JP2021139327A

JP2021139327A - 還元剤供給制御装置

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Publication number: JP2021139327A
Application number: JP2020037298A
Authority: JP
Inventors: 旭國島; Akira Kunishima
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-03-04
Filing date: 2020-03-04
Publication date: 2021-09-16
Anticipated expiration: 2040-03-04
Also published as: JP7457534B2

Abstract

【課題】２つ以上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から還元剤を回収する際に、残留する還元剤を低減可能な還元剤供給制御装置を提供する。【解決手段】制御装置（６０）の回収制御部（６１）は、第２の還元剤供給通路（４６）の容量及び第３の還元剤供給通路（４７）の容量に基づき、第１の噴射弁（３１）を介して第２の還元剤供給通路（４６）に導入される気体が分岐部（４４）に到達しないように、かつ、第２の噴射弁（３３）を介して第３の還元剤供給通路（４７）に導入される気体が分岐部（４４）に到達しないように還元剤を回収した後、第１の還元剤供給通路（４５）に気体を導入させて還元剤を回収する。【選択図】図４

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ＮＯ_X（窒素酸化物）が含まれる場合がある。排ガス中に含まれるＮＯ_X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ＮＯ_Xと反応することによってＮＯ_X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ＮＯ_X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、触媒温度や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ＮＯ_X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ＮＯ_X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。尿素水溶液を貯蔵タンクに回収する際には、尿素水溶液の供給通路内に空気あるいは排ガス（以下、噴射弁を介して還元剤供給通路に導入される空気あるいは排ガスをまとめて「空気」という）が導入されるように、噴射弁は開放される（例えば、特許文献１を参照）。

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。このような尿素ＳＣＲシステムでは、ポンプにより圧送される還元剤の供給通路を途中で分岐させて、それぞれの還元触媒の上流側に設けられた噴射弁へと還元剤を供給することが考えられる。

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、複数の噴射弁を同時に開放して尿素水溶液を回収しようとすると、いずれかの噴射弁に通じる還元剤供給通路に尿素水溶液が残留するおそれがある。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が異なっていたり、制御上の設計値からずれていたり、噴射弁の噴射孔の詰まり度合い等が異なっていたりすると、いずれか一つの還元剤供給通路に導入される空気が先に分岐部分に到達する。そうすると、還元剤と空気の密度や粘性抵抗の違いから、他の還元剤供給通路内の還元剤が吸い戻されにくくなって、還元剤が残留しやすくなる。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、２つ以上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から還元剤を回収する際に、残留する還元剤を低減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であって、制御装置は、内燃機関の停止時に、第１の噴射弁及び第２の噴射弁を開弁して、還元剤を貯蔵タンクへと回収するポンプを駆動する回収制御部を備え、ポンプから第１の噴射弁及び第２の噴射弁へ還元剤を供給する還元剤供給通路は、ポンプと分岐部を接続する第１の還元剤供給通路と、分岐部と第１の噴射弁を接続する第２の還元剤供給通路と、分岐部と第２の噴射弁を接続する第３の還元剤供給通路とを含み、回収制御部は、第２の還元剤供給通路の容量及び第３の還元剤供給通路の容量に基づき、第１の噴射弁を介して第２の還元剤供給通路に導入される気体が分岐部に到達しないように、かつ、第２の噴射弁を介して第３の還元剤供給通路に導入される気体が分岐部に到達しないように還元剤を回収した後、第１の還元剤供給通路に気体を導入させて還元剤を回収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つ以上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から還元剤を回収する際に、残留する還元剤を低減することができる。

