(57)【要約】【課題】還元剤の噴射に起因して排気管やＳＣＲ装置の損傷劣化が発生することを防止可能な還元剤噴射装置および還元剤インジェクタの制御方法を提供する。【解決手段】還元剤噴射装置は、外径の異なる複数の噴孔を有し、複数の噴孔の何れかから、内燃機関の排気通路を通過する排気ガスに還元剤を噴射する還元剤インジェクタと、排気ガスの温度に関連するパラメーターに応じて、複数の噴孔の何れかを選択し、選択した噴孔から還元剤を噴射するように還元剤インジェクタを制御する制御部と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外径の異なる複数の噴孔を有し、前記複数の噴孔の何れかから、内燃機関の排気通路を通過する排気ガスに還元剤を噴射する還元剤インジェクタと、
前記排気ガスの温度に関連するパラメーターに応じて、前記複数の噴孔の何れかを選択し、選択した噴孔から前記還元剤を噴射するように前記還元剤インジェクタを制御する制御部と、
を備える還元剤噴射装置。
【請求項２】
前記還元剤インジェクタは、前記複数の噴孔として、外径が小さい第１噴孔と、外径が大きい第２噴孔とを有し、
前記制御部は、前記排気ガスの温度が高い場合、前記第２噴孔から前記還元剤を噴射するように前記還元剤インジェクタを制御する一方、前記排気ガスの温度が低い場合、前記第１噴孔から前記還元剤を噴射するように前記還元剤インジェクタを制御する、
請求項１に記載の還元剤噴射装置。
【請求項３】
前記還元剤インジェクタは、前記複数の噴孔として、外径が小さい第１噴孔と、外径が大きい第２噴孔とを有し、
前記制御部は、前記排気ガスの流量が多い場合、前記第２噴孔から前記還元剤を噴射するように前記還元剤インジェクタを制御する一方、前記排気ガスの流量が少ない場合、前記第１噴孔から前記還元剤を噴射するように前記還元剤インジェクタを制御する、
請求項１に記載の還元剤噴射装置。
【請求項４】
前記排気通路における前記排気ガスの通過方向に対する前記還元剤の噴射角度は、前記第２噴孔から前記還元剤を噴射する場合より、前記第１噴孔から前記還元剤を噴射する場合の方が小さい、
請求項２または３に記載の還元剤噴射装置。
【請求項５】
外径の異なる複数の噴孔を有し、前記複数の噴孔の何れかから、内燃機関の排気通路を通過する排気ガスに還元剤を噴射する還元剤インジェクタの制御方法であって、
前記排気ガスの温度に関連するパラメーターを取得し、
取得した前記複数の噴孔の何れかを選択し、選択した噴孔から前記還元剤を噴射するように前記還元剤インジェクタを制御する、
制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、尿素水噴射装置および尿素水インジェクタの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
トラックやバス等の車両等に搭載されるディーゼルエンジンの排気ガス中のＮＯｘを浄化するための排気ガス浄化システムとして、尿素水等を還元剤として用いてＮＯｘを窒素と水に還元する選択触媒還元（ＳＣＲ：Selective Catalytic Reduction）システムが開発されている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
ＳＣＲシステムは、尿素水タンクに貯留された尿素水をＳＣＲ装置上流の排気管に供給し、排気ガスの熱で尿素を加水分解してアンモニアを生成し、このアンモニアによってＳＣＲ装置内の触媒でＮＯｘを還元するものである。尿素水は、例えば排気通路（排気管）に設けられた尿素水インジェクタによって適量が噴射される。
【０００４】
