還元剤通路３１、及び、ポンプ２３の出口側と第２の還元剤通路３３をそれぞれ接続する第１の状態とされる一方、通電状態において、ポンプ２３の出口側と第１の還元剤通路３１、及び、ポンプ２３の入口側と第２の還元剤通路３３をそれぞれ接続する第２の状態とされるものとなっている。
【００３３】
そして、内燃機関１の始動後、イグニッションスイッチがオフにされるまでの間は、リバーティングバルブ２４への通電は行われずに、還元剤が貯蔵タンク２１側から還元剤噴射弁２５側へ流れるようになっている。また、イグニッションスイッチがオフにされて還元剤を貯蔵タンク２１に回収するパージ処理を行う場合には、リバーティングバルブ２４への通電が行われ、還元剤が還元剤噴射弁２５側から貯蔵タンク２１側へと流れるように切り換えられる。なお、リバーティングバルブ２４を用いないで、ポンプ２３を逆回転させることでパージ処理を実施できるように構成されていてもよい。
【００３４】
リリーフ弁３７は貯蔵タンク２１側から第２の還元剤通路３３側への還元剤の流れを遮断する一方向弁として構成され、第２の還元剤通路３３内の圧力Ｐｕがリリーフ弁３７の開弁圧を上回ったときに開弁するようになっている。リリーフ弁３７の開弁圧は、システム圧よりも低い値に設定されている。また、リリーフ弁３７は、第２の還元剤通路３３内から還元剤を回収するパージ処理時においては、第２の還元剤通路３３内が減圧されることによって閉弁状態となる。
【００３５】
リリーフ弁３７の下流側に備えられたオリフィス３８は、リリーフ弁３７の開閉に合わせて第２の還元剤通路３３内の圧力を必要以上に脈動させないようにする機能を有している。
【００３６】
２．制御処理装置（制御手段）
図２は、本実施形態の制御処理装置４０の構成のうち、還元剤供給装置２０の動作制御に関連する部分を機能的なブロックで表したものである。この制御処理装置４０は、本発明における制御手段を構成するものとなっている。
【００３７】
制御処理装置４０は、公知のマイクロコンピュータを中心に構成されたものであり、イグニッションスイッチ位置検出部４１と、圧力検出部４３と、ポンプ駆動制御部４５と、リバーティングバルブ駆動制御部４７と、還元剤噴射弁駆動制御部４９とを主たる構成要素として備えている。具体的に、これらの各手段は、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ものとなっている。
【００３８】
この他、制御処理装置４０には、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）及びＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等の図示しない記憶素子や、ポンプ２３、リバーティングバルブ２４、還元剤噴射弁２５への通電を行うための図示しない駆動回路等が備えられている。また、制御処理装置４０には、圧力センサ２７の検出信号やイグニッションスイッチの操作信号をはじめとして、還元剤供給装置２０や内燃機関１等に備えられた種々のセンサ等の信号が入力されるようになっている。
【００３９】
イグニッションスイッチ位置検出部４１は、イグニッションスイッチの操作信号に基づいて、イグニッションスイッチの位置を検出するように構成されている。また、圧力検出部４３は、圧力センサ２７の検出信号に基づいて、第２の還元剤通路３３内の圧力Ｐｕを検出するように構成されている。
【００４０】
ポンプ駆動制御部４５は、内燃機関１の通常の運転状態においては、圧力検出部４３で検出される第２の還元剤通路３３内の圧力Ｐｕがあらかじめ設定されたシステム圧Ｐｓとなるように、ポンプ２３の出力の制御（通常運転モード）を行うように構成されている。本実施形態においては、イグニッションスイッチ位置検出部４１によってイグニッションスイッチがオンになっていることが検出されている間、ポンプ駆動制御部４５は、第２の還元剤通路３３内の圧力Ｐｕとシステム圧Ｐｓとの偏差ΔＰｕを用いてポンプ２３の出力Ｖｐｕｍｐを求め、ポンプ２３の駆動回路に対して指示を行うように構成されている。
【００４１】
