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JP2009097479A - 還元剤供給装置の制御装置及び制御方法 - Google Patents

還元剤供給装置の制御装置及び制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】還元剤噴射弁の熱損傷を防ぐとともに、液体還元剤が冷却されすぎることによる尿素溶液の結晶化を防止することができる還元剤供給装置及びその制御方法を提供する。
【解決手段】内燃機関の排気通路に配設された還元触媒の排気上流側に尿素溶液を還元剤として噴射供給し、還元触媒で排気ガス中の窒素酸化物を還元浄化する排気浄化装置に用いられ、還元触媒の排気上流側で排気管に固定された還元剤噴射弁を備えた還元剤供給装置であって、還元剤噴射弁を冷却するために内燃機関の冷却水の少なくとも一部を循環させるための冷却水循環通路と、冷却水循環通路を流れる冷却水の流量を調節するための流量制御手段と、還元剤噴射弁の温度を検出するための温度検出手段と、還元剤噴射弁の温度に基づいて流量制御手段を制御するための制御手段と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気浄化装置に使用される還元剤供給装置及び制御方法に関する。特に、尿素溶液を還元剤として使用するとともに、内燃機関を冷却するための冷却水を循環させて還元剤噴射弁の冷却を行う構成の還元剤供給装置及び還元剤供給装置の制御方法に関する。
従来、ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排気ガス中には、環境に影響を与えるおそれのある窒素酸化物（以下、ＮＯXと称する）が含まれている。このＮＯXを浄化するために用いられる排気浄化装置として、排気通路に配設された還元触媒の上流側で尿素溶液等の液体還元剤を排気ガス中に噴射供給し、還元触媒中でＮＯXを選択的に還元浄化する排気浄化装置（ＳＣＲシステム）が知られている。
このような排気浄化装置の一態様として、排気管に固定された還元剤噴射弁に向けて液体還元剤を圧送し、還元剤噴射弁を開閉制御することによって液体還元剤を排気管内に噴射供給する方式の排気浄化装置がある。かかる方式の排気浄化装置において、液体還元剤として尿素溶液を用いた場合には、尿素溶液が過度に高温になると、尿素溶液が還元剤噴射弁から噴射される前に尿素が加水分解して結晶化し、液体還元剤の供給系が部分的に又は完全に詰まるおそれがあることに着目し、尿素溶液の温度を十分に低く維持するために、十分な尿素溶液の供給速度と熱交換流体の経路によって、熱交換時にエンジン冷却剤等の熱交換流体をライン又は噴射器に対して通過させるようにしたＮＯX排出を削減する方法が提案されている（特許文献１参照）。
また、かかる還元剤噴射弁として用いられる電磁制御式の弁は、その制御部分や樹脂部分が比較的熱に弱いにもかかわらず排気管に直接取付けられるため、排気管から伝わる熱によって熱損傷を受けやすくなっている。
そこで、還元剤として燃料（ＨＣ）を使用するものではあるが、ＮＯX触媒への還元剤添加用インジェクタの耐久性を向上可能なディーゼルエンジンの排気浄化装置が提案されている。より具体的には、エンジンの排気通路に介装されたＮＯX触媒と、ＮＯX触媒よりも排気通路の上流側部分に設けられたＮＯX還元剤添加用のインジェクタとを備えたディーゼルエンジンの排気浄化装置において、インジェクタに設けられた冷却水通路と、冷却水通路とエンジンの冷却水通路とを接続する循環通路と、冷却水を循環通路を介して冷却水通路とエンジンの冷却水経路間で循環させる循環手段を備える排気浄化装置が開示されている（特許文献２参照）。
特表２００１−５１８８３０号公報 （請求項１１、第８頁第７行〜１０行） 特開平９−９６２１２号公報 （全文 全図）
しかしながら、エンジンの冷却水を循環させて還元剤噴射弁を冷却する場合、エンジンの冷却水の循環量は比較的大量であるために効率的に還元剤噴射弁が冷却される一方で、冷却水の循環量が大量であるが故に還元剤噴射弁が冷却されすぎる場合がある。その結果、特許文献１で着目されているような、尿素溶液が高温になり還元剤供給系内で分解することによる尿素の結晶化以外にも、還元剤噴射弁の噴孔付近で、溶媒が自然蒸発することによる尿素の結晶化を生じるおそれがある。
