(57)【要約】【課題】還元剤水溶液の溶質の析出による還元剤添加弁の動作不良を好適に抑制することのできるエンジンの還元剤添加装置を提供する。【解決手段】尿素水添加弁１３内部の可動コア、固定コア間の部分に尿素水の液面を位置させるために必要な尿素水量、および尿素水添加弁１３の内部に残留する尿素水の最大水分蒸発量の合計分の尿素水が尿素水添加弁１３の内部に残されるように、エンジン運転停止時の尿素水ポンプ１５の吸出運転を行うようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性体によってそれぞれ形成された可動コアおよび固定コアの２つのコアを有するとともに、コイルへの通電に応じて発生する電磁力で可動コアを固定コアに吸引することで排気中に還元剤水溶液を添加する還元剤添加弁と、その還元剤添加弁に還元剤水溶液を送るための送出運転と同還元剤添加弁から還元剤水溶液を吸い出すための吸出運転とを切り換え可能な還元剤ポンプと、を備えるエンジンの還元剤添加装置において、
前記可動コアおよび前記固定コアの間の部分に還元剤水溶液の液面を位置させるために必要な還元剤水溶液量と、同還元剤添加弁の内部に残留する還元剤水溶液の最大水分蒸発量との合計分の還元剤水溶液が前記還元剤添加弁の内部に残されるように前記吸出運転を行う、
ことを特徴とするエンジンの還元剤添加装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気中に還元剤水溶液を添加するエンジンの還元剤添加装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、車載等のエンジンの排気浄化システムとして、排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を効果的に浄化する尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システムが実用されている。尿素ＳＣＲシステムは、排気中に尿素水を添加するとともに、その尿素水の熱分解、加水分解により生成されたアンモニアを還元剤とした選択還元反応によって排気中のＮＯｘを還元して浄化する。
【０００３】
こうした尿素ＳＣＲシステムは、排気中に尿素水を添加する尿素水添加装置を備える。尿素水添加装置は、尿素水が入れられる尿素水タンクと、尿素水タンクから尿素水を汲み出して圧送する尿素水ポンプと、尿素水ポンプから送られた尿素水を排気中に添加する尿素水添加弁とを有する。
【０００４】
尿素水添加弁は、そのハウジング内に、噴孔を開閉するニードルを駆動するための２つのコア、すなわち、ニードルと一体に往復動可能にハウジング内に配設された可動コアと、ハウジングに固定された固定コアとを有する。可動コアは、スプリングによって固定コアから離れる方向へと付勢された状態で配設されている。また、固定コアの周囲は、コイルが巻回されている。そして、コイルへの通電に応じて発生する電磁力で可動コアを固定コアに吸引することで、噴孔が開かれて排気中への尿素水の添加が開始されるようになっている。
【０００５】
なお、冬季などには、エンジンの運転終了後に、尿素水添加弁に尿素水を供給するための配管内に尿素水が残存したままとなっていると、尿素水が凍結して、その凍結に伴う尿素水の体積膨張により配管が損傷してしまうことがある。そこで従来、特許文献１に記載の尿素水添加装置では、エンジンの運転終了時に尿素水ポンプを逆転運転することで、尿素水添加弁や配管に残存する尿素水を尿素水タンクに吸い戻すようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−２５５６０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記のような尿素水の吸い戻しを行った後でも、尿素水添加弁の内部には、若干の尿素水は残される。このまま放置されると、残された尿素水から水分が蒸発して、尿素が析出する。そして、可動コアと固定コアの間の部分に尿素が析出してしまうと、可動コアの動作が阻害されて尿素水を適切に添加できなくなることがある。なお、こうした問題は、アンモニア水溶液などの尿素水以外の還元剤水溶液を排気中に添加するエンジンの還元剤添加装置にも、同様に生じることがある。