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尿素水溶液の回収制御の一例を示すフローチャートである。第１回収制御中の第１の噴射弁及び第２の噴射弁それぞれの開弁期間の例を示す説明図である。第１回収制御中の第１の噴射弁及び第２の噴射弁それぞれの開弁期間の例を示す説明図である。第１回収制御中の第１の噴射弁及び第２の噴射弁それぞれの開弁期間の例を示す説明図である。第１回収制御中の第１の噴射弁及び第２の噴射弁それぞれの開弁期間の例を示す説明図である。第２回収制御中の第１の噴射弁及び第２の噴射弁それぞれの開弁期間の例を示す説明図である。第２回収制御中の第１の噴射弁及び第２の噴射弁それぞれの開弁期間の例を示す説明図である。第２回収制御中の第１の噴射弁及び第２の噴射弁それぞれの開弁期間の例を示す説明図である。第２回収制御中の第１の噴射弁及び第２の噴射弁それぞれの開弁期間の例を示す説明図である。

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ＮＯ_X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結晶化しやすくなる。

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ＮＯ_X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ＮＯ_X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、第１の還元触媒１７及び第２の還元触媒１３は、最大吸着量に対する実際のアンモニアの吸着率が高いほど、ＮＯ_Xの還元効率が高くなる特性を有する。さらに、第１の還元触媒１７及び第２の還元触媒１３は、触媒温度が高すぎたり低すぎたりすると、ＮＯ_Xの還元効率が低下する特性を有する。

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の始動時における第１の還元触媒１７の温度の上昇速度が、第２の還元触媒１３の温度の上昇速度よりも速くなることがある。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よりも早く活性化温度に到達するものの、その後の温度上昇に伴って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。一方、第２の還元触媒１３は、内燃機関５の始動後、活性化温度に到達するまでの時間が第１の還元触媒１７が活性化温度に到達するまでの時間よりも長くなるものの、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、内燃機関５の運転状態によっては、第１の還元触媒１７の温度が高くなりすぎて、第１の還元触媒１７におけるアンモニアの吸着量が減少し、アンモニアがスリップしやすくなる。さらに、第１の還元触媒１７に、その時点でのアンモニアの吸着可能量を超えるアンモニアが供給された場合には、アンモニアがスリップする。このような場合においても、第２の還元触媒１３は、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。

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。

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。酸化触媒１９の代わりに、ＮＯ_X吸蔵触媒が設けられていてもよい。

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ＮＯ_X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ＮＯ_X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ＮＯ_X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ＮＯ_X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及び第２の供給通路４６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及び第３の供給通路４７を介してポンプ４１に接続されている。つまり、ポンプ４１の吐出側に接続された第１の供給通路４５は、分岐部４４において第２の供給通路４６及び第３の供給通路４７に分岐しており、第２の供給通路４６又は第３の供給通路４７はそれぞれ第１の噴射弁３１及び第２の噴射弁３３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。

また、ポンプ４１と第１の供給通路４５との接続部分には流路切換弁４２が設けられている。流路切換弁４２は、ポンプ４１により圧送される尿素水溶液が流れる方向を、貯蔵タンク５０側から第１の供給通路４５側へ向かう第１の方向と、第１の供給通路４５側から貯蔵タンク５０側へ向かう第２の方向とに切り替える。流路切換弁４２の駆動は、制御装置６０によって制御される。例えば、排気通路１１への尿素水溶液の噴射制御を実行する場合、流路切換弁４２は非通電状態とされて、尿素水溶液が第１の供給通路４５側に流れるようにする。一方、内燃機関５の停止時等においては、流路切換弁４２は通電状態とされて、尿素水溶液が貯蔵タンク５０側に流れるようにして、尿素水溶液の回収を可能とする。

なお、尿素水溶液を貯蔵タンク５０に回収する手段は、流路切換弁４２を用いる構成に限られない。例えば、ポンプ４１とは別に、尿素水溶液回収用のポンプを用いて尿素水溶液を回収してもよく、ポンプ４１として逆回転可能なポンプを用いて、尿素水溶液を回収してもよい。

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、ＮＯ_X濃度を検出するＮＯ_Xセンサ２３が設けられている。ＮＯ_Xセンサ２３のセンサ信号は制御装置６０に送信される。ＮＯ_Xセンサ２３は、アンモニアにも反応し、ＮＯ_X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ＮＯ_X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、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ＮＯ_Xセンサ２３のセンサ信号を取得可能に構成されている。