すなわち、エンジンの冷却水は、例えば７０〜８０℃程度に保たれているため、還元剤噴射弁に対して循環させる冷却水の循環量が大量になると、還元剤噴射弁の温度が例えば８０〜１００℃程度にまで冷却される場合がある。他方、還元剤供給弁に流入する尿素水溶液は、還元剤噴射弁の熱の影響を受けたとしても、１００℃未満の温度に維持されたまま噴孔に送られる。したがって、還元剤噴射弁から噴射される尿素水溶液は、比較的大気圧に近い状態の排気通路内では沸点以下となるため、速やかに気化されずに噴孔付近に付着しやすくなる。１００℃未満に維持された尿素水溶液は、大気圧に比較的近い環境下では溶媒としての水分の自然蒸発による析出を生じやすい状態になっているとともに、還元剤噴射弁の噴孔付近には排気ガスの流れが生じていることも重なって、尿素水溶液中の水分の自然蒸発がさらに起こりやすい状態になっており、尿素の析出が促進されることになる。このような、還元剤噴射弁の噴孔付近での尿素の結晶化を生じると、尿素水溶液の噴霧に悪影響を与えるとともに、噴孔の詰まりを生じるおそれもある。
そこで、本発明の発明者らは鋭意努力し、エンジンの冷却水を循環させて尿素溶液の冷却を行う構成の還元剤供給装置において、冷却水の循環量を制御する手段を備えることにより、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、本発明の目的は、還元剤噴射弁の温度に応じて冷却水の循環量を調節することにより、還元剤噴射弁の熱損傷を防ぐとともに、液体還元剤が冷却されすぎることによる尿素溶液の結晶化を防止することができる還元剤供給装置及びその制御方法を提供することである。
本発明によれば、内燃機関の排気通路に配設された還元触媒の排気上流側に尿素溶液を還元剤として噴射供給し、還元触媒で排気ガス中の窒素酸化物を還元浄化する排気浄化装置に用いられ、還元触媒の排気上流側で排気管に固定された還元剤噴射弁を備えた還元剤供給装置であって、還元剤噴射弁を冷却するために内燃機関の冷却水の少なくとも一部を循環させるための冷却水循環通路と、冷却水循環通路を流れる冷却水の流量を調節するための流量制御手段と、還元剤噴射弁の温度を検出するための温度検出手段と、還元剤噴射弁の温度に基づいて流量制御手段を制御するための制御手段と、を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。
また、本発明の還元剤供給装置を構成するにあたり、制御手段は、還元剤噴射弁の温度が還元剤噴射弁の耐熱温度未満に維持されるように流量制御手段を制御することが好ましい。
また、本発明の還元剤供給装置を構成するにあたり、制御手段は、還元剤噴射弁の温度が尿素溶液の沸点以上に維持されるように流量制御手段を制御することが好ましい。
また、本発明の還元剤供給装置を構成するにあたり、温度検出手段は、排気ガスの温度、排気ガスの流量、液体還元剤の温度、冷却水の温度、外気温度、及び還元剤噴射弁からの噴射供給量のうちの少なくとも一つに基づいて還元剤噴射弁の先端温度を演算することが好ましい。
また、本発明の還元剤供給装置を構成するにあたり、上記冷却水循環通路、流量制御手段、及び制御手段を、それぞれ第１の冷却水循環通路、第１の流量制御手段、及び第１の制御手段としたときに、尿素溶液を貯蔵する貯蔵タンク内の尿素溶液の温度を調節するために内燃機関の冷却水の少なくとも一部を循環させるための第２の冷却水循環通路と、第２の冷却水循環通路を流れる冷却水の流量を調節するための第２の流量制御手段と、貯蔵タンク内の尿素溶液の温度に基づいて第２の流量制御手段を制御するための第２の制御手段と、を備えることが好ましい。
また、本発明の別の態様は、内燃機関の排気通路に配設された還元触媒の排気上流側に液体還元剤を噴射供給し、還元触媒で排気中の窒素酸化物を還元浄化する排気浄化装置に用いられ、還元触媒の排気上流側で排気管に固定された還元剤噴射弁を備えた還元剤供給装置の制御方法であって、還元剤噴射弁は、内燃機関の冷却水の少なくとも一部を循環させることによって冷却されるようになっており、還元剤噴射弁の温度を検出するとともに、燃料制御弁の温度が所定範囲内に維持されるように、冷却水の流量を制御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。
