JP6576813B2 - 還元剤供給装置 - 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還元剤を排気管内に供給するための還元剤供給装置に関する。

車両に搭載されるディーゼルエンジン等の内燃機関の排気中にはＮＯ_X（窒素酸化物）が含まれている。かかるＮＯ_Xを還元して窒素や水等に分解することにより排気を浄化するための装置として、尿素ＳＣＲ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｓｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）システムが実用化されている。尿素ＳＣＲシステムは、液体還元剤として尿素水溶液を使用し、尿素水溶液が分解することにより生成されるアンモニアを排気中のＮＯ_Xと反応させることにより、ＮＯ_Xを分解するシステムである。

かかる尿素ＳＣＲシステムは、排気通路に配設された選択還元触媒と、選択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装置とを備える。選択還元触媒は、尿素水溶液が分解することにより生成されるアンモニアを吸着し、流入する排気中の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。また、還元剤供給装置は、貯蔵タンク内に収容された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を備える。

尿素ＳＣＲシステムで使用される尿素水溶液の凍結温度は、濃度によって異なる。最も低い凍結温度でも、その温度はマイナス１１℃程度である。そのため、停車中に尿素水溶液が凍結し、体積が膨張することによって、ポンプや噴射弁、さらには尿素水溶液を流通させる配管等が破損しないように、内燃機関の停止時には尿素水溶液が還元剤供給装置内から貯蔵タンクに回収される。尿素水溶液は、内燃機関の始動時に還元剤供給装置内に再充填される（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１０−７５６０号公報

ここで、還元剤供給装置には、噴射弁を排気熱等の高温の熱量から保護するために、噴射弁を空冷あるいは水冷等により冷却する手段が備えられる。内燃機関の停止後には、かかる冷却手段の機能も停止する場合が多い。上述のように尿素水溶液を貯蔵タンクに回収する制御を実行するにあたり、噴射弁の弁体の周囲の隙間や噴孔等、微細な空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である。噴射弁の内部に尿素水溶液が残留すると、すでに噴射弁の冷却機能が停止した状態では、排気管等から伝達される熱の影響を受けて、噴射弁の内部に残留した尿素水溶液が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、尿素水溶液中の水分が蒸発して、尿素水溶液が結晶化する。結晶化した尿素水溶液は、液体の尿素水溶液に触れることによって再び液体に戻り得る。しかしながら、結晶化した尿素水溶液によって噴射弁を開弁できない場合には、内燃機関の始動時において尿素水溶液を充填しようとしても、内部の空気が抜けないために、液体の尿素水溶液が噴射弁に到達できない。このため、結晶化した尿素水溶液を融解し得るほどの高温に晒されるまでは尿素水溶液の噴射制御を開始することができない。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、液体還元剤が結晶化している場合であっても、液体還元剤を噴射弁に到達させやすくすることが可能な、新規かつ改良された還元剤供給装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、内燃機関の排気管に取り付けられて液体還元剤を噴射する噴射弁と、液体還元剤を圧送するポンプと、圧送される液体還元剤を噴射弁に導く供給通路と、を備え、液体還元剤の噴射制御の終了時に噴射弁及び供給通路内の液体還元剤がタンク内に回収され、液体還元剤の噴射制御の開始時に液体還元剤が噴射弁及び供給通路に充填される還元剤供給装置において、供給通路の容積を拡大可能な容積拡大部を備える、還元剤供給装置が提供される。

容積拡大部は、液体還元剤の充填時に可動部が移動して供給通路の容積を拡大してもよい。

容積拡大部は、通電制御によって可動部を移動可能なアクチュエータを有してもよい。

液体還元剤の噴射制御の開始時に、供給通路内の圧力があらかじめ定められた設定圧力となるように液体還元剤が圧送され、容積拡大部が、大気圧下で液体還元剤の供給経路に存在する空気が設定圧力で噴射弁側に押し込まれたときに、圧縮された空気が存在し得る部分に接続されてもよい。

供給通路は、屈曲部分又は湾曲部分を有し、屈曲部分又は湾曲部分よりも下方側の高さ位置で供給通路と噴射弁とが接続され、容積拡大部は、屈曲部分又は湾曲部分に対して上方に接続されてもよい。

以上説明したように本発明によれば、液体還元剤が結晶化している場合であっても、液体還元剤を噴射弁に到達させやすくすることができる。

本発明の実施の形態にかかる還元剤供給装置を備えた尿素ＳＣＲシステムを示す概略図である。 同実施形態にかかる還元剤供給装置の制御装置の構成例を示すブロック図である。 従来の還元剤供給装置を示す模式図である。 同実施形態にかかる還元剤供給装置の一例を示す模式図である。 同実施形態にかかる還元剤供給装置の他の例を示す模式図である。 同実施形態にかかる還元剤供給装置の制御方法の一例を示すフローチャートである。 同実施形態にかかる還元剤供給装置の制御方法の他の例を示すフローチャートである。

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、本実施形態にかかる還元剤供給装置２０を備えた尿素ＳＣＲシステム１０の全体構成の一例について説明する。図１は、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１０は、ディーゼルエンジン等に代表される内燃機関５の排気系に接続された排気管１１の途中に配設された選択還元触媒１３と、選択還元触媒１３よりも上流側で排気管１１内に液体還元剤を噴射する還元剤供給装置２０とを備える。尿素ＳＣＲシステム１０は、例えば自動車等の車両や建設機械、農機等に搭載され、液体還元剤としての尿素水溶液を用いて、内燃機関５から排出される排気中のＮＯ_Xを還元して分解することにより、排気を浄化するシステムである。