ただし、ポンプ駆動制御部４５は、イグニッションスイッチがオンにされた後の所定の期間においては、第２の還元剤通路３３内の圧力Ｐｕが、一旦通常のシステム圧Ｐｓよりも高い始動時圧力Ｐｓｔとなるようにポンプ２３の出力の制御（始動時モード）を行うように構成されている。この始動時モードでのポンプ２３の制御は、後述する還元剤噴射弁駆動制御部４９によって所定の開閉制御が実施されたときに解除されて、通常運転モードに移行する。
【００４２】
さらに、ポンプ駆動制御部４５は、内燃機関１の停止時においては、パージ処理を実施するために、イグニッションスイッチがオフにされた後の所定時間、あらかじめ定められた所定の出力Ｖｐｕｍｐ０でポンプ２３の駆動制御が行われるように、ポンプ２３の駆動回路に対して指示を行うように構成されている。
【００４３】
リバーティングバルブ駆動制御部４７は、内燃機関１の始動時及び通常の運転状態においては、還元剤が貯蔵タンク２１側から還元剤噴射弁２５側へと流れるようにリバーティングバルブ２４を切り換えるよう、リバーティングバルブ２４の駆動回路に対して指示を出力するように構成されている。
【００４４】
また、リバーティングバルブ駆動制御部４７は、内燃機関１の停止時においては、パージ処理を実施するために、還元剤が還元剤噴射弁２５側から貯蔵タンク２１側へと流れるようにリバーティングバルブ２４を切り換えるよう、リバーティングバルブ２４の駆動回路に対して指示を出力するように構成されている。
【００４５】
還元剤噴射弁駆動制御部４９は、内燃機関１の通常の運転状態においては、排気温度Ｔｇａｓ、触媒温度Ｔｃａｔ、ＮＯX浄化触媒１１の下流側におけるＮＯX濃度Ｎ、さらには内燃機関１の運転状態に関する情報等に基づいて還元剤の指示噴射量Ｑｕを算出するとともに、算出された指示噴射量Ｑｕに応じて、還元剤噴射弁２５への通電量及び通電時間を決定して、還元剤噴射弁２５の駆動回路に対して指示を行うように構成されている。
【００４６】
また、還元剤噴射弁駆動制御部４９は、内燃機関１の停止時においては、還元剤供給経路内に残留する還元剤を貯蔵タンク２１に回収するパージ処理を実施するために、還元剤噴射弁２５が開弁状態で維持されるように、還元剤噴射弁２５の駆動回路に対して指示を出力するように構成されている。
【００４７】
ただし、還元剤噴射弁駆動制御部４９は、イグニッションスイッチがオンにされた後、還元剤の通常の噴射制御を開始する前において、第２の還元剤通路３３内の圧力Ｐｕが始動時圧力Ｐｓｔに昇圧された状態で、還元剤噴射弁２５を所定回数開閉する制御を実施するようになっている。この制御は、還元剤噴射弁２５の噴孔近傍に堆積物が生成されている場合に、当該堆積物を除去するために実施されるものとなっている。
【００４８】
図３（ａ）〜（ｄ）は、内燃機関１の通常の運転状態、パージ処理時、及び内燃機関１の始動時のそれぞれにおける還元剤供給装置２０の作動状態を示している。
まず、図３（ａ）は、内燃機関１の通常の運転状態における還元剤供給装置２０の作動状態を示している。この状態においては、ポンプ２３によって還元剤が還元剤噴射弁２５に向けて圧送され、第２の還元剤通路３３内の圧力Ｐｕがシステム圧Ｐｓで維持されるようにポンプ２３の出力がフィードバック制御されている。また、還元剤噴射弁２５は、演算によって求められる指示噴射量Ｑｕに応じて通電制御が実施される。
【００４９】
また、図３（ｂ）は、内燃機関１の停止時におけるパージ処理中の還元剤供給装置２０の作動状態を示している。この状態においては、還元剤供給経路内に残留する還元剤が、ポンプ２３によって貯蔵タンク２１内に回収されている。このとき、還元剤噴射弁２５は開弁状態で保持されており、図３（ｂ）においては、噴孔を介して排気が還元剤供給経路内に吸い込まれ、排気中の異物Ｍが噴孔近傍に付着して堆積する様子が示されている。
【００５０】
また、図３（ｃ）〜（ｄ）は、内燃機関１の始動時における還元剤供給装置２０の作動状態を示している。内燃機関１の始動直後においては、図３（ｃ）に示すように、還元剤噴射弁２５が閉じられるとともに、ポンプ２３の駆動が開始されて、第２の還元剤通路３３内の圧力Ｐｕが始動時圧力Ｐｓｔとなるまで昇圧される。第２の還元剤通路３３内の圧力Ｐｕが始動時圧力Ｐｓｔになったときには、図３（ｄ）に示すように、還元剤噴射弁２５が開弁される。このとき、還元剤噴射弁２５から噴射される高圧の空気又は還元剤によって、噴孔近傍に堆積していた異物Ｍが吹き飛ばされて除去されるようになる。
