JP5087188B2

JP5087188B2 - 排気浄化システム及び排気浄化システムの制御方法

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Publication number: JP5087188B2
Application number: JP2012528166A
Authority: JP
Inventors: 匡教渡辺; 武司宮本; 史宏黒木
Original assignee: Bosch Corp
Current assignee: Bosch Corp
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2011-12-21
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2031-12-21
Also published as: US9255511B2; US20130269321A1; CN103261601A; DE112011104606T5; JPWO2012090801A1; CN103261601B; WO2012090801A1

Description

本発明は、排気浄化システム及び排気浄化システムの制御方法に関する。特に、尿素水溶液の固化に起因した還元剤噴射弁の詰まりを解消することができる排気浄化システム及び排気浄化システムの制御方法に関する。

従来、車両に搭載される内燃機関の排気ガス中には、窒素酸化物（以下、「ＮＯ_X」と称する。）や微粒子状物質（以下、「ＰＭ」と称する。）が含まれている。
このうち、ＮＯ_Xを還元して排気ガスを浄化するための装置として尿素ＳＣＲシステムがある。尿素ＳＣＲシステムは、圧送ポンプによって貯蔵タンク内から汲み上げた還元剤としての尿素水溶液を還元剤噴射弁から排気管内に供給するための還元剤供給装置と、アンモニアを吸着可能な排気浄化触媒の一種であるＳＣＲ触媒とを備えて構成される。かかる尿素ＳＣＲシステムでは、尿素水溶液の分解により生成されるアンモニアをＳＣＲ触媒に吸着させ、排気ガス中のＮＯ_XをＳＣＲ触媒中でアンモニアと反応させて、排気ガスを浄化する。

一方、ＰＭを捕集して排気ガスを浄化するための装置としてディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、「ＤＰＦ」と称する。）がある。ＤＰＦは、内燃機関の排気管に配設され、排気ガスが当該ＤＰＦを通過する際に排気ガス中のＰＭを捕集する。ＤＰＦを備えた排気浄化システムでは、ＤＰＦの目詰まりを防止するために、ＤＰＦの温度を５００℃〜６００℃程度に上昇させてＤＰＦに堆積したＰＭを強制的に燃焼させる強制再生制御が適時に行われる。
近年、排気ガスの浄化基準が高められていることに伴い、ＤＰＦ及びＳＣＲ触媒の両方を備えた排気浄化システムが増えてきている。

ところで、尿素ＳＣＲシステムにおいては、内燃機関が停止した際に還元剤供給経路に残存する尿素水溶液を回収するよう一般的に構成されている（例えば、特許文献１を参照）。これにより、尿素水溶液が還元剤供給経路に存在したまま、凍結し、還元剤供給経路に詰まりが生じるのを避けることができる。

特開２００９−２１５８９１号公報

しかしながら、特許文献１に記載された排気浄化システムでは、内燃機関の停止後に還元剤噴射弁内の尿素水溶液が温められ、その後に冷却する過程で尿素水溶液が固化してしまい、その結果、内燃機関の始動時に、尿素水溶液の供給が阻害され、排気浄化効率が低下してしまうという問題があった。

具体的に説明すると、排気浄化システムでは、内燃機関の停止時に、還元剤供給装置に充填されていた尿素水溶液を貯蔵タンクに回収するパージ処理が一般に行われるものの、貯蔵タンク及び還元剤噴射弁を接続する還元剤通路等の構造上、還元剤供給装置内に充填された尿素水溶液を完全に貯蔵タンクに回収し切れない場合がある。
一方、内燃機関の停止とともに還元剤噴射弁の放熱機能である冷却水の循環等は停止するため、還元剤噴射弁の温度は上昇する。そうすると、上述の還元剤噴射弁内に残留した尿素水溶液中の水分が気化により抜けていき、その濃度は上昇する。その後、排気管や周囲の温度が下がるにつれて、尿素水溶液の温度は下がるが、通常の濃度に比べ高い濃度となっているため、固化する温度も上がり、残留尿素水溶液が固化してしまい還元剤噴射弁に詰まりが発生してしまうおそれがある。
尿素水溶液の濃度は通常およそ３２．５％に調整されており、この場合尿素水溶液の固化する温度はおよそ−１１℃である。その濃度が当該パーセンテージを超えて高くなると、尿素水溶液の固化する温度は高くなる傾向にある。（図１０参照）したがって高温により水分が抜けて濃度が高くなった還元剤噴射弁内の残留尿素水溶液は、温度が下がった時に固化しやすく、内燃機関の再始動時において当該還元剤噴射弁の噴射が阻害される可能性がある。

そこで、本発明の発明者はこのような問題に鑑みて、一旦温められた尿素水溶液が冷却する過程で固化するおそれがあるか否かを判定し、おそれがあった場合には、次の始動時に、還元剤噴射弁の温度を上昇させることにより、このような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、本発明は、尿素水溶液の固化に起因した還元剤噴射弁の詰まりを始動後早期に解消でき、ひいては、排気浄化効率の低下を防止することができる排気浄化システム及び排気浄化システムの制御方法を提供することを目的とする。