尿素水溶液は、例えば凍結温度が最も低い、約３２．５％濃度の尿素水溶液とすることができる。この場合の凍結温度は、約−１１℃である。かかる尿素水溶液は、濃度が上昇するにつれて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することによって、結晶化しやすくなる。

選択還元触媒１３は、内燃機関５の排気中に含まれるＮＯ_Xを選択的に還元する。例えば、選択還元触媒１３は、還元剤供給装置２０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する。そして、選択還元触媒１３に流入する排気中のＮＯ_Xは、アンモニアと還元反応することによって分解される。かかる選択還元触媒１３は、温度が高いほどアンモニアの吸着可能量が減少する特性を有する。また、選択還元触媒１３は、吸着可能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。

還元剤供給装置２０は、選択還元触媒１３よりも上流側の排気管１１内に、液体還元剤としての尿素水溶液を供給する。尿素水溶液の供給量は、排気中に含まれるＮＯ_Xの濃度、選択還元触媒１３におけるアンモニアの吸着可能量、及び選択還元触媒１３の温度等に基づいて、選択還元触媒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制御される。

この他、排気管１１には、図示しない温度センサ、ＮＯ_Xセンサ及びアンモニアセンサ等の各種センサが設けられていてもよい。これらのセンサは、それぞれ、排気の温度、ＮＯ_X濃度、アンモニア濃度等の検出に用いられ得る。また、温度センサによって検出される排気温度は、選択還元触媒１３の温度推定に用いられてもよい。

＜２．還元剤供給装置＞
次に、本実施形態にかかる還元剤供給装置２０の構成の一例について詳細に説明する。図１に示すように、還元剤供給装置２０は、選択還元触媒１３よりも上流側の排気管１１に固定された噴射弁３１と、尿素水溶液を圧送するポンプ４１を有するポンプユニット４０と、容積拡大部６０とを備える。ポンプ４１、噴射弁３１及び容積拡大部６０は、マイクロコンピュータ等を備えて構成される制御装置１００によって駆動制御される。

ポンプ４１は、第１の供給通路５８を介して、尿素水溶液を貯留する貯蔵タンク５０と接続される。また、ポンプ４１は、第２の供給通路５７を介して噴射弁３１と接続される。第２の供給通路５７には、他端が貯蔵タンク５０に接続されたリターン通路５９が接続されており、リターン通路５９にはオリフィス４５が備えられる。オリフィス４５は、第２の供給通路５７内の圧力が保持されやすくするために設けられる。また、第２の供給通路５７には、第２の供給通路５７内の圧力Ｐｕを検出するための圧力センサ４３が備えられる。

なお、本明細書において、第１の供給通路５８からポンプ４１及び第２の供給通路５７を経由して噴射弁３１に至る尿素水溶液の流通経路を「尿素水溶液の供給経路」とも言う。

噴射弁３１としては、例えば、通電制御により開弁又は閉弁が切り替えられる電磁式噴射弁が用いられる。かかる噴射弁３１は、通電され得るコイルを備え、当該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。本実施形態では、制御装置１００は、第２の供給通路５７内の圧力Ｐｕが所定の目標値Ｐｔｇｔとなるように制御しつつ、尿素水溶液の目標噴射量に応じて噴射弁３１の開弁時間を調節する。かかる噴射弁３１は、排気管１１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１１内に臨むようにして排気管１１に取り付けられている。

なお、噴射弁３１は、図１に示したように、排気が流れる排気管１１の本流部分に取り付けられてもよいし、排気管１１の本流部分に合流する分岐部分に取り付けられてもよい。この場合、液体還元剤は、分岐管を通じて排気管１１の本流部分に供給される。

噴射弁３１は、例えば、内燃機関５の冷却水が流通可能な、図示しない冷却ハウジング内に保持されてもよい。かかる冷却ハウジングは、内燃機関５の運転中には冷却水が循環して噴射弁３１を冷却し得る一方、内燃機関５が停止すると、冷却水の循環も停止する。あるいは、噴射弁３１は、表面積を拡大して放熱効率を向上し得る、放熱フィンを有していてもよい。かかる放熱フィンは、特に車両等の走行時に、放熱フィンの周囲を流れる空気に乗せて熱を放出し、噴射弁３１を冷却し得る。

ここで、噴射弁３１は、結晶化した尿素水溶液によって開弁できなくなる場合がある。例えば、噴孔に残留した尿素水溶液が結晶化した場合、結晶化した尿素水溶液によって噴孔が塞がれ、噴射弁３１を駆動して弁体をリフトさせたとしても、尿素水溶液は噴射弁３１から噴射されない。また、弁体の周囲の隙間に残留した尿素水溶液が結晶化した場合、結晶化した尿素水溶液によって弁体が固着し、噴射弁３１に対して通電を行っても弁体をリフトさせることができない。このように噴射弁３１が開弁しなくなると、尿素水溶液を噴射させることができないだけでなく、内燃機関５の始動時に尿素水溶液を還元剤供給装置２０内に充填する際に、尿素素溶液の供給経路内の空気を抜くことができず、尿素水溶液を充填することができなくなる。

