JP2017145745A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】析出物の粒径の増加による添加弁内の摩耗や添加弁の詰まりを抑制する。
【解決手段】内燃機関が停止すると、添加弁及び尿素水通路に貯留されている尿素水をタンクまで移動するようにポンプを操作する吸い戻し制御を実施する制御装置を備え、制御装置は、内燃機関の停止後で且つ吸い戻し制御の実施前に添加弁から尿素水を噴射させる掃出し制御を実施し、制御装置は、内燃機関が停止した時点の排気の温度が高いときは低いときよりも、掃出し制御において添加弁から噴射させる尿素水の量を多くする。
【選択図】図６

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

内燃機関の排気中に含まれるＮＯｘを、アンモニアを還元剤として浄化する選択還元型ＮＯｘ触媒（以下、単に「ＳＣＲ触媒」ともいう。）が知られている。また、排気中の粒子状物質（以下、ＰＭと称する）を捕集するフィルタにＳＣＲ触媒を担持することが知られている。ＳＣＲ触媒よりも上流側には、排気中に尿素水を供給する添加弁が設置される場合がある。排気中に添加された尿素水は、排気の熱やＳＣＲ触媒の熱により加水分解され、アンモニアが発生してＳＣＲ触媒に吸着される。

尿素水は例えば−１１℃程度で凍結する。外気温度が低い場合には、内燃機関の停止後に尿素水が添加弁内や尿素水を供給する通路内で凍結する虞がある。そして、尿素水が凍結すると、内燃機関の始動後に尿素水を添加できなくなったり、添加弁や尿素水を供給する通路が破損したりする虞がある。また、内燃機関の停止後には、排気および周辺部品から添加弁が熱を受け、且つ、排気による添加弁からの熱の持ち去りが無くなることで、内燃機関の作動中よりも添加弁の温度が一時的に上昇する。これにより、尿素水が添加弁内部に存在すると、添加弁内部で尿素水から析出物が発生することがあり、この析出物が添加弁内の摺動部の摩耗や添加弁の詰まりの原因となる。さらに、内燃機関の停止後の添加弁の温度上昇により、添加弁内部で尿素が加水分解されてアンモニアが発生することがある。このアンモニアにより、添加弁が腐食する虞がある。

このため、内燃機関の停止後に添加弁内及び尿素水を供給する通路内の尿素水をタンクまで吸い戻すことが行われている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００８−１０１５６４号公報

尿素水を逆流させてタンクまで吸い戻すときには、添加弁が開弁されて排気通路内から添加弁内へ内燃機関の排気が流入する。すなわち、添加弁及び尿素水通路において尿素水が内燃機関の排気に置き換わる。ここで、添加弁の周辺の排気中にＰＭが含まれていると、内燃機関の停止直後に尿素水をタンクに吸い戻すときに、排気通路内の排気と共に排気中のＰＭが添加弁内に吸い込まれ易くなる。なお、添加弁内の尿素水を吸い戻した場合であっても、添加弁内の摺動部の隙間などから尿素水を完全に除去することは困難であり、添加弁内にわずかではあるが尿素水が残留している。また、内燃機関の停止直後には排気通路内の排気の温度がまだ高いため、高温の排気を添加弁内に吸い込むことで、添加弁の温度が上昇する。したがって、内燃機関の停止直後に尿素水を吸い戻すと、添加弁が高温となるために添加弁の摺動部等に残存する尿素水も高温となり、さらに、高温の尿素水にＰＭが混ざる。ここで、高温且つ尿素水の存在下では、尿素水によりＰＭの凝集が促進され、添加弁の詰まりや添加弁の摺動部の摩耗が生じ易くなることが見出された。

さらに、高温の排気を添加弁内に吸い込むことで、添加弁の温度が上昇すると、添加弁内に残留する尿素水に起因する析出物が発生する。そして、ＰＭが存在しているときに析出物が発生すると、ＰＭにより析出物が凝集して、析出物の粒径が増大することも見出さ
れた。さらに、尿素水からの析出物には水に難溶のものも含まれる。このような水に難溶の析出物が添加弁内に発生すると、析出物を添加弁内から除去することが困難となる。このため、析出物により添加弁内の摩耗や添加弁の詰まりが起こる虞がある。なお、添加弁よりも上流側の排気通路にフィルタが設けられていない場合には、添加弁により多くのＰＭが吸い込まれるため析出物の粒径の増大がより顕著になるが、添加弁よりも上流側にフィルタが備わる場合であっても、フィルタでＰＭを全て捕集することは困難であり、さらに高温の排気を添加弁内に吸い込むことにより、添加弁内で析出物が発生し得る。このように、尿素水をタンクまで吸い戻したとしても、添加弁内に残留している尿素水と添加弁内に吸い込まれたＰＭとにより、析出物の粒径が増大し得る。これにより、添加弁内の摩耗や添加弁の詰まりが起こる虞がある。なお、ＰＭの粒径は尿素水によって増加し、尿素起因の析出物の粒径はＰＭによって増加するものと考えられるため、何れも尿素起因の析出物とＰＭとの混合物であると考えられる。したがって、以下では、いずれの場合も単に析出物として説明する。

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、析出物の粒径の増加による添加弁内の摩耗や添加弁の詰まりを抑制することにある。

