還元剤供給装置及び内燃機関の排気浄化装置
【課題】パージ処理中に還元剤噴射弁内に残留する還元剤が凝固することで生じる還元剤噴射弁の開固着異常を防ぐ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行される還元剤供給装置において、パージ処理中に還元剤噴射弁の弁体のリフト量を変化させ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行される還元剤供給装置において、パージ処理中に還元剤噴射弁の弁体のリフト量を変化させ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、内燃機関から排出される排気の浄化に用いる液体の還元剤を排気管内に噴射するため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（ＮＯX）を除去する排気浄化装置の一態様として、尿素水溶液を排気管内に噴射するための還元剤供給装置と、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を吸着するとともに、流入する排気中のＮＯXを選択的にアンモニアと反応させて還元する還元触媒と備えた尿素ＳＣＲ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）システムが実用化されている。
【０００３】
このような尿素ＳＣＲシステムに用いられる還元剤供給装置は、尿素水溶液を収容する貯蔵タンクと、貯蔵タンク内の尿素水溶液を吸い上げて圧送するポンプと、圧送される尿素水溶液を排気管内に噴射する還元剤噴射弁とを備えている。
【０００４】
ここで、液体の還元剤としての尿素水溶液は、寒冷地においても凍結しないように、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ている。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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１０１５６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、内燃機関の運転中においては排気熱等によって還元剤噴射弁が高温に晒されるおそれがあるために、還元剤供給装置には還元剤噴射弁の冷却手段が備えられ、内燃機関の運転中においては還元剤噴射弁が冷却されるようになっている。しかしながら、内燃機関の停止後には、当該冷却手段の機能が停止する場合が多く、還元剤噴射弁が排気管等の残留熱の影響によって加熱されやすくなる。
【０００７】
そして、パージ処理中には、還元剤噴射弁の噴孔を介して排気が還元剤供給経路内に吸い込まれる状態となっているために、パージ処理中に還元噴射弁が加熱されることによって、還元剤噴射弁内に残留する尿素水溶液が加熱されて溶媒が蒸発しやすくなる。溶媒が蒸発すると、尿素水溶液の濃度が上昇して尿素水溶液の凝固点が徐々に上昇することになる。その結果、パージ処理中であるにもかかわらず、還元剤噴射弁内で尿素水溶液の凝固が生じて、還元剤噴射弁が開弁したまま閉じられなくなる開固着異常が発生するおそれがある。
【０００８】
還元剤噴射弁の開固着異常が発生すると、次回の内燃機関の始動後に尿素水溶液の噴射制御を実施する際に、尿素水溶液の噴射量が指示噴射量よりも多くなってしまったり、尿素水溶液の噴射の指示をしていないにもかかわらず尿素水溶液が排気管内に漏出したりするといった問題が生じ得る。
【０００９】
本発明の発明者はこのような課題に鑑みて、パージ処理中に、還元剤噴射弁の弁体のリフト量を変化させることで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、パージ処理中に還元剤噴射弁内に残留する還元剤が凝固することで生じる還元剤噴射弁の開固着異常を防ぐ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】
【００１０】
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行される還元剤供給装置において、パージ処理中に還元剤噴射弁の弁体のリフト量を変化させ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。
【００１１】
すなわち、本発明の還元剤供給装置によれば、パージ処理中に還元剤噴射弁の弁体のリフト量が変化させられるために、還元剤の凝固が生じ始めていたとしても、凝固しかけていた還元剤が破砕され、還元剤噴射弁の開固着異常が発生することを防ぐことができる。また、弁体のリフト量を変化させながらパージ処理を実施することで、特定の箇所に還元剤が残留することを防ぐことができるようになり、次回の内燃機関の運転時までに発生する還元剤噴射弁内で還元剤の凝固を低減することができる。さらに、パージ処理中に開弁し切った状態で保持されるのではなく、リフト量を小さくする制御が行われることから、通電時に開弁状態となる構成の還元剤噴射弁が用いられる場合においては、還元剤噴射弁の制御に要するエネルギー量を少なく抑えることができる。
【００１２】
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、パージ処理中の弁体のリフト量を基本的に最大で維持するとともに、一回あるいは複数回、リフト量を小さくする制御を実施することが好ましい。
【００１３】
本発明において、パージ処理中における弁体のリフト量を変化させる制御を所定回数のみとすることにより、閉弁時間をできるだけ短くしてパージ処理に要する時間が過度に長くならないようにすることができる。
【００１４】
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、パージ処理中に還元剤の凝固が生じ得る時期に合わせて弁体のリフト量を変化させる制御を実施することが好ましい。
【００１５】
本発明において、特定の時期に弁体のリフト量を変化させるようにすることで、できるだけ少ない回数の弁体の動きによって尿素水溶液の凝固による開固着異常を確実に防ぐことができる。
【００１６】
また、本発明の還元剤供給装置を構成するにあたり、還元剤噴射弁は通電のオンオフのデューティ比を制御することでリフト量が調節されるものであり、制御手段は、パージ処理中のデューティ比を５０〜９０％の範囲に設定することが好ましい。
【００１７】
本発明において、制御手段が、還元剤噴射弁の通電のオンオフのデューティ比を所定範囲にすることで弁体のリフト量を変化させることにより、弁体を確実に移動させつつ、閉弁時間が長くならないようにすることができる。
【００１８】
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。
【００１９】
