JP5676631B2 - 還元剤供給装置及び還元剤供給装置の制御方法並びに排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関から排出される排気の浄化に用いる液体の還元剤を排気管内に噴射するための還元剤供給装置及び還元剤供給装置の制御方法並びに排気浄化装置に関するものである。

従来、内燃機関から排出される排気中の窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）を除去する排気浄化装置の一態様として、尿素水溶液を排気管内に噴射するための還元剤供給装置と、尿素水溶液中の尿素の分解によって生成されるアンモニアを吸着するとともに、流入する排気中のＮＯ_Ｘを選択的にアンモニアと反応させて還元する還元触媒と備えた尿素ＳＣＲ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）システムが実用化されている。

このような尿素ＳＣＲシステムに用いられる還元剤供給装置は、尿素水溶液を収容する貯蔵タンクと、貯蔵タンク内の尿素水溶液を吸い上げて圧送するポンプと、圧送される尿素水溶液を排気管内に噴射する還元剤噴射弁とを備えている。

ここで、液体の還元剤としての尿素水溶液は、寒冷地においても凍結しないように、凝固点が最も低くなる濃度（例えば３２．５％濃度、凝固点≒−１１℃）に調整されて用いられている。しかしながら、尿素水溶液中の溶媒が蒸発するなどして濃度が上昇した場合には、凝固点が上昇し、尿素水溶液が凝固しやすくなる。内燃機関の停止中において、還元剤噴射弁や還元剤通路内で尿素水溶液が凝固すると、次回の尿素水溶液の噴射が適正に実行できなくなることから、内燃機関の停止時においては、還元剤供給装置内の尿素水溶液を貯蔵タンク内に回収するパージ処理が実行されるようになっている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１０−７５６０号公報 （段落［００１３］、［００２１］等）

しかしながら、パージ処理を実行したとしても、還元剤噴射弁の弁体の周囲等、微細な隙間に存在する尿素水溶液をすべて回収することは現実的に困難となっている。また、還元剤供給装置には還元剤噴射弁の冷却手段が備えられ、内燃機関の運転中においては還元剤噴射弁が冷却されるようになっているものの、内燃機関の停止後には、当該冷却手段の機能も停止する場合が多く、還元剤噴射弁の内部に残留した尿素水溶液が排気管等の熱の影響によって加熱されやすくなる。

残留した尿素水溶液が加熱されると、溶媒が蒸発して濃度が上昇するため、尿素水溶液の凝固点は上昇する。そうすると、時間の経過に伴って尿素水溶液が冷却される過程で、還元剤噴射弁内に残留した尿素水溶液が凝固しやすくなり、還元剤噴射弁の閉固着状態が生じるおそれが高くなる。

還元剤噴射弁の閉固着状態が生じると、次回の内燃機関の始動時に、ポンプによって尿素水溶液を圧送した場合であっても、還元剤通路内に溜まっている気体（空気や排気）が抜けにくく、尿素水溶液が還元剤噴射弁まで到達できない状態となる。このような状態になった場合には、還元剤噴射弁が排気熱等によって加熱され、周囲の温度が、凝固している尿素水溶液の凝固点を超えない限り、凝固した尿素水溶液が融解しないことになる。そうすると、還元剤噴射弁による尿素水溶液の噴射制御を開始することができないため、その間のＮＯ_Ｘの浄化が不十分となるおそれがある。

本発明の発明者らはこのような課題に鑑みて、還元剤通路の一部に、所定の条件を満たすサイフォン機能部を設けることで、還元剤噴射弁内での尿素水溶液の凝固により還元剤噴射弁が噴射不良状態となっている場合であっても、ポンプの駆動開始後、速やかに尿素水溶液の一部を還元剤噴射弁に到達させることができるようにな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、還元剤噴射弁内で凝固した尿素水溶液を速やかに融解して、尿素水溶液の噴射制御を早期に開始させ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並びに排気浄化装置を提供することを目的とする。

本発明によれば、液体の還元剤が収容された貯蔵タンクと、還元剤を圧送するポンプと、ポンプによって圧送された還元剤を内燃機関の排気管内に噴射する還元剤噴射弁と、ポンプと還元剤噴射弁とを接続する還元剤通路と、を備え、内燃機関の停止後に、還元剤通路内の還元剤を貯蔵タンクに回収するパージ処理が実行される還元剤供給装置において、内燃機関の始動時に、還元剤噴射弁内での還元剤の凝固により還元剤噴射弁が噴射不良状態となっている場合であっても、ポンプの駆動開始後に還元剤の一部を還元剤噴射弁に到達させて凝固した還元剤を融解させるようにするためのサイフォン機能部を還元剤通路の一部に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。

すなわち、本発明の還元剤供給装置によれば、還元剤通路の一部に備えられたサイフォン機能部に還元剤を滞留させることができるとともに、還元剤噴射弁の閉固着が生じている場合であっても、ポンプの駆動に伴って還元剤通路内の気体が圧縮されたときに、滞留させた還元剤を、還元剤噴射弁内に速やかに到達させることができる。その結果、還元剤噴射弁内で凝固した還元剤を速やかに融解させることができ、還元剤噴射弁による噴射制御を早期に開始することができるようになる。

また、本発明の還元剤供給装置を構成するにあたり、サイフォン機能部は、還元剤噴射弁に隣接して設けられて還元剤噴射弁の高さ位置から下方に向けて還元剤通路が配設された第１の領域と、第１の領域に隣接して設けられて第１の領域の最深部の高さ位置から上方に向けて還元剤通路が配設された第２の領域と、によって構成され、内燃機関の始動時に、還元剤噴射弁が閉じられた状態でポンプの駆動が開始された場合において、圧送される還元剤の最前面が第２の領域内に至るようにサイフォン機能部を構成することが好ましい。

