(57)【要約】      （修正有）【課題】簡素な構成で還元剤噴射弁からの還元剤の吸い戻しと還元剤噴射弁への還元剤の供給を確実に行う。【解決手段】本発明に係る排気浄化装置は、内燃機関の排気通路１１に還元剤を噴射する還元剤噴射弁３４と、還元剤噴射弁３４に供給される還元剤が貯蔵される貯蔵タンクと、第１の状態では貯蔵タンクから還元剤噴射弁３４に還元剤を供給し、第２の状態では還元剤噴射弁３４から貯蔵タンクへ還元剤を吸い戻すポンプと、ポンプよりも還元剤噴射弁３４側の還元剤の流路に設けられ、還元剤の透過を遮断して空気のみを透過させる空気透過部材７０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】
内燃機関の排気通路に還元剤を噴射する還元剤噴射弁と、
前記還元剤噴射弁に供給される還元剤が貯蔵される貯蔵タンクと、
第１の状態では前記貯蔵タンクから前記還元剤噴射弁に還元剤を供給し、第２の状態では前記還元剤噴射弁から前記貯蔵タンクへ還元剤を吸い戻すポンプと、
前記ポンプよりも前記還元剤噴射弁側の還元剤の流路に設けられ、還元剤の透過を遮断して空気のみを透過させる空気透過部材と、
を備えることを特徴とする、排気浄化装置。
【請求項２】
前記空気透過部材は、前記還元剤噴射弁に設けられたことを特徴とする、請求項１に記載の排気浄化装置。
【請求項３】
前記空気透過部材は、前記ポンプから前記還元剤噴射弁に至る還元剤の供給管に設けられたことを特徴とする、請求項１に記載の排気浄化装置。
【請求項４】
前記空気透過部材は、ＰＴＦＥメンブレン又はゴアテックスから構成されることを特徴とする、請求項１に記載の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両等に搭載された内燃機関から排出される排気ガスには窒素酸化物（ＮＯｘ）が含まれる場合がある。このＮＯｘを浄化する排気浄化装置の一つとして、内燃機関の排気通路に備えられた還元触媒の上流側で還元剤を噴射し、還元剤とＮＯｘとの還元反応を触媒によって促進させ、ＮＯｘを窒素や水、二酸化炭素等に分解して大気中に放出するように構成されたものがある。
【０００３】
このような排気浄化装置として、尿素水溶液やアンモニア水を還元剤として用いる尿素ＳＣＲ（Selective Catalyst Reduction）システムがある。尿素ＳＣＲシステムでは、アンモニアの吸着機能を有するＮＯｘ選択還元触媒が用いられ、還元剤が加水分解することによって生成されるアンモニアが還元触媒に吸着され、そこに流入する排気ガス中のＮＯｘがアンモニアと反応することで浄化される。
【０００４】
ＳＣＲシステムにおいては、還元剤噴射弁から排気通路に還元剤が噴射される。還元剤として用いられる尿素水溶液は融点が比較的高く、氷点下で凍結するため、エンジン停止時等においては、還元剤を貯蔵するタンクから還元剤噴射弁に至る経路、及び還元剤噴射弁内で還元剤が凍結することが想定される。このため、下記の特許文献１には、エンジン停止後に尿素水の吸い戻しを行う技術が記載されている。
【０００５】
また、下記の特許文献２には、ポンプが還元剤吸い戻し状態で駆動された時に開放される吸気弁を設け、吸気弁の開放により外部からエアを導入することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１９６５５２号公報
【特許文献２】特開２００８−１０１５６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
