JP2008248709A - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】NOxの還元剤又はその前駆体を水溶液の状態で貯蔵する貯蔵タンクを備える。貯蔵タンクに貯えられている還元剤等の水溶液の温度T、及びこの水溶液に含まれる還元剤等の濃度Dを検出し、検出された温度T及び濃度Dに基づいて、貯えられている水溶液が凍結しているか否かを判定する。濃度の検出は、濃度センサによることとし、この濃度センサは、温度に応じて電気特性値が変化する感温体と、この感温体に対して熱的に接続されたヒータとを有し、感温体は、貯えられている水溶液に対して直接的又は間接的に接触させた状態で設けられる。濃度センサは、ヒータを駆動し、このヒータにより加熱された感温体の電気特性値Rを、還元剤等の濃度Dとして出力する。
【選択図】 図3
Description
融点付近の温度域においては、温度センサからの出力のみからでは、尿素水が実質的な解凍前の固体の状態にあるのか、解凍後の液体の状態にあるのかの相状態の判別まではすることができないことである。従って、温度センサからの出力に基づいて解凍したとの一応の判定をなした後、この判定の確定のために加圧ポンプを作動させるに際し、貯蔵タンクの内部で尿素水が完全には解凍していない(融点付近の温度域にはあるが、固体の状態にある。)場合は、更に解凍が進み、液体となるまでの間、加圧ポンプを無駄に作動させることとなる。このような無駄を削減するため、融点付近の温度域に達した後、解凍が進んで液体への相変化が生じたものと見込まれるまでの時間を遅らせて加圧ポンプを作動させることも考えられるが、この温度域おいては、温度の上昇に時間がかかり、温度の上昇も必ずしも一様な変化を示すものではないことから、加圧ポンプを作動させるタイミングとして適切なタイミングを設定することは困難である。従って、NOxの排出をできるだけ抑制するとの観点からは、尿素水の供給の可否を早期に確定することが必要であり、そのためには、温度センサからの出力による判定の後、直ちに加圧ポンプを作動させて、圧力による判定に移行せざるを得ない。なお、ここでは、説明の便宜上、凍結した尿素水を解凍させる場合について述べたが、尿素水が凍結したか否かを判定する場合についても同様である。
図1は、本発明の一実施形態に係るエンジン(以下「エンジン」という。)1の構成を示している。本実施形態では、エンジン1として直噴型のディーゼルエンジンを採用しており、エンジン1は、トラック等の大型車両の駆動源を構成する。
吸気通路11の導入部には、図示しないエアクリーナが取り付けられており、エアクリーナにより吸入空気中の粉塵が除去される。吸気通路11には、可変ノズル型のターボチャージャ12のコンプレッサ12aが設置されており、コンプレッサ12aにより吸入空気が圧縮されて送り出される。圧縮された吸入空気は、サージタンク13に流入し、マニホールド部で各気筒に分配される。
タービン12bの下流には、上流側から順に酸化触媒32、NOx浄化触媒33及びアンモニア浄化触媒34が設置されている。酸化触媒32は、排気中の炭化水素及び一酸化炭素を酸化するとともに、排気中の一酸化窒素(以下「NO」という。)を、二酸化窒素(以下「NO2」という。)を主とするNOxに転換するためのものであり、排気に含まれるNOとNO2との比率を、後述するNOxの還元反応に最適なものに調整する作用を奏する。NOx浄化触媒33は、NOxを還元し、浄化するためのものである。このNOx浄化触媒NOx33でNOxの還元を生じさせるため、本実施形態では、NOx浄化触媒33の上流で排気に還元剤としてのアンモニアを添加する。アンモニア浄化触媒34は、NOx浄化触媒33を通過したスリップアンモニアを酸化し、浄化するためのものであり、これにより大気中へのアンモニアの放出が抑制される。本実施形態では、NOx浄化触媒33と、アンモニア浄化触媒34とを単一の筐体に内蔵させるとともに、これとは別体のものとして構成した筐体に酸化触媒32を内蔵させることとしている。NOx浄化触媒33等を内蔵させる筐体は、排気マフラーとしての機能を兼ねるものである。
