JP2008038728A - 還元剤供給装置及び還元剤供給装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】還元剤添加部における、生産時の噴孔面積の微妙なばらつきや、使用に伴う還元剤の結晶化やＰＭ等の異物の付着による噴孔面積の減少の程度に関わらず、適量の還元剤を排気通路中に添加することができる還元剤供給装置及び還元剤供給装置の制御方法を提供する。
【解決手段】高圧エアが到達する箇所に圧力センサを配置し、圧力センサに高圧エアが到達する状態において圧力センサが測定した値を所定の基準値と比較し、還元剤添加部の噴孔面積と標準噴孔面積との差を演算する演算手段と、演算結果に基づき、還元剤噴射弁のｄｕｔｙ比を変化させることにより還元剤噴射弁から供給される還元剤の量を制御する噴射制御手段とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、還元剤供給装置及び還元剤供給装置の制御方法に関する。特に、液体還元剤に高圧エアを混合した還元剤を排気通路中に供給するエアアシスト式の還元剤供給装置及び還元剤供給装置の制御方法に関する。

従来、ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排気ガス中には、環境に影響を及ぼすおそれのある黒煙微粒子（以下、ＰＭと称する）や窒素酸化物（以下、ＮＯ_Xと称する）等が含まれている。このうち、ＮＯ_Xを浄化するために用いられる排気浄化装置として、排気ガス中に尿素や生ガス（ＨＣ）等の還元剤を添加し、触媒を用いてＮＯ_Xを還元浄化する排気浄化装置が知られている。

このような排気浄化装置の一態様としてのＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システムは、排気ガス中のＮＯ_X（ＮＯやＮＯ₂）を選択的に還元する触媒を用い、排気ガス中に尿素やＨＣを主成分とする還元剤を供給することにより、ＮＯ_Xを触媒で還元反応させ、窒素と水、二酸化炭素等に分解して放出するものである。かかるＳＣＲシステムにおける還元剤の供給装置としては、タンク内に貯蔵された液体の還元剤を、ポンプによって汲み上げ、圧送するとともに、還元剤噴射弁で噴射量を調整しつつ混合室内に噴射する一方、当該混合室内で高圧エアと混合し、排気管に配置された添加ノズルなどを介してＮＯ_X還元触媒に対して供給する、エアアシスト式の還元剤供給装置がある。

ここで、還元剤を供給する際においては、還元剤噴射弁の上流側には、ポンプから圧送される還元剤による圧力が生じ、還元剤噴射弁の下流側には、高圧エアによる圧力が生じている。これらの圧力は、還元剤の供給時においては、常に上流側の圧力が高くなっているものの、圧力差は運転状況などにより常に変動し、還元剤噴射弁からの還元剤の噴射量は、その圧力差による影響を受けやすくなっている。
すなわち、ポンプから還元剤噴射弁に圧送される還元剤の量が一定の場合であっても、上流側と下流側の圧力差が小さくなると、噴射される還元剤に対する下流側の圧力による抵抗が相対的に高まるため、還元剤噴射弁は還元剤を噴射しづらくなり、触媒への供給量が減少するおそれがある。一方、還元剤噴射弁の上流側と下流側の圧力差が大きくなると、噴射される還元剤に対する下流側の圧力による抵抗が相対的に低くなるため、還元剤噴射弁は還元剤を噴射しやすくなり、触媒への供給量が増加するおそれがある。

そこで、ＮＯ_X浄化装置における、単位時間当たりに供給される還元剤量を簡単かつ正確に制御できるような排気ガス浄化装置への液状還元剤の注入装置が提案されている（特許文献１参照）。より詳細には、図７に示すように、還元剤３９２を案内する還元剤供給管３９８並びに気体を案内する気体管３８１がそれぞれ開口し還元剤３９２を気体３８２と混合するための混合室３７８と、気体管３８１内の気体圧に関係して還元剤供給管３９８内の還元剤流量を制御するための制御装置３５２とを備えている排気ガス浄化装置への液状還元剤の注入装置３１０である。

特表２００１−５２２９７０号公報 （特許請求の範囲 図１）

しかしながら、特許文献１に開示された液状還元剤の注入装置は、噴霧ノズル（還元剤添加部に相当）の生産時における噴孔面積の微妙なばらつきや、使用に伴う還元剤の結晶化、ＰＭ等の異物の付着による噴孔面積の減少については考慮されていない。そのため、噴霧ノズルの噴孔面積が、本来的に想定する面積とは異なっている場合には、還元剤流量を適確に制御することができないおそれがある。
また、特許文献１の液状還元剤の注入装置では、還元剤の流量制御のために電磁式配量弁が用いられているが、電磁コイル等の磁石部分は熱による影響を受けやすく、流量制御を正確に行うことができないおそれがある。さらに、電磁式配量弁は、動作的に単純な機械的な構成の弁ではなく、複雑な電磁制御が必要であるため、上述の熱やＰＭ等の異物によって制御動作に影響を受けやすく、還元剤流量を適確に制御することができないおそれがある。

