(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気管に取り付けられた噴射弁により、排気通路に配設された還元触媒の上流側に、前記内燃機関の排気中のＮＯｘを浄化するための還元剤を噴射する還元剤噴射装置を制御するための制御装置において、
前記噴射弁に供給される前記還元剤の圧力が所定の目標値となるように前記還元剤を圧送するポンプの出力を制御しつつ、前記噴射弁の開弁動作を制御する噴射制御部と、
前記還元剤の噴射制御の実行中における、前記噴射弁に通電される電流波形及び前記ポンプの出力に基づいて、前記噴射弁の開固着の有無及び閉固着の有無を判定しつつ前記噴射弁の異常を判定する異常判定部と、
を備える、還元剤噴射装置の制御装置。
【請求項２】
前記異常判定部は、前記電流波形に変化点が発現せず、かつ、前記ポンプの出力が第１の範囲内で維持されている場合、前記噴射弁が開固着状態にあると判定し、
前記電流波形に変化点が発現せず、かつ、前記ポンプの出力が前記第１の範囲よりも小さい値の第２の範囲内で維持されている場合、前記噴射弁が閉固着状態にあると判定する、請求項１に記載の還元剤噴射装置の制御装置。
【請求項３】
前記異常判定部は、前記噴射弁が開固着状態にあると判定した場合に、前記還元剤の噴射制御を中止させる、請求項２に記載の還元剤噴射装置の制御装置。
【請求項４】
前記異常判定部により前記噴射弁が閉固着状態にあると判定された場合に、前記噴射弁に供給される前記還元剤を一旦回収した後、前記噴射弁に再供給する復帰制御部を備える、請求項２又は３に記載の還元剤噴射装置の制御装置。
【請求項５】
前記異常判定部は、前記噴射弁が閉固着状態にあると判定した回数が所定の閾値以上になった場合に、前記噴射弁の噴射制御の実行を禁止する、請求項４に記載の還元剤噴射装置の制御装置。
【請求項６】
前記還元剤噴射装置の起動時及び前記復帰制御部による前記還元剤の再供給時に、前記噴射弁に供給される還元剤の圧力を高めた状態で前記還元剤を圧送するポンプの出力を一定にするとともに前記噴射弁を開弁状態で維持したときの前記還元剤の圧力に基づいて、前記噴射弁の詰まりの有無を判定する圧力判定部を備え、
前記圧力判定部により異常なしと判定された場合に、前記噴射制御部が前記還元剤の噴射制御を開始し、前記異常判定部が前記噴射弁の異常を判定する、請求項４又は５に記載の還元剤噴射装置の制御装置。
【請求項７】
前記圧力判定部により異常ありと判定された場合に、前記噴射弁に供給される還元剤を一旦回収した後、前記噴射弁に再供給する復帰制御部を備える、請求項６に記載の還元剤噴射装置の制御装置。
【請求項８】
前記圧力判定部は、異常ありと判定した回数が所定の閾値以上になった場合に、前記噴射弁の噴射制御の実行を禁止する、請求項７に記載の還元剤噴射装置の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気通路に還元剤を供給する還元剤噴射装置を制御するための還元剤噴射装置の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両に搭載されるディーゼルエンジン等の内燃機関の排気中にはＮＯX（窒素酸化物）が含まれている。かかるＮＯXを還元して窒素や水等に分解することにより排気を浄化するための装置として、尿素ＳＣＲ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  Ｃａｔａｌｙｓｔｉｃ  Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）システムが実用化されている。尿素ＳＣＲシステムは、還元剤として尿素水溶液を使用して、排気中のＮＯXをアンモニアと反応させることにより、ＮＯXを分解するシステムである。
【０００３】
かかる尿素ＳＣＲシステムは、排気通路に配置された選択還元触媒と、選択還元触媒よりも上流側の排気通路に尿素水溶液を供給するための還元剤噴射装置とを備える。選択還元触媒は、尿素水溶液が分解して生成されるアンモニアを吸着し、流入する排気中のＮＯXとアンモニアとの還元反応を促進する機能を有する。また、還元剤噴射装置は、貯蔵タンク内に収容された尿素水溶液を圧送するポンプと、ポンプにより圧送される尿素水溶液を噴射する噴射弁と、ポンプ及び噴射弁の制御を行う制御装置とを備える。
【０００４】
尿素ＳＣＲシステムで使用される尿素水溶液は、濃度によって凍結温度が異なる。最も低い凍結温度でも、その温度はマイナス１１℃程度である。そのため、停車中に尿素水溶液が凍結し、体積が膨張することによって、ポンプや噴射弁、尿素水溶液を流通させる配管等が破損しないように、内燃機関の停止時には尿素水溶液が還元剤噴射装置内から貯蔵タンクに回収される。回収された尿素水溶液は、還元剤噴射装置の起動時に還元剤噴射装置内に再充填される。
【０００５】
他方、噴射弁が高温に晒されると、噴射弁に付着している尿素水溶液の溶媒が蒸発して濃度が上昇し、凍結温度が上昇することによって、尿素水溶液が結晶化する場合がある。例えば、内燃機関の停止時に、噴射弁の冷却手段の機能が停止すると、残留する排気熱の影響を受けて噴射弁に付着している尿素水溶液が加熱され、結晶化するおそれがある。また、内燃機関の運転中であっても、尿素水溶液の噴射が長期間行われない場合には、噴射弁に付着している尿素水溶液が排気熱により加熱され、結晶化するおそれがある。尿素水溶液が結晶化すると、噴射弁の弁体が固着し、噴孔が開いたまま閉じられなくなる開固着や、噴孔が閉じられたままとなる閉固着を生じさせるおそれがある。