尿素の水溶液(以下「尿素水」という。)を貯蔵するための貯蔵タンク41は、車両のシャシーフレームに固定されている。この貯蔵タンク41には、尿素水供給管42が接続されており、尿素水の添加ユニット43に対し、この尿素水供給管42を介して貯蔵タンク41に貯えられている尿素水が供給される。尿素水供給管42には、上流側から順にフィードポンプ44及びフィルタ45が介装されている。フィードポンプ44は、電動モータ441により駆動される。電動モータ441は、コントロールユニット(以下「SCR−C/U」という。)61からの信号により回転数が制御され、フィードポンプ44の吐出し量を調整する。また、フィルタ45の下流において、尿素水供給管42に尿素水戻り管46が接続されている。尿素水戻り管46には、圧力制御弁47が介装されており、規定圧力を超える分の余剰の尿素水が貯蔵タンク41に戻されるように構成されている。
(NH2)2CO+H2O → 2NH3+CO2 ・・・(2)
NO+NO2+2NH3 → 2N2+3H2O ・・・(3)
4NH3+3O2 → 2N2+6H2O ・・・(4)
また、排気通路31は、EGR管35により吸気通路11と接続されている。このEGR管35を介して排気が吸気通路11に還流される。本実施形態では、このEGR管35により、ターボチャージャ12のタービン12bの上流における排気通路31と、吸気通路11に介装されたサージタンク13とが接続されている。EGR管35には、EGR弁36が介装されており、このEGR弁36により還流される排気の流量が制御される。EGR弁は、エンジンC/U51からの信号により作動する。
尿素センサ74は、感温型の濃度センサを構成するものであり、尿素水に対して直接的又は間接的に接続された感温体を強制的に加熱した場合における、この感温体の電気特性値の変化に基づいて、尿素の濃度を検出するものである。感温体は、温度に応じて電気特性値が変化する性質を有しており、感温体の電気特性値は、尿素水を媒体とする熱伝達の特性に相関するものとして、尿素の濃度に応じて異なる変化を示す。
センサ素子部741は、「感温体」が測温抵抗層の形態で設けられたセンサ素子741aを有しており、回路部742は、この測温抵抗層の抵抗値(感温体の「電気特性値」に相当する。)に基づいて、尿素の濃度を算出する。濃度の検出に際し、センサ素子部741は、貯蔵タンク41に挿入されて、貯蔵タンク41の底面近傍に配置される一方、回路部742は、貯蔵タンク41外に配置される。径の異なる2つの筒部材743,744が設けられ、これらの筒部材743,744は、互いに同心に配置されるとともに、一端で回路部742の底面に接合されて、尿素センサ74の内筒及び外筒を形成している。内筒743及び外筒744は、貯蔵タンク41の天蓋を上下に貫通して、貯蔵タンク41の底面近傍にまで延伸しており、内筒743の先端に、尿素センサ74のセンサ素子部741が取り付けられている。センサ素子部741と回路部742とは、内筒743に封入された配線(図示せず。)を介して接続されている。本実施形態では、後述する液位の検出のため、外筒744に、軸方向に延伸するスリット744aが形成されている。尿素水がこのスリット744aを介して外筒744の内部に流入し、又は外部に流出することで、内筒743及び外筒744の間における静電容量に変化が生じるため、この静電容量に基づいて尿素水の液位を検出することが可能である。
本実施形態では、寒冷地等におけるエンジン1の始動に際して貯蔵タンク41内で尿素水が凍結している場合に、その解凍を促進させるため、貯蔵タンク41において、尿素水を強制的に加熱するためのタンクヒータを設置している。このタンクヒータは、エンジン本体におけるエンジン冷却水の通路から分岐させて形成されるものであり、貯蔵タンク41の内部に配置された、エンジン冷却水を流通させるための熱交換パイプ81を含んで構成される。この熱交換パイプ81は、貯蔵タンク41の天蓋にエンジン冷却水の流入部81a及び流出部81bが設けられるとともに、貯蔵タンク41の内部において、尿素センサ74のセンサ素子部741と、尿素水供給管42の吸入部(図示せず。)とを取り囲むように配置されている。タンクヒータによる加熱は、熱交換パイプ81を流れるエンジン冷却水の流量を制御することにより調整される。
