JP2011241722A - 排ガス浄化システム - Google Patents

Abstract

【課題】ＳＣＲ入口温度センサの失陥時にも健全時と大差なく尿素水供給制御が実行できる排ガス浄化システムを提供する。
【解決手段】ＳＣＲ装置１０３の入口に設けられＳＣＲ入口温度を検出するＳＣＲ入口温度センサ１０９と、ＳＣＲ入口温度センサ１０９が検出したＳＣＲ入口温度に基づいてＳＣＲ装置１０３の上流の排気ガス中への尿素水供給を制御する尿素水供給制御部１と、ＳＣＲ入口温度センサ１０９の失陥時、ＤＰＦ入口温度センサ２が検出したＤＰＦ入口温度を尿素水供給制御部１に対してＳＣＲ入口温度の代用温度として提供する代用温度提供部４とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディーゼル車両の排気ガスに尿素水を供給すると共に粒子状物質を捕集することで排ガス浄化を行う排ガス浄化システムに係り、ＳＣＲ入口温度センサの失陥時にも健全時と大差なく尿素水供給制御が実行できる排ガス浄化システムに関する。

ディーゼルエンジンの排気ガス中のＮＯｘを浄化するための排ガス浄化システムのひとつとして、ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction；選択還元触媒）装置を用いたＳＣＲシステムが開発されている。

このＳＣＲシステムは、尿素水をＳＣＲ装置の排気ガス上流に供給し、排気ガスの熱でアンモニアを生成し、このアンモニアによって、ＳＣＲ触媒上でＮＯｘを還元して浄化するものである（例えば、特許文献１参照）。

また、排ガス浄化システムでは、排気ガスに含まれるＳＯＦ、ＳＯＯＴなどの粒子状物質（Particurate Matter）を捕集するために、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter；ディーゼルパティキュレートフィルタ）が設けられる。ＤＰＦは、例えば、ＳＣＲ装置の上流に設置される。

特開２０００−３０３８２６号公報

ＳＣＲ触媒には活性化する温度範囲があり、尿素にはアンモニアが生成されやすい温度範囲があるため、ＳＣＲシステムでは、尿素水を供給してＮＯｘ除去を積極的に行う温度範囲とそれを行わない温度範囲とがある。また、尿素には、結晶化や固化が起きやすい温度範囲があるため、ＮＯｘ除去の目的ではなく、尿素水を噴射するドージングバルブの噴口に付着している尿素水を吹き飛ばして結晶化を防ぐ目的で尿素水を噴射させることがある。あるいはＮＯｘ除去を行わない温度範囲では、ドージングバルブのソレノイド動作不良を防ぐ目的で尿素水を噴射させてドージングバルブを冷却することもある。さらに、ＳＣＲ装置に蓄積できるアンモニアの量が温度に依存して異なるので、温度に応じて尿素水の供給量を調節する。

したがって、ＳＣＲ装置上流の排気管に尿素水を供給する時期や量を制御するには、ＳＣＲ装置の温度を知ることが重要である。このために、ＳＣＲ装置の入口にＳＣＲ入口温度センサが設けられる。ＳＣＲ入口温度センサによりＳＣＲ装置の入口における排気ガス温度であるＳＣＲ入口温度を検出し、これをＳＣＲ装置の温度として尿素水供給制御を行うことになる。

しかし、ＳＣＲ入口温度センサが失陥すると、ＳＣＲ装置の温度が不明になるため尿素水の供給の時期や量が正確に決められない。尿素水の供給の時期や量を誤ると、外気に排出されるＮＯｘが増えたり、過剰となったアンモニアが外気に排出されたりして好ましくない。

この対策として、例えば、ＳＣＲ入口温度センサの失陥時には、尿素水の供給を停止するという方法がある。しかし、尿素水の供給停止は、ＳＣＲシステムの制御停止を意味し、これによって当該車両の基本性能通りに排ガス浄化が実施できない状況となる。このような車両を走行させることは環境対策上好ましくなく、国によっては法的に禁止されている。したがって、路上でＳＣＲ入口温度センサの失陥が生じると、修理工場まで自走にて行くことができなくなる。