本発明の還元剤供給装置において、還元剤の圧送開始時の還元剤の最前面の位置を考慮してサイフォン機能部を構成することにより、還元剤噴射弁が閉じられている場合であっても、ポンプの駆動開始直後に、還元剤の一部をサイフォン機能部内に送ることができる。また、第２の領域を構成する還元剤通路が所定の構成となっているために、その後に還元剤通路内を減圧させた場合であっても、重力を利用して、還元剤の一部をサイフォン機能部の最深部に滞留させることができるようになる。

また、本発明の還元剤供給装置を構成するにあたり、下記式（I）を満足するようにサイフォン機能部を構成することが好ましい。

本発明の還元剤供給装置において、ポンプの吐出口から還元剤噴射弁の噴孔までの還元剤流通空間の容量分の気体が還元剤圧送時の設定圧に加圧された状態での容量よりも、サイフォン機能部及び還元剤噴射弁内の還元剤流通空間の容量の総和が大きくなるように、サイフォン機能部を構成することにより、ポンプの駆動開始直後に、還元剤の一部をサイフォン機能部内に送ることが可能なサイフォン機能部を容易に構成することができる。

また、本発明の還元剤供給装置を構成するにあたり、内燃機関の始動時に、還元剤噴射弁が閉じられた状態でポンプの駆動が開始された場合において、第１の領域の最深部に滞留した還元剤が還元剤噴射弁内に至るように第１の領域を構成することが好ましい。

本発明の還元剤供給装置において、ポンプ駆動開始時における、サイフォン機能部に滞留した還元剤の最前面の位置を考慮して第１の領域を構成することにより、還元剤噴射弁の閉固着が生じている場合であっても、ポンプの駆動によって還元剤の一部を確実に還元剤噴射弁内に到達させることができるようになる。

また、本発明の還元剤供給装置を構成するにあたり、下記式（II）を満足するようにサイフォン機能部を構成することが好ましい。

本発明の還元剤供給装置において、第１の領域及び還元剤噴射弁内の還元剤流通空間の容量の総和分の気体が還元剤圧送時の設定圧に加圧された状態での容量よりも、還元剤噴射弁内の還元剤流通空間の容量が大きくなるように、第１の領域を構成することにより、ポンプの駆動によって、最深部に滞留していた還元剤の一部を速やかに還元剤噴射弁内に送ることが可能なサイフォン機能部を容易に構成することができる。

また、本発明の還元剤供給装置を構成するにあたり、第２の領域は水平面とのなす角度が異なる複数の領域を含み、第１の領域側の領域の水平面とのなす角度を相対的に小さく構成することが好ましい。

本発明の還元剤供給装置において、サイフォン機能部の第２の領域のうち、第１の領域側の領域の水平面とのなす角度を小さく構成することにより、サイフォン機能部の最深部近傍において、還元剤通路内を減圧するときには還元剤が層状になり気体の通路が確保されることで、還元剤を滞留させやすくすることができるとともに、還元剤通路内を加圧するときには還元剤が還元剤通路を塞ぐことで、還元剤を還元剤噴射弁側に送り込みやすくすることができる。

また、本発明の別の態様は、液体の還元剤が収容された貯蔵タンクと、還元剤を圧送するポンプと、ポンプによって圧送された還元剤を内燃機関の排気管内に噴射する還元剤噴射弁と、ポンプと還元剤噴射弁とを接続する還元剤通路と、を備えるとともに、内燃機関の始動時に、還元剤噴射弁内での還元剤の凝固により還元剤噴射弁が噴射不良状態となっている場合であっても、ポンプの駆動開始後に還元剤の一部を還元剤噴射弁に到達させて凝固した還元剤を融解させるようにするためのサイフォン機能部を還元剤通路の一部に備え、内燃機関の停止後に、還元剤通路内の還元剤を貯蔵タンクに回収するパージ処理が実行される還元剤供給装置の制御方法において、内燃機関の始動時に、還元剤の圧送開始後、還元剤噴射弁への噴射指示に伴って還元剤の噴射が実行されたか否かを判別するステップと、還元剤の噴射が実行されていなかった場合に、還元剤通路内の圧力を一旦低下させた後、再び圧力を上昇させるステップと、を還元剤の噴射が実行されるまで繰り返し実施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。

すなわち、本発明の還元剤供給装置の制御方法によれば、所定のサイフォン機能部を還元剤通路の一部に備えた還元剤供給装置において、還元剤の噴射が正常に実行されるまで還元剤通路の加圧及び減圧を繰り返すことで、還元剤の凝固によって還元剤噴射弁の閉固着が生じている場合であっても、可及的速やかに凝固した還元剤を融解させて、早期に還元剤の噴射制御を開始させることができるようになる。

また、本発明のさらに別の態様は、上述したいずれかの還元剤供給装置と、還元剤を用いて排気中の窒素酸化物を選択的に還元する還元触媒と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置である。

すなわち、本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、所定のサイフォン機能部を還元剤通路の一部に有する還元剤供給装置を備えているために、還元剤噴射弁の閉固着が生じている場合であっても、還元剤噴射弁内で凝固した還元剤を速やかに融解させることができ、還元剤噴射弁による噴射制御を早期に開始することができる。したがって、内燃機関の始動後からＮＯ_Ｘの浄化効率を高めることができるようになる。

