JP2021063489A - 還元剤供給制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】複数の還元触媒の上流側に備えられた複数の噴射弁にそれぞれ通じる還元剤供給通路に還元剤を充填する際に、還元剤供給通路内の空気あるいは排ガスの残留や排気通路内への還元剤の漏出を抑制可能な還元剤供給制御装置を提供する。【解決手段】還元剤供給制御装置３０のエア抜き制御部は、第１の還元触媒１７の温度が第１の温度に到達する第１条件が成立した時に還元剤供給通路４５に還元剤を供給して空気を排出し、第１の噴射弁による還元剤の噴射を行う第１のエア抜き制御と、第２の還元触媒１３の温度が第２の温度に到達する第２条件が成立したときに還元剤供給通路４７に還元剤を供給して空気を排出し、第２の噴射弁による還元剤の噴射を行う第２のエア抜き制御を実行し、第１のエア抜き制御又は第２のエア抜き制御のうち、先に第１条件又は第２条件が成立して実行される一方のエア抜き制御が完了した後に、他方のエア抜き制御を実行可能とする。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気通路への還元剤の供給を制御する還元剤供給制御装置に関する。
ディーゼルエンジン等の内燃機関の排ガス中にＮＯX（窒素酸化物）が含まれる場合がある。排ガス中に含まれるＮＯXを還元反応により窒素や水に分解して排ガスを浄化する装置として、尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システムが実用化されている。尿素ＳＣＲシステムでは、尿素水溶液を還元剤として用いて、尿素水溶液から生成されるアンモニアが排ガス中のＮＯXと反応することによってＮＯXが分解される。
尿素ＳＣＲシステムは、排気通路に設けられた還元触媒と、還元触媒よりも上流側の排気通路に尿素水溶液を供給するための還元剤供給制御装置とを備える。還元触媒は、アンモニアを吸着し、流入する排ガス中のＮＯXとアンモニアとの還元反応を促進する機能を有する。還元剤供給制御装置は、尿素水溶液を圧送するポンプと、ポンプにより圧送される尿素水溶液を噴射する噴射弁と、ポンプ及び噴射弁の駆動制御を行う制御装置とを備える。
還元触媒におけるアンモニアの吸着可能量や還元効率は、排気温度や触媒温度、尿素水溶液の供給量によって変わり得る。尿素水溶液の供給量が不足する場合、浄化されなかったＮＯXが還元触媒の下流側に流出するおそれがある。一方、尿素水溶液の供給量が過剰である場合、還元触媒におけるアンモニアの吸着可能量を超えるアンモニアが還元触媒に供給されて、余剰分のアンモニアが還元触媒の下流側に流出するおそれがある。このため、還元剤供給制御装置による尿素水溶液の供給量は、少なくとも内燃機関の排ガス中のＮＯX量に基づいて、過不足のないように制御される。
また、尿素水溶液の凍結温度は、例えば３２．５％濃度の尿素水溶液の場合、マイナス１１℃程度である。還元剤供給制御装置の停止中に尿素水溶液が凍結して体積が膨張すると、ポンプや噴射弁、さらに尿素水溶液が流通する配管等が破損するおそれがある。このため、内燃機関の停止時には、ポンプや噴射弁等に残留する尿素水溶液を貯蔵タンクに回収する制御が行われる。一方、内燃機関の始動時においては、噴射弁に通じる還元剤供給通路内に尿素水溶液を充填し、尿素水溶液の圧力を目標圧とするために、還元剤供給通路内に存在する空気を排出する必要がある。例えば、特許文献１には、噴射弁を開放して空気を排出しながら尿素水溶液を充填する方法が開示されている。
特開２０１５−７８６４３号公報
ここで、近年、排気通路に２つ以上の還元触媒を備えた尿素ＳＣＲシステムが検討されている。例えば、内燃機関の近傍に設けられて内燃機関の始動後に速やかに昇温可能な第１の還元触媒としての機能を有するパティキュレートフィルタと、第１の還元触媒よりも下流側に設けられた第２の還元触媒とを備えた尿素ＳＣＲシステムが考えられる。
このように２つ以上の還元触媒を備えた尿素ＳＣＲシステムにおいて、内燃機関の始動時に、それぞれの還元触媒の上流側に設けられた複数の噴射弁を同時に開放して空気あるいは排ガスを抜きながら還元剤供給通路に還元剤を供給した場合、複数の噴射弁に通じる還元剤供給通路をともに還元剤で満たそうとすると、いずれかの噴射弁から排気通路内に還元剤が漏れ出るおそれがある。例えば、それぞれの噴射弁に通じる還元剤供給通路の長さや容量の違い、還元剤回収時の残量の差、還元剤充填時の噴射弁の噴射孔の詰まり度合い等が異なっていたり、制御上の設計値からずれていたりすると、複数の噴射弁の還元剤供給通路の充填を同時に完了させることは困難である。
噴射弁の周辺や排気通路内の低温時において、噴射弁からの還元剤の漏出は、尿素水溶液の結晶化による配管の腐食や、配管及び噴射弁の詰まり、排気通路内での結晶の堆積を生じさせるおそれがある。また、噴射弁の周辺や排気通路内の低温時以外にも、噴射弁からの還元剤の漏出は、計算外のアンモニアの発生による還元触媒での吸蔵量の計算のずれや、還元触媒に吸蔵しきれないアンモニアの流出を生じさせるおそれがある。
