JP2004211635A - エンジンの排気浄化装置および排気浄化方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】エンジンの排気通路に設置したＮＯｘ触媒へ還元剤を供給するのに用いる還元剤供給インジェクタにつき、還元剤を噴射する噴射口のつまり防止を低コストで実現するのに有効な技術を提供する。
【解決手段】エンジン１００の排気通路４１に設けられたＮＯｘ触媒４３へ還元剤としての燃料を供給するインジェクタユニット６０につき、過給機５０によって過給された過給空気をインジェクタ本体６１へ導入することでこのインジェクタ本体６１の冷却に用いる。このとき、エンジン回転数および燃料噴射量を用いて排気温度を算出し、算出したこの排気温度に基づいてＶＳＶ６３を制御し、過給空気による冷却能力を切り換える構成とする。これにより、排気温度を測定する温度センサ等を設置する必要がなく、インジェクタ本体６１の噴射口のつまり防止を低コストで実現することが可能となる。
【選択図】 図１
【解決手段】エンジン１００の排気通路４１に設けられたＮＯｘ触媒４３へ還元剤としての燃料を供給するインジェクタユニット６０につき、過給機５０によって過給された過給空気をインジェクタ本体６１へ導入することでこのインジェクタ本体６１の冷却に用いる。このとき、エンジン回転数および燃料噴射量を用いて排気温度を算出し、算出したこの排気温度に基づいてＶＳＶ６３を制御し、過給空気による冷却能力を切り換える構成とする。これにより、排気温度を測定する温度センサ等を設置する必要がなく、インジェクタ本体６１の噴射口のつまり防止を低コストで実現することが可能となる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンから排出される排気ガスの排気浄化装置に係り、詳しくは排気浄化装置を構成するＮＯｘ触媒へ還元剤を供給する還元剤供給インジェクタの冷却技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えばディーゼルエンジンから排出される排気ガスを浄化処理するために、エンジンの排気通路にＮＯｘ触媒を設置した構成のものが知られている。この技術では、ＮＯｘ触媒の上流に、還元剤としての燃料（例えば、軽油）を供給する還元剤供給インジェクタが設置されている。そして、インジェクタ本体の先端部分に設けられた噴射口から排気通路内へ所定量の燃料（還元剤）が噴射されるようになっている。これにより、ＮＯｘ触媒に吸収されたＮＯｘは、噴射口から噴射された燃料によって還元処理される。ところで、このような還元剤供給インジェクタでは、インジェクタ本体の先端部分が高温の排気ガスに曝されるため、熱せられた燃料の炭化等によって噴射口につまりを生じる場合がある。このような場合には、ＮＯｘ触媒へ適切な量の燃料を供給するのが難しくなるという問題がある。
そこで、従来、インジェクタ本体の先端部分の噴射口のつまりを防止するために種々の技術が提案されている。例えば、インジェクタ本体に冷却水を通すことによって、インジェクタ本体が噴射口のつまりを発生し難い温度となるように冷却する技術が公知である（例えば、特許文献１参照。）。この特許文献１に記載の技術では、インジェクタ本体に設置された温度センサによってインジェクタ本体の温度を検出し、この検出温度に基づいて冷却水量を制御する構成が用いられている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−９６２１２号公報（図１〜図６）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、インジェクタ本体を冷却するのに専用の温度センサを用いた上記従来技術では、温度センサの設置コストがかかるという問題がある。また、インジェクタ本体に冷却水を通す構成では、温度センサ自体が冷却水の影響を受け易く、この温度センサによって検出された情報を用いて適切な冷却制御を行うのには限界がある。なお、燃料の噴射圧を高めることで噴射口のつまりを防止する構成も考えられるが、このためには燃料供給系を高圧化させる必要がありやはりコストアップとなる。
そこで本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、エンジンの排気通路に設置したＮＯｘ触媒へ還元剤を供給するのに用いる還元剤供給インジェクタにつき、還元剤を噴射する噴射口のつまり防止を低コストで実現するのに有効な技術を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明のエンジンの排気浄化装置は、請求項１〜４に記載のように構成される。また、本発明のエンジンの排気浄化方法としては、請求項５〜８に記載のような方法がある。これら各請求項に係る発明は、例えばディーゼルエンジンの排気通路に配置される還元剤供給インジェクタの冷却技術に好適に適用され得る。
【０００６】
〔請求項１に記載の発明〕
請求項１に記載したエンジンの排気浄化装置は、ＮＯｘ触媒、還元剤供給インジェクタ、冷却手段、制御手段等によって構成される。
ＮＯｘ触媒は、エンジンから排出された排気ガス中のＮＯｘを吸収し、吸収したこのＮＯｘを還元剤の作用によって還元する機能を有する。このＮＯｘ触媒は、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）にアルカリ金属、アルカリ土類、希土類と、貴金属等が担持された構成を有する。還元剤供給インジェクタは、ＮＯｘ触媒へ還元剤を供給する機能を有するものであり、排気通路においてＮＯｘ触媒の上流に配置される。この還元剤供給インジェクタは、例えばインジェクタ本体の先端部分に形成された噴射口を備え、この噴射口から噴射された還元剤がその下流のＮＯｘ触媒に供給されることとなる。還元剤としては、燃料（例えば、軽油）、尿素系添加剤など用いることができる。エンジンで使用する燃料を還元剤として用いる場合、専用の還元剤を別途準備する必要がないため合理的である。
冷却手段は、還元剤供給インジェクタのインジェクタ本体を冷却する機能を有する。この冷却手段としては、インジェクタ本体の内部に冷媒（冷却媒体）を流通させる冷媒流通路を設ける構成や、吸熱機能を有する装置をインジェクタ本体に埋設ないし接触させる構成などがある。例えば、インジェクタ本体の内部の冷媒流通路に冷媒を流通させる構成の場合、空気、冷却水、油などを冷媒として用いることができる。とりわけ、インジェクタ本体の先端部分に冷媒流通路や吸熱機能を有する装置を設けることで、還元剤噴射用の噴射口を特に効果的に冷却することが可能となる。
制御手段は、エンジンに関する運転情報を用いて排気温度を算出し、算出したこの排気温度に基づいて冷却手段の冷却能力を制御する機能を有する。ここでいう冷却能力とは、実質的にはインジェクタ本体と冷却手段との間の熱交換量をいう。また、エンジンの運転情報とは、エンジン回転数、燃焼室への燃料噴射量、またその他排気温度と相関のあるエンジン負荷等に関与する各種の情報を広く含むものである。これらの運転情報は排気温度と相関を有しており、予めその相関を求めておくことで運転情報から排気温度を算出することができる。なお、この排気温度は、必要に応じて温度および圧力による補正を行うのが好ましい。運転情報から排気温度を算出した結果、例えばインジェクタ本体の冷却が必要と判断した場合に冷却手段による冷却を開始し、冷却が不要と判断した場合に冷却手段による冷却を停止する。これにより、必要なときにだけインジェクタ本体の冷却を行うため合理的である。また、例えばインジェクタ本体の冷却状況に応じて冷却手段による冷却能力を可変とする構成を用いてもよい。これらの制御により、運転状態に見合った噴射口の冷却が可能となり、噴射口のつまりの発生を安定的に防止することができる。しかも、本発明では、運転情報から算出した排気温度を用いて冷却制御を行うため、排気温度を直接的に検出する温度センサ等を必要とせず、低コストでの対応が可能となる。
以上のように請求項１に記載の発明によれば、還元剤を噴射する噴射口のつまり防止を低コストで実現することが可能となる。とりわけ、排気温度が高温になるエンジンにおいても、還元剤供給インジェクタによる安定した還元剤の供給を行うことが可能となる。
【０００７】
〔請求項２に記載の発明〕
ここで、請求項１に記載の制御手段は、請求項２に記載のように運転情報としてエンジン回転数および燃料噴射量を用いる構成であるのが好ましい。すなわち、本発明ではエンジン回転数および燃料噴射量から排気温度を算出する。エンジンの通常の運転状態では、とりわけこれらの運転情報と排気温度とが強い相関を有しており、排気温度をエンジン回転数と燃料噴射量の２次元マップによって推定することができる。