すなわち、本発明の排気浄化装置によれば、還元剤噴射弁内での還元剤の凝固が抑えられるために、還元剤の噴射量が指示噴射量よりも多くなってしまったり、還元剤の噴射の指示をしていないにもかかわらず還元剤が排気管内に漏出したりするおそれが低減され、大気中への還元剤あるいは還元剤成分の流出を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【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】還元剤噴射弁の動作及び還元剤の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を説明するためのフローチャート図である。
【図５】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６】内燃機関の停止時にパージ処理を開始するための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】パージ処理中に弁体のリフト量を変化させる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】パージ処理を終了するための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。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【００２２】
１．排気浄化装置
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。
【００２３】
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の上流側の排気管３内に液体の還元剤としての尿素水溶液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。
【００２４】
ＮＯX浄化触媒１１は、尿素水溶液中の尿素が分解することで生成されるアンモニアを吸着するとともに、触媒中に流入する排気中のＮＯXとアンモニアとの反応を促進させて浄化する機能を有する触媒である。アンモニア（ＮＨ3）と反応したＮＯXは、窒素（Ｎ2）及び水（Ｈ2Ｏ）に分解されて、ＮＯX浄化触媒１１の下流側に流出する。
【００２５】
２．還元剤供給装置
還元剤供給装置２０は、尿素水溶液を収容する貯蔵タンク２１と、尿素水溶液を圧送するポンプ２３を含むポンプユニット２２と、ポンプ２３により圧送された尿素水溶液を排気管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。
【００２６】
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。
【００２７】
還元剤噴射弁２５は、例えば、通電制御によって開閉制御が行われる電磁弁が用いられる。本実施形態では、通電のオン／オフ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、指示噴射量Ｑｕに応じて一サイクル中のデューティ比（以下、「駆動デューティ」と称する。）が設定されて開弁時間あるいはリフト量が調節されるようになっている。本実施形態において、還元剤噴射弁２５は、排気管３内に直接的に尿素水溶液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における尿素水溶液の流通空間が、本発明における還元剤供給経路を構成している。
【００２８】
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。
【００２９】
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尿素水溶液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。
【００３０】
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、尿素水溶液が貯蔵タンク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尿素水溶液を貯蔵タンク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、尿素水溶液が還元剤噴射弁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。
【００３１】
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側への尿素水溶液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内から尿素水溶液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。
【００３２】
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。
【００３３】
３．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。
【００３４】
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、ポンプ駆動制御部４３と、リバーティングバルブ駆動制御部４５と、還元剤噴射弁駆動制御部４７とを主たる構成要素として備えている。これらの各手段は、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ものとなっている。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
ポンプ駆動制御部４３は、内燃機関１の通常の運転状態においては、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、ポンプ駆動制御部４３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。
【００３８】
また、ポンプ駆動制御部４３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。
【００３９】
リバーティングバルブ駆動制御部４５は、イグニッションスイッチがオンにされている間、尿素水溶液が貯蔵タンク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。
【００４０】
また、リバーティングバルブ駆動制御部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、尿素水溶液が還元剤噴射弁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。
【００４１】