ポンプ４１としては、例えば電動式のダイヤフラムポンプやモータポンプが用いられる。制御装置１００は、第２の供給通路５７内の圧力Ｐｕ、すなわち、噴射弁３１に供給される尿素水溶液の圧力が所定の目標値Ｐｔｇｔで維持されるように、ポンプ４１の出力を制御する。例えば、制御装置１００は、圧力センサ４３により検出される圧力Ｐｕと目標値Ｐｔｇｔとの偏差ΔＰに基づいて、ポンプ４１の出力をフィードバック制御する。

ポンプユニット４０には、ポンプ４１によって圧送される尿素水溶液の流れる方向を切り替えるための流路切替弁７１が備えられている。流路切替弁７１は、例えば電磁弁を用いて構成され、制御装置１００によって駆動される。本実施形態では、流路切替弁７１は、ポンプ４１の吸入側と第１の供給通路５８、及び、ポンプ４１の吐出側と第２の供給通路５７をそれぞれ接続する第１の状態と、ポンプ４１の吐出側と第１の供給通路５８、及び、ポンプ４１の吸入側と第２の供給通路５７をそれぞれ接続する第２の状態とを切り替え得る。

排気管１１内への尿素水溶液の噴射制御を行う場合には、尿素水溶液が貯蔵タンク５０側から噴射弁３１側へ流れるように、流路切替弁７１が第１の状態に保持される。また、還元剤供給装置２０内の尿素水溶液を貯蔵タンク５０に回収する場合には、尿素水溶液が噴射弁３１側から貯蔵タンク５０側へ流れるように、流路切替弁７１が第２の状態に保持される。例えば、流路切替弁７１が、通電状態において第１の状態となり、非通電状態において第２の状態となる場合、尿素水溶液の噴射制御時には流路切替弁７１は非通電状態で維持され、尿素水溶液の回収時に制御装置１００は流路切替弁７１に対して通電する。なお、流路切替弁７１を用いる代わりに、逆回転可能なポンプを用いることによって、尿素水溶液が回収可能になっていてもよい。

容積拡大部６０は、第２の供給通路５７に接続され、第２の供給通路５７の容積を拡大可能になっている。かかる容積拡大部６０は、例えば、通電制御によって可動部６５が進退動し、当該可動部６５に接続された図示しないダイヤフラムが変形することによって、第２の供給通路５７に連通する空間の容積を変化させるものとすることができる。可動部６５は、例えば、所定の空間内を進退動可能なピストンであってよい。可動部６５を進退動させるアクチュエータとしては、例えば、電磁コイル式のアクチュエータや、ピエゾ式のアクチュエータとすることができる。

本実施形態にかかる還元剤供給装置２０では、アクチュエータに対して電流を供給したときに第２の供給通路５７の容積が拡大される形式の容積拡大部６０が用いられている。したがって、噴射弁３１が正常に開弁して、尿素水溶液の噴射制御が実行される間、容積拡大部６０を非通電状態にすることができ、電力消費量が増えることを防ぐことができる。

かかる容積拡大部６０は、結晶化した尿素水溶液により噴射弁３１を開弁できない場合であっても、尿素水溶液を噴射弁３１に到達させるために、２つの機能を発揮し得る。

１つ目の機能は、第２の供給通路５７内の圧力Ｐｕを上昇させた後に、第２の供給通路５７の容積を拡大することにより、負圧によって、第２の供給通路５７内の気相を引き込むことである。例えば、内燃機関５の始動時に、ポンプ４１を駆動して第２の供給通路５７内の圧力Ｐｕを上昇させた状態で、第２の供給通路５７の容積を拡大させるように容積拡大部６０を駆動させると、容積拡大部６０内に負圧が発生する。かかる負圧によって、液体である尿素水溶液よりも先に、圧縮率の高い空気が容積拡大部６０に流れ込む。したがって、噴射弁３１側に押し込まれる空気の体積が減少し、尿素水溶液が噴射弁３１に到達しやすくなる。

２つ目の機能は、単純に、第２の供給通路５７の容積を拡大することにより、噴射弁３１側に押し込まれる空気の一部を容積拡大部６０内に導入させて、尿素水溶液を噴射弁３１に到達させやすくすることである。かかる機能を発揮させる場合には、容積拡大部６０は、噴射弁３１にできるだけ近い位置に接続されるとよい。例えば、噴射弁３１を開弁できない状態でポンプ４１を駆動させた場合に尿素水溶液が到達しない位置において、容積拡大部６０が接続されるとよい。これにより、より高圧の空気が容積拡大部６０に導入され、噴射弁３１側に押し込まれる空気の体積をより小さくすることができる。

すなわち、容積拡大部６０が発揮し得る１つ目の機能は、第２の供給通路５７内がある程度高圧になった状態で、負圧により気相部分を引き込むことであり、２つ目の機能は、気相部分が押し込まれる領域を、噴射弁３１側とは別に形成することである。これらの２つの機能は、容積拡大部６０により第２の供給通路５７の容積を拡大させるタイミングや、容積拡大部６０の接続位置等により、いずれか一方の機能のみが発揮される場合も有り得るし、両方の機能が発揮される場合も有り得る。

容積拡大部６０により拡大される容積の大きさは、特に限定されない。例えば、尿素水溶液を貯蔵タンク５０内に回収した後に、尿素水溶液の供給経路内に存在する空気の体積Ｖ₀を１００（相対値）としたときに、容積拡大部６０によって拡大される容積が、５〜２０（相対値）の範囲内とすることができる。容積拡大部６０によって拡大される容積が５（相対値）未満の場合には、噴射弁３１に対して尿素水溶液を到達させることが困難になる場合がある。また、容積拡大部６０によって拡大される容積が２０（相対値）を超えると、尿素水溶液を充填すべき領域の容積が大きくなりすぎて、尿素水溶液の充填量が過大になり、充填効率が低下するおそれがある。

