JP5546511B2 - 還元剤噴射装置及びその制御方法 - Google Patents
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Description
かかる還元剤噴射装置は、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噴射するための装置である。
また、SCR触媒は、排気ガス中のNOXを選択的に還元するとともに、尿素水溶液の加水分解により生成されるアンモニアを吸着可能な排気浄化触媒の一種である。
したがって、尿素SCRシステムでは、SCR触媒に流入する排気ガス中のNOX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ことができる。
そして、尿素SCRシステムは、目標噴射量を実現するため、例えば圧送ポンプ及び還元剤噴射弁を接続する還元剤供給通路内の圧力が、所定の目標値で維持されるように、圧送ポンプの駆動DUTYをフィードバック制御するとともに、還元剤噴射弁の開弁時間を調節するように構成されている。
すなわち、特許文献1では、還元剤としての尿素水溶液を貯える還元剤容器と、還元剤容器内の還元剤を圧送するポンプと、排気浄化用触媒よりも上流側に設けられた還元剤添加弁とを備え、還元剤を排気通路内に供給し、排気浄化用触媒にて排気浄化反応を促進させるようにした内燃機関の排気浄化装置であって、内燃機関の停止時に、ポンプを還元剤圧送状態とは異なる還元剤吸い戻し状態で駆動するための吸い戻し制御手段を備えた内燃機関の排気浄化装置が開示されている。
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重量%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1参照)。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に詰まりが生じる可能性がある。
このように、還元剤噴射弁に詰まりが生じると、次回に内燃機関を始動させたとき、還元剤供給通路内に圧送される尿素水溶液によって、還元剤供給通路内の空気が還元剤噴射弁側に閉じ込められて、尿素水溶液が、還元剤噴射弁内に到達できなくなる。
そして、還元剤供給通路内の圧力が、徐々に上昇していき、所定の目標値に達すると、圧送ポンプの駆動DUTYが所定値に維持される(図13(c))。
そうすると、還元剤供給通路内における空気及び尿素水溶液の界面(以下、単に「空気及び尿素水溶液の界面」と称する場合がある。)が、所定位置で安定的に保たれるように、空気が尿素水溶液を押し戻す力と、尿素水溶液が空気を押し込む力とが釣り合って、還元剤供給通路内の空気が還元剤噴射弁側に閉じ込められて、尿素水溶液が、還元剤噴射弁内に到達できなくなる(図13(d))。
よって、内燃機関を始動させた後、固化した尿素水溶液が排気ガスの熱等で溶けるまでの間、尿素水溶液の噴射が阻害されてしまう可能性がある。
すなわち、本発明は、還元剤噴射弁内に尿素水溶液を到達させ、固化した尿素水溶液を速やかに溶解し、還元剤噴射弁の詰まりを迅速に解消でき、ひいては、排気浄化効率の低下を抑制できる還元剤噴射装置及びその制御方法を提供することを目的とする。
これにより、空気及び尿素水溶液の界面に対して、還元剤噴射弁方向の慣性力を作用させるとともに、当該慣性力を利用して、尿素水溶液の一部を、空気及び尿素水溶液の界面よりも、還元剤噴射弁側に送り込むことができる。
また、還元剤供給通路の途中に湾曲部を設けることにより、空気及び尿素水溶液の界面よりも、還元剤噴射弁側に送り込んだ尿素水溶液の一部を、当該湾曲部に、一時的に保持させることができる。
これにより、圧送ポンプの駆動に応じて、還元剤噴射弁側に送り込んだ尿素水溶液の一部を、還元剤噴射弁内に到達させやすくなる。
よって、圧送ポンプの駆動に応じて、還元剤噴射弁側に送り込んだ尿素水溶液の一部を、還元剤噴射弁内に到達させ、固化した尿素水溶液を溶解させることができる。
したがって、還元剤噴射弁の詰まりを迅速に解消することができ、ひいては、排気浄化効率の低下を抑制することができる。
したがって、本明細書における「湾曲部」は、還元剤供給通路を湾曲状に形成した構成を含み、さらには、還元剤供給通路の途中に、当該還元剤供給通路とは別体である湾曲状の供給通路を介装した構成を含むものである。
