JP2005351245A

JP2005351245A - 還元剤添加装置

Info

Publication number: JP2005351245A
Application number: JP2004175759A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Nagae; 正浩長江
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-06-14
Filing date: 2004-06-14
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2024-06-14
Also published as: JP4506297B2

Abstract

【課題】燃費よく還元剤添加弁を冷却し、適切に排気ガス中に還元剤を添加することができる技術を提供する。
【解決手段】内燃機関の排気通路に設置され還元剤の存在下で排気ガスに含まれる窒素酸化物を浄化する触媒に対して、当該触媒の上流側の排気通路に還元剤を添加する還元剤添加装置であって、排気通路に還元剤を添加する還元剤添加弁２１と、還元剤添加弁２１の周囲に形成されたガス通路５９と、ガス通路５９と内燃機関の吸気通路とを連通し吸気通路を流通するガスの一部をガス通路に導くガス導入通路（６４ａ、６５ａ）と、ガス通路５９と排気通路とを連通しガス通路を流通したガスを排気通路に排出するガス排出通路（６４ａ、６５ａ）とを備える。
【選択図】図２（ａ）

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に設置され還元剤の存在下で排気ガスに含まれる窒素酸化物を浄化する触媒に対して、当該触媒の上流側の排気通路に還元剤を添加する還元剤添加装置に関する。

希薄燃焼可能な内燃機関から排出される排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減する手段の一つに内燃機関の排気通路にＮＯｘ吸蔵還元型触媒（以下、単に「ＮＯｘ触媒」という場合もある。）を備えることが知られている（例えば、特許文献１参照）。このＮＯｘ触媒は、流入排気ガスの空燃比がリーンのときはＮＯｘを保持し、流入排気ガスの空燃比が理論空燃比あるいはリッチになると保持したＮＯｘを放出し、Ｎ_２に還元する触媒である。

そして、このＮＯｘ触媒では、ＮＯｘ保持能力が飽和する前に、所定のタイミングで流入排気ガスの空燃比をリッチにして、ＮＯｘ触媒に保持されているＮＯｘを放出、還元させ、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ保持能力を回復させる必要がある。

そして、特にディーゼルエンジンの如く内燃機関から排出される排気ガス中に多量の酸素が存在する場合には、還元剤供給弁を用いて当該排気ガス中に還元剤たる燃料（軽油）を添加することによりＮＯｘ触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすることが知られている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載された還元剤添加弁は、排気通路の管壁を貫通して設置された噴射ノズル、制御弁及びこれらを接続する接続配管を備えている。
特開２０００−２４０４３６号公報特開平９−３１７４８４号公報

上述した特許文献１に記載の還元剤添加弁においては、噴射ノズルは排気通路の管壁を貫通して設置されているため、当該噴射ノズルが排気ガスと接触し高温となる。そのため、この熱により還元剤たる燃料の軽質分が蒸発し重質分が固まることで噴射ノズルがつまり、燃料の噴射が不安定となったりあるいは異常噴射を起こしたりして、還元剤添加量が制御不能となる不都合を生ずるおそれがある。

ＮＯｘ触媒への流入排気ガスの空燃比をリッチにしてＮＯｘを放出・還元するために、還元剤添加弁から燃料を噴射させている運転領域においては、低温の燃料を頻繁に噴射ノズルから噴射しており、当該燃料により噴射ノズルが冷やされるので、上述した不具合は生じ難い。しかし、高負荷運転領域など還元剤を添加しない運転領域においては、噴射ノズルが燃料により冷やされないうえに排気ガス温度が高いので、上述した不具合が生じ易い。

それゆえ、高負荷運転領域など、通常還元剤を添加しない運転領域においても、ＮＯｘ触媒に保持されたＮＯｘを放出・還元する目的ではなく、単に噴射ノズルを冷却するために燃料を添加することも考えられるが、かかる運転領域では排気ガス温度は非常に高く噴射ノズルの温度も非常に高くなるので、添加する燃料量も多くしなければならず燃費が悪化してしまう。