還元剤を貯蔵タンクに吸い戻す際には、還元剤噴射弁が開かれ、還元剤を供給するポンプを逆回転させるか、又は還元剤の流れを逆方向に切り換える。しかし、内燃機関の停止直後に還元剤を貯蔵タンクに吸い戻すと、還元剤噴射弁へ高温の排気ガスが流入する。更に、流入した排気ガスは、還元剤噴射弁へ還元剤を供給する供給管、及びポンプへ到達する。流入した高温の排気ガスは、還元剤を貯蔵タンクに吸い戻した後に収縮し、この結果、ポンプの停止後において、貯蔵タンクからポンプ、供給管、還元剤噴射弁へ還元剤が戻ってしまう。この状態で外気温が還元剤の凍結温度まで低下すると、凍結により還元剤が膨張し、ポンプ、供給管、還元剤噴射弁等が破損する可能性がある。
【０００８】
このため、内燃機関が停止してから還元剤の吸い戻しを行うまで待機時間（例えば、１５分程度）を設け、待機時間の経過後に還元剤を貯蔵タンクに吸い戻す制御が行われる。待機時間を設けることにより、排気管内の温度が低下し、吸い戻し時に比較的低温のガスが還元剤噴射弁から供給管、ポンプへ流入するため、収縮による還元剤の戻りを回避できる。しかしながら、この制御を行うと、待機時間の間は還元剤噴射装置の電源がオン（ＯＮ）状態とされるため、バッテリー電力の浪費に繋がる問題がある。
【０００９】
また、還元剤噴射弁は排気通路に設けられるため、排気熱の影響によって還元剤噴射弁の動作に不具合が生じることが考えられる。例えば、尿素水の沸点は１２０℃程度であり、排気熱により還元剤噴射弁内で尿素水が沸騰すると、尿素の結晶が析出して結晶化し、弁の可動部が固着して弁動作に不具合が生じる場合が想定される。また、排気熱により還元剤噴射弁の構成部品が劣化して弁の動作に不具合が生じることも考えられる。
【００１０】
還元剤噴射弁に不具合が生じて開弁できなくなった場合、ポンプを逆回転させて貯蔵タンクへの還元剤の吸い戻しを実行しても、還元剤噴射弁に空気を導入することができない。このため、ポンプから還元剤噴射弁に至る経路に負圧が発生し、還元剤の吸い戻しは困難になる。
【００１１】
特許文献２に記載された技術では、還元剤（尿素水）の通路に吸気弁が設けられている。吸気弁は、内蔵バネの付勢力と尿素水圧力とのバランスにより開閉する機械式のチェック弁により構成され、ポンプが逆回転で駆動された時に尿素水供給管内の負圧により開放されて外部からエアを導入する。しかしながら、この構成では、吸気弁の構成が複雑となり、製造コストが上昇する問題がある。
【００１２】
また、還元剤の結晶化等の要因により還元剤噴射弁に不具合が生じている場合であっても、還元剤が還元剤噴射弁に供給されると、固着した部分が溶解して弁の作動が可能になる場合がある。しかしながら、特許文献２に記載された技術では、吸気弁は尿素水供給管内の負圧により開放される構成となっている。このため、尿素水供給管内の尿素水を貯蔵タンクに吸い戻した後、尿素水を還元剤噴射弁（尿素水添加弁）に再度供給する際に、故障により還元剤噴射弁が開弁できない場合は、尿素水供給管内が正圧となるため吸気弁は開弁しない。従って、尿素水供給管内の空気を吸気弁から排出することができず、尿素水が還元剤噴射弁に到達できなくなり、尿素水により固着した部分を溶解することは困難となる。これにより、還元剤噴射弁の不具合を回復させることができず、結果として還元剤噴射弁の交換が必要となり、修理のためのコストが増大する問題がある。
【００１３】
そこで、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、簡素な構成で還元剤噴射弁からの還元剤の吸い戻しと還元剤噴射弁への還元剤の供給を確実に行うことが可能な、新規かつ改良された排気浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、内燃機関の排気通路に還元剤を噴射する還元剤噴射弁と、前記還元剤噴射弁に供給される還元剤が貯蔵される貯蔵タンクと、第１の状態では前記貯蔵タンクから前記還元剤噴射弁に還元剤を供給し、第２の状態では前記還元剤噴射弁から前記貯蔵タンクへ還元剤を吸い戻すポンプと、前記ポンプよりも前記還元剤噴射弁側の還元剤の流路に設けられ、還元剤の透過を遮断して空気のみを透過させる空気透過部材と、を備える、排気浄化装置が提供される。
