(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端部に設けられた噴孔（１２１ａ）を開閉する弁体（１２２）、および直流電源部（１３１）からの通電により磁気吸引力を発生させて前記弁体を駆動するコイル（１２３ａ）を有し、前記噴孔が内燃機関の排気管部（１１）内に配置されたインジェクタ（１２０）と、
前記直流電源部から前記コイルへの通電状態を制御することで、前記弁体による前記噴孔の開閉を行い、尿素水を前記排気管部内の排気に噴射する制御部（１５０）と、を備える尿素水噴射装置において、
前記コイルに交流用の電力を供給する交流電源部（１３２）と、
前記尿素水の温度を検出する温度検出部（１４０）と、を備え、
前記制御部は、前記温度検出部から得られる温度が、前記尿素水の凍結を判定するための凍結判定温度より低い場合に、前記交流電源部から前記コイルに通電することで前記コイルを加熱器として作動させると共に、
前記温度検出部から得られる温度が、前記凍結判定温度以上となる場合に、前記直流電源部から前記コイルに通電して前記噴孔の開閉を行うようになっており、
前記温度検出部から得られる温度が、前記凍結判定温度より低い場合に、前記温度が低いほど、前記交流用の電力の周期を大きくする尿素水噴射装置。
【請求項２】
前記コイルの芯線は、カーボンナノチューブから形成されている請求項１に記載の尿素水噴射装置。
【請求項３】
前記コイルの被覆材は、フッ素樹脂から形成されている請求項１または請求項２に記載の尿素水噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気通路を流れる排気に含まれるＮＯｘを還元する排気浄化装置において、排気通路内の排気に尿素水を噴射する尿素水噴射装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の尿素水噴射装置として、例えば、特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１の尿素水噴射装置（尿素水添加装置）では、尿素水を貯留する尿素水タンクを備え、内燃機関の排気管部に設けられたインジェクタによって、排気管部内の配置通路を流れる排気に、尿素水タンク内の尿素水を噴射（添加）するようになっている。
【０００３】
尿素水は、外気の温度環境によっては、凍結してしまう場合がある。よって、特許文献１では、尿素水タンクとインジェクタとを接続する尿素水管部の外側表面に、ヒータ等の加熱部を設けることで、凍結した尿素水を解凍するようにしている。
【０００４】
あるいは、内燃機関用のラジエータの冷却水（温水）の一部が流通する温水通路を増設して、この温水通路を尿素水タンク内に配設すると共に、尿素水管部の一部の外側表面に接触させるようにしている。そして、温水通路を流れるラジエータの温水によって、尿素水の保温を行い尿素水の凍結を抑制する、あるいは、凍結した場合の解凍を行うようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−８４６９４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、上記特許文献１の尿素水噴射装置では、加熱部や温水通路等の増設を伴い、部品点数が増加し、構成が複雑となる。また、温水通路を用いたものでは、内燃機関の始動直後では、ラジエータの冷却水温度も低い状態にあり、尿素水の保温、あるいは解凍を行うには即効性が得られない。また、ラジエータの冷却水は、内燃機関の温度上昇に伴う成り行きの温度となるので、保温や解凍のための温度管理が難しい。
【０００７】
本発明の目的は、上記問題に鑑み、簡単な構成で、効果的な尿素水の解凍を可能とする尿素水噴射装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。
【０００９】
本発明では、先端部に設けられた噴孔（１２１ａ）を開閉する弁体（１２２）、および直流電源部（１３１）からの通電により磁気吸引力を発生させて弁体を駆動するコイル（１２３ａ）を有し、噴孔が内燃機関の排気管部（１１）内に配置されたインジェクタ（１２０）と、