従って、請求項２に記載の発明によれば、エンジン回転数および燃料噴射量を用いて排気温度を算出することで、インジェクタ本体の実用的な冷却が可能となる。なお、エンジン回転数および燃料噴射量を用いて算出した排気温度を、更に外気温度、水温、大気圧等に用いて補正することが好ましい。これにより、より正確な排気温度の算出が可能となる。これら外気温度、水温、大気圧等の検出は、エンジンに既存のセンサを用いて行うことができる。
【０００８】
〔請求項３に記載の発明〕
また、請求項３に記載のエンジンの排気浄化装置では、冷却手段が冷媒流通路、流量調節手段等によって構成されている。冷媒流通路は、インジェクタ本体の内部に冷媒を流通させる通路である。この冷媒流通路は、極力噴射口に近い位置に設けるのが好ましい。流量調節手段は、冷媒流通路を流れる冷媒の流量を調節する機能を有する。この流量調節手段としては、冷媒の流路を全開と全閉とに切り換える切換弁、冷媒の流路面積が無段階で可変となるように調節する調節弁等を用いることができる。この流量調節手段を用いて冷媒流通路を流れる冷媒の流量を調節することで、インジェクタ本体の冷却能力（インジェクタ本体と冷媒との間の熱交換量）を調節することが可能となる。
以上のように請求項３に記載の発明によれば、簡単な構成によってインジェクタ本体の冷却能力を調節することができる。
【０００９】
〔請求項４に記載の発明〕
また、請求項４に記載のエンジンの排気浄化装置では、エンジンに搭載された過給手段を、冷媒流通路を流れる冷媒の供給源として用いる。すなわち、過給手段によって過給された過給空気を冷媒として用いる。例えば、エンジンの吸気通路から導出した過給空気を、流量調節手段を介して冷媒流通路へ導入する構成とする。これにより、流量調節手段を用いて過給空気の流量を調節することで、インジェクタ本体の冷却能力を調節することが可能となる。この過給手段としては、排気過給式の過給機、スーパーチャージャー、電気式ターボ等を用いることができる。
以上のように請求項４に記載の発明によれば、インジェクタ本体の冷却を過給された空気を用いて効率的に行うことが可能となる。とりわけ、エンジンに既存の過給機によって過給された空気を用いることで合理的な構成を実現することができる。
【００１０】
〔請求項５に記載の発明〕
ＮＯｘ触媒を用いる排気浄化装置では、還元剤供給インジェクタからＮＯｘ触媒へ還元剤を供給することでＮＯｘ触媒に吸収されたＮＯｘを還元処理する。
請求項５に記載したエンジンの排気浄化方法は、この還元処理に際し、冷却手段を用いて還元剤供給インジェクタのインジェクタ本体を冷却する。例えば、インジェクタ本体の内部に冷媒（冷却媒体）を流通させたり、吸熱機能を有する装置をインジェクタ本体に埋設ないし接触させることでインジェクタ本体を冷却することができる。インジェクタ本体の内部の冷媒流通路に冷媒を流通させる場合、空気、冷却水、油などを冷媒として用いることができる。とりわけ、インジェクタ本体の先端部分に冷媒流通路や吸熱機能を有する装置を設けることで、還元剤噴射用の噴射口を特に効果的に冷却することが可能となる。
本発明では、エンジンに関する運転情報を用いて排気温度を算出し、算出したこの排気温度に基づいて冷却手段の冷却能力を制御する方法を用いる。ここでいうエンジンの運転情報とは、エンジン回転数、燃焼室への燃料噴射量、またその他エンジンの負荷等に関与する各種の情報を広く含むものである。これらの運転情報は排気温度と相関を有しており、予めその相関を求めておくことで運転情報から排気温度を算出することができる。なお、この排気温度は、必要に応じて温度および圧力による補正を行うのが好ましい。運転情報から排気温度を算出した結果、例えばインジェクタ本体の冷却が必要と判断した場合に冷却手段による冷却を開始し、冷却が不要と判断した場合に冷却手段による冷却を停止する。これにより、必要なときにだけインジェクタ本体の冷却を行うため合理的である。また、例えばインジェクタ本体の冷却状況に応じて冷却手段による冷却能力を可変とする構成を用いてもよい。これらの制御により、運転状態に見合った噴射口の冷却が可能となり、噴射口のつまりの発生を安定的に防止することができる。しかも、本発明では、運転情報から算出した排気温度を用いて冷却制御を行うため、排気温度を直接的に検出するセンサ等を必要とせず、低コストでの対応が可能となる。
以上のように請求項５に記載の発明によれば、還元剤を噴射する噴射口のつまり防止を低コストで実現することが可能となる。とりわけ、排気温度が高温になるエンジンでも安定した還元剤の添加を行うことが可能となる。
【００１１】
〔請求項６に記載の発明〕
ここで、請求項５に記載のエンジンの排気浄化方法では、請求項６に記載のように運転情報としてエンジン回転数および燃料噴射量を用いるのが好ましい。すなわち、本発明ではエンジン回転数および燃料噴射量から排気温度を算出する。エンジンの通常の運転状態では、とりわけこれらの運転情報と排気温度とが強い相関を有しており、排気温度をエンジン回転数と燃料噴射量の２次元マップによって推定することができる。
従って、請求項６に記載の発明によれば、エンジン回転数および燃料噴射量を用いて排気温度を算出することで、インジェクタ本体の実用的な冷却が可能となる。なお、エンジン回転数および燃料噴射量を用いて算出した排気温度を、更に外気温度、水温、大気圧等に用いて補正することが好ましい。これにより、より正確な排気温度の算出が可能となる。これら外気温度、水温、大気圧等の検出は、エンジンに既存のセンサを用いて行うことができる。
【００１２】
〔請求項７に記載の発明〕
また、請求項７に記載のエンジンの排気浄化方法では、インジェクタ本体の内部の冷媒流通路に冷媒を流通させ、この冷媒流通路を流れる冷媒の流量を調節することでインジェクタ本体の冷却能力を調節する。冷媒流通路は、極力噴射口に近い位置に設けるのが好ましい。冷媒流通路を流れる冷媒の流量を調節することで、インジェクタ本体の冷却能力（インジェクタ本体と冷媒との間の熱交換量）を調節することが可能となる。
以上のように請求項７に記載の発明によれば、簡便にインジェクタ本体の冷却能力を調節することができる。
【００１３】
〔請求項８に記載の発明〕
また、請求項８に記載のエンジンの排気浄化方法では、エンジンに搭載された過給手段によって過給された過給空気を、インジェクタ本体を冷却する冷媒として用いる。エンジンの吸気通路から導出した過給空気を、流量調節手段を介して冷媒流通路へ導入することで、インジェクタ本体の冷却能力を調節することが可能となる。この過給手段としては、排気過給式の過給機、スーパーチャージャー、電気式ターボ等を用いることができる。
以上のように請求項８に記載の発明によれば、インジェクタ本体の冷却を過給された空気を用いて効率的に行うことが可能となる。とりわけ、エンジンに既存の過給機によって過給された空気を用いることで合理的な方法を実現することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の一実施の形態を図１〜図３を用いて説明する。なお、本実施の形態は本発明を過給機（ターボチャージャー）付きのディーゼルエンジンに適用したものである。ここで、図１は本実施の形態のエンジン１００の構成を模式的に示す図である。図２は図１中のインジェクタユニット６０の部分断面図である。図３はインジェクタユニット６０における冷却制御のフローチャートである。
【００１５】
図１に示すように、本実施の形態のエンジン１００は、エンジン本体１０、燃料供給系２０、吸気系３０、排気系４０、過給機５０、インジェクタユニット６０、ＥＧＲユニット７０、ＥＣＵ（制御部）８０等を主要部として構成される直列４気筒のディーゼルエンジンである。このうち、インジェクタユニット６０、ＥＣＵ８０等によって本発明における排気浄化装置が構成されている。
【００１６】
過給機（ターボチャージャー）５０は、排気過給式の既知の構成のものであり、シャフト５１を介して連結された２つのタービンホイール５２，５３を備える。一方のタービンホイール５２は吸気系３０の吸気通路３１に配置された吸気側タービンホイールであり、他方のタービンホイール５３は排気系４０の排気通路４１に配置された排気側タービンホイールである。このような過給機５０の構成により、排気通路４１を流れる排気ガスの排気流（排気圧）を利用してタービンホイール５３を回転させ、タービンホイール５２によって吸気通路３１を流れる吸入空気（吸気）の圧力を高めるという過給を行う。従って、吸気通路３１のタービンホイール５２下流には過給空気が流れることとなる。この過給機５０が、本発明における過給手段に対応している。
【００１７】
