JP6213015B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関するものである。

例えば特許文献１に記載されているように、排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する選択還元型ＮＯｘ触媒と、この選択還元型ＮＯｘ触媒でのＮＯｘ浄化に利用する還元剤を排気通路内に供給する還元剤供給機構とを備える内燃機関の排気浄化装置が知られている。

この排気浄化装置では、還元剤供給機構の供給通路から排気通路に向けて尿素水が噴射される。噴射された尿素水は、排気の熱によって加水分解されてアンモニアになる。そしてこのアンモニアが還元剤として選択還元型ＮＯｘ触媒に供給される。

ところで、機関運転中は供給通路を通じて添加弁に還元剤が供給されるため、添加弁内は還元剤で満たされている。そして、機関運転が停止されると還元剤の供給も停止されるのであるが、添加弁内には還元剤が残留している。そのため、残留した還元剤が凍結した場合には、添加弁が損傷するおそれがある。

そこで、こうした添加弁内での還元剤の残留を抑えるために、特許文献１に記載の装置では、機関停止後に、添加弁から還元剤を回収するようにしている。

特開２００８−１０１５６４号公報

ところで、機関停止後に添加弁から還元剤を回収するようにした場合には、次の機関始動後において、添加弁内が還元剤で満たされるまで、同添加弁からは還元剤が噴射されない。そこで、還元剤を回収するようにした場合には、次の機関始動後、排気浄化用の還元剤噴射に先立って、還元剤を添加弁に予め充填しておくことが望ましい。

しかし、このようにして予め還元剤を充填しておくようにすると、次のような不都合の発生が懸念される。すなわち、機関始動から機関停止までの時間が比較的短い場合には、添加弁に充填された還元剤が、噴射されることなく回収される可能性がある。

この場合、還元剤の充填時には添加弁の先端に還元剤が付着して、そのまま残留するおそれがある。また、還元剤の回収が行われても、添加弁内には少量の還元剤が残留するおそれもある。そして、このようにして添加弁の先端や内部に残留した還元剤は、その後、デポジット化して添加弁の作動不良を引き起こす可能性がある。

なお、こうした添加弁の先端や内部での還元剤のデポジット化は、機関始動から機関停止までの時間が比較的短い機関運転が繰り返されることにより、顕著になる。
この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、還元剤を添加する添加弁でのデポジット生成を抑えることのできる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

上記課題を解決する内燃機関の排気浄化装置は、排気通路に設けられて還元剤が供給されることにより排気を浄化する触媒と、排気通路に液状の還元剤を噴射する添加弁を有しており、添加弁への還元剤の供給及び添加弁からの還元剤の回収を行う還元剤供給機構と、還元剤供給機構の作動を制御する制御部と、を備えている。そして、制御部は、機関始動後に添加弁の温度が上昇して当該温度が触媒の活性化温度に達する前に還元剤の沸点に達したとき、添加弁に還元剤を供給して添加弁内に還元剤を充填する充填処理を開始する。

同構成によれば、添加弁内への還元剤の充填は、添加弁の温度が還元剤の沸点に達したときに開始される。そのため、添加弁への還元剤充填時に、添加弁の先端に還元剤が付着したとしても、その付着した還元剤は気化するようになり、添加弁先端での還元剤の残留が抑制される。また、還元剤の回収が行われたときに添加弁内に少量の還元剤が残留したとしても、その残留した還元剤は気化するようになり、添加弁内での還元剤の残留が抑制される。このように同構成によれば、添加弁の先端や内部での還元剤の残留が抑えられるようになるため、残留した還元剤に由来する添加弁でのデポジット生成を抑えることができる。なお、同構成においては、添加弁の温度が厳密に還元剤の沸点以上の温度である必要はない。つまり、添加弁の温度が還元剤の沸点近傍の温度以上であれば、添加弁に残留した還元剤の気化が促進されるため、上述した作用効果が得られる。

また、上記排気浄化装置において、制御部は、充填処理として、添加弁の温度を推定し、その推定された温度が還元剤の沸点に達したときに添加弁内に還元剤を充填する処理を行うことが好ましい。

同構成によれば、推定された添加弁の温度に基づいて充填処理を適切に行うことができる。なお、添加弁の温度は、センサ等で実際に検出することができる。また、添加弁の温度は、排気温度、排気流量、外気温度等に基づいて推定することもできる。また、内燃機関の排気浄化装置が車両に搭載されている場合には、車速も考慮することで添加弁温度の推定精度を高めることができる。

また、上記排気浄化装置において、制御部は、排気浄化用の還元剤噴射を開始する前に充填処理を行うことが好ましい。
同構成によれば、排気浄化用の還元剤噴射に先立って、添加弁内に還元剤が充填される。従って、排気浄化用の還元剤噴射が行われるときには、添加弁の開弁動作に伴って直ちに還元剤を噴射することができる。そのため、例えば添加弁の開弁時間に基づいて還元剤の噴射量を推定する場合には、噴射量の推定精度を高めることができる。