直流電源部からコイルへの通電状態を制御することで、弁体による噴孔の開閉を行い、尿素水を排気管部内の排気に噴射する制御部（１５０）と、を備える尿素水噴射装置において、
コイルに交流用の電力を供給する交流電源部（１３２）と、
尿素水の温度を検出する温度検出部（１４０）と、を備え、
制御部は、温度検出部から得られる温度が、尿素水の凍結を判定するための凍結判定温度より低い場合に、交流電源部からコイルに通電することでコイルを加熱器として作動させると共に、
温度検出部から得られる温度が、凍結判定温度以上となる場合に、直流電源部からコイルに通電して噴孔の開閉を行うようになっており、
温度検出部から得られる温度が、凍結判定温度より低い場合に、温度が低いほど、交流用の電力の周期を大きくすることを特徴としている。
【００１０】
この発明によれば、温度検出部から得られる温度が、凍結判定温度より低い場合であると、尿素水が凍結しているものと推定できる。この場合に、交流電源部からコイルに通電すると、コイルにおける電流の流れ方向が反転を繰り返すことになり、本来の直流電源部による磁気吸引力は発生しない形となる。そして、交流電流によりコイルは発熱し、加熱器として作動することになり、凍結した尿素水を解凍することが可能となる。
【００１１】
よって、専用の加熱器を増設することなく、コイルを加熱器として兼用することができ、簡単な構成で、効果的な尿素水の解凍を可能とする尿素水噴射装置とすることができる。
【００１２】
尚、温度検出部から得られる温度が、凍結判定温度以上となる場合では、尿素水の凍結はないと推定でき、直流電源部からコイルへ通電することで、磁気吸引力を発生させて、通常の弁体の開閉制御を行うことができる。
【００１３】
尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】尿素水噴射装置（排気浄化システム）の全体構成を示す説明図である。
【図２】第１実施形態の直流電源部、および交流電源部に対する制御内容を示すフローチャートである。
【図３】第２実施形態の直流電源部、および交流電源部に対する制御内容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】
【００１５】
以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。各実施形態で具体的に組み合わせが可能であることを明示している部分同士の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。
【００１６】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態における尿素水噴射装置１００を図１、図２に示す。第１実施形態の尿素水噴射装置１００は、車両の内燃機関（エンジン）の排気管部１１に設けられて、排気浄化システム１０を構成している。排気浄化システム１０は、排気管部１１内を流通する排気に含まれるＮＯｘを分解する装置となっている。内燃機関は、例えば、ディーゼルエンジンである。
【００１７】
排気管部１１は、筒状の管であり、内部に排気通路１１ａが形成されている。排気管部１１の一方の端部は内燃機関に接続されており、また、他方の端部は大気に開放されている。排気通路１１ａには、内燃機関から排出される排気が流通するようになっている。排気通路１１ａには、内燃機関側から順にＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ  Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｆｉｌｔｅｒ）および酸化触媒、ＳＣＲ触媒、アンモニアスリップ触媒等が設けられている。
【００１８】