本発明によれば、排気ガス中の排気微粒子を捕集するＤＰＦと、排気ガス中に還元剤としての尿素水溶液を噴射する還元剤噴射弁と、尿素水溶液を用いて排気ガス中のＮＯ_Xを浄化するＳＣＲ触媒と、を排気上流側から順次に備えた排気浄化システムにおいて、
内燃機関の始動及び停止を検知可能な運転状態検知部と、運転状態検知部が内燃機関の停止を検知したときに、尿素水溶液が固化するおそれがあるか否かを判定する条件成立判定部と、条件成立判定部の判定結果をデータとして保存するデータ保存部と、内燃機関の始動時に、データをもとに、還元剤噴射弁の温度を上昇させるための昇温手段を制御して、還元剤噴射弁の温度を上昇させる詰まり解消制御部と、を備えることを特徴とする排気浄化システムが提供され、上述した課題を解決することができる。

このように、内燃機関の停止時に、その後還元剤噴射弁内の尿素水溶液が固化するおそれがあるか否かを判定しデータとして保存しておき、おそれがあった場合には、その再始動時に、昇温手段を制御して還元剤噴射弁の温度を上昇させることにより、還元剤噴射弁内で固化した尿素水溶液の温度を上昇させ、速やかに融解させることができる。
よって、還元剤噴射弁の詰まりを始動後早期に解消することができ、排気浄化効率の低下を防止することができる。

また、本発明を構成するに当たり、条件成立判定部は、ＤＰＦの強制再生が開始後終了するまでの間、または当該終了後所定期間内に内燃機関の停止が検知された場合に、尿素水溶液が固化するおそれがあると判断することが好ましい。
このように、ＤＰＦの強制再生中およびその終了後の所定期間は、ＤＰＦの下流にある還元剤噴射弁は高温にさらされ、内燃機関停止後においては、その冷却機能が有効に働かず、還元剤噴射弁内に残留した尿素水溶液の濃度が上がるので、固化する可能性が高いと判断できる。

また、本発明を構成するに当たり、条件成立判定部は、内燃機関の停止が検知された場合において、還元剤噴射弁の温度、温度勾配、外気温度のうち少なくとも一つに基づいて、尿素水溶液が固化するおそれがあるか否かを判断することが好ましい。
内燃機関の停止後、尿素水溶液が固化するか否かは、その温度に依存するので、還元剤噴射弁の温度、温度勾配、外気温度のうち少なくとも一つに基づいて判定することにより、尿素水溶液の固化のおそれをより正確に捉えることができる。

また、本発明を構成するに当たり、昇温手段が、前記ＤＰＦの強制再生手段であることが好ましい。
このようにＤＰＦの強制再生手段を使うことにより、昇温手段を別に設ける必要がなくなる。

また、本発明を構成するに当たり、昇温手段が、バーナを用いた手段であることが好ましい。
このように昇温手段がバーナを用いた手段であることにより、バーナの燃焼により、その下流にある還元剤噴射弁を加熱し、還元剤の詰まりを早期に解消することができる。

また、本発明の別の態様は、排気ガス中の排気微粒子を捕集するＤＰＦと、排気ガス中に還元剤としての尿素水溶液を噴射する還元剤噴射弁と、尿素水溶液を用いて排気ガス中のＮＯ_Xを浄化するＳＣＲ触媒と、を排気上流側から順次に備えた排気浄化システムの制御方法において、内燃機関の停止を検知したときに、尿素水溶液が固化するおそれがあるか否かを判定し、当該判定結果をデータとして保存する工程と、内燃機関の始動時に、尿素水溶液が固化するおそれがあるとの判定結果を示すデータが保存されている場合には、還元剤噴射弁の温度を上昇させるための昇温手段を制御して、還元剤噴射弁の温度を上昇させる工程と、を有することを特徴とする排気浄化システムの制御方法である。
このように、内燃機関の停止時に、その後還元剤噴射弁内の尿素水溶液が固化するおそれがあるか否かを判定しデータとして保存しておき、固化のおそれがある場合には、その再始動時に、昇温手段を制御して還元剤噴射弁の温度を上昇させることにより、還元剤噴射弁内で固化した尿素水溶液の温度を上昇させ、早く融解させることができる。
よって、還元剤噴射弁の詰まりを早期に解消することができ、排気浄化効率の低下を防止することができる。

本発明の実施の形態に係る排気浄化システムの構成例を示す全体図である。排気浄化システムに備えられる制御装置の構成例を示すブロック図である。排気浄化システムの制御方法について説明するためのタイミングチャートである。排気浄化システムの制御方法について説明するためのタイミングチャートである。排気浄化システムの制御方法について説明するためのフローチャートである。排気浄化システムの制御方法について説明するためのフローチャートである。排気浄化システムの制御方法について説明するためのフローチャートである。排気浄化システムの制御方法について説明するためのフローチャートである。排気浄化システムの制御方法について説明するためのフローチャートである。尿素水溶液の濃度と固化温度T0の関係を表したグラフである。従来の排気浄化システムの制御方法について説明するためのタイミングチャートある。