エンジン本体１０には、複数（本実施の形態では４つ）の燃焼室１１が形成されている。また、エンジン本体１０には、エンジン回転数を検出する回転数センサ１２、シリンダヘッドの温度を検出する温度センサ１３等が設置されている。温度センサ１３は、実質的にはエンジン本体１０における冷却水の水温を測定する水温センサとして用いられる。
【００１８】
燃料供給系２０は、燃料タンク、燃料ポンプ等からなる燃料供給装置２１を備え、この燃料供給装置２１から供給された燃料（例えば、軽油）は、第１の燃料供給通路２２、燃料噴射弁２３を通じて各燃焼室１１内へ噴射される構成になっている。また、燃料供給装置２１から供給された燃料は、第２の燃料供給通路２４を通じて後述するインジェクタユニット６０へ供給される構成になっている。
【００１９】
吸気系３０には、各燃焼室１１へ供給される吸入空気の通路（吸気通路３１）が設けられている。この吸気通路３１には、温度センサ３２、圧力センサ３３、エアクリーナー３４、インタークーラー３５、スロットル弁３６等が設けられている。温度センサ３２は、エアクリーナー３４上流の温度を外気温として検出する。圧力センサ３３は、エアクリーナー３４上流の圧力を大気圧として検出する。エアクリーナー３４は、吸入空気をフィルター処理する機能を有する。インタークーラー３５は、過給機５０による過給によって温度上昇した吸入空気を強制的に冷却する機能を有する。スロットル弁３６は、例えば電子制御式の開閉弁であり、所定の条件下において吸入空気の流路面積を絞ることで、吸入空気の供給量を調節する機能を有する。
【００２０】
排気系４０には、排気通路４１においてタービンホイール５３の下流に触媒ケーシング４２が設けられている。この触媒ケーシング４２にＮＯｘ触媒４３が収容されている。このＮＯｘ触媒４３は、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を担体とし、この担体上に例えばカリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、セシウム（Ｃｓ）のようなアルカリ金属、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）のようなアルカリ土類、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）のような希土類と、白金（Ｐｔ）のような貴金属とが担持されることによって構成される。このＮＯｘ触媒４３は、排気ガス中に多量の酸素が存在している状態においてはＮＯｘを吸収し、排気ガス中の酸素濃度が低く且つ還元成分（例えば、燃料中の未燃成分（ＨＣ））が多量に存在している状態においてはＮＯｘをＮＯ２やＮＯに還元して放出する。このＮＯ２やＮＯは、排気ガス中のＨＣやＣＯと速やかに反応することでさらに還元されてＮ２となる。
【００２１】
インジェクタユニット６０は、各燃焼室１１から排出された排気ガスが合流した後の排気ポート４１ａに設置されている。このインジェクタユニット６０が、本発明における還元剤供給インジェクタに対応している。このインジェクタユニット６０は、インジェクタ本体６１、吸気導出管６２、この吸気導出管６２に設けられた冷却用のＶＳＶ（Ｖａｃｕｕｍ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｖａｌｖｅ）６３等によって構成されている。吸気導出管６２は、吸気通路３１とインジェクタ本体６１とを接続する配管であり、吸気通路３１から導出した過給空気をインジェクタ本体６１へ導入する機能を有する。また、前記燃料供給系２０の第２の燃料供給通路２４を通じてインジェクタ本体６１に燃料が供給されるようになっている。この燃料は、ＮＯｘ触媒４３のための還元剤として使用される。ＶＳＶ６３は、オン・オフ式の制御弁であり、過給空気の流路を全開状態ないし全閉状態に設定可能になっている。従って、ＶＳＶ６３の開放動作（ＯＮ動作）によって過給空気の流路が全開状態となる一方、ＶＳＶ６３の閉止動作（ＯＦＦ動作）によって過給空気の流路が全閉状態となる。
【００２２】
ここで、インジェクタ本体６１の内部の構造を図２を参照しながら説明する。図２に示すように、インジェクタ本体６１はガスケット６８を介して排気ポート４１ａに取り付けられている。このインジェクタ本体６１の内部には、燃料流通路６５および空気流通路６７が形成され、また電磁弁６４が設置されている。燃料流通路６５は、導入口６５ａから導入した燃料を流通させ、インジェクタ本体６１の先端部６６に形成された噴射口６６ａまで誘導する通路である。この燃料が本発明における還元剤に対応している。空気流通路６７は、導入口６７ａから導入した過給空気（本発明における冷媒）を流通させ、排出口６７ｂから排気する通路である。この空気流通路６７が、本発明における冷媒流通路に対応しており、吸気導出管６２、ＶＳＶ６３、空気流通路６７、過給空気等によって本発明における冷却手段が構成されている。電磁弁６４は、ソレノイドコイル６４ａからの磁力によって弁体６４ｂを開弁方向ないし閉弁方向へ移動させて燃料流通路６５の開閉動作を行う機能を有する。
【００２３】
なお、電磁弁６４は、排気ガスの性状の検出結果に基づいて燃料の供給が必要であると判定され、且つ燃料の添加条件（例えば、排気ガスの温度、圧力が所定条件に達している）が整っていると判定された場合に開放動作される。これにより、噴射口６６ａから噴射された燃料が還元剤としてＮＯｘ触媒４３に供給され、この燃料中の未燃成分（ＨＣ）がＮＯｘ触媒４３に吸収されたＮＯｘ成分をＮＯ２やＮＯに、さらにはＮ２に還元することとなる。而して、ＮＯｘ触媒４３に吸収されたＮＯｘ成分が浄化されて排気され、ＮＯｘ触媒４３のＮＯｘ吸収能力が復活する。
【００２４】
図１に戻って、ＥＧＲ（イグゾースト・ガス・リサイキュレーション）ユニット７０は、燃焼室１１の上流（吸気側）と下流（排気側）とを接続する排気還流通路７１を備える。この排気還流通路７１は、排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気系へ再循環させる機能を有する。この排気還流通路７１には、ＥＧＲクーラー７２、ＥＧＲバルブ７３等が配置されている。ＥＧＲクーラー７２は、排気還流通路７１を流れる高温のＥＧＲガスの冷却を行う。ＥＧＲバルブ７３は、排気還流通路７１を流れるＥＧＲガスの流量を調整する機能を有する。
【００２５】
ＥＣＵ（制御部）８０は、既知の構成のＣＰＵ、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、バックアップＲＡＭ、タイマーカウンタ等を備えている（いずれも図示省略）。このＥＣＵ８０は、回転数センサ１２、温度センサ１３、燃料供給装置２１、温度センサ３２、圧力センサ３３、スロットル弁３６、電磁弁６４、ＶＳＶ６３、ＥＧＲバルブ７３等と電気的に接続されており、検出信号あるいは制御信号を伝達可能になっている。このＥＣＵ８０が、本発明における制御手段に対応している。
【００２６】
次に、インジェクタユニット６０における冷却制御を説明する。なお、この冷却制御はＥＣＵ（制御部）８０を用いて行う。
本実施の形態の冷却制御では、エンジン１００に関する運転情報（エンジン回転数、燃料噴射量等）を用いて排気温度を算出し、算出したこの排気温度に基づいてＶＳＶ６３の作動を切替える。具体的には、算出した排気温度が所定の条件範囲にある場合にＶＳＶ６３をオン状態に設定して吸気導出管６２と吸気通路３１とを連通させ、空気流通路６７に過給空気を導入し流通させることでインジェクタ本体６１の冷却を行う。すなわち、空気流通路６７を流通する過給空気とインジェクタ本体６１との間の熱交換量が増大し、冷却能力が上がることによりインジェクタ本体６１が冷却されることとなる。それ以外の条件では、ＶＳＶ６３をオフ状態に設定して吸気導出管６２と空気流通路６７とを遮断し空気流通路６７への過給空気の導入を停止する。これにより、空気流通路６７を流通する過給空気とインジェクタ本体６１との間の熱交換量が低下し冷却能力が下がる。このように過給空気の流量を切り換えることでインジェクタ本体６１の冷却能力を調節する。
【００２７】
インジェクタ本体６１の先端部６６の温度は、排気温度に対し強い相関をもっていることが判っており、従って排気温度を用いることで先端部６６の温度が噴射口６６ａの詰まりを生じやすい条件下にあるか否かを間接的に判定することができる。なお、本実施の形態では、この排気温度をエンジン１００に関する運転情報（エンジン回転数、燃料噴射量等）を用いて推定するようになっている。これにより、冷却制御専用の温度センサ等を新たに設置する必要がなく、コスト低減を図ることができる。
【００２８】
以下、インジェクタユニット６０における冷却制御の具体例を図３に示すフローチャートにしたがって説明する。