本発明の還元剤供給装置によれば、内燃機関の冷却水を利用して還元剤噴射弁を効率的に冷却することができるとともに、還元剤噴射弁の先端温度を検出しながら、その温度に応じて冷却水の流量を調節できるため、還元剤噴射弁が過度に冷却されることが防止される。したがって、還元剤噴射弁の熱損傷を防ぐことができるとともに、還元剤噴射弁の噴孔付近での尿素の結晶化を防ぐことができ、還元剤の安定的な噴霧を実現することができる。
また、本発明の還元剤供給装置において、制御手段が、還元剤噴射弁の温度が耐熱温度未満に維持されるように制御を行うことにより、還元剤噴射弁の熱損傷を確実に防止することができる。
また、本発明の還元剤供給装置において、制御手段が、還元剤噴射弁の温度が尿素溶液の沸点以上に維持されるように制御を行うことにより、排気管内に晒された尿素溶液が排気熱も相俟って速やかに気化し、噴孔付近での尿素の結晶化を確実に防止することができる。
また、本発明の還元剤供給装置において、温度検出手段が、還元剤噴射弁の先端温度を演算する手段であることにより、新たに温度センサを使用することなく従来の装置構成を利用して還元剤噴射弁の先端温度を推定することができる。
また、本発明の還元剤供給装置において、内燃機関の冷却水を利用して貯蔵タンク内の尿素溶液の温度を調節することにより、尿素溶液の温度が沸点以下のまま還元剤噴射弁から噴射されることが防止され、噴孔付近での尿素の結晶化をより確実に防止することができる。
また、本発明の還元剤供給装置の制御方法によれば、内燃機関の冷却水を循環させて還元剤噴射弁を冷却する際に、還元剤噴射弁の温度に基づいて冷却水の循環量を調節することにより、還元剤噴射弁の熱損傷を防止するとともに、還元剤噴射弁が冷却されすぎることによる尿素の結晶化を防止することができる。したがって、還元剤の安定的な噴霧を実現することができる。
以下、図面を参照して、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に関する実施の形態について具体的に説明する。ただし、かかる実施形態は、本発明の一態様を示すものであり、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
まず、本実施形態の還元剤供給装置が備えられる排気浄化装置の構成の一例について図１を参照しつつ説明する。
図１に示す排気浄化装置１０は、液体還元剤としての尿素水溶液を、排気通路中に配設された還元触媒１３の上流側に噴射供給し、還元触媒１３において排気ガス中に含まれるＮＯXを選択的に還元浄化する排気浄化装置１０である。この排気浄化装置１０は、内燃機関５に接続された排気管１１の途中に配設され、排気ガス中に含まれるＮＯXを選択的に還元するための還元触媒１３と、還元触媒１３の上流側で排気管１１内に尿素水溶液を噴射供給するための還元剤噴射弁３１を含む還元剤供給装置２０とを主たる要素として構成されている。
２．還元剤供給装置
本実施形態の排気浄化装置１０に備えられた還元剤供給装置２０は、還元触媒１３の上流側で排気管１１に固定された還元剤噴射弁３１と、尿素水溶液が貯蔵された貯蔵タンク５０と、貯蔵タンク５０内の尿素水溶液を還元剤噴射弁３１に対して圧送するポンプ４１を含むポンプモジュール４０と、排気管１１内に噴射供給する還元剤の噴射量を制御するために、還元剤噴射弁３１やポンプ４１の制御を行う制御装置（以下、「ＤＣＵ：Dosing Control Unit」と称する。）６０を備えている。また、ポンプモジュール４０と還元剤噴射弁３１とは第１の供給通路５８によって接続され、貯蔵タンク５０とポンプモジュール４０とは第２の供給通路５７によって接続され、さらに、ポンプモジュール４０と貯蔵タンク５０とは循環通路５９によって接続されている。
還元剤噴射弁３１としては、例えば、ＤＵＴＹ制御により開弁のＯＮ−ＯＦＦが制御されるＯＮ−ＯＦＦ弁を使用することができる。ポンプモジュール４０から還元剤噴射弁３１に圧送される尿素水溶液は所定の圧力で維持されるようになっており、ＤＣＵ６０から送られてくる制御信号によって還元剤噴射弁３１が開かれたときに尿素水溶液が排気通路中に噴射されるようになっている。
また、還元剤噴射弁３１には冷却水通路３７が設けられ、内燃機関５の冷却水を利用して還元剤噴射弁３１の冷却が行われるようになっている。本実施形態における還元剤供給装置２０の例では、還元剤噴射弁３１の冷却水通路３７を含む第１の冷却水循環通路８５が備えられ、内燃機関５の冷却水は、冷却水循環ポンプ７３によって内燃機関５の冷却水通路７５を循環するとともに、冷却水通路７５から分岐して第１の冷却水循環通路８５にも流入するようになっている。第１の冷却水循環通路８５に流入した冷却水は、途中、還元剤噴射弁３１に設けられた冷却水通路３７を通って、再び内燃機関５の冷却水通路７５に戻され、還元剤噴射弁３１の冷却が行われる。