【０００６】
さらに、排気に含まれる煤等の微粒子が噴孔を介して噴射弁内に侵入し、弁体の摺動部分や着座部分等に付着することによって、上述した開固着や閉固着を生じるおそれもある。
【０００７】
ここで、噴射弁の固着が生じた場合、その固着が開固着であるか閉固着であるかによって、取るべき処置が異なってくる。例えば、噴射弁が閉固着状態である場合、ポンプの駆動を維持したままであっても尿素水溶液が排気管内に漏れ出ることはないが、噴射弁が開固着状態となっている場合、ポンプの駆動を維持したままでは尿素水溶液が垂れ流し状態になるため、ポンプの駆動を停止させる必要がある。
【０００８】
特許文献１には、噴射弁の弁体の動作不良が生じている場合に、噴射弁の開固着状態又は閉固着状態を精度よく判別することができる還元剤噴射弁の異常判定装置が提案されている。具体的には、噴射弁に対して尿素水溶液を供給する還元剤通路内を減圧したときの還元剤通路内の圧力変化に基づいて、弁体の動作不良が開固着によるものか又は閉固着によるものかを判別する異常判定装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１２−１０２６３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１に開示された異常判定装置は、内燃機関の停止時等、還元剤噴射装置による尿素水溶液の噴射制御を停止している間にのみ、開固着又は閉固着の判別を実行することができる。すなわち、特許文献１に開示された異常判定装置は、尿素水溶液の噴射制御中に開固着又は閉固着の判別を実行することができないため、尿素水溶液の噴射制御の開始後に噴射弁に何らかの異常が見られた場合には、噴射制御を禁止せざるを得ない。尿素水溶液の噴射制御中においても噴射弁の開固着状態又は閉固着状態を判別することができれば、噴射弁による尿素水溶液の噴射制御に支障がない場合には、噴射制御を継続させることが可能になると考えられる。
【００１１】
また、尿素水溶液の噴射制御を停止している間、噴射弁の固着を生じていても、当該固着が尿素水溶液の結晶化によるものである場合、結晶化した尿素水溶液が液体の尿素水溶液に浸されることによって再び液化し、弁体の動作不良が改善される場合がある。すなわち、噴射制御開始前に噴射弁が固着している場合において、結晶化した尿素水溶液の融解を試みることができる場合がある。しかしながら、結晶化した尿素水溶液の融解を試みた場合であっても、融解が十分でない場合には、尿素水溶液の噴射制御の開始後に、噴射弁が異常と判別される場合がある。この場合、噴射弁が閉固着状態である場合には、ポンプの駆動を維持しても尿素水溶液が垂れ流し状態にならないため、噴射制御を禁止させる前に、結晶化した尿素水溶液の融解を再び試みることができる。したがって、結晶化した尿素水溶液の融解が不十分な状態を改善するためにも、尿素水溶液の噴射制御中において噴射弁の開固着状態又は閉固着状態を判別することができることが望ましい。
【００１２】
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、還元剤の噴射制御中において、噴射弁に生じた異常が開固着であるか又は閉固着であるかを判別可能な、還元剤噴射装置の制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、内燃機関の排気管に取り付けられた噴射弁により、排気通路に配設された還元触媒の上流側に、内燃機関の排気中のＮＯXを浄化するための還元剤を噴射する還元剤噴射装置を制御するための制御装置において、噴射弁に供給される還元剤の圧力が所定の目標値となるように還元剤を圧送するポンプの出力を制御しつつ、噴射弁の開弁動作を制御する噴射制御部と、還元剤の噴射制御の実行中における、噴射弁に通電される電流波形及びポンプの出力に基づいて、噴射弁の開固着又は閉固着を区別しつつ噴射弁の異常を判定する異常判定部と、を備える、還元剤噴射装置の制御装置が提供される。
【００１４】
異常判定部は、電流波形に変化点が発現せず、かつ、ポンプの出力が第１の範囲内で維持されている場合、噴射弁が開固着状態にあると判定し、電流波形に変化点が発現せず、かつ、ポンプの出力が第１の範囲よりも小さい値の第２の範囲内で維持されている場合、噴射弁が閉固着状態にあると判定してもよい。
【００１５】
異常判定部は、噴射弁が開固着状態にあると判定した場合に、還元剤の噴射制御を中止させてもよい。
【００１６】
異常判定部により噴射弁が閉固着状態にあると判定された場合に、噴射弁に供給される還元剤を一旦回収した後、噴射弁に再供給する復帰制御部を備えてもよい。
【００１７】
異常判定部は、噴射弁が閉固着状態にあると判定した回数が所定の閾値以上になった場合に、噴射弁の噴射制御の実行を禁止してもよい。
【００１８】
還元剤噴射装置の起動時及び復帰制御部による還元剤の再供給時に、噴射弁に供給される還元剤の圧力を高めた状態で還元剤を圧送するポンプの出力を一定にするとともに噴射弁を開弁状態で維持したときの還元剤の圧力に基づいて、噴射弁の詰まりの有無を判定する圧力判定部を備え、圧力判定部により異常なしと判定された場合に、噴射制御部が還元剤の噴射制御を開始し、異常判定部が噴射弁の異常を判定してもよい。
【００１９】
圧力判定部により異常ありと判定された場合に、噴射弁に供給される還元剤を一旦回収した後、噴射弁に再供給する復帰制御部を備えてもよい。