また、ＳＣＲ入口温度センサの失陥時用に、ＳＣＲ装置温度の固定値をあらかじめ設定しておき、ＳＣＲ入口温度センサの失陥が生じたときは、この固定値をＳＣＲ装置の温度として制御を行うという方法もある。しかし、固定値は、真のＳＣＲ装置の温度からの乖離が大きいことが多く、これに基づいて制御を行うと、ＮＯｘの排出増加やアンモニアの排出といった不具合が避けられない。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ＳＣＲ入口温度センサの失陥時にも健全時と大差なく尿素水供給制御が実行できる排ガス浄化システムを提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、エンジンの排気管に設けられた選択還元触媒装置と、前記選択還元触媒装置の入口に設けられ、前記選択還元触媒装置の入口における排気ガスの温度を検出するＳＣＲ入口温度センサと、前記ＳＣＲ入口温度センサが検出した前記選択還元触媒装置の入口における排気ガスの温度に基づいて前記選択還元触媒装置の上流の排気ガス中への尿素水供給を制御する尿素水供給制御部と、前記排気管の前記選択還元触媒装置より上流に設けられたディーゼルパティキュレートフィルタと、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの入口に設けられ、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの入口における排気ガスの温度を検出するＤＰＦ入口温度センサと、前記ＳＣＲ入口温度センサの失陥時、前記ＤＰＦ入口温度センサが検出した前記ディーゼルパティキュレートフィルタの入口における排気ガスの温度を前記尿素水供給制御部に対して前記選択還元触媒装置の入口における排気ガスの温度の代用温度として提供する代用温度提供部とを備えたものである。

前記ＳＣＲ入口温度センサの出力電圧が電源電圧に対して所定電圧差範囲内であるか、またはグランド電圧に対して所定電圧差範囲内であるとき、前記ＳＣＲ入口温度センサが失陥であると判定する失陥判定部を備えてもよい。

車両のキーオン時に、冷却水温が所定値以下であるとき、前記ＳＣＲ入口温度センサが検出した温度が外気温に対して所定温度差範囲外であれば、前記ＳＣＲ入口温度センサが失陥であると判定する失陥判定部を備えてもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）ＳＣＲ入口温度センサの失陥時にも健全時と大差なく尿素水供給制御が実行できる。

本発明の一実施形態を示す排ガス浄化システムの要部構成図である。 本発明の一実施形態を示す排ガス浄化システムを詳しく示した構成図である。 図１の排ガス浄化システムの入出力構成図である。 ＳＣＲ入口温度センサの出力電圧に基づいて失陥判定を行うイメージ図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１及び図２に示されるように、本発明に係る排ガス浄化システム１００は、エンジンＥの排気管１０２に設けられたＳＣＲ装置１０３と、ＳＣＲ装置１０３の入口に設けられ、ＳＣＲ装置１０３の入口における排気ガスの温度（ＳＣＲ入口温度）を検出するＳＣＲ入口温度センサ１０９と、ＳＣＲ入口温度センサ１０９が検出したＳＣＲ入口温度に基づいてＳＣＲ装置１０３の上流の排気ガス中への尿素水供給を制御する尿素水供給制御部１と、排気管１０２のＳＣＲ装置１０３より上流に設けられたＤＰＦ１０８と、ＤＰＦ１０８の入口に設けられ、ＤＰＦ１０８の入口における排気ガスの温度（ＤＰＦ入口温度）を検出するＤＰＦ入口温度センサ２と、ＳＣＲ入口温度センサ１０９の失陥を判定する失陥判定部３と、ＳＣＲ入口温度センサ１０９の失陥時、ＤＰＦ入口温度センサ２が検出したＤＰＦ入口温度を尿素水供給制御部１に対してＳＣＲ入口温度の代用温度として提供する代用温度提供部４とを備える。