このような湾曲部を、例えば、還元剤供給通路及び還元剤噴射弁の接続部分から、30cm以内の箇所に設ければ、圧送ポンプの駆動に応じて、空気及び尿素水溶液の界面よりも還元剤噴射弁側に送り込んだ尿素水溶液の一部を、より還元剤噴射弁内に到達させやすくなる。
このように圧力脈動を発生させることにより、還元剤供給通路内に圧力脈動を発生させるための特別な装置を導入することなく、圧送ポンプの駆動DUTYを切り替えるだけで、還元剤供給通路内に、容易に、所定の圧力脈動を発生させることができ、経済的にも有利となる。
このように駆動DUTYを切り替えるタイミングを決定することにより、還元剤供給通路内の圧力が、所定の値となったことを確かめた上で、圧送ポンプの駆動DUTYを切り替えることができる。
よって、還元剤供給通路内に圧力脈動を発生させ、還元剤供給通路内における空気及び尿素水溶液の界面の位置を、確実に、周期的に変動させることができる。
このように、還元剤噴射弁に印加した測定用のパルス電圧に対応する応答電流である上記駆動電流に基づいて、所定期間(W1)の始点を決定することにより、還元剤噴射弁に詰まりが生じたことを、迅速かつ簡易的に、捉えることができる。
このように所定期間(W1)の終点を決定することにより、還元剤噴射弁の詰まりが解消されたことを、精度よく、捉えることができ、尿素水溶液の固化に起因した還元剤噴射弁の詰まりが解消されたタイミングで、的確に、圧力脈動を発生させる制御を終了することができる。
したがって、還元剤噴射弁の詰まりを迅速に解消することができ、ひいては、排気浄化効率の低下を抑制することができる。
本発明の第1の実施形態は、排気管に固定された還元剤噴射弁を介して尿素水溶液を排気管内に供給し、かつ、内燃機関の停止時に、還元剤噴射弁内の尿素水溶液を貯蔵タンク内に回収する還元剤噴射装置において、尿素水溶液を圧送する圧送ポンプと、圧送ポンプ及び還元剤噴射弁を接続する還元剤供給通路と、を備え、尿素水溶液の固化に起因して、還元剤噴射弁に詰まりが生じていることを判定し、所定期間(W1)の間、還元剤供給通路内に圧力脈動を発生させることを特徴とする還元剤噴射装置である。
以下、本発明の第1の実施形態について、全体構成、及び制御装置に大別して、図面を適宜参照しつつ、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、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。
図2を用いて、本実施形態の還元剤噴射装置を含む排気浄化装置の全体構成について説明する。
図2は、還元剤噴射装置40を備えた排気浄化装置100の構成の一例を示す概略図である。
かかる図2には、概略的に、内燃機関5、フィルタ(以下、「DPF」と称する。)22、酸化触媒21、SCR触媒24、冷却水循環装置30、還元剤噴射装置40、制御装置60が示してある。
なお、このようなDPFの強制再生を行うための装置は、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、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構わない。
かかる冷却水循環装置30は、所定の冷却水や冷却アルコール化合物等を循環させることにより、内燃機関5を冷却することができるばかりでなく、第1の冷却水循環通路33により、貯蔵タンク41に収容された還元剤を所定の温度に保つことができる。
さらには、第2の冷却水循環通路34により、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。
このような冷却水循環装置30は、内燃機関5の停止にともなって、冷却水の循環を停止するように構成されているため、エンジン冷却水の循環による保温能力及び冷却能力は、主に、内燃機関の始動後に発揮される。
(1)基本構成
本実施形態の還元剤噴射装置40は、図2に示すように、還元剤としての尿素水溶液を貯蔵するための貯蔵タンク41と、尿素水溶液を圧送するための圧送ポンプ42と、尿素水溶液を排気ガス中に噴射するための還元剤噴射弁43とを主たる要素として備えている。
このうち、還元剤噴射弁43と、圧送ポンプ42とは、第1の還元剤供給通路44によって接続され、貯蔵タンク41と、圧送ポンプ42とは、第2の還元剤供給通路45によって接続されている。この第1の還元剤供給通路44には、圧力センサ54が設けられている。
また、第1の還元剤供給通路44と貯蔵タンク41とは、第3の還元剤供給通路46によって接続されている。これにより、第1の還元剤供給通路44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。
