JP5388286B2

JP5388286B2 - 排気浄化装置及びその制御方法

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Publication number: JP5388286B2
Application number: JP2009146182A
Authority: JP
Inventors: 雄二古谷
Original assignee: Bosch Corp
Current assignee: Bosch Corp
Priority date: 2009-06-19
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Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2029-06-19
Also published as: JP2011001895A

Description

本発明は排気浄化装置及びその制御方法に関し、特に内燃機関から排出されるＮＯ_X（窒素酸化物）を還元剤とＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）触媒によって浄化する排気浄化装置及びその制御方法に関する。

従来、自動車等の内燃機関の排気ガス中にはＮＯ_X等が含まれている。ＮＯ_Xを浄化するための排気浄化装置の１つとして、内燃機関の排気管内にＳＣＲ触媒（ＮＯ_X選択還元触媒）を配設するとともに、ＳＣＲ触媒上流側の排気管内に還元剤としての尿素水（尿素水溶液）を添加してＮＯ_Xを浄化する尿素ＳＣＲシステムがある。

尿素ＳＣＲシステムでは、還元剤タンクに尿素水が貯えられており、尿素水はポンプ等によって還元剤供給管等を介して還元剤添加弁に供給される。還元剤添加弁はＳＣＲ触媒上流側の排気管に固定されており、還元剤としての尿素水が還元剤添加弁から排気管内へ添加される。添加された尿素水は、排気熱で加水分解されてＮＨ₃（アンモニア）となりつつＳＣＲ触媒に至り、ＳＣＲ触媒上でＮＨ₃とＮＯ_Xとが反応することによってＮＯ_Xが還元浄化される。

尿素ＳＣＲシステムにおいて使用される尿素水は例えば−１１℃で凍結し、凍結に伴って体積が増加する。このため、低温環境下においては、内燃機関の停止後に還元剤供給管等の内部が尿素水で満たされたままの状態であると、尿素水の凍結に伴う体積増加によって還元剤供給管等が損傷するおそれがある。また、内燃機関の再始動の際に還元剤供給管等の内部で尿素水が凍結していると、その尿素水による配管等の詰まりによって還元剤添加の速やかな開始が妨げられるおそれがある。

そこで、内燃機関の停止後に、還元剤を供給するためのポンプを吸い戻し状態で駆動させることによって、還元剤供給管に接続された吸気弁や還元剤添加弁を介して還元剤供給管へエアを導入しつつ、還元剤タンクへ尿素水を吸い戻して回収するようにした技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−１０１５６４号公報（全文、全図）

上記特許文献１等の場合、内燃機関の停止後において、還元剤供給管内は尿素水がほとんど無くエアで満たされた状態である。よって、内燃機関の再始動に伴ってＳＣＲシステムを再び機能させる際には、エアを還元剤供給管外へ放出させて還元剤供給管内を尿素水で満たす必要がある。しかし、特許文献１に記載された技術では、還元剤供給管内のエアが完全に抜け切れずに気泡として残ってしまい、還元剤供給管内の圧力制御の精度が低下することで尿素水の噴射制御の精度が低下し、排気ガス中のＮＯ_Xを十分に浄化できないおそれがある。

本発明は、上述の尿素ＳＣＲシステムのような排気浄化装置において、還元剤供給管や還元剤添加弁などの還元剤供給経路内に存在する気体成分を効果的に還元剤供給経路外に放出させることにより、還元剤供給経路内の圧力制御が正確に行われ、還元剤の噴射制御を正確に行うことができる排気浄化装置及びそ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、ＳＣＲ触媒及び還元剤を用いて内燃機関の排気を浄化する排気浄化装置であって、前記還元剤を貯える還元剤タンクと、前記ＳＣＲ触媒の上流側に前記還元剤を添加する還元剤添加弁と、前記還元剤タンクから前記還元剤添加弁へ還元剤供給経路を介して前記還元剤を供給するための還元剤供給ポンプと、を備えた排気浄化装置において、前記還元剤供給経路内の気体成分を吸引して前記還元剤供給経路外に放出するための負圧発生手段を備え、前記負圧発生手段はアスピレータであり、エアコンプレッサにより供給される圧縮空気によって作動させられることを特徴とする排気浄化装置が提供され、上述した問題を解決することができる（請求項１）。

また、本発明の排気浄化装置を構成するにあたり、負圧発生手段が、電磁弁を介して還元剤供給経路に接続されていることが好ましい。

また、本発明の排気浄化装置を構成するにあたり、還元剤タンクと還元剤供給ポンプとの間の還元剤供給経路に三方電磁弁を備え、エアコンプレッサにより供給される圧縮空気の少なくとも一部を還元剤供給経路に供給可能に構成されていることが好ましい。