ＳＣＲ入口温度センサ１０９は、例えば、白金抵抗センサからなる。

ＤＰＦ入口温度センサ２は、例えば、サーミスタからなる。

失陥判定部３は、ＳＣＲ入口温度センサ１０９の出力電圧が電源電圧に対して所定電圧差範囲内であるか、またはグランド電圧に対して所定電圧差範囲内であるとき、ＳＣＲ入口温度センサ１０９が失陥であると判定するようになっている。さらに、失陥判定部３は、車両のキーオン時に、冷却水温が所定値以下であるとき、ＳＣＲ入口温度センサ１０９が検出した温度が外気温に対して所定温度差範囲外であれば、ＳＣＲ入口温度センサ１０９が失陥であると判定するようになっている。

詳しくは、図２に示すように、排ガス浄化システム１００は、エンジンＥの排気管１０２に設けられたＳＣＲ装置１０３と、ＳＣＲ装置１０３の上流側（排気ガスの上流側）で尿素水を噴射するドージングバルブ（尿素噴射装置、ドージングモジュール）１０４と、尿素水を貯留する尿素タンク１０５と、尿素タンク１０５に貯留された尿素水をドージングバルブ１０４に供給するサプライモジュール１０６と、ドージングバルブ１０４やサプライモジュール１０６等を制御するＤＣＵ（Dosing Control Unit）１２６とを主に備える。

尿素水供給制御部１、失陥判定部３、代用温度提供部４は、ＤＣＵ１２６内に設けるとよい。

エンジンＥの排気管１０２には、排気ガスの上流側から下流側にかけて、ＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst；酸化触媒）１０７、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）１０８、ＳＣＲ装置１０３が順次配置される。ＤＯＣ１０７は、エンジンＥから排気される排気ガス中のＮＯを酸化してＮＯ₂とし、排気ガス中のＮＯとＮＯ₂の比率を制御してＳＣＲ装置１０３における脱硝効率を高めるためのものである。また、ＤＰＦ１０８は、排気ガス中のＰＭ（Particulate Matter）を捕集するためのものである。

ＳＣＲ装置１０３の上流側の排気管１０２には、ドージングバルブ１０４が設けられる。ドージングバルブ１０４は、高圧の尿素水が満たされたシリンダに噴口が設けられ、その噴口を塞ぐ弁体がプランジャに取り付けられた構造となっており、コイルに通電することによりプランジャを引き上げることで弁体を噴口から離間させて尿素水を噴射するようになっている。コイルへの通電を止めると、内部のバネ力によりプランジャが引き下げられて弁体が噴口を塞ぐので尿素水の噴射が停止される。

ドージングバルブ１０４の上流側の排気管１０２には、ＳＣＲ装置１０３の入口における排気ガスの温度（ＳＣＲ入口温度）を測定するＳＣＲ入口温度センサ１０９が設けられる。また、ＳＣＲ装置１０３の上流側（ここではＳＣＲ入口温度センサ１０９の上流側）には、ＳＣＲ装置１０３の上流側でのＮＯｘ濃度を検出する上流側ＮＯｘセンサ１１０が設けられ、ＳＣＲ装置１０３の下流側には、ＳＣＲ装置１０３の下流側でのＮＯｘ濃度を検出する下流側ＮＯｘセンサ１１１が設けられる。

サプライモジュール１０６は、尿素水を圧送するＳＭポンプ１１２と、サプライモジュール１０６の温度（サプライモジュール１０６を流れる尿素水の温度）を測定するＳＭ温度センサ１１３と、サプライモジュール１０６内における尿素水の圧力（ＳＭポンプ１１２の吐出側の圧力）を測定する尿素水圧力センサ１１４と、尿素水の流路を切り替えることにより、尿素タンク１０５からの尿素水をドージングバルブ１０４に供給するか、あるいはドージングバルブ１０４内の尿素水を尿素タンク１０５に戻すかを切り替えるリバーティングバルブ１１５とを備えている。ここでは、リバーティングバルブ１１５がＯＮのとき、尿素タンク１０５からの尿素水をドージングバルブ１０４に供給するようにし、リバーティングバルブ１１５がＯＦＦのとき、ドージングバルブ１０４内の尿素水を尿素タンク１０５に戻すようにした。