一方、還元剤の充填時において、いずれかの噴射弁に通じる還元剤供給通路に空気あるいは排ガスが残留した場合、還元剤の噴射制御の開始後に、残留していた空気等が噴射弁に到達することで、還元剤供給通路内の圧力が低下するおそれがある。還元剤供給通路内の圧力低下は、尿素水溶液の噴射量のずれを生じさせ、還元触媒でのアンモニアの吸蔵量の計算のずれを生じさせるおそれがある。また、還元剤供給通路内の圧力低下は、還元剤の供給通路から尿素水溶液が漏出しているとの誤判定を引き起こすおそれもある。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、複数の還元触媒の上流側に備えられた複数の噴射弁にそれぞれ通じる還元剤供給通路に還元剤を充填する際に、還元剤供給通路内の空気あるいは排ガスの残留や排気通路内への還元剤の漏出を抑制可能な還元剤供給制御装置を提供する。
本発明のある観点によれば、内燃機関の排気通路に設けられた第１の還元触媒の上流側に還元剤を供給する第１の噴射弁と、第１の還元触媒の下流側に設けられた第２の還元触媒の上流側に還元剤を供給する第２の噴射弁と、貯蔵タンク内の還元剤を第１の噴射弁及び第２の噴射弁に供給するポンプと、第１の噴射弁、第２の噴射弁及びポンプを制御する制御装置と、を備えた、還元剤供給制御装置において、制御装置は、内燃機関の停止時に還元剤を貯蔵タンクへと回収する回収制御部と、内燃機関の始動時に、第１の噴射弁及び第２の噴射弁を開放しながら第１の噴射弁及び第２の噴射弁に通じる還元剤供給通路に還元剤を供給して還元剤供給通路内の空気を排出するエア抜き制御部と、を備え、エア抜き制御部は、第１の還元触媒の温度が第１の温度に到達する第１条件が成立したときに第１の噴射弁に通じる還元剤供給通路に還元剤を供給して空気を排出し、第１の噴射弁による還元剤の噴射制御を開始させる第１のエア抜き制御と、第２の還元触媒の温度が第２の温度に到達する第２条件が成立したときに第２の噴射弁に通じる還元剤供給通路に還元剤を供給して空気を排出し、第２の噴射弁による還元剤の噴射制御を開始させる第２のエア抜き制御と、を実行可能に構成され、第１のエア抜き制御又は第２のエア抜き制御のうち、先に第１条件又は第２条件が成立して実行される一方のエア抜き制御が完了した後に、他方のエア抜き制御を実行可能とする還元剤供給制御装置が提供される。
以上説明したように本発明によれば、２つの還元触媒の上流側に備えられた２つの噴射弁にそれぞれ通じる還元剤供給通路に還元剤を充填する際に、還元剤供給通路内の空気あるいは排ガスの残留や排気通路内への還元剤の漏出を抑制することができる。
本発明の実施の形態に係る還元剤供給制御装置の構成例を示す模式図である。 同実施形態に係る還元剤供給制御装置の構成例を示すブロック図である。 同実施形態に係る還元剤供給制御装置によるエア抜き制御の一例を示すフローチャートである。 同実施形態に係る還元剤供給制御装置によるエア抜き制御の一例を示すタイミングチャートである。
以下に添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
＜１．尿素ＳＣＲシステムの全体構成＞
まず、本実施形態に係る還元剤供給制御装置を適用可能な尿素ＳＣＲシステムの全体構成の一例を説明する。図１は、本実施形態に係る尿素ＳＣＲシステム１０の構成例を示す模式図である。
尿素ＳＣＲシステムは、ディーゼルエンジンに代表される内燃機関５の排気通路１１の途中に設けられた第１の還元触媒１７及び第２の還元触媒１３と、第１の還元触媒１７及び第２の還元触媒１３それぞれの上流側で排気通路１１内に尿素水溶液を供給するための還元剤供給制御装置３０とを備える。尿素ＳＣＲシステム１０は、車両や建設機械、農機、産業機械等の内燃機関５の排気系に設けられ、還元剤としての尿素水溶液を用いて、内燃機関５の排ガス中のＮＯXを還元し、排ガスを浄化する。
尿素水溶液としては、例えば凍結温度が最も低い、約３２．５％濃度の尿素水溶液が用いられる。この場合の凍結温度は、約マイナス１１℃である。かかる尿素水溶液は、濃度が変化することにより凍結温度が上昇する特性を有しており、溶媒としての水分が蒸発したり、水分が混入したりすることによって凍結しやすくなる。
第１の還元触媒１７及び第２の還元触媒１３は、それぞれ内燃機関５の排ガス中に含まれるＮＯXを選択的に還元する。具体的に、第１の還元触媒１７及び第２の還元触媒１３は、還元剤供給制御装置３０により供給される尿素水溶液が分解して生成されるアンモニアを吸着し、流入する排ガス中のＮＯXをアンモニアと反応させることにより還元する。第１の還元触媒１７及び第２の還元触媒１３は、触媒温度が高いほどアンモニアの最大吸着量が減少する特性を有する。また、排気温度あるいは触媒温度が低い場合、排気中での尿素水溶液の熱分解や触媒表面での尿素水溶液の加水分解が生じず、アンモニアが生成されないこととなる。したがって、第１の還元触媒１７及び第２の還元触媒１３の触媒温度が高すぎたり低すぎたりすると、ＮＯXの還元効率が低下する。
本実施形態において、第１の還元触媒１７は、排ガス中の煤等の粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）を捕集するパティキュレートフィルタに触媒成分を担持させて構成され、還元触媒及びパティキュレートフィルタの機能を併せ持つ。例えば、第１の還元触媒１７は、内燃機関５に近接する位置において排気通路１１内に設けられる。第２の還元触媒１３は、第１の還元触媒１７よりも下流側の排気通路１１内に設けられる。尿素ＳＣＲシステム１０が乗用車に搭載されるシステムである場合、例えば、第１の還元触媒１７はエンジンルーム内に位置し、第２の還元触媒１３は車室のフロア下に位置する。第２の還元触媒１３は、熱源となる内燃機関５から離れた位置に配置されるため、熱による劣化を抑制することができる。第２の還元触媒１３の触媒容量は、第１の還元触媒１７の触媒容量よりも大きくてもよい。