【００２０】
圧力判定部は、異常ありと判定した回数が所定の閾値以上になった場合に、噴射弁の噴射制御の実行を禁止してもよい。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明したように本発明によれば、還元剤の噴射制御中において、噴射弁に生じた異常が開固着であるか又は閉固着であるかを判別することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態にかかる還元剤噴射装置を備えた尿素ＳＣＲシステムを示す概略図である。
【図２】同実施形態にかかる還元剤噴射装置の制御装置の構成例を示すブロック図である。
【図３】同実施形態にかかる還元剤噴射装置の各制御モードでの状態を示す説明図である。
【図４】圧力に基づく噴射弁の詰まり判定を説明するための図である。
【図５】電流波形に基づく噴射弁の異常判定を説明するための図である。
【図６】ポンプ出力に基づく噴射弁の異常判定を説明するための図である。
【図７】同実施形態にかかる還元剤噴射装置の制御装置による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】
【００２３】
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。
【００２４】
＜１．尿素ＳＣＲシステムの全体構成＞
まず、還元剤噴射装置２０を備えた尿素ＳＣＲシステム１０の全体構成の一例について説明する。図１は、尿素ＳＣＲシステム１０の概略構成を示す説明図である。尿素ＳＣＲシステム１０は、ディーゼルエンジン等に代表される内燃機関５の排気系に接続された排気管１１の途中に配設された還元触媒１３と、還元触媒１３よりも上流側で排気通路内に還元剤を噴射する還元剤噴射装置２０とを備える。尿素ＳＣＲシステム１０は、車両や建設機械、農機等に搭載され、還元剤として尿素水溶液を用いて、内燃機関５から排出される排気中のＮＯXを還元して分解することで、排気を浄化するシステムである。
【００２５】
尿素水溶液は、例えば凍結温度が最も低い、約３２．５％濃度の尿素水溶液とすることができる。この場合の凍結温度は、約−１１℃である。かかる尿素水溶液は、濃度が上昇するにつれて凍結温度が上昇する特性を有しており、溶媒としての水分が蒸発することによって、結晶化しやすくなる。
【００２６】
還元触媒１３は、内燃機関５の排気中に含まれるＮＯXを、尿素水溶液を用いて選択的に還元する。本実施形態では、還元剤噴射装置２０により噴射される尿素水溶液が分解して生成されるアンモニアが還元触媒１３に吸着され、還元触媒１３に流入する排気中のＮＯXがアンモニアと反応することにより還元される。かかる還元触媒１３は、触媒温度が高いほどアンモニアの吸着可能量が減少する特性を有する。また、還元触媒１３は、吸着可能量に対する実際のアンモニアの吸着率が高いほど、ＮＯXの還元効率が高くなる特性を有する。
【００２７】
還元剤噴射装置２０は、還元触媒１３よりも上流側の排気通路内に、還元剤としての尿素水溶液を噴射する。尿素水溶液の噴射量は、排気中に含まれるＮＯXの濃度や、還元触媒１３におけるアンモニアの吸着可能量、還元触媒１３の温度等に基づいて、還元触媒１３の下流側にＮＯXあるいはアンモニアが流出しないように制御される。
【００２８】
還元触媒１３よりも上流側の排気管１１には、排気温度Ｔｇａｓを検出するための温度センサ１５が取り付けられている。温度センサ１５によって検出される排気温度Ｔｇａｓは、還元触媒１３の温度推定にも用いられる。これ以外に、排気管１１には、図示しないＮＯX濃度センサやアンモニアセンサ等が設けられていてもよい。
【００２９】
＜２．還元剤噴射装置＞
次に、還元剤噴射装置２０の構成の一例について詳細に説明する。図１に示すように、還元剤噴射装置２０は、還元触媒１３よりも上流側の排気管１１に固定された噴射弁３１と、尿素水溶液を圧送するポンプ４１を有するポンプユニット４０とを備える。ポンプ４１及び噴射弁３１は、制御装置１００によって駆動制御される。制御装置１００は、内燃機関５の制御装置７０から、内燃機関５の燃料噴射量や噴射タイミング、エンジン回転数等の運転状態に関する情報を取得可能になっている。
【００３０】
貯蔵タンク５０とポンプ４１とは第１の還元剤通路５８で接続され、ポンプ４１と噴射弁３１とは第２の還元剤通路５７で接続されている。第２の還元剤通路５７には、他端が貯蔵タンク５０に接続されたリターン通路５９が接続されており、リターン通路５９にはオリフィス４５が備えられている。オリフィス４５は、第２の還元剤通路５７内の圧力が保持されやすくなるように設けられている。また、第２の還元剤通路５７には、噴射弁３１に供給される尿素水溶液の圧力Ｐｕを示す、第２の還元剤通路５７内の圧力を検出するための圧力センサ４３が備えられている。
【００３１】
噴射弁３１は、例えば、通電制御により開弁及び閉弁が切り替えられる電磁式噴射弁が用いられる。かかる噴射弁３１はコイルを備え、当該コイルへの通電により発生する磁力によって弁体が移動して開弁する構造を有している。本実施形態では、噴射弁３１に供給される尿素水溶液の圧力Ｐｕが所定の目標値Ｐｔｇｔとなるように制御されるため、制御装置１００は、尿素水溶液の目標噴射量に応じて開弁時間を調節する。この噴射弁３１は、排気管１１内に直接的に尿素水溶液を噴射するものであり、噴孔が排気管１１内に臨むようにして排気管１１に取り付けられている。
