JP2012002062A - Ｓｃｒ解凍制御システム - Google Patents

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Abstract

【課題】解凍の失敗と故障とを区別でき、ＳＭポンプの故障をも防止することができるＳＣＲ解凍制御システムを提供する。
【解決手段】尿素水を貯留する尿素タンク１０５内、尿素タンク１０５と尿素水をＳＣＲ装置１０３の上流側で噴射するドージングバルブ１０４間の送液・圧送・回収ライン１１６，１１７，１１８内、送液・圧送・回収ライン１１６，１１７，１１８に接続されたサプライモジュール１０６内のいずれかの尿素水が凍結した際に、これら尿素水をエンジン冷却水で解凍し、解凍後にサプライモジュール１０６のＳＭポンプ１１２を作動させてドージングバルブ１０４から噴射するようにしたＳＣＲ解凍制御システム１２７において、ＳＭポンプ１１２を作動させたときに、サプライモジュール１０６内における圧力を検出し、その圧力が一定値に達しないとき、ＳＭポンプ１１２の作動を停止すると共に尿素水の解凍を継続する解凍制御部１２８を備えたものである。
【選択図】図３

Description

本発明は、凍結した尿素水を解凍するためのＳＣＲ解凍制御システムに関するものである。
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）。
ところが、尿素水は−１０℃程度で凍結してしまうので、寒冷時には尿素水の供給ができなくなると言う問題がある。そのため、ＳＣＲシステムには、寒冷時にエンジン冷却水を尿素水の供給系に供給し、凍結した尿素水を解凍する解凍制御を行うためのＳＣＲ解凍制御システムが実装されている。
従来のＳＣＲ解凍制御システムは、尿素水を貯留する尿素タンク内のタンク温度、尿素タンクと尿素水をＳＣＲ装置の上流側で噴射するドージングバルブとの間の尿素配管内の温度、尿素配管に接続されたサプライモジュール内のＳＭ温度のいずれかが予め設定した閾値未満のときに尿素水が凍結したと判断して解凍制御を行う。なお、通常は尿素配管内の温度を検出するセンサはないため、外気温を尿素配管内の温度と見なす。
そして、タンク温度、ＳＭ温度が閾値以上、且つ、外気温に応じた設定時間を経過したら解凍が完了したと判断し、サプライモジュールのＳＭポンプを作動させて尿素水を尿素配管内に充填すると共にその圧力を一定値に維持し、ドージングバルブから尿素水を噴射するように（ドージングバルブから尿素水を噴射可能なように準備）している。
特開２０００−３０３８２６号公報
しかし、タンク温度やＳＭ温度は、それぞれタンク内部及びサプライモジュール内部に設けられた温度センサにより検出しているため、その検出値が閾値以上になっても、温度センサから離れている部分（サプライモジュールと尿素配管との接続部など）では解凍が十分でなく、その部分の尿素水が凍結したままとなっている場合がある。
例えば、ＳＭポンプの吸込側の尿素配管との接続部で尿素水が凍結したままとなっていると、凍結物で圧力が上昇しない、又は圧力が高圧となる。
圧力が上昇しない場合、ポンプは最大出力で運転する（空運転）。このとき、氷粒や解凍できない尿素水がポンプに流れ込みポンプの負荷となる。また、高圧となる場合、ポンプ故障の可能性がある（異常高圧による故障）。
このように、従来のＳＣＲ解凍制御システムでは、解凍の失敗を検出することができず、故障と判断するまでの時間を短くすると、解凍が十分でないだけで異常信号により故障を警告してしまう（システム停止）問題があった。また、故障と判断するまでの時間を長くすると、ポンプ故障してしまう。故障にならないまでも寿命が短くなってしまう。
そこで、本発明の目的は、解凍の失敗と故障とを区別でき、ＳＭポンプの故障をも防止することができるＳＣＲ解凍制御システムを提供することにある。
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、選択還元触媒装置の尿素水が凍結した際に、該尿素水を解凍し、解凍後にサプライモジュールのサプライモジュールポンプを作動させてドージングバルブから噴射するようにしたＳＣＲ解凍制御システムにおいて、サプライモジュールポンプを作動させたときに、サプライモジュール内における圧力を検出し、その圧力が一定値に達しないとき、サプライモジュールポンプの作動を停止する解凍制御部を備えたことを特徴とするＳＣＲ解凍制御システムである。
請求項２の発明は、前記解凍制御部は、サプライモジュール内における圧力が一定値に達しないとき、外気温を検出し、検出した外気温が所定温度よりも低いときに、サプライモジュールポンプの作動を停止する請求項１に記載のＳＣＲ解凍制御システムである。