第１の還元触媒１７は、内燃機関５に近接する位置に設けられていることから、内燃機関５の始動時において第１の還元触媒１７の周囲の温度が、第２の還元触媒１３の周囲の温度よりも速く上昇することがある。この場合、第１の還元触媒１７は、内燃機関５の始動後、第２の還元触媒１３よりも早く温度上昇してＮＯXの浄化を開始できる一方で、過度に高温状態になった場合には、アンモニアの最大吸着量が減ってアンモニアがスリップしやすくなる。第２の還元触媒１３は、内燃機関５の始動後、第１の還元触媒１７よりも緩やかに温度上昇するため、第１の還元触媒１７からスリップしたアンモニアを吸着することができる。また、第２の還元触媒１３は温度上昇が抑制されることから、内燃機関５の運転状態により過熱状態となって第２の還元触媒１３でのＮＯXの浄化効率が著しく低下する期間を短くすることができる。
第１の還元触媒１７の上流側の排気通路１１に、酸化触媒１９が設けられている。酸化触媒１９は、排ガス中の未燃燃料（ＨＣ）を酸化してその酸化熱により排気温度を上昇させ、パティキュレートフィルタとしての機能を有する第１の還元触媒１７に捕集されたＰＭを燃焼させる機能を有する。また、酸化触媒１９は、排ガス中の一酸化窒素（ＮＯ）の一部を酸化して二酸化窒素（ＮＯ2）へ変化させる機能を有する。酸化触媒１９の代わりに、あるいは酸化触媒１９に加えて、ＮＯX吸蔵触媒が設けられていてもよい。
なお、第１の還元触媒１７は、パティキュレートフィルタに触媒成分を担持させたものに限定されない。また、酸化触媒１９は、尿素ＳＣＲシステム１０に必須の構成要素ではない。
還元剤供給制御装置３０は、第１の還元触媒１７及び第２の還元触媒１３それぞれの上流側の排気通路１１内に尿素水溶液を供給する。第１の還元触媒１７に対する尿素水溶液の供給量は、第１の還元触媒１７に流入する排ガス中のＮＯX濃度や第１の還元触媒１７の温度（第１の触媒温度）、第１の還元触媒１７におけるアンモニアの吸着量等に基づいて、第１の還元触媒１７の下流側にＮＯXあるいはアンモニアが流出しないように設定される。また、第２の還元触媒１３に対する尿素水溶液の供給量は、第２の還元触媒１３に流入する排ガス中のＮＯX濃度や第２の還元触媒１３の温度（第２の触媒温度）、第２の還元触媒１３におけるアンモニアの吸着量等に基づいて、第２の還元触媒１３の下流側にＮＯXあるいはアンモニアが流出しないように設定される。
還元剤供給制御装置３０は、第１の還元触媒１７の上流側の排気通路１１に取り付けられた第１の噴射弁３１と、第２の還元触媒１３の上流側の排気通路１１に取り付けられた第２の噴射弁３３と、尿素水溶液を圧送するポンプ４１とを備える。これらの第１の噴射弁３１、第２の噴射弁３３及びポンプ４１の駆動は、制御装置６０によって制御される。ポンプ４１から第１の噴射弁３１及び第２の噴射弁３３に供給される尿素水溶液の圧力は、圧力センサ４３により検出される。圧力センサ４３を用いる代わりに、ポンプ４１の駆動電流波形に基づいて尿素水溶液の圧力を推定するようにしてもよい。
ポンプ４１は、例えば、電動式のダイヤフラムポンプや電動式のギヤポンプであってもよい。ポンプ４１の出力は、制御装置６０により制御される。本実施形態に係る尿素ＳＣＲシステム１０において、制御装置６０は、第１の噴射弁３１及び第２の噴射弁３３への尿素水溶液の供給圧が所定の目標圧となるように、圧力センサ４３により検出される圧力と目標圧との差分に基づいてポンプ４１の出力をフィードバック制御する。ただし、尿素水溶液の噴射量分を補充するようにポンプ４１の出力が制御されてもよい。
第１の噴射弁３１及び第２の噴射弁３３は、例えば、通電制御により開弁及び閉弁が切り替えられる電磁式開閉弁であってもよい。かかる噴射弁は電磁コイルを備え、電磁コイルへの通電により発生する磁力によって弁体が移動して開弁する構造を有している。第１の噴射弁３１は、第１の供給通路４５を介してポンプ４１に接続されている。また、第２の噴射弁３３は、第１の供給通路４５から分岐した第２の供給通路４７を介してポンプ４１に接続されている。
上記のとおり、本実施形態においては、第１の噴射弁３１及び第２の噴射弁３３への尿素水溶液の供給圧は所定の目標圧で維持されており、制御装置６０は、尿素水溶液の目標噴射量に応じて第１の噴射弁３１及び第２の噴射弁３３それぞれの開弁時間を調節する。例えば、第１の噴射弁３１及び第２の噴射弁３３は、噴孔が排気通路１１内に臨むようにして排気管に取り付けられ、尿素水溶液を排気通路１１内に直接噴射する。
第１の還元触媒１７の下流側、かつ、第２の還元触媒１３の上流側の排気通路１１には、排気温度を検出する排気温度センサ２１が設けられている。排気温度センサ２１のセンサ信号は制御装置６０に送信される。排気温度センサ２１により検出される排気温度は、第２の還元触媒１３の温度の推定にも用いられる。また、第２の還元触媒１３よりも下流側の排気通路１１には、ＮＯX濃度を検出するＮＯXセンサ２３が設けられている。ＮＯXセンサ２３のセンサ信号は制御装置６０に送信される。ＮＯXセンサ２３は、アンモニアにも反応し、ＮＯXセンサ２３によって第２の還元触媒１３の下流側に流出したＮＯX及びアンモニアが検知される。なお、各種センサの配置位置は、上記の例に限られない。