【００１５】
前記空気透過部材は、前記還元剤噴射弁に設けられたものであっても良い。
【００１６】
また、前記空気透過部材は、前記ポンプから前記還元剤噴射弁に至る還元剤の供給管に設けられたものであっても良い。
【００１７】
また、前記空気透過部材は、ＰＴＦＥメンブレン又はゴアテックスから構成されるものであっても良い。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、簡素な構成で還元剤噴射弁からの還元剤の吸い戻しと還元剤噴射弁への還元剤の供給を確実に行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置とその周辺の構成の一例を示す模式図である。
【図２】還元剤噴射弁の周辺の構造を詳細に示す模式図である。
【図３】空気透過部材を第２の還元剤供給通路に設け、還元剤供給通路の内部と外部を空気透過部材によって接続した例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【００２１】
１．排気浄化装置
（１）全体構成
図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置１０とその周辺の構成の一例を示している。この排気浄化装置１０は、内燃機関５の排気通路１１に接続されており、還元触媒２０と、還元剤噴射装置３０と、制御装置６０等を備えており、内燃機関５から排出される排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を、還元剤としての尿素水溶液を用いて浄化する尿素ＳＣＲシステムとして構成されている。ただし、本実施形態において使用できる還元剤は尿素水溶液に限られるものではなく、例えばアンモニア水等、アンモニアが生成されるものであればよい。
【００２２】
内燃機関５は、ＥＣＵ(Engine Control Unit)５０によって制御される。制御装置６０は、内燃機関５の制御に関する制御データ等をＣＡＮ(Control Area Network)バスシステムを介してＥＣＵ５０から受信する。
【００２３】
排気通路１１において、内燃機関５と還元触媒２０との間には酸化触媒１２（ＤＯＣ）が配置されている。酸化触媒１２は、排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）を酸化する機能を有する。酸化触媒１２は公知の触媒が適宜用いられる。
【００２４】
本実施形態の排気浄化装置１０に用いられる還元触媒２０は、排気通路１１内に噴射された尿素水溶液が加水分解することで生成されるアンモニアを吸着し、アンモニアとＮＯｘとの還元反応を促進する機能を有している。具体的には、還元触媒２０では、尿素水溶液中の尿素が分解することによって生成されるアンモニア（ＮＨ３）がＮＯｘと反応することにより、ＮＯｘが窒素（Ｎ２）及び水（Ｈ２Ｏ）に分解される。還元触媒２０は公知の触媒が適宜用いられる。
【００２５】
また、還元触媒２０の下流側には排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出するためのＮＯｘセンサ１４が備えられている。ＮＯｘセンサ１４のセンサ信号は、制御装置６０に送信され、制御装置６０ではこのセンサ信号に基づいて排気ガス中のＮＯｘ濃度が算出される。また、還元触媒２０の上流側には排気ガスの温度を検出する排気温度センサ１３が設けられている。
【００２６】
（２）還元剤噴射装置