【０００８】
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、還元剤水溶液の溶質の析出による還元剤添加弁の動作不良を好適に抑制することのできるエンジンの還元剤添加装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するエンジンの還元剤添加装置は、磁性体によってそれぞれ形成された可動コアおよび固定コアの２つのコアを有するとともに、コイルへの通電に応じて発生する電磁力で可動コアを固定コアに吸引することで排気中に還元剤水溶液を添加する還元剤添加弁と、その還元剤添加弁に還元剤水溶液を送るための送出運転と同還元剤添加弁から還元剤水溶液を吸い出すための吸出運転とを切り換え可能な還元剤ポンプと、を備える。そして、そうしたエンジンの還元剤添加装置において、可動コアおよび固定コアの間の部分に還元剤水溶液の液面を位置させるために必要な還元剤水溶液量と、同還元剤添加弁の内部に残留する還元剤水溶液の最大水分蒸発量との合計分の還元剤水溶液が還元剤添加弁の内部に残されるように上記吸出運転を行うようにしている。
【００１０】
上記構成では、吸出運転後に、還元剤添加弁の内部に残留した還元剤水溶液の水分が想定される最大限まで蒸発しても、可動コアおよび固定コアの間の部分に残留した還元剤水溶液が完全に蒸発し切ってしまわないようになる。そのため、同部分での還元剤水溶液の溶質の析出が、ひいてはその溶質の析出による還元剤添加弁の動作不良が好適に抑制されるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】還元剤添加装置の一実施形態が適用されるエンジンの尿素ＳＣＲシステムの構成を模式的に示す図。
【図２】図１の還元剤添加装置に設置された尿素水添加弁の断面構造を模式的に示す断面図。
【図３】（ａ）は吸出運転直後の尿素水添加弁の内部の状態を、（ｂ）は残留した尿素水の水分が限界まで蒸発したときの尿素水添加弁の内部の状態を、それぞれ模式的に示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、エンジンの還元剤添加装置の一実施形態を、図１及び図２を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態の還元剤添加装置は、車載用ディーゼルエンジンの排気系に設置された尿素ＳＣＲシステムに設置されている。
【００１３】
図１に示すように、エンジンの排気管１０には、アンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを還元して浄化するＳＣＲ触媒１１が設置されている。こうしたエンジンに適用される本実施形態の還元剤添加装置は、還元剤水溶液としての尿素水が入れられる尿素水タンク１２、排気管１０におけるＳＣＲ触媒１１の上流側の部分に設置された、還元剤添加弁としての尿素水添加弁１３、それらを繋ぐ配管１４、その配管１４上に設けられた、還元剤ポンプとしての尿素水ポンプ１５を有する。尿素水ポンプ１５は、回転方向の切り換えにより、尿素水添加弁１３に尿素水を送るための送出運転と、尿素水添加弁１３から尿素水を吸い出すための吸出運転とを切り換え可能とされている。
【００１４】
こうした尿素ＳＣＲシステムにおける尿素水添加弁１３および尿素水ポンプ１５の動作は、電子制御ユニット１６により制御されている。電子制御ユニット１６は、制御にかかる各種演算処理を行う中央演算処理装置（ＣＰＵ）、制御用のプログラムやデータが記憶された読込専用メモリー（ＲＯＭ）、ＣＰＵの演算結果や各種センサーの検出結果などが一時的に記憶されるランダムアクセスメモリー（ＲＡＭ）を有している。そして、電子制御ユニット１６は、車両各部に設けられた各種センサーの検出結果に基づいて、尿素水添加弁１３および尿素水ポンプ１５を制御する。