また、上記排気浄化装置において、制御部は、機関停止後に前記添加弁からの還元剤の回収を行い、機関始動時に充填処理を行うことが好ましい。
同構成によれば、機関停止後に添加弁からの還元剤の回収が行われるため、添加弁内に残留した還元剤が凍結することによる添加弁の損傷を抑えることができる。また、機関始動時には、添加弁内に還元剤を充填する充填処理が行われるため、機関始動後に行われる排気浄化用の還元剤噴射に先立って、添加弁内に還元剤を充填しておくことができる。

内燃機関の排気浄化装置の一実施形態について、これが適用される内燃機関及びその周辺構成を示す概略図。 尿素水供給機構の構成を示す概略図。 尿素水の回収処理の手順を示すフローチャート。 尿素水の充填処理の手順を示すフローチャート。 尿素添加弁の先端温度の推定態様を示すグラフ。 同実施形態の変形例における充填処理の手順を示すフローチャート。 同実施形態の変形例における充填処理の手順を示すフローチャート。

以下、内燃機関の排気浄化装置を具体化した一実施形態について、図１〜図５を参照して説明する。
図１に、排気浄化装置が適用された内燃機関であるディーゼルエンジン（以下、単に「エンジン」という）や、このエンジン１に設けられた排気浄化装置の構成を示す。

エンジン１には複数の気筒＃１〜＃４が設けられている。シリンダヘッド２には複数の燃料噴射弁４ａ〜４ｄが各気筒＃１〜＃４に対応して取り付けられている。これら燃料噴射弁４ａ〜４ｄは各気筒＃１〜＃４の燃焼室に燃料を噴射する。また、シリンダヘッド２には新気を気筒内に導入するための吸気ポートと、燃焼ガスを気筒外へ排出するための排気ポート６ａ〜６ｄとが各気筒＃１〜＃４に対応して設けられている。

燃料噴射弁４ａ〜４ｄは、高圧燃料を蓄圧するコモンレール９に接続されている。コモンレール９はサプライポンプ１０に接続されている。サプライポンプ１０は燃料タンク内の燃料を吸入するとともにコモンレール９に高圧燃料を供給する。コモンレール９に供給された高圧燃料は、各燃料噴射弁４ａ〜４ｄの開弁時に同燃料噴射弁４ａ〜４ｄから気筒内に噴射される。

吸気ポートにはインテークマニホールド７が接続されている。インテークマニホールド７は吸気通路３に接続されている。この吸気通路３内には吸入空気量を調整するための吸気絞り弁１６が設けられている。

排気ポート６ａ〜６ｄにはエキゾーストマニホールド８が接続されている。エキゾーストマニホールド８は排気通路２６に接続されている。
排気通路２６の途中には、排気圧を利用して気筒に導入される吸入空気を過給するターボチャージャ１１が設けられている。同ターボチャージャ１１の吸気側コンプレッサと吸気絞り弁１６との間の吸気通路３にはインタークーラ１８が設けられている。このインタークーラ１８によって、ターボチャージャ１１の過給により温度上昇した吸入空気の冷却が図られる。

また、排気通路２６の途中にあって、ターボチャージャ１１の排気側タービンの排気下流には、排気を浄化する第１浄化部材３０が設けられている。この第１浄化部材３０の内部には、排気の流れ方向に対して直列に酸化触媒３１及びフィルタ３２が配設されている。

酸化触媒３１には、排気中のＨＣを酸化処理する触媒が担持されている。また、フィルタ３２は、排気中のＰＭ（粒子状物質）を捕集する部材であって、多孔質のセラミックで構成されている。このフィルタ３２には、ＰＭの酸化を促進させるための触媒が担持されており、排気中のＰＭは、フィルタ３２の多孔質の壁を通過する際に捕集される。

また、エキゾーストマニホールド８の集合部近傍には、酸化触媒３１やフィルタ３２に添加剤として燃料を供給するための燃料添加弁５が設けられている。この燃料添加弁５は、燃料供給管２７を介して前記サプライポンプ１０に接続されている。なお、燃料添加弁５の配設位置は、排気系にあって第１浄化部材３０の上流側であれば適宜変更するも可能である。また、燃料の噴射時期を調整してポスト噴射を行うことにより、酸化触媒３１やフィルタ３２に添加剤として燃料を供給してもよい。

フィルタ３２に捕集されたＰＭの量が所定値を超えると、フィルタ３２の再生処理が開始されて燃料添加弁５からはエキゾーストマニホールド８内に向けて燃料が噴射される。この燃料添加弁５から噴射された燃料は、酸化触媒３１に達すると燃焼され、これにより排気温度の上昇が図られる。そして、酸化触媒３１にて昇温された排気がフィルタ３２に流入することにより、同フィルタ３２は昇温され、これによりフィルタ３２に堆積したＰＭが酸化処理されてフィルタ３２の再生が図られる。