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、ポンプ制御部６５は、排気通路１１への尿素水溶液の噴射制御の実行中、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、第２の供給通路４６及び第３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、第２の供給通路４６及び第３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ＮＯ_X濃度、第１の還元触媒１７の温度（以下、「第１の触媒温度」ともいう）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ＮＯ_X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ＮＯ_Xセンサを用いて検出されてもよい。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推定されてもよい。また、第１の触媒温度は、さらに排気流量、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推定されてもよい。

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２の供給通路４６内に空気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。本実施形態において、第２の噴射弁制御部６９は、排気通路１１への尿素水溶液の噴射制御の実行中、第１の還元触媒１７の下流側の排ガス中のＮＯ_X濃度、第２の還元触媒１３の温度（以下、「第２の触媒温度」ともいう）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ＮＯ_X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ＮＯ_Xの浄化率から推定されてもよく、図示しないＮＯ_Xセンサを用いて検出されてもよい。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推定されてもよい。また、第２の触媒温度は、さらに排気流量又は外気温度を用いて推定されてもよい。

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３の供給通路４７内に空気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３の供給通路４７内から空気が排出されるようにする。

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、第２の供給通路４６及び第３の供給通路４７内の空気を排気通路１１へ排出しながら、第１の供給通路４５、第２の供給通路４６及び第３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及び第２の供給通路４６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２の供給通路４６から排気通路１１へ空気を排出する。また、エア抜き制御部６３は、第１の供給通路４５及び第３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３の供給通路４７から排気通路１１へ空気を排出する。

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、第２の供給通路４６及び第３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、流路切換弁４２に電力を供給し、ポンプ４１により圧送される尿素水溶液が第１の供給通路４５側から貯蔵タンク５０側へと流れる状態として、ポンプ４１を駆動させる。これにより、第１の供給通路４５及び第３の供給通路４７内の尿素水溶液が貯蔵タンク５０側に吸い戻される。その際に、回収制御部６１は、第１の供給通路４５及び第３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３の供給通路４７内に空気が導入されるようにする。これにより、排気通路１１内への尿素水溶液の漏洩が抑制される。

本実施形態において、回収制御部６１は、第２の供給通路４６の容量及び第３の供給通路４７の容量に基づき、第１の噴射弁３１を介して第２の供給通路４６に導入される空気が分岐部４４に到達しないように、かつ、第２の噴射弁３３を介して第３の供給通路４７に導入される空気が分岐部４４に到達しないように尿素水溶液を回収した後、第１の供給通路４５に空気を導入させて尿素水溶液を回収する。第２の供給通路４６及び第３の供給通路４７の容量は、それぞれ配管の内径及び長さに基づいてあらかじめ求められる。以下、第２の供給通路４６及び第３の供給通路４７内の尿素水溶液を吸い戻す制御を第１回収制御といい、その後第１の供給通路４５内の尿素水溶液を吸い戻す制御を第２回収制御という。

図３は、回収制御部６１による尿素水溶液の回収制御処理の一例を示すフローチャートである。回収制御部６１は、内燃機関５のイグニッションスイッチがオフになったことを検知すると（ステップＳ１１）、ポンプ４１の出力をあらかじめ設定された所定値で固定してポンプ４１を駆動させる（ステップＳ１３）。次いで、回収制御部６１は、第１回収制御を実行する（ステップＳ１５）。

例えば、第１回収制御において、回収制御部６１は、合計の開弁時間が、第２の供給通路４６の容量に応じて設定された時間となるように第１の噴射弁３１を開弁させ、第１の噴射弁３１を介して第２の供給通路４６に導入される空気が分岐部４４に到達しないように、第２の供給通路４６から尿素水溶液を回収する。また、第１回収制御において、回収制御部６１は、合計の開弁時間が、第３の供給通路４７の容量に応じて設定された時間となるように第２の噴射弁３３を開弁させ、第２の噴射弁３３を介して第３の供給通路４７に導入される空気が分岐部４４に到達しないように、第３の供給通路４７から尿素水溶液を回収する。