上記課題を解決するために、内燃機関の排気通路に尿素水を添加する添加弁と、尿素水を貯留するタンクと、前記添加弁と前記タンクとを接続し尿素水が流通する尿素水通路と、前記尿素水通路に尿素水を流通させるポンプと、前記添加弁よりも下流側の排気通路に設けられ、尿素水を用いてＮＯｘを浄化する選択還元型ＮＯｘ触媒と、前記内燃機関が停止すると、前記添加弁及び前記尿素水通路に貯留されている尿素水を前記タンクまで移動するように前記ポンプを操作する吸い戻し制御を実施する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記内燃機関の停止後で且つ前記吸い戻し制御の実施前に前記添加弁から尿素水を噴射させる掃出し制御を実施し、前記制御装置は、前記内燃機関が停止した時点の排気の温度が高いときは低いときよりも、前記掃出し制御において前記添加弁から噴射させる尿素水の量を多くした。

本発明によれば、析出物の粒径の増加による添加弁内の摩耗や添加弁の詰まりを抑制することができる。

実施例に係る内燃機関の排気系の概略構成を示す図である。 尿素水の中にＰＭを混合し、ＰＭ濃度の違いによりＰＭの粒径がどのように変化するのかを検証した結果を示す図である。 尿素水の中にＰＭを混合し、温度の違いによりＰＭの粒径がどのように変化するのかを検証した結果を示す図である。 内燃機関の停止直後に吸い戻し制御を１回だけ実施した場合のタイムチャートである。 実施例１に係る、掃出し制御及び吸い戻し制御を実施したときのタイムチャートである。 実施例１に係る掃出し制御及び吸い戻し制御のフローを示したフローチャートである。 内燃機関の停止時点の排気温度と、掃出し制御を実施する時間との関係を示した図である。 実施例２に係る、掃出し制御及び吸い戻し制御を実施したときのタイムチャートである。 実施例２に係る掃出し制御及び吸い戻し制御のフローを示したフローチャートである。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例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。

＜実施例１＞
図１は、本実施例に係る内燃機関の排気系の概略構成を示す図である。内燃機関１は車両駆動用のディーゼルエンジンである。ただし、本実施例に係る内燃機関１は、ディーゼルエンジンに限られるものではなく、ガソリンエンジン等であってもよい。

内燃機関１には排気通路２が接続されている。排気通路２には、アンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを選択還元する選択還元型ＮＯｘ触媒３１（以下、「ＳＣＲ触媒３１」という。）を担持したフィルタ３が設けられている。フィルタ３は、排気中のＰＭを捕集するウォールフロー型のフィルタである。また、ＳＣＲ触媒３１は、アンモニアを吸着し、該アンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを還元する。なお、本実施例ではフィルタ３にＳＣＲ触媒３１を担持させているが、フィルタ３は必須ではなく、ＳＣＲ触媒３１のみを設けてもよい。

ＳＣＲ触媒３１よりも上流の排気通路２には、ＳＣＲ触媒３１へ還元剤を供給する添加弁４２が設けられている。添加弁４２は、還元剤供給装置４の一部である。還元剤供給装置４は、タンク４１、添加弁４２、尿素水通路４３、ポンプ４４を備えている。

タンク４１は、尿素水を貯留している。添加弁４２はＳＣＲ触媒３１よりも上流の排気通路２に取り付けられている。尿素水通路４３は、タンク４１と添加弁４２とを接続して尿素水を流通させる。

ポンプ４４は、タンク４１内に設けられており、尿素水を吐出する。なお、ポンプ４４は、正転時にタンク４１側から添加弁４２側に尿素水を吐出し、逆転時に添加弁４２側からタンク４１側へ尿素水を吐出する。ポンプ４４は、タンク４１内に代えて、尿素水通路４３に設けてもよい。ポンプ４４は、電動ポンプであり、電力を供給することで回転する。したがって、ポンプ４４は、内燃機関１の停止時であっても作動可能である。ポンプ４４を正転させ且つ添加弁４２を開くことにより、排気中に尿素水が添加される。排気中に添加された尿素水は排気の熱により加水分解され、アンモニアが生成される。このアンモニアは、ＳＣＲ触媒３１に吸着される。そして、ＳＣＲ触媒３１が吸着したアンモニアが還元剤となって、排気中のＮＯｘが選択還元される。また、添加弁４２よりも上流の排気通路２には、排気の温度を検出する温度センサ１１が設けられている。

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であるＥＣＵ１０が併設されている。このＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１を制御する。

ＥＣＵ１０には、温度センサ１１が電気配線を介して接続され、温度センサ１１の出力信号がＥＣＵ１０に入力される。そして、ＥＣＵ１０は、内燃機関１の作動中に、温度センサ１１の出力信号に基づいて、添加弁４２及びＳＣＲ触媒３１の温度を推定する。なお、内燃機関１の運転状態に基づいて添加弁４２の温度及びＳＣＲ触媒３１の温度を推定することもできる。一方、ＥＣＵ１０には、添加弁４２及びポンプ４４が電気配線を介して接続されており、該ＥＣＵ１０により添加弁４２及びポンプ４４が制御される。