＜３．還元剤供給装置の基本動作＞
本実施形態にかかる還元剤供給装置２０では、以下のように基本的な動作が行われる。
まず、内燃機関５の運転状態においては、流路切替弁７１が第１の状態で維持され、尿素水溶液が貯蔵タンク５０側から噴射弁３１側に流れ得る状態で保持されて、ポンプ４１が作動する。貯蔵タンク５０内の尿素水溶液はポンプ４１によって吸い上げられ、第２の供給通路５７を介して噴射弁３１に向けて圧送される。このとき、圧送される尿素水溶液の一部は、リターン通路５９を介して貯蔵タンク５０に戻される。

このように尿素水溶液を循環させながら、制御装置１００は、第２の供給通路５７内の圧力Ｐｕが所定の目標値Ｐｔｇｔ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、制御装置１００は、内燃機関５の運転状態等に基づいて尿素水溶液の目標噴射量を算出し、噴射弁３１の開弁制御を行う。例えば、制御装置１００は、尿素水溶液の圧力が目標値Ｐｔｇｔで維持されていることを前提として、所定の噴射サイクル中における噴射弁３１の開弁時間の割合を調節する。これにより、排気管１１内に尿素水溶液が噴射される。

特に、内燃機関５の始動時において、噴射弁３１を開弁可能な場合には、噴射弁３１の開弁により、尿素水溶液の供給経路内に存在していた空気が外部に排出され、当該供給経路内に尿素水溶液が充填され得る。

また、内燃機関５の停止時においては、流路切替弁７１が第２の状態に切り替えられ、尿素水溶液が噴射弁３１側から貯蔵タンク５０側に流れ得る状態で保持されて、ポンプ４１が作動する。このとき、噴射弁３１は開弁状態で維持され、噴射弁３１及びリターン通路５９を介して第２の供給通路５７内に空気（又は排気）を吸入しながら、噴射弁３１、第１の供給通路５８、第２の供給通路５７、リターン通路５９及びポンプ４１内の尿素水溶液が貯蔵タンク５０内に回収される。

＜４．制御装置＞
次に、本実施形態にかかる還元剤供給装置２０の制御に用いられる制御装置１００の構成例について説明する。図２は、制御装置１００の構成のうち、内燃機関５の始動時において尿素水溶液を充填する制御に関連する部分を機能的に示したブロック図である。制御装置１００は、公知のマイクロコンピュータや、ポンプ４１及び噴射弁３１の駆動回路等を備えて構成される。

かかる制御装置１００は、ポンプ制御部１０１と、噴射弁制御部１０３と、容積拡大部制御部１０５と、異常判定部１０７とを備える。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り実現される機能であってよい。制御装置１００には、直接、あるいは、ＣＡＮ等のバス配線を介して、圧力センサ４３等のセンサの検出信号、及び、内燃機関５の運転状態に関連する情報等が入力される。また、制御装置１００は、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）やＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等の図示しない記憶素子を備える。これらの記憶素子は、マイクロコンピュータにより実行されるプログラムや、演算処理に用いられる各種パラメータ、演算結果、検出結果等を記憶する。

（４−１．ポンプ制御部）
ポンプ制御部１０１は、ポンプ４１の出力を制御する。例えば、ポンプ制御部１０１は、ポンプ４１を回転駆動するモータの駆動電力を制御して、ポンプ４１の回転数を制御する。これにより、尿素水溶液の吐出量が調節される。本実施形態では、ポンプ制御部１０１は、内燃機関５の始動時において、あらかじめ設定された所定の出力でポンプ４１を駆動し、尿素水溶液を噴射弁３１側に圧送する。その後、ポンプ制御部１０１は、圧力センサ４３により検出される第２の供給通路５７内の圧力Ｐｕが所定の目標値Ｐｔｇｔで維持されるようにポンプ４１の出力をフィードバック制御する。

（４−２．噴射弁制御部）
噴射弁制御部１０３は、噴射弁３１の通電制御を実行する。噴射弁制御部１０３は、内燃機関５の始動時において、ポンプ４１の駆動開始後に噴射弁３１を開弁して、尿素水溶液の供給経路内に存在する空気を排出させ、尿素水溶液が当該供給経路内に充填されるよう制御を行う。例えば、噴射弁制御部１０３は、ポンプ４１の駆動開始後の所定時間、噴射弁３１を開弁状態で維持してもよい。あるいは、噴射弁制御部１０３は、ポンプ４１の駆動開始後に、噴射弁３１を断続的に開弁してもよい。

（４−３．容積拡大部制御部）
容積拡大部制御部１０５は、容積拡大部６０の通電制御を実行する。容積拡大部制御部１０５は、内燃機関５の始動時において、所定のタイミングで容積拡大部６０を駆動して第２の供給通路５７の容積を拡大させる。これにより、内燃機関５の始動時に、結晶化した尿素水溶液により噴射弁３１を開弁することができずに尿素水溶液が充填されにくくなっている状態においても、尿素水溶液が噴射弁３１に到達しやすくなる。

例えば、容積拡大部制御部１０５は、内燃機関５の始動時に、噴射弁３１の異常の有無にかかわらず、容積拡大部６０を駆動させてもよい。あるいは、容積拡大部制御部１０５は、内燃機関５の始動後、後述する異常判定部１０７により、噴射弁３１から尿素水溶液が噴射されていないと判定された場合に、容積拡大部６０を駆動させてもよい。