また、噴射ノズルを冷却水で冷やすことも考えられるが、冷却水通路を排気通路近傍に設置しなければならず、冷却水が沸騰してしまうおそれがある。また、冷却水が漏れてしまうおそれもある。

本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃費よく還元剤添加弁を冷却し、適切に排気ガス中に還元剤を添加することができる還元剤添加装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る還元剤添加装置においては、内燃機関の排気通路に設置され還元剤の存在下で排気ガスに含まれる窒素酸化物を浄化する触媒に対して、当該触媒の上流側の排気通路に還元剤を添加する還元剤添加装置であって、前記排気通路に還元剤を添加する還元剤添加弁と、当該還元剤添加弁の周囲に形成されたガス通路と、当該ガス通路と前記内燃機関の吸気通路とを連通し当該吸気通路を流通するガスの一部を前記ガス通路に導くガス導入通路と、前記ガス通路と前記排気通路とを連通し前記ガス通路を流通したガスを前記排気通路に排出するガス排出通路と、を備えたことを特徴とする。

排気通路に還元剤を添加する還元剤添加弁は、排気ガスの熱を受けて高温となるが、本発明に係る還元剤添加装置においては、ガス導入通路を介して、内燃機関の吸気通路を流通するガス、つまり内燃機関の気筒内に吸入される空気の一部が還元剤添加弁の周囲に形成されたガス通路に流入し、当該ガスがガス排出通路を介して排気通路に排出されるので、当該ガスにより還元剤添加弁が冷却される。これにより、還元剤添加弁が高温になることに起因して当該弁の噴射ノズルがつまることを防止することができる。そえゆえ、常に適切な量の還元剤を排気ガス中に添加することができる。また、還元剤添加弁を冷却するのに用いるのは気筒内に吸入される空気であるため、還元剤たる燃料を用いて冷却する場合よりも燃費を向上させることができるとともに、空気供給装置を別に備える必要がないので低廉に還元剤添加弁を冷却することができる。

また、前記ガス導入通路は、前記ガス通路と前記内燃機関に備えられた過給器及びインタクーラの下流側の吸気通路とを連通し、前記過給器にて加圧された後インタクーラで冷却されたガスを前記ガス通路に導くことが好適である。

過給器にて加圧されたガスをガス通路に導くことにより、ガス通路を流通するガスの量を多くすることができ、また、インタクーラで冷却されたガスをガス通路に導くことにより、ガス通路を流通するガスの温度を低くすることができるので、効果的に還元剤添加弁を冷却することができる。

また、本発明に係る還元剤添加装置においては、内燃機関の排気通路に設置され還元剤の存在下で排気ガスに含まれる窒素酸化物を浄化する触媒に対して、当該触媒の上流側の排気通路に還元剤を添加する還元剤添加装置であって、前記排気通路に還元剤を添加する還元剤添加弁と、当該還元剤添加弁が嵌合された嵌合部材と、前記内燃機関に固定された固定部材と、一端が前記嵌合部材に固定され他端が前記固定部材に固定されて前記嵌合部材と前記固定部材と共に形成したガス室にガスが流入することによりそのガスの圧力で伸びることが可能な伸縮部材と、を有する移動手段と、前記ガス室と前記内燃機関の吸気通路とを連通し当該吸気通路を流通するガスの一部を前記ガス室に導くガス導入通路と、を備えたことを特徴とする。

このように構成された還元剤添加装置においては、ガス導入通路を介して、内燃機関の吸気通路を流通するガスが移動手段のガス室に流入する。そうすると、当該ガスの圧力に
より一端が嵌合部材に固定され他端が固定部材に固定された伸縮部材が伸びるので、嵌合部材が固定部材に対して相対的に移動する。これに伴い嵌合部材に嵌合された還元剤添加弁も固定部材が固定された内燃機関に対して相対的に移動することとなる。