以下、図面を参照して、本発明にかかる排気浄化システム及び排気浄化システム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、以下の実施形態は、本発明の一態様を示すものであって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できる。
なお、各図において同符号を付してあるものは同一の部材ないし部分を示しており、適宜説明が省略されている。

１．排気浄化システム
（１）全体構成
図１は、本実施形態にかかる排気浄化システム（以下、単に「システム」と称する場合がある。）１０の全体構成を示している。
このシステム１０は、ＤＰＦ２２及びＳＣＲ触媒２４を有する排気浄化ユニット２０と、還元剤噴射弁４３を含む還元剤供給装置４０と、ＤＰＦ２２の強制再生制御や還元剤供給装置４０の動作制御を行う制御装置６０とを主たる要素として備えている。
かかるシステム１０は、排気ガス中のＰＭをＤＰＦ２２によって捕集し、かつ、還元剤としての尿素水溶液を用いて排気ガス中のＮＯ_XをＳＣＲ触媒２４中で選択的に浄化するための装置として構成されたものである。

（２）排気浄化ユニット
排気浄化ユニット２０は、酸化触媒２１と、ＤＰＦ２２と、ＳＣＲ触媒２４とを排気上流側から順次に備えている。

この排気浄化ユニット２０の構成要素のうち、酸化触媒２１は、内燃機関５でのポスト噴射等によって排気管１１内に供給された未燃燃料を酸化し、酸化熱を発生させる。これにより、ＤＰＦ２２に流入する排気ガスを昇温させてＤＰＦ２２を加熱することができる。酸化触媒２１は、公知のもの、例えば、アルミナに白金を担持させたものに所定量のセリウム等の希土類元素を添加したものを用いることができる。

また、ＤＰＦ２２は、排気ガスがＤＰＦ２２を通過する際に排気ガス中のＰＭを捕集する。図１に示すシステム１０では、ＤＰＦ２２がＳＣＲ触媒２４よりも排気上流側に配設されており、ＰＭがＳＣＲ触媒２４に付着するおそれがない。ＤＰＦ２２は、公知のもの、例えば、セラミック材料から構成されたハニカム構造のフィルタを用いることができる。

また、ＳＣＲ触媒２４は、還元剤噴射弁４３によって排気ガス中に噴射される尿素水溶液の分解により生成されるアンモニアを吸着し、流入する排気ガス中のＮＯ_Xを還元する。ＳＣＲ触媒２４は、例えば、アンモニアの吸着機能を有し、かつ、ＮＯ_Xを選択的に還元可能なゼオライト系の還元触媒が用いることができる。

以上説明した排気浄化ユニット２０は、ＤＰＦ２２の前後にそれぞれ圧力センサ５１、５２を備え、ＳＣＲ触媒２４の前後にそれぞれ温度センサ５３、５４を備えている。また、ＳＣＲ触媒２４の排気下流側にはＮＯ_Xセンサ５５を備えている。さらに、排気浄化ユニットの周囲には外気温度を検出する外気温度センサが配置されている。
これらセンサのセンサ値は制御装置６０に送られて、それぞれの位置での圧力や温度、ＮＯ_X濃度が検出される。
なお、演算によって推定可能であるならば、これらセンサは省略可能である。

また、以上説明した排気浄化ユニット２０は、排気管１１の第１屈曲部２３ａから分岐して、還元剤噴射弁４３を固定するための接続管１２を備えている。この接続管１２を介して、排気ガスの流れ方向と略一致する方向に、還元剤噴射弁４３から尿素水溶液が噴射される。
したがって、排気管１１に還元剤噴射弁４３を直接固定する場合と比較して、排気管１１や排気ガス等から還元剤噴射弁４３への熱を伝わり難くすることができる。

（３）強制再生手段
ここで、本実施形態のシステム１０は、ＤＰＦ２２の強制再生制御を行うための強制再生手段を備える。ＤＰＦ２２を５００℃〜６００℃程度に昇温させ、ＤＰＦ２２に堆積したＰＭを強制的に燃焼させるためである。
本実施形態では、内燃機関５でのポスト噴射等によって排気管１１内に未燃燃料を供給する燃料噴射弁（図示せず）と、燃料噴射弁からの燃料噴射量や噴射タイミング等、燃料噴射弁の制御を指示するための制御装置６０の制御部と、未燃燃料を酸化して酸化熱を発生させる酸化触媒２１とが、強制再生手段を構成する。

なお、強制再生手段は上記例に限られず、排気ガスを５００℃〜６００℃程度に昇温させることができるものであればよい。例えば、ポスト噴射に拠らずに酸化触媒２１に未燃燃料を供給する装置を利用して強制再生手段を構成してもよい。また、バーナや電熱線等の加熱装置を備え、直接ＤＰＦ２２を加熱するようにしてもよい。