また、本発明の別の態様は、還元剤を貯える還元剤タンクと、ＳＣＲ触媒の上流側に還元剤を添加する還元剤添加弁と、還元剤タンクから還元剤添加弁へ還元剤供給経路を介して還元剤を供給するための還元剤供給ポンプと、を備えた排気浄化装置の制御方法において、内燃機関の始動時に、還元剤供給ポンプによって還元剤供給経路に還元剤を供給しながら負圧発生手段を作動させて、還元剤供給経路内の気体成分を吸引して還元剤供給経路外に放出させることを特徴とする排気浄化装置の制御方法である。

請求項１に係る排気浄化装置によれば、還元剤が還元剤供給ポンプにより還元剤供給経路へ供給しながら、あるいは、供給された後に、負圧発生手段で発生する吸引力により、還元剤供給経路内の気体成分を吸引することによって、気体成分が還元剤供給経路外へ放出される。その結果、還元剤供給管等の内部に気泡が残留することが防止され、還元剤供給経路内の正確な圧力制御が可能となり、排気浄化のために必要とされる量の還元剤を正確に排気管へ添加することができる。

また、請求項１に係る排気浄化装置によれば、例えば、バスやトラックなど一般的にエアコンプレッサが搭載されている車両では、アスピレータを接続することのみで還元剤供給経路外へ気体成分を放出させることができる。また、エアコンプレッサは小容量の出力のものでよいため、エアコンプレッサが搭載されていない車両であっても低コストで容易に追加できる。

また、請求項２に係る排気浄化装置によれば、還元剤供給経路から気体成分を放出させた後に電磁弁を閉じることにより、気体放出用の通路等から還元剤が漏れ出ることを防止できるので、還元剤供給ポンプ駆動のためのエネルギーの浪費を防ぐことができる。また、負圧発生手段と還元剤供給経路の間の経路を任意に遮断することができるので、負圧発生手段の作動開始時期と還元剤供給経路からの気体成分の吸引開始時期とを分離することができる。例えば、バスやトラックなどに本発明以外の目的で搭載されているエアコンプレッサを利用する場合であっても、その本来の目的を阻害することなく任意の時期に還元剤供給経路から気体成分を吸引することができる。

また、請求項３に係る排気浄化装置によれば、内燃機関の停止時において、圧縮空気の圧力を利用して還元剤供給経路内の還元剤を還元剤タンクへ効率的に回収することができ、還元剤の凍結に伴う問題をもあわせて解決することができる。さらに、還元剤供給経路への空気の導入のために還元剤添加弁を開弁する必要がないので、未燃燃料や煤などの異物が排気管から還元剤供給経路内に侵入することを防止できる。

また、請求項４に係る排気浄化装置の制御方法によれば、還元剤供給経路内に還元剤を供給しながら負圧発生手段を作動することで、還元剤供給ポンプによって生じる正圧の効果と負圧発生手段によって生じる吸引力の効果が重なり、効率良く気体成分を還元剤供給経路外へ放出させることができる。

第１の実施の形態に係る排気浄化装置の構成例を説明するための図である。第１の実施の形態に係る排気浄化装置の制御方法を説明するためのフロー図である。第２の実施の形態に係る排気浄化装置の構成例を説明するための図である。第２の実施の形態に係る排気浄化装置の制御方法を説明するためのフロー図である。第２の実施の形態に係る排気浄化装置の制御方法を説明するためのフロー図である。還元剤充填時の還元剤供給装置の状態を説明するための図である。還元剤添加制御時の還元剤供給装置の状態を説明するための図である。還元剤添加制御中の還元剤添加弁冷却時の還元剤供給装置の状態を説明するための図である。還元剤パージ制御時の還元剤供給装置の状態を説明するための図である。内燃機関の停止後の還元剤添加弁冷却時の還元剤供給装置の状態を説明するための図である。

以下、本発明に係る排気浄化装置及び排気浄化装置の制御方法を具体化した実施の形態について図面を参照しつつ説明する。本実施の形態における排気浄化装置及び排気浄化装置の制御方法は、ＮＯ_X選択還元触媒を用いて内燃機関の排気ガス中ＮＯ_Xを浄化するものであり、尿素ＳＣＲシステムとして構築されている。各図において同符号を付してあるものは同一の部材を示しており、説明を適宜省略している。なお、以下で説明する実施の形態は、本発明の一形態を示すものであり、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が可能である。

［第１の実施の形態］
１．排気浄化装置の概要
本実施の形態の排気浄化装置１０の全体構成の概略を図１に示す。排気浄化装置１０は、車両に搭載されたディーゼルエンジン等の内燃機関１１から排出される排気ガス中のＮＯ_Xを浄化する装置である。排気浄化装置１０は、内燃機関１１の排気系に配置された種々のセンサとＳＣＲ触媒１４、アンモニアスリップ触媒１５、還元剤添加装置２０、負圧発生装置３０、制御装置４０等から構築されている。また、この制御装置４０は、内燃機関１１の運転状態を制御するための制御装置（図示せず。以下、「ＥＣＵ：Engine Control Unit」と称する。）との通信が可能になっており、燃料噴射量や噴射タイミング、内燃機関の回転数、内燃機関の冷却水温度等の内燃機関１１の制御に関する情報が読込可能になっている。