＜２．制御装置の構成例＞
次に、本実施形態に係る還元剤供給制御装置３０の制御装置６０の構成例を説明する。図２は、制御装置６０の構成例を示すブロック図である。なお、制御装置６０は、一つの制御装置で構成されてもよく、互いに通信可能な複数の制御装置で構成されていてもよい。
制御装置６０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）又はＭＰＵ（Micro Processing Unit）等のプロセッサや電気回路、ＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）等の記憶素子を備えて構成される。制御装置６０の一部又は全部は、ファームウェア等の更新可能なもので構成されてもよく、また、ＣＰＵ等からの指令によって実行されるプログラムモジュール等であってもよい。
制御装置６０は、第１の触媒温度推定部７１、第２の触媒温度推定部７３、ポンプ制御部６５、第１の噴射弁制御部６７、第２の噴射弁制御部６９、回収制御部６１及びエア抜き制御部６３を備える。これらの各部の一部又は全部は、プロセッサによるコンピュータプログラムの実行により実現される機能であってもよい。制御装置６０は、イグニッションスイッチ３の制御信号、並びに、圧力センサ４３、排気温度センサ２１及びＮＯXセンサ２３のセンサ信号を取得可能に構成されている。
第１の触媒温度推定部７１は、第１の還元触媒１７の温度（第１の触媒温度）を推定する。第１の触媒温度推定部７１による第１の触媒温度の推定方法は、特に限定されない。例えば、第１の触媒温度推定部７１は、内燃機関５の運転条件から推定される排気温度に基づいて第１の触媒温度を推定する。第１の触媒温度推定部７１は、さらに外気温度又は排気温度センサ２１により検出される排気温度のうちの少なくとも一つを用いて第１の触媒温度を推定してもよい。
第２の触媒温度推定部７３は、第２の還元触媒１３の温度（第２の触媒温度）を推定する。第２の触媒温度推定部７３による第２の触媒温度の推定方法は、特に限定されない。例えば、第２の触媒温度推定部７３は、排気温度センサ２１により検出される排気温度に基づいて第２の触媒温度を推定する。第２の触媒温度推定部７３は、さらに外気温度を用いて第１の触媒温度を推定してもよい。
ポンプ制御部６５は、ポンプ４１の駆動を制御する。本実施形態において、排気通路１１への尿素水溶液の噴射制御の実行中において、ポンプ制御部６５は、圧力センサ４３により検出される尿素水溶液の供給圧があらかじめ設定された目標圧となるようにポンプ４１の出力をフィードバック制御する。また、内燃機関５の停止時において、ポンプ制御部６５は、回収制御部６１の指令にしたがってポンプ４１を駆動し、第１の供給通路４５及び第２の供給通路４７内の尿素水溶液を貯蔵タンク５０へと戻す。また、内燃機関５の始動時において、ポンプ制御部６５は、エア抜き制御部６３の指令にしたがってポンプ４１を駆動し、第１の供給通路４５及び第２の供給通路４７内へ尿素水溶液を充填する。
第１の噴射弁制御部６７は、第１の噴射弁３１の駆動を制御する。排気通路１１への尿素水溶液の噴射制御の実行中において、第１の噴射弁制御部６７は、内燃機関５から排出される排ガス中のＮＯX濃度、第１の触媒温度及び第１の還元触媒１７におけるアンモニア吸着可能量の情報に基づいて、第１の噴射弁３１による尿素水溶液の目標噴射量を算出する。内燃機関５から排出される排ガス中のＮＯX濃度は、内燃機関５の運転条件から推定されてもよく、図示しないＮＯXセンサを用いて検出されてもよい。第１の還元触媒１７におけるアンモニア吸着可能量は、第１の触媒温度に応じた最大吸着量と、第１の還元触媒１７におけるアンモニアの消費量及び第１の還元触媒１７へのアンモニアの供給量の積算量との差として求めることができる。また、第１の噴射弁制御部６７は、算出した目標噴射量にしたがって第１の噴射弁３１への電力供給を制御する。例えば、第１の噴射弁制御部６７は、目標噴射量にしたがって、一サイクル中の第１の噴射弁３１への通電時間である駆動デューティ比を制御する。
また、内燃機関５の停止時において、第１の噴射弁制御部６７は、回収制御部６１の指令にしたがって第１の噴射弁３１を開弁し、尿素水溶液の回収に合わせて第１の供給通路４５内に空気あるいは排ガスが導入されるようにする。また、内燃機関５の始動時において、第１の噴射弁制御部６７は、エア抜き制御部６３の指令にしたがって第１の噴射弁３１を開弁し、尿素水溶液の充填時に第１の供給通路４５内から空気あるいは排ガスが排出されるようにする。