（４）還元剤供給装置
また、還元剤供給装置４０は、尿素水溶液を貯蔵する貯蔵タンク４１と、圧送ポンプ４２と、還元剤噴射弁４３とを主たる要素として備えている。
このうち、貯蔵タンク４１及び圧送ポンプ４２が第１の供給通路４４によって接続され、圧送ポンプ４２及び還元剤噴射弁４３が第２の供給通路４５によって接続されている。この第２の供給通路４５には圧力センサ５６が設けられており、センサ値が制御装置６０に送信され、第２の供給通路４５内の圧力が検出される。
また、第２の供給通路４５及び貯蔵タンク４１が第３の供給通路４６によって接続されており、これにより、第２の供給経路４５に供給された余剰の尿素水溶液を、貯蔵タンク４１に戻すことができる。

また、この還元剤供給装置４０は、尿素水溶液の流路を、貯蔵タンク４１から還元剤噴射弁４３へ向かう順方向から、還元剤噴射弁４３から貯蔵タンク４１へ向かう逆方向に切り換える機能を持ったリバーティングバルブ４７を備えている。
すなわち、本実施形態のシステム１０は、内燃機関５の停止時に、還元剤供給装置４０に充填されていた尿素水溶液を貯蔵タンク４１に回収可能な構成である。

この還元剤供給装置４０の構成要素のうち、圧送ポンプ４２は、第２の供給経路４５内の圧力が所定値で維持されるように、貯蔵タンク４１内の尿素水溶液を汲み上げて還元剤噴射弁４３に圧送する。圧送ポンプ４２は代表的には電動式ポンプが用いられる。

また、還元剤噴射弁４３は、制御装置６０から出力される制御信号によって還元剤噴射弁４３が開かれたときに、尿素水溶液を排気管１１中に噴射する。還元剤噴射弁４３としては、例えばＤＵＴＹ制御によって開弁のＯＮ−ＯＦＦが制御されるＯＮ−ＯＦＦ弁が用いられる。

このような還元剤噴射弁４３を構成する電子部分や樹脂部分等は比較的熱に弱く、その耐熱温度Tlimは１４０℃〜１５０℃程度である一方、通常運転時における排気ガス温度は、２００℃〜３００℃程度である。
そのため、この還元剤供給装置４０は、還元剤噴射弁４３のハウジングに設けられた冷却水通路３５と、内燃機関５の冷却水通路３３から分岐して冷却水通路３５に連通する冷却水循環通路３３・３４と、冷却水循環通路３３・３４を流れる冷却水の流量を調節する冷却水流量制御弁３１・３２とを備えている。
これにより、内燃機関５の冷却水を還元剤噴射弁４３の冷却水通路３５に循環させ、還元剤噴射弁４３の温度を７０℃〜８０℃程度に保ち、還元剤噴射弁４３の熱損傷を防止することができる。
また、還元剤噴射弁４３からの還元剤の噴射に伴って、貯蔵タンク４１内の相対的に低温である尿素水溶液が還元剤噴射弁４３に圧送されるために、このような尿素水溶液への熱移動によっても、還元剤噴射弁４３の放熱が促される。

このような、上述のエンジン冷却水の循環や、尿素水溶液への熱移動による還元剤噴射弁４３の放熱能力は、特に、内燃機関５の運転中において発揮される。
５の運転中にエンジン冷却水が循環し、また、内燃機関５の運転中に還元剤噴射弁４３へ尿素水溶液が圧送されるためである。

（５）昇温手段
ここで、本実施形態のシステム１０は、還元剤噴射弁４３の温度を上昇させるための昇温手段を備える。還元剤噴射弁４３内の尿素水溶液が温められ、その後に冷却する過程で固化した尿素水溶液を、昇温させて融解し、還元剤噴射弁４３の詰まりを解消するためである。

このような昇温手段としては、一例として、実際のＤＰＦ２２の強制再生手段を兼用し、昇温手段として使う。

また、昇温手段は上記例に限られず、還元剤噴射弁４３の尿素水溶液を加熱可能にバーナや電熱線等を設け、バーナへの燃料供給量や電熱線への電量供給量等を制御するための制御装置６０の制御部とともに、昇温手段として構成してもよい。

その他、冷却水流量制御弁３２を閉弁方向に制御して、還元剤噴射弁４３のハウジングに設けられた冷却水通路３５を流れる冷却水の流量を低下させれば、還元剤噴射弁４３の昇温を促すことができる。
したがって、実施可能であるならば、上述の昇温手段の制御とあわせて、このような冷却水流量制御弁３２を閉弁方向に制御することで、還元剤噴射弁４３の温度上昇速度を大きくし、還元剤噴射弁４３の温度を、速やかに目標値Ttgtに上昇させることができる。

２．制御装置
（１）全体構成
次に、図２を参照して、本実施形態のシステム１０に備えられる制御装置６０を、運転状態検知部６１と、温度検出部６２と、強制再生制御部６３と、条件成立判定部６４と、データ保存部６５と、詰まり解消制御部６６とに大別して、具体的に説明する。これらの各部は、具体的にはマイクロコンピュータによるプログラムの実行によって実現される。
すなわち、図２は、システム１０に備えられた制御装置６０のうち、尿素水溶液の固化に起因した還元剤噴射弁４３の詰まりを解消するための制御に関する部分を、機能的なブロックで表した構成例である。