請求項３の発明は、前記解凍制御部は、サプライモジュールポンプの作動を停止すると共に尿素水の解凍を継続し、一定時間解凍を継続した際に再度サプライモジュール内における圧力を検出し、その圧力が一定値に達しないときに故障を警告する請求項１又は２に記載のＳＣＲ解凍制御システムである。
請求項４の発明は、前記解凍制御部は、サプライモジュール内の圧力が一定値に達しないことを規定回数検知したときに故障を警告する請求項３に記載のＳＣＲ解凍制御システムである。
本発明によれば、解凍の失敗と故障とを区別でき、ＳＭポンプの故障をも防止することができる。
本発明を適用するＳＣＲシステムを示す概略図である。 ＤＣＵの入出力構成を示す図である。 本発明の一実施の形態に係るＳＣＲ解凍制御システムの動作を示すフローチャートである。
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。
まず、車両に搭載されるＳＣＲシステムについて説明する。
図１に示すように、ＳＣＲ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。
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）を測定する排気温度センサ１０９が設けられる。また、ＳＣＲ装置１０３の上流側（ここでは排気温度センサ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ＯＦＦ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ＯＮ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（エンジン冷却水）を循環する冷却水ライン１２３が接続される。冷却水ライン１２３は、尿素タンク１０５内を通り、冷却水ライン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、冷却水ライン１２３は、サプライモジュール１０６内を通り、冷却水ライン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。
冷却水ライン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にも冷却水ライン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１では図を簡略化しており示されていないが、冷却水ライン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２に、ＤＣＵ１２６の入出力構成図を示す。
図２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）、排気温度センサ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からは、外気温、エンジンパラメータ（エンジン回転数など）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、排気温度センサ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。
ＳＣＲシステム１００は、尿素水が凍結した際に、その尿素水を解凍し、解凍後にサプライモジュール１０６のＳＭポンプ１１２を作動させてドージングバルブ１０４から噴射（ドージングバルブ１０４から噴射可能なように準備）するようにしたＳＣＲ解凍制御システム１２７を備える。
ＳＣＲ解凍制御システム１２７は、ＳＣＲセンサ１１９の温度センサ１２１で検出された尿素タンク１０５内の尿素水の温度（タンク温度）、送液・圧送・回収ライン１１６，１１７，１１８内の温度（ＥＣＭ１２５から送られる外気温を送液・圧送・回収ライン１１６，１１７，１１８内の温度と見なす）、ＳＭ温度センサ１１３で検出されたサプライモジュール１０６の温度（ＳＭ温度）を参照し、これら温度のいずれかが閾値（例えば、尿素水の融点）未満のときに尿素水が凍結したと判断し、タンクヒーターバルブ１２４をＯＮ（開）にし、エンジンＥからの冷却水を冷却水ライン１２３を通じて尿素タンク１０５、送液・圧送・回収ライン１１６，１１７，１１８、サプライモジュール１０６に供給し、凍結した尿素水を解凍する解凍制御を開始する。