また、容積拡大部制御部１０５は、後述する異常判定部１０７により、噴射弁３１から尿素水溶液が噴射されていると判定された場合に、容積拡大部６０の駆動を停止し、拡大されていた第２の供給通路５７の容積を元に戻す。これにより、尿素水溶液の噴射制御が実行されている間に、容積拡大部６０で消費される電力量をゼロにすることができる。このとき、容積拡大部６０内に気相が残っていたとしても、噴射弁３１による尿素水溶液の噴射が妨げられることはない。

（４−３−１．従来の例）
図３は、容積拡大部を有しない従来の還元剤供給装置において、噴射弁３１を開弁できない場合に、尿素水溶液が噴射弁３１に到達しにくいことを示す説明図である。例えば、内燃機関５の始動後、第２の供給通路５７内の圧力Ｐｕが９００ｋＰａで維持されるように尿素水溶液が圧送されるとする。このとき、大気圧（≒１０１．３ｋＰａ）下で尿素水溶液の供給経路内に存在していた空気の体積は、ボイルの法則にしたがって、約９分の１になる。

すなわち、大気圧（≒１０１．３ｋＰａ）下で尿素水溶液の供給経路内に存在していた空気の体積Ｖ₀を１００（相対値）とすると、加圧時の当該空気の体積Ｖ_pは、１００／９（相対値）となる。したがって、噴射弁３１を開弁できない状態では、尿素水溶液が噴射弁３１に向けて圧送された場合であっても、噴射弁３１側には体積Ｖ_pが１００／９（相対値）の空気が存在することになる。そのため、尿素水溶液が噴射弁３１に到達できず、噴射弁３１内で結晶化した尿素水溶液を融解させることができない。

（４−３−２．第１の例）
図４は、容積拡大部６０を有する還元剤供給装置２０において、噴射弁３１を開弁できない場合であっても、第２の供給通路５７内の空気の一部を負圧により容積拡大部６０に移動させて、尿素水溶液を噴射弁３１に到達させる第１の例を示す説明図である。図４に示す還元剤供給装置２０の例では、噴射弁３１が閉じられた状態でポンプ４１により尿素水溶液を圧送したときに尿素水溶液が到達し得る位置に、容積拡大部６０が接続されている。尿素水溶液の圧送時における尿素水溶液が到達する位置は、例えば尿素水溶液の供給経路の容積と、加圧時の圧力とに基づいて求めることができる。かかる還元剤供給装置２０では、ポンプ４１を駆動して第２の供給通路５７内の圧力を上昇させた状態で、容積拡大部制御部１０５は、容積拡大部６０を駆動して第２の供給通路５７の容積を拡大させる。

そうすると、容積拡大部６０には負圧が発生するため、第２の供給通路５７内に存在する空気が容積拡大部６０に向けて移動する。このとき、液体である尿素水溶液に比べて、収縮率がより高い空気の方が移動しやすく、第２の供給通路５７内に存在している空気の一部が容積拡大部６０に移動する。したがって、噴射弁３１側に閉じ込められる空気の体積は小さくなって、尿素水溶液が噴射弁３１内に到達しやすくなる。噴射弁３１に到達した尿素水溶液は、噴射弁３１内を流れて結晶化した尿素水溶液を湿潤させ、液化する。これにより、噴射弁３１の開弁が可能になる。

かかる第１の例にしたがって容積拡大部６０を駆動する場合、容積拡大部６０は、第２の供給通路５７の上方に延びるように接続されてもよい。容積拡大部６０がこのように接続されていれば、空気が容積拡大部６０により移動しやすくなる。また、第１の例にしたがって容積拡大部６０を駆動する場合、噴射弁３１は、噴孔が下方に位置するように設けられてもよい。噴射弁３１の噴孔が下方に位置することにより、噴射弁３１に到達した尿素水溶液が、噴射弁３１内を伝って噴孔まで流れやすくなる。したがって、尿素水溶液が噴射弁３１内に完全に充填されなくても、噴射弁３１を開弁することができる。

この場合、図４に示したように、第２の供給通路５７に屈曲部分７０又は湾曲部分を設け、当該屈曲部分７０又は湾曲部分よりも下方側の高さ位置で第２の供給通路５７と噴射弁３１とが接続されてもよい。これにより、尿素水溶液が屈曲部分７０又は湾曲部分に到達することにより、尿素水溶液が高低差により噴射弁３１内に流れ込みやすくなる。

また、第１の例にしたがって容積拡大部６０を駆動する場合、容積拡大部６０は、噴射弁３１が閉じられた状態で尿素水溶液を圧送したときに尿素水溶液が到達しない位置に接続されてもよい。容積拡大部６０がかかる位置に接続されていれば、ポンプ４１による尿素水溶液の圧送後に容積拡大部６０を駆動して第２の供給通路５７の容積を拡大したときに、噴射弁３１側に押し込まれている空気の一部を確実に容積拡大部６０に移動させることができる。

（４−３−３．第２の例）
図５は、容積拡大部６０を有する還元剤供給装置２０において、噴射弁３１を開弁できない場合であっても、第２の供給通路５７内の空気を押し込む領域を噴射弁３１側以外の領域に形成して、尿素水溶液を噴射弁３１に到達させる第２の例を示す説明図である。図５に示す還元剤供給装置２０の例では、噴射弁３１が閉じられた状態でポンプ４１により尿素水溶液を圧送したときに尿素水溶液が到達しない位置に、容積拡大部６０が接続されている。かかる還元剤供給装置２０では、ポンプ４１の駆動の前後にかかわらず、容積拡大部制御部１０５は、容積拡大部６０を駆動して第２の供給通路５７の容積を拡大させてよい。