第２の噴射弁制御部６９は、第２の噴射弁３３の駆動を制御する。排気通路１１への尿素水溶液の噴射制御の実行中において、第２の噴射弁制御部６９は、第１の還元触媒１７の下流側の排ガス中のＮＯX濃度、第２の触媒温度及び第２の還元触媒１３におけるアンモニア吸着可能量の情報に基づいて、第２の噴射弁３３による尿素水溶液の目標噴射量を算出する。第１の還元触媒１７の下流側の排ガス中のＮＯX濃度は、内燃機関５の運転条件及び第１の還元触媒１７によるＮＯXの浄化率から推定されてもよく、図示しないＮＯXセンサを用いて検出されてもよい。第２の還元触媒１３におけるアンモニア吸着可能量は、第２の触媒温度に応じた最大吸着量と、第２の還元触媒１３におけるアンモニアの消費量及び第２の還元触媒１３へのアンモニアの供給量の積算量との差として求めることができる。また、第２の噴射弁制御部６９は、算出した目標噴射量にしたがって第２の噴射弁３３への電力供給を制御する。例えば、第２の噴射弁制御部６９は、目標噴射量にしたがって、一サイクル中の第２の噴射弁３３への通電時間である駆動デューティ比を制御する。
また、内燃機関５の停止時において、第２の噴射弁制御部６９は、回収制御部６１の指令にしたがって第２の噴射弁３３を開弁し、尿素水溶液の回収に合わせて第２の供給通路４７内に空気あるいは排ガスが導入されるようにする。また、内燃機関５の始動時において、第２の噴射弁制御部６９は、エア抜き制御部６３の指令にしたがって第２の噴射弁３３を開弁し、尿素水溶液の充填時に第２の供給通路４７内から空気あるいは排ガスが排出されるようにする。
回収制御部６１は、内燃機関５の停止時において、第１の供給通路４５及び第２の供給通路４７内の全部又は一部の尿素水溶液を貯蔵タンク５０内に回収する制御を行う。例えば、回収制御部６１は、イグニッションスイッチ３の制御信号に基づいて内燃機関５の停止を検知した場合、ポンプ４１を逆回転させたり、ポンプ４１による尿素水溶液の供給通路を切り替えてポンプ４１を駆動させたりすることにより、第１の供給通路４５及び第２の供給通路４７内の尿素水溶液を貯蔵タンク５０側に吸い戻す。その際に、回収制御部６１は、第１の供給通路４５及び第２の供給通路４７内の圧力が負圧になった後に第１の噴射弁３１及び第２の噴射弁３３を開弁させ、第１の供給通路４５及び第２の供給通路４７内に空気あるいは排ガスが導入されるようにする。これにより、尿素水溶液が排気通路１１内へ漏洩することが抑制される。
回収制御部６１は、第１の噴射弁３１及び第２の噴射弁３３を同時に開弁してもよく、異なるタイミングで開弁してもよい。また、尿素水溶液を貯蔵タンク５０側に吸い戻す方法は上記の例に限定されるものではなく、ポンプ４１とは別に設けられた、回収用のポンプが用いられてもよい。
エア抜き制御部６３は、内燃機関５の始動時において、第１の供給通路４５及び第２の供給通路４７内の空気あるいは排ガスを排気通路１１へ排出しながら、第１の供給通路４５及び第２の供給通路４７内に尿素水溶液を充填するエア抜き制御を行う。エア抜き制御部６３は、第１の供給通路４５内に尿素水溶液を充填する際、第１の噴射弁３１を開弁して第１の供給通路４５から空気あるいは排ガスを排気通路１１へ排出する。また、エア抜き制御部６３は、第２の供給通路４７内に尿素水溶液を充填する際、第２の噴射弁３３を開弁して第２の供給通路４７から空気あるいは排ガスを排気通路１１へ排出する。
本実施形態に係る還元剤供給制御装置３０において、エア抜き制御部６３は、第１の触媒温度が第１の温度に到達する第１条件が成立したときに第１の噴射弁３１に通じる第１の供給通路４５に尿素水溶液を供給して空気あるいは排ガスを排出し、第１の噴射弁制御部６７による尿素水溶液の噴射制御を開始させる第１のエア抜き制御を実行する。また、エア抜き制御部６３は、第２の還元触媒１３の温度が第２の温度に到達する第２条件が成立したときに第２の噴射弁３３に通じる第２の供給通路４７に尿素水溶液を供給して空気あるいは排ガスを排出し、第２の噴射弁３３による還元剤の噴射制御を開始させる第２のエア抜き制御を実行する。その際、エア抜き制御部６３は、第１のエア抜き制御又は第２のエア抜き制御のうち、先に第１条件又は第２条件が成立して実行される一方のエア抜き制御が完了した後に、他方のエア抜き制御を実行可能とする。
第１の噴射弁３１の開弁を伴う第１の供給通路４５への尿素水溶液の充填と、第２の噴射弁３３の開弁を伴う第２の供給通路４７への尿素水溶液の充填とを時間をずらして行うことにより、第１の供給通路４５及び第２の供給通路４７それぞれからの空気あるいは排ガスの排出終了時期の予測が容易になり、排気通路１１内への尿素水溶液の漏洩を抑制することができる。これにより、第１の還元触媒１７又は第２の還元触媒１３のアンモニアの吸着量の計算のずれや、アンモニアスリップを抑制することができる。
例えば、内燃機関５の始動時において、内燃機関５の熱の影響を受けて第１の触媒温度の周囲の温度が第２の還元触媒１３の周囲の温度よりも速く上昇すると、第１の還元触媒１７は第２の還元触媒１３よりも早い時期にＮＯXの浄化を開始することが可能になる。この場合、第１の触媒温度が第１の温度（例えば１５０℃）に到達したときに、エア抜き制御部６３は、第１のエア抜き制御を実行する。第１のエア抜き制御が完了した後、第２の触媒温度が第２の温度（例えば１５０℃）に到達したときに、エア抜き制御部６３は、第２のエア抜き制御を実行する。
第１の触媒温度又は第２の触媒温度がそれぞれ所定温度以上になった状態では、第１の噴射弁３１及び第２の噴射弁３３の取り付け位置の周囲も高温状態となっているため、尿素水溶液の充填時に、第１の噴射弁３１又は第２の噴射弁３３のいずれかから尿素水溶液が排気通路１１内に漏洩した場合であっても、尿素水溶液の結晶化を抑制することができる。また、第１の還元触媒１７又は第２の還元触媒１３それぞれにおけるＮＯXの浄化効率が高くなってから第１の噴射弁３１又は第２の噴射弁３３が開弁されるため、第１の噴射弁３１又は第２の噴射弁３３のいずれかから尿素水溶液が排気通路１１内に漏洩した場合であっても、漏洩した尿素水溶液が加水分解してアンモニアが生成され、第１の還元触媒１７又は第２の還元触媒１３に吸着され、排ガス中のＮＯXの還元反応により消費される。