なお、本明細書において、「還元剤（又は尿素水溶液）の最前面」は、ポンプによって圧送されて還元剤通路内を流通する還元剤（尿素水溶液）の還元剤噴射弁側の界面を意味している。

本発明の実施の形態に係る排気浄化装置の全体的構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態に係る還元剤供給装置の構成について説明するための図である。 サイフォン機能部の構成及び作用について説明するための図である。 サイフォン機能部の構成及び作用について説明するための別の図である。 尿素水溶液の液面の崩壊性について説明するための図である。 サイフォン機能部の別の構成例について説明するための図である。 サイフォン機能部の別の構成例による作用について説明するための図である。 サイフォンユニットを用いてサイフォン機能部を構成した例を説明するための図である。 還元剤供給装置の制御方法の一例を説明するためのフローチャート図である。

以下、適宜図面を参照しながら、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並びに内燃機関の排気浄化装置に関する実施の形態について具体的に説明する。ただし、以下の実施の形態は、本発明の一態様を示すものであって本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。

１．排気浄化装置
（１）全体的構成
図１は、本発明の実施の形態にかかる排気浄化装置１０の構成の一例を示している。この排気浄化装置１０は、車両等に搭載された内燃機関１から排出される排気中のＮＯ_Ｘを、アンモニアを用いて還元触媒１１中で浄化するように構成された排気浄化装置である。

排気浄化装置１０は、内燃機関１の排気系に接続された排気管３の途中に介装された還元触媒１１と、還元触媒１１の上流側において排気管３内に液体の還元剤としての尿素水溶液を噴射供給する還元剤供給装置２０と、還元剤供給装置２０の動作制御を行う制御処理装置４０とを主たる要素として備えて構成されている。

（２）還元触媒
還元触媒１１は、排気管３内に噴射された尿素水溶液中の尿素が分解することによって生成されるアンモニアを吸着するとともに、このアンモニアを用いて、触媒中に流入する排気中のＮＯ_Ｘを選択的に還元、浄化する機能を有する触媒である。

（３）還元剤供給装置
（３−１）基本的構成
還元剤供給装置２０は、尿素水溶液を収容する貯蔵タンク２１と、尿素水溶液を圧送するポンプ２３を含むポンプユニット２２と、ポンプ２３により圧送された尿素水溶液を排気管３内に噴射する還元剤噴射弁２５とを主たる要素として備えて構成されている。このうち、ポンプ２３及び還元剤噴射弁２５は、制御処理装置４０によって駆動制御が実行されるようになっている。

また、貯蔵タンク２１とポンプ２３とは第１の還元剤通路３１で接続され、ポンプ２３と還元剤噴射弁２５とは第２の還元剤通路３３で接続されている。この第２の還元剤通路３３には、第２の還元剤通路３３内の圧力Ｐｕを検出するための圧力センサ２７が備えられている。

また、第２の還元剤通路３３には、他端が貯蔵タンク２１に接続されたリターン通路３５が接続されており、リターン通路３５にはリリーフ弁３７及びオリフィス３８が、第２の還元剤通路２３側から順に備えられている。リリーフ弁３７は、その開弁圧が、還元剤噴射弁２５に供給する尿素水溶液の設定圧（以下、単に「システム圧」と称する。）よりも低い値に設定されている。また、オリフィス３８は、リリーフ弁３７の開閉に合わせて、第２の還元剤通路３３内の圧力が必要以上に脈動しないようにするために設けられている。

また、還元剤噴射弁２５は、例えば、通電／非通電の切り替えにより開弁／閉弁の切り替えが行われる電磁弁が用いられる。本実施形態において、還元剤供給装置２０に備えられた還元剤噴射弁２５は、排気管３内に直接的に尿素水溶液を噴射するものであり、噴孔が排気管３内に臨むように排気管３の外周部に取り付けられている。

また、ポンプ２３は、例えば、通電量によって出力を調節可能な電動ポンプが用いられる。本実施形態において、ポンプ２３の出力は、第２の還元剤通路３３内の圧力Ｐｕがシステム圧Ｐｓに維持されるように、圧力センサ２７によって検出される圧力Ｐｕとシステム圧Ｐｓとの偏差ΔＰに基づいてフィードバック制御されるようになっている。

また、ポンプユニット２２には、ポンプ２３によって圧送される尿素水溶液の流れる向きを順方向又は逆方向に切り替えるためのリバーティングバルブ２４が備えられている。リバーティングバルブ２４は、例えば電磁弁によって構成され、制御処理装置４０によって駆動制御が実行されるようになっている。本実施形態において、リバーティングバルブ２４は、ポンプ２３の入口側と第１の還元剤通路３１、及び、ポンプ２３の出口側と第２の還元剤通路３３をそれぞれ接続する第１の状態と、ポンプ２３の出口側と第１の還元剤通路３１、及びポンプ２３の入口側と第２の還元剤通路３３をそれぞれ接続する第２の状態とを切り替え可能に構成されている。

そして、排気管３内への尿素水溶液の噴射制御を行う場合には、リバーティングバルブ２４によって、尿素水溶液の流れる向きが貯蔵タンク２１側から還元剤噴射弁２５側に向かう順方向に切り替えられる。また、尿素水溶液を貯蔵タンク２１に回収するパージ処理を行う場合には、リバーティングバルブ２４によって、尿素水溶液の流れる向きが還元剤噴射弁２５側から貯蔵タンク２１側に向かう逆方向に切り替えられる。なお、リバーティングバルブ２４を用いないで、ポンプ２３を逆回転させることでパージ処理を実施できるように構成されていてもよい。