この第１の冷却水循環通路８５における還元剤噴射弁３１よりも上流側には、第１の冷却水循環通路８５を流れる冷却水の流量を調節するための第１の冷却水流量制御弁８１が備えられている。第１の冷却水流量制御弁８１としては、例えば、電磁制御式のＯＮ−ＯＦＦ弁や、電磁比例流量制御弁を使用することができ、後述するＤＣＵ６０によって制御される。この第１の冷却水流量制御弁８１は通常開弁されており、冷却水によって還元剤噴射弁３１が冷却されるようになっている。一方、還元剤噴射弁３１が冷却されすぎるおそれがある場合には、第１の冷却水流量制御弁８１を閉弁して冷却水の循環を遮断するか、あるいは、第１の冷却水流量制御弁８１の開度を減少させて冷却水の流量を減少させ、還元剤噴射弁３１が冷却されすぎないように調節される。
また、還元剤噴射弁３１に接続された第１の供給通路５８のうち、還元剤噴射弁３１の入口部分には、還元剤噴射弁３１に流入する尿素水溶液の温度を検知するための温度センサ３３が備えられている。さらに、第１の冷却水循環通路８５のうち、還元剤噴射弁３１の上流側の入口部分には、還元剤噴射弁３１に流入する冷却水の温度を検知するための温度センサ３５が備えられている。これらの温度センサ３３、３５で検知された温度情報は、ＤＣＵ６０に送られるようになっている。
また、本実施形態の還元剤供給装置２０では、内燃機関５の冷却水通路７５から分岐する第１の冷却水循環通路８５における第１の冷却水流量制御弁８１よりも上流側から、さらに第２の冷却水循環通路８７が分岐して設けられている。この第２の冷却水循環通路８７は貯蔵タンク５０内を通過するように配設されており、再び第１の冷却水循環通路８５に合流するようになっている。また、第２の冷却水循環通路８７における貯蔵タンク５０よりも上流側には、第２の冷却水循環通路８７を流れる冷却水の流量を調節するための第２の冷却水流量制御弁８３が備えられている。
この第２の冷却水循環通路８７を循環する内燃機関５の冷却水は、貯蔵タンク５０内の尿素水溶液の加熱手段として利用されるものである。内燃機関５の冷却水は、例えば７０〜８０℃程度に維持されるようになっているため、貯蔵タンク５０内の尿素水溶液の温度が低下したときに第２の冷却水流量制御弁８３を開弁して貯蔵タンク５０内に冷却水を循環させ、尿素水溶液の温度が過度に低下したり、尿素水溶液が凍結したりしないように制御される。
第２の冷却水流量制御弁８３についても、第１の冷却水流量制御弁８１と同様に、電磁制御式のＯＮ−ＯＦＦ弁や電磁比例流量制御弁を使用することができ、ＤＣＵ６０によって制御されるようになっている。すなわち、尿素水溶液が貯蔵された貯蔵タンク５０には、タンク内の尿素水溶液の温度を検知するための温度センサ５１が備えられており、温度センサ５１によって検知された値は信号としてＤＣＵ６０に対して出力され、この温度情報に基づいて第２の冷却水流量制御弁８３が制御される。
また、ポンプモジュール４０にはポンプ４１が備えられ、第２の供給通路５７を介して貯蔵タンク５０内の尿素水溶液を汲み上げるとともに、第１の供給通路５８を介して還元剤噴射弁３１に圧送するようになっている。このポンプ４１は、例えば電動ギアポンプからなり、ＤＣＵ６０から送られてくる信号によってＤＵＴＹ制御されるようにすることができる。また、第１の供給通路５８には圧力センサ４３が備えられており、圧力センサ４３によって検知された値は信号としてＤＣＵ６０に出力され、第１の供給通路５８内の圧力値が所定値に維持されるようにポンプ４１の駆動ＤＵＴＹが制御されるようになっている。すなわち、第１の供給通路５８内の圧力が所定値よりも低下するような状態においては、ポンプ４１の駆動ＤＵＴＹは大きくなるように制御され、第１の供給通路５８内の圧力が所定値よりも上昇するような状態においては、ポンプ４１の駆動ＤＵＴＹは小さくなるように制御される。
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。