それゆえ、例えば還元剤添加弁の噴射ノズルが内燃機関の排気通路に露出して備えられているとしても、吸気通路を流通するガスが、ガス導入通路を介して、移動手段のガス室に流入することにより、噴射ノズルを内燃機関の排気通路に対して相対的に移動させることができ噴射ノズルを露出しなくすることができる。これにより、還元剤添加弁が排気ガスに晒されて高温となることを防止することができる。そえゆえ、常に適切な量の還元剤を排気ガス中に添加することができる。また、還元剤添加弁を冷却するのに用いるのは気筒内に吸入される空気であるため、還元剤たる燃料を用いて冷却する場合よりも燃費を向上させることができるとともに、空気供給装置を別に備える必要がないので低廉に還元剤添加弁を冷却することができる。

また、前記ガス導入通路は、前記ガス室と前記内燃機関に備えられた過給器の下流側の吸気通路とを連通し、前記過給器にて加圧されたガスを前記ガス室に導くことが好適である。過給器にて加圧されたガスをガス室に導くことにより、ガス室内の圧力を容易・迅速に高くすることができ、例えば還元剤添加弁の噴射ノズルを排気通路に対して容易・迅速に相対的に移動させることができる。

以上説明したように、本発明に係る還元剤添加装置によれば、燃費よく還元剤添加弁を冷却し、適切に排気ガス中に還元剤を添加することができる。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この最良の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

図１は、本実施例に係る還元剤添加装置５０を適用する内燃機関１とその吸排気系の概略構成を示す図である。

図１に示す内燃機関１は、４つの気筒２を有する水冷式の４サイクル・ディーゼル機関であり、各気筒２の燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁３を備えている。各燃料噴射弁３は、蓄圧室（コモンレール）４と接続され、このコモンレール４は燃料供給管５を介して燃料ポンプ６と連通している。

また、内燃機関１には、吸気通路７が接続されており、この吸気通路７はエアクリーナボックス８に接続されている。前記エアクリーナボックス８より下流の吸気通路７には、当該吸気通路７内を流通する吸気の質量に対応した電気信号を出力するエアフローメータ９が取り付けられている。

吸気通路７における前記エアフローメータ９より下流の部位には、過給器１０のコンプレッサハウジング１０ａが設けられている。コンプレッサハウジング１０ａより下流の吸気通路７には、インタクーラ１１が取り付けられている。更にインタクーラ１１より下流の吸気通路７には、当該吸気通路７内を流通する吸気の流量を調節する吸気絞り弁１２が設けられ、この吸気絞り弁１２には、吸気絞り用アクチュエータ１３が取り付けられている。

また、内燃機関１には、排気通路１４が接続され、この排気通路１４は、下流にて図示しないマフラーと接続されている。また、排気通路１４の途中には、過給器１０のタービンハウジング１０ｂが配置されており、排気通路１４におけるタービンハウジング１０ｂより下流の部位には、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒（以下、「ＮＯｘ触媒」という。）１５が備えられている。

このＮＯｘ触媒１５は、当該触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比（理論空燃比以上）であるときには、排気ガス中のＮＯｘを保持して大気中に放出しないようにし、当該触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比あるいはリッチ空燃比（理論空燃比以下）となったときには、保持していたＮＯｘを放出し、Ｎ_２に還元する触媒である。そして、ＮＯｘ触媒１５の上流の排気通路１４には、排気通路１４内を流通する排気の空燃比に対応した電気信号を出力する空燃比センサ１６と、当該排気通路１４内を流通する排気の温度に対応した電気信号を出力する排気温度センサ１７とが取り付けられている。

前記吸気通路７における吸気絞り弁１２より下流の部位と、前記排気通路１４におけるタービンハウジング１０ｂより上流の部位とは、排気再循環通路（以下「ＥＧＲ通路」という。）１８を介して連通されている。そして、このＥＧＲ通路１８の途中には、ＥＧＲ弁１９とＥＧＲクーラ２０が設けられている。

また、ＮＯｘ触媒１５より上流の排気通路１４を流通する排気ガス中に還元剤たる燃料（軽油）を添加する還元剤添加装置５０を備えている。この還元剤添加装置５０の具体的構成については後述するが、概略としては、図１に示すようにその噴射ノズルが排気通路１４内に臨むよう内燃機関１のシリンダヘッドの排気ポートに取り付けられ、開弁して燃料を噴射する還元剤添加弁２１と、前述した燃料ポンプ６から吐出された燃料を還元剤添加弁２１へ導く還元剤供給路２２等を備えている。