還元剤噴射装置３０は、貯蔵タンク３１と、還元剤噴射弁３４と、ポンプ４１等を主たる要素として構成されている。貯蔵タンク３１とポンプ４１とは第１の還元剤供給通路５７で接続され、ポンプ４１と還元剤噴射弁３４とは第２の還元剤供給通路５８で接続されている。このうち第２の還元剤供給通路５８には圧力センサ４３が設けられている。圧力センサ４３のセンサ信号は制御装置６０に送信され、制御装置６０ではこのセンサ信号に基づいて第２の還元剤供給通路５８内の圧力が算出される。
【００２７】
貯蔵タンク３１には、尿素水溶液の温度を検出するためのタンク温度センサ１８が設けられている。ポンプ４１としては、制御装置６０により駆動制御される電動ポンプが用いられている。本実施形態において、ポンプ４１は、圧力センサ４３によって検出される第２の還元剤供給通路５８内の圧力が所定値に維持されるように、その出力がフィードバック制御されるように構成されている。
【００２８】
還元剤噴射弁３４は、制御装置６０により開弁のオンオフが制御される電磁駆動式のオンオフ弁が用いられており、還元触媒２０よりも上流側において排気通路１１に固定されている。この還元剤噴射弁３４は、基本的には、第２の還元剤供給通路５８内の圧力が目標値に維持されている状態で通電制御が行われる。具体的には、演算によって求められる指示噴射量に応じて所定のＤＵＴＹサイクル中における開弁ＤＵＴＹ比を設定することにより、排気通路１１内への還元剤の噴射量が調節される。指示噴射量は、排気ガス中の窒素酸化物の流量と、還元触媒２０におけるアンモニアの吸着量とに応じて決定される。
【００２９】
本実施形態において、ポンプ４１は、正逆いずれの方向にも回転が可能となっている。ポンプ４１の正回転により貯蔵タンク３１内の尿素水溶液の吸い上げが行われ、尿素水溶液が還元剤噴射弁３４へ供給される。また、ポンプ４１の逆回転により還元剤噴射弁３４から貯蔵タンク３１への尿素水溶液の吸い戻しが行われる。以下では、還元剤噴射弁３４へ還元剤（尿素水溶液）を供給する状態を第１の状態と称し、還元剤噴射弁３４から還元剤を吸い戻す状態を第２の状態と称する。還元剤噴射弁３４への還元剤の供給（第１の状態）と、還元剤噴射弁３４からの還元剤の吸い戻し（第２の状態）とは、双方の状態のポンプ３４の回転方向を同一として、流路切換弁の制御により行うようにしても良い。このような還元剤噴射装置３０の基本構成は、公知の構成のものを用いることができる。
【００３０】
２．還元剤噴射弁の構成
ＳＣＲシステムでは、内燃機関５の停止後にポンプ４１を逆回転させ、貯蔵タンク３１から還元剤噴射弁３４までの経路に充填されている還元剤を貯蔵タンク３１内に戻す動作を行う（第２の状態）。これにより、貯蔵タンク３１から還元剤噴射弁３４までの経路に充填されている還元剤が低温時に凍結してしまうことを抑止できる。なお、このような還元剤を貯蔵タンク３１に戻す動作は、ＣＡＮ信号にエラーが生じている場合等、エラー発生時にも行うことができる。
【００３１】
還元剤を貯蔵タンク３１に戻す際には、還元剤噴射弁３４が開かれる。この際、還元剤噴射弁３４に不具合が生じており、還元剤噴射弁３４が開弁できない場合は、ポンプ４１を逆回転させて還元剤を吸い戻す際にポンプ４１から還元剤噴射弁３４に至る経路に負圧が発生し、還元剤を貯蔵タンク３１に戻すことが困難になる可能性がある。
【００３２】
このため、本実施形態では、還元剤噴射弁３４に空気を透過可能な空気透過部材７０を設けている。空気透過部材７０は、例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）メンブレン、ゴアテックス(登録商標)等の材料（撥水性微多孔材料）から構成され、液体（水分）は通さないが空気（気体）を通すという特性を備えている。
【００３３】
図２は、還元剤噴射弁３４とその周辺の構造を示す模式図である。図１では、便宜上排気通路１１を直線状に図示したが、より詳細には、図２に示すように、排気通路１１は屈曲して設けられている。そして、排気通路１１が鉛直方向に延在している部位に還元剤噴射弁３４が設置され、第２の還元剤供給通路５８はポンプ４１に向かって下降していくように配置されている。