(2)−1 内燃機関の駆動時
内燃機関5の駆動時において、圧送ポンプ42は、貯蔵タンク41内の尿素水溶液を、第2の還元剤供給通路45を介して汲み上げ、第1の還元剤供給通路44を介して、還元剤噴射弁43に向けて圧送する。
かかる圧送ポンプ42としては、代表的には、電動式のダイヤフラムポンプが用いられ、制御装置60から送られてくる信号によって、その駆動が制御される。
一方、内燃機関5の停止時において、圧送ポンプ42は、還元剤噴射装置40内に充填された尿素水溶液を貯蔵タンク41内に回収するパージ制御のために機能する。
すなわち、還元剤噴射装置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。
そして、内燃機関5の停止時において、尿素水溶液の流路が、順方向から逆方向に切り換えられ、還元剤噴射弁43が開かれて圧送ポンプ42が駆動させられて、パージ制御が行われる。
なお、このようなリバーティングバルブを備えずとも、圧送ポンプを逆回転させて、パージ制御を行うことも可能である。
(3)−1 内燃機関の駆動時
また、内燃機関5の駆動時における還元剤噴射弁43は、第1の還元剤供給通路44を介して、圧送ポンプ42により圧送される尿素水溶液を、排気ガスに対して噴射するために機能する。
図3は、この還元剤噴射弁43の軸方向に沿った断面図である。
かかる還元剤噴射弁43は、バッテリ電圧の印加によって磁束を発生させる電磁コイル43aと、還元剤噴射弁43の噴口にシートまたはリフトするニードル43bとを有している。
電磁コイル43aに発生させた磁気吸引力を、ニードル43bに対して作用させ、当該ニードル43bを電磁コイル43a方向に摺動させる。このとき、圧送ポンプ42から圧送されてくる尿素水溶液は、所定の圧力に維持されており、尿素水溶液が排気管11内に噴射される。
また、かかる還元剤噴射弁43のハウジングには、冷却水通路35が設けられており、内燃機関5の駆動時に、エンジン冷却水を用いて還元剤噴射弁43の冷却が行われる。
一方、内燃機関5の停止時における還元剤噴射弁43は、パージ制御時に開弁され、その後に閉弁状態で維持される。
パージ制御後は、第1の還元剤供給通路44内は、空気で満たされた状態にあるが、上述の通り、微量の尿素水溶液が、還元剤噴射弁43内に残留してしまうことがある。
その結果、上述のように、例えば、還元剤噴射弁43の内壁とニードル43bとの間のクリアランス部分(図3中の範囲A)に、固化した尿素水溶液が詰まり、ニードル43bが摺動不良を起こして、還元剤噴射弁43が詰まる場合がある。
この場合にあっても、本実施形態においては、尿素水溶液の一部を、還元剤噴射弁43内に到達させ、固化した尿素水溶液を溶解させて、当該詰まりを解消することができる。
また、本実施形態の還元剤噴射装置40は、第1の還元剤供給通路44の途中に、湾曲部48を備えている。この湾曲部48は、図6に示すように、入り口部分48aと、最深部分48bと、出口部分48cを有した構成であり、これら入り口部分48a、最深部分48b、出口部分48cを通じて、圧送ポンプ42から圧送される尿素水溶液が、還元剤噴射弁43に供給される。
これは、第1の還元剤供給通路44に圧力脈動を発生させて、還元剤噴射弁43側に送り込んだ尿素水溶液の一部を、当該湾曲部48に、一時的に保持させるためである。
この理由は、かかる接続部分及び最深部分48bの位置関係を、このような範囲内の値にすることにより、第1の還元剤供給通路44に圧力脈動を発生させて、還元剤噴射弁43側に送り込んだ尿素水溶液の一部を、当該湾曲部48に、保持させやすくすることができ、かつ、当該湾曲部48に一時的に保持された尿素水溶液の一部を、圧送ポンプ42の駆動に伴って、還元剤噴射弁43内に、到達させやすくすることができるためである。
したがって、かかる接続部分及び最深部分48bの位置関係を、10cm〜25cmの範囲内の値とすることがより好ましく、さらに、15cm〜20cmの範囲内の値とすることが好ましい。
このような構成により、圧送ポンプ42の駆動に応じて、空気及び尿素水溶液の界面よりも還元剤噴射弁43側に送り込んだ尿素水溶液の一部を、より還元剤噴射弁43内に到達させやすくすることができる。
この理由は、第1の還元剤供給通路44に所定の圧力脈動を発生させて、還元剤噴射弁43の近傍で、還元剤噴射弁側に尿素水溶液の一部を送り込むようにすれば、圧送ポンプ42の駆動に応じて、その尿素水溶液の一部を、還元剤噴射弁43内に到達させやすくなるからである。