そして、この還元剤添加弁２１から排気通路１４内へ添加された還元剤は、排気通路１４の上流から流れてきた排気ガスとともにタービンハウジング１０ｂへ流入する。タービンハウジング１０ｂ内に流入した排気ガスと還元剤とは、タービンホイールの回転によって撹拌されて均質に混合された排気ガスを形成する。

以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）２３が併設されている。このＥＣＵ２３は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭなどからなる算術論理演算回路である。

ＥＣＵ２３には、前述したエアフローメータ９、空燃比センサ１６、排気温度センサ１７に加え、内燃機関１に取り付けられたクランクポジションセンサ２４及び水温センサ２５や、内燃機関１を搭載した車両の室内に取り付けられたアクセルポジションセンサ（図示省略）等の各種センサが電気配線を介して接続され、上記した各種センサの出力信号がＥＣＵ２３に入力されるようになっている。

一方、ＥＣＵ２３には、燃料噴射弁３、吸気絞り用アクチュエータ１３、ＥＧＲ弁１９、還元剤添加弁２１等が電気配線を介して接続され、ＥＣＵ２３が燃料噴射弁３、吸気絞り用アクチュエータ１３、ＥＧＲ弁１９及び還元剤添加弁２１を制御することが可能になっている。

例えば、ＥＣＵ２３は、一定時間毎に実行すべき基本ルーチンにおいて、各種センサの出力信号の入力、機関回転数の演算、燃料噴射量の演算、燃料噴射時期の演算などを実行
する。基本ルーチンにおいてＥＣＵ２３が入力した各種信号やＥＣＵ２３が演算して得られた各種制御値は、ＥＣＵ２３のＲＡＭに一時的に記憶される。

更に、ＥＣＵ２３は、各種のセンサやスイッチからの信号の入力、一定時間の経過、あるいはクランクポジションセンサ２４からのパルス信号の入力などをトリガとした割り込み処理において、ＲＡＭから各種制御値を読み出し、それら制御値に従って燃料噴射弁３等を制御する。

例えば、ＥＧＲ制御では、先ず機関回転数、水温センサ２５の出力信号（冷却水温度）、アクセルポジションセンサの出力信号（アクセル開度）等を読み出し、冷却水温度が所定温度以上にあり、かつ機関回転数、アクセル開度等から定まる内燃機関の運転状態が所定の運転領域である場合に、ＥＧＲガスを再循環させるようにする。そして、かかる場合は、ＥＣＵ２３は、機関回転数とアクセル開度とをパラメータとしてＥＧＲ弁開度制御マップへアクセスし、前記機関回転数及び前記アクセル開度に対応した目標ＥＧＲ弁開度を算出し、当該目標ＥＧＲ弁開度に対応した駆動電力をＥＧＲ弁１９に印加する。一方、上記したような運転領域外である場合には、ＥＣＵ２３は、ＥＧＲ弁１９を全閉状態とするように制御する。

ところで、内燃機関１はディーゼル機関であり、このディーゼル機関の場合は、通常理論空燃比よりもはるかにリーン域で燃焼を行う。そのため、通常の機関運転状態ではＮＯｘ触媒１５に流入する排気ガスの空燃比は非常にリーンであり、排気ガス中のＮＯｘはＮＯｘ触媒１５に保持されていく。

ガソリン機関の場合は、燃焼室に供給する混合気をストイキまたはリッチ空燃比にすることにより排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチ空燃比にさせて、ＮＯｘ触媒１５に保持されているＮＯｘを放出することができる。しかし、ディーゼル機関においてはその燃焼室に供給する混合気を理論空燃比あるいはリッチ空燃比にすると、燃焼の際に煤が発生するなどの問題がありガソリン機関と同じような空燃比での使用はできない。それゆえ、通常の機関運転状態では、ＮＯｘ触媒１５から放出されるＮＯｘ量は極めて少なくなる。