この制御装置６０は、各圧力センサや各温度センサをはじめとして、機関回転数Neを検出する回転数センサ、車両の車速Vを検出する車速センサ、アクセルペダルの操作量Accを検出するアクセルセンサ、ブレーキペダルの操作量Brkを検出するブレーキセンサ等の各種センサ信号が読込み可能に構成されている。また、制御装置６０には、各部での演算結果や検出結果を記憶するための図示しないＲＡＭ（Random Access Memory）が備えられている。

制御装置６０は、内燃機関５の運転中にあっては、第２の供給経路４５内の圧力が所定値で維持されるように圧送ポンプ４２の駆動を制御するとともに、機関回転数NeやＳＣＲ触媒の排気下流側に設けられたＮＯ_Xセンサ５５のセンサ値等に基づいて、還元剤噴射弁４３の駆動を制御する。
また、制御装置６０は、内燃機関５の停止時にパージ処理を実行する。具体的に、尿素水溶液の流路を順方向から逆方向に切り換えるための信号を、リバーティングバルブ４７に対して出力するとともに、還元剤噴射弁４３を開弁させて圧送ポンプ４２を駆動させるための信号を、圧送ポンプ４２及び還元剤噴射弁４３に対して出力する。
なお、制御装置６０は内燃機関５の停止後においても、本実施形態のシステム１０において必要な機能は動作可能なように構成されている。

（２）運転状態検知部
運転状態検知部６１は、内燃機関５の始動及び停止を検知可能に構成されている。内燃機関５の始動及び停止は、機関回転数Neが０であるか否かや、イグニッションスイッチのオンオフ情報に基づいて検知することができる。

（３）温度検出部
また、温度検出部６２は、還元剤噴射弁温度Tudvを検出するためのものであるが、直接検出できない場合には、その近傍のＤＰＦ２２下流側温度Tdpf等からを求めてもよい。

（４）強制再生制御部
強制再生制御部６３は、ＤＰＦ２２の前後に設けられた圧力センサ５１、５２から求められる差圧に基づいて、ＰＭの堆積量Vpmを推定する。そして、推定ＰＭ堆積量Vpmが所定の閾値Vpm0を超えたときに、ＤＰＦ２２の強制再生が必要であると判定し、強制再生手段に対して、強制再生を実行するための信号を送信する。
一方、強制再生制御部６３は、推定ＰＭ堆積量Vpmが所定量まで低下したことをきっかけとして、強制再生手段に対して送信していた、強制再生を実行するための信号を停止する。

（５）条件成立判定部
条件成立判定部６４は、内燃機関５の停止時に、その後還元剤噴射弁４３内の尿素水溶液が固化するおそれがあるか否かを判定する。
内燃機関５が停止すると、内燃機関５の冷却水の循環も停止するため還元剤噴射弁４３の放熱能力が有効に発揮されなくなり、還元剤噴射弁４３内の尿素水溶液の温度が上昇し、その中の水分の気化も激しくなる。そうすると尿素水溶液の濃度が上昇し、これに伴って当該尿素水溶液の固化温度T0も上昇する。したがって、内燃機関５停止後の冷却の過程において、当該尿素水溶液の温度がその固化温度T0を下回ると推定される場合には、当該尿素水溶液は固化するとの判定となる。

さらに具体的な判定条件として、ＤＰＦ２２の強制再生中又は強制再生後所定期間内に内燃機関５が停止したか否かを条件とすることができる。
つまり、ＤＰＦ２２の排気下流側が強制再生熱や再生後の余熱で非常に高温状態とされて温められた結果、還元剤噴射弁４３中の尿素水溶液の濃度が高くなり固化温度T0が上昇したことにより、その後の冷却する過程で当該尿素水溶液が固化してしまうおそれがあることを、捉えることができる。
具体的には、強制再生制御部６３から強制再生の開始を示す信号を受け取ってから、強制再生の停止を示す信号を受け取るまでの間、または強制再生の停止を示す信号を受け取った後所定期間内に、運転状態検知部６１によって内燃機関５の停止を検出したか否かを判定する。
ここで所定期間は、強制再生後の余熱による高い熱の影響が還元剤噴射弁４３に及ぶ期間であり、ＤＰＦ２２から還元剤噴射弁４３までの距離や、排気管の熱容量等によって異なるため、実機により試験を行いその結果によって決定することが望ましい。すなわち、実機上で強制再生終了後、内燃機関５の停止までの時間をそれぞれ変えて試験を行い、その後それぞれの場合において還元剤噴射弁４３内の尿素水溶液が固化するか否かを確認し、所定時間を決めることができる。