そして、内燃機関１の作動中にＥＣＵ１０は、ＳＣＲ触媒３１に流入する排気中のＮＯｘを還元するためにＳＣＲ触媒３１へ還元剤を供給する制御である還元剤添加制御を実施する。還元剤添加制御では、ポンプ４４を作動させると共に添加弁４２を開弁することにより、添加弁４２から排気中に尿素水を添加することで、ＳＣＲ触媒３１に還元剤であるアンモニアを供給する。このときに添加弁４２から排気中に添加する尿素水の量は、内燃機関１から排出されるＮＯｘ量に基づいて決定される。

一方、内燃機関１が停止するとＥＣＵ１０は、添加弁４２内および尿素水通路４３内の尿素水をタンク４１に戻す制御である吸い戻し制御を実施する。ここで、内燃機関１の作動中に添加弁４２を介して排気中に尿素水を添加しているため、内燃機関１の停止後には、添加弁４２内及び尿素水通路４３内に尿素水が残留している。内燃機関１の停止後には、排気通路２から添加弁４２に熱が移動し且つ排気により添加弁４２から熱が奪われることもなくなるため、添加弁４２の温度が一時的に上昇する。このため、添加弁４２内で尿素水が加水分解されアンモニアが発生し、添加弁４２を腐食させる虞がある。さらに、尿素に起因する析出物が発生する虞がある。また、外気温度が低い場合には、添加弁４２及び尿素水通路４３に尿素水が残留したままでいると、その後に添加弁４２内及び尿素水通路４３内の尿素水の温度が低下して凍結する虞もある。

このため、ＥＣＵ１０は、内燃機関１の停止後に添加弁４２内及び尿素水通路４３内の尿素水をタンク４１まで逆流させることにより、添加弁４２内及び尿素水通路４３内から尿素水を除去している。この際、ＥＣＵ１０は、ポンプ４４を逆転させ、さらに、添加弁４２を開弁させることにより尿素水を逆流させることで、タンク４１内に尿素水を吸い込ませつつ添加弁４２内に内燃機関１の排気を吸い込ませている。本実施例においてポンプ４４を逆転させる時間は、添加弁４２内及び尿素水通路４３内の尿素水をタンク４１に戻すのに要する時間として、予め実験またはシミュレーション等により求めておく。

しかし、吸い戻し制御を実施したとしても、添加弁４２を構成する部材間の隙間などに尿素水がわずかに残留することがある。さらに、吸い戻し制御を実施するときには排気通路２内の内燃機関１の排気の温度がまだ高いため、吸い戻し制御により高温の排気が添加弁４２内に流入する。これにより、添加弁４２の温度が上昇する。このため、尿素水から水に難溶な析出物（例えば、シアヌル酸）が発生する虞がある。また、添加弁４２よりも上流側にはフィルタが存在しないため、添加弁４２の周辺の排気中にはＰＭが比較的多く存在している。吸い戻し制御時には、このＰＭも添加弁４２内に吸い込まれる。そして、尿素水中にＰＭが存在すると、析出物の粒径がより大きくなることが見出された。

ここで、図２は、尿素水の中にＰＭを混合し、ＰＭ濃度の違いによりＰＭの粒径がどのように変化するのかを検証した結果を示す図である。横軸は、ＰＭの粒径の対数を示し、縦軸は、体積頻度を示している。図２では、ＰＭ濃度が、高、中、低の３態様を比較した。図２によると、ＰＭ濃度が高いほど、ＰＭの粒径が大きくなることが分かる。すなわち、添加弁４２をフィルタよりも上流側に設ける場合には、フィルタよりも下流側に設ける場合よりも、吸い戻し制御時に吸い込まれるＰＭの量が多くなるため、添加弁４２内においてＰＭ濃度が高くなり、ＰＭの粒径がより大きくなるといえる。

また、図３は、尿素水の中にＰＭを混合し、温度の違いによりＰＭの粒径がどのように変化するのかを検証した結果を示す図である。横軸は、ＰＭの粒径の対数を示し、縦軸は、体積頻度を示している。図３では、常温の場合と、高温の場合とを比較している。高温の場合は、添加弁４２の温度が例えば１２０℃のときに吸い戻し制御を実施した後に添加弁４２内の部材の隙間に尿素水が残留し且つＰＭが吸い込まれ、さらに、排気通路２からの受熱により添加弁４２の温度が例えば１４０℃まで上昇するような状況を想定した場合
である。どちらもＰＭ濃度は同一である。図３によると、温度が高いほうが、ＰＭの粒径が大きくなることが分かる。この場合、尿素起因の析出物によりＰＭの粒径が大きくなっている。すなわち、尿素起因の析出物とＰＭとが互いに引き付け合って析出物の粒径が大きくなるといえる。

したがって、内燃機関１の停止直後に吸い戻し制御を実施すると、添加弁４２内のＰＭ濃度が高くなり且つ添加弁４２の温度が高くなって尿素起因の析出物が発生する。そうすると、添加弁４２内でＰＭ及び尿素起因の析出物が引き付け合い、析出物の粒径が大きくなり得る。このようにして、析出物の粒径が増大すると、添加弁４２の詰まりが発生したり、添加弁４２内の摺動部を摩耗させたりする虞がある。