ヒータ層による測温抵抗層の加熱は、所定の時間Δt01に亘ってヒータ層にヒータ駆動電流ihを通電することにより行う。回路部742は、ヒータ層による加熱前の時刻t0における測温抵抗層の抵抗値R0を検出するとともに、ヒータ層への通電を停止した時点t1における抵抗値R1を検出し、検出した抵抗値R1,R0の差DLTR(=R1−R0)を算出する。この差DLTRは、尿素水を媒体とする熱伝達の特性に相関するものであり、この熱伝達の特性は、尿素の濃度Dに応じて変化するものであるため、算出した差DLTRを、濃度Dに換算することが可能である。濃度Dの検出は、所定のインターバル毎に実行される。本実施形態において、尿素センサ74は、濃度Dの検出以外に、尿素水の温度Tを検出する「温度センサ」としての機能を兼ねるものである。尿素水の温度Tは、加熱前の抵抗値R0に基づいて算出される。
図4は、尿素水の供給制御に関する基本ルーチンのフローチャートである。このルーチンは、イグニッションスイッチがオンされることによるエンジンC/U51からの指令を受けて起動され、その後所定の時間毎に繰り返し実行される。このルーチンにより、尿素水の温度管理がなされるとともに、尿素水噴射量Quが演算及び設定される。
S103では、熱交換パイプ81を流れるエンジン冷却水の流量を、保温時(S102)と比較して増大させ、凍結した尿素水の解凍を促進させる。これに伴い、エンジンC/U51において、エンジン1の暖機を促進させるための制御が行われる。
S105では、異常判定フラグFscrを読み込み、読み込んだFscrが0であるか否かを判定する。0であるときは、S106へ進み、0でないときは、S109へ進む。異常判定フラグFscrは、貯蔵タンク41に貯えられている尿素水に関する異常の発生を示すものであり、後述する異常検出ルーチン(図5)により設定される。本実施形態では、尿素水に関する異常として、尿素水の消費に関する異常、ならびに尿素水の濃度及び残量に関する異常を検出する。尿素水に関して何らかの異常が検出された場合は、異常判定フラグFscrが1に設定される。
S107では、尿素水噴射量Quを演算する。尿素水噴射量Quの演算は、燃料噴射量Qf及びNOx濃度NOXに応じた基本噴射量を算出するとともに、算出した基本噴射量を濃度Dで補正することにより行う。たとえば、濃度Dが高く、単位噴射量当たりの尿素含有量が多いと判断されるときは、基本噴射量に対して減量補正を施す。
S109では、添加ユニット43による尿素水の供給を停止させる。尿素水に関して異常が発生している状態では、NOx排出量に対して的確な量のアンモニアを添加することができないからである。たとえば、貯蔵タンク41に規定濃度の尿素水ではなく、過度に希釈された尿素水、又は尿素を含まない水が貯えられている場合は、添加されるアンモニアの量が適正な量に対して不足し、NOxが未浄化のまま大気中に放出されるおそれがある。また、実際に噴射された尿素水の量(すなわち、実際に消費された量)が消費されるべき量よりも多いときは、尿素水が無駄に消費されるばかりでなく、過剰に発生したアンモニアがアンモニア浄化触媒34により完全には分解されず、大気中に放出されるおそれがある。消費されるべき尿素水の量(以下「指示消費量」という。)は、演算周期毎の噴射量Quの積算値として算出することが可能である。尿素水の供給を停止させた場合は、エンジンC/U51に対し、EGRガス量を増大させるなどのエンジン1からのNOx排出量自体を減少させるための制御を行わせる。
S201では、尿素水の水位L、濃度D及び温度Tを読み込む。既に述べたように、本実施形態において、これらの制御情報は、尿素センサ74からの出力に基づいて算出される。
S206では、尿素水に関して想定した異常は発生していないとして、異常判定フラグFscrを0に設定する。
S207では、尿素水に関して何らかの異常が発生したとして、異常判定フラグFscrを1に設定する。これに併せ、運転者に異常の発生を認識させるため、警告灯を点灯させたり、警報を鳴動させるとよい。