内燃機関１１の排気系は、内燃機関１１に排気管１２が接続されるとともに、その排気管１１にはＳＣＲ触媒１４が配設されて構成されている。内燃機関１１とＳＣＲ触媒１４との間には、還元剤としての尿素水を排気管１１内へ添加するための還元剤添加弁２１が固定されている。さらに、ＳＣＲ触媒１４の下流にはアンモニアスリップ触媒１５が配設されている。

ＳＣＲ触媒１４の上流側には排気温度センサ１３が、下流側にはＮＯ_Xセンサ１６がそれぞれ設けられている。これらのセンサは排気管１２内部の温度情報やＮＯ_X濃度情報を検出し、制御装置４０やＥＣＵ等に送信する。ＥＣＵについての詳細な説明はここでは省略するが、自動車等で用いられている一般的な内燃機関の制御装置で構わない。

ＳＣＲ触媒１４は、排気管１２内に添加された尿素水とともに、排気ガス中のＮＯ_XをＳＣＲ触媒１４に接触させることで排気ガス中のＮＯ_XをＮ₂（窒素）等に還元して無害化するＮＯ_X選択還元触媒であり、公知のものが適宜用いられる。

アンモニアスリップ触媒１５は、ＮＯ_Xの還元反応に利用されずにＳＣＲ触媒１４を通過してきた余剰なＮＨ₃を酸化するための触媒であり、公知のものが適宜用いられる。

本実施の形態においては、還元剤添加装置２０及び負圧発生装置３０の制御は共通の制御装置４０によって行うが、それぞれ異なる制御装置を用いて制御することもできる。また、ＥＣＵにおける一機能としてＥＣＵによって行わせることも可能である。

２．還元剤添加装置
還元剤添加装置２０は還元剤タンク２５内に貯えられた還元剤としての尿素水を、還元剤添加弁２１等を介して排気管１２内に添加供給する装置である。還元剤添加装置２０は、還元剤添加弁２１、還元剤供給管２２、還元剤供給ポンプ２３、還元剤送液管２４、還元剤タンク２５、還元剤放出管２６、オリフィス２７、還元剤添加弁冷却装置２８、還元剤圧力センサ２９等により構成される。また、この還元剤添加装置２０における各アクチュエータは制御装置４０によって制御される。

還元剤添加弁２１は既存の燃料噴射弁（インジェクタ）とほぼ同様の構成を有するものである。公知の構成を適宜採用できるため、ここでは構成を簡単に説明する。還元剤添加弁２１は、電磁ソレノイド等からなる駆動部と、先端の添加孔を開閉するためのニードルを有する弁体部とを備えた電磁式開閉弁として構成されており、制御装置４０からの駆動信号に基づき開弁又は閉弁される。すなわち、駆動信号に基づき電磁ソレノイドに通電されると、その通電に伴いニードルが開弁方向に移動し、そのニードル移動によって先端の添加孔が開放されて尿素水が添加される。

また、還元剤添加弁２１は電磁ソレノイドや樹脂カバー、ノズルプレート等を備えており、これらは他の構成部材と比較して熱に弱く、その耐熱温度は、例えば、電磁ソレノイドやノズルプレートで１６０℃程度、樹脂カバーで１２０℃程度である。そのため、本実施の形態の排気浄化装置１０では還元剤添加弁冷却装置２８が設けられている。還元剤添加弁冷却装置２８は内燃機関１１の冷却水の一部を利用して還元剤添加弁２１を冷却する。冷却水は流量調整弁６３等を介して還元剤添加弁２１と内燃機関１１との間を循環させられるようになっており、その循環流量は内燃機関１１の運転状態や排気ガス温度、還元剤温度等に応じて制御装置４０によって適宜調整される。

次に、還元剤添加弁２１へ尿素水を供給するための還元剤供給系の構成について説明する。還元剤添加弁２１に対しては、還元剤としての尿素水が還元剤タンク２５から逐次供給されるようになっている。還元剤タンク２５は給液キャップ付きの密閉容器にて構成されており、その内部に所定濃度の尿素水が貯蔵されている。また、還元剤タンク２５内の圧力が所定値を上回るような場合に、タンク内の気体をタンク外に放出させてタンク内の圧力を調整するための圧力調整弁３７が備えられている。還元剤タンク２５内の尿素水の凍結対策として、還元剤タンク２５にヒータを付設したり、タンク周りに断熱シート等の断熱材を配設したりすることもできる。