ここで、図４は、内燃機関１の停止直後に吸い戻し制御を１回だけ実施した場合のタイムチャートである。図４に係る吸い戻し制御は、従来の吸い戻し制御ともいえる。図４では上から順に、内燃機関１の回転速度、添加弁４２の温度、排気温度、添加指令、吸い戻し指令、析出量、析出物の粒径を示している。添加弁４２の温度は、添加弁４２の先端部の温度である。排気温度は、添加弁４２の周辺の排気温度である。添加指令は、ＳＣＲ触媒３１においてＮＯｘを還元するための尿素水を添加するためにＥＣＵ１０から添加弁４２に与える指令であり、ＯＮのときに添加弁４２から尿素水が添加され、ＯＦＦのときには添加弁４２から尿素水が添加されない。また、吸い戻し指令は、尿素水を吸い戻すためにＥＣＵ１０からポンプ４４及び添加弁４２に与える指令であり、ＯＮのときにポンプ４４が逆転されると共に添加弁４２を開弁させることで尿素水を吸い戻し、ＯＦＦのときには尿素水を吸い戻さない。析出量は、添加弁４２内に発生した析出物の量を示している。析出物の粒径は、添加弁４２内に発生した析出物の粒径を示している。

図４において、Ｔ１の時点で内燃機関１が停止されて内燃機関１の回転速度が０になると、添加指令がＯＮからＯＦＦに変わり、且つ、吸い戻し指令がＯＦＦからＯＮに変わる。したがって、Ｔ１の時点から吸い戻し制御が開始される。吸い戻し指令は、ポンプ４４によってタンク４１に吸い戻された尿素水量が所定量になるとＯＦＦになる。なお、ここでいう所定量は、添加弁４２内及び尿素水通路４３内の全尿素水量に相当する。ここで、内燃機関１の停止後には、排気通路２内の排気の流通が停止するため、添加弁４２からの熱の持ち去りが無くなる。さらに、排気通路２から熱を受けるため、Ｔ１から後に添加弁４２の温度が一旦上昇する。また、吸い戻し制御を実施することにより、排気通路２内の高温の排気が添加弁４２内に吸い込まれるため、これによっても添加弁４２の温度が上昇する。

そして、Ｔ２の時点において、ポンプ４４によってタンク４１に吸い戻された尿素水量が所定量に達する。すなわち、Ｔ２の時点において、吸い戻し指令がＯＮからＯＦＦに変わり、吸い戻し制御が終了する。吸い戻し指令がＯＮからＯＦＦに変わったときには、添加弁４２の温度はまだ高い。ここで、吸い戻し制御を実施したとしても、添加弁４２内の隙間等には少量とはいえ尿素水が残留しているため、Ｔ１よりも後に添加弁４２の温度が上昇することにより、尿素水の水分が蒸発して析出物が発生する。この場合の析出量は、吸い戻し制御によって添加弁４２内の尿素水をほとんど吸い戻しているため、吸い戻し制御を実施しない場合と比較すれば少ない。しかし、従来の吸い戻し制御を実施すると、添加弁４２内に吸い込まれたＰＭによって析出物の粒径が大きくなり易い。したがって、析出物による添加弁４２の詰まりや摩耗が発生する虞がある。

さらに、Ｔ３の時点において、排気温度が排気許容温度よりも低くなっている。排気許容温度は、析出物の粒径が許容される粒径よりも増大しなくなる排気温度である。また、この時には、添加弁４２の温度も弁許容温度まで低下している。弁許容温度は、析出物の粒径が許容される粒径よりも増大しなくなる添加弁４２の温度である。したがって、Ｔ３
以降は析出物の粒径は増大しない。しかし、析出物の粒径は、添加弁４２の温度が弁許容温度に低下するまで増大する。すなわち、Ｔ１からＴ３の期間において析出物の粒径が増大するが、この間に、析出物の粒径が限界粒径を超えてしまう。この限界粒径は、析出物による添加弁４２の詰まりや摩耗に対する影響が許容範囲を超える虞があるときの析出物の粒径である。例えば、添加弁４２の噴孔の直径よりもある程度小さい粒径であるが、これ以上大きくなると、添加弁４２の噴孔を通過できなくなる虞のある粒径を限界粒径としてもよい。

そこで本実施例では、図４に示した従来の吸い戻し制御ではなく、以下の制御を実施する。すなわち、本実施例では、尿素水をタンク４１側に移動させる吸い戻し制御を実施する前に、ＥＣＵ１０が添加弁４２から排気通路２内に尿素水を噴射させる掃出し制御を実施する。掃出し制御は、ＥＣＵ１０によりポンプ４４を正転させると共に、添加弁４２を開弁することにより実施される。掃出し制御を行うことにより、添加弁４２に尿素水を流通させることができる。これにより、尿素水が添加弁４２から熱を奪うため、添加弁４２の温度を低下させることができる。また、尿素水の温度は排気温度よりも低いため、尿素水が排気通路２内に噴射されることにより、排気通路２内の排気温度を低下させることができる。掃出し制御は、排気温度が排気許容温度以下になるまで継続させる。

そして、掃出し制御を実施した後に、吸い戻し制御を実施することで、吸い戻し制御時に添加弁４２内に吸い込まれる排気温度は十分に低くなっているため、析出物が発生することを抑制したり、析出物の粒径が増大することを抑制したりできる。さらには、吸い戻し制御を実施することで、添加弁４２内及び尿素水通路４３内から尿素水を除去することができるので、尿素水が添加弁４２内及び尿素水通路４３内で凍結することを抑制できる。