まず、図３中のステップＳ１０によってそのときのエンジン回転数ｎを算出する。このエンジン回転数ｎは、回転数センサ１２によって検出された検出情報を用いて導出される。また、ステップＳ１２によって燃焼室１１へ噴射されている、あるいは噴射される燃料噴射量ｑを算出する。この燃料噴射量ｑは、燃料供給装置２１からの情報を用いて導出される。
【００２９】
ステップＳ１４では、ステップＳ１０，Ｓ１２において算出したエンジン回転数ｎおよび燃料噴射量ｑを所定関数ｆに導入することによって基本排気温度ＴＡを算出する。これは、通常の運転状態では排気温度がエンジン回転数ｎと燃料噴射量ｑの２次元マップによって推定することができることを利用したものである。なお、所定関数ｆは、予め実施するテストや解析等によって定めることができる。
【００３０】
ステップＳ１６〜Ｓ２０では、水温ＴＷ、外気温度ＴＢおよび大気圧ＰＡの算出を行う。水温ＴＷは、シリンダヘッドに設置された温度センサ１３によって検出された検出情報を用いて導出される。外気温度ＴＢは、エアクリーナー３４上流に設置された温度センサ３２によって検出された検出情報を用いて導出される。大気圧ＰＡは、エアクリーナー３４上流に設置された圧力センサ３３によって検出された検出情報を用いて導出される。
【００３１】
ステップＳ２２では、前記した基本排気温度ＴＡを補正するべく補正係数ｋを算出する。この補正係数ｋは、ステップＳ１６〜Ｓ１８において算出した水温ＴＷ、外気温度ＴＢおよび大気圧ＰＡを、所定関数ｇに導入することによって得ることができる。なお、この所定関数ｇは予め実施するテストや解析等によって定めることができる。ステップＳ２４では、ステップＳ１４で得られた基本排気温度ＴＡと、ステップＳ２４で得られた補正係数ｋとの積によって、最終的に排気温度Ｔを算出する。
【００３２】
次に、ステップＳ２６〜Ｓ３２では、ステップＳ２４で算出した排気温度Ｔに基づいてＶＳＶ６３の動作を制御する。
まず、ステップＳ２６によって排気温度Ｔが上限値（例えば、５３０℃）に達しているか否かを判定する。排気温度Ｔが上限値よりも大きいと判定した場合（ステップＳ２６のＹＥＳ）にはインジェクタ本体６１の冷却が必要であると判断してステップＳ２８へすすみ、そうでない場合（ステップＳ２６のＮＯ）にはステップＳ１０へ戻る。ステップＳ２８では、ＶＳＶ６３を開放動作（ＯＮ動作）させることで吸気導出管６２と空気流通路６７とを連通させる。吸気通路３１から導出された過給空気は、空気流通路６７へ導入されこの空気流通路６７を流通したのち排出口６７ｂから排気される。これにより、過給空気を用いたインジェクタ本体６１の冷却が開始される。なお、本実施の形態では、排出口６７ｂから排気された空気がインジェクタ本体６１と排気ポート４１ａとの間の隙間を通って外部へ排出される構成であるため、空気が隙間を通る際にもインジェクタ本体６１の冷却に寄与することとなるため合理的である。
【００３３】
ステップＳ３０では、排気温度Ｔが下限値（例えば、５００℃）に達しているか否かを判定する。排気温度Ｔが下限値以下であると判定した場合（ステップＳ３０のＹＥＳ）にはインジェクタ本体６１の冷却は必要ないと判断してステップＳ３２へすすみ、そうでない場合（ステップＳ３０のＮＯ）にはステップＳ２８へ戻る。ステップＳ３２では、ＶＳＶ６３を閉止動作（ＯＦＦ動作）させることで吸気導出管６２と空気流通路６７とを遮断する。これにより、空気流通路６７への過給空気の導入が停止されインジェクタ本体６１の冷却が停止される。
【００３４】
以上のように、本実施の形態によれば、運転情報から算出した排気温度に基づいて空気流通路６７を流れる過給空気の流量を調節するようにしたため、排気温度を測定する温度センサ等を設置する必要がなく、インジェクタ本体６１の噴射口６６ａのつまり防止を低コストで実現することが可能となる。
また、本実施の形態によれば、空気流通路６７への過給空気をエンジン１００に既存の過給機５０から供給する構成としたため合理的である。
【００３５】
なお、本発明は上記の実施の形態のみに限定されるものではなく、種々の応用や変形が考えられる。例えば、上記実施の形態を応用した次の各形態を実施することもできる。
【００３６】
（Ａ）上記実施の形態では、過給機５０によって過給された過給空気をインジェクタ本体６１を冷却する冷媒として用いる場合について記載したが、その他の媒体、例えば過給空気以外の高圧空気、冷却水、油などを冷媒として用いてもよい。このような構成は、過給機を備えていないエンジンにおいて有効である。
【００３７】
（Ｂ）また、上記実施の形態では排気過給式の過給機５０を用いる場合について記載したが、これにかえてスーパーチャージャーや電気式ターボを用いることもできる。
【００３８】
（Ｃ）また、上記実施の形態では、排気通路４１の排気ポート４１ａにインジェクタユニット６０を設置する場合について記載したが、このインジェクタユニット６０の設置位置は種々変更可能である。例えば、シリンダヘッドの内部や、過給機５０とＮＯｘ触媒４３との間などにインジェクタユニット６０を設置することができる。
【００３９】
（Ｄ）また、上記実施の形態では、エンジン１００に関する運転情報としてエンジン回転数ｎおよび燃料噴射量ｑを用いる場合について記載したが、排気温度と相関のあるエンジン負荷等、その他の運転情報を用いてもよい。
【００４０】
（Ｅ）また、上記実施の形態では、空気流通路６７を流通する過給空気の流量をオン・オフ式の制御弁であるＶＳＶ６３を用いて制御する場合について記載したが、このＶＳＶにかえて空気流通路６７を流通する過給空気の流量を無段階で可変とする調節弁を用いることもできる。
【００４１】
また、以上説明したきた実施の形態や様々な変更例の説明に鑑みた場合、本発明では、以下の構成を採り得る。
すなわち、「エンジンの排気通路に設けられたＮＯｘ触媒へ還元剤を供給する還元剤供給インジェクタであって、インジェクタ本体を冷却する冷却手段と、制御手段とを備え、前記制御手段は、前記エンジンに関する運転情報を用いて排気温度を算出し、算出したこの排気温度に基づいて前記冷却手段による前記インジェクタ本体の冷却能力を制御するように構成されていることを特徴とする還元剤供給インジェクタ。」という構成が考えられる。
また、「エンジンの排気通路に設けられたＮＯｘ触媒へ還元剤を供給する還元剤供給インジェクタにつき、冷却手段を用いてインジェクタ本体を冷却する冷却方法であって、前記エンジンに関する運転情報を用いて排気温度を算出し、算出したこの排気温度に基づいて前記冷却手段による前記インジェクタ本体の冷却能力を制御することを特徴とする冷却方法。」という構成が考えられる。
これらの構成によれば、本実施の形態と同様に還元剤を噴射する噴射口のつまり防止を低コストで実現することが可能となる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、エンジンの排気通路に設置したＮＯｘ触媒へ還元剤を供給するのに用いる還元剤供給インジェクタにつき、還元剤を噴射する噴射口のつまり防止を低コストで実現できることとなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態のエンジン１００の構成を模式的に示す図である。
【図２】図１中のインジェクタユニット６０の部分断面図である。
【図３】インジェクタユニット６０における冷却制御のフローチャートである。
【符号の説明】
１２…回転数センサ
１３…温度センサ
１０…エンジン本体
２０…燃料供給系
２１…燃料供給装置
３０…吸気系
３１…吸気通路
３２…温度センサ
３３…圧力センサ
４０…排気系
４１…排気通路
４１ａ…排気ポート
４２…触媒ケーシング
４３…ＮＯｘ触媒
５０…過給機
６０…インジェクタユニット
６１…インジェクタ本体
６２…吸気導出管
６３…ＶＳＶ
６４…電磁弁
６５…燃料流通路
６７…空気流通路
７０…ＥＧＲユニット
８０…ＥＣＵ（制御部）
１００…エンジン
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンから排出される排気ガスの排気浄化装置に係り、詳しくは排気浄化装置を構成するＮＯｘ触媒へ還元剤を供給する還元剤供給インジェクタの冷却技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えばディーゼルエンジンから排出される排気ガスを浄化処理するために、エンジンの排気通路にＮＯｘ触媒を設置した構成のものが知られている。この技術では、ＮＯｘ触媒の上流に、還元剤としての燃料（例えば、軽油）を供給する還元剤供給インジェクタが設置されている。そして、インジェクタ本体の先端部分に設けられた噴射口から排気通路内へ所定量の燃料（還元剤）が噴射されるようになっている。これにより、ＮＯｘ触媒に吸収されたＮＯｘは、噴射口から噴射された燃料によって還元処理される。ところで、このような還元剤供給インジェクタでは、インジェクタ本体の先端部分が高温の排気ガスに曝されるため、熱せられた燃料の炭化等によって噴射口につまりを生じる場合がある。このような場合には、ＮＯｘ触媒へ適切な量の燃料を供給するのが難しくなるという問題がある。