したがって、ディーゼル機関では、ＮＯｘ触媒１５のＮＯｘ保持能力が飽和する前の所定のタイミングで、排気ガス中に還元剤を供給して排気ガスの空燃比を理論空燃比あるいはリッチにし、ＮＯｘ触媒１５が保持していたＮＯｘを放出し還元する必要がある。

この還元剤としては、ディーゼル機関１の燃料である軽油を使用する。燃料を使用するのは、ＮＯｘ触媒１５に対する還元剤としての作用と、触媒の温度を上げて活性化させる（他ＰＭを燃やす等）作用とを併せ持つからである。そして、この還元剤を排気ガス中に添加するために、上述した還元剤添加装置５０の還元剤添加弁２１が１番気筒（♯１）の排気ポートに取り付けられている。

この還元剤を添加する時期として、本実施例では、ＥＣＵ２３は内燃機関１の運転状態の履歴からＮＯｘ触媒１５に保持されたＮＯｘ量を推定し、その推定ＮＯｘ量が予め設定された所定値に達したときに、還元剤添加弁２１を開弁して所定量の燃料を排気ガス中に添加する。

この添加時期および添加量は、ＥＣＵ２３がＲＯＭに記憶されたプログラムを実行することにより行われ、そのとき、機関回転数と負荷の相関関係として予めＲＯＭに記憶されている機関回転数−負荷マップを使用する。すなわち、内燃機関１の運転状態に基づいて機関回転数−負荷マップからＥＧＲガスを循環させる運転領域にあるか否かを求め、この
当該運転領域内である場合はＥＣＵ２３が還元剤添加実行時と判断して還元剤を排気ガス中に添加する。そして当該運転領域内でない時は還元剤添加非実行時と判断して還元剤の添加を止める。

ここで、還元剤添加弁２１について図２に基づいて説明する。図２に示される還元剤添加弁２１では、インナハウジング５１に固定された略円筒状のニードルボディ５２の先端に噴射口としての噴射ノズル５３が設けられている。噴射ノズル５３の内側にはバルブシート（弁座）５４が設けられている。

また、ニードルボディ５２内には、弁部材としての円柱状のニードル５５が軸方向へ移動可能に挿設されており、ニードル５５の一端部にはバルブシート５４に当接して噴射ノズル５３を閉塞可能な弁部としてのバルブ５６が形成されている。

この還元剤添加弁２１は、コイル５７等より成る電磁アクチュエータの非作動状態では、ニードル５５の他端部に連結されたコイルスプリングの付勢力及び燃料圧力によって、ニードル５５のバルブ５６がバルブシート５４に押し付けられて噴射ノズル５３が閉塞されるようになっている。

コイル５７が通電され電磁アクチュエータが作動すると、ニードル５５が上記付勢力及び燃料圧力に抗してリフトして噴射ノズル５３が開放され、この噴射ノズル５３から燃料が噴射される構成である。一方、コイル５７への通電を遮断し電磁アクチュエータの作動を解除すると、上記付勢力及び燃料圧力によってニードル５５が下降し噴射ノズル５３が再度閉塞されるようになっている。

このように構成された還元剤添加弁２１は、図２に示すように排気ポートに露出しているので、排気ガスに晒されることになり排気ガスから熱を受けて温度が高くなる。そして、約１６０℃以上の高温になると、ニードルボディ５２あるいは噴射ノズル５３に存在する燃料の軽質分が蒸発し重質分が固まることで噴射ノズル５３につまりが発生してしまうおそれがある。そしてかかる場合には、還元剤たる燃料を添加することができなくなり、燃料の添加が不安定となったりあるいは異常噴射を起こしたりして、還元剤添加量が制御不能となる不都合を生ずるおそれがある。

上述したＥＧＲ装置のＥＧＲ弁が開かれＥＧＲガスを循環させている時（「ＥＧＲＯＮ」時）にはもともと還元剤たる燃料を添加するので、当該燃料により噴射ノズル５３等が冷やされ当該還元剤添加弁２１の温度は高温とならないが、ＥＧＲ弁が閉じられＥＧＲガスを循環させていない時（「ＥＧＲＯＦＦ」時）には、還元剤が添加されないので、還元剤添加弁２１の温度が高温となるおそれがある。