【００３２】
噴射弁３１は、冷却カバー内に保持され、当該冷却カバーには、内燃機関５の冷却水が流通可能になっている。冷却カバー内の冷却水の通路は、冷却水循環通路８７の一部を構成する。冷却水循環通路８７は、内燃機関５に設けられた冷却装置６０の冷却通路８６から分岐し、噴射弁３１の冷却カバーを経由して、再び内燃機関５の冷却通路８６に合流する。内燃機関５の始動後、冷却水循環通路８７には、常時冷却水が流れる。したがって、内燃機関５の運転中、高温の排気熱等により噴射弁３１が加熱され得る状況において、冷却水循環通路８７に冷却水が流れ、噴射弁３１の過熱が抑制される。
【００３３】
ポンプ４１は、例えば電動式のダイヤフラムポンプやモータポンプからなる。ポンプ４１の出力は、制御装置１００から出力される制御信号に基づいて制御される。本実施形態では、制御装置１００は、噴射弁３１に供給される圧力Ｐｕが所定の目標値Ｐｔｇｔに維持されるように、圧力センサ４３により検出される圧力Ｐｕと目標値Ｐｔｇｔとの偏差ΔＰに基づいて、ポンプ４１の出力をフィードバック制御する。
【００３４】
ポンプユニット４０には、ポンプ４１によって圧送される尿素水溶液の流れる方向を切り替えるための流路切替弁７１が備えられている。流路切替弁７１は、例えば電磁切替弁により構成され、制御装置１００によって駆動される。本実施形態では、流路切替弁７１は、ポンプ４１の吸入側と第１の還元剤通路５８、及び、ポンプ４１の吐出側と第２の還元剤通路５７をそれぞれ接続する第１の状態と、ポンプ４１の吐出側と第１の還元剤通路５８、及び、ポンプ４１の吸入側と第２の還元剤通路５７をそれぞれ接続する第２の状態とを切り替える。
【００３５】
排気管１１内への尿素水溶液の噴射制御を行う場合には、尿素水溶液が貯蔵タンク５０側から噴射弁３１側へ流れるように、流路切替弁７１が作動される。また、還元剤噴射装置２０内の尿素水溶液を貯蔵タンク５０に回収する場合には、尿素水溶液が噴射弁３１側から貯蔵タンク５０側へ流れるように、流路切替弁７１が作動される。なお、流路切替弁７１を用いる代わりに、逆回転可能なポンプを用いることによって、尿素水溶液が回収可能になっていてもよい。
【００３６】
還元剤噴射装置２０には内燃機関５の冷却水が循環する。内燃機関５の冷却装置６０から分岐した冷却水循環通路８５は、途中で、噴射弁３１の冷却カバーを通過する冷却水循環通路８７と、貯蔵タンク５０やポンプユニット４０を通過する冷却水循環通路８９とに分岐する。このうち、冷却水循環通路８９には制御装置１００によって駆動される開閉弁８１が設けられ、冷却水の流通及び遮断が切り替え可能になっている。内燃機関５の運転中、冷却水循環通路８７には常時冷却水が流れ、噴射弁３１を冷却する。一方、冷却水循環通路８９を流れる冷却水は、昇温媒体として用いられ、貯蔵タンク５０やポンプユニット４０の加熱が必要なときに開閉弁８１が開かれ、冷却水が流される。
【００３７】
＜３．制御装置＞
次に、本実施形態にかかる還元剤噴射装置２０の制御に用いられる制御装置１００の構成例について説明する。制御装置１００は、公知のマイクロコンピュータやポンプ４１及び噴射弁３１、流路切替弁７１の駆動回路等を備えて構成される。図２は、制御装置１００の構成を機能的に示すブロック図である。また、図３は、圧力判定部１０５による詰まり判定実行時、噴射制御部１０１による尿素水溶液の噴射制御実行時、及び復帰制御部１０７による復帰制御実行時のそれぞれにおける、ポンプ４１、尿素水溶液の流れ、及び噴射弁３１の制御状態を示す。
【００３８】
制御装置１００は、噴射制御部１０１と、異常判定部１０３と、圧力判定部１０５と、復帰制御部１０７とを備える。これらの各部は、具体的には、マイクロコンピュータによるプログラムの実行により実現されるものであってよい。制御装置１００には、直接、あるいは、ＣＡＮ等のバス配線を介して、圧力センサ４３や温度センサ１５の検出信号、及び、内燃機関５の運転状態に関連する情報等が入力される。また、制御装置１００は、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）やＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）等の図示しない記憶素子を備える。これらの記憶素子は、マイクロコンピュータにより実行されるプログラムや、演算処理に用いられる各種パラメータ、演算結果、検出結果等を記憶する。
【００３９】
（３−１．噴射制御部）
噴射制御部１０１は、内燃機関５の排気中に含まれるＮＯXを浄化するために、尿素水溶液を排気管１１内に噴射する噴射制御を実行する。本実施形態では、噴射制御部１０１は、後述する圧力判定部１０５により噴射弁３１に異常がないと判定された場合に、尿素水溶液の噴射制御を開始する。噴射制御部１０１は、ポンプ４１の出力制御、及び、噴射弁３１の通電制御を実行する。噴射制御部１０１は、圧力センサ４３の検出信号を読み込み、噴射弁３１に供給される尿素水溶液の圧力Ｐｕが、所定の目標値Ｐｔｇｔとなるように、ポンプ４１の出力をフィードバック制御する。また、噴射制御部１０１は、尿素水溶液の目標噴射量を算出するとともに、算出された目標噴射量に基づいて噴射弁３１の開弁時間を制御する。
【００４０】