また、別の判定条件としては、強制再生開始後における還元剤噴射弁温度Tudv、温度勾配δTudvや、外気温度Toutに基づいて尿素水溶液が固化するおそれがあるか否かを判定する。還元剤噴射弁温度Tudvが高いと尿素水溶液中の水分の気化が進み、濃度が上昇し、ひいては固化温度T0が上昇し、冷却後に尿素水溶液が固化する可能性が高くなるからである。さらに還元剤噴射弁の温度勾配δTudvが大きい場合や、外気温度Toutが高い場合にも、同様に尿素水溶液が固化する可能性が高くなるので、これらに基づいて、または、これらおよび還元剤噴射弁温度Tudvとを適宜組み合わせて判定することができる。
ここで、判定に使う還元剤噴射弁温度Tudvは、その時点での温度としてもよいし、その後到達すると推定される温度としてもよい。また、図３に示すような還元剤噴射弁到達最高温度Tudvmaxとしてもよい。
実機で試験を行い、これら還元剤噴射弁温度Tudv、温度勾配δTudvや、外気温度Toutの条件を様々に変えて還元剤噴射弁４３中の尿素水溶液が固化するか否かにより、具体的な数値を決めるのがよい。ちなみに還元剤噴射弁温度Tudvがおよそ１００℃を超えると、その後の冷却の過程で尿素水溶液が固化する可能性が高くなる。

（６）データ保存部
また、データ保存部６５は、条件成立判定部６４によって、内燃機関５の停止時に、その後還元剤噴射弁４３内の尿素水溶液が固化するおそれがあるか否かが判定された場合に、その判定結果をデータとして保存するものである。例えば、固化するおそれがあると判断された場合には条件成立フラグを１とし、逆の場合には条件成立フラグを０とする。尚、条件成立判定部６４で尿素水溶液の固化温度T0を推定した場合には、当該固化温度T0についてもデータとして保存しておくことが望ましい。後述の詰まり解消制御部６６で昇温手段を作動させる際に、固化温度T0に基づき目標温度Ttgtを決めることができるので、尿素水溶液の固化をできるだけ早く解消するためのより適切な制御をおこなうことが可能となるからである。本実施形態では、これらのデータを制御装置６０に備えられているＲＡＭに保存する。

（７）詰まり解消制御部
また、詰まり解消制御部６６は、内燃機関５の始動時に、条件成立フラグが１の場合に、昇温手段を作動させるための信号を出力し、還元剤噴射弁温度Tudvを固化が解消できる目標温度Ttgtまで上昇させる。

一例として、この詰まり解消制御部６６は、昇温手段を作動させ、還元剤噴射弁温度Tudvを読み込んで、還元剤噴射弁温度Tudvが目標温度Ttgtとなるように昇温手段を制御し、さらに固化した尿素水溶液が融解する時間を考慮し、所定時間その状態を維持するよう構成することができる。
また、還元剤噴射弁温度Tudvの読み込みや目標温度Ttgtの設定を行わず、所定時間昇温手段を作動させるだけとしても良い。この場合、所定時間は実機で試験を行い、耐熱温度Tlim等を考慮し決定することができる。
ここで、尿素水溶液の固化温度T0がデータ保存部６５に保存されている場合には、目標温度Ttgtは還元剤噴射弁の耐熱温度Tlimを超えない範囲で、当該固化温度T0よりもやや高い温度とするのが望ましい。尚、固化温度T0がデータ保存部６５に無い場合には、目標温度Ttgtは耐熱温度Tlimを超えない範囲で適切な温度を選択する。

３．制御方法
以下タイミングチャートとフローチャートを用いて本制御装置によって実行可能な制御方法の具体例について説明する。

図３は、ＤＰＦ２２の強制再生中に内燃機関５が停止した場合におけるＤＰＦ下流排気温度Tdpfや、還元剤噴射弁温度Tudvや還元剤噴射弁４３内の尿素水溶液の固化温度T0の変化を示すタイミングチャートである。
また、図４は、還元剤噴射弁内の尿素水溶液が固化した後、再始動時のＤＰＦ下流排気温度Tdpfや、還元剤噴射弁温度Tudvや還元剤噴射弁４３内の尿素水溶液の固化温度T0の変化を示すタイミングチャートである。
図５は、内燃機関５が停止する時の制御装置６０における演算処理のフローチャートを示しており、図６は、内燃機関５が始動する時の制御装置６０における演算処理のフローチャートを示している。

まず、図３のt1においてＤＰＦ２２の強制再生が開始するとＤＰＦ下流排気温度Tdpfは強制再生による再生熱により上昇する。強制再生が行われない状況下におけるＤＰＦ下流排気温度Tdpfは、通常２００〜３００℃程度であるが、強制再生が開始されると、ＤＰＦ下流排気温度Tdpfは、は５００℃〜６００℃程度に達する。
これにともなって還元剤噴射弁温度Tudvも上昇するが、内燃機関５が駆動中においては、還元剤噴射弁４３のハウジングの冷却水通路３５にエンジン冷却水が循環し、また、貯蔵タンク４１内の相対的に低温である尿素水溶液が還元剤噴射弁４３に圧送されるので、還元剤噴射弁温度Tudvは一定温度以上がらず、新たな尿素水溶液も供給されるので、濃度の上昇もなく、還元剤噴射弁４３内の尿素水溶液の固化温度T0の変化は少ない。