尿素水インジェクタへの尿素水の供給は、サプライポンプや尿素水圧力センサなどを備えたサプライモジュールによってなされる。サプライモジュールは、吸込ラインを介して尿素水タンクと接続されており、尿素水タンクから吸い込みラインを通じて吸い上げた尿素水を、サプライモジュールと尿素水インジェクタとを接続する圧送ラインを通じて尿素水インジェクタに供給する。尿素水インジェクタからの尿素水の噴射量は、ＤＣＵ（ドージングコントロールユニット）により、ＳＣＲ装置の上流および／または下流に設けられたＮＯｘセンサの検出値等に応じて制御される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−３０３８２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、排気管に噴射された尿素水が原因で以下のような不具合が生じる場合があった。すなわち、排気ガスの温度が低い場合（すなわち、排気ガスの流量が少ない場合）、尿素水の加水分解が不十分となり、排気管内の特に凹み部分に、尿素水が加水分解する際に生じるシアヌル酸などに代表される白色生成物が堆積する。排気管内に白色生成物が堆積すると、排気管やＳＣＲ装置の損傷劣化が発生するという問題があった。
【０００７】
一方、排気ガスの温度が高い場合（すなわち、排気ガスの流量が多い場合）、還元対象のＮＯｘ量ひいては尿素水の噴射量が多いこともあり、噴射された尿素水は排気ガスによって排気管の内壁面をなめるように流されやすい。そのため、底部内壁面に、尿素水が留まりやすい。そして、留まった尿素水からカルバミン酸アンモニウム等の強腐食性物質が生成され、当該尿素水の強腐食性物質濃度が上昇することにより、排気管の腐食が発生するという問題があった。
【０００８】
本発明の目的は、還元剤の噴射に起因して排気管やＳＣＲ装置の損傷劣化が発生することを防止可能な還元剤噴射装置および還元剤インジェクタの制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る還元剤噴射装置は、
外径の異なる複数の噴孔を有し、前記複数の噴孔の何れかから、内燃機関の排気通路を通過する排気ガスに還元剤を噴射する還元剤インジェクタと、
前記排気ガスの温度に関連するパラメーターに応じて、前記複数の噴孔の何れかを選択し、選択した噴孔から前記還元剤を噴射するように前記尿素水インジェクタを制御する制御部と、
を備える。
【００１０】
本発明に係る還元剤インジェクタの制御方法は、
外径の異なる複数の噴孔を有し、前記複数の噴孔の何れかから、内燃機関の排気通路を通過する排気ガスに還元剤を噴射する還元剤インジェクタの制御方法であって、
前記排気ガスの温度に関連するパラメーターを取得し、
取得した前記複数の噴孔の何れかを選択し、選択した噴孔から前記還元剤を噴射するように前記還元剤インジェクタを制御する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、還元剤の噴射に起因して排気管の腐食やＳＣＲ装置の損傷劣化が発生することを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施の形態におけるＳＣＲシステムの構成の一例を示す図である。
【図２】本実施の形態における尿素水の噴射態様を説明する図である。
【図３】本実施の形態における尿素水インジェクタの噴孔の切り替え機構を示す図である。
【図４】本実施の形態における尿素水インジェクタの制御処理を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態におけるＳＣＲシステム１００の構成の一例を示す図である。トラックやバス等の車両に搭載されたディーゼルエンジンの排気管１０（本発明の「排気通路」に対応）には、ＳＣＲ装置１１が接続されている。ＳＣＲ装置１１の上流側には、還元剤としての尿素水Ｕを噴射する尿素水インジェクタ１２と、尿素水インジェクタ１２の噴射位置における排気ガスの温度を検出する温度検出センサ１３とが設けられる。ＳＣＲ装置１１の上流側および下流側には、ＮＯｘセンサ１４が設けられる。