したがって、かかる湾曲部48の位置を、還元剤噴射弁43から20cm以内の値とすることがより好ましく、さらに、10cm以内の値とすることがより好ましい。
また、第1の温度センサ50は、第1の還元剤供給通路44に設けられており、内燃機関5が停止した後における還元剤噴射弁43の温度を直接的に検知するための温度センサである。
また、第2の温度センサ51は、DPF22及びSCR触媒24の間の排気管11に設けられ、還元剤噴射弁温度(T1)と相関する関連温度(T1´)を検知するための関連温度センサである。
この理由は、第2の温度センサ51をかかる箇所に設けることにより、還元剤噴射弁温度(T1)に対して、より相関性の高い温度を、関連温度(T1´)として検知することができるためである。
より具体的には、DPF22に捕集されたPMは、強制再生によって燃焼除去されるが、このときに生じる熱が、DPF22の排気下流側に配設される還元剤噴射弁43に伝導し、加熱させる。
したがって、DPF22の排気下流側の温度は、還元剤噴射弁43の温度と相関が強く、関連温度として適している。
(1)基本構成
また、制御装置60は、DCU(Dosing Control Unit)とECU(Electronic Control Unit)とを含む構成である。
このうち、DCUは、還元剤噴射装置40の各要素の制御を行うために、各種センサから送信されるセンサ信号の処理等を行う。
また、かかるDCUには、ECUが接続されており、かかるECUは、燃料噴射量や噴射タイミング、回転数等をはじめとする内燃機関5の制御を行いつつ、DCUが還元剤噴射装置40の制御において必要な信号、例えば、内燃機関5の停止の信号等を、適宜、DCUに送信する。
なお、図2では、DCU及びECUが、一つのコントロールユニットである制御装置60として示されているが、これらを別のコントロールユニットとして構成してもよい。
また、かかる制御装置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。
これらの各手段は、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。
還元剤噴射弁駆動制御手段61は、排気ガス中のNOXを還元するために必要な尿素水溶液の目標噴射量(Qurea)を算出するとともに、目標噴射量(Qurea)を実現するために、還元剤噴射弁43に対して駆動信号を出力する。
なお、かかる目標噴射量(Qurea)は、内燃機関5の運転状態に関する情報や、SCR触媒24の排気下流側に備えられたNOXセンサ56のセンサ値に基づいて、算出することができる。
また、詰まり判定手段62は、尿素水溶液の固化に起因して、還元剤噴射弁43に詰まりが生じているか否かを判定する。
本実施形態の詰まり判定手段62は、所定の第1の判定手段を備え、さらに、この第1の判定手段とは別に、所定の第2の判定手段を備えている。
すなわち、第1の還元剤供給通路44内に圧力脈動を発生させる所定期間(W1)の始点及び終点を、それぞれ、異なる機能を有する判定手段によって決定する構成である。
まず、第1の判定手段は、第1の還元剤供給通路44内に圧力脈動を発生させる所定期間(W1)の、始点を決定するために機能する。
この第1の判定手段は、還元剤噴射弁43の電磁コイル43aに流れる駆動電流に基づいて、還元剤噴射弁43に詰まりが生じていることを判定する。
具体的には、図4(a)に示すように、還元剤噴射弁43に対して、矩形状のパルス電圧を印加し、そのパルス電圧に対応する応答電流である上記駆動電流の値を検出するとともに、当該駆動電流の値に基づいて、還元剤噴射弁43に詰まりが生じていることを判定する。
このような還元剤噴射弁43からの駆動電流の値は、還元剤噴射弁43内のニードル43bの摺動具合によって変化することを利用したものである。
そして、この第1の判定手段は、還元剤噴射弁43に詰まりが生じていることを判定すると、ポンプ駆動制御手段63に対して、圧力脈動を発生させるための信号を送信する。
すなわち、図4(b)に示すように、駆動電流は、パルス電圧の立ち上がりに対応して大きく立ち上がり、その波形の途中で段差部分を示して所定値に収束するように、不連続に増加する。
このような、バッテリ電圧の印加に対応して、ニードル43bが追従しない摺動不良時は、図4(c)に示すように、駆動電流は、パルス電圧の立ち上がりに対応して大きく立ち上がり、その波形の途中で段差部分(フラット部分)を示すことなく、所定値に収束するように、連続に増加する。