（３−２）基本動作
次に、本実施形態の還元剤供給装置２０の基本的な動作について説明する。
まず、内燃機関１の運転状態においては、尿素水溶液の流れる向きが順方向に切り替えられてポンプ２３が駆動させられる。そうすると、貯蔵タンク２１内の尿素水溶液はポンプ２３によって吸い上げられ、第２の還元剤通路３３を介して還元剤噴射弁２５に向けて圧送される。このとき、第２の還元剤通路３３内の圧力Ｐｕがリリーフ弁３７の開弁圧を上回ったときにはリリーフ弁３７が開弁し、尿素水溶液の一部がリターン通路３５を介して貯蔵タンク２１に戻される。

このようにして尿素水溶液を循環させながら、制御処理装置４０は、圧力センサ２７によって検出される第２の還元剤通路３３内の圧力Ｐｕが所定のシステム圧Ｐｓとなるように、ポンプ２３の出力をフィードバック制御する。この状態で、制御処理装置４０によって、演算で求められる指示噴射量に応じて還元剤噴射弁２５の通電制御が実行されることにより、排気管３内に尿素水溶液が噴射される。

また、内燃機関１の停止時においては、尿素水溶液の流れる向きが逆方向に切り替えられるとともに還元剤噴射弁２５を開弁した状態でポンプ２３が駆動させられる。そうすると、還元剤噴射弁２５の噴孔を介して排気管３内の気体（空気や排気）が第２の還元剤通路３３内に吸引され、還元剤噴射弁２５及び第２の還元剤通路３３内が気体に置き換えられながら、尿素水溶液が貯蔵タンク２１側に回収される。このパージ処理時には、逆止弁構造のリリーフ弁３７は閉じられた状態となっている。

（３−３）サイフォン機能部（液だめ部）
ここで、還元剤供給装置２０の第２の還元剤通路３３の一部にはサイフォン機能部（液だめ部）５０が備えられている。サイフォン機能部５０は、内燃機関１の始動時に、還元剤噴射弁２５内での尿素水溶液の凝固により還元剤噴射弁２５が噴射不良状態となっている場合であっても、ポンプ２３の駆動開始後に尿素水溶液の一部を速やかに還元剤噴射弁２５に到達させて、凝固した尿素水溶液を融解させやすくする機能を有している。

図２は、本実施形態の還元剤供給装置２０に備えられたサイフォン機能部５０の構成について説明するための図である。
このサイフォン機能部５０は、ポンプ２３と還元剤噴射弁２５とを接続する第２の還元剤通路３３を形成している配管を利用して構成されたものであり、第１の領域５１と第２の領域５３とを有している。

このうちの第１の領域５１は、第２の還元剤通路３３のうちの還元剤噴射弁２５に隣接して設けられた部分であり、配管が、還元剤噴射弁２５の位置する高さ位置から下方に向けて配設された領域としてなるものである。また、第２の領域５３は、還元剤噴射弁２５側とは反対側で第１の領域５１から連続して設けられた部分であり、配管が、第１の領域５１の最深部５２の位置する高さ位置から上方に向けて配設された領域としてなるものである。

すなわち、第１の領域５１は、還元剤噴射弁２５との接続箇所からサイフォン機能部５０を構成する配管の最深部５２までの領域として定義され、第２の領域５３は、最深部５２から、配管が略水平に配設された部分までの領域として定義される。還元剤噴射弁２５に隣接する個所に、還元剤噴射弁２５の位置する高さ位置から下方に向けて配設された第１の領域５１が設けられるのは、パージ処理時において、還元剤噴射弁２５内の尿素水溶液を第２の還元剤通路３３側に移動させやすくするためである。

このサイフォン機能部５０は、還元剤噴射弁２５及び第２の還元剤通路３３内から尿素水溶液が回収されている状態において、還元剤噴射弁２５が閉じられた状態でポンプ２３を駆動させたときに、ポンプ２３により圧送される尿素水溶液の最前面が第２の領域５３に到達するように、かつ、サイフォン機能部５０の最深部５２に滞留する尿素水溶液が還元剤噴射弁２５内に到達するように、第１の領域５１及び第２の領域５３の容量が定められている。

ここで、図３（ａ）〜（ｅ）は、ポンプ２３により圧送される尿素水溶液の最前面が第２の領域５３に到達するように第１の領域５１及び第２の領域５３の長さや容量を設定することに関して具体的に説明するための図を示している。また、図４（ａ）〜（ｂ）は、サイフォン機能部５０の最深部５２に滞留する尿素水溶液が還元剤噴射弁２５内に到達するように第１の領域５１の容量を設定することに関して具体的に説明するための図を示している。

尿素水溶液が貯蔵タンク２１内に回収されポンプ２３が停止した状態においては、図３（ａ）に示すように、還元剤噴射弁２５及び第２の還元剤通路３３内が気体で満たされているとともに、内部の圧力Ｐｕは大気圧Ｐａと同等の状態となっている。一方、ポンプ２３の駆動開始後には、図３（ｂ）に示すように、還元剤噴射弁２５及び第２の還元剤通路３３内の圧力Ｐｕが上昇するとともに、圧送される尿素水溶液によって還元剤噴射弁２５及び第２の還元剤通路３３内の気体が圧縮されて体積が減少する。このとき、還元剤噴射弁２５が閉固着状態となっている場合には、気体の抜け道がない状態となっている。