図３に示したように、噴射制御実行時には、ポンプ４１の出力は、尿素水溶液の圧力Ｐｕに基づいてフィードバック制御される。また、尿素水溶液が貯蔵タンク５０側から噴射弁３１側に向かって（順方向）に流れるように流路切替弁７１が保持される。また、噴射弁３１は、目標噴射量に基づいて開弁時間が調節されるように、噴射弁３１への通電時間が制御される。本実施形態では、噴射制御部１０１は、目標噴射量に基づいて、所定の噴射サイクル中の開弁時間の比であるデューティ比を制御する。
【００４１】
例えば、噴射制御部１０１は、内燃機関５の排気中のＮＯX量に基づき、当該ＮＯXを還元するために必要なアンモニア量を求めるとともに、還元触媒１３におけるアンモニアの目標吸着量に対して過不足のアンモニア量を求め、これらの総和に対応する尿素水溶液の量を目標噴射量とし得る。排気中のＮＯX量としては、内燃機関５の運転状態に基づき推定されるＮＯX濃度、あるいは、ＮＯXセンサにより検出されるＮＯX濃度に、排気流量を乗じて求められるＮＯX量を用いることができる。そして、噴射制御部１０１は、算出されたＮＯX量に対応するアンモニア量を求める。
【００４２】
また、還元触媒１３におけるアンモニアの目標吸着量としては、排気温度Ｔｇａｓに基づき推定される触媒温度に応じた吸着可能量に対して目標吸着率を乗じた値を用いることができる。目標吸着率は、例えば、７０〜８０％とし得る。目標吸着率を７０〜８０％とすることにより、吸着率が比較的高く維持されて、ＮＯXの還元効率が高くなる一方、触媒温度が急激に上昇した場合であっても、アンモニアの吸着可能量が、現在のアンモニアの吸着量を下回らないようにすることができる。そして、噴射制御部１０１は、積算により求められる現在のアンモニア吸着量と、目標吸着量との差分から、過不足のアンモニア量を求める。
【００４３】
そして、噴射制御部１０１は、還元触媒１３の目標吸着量に対する過不足のアンモニア量と、先に求めたアンモニア量とを加算し、算出されたアンモニア量に対応する尿素水溶液の量を目標噴射量として、噴射弁３１を駆動制御する。上述のとおり、噴射弁３１に供給される尿素水溶液の圧力は一定に保たれるように制御されるため、噴射制御部１０１は、目標噴射量に応じて、噴射時間を調節する。このように尿素水溶液の噴射制御を実行することにより、還元触媒１３の下流側へのアンモニアの流出が抑制されつつ、還元触媒１３におけるアンモニアの吸着率が高く維持され、ＮＯXの還元効率を向上させることができる。
【００４４】
（３−２．復帰制御部）
復帰制御部１０７は、噴射弁３１に供給される尿素水溶液を一旦貯蔵タンク５０に回収した後、再び噴射弁３１側に尿素水溶液を供給する制御（以下、かかる制御を「復帰制御」ともいう。）を行う。本実施形態では、後述する異常判定部１０３によって噴射弁３１が閉固着状態にあると判定された場合、及び、後述する圧力判定部１０５によって噴射弁３１に異常ありと判定された場合に、復帰制御を実行する。
【００４５】
具体的に、復帰制御部１０７は、流路切替弁７１に通電することによって、尿素水溶液が噴射弁３１側から貯蔵タンク５０側に流れるように流路を切り替え、あらかじめ設定された所定時間、ポンプ４１を駆動させる。このとき、復帰制御部１０７は、噴射弁３１に通電し、噴射弁３１に開弁指示を出力してもよい。これにより、還元剤噴射装置２０内の尿素水溶液がポンプ４１によって吸い戻され、貯蔵タンク５０内に回収される。その後、復帰制御部１０７は、流路切替弁７１への通電を停止して、尿素水溶液が貯蔵タンク５０側から噴射弁３１側に流れるように流路を切り替え、ポンプ４１を駆動させる。これにより、還元剤噴射装置２０内に尿素水溶液が再充填される。
【００４６】
図３に示したように、復帰制御実行時には、ポンプ４１の出力は一定にされる。また、尿素水溶液を回収する際には、尿素水溶液が噴射弁３１側から貯蔵タンク５０側に向かって（逆方向）に流れるように流路切替弁７１が切り替えられる。その後、尿素水溶液を再充填する際には、尿素水溶液が貯蔵タンク５０側から噴射弁３１側に向かって（順方向）に流れるように流路切替弁７１が切り替えられる。また、尿素水溶液を回収する際には、噴射弁３１には開弁指示が出力され、尿素水溶液を再充填する際には、噴射弁３１は閉弁状態で保持される。
【００４７】
復帰制御部１０７により、尿素水溶液の回収及び再充填が行われることで、例えば、噴射弁３１内で尿素水溶液が結晶化している場合に、液体の尿素水溶液が噴射弁３１に到達して、結晶化している尿素水溶液が融解する可能性が生じる。例えば、尿素水溶液を回収した際に第２の還元剤通路５７のうちの噴射弁３１に近い領域に付着して尿素水溶液を残留させることができる場合がある。かかる場合には、次に尿素水溶液が再充填される際に、残留した尿素水溶液が噴射弁３１側に押し込まれて、噴射弁３１内で結晶化した尿素水溶液に到達し得る。これにより、結晶化した尿素水溶液が融解し、尿素水溶液の噴射制御を禁止せずに、尿素水溶液の噴射制御を実行可能な状態に復帰させることができる。
【００４８】
（３−３．圧力判定部）
圧力判定部１０５は、還元剤噴射装置２０の起動時、及び、復帰制御部１０７による尿素水溶液の再充填時に、圧力センサ４３により検出される尿素水溶液の圧力に基づいて、噴射弁３１の詰まりの有無を判定する。具体的に、圧力判定部１０５は、噴射弁３１に供給される尿素水溶液の圧力Ｐｕが所定値以上に高められた状態で、ポンプ４１の出力を一定とし、噴射弁３１を開弁状態で維持する。図３に示したように、詰まり判定実行時には、ポンプ４１の出力は一定にされる。また、尿素水溶液が貯蔵タンク５０側から噴射弁３１側に向かって（順方向）に流れるように流路切替弁７１が保持される。また、噴射弁３１には、全開指示が出力される。
【００４９】