ＤＰＦおよび酸化触媒は、一体的に形成されている。ＤＰＦは、排気に含まれる微小な炭素粒子を捕集するフィルタとなっている。酸化触媒は、排気に含まれるＨＣやＣＯの、水や二酸化炭素に対する酸化を促進する触媒となっている。ＳＣＲ触媒は、尿素水によって排気に含まれるＮＯｘの還元を促進する触媒となっている。また、アンモニアスリップ触媒は、ＳＣＲ触媒を通過した排気に含まれる余剰のアンモニアの酸化を促進する触媒となっている。
【００１９】
尿素水噴射装置（以下、噴射装置）１００は、尿素水供給部１１０、インジェクタ１２０、電源部１３０、温度センサ１４０、および制御部１５０等を備えている。
【００２０】
尿素水供給部１１０は、尿素水タンク１１１、尿素水ポンプ１１２、圧力調整部１１３および尿素水管部１１４等を有している。尿素水タンク１１１は、尿素水すなわち尿素の水溶液を貯える容器となっている。尿素水ポンプ１１２は、尿素水タンク１１１に貯えられている尿素水をインジェクタ１２０へ供給するポンプとなっている。圧力調整部１１３は、尿素水ポンプ１１２によってインジェクタ１２０へ供給される尿素水の圧力を調整する装置となっている。尿素水ポンプ１１２および圧力調整部１１３は、後述する制御部１５０によって制御されるようになっている。
【００２１】
そして、尿素水管部１１４は、尿素水タンク１１１とインジェクタ１２０との間を接続する管となっている。尿素水管部１１４は、尿素水タンク１１１とインジェクタ１２０との間で、尿素水が流通する尿素水通路を形成している。
【００２２】
インジェクタ１２０は、尿素水タンク１１１における尿素水を、排気通路１１ａに噴射するものである。インジェクタ１２０は、ボディ１２１、ニードル弁１２２、および電磁駆動部１２３等を有している。
【００２３】
ボディ１２１は、筒状を成す部材であり、内部にニードル弁１２２、および電磁駆動部１２３を収容している。ボディ１２１の噴射側となる先端部は、排気の下流側を向くようにして、排気管部１１内に斜めに挿入されており、この先端部には、噴孔１２１ａが開口形成されている。そして、噴孔１２１ａの内周面には、ニードル弁１２２のシール部１２２ｂが着座する弁座１２１ｂが形成されている。
【００２４】
ニードル弁１２２は、ボディ１２１の内側で長手方向に移動可能に収容された針状の弁体である。ニードル弁１２２の先端側は、拡径された頭部１２２ａとなっている。頭部１２２ａの外周部には、ボディ１２１の弁座１２１ｂに着座可能なシール部１２２ｂが形成されている。また、ニードル弁１２２の内部（中心部）には、尿素水管部１１４と噴孔１２１ａとの間を接続する尿素水通路１２２ｃが形成されている。更に、ニードル弁１２２の頭部１２２ａとは反対側の端部には、平板状に拡がるフランジ部１２２ｄが形成されている。
【００２５】
シール部１２２ｂは、ボディ１２１の弁座１２１ｂに着座または弁座１２１ｂから離座することにより、噴孔１２１ａを開閉するようになっている。ここでは、ニードル弁１２２が、噴孔１２１ａとは反対側（尿素水管部１１４側）に移動することで、シール部１２２ｂは弁座１２１ｂに着座し、逆に、ニードル弁１２２が噴孔１２１ａ側に移動することで、シール部１２２ｂは弁座１２１ｂから離座するようになっている。
【００２６】
電磁駆動部１２３は、コイル１２３ａおよび弾性部材１２３ｂを有している。コイル１２３ａは、導線が巻き形成されたものであり、ボディ１２１の尿素水管部１１４側でニードル弁１２２を囲むように配置されている。コイル１２３ａは、電源部１３０を介して制御部１５０に接続されている。制御部１５０によって、コイル１２３ａへの通電が制御されるようになっている。コイル１２３ａは、電源部１３０における直流電源部１３１から電力供給されると磁界（磁気吸引力）を発生するようになっており、また、交流電源部１３２から電力供給されると発熱するようになっている。
【００２７】
そして、コイル１２３ａの芯線は、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）から形成されている。カーボンナノチューブは、炭素によって作られる六員環ネットワーク（グラフェンシート）が単層あるいは多層の同軸管状になったものである。また、コイル１２３ａの被覆材は、フッ素樹脂から形成されている。フッ素樹脂は、ポリテトラフルオロエチレンであり、テフロンの商標名で知られている。