第２の例では、加圧されて圧縮された空気の一部が容積拡大部６０内にも導入されることから、噴射弁３１側に押し込まれる空気の体積は小さくなる。したがって、尿素水溶液が噴射弁３１内に到達しやすくなる。

かかる第２の例にしたがって容積拡大部６０を駆動する場合においても、噴射弁３１は、噴孔が下方に位置するように設けられてもよい。また、第２の例にしたがって容積拡大部６０を駆動する場合においても、図５に示したように、第２の供給通路５７に屈曲部分７０又は湾曲部分を設け、当該屈曲部分７０又は湾曲部分よりも下方側の高さ位置で第２の供給通路５７と噴射弁３１とが接続されてもよい。これにより、尿素水溶液が噴射弁３１内に流れやすくなって、尿素水溶液が噴射弁３１内に完全に充填されなくても、噴射弁３１を開弁することができる。

なお、第２の例にしたがって容積拡大部６０を駆動する場合においても、容積拡大部６０は、噴射弁３１が閉じられた状態で尿素水溶液を圧送したときに尿素水溶液が到達し得る位置に接続されてもよい。ただし、この場合には、第２の供給通路５７内の圧力Ｐｕが所定の目標値Ｐｔｇｔに到達する以前に容積拡大部６０に尿素水溶液が流れ込むため、容積拡大部６０に移動させ得る空気の体積が小さくなるおそれがある。したがって、第２の例では、容積拡大部６０は、噴射弁３１が閉じられた状態で尿素水溶液を圧送したときに尿素水溶液が到達しない位置に接続されることが好ましい。

（４−３−４．異常判定部）
異常判定部１０７は、噴射弁３１から尿素水溶液が噴射されているか否かを判定する。噴射弁３１から尿素水溶液が噴射されているか否かを判定する方法は特に限定されない。

例えば、異常判定部１０７は、第２の供給通路５７内の圧力Ｐｕが所定値以上に高められた状態で、ポンプ４１の出力を一定とし、噴射弁３１を開弁状態で維持するように制御を行った場合の圧力変化に基づいて、噴射弁３１から尿素水溶液が噴射されているか否かを判定する。噴射弁３１が正常に開弁している場合、第２の供給通路５７内の圧力Ｐｕは所定の速度で低下する。一方、噴射弁３１が開弁しない場合には、第２の供給通路５７内の圧力Ｐｕは変化しない。

したがって、例えば、噴射弁３１を開弁状態にしてから所定時間経過後の圧力の閾値を設定しておくことにより、噴射弁３１の詰まりの有無を判定することができる。このとき、閾値を複数設定して、噴孔の詰まり度合いまで区別できるようにしてもよいし、１つの閾値を設定して、噴孔の詰まりの有無のみを区別できるようにしてもよい。

あるいは、異常判定部１０７は、噴射弁３１に通電される電流波形及びポンプ４１の出力に基づいて、噴射弁３１の異常を判定することができる。具体的に、異常判定部１０７は、噴射弁３１に対して開弁指示を送信した場合に、噴射弁３１に通電される電流波形を監視し、当該電流波形に基づいて弁体が移動しているか否かを判別することにより、弁体の固着の有無を判定してもよい。

噴射弁３１は、電磁コイルへの通電量が増大するにつれて弁体を引き付ける磁力が増大し、弁体が移動する構成を有する。弁体が固着していない場合、通電量を徐々に大きくしていくと、弁体が移動し始めるときに一旦電流値が低下するため、電流波形に変化点が発現する。一方、弁体が固着している場合、通電量を増大させても弁体が移動しないため、電流波形に変化点は発現しない。異常判定部１０７は、噴射弁３１に開弁指示を送信した場合に、噴射弁３１に通電される電流波形に、このような変化点が発現したか否かを判別することにより、弁体の固着の有無を判定し得る。

さらに、異常判定部１０７は、選択還元触媒１３の下流側にＮＯ_Xセンサが設けられている場合には、尿素水溶液の噴射制御を実行した上で、ＮＯ_X濃度が適切に抑えられているか否かを見ることによって、噴射弁３１の異常を判定してもよい。この場合、例えば、検出されるＮＯ_X濃度が、内燃機関５から排出される排気のＮＯ_X濃度から大きく低下していない場合等に、噴射弁３１の異常が生じていると判定することができる。

＜５．フローチャート＞
次に、本実施形態にかかる還元剤供給装置２０の制御方法の例について説明する。以下では、内燃機関５の始動時において、尿素水溶液を供給経路内に充填する際の制御のフローチャートの例について説明する。

（５−１．内燃機関の始動時に毎回容積を拡大させる例）
図６は、内燃機関５の始動時に、噴射弁３１の異常の有無にかかわらず容積拡大部６０を駆動させて、尿素水溶液を供給経路内に充填する方法の一例を示すフローチャートである。