図５のステップＳ１において、制御装置６０が内燃機関５の停止を検知すると、ステップＳ２に進み固化条件が成立するかどうかが判定される。すなわち、内燃機関５の停止後の冷却の過程で、尿素水溶液が固化するおそれがあるか否かを判定する。
判定方法の具体例については図７及び図８に基づいて後述する。
おそれがあると判断された場合にはステップＳ３に進み条件成立フラグを１とし本ルーチンを終了する。また、尿素水溶液が固化するおそれのない場合にはステップＳ４に進み条件成立フラグを０とし本ルーチンを終了する。

図３に戻り、固化条件成立の判定方法について詳細に説明する。内燃機関５が停止したt2の時点での、その後の各温度変化の推定を図３中に一点鎖線で示す。ＤＰＦ２２排気下流側温度Tdpfが徐々に低下していく一方、内燃機関５の冷却水の循環が停止するため還元剤噴射弁４３の放熱能力が有効に発揮されなくなる。そうすると、ＤＰＦ２２排気下流側温度Tdpfが高温である中で、還元剤噴射弁温度Tudvは上昇し、新たな尿素水溶液は供給されないので、還元剤噴射弁４３内の尿素水溶液の濃度は高くなり、尿素水溶液の固化温度T0も上昇すると推測される。
そして、冷却の過程で、還元剤噴射弁温度Tudvが当該上昇した固化温度T0を下回ると推測される場合には、還元剤噴射弁４３内の尿素水溶液は固化のおそれがあると判定される。図３においてはt3の時点で、還元剤噴射弁温度Tudvが固化温度T0を下回り、還元剤噴射弁４３内の尿素水溶液が固化し始めると推定される。

また、ここで図７は具体的な固化条件成立判定の一つを含んだ内燃機関５の停止時のフローチャートを示す。
ステップＳ２１において、制御装置６０が内燃機関５の停止を検知すると、ステップＳ２２に進み、ＤＰＦ２２の強制再生中または、強制再生後所定期間内か否かが判定される。ＤＰＦ２２の強制再生中または、強制再生後所定期間である場合にはステップＳ２３に進み、条件成立フラグを１とし本ルーチンを終了する。また、ＤＰＦ２２の強制再生中でも強制再生後所定期間でもない場合には、ステップＳ２４に進み条件成立フラグを０とし本ルーチンを終了する。

さらに図８は図７とは別の具体的な固化条件成立判定の一つを含んだ内燃機関５が停止時のフローチャートを示す。
ステップＳ３１において、制御装置６０が内燃機関５の停止を検知すると、ステップＳ３２に進み、還元剤噴射弁温度Tudvが閾値Tsより高いか否かが判定される。還元剤噴射弁温度Tudvが閾値Ts以上の場合にはステップＳ３３に進み、条件成立フラグを１とし本ルーチンを終了する。還元剤噴射弁温度Tudvが閾値Tsよりも低い場合にはステップＳ３４に進み、条件成立フラグを０とし本ルーチンを終了する。
ここで、還元剤噴射弁温度Tudvは、その時点での温度としてもよいし、その後到達すると推定される温度としてもよい。また、図３に示すような還元剤噴射弁到達最高温度Tudvmaxとしてもよい。
尚、閾値Tsはおよそ１００℃である。

次に図４、図６及び図９を参照しつつ内燃機関５がその後始動した場合について説明する。まず、図６のステップＳ１１で制御装置６０が、内燃機関５の始動を検知すると、ステップＳ１２で条件成立フラグが１となっているか否かが判定される。条件成立フラグが１となっている場合には、ステップＳ１３に進み、昇温制御が実行される。逆に条件成立フラグが０の場合には、条件が成立しないとして、本ルーチンを終了する。

図９は図６のステップＳ１３における昇温制御の具体的な制御方法の一例を示す。まずステップＳ４１で昇温手段が作動されて、次にステップＳ４２に進む、ステップＳ４２では、還元剤噴射弁温度Tudvが、目標値Ttgt以上であるか否かが判定される。還元剤噴射弁温度Tudvが目標値Ttgt未満であると判定されるとステップＳ４３に進み昇温手段の作動が継続され、再びステップＳ４２に戻る。一方還元剤噴射弁温度Tudvが目標値Ttgt以上であると判定されるとステップＳ４４に進み昇温手段が停止され、その後ステップＳ４５に進み、所定時間を経過したか否かが判定される。所定時間が経過していない場合には再びステップＳ４２へ戻る。一方所定時間を経過した場合には本ルーチンを終了する。ここで、尿素水溶液の固化温度T0がデータとして保存されている場合には、目標温度Ttgtは還元剤噴射弁の耐熱温度Tlimを超えない範囲で、当該固化温度T0よりもやや高い温度とするのが望ましい。尚、固化温度T0がデータとして保存されていない場合には、目標温度Ttgtは耐熱温度Tlimを超えない範囲で適切な温度を選択する。