還元剤噴射弁駆動制御部４７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尿素水溶液の指示噴射量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。
【００４２】
また、還元剤噴射弁駆動制御部４７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尿素水溶液を貯蔵タンク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を開閉制御する指示を、還元剤噴射弁２５の駆動回路に対して出力するように構成されている。
【００４３】
本実施形態においては、還元剤噴射弁駆動制御部４７は、パージ処理中において、還元剤噴射弁２５を開き切った状態、換言すれば、弁体のリフト量が最大となっている状態で保持するのではなく、弁体のリフト量を変化させるようになっている。本実施形態の還元剤供給装置２０に備えられている還元剤噴射弁２５は、通電のオン／オフの切り換えにより開弁／閉弁の切り換えが行われるものであり、従来、パージ処理中には駆動デューティが１００％に設定されている。これに対して、本実施形態においては、パージ処理中の駆動デューティを１００％未満に設定することで、パージ処理中に還元剤噴射弁２５の開閉が行われるようになっている。
【００４４】
パージ処理中に弁体が動くようになっていれば、残留熱等によって尿素水溶液の温度が上昇して、尿素水溶液が凝固しやすくなっている場合であっても、還元剤噴射弁２５が開弁したままで尿素水溶液が凝固することによる開固着異常の発生を防ぐことができる。
【００４５】
弁体のリフト量を変化させるにあたり、還元剤噴射弁２５の駆動デューティの設定値が１００％未満となっていればよいが、パージ処理を早期に終了させるためには、駆動デューティを小さくしすぎることは好ましくない。また、駆動デューティが大きすぎると、弁体が移動しないおそれもある。そのため、弁体のリフト量を変化させる際の駆動デューティを、例えば、５０〜９０％の範囲内に設定することが好ましい。
【００４６】
また、パージ処理中の駆動デューティを１００％未満の値に固定して、パージ処理中に還元剤噴射弁２５の開閉が繰り返し実施されるようになっていてもよいし、パージ処理中に１回あるいは複数回のみ弁体を動かすようにしてもよい。すなわち、パージ処理中の駆動デューティを基本的に１００％に設定した上で、一サイクルのみ、あるいは複数サイクル中の駆動デューティを１００％未満に設定するようにしてもよい。駆動デューティを１００％未満の値に固定するようにした場合には、通電による発熱量を低減することができ、尿素水溶液の加熱を抑えることができる。一方、一サイクルのみ、あるいは複数サイクル中の駆動デューティを１００％未満に設定するように構成することで、パージ処理に要する時間が過度に長くならないようにすることができる。
【００４７】
また、弁体を１回あるいは複数回のみ動かすようにする場合には、例えば、内燃機関１の停止時における排気温度Ｔｇａｓや外気温度Ｔｅｎｖ等の環境条件と、尿素水溶液が凝固し始めるまでの時間との関係をあらかじめ実験等によって求めておき、この情報を参照して駆動デューティを小さくする時期を決定することが好ましい。このようにすれば、尿素水溶液の凝固が生じそうな時期に合わせて弁体を動かすことができ、できるだけ少ない回数の弁体の動きによって尿素水溶液の凝固による開固着異常を防ぐことができる。
【００４８】
ここで、図３（ａ）〜（ｄ）は、内燃機関１の通常の運転状態及びパージ処理時における還元剤噴射弁２５の動作と尿素水溶液の状態とを表した図を示している。
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によって尿素水溶液が還元剤噴射弁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に応じた駆動デューティで通電制御され、尿素水溶液の噴射制御が実施される。
【００４９】
また、図３（ｂ）〜（ｄ）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。まず、図３（ｂ）に示すように、パージ処理の開始時には還元剤噴射弁２５は開弁され、還元剤噴射弁２５の噴孔から排気を吸い込みながら、還元剤供給経路内に残留する尿素水溶液が、ポンプ２３によって貯蔵タンク２１内に回収される。図３（ｂ）においては、還元剤噴射弁２５内に尿素水溶液の一部が残留している様子が示されている。
【００５０】
そして、パージ処理の開始後、所定の時間が経過したときには、図３（ｃ）〜（ｄ）に示すように、ポンプ２３の駆動を継続したままで、還元剤噴射弁２５が一旦閉弁された後に、再び開弁される。そうすると、還元剤噴射弁２５内に残留していた尿素水溶液が凝固しかけていた場合であっても、弁体が動くことによって破砕され、開固着異常の発生を防ぐことができる。また、尿素水溶液が凝固しかけていない場合であっても、特定の箇所に滞留していた尿素水溶液が移動させられて、弁体の周囲で凝固するおそれを低減することができる。
【００５１】
なお、パージ処理の終了後において、破砕された尿素水溶液の結晶が還元剤供給経路内に残っていた場合であっても、小さな結晶であれば、次回の内燃機関１の始動後における尿素水溶液の圧送に与える影響はない。また、それらの結晶は、還元剤供給経路内に尿素水溶液が充填されることによって速やかに融解させられる。
【００５２】
４．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〜図８のフローチャート図に基づいて説明する。このうち、図４のフローチャート図は、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。
【００５３】
まず、図４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、ステップＳ２に進んで、内燃機関１の通常運転状態での尿素水溶液の噴射制御を実施する。
【００５４】
図５は、通常運転状態での尿素水溶液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Ｓ１１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、リバーティングバルブ２４への通電をオフにし、ポンプ２３の駆動を開始する。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。
【００５５】
次いで、ステップＳ１２において、制御処理装置４０は、尿素水溶液の噴射制御を開始する条件が成立したか否かを判別する。ここでは、例えば、第２の還元剤通路３３内の圧力Ｐｕがシステム圧Ｐｓに到達していること、ＮＯX浄化触媒１１の温度が活性化温度に到達していること等が条件とされる。これらの条件が成立するまではステップＳ２２が繰り返され、
【００５６】