【００２８】
弾性部材１２３ｂは、例えば、コイルばね等で構成され、軸方向の一方の端部がボディ１２１の長手方向の中間位置に接し、他方の端部がニードル弁１２２のフランジ部１２２ｄに接している。弾性部材１２３ｂは、全長が伸びる方向へ力を有している。したがって、ニードル弁１２２は、弾性部材１２３ｂによって、シール部１２２ｂが弁座１２１ｂへ着座する方向の付勢力を受けるようになっている。
【００２９】
つまり、コイル１２３ａへの通電が行われていないとき、上記のように、ニードル弁１２２は弾性部材１２３ｂから力を受け、シール部１２２ｂは弁座１２１ｂに着座している。一方、直流電源部１３１からコイル１２３ａへの通電が行われると、ニードル弁１２２にはコイル１２３ａから発生する磁気吸引力が加わる。磁気吸引力の方向は、弾性部材１２３ｂによる付勢力の方向と逆方向となっている。よって、ニードル弁１２２に加わる磁気吸引力が弾性部材１２３ｂから受ける付勢力よりも大きくなると、ニードル弁１２２は、噴孔１２１ａを開く側へ移動するようになっている。
【００３０】
電源部１３０は、コイル１２３ａに電力を供給するものであり、直流用の直流電源部１３１と、交流用の交流電源部１３２とを有している。各電源部１３１、１３２は、後述する制御部１５０によって選択制御され、凍結した尿素水の解凍、あるいは通常の噴孔１２１ａの開閉を行うために、コイル１２３ａに電力供給するようになっている。
【００３１】
温度センサ１４０は、尿素水の温度を直接的、あるいは間接的に検出する温度検出部である。温度センサ１４０は、ここでは、コイル１２３ａの位置に対応するように、ボディ１２１の外周部に設けられ、ボディ１２１を介して、インジェクタ１２０内の尿素水の温度を間接的に検出するようになっている。温度センサ１４０によって検出された温度信号（尿素水温度）は、後述する制御部１５０に出力されるようになっている。
【００３２】
制御部１５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭ等から構成されるマイクロコンピュータを有している。制御部１５０は、例えば、車両に設けられるアクセル開度センサや回転数センサなどに接続され、これらのアクセル開度センサや回転数センサなどから出力された信号に基づいて内燃機関の運転状態を検出するようになっている。そして、制御部１５０は、検出した内燃機関の運転状態に基づいて、尿素水ポンプ１１２、圧力調整部１１３、および直流電源部１３１を制御するようになっている。加えて、制御部１５０は、温度センサ１４０から得られる温度信号から、尿素水が凍結しているか否かを判定して、凍結していると判定したときに、交流電源部１３２を選択して制御するようになっている（詳細後述）。
【００３３】
次に、上記構成に基づく噴射装置１００の作動について、図２を加えて説明する。
【００３４】
内燃機関（エンジン）が始動されると制御部１５０は、図２のフローチャートに基づき噴射装置１００の制御を開始する。
【００３５】
まず、ステップＳ１００で、制御部１５０は、温度センサ１４０による温度検出を実施する。つまり、予め定めた所定時間ごとに、温度センサ１４０から温度信号を取得する。温度センサ１４０から得られる温度信号は、上記で説明したように、インジェクタ１２０の内部における尿素水の温度に対応するものであり、以下、尿素水温度と呼ぶ。
【００３６】
そして、ステップＳ１１０で、制御部１５０は尿素水温度の判定を行う。即ち、制御部１５０には、尿素水が凍結しているか否かを判定するための閾値としての凍結判定温度が予め設けられており、温度センサ１４０から得られる尿素水温度が、凍結判定温度以上であるか否かを判定するのである。凍結判定温度は、例えば、尿素水が凍結に至るマイナス１１〜１４℃程度の温度である。
【００３７】
ステップＳ１１０で否、即ち、尿素水温度が、凍結判定温度よりも低いと判定すると、尿素水が凍結しているものと推定でき、制御部１５０は、ステップＳ１２０で、交流電源部１３２から交流電力をコイル１２３ａに供給する。
【００３８】