そこで、本発明の発明者らは鋭意努力し、還元剤供給装置において、開弁時間をｄｕｔｙ制御可能な還元剤噴射弁を用いるとともに、所定箇所に圧力センサを配置し、圧力センサにより計測される圧力値を用いて演算される還元剤添加部の噴孔面積と標準噴孔面積との差に応じて還元剤噴射弁のｄｕｔｙ比を制御することにより、上述した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、本発明の目的は、還元剤添加部の噴孔面積に応じて還元剤噴射弁のｄｕｔｙ比を制御することにより、触媒に添加する還元剤量を適確に制御することができる還元剤供給装置及び還元剤供給装置の制御方法を提供することである。

本発明によれば、貯蔵タンク内の還元剤を圧送するポンプと、開弁時間をｄｕｔｙ制御することにより、ポンプから圧送される還元剤を噴射する還元剤噴射弁と、還元剤噴射弁によって噴射された還元剤と高圧エアとを混合するための混合室と、高圧エアを供給するための高圧エア供給手段と、高圧エアと混合された還元剤を、排気通路中に配置されたＮＯ_X還元触媒の上流側に添加する還元剤添加部と、を備えた還元剤供給装置であって、高圧エアの圧力が到達する箇所に配置された圧力センサと、圧力センサに高圧エアが到達している状態で、圧力センサによって測定される圧力値を所定の基準値と比較することにより、還元剤添加部の噴孔面積と標準噴孔面積との差を演算する演算手段と、演算手段の演算結果に応じて、還元剤噴射弁のｄｕｔｙ比を制御する噴射制御手段と、を備える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。

また、本発明の還元剤供給装置を構成するにあたり、高圧エア供給手段と混合室とを接続するエア通路に、エア圧調節バルブを備えることが好ましい。

また、本発明の還元剤供給装置を構成するにあたり、エア通路における、エア圧調節バルブの下流側にオリフィスを備えることが好ましい。

また、本発明の還元剤供給装置を構成するにあたり、圧力センサを、エア通路に備えることが好ましい。

また、本発明の還元剤供給装置を構成するにあたり、圧力センサを、混合室と還元剤添加部とを接続する還元剤通路に備えることが好ましい。

また、本発明の別の態様は、貯蔵タンク内の還元剤を圧送するポンプと、開弁時間をｄｕｔｙ制御することにより、ポンプから圧送される還元剤を噴射する還元剤噴射弁と、還元剤噴射弁によって噴射された還元剤と高圧エアとを混合するための混合室と、高圧エアを供給するための高圧エア供給手段と、高圧エアと混合された還元剤を、排気通路中に配置されたＮＯ_X還元触媒の上流側に添加する還元剤添加部と、を備えた還元剤供給装置の制御方法であって、高圧エアが到達する箇所でエア圧力を測定し、測定された圧力値を所定の基準値と比較することにより、還元剤添加部の噴孔面積と標準噴孔面積との差を演算するとともに、当該演算結果に基づき、還元剤噴射弁のｄｕｔｙ比を制御することを特徴とする還元剤供給装置の制御方法である。

また、本発明の還元剤供給装置の制御方法を実施するにあたり、エア圧力の測定を複数回行い、所定回数連続して同じ圧力値を示したときに、その圧力値を所定の基準値と比較することが好ましい。

本発明の還元剤供給装置によれば、圧力センサで測定される圧力値を所定の基準値と比較することにより、還元剤添加部の噴孔面積のばらつきを求め、この噴孔面積のばらつきに応じて、還元剤噴射弁のｄｕｔｙ比を変化させることにより、排気通路中に供給する還元剤の量を適確に制御することができる。
また、所定の演算手段及び噴射制御手段以外は、従来の還元剤供給装置に備えてある部材をそのまま使用することができるため、比較的簡易な構成で還元剤添加部の噴孔面積のばらつきを求め、触媒に供給する還元剤の量を適確に制御することができる。

また、本発明の還元剤供給装置において、エア通路にエア圧調節バルブを備えることにより、供給される高圧エアの圧力を調節することができる。したがって、供給される高圧エアの圧力のばらつきを低減でき、還元剤添加部の噴孔面積のばらつきによる圧力変化をより精度良く検知することができる。

また、本発明の還元剤供給装置において、エア圧調節バルブの下流側にオリフィスを備えることにより、オリフィス上流側で、オリフィス下流側における圧力変動の影響を受けずに、高圧エア供給手段から供給されるエア圧力の調節を精度良く行うことができる一方、オリフィス下流側で、供給されるエアの圧力の影響を受けずに、還元剤添加部の噴孔面積のばらつきによる圧力変化を正確に検知することができる。

また、本発明の還元剤供給装置において、圧力センサをエア通路に備えることにより、モジュール構成の自由度を高めることができる。

また、本発明の還元剤供給装置において、圧力センサを混合室と還元剤添加部とを接続する還元剤通路に備えることにより、還元剤添加部以外の影響によるエア圧力の変化を排除することができるため、より精度良く還元剤添加部の噴孔面積のばらつきを求めることができる。

また、本発明の還元剤供給装置の制御方法によれば、測定されるエア圧力値を所定の基準値と比較することにより、標準噴孔面積に対する還元剤添加部の噴孔面積の増減量を求め、この噴孔面積の差に応じて、還元剤噴射弁のｄｕｔｙ比を変化させることにより、排気通路中に供給する還元剤の量を適確に制御することができる。