図５は、本実施例に係る、掃出し制御及び吸い戻し制御を実施したときのタイムチャートである。上から順に、内燃機関１の回転速度、添加弁４２の温度、排気温度、添加指令、掃出し指令、吸い戻し指令、析出量、析出物の粒径を示している。掃出し指令は、尿素水を添加弁４２から噴射させるためにＥＣＵ１０からポンプ４４及び添加弁４２に与える指令であり、ＯＮのときにポンプ４４が正転されると共に添加弁４２を開弁させることで添加弁４２から尿素水を噴射させ、ＯＦＦのときには尿素水を噴射させない。また、添加弁４２の温度における実線は本実施例に係る掃出し制御を実施した場合を示しており、一点鎖線は図４に係る従来の吸い戻し制御を実施した場合を示している。

図５において、Ｔ１の時点で内燃機関１が停止されて内燃機関１の回転速度が０になる。これにより、添加弁４２は排気通路２から熱を受け、且つ、排気により熱を奪われなくなる。さらに、従来では、Ｔ１から吸い戻し制御を実施しているため、添加弁４２に高温の排気が吸い込まれるので、Ｔ１から後に添加弁４２の温度は上昇する。そうすると、添加弁４２内でアンモニアが発生したり、析出物が発生したりする虞がある。一方、本実施例では、Ｔ１の時点で掃出し指令がＯＮとなってＴ１から掃出し制御が開始される。Ｔ１から本実施例に係る掃出し制御を実施した場合には、尿素水が添加弁４２を通過することにより該添加弁４２が冷却されるため、Ｔ１から添加弁４２の温度が低下する。さらに、排気中に尿素水が噴射されることにより、排気温度が速やかに低下する。

そして、図５において、Ｔ１１の時点に掃出し制御が終了する。すなわち、排気温度が排気許容温度まで低下したために掃出し指令がＯＦＦになる。そして、掃出し指令がＯＦＦになるのと同時に吸い戻し指令がＯＮになる。すなわち、Ｔ１１の時点において吸い戻し制御が開始される。このように、本実施例では、掃出し制御と吸い戻し制御とを連続して実施している。なお、掃出し制御中には排気温度よりも添加弁４２の温度の方が低下し易いため、Ｔ１１の時点では、添加弁４２の温度も弁許容温度より低くなっている。

そして、Ｔ１２において吸い戻し指令がＯＦＦとなる。Ｔ１２の時点は、添加弁４２内及び尿素水通路４３内の尿素水を全てタンク４１まで吸い戻した時点である。なお、内燃機関１の停止後に所定の電力（所定の回転速度としてもよい。）によりポンプ４４を作動させる場合は、添加弁４２内及び尿素水通路４３内の尿素水を全てタンク４１まで吸い戻すのに要する時間は略一定となるため、この時間を予め実験またはシミュレーション等により求めておけば、Ｔ１１からＴ１２までの期間が定まる。また、タンク４１に流量計を設けておくことにより、該流量計に基づいて吸い戻した実際の尿素水量を求めることができるため、この尿素水量が、予め求めておいた添加弁４２及び尿素水通路４３の容量に達した時点をＴ１２とすることもできる。Ｔ１２の時点で吸い戻し指令がＯＦＦになることで、ポンプ４４が停止され、且つ、添加弁４２が閉弁される。

Ｔ１１の時点から後は添加弁４２の温度が低く且つ吸い戻し制御中に添加弁４２内に高温の排気が流れ込まないため、析出物の粒径の増大が抑制される。このため、析出物の粒径が限界粒径に達することを抑制できる。Ｔ１２で示した時点において吸い戻し制御が終了した後には、排気温度及び添加弁４２の温度が十分に低くなっており、添加弁４２内に残留する尿素水の量も限られるため、その後の添加弁４２内に残留する尿素水に起因した析出物の発生及び析出物の粒径の増加は抑制される。

以上のように、掃出し制御では、排気の温度及び添加弁４２の温度を速やかに低下させることができる。また、掃出し制御を実施することにより、尿素水からアンモニアが発生することを抑制できる。これにより、添加弁４２で腐食が発生することを抑制できる。さらに、掃出し制御を実施しているときには、添加弁４２内で析出物が発生することを抑制できる。

また、掃出し制御を実施した後に吸い戻し制御を実施することにより、添加弁４２内及び尿素水通路４３内から尿素水を除去することができるため、添加弁４２内及び尿素水通路４３内での尿素水の凍結を抑制することができる。このときには、排気温度及び添加弁４２の温度が十分に低いため、添加弁４２内での析出物の発生及び析出物の粒径の増大を抑制できる。これにより、添加弁４２内の摩耗や添加弁４２の詰まりを抑制できる。

図６は本実施例に係る掃出し制御及び吸い戻し制御のフローを示したフローチャートである。本フローチャートはＥＣＵ１０により所定の時間毎に実施される。なお、本実施例において図６に示したフローチャートをＥＣＵ１０が実施することにより、本発明における制御装置として機能する。