そこで、当該還元剤添加弁２１を備える本実施例における還元剤添加装置５０は、以下のように構成されている。すなわち、図２に示すように還元剤添加弁２１の前記インナハウジング５１はアウタハウジング（嵌合部材）５８に嵌合されている。当該アウタハウジング５８は中空になっておりガス通路５９が形成されている。アウタハウジング５８には、蛇腹形状で軸方向に伸縮可能なダイヤフラム（伸縮部材）６０の一端が溶接等で固定されており、ダイヤフラム６０の他端は、排気ポートにボルトで固定された台座（固定部材）６１に溶接等で固定されている。そして、図２に示すようにアウタハウジング５８、台座５９及びダイヤフラム６０の内部でドーナツ状のガス室６２を形成している。

また、アウタハウジング５８には、ワッシャ６３を介してアイユニオン６４がボルト６５で締結されている。このアイユニオン６４には図に示すような孔６４ａが、ボルト６５には図に示すような孔６５ａが形成されている。

そして、図２に示したアイユニオン６４の一方は、図１に示すようにインタクーラ１１下流の吸気通路７と冷却ガス導入管３０を介して連結されており、図２に示した他方のアイユニオン６４は、図１に示すようにＮＯｘ触媒１５下流の排気通路１４と冷却ガス導出管３１を介して連結されている。また、冷却ガス導出管３１の途中には、ＥＣＵからの指令に基づき駆動され、当該冷却ガス導出管３１内の流路面積を変更可能な電磁弁等の冷却ガス量調節弁３２が設けられている。

このように構成された還元剤供給装置においては、冷却ガス量調節弁３２が開かれると、インタクーラ１１を通過し当該インタクーラ１１で冷やされた吸気の一部が、冷却ガス導入管３０内を通り前記一方のアイユニオン６４に至り、図２に矢印で示したように、当該アイユニオン６４に形成された孔６４ａ及びボルト６５に形成された孔６５ａを通り、アウタハウジング５８内部のガス通路５９に流入する。その後、当該吸気は、ボルト６５に形成された孔６５ａ及び前記他方のアイユニオン６４に形成された孔６４ａを通り、冷却ガス導出管３１を介してＮＯｘ触媒１５下流の排気通路１４に排出される。

このようにしてアウタハウジング５８内部のガス通路５９を流通する冷却ガスにより、燃料噴射弁の噴射ノズル５３等が冷却される。これにより、噴射ノズル５３等が高温にはならず、燃料が固まらなくなり、噴射ノズル５３等がつまることを防止することができる。

なお、冷却ガス導入管３０、アイユニオン６４に形成された孔６４ａ及びボルト６５に形成された孔６５ａで、アウタハウジング５８内部のガス通路５９と吸気通路７とを連通し吸気通路７を流通するガスの一部をガス通路５９に導くガス導入通路を構成している。また、ボルト６５に形成された孔６５ａ、アイユニオン６４に形成された孔６４ａ及び冷却ガス導出管３１で、ガス通路５９と排気通路１４とを連通しガス通路５９を流通したガスを排気通路１４に排出するガス排出通路を構成している。

また、冷却ガス導入管３０内を通り前記一方のアイユニオン６４に至った吸気の一部は、図２に矢印で示したように、当該アイユニオン６４に形成された孔６４ａ及びボルト６５に形成された孔６５ａを通過してガス室６２に流入する。特に、高負荷運転領域においては、過給圧力が高くなり高圧力の吸気がガス室６２に流入することとなる。これによりガス室６２内の圧力が高くなり、図３に示すようにアウタハウジング５８が、台座６１に対して軸方向上方に押し上げられる。それに伴い、アウタハウジング５８に嵌合された燃料噴射弁も上方に押し上げられ、排気ポートに露出していた噴射ノズル５３が排気ポートに露出しなくなり、高温の排気ガスに晒されなくなる。これにより、噴射ノズル５３を排気ガスの熱から保護することができる。