また、排気通路２６の途中にあって、第１浄化部材３０の排気下流には、排気を浄化する第２浄化部材４０が設けられている。第２浄化部材４０の内部には、還元剤を利用して排気中のＮＯｘを還元浄化する選択還元型ＮＯｘ触媒（以下、ＳＣＲ触媒という）４１が配設されている。

さらに、排気通路２６の途中にあって、第２浄化部材４０の排気下流には、排気を浄化する第３浄化部材５０が設けられている。第３浄化部材５０の内部には、排気中のアンモニアを浄化するアンモニア酸化触媒５１が配設されている。

エンジン１には、上記ＳＣＲ触媒４１に還元剤を供給する還元剤供給機構としての尿素水供給機構２００が設けられている。
図２に示すように、尿素水供給機構２００は、尿素水を貯留するタンク２１０、排気通路２６内に尿素水を噴射供給する尿素添加弁２３０、尿素添加弁２３０とタンク２１０とを接続する供給通路２４０、供給通路２４０の途中に設けられたポンプ２２０を備えている。また、尿素水供給機構２００は、ポンプ２２０から吐出された尿素水をタンク２１０に戻すリターン通路２５０や、このリターン通路２５０の途中に設けられた逆止弁２６０や、供給通路２４０内の尿素水圧力ＮＰを検出する圧力センサ２７０も備えている。

リターン通路２５０は、ポンプ２２０と尿素添加弁２３０との間の供給通路２４０から分岐された通路であり、分岐先はタンク２１０に接続されている。
逆止弁２６０は、リターン通路２５０において、タンク２１０から供給通路２４０への尿素水の流れを遮断する。また、逆止弁２６０は、供給通路２４０内の圧力が規定圧以上になると開弁する。このようにして逆止弁２６０が開弁すると、リターン通路２５０において、供給通路２４０からタンク２１０への尿素水の流れが許容される。

圧力センサ２７０は、供給通路２４０において、リターン通路２５０への分岐部２４０ａと尿素添加弁２３０との間の部位に設けられている。
ポンプ２２０は電動式のポンプであり、正回転時には、タンク２１０から尿素添加弁２３０に向けて尿素水を送液する。一方、逆回転時には、尿素添加弁２３０からタンク２１０に向けて尿素水を送液する。つまり、ポンプ２２０の逆回転時には、尿素添加弁２３０及び供給通路２４０から尿素水が回収されてタンク２１０に戻される。

先の図１に示すように、尿素添加弁２３０は、第１浄化部材３０と第２浄化部材４０との間の排気通路２６に設けられており、その噴射孔はＳＣＲ触媒４１に向けられている。この尿素添加弁２３０が開弁されてポンプ２２０が駆動されると、タンク２１０から供給通路２４０を介して排気通路２６内には尿素水が噴射供給される。

また、尿素添加弁２３０とＳＣＲ触媒４１との間の排気通路２６内には、尿素添加弁２３０から噴射された尿素水を分散させることにより同尿素水の霧化を促進する分散板６０が設けられている。

尿素添加弁２３０から噴射された尿素水は、排気の熱によって加水分解されてアンモニアとなる。そしてこのアンモニアがＮＯｘの還元剤としてＳＣＲ触媒４１に供給される。ＳＣＲ触媒４１に供給されたアンモニアは、同ＳＣＲ触媒４１に吸蔵されてＮＯｘの還元に利用される。

この他、エンジン１には排気再循環装置（以下、ＥＧＲ装置という）が備えられている。このＥＧＲ装置は、排気の一部を吸入空気に導入することで気筒内の燃焼温度を低下させ、ＮＯｘの発生量を低減させる装置である。この排気再循環装置は、吸気通路３とエキゾーストマニホールド８とを連通するＥＧＲ通路１３、同ＥＧＲ通路１３に設けられたＥＧＲ弁１５、及びＥＧＲクーラ１４等により構成されている。ＥＧＲ弁１５の開度が調整されることにより排気通路２６から吸気通路３に導入される排気再循環量、すなわちＥＧＲ量が調量される。また、ＥＧＲクーラ１４によってＥＧＲ通路１３内を流れる排気の温度が低下される。

エンジン１には、機関運転状態を検出するための各種センサが取り付けられている。例えば、エアフロメータ１９は吸入空気量ＧＡを検出する。絞り弁開度センサ２０は吸気絞り弁１６の開度を検出する。機関回転速度センサ２１はクランクシャフトの回転速度、すなわち機関回転速度ＮＥを検出する。アクセルセンサ２２はアクセルペダルの踏み込み量、すなわちアクセル操作量ＡＣＣＰを検出する。外気温センサ２３は、外気温度ＴＨｏｕｔを検出する。車速センサ２４はエンジン１が搭載された車両の車速ＳＰＤを検出する。また、エンジン１には、車両の運転者がエンジン１を始動させるときや停止させるときに操作するイグニッションスイッチ（以下、ＩＧスイッチという）２５も設けられており、このＩＧスイッチ２５の操作位置によって、機関始動や機関停止が行われる。