ステップＳ１０１では、ＥＣＵ１０は、内燃機関１が停止されているか否か判定する。本ステップＳ１０１では、ＥＣＵ１０は、機関回転速度が０の場合に内燃機関１が停止されていると判定する。掃出し制御及び吸い戻し制御は、内燃機関１の停止後に実施されるため、本ステップＳ１０１では、ＥＣＵ１０が、これらの制御を実施する前提条件が成立しているか否か判定している。ステップＳ１０１で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０２へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ１１１へ進む。なお、ステップＳ１１１では、上記の還元剤添加制御が実施される。

ステップＳ１０２では、ＥＣＵ１０は、掃出し制御が未終了の状態であるか否か判定する。本ステップＳ１０２では、掃出し制御を行う必要があるか、若しくは、掃出し制御を継続する必要があるか否か判定している。すなわち、ＥＣＵ１０は、内燃機関１の停止後に掃出し制御を実施していない場合、及び、現時点で掃出し制御を実施中の場合に、掃出し制御が未終了の状態であると判定する。なお、内燃機関１の停止後に掃出し制御を実施したか否か、及び、現時点で掃出し制御を実施中であるか否かは、ＥＣＵ１０が記憶して
いる。ステップＳ１０２で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０３へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０７へ進む。

ステップＳ１０３では、ＥＣＵ１０は、掃出し制御を開始するか、または、掃出し制御を継続する。すなわち、掃出し制御が開始されていない状態であれば、掃出し制御を開始する。一方、掃出し制御がすでに開始されている状態であれば、掃出し制御を継続する。掃出し制御においては、ＥＣＵ１０によりポンプ４４が正転され且つ添加弁４２が開弁される。ステップＳ１０３の処理が終了するとステップＳ１０４へ進む。

ステップＳ１０４では、ＥＣＵ１０は、排気温度を取得する。排気温度は、温度センサ１１により検出される。掃出し制御により排気通路２内に尿素水が噴射されると、排気の温度が低下するため、本ステップＳ１０４により現時点での排気温度を取得している。なお、温度センサ１１は、添加弁４２の温度と相関する排気の温度を検出可能なように、添加弁４２近傍に設けられていることが好ましい。ステップＳ１０４の処理が終了するとステップＳ１０５へ進む。

ステップＳ１０５では、ＥＣＵ１０は、排気温度が排気許容温度以下であるか否か判定する。本ステップＳ１０５では、吸い戻し制御を実施したとしても、添加弁４２内で析出物の粒径が許容範囲内になるか否か判定しているといえる。

なお、ステップＳ１０５では排気温度と排気許容温度とを比較しているが、これに代えて、ステップＳ１０５では添加弁４２の温度と弁許容温度と比較してもよい。すなわち、ステップＳ１０５では、添加弁４２の温度が弁許容温度以下であるか否か判定してもよい。さらに、添加弁４２の温度が弁許容温度以下で且つ排気温度が排気許容温度以下であるか否か判定してもよい。

ただし、本実施例では、添加弁４２の温度と排気温度とは関連性があるため、本ステップＳ１０５において、排気温度のみを用いて判定を行っている。ステップＳ１０５で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０６へ進み、一方、否定判定がなされた場合には本フローチャートを一旦終了させる。

ステップＳ１０６では、ＥＣＵ１０は、掃出し制御を終了させる。すなわち、ＥＣＵ１０はポンプ４４の正転を停止させる。この際、添加弁４２を閉弁してもよいが、本実施例では掃出し制御に連続して吸い戻し制御が実施されるため、添加弁４２は開弁したままでもよい。

なお、内燃機関１の停止時点の排気温度が高いほど、ステップＳ１０５で肯定判定がなされるまでに要する尿素水の量が多くなるため、結果として、内燃機関１の停止時点の排気温度が高いときは低いときよりも、掃出し制御において添加弁から噴射させる尿素水の量を多くするといえる。ステップＳ１０６の処理が終了するとステップＳ１０７へ進む。

ステップＳ１０７では、ＥＣＵ１０は、吸い戻し制御を開始するか、または、吸い戻し制御を継続する。すなわち、吸い戻し制御が開始されていない状態であれば、吸い戻し制御を開始する。一方、吸い戻し制御がすでに開始されている状態であれば、吸い戻し制御を継続する。吸い戻し制御においては、ＥＣＵ１０によりポンプ４４が逆転され且つ添加弁４２が開弁される。なお、内燃機関１の停止後に吸い戻し制御を開始したか否か、及び、現時点で吸い戻し制御を実施中であるか否かは、ＥＣＵ１０が記憶している。ステップＳ１０７の処理が終了するとステップＳ１０８へ進む。

ステップＳ１０８では、ＥＣＵ１０は、吸い戻し制御の実施時間が吸い戻し時間閾値以
上であるか否か判定する。吸い戻し制御の実施時間はＥＣＵ１０によりカウントされる。本ステップＳ１０８における吸い戻し時間閾値は、添加弁４２内及び尿素水通路４３内の尿素水を全てタンク４１に吸い込むまでに要する時間である。本ステップＳ１０８では、尿素水の吸い戻しが完了したか否かＥＣＵ１０が判定しているといえる。ステップＳ１０８で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０９へ進み、一方、否定判定がなされた場合には本フローチャートを一旦終了させる。