また、第１の供給通路４５及び第２の供給通路４７それぞれからの空気あるいは排ガスの排出終了時期の予測が容易になると、尿素水溶液の充填時に第１の供給通路４５及び第２の供給通路４７内に空気あるいは排ガスが残留することを抑制することができる。このため、尿素水溶液の噴射制御開始後に第１の供給通路４５あるいは第２の供給通路４７内の圧力が低下して、尿素水溶液の噴射量の計算にずれが生じることを抑制することができる。
このとき、エア抜き制御部６３は、第１のエア抜き制御が完了した後、第２の供給通路４７への尿素水溶液の充填を行う間、第１の噴射弁３１による尿素水溶液の噴射制御を停止させてもよい。これにより、第１の供給通路４５内の圧力が不安定な状態で第１の噴射弁３１による尿素水溶液の噴射制御が行われることが避けられ、噴射量のずれによる第１の還元触媒１７のアンモニアの吸着量の計算のずれやアンモニアスリップを抑制することができる。
ただし、第２の供給通路４７のエア抜き制御が完了するまでの期間、第１の噴射弁３１による尿素水溶液の噴射制御を停止させる場合、第１の噴射弁制御部６７は、当該停止期間中に算出された尿素水溶液の目標噴射量を積算し、噴射制御の再開後の目標噴射量に当該積算値を加算することが好ましい。これにより、第１の還元触媒１７におけるアンモニアの吸着量のずれが抑制され、第１の還元触媒１７の還元効率の低下を抑制することができる。
＜３．動作例＞
次に、本実施形態に係る還元剤供給制御装置３０の動作の一例を説明する。図３は、内燃機関５の始動時における還元剤供給制御装置３０の動作例を示すフローチャートである。
まず、制御装置６０のエア抜き制御部６３は、内燃機関５のイグニッションスイッチ３の制御信号に基づいてイグニッションスイッチ３がオンになったことを検知する（ステップＳ１１）。イグニッションスイッチ３がオンになり、内燃機関５が始動すると、内燃機関５の回転数（Ｎｅ）及びポンプ４１の出力ｄ＿ｐが上昇し、尿素水溶液の供給圧Ｐ＿ｕが上昇する。内燃機関５の始動に伴って、第１の触媒温度Ｔ＿ｃ１及び第２の触媒温度Ｔ＿ｃ２が上昇し始める。
次いで、エア抜き制御部６３は、第１の触媒温度Ｔ＿ｃ１が、あらかじめ設定された第１の温度Ｔ＿ｃ１＿ｔｈに到達したか否かを判別する（ステップＳ１３）。第１の温度Ｔ＿ｃ１＿ｔｈは、例えば、第１の還元触媒１７におけるＮＯXの浄化効率が所定以上となる適切な温度に設定される。第１の触媒温度Ｔ＿ｃ１が第１の温度Ｔ＿ｃ１＿ｔｈ未満と判定される場合（Ｓ１３／Ｎｏ）、エア抜き制御部６３は、第２の触媒温度Ｔ＿ｃ２が第２の温度Ｔ＿ｃ２＿ｔｈに到達したか否かを判別する（ステップＳ２７）。第２の温度Ｔ＿ｃ２＿ｔｈは、例えば、第２の還元触媒１３におけるＮＯXの浄化効率が所定以上となる適切な温度に設定される。
第２の触媒温度Ｔ＿ｃ２が第２の温度Ｔ＿ｃ２＿ｔｈ未満と判定される場合（Ｓ２７／Ｎｏ）、エア抜き制御部６３は、ステップＳ１３に戻って第１の触媒温度Ｔ＿ｃ１の判定を繰り返す。第１の触媒温度Ｔ＿ｃ１及び第２の触媒温度Ｔ＿ｃ２がいずれも設定温度に到達しない間、ポンプ制御部６５は、尿素水溶液の供給圧が所定の目標値となるようにポンプ４１の出力を制御する。なお、イグニッションスイッチ３がオンになったときにポンプ４１の駆動を開始する代わりに、第１の触媒温度Ｔ＿ｃ１が第１の温度Ｔ＿ｃ１＿ｔｈに近づいたときにポンプ４１の駆動を開始してもよい。
一方、ステップＳ１３において、第１の触媒温度Ｔ＿ｃ１が第１の温度Ｔ＿ｃ１＿ｔｈに到達したと判定される場合（Ｓ１３／Ｙｅｓ）、エア抜き制御部６３は、第１のエア抜き制御を実行し、第１の供給通路４５への尿素水溶液の充填を行う（ステップＳ１５）。具体的に、エア抜き制御部６３は、ポンプ４１の出力のフィードバック制御を維持したまま第１の噴射弁３１を開弁させて第１の供給通路４５内の空気あるいは排ガスを排気通路１１内に排出させる。このとき、第１の噴射弁３１の開弁時間は、あらかじめシミュレーション等により求められて設定される。例えば、第１の噴射弁３１の開弁時間は、尿素水溶液の供給圧が目標圧となった場合における、内燃機関５の停止時の尿素水溶液の回収制御後に第１の供給通路４５及び第２の供給通路４７内に存在する空気あるいは排ガスの体積に基づいて設定されていてもよい。なお、第１の供給通路４５内の空気あるいは排ガスを排出する間、ポンプ４１の出力のフィードバック制御を維持する代わりに、ポンプ４１の駆動を停止してもよい。
次いで、第１の供給通路４５への尿素水溶液の充填が終了すると、エア抜き制御部６３は、第１の噴射弁３１による尿素水溶液の噴射制御を許可する（ステップＳ１７）。これにより、第１の噴射弁３１による尿素水溶液の噴射制御が開始され、温度が上昇した第１の還元触媒１７を用いて、排ガス中のＮＯXが浄化される。
次いで、エア抜き制御部６３は、第２の触媒温度Ｔ＿ｃ２が、あらかじめ設定された第２の温度Ｔ＿ｃ２＿ｔｈに到達したか否かを判別する（ステップＳ１９）。第２の触媒温度Ｔ＿ｃ２が第２の温度Ｔ＿ｃ２＿ｔｈ未満と判定される場合（Ｓ１９／Ｎｏ）、エア抜き制御部６３は、第２の触媒温度Ｔ＿ｃ２の判定を繰り返す。