そこで、従来、インジェクタ本体の先端部分の噴射口のつまりを防止するために種々の技術が提案されている。例えば、インジェクタ本体に冷却水を通すことによって、インジェクタ本体が噴射口のつまりを発生し難い温度となるように冷却する技術が公知である（例えば、特許文献１参照。）。この特許文献１に記載の技術では、インジェクタ本体に設置された温度センサによってインジェクタ本体の温度を検出し、この検出温度に基づいて冷却水量を制御する構成が用いられている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−９６２１２号公報（図１〜図６）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、インジェクタ本体を冷却するのに専用の温度センサを用いた上記従来技術では、温度センサの設置コストがかかるという問題がある。また、インジェクタ本体に冷却水を通す構成では、温度センサ自体が冷却水の影響を受け易く、この温度センサによって検出された情報を用いて適切な冷却制御を行うのには限界がある。なお、燃料の噴射圧を高めることで噴射口のつまりを防止する構成も考えられるが、このためには燃料供給系を高圧化させる必要がありやはりコストアップとなる。
そこで本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、エンジンの排気通路に設置したＮＯｘ触媒へ還元剤を供給するのに用いる還元剤供給インジェクタにつき、還元剤を噴射する噴射口のつまり防止を低コストで実現するのに有効な技術を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明のエンジンの排気浄化装置は、請求項１〜４に記載のように構成される。また、本発明のエンジンの排気浄化方法としては、請求項５〜８に記載のような方法がある。これら各請求項に係る発明は、例えばディーゼルエンジンの排気通路に配置される還元剤供給インジェクタの冷却技術に好適に適用され得る。
【０００６】
〔請求項１に記載の発明〕
請求項１に記載したエンジンの排気浄化装置は、ＮＯｘ触媒、還元剤供給インジェクタ、冷却手段、制御手段等によって構成される。
ＮＯｘ触媒は、エンジンから排出された排気ガス中のＮＯｘを吸収し、吸収したこのＮＯｘを還元剤の作用によって還元する機能を有する。このＮＯｘ触媒は、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）にアルカリ金属、アルカリ土類、希土類と、貴金属等が担持された構成を有する。還元剤供給インジェクタは、ＮＯｘ触媒へ還元剤を供給する機能を有するものであり、排気通路においてＮＯｘ触媒の上流に配置される。この還元剤供給インジェクタは、例えばインジェクタ本体の先端部分に形成された噴射口を備え、この噴射口から噴射された還元剤がその下流のＮＯｘ触媒に供給されることとなる。還元剤としては、燃料（例えば、軽油）、尿素系添加剤など用いることができる。エンジンで使用する燃料を還元剤として用いる場合、専用の還元剤を別途準備する必要がないため合理的である。
冷却手段は、還元剤供給インジェクタのインジェクタ本体を冷却する機能を有する。この冷却手段としては、インジェクタ本体の内部に冷媒（冷却媒体）を流通させる冷媒流通路を設ける構成や、吸熱機能を有する装置をインジェクタ本体に埋設ないし接触させる構成などがある。例えば、インジェクタ本体の内部の冷媒流通路に冷媒を流通させる構成の場合、空気、冷却水、油などを冷媒として用いることができる。とりわけ、インジェクタ本体の先端部分に冷媒流通路や吸熱機能を有する装置を設けることで、還元剤噴射用の噴射口を特に効果的に冷却することが可能となる。
制御手段は、エンジンに関する運転情報を用いて排気温度を算出し、算出したこの排気温度に基づいて冷却手段の冷却能力を制御する機能を有する。ここでいう冷却能力とは、実質的にはインジェクタ本体と冷却手段との間の熱交換量をいう。また、エンジンの運転情報とは、エンジン回転数、燃焼室への燃料噴射量、またその他排気温度と相関のあるエンジン負荷等に関与する各種の情報を広く含むものである。これらの運転情報は排気温度と相関を有しており、予めその相関を求めておくことで運転情報から排気温度を算出することができる。なお、この排気温度は、必要に応じて温度および圧力による補正を行うのが好ましい。運転情報から排気温度を算出した結果、例えばインジェクタ本体の冷却が必要と判断した場合に冷却手段による冷却を開始し、冷却が不要と判断した場合に冷却手段による冷却を停止する。これにより、必要なときにだけインジェクタ本体の冷却を行うため合理的である。また、例えばインジェクタ本体の冷却状況に応じて冷却手段による冷却能力を可変とする構成を用いてもよい。これらの制御により、運転状態に見合った噴射口の冷却が可能となり、噴射口のつまりの発生を安定的に防止することができる。しかも、本発明では、運転情報から算出した排気温度を用いて冷却制御を行うため、排気温度を直接的に検出する温度センサ等を必要とせず、低コストでの対応が可能となる。
以上のように請求項１に記載の発明によれば、還元剤を噴射する噴射口のつまり防止を低コストで実現することが可能となる。とりわけ、排気温度が高温になるエンジンにおいても、還元剤供給インジェクタによる安定した還元剤の供給を行うことが可能となる。
【０００７】
〔請求項２に記載の発明〕
ここで、請求項１に記載の制御手段は、請求項２に記載のように運転情報としてエンジン回転数および燃料噴射量を用いる構成であるのが好ましい。すなわち、本発明ではエンジン回転数および燃料噴射量から排気温度を算出する。エンジンの通常の運転状態では、とりわけこれらの運転情報と排気温度とが強い相関を有しており、排気温度をエンジン回転数と燃料噴射量の２次元マップによって推定することができる。
従って、請求項２に記載の発明によれば、エンジン回転数および燃料噴射量を用いて排気温度を算出することで、インジェクタ本体の実用的な冷却が可能となる。なお、エンジン回転数および燃料噴射量を用いて算出した排気温度を、更に外気温度、水温、大気圧等に用いて補正することが好ましい。これにより、より正確な排気温度の算出が可能となる。これら外気温度、水温、大気圧等の検出は、エンジンに既存のセンサを用いて行うことができる。
【０００８】
〔請求項３に記載の発明〕
また、請求項３に記載のエンジンの排気浄化装置では、冷却手段が冷媒流通路、流量調節手段等によって構成されている。冷媒流通路は、インジェクタ本体の内部に冷媒を流通させる通路である。この冷媒流通路は、極力噴射口に近い位置に設けるのが好ましい。流量調節手段は、冷媒流通路を流れる冷媒の流量を調節する機能を有する。この流量調節手段としては、冷媒の流路を全開と全閉とに切り換える切換弁、冷媒の流路面積が無段階で可変となるように調節する調節弁等を用いることができる。この流量調節手段を用いて冷媒流通路を流れる冷媒の流量を調節することで、インジェクタ本体の冷却能力（インジェクタ本体と冷媒との間の熱交換量）を調節することが可能となる。
以上のように請求項３に記載の発明によれば、簡単な構成によってインジェクタ本体の冷却能力を調節することができる。
【０００９】
〔請求項４に記載の発明〕
また、請求項４に記載のエンジンの排気浄化装置では、エンジンに搭載された過給手段を、冷媒流通路を流れる冷媒の供給源として用いる。すなわち、過給手段によって過給された過給空気を冷媒として用いる。例えば、エンジンの吸気通路から導出した過給空気を、流量調節手段を介して冷媒流通路へ導入する構成とする。これにより、流量調節手段を用いて過給空気の流量を調節することで、インジェクタ本体の冷却能力を調節することが可能となる。この過給手段としては、排気過給式の過給機、スーパーチャージャー、電気式ターボ等を用いることができる。
以上のように請求項４に記載の発明によれば、インジェクタ本体の冷却を過給された空気を用いて効率的に行うことが可能となる。とりわけ、エンジンに既存の過給機によって過給された空気を用いることで合理的な構成を実現することができる。
【００１０】
〔請求項５に記載の発明〕
ＮＯｘ触媒を用いる排気浄化装置では、還元剤供給インジェクタからＮＯｘ触媒へ還元剤を供給することでＮＯｘ触媒に吸収されたＮＯｘを還元処理する。