【００５１】
ここで、内燃機関１の始動時に行われる還元剤噴射弁２５の開閉制御においては、還元剤噴射弁２５を瞬間的に開弁することが好ましい。瞬間的な開弁であれば、還元剤を実際に噴射させることなく、還元剤供給経路に存在する空気のみの噴射によって堆積物を吹き飛ばすことができる。また、仮に還元剤が噴射されてしまう場合であっても極少量で済ますことができるため、還元剤の噴射量制御や排気浄化効率への影響を小さく抑えることができる。瞬間的な開弁は、例えば、通電時間を０．１〜０．５秒とすることで実現することができる。
【００５２】
また、内燃機関１の始動時に行われる還元剤噴射弁２５の開閉制御においては、開閉を複数回実施することが好ましい。一回の噴射によって堆積物が除去されない場合も考えられるため、複数回の噴射によって堆積物の除去を確実なものとすることができる。また、開弁を複数回に分けることにより、始動時圧力Ｐｓｔ下での還元剤又は空気の噴射が断続的に実施されるようになって、堆積物をより除去しやすくすることができる。還元剤噴射弁２５の開閉を複数回実施するには、例えば、瞬間的な開弁を２〜５回実施するように設定することができる。
【００５３】
３．還元剤供給装置の制御方法
次に、本実施形態の制御処理装置４０によって行われる還元剤供給装置２０の制御方法の具体例について、図４のタイムチャート図及び図５〜図８のフローチャート図に基づいて説明する。フローチャート図のうち、図５は、本実施形態における還元剤供給装置２０の制御方法のメインフローを示している。
【００５４】
まず、図５のステップＳ１において、制御処理装置４０が、イグニッションスイッチがオンにされたことを検出すると（図４のｔ１の時点）、ステップＳ２に進み、内燃機関１の始動時の高圧噴射制御を実施する（図４のｔ１〜ｔ２の期間）。
【００５５】
図６は、始動時の高圧噴射制御を実施するための具体的なフローの一例を示している。このフローの例では、まず、ステップＳ１１において、制御処理装置４０は、還元剤噴射弁２５を閉弁状態で保持するとともに、リバーティングバルブ２４への通電を行わないで、還元剤が貯蔵タンク２１側から還元剤噴射弁２５側へと流れるようにする。また、制御処理装置４０は、第２の還元剤通路３３内の圧力Ｐｕの目標値を始動時圧力Ｐｓｔにセットする。
【００５６】
次いで、制御処理装置４０は、ステップＳ１２においてポンプ２３の駆動を開始した後、ステップＳ１３において第２の還元剤通路３３内の圧力Ｐｕを検出するとともに、ステップＳ１４において、検出された圧力Ｐｕが始動時圧力Ｐｓｔに到達したか否かを判別する。
【００５７】
検出された圧力Ｐｕが始動時圧力Ｐｓｔに到達していない場合にはステップＳ１３に戻り、検出される圧力Ｐｕが始動時圧力Ｐｓｔに到達するまでの間、ステップＳ１３〜ステップＳ１４が繰り返される。そして、検出された圧力Ｐｕが始動時圧力Ｐｓｔに到達した場合には、ステップＳ１５に進み、制御処理装置４０は還元剤噴射弁２５を開閉する制御を行う。この開閉制御は、上述したように、還元剤噴射弁２５を瞬間的に開弁させることにより、あるいは、複数回開弁させることにより実施されることが好ましい。
【００５８】
ステップＳ１５における還元剤噴射弁２５の開閉制御によって、高圧の空気又は還元剤が還元剤噴射弁２５から噴射され、噴孔近傍に堆積物が生成されている場合には、当該堆積物が吹き飛ばされて除去される。
【００５９】
図５に戻り、ステップＳ２において、内燃機関１の始動時の高圧噴射制御が終了すると（図４のｔ２の時点）、ステップＳ３において、制御処理装置４０は、内燃機関１の通常運転状態での還元剤の噴射制御を実施する（図４のｔ２〜ｔ３の期間）。
【００６０】
図７は、通常運転状態での還元剤の噴射制御を実施するための具体的なフローの一例を示している。このフローの例では、まず、ステップＳ２１において、制御処理装置４０は、第２の還元剤通路３３内の圧力Ｐｕの目標値を所定のシステム圧Ｐｓにセットするとともに、ポンプ２３の出力のフィードバック制御を開始する。すなわち、ポンプ２３の出力は、圧力センサ２７を用いて検出される第２の還元剤通路３３内の圧力Ｐｕとシステム圧Ｐｓとの差分ΔＰｕがゼロとなるように制御される。