リバーティングバルブ１１５が尿素水をドージングバルブ１０４に供給するように切り替えられている場合、サプライモジュール１０６は、そのＳＭポンプ１１２にて、尿素タンク１０５内の尿素水を送液ライン（サクションライン）１１６を通して吸い上げ、圧送ライン（プレッシャーライン）１１７を通してドージングバルブ１０４に供給するようにされ、余剰の尿素水を、回収ライン（バックライン）１１８を通して尿素タンク１０５に戻すようにされる。

尿素タンク１０５には、ＳＣＲセンサ１１９が設けられる。ＳＣＲセンサ１１９は、尿素タンク１０５内の尿素水の液面高さ（レベル）を測定するレベルセンサ１２０と、尿素タンク１０５内の尿素水の温度を測定する温度センサ１２１と、尿素タンク１０５内の尿素水の品質を測定する品質センサ１２２とを備えている。品質センサ１２２は、例えば、超音波の伝播速度や電気伝導度から、尿素水の濃度や尿素水に異種混合物が混合されているか否かを検出し、尿素タンク１０５内の尿素水の品質を検出するものである。

尿素タンク１０５とサプライモジュール１０６には、エンジンＥを冷却するための冷却水を循環する冷却ライン１２３が接続される。冷却ライン１２３は、尿素タンク１０５内を通り、冷却ライン１２３を流れる冷却水と尿素タンク１０５内の尿素水との間で熱交換するようにされる。同様に、冷却ライン１２３は、サプライモジュール１０６内を通り、冷却ライン１２３を流れる冷却水とサプライモジュール１０６内の尿素水との間で熱交換するようにされる。

冷却ライン１２３には、尿素タンク１０５とサプライモジュール１０６に冷却水を供給するか否かを切り替えるタンクヒーターバルブ（クーラントバルブ）１２４が設けられる。なお、ドージングバルブ１０４にも冷却ライン１２３が接続されるが、ドージングバルブ１０４には、タンクヒーターバルブ１２４の開閉に拘わらず、冷却水が供給されるように構成されている。なお、図２では図を簡略化しており示されていないが、冷却ライン１２３は、尿素水が通る送液ライン１１６、圧送ライン１１７、回収ライン１１８に沿って配設される。

図３に、ＤＣＵ１２６の入出力構成図を示す。

図３に示すように、ＤＣＵ１２６には、上流側ＮＯｘセンサ１１０、下流側ＮＯｘセンサ１１１、ＳＣＲセンサ１１９（レベルセンサ１２０、温度センサ１２１、品質センサ１２２）、ＳＣＲ入口温度センサ１０９、サプライモジュール１０６のＳＭ温度センサ１１３と尿素水圧力センサ１１４、およびエンジンＥを制御するＥＣＭ（Engine Control Module）１２５からの入力信号線が接続されている。ＥＣＭ１２５からＤＣＵ１２６には、ＤＰＦ入口温度、冷却水温、外気温などのエンジンパラメータの信号が入力される。イグニションスイッチ１３１からＤＣＵ１２６には、キーオンの信号が入力される。

また、ＤＣＵ１２６には、タンクヒーターバルブ１２４、サプライモジュール１０６のＳＭポンプ１１２とリバーティングバルブ１１５、ドージングバルブ１０４、上流側ＮＯｘセンサ１１０のヒータ、下流側ＮＯｘセンサ１１１のヒータ、への出力信号線が接続される。なお、ＤＣＵ１２６と各部材との信号の入出力に関しては、個別の信号線を介した入出力、ＣＡＮ（Controller Area Network）を介した入出力のどちらであってもよい。