S301では、凍結判定フラグFfrzを読み込み、読み込んだFfrzが0であるか否かを判定する。0であるときは、S302へ進み、0でないときは、このルーチンを終了する。制御開始後第1回目のルーチンにおいて、凍結判定フラグFfrzは、0に設定されている。
S303では、尿素水が凍結していないか、又は解凍したものとして、凍結判定フラグFfrzを1に設定する。
S305では、尿素の濃度Dが第2の濃度Dsl2以下であるか否かを判定する。Dsl2以下であるときは、S306へ進み、Dsl2よりも大きいときは、S303進む。尿素水が液体の状態にある場合と、凍結した固体の状態にある場合とでは、尿素水を媒体とする熱伝達の特性が大きく異なり、凍結した状態では、加熱に対する測温抵抗層の抵抗値Rの変化が極めて小さくなる。図3は、尿素水が液体の状態にある場合と、凍結した固体の状態にある場合とで抵抗値Rの変化を比較したものであり、両者の変化に顕著な違いがあることを示している。同図において、実線Aは、液体の状態にある規定濃度の尿素水に関して得られる変化を、一点鎖線Bは、液体の状態にある水に関して得られる変化を、二点鎖線Cは、固体の状態にある尿素水に関して得られる変化を夫々示している。このことから、第2の濃度Dsl2は、液体の状態にある場合に得られる濃度(すなわち、32.5%)と、凍結した固体の状態にある場合に得られる濃度との間の値を持たせたものとして、第1の濃度Dsl1よりも小さな濃度に設定される。第2の濃度Dsl2を上限とする範囲が「第2の領域」に相当する。
S307では、増加後のカウンタの値CNTが所定の値CNT1に達したか否かを判定する。達したときは、S308へ進み、達していないときは、このルーチンを終了する。
S308では、尿素水が凍結している(実質的な解凍には至っておらず、固体の状態にある場合を含む。)ものとして、凍結判定フラグFfrzを0に設定する。
本実施形態では、貯蔵タンク41に貯えられている尿素水が凍結しているか否かの判定に尿素センサ74を採用することとし、エンジン1の始動に際し、この尿素センサ74により検出される尿素水の温度T、及び尿素水に含まれる尿素の濃度Dに基づいて、尿素水が凍結しているか否かを判定することとした。尿素水の温度Tのみによっては融点付近の温度域で尿素水が液体の状態にあるのか、又は凍結した固体の状態にあるのかの相状態の判別までは行うことができないところ、感温型の濃度センサを構成する尿素センサ74を採用したことで、液体の状態にある場合と、固体の状態にある場合との尿素水を媒体とする熱伝達の特性の違いに基づいて、相状態の判別を行うことが可能となる。このため、本実施形態によれば、尿素水が凍結しており、又は解凍したことを、融点付近の温度域にある場合を含めて正確に判定して、添加ユニット43による還元剤の添加を適切に行うことができる。
また、以上では、NOxの還元剤にアンモニアを採用した場合を例に説明したが、アンモニアに代え、炭化水素を採用することもできる。
Claims (9)
- エンジンの排気にNOxの還元剤を添加して、排気中のNOxを還元させるエンジンの排気浄化装置であって、
排気に添加されるNOxの還元剤又はその前駆体を水溶液の状態で貯蔵するための貯蔵タンクと、
前記貯蔵タンクに貯蔵されている水溶液の温度を検出可能に構成された温度センサと、
前記水溶液に含まれる還元剤又は前駆体の濃度を検出するための濃度センサであって、温度に応じて電気特性値が変化する性質を有し、前記水溶液に対して直接的又は間接的に接触させた状態で設けられた感温体と、この感温体に対して熱的に接続されたヒータとを有し、前記ヒータを駆動するとともに、前記ヒータにより加熱された前記感温体の電気特性値を、前記還元剤又は前駆体の濃度として出力する濃度センサと、
前記温度センサにより検出された前記水溶液の温度と、前記濃度センサにより検出された前記還元剤又は前駆体の濃度とに基づいて、前記水溶液が凍結しているか否かを判定する制御ユニットと、を含んで構成されるエンジンの排気浄化装置。 - エンジンの排気にNOxの還元剤を添加して、排気中のNOxを還元させるエンジンの排気浄化装置であって、