【００１４】
ＳＣＲ装置１１は、尿素水インジェクタ１２（ドージングバルブとも言う）から噴射される尿素水が排気ガスの高温により加水分解され生成されたアンモニアを用いて、ＳＣＲ装置１１内の触媒によってＮＯｘを窒素ガスと水蒸気に還元することで排気ガスを浄化する。ＳＣＲ装置１１下流のＮＯｘセンサ１４は、ＳＣＲ装置１１の処理後の排気ガス中のＮＯｘを検出し、ＳＣＲ装置１１の下流の排ガス中のＮＯｘ値が定常となっていることをモニタし、ＤＣＵ１５へ計測値を送信する。
【００１５】
なお、ＮＯｘセンサ１４はＳＣＲ装置１１の上流および下流に配するように説明したが、必ずしも上流側と下流側の両方に配される必要はなく、ＳＣＲ装置１１の上流および／または下流に配置されればよい。
【００１６】
ＮＯｘセンサ１４の検出値は、ＤＣＵ（Dosing Control Unit）１５に入力される。ＤＣＵ１５は、ＮＯｘセンサ１４の検出値に応じて尿素水インジェクタ１２の噴射制御を行う。ＤＣＵ１５は、図示は省略するが、例えばＣＰＵがメモリから所定のプログラムを読み出して実行することにより、以下の動作を行う。
【００１７】
ＤＣＵ１５（本発明の「制御部」に対応）は、ＳＣＲ装置１１上流のＮＯｘセンサ１４からの検出値等に応じて尿素水インジェクタ１２を制御する。具体的には、ＤＣＵ１５は、尿素水インジェクタ１２から尿素水Ｕを噴射するタイミングや量を算出し、サプライモジュール２２のサプライポンプ２３を駆動させて尿素水Ｕを規定圧まで高め、尿素水インジェクタ１２を開閉して、算出したタイミングで算出した量の尿素水Ｕを噴射させる。
【００１８】
尿素水インジェクタ１２から噴射される尿素水Ｕは、尿素水タンク２０に貯留されている。尿素水インジェクタ１２が開状態である場合、尿素水Ｕは、吸い込みライン２１からサプライポンプ２３に吸引され圧送ライン２５にて尿素水インジェクタ１２に圧送される。この際、フィルター２４を通して尿素水中の異物が除去される。また、ディーゼルエンジンが停止して、尿素水インジェクタ１２からの尿素水の噴射が停止した後（すなわち尿素水インジェクタ１２が閉状態である場合）、圧送ライン２５に残留する余剰の尿素水Ｕは、フィルター２４の吐出側の圧送ライン２５から戻しライン２６によって尿素水タンク２０内に戻される。
【００１９】
尿素水タンク２０内には、超音波式または光学式の尿素水センサ２７が設けられる。尿素水センサ２７は、尿素水タンク２０内の尿素水Ｕのレベル、品質（例えば、温度または尿素濃度）を検出し、ＤＣＵ１５へ送信する。例えば、尿素水タンク２０内の尿素水Ｕのレベルが尿素水センサ２７で検出される場合、尿素水センサ２７で検出された尿素水Ｕのレベルから尿素水Ｕの残存量を検出し、尿素水Ｕの補充の目安としている。
【００２０】
なお、尿素水インジェクタ１２およびＤＣＵ１５は、本発明の「還元剤噴射装置」として機能する。
【００２１】
ところで、ＳＣＲシステム１００においては、排気管１０に噴射された尿素水が原因で以下のような不具合が生じる場合があった。すなわち、排気ガスの温度が低い場合（すなわち、排気ガスの流量が少ない場合）、尿素水の加水分解が不十分となり、排気管１０内の特に凹み部分に、尿素水が加水分解する際に生じるシアヌル酸などに代表される白色生成物が堆積する。排気管１０内に白色生成物が堆積すると、排気管１０の腐食やＳＣＲ装置１１の損傷劣化が発生するという問題があった。
【００２２】