【００１５】
図２に示すように、尿素水添加弁１３は、円筒状のハウジング２０を有する。ハウジング２０の一端（図中左側の端）には、尿素水を添加するための噴孔２１が形成され、もう一端（図中右側の端）には、配管１４を接続するためのコネクター２２が設けられている。なお、以下の説明では、尿素水添加弁１３における噴孔２１側を同尿素水添加弁１３の先端とし、コネクター２２側を同尿素水添加弁１３の基端とする。
【００１６】
ハウジング２０の内部における尿素水添加弁１３の先端側の部分には、噴孔２１を開閉するためのニードル２３が図中左右方向に往復動可能に設置されている。ニードル２３は、図中左側に移動して、ハウジング２０における噴孔２１の内側の部分に形成された弁座２４に着座することで、噴孔２１を閉塞し、図中右側に移動して弁座２４から離間することで、噴孔２１を開放する。
【００１７】
ニードル２３における尿素水添加弁１３の基端側の端部は、磁性体からなる可動コア２５に、圧入や溶接などによって接合されている。可動コア２５は、スプリング２６により図中左側に付勢された状態で、図中左右方向に往復動可能にハウジング２０の内部に設置されている。
【００１８】
ハウジング２０の内部における可動コア２５の基端側の部分には、磁性体からなる固定コア２７が固定されている。固定コア２７の外周には、コイル２８が巻回されている。なお、ハウジング２０の内部には、コネクター２２から噴孔２１に至る尿素水の流路が形成されている。
【００１９】
こうした尿素水添加弁１３では、コイル２８への通電がなされると、それにより発生する電磁力によって可動コア２５が、スプリング２６の付勢力に抗して固定コア２７に吸引される。このときのニードル２３も可動コア２５と一体に移動して、その先端が弁座２４から離間するため、噴孔２１が開放されて、尿素水の添加が開始される。その後、コイル２８への通電が停止されると、可動コア２５とニードル２３は、スプリング２６の付勢力によって、ニードル２３の先端が弁座２４に当るまで図中左方に移動する。そのため、噴孔２１が閉塞され、尿素水の添加が停止される。
【００２０】
以上のように構成された本実施形態において、電子制御ユニット１６は、エンジン運転中に、尿素水添加弁１３による排気への尿素水の添加を制御する。このときの電子制御ユニット１６は、エンジンの運転状態や排気中のＮＯｘ量の検出結果などに基づいて、ＮＯｘの浄化に必要なアンモニアが過不足なくＳＣＲ触媒１１に供給されるように、尿素水添加弁１３からの尿素水の添加量を制御する。なお、尿素水添加量の制御は、尿素水添加弁１３による尿素水の添加の実行間隔を調整したり、１回の添加毎の尿素水添加弁１３からの尿素水の添加時間を調整したりすることで行われる。また、このときの電子制御ユニット１６は、尿素水ポンプ１５に送出運転を行わせて、尿素水添加弁１３に必要な量の尿素水を供給させる。
【００２１】
一方、電子制御ユニット１６は、エンジン運転の停止時に、尿素水添加弁１３や配管１４に残留した尿素水を吸い出して、尿素水タンク１２に戻すように、尿素水ポンプ１５に吸出運転を行わせる。
【００２２】
ここで、尿素水を限界まで吸い出しても、尿素水添加弁１３の内部には、少量の尿素水が残留する。この尿素水がそのまま放置されると、水分が蒸発して尿素が析出するようになる。このとき、尿素水添加弁１３の可動コア２５と固定コア２７の間の部分に尿素が析出すると、尿素水添加時に可動コア２５と固定コア２７の間に析出した尿素が挟まって、弁座２４からのニードル２３の離昇を適切に行えなくなる虞がある。
【００２３】
そこで、本実施形態では、吸出運転時における尿素水の吸出量を、可動コア２５、固定コア２７間の部分での尿素の析出を抑制可能な量に予め設定している。そして、その設定された量だけ、尿素水添加弁１３や配管１４から尿素水が吸い出されるように、吸出運転時の尿素水ポンプ１５の回転速度、運転時間が予め定められている。
【００２４】