【００３４】
図２に示すように、還元剤噴射弁３４はニードル３４ａと孔３４ｂを備え、ニードル３４ａが孔３４ｂを塞いだ状態では閉弁状態とされ、ニードル３４ａが孔３４ｂを塞いでいない状態では開弁状態とされる。空気透過部材７０は、還元剤噴射弁３４に設けられた孔３４ｃを覆うように装着されている。図２では、空気透過部材７０をブロック状に示したが、空気透過部材７０は、例えば１ｃｍ四方の正方形とされ、孔３４ｃを覆うように貼り付けられていても良い。
【００３５】
ポンプ４１が逆回転した場合は、外気が空気透過部材７０を透過して還元剤噴射弁３４内に吸い込まれる。この際、空気透過部材７０は排気通路１１の外の外気を吸い込むため、排気ガスに比べて極めて低い温度の外気が還元剤噴射弁３４から貯蔵タンク３１に至る経路に導入される。一方、ポンプ４１が正回転した場合（第１の状態）は、還元剤噴射弁３４内の空気が空気透過部材７０を透過して外部に排出される。なお、還元剤噴射弁３４には冷却管（不図示）により内燃機関５の冷却水が導入されており、還元剤噴射弁３４の温度は８０℃程度に保たれている。
【００３６】
上述のように、還元剤を貯蔵タンク３１に戻す際には、ポンプ４１を逆回転させ、還元剤噴射弁３４を開弁する。これにより、排気通路１１から第２の還元剤供給通路５８へ空気が導入され、還元剤をポンプ４１側へ戻すことが可能となる。
【００３７】
本実施形態では、還元剤を貯蔵タンク３１に戻す際に、不具合により還元剤噴射弁３４が開弁できない場合であっても、空気透過部材７０から還元剤噴射弁３４へ空気が導入され、更に、この空気は第２の還元剤供給通路５８、ポンプ４１へ導入される。これにより、還元剤噴射弁３４が開弁できない場合であっても、貯蔵タンク３１から還元剤噴射弁３４に至る経路内の還元剤を貯蔵タンク３１に確実に吸い戻すことが可能となる。
【００３８】
また、図２に示すように、排気通路１１が鉛直方向に延在している部位に還元剤噴射弁３４が設置され、第２の還元剤供給通路５８はポンプ４１に向かって下降していくように配置されているため、還元剤噴射弁３４内に残留する還元剤は重力によりポンプ４１の方向へ流れる。従って、ポンプ４１を逆回転させて吸い戻しを行った場合に、還元剤噴射弁３４に一部の還元剤が残留していたとしても、重力により還元剤を確実に貯蔵タンク３１へ戻すことが可能である。なお、還元剤噴射弁３４内に残留する還元剤の量をできるだけ少なくするためには、還元剤噴射弁３４の先端に近い位置に空気透過部材７０を装着することが望ましい。
【００３９】
空気透過部材７０を設けていない場合、還元剤噴射弁３４が開弁できないと、ポンプ４１を逆回転させた際に第２の還元剤供給通路５８に負圧が発生し、貯蔵タンク３１から還元剤噴射弁３４に至る経路内の還元剤を貯蔵タンク３１に吸い戻すことが困難となる。この状態で外気温が還元剤の凍結温度まで低下すると、凍結により還元剤が膨張し、ポンプ４１、第１の還元剤供給通路５７及び第２の還元剤供給通路５８、還元剤噴射弁３４等が破損してしまう可能性がある。本実施形態では、空気透過部材７０を設けたことにより、不具合により還元剤噴射弁３４が開弁できない場合であっても、貯蔵タンク３１から還元剤噴射弁３４に至る経路内の還元剤を確実に貯蔵タンク３１に吸い戻すことが可能となる。従って、還元剤噴射弁３４に不具合が生じている場合は、還元剤噴射弁３４を交換すれば足り、ポンプ４１、第１の還元剤供給通路５７及び第２の還元剤供給通路５８等が凍結により破損してしまうことを確実に抑止できる。これにより、還元剤噴射弁３４に不具合が生じている場合であっても、他の部材への２次的な影響を最小限に抑えることができる。
【００４０】