一方、排気ガスの温度が高い場合（すなわち、排気ガスの流量が多い場合）、還元対象のＮＯｘ量ひいては尿素水の噴射量が多いこともあり、噴射された尿素水は排気ガスによって排気管１０の底部内壁面をなめるように流されやすい。そのため、底部内壁面に、尿素水が留まりやすい。そして、留まった尿素水からカルバミン酸アンモニウム等の強腐食性物質が生成され、当該尿素水の強腐食性物質濃度が上昇することにより、排気管１０の腐食が発生するという問題があった。
【００２３】
そこで、本実施の形態では、ＤＣＵ１５は、排気ガスの温度に応じて、排気管１０に噴射される尿素水の粒径を変更する制御を行う。図２は、本実施の形態における尿素水の噴射態様を説明する図である。具体的には、図２Ａは、排気ガス３０の温度が低い場合における尿素水Ｕの噴射態様を説明する図である。図２Ｂは、排気ガス３０の温度が低い場合における尿素水Ｕの噴射態様を説明する図である。
【００２４】
排気ガス３０の温度が低い場合、図２Ａに示すようにＤＣＵ１５は、噴射される尿素水Ｕの粒径が小さくなるとともに、排気ガス３０の通過方向（図中矢印方向）に対する尿素水Ｕの噴射角度が小さくなるように尿素水インジェクタ１２を制御する。本実施の形態では、排気ガス３０の通過方向に対して尿素水Ｕの噴射方向は平行する。
【００２５】
一方、排気ガス３０の温度が高い場合、図２Ｂに示すようにＤＣＵ１５は、噴射される尿素水Ｕの粒径が大きくなるとともに、排気ガス３０の通過方向に対する尿素水Ｕの噴射角度が大きくなるように尿素水インジェクタ１２を制御する。本実施の形態では、排気ガス３０の通過方向に対して尿素水Ｕの噴射方向は斜めとなる。すなわち、排気管１０内における排気ガス３０の通過方向に対する尿素水Ｕの噴射角度は、排気ガス３０の温度が高い場合より、排気ガス３０の温度が低い場合の方が小さい。
【００２６】
次に、排気管１０に噴射される尿素水の粒径を変更するための尿素水インジェクタ１２の構成について説明する。尿素水インジェクタ１２は、電気的に駆動され、ディーゼルエンジンに用いられる燃料噴射弁と同様な電磁式開閉弁である。
【００２７】
尿素水インジェクタ１２では、ＤＣＵ１５からの通電信号に電磁ソレノイド（図示せず）が通電されると、その通電に伴いニードル（図示せず）が開弁方向に移動する。すると、圧送ライン２５にて圧送された尿素水Ｕは、尿素水インジェクタ１２内の尿素水通路１２ｂを通過し、出口開口１２ａを介して排気管１０内に噴射される。出口開口１２ａは、外径の異なる複数の噴孔を有し、ＤＣＵ１５の制御により尿素水インジェクタ１２の軸回りに回転可能なプレート部材である。なお、電磁ソレノイドが通電されない場合、ニードルは閉弁方向に移動し、圧送ライン２５にて圧送された尿素水Ｕは、排気管１０内に噴射されない。
【００２８】
図３は、本実施の形態における尿素水インジェクタ１２の噴孔の切り替え機構を示す図である。図３Ａ，３Ｃは、尿素水インジェクタ１２の出口開口１２ａの開口面を示す図である。図３Ｂ，３Ｄは、図３Ａ，３ＣのＡ−Ａ断面図である。
【００２９】
図３Ａ，３Ｃに示すように、出口開口１２ａは、外径が小さい第１噴孔３２を複数有する第１噴孔群と、外径が大きい第２噴孔３４を複数有する第２噴孔群とを備える。図３Ｂ，３Ｄに示すように、第２噴孔３４は、出口開口１２ａの軸方向に対して斜めに孔が開けられている。つまり、第２噴孔３４から噴射される尿素水Ｕの噴射方向は、尿素水インジェクタ１２の軸方向に対して斜めとなる。図３Ｃ，３Ｄは、ＤＣＵ１５の制御により出口開口１２ａの回転位置が制御され、尿素水インジェクタ１２内の尿素水通路１２ｂと、複数の第２噴孔３４からなる第２噴孔群とが連通し、複数の第２噴孔３４から尿素水Ｕが噴射される様子を示している。
【００３０】