一方、第２の触媒温度Ｔ＿ｃ２が第２の温度Ｔ＿ｃ２＿ｔｈに到達したと判定される場合（Ｓ１９／Ｙｅｓ）、エア抜き制御部６３は、第１の噴射弁３１による尿素水溶液の噴射制御を停止する（ステップＳ２１）。次いで、エア抜き制御部６３は、第２のエア抜き制御を実行し、第２の供給通路４７への尿素水溶液の充填を行う（ステップＳ２３）。具体的に、エア抜き制御部６３は、ポンプ４１の出力のフィードバック制御を維持したまま第２の噴射弁３３を開弁させて第２の供給通路４７内の空気あるいは排ガスを排気通路１１内に排出させる。このとき、第２の噴射弁３３の開弁時間は、あらかじめシミュレーション等により求められて設定される。例えば、第２の噴射弁３３の開弁時間は、第１の供給通路４５への尿素水溶液の充填後に第２の供給通路４７内に存在する空気あるいは排ガスの体積に基づいて設定されていてもよい。なお、第１の供給通路４５内の空気あるいは排ガスを排出する間、ポンプ４１の出力のフィードバック制御を維持する代わりに、ポンプ４１の駆動を停止してもよい。
第２の供給通路４７への尿素水溶液の充填が終了すると、エア抜き制御部６３は、第１の噴射弁３１及び第２の噴射弁３３による尿素水溶液の噴射制御を許可する（ステップＳ２５）。これにより、第１の噴射弁３１及び第２の噴射弁３３による尿素水溶液の噴射制御が開始され、温度が上昇した第１の還元触媒１７及び第２の還元触媒１３を用いて、排ガス中のＮＯXが浄化される。以降、第１の噴射弁３１及び第２の噴射弁３３からともに尿素水溶液を供給し、第１の還元触媒１７及び第２の還元触媒１３をともに活用してＮＯXを浄化してもよく、第２の噴射弁３３から尿素水溶液を供給し第２の還元触媒１３のみを活用してＮＯXを浄化してもよい。
第１の触媒温度Ｔ＿ｃ１が第１の温度Ｔ＿ｃ１＿ｔｈに到達するよりも先に第２の触媒温度Ｔ＿ｃ２が第２の温度Ｔ＿ｃ２＿ｔｈに到達した場合（Ｓ１３／ＮｏかつＳ２７／Ｙｅｓ）、第２のエア抜き制御と第１のエア抜き制御との順序を入れ替える以外はステップＳ１５〜ステップＳ２７と同様の手順で第２のエア抜き制御及び第１のエア抜き制御を実行し（ステップＳ２７〜Ｓ３７）、第１の噴射弁３１及び第２の噴射弁３３による尿素水溶液の噴射制御を開始する（ステップＳ２５）。
図４は、内燃機関５の始動時における還元剤供給制御装置３０の動作例を示すタイミングチャートである。図４は、内燃機関５の始動後における第１の触媒温度の上昇速度が、第２の還元触媒１３の温度の上昇速度よりも速い場合の動作例を示している。
図４に示した例では、時刻ｔ１において、エア抜き制御部６３は、内燃機関５のイグニッションスイッチ３の制御信号に基づいてイグニッションスイッチ３がオンになったことを検知する。イグニッションスイッチ３がオンになり、内燃機関５が始動すると、内燃機関５の回転数（Ｎｅ）及びポンプ４１の出力ｄ＿ｐが上昇し、尿素水溶液の供給圧Ｐ＿ｕが上昇する。内燃機関５の始動に伴って、第１の触媒温度Ｔ＿ｃ１及び第２の触媒温度Ｔ＿ｃ２が上昇し始める。この例では、第１の触媒温度Ｔ＿ｃ１の上昇速度は第２の触媒温度Ｔ＿ｃ２よりも速くなっている。
次いで、時刻ｔ２において、エア抜き制御部６３は、第１の触媒温度Ｔ＿ｃ１が第１の温度Ｔ＿ｃ１＿ｔｈに到達したと判定し、第１のエア抜き制御を実行して第１の供給通路４５への尿素水溶液の充填を行う。次いで、時刻ｔ３において、第１の供給通路４５への尿素水溶液の充填が終了すると、エア抜き制御部６３は、第１の噴射弁３１による尿素水溶液の噴射制御を許可する。これにより、第１の噴射弁３１による尿素水溶液の噴射制御が開始され、温度が上昇した第１の還元触媒１７を用いて、排ガス中のＮＯXが浄化される。
次いで、時刻ｔ４において、エア抜き制御部６３は、第２の触媒温度Ｔ＿ｃ２が第２の温度Ｔ＿ｃ２＿ｔｈに到達したと判定し、第１の噴射弁３１による尿素水溶液の噴射制御を停止するとともに、第２のエア抜き制御を実行して第２の供給通路４７への尿素水溶液の充填を行う。次いで、時刻ｔ５において、第２の供給通路４７への尿素水溶液の充填が終了すると、エア抜き制御部６３は、第１の噴射弁３１及び第２の噴射弁３３による尿素水溶液の噴射制御を許可する。これにより、第１の噴射弁３１及び第２の噴射弁３３による尿素水溶液の噴射制御が開始され、温度が上昇した第１の還元触媒１７及び第２の還元触媒１３を用いて、排ガス中のＮＯXが浄化される。
なお、第１の噴射弁３１及び第２の噴射弁３３による尿素水溶液の噴射制御が許可された場合であっても、内燃機関５の運転状態や第１の触媒温度によっては第１の還元触媒１７の触媒効率が低下する場合には、第１の噴射弁３１による尿素水溶液の噴射制御が中断されてもよい。
以上説明したように、本実施形態に係る還元剤供給制御装置３０によれば、第１の噴射弁３１の開弁を伴う第１の供給通路４５及び第２の噴射弁３３の開弁を伴う第２の供給通路４７への尿素水溶液の充填が時間をずらして行われる。このため、第１の供給通路４５及び第２の供給通路４７からのエア抜きを精度よく行うことができ、空気あるいは排ガスの残留、並びに、第１の噴射弁３１及び第２の噴射弁３３からの尿素水溶液の漏洩を抑制することができる。