そして、尿素水溶液の噴射制御を開始する条件が成立したときにはステップＳ１３に進み、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尿素水溶液の指示噴射量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の駆動デューティを決定して、還元剤噴射弁２５の通電制御が実施される。
【００５７】
図４に戻り、尿素水溶液の噴射制御が開始された後、制御処理装置４０は、ステップＳ３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ステップＳ４に進んで、還元剤供給経路内に残留する尿素水溶液を貯蔵タンク２１内に回収するパージ処理を開始する。
【００５８】
図６は、パージ処理を開始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、リバーティングバルブ２４への通電をオンにして、尿素水溶液が還元剤噴射弁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。次いで、制御処理装置４０は、ステップＳ２２において還元剤噴射弁２５の駆動デューティを１００％にセットして開弁状態で保持する。これによって、還元剤噴射弁２５の噴孔を介して排気が吸い込まれながら、還元剤供給経路内の尿素水溶液が貯蔵タンク２１内に回収される。
【００５９】
図４に戻り、パージ処理が開始された後、制御処理装置４０は、ステップＳ５において還元剤噴射弁２５の弁体のリフト量を変化させる制御を実施する。
【００６０】
図７は、弁体のリフト量を変化させる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Ｓ３１において、制御処理装置４０は、パージ処理を開始してから所定時間が経過したか否かを判別する。このときの所定時間は、例えば、内燃機関１停止時における排気温度Ｔｇａｓや外気温度Ｔｅｎｖ等に基づいてマップを参照して決定される値であって、尿素水溶液の凝固が想定される時間となっている。
【００６１】
所定時間が経過するまではステップＳ３１が繰り返され、所定時間が経過すると、制御処理装置４０は、ステップＳ３２において還元剤噴射弁２５の駆動デューティを減少させるとともに、ステップＳ３３において還元剤噴射弁２５の駆動デューティを１００％に戻した後、ステップＳ３４においてカウンタ値を進める。このステップＳ３２〜ステップＳ３３によって還元剤噴射弁２５の弁体のリフト量が変化させられる。
【００６２】
その後、制御処理装置４０は、ステップＳ３５においてカウンタ値があらかじめ設定された閾値Ｎ０に到達したか否かを判別する。カウンタ値が閾値Ｎ０未満であれば、ステップＳ３２に戻って、弁体のリフト量を再度変化させる。そして、カウンタ値が閾値Ｎ０に到達した場合には、弁体のリフト量を変化させる制御を終了する。
【００６３】
図４に戻り、弁体のリフト量を変化させる制御が終了した後、制御処理装置４０は、ステップＳ６においてパージ処理を終了させる制御を実施する。
【００６４】
図８は、パージ処理を終了させる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Ｓ４１において、制御処理装置４０はパージ処理を終了させる条件が成立したか否かを判別する。パージ処理は、例えば、パージ処理開始からの経過時間が所定時間を経過することによって終了させることができるが、他の条件を設定することもできる。
【００６５】
ステップＳ４１においてパージ処理を終了させる条件が成立したと判別された場合には、ステップＳ４２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への通電を停止する。これによって、パージ処理が終了するとともに、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。
【００６６】
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の停止時に実施されるパージ処理中に、還元剤噴射弁２５の弁体のリフト量が変化させられるために、残留熱等の影響によって尿素水溶液の凝固が生じ始めていたとしても、凝固しかけていた尿素水溶液が破砕され、還元剤噴射弁の開固着異常が発生することを防ぐことができる。
【００６７】
また、弁体のリフト量を変化させながらパージ処理が実施されることで、特定の箇所に尿素水溶液が残留することを防ぐことができるようになり、次回の内燃機関の運転時までに発生する還元剤噴射弁内で尿素水溶液の凝固を低減することができる。
【００６８】
また、パージ処理中に開弁し切った状態で保持されるのではなく、開弁度合いを小さくする制御が行われることから、還元剤噴射弁の制御に要するエネルギー量を少なく抑えることができるとともに、通電に伴う発熱量を低減して、尿素水溶液の加熱を抑えることができる。
【００６９】
さらに、上述した制御方法であれば、尿素水溶液の凝固が生じ得る時期に合わせて弁体を動かすことで、弁体を動かす回数をできるだけ少なくすることができ、パージ処理に要する時間が過度に長くなることを防ぐことができる。
【００７０】
なお、本発明において、液体の還元剤は尿素水溶液に限定されるものではなく、凝固が生じ得る液体の還元剤が用いられる還元剤供給装置であれば、本発明を適用することが可能である。
【符号の説明】
【００７１】
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：ポンプ駆動制御部、４５：リバーティングバルブ駆動制御部、４７：還元剤噴射弁駆動制御部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関から排出される排気の浄化に用いる液体の還元剤を排気管内に噴射するため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（ＮＯX）を除去する排気浄化装置の一態様として、尿素水溶液を排気管内に噴射するための還元剤供給装置と、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を吸着するとともに、流入する排気中のＮＯXを選択的にアンモニアと反応させて還元する還元触媒と備えた尿素ＳＣＲ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）システムが実用化されている。
【０００３】
このような尿素ＳＣＲシステムに用いられる還元剤供給装置は、尿素水溶液を収容する貯蔵タンクと、貯蔵タンク内の尿素水溶液を吸い上げて圧送するポンプと、圧送される尿素水溶液を排気管内に噴射する還元剤噴射弁とを備えている。
【０００４】