還元剤タンク２５には還元剤送液管２４を介して還元剤供給ポンプ２３が接続されている。還元剤供給ポンプ２３には還元剤供給管２２の一端が接続されており、同還元剤供給管２２の他端は還元剤添加弁２１に接続されている。還元剤供給ポンプ２３は制御装置４０からの駆動信号により回転駆動される電動式ポンプであり、その出力は還元剤供給管２２内の尿素水の圧力が所定値となるように還元剤圧力センサ２９の値に基づきフィードバック制御される。

還元剤添加装置２０の始動に伴い還元剤供給ポンプ２３が回転駆動されると、還元剤タンク２５から尿素水が汲み上げられ還元剤供給管２２を通じて還元剤添加弁２１に供給される。還元剤供給管２２には還元剤放出管２６の一端がオリフィス２７を介して接続されており、この還元剤放出管２６の他端は還元剤タンク２５に接続されている。これにより、還元剤添加弁２１や還元剤供給管２２等の還元剤供給経路内の圧力が過剰に上昇するような場合には、還元剤供給管２２内の尿素水の一部が還元剤タンク２５に戻される。

また、本実施の形態の排気浄化装置１０に用いられる還元剤供給ポンプ２３は、回転方向が正逆反転可能に構成されており、内燃機関１１の停止時において還元剤供給ポンプ２３が逆回転するように制御が行われ、還元剤供給経路内の尿素水が還元剤タンク２５に回収される。

上記還元剤添加装置２０では、内燃機関１１の運転時において、還元剤供給ポンプ２３の駆動により還元剤タンク２５内の尿素水が還元剤供給管２２を通じて還元剤添加弁２１に供給され、還元剤添加弁２１により排気管１１内に尿素水が添加される。すると、排気管１１内において尿素水が加水分解されてＮＨ₃を生じつつ、排気ガスとともにＳＣＲ触媒１４に供給され、ＳＣＲ触媒１４においてＮＯ_Xの還元反応が行われることにより排気ガスが浄化される。

３．負圧発生装置
負圧発生装置３０は還元剤供給管２２や還元剤添加弁２１などの還元剤供給経路内に存在する気体成分を排気浄化装置１０外に放出させるための装置である。本実施形態の排気浄化装置１０に備えられた負圧発生装置３０は、アスピレータ３１、エアコンプレッサ３２、電磁弁３３、圧縮空気供給管３４、気体吸引管３５、気体放出管３６により構成され、制御装置４０によって制御される。

アスピレータ３１は駆動流体供給口７１、駆動流体排出口７３、吸引口７５及び絞り部７７を有している。駆動流体供給口７１は圧縮空気供給管３４を介してエアコンプレッサ３２に接続されており、駆動流体排出口７３は気体放出管３６を介して還元剤タンク２５に接続されている。また、吸引口７５は気体吸引管３５を介して還元剤添加装置２０の還元剤供給経路に接続されている。気体吸引管３５の途中には電磁弁３３が設けられている。

アスピレータ３１では、エアコンプレッサ３２により供給された圧縮空気が、駆動流体供給口７１から内部に流入し、絞り部７７を通って駆動流体排出口７３から排出される。絞り部７７においては、その断面積が駆動流体供給口７１の断面積に比べて小さくなっており、圧縮空気が通過する際には流速が増すため、ベンチュリ効果によって周囲に比べて圧力が低くなる。この絞り部７７に吸引口７５が連通されており、吸引口７５を介して外部の流体が低圧部に流れ込むことにより、吸引口７５付近は負圧となる。したがって、アスピレータ３１を作動させると、還元剤供給経路内の気体成分が吸引口７５へ吸引され、気体放出管３６から圧縮空気と共に還元剤タンク２５へ放出される。圧縮空気や還元剤供給経路内にあった気体成分は、還元剤タンク２５内へ放出された後、還元剤タンク２５の圧力調整弁３７を介してタンク外へ放出される。

車両に搭載される一般的な還元剤供給装置において還元剤供給経路等の容積が２０ｃｃ程度であることや、一般的なピストン式のエアコンプレッサの締切圧が１０気圧程度であること、さらに、還元剤供給経路や圧縮空気供給管の内部に圧縮空気が充填されるために要する時間等を考慮すると、アスピレータ３１を作動させるためのエアコンプレッサ３２は出力が１０W程度であり、吐出量が１０L/min程度の小型のコンプレッサでよい。このようなエアコンプレッサとしては、公知のものを適宜用いることができる。

なお、エアコンプレッサ３２には上記よりも出力が大きいものであれば目的を達成できるので、例えばバスやトラックなどに本発明以外の目的で搭載されているエアコンプレッサを利用することも可能である。ただし、車両に搭載された既存のエアコンプレッサを利用する場合には、圧縮空気の流量を調節する弁装置等が備えられる。