このとき、第２の還元剤通路３３内の圧力Ｐｕがシステム圧Ｐｓまで上昇したときに、図３（ｃ）に示すように、還元剤噴射弁２５が閉じられた状態であっても、圧送される尿素水溶液の最前面が第２の領域５３内に到達するように、換言すれば、圧縮される気体が第２の領域５３内まで押し込められるように、サイフォン機能部５０を構成する第１の領域５１及び第２の領域５３の容量が設定される。

第１の領域５１及び第２の領域５３がこのように構成されていれば、その後にポンプ２３の出力を低下させて第２の還元剤通路３３内の圧力を低下させたときに、図３（ｄ）に示すように、一部の尿素水溶液が第２の領域５３の傾斜を上りきることができずに、第２の領域５３に残されるようになる。その結果、図３（ｅ）に示すように、サイフォン機能部５０の最深部５２に尿素水溶液を滞留させることができるようになる。

また、サイフォン機能部５０の最深部５２に尿素水溶液の一部が滞留した状態から、ポンプ２３の駆動によって第２の還元剤通路３３内が加圧されると、図４（ａ）に示すように、滞留していた尿素水溶液の前後の気体が圧縮されて体積が減少する。このとき、第２の還元剤通路３３内の圧力Ｐｕがシステム圧Ｐｓまで上昇したときに、図４（ｂ）に示すように、還元剤噴射弁２５が閉じられた状態であっても、滞留していた尿素水溶液が還元剤噴射弁２５内に到達するように、換言すれば、最深部５２よりも還元剤噴射弁２５側の気体が圧縮されて還元剤噴射弁２５内まで押し込まれるように、サイフォン機能部５０を構成する第１の領域５１の容量が設定される。

次に、このように構成されるサイフォン機能部５０の設計方法について、内部圧力に対する気体の体積変化に基づいて説明する。

還元剤噴射弁２５内における尿素水溶液の流通空間の容量をＶｄｖ、第１の領域５１における尿素水溶液の流通空間の容量をＶａ、第２の領域５３における尿素水溶液の流通空間の容量をＶｂとし、ポンプ２３の吐出口から還元剤噴射弁２５の噴孔までの尿素水溶液の流通空間の全容量をＶｔｏｔａｌとする。

まず、サイフォン機能部５０内での気体の状態変化をポリトロープ変化で近似し、以下の式（III）が成り立つものとする。

還元剤噴射弁２５が完全に閉じていると仮定して、上記全容量Ｖｔｏｔａｌ分の気体が、還元剤噴射弁２５及び第２の還元剤通路３３内がシステム圧Ｐｓまで加圧されたときの体積をＶｓとすると、上記式（III）から、以下の式（IＶ）及び（Ｖ）が成り立つ。

還元剤噴射弁２５が完全に閉じているときに、ポンプ２３により圧送される尿素水溶液の最前面が第２の領域５３に到達するようにするためには、下記式（ＶI）に示すように、システム圧Ｐｓ下における気体の体積Ｖｓが、還元剤噴射弁２５の容量Ｖｄｖ、第１の領域５１の容量Ｖａ、第２の領域５３の容量Ｖｂの総和よりも小さくなるようにすればよい。

上記式（Ｖ）及び（ＶI）から、還元剤噴射弁２５の容量Ｖｄｖ、第１の領域５１の容量Ｖａ、第２の領域５３の容量Ｖｂの総和が、以下の式（I）を満足するようにサイフォン機能部５０を構成すればよいことになる。

例えば、第２の還元剤通路３３の配管の直径ｄが一定であり、還元剤噴射弁２５内の尿素水溶液の流通空間の断面積の仮想径が配管の直径ｄに近似する場合においては、上記式（I）における容量は配管の長さとして置き換えられ、サイフォン機能部５０を構成する配管の長さを以下の式（ＶII）で表すことができる。

上記式（I）又は（ＶII）は、サイフォン機能部５０の全体の容量を設定する際の条件式となる。サイフォン機能部５０が上記式（I）又は（ＶII）の条件を満たすためには、用いる還元剤噴射弁２５の容量Ｖｄｖや長さＬｄｖ、さらには、還元剤供給装置２０の作動時のシステム圧Ｐｓを考慮して、第１の領域５１及び第２の領域５３の容量Ｖａ，Ｖｂあるいは長さＬａ，Ｌｂを設定すればよい。その結果、第２の還元剤通路３３内の圧力Ｐｕがシステム圧Ｐｓとなるまで加圧されたときに、ポンプ２３により圧送される尿素水溶液の最前面が確実に第２の領域５３に到達することになる。

さらに、還元剤噴射弁２５が完全に閉じているとともに、第１の領域５１と第２の領域５３との境界で尿素水溶液が配管を塞いでいると仮定して、還元剤噴射弁２５及び第１の領域５１内の気体が、還元剤噴射弁２５及び第２の還元剤通路３３内がシステム圧Ｐｓまで加圧されたときの体積をＶｓ_{（ａ＋ｄｖ）}とすると、上記式（III）から、以下の式（ＶIII）及び（IＸ）が成り立つ。

還元剤噴射弁２５が完全に閉じているときに、サイフォン機能部５０の最深部５２に滞留している尿素水溶液がポンプ２３の駆動によって還元剤噴射弁２５内に到達するようにするためには、下記式（Ｘ）に示すように、システム圧Ｐｓ下における気体の体積Ｖｓ_{（ｄｖ＋ａ）}が、還元剤噴射弁２５の容量Ｖｄｖよりも小さくなるようにすればよい。