このとき、噴射弁３１が正常に開弁している場合と、噴射弁３１に詰まりが生じている場合とでは、尿素水溶液の圧力変化に差が生じ得る。図４は、ポンプ４１の出力を一定にした状態で噴射弁３１を開弁状態で維持した場合の尿素水溶液の圧力変化を示す説明図である。図４は、３つの噴孔を有する噴射弁３１を用いた場合の例を示している。噴射弁３１が正常に開弁している場合、すなわち、３つの噴孔すべてから尿素水溶液が噴出している場合には、尿素水溶液の圧力Ｐｕは所定の速度で低下する（線Ａ）。一方、噴射弁３１が開弁しない場合、すなわち、３つの噴孔すべてから尿素水溶液が噴出しない場合には、尿素水溶液の圧力Ｐｕは変化しない（線Ｄ）。噴孔が詰まっているのではなく、噴射弁３１が閉固着状態になっている場合においても、尿素水溶液の圧力Ｐｕは変化しない（線Ｄ）。
【００５０】
また、噴射弁３１が開弁する場合であっても、噴孔の一部が詰まっている場合には、尿素水溶液の圧力Ｐｕの低下速度は正常な状態に比べて小さくなる。例えば、１つの噴孔が詰まっており、２つの噴孔から尿素水溶液が噴出している場合には、尿素水溶液の圧力Ｐｕの低下速度は、正常な場合に比べてやや小さくなり（線Ｂ）、２つの噴孔が詰まっており、１つの噴孔から尿素水溶液が噴出している場合には、尿素水溶液の圧力Ｐｕの低下速度は、さらに小さくなる（線Ｃ）。
【００５１】
したがって、例えば、噴射弁３１を開弁状態にしてから所定時間経過後の圧力の閾値として、各圧力変化の態様を区別し得る複数の閾値を、固定するポンプ４１の出力に応じて設定しておくことにより、噴射弁３１の詰まりの有無を判定することができる。このとき、閾値を複数設定して、噴孔の詰まり度合いまで区別できるようにしてもよいし、１つの閾値を設定して、噴孔の詰まりの有無のみを区別できるようにしてもよい。
【００５２】
本実施形態では、圧力判定部１０５は、噴射弁３１に異常ありと判定された場合に、復帰制御部１０７に復帰制御を実行させる。このとき、圧力判定部１０５は、第１カウンタ値をカウントアップし、第１カウンタ値が所定の閾値Ｔｈ１に到達した場合に、噴射弁３１の異常が解消されないものとみなして、尿素水溶液の噴射制御を禁止する。
【００５３】
かかる圧力判定部１０５による詰まり判定は、後述する異常判定部１０３による異常判定に比べて、比較的簡易に実施することができる。したがって、圧力判定部１０５による詰まり判定において異常ありと判定された場合には、少なくとも詰まりが解消されるまでの間、尿素水溶液の噴射制御を停止させることができる。一方、圧力判定部１０５による詰まり判定では、噴射弁３１が開固着状態になっている場合であっても、異常なしと判定されることも考えられる。このため、本実施形態にかかる制御装置１００は、圧力判定部１０５による詰まり判定とは別に、異常判定部１０３による異常判定を実行する。
【００５４】
（３−４．異常判定部）
異常判定部１０３は、圧力判定部１０５によって噴射弁３１に異常がないと判定され、尿素水溶液の噴射制御が開始された状態で、噴射弁３１に通電される電流波形及びポンプ４１の出力に基づいて、噴射弁３１の異常を判定する。具体的に、異常判定部１０３は、尿素水溶液の噴射制御が実行されている状態で、噴射弁３１に通電される電流波形及びポンプ４１の出力を監視し、電流波形に基づいて弁体が移動しているか否かを判別することにより、弁体の固着の有無を判定する。さらに、異常判定部１０３は、弁体が固着している場合に、ポンプ４１の出力に基づいて、当該固着が開固着であるか閉固着であるかを判定する。
【００５５】
図５は、弁体の固着の有無による、噴射弁３１に通電される電流波形の違いを示す説明図である。噴射弁３１は、電磁コイルへの通電量が増大するにつれて弁体を引き付ける磁力が増大し、弁体が移動する構成を有する。弁体が固着していない場合（実線）、通電量を徐々に大きくしていくと、弁体が移動し始めるときに一旦電流値が低下するため、電流波形に変化点が発現する。一方、弁体が固着している場合（破線）、通電量を増大させても弁体が移動しないため、電流波形に変化点は発現しない。
【００５６】
異常判定部１０３は、噴射制御を実行している間に噴射弁３１に通電される電流波形に、このような変化点が発現したか否かを判別することにより、弁体の固着の有無を判定し得る。電流波形に変化点が発現した場合、すなわち、弁体が固着していない場合には、すでに圧力判定部１０５によって行われた詰まり判定の異常なしの結果と併せて、噴射弁３１による尿素水溶液の噴射制御を正常に行い得ると判断し得る。このため、異常判定部１０３は、噴射弁３１に異常がないものとして、尿素水溶液の噴射制御を継続させる。
【００５７】
一方、噴射弁３１に通電される電流波形に変化点が発現しない場合、すなわち、弁体が固着している場合、当該固着が開固着か閉固着かによって、ポンプ４１の出力に差が生じる。図６は、噴射弁３１の開固着状態及び閉固着状態でのポンプ４１の出力を示す説明図である。尿素水溶液の噴射制御中には、噴射弁３１に供給される尿素水溶液の圧力Ｐｕが目標値Ｐｔｇｔに維持されるようにポンプ４１の出力が制御されるため、弁体が固着している場合には、尿素水溶液の噴射量（ゼロも含む）は一定であり、ポンプ４１の出力は略一定になる。
【００５８】
ただし、噴射弁３１が閉固着状態の場合には、尿素水溶液は噴射されない一方、噴射弁３１が開固着状態の場合には、尿素水溶液が噴射される。そのため、尿素水溶液の圧力Ｐｕを目標値Ｐｔｇｔに維持するためのポンプ４１の出力は、噴射弁３１が開固着状態の場合の方が、閉固着状態の場合に比べて大きくなる。したがって、異常判定部１０３は、噴射弁３１の開固着状態又は閉固着状態を区別し得る閾値や範囲等と、実際のポンプ４１の出力とを比較することにより、噴射弁３１の固着状態を判別する。