また、本発明の還元剤供給装置の制御方法において、所定回数連続して同じ圧力値を示したときに、その圧力値を所定の基準値と比較することにより、誤差や異常値が検出された場合であってもその影響を排除して、還元剤噴射弁の異常制御を防止することができる。

なお、本明細書において、「噴孔面積」とは、還元剤添加部に形成された噴孔の、還元剤の流れ方向に対して垂直に交差する方向に沿って切断した断面の面積を意味し、噴孔が複数存在する場合には、複数の噴孔の断面積の合計面積を意味する。

以下、図面を参照して、本発明の還元剤供給装置及び還元剤供給装置の制御方法に関する実施形態について具体的に説明する。ただし、かかる実施形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の範囲内で任意に変更することが可能である。
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を示しており、適宜説明が省略されている。

［第１の実施の形態］
本発明の第１の実施の形態は、貯蔵タンク内の還元剤を圧送するポンプと、開弁時間をｄｕｔｙ制御することにより、ポンプから圧送される還元剤を噴射する還元剤噴射弁と、還元剤噴射弁によって噴射された還元剤と高圧エアとを混合するための混合室と、高圧エアを供給するための高圧エア供給手段と、高圧エアと混合された還元剤を、排気通路中に配置されたＮＯ_X還元触媒の上流側に添加する還元剤添加部と、を備えた還元剤供給装置である。
本実施形態の還元剤供給装置は、高圧エアの圧力が到達する箇所に配置された圧力センサと、圧力センサに高圧エアが到達している状態で、圧力センサによって測定される圧力値を所定の基準値と比較することにより、還元剤添加部の噴孔面積と標準噴孔面積との差を演算する演算手段と、演算手段の演算結果に応じて、還元剤噴射弁のｄｕｔｙ比を制御する噴射制御手段と、を備えることを特徴とする。

１．内燃機関
還元剤供給装置によって浄化する排気ガスを排出する内燃機関としては、ディーゼルエンジンやガソリンエンジンが典型的であるが、現状においてＮＯ_Xの浄化が課題とされるディーゼルエンジンを対象とすることが適している。
また、内燃機関の回転数や、燃料噴射タイミング、燃料噴射量等を検出する内燃機関の運転状態の検出手段を備えるとともに、これらの検出結果をもとに、排気ガス中のＮＯ_X濃度を演算したり、対応する還元剤噴射量を制御したりできるように構成してあることが好ましい。

また、内燃機関の排気ガスの排出口には排気通路が接続されており、その途中に、ＮＯ_Xを還元するためのＮＯ_X還元触媒が配設されている。
このＮＯ_X還元触媒１３の種類については特に制限されるものではなく、公知のもの、例えば、多孔質担体上に、活性成分としてのストロンチウム又はバリウム、及びマグネシウム等のアルカリ土類金属や、セリウムとランタン等の希土類金属、白金とロジウム等の貴金属等を含むものを用いることができる。

２．還元剤供給装置
図１は、本実施形態の還元剤供給装置３０の構成例を示す図である。
この還元剤供給装置３０は、液体の還元剤が貯蔵された貯蔵タンク３１と、貯蔵タンク３１内の還元剤を汲み上げ、圧送するポンプ３５と、ポンプ３５から圧送される還元剤を、開弁時間をｄｕｔｙ制御しながら噴射する還元剤噴射弁３６と、還元剤噴射弁３６によって噴射された還元剤と高圧エアとを混合するための混合室３２と、高圧エアを供給する高圧エア供給手段３３と、高圧エアと混合された還元剤を排気通路２０内に添加する還元剤添加部１５とを備えている。
また、混合室３２と還元剤添加部１５、ポンプ３５と還元剤噴射弁３６、還元剤噴射弁３６と混合室３２は、それぞれ第１の還元剤通路１７、第２の還元剤通路１８によって接続され、高圧エア供給手段３３と混合室３２とは、エア通路１９によって接続されている。
また、図１に示す還元剤供給装置３０の例では、混合室３２と還元剤添加部１５とを接続する第１の還元剤通路１７に圧力センサ４３が配置されている。そして、ＣＰＵ５０には、圧力センサ４３による測定値をもとに還元剤添加部１５の噴孔面積と標準噴孔面積との差を算出する演算手段４５と、演算手段４５による演算結果に基づき還元剤噴射弁３６のｄｕｔｙ比を制御する噴射制御手段４７とが備えられている。

貯蔵タンク３１は、液体の還元剤を貯蔵しておくことができるタンクであれば特に制限されるものではない。また、ポンプ３５についても、貯蔵タンク３１中の還元剤を還元剤噴射弁３６に対して圧送させることができるものであれば特に制限されるものではない。

また、図１に示す還元剤供給装置３０は、第２の還元剤通路１８の途中から分岐し、貯蔵タンク３１に接続された環流通路２１を備えるとともに、この環流通路２１の途中に、還元剤を貯蔵タンク３１に還流させるための排出弁３８を備えている。この排出弁３８は、還元剤の供給終了後に開放され、第１及び第２の還元剤通路１７、１８や還元剤添加部１５、混合室３２、還元剤噴射弁３６に残存している余剰の還元剤を、還流通路２１を経て貯蔵タンク３１に還流させるための部位である。