【００６１】
次いで、制御処理装置４０は、ステップＳ２２において第２の還元剤通路３３内の圧力Ｐｕを検出するとともに、ステップＳ２３において検出される圧力Ｐｕとシステム圧Ｐｓとの差分ΔＰｕが、あらかじめ設定された閾値ΔＰｕ０以下となったか否かを判別する。
【００６２】
圧力の差分ΔＰｕが閾値ΔＰｕ０以下となるまではステップＳ２２〜ステップＳ２３が繰り返され、圧力の差分ΔＰｕが閾値ΔＰｕ０以下となったときにステップＳ２４に進む。これ以降は、排気温度Ｔｇａｓ、触媒温度Ｔｃａｔ、ＮＯX浄化触媒１１の下流側におけるＮＯX濃度Ｎ、さらには内燃機関１の運転状態に関する情報等に基づいて還元剤の指示噴射量Ｑｕを算出するとともに、算出された指示噴射量Ｑｕに応じて、還元剤噴射弁２５への通電量及び通電時間を決定して、還元剤噴射弁２５の通電制御が実施される。
【００６３】
図５に戻り、制御処理装置４０は、ステップＳ３で還元剤の噴射制御を開始した後に、ステップＳ４でイグニッションスイッチがオフにされたことを検出したときには（図４のｔ３の時点）、ステップＳ５に進んで、還元剤供給経路内に残留する還元剤を貯蔵タンク２１内に回収するパージ処理を実施する（図４のｔ３〜ｔ４の期間）。
【００６４】
図８は、パージ処理を実施するための具体的なフローの一例を示している。このフローの例では、まず、ステップＳ３１において、制御処理装置４０は、リバーティングバルブ２４に継続的に通電を行い、還元剤が還元剤噴射弁２５側から貯蔵タンク２１側へと流れるように流路を切り換えるとともに、ポンプ２３の出力Ｖｐｕｍｐを、あらかじめ設定した所定の出力Ｖｐｕｍｐ０にセットする。
【００６５】
次いで、制御処理装置４０は、ステップＳ３２において還元剤噴射弁２５を開弁状態で保持した後、ステップＳ３３において、パージ処理が終了したか否かを判別する。パージ処理の終了の判別は、例えば、タイマカウントが所定値に到達したか否かによって行うことができるが、他の方法であってもかまわない。
【００６６】
ステップＳ３３においてパージ処理が終了したと判別された場合には、ステップＳ３４に進み、制御処理装置４０は、ポンプ２３の駆動を停止するとともに、還元剤噴射弁２５及びリバーティングバルブ２４への通電も停止する。これによって、還元剤供給装置２０の作動が完全に停止状態となる。そして、次回の内燃機関１の始動時には再びステップＳ１から制御が開始される。
【００６７】
本実施形態の還元剤供給装置２０によって、以上のような制御が実施されることにより、内燃機関１の始動時には、システム圧Ｐｓよりも高圧の始動時圧力Ｐｓｔでの還元剤又は空気の噴射が実施され、その後に、通常の還元剤の噴射制御に移行するようになる。したがって、内燃機関１の停止時に実施されるパージ処理によって、排気中の異物が還元剤噴射弁２５の噴孔近傍に付着して堆積物が生成された場合であっても、当該堆積物が除去された上で還元剤の噴射制御が開始されるようになる。その結果、還元剤が不足するおそれを低減することができ、排気浄化効率の低下を抑えることができるようになる。
【符号の説明】
【００６８】
１：内燃機関、３：排気管、１０：排気浄化装置、１１：ＮＯX浄化触媒、１３：ＮＯXセンサ、２０：還元剤供給装置、２１：貯蔵タンク、２２：ポンプユニット、２３：ポンプ、２４：リバーティングバルブ、２５：還元剤噴射弁、２７：圧力センサ、３１：第１の還元剤通路、３３：第２の還元剤通路、３５：リターン通路、３７：リリーフ弁、３８：オリフィス、４０：制御処理装置（制御手段）、４１：イグニッションスイッチ位置検出部、４３：圧力検出部、４５：ポンプ駆動制御部、４７：リバーティングバルブ駆動制御部、４９：還元剤噴射弁駆動制御部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体の還元剤が収容された貯蔵タンクと、前記還元剤を圧送するポンプと、前記ポンプによって圧送された前記還元剤を内燃機関の排気管内に噴射する還元剤噴射弁と、を備え、前記内燃機関の停止後に、還元剤供給経路に残留する前記還元剤を前記貯蔵タンクに回収するパージ処理が実施される還元剤供給装置において、