ＤＣＵ１２６は、ＥＣＭ１２５からのエンジンパラメータの信号と、ＳＣＲ入口温度センサ１０９からの排気ガス温度とを基に、排気ガス中のＮＯｘの量を推定すると共に、推定した排気ガス中のＮＯｘの量を基にドージングバルブ１０４から噴射する尿素水量を決定するようにされ、さらに、ドージングバルブ１０４にて決定した尿素水量で噴射したとき、上流側ＮＯｘセンサ１１０の検出値に基づいてドージングバルブ１０４を制御して、ドージングバルブ１０４から噴射する尿素水量を調整するようにされる。

以下、本発明の排ガス浄化システム１００の動作を説明する。

ＳＣＲ入口温度センサ１０９が健全であるとき、尿素水供給制御部１は、ＳＣＲ入口温度センサ１０９が検出したＳＣＲ入口温度に基づいてＳＣＲ装置１０３の上流の排気ガス中への尿素水供給を制御する。例えば、ＳＣＲ入口温度がＳＣＲ触媒の活性化温度である１９０℃以上であれば、排気ガス中のＮＯｘ量に応じた量の尿素水をドージングバルブ１０４から噴射する制御行う。ＳＣＲ入口温度が１９０℃未満のときは、ＮＯｘ除去の目的ではなく、ドージングバルブ１０４の保護の目的で所定の時期に微量の尿素水噴射を行う。

ＳＣＲ入口温度センサ１０９が失陥になると、代用温度提供部４は、ＤＰＦ入口温度センサ２が検出したＤＰＦ入口温度を尿素水供給制御部１に対してＳＣＲ入口温度の代用温度として提供する。

ＳＣＲ入口温度とＤＰＦ入口温度は、排気管１０２の排気流方向における位置が異なるが、同じ排気ガス温度である。したがって、ＤＰＦ入口温度は、ＳＣＲ入口温度の代用温度として利用できる。

なお、ＤＰＦ入口温度はＤＰＦ入口温度センサ２の出力信号をＤＣＵ１２６に直接入力してもよいが、ＤＰＦ入口温度は従来よりＥＣＭ１２５がエンジン制御のために常時、把握しており、ＥＣＭ１２５からＤＣＵ１２６に入力されるエンジンパラメータの信号に含まれるので、これを参照してもよい。

また、ＳＣＲ入口温度センサ１０９が精度の高い白金抵抗センサであるのに対し、ＤＰＦ入口温度センサ２はそれより精度が低いサーミスタである。しかし、ＳＣＲ入口温度センサ１０９の失陥時に代用するにはＤＰＦ入口温度センサ２でも十分であり、例えば、ＳＣＲ装置温度の固定値を使用するのに比べると、真のＳＣＲ装置の温度からの乖離は小さい。

次に、ＳＣＲ入口温度センサ１０９の失陥判定について説明する。

図４に示されるように、ＳＣＲ入口温度センサ１０９の電源には、制御回路用の電源、例えば、５Ｖ直流が与えられているので、ＳＣＲ入口温度センサ１０９の出力電圧は、グランド電圧０Ｖから電源電圧５Ｖの範囲内となる。ただし、ＳＣＲ入口温度センサ１０９が正しく機能していれば、出力電圧は、０〜５Ｖの中間の所定範囲内に収まり、０Ｖや５Ｖになることはない。一方、断線や短絡が生じると、出力電圧は、０Ｖあるいは５Ｖになる。

そこで、失陥判定部３は、ＳＣＲ入口温度センサ１０９の出力電圧が電源電圧に対して所定電圧差範囲内、具体的には図示した上限値以上であるときＳＣＲ入口温度センサ１０９が失陥であると判定する。また、ＳＣＲ入口温度センサ１０９の出力電圧がグランド電圧に対して所定電圧差範囲内、具体的には図示した下限値以下であるときも、ＳＣＲ入口温度センサ１０９が失陥であると判定する。