ステップＳ１０９では、ＥＣＵ１０は、吸い戻し制御を終了させる。すなわち、ＥＣＵ１０は、ポンプ４４の逆転を停止させ、且つ、添加弁４２を閉弁させる。ステップＳ１０９の処理が終了した場合には、ステップＳ１１０へ進む。ステップＳ１１０では、本フローチャートの終了処理が実施される。この終了処理を実施することにより、次に内燃機関１が始動されるまで本フローチャートは実施されない。

以上説明したように本実施例によれば、掃出し制御を実施することにより、添加弁４２の温度を速やかに低下させることができる。また、排気温度が排気許容温度以下になるまで掃出し制御を実施することにより、その後に吸い戻し制御を実施したときに、添加弁４２内で析出物の粒径が許容範囲を超えることを抑制できる。また、掃出し制御を実施することにより、添加弁４２内で尿素水からアンモニアが発生することを抑制できる。これにより、添加弁４２で腐食が発生することを抑制できる。さらに、掃出し制御を実施することにより、添加弁４２内で析出物が発生することを抑制できる。そして、掃出し制御を実施した後に吸い戻し制御を実施することにより、添加弁４２で析出物が発生することを抑制できると共に、添加弁４２内及び尿素水通路４３内から尿素水を除去することができる。したがって、添加弁４２の詰まりや摩耗を抑制できると共に、添加弁４２内及び尿素水通路４３内での尿素水の凍結を抑制することができる。

なお、本実施例では、掃出し制御を終了した時点で吸い戻し制御を開始しているが、掃出し制御と吸い戻し制御とは連続して実施する必要はなく、掃出し制御を終了した時点からある程度の時間を空けて吸い戻し制御を開始してもよい。また、本実施例に係る掃出し制御は、継続して実施しているが、複数回に分けて実施してもよい。このようにすることで、掃出し制御中に成り行きで排気温度及び添加弁４２の温度が低下するため、尿素水噴射量を低減することができる。

＜実施例２＞
実施例１では、内燃機関１の停止時点の排気温度に関わらず掃出し制御を実施している。しかし、内燃機関１の停止時点の排気温度が低いために析出物の粒径が増大しないことも考えられる。このような場合には、掃出し制御を実施する必要はない。そこで本実施例では、内燃機関１の停止時の排気温度が排気許容温度以下の場合には、掃出し制御を実施せずに、吸い戻し制御のみを実施する。

また、実施例１では、内燃機関１の停止後に添加弁４２近傍の排気温度を検出する必要があるため、添加弁４２近傍に温度センサ１１を設ける必要があるが、このような位置に温度センサ１１を取り付けることができるとは限らない。また、この位置に温度センサ１１を取り付けることによりコストアップする虞がある。そこで本実施例では、掃出し制御を実施した場合の掃出し制御を実施する時間を、排気温度を排気許容温度まで低下させる時間に設定する。この時間は、内燃機関１の停止時点の排気温度と相関関係にあるため、内燃機関１の停止時点の排気温度に基づいて、掃出し制御を実施する時間を決定する。その他の装置等は実施例１と同じため説明を省略する。

図７は、内燃機関１の停止時点の排気温度と、掃出し制御を実施する時間との関係を示した図である。なお、ポンプ４４の回転速度が一定であれば、掃出し制御を実施する時間
と掃出し制御で噴射する尿素水量とに相関関係があるため、掃出し制御を実施する時間に代えて、掃出し制御で噴射する尿素水量とすることもできる。

内燃機関１の停止時点の排気温度が排気許容温度以下の場合には、掃出し制御を実施する時間は０であり、掃出し制御を実施しない。一方、内燃機関１の停止時点の排気温度が排気許容温度よりも高い場合には、掃出し制御を実施すると共に、内燃機関１の停止時点の排気温度が高いほど、掃出し制御を実施する時間を長くする。この関係は、析出物の粒径が許容範囲内となるように、予め実験またはシミュレーション等により求めることができる。このようにして、内燃機関１の停止時点において、掃出し制御を実施する時間を予め設定しておくことができる。

図８は、本実施例に係る、掃出し制御及び吸い戻し制御を実施したときのタイムチャートである。上から順に、内燃機関１の回転速度、尿素水噴射量、排気温度、添加指令、掃出し指令、吸い戻し指令、析出量、析出物の粒径を示している。尿素水噴射量は、掃出し制御の実施時間と相関する量であって、内燃機関１の停止後からの尿素水の噴射量の総量である。

図８において、Ｔ１の時点で内燃機関１が停止されて内燃機関１の回転速度が０になる。この時点の排気温度は、排気許容温度よりも高いため、掃出し制御が必要となる。このため、Ｔ１の時点において掃出し指令がＯＮとなって、Ｔ１から掃出し制御が開始される。また、Ｔ１の時点での排気温度と図７に示した関係から掃出し制御を実施する時間が求まる。この時間は、尿素水噴射量の積算値が図８における必要噴射量に達するまでの時間である。したがって、Ｔ１の時点において、掃出し制御を終了する時点であるＴ１１を設定することができる。

そして、図８において、Ｔ１１の時点に掃出し指令がＯＦＦになって、掃出し制御が終了する。この時点では、排気温度が排気許容温度まで低下している。そして、掃出し指令がＯＦＦになるのと同時に吸い戻し指令がＯＮになる。その後の処理は、図５と同じため説明を省略する。