電磁弁３３は、還元剤供給経路から気体成分を抜く場合には開状態となるように制御装置４０によって制御され、それ以外の場合には閉状態となるように制御される。これにより、還元剤供給経路からから気体成分を放出させた後に、気体吸引管３５を介して尿素水が漏れ出ることを防止でき、還元剤供給ポンプ２３の駆動エネルギーの浪費を防ぐことができる。また、負圧発生装置３０と還元剤供給経路の間を任意に開閉できるので、エアコンプレッサ３２の作動開始時期と還元剤供給経路からの気体成分の吸引開始時期とを分離することができる。これにより、例えばバスやトラックなどに本発明以外の目的で搭載されているエアコンプレッサを利用する場合であっても、その本来の目的を阻害することなく任意の時期に還元剤供給経路からの気体成分の吸引開始時期を調節することができる。

４．制御装置
制御装置４０は排気浄化装置において電子制御ユニットとして主体的に排気浄化に係る制御を行う。制御装置４０は周知のマイクロコンピュータ（図示せず）や記憶装置（図示せず）等を備えており、各種センサの検出値に基づいて所望される態様で還元剤添加装置２０や負圧発生装置３０を操作することにより、排気浄化に係る種々の制御を行う。具体的には、後述するように還元剤添加弁２１の通電時間や還元剤供給ポンプ２３の駆動量等を制御することにより、適切な時期に適正な量の尿素水を排気管１１内に添加供給する。加えて、電磁弁３３の通電時期やエアコンプレッサ３２の駆動量等を制御することにより、還元剤供給経路へ尿素水を充填する際に還元剤供給経路内に気体成分が残留することを防止する。

５．排気浄化装置の制御方法
次に図２を参照しつつ、制御装置４０によって行われる排気浄化装置１０の制御フローの一例について説明する。

まず、内燃機関が始動されて本制御フローが実行開始されると、START後のステップＳ０１においてエアコンプレッサ３２の駆動が開始される。次いで、ステップＳ０２において電磁弁３３がオンされ開状態となるように制御されるとともに、ステップＳ０３においてタイマTがリセットされるとともにタイマTのカウントが開始される。さらに、ステップＳ０４において、還元剤供給ポンプ２３を正回転させる駆動が開始され、還元剤タンク２５内の尿素水の還元剤供給経路内への充填が始められる。これにより、還元剤供給ポンプ２３による尿素水の圧送で生じる正圧と、アスピレータ３１によって生じる吸引力とによって、還元剤供給経路内の気体成分がアスピレータ３１等を介して還元剤タンク２５に放出され始める。

次いで、ステップＳ０５において、タイマTの値が予め設定された値T0以上か否かを判別する。T0は、還元剤供給ポンプ２３の吐出流量や還元剤供給経路の容量に基づき、還元剤供給経路内の気体成分が十分に放出されるために要する時間であり、制御装置４０の記憶部等にあらかじめ入力されている。タイマTの値がT0未満であればステップＳ０５が繰り返される。

そして、タイマTの値がT0以上の場合、すなわち還元剤供給経路内の気体成分が放出されたと推定される場合には、ステップＳ０６に進む。なお、このT0以上の時間で還元剤供給経路からの吸引を実施すると、低圧の尿素水がアスピレータ３１を介して必要以上に還元剤タンク２５に戻ることになるが、排気浄化装置１０としては特に影響は生じない。ただし、還元剤供給経路内の圧力を所定圧力で維持させようとした場合に還元剤供給ポンプ２３の駆動エネルギーが大きくなってしまう。

以上のように還元剤供給経路から気体成分を放出させられると、ステップＳ０６において電磁弁３３及びエアコンプレッサ３２がオフにされる。この状態では、還元剤供給経路内はオリフィス２７によって一定圧力に保たれた尿素水のみで満たされた状態になる。この後、ステップＳ０７に進み尿素水添加制御が開始されて本制御フローを終了する。尿素水の添加制御中は、排気ガス中のＮＯ_Xを浄化するために、内燃機関の運転状態などに応じて還元剤添加弁２１が制御され、尿素水が排気管内へ添加される。

本実施の形態においては、還元剤供給ポンプ２３の駆動とアスピレータ３１による気体成分の吸引とを同時に開始する例について説明した。ただし、還元剤供給ポンプ２３の駆動を先に開始し、還元剤供給経路内に尿素水がある程度供給された状態からアスピレータ３１による吸引を開始させた場合であっても、尿素水と気体成分（空気）との比重差によって、主として気体成分を還元剤供給経路外に放出させることができる。

また、本実施の形態においては、還元剤供給ポンプ２３やエアコンプレッサ３２が始動されてからの経過時間に基づいて負圧発生装置を制御する方法を示した。これ以外にも、例えば還元剤供給ポンプ２３の駆動電流や還元剤供給管内の圧力推移に基づいて、還元剤供給経路内の尿素水の充填率又は気体成分の残留度合を推定して負圧発生装置３０を制御することもできる。さらにはＥＣＵから得られる情報等まで考慮して負圧発生装置３０を制御することもできる。加えて、アスピレータ以外であっても、公知の真空ポンプなど種々の負圧発生手段を用いることができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について、第１の実施の形態と相違する部分を中心に説明する。第１の実施の形態と同様の内容については説明を省略する。