前記内燃機関の始動時に、前記還元剤供給経路内の圧力を通常の還元剤供給圧力よりも高い圧力にして前記還元剤噴射弁を開閉した後に、前記還元剤供給経路内の圧力を前記通常の還元剤供給圧力に戻す制御を実施する制御手段を備えたことを特徴とする還元剤供給装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記還元剤噴射弁の開閉を複数回実施することを特徴とする請求項１に記載の還元剤供給装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記還元剤噴射弁を開閉させる際に、瞬間的な開弁制御を実施することを特徴とする請求項１又は２に記載の還元剤供給装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記還元剤噴射弁の開閉によって、前記還元剤供給経路内の空気を噴射す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還元剤供給装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の還元剤供給装置と、前記還元剤供給装置から供給される還元剤を用いて窒素酸化物を浄化する触媒と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１】
液体の還元剤が収容された貯蔵タンクと、前記還元剤を圧送するポンプと、前記ポンプによって圧送された前記還元剤を内燃機関の排気管内に噴射する還元剤噴射弁と、を備え、前記内燃機関の停止後に、還元剤供給経路に残留する前記還元剤を前記貯蔵タンクに回収するパージ処理が実施される還元剤供給装置において、
前記内燃機関の始動時に、前記還元剤供給経路内の圧力を通常の還元剤供給圧力よりも高い圧力にして前記還元剤噴射弁を開閉した後に、前記還元剤供給経路内の圧力を前記通常の還元剤供給圧力に戻す制御を実施する制御手段を備えたことを特徴とする還元剤供給装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記還元剤噴射弁の開閉を複数回実施することを特徴とする請求項１に記載の還元剤供給装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記還元剤噴射弁を開閉させる際に、瞬間的な開弁制御を実施することを特徴とする請求項１又は２に記載の還元剤供給装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記還元剤噴射弁の開閉によって、前記還元剤供給経路内の空気を噴射す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還元剤供給装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の還元剤供給装置と、前記還元剤供給装置から供給される還元剤を用いて窒素酸化物を浄化する触媒と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【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２０１２−１２７２１４（Ｐ２０１２−１２７２１４Ａ）
【公開日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７７１９４（Ｐ２０１０−２７７１９４）
【出願日】平成２２年１２月１３日（２０１０．１２．１３）
【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５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月１３日（２０１０．１２．１３）
【出願人】（０００００３３３３）ボッシュ株式会社 (510)
【Ｆターム（参考）】
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