以上のように、掃出し制御を実施する時間を予め設定することができるため、添加弁４２の温度を検出するために温度センサ１１を添加弁４２近傍に設ける必要がない。そして、本実施例によっても、添加弁４２の温度を速やかに低下させることができる。

図９は、本実施例に係る掃出し制御及び吸い戻し制御のフローを示したフローチャートである。本フローチャートはＥＣＵ１０により所定の時間毎に実施される。上記フローチャートと同じ処理がなされるステップについては、同じ符号を付して説明を省略する。なお、本実施例において図９に示したフローチャートをＥＣＵ１０が実施することにより、本発明における制御装置として機能する。

図９に示したフローチャートでは、ステップＳ１０１で肯定判定がなされると、ステップＳ２０１へ進む。ステップＳ２０１では、ＥＣＵは、本ステップＳ２０１が初めて実行されたか否か判定する。すなわち、本ステップＳ２０１では、機関停止後に初めてフローチャートが実行されているか否か判定している。機関停止後にフローチャートが実行されたか否かはＥＣＵ１０が記憶している。ステップＳ２０１で肯定判定がなされた場合にはステップＳ２０２へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ２０３へ進む。

ステップＳ２０２では、ＥＣＵ１０は、内燃機関１の停止時点での排気温度を取得する。すなわち、内燃機関１の停止後に初めて本フローチャートを実施するときの排気温度を、内燃機関１の停止時点での排気温度とする。この内燃機関１の停止時点での排気温度は
、温度センサ１１により検出され、ＥＣＵ１０に記憶される。ステップＳ２０２の処理が終了するとステップＳ２０３へ進む。

ステップＳ２０３では、ＥＣＵ１０は、内燃機関１の停止時点での排気温度が排気許容温度よりも高いか否か判定する。本ステップＳ２０３では、吸い戻し制御を実施したと仮定した場合に、その後の添加弁４２内の析出物の粒径が限界粒径以上となるか否か判定している。すなわち、ステップＳ２０３では、掃出し制御を実施する必要があるか否か判定される。ステップＳ２０３で肯定判定がなされた場合には、ステップＳ１０２へ進む。

また、図９に示したフローチャートでは、ステップＳ１０３の処理が終了すると、ステップＳ２０４へ進む。ステップＳ２０４では、掃出し制御の継続時間が積算される。掃出し制御の継続時間はＥＣＵ１０により積算され記憶される。ステップＳ２０４の処理が終了するとステップＳ２０５へ進む。

ステップＳ２０５では、ステップＳ２０４で積算された掃出し制御の継続時間が、所定時間以上であるか否か判定される。所定時間は、ステップＳ２０２で検出される内燃機関１の停止時点における排気温度と、図７の関係とから求まる掃出し制御を実施する時間である。すなわち、所定時間は、掃出し制御が開始された時点から、排気温度が排気許容温度以下になるまでに要する時間である。ステップＳ２０５で肯定判定がなされた場合には、掃出し制御を終了させるべくステップＳ１０６へ進む。一方、ステップＳ２０５で否定判定がなされた場合には本フローチャートを一旦終了させる。

一方、ステップＳ２０３で否定判定がなされた場合には、吸い戻し制御を一回のみ実施すればよいため、ステップＳ１０７へ進み、吸い戻し制御を開始するか、または、吸い戻し制御を継続する。なお、ステップＳ１０７以降の処理はすでに説明したフローチャートと同じため説明を省略する。

以上説明したように本実施例によれば、実施例１の効果に加えて、添加弁４２近傍に温度センサ１１を設ける必要がないため、設計の自由度が増すと共にコストダウンをはかることができる。さらに、本実施例では、内燃機関１の停止時点における排気温度が高いほど掃出し制御を実施する時間が長くしているが、これに代えて、内燃機関１の停止時点における排気温度が高いほど、尿素水の噴射圧を高くしてもよい。このように、尿素水の噴射圧を高くすることによっても、単位時間当たりの尿素水噴射量を増加させることができるため、排気温度及び添加弁４２の温度を速やかに低下させることができる。

１ 内燃機関
２ 排気通路
３ フィルタ
４ 還元剤供給装置
１０ ＥＣＵ
１１ 温度センサ
３１ 選択還元型ＮＯｘ触媒
４１ タンク
４２ 添加弁
４３ 尿素水通路
４４ ポンプ

Claims (1)

1. 内燃機関の排気通路に尿素水を添加する添加弁と、
   尿素水を貯留するタンクと、
   前記添加弁と前記タンクとを接続し尿素水が流通する尿素水通路と、
   前記尿素水通路に尿素水を流通させるポンプと、
   前記添加弁よりも下流側の排気通路に設けられ、尿素水を用いてＮＯｘを浄化する選択還元型ＮＯｘ触媒と、
   前記内燃機関が停止すると、前記添加弁及び前記尿素水通路に貯留されている尿素水を前記タンクまで移動するように前記ポンプを操作する吸い戻し制御を実施する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、前記内燃機関の停止後で且つ前記吸い戻し制御の実施前に前記添加弁から尿素水を噴射させる掃出し制御を実施し、
   前記制御装置は、前記内燃機関が停止した時点の排気の温度が高いときは低いときよりも、前記掃出し制御において前記添加弁から噴射させる尿素水の量を多くする内燃機関の排気浄化装置。

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