１．還元剤添加装置及び負圧発生装置
本実施の形態における排気浄化装置１０Ａの全体構成の概略を図３に示す。本実施の形態の還元剤添加装置２０Ａでは第１の実施の形態の還元剤添加装置に、さらに圧縮空気供給用三方電磁弁５１、還元剤供給用三方電磁弁５２、冷却用圧縮空気供給管５３、還元剤パージ用圧縮空気供給管５４、プレッシャレギュレータ６１及び還元剤添加弁冷却装置６５などが追加又は変更されている。各アクチュエータ等は第１の実施の形態と同様に制御装置４０Ａによって制御される。

本実施の形態の排気浄化装置１０Ａでは、内燃機関の停止時において、還元剤供給ポンプ２３Ａではなく、負圧発生装置３０Ａを利用して還元剤供給経路内に残留する尿素水の回収が可能に構成されている。さらに、本実施の形態の排気浄化装置１０Ａでは、負圧発生装置３０Ａを構成するエアコンプレッサ３２から供給される圧縮空気を利用して、還元剤添加弁２１の冷却が可能に構成されている。

圧縮空気供給用三方電磁弁５１は、アスピレータ３１とエアコンプレッサ３２との間の圧縮空気供給管３４に設けられており、一端側はエアコンプレッサ３２からの圧縮空気が流入可能に接続されている。圧縮空気供給用三方電磁弁５１の他の一端はアスピレータ３１に向けて圧縮空気を導入可能に接続され、さらに他の一端は還元剤添加弁２１に備えられた還元剤添加弁冷却装置６５に冷却用圧縮空気供給管５３を介して圧縮空気を導入可能に接続されている。圧縮空気供給用三方電磁弁５１は、制御装置４０Ａからの制御信号に基づいて制御され、圧縮空気の流れがエアコンプレッサ３２からアスピレータ３１方向、又はエアコンプレッサ３２から還元剤添加弁冷却装置６５方向に適宜切り替えられる。

また、圧縮空気供給用三方電磁弁５１からアスピレータ３１へ向かう圧縮空気供給管３４は途中で分岐しており、エアコンプレッサ３２から供給される圧縮空気の一部は、還元剤パージ用圧縮空気供給管５４を介して還元剤供給用三方電磁弁５２へも送られる。還元剤供給用三方電磁弁５２へ供給された圧縮空気は尿素水の回収時に利用される。

還元剤供給用三方電磁弁５２は、還元剤送液管２４の途中に設けられており、一端は還元剤タンク２５に、他端は還元剤供給ポンプ２３Ａにそれぞれ配管を介して接続されている。残る一端は還元剤パージ用圧縮空気供給管５４を介して圧縮空気供給用三方電磁弁５１とアスピレータ３１との間の圧縮空気供給管３４に接続されている。これにより制御装置４０Ａからの制御信号に基づいて、還元剤タンク２５の尿素水を還元剤供給ポンプ２３に導いたり、エアコンプレッサ３２から圧縮空気を還元剤供給ポンプ２３に導いたりするように配管系が適宜切り替えられる。

また、本実施の形態における還元剤添加弁２１は外周面に複数の放熱フィンを備えており、直接的又は排気管１２等を介して間接的に還元剤添加弁２１に伝達されてきた排気熱が放出されやすくなっている。さらに、本実施の形態の還元剤添加弁冷却装置６５は、負圧発生装置３０Ａのエアコンプレッサ３２から冷却用圧縮空気供給管５３を介して供給される圧縮空気を放熱フィン等に吹き付けることによって還元剤添加弁２１を強制的に冷却するように構成されている。エアコンプレッサ２３により還元剤添加弁冷却装置６５へ乱れを伴う高速な圧縮空気の流れを供給することにより、冷却手段での熱伝達率の大幅な向上が可能となっている。

さらに、本実施の形態における還元剤供給管２２は、オリフィスに変えてプレッシャレギュレータ６１を介して還元剤放出管２６の一端が接続されており、還元剤放出管２６の他端は還元剤タンク２５に接続されている。これにより、還元剤供給管２２内の尿素水の圧力が所定値に達した場合には、還元剤供給管２２内の尿素水の一部が還元剤タンク２５に戻されるため、還元剤供給管２２内の尿素水の圧力が所定値に保たれ、排気管１２への尿素水の添加量が精度よく調節される。

２．排気浄化装置の制御方法
本実施の形態において制御装置４０Ａによって行われる排気浄化装置１０Ａの制御フローの一例について図４〜図５のフロー図及び図６〜図１０の構成図を参照しつつ説明する。