また、酸化触媒３１の排気上流に設けられた第１排気温度センサ１００は、酸化触媒３１に流入する前の排気温度である第１排気温度ＴＨ１を検出する。差圧センサ１１０は、フィルタ３２の排気上流及び排気下流の排気圧の圧力差ΔＰを検出する。第１浄化部材３０と第２浄化部材４０との間の排気通路２６にあって、尿素添加弁２３０の排気上流には、第２排気温度センサ１２０及び第１ＮＯｘセンサ１３０が設けられている。第２排気温度センサ１２０は、ＳＣＲ触媒４１に流入する前の排気温度である第２排気温度ＴＨ２を検出する。第１ＮＯｘセンサ１３０は、ＳＣＲ触媒４１に流入する前の排気中のＮＯｘ濃度である第１ＮＯｘ濃度Ｎ１を検出する。第３浄化部材５０の排気下流の排気通路２６には、ＳＣＲ触媒４１で浄化された排気のＮＯｘ濃度である第２ＮＯｘ濃度Ｎ２を検出する第２ＮＯｘセンサ１４０が設けられている。

上述した各種センサ等の出力は、制御部を構成する制御装置８０に入力される。この制御装置８０は、中央処理制御装置（ＣＰＵ）、各種プログラムやマップ等を予め記憶した読出専用メモリ（ＲＯＭ）、ＣＰＵの演算結果等を一時記憶するランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、タイマカウンタ、入力インターフェース、出力インターフェース等を備えたマイクロコンピュータを中心に構成されている。

そして、この制御装置８０により、例えば燃料噴射弁４ａ〜４ｄや燃料添加弁５の燃料噴射制御、サプライポンプ１０の吐出圧力制御、吸気絞り弁１６を開閉するアクチュエータ１７の駆動量制御、ＥＧＲ弁１５の開度制御等、エンジン１の各種制御が行われる。また、上記フィルタ３２に捕集されたＰＭを燃焼させる上記再生処理等といった各種の排気浄化制御も同制御装置８０によって行われる。

また、制御装置８０は、排気浄化制御の一つとして、上記尿素添加弁２３０による尿素水の添加制御を行う。この添加制御では、エンジン１から排出されるＮＯｘを還元処理するために必要な尿素添加量が機関運転状態等に基づいて算出される。そして、算出された尿素添加量が尿素添加弁２３０から噴射されるように、尿素添加弁２３０の開弁状態が制御される。なお、制御装置８０は、尿素添加弁２３０の開弁時間に基づいて尿素水の実際の噴射量を推定する。また、ＮＯｘ還元のための尿素水噴射は、ＳＣＲ触媒４１の温度が活性化温度以上になっているときに行われる。

こうしたＮＯｘ還元のための尿素水噴射は、機関運転中に行われる。そして、機関運転が停止されると、ＮＯｘ還元のための尿素水噴射は停止される。
このように機関運転が停止されると尿素水噴射も停止されるのであるが、尿素水供給機構の供給通路２４０内や尿素添加弁２３０内に尿素水が残留していると、尿素水の凍結による体積増加によって供給通路２４０や尿素添加弁２３０が損傷するおそれがある。そこで、こうした尿素水の残留を抑えるために、制御装置８０は、機関停止後に、供給通路２４０や尿素添加弁２３０から尿素水を回収する処理を行う。

図３に、尿素水の回収処理の手順を示す。
本処理が開始されるとまず、制御装置８０は、ＩＧスイッチ２５が「ＯＦＦ」にされたか否か、すなわち機関停止が行われたか否かを判定する（Ｓ１００）。そして、ＩＧスイッチ２５が「ＯＦＦ」にされていないときには（Ｓ１００：ＮＯ）、制御装置８０は、本処理を終了する。

一方、ＩＧスイッチ２５が「ＯＦＦ」にされたときには（Ｓ１００：ＹＥＳ）、制御装置８０は、尿素水の回収を行う（Ｓ１１０）。このステップＳ１１０では、制御装置８０は、予め定められた時間だけ尿素添加弁２３０を開弁させるとともにポンプ２２０を逆回転させる。これにより、尿素添加弁２３０や供給通路２４０に残留していた尿素水は、機関停止後においてタンク２１０に回収される。そして、制御装置８０は、本処理を終了する。

ところで、機関停止後に尿素添加弁２３０や供給通路２４０から尿素水を回収すると、次の機関始動後において、ＮＯｘ浄化用の尿素水噴射を行うために尿素添加弁２３０を開弁したとしても、尿素添加弁２３０内が尿素水で満たされるまでは、尿素水が噴射されない。そのため、制御装置８０は、尿素添加弁２３０の開弁時間に基づいて尿素水の実際の噴射量を推定するようにしているが、そうした噴射量の推定精度が悪化するようになる。