上記式（IＸ）及び（Ｘ）から、還元剤噴射弁２５の容量Ｖｄｖと第１の領域５１の容量Ｖａとの総和が、以下の式（II）を満足するようにサイフォン機能部５０を構成すればよいことになる。

例えば、第２の還元剤通路３３の配管の直径ｄが一定であり、還元剤噴射弁２５内の尿素水溶液の流通空間の断面積の仮想径が配管の直径ｄに近似する場合においては、上記式（II）における容量は配管の長さとして置き換えられ、サイフォン機能部５０の第１の領域５１の長さは以下の式（ＸI）で表すことができる。

上記式（II）又は（ＸI）は、サイフォン機能部５０のうちの第１の領域５１の容量を設定する際の条件式となる。サイフォン機能部５０が上記式（II）又は（ＸI）の条件を満たすためには、用いる還元剤噴射弁２５の容量Ｖｄｖや長さＬｄｖ、さらには、還元剤供給装置２０の作動時のシステム圧Ｐｓを考慮して、第１の領域５１の容量Ｖａあるいは長さＬａを設定すればよい。その結果、第２の還元剤通路３３内の圧力Ｐｕがシステム圧Ｐｓとなるまで加圧されたときに、最深部５２に滞留している尿素水溶液が押し込まれて、還元剤噴射弁２５内に到達することになる。

上記式（I）及び（II）に示される設計条件をもとに、サイフォン機能部５０を設計する手順の一例を説明すれば以下のとおりとなる。

まず、上記式（II）より、以下の式（ＸII）が成り立つ。

用いる還元剤噴射弁２５の容量Ｖｄｖ、及び、ポンプ２３の吐出口から還元剤噴射弁２５の噴孔までの尿素水溶液の流通空間の全容量Ｖｔｏｔａｌが決まっているとすると、まずは、上記式（ＸII）に基づき、把握されている還元剤噴射弁２５の容量Ｖｄｖを用いて第１の領域５１の容量Ｖａを決定する。

また、上記式（I）より、以下の式（ＸIII）が成り立つ。

第１の領域５１の容量Ｖａを決定した後は、この式（ＸIII）に基づき、第１の領域５１の容量Ｖａと還元剤噴射弁２５の容量Ｖｄｖとを用いて第２の領域５３の容量Ｖｂを決定する。これにより、所定の条件を満たすサイフォン機能部５０が構成されることになる。

言うまでもなく、第２の還元剤通路３３の配管の直径ｄが一定であり、還元剤噴射弁２５内の尿素水溶液の流通空間の断面積の仮想径が配管の直径ｄに近似する場合においては、上記式（ＶII）及び（ＸI）に基づき、同様の手順で第１の領域５１の長さＬａ及び第２の領域５３の長さＬｂを決定することにより、所定の条件を満たすサイフォン機能部５０を構成することができる。

これまで説明したサイフォン機能部５０の設計方法において、ポリトロープ指数ｎは、排気浄化装置１０が使用される環境条件や還元剤供給装置２０の構成に応じて仮定したり、あらかじめ行われる実験等によって設定したりすることができる。ここで考慮すべき条件は、第２の還元剤通路３３内の圧力Ｐｕに対する気体の体積に影響を与える要素や、第２の還元剤通路３３内における尿素水溶液と気体との界面の崩壊性に影響を与える要素である。

このうちの尿素水溶液と気体との界面の崩壊性に関しては、第２の還元剤通路３３内を減圧したときにおける、最深部５２への尿素水溶液の滞留性にとって重要な要素となる。すなわち、尿素水溶液と気体との界面が崩壊しやすければ、図５に示すように、第２の還元剤通路３３内を減圧したときに、第２の領域５３内で一部の尿素水溶液が重力によって下方側に落下しやすくなって、最深部５２に滞留しやすくなる。

考慮すべき環境条件としては、例えば、内燃機関１の始動時におけるサイフォン機能部５０の周囲の温度や尿素水溶液の温度、粘度、流路の振動状態、表面張力等が挙げられる。また、考慮すべき還元剤供給装置２０の構成としては、例えば、配管の材質や内径、配管の内周面のぬれ性、第２の還元剤通路３３等に設けられる加熱手段の有無及び加熱温度、配管の壁面の熱伝達係数等が挙げられる。

また、第１の領域５１及び第２の領域５３の配設方向に関して、水平面とのなす角度は特に制限されるものではなく、上記式（I）又は（ＶII）、及び上記式（II）又は（ＸI）の条件を満足するものであれば、その角度は０〜９０°の範囲内で適宜設定することができる。

ただし、配管のレイアウトを工夫することでサイフォン機能部５０を構成する場合には、図６に示すように、水平面とのなす角度が異なる複数の領域５３ａ，５３ｂを含むように第２の領域５３を構成するとともに、第１の領域５１側の領域５３ａの水平面とのなす角度を相対的に小さくすることが好ましい。

このように第２の領域５３を構成することにより、最深部５２に尿素水溶液が滞留している場合において、第２の還元剤通路３３内を減圧するときには、図７（ａ）に示すように、配管の径が比較的小さい場合であっても、滞留する尿素水溶液が層状になって気体の通路が確保されやすくなり、最深部５２に尿素水溶液の一部を滞留させやすくすることができる。一方、第２の還元剤通路３３内を加圧するときには、図７（ｂ）に示すように、配管の径が比較的小さければ、滞留している尿素水溶液が還元剤通路を塞ぎやすくなり、尿素水溶液が還元剤噴射弁２５側に押し込まれやすくなる。