このような第1の判定手段による判定方法であれば、尿素水溶液の固化に起因して還元剤噴射弁43に詰まりが生じたことを、迅速かつ簡易的に、捉えることができる。
なお、ニードル43bが追従しない摺動不良時は、磁気抵抗が大きくなることがある。そのため、電流波形のボトム値とトップ値の差分が、所定の閾値を超えたときに、還元剤噴射弁43に詰まりが生じていると判定するようにしてもよい。この場合の閾値は、公知の実験により予め定めることができる。
また、第2の判定手段は、第1の還元剤供給通路44内に圧力脈動を発生させる所定期間(W1)の終点を決定するために機能する。
この第2の判定手段は、所定時間における第1の還元剤供給通路44内の圧力低下量に基づいて、詰まりが解消されたことを判定する。
そして、第2の判定手段は、詰まりが解消されたことを判定すると、ポンプ駆動制御手段63に対して、圧力脈動を発生させるための信号の送信を停止する。
次いで、これら圧力低下量(Puop)、及び圧力低下量(Pucl)の差分(ΔPu)と、所定の閾値(ΔPu0)とを比較する。
一方、還元剤噴射弁43が詰まっていると、還元剤噴射弁43が噴射モードに有る場合においても、尿素水溶液の噴射が阻害されることとなるため、圧力低下量の差分(ΔPu)が、閾値(ΔPu0)未満となる。
かかる第2の判定手段による判定方法であれば、上述の第1の判定手段と比較して、精度よく、還元剤噴射弁の詰まりの有無を、捉えることができる。
そして、尿素水溶液の固化に起因した還元剤噴射弁43の詰まりが生じた場合に、その詰まりが解消されたタイミングで、的確に、圧力脈動を発生させる制御を終了させることができる。
例えば、第1の還元剤供給通路44内に圧力脈動を発生させる所定期間(W1)の始点及び終点を、同様の判定方法によって決定するようにしてもよい。
また、詰まり判定を複数回繰り返して判定結果を得て、当該複数回繰り返して得られた判定結果に基づいて、還元剤噴射弁43の詰まりの有無を判定してもよい。
さらに、所定期間(W1)の終点については、所定期間(W1)の始点から予め定められた固定時間とすることもできる。この場合の固定時間は、予め実験により求め、RAMに記憶させておくことができる。
また、さらに、詰まり判定手段は、還元剤噴射弁43の詰まりの有無のみならず、詰まりが生じるおそれの有無を捉えるようにすることもできる。この態様は、第2の実施形態における応用例にて説明する。
また、ポンプ駆動制御手段63は、基本的に、第1の還元剤供給通路44内の圧力(Pu)が、所定の目標値(Ptgt)で維持されるように、圧力センサ54のセンサ値に基づいて、圧送ポンプ42の駆動DUTYのフィードバック制御を行う。
具体的に、圧力センサ54のセンサ値が目標値(Ptgt)よりも低下している場合には、圧送ポンプ42の駆動DUTYを大きくするように制御し、圧力センサ43のセンサ値が目標値(Ptgt)を上回っている場合には、圧送ポンプ42の駆動DUTYを小さくするように制御する。
なお、「ポンプの駆動DUTY」とは、PWM(pulse width modulation)制御において、1周期当たりに占めるポンプの駆動時間の割合を意味している。
具体的に、ポンプ駆動制御手段63は、還元剤噴射弁43に詰まりが生じていることを示す信号を受け取った時点から、所定期間(W1)の間、圧送ポンプ42への印加電圧を変化させ、圧送ポンプ42の駆動DUTYを切り替えて、所定の基準値(Dbase)よりも大きいDUTY比(DH)、及び基準値(Dbase)よりも小さいDUTY比(DL)に、それぞれ少なくとも一回変化させる制御を行う。
なお、このような制御は、第1の還元剤供給通路44内の圧力(Pu)を目標値(Ptgt)で維持させるフィードバック制御を解除して、行うことができる。
また、かかる大きいDUTY比(DH)は、第1の還元剤供給通路44内の圧力(Pu)を、所定の高圧値(PH)とすることが可能な値である。
また、かかる小さいDUTY比(DL)は、第1の還元剤供給通路44内の圧力(Pu)を、所定の低圧値(PL)とすることが可能な値である。
このような高圧値(PH)及び低圧値(PL)は、圧送ポンプ42の駆動DUTYを切り替えたタイミングと、実際に第1の還元剤供給通路44内に圧力変化が生じるタイミングとの時間差を考慮して、定めることができる。
一例として、目標値(Ptgt)が9〜10barであるとすると、高圧値(PH)は10〜11barであり、低圧値(PL)は8〜9barである。