そこで、制御装置８０は、次の機関始動後において、ＮＯｘ浄化用の尿素水噴射が実行される前に、より詳細には機関始動時に、尿素添加弁２３０に対して尿素水を予め充填する処理を行う。

しかし、このようにして予め尿素水を充填しておくと、次のような不都合の発生が懸念される。
すなわち機関始動から機関停止までの時間が比較的短い場合、例えばエンジン１の暖機が完了する前にエンジン１の稼働が停止される場合などには、尿素添加弁２３０に充填された還元剤が、噴射されることなく回収される可能性がある。

この場合、尿素水の充填時に尿素添加弁２３０の先端に付着した尿素水が、そのまま先端に残留するおそれがある。また、尿素水の回収が行われても、尿素添加弁２３０内には少量の尿素水が残留するおそれもある。例えば噴射孔内のシール部分に膜状の尿素水が残留するおそれがある。

このようにして尿素添加弁２３０の先端や内部に残留し尿素水は、その後、デポジット化して尿素添加弁２３０の作動不良を引き起こす可能性がある。
特に、機関始動から機関停止までの時間が比較的短い機関運転が繰り返されると、充填時における尿素添加弁２３０の先端での尿素水の残留や、回収時における尿素添加弁２３０の内部での尿素水の残留が繰り返されるため、尿素添加弁２３０の先端や内部での尿素水のデポジット化がより一層顕著になりやすい。

そこで、本実施形態では、尿素水を添加する尿素添加弁２３０でのデポジット生成を抑えるために、図４に示す処理を行うようにしている。
図４に、制御装置８０により実行される尿素水の充填処理の手順を示す。

本処理が開始されるとまず、制御装置８０は、ＩＧスイッチ２５が「ＯＮ」にされたか否か、すなわち機関始動時であるか否かを判定する（Ｓ２００）。そして、ＩＧスイッチ２５が「ＯＮ」にされていないときには（Ｓ２００：ＮＯ）、制御装置８０は、本処理を終了する。

一方、ＩＧスイッチ２５が「ＯＮ」にされたときには（Ｓ２００：ＹＥＳ）、制御装置８０は、尿素添加弁２３０の先端温度ＴＨＥＤを推定する（Ｓ２１０）。このステップＳ２１０では、制御装置８０は、尿素添加弁２３０近傍の排気温度を示す第２排気温度ＴＨ２及び排気流量ＧＳ及び外気温度ＴＨｏｕｔ及び車速ＳＰＤに基づいて先端温度ＴＨＥＤを推定する。

図５に、先端温度ＴＨＥＤの推定態様を示す。この図５に示すように、第２排気温度ＴＨ２が高いほど尿素添加弁２３０の先端の温度は高くなるため、第２排気温度ＴＨ２が高いほど先端温度ＴＨＥＤの推定値は高い温度にされる。また、排気流量ＧＳが多いほど、排気から尿素添加弁２３０の先端に移動する熱量が増えるため、排気流量ＧＳが多いほど先端温度ＴＨＥＤの推定値は高い温度にされる。また、外気温度ＴＨｏｕｔが高いほど尿素添加弁２３０の温度は高くなるため、外気温度ＴＨｏｕｔが高いほど先端温度ＴＨＥＤの推定値は高い温度にされる。そして、車速ＳＰＤが低いほど、走行風による尿素添加弁２３０の冷却効果が低下するため、車速ＳＰＤが低いほど先端温度ＴＨＥＤの推定値は高い温度にされる。このように先端温度ＴＨＥＤに関与する複数のパラメータに基づいて先端温度ＴＨＥＤが推定されることにより、先端温度ＴＨＥＤの推定精度が高められている。

次に、制御装置８０は、推定した先端温度ＴＨＥＤが判定値Ａ以上であるか否かを判定する（Ｓ２２０）。判定値Ａには、尿素水の沸点が設定されている。
そして、先端温度ＴＨＥＤが判定値Ａよりも低いときには（Ｓ２２０：ＮＯ）、制御装置８０は、先端温度ＴＨＥＤが判定値Ａ以上になるまで、先端温度ＴＨＥＤの推定（Ｓ２１０）及び先端温度ＴＨＥＤと判定値Ａとの比較判定（Ｓ２２０）を繰り返す。

一方、先端温度ＴＨＥＤが判定値Ａ以上であるときには（Ｓ２２０：ＹＥＳ）、制御装置８０は、尿素水の充填が開始される（Ｓ２３０）。このステップＳ２３０では、制御装置８０は、尿素添加弁２３０を開弁させるとともにポンプ２２０を正回転させる。これにより、尿素添加弁２３０や供給通路２４０には尿素水が充填される。そして、尿素添加弁２３０や供給通路２４０への尿素水の充填が完了すると、制御装置８０は、ポンプ２２０の正回転駆動を維持したまま、尿素添加弁２３０を閉弁させる。なお、尿素水の充填完了は、適宜の方法で行うことができる。例えば、尿素水圧力ＮＰが予め定められた閾値に達したことをもって尿素水の充填が完了したと判定することができる。その他、ポンプ２２０の正回転駆動が予め定められた時間に達したことをもって尿素水の充填が完了したと判定することもできる。そして、制御装置８０は、本処理を終了する。