ここで、液体の還元剤としての尿素水溶液は、寒冷地においても凍結しないように、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ている。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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１０１５６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、内燃機関の運転中においては排気熱等によって還元剤噴射弁が高温に晒されるおそれがあるために、還元剤供給装置には還元剤噴射弁の冷却手段が備えられ、内燃機関の運転中においては還元剤噴射弁が冷却されるようになっている。しかしながら、内燃機関の停止後には、当該冷却手段の機能が停止する場合が多く、還元剤噴射弁が排気管等の残留熱の影響によって加熱されやすくなる。
【０００７】
そして、パージ処理中には、還元剤噴射弁の噴孔を介して排気が還元剤供給経路内に吸い込まれる状態となっているために、パージ処理中に還元噴射弁が加熱されることによって、還元剤噴射弁内に残留する尿素水溶液が加熱されて溶媒が蒸発しやすくなる。溶媒が蒸発すると、尿素水溶液の濃度が上昇して尿素水溶液の凝固点が徐々に上昇することになる。その結果、パージ処理中であるにもかかわらず、還元剤噴射弁内で尿素水溶液の凝固が生じて、還元剤噴射弁が開弁したまま閉じられなくなる開固着異常が発生するおそれがある。
【０００８】
還元剤噴射弁の開固着異常が発生すると、次回の内燃機関の始動後に尿素水溶液の噴射制御を実施する際に、尿素水溶液の噴射量が指示噴射量よりも多くなってしまったり、尿素水溶液の噴射の指示をしていないにもかかわらず尿素水溶液が排気管内に漏出したりするといった問題が生じ得る。
【０００９】
本発明の発明者はこのような課題に鑑みて、パージ処理中に、還元剤噴射弁の弁体のリフト量を変化させることで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、パージ処理中に還元剤噴射弁内に残留する還元剤が凝固することで生じる還元剤噴射弁の開固着異常を防ぐ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】
【００１０】
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行される還元剤供給装置において、パージ処理中に還元剤噴射弁の弁体のリフト量を変化させ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。
【００１１】
すなわち、本発明の還元剤供給装置によれば、パージ処理中に還元剤噴射弁の弁体のリフト量が変化させられるために、還元剤の凝固が生じ始めていたとしても、凝固しかけていた還元剤が破砕され、還元剤噴射弁の開固着異常が発生することを防ぐことができる。また、弁体のリフト量を変化させながらパージ処理を実施することで、特定の箇所に還元剤が残留することを防ぐことができるようになり、次回の内燃機関の運転時までに発生する還元剤噴射弁内で還元剤の凝固を低減することができる。さらに、パージ処理中に開弁し切った状態で保持されるのではなく、リフト量を小さくする制御が行われることから、通電時に開弁状態となる構成の還元剤噴射弁が用いられる場合においては、還元剤噴射弁の制御に要するエネルギー量を少なく抑えることができる。
【００１２】
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、パージ処理中の弁体のリフト量を基本的に最大で維持するとともに、一回あるいは複数回、リフト量を小さくする制御を実施することが好ましい。
【００１３】
本発明において、パージ処理中における弁体のリフト量を変化させる制御を所定回数のみとすることにより、閉弁時間をできるだけ短くしてパージ処理に要する時間が過度に長くならないようにすることができる。
【００１４】
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、パージ処理中に還元剤の凝固が生じ得る時期に合わせて弁体のリフト量を変化させる制御を実施することが好ましい。
【００１５】
本発明において、特定の時期に弁体のリフト量を変化させるようにすることで、できるだけ少ない回数の弁体の動きによって尿素水溶液の凝固による開固着異常を確実に防ぐことができる。
【００１６】
また、本発明の還元剤供給装置を構成するにあたり、還元剤噴射弁は通電のオンオフのデューティ比を制御することでリフト量が調節されるものであり、制御手段は、パージ処理中のデューティ比を５０〜９０％の範囲に設定することが好ましい。
【００１７】
本発明において、制御手段が、還元剤噴射弁の通電のオンオフのデューティ比を所定範囲にすることで弁体のリフト量を変化させることにより、弁体を確実に移動させつつ、閉弁時間が長くならないようにすることができる。
【００１８】
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。
【００１９】
すなわち、本発明の排気浄化装置によれば、還元剤噴射弁内での還元剤の凝固が抑えられるために、還元剤の噴射量が指示噴射量よりも多くなってしまったり、還元剤の噴射の指示をしていないにもかかわらず還元剤が排気管内に漏出したりするおそれが低減され、大気中への還元剤あるいは還元剤成分の流出を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【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】還元剤噴射弁の動作及び還元剤の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を説明するためのフローチャート図である。
【図５】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６】内燃機関の停止時にパージ処理を開始するための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】パージ処理中に弁体のリフト量を変化させる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】パージ処理を終了するための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。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【００２２】
１．排気浄化装置
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。
【００２３】
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の上流側の排気管３内に液体の還元剤としての尿素水溶液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。
【００２４】