具体的に、このポンプ駆動制御手段63は、第1の還元剤供給通路44内の圧力(Pu)が、高圧値(PH)に達するときに、圧送ポンプ42の駆動DUTYを、大きいDUTY比(DH)から小さいDUTY比(DL)に切り替える。一方、第1の還元剤供給通路44内の圧力(Pu)が、低圧値(PL)に達するときに、圧送ポンプの駆動DUTYを、小さいDUTY比(DL)から大きいDUTY比(DH)に切り替える。
このように構成することにより、第1の還元剤供給通路44内の圧力(Pu)が、所定の圧力脈動を生じさせ得ることが可能な圧力まで達したことを確かめた上で、圧送ポンプ42の駆動DUTYを切り替えることができる。
したがって、第1の還元剤供給通路44内に、確実に、所定の圧力脈動を生じさせることができる。
これは、第1の還元剤供給通路44内に圧力脈動を発生させるなかで、空気によって尿素水溶液がポンプ側に押し戻されはじめるときの、空気及び尿素水溶液の界面を、湾曲部48の入り口部分48aから最深部分48bの間に位置させるようにするためである。
これにより、重力作用も相俟って、確実に、尿素水溶液の一部を、還元剤噴射弁43側に、送り込むことができる。
本発明の第2の実施形態は、排気管に固定された還元剤噴射弁を介して尿素水溶液を排気管内に供給し、かつ、内燃機関の停止時に、還元剤噴射弁内の尿素水溶液を貯蔵タンク内に回収する還元剤噴射装置の制御方法において、尿素水溶液の固化に起因して、還元剤噴射弁に詰まりが生じているか否かを判定する工程と、所定期間(W1)の間、圧送ポンプ及び還元剤噴射弁を接続する還元剤供給通路に圧力脈動を発生させる工程と、を有することを特徴とする還元剤噴射装置の制御方法である。
以下、本発明の第2の実施形態について、図面を適宜参照して、具体的に説明する。
まず、本実施形態の還元剤噴射装置の制御方法について、図5のタイミングチャートを用いるとともに、還元剤噴射弁43及び第1の還元剤供給通路44の軸方向断面図である図6を参照しつつ、説明する。
図6(a)〜(f)における、還元剤噴射弁43及び第1の還元剤供給通路44内の尿素水溶液の様子は、それぞれ、図5中のA〜Fにおける時点のものと対応している。
また、図6(a)に示すように、還元剤噴射弁43には、尿素水溶液の固化に起因した詰まりが生じており、SCR触媒24の下流側に、未浄化のNOXが排出される。
そして、還元剤噴射弁43側に、空気が閉じ込められて、空気及び尿素水溶液の界面の状態が、所定位置で安定的に保たれるように、空気が尿素水溶液を押し返す力と、尿素水溶液が空気を押し込む力とが釣り合っている。
図6(b)に示すように、還元剤噴射弁43側に閉じ込められた空気は、大きいDUTY比(DH)の圧送ポンプ42による尿素水溶液によって圧縮された状態にある。
これにより、図6(c)に示すように、還元剤噴射弁43方向に送り込んだ尿素水溶液の一部を、湾曲部48に、一時的に保持させることができる。
これにより、図6(d)〜(e)に示すように、湾曲部48に一時的に保持させた尿素水溶液の一部を、圧送ポンプ42の駆動に応じて、還元剤噴射弁43側に押し入れて、還元剤噴射弁43内に到達させることができる。
これにより、図6(f)に示すように、還元剤噴射弁43から尿素水溶液の噴射が再開される。
図5中、破線で示す従来例と比較すると、本実施形態においては、SCR触媒24の排気下流側に未浄化のままNOXが排出されてしまう事態を抑制し、SCR触媒24の排気下流側のNOX濃度を、著しく低下させることができることが分かる。
次に、本実施形態の還元剤噴射装置の制御方法について、図7〜図11のフローチャート図を用いて、説明する。
このうち、図7は、本実施形態の還元剤噴射装置の制御方法の概略を示す制御フロー図であり、図8〜図11は、本実施形態の還元剤噴射装置の制御方法の具体的な制御フロー図である。
図8は、図7に示すステップS1について、具体的な制御フローを示している。
すなわち、図8に示すように、ステップS11で、還元剤噴射弁43に矩形状パルス電圧を印加して、そのパルス電圧に対応する応答電流である駆動電流の値を検出する。
そして、ステップS12で、ステップS11において検出された駆動電流が連続的に増加しているか否か、すなわち、駆動電流の波形中に段差部分が生じていないか否かを判別する。段差部分が生じていないと判別された場合には、ステップS13に進み、還元剤噴射弁43に詰まりが生じていると判定し、ステップS2に進む。
一方、駆動電流の不連続な増加により段差部分が生じていると判別された場合には、ステップS14に進み、還元剤噴射弁43に詰まりが生じていないと判定し、本ルーチンを終了する。