次に、本実施形態の作用を説明する。
先の図４に示したように、尿素添加弁２３０の先端温度ＴＨＥＤが尿素水の沸点以上に高い温度状態になっている場合に（Ｓ２２０：ＹＥＳ）、尿素添加弁２３０内への尿素水の充填が開始される（Ｓ２３０）。例えばエンジン１が始動されて先端温度ＴＨＥＤが徐々に高くなっていき、判定値Ａに達した時点で尿素添加弁２３０内への尿素水の充填が開始される。あるいは、エンジン１が始動された時点で、先端温度ＴＨＥＤが既に判定値Ａ以上の温度になっていた場合には、エンジン１が始動された時点で尿素添加弁２３０内への尿素水の充填が開始される。

このように先端温度ＴＨＥＤが尿素水の沸点以上の温度になっているときに尿素水の充填が行われる。そのため、尿素添加弁２３０への尿素水充填時において、尿素添加弁２３０の先端に尿素水が付着したとしても、その付着した尿素水は気化する。従って、尿素添加弁２３０の先端における尿素水の残留は抑制される。また、尿素水の回収が行われたときに尿素添加弁２３０内に少量の尿素水が残留したとしても、その残留した尿素水は気化する。従って、尿素添加弁２３０内での尿素水の残留も抑制される。このようにして、尿素添加弁２３０の先端や内部での尿素水の残留が抑えられるようになるため、残留した尿素水に由来する尿素添加弁２３０でのデポジット生成が抑えられる。

また、尿素添加弁２３０の先端温度ＴＨＥＤを推定し、その推定された先端温度ＴＨＥＤが尿素水の沸点以上の温度であるときに尿素水の充填が行われる。従って、推定された先端温度ＴＨＥＤに基づいて尿素水の充填を適切に行うことができる。

また、先の図３に示したように、ＩＧスイッチ２５が「ＯＦＦ」にされた機関停止後に（Ｓ１００：ＹＥＳ）、尿素添加弁２３０や供給通路２４０からの尿素水の回収を行うようにしている（Ｓ１１０）。従って、尿素添加弁２３０内や供給通路２４０内に残留した尿素水が凍結することによる尿素添加弁２３０や供給通路２４０の損傷が抑えられる。

また、先の図４に示したように、ＩＧスイッチ２５が「ＯＮ」にされた機関始動時であれば（Ｓ２００：ＹＥＳ）、先端温度ＴＨＥＤと判定値Ａとの比較を行い、その結果、先端温度ＴＨＥＤが判定値Ａ以上であれば（Ｓ２２０：ＹＥＳ）、尿素水の充填を行うようにしている（Ｓ２３０）。このように機関始動時には、尿素添加弁２３０内に尿素水を充填するための処理が行われる。ここで、上述したようにＮＯｘ浄化用の尿素水噴射は、ＳＣＲ触媒４１の温度が活性化温度以上であるときに行われる。そして、その活性化温度は、尿素水の沸点よりも高い温度になっている。従って、ＳＣＲ触媒４１の温度が活性化温度に達する前に、先端温度ＴＨＥＤは判定値Ａ以上の温度になる。そのため、機関始動後に行われるＮＯｘ浄化用の尿素水噴射に先立って、尿素添加弁２３０内に尿素水を充填しておくことができる。

そして、このようにしてＮＯｘ浄化用の尿素水噴射が開始される前に、尿素添加弁２３０への尿素水の充填が行われるため、ＮＯｘ浄化用の尿素水噴射が行われるときには、尿素添加弁２３０の開弁動作に伴って直ちに尿素水を噴射することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、次の効果を得ることができる。
（１）尿素添加弁２３０の先端温度ＴＨＥＤが尿素水の沸点以上の温度であるときには、尿素添加弁２３０に尿素水を供給して尿素添加弁２３０内に尿素水を充填する充填処理を開始するようにしている。従って、残留した尿素水に由来する尿素添加弁２３０でのデポジット生成を抑えることができる。

（２）充填処理として、尿素添加弁２３０の先端温度ＴＨＥＤを推定し、その推定された先端温度ＴＨＥＤが尿素水の沸点以上の温度であるときに尿素添加弁２３０内に尿素水を充填する処理を行うようにしている。従って、推定された尿素添加弁２３０の先端温度ＴＨＥＤに基づいて充填処理を適切に行うことができる。

（３）ＮＯｘ浄化用の尿素水噴射が開始される前に上述した充填処理を行うようにしている。従って、ＮＯｘ浄化用の尿素水噴射が行われるときには、尿素添加弁２３０の開弁動作に伴って直ちに尿素水を噴射することができる。そのため、例えば尿素添加弁２３０の開弁時間に基づいて推定される尿素水の実際の噴射量について、その推定精度を高めることができるようになる。