まず、ステップＳ１０において、車両のキースイッチがオンにされ、制御装置１００が起動すると、ステップＳ１２において、制御装置１００のポンプ制御部１０１は、あらかじめ設定された所定の出力でポンプ４１を駆動させる。次いで、ステップＳ１４において、制御装置１００の容積拡大部制御部１０５は、ポンプ４１の駆動開始から、あらかじめ設定された所定時間が経過したか否かを判別する。容積拡大部制御部１０５は、所定時間が経過するまで待機した後（Ｓ１４：Ｎｏ）、所定時間が経過したときに（Ｓ１４：Ｙｅｓ）、ステップＳ１６に進み、容積拡大部６０を駆動して第２の供給通路５７の容積を拡大させる。所定時間は、例えば、第２の供給通路５７に対する容積拡大部６０の接続位置に応じて設定され得る。

上述した第１の例にしたがって、負圧により空気を容積拡大部６０に移動させるには、第２の供給通路５７内の圧力Ｐｕが比較的高い値となった後に容積拡大部６０が駆動されることが好ましい。この場合、所定時間は、例えば３０〜１２０秒とすることができる。また、上述した第２の例にしたがって、加圧されて圧縮される空気を容積拡大部６０内にも導入する場合には、容積拡大部６０が駆動されるタイミングは特に制限されない。すなわち、所定時間は、例えば０〜１８０秒とすることができる。

次いで、ステップＳ１８において、制御装置１００の異常判定部１０７は、噴射弁３１の異常判定を行う。かかるステップＳ１８では、異常判定部１０７は、噴射弁３１から尿素水溶液が噴射されているか、すなわち、噴射弁３１に異常が無く、正常に開弁しているかを判定する。異常判定部１０７は、上述の例のとおり、第２の供給通路５７内の圧力Ｐｕの変化や、噴射弁３１に対して開弁指示を送信したときの電流波形、ＮＯ_X濃度等に基づいて、噴射弁３１の異常の有無を判定し得る。ステップＳ２０において、異常判定部１０７は、噴射弁３１の異常の有無を判別する。噴射弁３１に異常が見られる場合（Ｓ２０：Ｎｏ）、尿素水溶液の噴射が開始されていないと推定されることから、第２の供給通路５７の容積の拡大を継続したまま、容積異常判定部１０７は、ステップＳ１８に戻って、異常判定を繰り返す。

一方、ステップＳ２０において、噴射弁３１に異常が無いと判定された場合（Ｓ２０：Ｙｅｓ）、ステップＳ２２に進む。ステップＳ２２において、容積拡大部制御部１０５は、容積拡大部６０の駆動を停止し、拡大されていた第２の供給通路５７の容積を元に戻す。その後、ステップＳ２４において、容積拡大部制御部１０５は、尿素水溶液の噴射制御を開始させる許可指令を生成する。例えば、容積拡大部制御部１０５は、許可フラグを立ててもよい。以降、尿素水溶液の噴射制御が開始され、尿素水溶液を供給経路内に充填させる制御を終了する。

（５−２．噴射弁の異常時に容積を拡大させる例）
図７は、内燃機関５の始動時に、噴射弁３１に異常が見られた場合に容積拡大部６０を駆動させて、尿素水溶液を供給経路内に充填する方法の一例を示すフローチャートである。

まず、ステップＳ３０において、車両のキースイッチがオンにされ、制御装置１００が起動すると、ステップＳ３２において、制御装置１００のポンプ制御部１０１は、あらかじめ設定された所定の出力でポンプ４１を駆動させる。

次いで、ステップＳ３４において、制御装置１００の異常判定部１０７は、噴射弁３１の異常判定を行う。かかるステップＳ３４では、異常判定部１０７は、噴射弁３１から尿素水溶液が噴射されているか、すなわち、噴射弁３１に異常が無く、正常に開弁しているかを判定する。異常判定部１０７は、上述の例のとおり、第２の供給通路５７内の圧力Ｐｕの変化や、噴射弁３１に対して開弁指示を送信したときの電流波形、ＮＯ_X濃度等に基づいて、噴射弁３１の異常の有無を判定し得る。

次いで、ステップＳ３６において、異常判定部１０７は、噴射弁３１の異常の有無を判別する。噴射弁３１に異常が見られる場合（Ｓ３６：Ｎｏ）、ステップＳ４２に進み、制御装置１００の容積拡大部制御部１０５は、容積拡大部６０を駆動し、第２の供給通路５７の容積を拡大する。第２の供給通路５７の容積が拡大された後は、ステップＳ３４に戻って、異常判定部１０７は、再び異常判定を行う。

一方、噴射弁３１に異常が見られない場合（Ｓ３８：Ｙｅｓ）、ステップＳ３８に進み、容積拡大部制御部１０５は容積拡大部６０の駆動を停止する。これにより、第２の供給通路５７の容積が拡大されていた場合には元の容積に戻される。また、容積拡大部６０が駆動されていない場合には、そのままの状態で維持される。その後、ステップＳ４０において、容積拡大部制御部１０５は、尿素水溶液の噴射制御を開始させる許可指令を生成する。例えば、容積拡大部制御部１０５は、許可フラグを立ててもよい。以降、尿素水溶液の噴射制御が開始され、尿素水溶液を供給経路内に充填させる制御を終了する。

以上説明したように、本実施形態にかかる還元剤供給装置２０は、第２の供給通路５７の容積を拡大する容積拡大部６０を備えている。したがって、内燃機関５の始動時に、尿素水溶液を供給経路内に充填する際に、結晶化した尿素水溶液によって噴射弁３１が開弁されない場合であっても、尿素水溶液を噴射弁３１に到達させやすくすることができる。これにより、結晶化した尿素水溶液が湿潤されて液化され、噴射弁３１を開弁可能にすることができる。