水平面とのなす角度が異なる複数の領域５３ａ，５３ｂを含むように第２の領域５３を構成する場合には、第１の領域５１側の領域５３ａの水平面とのなす角度を、例えば０〜１５°の範囲内とすることが好ましい。当該領域５３ａの断面積や配管の内周面のぬれ性等にもよるが、その角度が０〜１５°の範囲内であれば、第２の還元剤通路３３内を減圧する際に、最深部５２に滞留する尿素水溶液が層状になりやすくなる。特に、第１の領域５１側の領域５３ａの水平面とのなす角度を５〜１５°の範囲内とすることにより、サイフォン機能部５０内に滞留する尿素水溶液を最深部５２側に集めることができ、第２の還元剤通路３３内を加圧する際に、滞留した尿素水溶液を確実に還元剤噴射弁２５内に到達させることができる。

また、図６に示すサイフォン機能部５０の第２の領域５３は、水平面とのなす角度が異なる二つの領域５３ａ，５３ｂを含んでなるが、水平面とのなす角度が異なる三つ以上の領域からなるように構成されていてもよい。この場合においても、最も第１の領域５１側に位置する領域の角度が０〜１５°の範囲内であれば、第２の還元剤通路３３内を減圧する際に、最深部５２に滞留する尿素水溶液が層状になりやすくなる。

ここまで説明したサイフォン機能部５０は、第２の還元剤通路３３を形成している配管のレイアウトを工夫することによって構成されたものであるが、かかる配管を用いないでサイフォン機能部５０を構成することもできる。例えば、図８に示すように、還元剤噴射弁２５と配管２９との間に、上記式（I）及び（II）の条件を満たすように第１の領域５１及び第２の領域５３が設計されたサイフォンユニット６０を介装させることもできる。

以上のように構成されたサイフォン機能部５０が第２の還元剤通路３３の一部に備えられていることにより、仮に前回の内燃機関１の停止時におけるパージ処理後に、一部の尿素水溶液がサイフォン機能部５０の最深部５２に残留している場合には、内燃機関１の始動時においてポンプ２３の駆動を開始したときに、最深部５２に滞留していた尿素水溶液を還元剤噴射弁２５内に到達させることができる。したがって、還元剤噴射弁２５内における尿素水溶液の凝固によって還元剤噴射弁２５が閉固着状態となっている場合であっても、凝固していた尿素水溶液を速やかに融解させることができる。

また、前回の内燃機関１の停止時におけるパージ処理によってすべての尿素水溶液が回収されている場合には、内燃機関１の始動時においてポンプ２３の駆動を開始して第２の還元剤通路３３内の圧力Ｐｕを一旦システム圧Ｐｓまで上昇させた後に圧力Ｐｕを低下させることで、一部の尿素水溶液を最深部５２に滞留させることができる。そして、再度、第２の還元剤通路３３内の圧力Ｐｕをシステム圧Ｐｓまで上昇させることで、最深部５２に滞留させた尿素水溶液を還元剤噴射弁２５内に到達させることができる。したがって、還元剤噴射弁２５内における尿素水溶液の凝固によって還元剤噴射弁２５が閉固着状態となっている場合であっても、凝固していた尿素水溶液を速やかに融解させることができる。

２．還元剤供給装置の制御方法
次に、本実施形態の排気浄化装置１０に備えられた制御処理装置４０によって内燃機関１の始動時に実行される還元剤供給装置の制御方法の一例を、図９のフローチャートに基づいて説明する。

まず、ステップＳ１において、内燃機関１を始動させるイグニションスイッチがオンになったことが検出されると、ステップＳ２において、ポンプ２３の駆動を開始し、第２の還元剤通路３３内の圧力Ｐｕをシステム圧Ｐｓに昇圧させる。このとき、リバーティングバルブ２４は、尿素水溶液の流れる向きが貯蔵タンク２１側から還元剤噴射弁２５側に向かう順方向となるように切り替えられる。

次いで、ステップＳ３において、還元剤噴射弁２５による尿素水溶液の噴射制御を実行した後、ステップＳ４において、噴射制御が正常に実行されているか否かを判別する。この判別については種々の方法を採用することができ、特に制限されるものではない。例えば、還元触媒１１の下流側におけるＮＯ_Ｘ濃度が適正な範囲に収まっているか否かを判定したり、尿素水溶液の指示噴射量に応じてポンプ２３の出力が変動しているか否かを判定したり、尿素水溶液の指示噴射量に応じて圧力センサ２７のセンサ値が変動しているか否かを判定したりすることによって、正常な噴射制御が実行されているか否かを判別することができる。

ステップＳ４において、尿素水溶液の噴射制御が正常に実行されていると判別される場合（Ｙｅｓ判定）には始動時制御にかかる本ルーチンを終了して、通常制御モードに移行する。一方、尿素水溶液の噴射制御が正常に実行されていないと判別される場合（Ｎｏ判定）には、ステップＳ５に進んで、ポンプ２３の出力を低下させて、第２の還元剤通路３３内を一旦減圧する。尿素水溶液の凝固によって還元剤噴射弁２５が閉固着を生じている場合には、この減圧によって、一部の尿素水溶液がサイフォン機能部５０の最深部５２に滞留させられる。

次いで、ステップＳ６において、再びポンプ２３の出力を上昇させて、第２の還元剤通路３３内をシステム圧Ｐｓに戻す。尿素水溶液の凝固によって還元剤噴射弁２５が閉固着を生じている場合には、この加圧によって、サイフォン機能部５０の最深部５２に滞留していた尿素水溶液が還元剤噴射弁２５内に到達し、凝固していた尿素水溶液が融解させられる。その後は、ステップＳ３に戻り、尿素水溶液の噴射制御が正常に実行されていると判別されるまで、以降のステップが繰り返される。