ここで、尿素水の凍結によりニードル弁１２２は、ボディ１２１に対してロックされた状態となっていると推測される。このような状態で、通常のように直流電源部１３１からコイル１２３ａに通電すると、ニードル弁１２２は凍結によりロックされているにもかかわらず、噴孔１２１ａを開く側に磁気吸引力が作用し、インジェクタ１２０の作動に支障をきたすおそれがある。
【００３９】
そこで、上記のように、交流電源部１３２から交流電力をコイル１２３ａに供給すると、コイル１２３ａにおいては、電流の流れ方向が反転を繰り返すことになり、本来の直流電源部１３１による磁気吸引力は発生しない形となる。そして、交流電流によりコイル１２３ａは、発熱し、加熱器として作動することになり、凍結した尿素水を解凍することが可能となる。ステップＳ１２０の後は、ステップＳ１００、ステップＳ１１０が繰り返される。
【００４０】
一方、ステップＳ１１０で肯定判定、即ち、尿素水温度が、凍結判定温度以上と判定すると、尿素水が凍結しているおそれはないと推定でき、制御部１５０は、ステップＳ１３０で、直流電源部１３１を用いた、通常のニードル弁１２２の開閉制御を行う。
【００４１】
つまり、制御部１５０は、アクセル開度センサ、および回転数センサから得られる内燃機関の運転状態に応じて、尿素水ポンプ１１２、および圧力調整部１１３を作動させる。加えて、制御部１５０は、直流電源部１３１からコイル１２３ａに直流電力を供給することで、ニードル弁１２２に対する磁気吸引力を発生させて噴孔１２１ａを開き、排気通路１１ａを流通する排気に対して尿素水を噴射する。あるいは、コイル１２３ａへの通電を停止することで、噴孔１２１ａを閉じて、尿素水の噴射を停止する。
【００４２】
以上のように、尿素水が凍結していると予想される場合に、交流電源部１３２からコイル１２３ａに通電することで、コイル１２３ａを加熱器として作動することができる。よって、専用の加熱器を増設することなく、コイル１２３ａを加熱器として兼用することができ、簡単な構成で、効果的な尿素水の解凍を可能とする噴射装置１００とすることができる。
【００４３】
また、本実施形態では、コイル１２３ａの芯線は、カーボンナノチューブから形成されるようにしている。カーボンナノチューブは、例えば、通常の銅線と比べて、化学的に安定した材料であり、更に、アルカリ環境（尿素水環境）における耐腐食性が高いので、耐食性向上のための複雑な構造等を不要として、安価に耐食性を向上させることができる。
【００４４】
また、カーボンナノチューブは、例えば、通常の銅線と比べて、引張り強度が高く、コイル１２３ａの巻線材としてより細いサイズの設定が可能となる。その結果、巻き数を増やして、発生する磁気吸引力を高めることができ、ニードル弁１２２の開閉動作における信頼性を高めることができる。
【００４５】
また、コイル１２３ａの被覆材は、フッ素樹脂から形成されるようにしている。フッ素樹脂は、耐熱性が高く、排気を扱うような高温環境においても熱劣化を抑制することができる。その結果、熱劣化した部分から内部の芯線への水分の浸入を抑制することができ、上記のカーボンナノチューブの採用と共に、コイル１２３ａの耐食性を向上させることができる。
【００４６】
（第２実施形態）
第２実施形態を図３に示す。第２実施形態は、上記第１実施形態の噴射装置１００の基本構成は同一とし、制御部１５０による制御内容を変更したものである。図３に示すフローチャートは、図２で説明したフローチャートに対して、ステップＳ１１０をステップＳ１１０Ａに変更すると共に、ステップＳ１２０をステップＳ１２０ＡとステップＳ１２０Ｂとに変更したものである。
【００４７】
制御部１５０は、ステップＳ１００の後に、ステップＳ１１０Ａで、尿素水温度が、凍結判定温度より低い度合いを「大」と「小」とに分けて判定する。ここでは、上記第１実施形態で説明した凍結判定温度を便宜上、第１凍結判定温度とし、更に、第１凍結判定温度よりも低い側に第２凍結判定温度を設定している。
【００４８】
温度センサ１４０から得られる尿素水温度が、第２凍結判定温度よりも低い場合であると、凍結判定温度（第１凍結判定温度）より低い度合いを「大」とし、また、尿素水温度が、第２凍結判定温度と第１凍結判定温度との間にある場合に、凍結判定温度（第１凍結判定温度）より低い度合いを「小」としている。