さらに、失陥判定部３は、車両のキーオン時に、冷却水温が所定値以下であるとき、ＳＣＲ入口温度センサ１０９が検出した温度が外気温に対して所定温度差範囲外であれば、ＳＣＲ入口温度センサ１０９が失陥であると判定する。冷却水温を比較する所定値は、エンジンが外気温と同じ温度での始動、いわゆるコールドスタートであることを示す値を用いる。すなわち、キーオン時に冷却水温が所定値以下であることは、コールドスタートを意味しており、当然、ＳＣＲ入口温度センサ１０９の温度も外気温と同じはずである。このとき、ＳＣＲ入口温度センサ１０９が検出した温度が外気温に対して所定温度差範囲外、すなわち外気温よりも異常に高いかまたは異常に低いときは、失陥と判定する。ＳＣＲ入口温度センサ１０９が検出した温度が外気温に対して所定温度差範囲以内であれば、健全と判定する。これにより、ＳＣＲ入口温度センサ１０９の出力電圧が図４の上限値と下限値の間にあったとしても、温度検出が正しくないときは、失陥であることが分かる。

以上説明したように、本発明の排ガス浄化システム１００によれば、ＳＣＲ入口温度センサ１０９の失陥時、ＤＰＦ入口温度センサ２が検出したＤＰＦ入口温度を尿素水供給制御部１に対してＳＣＲ入口温度の代用温度として提供する代用温度提供部４を備えたので、真のＳＣＲ装置の温度からの乖離が小さい代用温度で尿素水供給制御を健全時と大差なく実施することができる。このため、路上でＳＣＲ入口温度センサ１０９の失陥が生じても、排ガス浄化を実施しつつ修理工場まで自走にて行くことができる。

１ 尿素水供給制御部
２ ＤＰＦ入口温度センサ
３ 失陥判定部
４ 代用温度提供部
１００ 排ガス浄化システム
１０２ 排気管
１０３ ＳＣＲ装置
１０８ ＤＰＦ
１０９ ＳＣＲ入口温度センサ
１３１ イグニションスイッチ

Claims (3)

1. エンジンの排気管に設けられた選択還元触媒装置と、
   前記選択還元触媒装置の入口に設けられ、前記選択還元触媒装置の入口における排気ガスの温度を検出するＳＣＲ入口温度センサと、
   前記ＳＣＲ入口温度センサが検出した前記選択還元触媒装置の入口における排気ガスの温度に基づいて前記選択還元触媒装置の上流の排気ガス中への尿素水供給を制御する尿素水供給制御部と、
   前記排気管の前記選択還元触媒装置より上流に設けられたディーゼルパティキュレートフィルタと、
   前記ディーゼルパティキュレートフィルタの入口に設けられ、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの入口における排気ガスの温度を検出するＤＰＦ入口温度センサと、
   前記ＳＣＲ入口温度センサの失陥時、前記ＤＰＦ入口温度センサが検出した前記ディーゼルパティキュレートフィルタの入口における排気ガスの温度を前記尿素水供給制御部に対して前記選択還元触媒装置の入口における排気ガスの温度の代用温度として提供する代用温度提供部とを備えたことを特徴とする排ガス浄化システム。
2. 前記ＳＣＲ入口温度センサの出力電圧が電源電圧に対して所定電圧差範囲内であるか、またはグランド電圧に対して所定電圧差範囲内であるとき、前記ＳＣＲ入口温度センサが失陥であると判定する失陥判定部を備えたことを特徴とする請求項１記載の排ガス浄化システム。
3. 車両のキーオン時に、冷却水温が所定値以下であるとき、前記ＳＣＲ入口温度センサが検出した温度が外気温に対して所定温度差範囲外であれば、前記ＳＣＲ入口温度センサが失陥であると判定する失陥判定部を備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の排ガス浄化システム。

Images