図9は、図7に示すステップS2について、具体的な制御フローを示している。
すなわち、図9に示すように、ステップS21で、圧送ポンプ42への印加電圧を変化させ、駆動DUTYを、大きいDUTY比(DH)に切り替える。
そして、ステップS22で、第1の還元剤供給通路44内の圧力(Pu)を検出し、ステップS23で、第1の還元剤供給通路44内の圧力(Pu)が高圧値(PH)以上であるか否かを判別する。第1の還元剤供給通路44内の圧力(Pu)が高圧値(PH)以上であると判別された場合には、ステップS24に進む一方、第1の還元剤供給通路44内の圧力Puが高圧値(PH)以上であると判別されない場合には、ステップS22に戻る。
ステップS24では、圧送ポンプ42への印加電圧を変化させ、駆動DUTYを、小さいDUTY比(DL)に、切り替える。
そして、ステップS27において、これら駆動DUTYの切り替えを繰り返し、ステップS3に進む。
なお、ステップS21〜ステップS23と、ステップS24〜ステップS26とは、逆の順序で行われても構わない。
すなわち、ステップS3は、第1の還元剤供給通路44内に所定の圧力脈動を発生させる所定期間(W1)の終点を決定するステップである。
図10は、図7に示すステップS3について、具体的な制御フローを示している。
すなわち、図10に示すように、ステップS31で、第1の還元剤供給通路44内の圧力(Pu)が所定値となったこと等の所定条件が整ったことが検出され、ステップS32で、還元剤噴射弁43が通常噴射モードにあるなかで、圧送ポンプ42の駆動が停止させられる。
そして、ステップS33で、所定時間(t)における圧力低下量(Puop)が算出される。
そして、ステップS36で、所定時間(t)における圧力低下量(Pucl)が算出される。
差分(ΔPu)が閾値(ΔPu0)以上である場合には、ステップS38に進み、還元剤噴射弁43の詰まりが解消されたと判定し、ステップS39に進み、第1の還元剤供給通路44内に圧力脈動を発生させる制御を終了し、その後に、本ルーチンを終了する。
一方、ステップS37において、差分(ΔPu)が閾値(ΔPu0)未満であると判定された場合には、ステップS40に進み、還元剤噴射弁43の詰まりが未だ解消されていないと判定し、その後にステップS43に進む。
例えば、図11に示すように、所定時間(t2)が経過したか否か、又は、駆動DUTYの切り替えが所定回数(n)以上であるか否かを判定する。
ステップS43において、所定時間(t2)が経過している、又は、駆動DUTYの切り替えが所定回数(n)以上であると判別された場合に、ステップS39に進み、第1の還元剤供給通路44内に圧力脈動を発生させる制御を終了する。これにより、尿素水溶液の固化に起因しない還元剤噴射弁43の詰まりに対して、第1の還元剤供給通路44内に圧力脈動を発生させる制御が、無駄に行われてしまう事態が防止される。
一方、ステップS43において、所定時間(t2)が経過しておらず、かつ、駆動DUTYの切り替えが所定回数(n)未満であると判別された場合には、ステップS2に戻り、第1の還元剤供給通路44内に圧力脈動を発生させる制御を継続する。
次に、本実施形態の還元剤噴射装置の制御方法の応用例について説明する。
この応用例にかかる還元剤噴射装置の制御方法は、詰まりを判定する工程において、還元剤噴射弁43の詰まりの有無のみならず、詰まりが生じるおそれの有無を捉えることができる、還元剤噴射装置の制御方法である。
以下、この応用例にかかる還元剤噴射装置の制御方法について、上述の還元剤噴射装置の制御方法との異なる部分について、図12の制御フローチャート図を用いて説明する。
図1を用いて説明したように、DPF22の強制再生中、又は、強制再生終了直後に、内燃機関5が停止させられると、排気管11が有する熱が還元剤噴射弁43に伝達し、還元剤噴射弁43が温められ、次回内燃機関5の始動時に、尿素水溶液の固化に起因した還元剤噴射弁43が詰まり状態となるおそれがあるからである。
詳細には、図12は、この応用例にかかる還元剤噴射装置の制御方法のステップS1の、具体的なフローチャート図である。
図12に示すように、制御装置では、ステップS51で内燃機関5の始動が検知された後、ステップS52で強制再生が開始され、ステップS53で内燃機関5の停止が検知される。そして、ステップS54で、ステップS53における内燃機関5の停止が、ステップS52における強制再生中又は強制再生直後であったか否かが判定される。内燃機関5の停止が強制再生中又は強制再生直後であった場合には、ステップS54に進む一方、内燃機関5の停止が強制再生中又は強制再生直後でない場合には、ステップS55に進み、所定のフラグを0で維持して、本ルーチンを終了する。