具体的には、このときの尿素水ポンプ１５の尿素水の吸出量は、下式に従って決定されている。
吸出量Ａ＝総容積Ｔ−（必要残留量Ｎ＋最大蒸発量Ｖｍａｘ）
ここで、総容積Ｔは、尿素水添加弁１３の内部容積と、尿素水ポンプ１５から尿素水添加弁１３までの配管１４の内部容積とを足した値を表わしている。
【００２５】
また、必要残留量Ｎは、尿素水添加弁１３の内部における可動コア２５、固定コア２７間の部分に尿素水の液面を位置させるために必要な、尿素水添加弁１３の内部の尿素水量を表わしている。必要残留量Ｎの値は、尿素水添加弁１３の設置姿勢によって変化する値である点に留意が必要である。例えば、同じ尿素水添加弁１３でも、水平に設置される場合と鉛直に設置される場合とでは、必要残留量Ｎは異なる値となる。
【００２６】
さらに、最大蒸発量Ｖｍａｘは、尿素水添加弁１３に残留した尿素水からの水分蒸発量の想定される最大の値を表している。なお、最大蒸発量Ｖｍａｘの値は、最大蒸発量Ｖｍａｘは、尿素水添加弁１３の内部が想定されるエンジン運転中の最高温度となっている状態で、尿素水添加弁１３および配管１４の内部を飽和水蒸気圧とするために必要な水分の量としてその値が求められている。
【００２７】
次に、本実施形態の作用を説明する。本実施形態では、エンジン運転の停止時に、尿素水ポンプ１５の吸出運転が行われ、それにより、尿素水添加弁１３や配管１４に残留する尿素水が尿素水タンク１２に戻される。
【００２８】
図３（ａ）に、こうした吸出運転直後の尿素水添加弁１３を示す。本実施形態では、必要残留量Ｎおよび最大蒸発量Ｖｍａｘの合計分の尿素水が尿素水添加弁１３の内部に残留するように、このときの尿素水の吸出量が制限されている。そのため、同図に示すように、尿素水添加弁１３には、吸出運転後にも、必要残留量Ｎおよび最大蒸発量Ｖｍａｘの合計分の尿素水が残される。
【００２９】
図３（ｂ）に示すように、この状態から想定される最大量（Ｖｍａｘ）の水分が蒸発したとしても、尿素水添加弁１３の内部には、必要残留量Ｎ分の、すなわち可動コア２５、固定コア２７間の部分に尿素水の液面を位置させるために必要な量の尿素水は残る。そのため、可動コア２５、固定コア２７間の部分には、液体のままの尿素水が確実に残されるようになる。
【００３０】
以上説明した本実施形態のエンジンの還元剤添加装置によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）本実施形態では、可動コア２５、固定コア２７間の部分に尿素水の液面を位置させるために必要な尿素水添加弁１３内部の尿素水量と、尿素水添加弁１３の内部に残留した尿素水の最大水分蒸発量との合計分の尿素水が尿素水添加弁１３の内部に残されるように尿素水ポンプ１５の吸出運転を行っている。そのため、吸出運転後に、尿素水添加弁１３の内部に残留した尿素水から水分が限界まで蒸発したとしても、可動コア２５、固定コア２７間の部分に残留した尿素水が完全に干上がってしまわないようになる。したがって、可動コア２５、固定コア２７間の部分における尿素の析出を、ひいてはその尿素の析出による尿素水添加弁１３の動作不良を好適に抑制することができる。
【００３１】
なお、上記実施形態は、次のように変更して実施することもできる。
・上記実施形態の還元剤添加装置は、尿素水を還元剤水溶液として排気中に添加するようにしていたが、アンモニア水溶液などのそれ以外の水溶液を還元剤水溶液として排気中に添加するように還元剤添加装置を構成しても良い。
【符号の説明】
【００３２】
１０…排気管、１１…ＳＣＲ触媒、１２…尿素水タンク、１３…尿素水添加弁（還元剤添加弁）、１４…配管、１５…尿素水ポンプ（還元剤ポンプ）、１６…電子制御ユニット、２０…ハウジング、２１…噴孔、２２…コネクター、２３…ニードル、２４…弁座、２５…可動コア、２６…スプリング、２７…固定コア、２８…コイル。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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