また、本発明においては、ポンプ３１によって圧送される液体の還元剤を混合室３２側に噴射する還元剤噴射弁３６として、開弁時間のｄｕｔｙ比を制御することにより噴射量を制御できる弁が用いられる。一例としては、弁が全開位置又は全閉位置のいずれかに制御されるＯＮ／ＯＦＦ弁が挙げられる。このＯＮ／ＯＦＦ弁は、弁の開放度合いを調整するものではなく、比較的単純な機械的構成の弁である。

なお、ｄｕｔｙ比とは、ＰＷＭ（pulse width modulation）制御において、１周期当たりに占める、還元剤噴射弁３６の開弁時間の割合を意味し、ＯＮ／ＯＦＦ弁に代表されるような、開弁時間のｄｕｔｙ比を制御する弁では、図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、開弁時間のｄｕｔｙ比を変化させることで、還元剤の噴射量を制御することができる。具体的には、図２（ａ）に示すように、ｄｕｔｙ比が５０％の時の還元剤の噴射量を５０（相対値）とすると、還元剤噴射弁の上流側及び下流側の圧力が同じ状態で測定した場合に、図２（ｂ）に示すように、ｄｕｔｙ比が７５％の時には還元剤の噴射量が７５（相対値）に増量される一方、図２（ｃ）に示すように、ｄｕｔｙ比が２５％の時には還元剤の噴射量が２５（相対値）に減量される。

また、図１に示す高圧エア供給手段３３は、混合室３２内において還元剤噴射弁３６から噴射された液体の還元剤と混合する高圧エアを発生させ、供給する手段である。かかる高圧エア供給手段としては、例えば、エアポンプやコンプレッサを用いることができる。
また、トラックなどの大型車においては、通常エアブレーキ用のコンプレッサ等を備えており、このコンプレッサを高圧エア供給手段として併用することが好ましい。この理由は、新たに高圧エア発生手段を設ける必要がなく、コストの上昇を抑えつつ、省スペース化を図ることができるためである。

また、第２の還元剤通路１８とエア通路１９とが接続された混合室３２は、貯蔵タンク３１から還元剤噴射弁３６を介して供給された還元剤と、高圧エア供給手段３３より供給された高圧エアとを混合するための部位である。高圧エアと混合された還元剤は、第１の還元剤通路１７を経て還元剤添加部１５から排気通路２０中に添加される。

また、図１に示す還元剤添加装置３０の例では、エア通路１９の途中にオリフィス４１が備えられるとともに、高圧エア供給手段３３とオリフィス４１との間にエア流量計（図示せず）及びエア圧調節バルブ３７が備えられている。このエア圧調節バルブ３７を備えることにより、オリフィス４１の上流側では、オリフィス４１の下流側の圧力変化の影響を受けずに、圧力制御を精度良く行うことができる。したがって、所定の圧力値に制御されたエアを、オリフィス４１を通過させることによって、オリフィス４１の下流側でのエアの流速を高めつつ、エアの流量を一定の値に維持することができる。その結果、後述するように、圧力センサをエア通路のオリフィス下流側に備える場合に、供給される高圧エアの圧力のばらつきを排除して、還元剤添加部の噴孔面積のばらつきに起因した圧力変化を正確に検知することができる。

また、還元剤添加部１５は、例えば、混合室３２と第１の還元剤通路１７を介して接続され、先端部が排気通路内部に位置するとともに、当該先端部に複数の噴孔を有する添加ノズルが一般的である。ただし、かかる添加ノズルに制限されるものではなく、還元剤噴射弁３６から噴射された液体の還元剤に対して、混合室３２内で高圧エアが混合された還元剤を、排気通路２０中に供給することができるものであれば好適に用いることができる。

また、貯蔵タンク３１に貯蔵されたＮＯやＮＯ₂を還元させるための還元剤についても特に制限されるものではない。本実施形態の還元剤供給装置３０は、主として、尿素水、アンモニア水溶液等の液体の還元剤を用いた際の、還元剤添加部１５の生産時における噴孔面積の微妙なばらつきや、使用に伴う還元剤の結晶化やＰＭなどの異物付着による噴孔面積の減少の程度を精度よく測定し、測定結果に応じて還元剤噴射弁３６からの還元剤噴射量を制御するものである。
ただし、還元剤として未燃燃料（ＨＣ）等を用いた場合であっても、還元剤添加部１５の生産時における噴孔面積の微妙なばらつきや、異物による還元剤添加部１５の噴孔面積の減少についても同様に測定することができる。

かかる構成の還元剤供給装置３０は、触媒１３中でＮＯ_Xを還元浄化するための還元剤を供給するための装置であり、貯蔵タンク３１からポンプ３５を用いて圧送され、還元剤噴射弁３６によって噴射された液体の還元剤が、混合室３２内において高圧エアが混合された上で、還元剤添加部１５を介して触媒１３の上流側に供給される。そして、排気ガスとともに触媒１３に流れ込み、排気ガス中に含まれるＮＯやＮＯ₂と反応することによって、ＮＯやＮＯ₂を窒素（Ｎ₂）や水（Ｈ₂Ｏ）等に分解して放出させることができる。