排気に添加されるNOxの還元剤又はその前駆体を水溶液の状態で貯蔵するための貯蔵タンクと、
前記水溶液の温度、及び前記水溶液に含まれる還元剤又は前駆体の濃度を検出するための状態センサであって、温度に応じて電気特性値が変化する性質を有し、前記水溶液に対して直接的又は間接的に接触させた状態で設けられた感温体と、この感温体に対して熱的に接続されたヒータとを有し、前記ヒータを駆動して、前記ヒータにより加熱された前記感温体の電気特性値を、前記還元剤又は前駆体の濃度として出力する一方、前記ヒータの駆動前における前記感温体の電気特性値を、前記水溶液の温度として出力する状態センサと、
前記状態センサにより検出された前記水溶液の温度、及び前記還元剤又は前駆体の濃度に基づいて、前記水溶液が凍結しているか否かを判定する制御ユニットと、を含んで構成されるエンジンの排気浄化装置。 - 前記制御ユニットは、前記検出された濃度に基づいて、前記貯蔵タンクに液体として貯蔵されている前記水溶液に関する所定の異常を検出する異常検出部を有し、前記水溶液が凍結していると判定した場合に、前記異常検出部による異常の検出を禁止する請求項1又は2に記載のエンジンの排気浄化装置。
- 前記水溶液を加熱可能に構成されたタンクヒータを更に含んで構成され、
前記制御ユニットは、前記水溶液が凍結していると判定した場合に、それ以外の場合と比較して、前記タンクヒータにより前記水溶液に与えられる熱量を増大させるための信号を出力する請求項1〜3のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。 - エンジンの排気にNOxの還元剤を添加して、排気中のNOxを還元させるエンジンの排気浄化装置であって、
排気に添加されるNOxの還元剤又はその前駆体を水溶液の状態で貯蔵するための貯蔵タンクと、
前記貯蔵タンクに貯蔵されている水溶液に含まれる還元剤又は前駆体の濃度を検出するための濃度センサであって、温度に応じて電気特性値が変化する性質を有し、前記水溶液に対して直接的又は間接的に接触させた状態で設けられた感温体と、この感温体に対して熱的に接続されたヒータとを有し、前記ヒータを駆動するとともに、前記ヒータにより加熱された前記感温体の電気特性値を、前記還元剤又は前駆体の濃度として出力する濃度センサと、
前記濃度センサにより検出された前記還元剤又は前駆体の濃度に基づいて、前記貯蔵タンクに液体として貯蔵されている前記水溶液に関する所定の異常を検出する異常検出部を有し、この異常検出部により、前記検出された濃度が所定の値を境界として定められる第1の領域にあるときに、前記異常を検出する制御ユニットと、を含んで構成され、
前記制御ユニットは、前記異常検出部に加え、前記検出された濃度が前記所定の値とは異なる値を境界として定められる第2の領域にあるときに、前記水溶液が凍結しているものと判定して、前記異常検出部による異常の検出を禁止する検出禁止部を更に有するエンジンの排気浄化装置。 - 前記貯蔵タンクにおいて、前記前駆体としての尿素を水溶液の状態で貯蔵する請求項1〜5のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。
- エンジンの排気通路に介装された還元触媒と、
エンジンの排気に対し、前記還元触媒の上流で前記貯蔵タンクに貯蔵されている水溶液を供給して、前記還元剤を添加するように構成された還元剤の添加ユニットと、を更に含んで構成される請求項1〜6のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。 - 前記制御ユニットは、前記水溶液が凍結していると判定した場合に、前記添加ユニットに対し、前記還元剤の添加に関する動作を停止させるための信号を出力する請求項7に記載のエンジンの排気浄化装置。
- 前記制御ユニットは、前記検出された濃度に基づいて、排気に対する前記水溶液の供給量を算出し、
前記添加ユニットは、前記制御ユニットにより算出された供給量の前記水溶液を、排気に対して供給する請求項7又は8に記載のエンジンの排気浄化装置。
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