請求項５に記載したエンジンの排気浄化方法は、この還元処理に際し、冷却手段を用いて還元剤供給インジェクタのインジェクタ本体を冷却する。例えば、インジェクタ本体の内部に冷媒（冷却媒体）を流通させたり、吸熱機能を有する装置をインジェクタ本体に埋設ないし接触させることでインジェクタ本体を冷却することができる。インジェクタ本体の内部の冷媒流通路に冷媒を流通させる場合、空気、冷却水、油などを冷媒として用いることができる。とりわけ、インジェクタ本体の先端部分に冷媒流通路や吸熱機能を有する装置を設けることで、還元剤噴射用の噴射口を特に効果的に冷却することが可能となる。
本発明では、エンジンに関する運転情報を用いて排気温度を算出し、算出したこの排気温度に基づいて冷却手段の冷却能力を制御する方法を用いる。ここでいうエンジンの運転情報とは、エンジン回転数、燃焼室への燃料噴射量、またその他エンジンの負荷等に関与する各種の情報を広く含むものである。これらの運転情報は排気温度と相関を有しており、予めその相関を求めておくことで運転情報から排気温度を算出することができる。なお、この排気温度は、必要に応じて温度および圧力による補正を行うのが好ましい。運転情報から排気温度を算出した結果、例えばインジェクタ本体の冷却が必要と判断した場合に冷却手段による冷却を開始し、冷却が不要と判断した場合に冷却手段による冷却を停止する。これにより、必要なときにだけインジェクタ本体の冷却を行うため合理的である。また、例えばインジェクタ本体の冷却状況に応じて冷却手段による冷却能力を可変とする構成を用いてもよい。これらの制御により、運転状態に見合った噴射口の冷却が可能となり、噴射口のつまりの発生を安定的に防止することができる。しかも、本発明では、運転情報から算出した排気温度を用いて冷却制御を行うため、排気温度を直接的に検出するセンサ等を必要とせず、低コストでの対応が可能となる。
以上のように請求項５に記載の発明によれば、還元剤を噴射する噴射口のつまり防止を低コストで実現することが可能となる。とりわけ、排気温度が高温になるエンジンでも安定した還元剤の添加を行うことが可能となる。
【００１１】
〔請求項６に記載の発明〕
ここで、請求項５に記載のエンジンの排気浄化方法では、請求項６に記載のように運転情報としてエンジン回転数および燃料噴射量を用いるのが好ましい。すなわち、本発明ではエンジン回転数および燃料噴射量から排気温度を算出する。エンジンの通常の運転状態では、とりわけこれらの運転情報と排気温度とが強い相関を有しており、排気温度をエンジン回転数と燃料噴射量の２次元マップによって推定することができる。
従って、請求項６に記載の発明によれば、エンジン回転数および燃料噴射量を用いて排気温度を算出することで、インジェクタ本体の実用的な冷却が可能となる。なお、エンジン回転数および燃料噴射量を用いて算出した排気温度を、更に外気温度、水温、大気圧等に用いて補正することが好ましい。これにより、より正確な排気温度の算出が可能となる。これら外気温度、水温、大気圧等の検出は、エンジンに既存のセンサを用いて行うことができる。
【００１２】
〔請求項７に記載の発明〕
また、請求項７に記載のエンジンの排気浄化方法では、インジェクタ本体の内部の冷媒流通路に冷媒を流通させ、この冷媒流通路を流れる冷媒の流量を調節することでインジェクタ本体の冷却能力を調節する。冷媒流通路は、極力噴射口に近い位置に設けるのが好ましい。冷媒流通路を流れる冷媒の流量を調節することで、インジェクタ本体の冷却能力（インジェクタ本体と冷媒との間の熱交換量）を調節することが可能となる。
以上のように請求項７に記載の発明によれば、簡便にインジェクタ本体の冷却能力を調節することができる。
【００１３】
〔請求項８に記載の発明〕
また、請求項８に記載のエンジンの排気浄化方法では、エンジンに搭載された過給手段によって過給された過給空気を、インジェクタ本体を冷却する冷媒として用いる。エンジンの吸気通路から導出した過給空気を、流量調節手段を介して冷媒流通路へ導入することで、インジェクタ本体の冷却能力を調節することが可能となる。この過給手段としては、排気過給式の過給機、スーパーチャージャー、電気式ターボ等を用いることができる。
以上のように請求項８に記載の発明によれば、インジェクタ本体の冷却を過給された空気を用いて効率的に行うことが可能となる。とりわけ、エンジンに既存の過給機によって過給された空気を用いることで合理的な方法を実現することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の一実施の形態を図１〜図３を用いて説明する。なお、本実施の形態は本発明を過給機（ターボチャージャー）付きのディーゼルエンジンに適用したものである。ここで、図１は本実施の形態のエンジン１００の構成を模式的に示す図である。図２は図１中のインジェクタユニット６０の部分断面図である。図３はインジェクタユニット６０における冷却制御のフローチャートである。
【００１５】
図１に示すように、本実施の形態のエンジン１００は、エンジン本体１０、燃料供給系２０、吸気系３０、排気系４０、過給機５０、インジェクタユニット６０、ＥＧＲユニット７０、ＥＣＵ（制御部）８０等を主要部として構成される直列４気筒のディーゼルエンジンである。このうち、インジェクタユニット６０、ＥＣＵ８０等によって本発明における排気浄化装置が構成されている。
【００１６】
過給機（ターボチャージャー）５０は、排気過給式の既知の構成のものであり、シャフト５１を介して連結された２つのタービンホイール５２，５３を備える。一方のタービンホイール５２は吸気系３０の吸気通路３１に配置された吸気側タービンホイールであり、他方のタービンホイール５３は排気系４０の排気通路４１に配置された排気側タービンホイールである。このような過給機５０の構成により、排気通路４１を流れる排気ガスの排気流（排気圧）を利用してタービンホイール５３を回転させ、タービンホイール５２によって吸気通路３１を流れる吸入空気（吸気）の圧力を高めるという過給を行う。従って、吸気通路３１のタービンホイール５２下流には過給空気が流れることとなる。この過給機５０が、本発明における過給手段に対応している。
【００１７】
エンジン本体１０には、複数（本実施の形態では４つ）の燃焼室１１が形成されている。また、エンジン本体１０には、エンジン回転数を検出する回転数センサ１２、シリンダヘッドの温度を検出する温度センサ１３等が設置されている。温度センサ１３は、実質的にはエンジン本体１０における冷却水の水温を測定する水温センサとして用いられる。
【００１８】
燃料供給系２０は、燃料タンク、燃料ポンプ等からなる燃料供給装置２１を備え、この燃料供給装置２１から供給された燃料（例えば、軽油）は、第１の燃料供給通路２２、燃料噴射弁２３を通じて各燃焼室１１内へ噴射される構成になっている。また、燃料供給装置２１から供給された燃料は、第２の燃料供給通路２４を通じて後述するインジェクタユニット６０へ供給される構成になっている。
【００１９】
吸気系３０には、各燃焼室１１へ供給される吸入空気の通路（吸気通路３１）が設けられている。この吸気通路３１には、温度センサ３２、圧力センサ３３、エアクリーナー３４、インタークーラー３５、スロットル弁３６等が設けられている。温度センサ３２は、エアクリーナー３４上流の温度を外気温として検出する。圧力センサ３３は、エアクリーナー３４上流の圧力を大気圧として検出する。エアクリーナー３４は、吸入空気をフィルター処理する機能を有する。インタークーラー３５は、過給機５０による過給によって温度上昇した吸入空気を強制的に冷却する機能を有する。スロットル弁３６は、例えば電子制御式の開閉弁であり、所定の条件下において吸入空気の流路面積を絞ることで、吸入空気の供給量を調節する機能を有する。
【００２０】
排気系４０には、排気通路４１においてタービンホイール５３の下流に触媒ケーシング４２が設けられている。この触媒ケーシング４２にＮＯｘ触媒４３が収容されている。このＮＯｘ触媒４３は、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を担体とし、この担体上に例えばカリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、セシウム（Ｃｓ）のようなアルカリ金属、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）のようなアルカリ土類、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）のような希土類と、白金（Ｐｔ）のような貴金属とが担持されることによって構成される。このＮＯｘ触媒４３は、排気ガス中に多量の酸素が存在している状態においてはＮＯｘを吸収し、排気ガス中の酸素濃度が低く且つ還元成分（例えば、燃料中の未燃成分（ＨＣ））が多量に存在している状態においてはＮＯｘをＮＯ２やＮＯに還元して放出する。このＮＯ２やＮＯは、排気ガス中のＨＣやＣＯと速やかに反応することでさらに還元されてＮ２となる。