ここで、判定条件が成立している場合における始動時の還元剤噴射弁温度Tudv等の変化を図４で説明する。t4の時点で内燃機関５が始動すると、判定条件が成立しているので昇温手段が作動される。これにより、ＤＰＦ排気下流側温度Tdpfが上昇し、還元剤噴射弁温度Tudvも上昇する。還元剤噴射弁４３内の尿素水溶液の温度が固化温度T0を超えると、尿素水溶液は融解し始める。その後t5の時点で尿素水溶液は完全に溶融し、還元剤噴射弁４３の詰まりは解消して、還元剤噴射弁４３からの尿素水溶液の適正な噴射を再開することができる。そして、所定時間経過後のt6の時点で、昇温装置の作動が停止される。
尚、固化した尿素水溶液が融解すると、新たな尿素水溶液が還元剤噴射弁４３に到達するので、その濃度は急速に通常の濃度に戻る。

従来例である図１１と比較すると、本発明により、固化した尿素水溶液が迅速に融解され、詰まり解消時間が短くなり、還元剤噴射弁４３の詰まりを始動後早期に解消できることができることがわかる。

本実施形態の排気浄化システム及び排気浄化システムの制御方法によれば、内燃機関５の始動時に、還元剤噴射弁４３内の残留尿素水溶液の固化のおそれがあるか否かを判断し、固化のおそれがある場合には、昇温手段を制御して還元剤噴射弁４３の温度を上昇させ、始動後早期に４３の詰まりを解消することができる。したがって、尿素水溶液の固化のおそれがある場合においても、排気浄化効率の低下を防止することができる。

５：内燃機関、１０：排気浄化システム（システム）、１１：排気管、１２：接続管、２０：排気浄化ユニット、２０ａ・２０ｂ：フランジ部、２１：酸化触媒、２２：ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）、２３ａ・２３ｂ：屈曲部、２４：ＳＣＲ触媒、３１・３２：冷却水循環バルブ、３３・３４：冷却水循環通路、４０：還元剤供給装置、４１：貯蔵タンク、４２：圧送ポンプ、４３：還元剤噴射弁、４４：第１の供給通路、４５：第２の供給通路、４６：第３の供給通路、５１・５２：圧力センサ、５３・５４：温度センサ、５５：ＮＯ_Xセンサ、５６：圧力センサ、６０：制御装置、６１：運転状態検知部、６２：温度検出部、６３：強制再生制御部、６４：条件成立判定部、６５：データ保存部、６６：詰まり解消制御部

Claims

排気ガス中の排気微粒子を捕集するＤＰＦと、前記排気ガス中に還元剤としての尿素水溶液を噴射する還元剤噴射弁と、前記尿素水溶液を用いて前記排気ガス中のＮＯ_Xを浄化するＳＣＲ触媒と、を排気上流側から順次に備えた排気浄化システムにおいて、
内燃機関の始動及び停止を検知可能な運転状態検知部と、
前記運転状態検知部が前期内燃機関の停止を検知したときに、前記尿素水溶液が固化するおそれがあるか否かを判定する条件成立判定部と、
前記条件成立判定部の判定結果をデータとして保存するデータ保存部と、
前記内燃機関の始動時に、前記データをもとに、前記還元剤噴射弁の温度を上昇させるための昇温手段を制御して、前記還元剤噴射弁の温度を上昇させる詰まり解消制御部と、
を備えることを特徴とする排気浄化システム。
前記条件成立判定部は、前記ＤＰＦの強制再生が開始後終了するまでの間、または当該終了後所定期間内に前記内燃機関の停止が検知された場合に、前記尿素水溶液が固化するおそれがあると判定することを特徴とする請求項１に記載の排気浄化システム。
前記条件成立判定部は、前記内燃機関の停止が検知された場合において、前記還元剤噴射弁の温度、温度勾配、外気温度のうち少なくとも一つに基づいて、前記尿素水溶液が固化するおそれがあるか否かを判定することを特徴とする請求項１に記載の排気浄化システム。
前記昇温手段が、前記ＤＰＦの強制再生手段であ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排気浄化システム。
前記昇温手段が、バーナを用いた手段であ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排気浄化システム。
排気ガス中の排気微粒子を捕集するＤＰＦと、前記排気ガス中に還元剤としての尿素水溶液を噴射する還元剤噴射弁と、前記尿素水溶液を用いて前記排気ガス中のＮＯ_Xを浄化するＳＣＲ触媒と、を排気上流側から順次に備えた排気浄化システムの制御方法において、
前記内燃機関の停止を検知したときに、前記尿素水溶液が固化するおそれがあるか否かを判定し、当該判定結果をデータとして保存する工程と、
前記内燃機関の始動時に、前記尿素水溶液が固化するおそれがあるとの判定結果を示すデータが保存されている場合には、前記還元剤噴射弁の温度を上昇させるための昇温手段を制御して、前記還元剤噴射弁の温度を上昇させる工程と、
を有することを特徴とする排気浄化システムの制御方法。