以上のように、内燃機関１の始動時における還元剤供給装置２０の制御方法を実行することにより、還元剤噴射弁２５内で尿素水溶液が凝固することによって還元剤噴射弁２５が閉固着状態となっている場合に、速やかに尿素水溶液の一部を還元剤噴射弁２５内に到達させて、凝固した尿素水溶液を融解させることができる。その結果、尿素水溶液の正常な噴射制御が早期に開始され、ＮＯ_Ｘの浄化効率を高めることができる。

なお、図９のフローチャートに示される還元剤供給装置の制御方法は一例にすぎないものであり、本実施形態の還元剤供給装置２０の制御方法はこの例に限られるものではない。

また、液体の還元剤は尿素水溶液に限定されるものではなく、凝固が生じ得る液体の還元剤が用いられる還元剤供給装置であれば、本発明を適用することが可能である。

Claims (8)

1. 液体の還元剤が収容された貯蔵タンクと、前記還元剤を圧送するポンプと、前記ポンプによって圧送された前記還元剤を内燃機関の排気管内に噴射する還元剤噴射弁と、前記ポンプと前記還元剤噴射弁とを接続する還元剤通路と、を備え、
   前記内燃機関の停止後に、前記還元剤通路内の前記還元剤を前記貯蔵タンクに回収するパージ処理が実行される還元剤供給装置において、
   前記還元剤通路は液だめ部を備え、
   前記液だめ部は、前記還元剤噴射弁に隣接して設けられて前記還元剤噴射弁の高さ位置から下方に向けて還元剤通路が配設された第１の領域と、前記第１の領域に隣接して設けられて前記第１の領域の最深部の高さ位置から上方に向けて還元剤通路が配設された第２の領域と、によって構成され、
   前記液だめ部は、前記内燃機関の始動時に、前記還元剤噴射弁内での前記還元剤の凝固により前記還元剤噴射弁が噴射不良状態となっている場合であっても、前記ポンプの駆動開始後に前記還元剤の一部を、前記第１の領域の最深部へ滞留させ、前記滞留した還元剤を前記還元剤噴射弁に到達させて前記凝固した還元剤を融解させるように構成されたことを特徴とする還元剤供給装置。
2. 前記内燃機関の始動時に、前記還元剤噴射弁が閉じられた状態で前記ポンプの駆動が開始された場合において、圧送される前記還元剤の最前面が前記第２の領域内に至るように前記液だめ部を構成したことを特徴とする請求項１に記載の還元剤供給装置。
3. 下記式（I）を満足するように前記液だめ部を構成したことを特徴とする請求項２に記載の還元剤供給装置。
   

   
4. 前記内燃機関の始動時に、前記還元剤噴射弁が閉じられた状態で前記ポンプの駆動が開始された場合において、前記第１の領域の最深部に滞留した前記還元剤が前記還元剤噴射弁内に至るように前記第１の領域を構成したことを特徴とする請求項２〜３のいずれか一項に記載の還元剤供給装置。
5. 下記式（II）を満足するように前記液だめ部を構成したことを特徴とする請求項４に記載の還元剤供給装置。
   

   
6. 前記第２の領域は水平面とのなす角度が異なる複数の領域を含み、前記第１の領域側の領域の水平面とのなす角度を相対的に小さく構成したことを特徴とする請求項２〜５のいずれか一項に記載の還元剤供給装置。
7. 液体の還元剤が収容された貯蔵タンクと、前記還元剤を圧送するポンプと、前記ポンプによって圧送された前記還元剤を内燃機関の排気管内に噴射する還元剤噴射弁と、前記ポンプと前記還元剤噴射弁とを接続する還元剤通路と、を備えるとともに、
   前記内燃機関の始動時に、前記還元剤噴射弁内での前記還元剤の凝固により前記還元剤噴射弁が噴射不良状態となっている場合であっても、前記ポンプの駆動開始後に前記還元剤の一部を前記還元剤噴射弁に到達させて前記凝固した還元剤を融解させるようにするための液だめ部を前記還元剤通路の一部に備え、
   前記液だめ部は、前記還元剤噴射弁に隣接して設けられて前記還元剤噴射弁の高さ位置から下方に向けて還元剤通路が配設された第１の領域と、前記第１の領域に隣接して設けられて前記第１の領域の最深部の高さ位置から上方に向けて還元剤通路が配設された第２の領域と、によって構成され、
   前記内燃機関の停止後に、前記還元剤通路内の前記還元剤を前記貯蔵タンクに回収するパージ処理が実行される還元剤供給装置の制御方法において、
   前記内燃機関の始動時に、前記還元剤の圧送開始後、前記還元剤噴射弁への噴射指示に伴って前記還元剤の噴射が実行されたか否かを判別するステップと、
   前記還元剤の噴射が実行されていなかった場合に、前記還元剤通路内の圧力を一旦低下させることによって前記第１の領域の最深部に尿素水溶液を滞留させた後、再び前記圧力を上昇させるステップと、
   を前記還元剤の噴射が実行されるまで繰り返し実施することを特徴とする還元剤供給装置の制御方法。
8. 請求項１〜６のいずれか一項に記載された還元剤供給装置と、還元剤を用いて排気中の窒素酸化物を選択的に還元する還元触媒と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。

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