そして、ＳＣＲ解凍制御システム１２７は、タンク温度、ＳＭ温度が閾値以上、且つ、外気温に応じた設定時間を経過したら解凍が完了したと判断し、サプライモジュール１０６のＳＭポンプ１１２を作動させて尿素水を圧送ライン１１７（尿素配管）内に充填すると共に尿素水圧力センサ１１４で検出される圧力を一定値に維持し、その圧力が一定値に維持されたら解凍制御を終了する。これにより、ＳＣＲ解凍制御システム１２７は、ドージングバルブ１０４から尿素水を噴射するように（ドージングバルブから尿素水を噴射可能なように準備）する。
さて、本発明のＳＣＲ解凍制御システム１２７は、ＳＭポンプ１１２を作動させたときに、サプライモジュール内における圧力（尿素水圧力センサ１１４で検出される圧力）を検出し、その圧力が一定値に達しないとき（一定値を維持しないとき）、ＳＭポンプ１１２の作動を停止する解凍制御部１２８を備えたことを特徴とする。この解凍制御部１２８は、ＤＣＵ１２６に実装されている。
なお、尿素水圧力センサ１１４で検出される圧力が一定値を維持しない場合としては、高圧異常と低圧異常がある。尿素水の充填開始から所定時間が経過しても圧力が上昇しない場合が低圧異常であり、充填開始後に圧力が急上昇して所定の値を超えてしまった場合が高圧異常である。つまり、高圧異常は尿素水の充填を開始して比較的早い段階で検出され、低圧異常は所定時間経過後に検出される。
高圧異常の例としては、回収ライン１１８とサプライモジュール１０６との接続部で尿素水が凍結し、尿素水圧力センサ１１４で検出される圧力が高圧となる場合が考えられる。また、低圧異常の例としては、送液ライン１１６とサプライモジュール１０６との接続部で尿素水が凍結し、尿素水圧力センサ１１４で検出される圧力が上昇しない場合が考えられる。
解凍制御部１２８は、尿素水圧力センサ１１４で検出される圧力が一定値を維持しないとき、外気温を検出し、検出した外気温が低いとき（閾値（例えば、尿素水の融点）未満のとき）に、ＳＭポンプ１１２の作動を停止するように構成される。
また、解凍制御部１２８は、ＳＭポンプ１１２の作動を停止すると共に尿素水の解凍を継続し、一定時間解凍を継続した際に再度サプライモジュール１０６内における圧力を検出し、その圧力が一定値に達しないときに故障を警告するように構成される。
さらに、解凍制御部１２８は、サプライモジュール１０６内の圧力が一定値に達しないことを規定回数検知したときに故障を警告するように構成される。
この解凍制御部１２８の詳細な動作をＳＣＲ解凍制御システム１２７の動作と共に図３を用いて説明する。
ＳＣＲ解凍制御システム１２７は、キーＯＮ後に解凍制御の条件を満たしているかを判断する。解凍制御の条件を満たしているか否かは、温度センサ１２１で検出された尿素タンク１０５内の尿素水の温度（タンク温度）、送液・圧送・回収ライン１１６，１１７，１１８内の温度、ＳＭ温度センサ１１３で検出されたサプライモジュール１０６の温度（ＳＭ温度）のいずれかが予め設定した閾値未満であるかどうかで判断する。なお、通常は送液・圧送・回収ライン１１６，１１７，１１８内の温度を検出するセンサはないため、ＥＣＭ１２５から送られる外気温を送液・圧送・回収ライン１１６，１１７，１１８内の温度と見なす。
ＳＣＲ解凍制御システム１２７は、これら温度のいずれかが閾値未満のときに尿素水が凍結したと判断し、タンクヒーターバルブ１２４をＯＮにし、エンジンＥからの冷却水を冷却水ライン１２３を通じて尿素タンク１０５、送液・圧送・回収ライン１１６，１１７，１１８、サプライモジュール１０６に供給し、凍結した尿素水を解凍する解凍制御を開始する（ステップ３０１）。
この解凍制御により尿素水の解凍が完了したとき（ステップ３０２）、ＳＣＲ解凍制御システム１２７はＳＭポンプ１１２を作動（ＯＮ）させ、尿素タンク１０５内の尿素水を送液ライン１１６を通して吸い上げ、圧送ライン１１７を通してドージングバルブ１０４に供給するようにして圧送ライン１１７に尿素水を充填し（ステップ３０３）、尿素水圧力センサ１１４で検出される圧力を上昇させ、圧力が一定値となるようにＳＭポンプ１１２のフィードバック制御を行う（ステップ３０４）。ここで解凍の完了は、タンク温度、ＳＭ温度が閾値以上、且つ、外気温に応じた設定時間を経過したか否かで判断する。
その後、ＳＣＲ解凍制御システム１２７は尿素水圧力センサ１１４で検出される圧力が一定値を維持した状態となったら（ステップ３０５）、タンクヒーターバルブ１２４をＯＦＦ（閉）にして解凍制御を終了する（ステップ３０６）。これにより、ドージングバルブ１０４から尿素水を噴射する準備が完了し、尿素水の噴射が可能になる（ステップ３０７）。