具体的には、回収制御部６１は、尿素水溶液を回収する制御を実行する間、ポンプ４１の出力（回転数）を所定値に固定させることで、あらかじめ決められた第２の供給通路４６あるいは第３の供給通路４７の容量分の尿素水溶液が吸い戻される時間を求めることができる。あるいは、尿素水溶液を回収する制御を実行する間、ポンプ４１の出力を所定値に固定させ、第２の供給通路４６及び第３の供給通路４７のそれぞれから尿素水溶液が吸い戻される時間を、実機を用いて、あるいは、シミュレーションによりあらかじめ求めてもよい。

第１回収制御中、第１の噴射弁３１及び第２の噴射弁３３をそれぞれ開弁状態で維持する期間は、重複してもよく、あるいは、重複しないようにずらされてもよい。ただし、いずれかの噴射弁を開弁状態で維持するすべての期間を、他方の噴射弁を開弁状態で維持する期間と重複させることにより、第２の供給通路４６及び第３の供給通路４７内の尿素水溶液の回収時間を短くすることができる。

図４〜図７は、図１に示した尿素ＳＣＲシステム１０において、第１回収制御中の第１の噴射弁３１及び第２の噴射弁３３それぞれの開弁期間の例を示している。図１に示すように、本実施形態に係る尿素ＳＣＲシステム１０では、第２の供給通路４６の長さが第３の供給通路４７の長さよりも長く、第２の供給通路４６の容量が第３の供給通路４７の容量よりも大きくなっている。

図４は、第１の噴射弁３１及び第２の噴射弁３３を時刻ｔ０で同時に開弁し、第２の噴射弁３３を第１の噴射弁３１を閉弁する時刻ｔ２よりも先の時刻ｔ１に閉弁する例を示す。図５は、第２の噴射弁３３を第１の噴射弁３１を開弁する時刻ｔ０よりも後の時刻ｔ１１に開弁し、第１の噴射弁３１及び第２の噴射弁３３を時刻ｔ１２で同時に閉弁する例を示す。図６は、第２の噴射弁３３を第１の噴射弁３１を開弁する時刻ｔ０よりも後の時刻ｔ２１に開弁し、第２の噴射弁３３を第１の噴射弁３１を閉弁する時刻ｔ２３よりも先の時刻ｔ２２に閉弁する例を示す。図７は、第２の噴射弁３３を第１の噴射弁３１を開弁する時刻ｔ３１よりも先の時刻ｔ０に開弁し、第２の噴射弁３３を第１の噴射弁３１を閉弁する時刻ｔ３３よりも先の時刻ｔ３２に閉弁する例を示す。

それぞれの図において、期間Ｘには、第１の噴射弁３１及び第２の噴射弁３３がともに開弁状態で維持され、期間Ｙには、第１の噴射弁３１のみが開弁状態で維持され、期間Ｚには、第２の噴射弁３３のみが開弁状態で維持される。このため、期間Ｘと期間Ｙとでは、第２の供給通路４６から吸い戻される尿素水溶液の流量（ｍｌ／秒）が異なる。また、期間Ｘと期間Ｚとでは、第３の供給通路４７から吸い戻される尿素水溶液の流量（ｍｌ／秒）が異なる。例えば、第１の噴射弁３１と第２の噴射弁３３が同一の噴射弁であり、噴孔面積が同一であり、第２の供給通路４６と第３の供給通路４７の配管径及び摩擦抵抗が同一である場合、期間Ｘに第２の供給通路４６及び第３の供給通路４７からそれぞれ吸い戻される流量（ｍｌ／秒）は、期間Ｙに第２の供給通路４６から吸い戻される流量あるいは期間Ｚに第３の供給通路４７から吸い戻される流量（ｍｌ／秒）の２分の１となる。