【００２１】
インジェクタユニット６０は、各燃焼室１１から排出された排気ガスが合流した後の排気ポート４１ａに設置されている。このインジェクタユニット６０が、本発明における還元剤供給インジェクタに対応している。このインジェクタユニット６０は、インジェクタ本体６１、吸気導出管６２、この吸気導出管６２に設けられた冷却用のＶＳＶ（Ｖａｃｕｕｍ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｖａｌｖｅ）６３等によって構成されている。吸気導出管６２は、吸気通路３１とインジェクタ本体６１とを接続する配管であり、吸気通路３１から導出した過給空気をインジェクタ本体６１へ導入する機能を有する。また、前記燃料供給系２０の第２の燃料供給通路２４を通じてインジェクタ本体６１に燃料が供給されるようになっている。この燃料は、ＮＯｘ触媒４３のための還元剤として使用される。ＶＳＶ６３は、オン・オフ式の制御弁であり、過給空気の流路を全開状態ないし全閉状態に設定可能になっている。従って、ＶＳＶ６３の開放動作（ＯＮ動作）によって過給空気の流路が全開状態となる一方、ＶＳＶ６３の閉止動作（ＯＦＦ動作）によって過給空気の流路が全閉状態となる。
【００２２】
ここで、インジェクタ本体６１の内部の構造を図２を参照しながら説明する。図２に示すように、インジェクタ本体６１はガスケット６８を介して排気ポート４１ａに取り付けられている。このインジェクタ本体６１の内部には、燃料流通路６５および空気流通路６７が形成され、また電磁弁６４が設置されている。燃料流通路６５は、導入口６５ａから導入した燃料を流通させ、インジェクタ本体６１の先端部６６に形成された噴射口６６ａまで誘導する通路である。この燃料が本発明における還元剤に対応している。空気流通路６７は、導入口６７ａから導入した過給空気（本発明における冷媒）を流通させ、排出口６７ｂから排気する通路である。この空気流通路６７が、本発明における冷媒流通路に対応しており、吸気導出管６２、ＶＳＶ６３、空気流通路６７、過給空気等によって本発明における冷却手段が構成されている。電磁弁６４は、ソレノイドコイル６４ａからの磁力によって弁体６４ｂを開弁方向ないし閉弁方向へ移動させて燃料流通路６５の開閉動作を行う機能を有する。
【００２３】
なお、電磁弁６４は、排気ガスの性状の検出結果に基づいて燃料の供給が必要であると判定され、且つ燃料の添加条件（例えば、排気ガスの温度、圧力が所定条件に達している）が整っていると判定された場合に開放動作される。これにより、噴射口６６ａから噴射された燃料が還元剤としてＮＯｘ触媒４３に供給され、この燃料中の未燃成分（ＨＣ）がＮＯｘ触媒４３に吸収されたＮＯｘ成分をＮＯ２やＮＯに、さらにはＮ２に還元することとなる。而して、ＮＯｘ触媒４３に吸収されたＮＯｘ成分が浄化されて排気され、ＮＯｘ触媒４３のＮＯｘ吸収能力が復活する。
【００２４】
図１に戻って、ＥＧＲ（イグゾースト・ガス・リサイキュレーション）ユニット７０は、燃焼室１１の上流（吸気側）と下流（排気側）とを接続する排気還流通路７１を備える。この排気還流通路７１は、排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気系へ再循環させる機能を有する。この排気還流通路７１には、ＥＧＲクーラー７２、ＥＧＲバルブ７３等が配置されている。ＥＧＲクーラー７２は、排気還流通路７１を流れる高温のＥＧＲガスの冷却を行う。ＥＧＲバルブ７３は、排気還流通路７１を流れるＥＧＲガスの流量を調整する機能を有する。
【００２５】
ＥＣＵ（制御部）８０は、既知の構成のＣＰＵ、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、バックアップＲＡＭ、タイマーカウンタ等を備えている（いずれも図示省略）。このＥＣＵ８０は、回転数センサ１２、温度センサ１３、燃料供給装置２１、温度センサ３２、圧力センサ３３、スロットル弁３６、電磁弁６４、ＶＳＶ６３、ＥＧＲバルブ７３等と電気的に接続されており、検出信号あるいは制御信号を伝達可能になっている。このＥＣＵ８０が、本発明における制御手段に対応している。
【００２６】
次に、インジェクタユニット６０における冷却制御を説明する。なお、この冷却制御はＥＣＵ（制御部）８０を用いて行う。
本実施の形態の冷却制御では、エンジン１００に関する運転情報（エンジン回転数、燃料噴射量等）を用いて排気温度を算出し、算出したこの排気温度に基づいてＶＳＶ６３の作動を切替える。具体的には、算出した排気温度が所定の条件範囲にある場合にＶＳＶ６３をオン状態に設定して吸気導出管６２と吸気通路３１とを連通させ、空気流通路６７に過給空気を導入し流通させることでインジェクタ本体６１の冷却を行う。すなわち、空気流通路６７を流通する過給空気とインジェクタ本体６１との間の熱交換量が増大し、冷却能力が上がることによりインジェクタ本体６１が冷却されることとなる。それ以外の条件では、ＶＳＶ６３をオフ状態に設定して吸気導出管６２と空気流通路６７とを遮断し空気流通路６７への過給空気の導入を停止する。これにより、空気流通路６７を流通する過給空気とインジェクタ本体６１との間の熱交換量が低下し冷却能力が下がる。このように過給空気の流量を切り換えることでインジェクタ本体６１の冷却能力を調節する。
【００２７】
インジェクタ本体６１の先端部６６の温度は、排気温度に対し強い相関をもっていることが判っており、従って排気温度を用いることで先端部６６の温度が噴射口６６ａの詰まりを生じやすい条件下にあるか否かを間接的に判定することができる。なお、本実施の形態では、この排気温度をエンジン１００に関する運転情報（エンジン回転数、燃料噴射量等）を用いて推定するようになっている。これにより、冷却制御専用の温度センサ等を新たに設置する必要がなく、コスト低減を図ることができる。
【００２８】
以下、インジェクタユニット６０における冷却制御の具体例を図３に示すフローチャートにしたがって説明する。
まず、図３中のステップＳ１０によってそのときのエンジン回転数ｎを算出する。このエンジン回転数ｎは、回転数センサ１２によって検出された検出情報を用いて導出される。また、ステップＳ１２によって燃焼室１１へ噴射されている、あるいは噴射される燃料噴射量ｑを算出する。この燃料噴射量ｑは、燃料供給装置２１からの情報を用いて導出される。
【００２９】
ステップＳ１４では、ステップＳ１０，Ｓ１２において算出したエンジン回転数ｎおよび燃料噴射量ｑを所定関数ｆに導入することによって基本排気温度ＴＡを算出する。これは、通常の運転状態では排気温度がエンジン回転数ｎと燃料噴射量ｑの２次元マップによって推定することができることを利用したものである。なお、所定関数ｆは、予め実施するテストや解析等によって定めることができる。
【００３０】
ステップＳ１６〜Ｓ２０では、水温ＴＷ、外気温度ＴＢおよび大気圧ＰＡの算出を行う。水温ＴＷは、シリンダヘッドに設置された温度センサ１３によって検出された検出情報を用いて導出される。外気温度ＴＢは、エアクリーナー３４上流に設置された温度センサ３２によって検出された検出情報を用いて導出される。大気圧ＰＡは、エアクリーナー３４上流に設置された圧力センサ３３によって検出された検出情報を用いて導出される。
【００３１】
ステップＳ２２では、前記した基本排気温度ＴＡを補正するべく補正係数ｋを算出する。この補正係数ｋは、ステップＳ１６〜Ｓ１８において算出した水温ＴＷ、外気温度ＴＢおよび大気圧ＰＡを、所定関数ｇに導入することによって得ることができる。なお、この所定関数ｇは予め実施するテストや解析等によって定めることができる。ステップＳ２４では、ステップＳ１４で得られた基本排気温度ＴＡと、ステップＳ２４で得られた補正係数ｋとの積によって、最終的に排気温度Ｔを算出する。
【００３２】
次に、ステップＳ２６〜Ｓ３２では、ステップＳ２４で算出した排気温度Ｔに基づいてＶＳＶ６３の動作を制御する。
まず、ステップＳ２６によって排気温度Ｔが上限値（例えば、５３０℃）に達しているか否かを判定する。排気温度Ｔが上限値よりも大きいと判定した場合（ステップＳ２６のＹＥＳ）にはインジェクタ本体６１の冷却が必要であると判断してステップＳ２８へすすみ、そうでない場合（ステップＳ２６のＮＯ）にはステップＳ１０へ戻る。ステップＳ２８では、ＶＳＶ６３を開放動作（ＯＮ動作）させることで吸気導出管６２と空気流通路６７とを連通させる。吸気通路３１から導出された過給空気は、空気流通路６７へ導入されこの空気流通路６７を流通したのち排出口６７ｂから排気される。これにより、過給空気を用いたインジェクタ本体６１の冷却が開始される。なお、本実施の形態では、排出口６７ｂから排気された空気がインジェクタ本体６１と排気ポート４１ａとの間の隙間を通って外部へ排出される構成であるため、空気が隙間を通る際にもインジェクタ本体６１の冷却に寄与することとなるため合理的である。