ＤＣＵ１５は、排気ガス３０の温度が高い場合、尿素水インジェクタ１２内の尿素水通路１２ｂと、複数の第２噴孔３４からなる第２噴孔群とが連通する回転位置まで出口開口１２ａを回転させる。その結果、図２Ｂに示すように、噴射される尿素水Ｕの粒径が大きくなるとともに、排気ガス３０の通過方向に対する尿素水Ｕの噴射角度が大きくなる。
【００３１】
また、図３Ｂ，３Ｄに示すように、第１噴孔３２は、出口開口１２ａの軸方向に対して平行に孔が開けられている。つまり、第１噴孔３２から噴射される尿素水Ｕの噴射方向は、尿素水インジェクタ１２の軸方向に対して平行となる。図３Ａ，３Ｂは、ＤＣＵ１５の制御により出口開口１２ａの回転位置が制御され、尿素水インジェクタ１２内の尿素水通路１２ｂと、複数の第１噴孔３２からなる第１噴孔群とが連通し、複数の第１噴孔３２から尿素水Ｕが噴射される様子を示している。
【００３２】
ＤＣＵ１５は、排気ガス３０の温度が低い場合、尿素水インジェクタ１２内の尿素水通路１２ｂと、複数の第１噴孔３２からなる第１噴孔群とが連通する回転位置まで出口開口１２ａを回転させる。その結果、図２Ａに示すように、噴射される尿素水Ｕの粒径が小さくなるとともに、排気ガス３０の通過方向に対する尿素水Ｕの噴射角度が小さくなる。
【００３３】
次に、図４のフローチャートを参照し、本実施の形態におけるＤＣＵ１５の動作例について説明する。図４における処理は、ディーゼルエンジンが稼働し、尿素水インジェクタ１２から尿素水Ｕが噴射される場合に所定時間毎に繰り返し実行される。
【００３４】
まず、ＤＣＵ１５は、温度検出センサ１３から、尿素水インジェクタ１２の噴射位置における排気ガス３０の温度を取得する（ステップＳ１００）。次に、ＤＣＵ１５は、取得した排気ガス３０の温度が高いか否かについて判定する（ステップＳ１２０）。
【００３５】
判定の結果、排気ガス３０の温度が高い場合（ステップＳ１２０、ＹＥＳ）、ＤＣＵ１５は、尿素水インジェクタ１２内の尿素水通路１２ｂと、複数の第２噴孔３４からなる第２噴孔群とが連通する回転位置まで出口開口１２ａを回転させることによって、外径が大きい第２噴孔３４から所定時間、尿素水Ｕを噴射させる（ステップＳ１４０）。その結果、図２Ｂに示すように、噴射される尿素水Ｕの粒径が大きくなるとともに、排気ガス３０の通過方向に対する尿素水Ｕの噴射角度が大きくなる。ステップＳ１４０の処理が完了することによって、ＤＣＵ１５は、図４における処理を終了する。
【００３６】
一方、排気ガス３０の温度が低い場合（ステップＳ１２０、ＮＯ）、ＤＣＵ１５は、尿素水インジェクタ１２内の尿素水通路１２ｂと、複数の第１噴孔３２からなる第１噴孔群とが連通する回転位置まで出口開口１２ａを回転させることによって、外径が小さい第１噴孔３２から所定時間、尿素水Ｕを噴射させる（ステップＳ１６０）。その結果、図２Ａに示すように、噴射される尿素水Ｕの粒径が小さくなるとともに、排気ガス３０の通過方向に対する尿素水Ｕの噴射角度が小さくなる。ステップＳ１６０の処理が完了することによって、ＤＣＵ１５は、図４における処理を終了する。
【００３７】
以上詳しく説明したように、本実施の形態では、尿素水インジェクタ１２は、外径が小さい第１噴孔３２と、外径が大きい第２噴孔３４とを有する。そして、ＤＣＵ１５は、排気ガス３０の温度が高い場合、第２噴孔３４から尿素水Ｕを噴射するように尿素水インジェクタ１２を制御する一方、排気ガス３０の温度が低い場合、第１噴孔３２から尿素水Ｕを噴射するように尿素水インジェクタ１２を制御する。
【００３８】
このように構成した本実施の形態によれば、排気ガス３０の温度が低い場合、粒径の小さい尿素水Ｕが尿素水インジェクタ１２から噴射される。この場合、尿素水Ｕは、排気ガス３０の排気熱を受けやすく蒸発しやすい。それゆえ、粒径の大きい尿素水Ｕが噴射される場合と比べて尿素水Ｕの加水分解が進みやすくなり、排気管１０に白色生成物が堆積しにくくなる。その結果、排気管１０内に白色生成物が堆積することに起因して排気管１０の腐食やＳＣＲ装置１１の損傷劣化が発生することを防止できる。