また、本実施形態にかかる還元剤供給装置２０は、アクチュエータを用いて容積の拡大を制御可能な容積拡大部６０を備えている。したがって、噴射弁３１の異常の有無に応じて、あるいは、適宜のタイミングで、第２の供給通路５７の容積を拡大させることができる。これにより、噴射弁３１が開弁されない状態を効率的に解消することができる。あるいは、噴射弁３１に異常が見られない場合における、無駄な電力消費をなくすことができる。

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、上記実施形態にかかる還元剤供給装置２０では、制御装置１００による制御指令に基づいて容積拡大部６０が駆動されていたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、ダイヤフラム等が接続されたピストンをばね等で付勢しておき、第２の供給通路５７内の圧力Ｐｕの上昇に応じてピストンが移動して、第２の供給通路５７の容積が拡大されてもよい。かかる容積拡大部は、例えば、ポンプ４１により尿素水溶液を圧送した状態で、尿素水溶液が到達しない位置に接続されてもよい。かかる容積拡大部によっても、噴射弁３１が開弁しない場合であっても、尿素水溶液を噴射弁３１に到達させやすくすることができる。また、かかる容積拡大部であれば、尿素水溶液の回収後に、供給経路内に残留していた尿素水溶液が凍結して、膨張した場合であっても、供給経路内の圧力の上昇を抑制することができる。したがって、第２の供給通路５７等の破損のおそれを低減することができる。

また、上記実施形態にかかる還元剤供給装置２０では、容積拡大部６０を駆動して第２の供給通路５７の容積を拡大させた後、噴射弁３１が開弁したと判断されるまで容積を拡大していたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、第２の供給通路５７の容積の拡大及び復帰を繰り返すことにより、第２の供給通路５７内での尿素水溶液の到達位置を揺動させることができる。したがって、噴射弁３１に対して、繰り返し尿素水溶液を流し込ませて、噴射弁３１内で結晶化した尿素水溶液を液化することができる。

５ 内燃機関
１０ 尿素ＳＣＲシステム
１１ 排気管
１３ 選択還元触媒
２０ 還元剤供給装置
３１ 噴射弁
４１ ポンプ
４３ 圧力センサ
５０ 貯蔵タンク
５７ 第２の供給通路
５８ 第１の供給通路
６０ 容積拡大部
１００ 制御装置
１０１ ポンプ制御部
１０３ 噴射弁制御部
１０５ 容積拡大部制御部
１０７ 異常判定部

Claims (5)

1. 内燃機関の排気管に取り付けられて液体還元剤を噴射する噴射弁と、前記液体還元剤を圧送するポンプと、圧送される前記液体還元剤を前記噴射弁に導く供給通路と、を備え、前記液体還元剤の噴射制御の終了時に前記噴射弁及び前記供給通路内の前記液体還元剤がタンク内に回収され、前記液体還元剤の噴射制御の開始時に前記液体還元剤が前記噴射弁及び前記供給通路に充填される還元剤供給装置において、
   前記供給通路の容積を拡大可能な容積拡大部を備え、
   前記容積拡大部は、前記液体還元剤の充填時に可動部が移動して前記供給通路の容積を拡大し、
   前記容積拡大部は、通電制御によって前記可動部を移動可能なアクチュエータを有する、還元剤供給装置。
2. 内燃機関の排気管に取り付けられて液体還元剤を噴射する噴射弁と、前記液体還元剤を圧送するポンプと、圧送される前記液体還元剤を前記噴射弁に導く供給通路と、を備え、前記液体還元剤の噴射制御の終了時に前記噴射弁及び前記供給通路内の前記液体還元剤がタンク内に回収され、前記液体還元剤の噴射制御の開始時に前記液体還元剤が前記噴射弁及び前記供給通路に充填される還元剤供給装置において、
   前記供給通路の容積を拡大可能な容積拡大部を備え、
   前記液体還元剤の噴射制御の開始時に、前記供給通路内の圧力があらかじめ定められた設定圧力となるように前記液体還元剤が圧送され、
   前記容積拡大部が、大気圧下で前記液体還元剤の供給経路に存在する空気が前記設定圧力で前記噴射弁側に押し込まれたときに、圧縮された空気が存在し得る部分に接続される、還元剤供給装置。
3. 内燃機関の排気管に取り付けられて液体還元剤を噴射する噴射弁と、前記液体還元剤を圧送するポンプと、圧送される前記液体還元剤を前記噴射弁に導く供給通路と、を備え、前記液体還元剤の噴射制御の終了時に前記噴射弁及び前記供給通路内の前記液体還元剤がタンク内に回収され、前記液体還元剤の噴射制御の開始時に前記液体還元剤が前記噴射弁及び前記供給通路に充填される還元剤供給装置において、
   前記供給通路の容積を拡大可能な容積拡大部を備え、
   前記供給通路は、屈曲部分又は湾曲部分を有し、前記屈曲部分又は前記湾曲部分よりも方側の高さ位置で前記供給通路と前記噴射弁とが接続され、
   前記容積拡大部は、前記屈曲部分又は前記湾曲部分に対して上方に接続される、還元剤供給装置。
4. 前記容積拡大部は、前記液体還元剤の充填時に可動部が移動して前記供給通路の容積を拡大する、請求項２または３に記載の還元剤供給装置。
5. 前記容積拡大部は、通電制御によって前記可動部を移動可能なアクチュエータを有する、請求項４に記載の還元剤供給装置。
   

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