【００３３】
ステップＳ３０では、排気温度Ｔが下限値（例えば、５００℃）に達しているか否かを判定する。排気温度Ｔが下限値以下であると判定した場合（ステップＳ３０のＹＥＳ）にはインジェクタ本体６１の冷却は必要ないと判断してステップＳ３２へすすみ、そうでない場合（ステップＳ３０のＮＯ）にはステップＳ２８へ戻る。ステップＳ３２では、ＶＳＶ６３を閉止動作（ＯＦＦ動作）させることで吸気導出管６２と空気流通路６７とを遮断する。これにより、空気流通路６７への過給空気の導入が停止されインジェクタ本体６１の冷却が停止される。
【００３４】
以上のように、本実施の形態によれば、運転情報から算出した排気温度に基づいて空気流通路６７を流れる過給空気の流量を調節するようにしたため、排気温度を測定する温度センサ等を設置する必要がなく、インジェクタ本体６１の噴射口６６ａのつまり防止を低コストで実現することが可能となる。
また、本実施の形態によれば、空気流通路６７への過給空気をエンジン１００に既存の過給機５０から供給する構成としたため合理的である。
【００３５】
なお、本発明は上記の実施の形態のみに限定されるものではなく、種々の応用や変形が考えられる。例えば、上記実施の形態を応用した次の各形態を実施することもできる。
【００３６】
（Ａ）上記実施の形態では、過給機５０によって過給された過給空気をインジェクタ本体６１を冷却する冷媒として用いる場合について記載したが、その他の媒体、例えば過給空気以外の高圧空気、冷却水、油などを冷媒として用いてもよい。このような構成は、過給機を備えていないエンジンにおいて有効である。
【００３７】
（Ｂ）また、上記実施の形態では排気過給式の過給機５０を用いる場合について記載したが、これにかえてスーパーチャージャーや電気式ターボを用いることもできる。
【００３８】
（Ｃ）また、上記実施の形態では、排気通路４１の排気ポート４１ａにインジェクタユニット６０を設置する場合について記載したが、このインジェクタユニット６０の設置位置は種々変更可能である。例えば、シリンダヘッドの内部や、過給機５０とＮＯｘ触媒４３との間などにインジェクタユニット６０を設置することができる。
【００３９】
（Ｄ）また、上記実施の形態では、エンジン１００に関する運転情報としてエンジン回転数ｎおよび燃料噴射量ｑを用いる場合について記載したが、排気温度と相関のあるエンジン負荷等、その他の運転情報を用いてもよい。
【００４０】
（Ｅ）また、上記実施の形態では、空気流通路６７を流通する過給空気の流量をオン・オフ式の制御弁であるＶＳＶ６３を用いて制御する場合について記載したが、このＶＳＶにかえて空気流通路６７を流通する過給空気の流量を無段階で可変とする調節弁を用いることもできる。
【００４１】
また、以上説明したきた実施の形態や様々な変更例の説明に鑑みた場合、本発明では、以下の構成を採り得る。
すなわち、「エンジンの排気通路に設けられたＮＯｘ触媒へ還元剤を供給する還元剤供給インジェクタであって、インジェクタ本体を冷却する冷却手段と、制御手段とを備え、前記制御手段は、前記エンジンに関する運転情報を用いて排気温度を算出し、算出したこの排気温度に基づいて前記冷却手段による前記インジェクタ本体の冷却能力を制御するように構成されていることを特徴とする還元剤供給インジェクタ。」という構成が考えられる。
また、「エンジンの排気通路に設けられたＮＯｘ触媒へ還元剤を供給する還元剤供給インジェクタにつき、冷却手段を用いてインジェクタ本体を冷却する冷却方法であって、前記エンジンに関する運転情報を用いて排気温度を算出し、算出したこの排気温度に基づいて前記冷却手段による前記インジェクタ本体の冷却能力を制御することを特徴とする冷却方法。」という構成が考えられる。
これらの構成によれば、本実施の形態と同様に還元剤を噴射する噴射口のつまり防止を低コストで実現することが可能となる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、エンジンの排気通路に設置したＮＯｘ触媒へ還元剤を供給するのに用いる還元剤供給インジェクタにつき、還元剤を噴射する噴射口のつまり防止を低コストで実現できることとなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態のエンジン１００の構成を模式的に示す図である。
【図２】図１中のインジェクタユニット６０の部分断面図である。
【図３】インジェクタユニット６０における冷却制御のフローチャートである。
【符号の説明】
１２…回転数センサ
１３…温度センサ
１０…エンジン本体
２０…燃料供給系
２１…燃料供給装置
３０…吸気系
３１…吸気通路
３２…温度センサ
３３…圧力センサ
４０…排気系
４１…排気通路
４１ａ…排気ポート
４２…触媒ケーシング
４３…ＮＯｘ触媒
５０…過給機
６０…インジェクタユニット
６１…インジェクタ本体
６２…吸気導出管
６３…ＶＳＶ
６４…電磁弁
６５…燃料流通路
６７…空気流通路
７０…ＥＧＲユニット
８０…ＥＣＵ（制御部）
１００…エンジン
Claims (8)
- エンジンの排気通路に設けられたＮＯｘ触媒と、このＮＯｘ触媒へ還元剤を供給する還元剤供給インジェクタと、この還元剤供給インジェクタのインジェクタ本体を冷却する冷却手段と、制御手段とを有するエンジンの排気浄化装置であって、
前記制御手段は、前記エンジンに関する運転情報を用いて排気温度を算出し、算出したこの排気温度に基づいて前記冷却手段による前記インジェクタ本体の冷却能力を制御するように構成されていることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。 - 請求項１に記載したエンジンの排気浄化装置であって、
前記制御手段は、前記運転情報としてエンジン回転数および燃料噴射量を用いることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。 - 請求項１または２に記載したエンジンの排気浄化装置であって、
前記冷却手段は、前記インジェクタ本体の内部に冷媒を流通させる冷媒流通路と、この冷媒流通路を流れる冷媒の流量を調節することで前記インジェクタ本体の冷却能力を調節する流量調節手段とを備えていることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。 - 請求項３に記載したエンジンの排気浄化装置であって、
前記エンジンは、その吸気通路を流通する吸入空気を過給する過給手段を有する構成であり、前記冷却手段は、前記過給手段によって過給された過給空気を前記冷媒として前記冷媒流通路へ導入する構成であることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。 - エンジンの排気通路に設けられたＮＯｘ触媒と、このＮＯｘ触媒へ還元剤を供給する還元剤供給インジェクタと、冷却手段とを有する排気浄化装置につき、前記冷却手段を用いて前記還元剤供給インジェクタのインジェクタ本体を冷却するステップを有するエンジンの排気浄化方法であって、
前記エンジンに関する運転情報を用いて排気温度を算出し、算出したこの排気温度に基づいて前記冷却手段による前記インジェクタ本体の冷却能力を制御することを特徴とするエンジンの排気浄化方法。 - 請求項５に記載したエンジンの排気浄化方法であって、
前記運転情報としてエンジン回転数および燃料噴射量を用いることを特徴とするエンジンの排気浄化方法。 - 請求項５または６に記載したエンジンの排気浄化方法であって、
前記インジェクタ本体の内部の冷媒流通路に冷媒を流通させ、この冷媒流通路を流れる冷媒の流量を調節することで前記インジェクタ本体の冷却能力を調節することを特徴とするエンジンの排気浄化方法。 - 請求項７に記載したエンジンの排気浄化方法であって、
前記エンジンは、その吸気通路を流通する吸入空気を過給する過給手段を有する構成であり、前記過給手段によって過給された過給空気を前記冷媒として前記冷媒流通路へ導入することを特徴とするエンジンの排気浄化方法。
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|---|---|---|---|---|
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-
2003
- 2003-01-07 JP JP2003001288A patent/JP2004211635A/ja active Pending
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