【００５９】
噴射弁３１が開固着状態の場合、噴射弁３１に尿素水溶液が供給される間、常に排気管１１内に尿素水溶液が噴射される状態になる。これにより、排気管１１内に尿素水溶液が付着して、加熱されることによって結晶化が進行したり、生成されるアンモニアが還元触媒１３に吸着しきれずに還元触媒１３の下流側に流出したりするおそれがある。このため、異常判定部１０３は、噴射弁３１が開固着状態の場合には、尿素水溶液の噴射制御を禁止する。これに伴って、異常判定部１０３は、還元剤噴射装置２０内の尿素水溶液を貯蔵タンク５０内に回収したり、運転者等への警告表示を行ったりしてもよい。
【００６０】
一方、噴射弁３１が閉固着状態の場合、噴射弁３１に尿素水溶液を供給しても、尿素水溶液が排気管１１内に漏れ出ることはない。そのため、異常判定部１０３は、噴射弁３１が閉固着状態である場合、復帰制御部１０７に復帰制御を実行させ、結晶化した尿素水溶液の融解によって、弁体の固着の解消を試みる。このとき、異常判定部１０３は、第２カウンタ値をカウントアップし、第２カウンタ値が所定の閾値Ｔｈ２に到達した場合に、噴射弁３１の閉固着状態が解消されないものとみなして、尿素水溶液の噴射制御を禁止する。
【００６１】
かかる異常判定部１０３による噴射弁３１の異常判定は、尿素水溶液の噴射制御を実行中に行うことができる。したがって、噴射弁３１に異常がない場合には、尿素水溶液の噴射制御に影響を与えることなく、噴射弁３１の異常判定を完了させることができる。また、かかる噴射弁３１の異常判定は、噴射弁３１の開固着状態と閉固着状態とを判別することができるために、閉固着状態の場合には、噴射制御を禁止する前に、弁体の固着の解消を試みることができる。したがって、結晶化した尿素水溶液を融解させることができた場合には、尿素水溶液の噴射制御を継続することができる。
【００６２】
＜４．フローチャート＞
次に、図７を参照して、本実施形態にかかる制御装置１００により実行される還元剤噴射装置の制御方法の例について説明する。
【００６３】
まず、ステップＳ１０において、内燃機関５のイグニションスイッチがオンにされる等によって、還元剤噴射装置２０が起動すると、ステップＳ１４において、第１カウンタ及び第２カウンタの値がリセットされる。
【００６４】
次いで、ステップＳ１８において、制御装置１００の圧力判定部１０５は、噴射弁３１に供給される尿素水溶液の圧力Ｐｕに基づいて、噴射弁３１の詰まり判定を行う。例えば、貯蔵タンク５０内の尿素水溶液がポンプ４１によって噴射弁３１に向けて圧送され、圧力センサ４３により検出される圧力Ｐｕが目標値Ｐｔｇｔになった状態で、圧力判定部１０５は、ポンプ４１の出力を一定にするとともに、噴射弁３１を開弁状態で維持する。そして、圧力判定部１０５は、噴射弁３１を開弁状態にしてから所定時間経過した時点の圧力Ｐｕの値を求め、噴射弁３１の詰まりの有無を判定する。ある時点の圧力Ｐｕの値の代わりに、噴射弁３１を開弁状態にしてからの圧力の降下速度を用いて、噴射弁３１の詰まり判定をしてもよい。
【００６５】
次いで、ステップＳ２２において、圧力判定部１０５は、詰まり判定の結果、噴射弁３１に異常があるか否かを判別する。噴射弁３１に異常がある場合（Ｓ２２：Ｙｅｓ）、ステップＳ２６において、圧力判定部１０５は、復帰制御部１０７による復帰制御を実行させる。例えば、復帰制御部１０７は、流路切替弁７１に通電し、ポンプ４１により圧送される尿素水溶液が、噴射弁３１側から貯蔵タンク５０側に流れるようにした後、ポンプ４１を所定時間駆動する。これにより、還元剤噴射装置２０内の尿素水溶液が貯蔵タンク５０内に吸い戻される。このとき、噴射弁３１に開弁指示を出力してもよい。噴孔の一部が詰まっている場合には、噴射弁３１が開弁していた方が、尿素水溶液を効率的に吸い戻すことができる。
【００６６】
また、復帰制御部１０７は、尿素水溶液の吸い戻しが終了した後には、流路切替弁７１への通電を停止し、ポンプ４１により圧送される尿素水溶液が、貯蔵タンク５０側から噴射弁３１側に流れるようにし、ポンプ４１を駆動する。これにより、尿素水溶液が還元剤噴射装置２０内に再充填される。かかる復帰制御の結果、尿素水溶液が、噴射弁３１内で結晶化した尿素水溶液に到達すれば、結晶化した尿素水溶液が融解して、噴射弁３１の異常が解消され得る。
【００６７】
復帰制御部１０７による復帰制御が終了した後、ステップＳ３０において、圧力判定部１０５は、第１カウンタ値が、あらかじめ設定した閾値Ｔｈ１以上になっているか否かを判別する。第１カウンタ値が閾値Ｔｈ１未満である場合（Ｓ３０：Ｎｏ）、噴射弁３１の詰まりの解消の余地があるため、圧力判定部１０５は、ステップＳ３４において、第１カウンタ値をカウントアップした後、ステップＳ１８に戻って、詰まり判定を繰り返す。一方、第１カウンタ値が閾値Ｔｈ１以上である場合（Ｓ３０：Ｙｅｓ）、所定回数復帰制御を実施したにもかかわらず噴射弁３１の詰まりが解消されておらず、尿素水溶液の噴射制御を実行することが困難であるとみなすことができる。したがって、圧力判定部１０５は、ステップＳ３８に進み、エラー判定する。この場合、尿素水溶液の噴射制御は実行されない。圧力判定部１０５は、運転者等に対して噴射弁３１の異常を知らせるために、警告装置を作動させてもよい。
【００６８】