また、本実施形態によれば、空気透過部材７０を設けたことにより、還元剤噴射弁３４を開くことなく還元剤を貯蔵タンク３１に吸い戻すことが可能となる。これにより、内燃機関５の運転停止直後に還元剤を吸い戻した場合に、比較的温度の低い外気が空気透過部材７０から還元剤噴射弁３４内へ流入し、排気通路１１内の高温のガスが還元剤噴射弁３４から貯蔵タンク３１に至る経路内に入ることがない。従って、内燃機関５の運転停止後、待機時間を設けることなく還元剤の吸い戻しを行うことができ、バッテリーの電力消費を確実に抑えることが可能である。また、還元剤を貯蔵タンク３１に吸い戻す際に、還元剤噴射弁３４を開く必要が無いため、還元剤噴射弁３４の制御を簡素化することが可能となる。
【００４１】
内燃機関５を始動する際には、ポンプ４１を正回転させて貯蔵タンク３１内の還元剤を還元剤噴射弁３４へ供給する（第１の状態）。この際、還元剤の供給前に貯蔵タンク３１から還元剤噴射弁３４に至る経路に存在していた空気は、還元剤の供給により空気透過部材７０から外部へ排出される。従って、還元剤の供給開始時に、還元剤噴射弁３４を開くことなく還元剤を還元剤噴射弁３４まで到達させることが可能となる。
【００４２】
これにより、還元剤噴射弁３４が不具合により開弁できない場合であっても、還元剤を還元剤噴射弁３４まで到達させることが可能となる。従って、還元剤噴射弁３４が尿素の結晶化等により開弁できなくなっている場合は、還元剤噴射弁３４に還元剤が供給されることによって結晶が溶解し、開弁を可能とすることができる。また、還元剤噴射弁３４を閉じた状態で還元剤を還元剤噴射弁３４へ供給することができるため、還元剤噴射弁３４の制御を簡素化することが可能となる。
【００４３】
図３は、空気透過部材７０を第２の還元剤供給通路５８に設け、第２の還元剤供給通路５８の内部と外部を空気透過部材７０を介して接続した例を示す模式図である。このように、空気透過部材７０は第２の還元剤供給通路５８に設けても良い。但し、ポンプ４１を逆回転させた際に、還元剤を第２の還元剤供給通路５８内になるべく残留させないようにするためには、できるだけ還元剤噴射弁３４と近接する位置に空気透過部材７０を配置することが望ましい。また、還元剤を還元剤噴射弁３４に充填する際にも、空気透過部材７０をできるだけ還元剤噴射弁３４と近接する位置に配置しておくことで、噴孔（孔３４ｃ）が詰まっている場合でも、還元剤を還元剤噴射弁３４に確実に充填することができる。
【００４４】
以上説明したように本実施形態によれば、空気透過部材７０を設けたことにより、還元剤噴射弁３４を閉じた状態で還元剤を吸い戻すことが可能となる。これにより、内燃機関５が停止してから排気通路１１内の温度が低下するまで待機する必要が無くなり、バッテリーの電力消費を大幅に抑えることが可能となる。
【００４５】
また、還元剤を貯蔵タンク３１に吸い戻す際に、還元剤噴射弁３４が何らかの原因により開弁できない場合であっても、空気透過部材７０から空気を導入することが可能となる。これにより、還元剤噴射弁３４が開弁できない場合であっても還元剤の吸い戻しを確実に行うことが可能となる。
【００４６】
更に、内燃機関５の運転開始時に還元剤噴射弁３４へ還元剤を供給すると、貯蔵タンク３１から還元剤噴射弁３４へ至る経路の空気が空気透過部材７０から外部へ排出される。これにより、内燃機関５の運転開始時に還元剤噴射弁３４が開弁できない場合であっても、貯蔵タンク３１内の還元剤を還元剤噴射弁３４に確実に供給することが可能となる。
【００４７】
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。
【符号の説明】
【００４８】
５      内燃機関
１０    排気浄化装置
１１    排気通路
３１    貯蔵タンク
４１    ポンプ
７０    空気透過部材
【図１】
2015021464.tif 000003
【図２】
2015021464.tif 000004
【図３】
2015021464.tif 000005