【００３９】
また、排気ガス３０の温度が高い場合、粒径の大きい尿素水Ｕが尿素水インジェクタ１２から噴射される。この場合、尿素水Ｕは、排気ガス３０に流されにくくなり、排気管１０の底部内壁面に留まりにくくなる。その結果、留まった尿素水Ｕからカルバミン酸アンモニウム等が生成され、それにより排気管１０の腐食が発生することを防止できる。
【００４０】
また、本実施の形態では、排気官１０内における排気ガス３０の通過方向に対する尿素水Ｕの噴射角度は、第２噴孔３４から尿素水Ｕを噴射する場合より、第１噴孔３２から尿素水Ｕを噴射する場合の方が小さい。具体的には、排気ガス３０の温度が低い場合、排気ガス３０の通過方向に対して尿素水Ｕの噴射方向は平行する。これにより、第１噴孔３２から噴射された尿素水Ｕは、排気ガス３０に流されやすくなり、排気管１０内に付着すること（白色生成物の堆積の一因）をより防止することができる。
【００４１】
また、排気ガス３０の温度が高い場合、排気ガス３０の通過方向に対して尿素水Ｕの噴射方向は排気管１０の内壁面に衝突した尿素水Ｕが排気管１０に付着しない角度となる。噴射粒径が大きく運動量が高いため、第２噴孔３４から噴射された尿素水Ｕは、排気ガス３０に流されず期待した角度で排気管１０の内壁面へ到達する。これにより、排気管１０の一部（底部内壁面）に尿素水Ｕがより留まりにくくすることができる。
【００４２】
なお、上記実施の形態では、排気ガス３０の温度に応じて、第１噴孔３２および第２噴孔３４の何れかを選択し、選択した噴孔から尿素水Ｕを噴射するように尿素水インジェクタ１２を制御する例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、排気ガス３０の温度に関連するパラメーターである排気ガス３０の流量を例えば流量センサから取得し、その流量に応じて、第１噴孔３２および第２噴孔３４の何れかを選択し、選択した噴孔から尿素水Ｕを噴射するように尿素水インジェクタ１２を制御しても良い。
【００４３】
また、上記実施の形態では、尿素水インジェクタ１２の出口開口１２ａは、外径の異なる２つ（第１噴孔３２および第２噴孔３４）の噴孔を有する例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、尿素水インジェクタ１２の出口開口１２ａは、外径の異なる３つ以上の噴孔を有しても良い。この場合、排気ガス３０の温度に応じて、より好適な外径を有する噴孔を選択し、選択した噴孔から尿素水Ｕを噴射するように尿素水インジェクタ１２を制御しても良い。
【００４４】
また、上記実施の形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は、還元剤の噴射に起因して排気管やＳＣＲ装置の損傷劣化が発生することを防止可能な還元剤噴射装置および還元剤インジェクタの制御方法として有用である。
【符号の説明】
【００４６】
１０  排気管
１１  ＳＣＲ装置
１２  尿素水インジェクタ
１２ａ  出口開口
１２ｂ  尿素水通路
１３  温度検出センサ
１４  ＮＯｘセンサ
１５  ＤＣＵ
２０  尿素水タンク
２１  吸い込みライン
２２  サプライモジュール
２３  サプライポンプ
２４  フィルター
２５  圧送ライン
２６  戻しライン
２７  尿素水センサ
３０  排気ガス
３２  第１噴孔
３４  第２噴孔
１００  ＳＣＲシステム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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