（４）機関停止後に尿素添加弁２３０からの尿素水の回収を行うようにしている。そのため、尿素添加弁２３０内に残留した尿素水が凍結することによる尿素添加弁２３０の損傷等を抑えることができる。また、機関始動時に上述した充填処理を行うようにしている。そのため、機関始動後に行われるＮＯｘ浄化用の尿素水噴射に先立って、尿素添加弁２３０内に尿素水を充填しておくことができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更して実施することもできる。
・判定値Ａには、尿素水の沸点を設定した。この他、尿素水の沸点近傍の温度を設定するようにしてもよい。この場合でも、尿素添加弁２３０に残留した尿素水の気化が促進されるため、上記（１）に準じた効果を得ることができる。

・第２排気温度ＴＨ２及び排気流量ＧＳ及び外気温度ＴＨｏｕｔ及び車速ＳＰＤに基づいて先端温度ＴＨＥＤを推定するようにした。この他、第２排気温度ＴＨ２及び排気流量ＧＳ及び外気温度ＴＨｏｕｔ及び車速ＳＰＤのうちの少なくとも１つに基づいて先端温度ＴＨＥＤを推定してもよい。また、センサ等で先端温度ＴＨＥＤを実際に検出してもよい。

・尿素添加弁２３０の先端温度ＴＨＥＤを推定するようにした。しかし、尿素添加弁２３０の他の部位における温度と先端温度とは互いに相関しているため、先端温度ＴＨＥＤの推定に代えて、尿素添加弁２３０の他の部位の温度を推定するようにしてもよい。

・上記充填処理では、尿素添加弁２３０の温度が尿素水の沸点以上の温度であるときに尿素添加弁２３０内に尿素水を充填するために、尿素添加弁２３０の先端温度ＴＨＥＤを推定するようにした。しかし、この他の態様で、尿素添加弁２３０の温度が尿素水の沸点以上の温度状態であるときに、尿素添加弁２３０内に尿素水を充填するようにしてもよい。

例えば、ＳＣＲ触媒４１の温度が活性化温度以上になっているときには、排気系が高温状態になっているため、尿素添加弁２３０の温度は、尿素水の沸点以上の温度になっている可能性が高い。そこで、ＳＣＲ触媒４１の温度が活性化温度以上のときに尿素水の充填を行うようにしてもよい。この変形例における充填処理は、図６に示すように、先の図４に示したステップＳ２１０の処理（先端温度ＴＨＥＤの推定処理）を省略する。そして、ステップＳ２２０の処理に代えて、図６に示すステップＳ３００の処理を実行することにより、実施することができる。

図６に示すように、ステップＳ２００にて、ＩＧスイッチ２５が「ＯＮ」にされたと判定されるときには（Ｓ２００：ＹＥＳ）、制御装置８０は、ＳＣＲ触媒４１の温度が活性化温度以上になっているか否かを判定する（Ｓ３００）。なお、ＳＣＲ触媒４１の温度も、上記先端温度ＴＨＥＤと同様に、排気温度、排気流量、外気温度等に基づいて推定することができる。また、車速も考慮することでＳＣＲ触媒４１の温度の推定精度を高めることができる。また、ＳＣＲ触媒４１の温度は、温度センサ等を設けて実際に検出してもよい。

そして、ＳＣＲ触媒４１の温度が活性化温度に満たないときには（Ｓ３００：ＮＯ）、ＳＣＲ触媒４１の温度が活性化温度以上になるまで、制御装置８０は、ステップＳ３００の処理を繰り返す。

一方、ＳＣＲ触媒４１の温度が活性化温度以上になっているときには（Ｓ３００：ＹＥＳ）、制御装置８０は、尿素水の充填を行って（Ｓ２３０）、本処理を終了する。
こうした変形例でも、尿素添加弁２３０の温度が尿素水の沸点以上の温度であるときに、尿素添加弁２３０への尿素水の充填を行うことができる。

また、機関始動からの経過時間がある程度長くなっていれば、燃焼ガスにより排気系は高温状態になっているため、尿素添加弁２３０の温度は、尿素水の沸点以上の温度になっている可能性が高い。そこで、機関始動からの経過時間が予め定められた時間以上のときに尿素水の充填を行うようにしてもよい。この変形例における充填処理は、図７に示すように、先の図４に示したステップＳ２１０の処理及びステップＳ２２０の処理に代えて、図７に示すステップＳ４００及びステップＳ４１０の処理を実行することにより、実施することができる。

図７に示すように、ステップＳ２００にて、ＩＧスイッチ２５が「ＯＮ」にされたと判定されるときには（Ｓ２００：ＹＥＳ）、制御装置８０は、機関が始動してからの経過時間ＰＴを計測する（Ｓ４００）。