なお、上述したようにアウタハウジング（嵌合部材）５８、ダイヤフラム（伸縮部材）６０及び台座（固定部材）６１が、内燃機関の一部である排気ポートに対して還元剤添加弁２１を相対的に移動させることが可能な移動手段として機能する。また、冷却ガス導入管３０、アイユニオン６４に形成された孔６４ａ及びボルト６５に形成された孔６５ａで、ガス室６２と吸気通路７とを連通し吸気通路７を流通するガスの一部をガス室６２に導くガス導入通路を構成している。

上述のようにして還元剤添加弁２１の温度を低下させることができるが、当該弁で還元剤たる燃料を添加する必要がある時には、添加する燃料が気化し易いような温度（例えば１５０℃）であることが好ましい。そして、還元剤添加弁２１の温度を制御するにあたっては、噴射ノズル５３の目標温度を例えば１５０℃に設定し、当該目標温度を維持できるように冷却ガス量調節弁３２の開度を制御する。

そして、冷却ガス量調節弁３２の開度を制御するにあたっては、以下に示す弁開度制御に基づいて行う。具体的に、弁開度制御について、当該制御の制御ルーチンを示す図４のフローチャート図に沿って説明する。

本制御ルーチンは、予めＥＣＵ２３のＲＯＭに記憶されているルーチンであり、一定時間の経過、或いはクランクポジションセンサからのパルス信号の入力などをトリガとした割り込み処理として弁開度制御手段としても機能するＥＣＵ２３が実行するルーチンである。

本制御ルーチンでは、ＥＣＵ２３は、先ず、ステップ（以下「Ｓ」と示す。）１０１において、ＥＧＲガスを吸気系に循環させていない「ＥＧＲＯＦＦ」の状態であるか否かを判定する。そして、本ステップで肯定判定された場合にはＳ１０２へ進む。

Ｓ１０２においては、還元剤添加弁の温度Ｔを把握する。内燃機関始動開始から未だ冷却ガス調節弁３２が開かれていない段階においては、還元剤添加弁の温度は排気ガスから受けた熱量に応じて変化するので、当該温度と、排気ガスの温度及び排気ガス量（吸入空気量）の履歴の相関関係を予め実験等により導き出してマップとしてＲＯＭに記憶しておき、本ステップでは、当該マップに排気温度センサ１７の検出値に基づいて算出される排気ガス温度の履歴及びエアフローメータ９の検出値に基づいて算出される吸入空気量の履歴を代入することにより算出するものである。また、噴射ノズル５３の温度に対応した電気信号を出力する温度センサを設けて直に検出してもよい。

その後、Ｓ１０３へ進み、冷却ガス流量調節弁３２の開度を算出する。これは、図５に示すような当該開度と還元剤添加弁の温度との相関関係を予め実験等により導き出してマップとしてＲＯＭに記憶しておき、本ステップでは、当該マップにＳ１０２で把握した還元剤添加弁の温度Ｔを代入することにより算出するものである。

その後、Ｓ１０４へ進み、Ｓ１０３で算出した開度となるように冷却ガス流量調節弁３２を制御する。つまり、当該開度に対応した駆動電力を冷却ガス流量調節弁３２に印加する。その後、Ｓ１０５に進み、Ｓ１０２で把握した還元剤添加弁の温度Ｔが所定温度Ｔｂ以下であるか否かを判定する。そして、肯定判定された場合は本ルーチンの実行を終了し、否定判定された場合にはＳ１０６へ進み、内燃機関の出力を低下させるべく気筒内に噴射する燃料量を減少させる。

なお、所定温度Ｔｂは、当該温度以上に還元剤添加弁の温度が上昇し継続する場合には燃料の軽質分が蒸発し重質分が固まることで噴射ノズル５３につまりを発生させ易くしてしまう最低温度よりもやや低めに設定される値であり、例えば約１６５℃であることを例示することができる。また、内燃機関の出力を低下させるべく減少させる燃料量は、当該温度を十分に低下させることができる所定量でもよいし、還元剤添加弁の温度Ｔに応じて変化する量でもよい。