ＮＯX浄化触媒１１は、尿素水溶液中の尿素が分解することで生成されるアンモニアを吸着するとともに、触媒中に流入する排気中のＮＯXとアンモニアとの反応を促進させて浄化する機能を有する触媒である。アンモニア（ＮＨ3）と反応したＮＯXは、窒素（Ｎ2）及び水（Ｈ2Ｏ）に分解されて、ＮＯX浄化触媒１１の下流側に流出する。
【００２５】
２．還元剤供給装置
還元剤供給装置２０は、尿素水溶液を収容する貯蔵タンク２１と、尿素水溶液を圧送するポンプ２３を含むポンプユニット２２と、ポンプ２３により圧送された尿素水溶液を排気管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。
【００２６】
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。
【００２７】
還元剤噴射弁２５は、例えば、通電制御によって開閉制御が行われる電磁弁が用いられる。本実施形態では、通電のオン／オフ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、指示噴射量Ｑｕに応じて一サイクル中のデューティ比（以下、「駆動デューティ」と称する。）が設定されて開弁時間あるいはリフト量が調節されるようになっている。本実施形態において、還元剤噴射弁２５は、排気管３内に直接的に尿素水溶液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における尿素水溶液の流通空間が、本発明における還元剤供給経路を構成している。
【００２８】
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。
【００２９】
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尿素水溶液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。
【００３０】
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、尿素水溶液が貯蔵タンク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尿素水溶液を貯蔵タンク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、尿素水溶液が還元剤噴射弁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。
【００３１】
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側への尿素水溶液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内から尿素水溶液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。
【００３２】
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。
【００３３】
３．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。
【００３４】
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、ポンプ駆動制御部４３と、リバーティングバルブ駆動制御部４５と、還元剤噴射弁駆動制御部４７とを主たる構成要素として備えている。これらの各手段は、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ものとなっている。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
ポンプ駆動制御部４３は、内燃機関１の通常の運転状態においては、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、ポンプ駆動制御部４３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。
【００３８】
また、ポンプ駆動制御部４３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。
【００３９】
リバーティングバルブ駆動制御部４５は、イグニッションスイッチがオンにされている間、尿素水溶液が貯蔵タンク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。
【００４０】
また、リバーティングバルブ駆動制御部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、尿素水溶液が還元剤噴射弁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。
【００４１】
還元剤噴射弁駆動制御部４７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尿素水溶液の指示噴射量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。
【００４２】
また、還元剤噴射弁駆動制御部４７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尿素水溶液を貯蔵タンク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を開閉制御する指示を、還元剤噴射弁２５の駆動回路に対して出力するように構成されている。
【００４３】
本実施形態においては、還元剤噴射弁駆動制御部４７は、パージ処理中において、還元剤噴射弁２５を開き切った状態、換言すれば、弁体のリフト量が最大となっている状態で保持するのではなく、弁体のリフト量を変化させるようになっている。本実施形態の還元剤供給装置２０に備えられている還元剤噴射弁２５は、通電のオン／オフの切り換えにより開弁／閉弁の切り換えが行われるものであり、従来、パージ処理中には駆動デューティが１００％に設定されている。これに対して、本実施形態においては、パージ処理中の駆動デューティを１００％未満に設定することで、パージ処理中に還元剤噴射弁２５の開閉が行われるようになっている。
【００４４】
パージ処理中に弁体が動くようになっていれば、残留熱等によって尿素水溶液の温度が上昇して、尿素水溶液が凝固しやすくなっている場合であっても、還元剤噴射弁２５が開弁したままで尿素水溶液が凝固することによる開固着異常の発生を防ぐことができる。
【００４５】
弁体のリフト量を変化させるにあたり、還元剤噴射弁２５の駆動デューティの設定値が１００％未満となっていればよいが、パージ処理を早期に終了させるためには、駆動デューティを小さくしすぎることは好ましくない。また、駆動デューティが大きすぎると、弁体が移動しないおそれもある。そのため、弁体のリフト量を変化させる際の駆動デューティを、例えば、５０〜９０％の範囲内に設定することが好ましい。