その後のステップS57で、条件成立を示すフラグが立っているか否かが判別される。条件成立を示すフラグが立たっている場合には、ステップS58に進み、還元剤噴射弁43が詰まっているおそれがあると判定する。その後に、図7に示すステップS2に進む。
一方、ステップS57で、条件成立を示すフラグが立たっていないと判別された場合には、ステップS59で、還元剤噴射弁43が詰まっているおそれがないと判定し、本ルーチンを終了する。
還元剤噴射弁43に詰まりが生じるおそれが有ることを捉えることができれば、当該おそれが捉えられたことに基づいて、内燃機関5の始動時に、第1の還元剤供給通路44内に、圧力脈動を発生させる制御を行うことができる。
したがって、尿素水溶液の固化に起因した還元剤噴射弁43の詰まりが生じる場合に、より迅速に、当該詰まりを解消することができるようになる。
これにより、空気及び尿素水溶液の界面に対して、還元剤噴射弁方向の慣性力を作用させるとともに、当該慣性力を利用して、尿素水溶液の一部を、空気及び尿素水溶液の界面よりも、還元剤噴射弁側に送り込むことができる。
よって、圧送ポンプの駆動に応じて、還元剤噴射弁側に送り込んだ尿素水溶液の一部を、還元剤噴射弁内に到達させ、固化した尿素水溶液を溶解させることができる。
したがって、還元剤噴射弁の詰まりを迅速に解消することができ、ひいては、排気浄化効率の低下を抑制することができる。
Claims (7)
- 排気管に固定された還元剤噴射弁を介して尿素水溶液を前記排気管内に供給し、かつ、内燃機関の停止時に、前記還元剤噴射弁内の前記尿素水溶液を貯蔵タンク内に回収する還元剤噴射装置において、
前記尿素水溶液を圧送する圧送ポンプと、
前記圧送ポンプ及び前記還元剤噴射弁を接続する還元剤供給通路と、を備え、
前記還元剤供給通路の途中に湾曲部を設け、かつ、前記湾曲部の重力方向の最深部分を、前記還元剤供給通路及び前記還元剤噴射弁の接続部分よりも重力方向下方に位置させ、
前記尿素水溶液の固化に起因して、前記還元剤噴射弁に詰まりが生じていることを判定し、所定期間(W1)の間、前記還元剤供給通路内に圧力脈動を発生させることを特徴とする還元剤噴射装置。 - 前記湾曲部を、前記還元剤噴射弁の近傍に設けることを特徴とする請求項1に記載の還元剤噴射装置。
- 前記圧送ポンプにおける駆動DUTYを切り替えて、所定の基準値よりも大きいDUTY比(DH)、及び前記基準値よりも小さいDUTY比(DL)にそれぞれ少なくとも一回変化させることにより、前記圧力脈動を発生させることを特徴とする請求項1または2に記載の還元剤噴射装置。
- 前記還元剤供給通路の圧力に基づいて、前記駆動DUTYを切り替えるタイミングを決定することを特徴とする請求項3に記載の還元剤噴射装置。
- 前記還元剤噴射弁の電磁コイルに流れる駆動電流に基づいて、前記還元剤噴射弁に詰まりが生じていることを判定することにより、前記所定期間(W1)の始点を決定することを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の還元剤噴射装置。
- 所定時間における前記還元剤供給通路内の圧力低下量に基づいて、前記還元剤噴射弁に詰まりが生じてないことを判定することにより、前記所定期間(W1)の終点を決定することを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の還元剤噴射装置。
- 排気管に固定された還元剤噴射弁を介して尿素水溶液を前記排気管内に供給し、かつ、内燃機関の停止時に、前記還元剤噴射弁内の前記尿素水溶液を貯蔵タンク内に回収する還元剤噴射装置の制御方法であって、
前記尿素水溶液を圧送する圧送ポンプ及び前記還元剤噴射弁を接続する還元剤供給通路を備え、前記還元剤供給通路の途中に湾曲部を設け、かつ、前記湾曲部の重力方向の最深部分を、前記還元剤供給通路及び前記還元剤噴射弁の接続部分よりも重力方向下方に位置させた還元剤噴射装置の制御方法において、
前記尿素水溶液の固化に起因して、前記還元剤噴射弁に詰まりが生じているか否かを判定する工程と、
所定期間(W1)の間、前記還元剤供給通路に圧力脈動を発生させる工程と、
を有することを特徴とする還元剤噴射装置の制御方法。
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