Ｓ１０１で否定判定された場合、つまりＥＧＲガスが吸気系に循環されている（「ＥＧＲＯＮ」）運転領域である場合には、還元剤添加弁から頻繁に還元剤たる燃料が添加され、噴射ノズル５３が冷やされるので、上述したように噴射ノズル５３を吸気で冷やす必要がない。それゆえ、かかる場合にはＳ１０７へ進み、冷却ガス流量調節弁３２の開度を零に制御して本ルーチンの実行を終了する。

かかる弁開度制御に基づいて冷却ガス流量調節弁３２の開度を制御することにより、還元剤添加２１から還元剤を添加しない運転領域である「ＥＧＲＯＦＦ」時においても、
精度よく噴射ノズル５３など還元剤添加弁２１の温度を適切な温度に制御することができ、噴射ノズル５３につまりが発生することに起因して、燃料の添加が不安定となったりあるいは異常噴射を起こしたりして、還元剤添加量が制御不能となる不都合を回避することができる。

実施例１に係る還元剤添加装置を備えた内燃機関の概略構成を示す図である。実施例１に係る還元剤添加装置の概略構成を示す図である。図２（ａ）のＡ−Ａ部の断面図である。実施例１に係る還元剤添加装置の還元剤添加弁が移動した状態を示す図である。実施例１に係る弁開度制御の制御ルーチンのフローチャート図である。冷却ガス流量調節弁の開度と還元剤添加弁の温度との相関関係を示す図である。

符号の説明

１内燃機関
３燃料噴射弁
４コモンレール
６燃料ポンプ
７吸気通路
１０過給器
１１インタクーラ
１２吸気絞り弁
１３吸気絞り用アクチュエータ
１４排気通路
１５ＮＯｘ触媒
１８ＥＧＲ通路
１９ＥＧＲ弁
２０ＥＧＲクーラ
２１還元剤添加弁
２２還元剤供給路
２３ＥＣＵ
５０還元剤添加装置
５１インナハウジング
５２ニードルボディ
５３噴射ノズル
５４バルブシート
５５ニードル
５６バルブ
５７コイル
５８アウタハウジング
５９ガス通路
６０ダイヤフラム
６１台座
６２ガス室
６４アイユニオン
６５ボルト

Claims

内燃機関の排気通路に設置され還元剤の存在下で排気ガスに含まれる窒素酸化物を浄化する触媒に対して、当該触媒の上流側の排気通路に還元剤を添加する還元剤添加装置であって、
前記排気通路に還元剤を添加する還元剤添加弁と、
当該還元剤添加弁の周囲に形成されたガス通路と、
当該ガス通路と前記内燃機関の吸気通路とを連通し当該吸気通路を流通するガスの一部を前記ガス通路に導くガス導入通路と、
前記ガス通路と前記排気通路とを連通し前記ガス通路を流通したガスを前記排気通路に排出するガス排出通路と、
を備えたことを特徴とする還元剤添加装置。
前記ガス導入通路は、前記ガス通路と前記内燃機関に備えられた過給器及びインタクーラの下流側の吸気通路とを連通し、前記過給器にて加圧された後インタクーラで冷却されたガスを前記ガス通路に導くことを特徴とする請求項１に記載の還元剤添加装置。
内燃機関の排気通路に設置され還元剤の存在下で排気ガスに含まれる窒素酸化物を浄化する触媒に対して、当該触媒の上流側の排気通路に還元剤を添加する還元剤添加装置であって、
前記排気通路に還元剤を添加する還元剤添加弁と、
当該還元剤添加弁が嵌合された嵌合部材と、前記内燃機関に固定された固定部材と、一端が前記嵌合部材に固定され他端が前記固定部材に固定されて前記嵌合部材と前記固定部材と共に形成したガス室にガスが流入することによりそのガスの圧力で伸びることが可能な伸縮部材と、を有する移動手段と、
前記ガス室と前記内燃機関の吸気通路とを連通し当該吸気通路を流通するガスの一部を前記ガス室に導くガス導入通路と、
を備えたことを特徴とする還元剤添加装置。
前記ガス導入通路は、前記ガス室と前記内燃機関に備えられた過給器の下流側の吸気通路とを連通し、前記過給器にて加圧されたガスを前記ガス室に導くことを特徴とする請求項３に記載の還元剤添加装置。