また、第１の供給通路５８にはメインフィルタ４７が備えられ、還元剤噴射弁３１に圧送される尿素水溶液中の異物が捕集されるようになっている。また、ポンプ４１とメインフィルタ４７との間の第１の供給通路５８から循環通路５９が分岐して設けられ、貯蔵タンク５０に接続されている。この循環通路５９の途中にはオリフィス４５が備えられるとともに、オリフィス４５よりも貯蔵タンク５０側に圧力制御弁４９が備えられている。このような循環通路５９を備えることにより、圧力センサ４３の検出値をもとにフィードバック制御されるポンプ４１によって尿素水溶液が圧送される状態で、第１の供給通路５８内の圧力値が所定値を超えた場合に、圧力制御弁４９が開弁し、尿素水溶液の一部が貯蔵タンク５０内に還流されるようになっている。圧力制御弁４９は、例えば、公知のチェック弁等を使用することができる。
また、ポンプモジュール４０にはリバーティングバルブ７１が備えられ、還元剤供給装置２０が尿素水溶液の噴射制御を行わない場合等において、ポンプモジュール４０や還元剤噴射弁３１、第１の供給通路５８、第２の供給通路５７等を含む還元剤供給系の尿素水溶液が貯蔵タンク５０に回収できるようになっている。したがって、冷寒時等、尿素水溶液が凍結しやすい温度条件下において、内燃機関５を停止させ、還元剤供給装置２０の制御を行わないような場合に、還元剤供給系内での尿素水溶液の凍結が防止され、その後内燃機関の運転を再開したときに、詰まりによる噴射不良がないようにされている。
このリバーティングバルブ７１は、例えば、尿素水溶液の流路を、貯蔵タンク５０からポンプモジュール４０へ向かう順方向から、ポンプモジュール４０から貯蔵タンク５０へ向かう逆方向に切り替える機能を持った切換弁であり、内燃機関のイグニッションスイッチをオフにしたときに、流路を逆方向に切り換えることにより尿素水溶液を貯蔵タンク５０内に回収することができる。
また、還元剤供給装置２０の還元剤供給系の各部位にはそれぞれヒーター９２〜９７が備えられている。これらのヒーター９２〜９７は、冷寒時等において尿素水溶液が還元剤供給系内に存在する場合に、尿素水溶液が凍結して部分的に又は完全に還元剤供給系を塞いでしまい、還元剤噴射弁３１による還元剤の噴射制御を正確に行えなくなることを防ぐために備えられている。また、これらのヒーター９２〜９７は、ＤＣＵ６０によって通電が制御されるようになっている。例えば、尿素水溶液の温度や外気温度等をもとにして、還元剤供給系で尿素水溶液が凍結を生じるような温度条件下にあると判断されたときに、バッテリーから電圧が供給され、加熱されるようになっている。
これらのヒーター９２〜９７についても、特に制限されるものではなく、例えば、電熱線等を使用することができる。
３．還元剤供給装置の制御装置（ＤＣＵ）
図２は、本実施形態の還元剤供給装置を制御するためのＤＣＵ６０の構成を示している。このＤＣＵ６０は、公知の構成からなるマイクロコンピュータを中心に構成されており、図１の第１の冷却水流量制御弁８１及び第２の冷却水流量制御弁８３の動作制御に関する部分について、機能的なブロックに表された構成例が示されている。
本実施形態におけるＤＣＵ６０は、還元剤噴射弁の温度を検出する噴射弁温度検出部（「Injector-Temp検出」と表記）と、第１の冷却水流量制御弁を制御する第１の制御部（「Injector-Cooling制御」と表記）と、第２の冷却水流量制御弁を制御する第２の制御部（「Tank-Heating制御」と表記）等を主要な要素として構成されている。これらの各部は、具体的にはマイクロコンピュータ（図示せず）によるプログラムの実行によって実現されるものである。
このうち、噴射弁温度検出部は、還元剤噴射弁の温度を検出し、第１の制御部に温度情報を送るようになっている。還元剤噴射弁の温度の検出方法については特に制限されるものではなく、還元剤噴射弁に温度センサを備え付けて直接的に検知してもよく、あるいは、演算により推定することもできる。
本実施形態のＤＣＵ６０では、噴射弁温度検出部は、内燃機関の運転状態から推定される排気ガス温度Ｔｇ及び排気ガスの流量Ｖｅ、貯蔵タンク内の尿素水溶液の温度Ｔｕ１、還元剤噴射弁に流入する尿素水溶液の温度Ｔｕ２、還元剤噴射弁に流入する冷却水の温度Ｔｒ、外気温度Ｔｏ、ＤＣＵ６０から還元剤噴射弁に送られる噴射指示値Ｑｕ、及び車両速度Ｓの各情報をもとに、還元剤噴射弁の先端温度Ｔｉを推定するようになっている。
噴射弁温度検出部によって還元剤噴射弁の先端温度Ｔｉを推定するのは、尿素水溶液中の水分の蒸発による尿素の結晶化が生じやすい噴孔付近の温度をもとにして冷却水の流量を制御することができるためである。また、還元剤噴射弁が加熱されるのは排気管を介して伝達される排気熱によるものであり、最も高温になる還元剤噴射弁の先端部分の温度を耐熱温度以下に維持しておけば、還元剤噴射弁全体を耐熱温度以下にすることができるためである。