これに対して、ステップ３０５にて、尿素水圧力センサ１１４で検出される圧力が一定値を維持しないと判断したとき、解凍制御部１２８はこの処理が何回繰り返されたかを記憶し、その繰り返し回数が予め設定した規定回数未満かどうかを判断する（ステップ３０８）。
ステップ３０８にて、解凍制御部１２８は繰り返し回数が規定回数未満であると判断したとき、外気温が閾値未満かどうかを判断し（ステップ３０９）、外気温が閾値未満のときに、解凍が失敗したと判断してＳＭポンプ１１２の作動を停止し、圧送ライン１１７内への尿素水の充填を停止する（ステップ３１０）と共に尿素水の解凍を継続する。逆に、外気温が閾値以上である場合には、尿素水の解凍は十分になされていると考えられ、何らかの異常が発生している可能性があるため、解凍制御部１２８は異常信号を出し、故障を警告する（ステップ３１１）。
解凍を継続した場合には、解凍制御部１２８は解凍の完了を判断する（ステップ３１２）。このとき、ステップ３０２で用いた解凍完了の条件は、既に満たされているため、同じ条件で解凍の完了を判断することはできない。そこで、ステップ３１２の解凍完了の条件としては、ＳＭポンプ１１２の作動を停止してから予め設定した時間（一定時間）が経過したかどうかで判断する。この設定時間は、繰り返し回数と検出した圧力に応じて可変するように予めマップを作製しておき、このマップを参照するようにしてもよい。例えば、十分に解凍が進捗するように、繰り返し回数の増加に従って設定時間が長くなるようにマップを作製する（高圧の場合はポンプ故障の確率が上がるため、低圧に比べて設定時間を長くする）。解凍完了後は、上述のステップ３０３，３０４，３０５，３０８，３０９，３１０を繰り返すことで、尿素水が十分に解凍される。
ステップ３０８にて、繰り返し回数が規定回数以上であると判断したときには、何らかの異常が発生している可能性があるため、解凍制御部１２８は異常信号を出し、故障を警告する（ステップ３１３）。
このように、本発明に係るＳＣＲ解凍制御システム１２７によれば、ＳＭポンプ１１２を作動させたときに、サプライモジュール１０６内における圧力を検出し、その圧力が一定値に達しないとき、ＳＭポンプ１１２の作動を停止する解凍制御部１２８を備えるため、解凍の失敗と故障とを区別でき、異常が発生していないにもかかわらず異常信号を出力するようなことを避けることができる。また、圧力が一定値に達しないとき、ＳＭポンプ１１２の作動を停止するので、ＳＭポンプ１１２の故障をも防止することができる。
解凍制御部１２８は、一定時間尿素水の解凍を継続した後に、再度ＳＭポンプ１１２を作動させ、サプライモジュール１０６内における圧力を検出し、その圧力が一定値に達しないとき、これらを規定回数繰り返すため、解凍をリトライ（継続）して凍結した尿素水を確実に解凍することができる。
さらに、解凍制御部１２８は、この繰り返し回数が規定回数以上となったとき、故障を警告するため、解凍の失敗と異常とを区別し、それに応じた制御を行うことができる。
１０３ ＳＣＲ装置
１０４ ドージングバルブ
１０５ 尿素タンク
１０６ サプライモジュール
１１２ ＳＭポンプ
１１６ 送液ライン
１１７ 圧送ライン
１１８ 回収ライン
１２７ ＳＣＲ解凍制御システム
１２８ 解凍制御部

Claims (4)

  1. 選択還元触媒装置の尿素水が凍結した際に、該尿素水を解凍し、解凍後にサプライモジュールのサプライモジュールポンプを作動させてドージングバルブから噴射するようにしたＳＣＲ解凍制御システムにおいて、サプライモジュールポンプを作動させたときに、サプライモジュール内における圧力を検出し、その圧力が一定値に達しないとき、サプライモジュールポンプの作動を停止する解凍制御部を備えたことを特徴とするＳＣＲ解凍制御システム。
  2. 前記解凍制御部は、サプライモジュール内における圧力が一定値に達しないとき、外気温を検出し、検出した外気温が所定温度よりも低いときに、サプライモジュールポンプの作動を停止する請求項１に記載のＳＣＲ解凍制御システム。
  3. 前記解凍制御部は、サプライモジュールポンプの作動を停止すると共に尿素水の解凍を継続し、一定時間解凍を継続した際に再度サプライモジュール内における圧力を検出し、その圧力が一定値に達しないときに故障を警告する請求項１又は２に記載のＳＣＲ解凍制御システム。
  4. 前記解凍制御部は、サプライモジュール内の圧力が一定値に達しないことを規定回数検知したときに故障を警告する請求項３に記載のＳＣＲ解凍制御システム。
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