また、例えば、ＮＯX吸蔵触媒及びＮＯX選択還元触媒を併用する排気浄化システムにおいては還元触媒の容量が小さくなる傾向にあり、アンモニアスリップを抑制する重要性が高くなる。本実施形態に係る還元剤供給制御装置３０は、このような排気浄化システムに適用されることにより、尿素水溶液の漏洩によるアンモニアの供給量の過多を抑制し、アンモニアスリップのおそれを低減することができる。また、本実施形態に係る還元剤供給制御装置３０は、このような排気浄化システムに例示されるような尿素水溶液の噴射量のずれに対する許容範囲が小さいシステムにおいても、第１の還元触媒１７を先に使い始めることができるため、システム全体として尿素水溶液の噴射時期を早めることができる。
また、本実施形態に係る還元剤供給制御装置３０によれば、先のエア抜き制御が完了して尿素水溶液の噴射制御が開始された後、次のエア抜き制御が実行される間、尿素水溶液の噴射制御が停止されてもよい。これにより、尿素水溶液の供給圧が不安定な状態で尿素水溶液の充填が行われることが避けられ、後のエア抜き制御のエア抜きを精度よく行うことができる。また、エア抜き制御の実行中に尿素水溶液の噴射制御を継続することによる噴射量のずれを防ぐことができる。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
例えば、上記実施形態に係る還元剤供給制御装置３０における第１の供給通路４５と第２の供給通路４７との分岐部分に、第１の噴射弁３１側又は第２の噴射弁３３側への通路の少なくとも一方の開閉を行う制御弁を備えていてもよい。この場合、第１の供給通路４５へ尿素水溶液を充填する際には第２の噴射弁３３側を閉じ、第１の供給通路４５へ尿素水溶液を充填する際には第１の噴射弁３１側を閉じることにより、それぞれの供給通路への尿素水溶液の充填を効率よく行うことができるとともに、排出すべき空気あるいは排ガスの容量をあらかじめ計算しやすくなって、空気あるいは排ガスの残留及び尿素水溶液の漏洩を抑制することができる。
５ 内燃機関、１１ 排気通路、１３ 第２の還元触媒、１７ 第１の還元触媒、３１ 第１の噴射弁、３３ 第２の噴射弁、４１ ポンプ、４５ 第１の供給通路４５ 第２の供給通路、５０ 貯蔵タンク、６０ 制御装置、６１ 回収制御部、６３ エア抜き制御部、６７ 第１の噴射弁制御部、６９ 第２の噴射弁制御部

Claims (3)

  1. 内燃機関（５）の排気通路（１１）に設けられた第１の還元触媒（１７）の上流側に還元剤を供給する第１の噴射弁（３１）と、前記第１の還元触媒（１７）の下流側に設けられた第２の還元触媒（１３）の上流側に還元剤を供給する第２の噴射弁（３３）と、貯蔵タンク（５０）内の還元剤を前記第１の噴射弁（３１）及び前記第２の噴射弁（３３）に供給するポンプ（４１）と、前記第１の噴射弁（３１）、前記第２の噴射弁（３３）及び前記ポンプ（４１）を制御する制御装置（６０）と、を備えた、還元剤供給制御装置（３０）において、
    前記制御装置（６０）は、
    前記内燃機関（５）の停止時に還元剤を前記貯蔵タンク（５０）へと回収する回収制御部（６１）と、
    前記内燃機関（５）の始動時に、前記第１の噴射弁（３１）及び前記第２の噴射弁（３３）を開放しながら前記第１の噴射弁（３１）及び前記第２の噴射弁（３３）に通じる還元剤供給通路（４５，４７）に還元剤を供給して還元剤供給通路（４５，４７）内の空気を排出するエア抜き制御部（６３）と、を備え、
    前記エア抜き制御部（６３）は、
    前記第１の還元触媒（１７）の温度が第１の温度に到達する第１条件が成立したときに前記第１の噴射弁（３１）に通じる還元剤供給通路（４５）に還元剤を供給して空気を排出し、前記第１の噴射弁（３１）による還元剤の噴射制御を開始させる第１のエア抜き制御と、
    前記第２の還元触媒（１３）の温度が第２の温度に到達する第２条件が成立したときに前記第２の噴射弁（３３）に通じる還元剤供給通路（４７）に還元剤を供給して空気を排出し、前記第２の噴射弁（３３）による還元剤の噴射制御を開始させる第２のエア抜き制御と、を実行可能に構成され、
    前記第１のエア抜き制御又は前記第２のエア抜き制御のうち、先に前記第１条件又は前記第２条件が成立して実行される一方のエア抜き制御が完了した後に、他方のエア抜き制御を実行可能とする、ことを特徴とする還元剤供給制御装置。
  2. 前記制御装置（６０）は、
    目標噴射量に基づいて前記第１の噴射弁（３１）を制御する第１の噴射弁制御部（６７）と、
    目標噴射量に基づいて前記第２の噴射弁（３３）を制御する第２の噴射弁制御部（６９）と、をさらに備え、
    前記エア抜き制御部（６３）は、前記他方のエア抜き制御を実行する間、先に完了した前記一方のエア抜き制御に対応する噴射弁による還元剤の噴射制御を停止させ、
    前記第１の噴射弁制御部（６７）又は前記第２の噴射弁制御部（６９）は、当該停止期間中に算出された目標噴射量の積算値を、噴射制御の再開後の目標噴射量に加算する、ことを特徴とする請求項１に記載の還元剤供給制御装置。
  3. 前記第２の噴射弁（３３）に通じる還元剤供給通路（４７）は、前記第１の噴射弁（３１）に通じる還元剤供給通路（４５）から分岐しており、
    当該分岐部分に開閉弁を備える、請求項１又は２に記載の還元剤供給制御装置。
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