期間Ｘ〜Ｚそれぞれにおいて第２の供給通路４６及び第３の供給通路４７から吸い戻される尿素水溶液の流量（ｍｌ／秒）を求めることにより、第１の噴射弁３１を介して導入される空気及び第２の噴射弁３３を介して導入される空気が分岐部４４に到達するまでの時間をあらかじめ算出することができる。したがって、図４〜図７のそれぞれに示す例において、第１の噴射弁３１及び第２の噴射弁３３を開弁する時期及び閉弁する時刻をあらかじめ設定することができる。

図４〜図６に示す例では、相対的に容量の小さい第３の供給通路４７を開弁状態で維持するすべての期間が、第２の供給通路４６を開弁状態で維持する期間と重複している。一方、図７に示す例では、第３の供給通路４７を開弁状態で維持する期間の一部が、第２の供給通路４６を開弁状態で維持する期間と重複していない。このため、第１の噴射弁３１を介して第２の供給通路４６に導入される空気が分岐部４４に到達しないように、かつ、第２の噴射弁３３を介して第３の供給通路４７に導入される空気が分岐部４４に到達しないように尿素水溶液を回収するまでの時間が、図４〜図６に示す例に比べて長くなっている。

回収制御部６１は、第１回収制御に続いて、第２回収制御を実行し、第１の供給通路４５に空気を導入して尿素水溶液を回収する（ステップＳ１７）。この場合、回収制御部６１は、第１の噴射弁３１又は第２の噴射弁３３の少なくとも一方を開弁状態で維持させる。

本実施形態に係る尿素ＳＣＲシステム１０において、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触媒であることから、第１の還元触媒１７の上流側の排気通路１１には、粒子状物質が存在しているおそれがある。このため、図８に示すように、回収制御部６１は、第２回収制御中、第１の噴射弁３１を閉じた状態にして、第２の噴射弁３３を開弁状態で維持させてもよい。これにより、パティキュレートが第１の噴射弁３１内に侵入したり、パティキュレートによって第１の噴射弁３１の噴孔が詰まったりすることを防ぐことができる。

また、内燃機関５の停止時に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に捕集されたパティキュレートを燃焼させる場合等、第１の還元触媒１７の下流側が高温になり得る場合がある。このような場合、図９に示すように、回収制御部６１は、第２回収制御中、第２の噴射弁３３を閉じた状態にして、第１の噴射弁３１を開弁状態で維持させてもよい。これにより、第２の噴射弁３３が高温に晒されて損傷することを防ぐことができる。

あるいは、第１の供給通路４５からの尿素水溶液の回収を開始する時点で、第２の供給通路４６又は第３の供給通路４７の少なくとも一方に尿素水溶液が残留している場合がある。このため、回収制御部６１は、第１の供給通路４５から尿素水溶液を回収する期間に、第１の噴射弁３１のみを開弁する期間及び第２の噴射弁３３のみを開弁する期間をそれぞれ少なくとも一回設けてもよい。例えば、図１０に示すように、回収制御部６１は、第２回収制御中、第１の噴射弁３１及び第２の噴射弁３３を交互に開弁させてもよい。これにより、第２の供給通路４６及び第３の供給通路４７に残留していた尿素水溶液を回収することができる。

さらに、図１１に示すように、回収制御部６１は、第２回収制御中、第１の噴射弁３１及び第２の噴射弁３３をともに開弁状態で維持させてもよい。これにより、第２の供給通路４６又は第３の供給通路４７の少なくとも一方に尿素水溶液が残留していたとしても、いずれかの噴射弁から導入される空気が分岐部４４に到達することで、第１の供給通路４５から尿素水溶液を回収することができる。また、第２の供給通路４６及び第３の供給通路４７に尿素水溶液が残留していない状態から第１の供給通路４５内の尿素水溶液を回収する仮定の下では、第１の噴射弁３１及び第２の噴射弁３３をともに開弁状態で維持させた場合の回収時間（図１１の時刻ｔ５０〜時刻ｔ５２）は、第１の噴射弁３１又は第２の噴射弁３３のいずれか一方のみを開弁状態で維持させた場合の回収時間（図８〜図１０の時刻ｔ５０〜時刻ｔ５１）よりも短くなる。