【００４６】
また、パージ処理中の駆動デューティを１００％未満の値に固定して、パージ処理中に還元剤噴射弁２５の開閉が繰り返し実施されるようになっていてもよいし、パージ処理中に１回あるいは複数回のみ弁体を動かすようにしてもよい。すなわち、パージ処理中の駆動デューティを基本的に１００％に設定した上で、一サイクルのみ、あるいは複数サイクル中の駆動デューティを１００％未満に設定するようにしてもよい。駆動デューティを１００％未満の値に固定するようにした場合には、通電による発熱量を低減することができ、尿素水溶液の加熱を抑えることができる。一方、一サイクルのみ、あるいは複数サイクル中の駆動デューティを１００％未満に設定するように構成することで、パージ処理に要する時間が過度に長くならないようにすることができる。
【００４７】
また、弁体を１回あるいは複数回のみ動かすようにする場合には、例えば、内燃機関１の停止時における排気温度Ｔｇａｓや外気温度Ｔｅｎｖ等の環境条件と、尿素水溶液が凝固し始めるまでの時間との関係をあらかじめ実験等によって求めておき、この情報を参照して駆動デューティを小さくする時期を決定することが好ましい。このようにすれば、尿素水溶液の凝固が生じそうな時期に合わせて弁体を動かすことができ、できるだけ少ない回数の弁体の動きによって尿素水溶液の凝固による開固着異常を防ぐことができる。
【００４８】
ここで、図３（ａ）〜（ｄ）は、内燃機関１の通常の運転状態及びパージ処理時における還元剤噴射弁２５の動作と尿素水溶液の状態とを表した図を示している。
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によって尿素水溶液が還元剤噴射弁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に応じた駆動デューティで通電制御され、尿素水溶液の噴射制御が実施される。
【００４９】
また、図３（ｂ）〜（ｄ）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。まず、図３（ｂ）に示すように、パージ処理の開始時には還元剤噴射弁２５は開弁され、還元剤噴射弁２５の噴孔から排気を吸い込みながら、還元剤供給経路内に残留する尿素水溶液が、ポンプ２３によって貯蔵タンク２１内に回収される。図３（ｂ）においては、還元剤噴射弁２５内に尿素水溶液の一部が残留している様子が示されている。
【００５０】
そして、パージ処理の開始後、所定の時間が経過したときには、図３（ｃ）〜（ｄ）に示すように、ポンプ２３の駆動を継続したままで、還元剤噴射弁２５が一旦閉弁された後に、再び開弁される。そうすると、還元剤噴射弁２５内に残留していた尿素水溶液が凝固しかけていた場合であっても、弁体が動くことによって破砕され、開固着異常の発生を防ぐことができる。また、尿素水溶液が凝固しかけていない場合であっても、特定の箇所に滞留していた尿素水溶液が移動させられて、弁体の周囲で凝固するおそれを低減することができる。
【００５１】
なお、パージ処理の終了後において、破砕された尿素水溶液の結晶が還元剤供給経路内に残っていた場合であっても、小さな結晶であれば、次回の内燃機関１の始動後における尿素水溶液の圧送に与える影響はない。また、それらの結晶は、還元剤供給経路内に尿素水溶液が充填されることによって速やかに融解させられる。
【００５２】
４．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〜図８のフローチャート図に基づいて説明する。このうち、図４のフローチャート図は、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。
【００５３】
まず、図４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、ステップＳ２に進んで、内燃機関１の通常運転状態での尿素水溶液の噴射制御を実施する。
【００５４】
図５は、通常運転状態での尿素水溶液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Ｓ１１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、リバーティングバルブ２４への通電をオフにし、ポンプ２３の駆動を開始する。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。
【００５５】
次いで、ステップＳ１２において、制御処理装置４０は、尿素水溶液の噴射制御を開始する条件が成立したか否かを判別する。ここでは、例えば、第２の還元剤通路３３内の圧力Ｐｕがシステム圧Ｐｓに到達していること、ＮＯX浄化触媒１１の温度が活性化温度に到達していること等が条件とされる。これらの条件が成立するまではステップＳ２２が繰り返され、
【００５６】
そして、尿素水溶液の噴射制御を開始する条件が成立したときにはステップＳ１３に進み、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尿素水溶液の指示噴射量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の駆動デューティを決定して、還元剤噴射弁２５の通電制御が実施される。
【００５７】
図４に戻り、尿素水溶液の噴射制御が開始された後、制御処理装置４０は、ステップＳ３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ステップＳ４に進んで、還元剤供給経路内に残留する尿素水溶液を貯蔵タンク２１内に回収するパージ処理を開始する。
【００５８】
図６は、パージ処理を開始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、リバーティングバルブ２４への通電をオンにして、尿素水溶液が還元剤噴射弁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。次いで、制御処理装置４０は、ステップＳ２２において還元剤噴射弁２５の駆動デューティを１００％にセットして開弁状態で保持する。これによって、還元剤噴射弁２５の噴孔を介して排気が吸い込まれながら、還元剤供給経路内の尿素水溶液が貯蔵タンク２１内に回収される。
【００５９】
図４に戻り、パージ処理が開始された後、制御処理装置４０は、ステップＳ５において還元剤噴射弁２５の弁体のリフト量を変化させる制御を実施する。
【００６０】
図７は、弁体のリフト量を変化させる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Ｓ３１において、制御処理装置４０は、パージ処理を開始してから所定時間が経過したか否かを判別する。このときの所定時間は、例えば、内燃機関１停止時における排気温度Ｔｇａｓや外気温度Ｔｅｎｖ等に基づいてマップを参照して決定される値であって、尿素水溶液の凝固が想定される時間となっている。