なお、還元剤噴射弁の先端温度Ｔｉを推定するにあたり、上述したすべての情報を参照する必要はなく、それらの一部の情報をもとにして推定するようにしてもよい。
また、第１の冷却水流量制御弁の制御を行う第１の制御部では、噴射弁温度検出部から送られてくる還元剤噴射弁の先端温度Ｔｉをもとにして、第１の冷却水流量制御弁の開閉の制御信号を出力するようになっている。
例えば、内燃機関の通常運転時には、還元剤噴射弁の先端温度Ｔｉが耐熱温度未満に維持されるように、第１の冷却水流量制御弁を開いて比較的大量の冷却水を第１の冷却水循環通路８５を循環させる。還元剤噴射弁の樹脂部分や電磁制御部を耐熱温度以下とするための先端温度Ｔｉは、還元剤噴射弁の種類によって異なるが、例えば、先端温度Ｔｉが１４０〜１６０℃未満に維持されるように冷却水を循環させる。
一方、還元剤噴射弁が冷却水によって冷却されすぎると、噴孔付近において尿素の結晶化を生じるおそれがあることから、第１の冷却水流量制御弁を閉じて冷却水を遮断するか、あるいは、開度を小さくして冷却水の流量を低下させる。例えば、噴孔を通過して噴射される尿素水溶液が速やかに蒸発して気化されるようにするには、還元剤噴射弁の先端温度Ｔｉが尿素水溶液の沸点以上に維持されるように冷却水の流量を調節する。尿素水溶液の沸点は濃度によって変動するものの、例えば、先端温度Ｔｉが１００〜１１０℃以上に維持されるように冷却水の流量を調節する。
すなわち、本実施形態のＤＣＵ６０における第１の制御部では、噴射弁温度検出部から送られてくる還元剤噴射弁の先端温度Ｔｉの情報をもとにして、還元剤噴射弁の先端温度Ｔｉが、排気通路内における尿素水溶液の沸点以上、還元剤噴射弁の耐熱温度未満となるように、第１の冷却水流量制御弁の開閉をフィードバック制御するようになっている。その結果、還元剤噴射弁の熱損傷が防止され耐久性が向上するとともに、還元剤噴射弁の噴孔付近での尿素の結晶化が防止され、安定的な尿素水溶液の噴霧が可能となる。
なお、本実施形態の例では、還元剤噴射弁の先端温度Ｔｉが尿素水溶液の沸点以上となるように制御を行っているが、噴射後に尿素水溶液が排気熱の影響を受けて速やかに気化されるようであれば、先端温度Ｔｉが尿素水溶液の沸点未満であっても構わない。
また、第２の制御部は、貯蔵タンク内に備えられた温度センサによって検知される尿素水溶液の温度をもとにして、第２の冷却水流量制御弁の開閉の制御信号を出力するようになっている。
例えば、貯蔵タンク内の尿素水溶液の温度が氷点下になると、尿素水溶液が凍結して還元剤噴射弁に対して供給することができなくなる。また、氷点下を超える場合であっても、例えば８０℃以上になっていると、尿素水溶液が変質してしまうおそれがある。
そのため、本実施形態のＤＣＵ６０における第２の制御部では、貯蔵タンク内の尿素水溶液の温度が６０℃未満の時には第２の冷却水流量制御弁を開くことにより、貯蔵タンク内の尿素水溶液が加熱され、尿素水溶液の凍結が防止される。一方、貯蔵タンク内の尿素水溶液の温度が６０℃以上になったときには第２の冷却水流量制御弁を閉じることにより、内燃機関の冷却水による加熱が停止され、貯蔵タンク内の尿素水溶液の変質が防止される。
４．還元剤噴射制御
次に、図１の排気浄化装置１０に備えられた還元剤供給装置２０によって行われる還元剤噴射制御について説明する。
内燃機関の運転時において、貯蔵タンク５０内の液体還元剤は、ポンプ４１によって汲み上げられ、還元剤噴射弁３１に圧送される。このとき、ポンプ４１の下流側の第１の供給通路５８に備えられた圧力センサ４３による検出値をフィードバックし、所定の圧力値を示すように制御される。例えば、検出値が所定値未満の場合にはポンプ４１の出力を高める一方、圧力値が所定値を超える場合にはポンプ４１の出力を低下させるとともに圧力制御弁４９を介して液体還元剤が貯蔵タンク５０に還流されて減圧される。これによって、還元剤噴射弁３１側に圧送される還元剤の圧力がほぼ一定の値に維持される。