次に、制御装置８０は、経過時間ＰＴが判定値Ｃ以上であるか否かを判定する（Ｓ４１０）。この判定値Ｃとしては、経過時間ＰＴがこの判定値Ｃ以上になっていることに基づいて、尿素添加弁の温度（より好適には尿素添加弁２３０の先端温度）が、尿素水の沸点以上の温度になっていることを的確に判定することができるように、その値の大きさは設定されている。なお、機関始動後における排気系の温度上昇は、機関始動時における機関温度（エンジン１の冷却水温で代用可能）や、外気温度ＴＨｏｕｔなどに変化する。そのため、判定値Ｃを、そうした機関温度や外気温度ＴＨｏｕｔ等で補正することにより、尿素添加弁２３０の温度が尿素水の沸点以上の温度になっているかどうかの判定精度が向上するようになる。

そして、経過時間ＰＴが判定値Ｃ未満であるときには（Ｓ４１０：ＮＯ）、制御装置８０は、経過時間ＰＴが判定値Ｃ以上になるまで、経過時間ＰＴの計測（Ｓ４００）及び経過時間ＰＴと判定値Ｃとの比較判定（Ｓ４１０）を繰り返す。

一方、経過時間ＰＴが判定値以上になると（Ｓ４１０：ＹＥＳ）、制御装置８０は、尿素水の充填を行って（Ｓ２３０）、本処理を終了する。
こうした変形例でも、尿素添加弁２３０の温度が尿素水の沸点以上の温度であるときに、尿素添加弁２３０への尿素水の充填を行うことができる。

・機関始動時に上述した充填処理を行うようにしたが、こうした充填処理の実行タイミングは変更してもよい。例えば、機関始動後であって、ＮＯｘ浄化用の尿素水噴射が開始される直前に、上述した充填処理を行うようにしてもよい。この場合でも、ＮＯｘ浄化用の尿素水噴射が行われるときには、尿素添加弁２３０の開弁動作に伴って直ちに尿素水を噴射することができる。そのため、例えば尿素添加弁２３０の開弁時間に基づいて推定される尿素水の実際の噴射量について、その推定精度を高めることができる。

・供給通路２４０から尿素水を回収するときには、ポンプ２２０を逆回転させるようにしたがこの他の態様で回収を行ってもよい。例えば、供給通路２４０内での尿素水の流れ方向を変更する切替弁等を供給通路２４０に設けてもよい。

・還元剤として尿素水を使用するようにしたが、この他の液状の還元剤を使用するようにしてもよい。

１…エンジン、２…シリンダヘッド、３…吸気通路、４ａ〜４ｄ…燃料噴射弁、５…燃料添加弁、６ａ〜６ｄ…排気ポート、７…インテークマニホールド、８…エキゾーストマニホール、９…コモンレール、１０…サプライポンプ、１１…ターボチャージャ、１３…ＥＧＲ通路、１４…ＥＧＲクーラ、１５…ＥＧＲ弁、１６…吸気絞り弁、１７…アクチュエータ、１８…インタークーラ、１９…エアフロメータ、２０…絞り弁開度センサ、２１…機関回転速度センサ、２２…アクセルセンサ、２３…外気温センサ、２４…車速センサ、２５…イグニッションスイッチ、２６…排気通路、２７…燃料供給管、３０…第１浄化部材、３１…酸化触媒、３２…フィルタ、４０…第２浄化部材、４１…選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ触媒）、５０…第３浄化部材、５１…アンモニア酸化触媒、６０…分散板、８０…制御装置、１００…第１排気温度センサ、１１０…差圧センサ、１２０…第２排気温度センサ、１３０…第１ＮＯｘセンサ、１４０…第２ＮＯｘセンサ、２００…尿素水供給機構、２１０…タンク、２２０…ポンプ、２３０…尿素添加弁、２４０…供給通路、２４０ａ…分岐部、２５０…リターン通路、２６０…逆止弁、２７０…圧力センサ。

Claims (4)

1. 排気通路に設けられて還元剤が供給されることにより排気を浄化する触媒と、
   排気通路に液状の還元剤を噴射する添加弁を有しており、前記添加弁への還元剤の供給及び前記添加弁からの還元剤の回収を行う還元剤供給機構と、
   前記還元剤供給機構の作動を制御する制御部と、を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、
   前記制御部は、機関始動後に前記添加弁の温度が上昇して当該温度が前記触媒の活性化温度に達する前に還元剤の沸点に達したとき、前記添加弁に還元剤を供給して同添加弁内に還元剤を充填する充填処理を開始する
   ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記制御部は、前記充填処理として、前記添加弁の温度を推定し、その推定された温度が還元剤の沸点に達したときに前記添加弁内に還元剤を充填する処理を行う
   請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記制御部は、排気浄化用の還元剤噴射を開始する前に前記充填処理を行う
   請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記制御部は、機関停止後に前記添加弁からの還元剤の回収を行い、機関始動時に前記充填処理を行う
   請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。