【００６１】
所定時間が経過するまではステップＳ３１が繰り返され、所定時間が経過すると、制御処理装置４０は、ステップＳ３２において還元剤噴射弁２５の駆動デューティを減少させるとともに、ステップＳ３３において還元剤噴射弁２５の駆動デューティを１００％に戻した後、ステップＳ３４においてカウンタ値を進める。このステップＳ３２〜ステップＳ３３によって還元剤噴射弁２５の弁体のリフト量が変化させられる。
【００６２】
その後、制御処理装置４０は、ステップＳ３５においてカウンタ値があらかじめ設定された閾値Ｎ０に到達したか否かを判別する。カウンタ値が閾値Ｎ０未満であれば、ステップＳ３２に戻って、弁体のリフト量を再度変化させる。そして、カウンタ値が閾値Ｎ０に到達した場合には、弁体のリフト量を変化させる制御を終了する。
【００６３】
図４に戻り、弁体のリフト量を変化させる制御が終了した後、制御処理装置４０は、ステップＳ６においてパージ処理を終了させる制御を実施する。
【００６４】
図８は、パージ処理を終了させる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Ｓ４１において、制御処理装置４０はパージ処理を終了させる条件が成立したか否かを判別する。パージ処理は、例えば、パージ処理開始からの経過時間が所定時間を経過することによって終了させることができるが、他の条件を設定することもできる。
【００６５】
ステップＳ４１においてパージ処理を終了させる条件が成立したと判別された場合には、ステップＳ４２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への通電を停止する。これによって、パージ処理が終了するとともに、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。
【００６６】
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の停止時に実施されるパージ処理中に、還元剤噴射弁２５の弁体のリフト量が変化させられるために、残留熱等の影響によって尿素水溶液の凝固が生じ始めていたとしても、凝固しかけていた尿素水溶液が破砕され、還元剤噴射弁の開固着異常が発生することを防ぐことができる。
【００６７】
また、弁体のリフト量を変化させながらパージ処理が実施されることで、特定の箇所に尿素水溶液が残留することを防ぐことができるようになり、次回の内燃機関の運転時までに発生する還元剤噴射弁内で尿素水溶液の凝固を低減することができる。
【００６８】
また、パージ処理中に開弁し切った状態で保持されるのではなく、開弁度合いを小さくする制御が行われることから、還元剤噴射弁の制御に要するエネルギー量を少なく抑えることができるとともに、通電に伴う発熱量を低減して、尿素水溶液の加熱を抑えることができる。
【００６９】
さらに、上述した制御方法であれば、尿素水溶液の凝固が生じ得る時期に合わせて弁体を動かすことで、弁体を動かす回数をできるだけ少なくすることができ、パージ処理に要する時間が過度に長くなることを防ぐことができる。
【００７０】
なお、本発明において、液体の還元剤は尿素水溶液に限定されるものではなく、凝固が生じ得る液体の還元剤が用いられる還元剤供給装置であれば、本発明を適用することが可能である。
【符号の説明】
【００７１】
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：ポンプ駆動制御部、４５：リバーティングバルブ駆動制御部、４７：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、還元剤供給経路内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、
前記パージ処理中に前記還元剤噴射弁の弁体のリフト量を変化させる制御手段を備える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、前記パージ処理中の前記弁体のリフト量を基本的に最大で維持するとともに、一回あるいは複数回、前記リフト量を小さくする制御を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、前記パージ処理中に前記還元剤の凝固が生じ得る時期に合わせて前記弁体のリフト量を変化させる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】
前記還元剤噴射弁は通電のオンオフのデューティ比を制御することで開弁時間が調節されるものであり、前記制御手段は、前記パージ処理中の前記デューティ比を５０〜９０％の範囲に設定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された還元剤供給装置と、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、還元剤供給経路内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、
前記パージ処理中に前記還元剤噴射弁の弁体のリフト量を変化させる制御手段を備える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、前記パージ処理中の前記弁体のリフト量を基本的に最大で維持するとともに、一回あるいは複数回、前記リフト量を小さくする制御を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、前記パージ処理中に前記還元剤の凝固が生じ得る時期に合わせて前記弁体のリフト量を変化させる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】
前記還元剤噴射弁は通電のオンオフのデューティ比を制御することで開弁時間が調節されるものであり、前記制御手段は、前記パージ処理中の前記デューティ比を５０〜９０％の範囲に設定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された還元剤供給装置と、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２０１２−１２７３０８（Ｐ２０１２−１２７３０８Ａ）
【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２０１０−２８１１５０（Ｐ２０１０−２８１１５０）
【出願日】平成２２年１２月１７日（２０１０．１２．１７）
【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１７日（２０１０．１２．１７）
【出願人】（０００００３３３３）ボッシュ株式会社 (510)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]