また、ポンプモジュール４０から還元剤噴射弁３１に圧送された還元剤は、ほぼ一定の圧力値に維持されており、還元剤噴射弁３１が開いたときに排気通路内に噴射されるようになっている。ＤＣＵ６０は、内燃機関の運転状態や排気温度、還元触媒１３の温度、さらには還元触媒１３の下流側で測定される、還元されずに還元触媒１３を通過したＮＯX量等の情報をもとに噴射すべき還元剤の噴射供給量を決定し、それに応じた制御信号を生成して還元剤噴射弁３１に対して出力する。還元剤噴射弁３１はこの制御信号によってＤＵＴＹ制御が行われ、適切な量の還元剤が排気通路中に噴射供給される。排気通路中に噴射された還元剤は、還元触媒１３に流入し、排気ガス中に含まれるＮＯXの還元反応に用いられる。
５．冷却水循環制御
次に、図２に示す本実施形態の還元剤供給装置の制御装置（ＤＣＵ）６０による冷却水の循環制御のルーチンの一例について、図３及び図４に示す制御フローを参照しつつ説明する。
まず、図３に示すように、スタート後のステップＳ１において、還元剤噴射弁の温度を検出する。上述したように、本実施形態のＤＣＵ６０では、排気ガス温度Tg、排気ガスの流量Ve、貯蔵タンク内の尿素水溶液の温度Tu1、還元剤噴射弁に流入する尿素水溶液の温度Tu2、還元剤噴射弁に流入する冷却水の温度Tr、外気温度To、ＤＣＵ６０から還元剤噴射弁に送られる噴射指示値Qu、及び車両速度Sの各情報をもとに、還元剤噴射弁の先端温度Tiが演算される。
次いで、ステップＳ２では、検出された還元剤噴射弁の先端温度Tiが下限値Ti1未満となっているか否かが判別される。本実施形態では、下限値Ti1は、尿素水溶液の沸点に設定されている。そして、還元剤噴射弁の先端温度Tiが下限値Ti1未満となっている場合には、ステップＳ３に進み、第１の冷却水流量制御弁を全閉あるいは開度を減少させた後、スタートに戻される。その結果、還元剤噴射弁に設けられた冷却水通路を流れる冷却水の流量が減らされるとともに、排気管によって伝達される排気熱の影響を受けて、還元剤噴射弁の先端温度Tiは上昇する。
一方、ステップＳ２において還元剤噴射弁の先端温度Tiが下限値Ti1以上となっている場合には、ステップＳ４に進み、還元剤噴射弁の先端温度Tiが上限値Ti2以上となっているか否かが判別される。本実施形態では、上限値Ti2は、還元剤噴射弁の耐熱温度に設定されている。そして、還元剤噴射弁の先端温度Tiが上限値Ti2未満となっている場合にはそのままスタートに戻される一方、先端温度Tiが上限値Ti2以上となっている場合には、ステップＳ５に進み、第１の冷却水流量制御弁を全開あるいは開度を増大させた後、スタートに戻される。その結果、還元剤噴射弁に設けられた冷却水通路を流れる冷却水の流量が増加し、還元剤噴射弁が冷却されて先端温度Tiは低下する。
本実施形態の還元剤供給装置の制御方法では、上述した第１の冷却水流量制御弁の開閉制御による還元剤噴射弁の温度制御と併せて、第２の冷却水流量制御弁の開閉制御による貯蔵タンク内の尿素水溶液の温度制御が行われる。
図４は、貯蔵タンク内の尿素水溶液の温度制御のフローを示しており、まず、ステップＳ１１において、貯蔵タンク内の尿素水溶液の温度Tu1を検出する。本実施形態の還元剤供給装置の場合、貯蔵タンク内に配置された温度センサによって検知される温度情報が読み込まれる。
次いで、ステップＳ１２では、検出された尿素水溶液の温度Tu1が基準値Tu0以下となっているか否かが判別される。このときの基準値Tu0は、例えば、貯蔵タンク内の尿素水溶液が変質せずに維持される温度を目安にして６０℃に設定されている。
そして、尿素水溶液の温度Tu1が基準値Tu0以下となっている場合には、ステップＳ１３に進んで第２の冷却水流量制御弁を全開あるいは開度を増大させた後、スタートに戻される。その結果、７０〜８０℃に維持されている内燃機関の冷却水によって貯蔵タンク内の尿素水溶液が加熱される。
一方、検出された尿素水溶液の温度Tu1が基準値Tu0を超えている場合には、貯蔵タンク内の尿素水溶液の温度が上昇しすぎて変質するおそれがあることから、ステップＳ１４に進んで第２の冷却水流量制御弁を全閉又は開度を減少させた後、スタートに戻される。
このように、貯蔵タンク内の尿素水溶液の温度が、例えば６０〜８０℃の範囲内に維持されるように制御することにより、尿素水溶液の凍結及び変質が防止されるとともに、還元剤噴射弁から噴射されたときに速やかに気化されて、排気ガス中に均一に分散しやすくなる。
なお、本実施形態における第２の冷却水流量制御弁の開閉制御の例では、尿素水溶液の温度Tu1が基準値Tu0を超えるか超えないかのみを判別して流量制御を行っているが、さらに、基準値Tu0とは別の第２の基準値Tu2を定め、貯蔵タンク内の尿素水溶液の温度の範囲をより細分化して、内燃機関の冷却水による貯蔵タンク内の尿素水溶液の冷却制御を行うようにしてもよい。