このような還元剤供給装置３０において、還元剤添加部１５を生産する際に、噴孔面積に微妙なばらつきが生じることがある。噴孔面積が異なると、ポンプ３５から圧送される還元剤の量が一定であっても、還元剤添加部１５から供給される還元剤の添加量が異なってしまうおそれがある。

例えば、還元剤添加部１５の噴孔面積が標準噴孔面積と比較して大きい場合、排気通路２０中に添加される還元剤の添加量は、標準噴孔面積を有する還元剤添加部（以下、標準品と称する。）を用いた場合の添加量（以下、標準添加量と称する。）と比較して多くなる。
すなわち、還元剤添加部１５の噴孔面積が標準噴孔面積より大きい場合、高圧エアと混合された還元剤は、標準品と比較して、噴孔を通過しやすくなる。そのため、還元剤や高圧エアの供給経路内の圧力が、標準品を用いた場合と比較して低下することになる。そうすると、還元剤噴射弁３６の下流側の圧力が、標準品を用いた場合と比較して低くなるため、還元剤噴射弁３６による還元剤の噴射に対する下流側の圧力抵抗が小さくなることになる。そして、還元剤噴射弁のｄｕｔｙ比は、還元剤添加部１５の噴孔面積が、所定の標準噴孔面積である場合を想定して制御されるように設定されていることから、還元剤噴射弁３６のｄｕｔｙ比が一定の場合には、標準品を用いた場合と比較して還元剤が噴射されやすくなるため、排気通路２０中への還元剤の添加量が、標準添加量よりも多くなる。

一方、還元剤添加部１５の噴孔面積が標準噴孔面積と比較して小さい場合には、排気通路２０中に添加される還元剤の添加量は、標準添加量と比較して少なくなる。
すなわち、還元剤添加部１５の噴孔面積が標準噴孔面積より小さい場合、高圧エアと混合された還元剤が、標準品と比較して、噴孔を通過しにくくなる。そのため、還元剤や高圧エアの供給経路内の圧力が、標準品を用いた場合と比較して上昇することになる。そうすると、還元剤噴射弁３６の下流側の圧力が、標準品を用いた場合と比較して高くなるため、還元剤噴射弁３６による還元剤の噴射に対する下流側の圧力抵抗が大きくなることになる。そして、還元剤噴射弁３６のｄｕｔｙ比は、還元剤添加部１５の噴孔面積が、所定の標準噴孔面積である場合を想定して制御されるように設定されていることから、還元剤噴射弁３６のｄｕｔｙ比が一定の場合には、標準品を用いた場合と比較して還元剤が噴射されにくくなるため、排気通路２０中への還元剤の添加量が、標準添加量よりも少なくなる。

このような還元剤添加部１５の噴孔面積のばらつきによる、還元剤の添加量の増減は、還元剤が還元剤添加部１５の噴孔の近傍において結晶化することによって生じる場合もある。より具体的には、還元剤を供給した後には、第１及び第２の還元剤通路１７、１８等に残存する還元剤を除去することが行われているが、すべての還元剤を完全に除去することは困難であり、還元剤添加部１５の噴孔の近傍に還元剤が残存してしまう場合がある。還元剤が残存していると、内燃機関の運転中に、排気ガスの温度が所定範囲内（例えば、７０〜１３５℃）になった場合や、内燃機関を停止し、長時間放置した場合等に、還元剤中の水分が蒸発する一方で、還元剤が溶解せずに結晶化する場合がある。この還元剤の結晶化を還元剤添加部１５の噴孔部分で生じると、噴孔面積が減少することになる。
なお、還元剤の主成分として尿素を用いた場合の、還元剤が溶解しうる温度が約１３５℃、還元剤が結晶化しやすい温度が約７０℃であることを前提として説明しているが、それらの温度に限定することを意図するものではない。

さらに、還元剤の結晶化以外にも、例えば、排気ガスに含まれるＰＭ等の異物が、還元剤添加部１５に入り込んで、噴孔近傍に付着、蓄積することによっても、噴孔面積の減少を生じる場合がある。
このように、還元剤の結晶化や異物の付着による噴孔面積の減少が生じた場合においても、上述のとおり、還元剤噴射弁３６のｄｕｔｙ比が一定の場合には、標準品を用いた場合と比較して還元剤が噴射されにくくなるため、排気通路２０中への還元剤の添加量が、標準添加量よりも少なくなる。

これらのように、排気通路２０内に添加される還元剤量に誤差が生じると、触媒１３においてＮＯ_Xの還元、浄化を適確に行うことができず、還元剤の成分あるいはＮＯ_Xがそのまま放出されてしまうことになる。そこで、本実施形態の還元剤供給装置においては、還元剤添加部１５の噴孔面積と標準噴孔面積との差を求め、排気通路２０内に適量の還元剤が添加されるように補正を行うべく、所定の圧力センサ４３、演算手段４５、噴射制御手段４７を備えている。そして、圧力センサ４３に高圧エアが到達する状態において圧力値を測定し、測定された圧力値を、標準品を用いた場合に得られる基準値と比較することによって、還元剤添加部１５の噴孔面積と標準噴孔面積との差を演算する。この演算結果に基づき、噴射制御手段４７によって還元剤噴射弁３６のｄｕｔｙ比を制御することで、還元剤添加部１５の噴孔面積が、標準噴孔面積からずれている場合であっても、還元剤添加量を適確に制御することができる。