一方、上述のステップＳ２２において、詰まり判定の結果、噴射弁３１に異常が無い場合（Ｓ２２：Ｎｏ）、ステップＳ４２において、噴射制御部１０１は、尿素水溶液の噴射制御を開始する。例えば、噴射制御部１０１は、噴射弁３１に供給される尿素水溶液の圧力Ｐｕが目標値Ｐｔｇｔとなるようにポンプ４１の出力をフィードバック制御する。また、噴射制御部１０１は、尿素水溶液の目標噴射量に基づいて噴射弁３１の開弁時間を設定し、噴射弁３１への通電制御を行う。
【００６９】
尿素水溶液の噴射制御が開始された後、ステップＳ４６において、異常判定部１０３は、噴射弁３１に通電されている電流波形及びポンプ４１の出力に基づく噴射弁３１の異常判定を実行する。具体的には、異常判定部１０３は、所定のサイクルごとに、噴射弁３１に通電されている電流値及びポンプ４１の出力を検出する。また、異常判定部１０３は、検出された噴射弁３１の電流波形における所定の変化点の有無により、弁体の固着の有無を判定する。さらに、異常判定部１０３は、弁体が固着している場合には、ポンプ４１の出力を、あらかじめ設定した閾値あるいは範囲と比較することにより、噴射弁３１の開固着状態又は閉固着状態を判定する。
【００７０】
次いで、ステップＳ５０において、異常判定部１０３は、噴射弁３１の異常判定の結果、噴射弁３１に異常があるか否かを判別する。噴射弁３１に異常がない場合（Ｓ５０：Ｎｏ）、還元剤噴射装置２０は正常に噴射制御を実行可能であるとみなせるため、異常判定部１０３は、ステップＳ７０に進んで、噴射制御部１０１に、尿素水溶液の噴射制御を継続させる。一方、噴射弁３１に異常がある場合（Ｓ５０：Ｙｅｓ）、ステップＳ５４において、異常判定部１０３は、噴射弁３１の異常が閉固着によるものか否かを判別する。
【００７１】
噴射弁３１が開固着状態である場合（Ｓ５４：Ｎｏ）、ポンプ４１の駆動を継続すると、尿素水溶液が排気管１１中に垂れ流しの状態になることから、異常判定部１０３は、ステップＳ３８に進み、エラー判定した上で、尿素水溶液の噴射制御を速やかに停止する。異常判定部１０３は、運転者等に対して噴射弁３１の異常を知らせるために、警告装置を作動させてもよい。一方、噴射弁３１が閉固着状態である場合（Ｓ５４：Ｙｅｓ）、ステップＳ５８において、異常判定部１０３は、第２カウンタ値があらかじめ設定した閾値Ｔｈ２未満であるか否かを判別する。
【００７２】
第２カウンタ値が閾値Ｔｈ２以上である場合（Ｓ５８：Ｎｏ）、所定回数復帰制御を実施したにもかかわらず噴射弁３１の閉固着状態が解消されておらず、尿素水溶液の噴射制御を実行することが困難であるとみなすことができる。したがって、異常判定部１０３は、ステップＳ３８に進み、エラー判定し、尿素水溶液の噴射制御を停止させる。異常判定部１０３は、運転者等に対して噴射弁３１の異常を知らせるために、警告装置を作動させてもよい。一方、第２カウンタ値が閾値Ｔｈ２未満の場合、噴射弁３１の閉固着状態の解消の余地があるため、ステップＳ６２において、異常判定部１０３は、復帰制御部１０７による復帰制御を実行させる。復帰制御は、上述したステップＳ２６の復帰制御と同様の手順に沿って実行し得る。
【００７３】
復帰制御部１０７による復帰制御が終了した後、異常判定部１０３は、ステップＳ６６において、第２カウンタ値をカウントアップした後、ステップＳ１８に戻って、再び詰まり判定から上記のフローチャートを繰り返す。
【００７４】
以上説明したように、本実施形態にかかる還元剤噴射装置２０の制御装置１００によれば、還元剤噴射装置２０を制御することにより、比較的簡易な詰まり判定によって噴射弁３１の異常を検出しつつ、詰まり判定によって異常が見られない場合であっても、噴射制御中に実行される異常判定によって噴射弁３１の異常を検出することができる。また、噴射制御中に実行される異常判定では、噴射制御を停止させることなく、噴射弁３１の開固着状態又は閉固着状態を区別しつつ、噴射弁３１の異常の有無を判定することができる。したがって、噴射弁３１に異常がない場合には、尿素水溶液の噴射制御を継続させることができる。
【００７５】
また、本実施形態にかかる還元剤噴射装置２０の制御装置１００は、噴射弁３１の開固着状態又は閉固着状態を区別することができる。したがって、噴射弁３１の開固着状態では速やかに尿素水溶液の噴射制御を停止して、排気管１１内への尿素水溶液の垂れ流しを防ぐことができる。一方、噴射弁３１の閉固着状態では、尿素水溶液の噴射制御を停止させる前に、復帰制御によって噴射弁３１の閉固着状態の解消を試みることができる。これにより、噴射弁３１の異常を解消できないと判定された場合にのみ、尿素水溶液の噴射制御が禁止されることになり、必要以上に噴射制御が禁止されることがなくなる。
【００７６】
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】
【００７７】
５    内燃機関
１０    尿素ＳＣＲシステム
１１    排気管
１３    還元触媒
１５    温度センサ
２０    還元剤噴射装置
３１    噴射弁
４１    ポンプ
４３    圧力センサ
５０    貯蔵タンク
１００    制御装置
１０１    噴射制御部
１０３    異常判定部
１０５    圧力判定部
１０７    復帰制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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