【００４９】
よって、ステップＳ１１０Ａで、凍結判定温度より低い度合いが「大」であると判定すると、制御部１５０は、ステップＳ１２０Ａで、交流電源部１３２からコイル１２３ａに供給する交流電力（交流電流）の周期を、予め定めた所定の長周期とする。
【００５０】
長周期の交流電流がコイル１２３ａに供給されることで、コイル１２３ａにおいて連続的に加熱される時間が長くなる。よって、コイル１２３ａに与えられる熱量が大きくなり、即ち、加熱速度が大きくなり、短時間での尿素水の解凍が可能となる。ステップＳ１２０Ａの後は、ステップＳ１００、ステップＳ１１０Ａが繰り返される。
【００５１】
一方、ステップＳ１１０Ａで、凍結判定温度より低い度合いが「小」であると判定すると、制御部１５０は、ステップＳ１２０Ｂで、交流電源部１３２からコイル１２３ａに供給する交流電力（交流電流）の周期を、予め定めた所定の短周期とする。所定の短周期は、上記で説明した所定の高周期よりも短い周期である。
【００５２】
短周期の交流電流がコイル１２３ａに供給されることで、コイル１２３ａにおいて連続的に加熱される時間が、ステップＳ１２０Ａの場合に比べて短くなる。また、コイル１２３ａに与えられる熱量が小さくなり、加熱速度が小さくなる。よって、尿素水温度が凍結判定温度（第１凍結判定温度）に到達したときに、長周期の場合に比べて、速いタイミングで加熱制御を停止することが可能となり、尿素水を加熱し過ぎることなく、加熱から加熱停止への移行動作をスムースすることが可能となる。ステップＳ１２０Ｂの後は、ステップＳ１００、ステップＳ１１０Ａが繰り返される。
【００５３】
尚、ステップＳ１１０Ａで、尿素水温度が第１凍結判定温度以上であれば、制御部１５０は、第１実施形態と同様にステップＳ１３０を実行する。
【００５４】
以上のように、本実施形態では、制御部１５０は、温度センサ１４０から得られる尿素水温度が、凍結判定温度より低い場合に、尿素水温度が低いほど、交流電力の周期を大きくすることで、凍結状態に応じた解凍を可能としている。
【００５５】
（その他の実施形態）
上記各実施形態では、温度センサ１４０は、インジェクタ１２０の外周部に設けるようにしたが、内部に設けるようにしてもよい。また、温度センサ１４０は、インジェクタ１２０に限らず、尿素水管部１１４等の他の部位に設けるようにしてもよい。
【００５６】
また、上記各実施形態では、コイル１２３ａの芯材としてカーボンナノチューブを使用したが、これに限定されるものではなく、他の銅線、鉄線等としてもよい。
【００５７】
また、上記各実施形態では、コイル１２３ａの被覆材としてフッ素樹脂を使用したが、これに限定されるものではなく、他のポリアセタール樹脂、ポリフェニレンスルファイド樹脂等としてもよい。コイル１２３ａの芯材と、被覆材との材質の組合せは、任意とすることができる。
【００５８】
また、上記第２実施形態において、尿素水温度に対して、凍結判定温度よりも低い度合いを判定するために、第１凍結判定温度、および第２凍結判定温度を用いたが、これに限定されることなく、更に、多くの凍結判定温度を設け、３つ以上となる温度領域に対してそれぞれ対応する交流電流の周期で、加熱制御するようにしてもよい。
【００５９】
また、上記各実施形態の尿素水噴射装置１００は、ディーゼルエンジンにおける排気浄化システム１０に適用されるものとして説明したが、ガソリンエンジンやタービンエンジン等における排気浄化システムに適用されるものとしてもよい。
【符号の説明】
【００６０】
１０  排気浄化システム
１１  排気管部
１００  尿素水噴射装置
１２０  インジェクタ
１２１ａ  噴孔
１２２  ニードル弁（弁体）
１２３ａ  コイル
１３１  直流電源部
１３２  交流電源部
１４０  温度センサ（温度検出部）
１５０  制御部
【図１】
0006561776.tif 000002
【図２】
0006561776.tif 000003
【図３】
0006561776.tif 000004