本実施形態の還元剤供給装置３０において、用いることができる圧力センサ４３は特に制限されるものではなく、公知のものを適宜使用することができる。
また、圧力センサ４３の配置位置に関し、還元剤添加部１５の噴孔面積のばらつきによる圧力変化は、高圧エアが到達する箇所であれば測定できることから、そのような箇所であれば特に制限されるものではない。

例えば、図１に示す還元剤供給装置３０の例では、圧力センサ４３を第１の還元剤通路１７に配置している。この位置に圧力センサを配置した場合には、還元剤添加部１５以外の部位による圧力の変動を少なくすることができる。したがって、還元剤添加部１５の噴孔面積と標準噴孔面積との差を精度良く算出することができる。

一方、還元剤添加部１５以外の部位による圧力への影響を排除できるような場合には、図３に示すように、圧力センサ４３をエア通路１９に配置することもできる。例えば、還元剤添加装置３０を複数のモジュール単位に分割して構成するような場合に、エア通路１９に圧力センサ４３を配置することにより、第１の還元剤通路１７を含まないモジュールの一部に圧力センサを組み入れることができ、モジュール構成の自由度を高めることができる。
また、図３に示す還元剤添加装置３０は、エア通路１９にオリフィス４１を備えているため、圧力センサ４３はエア通路１９におけるオリフィス４１の下流側に配置されている。したがって、高圧エア供給手段３３から供給される高圧エアの圧力値のばらつきを排除して、還元剤添加部１５の噴孔面積に起因した圧力変化を正確に検知することができる。

さらに、還元剤噴射弁３６から還元剤が供給されない状態においては、混合室３２を介して還元剤噴射弁３６の下流側の第２の還元剤通路１８にも高圧エアが到達することから、始動時等、還元剤の供給を停止した状態で圧力の測定を行う場合には、図４に示すように、還元剤噴射弁３６の下流側の第２の還元剤通路１８に圧力センサ４３を配置することもできる。このように構成することにより、還元剤を供給しない状態で通常閉じられている還元剤噴射弁３６を開放することなく、還元剤添加部１５の噴孔面積の違いによる圧力変化を検知することができる。

なお、圧力センサ４３を、第１の還元剤通路１７、エア通路１９、還元剤噴射弁３６の下流側の第２の還元剤通路１８のいずれか一箇所のみでなく、複数の箇所に配置することもできる。このように構成した場合には、生産コストが増加するものの、一箇所のみで測定を行う場合よりも精度良く、還元剤添加部１５の噴孔面積の違いによる圧力差を精度良く検知することができる。

また、ＣＰＵ５０に設けられた演算手段４５では、圧力センサ４３に高圧エアが到達する状態において圧力センサ４３によって測定される値を所定の基準値と比較することにより、還元剤添加部１５の噴孔面積と標準噴孔面積との差を算出する演算が行われる。
すなわち、還元剤添加部１５の噴孔面積が、標準噴孔面積とは異なっている場合には、高圧エアが供給されている状態で圧力センサによって測定される圧力値は、標準噴孔面積を有する還元剤添加部１５を用いた場合の圧力値とは異なる。このことを利用し、圧力センサ４３に高圧エアが到達する状態で測定される圧力値を、所定の基準値、すなわち標準噴孔面積を有する還元剤添加部１５を用いた際に測定される圧力値と比較することにより、還元剤添加部１５の噴孔面積と標準噴孔面積との差を算出するものである。例えば、測定される圧力値と、標準噴孔面積を有する標準品を用いた場合に測定される基準値との差分に応じて、あらかじめ準備されたｍａｐ等から、還元剤添加部１５の噴孔面積と標準噴孔面積との差を演算することができる。

ここで、ＣＰＵ５０には、圧力センサ４３によって複数回継続して圧力を検出し、所定回数連続して同じ圧力値を示したときに、その圧力値を所定の基準値と比較するための測定値とする計数手段（図示せず）を備えることが好ましい。
かかる計数手段を備えることにより、測定値に誤差や異常値が含まれ、還元剤添加部１５の噴孔面積の増減の演算が正確に行われなくなることを防ぐことができるため、演算手段４５による演算精度を向上させることができる。

また、噴射制御手段４７では、上述の演算手段４５による演算結果に基づき、還元剤噴射弁３６のｄｕｔｙ比を変化させることにより、還元剤噴射弁３６から噴射される還元剤の量の制御が行われる。
すなわち、上述のとおり、還元剤噴射弁３６のｄｕｔｙ比は、還元剤添加部１５の噴孔面積が、所定の標準噴孔面積である場合を想定して制御されるように設定されていることから、圧力センサ４３で測定される圧力値をもとにして演算される標準噴孔面積との差に応じて、還元剤噴射弁３６のｄｕｔｙ比を制御するものである。