まず、内燃機関が始動されて本制御フローが実行開始されると、START後のステップＳ５１において圧縮空気供給用三方電磁弁５１がオンされてエアコンプレッサ３２とアスピレータ３１が連通されるとともに、ステップＳ５２においてエアコンプレッサ３２の駆動が開始される。次いで、ステップＳ５３において電磁弁３３がオンされ開状態となるように制御された後、ステップＳ５４においてタイマTがリセットされるとともにタイマTのカウントが開始される。

次いで、ステップＳ５５において還元剤供給用三方電磁弁５２がオンされて還元剤タンク２５と還元剤供給ポンプ２３Ａとが連通された後に、ステップＳ５６において還元剤供給ポンプ２３が駆動されて還元剤タンク２５内の尿素水の還元剤供給経路内への充填が始められる。これにより、還元剤供給ポンプ２３Ａによる尿素水の圧送で生じる正圧と、アスピレータ３１によって生じる吸引力とによって、還元剤供給経路内の気体成分がアスピレータ３１等を介して還元剤タンク２５に放出され始める（図６の状態）。このとき、還元剤パージ用圧縮空気供給管５４と還元剤供給ポンプ２３Ａとは還元剤供給用三方電磁弁５２により遮断されているために、エアコンプレッサ３２から供給される圧縮空気はアスピレータ３１にのみ供給される。

次いで、ステップＳ５７において、タイマTの値が予め設定された値T0以上か否かを判別する。T0は、還元剤供給ポンプ２３Ａの吐出流量や還元剤供給経路の容量に基づき、還元剤供給経路内の気体成分が十分に放出されるために要する時間であり、制御装置４０Ａの記憶部等にあらかじめ入力されている。タイマTの値がT0未満であればステップＳ５７が繰り返される。

そして、タイマTの値がT0以上の場合、すなわち還元剤供給経路内の気体成分が放出されたと推定される場合には、ステップＳ５８に進みエアコンプレッサ３２の駆動が停止されるとともに電磁弁３３がオフにされ、還元剤供給経路とアスピレータ３１とが遮断される（図７の状態）。なお、このT0以上の時間で還元剤供給経路からの吸引を実施すると、低圧の尿素水がアスピレータ３１を介して必要以上に還元剤タンク２５に戻ることになるが、排気浄化装置１０Ａとしては特に影響は生じない。ただし、還元剤供給経路内の圧力を所定圧力で維持させようとした場合に還元剤供給ポンプ２３Ａの駆動エネルギーが大きくなってしまう。

その後は、ステップＳ５９において内燃機関１１から排出される排気中のＮＯ_X濃度に基づき尿素水の添加制御が実行される。なお、電磁弁３３がオフにされ、アスピレータ３１と還元剤供給経路とが遮断されている場合には、圧縮空気供給用三方電磁弁５１がオフにされ、エアコンプレッサ３２とアスピレータ３１とが遮断されていても構わない。

本実施の形態では、内燃機関１１の運転中に尿素水の添加制御が実行される間、ステップＳ６０で還元剤添加弁２１の温度Tiを推定し、ステップＳ６１で還元剤添加弁２１の推定温度Tiが閾値Ti0以上か否かが判別される。還元剤添加弁２１の温度は、排気温度や内燃機関１１の運転状態等に基づき推定したり、温度センサで検出したりすることができる。また、閾値は還元剤添加弁が熱損傷を生じないかを判別する基準値である。

還元剤添加弁２１の推定温度Tiが閾値Ti0未満の場合にはそのままステップＳ６４に進む一方、還元剤添加弁２１の推定温度Tiが閾値Ti0以上の場合にはステップＳ６２で圧縮空気供給用三方電磁弁５１がオフにされ、エアコンプレッサ３２と還元剤添加弁冷却装置６５とが連通される。そして、ステップＳ６３においてエアコンプレッサ３２の駆動が開始され、圧縮空気が還元剤添加弁冷却装置６５に供給されることで、還元剤添加弁２１が冷却される（図８の状態）。次いで、ステップＳ６４で内燃機関１１が停止したか否かの判別が行われる。ステップＳ６４で内燃機関１１の停止が検出されるまでは、ステップＳ５９〜Ｓ６４の各ステップが繰り返される。ただし、ステップＳ６０〜Ｓ６３までは省略されていても構わない。

ステップＳ６４で内燃機関１１の停止が検出されると、ステップＳ６５において圧縮空気供給用三方電磁弁５１がオンにされ、エアコンプレッサ３２とアスピレータ３１とが連通されるとともに、ステップＳ６６においてエアコンプレッサ３２の駆動が開始される。さらに、ステップＳ６７において還元剤供給用三方電磁弁５２がオフにされ、還元剤パージ用圧縮空気供給管５４と還元剤供給ポンプ２３Ａとが連通されるとともに、ステップＳ６８において電磁弁３３がオンにされアスピレータ３１と還元剤供給経路とが連通される。