なお、上記の説明において、第１回収制御の終了時に第１の噴射弁３１及び第２の噴射弁３３をともに閉弁させ、第２回収制御の開始時に第１の噴射弁３１及び第２の噴射弁３３のうちの少なくとも一方を開弁させるように説明したが、第１回収制御から第２回収制御に亘って、第１の噴射弁３１及び第２の噴射弁３３のうちの少なくとも一方が継続して開弁状態で維持されていてもよい。

第２回収制御が終了すると、回収制御部６１は、ポンプ４１を停止させる（ステップＳ１９）。これにより、尿素水溶液の回収制御が終了する。

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を介して第２の供給通路４６に導入される空気が分岐部４４に到達しないように、かつ、第２の噴射弁３３を介して第３の供給通路４７に導入される空気が分岐部４４に到達しないように尿素水溶液を回収した後、第１の供給通路４５に気体を導入させて尿素水溶液を回収する。このため、第２の供給通路４６及び第３の供給通路４７内に尿素水溶液が残留するおそれを低減することができる。

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。

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、４６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

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、前記第１の噴射弁（３１）及び前記第２の噴射弁（３３）を開弁して、還元剤を前記貯蔵タンク（５０）へと回収する前記ポンプ（４１）を駆動する回収制御部（６１）を備え、
前記ポンプ（４１）から前記第１の噴射弁（３１）及び前記第２の噴射弁（３３）へ還元剤を供給する還元剤供給通路（４５，４６，４７）は、前記ポンプ（４１）と分岐部（４４）を接続する第１の還元剤供給通路（４５）と、前記分岐部（４４）と前記第１の噴射弁（３１）を接続する第２の還元剤供給通路（４６）と、前記分岐部（４４）と前記第２の噴射弁（３３）を接続する第３の還元剤供給通路（４７）とを含み、
前記回収制御部（６１）は、
前記第２の還元剤供給通路（４６）の容量及び前記第３の還元剤供給通路（４７）の容量に基づき、前記第１の噴射弁（３１）を介して前記第２の還元剤供給通路（４６）に導入される気体が前記分岐部（４４）に到達しないように、かつ、前記第２の噴射弁（３３）を介して前記第３の還元剤供給通路（４７）に導入される気体が前記分岐部（４４）に到達しないように前記還元剤を回収した後、前記第１の還元剤供給通路（４５）に気体を導入させて前記還元剤を回収する、ことを特徴とする還元剤供給制御装置。
前記回収制御部（６１）は、
合計の開弁時間が前記第２の還元剤供給通路（４６）の容量に応じて設定された時間となるように前記第１の噴射弁（３１）を開弁し、
合計の開弁時間が前記第３の還元剤供給通路（４７）の容量に応じて設定された時間となるように前記第２の噴射弁（３３）を開弁し、
次いで、前記第１の噴射弁（３１）及び前記第２の噴射弁（３３）の少なくとも一方を開弁して前記第１の還元剤供給通路（４５）に気体を導入させて前記還元剤を回収する、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。
前記回収制御部（６１）は、
前記第１の還元剤供給通路（４５）に気体を導入させて前記還元剤を回収する際に、前記第２の噴射弁（３３）を開弁して前記第１の還元剤供給通路（４５）に気体を導入させて前記還元剤を回収する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の還元剤供給制御装置。
前記回収制御部（６１）は、
前記第１の還元剤供給通路（４５）に気体を導入させて前記還元剤を回収する際に、前記第１の噴射弁（３１）のみを開弁する期間及び前記第２の噴射弁（３３）のみを開弁する期間をそれぞれ少なくとも一回設ける、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の還元剤供給制御装置。