そして、測定される圧力値が所定の基準値より高い場合、還元剤噴射弁３６の噴孔面積は標準品と比較して減少し、還元剤噴射量が想定される噴射量よりも減少しているものと考えられる。そのため、演算手段４５により噴孔面積の減少の程度を算出し、その演算結果に基づいて還元剤噴射量を増加させるように、噴射制御手段４７によりｄｕｔｙ比を適切に変化させる。逆に、測定される圧力値が所定の基準値より低い場合、還元剤噴射弁３６の噴孔面積は標準品と比較して増大し、還元剤噴射量が想定される噴射量よりも増加しているものと考えられる。そのため、演算手段４５により噴孔面積の増大の程度を算出し、その演算結果に基づいて還元剤噴射量を減少させるように、噴射制御手段４７によりｄｕｔｙ比を適切に変化させる。
より具体的には、図５に示すように、測定される圧力値が、基準値よりも大きくなるにしたがい、還元剤噴射量が増加するようにｄｕｔｙ制御によって補正を行い、測定される圧力値が、基準値よりも小さくなるにしたがい、還元剤噴射量が減少するようにｄｕｔｙ制御によって補正を行う。

このように、圧力センサ４３、演算手段４５、及び噴射制御手段４７を用いて、還元剤噴射弁３６から噴射される還元剤量の補正を行うことにより、還元剤添加部１５の噴孔面積が、所定の標準噴孔面積とは異なっている場合であっても、排気通路２０中に添加される還元剤量を、望まれる適切な量に補正することができる。したがって、還元剤の成分あるいはＮＯ_Xをそのまま大気中に放出することなく、ＮＯ_Xを効率的に還元、浄化することができる。

[第２の実施の形態]
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態で説明した還元剤供給装置の制御方法である。以下、図１に示す構成の還元剤供給装置３０を例にとって、当該還元剤供給装置３０の制御方法の一例について、図１及び図６のフローを参照しつつ説明する。

まず、ステップ１として、高圧エア供給手段３３から、所定の圧力の高圧エアを供給する。
このステップは、排気通路中に還元剤を添加する通常の運転状態で行うこともでき、あるいは、還元剤の添加を中止した状態で行うこともできる。ただし、通常運転の状態で行った場合には、還元剤の添加量を適時に調整しながら還元剤を添加することができることから、好適な態様である。

次いで、ステップ２では、第１の還元剤通路１７に配置された圧力センサ４３を用いて、第１の還元剤通路１７内の圧力を測定する。このとき、還元剤添加部１５の噴孔面積が、望まれる標準噴孔面積よりも大きくなっている場合には、第１の還元剤通路１７内の圧力は低下するため、想定される基準値よりも小さい値が検出される。一方、還元剤添加部１５の噴孔面積が、望まれる標準噴孔面積よりも小さくなっている場合には、第１の還元剤通路１７内の圧力は増加するため、想定される基準値よりも大きい値が検出される。

次いで、ステップ３では、圧力センサ４３によって検出された値を所定の基準値と比較することにより、還元剤添加部１５の噴孔面積と標準噴孔面積とに差が生じているかを判定する。その結果、噴孔面積に差がないと判定される場合には、再びステップ１に戻り、圧力の検知を繰り返す。一方、噴孔面積に差があると判定される場合には、ステップ４に進む。

ここで、ステップ３において、エア圧力の測定を複数回行い、所定の回数連続して同じ値となったときに、その値を圧力値の測定結果とすることが好ましい。このように実施することによって、圧力の測定誤差に基づく、異常制御を防ぐことができる。
すなわち、測定が一回のみである場合、測定された圧力値が測定誤差を含んでいると、その誤った値に基づいて還元剤噴射弁のｄｕｔｙ比が制御され、結果として、好ましい還元剤添加量が得られなくなる。一方、複数回測定を行い、所定回数連続して同じ値が測定された場合に、その測定値は誤差による影響を受けていない可能性が高いと考えられる。そのため、測定を複数回連続して行い、所定回数連続して同じ値となったときにその値を測定結果とすることにより、測定誤差の影響をなくすことができ、還元剤添加部の噴孔面積に応じて、還元剤添加量を精度良く制御することができる。

次いで、ステップ４では、圧力センサ４３によって検出された値と所定の基準値との差をもとに、還元剤添加部１５の噴孔面積と標準噴孔面積との差を演算する。
具体的には、演算手段４５において、測定される圧力値と、標準噴孔面積を有する標準品を用いた場合に測定される基準値との差分に応じて、あらかじめ準備されたｍａｐ等から、還元剤添加部１５の噴孔面積と標準噴孔面積との差を演算する。

次いで、ステップ５では、ステップ４における演算の結果に基づき、標準噴孔面積と比較した場合の還元剤添加部１５の噴孔面積の増減の程度に応じて、還元剤噴射弁３６のｄｕｔｙ比を変化させる。
具体的には、図５に例示されるように、還元剤添加部１５の噴孔面積が標準噴孔面積と比較して減少している場合は、還元剤噴射弁３６からの還元剤の噴射量が増加するように、還元剤噴射弁３６のｄｕｔｙ比を増加させる。逆に、還元剤添加部１５の噴孔面積が標準噴孔面積と比較して増大している場合は、還元剤噴射弁３６からの還元剤の噴射量が減少するように、還元剤噴射弁３６のｄｕｔｙ比を減少させる。
これによって、還元剤噴射弁３６を経て還元剤添加部１５から排気通路中に添加される還元剤の量を、還元剤添加部１５の噴孔面積に応じて、制御することができる。