これにより、還元剤供給用三方電磁弁５２を介して還元剤供給経路内に供給される圧縮空気の正圧と、アスピレータ３１によって発生する吸引力とによって、還元剤供給経路内に残留する尿素水が効率的に還元剤タンク２５に回収される（図９の状態）。さらに、本実施の形態では、還元剤供給経路内へのエアの導入等のために還元剤添加弁２１を開弁する必要がないので、未燃燃料や煤などの異物が排気管１２から還元剤供給経路内に侵入することを防止できる。

還元剤供給経路からの尿素水の回収が終了すると、ステップＳ６９において還元剤添加弁２１の温度Tiを推定し、ステップＳ７０で還元剤添加弁２１の推定温度Tiが閾値Ti0以上か否かが判別される。還元剤添加弁２１の温度は、排気温度等に基づき推定したり、温度センサで検出したりすることができる。また、閾値は還元剤添加弁が熱損傷を生じないかを判別する基準値である。

還元剤添加弁２１の推定温度Tiが閾値Ti0未満の場合にはそのままステップＳ７２に進みエアコンプレッサ３２やその他三方向弁等をオフにして制御を終了する。一方、還元剤添加弁２１の推定温度Tiが閾値Ti0以上の場合にはステップＳ７１で圧縮空気供給用三方電磁弁５１がオフにされ、エアコンプレッサ３２と還元剤添加弁冷却装置６５とが連通される。これにより、圧縮空気が還元剤添加弁冷却装置６５に供給されることで還元剤添加弁２１が冷却される（図１０の状態）。これは、走行風による放熱効果が見込めない、車両が停止している際に特に有効である。そして、所定時間還元剤添加弁２１の冷却を行った後、ステップＳ７２に進み、進みエアコンプレッサ３２やその他三方向弁等をオフにして制御を終了する。ただし、ステップＳ６９〜Ｓ７１までは省略されていても構わない。

１０・１０Ａ：排気浄化装置、１１：内燃機関、１２：排気管、１３：排気温度センサ、１４：ＳＣＲ触媒、１５：アンモニアスリップ触媒、１６：ＮＯ_Xセンサ、２０・２０Ａ：還元剤添加装置、２１：還元剤添加弁、２２：還元剤供給管、２３・２３Ａ：還元剤供給ポンプ、２４：還元剤送液管、２５：還元剤タンク、２６：還元剤放出管、２７：オリフィス、２８：還元剤添加弁冷却装置、２９：還元剤圧力センサ、３０・３０Ａ：負圧発生装置、３１：アスピレータ、３２：エアコンプレッサ、３３：電磁弁、３４：圧縮空気供給管、３５：気体吸引管、３６：気体放出管、３７：圧力調整弁、４０・４０Ａ：制御装置、５１：圧縮空気供給用三方電磁弁、５２：還元剤供給用三方電磁弁、５３：冷却用圧縮空気供給管、５４：還元剤パージ用圧縮空気供給管、６１：プレッシャレギュレータ、６３：冷却水流量調整弁、６５：還元剤添加弁冷却装置、７１：駆動流体供給口、７３：駆動流体排出口、７５：吸引口、７７：絞り部

Claims

ＳＣＲ触媒及び還元剤を用いて内燃機関の排気を浄化する排気浄化装置であって、前記還元剤を貯える還元剤タンクと、前記ＳＣＲ触媒の上流側に前記還元剤を添加する還元剤添加弁と、前記還元剤タンクから前記還元剤添加弁へ還元剤供給経路を介して前記還元剤を供給するための還元剤供給ポンプと、を備えた排気浄化装置において、
前記還元剤供給経路内の気体成分を吸引して前記還元剤供給経路外に放出するための負圧発生手段を備え、
前記負圧発生手段はアスピレータであり、エアコンプレッサにより供給される圧縮空気によって作動させられることを特徴とする排気浄化装置。
前記負圧発生手段が、電磁弁を介して前記還元剤供給経路に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
前記還元剤タンクと前記還元剤供給ポンプとの間の還元剤供給経路に三方電磁弁を備え、前記エアコンプレッサにより供給される圧縮空気の少なくとも一部を前記還元剤供給経路に供給可能に構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の排気浄化装置。
還元剤を貯える還元剤タンクと、ＳＣＲ触媒の上流側に前記還元剤を添加する還元剤添加弁と、前記還元剤タンクから前記還元剤添加弁へ還元剤供給経路を介して前記還元剤を供給するための還元剤供給ポンプと、を備えた排気浄化装置の制御方法において、
内燃機関の始動時に、前記還元剤供給ポンプによって前記還元剤供給経路に前記還元剤を供給しながら負圧発生手段を作動させて、前記還元剤供給経路内の気体成分を吸引して前記還元剤供給経路外に放出させることを特徴とする排気浄化装置の制御方法。