排気浄化装置の構成例を示す図である。 排気浄化装置に備えられた還元剤供給装置制御装置（ＤＣＵ）の構成例を示すブロック図である。 内燃機関の冷却水を利用した還元剤噴射弁の温度制御の一例を示すフローチャートである。 内燃機関の冷却水を利用した尿素水溶液の温度制御の一例を示すフローチャートである。
符号の説明
１０：排気浄化装置、１１：排気管、１３：還元触媒、１５・１６：温度センサ、１７：ＮＯXセンサ、２０：還元剤供給装置、３１：還元剤噴射弁、３３・３５：温度センサ、４０：ポンプモジュール、４１：ポンプ、４３：圧力センサ、４５：オリフィス、４７：メインフィルタ、４９：圧力制御弁、５０：貯蔵タンク、５１：温度センサ、５７：第２の供給通路、５８：第１の供給通路、５９：循環経路、６０：還元剤供給装置制御装置（ＤＣＵ）、７１：リバーティングバルブ、７３：冷却水循環ポンプ、７５：内燃機関の冷却水通路、８１：第１の冷却水流量制御弁、８３：第２の冷却水流量制御弁、８５：第１の冷却水循環通路、８７：第２の冷却水循環通路、９２・９３・９４・９５・９６・９７：ヒーター

Claims (6)

  1. 内燃機関の排気通路に配設された還元触媒の排気上流側に尿素溶液を還元剤として噴射供給し、前記還元触媒で排気ガス中の窒素酸化物を還元浄化する排気浄化装置に用いられ、前記還元触媒の排気上流側で排気管に固定された還元剤噴射弁を備えた還元剤供給装置において、
    前記還元剤噴射弁を冷却するために前記内燃機関の冷却水の少なくとも一部を循環させるための冷却水循環通路と、
    前記冷却水循環通路を流れる前記冷却水の流量を調節するための流量制御手段と、
    前記還元剤噴射弁の温度を検出するための温度検出手段と、
    前記還元剤噴射弁の温度に基づいて前記流量制御手段を制御するための制御手段と、
    を備えることを特徴とする還元剤供給装置。
  2. 前記制御手段は、前記還元剤噴射弁の温度が前記還元剤噴射弁の耐熱温度未満に維持されるように前記流量制御手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の還元剤供給装置。
  3. 前記制御手段は、前記還元剤噴射弁の温度が前記尿素溶液の沸点以上に維持されるように前記流量制御手段を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の還元剤供給装置。
  4. 前記温度検出手段は、前記排気ガスの温度、前記排気ガスの流量、前記液体還元剤の温度、前記冷却水の温度、外気温度、及び前記還元剤噴射弁からの噴射供給量のうちの少なくとも一つに基づいて前記還元剤噴射弁の先端温度を演算す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還元剤供給装置。
  5. 前記冷却水循環通路、前記流量制御手段、及び前記制御手段を、それぞれ第１の冷却水循環通路、第１の流量制御手段、及び第１の制御手段としたときに、
    前記尿素溶液を貯蔵する貯蔵タンク内の前記尿素溶液の温度を調節するために前記内燃機関の冷却水の少なくとも一部を循環させるための第２の冷却水循環通路と、
    前記第２の冷却水循環通路を流れる前記冷却水の流量を調節するための第２の流量制御手段と、
    前記貯蔵タンク内の尿素溶液の温度に基づいて前記第２の流量制御手段を制御するための第２の制御手段と、
    を備え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供給装置。
  6. 内燃機関の排気通路に配設された還元触媒の排気上流側に液体還元剤を噴射供給し、前記還元触媒で前記排気中の窒素酸化物を還元浄化する排気浄化装置に用いられ、前記還元触媒の排気上流側で排気管に固定された還元剤噴射弁を備えた還元剤供給装置の制御方法において、
    前記還元剤噴射弁は、前記内燃機関の冷却水の少なくとも一部を循環させることによって冷却されるようになっており、
    前記還元剤噴射弁の温度を検出するとともに、前記燃料制御弁の温度が所定範囲内に維持されるように、前記冷却水の流量を制御することを特徴とする還元剤供給装置の制御方法。
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