これらのステップ１〜ステップ５を繰り返して行うことにより、還元剤添加部の生産時における加工精度に基因した噴孔面積のばらつきだけでなく、使用に伴う還元剤の結晶化やＰＭ等の異物の付着に基因した噴孔面積の減少をも適時に検出して、還元剤添加量の最適化を図ることができる。したがって、還元剤の成分あるいはＮＯ_Xそのまま大気中に放出されることを防止しつつ、効率的にＮＯ_Xの還元浄化を行うことができる。

以上説明したように、本発明の還元剤供給装置及び還元剤供給装置の制御方法によれば、測定される圧力値をもとにして、還元剤添加部の噴孔面積と標準噴孔面積との差を算出することができる。そして、その演算結果に基づき還元剤噴射弁のｄｕｔｙ比を変化させ、還元剤噴射量を制御することにより、排気通路中に添加する還元剤量を、所望の値に制御することができる。したがって、還元剤供給装置の還元剤添加部における、生産時の噴孔面積の微妙なばらつきや、使用に伴う還元剤の結晶化やＰＭ等の異物の付着による噴孔面積の減少の程度に応じて、適切な量の還元剤を添加することができ、排気浄化装置の信頼性を向上させることができるようになった。

第１の実施の形態にかかる還元剤供給装置の構成例を示す図である。 ｄｕｔｙ制御による噴射制御を説明するための図である。 第１の実施の形態の還元剤供給装置における圧力センサの配置を変えた構成例を示す図である。 第１の実施の形態の還元剤供給装置における圧力センサの配置を変えた構成例を示す図である。 所定の基準値に対する圧力センサによる測定値と、ｄｕｔｙ制御による還元剤噴射量の調節量との関係を示す図である。 第２の実施の形態にかかる還元剤供給装置の制御方法のフローを示す図である。 従来の還元剤供給装置の構成を示す図である。

符号の説明

５：還元剤、１３：触媒、１５：還元剤添加部、１７：第１の還元剤通路、１８：第２の還元剤通路、１９：エア通路、２０：排気通路、３０：還元剤供給装置、３１：貯蔵タンク、３２：混合室、３３：高圧エア供給手段、３５：ポンプ、３６：還元剤噴射弁、３７：エア圧調節バルブ、３８：排出弁、４１：オリフィス、４３：圧力センサ、４５：演算手段、４７：噴射制御手段、５０：ＣＰＵ

Claims (7)

1. 貯蔵タンク内の還元剤を圧送するポンプと、開弁時間をｄｕｔｙ制御することにより、前記ポンプから圧送される前記還元剤を噴射する還元剤噴射弁と、前記還元剤噴射弁によって噴射された前記還元剤と高圧エアとを混合するための混合室と、前記高圧エアを供給するための高圧エア供給手段と、前記高圧エアと混合された還元剤を、排気通路中に配置されたＮＯ_X還元触媒の上流側に添加する還元剤添加部と、を備えた還元剤供給装置において、
   前記高圧エアの圧力が到達する箇所に配置された圧力センサと、
   前記圧力センサに前記高圧エアが到達している状態で、前記圧力センサによって測定される圧力値を所定の基準値と比較することにより、前記還元剤添加部の噴孔面積と標準噴孔面積との差を演算する演算手段と、
   前記演算手段の演算結果に応じて、前記還元剤噴射弁のｄｕｔｙ比を制御する噴射制御手段と、
   を備えることを特徴とする還元剤供給装置。
2. 前記高圧エア供給手段と前記混合室とを接続するエア通路に、エア圧調節バルブを備えることを特徴とする請求項１に記載の還元剤供給装置。
3. 前記エア通路における、前記エア圧調節バルブの下流側にオリフィスを備えることを特徴とする請求項２に記載の還元剤供給装置。
4. 前記圧力センサを、前記エア通路に備え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。
5. 前記圧力センサを、前記混合室と前記還元剤添加部とを接続する還元剤通路に備え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。
6. 貯蔵タンク内の還元剤を圧送するポンプと、開弁時間をｄｕｔｙ制御することにより、前記ポンプから圧送される前記還元剤を噴射する還元剤噴射弁と、前記還元剤噴射弁によって噴射された前記還元剤と高圧エアとを混合するための混合室と、前記高圧エアを供給するための高圧エア供給手段と、前記高圧エアと混合された還元剤を、排気通路中に配置されたＮＯ_X還元触媒の上流側に添加する還元剤添加部と、を備えた還元剤供給装置の制御方法であって、
   前記高圧エアが到達する箇所でエア圧力を測定し、測定された圧力値を所定の基準値と比較することにより、前記還元剤添加部の噴孔面積と標準噴孔面積との差を演算するとともに、当該演算結果に基づき、前記還元剤噴射弁のｄｕｔｙ比を制御することを特徴とする還元剤供給装置の制御方法。
7. 前記エア圧力の測定を複数回行い、所定回数連続して同じ圧力値を示したときに、前記圧力値を前記所定の基準値と比較することを特徴とする請求項６に記載の還元剤供給装置の制御方法。

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