JP2022053082A - ＮＯｘセンサ昇温装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒータ動作時のＮＯｘセンサの損傷を抑制する。
【解決手段】ＮＯｘセンサ昇温装置は、エンジンの排気管に設けられ排気ガス中のＮＯｘの濃度を検出するＮＯｘセンサと、ＮＯｘセンサをセンサ動作温度に昇温させる昇温動作を行うヒータ６５と、エンジンの始動時の前記排気ガスの温度である排気温度、外気温度、及びエンジンの冷却水の温度である冷却水温度を取得する温度取得部１２２と、取得した排気温度、外気温度及び冷却水温度に基づいて、熱量の閾値を取得する閾値取得部１２４と、排気ガスの熱量が閾値取得部１２４によって取得された閾値よりも大きい場合には、ヒータ６５に昇温動作を行わせる昇温制御部１２５と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＮＯｘセンサ昇温装置に関する。

エンジンの排気管に、排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）の濃度を検出するＮＯｘセンサが設けられている。このＮＯｘセンサは、検出素子が活性化するセンサ動作温度において検出機能を発揮するため、ＮＯｘセンサをセンサ動作温度に昇温させるヒータが設けられている。

特開２０１２－２１４５７号公報

ところで、エンジンの始動時等の低外気温時には、排気管中に凝縮水が発生しやすい。このため、低外気温時にヒータによる昇温動作を行うと、凝縮水に起因してＮＯｘセンサが損傷するおそれがある。

そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、ヒータ動作時のＮＯｘセンサの損傷を抑制することを目的とする。

本発明の一の態様においては、エンジンの排気管に設けられ排気ガス中のＮＯｘの濃度を検出するＮＯｘセンサと、前記ＮＯｘセンサをセンサ動作温度に昇温させる昇温動作を行うヒータと、前記エンジンの始動時の前記排気ガスの温度である排気温度、外気温度、及び前記エンジンの冷却水の温度である冷却水温度を取得する温度取得部と、前記温度取得部が取得した前記排気温度、前記外気温度及び前記冷却水温度に基づいて、熱量の閾値を取得する閾値取得部と、前記排気ガスの熱量が前記閾値取得部によって取得された前記閾値よりも大きい場合には、前記ヒータに前記昇温動作を行わせる昇温制御部と、を備える、ＮＯｘセンサ昇温装置を提供する。

また、前記閾値取得部は、前記排気温度、前記外気温度、前記冷却水温度、及び前記エンジンを停止にしてからの経過時間に基づいて、前記閾値を取得することとしてもよい。

また、前記閾値取得部は、前記外気温度及び前記排気温度の各々に重みを付加した値を用いて、前記閾値を取得し、前記閾値取得部は、前記外気温度が低いほど前記外気温度に対する重みを大きくすることとしてもよい。

また、前記閾値取得部は、前記外気温度が前記排気温度よりも低い場合には、前記エンジンを停止にしてからの経過時間が長いほど前記外気温度に対する重みを大きくし、前記外気温度が前記排気温度よりも高い場合には、前記排気温度が低いほど前記外気温度に対する重みを小さくすることとしてもよい。

また、前記閾値取得部は、前記外気温度として、イグニッションスイッチのオンから前記エンジンの始動開始までの間の最低外気温度を用いて、前記閾値を取得することとしてもよい。

また、前記閾値取得部は、前記排気温度として、前記排気管に設けられ前記排気ガスを浄化する浄化装置の上流部又は下流部の温度を用いて、前記閾値を取得することとしてもよい。

本発明によれば、ヒータ動作時のＮＯｘセンサの損傷を抑制できるという効果を奏する。

一の実施形態に係る排気浄化システムＳの構成を示す模式図である。 制御装置１００の詳細構成を示すブロック図である。 温度考慮値と判定閾値の関係を説明するための模式図である。 外気温度が排気温度よりも低い場合の、重みの大きさを説明するための模式図である。 外気温度が排気温度よりも高い場合の、重みの大きさを説明するための模式図である。 ＮＯｘセンサ６０の昇温処理の一例を説明するためのフローチャートである。

＜排気浄化システムの構成＞
図１を参照しながら、ＮＯｘセンサを昇温させるＮＯｘ昇温装置の機能を有する排気浄化システムＳの構成について説明する。

図１は、一の実施形態に係る排気浄化システムＳの構成を示す模式図である。図１に示すように、排気浄化システムＳは、エンジン１０と、排気通路２０と、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）３０と、尿素水噴射装置４０と、ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction；選択還元触媒）装置５０と、ＮＯｘセンサ６０と、制御装置１００とを有する。排気浄化システムＳは、トラック等の車両に搭載されており、エンジン１０の排気ガスを浄化する。

エンジン１０は、燃料と吸気（空気）の混合気を燃焼、膨張させて、動力を発生させる内燃機関である。

排気通路２０は、エンジン１０と接続された排気管であり、エンジン１０の排気ガスを車両の外部へ排出させる。排気ガスが流れる排気通路２０には、ＤＰＦ３０、尿素水噴射装置４０及びＳＣＲ装置５０が設けられている。

ＤＰＦ３０は、排気ガスに含まれる粒子状物質（ＰＭ）を捕集するフィルタである。ＤＰＦ３０は、例えば、金属やセラミックス製のハニカム体で構成されている。

尿素水噴射装置４０は、ＤＰＦ３０とＳＣＲ装置５０の間に設けられ、排気通路２０内に尿素水を噴射する。尿素水噴射装置４０が噴射した尿素水は、排気通路２０を流れる排気ガスの熱によって加水分解し、アンモニアが生成される。アンモニアは、排気ガス中のＮＯｘの還元反応を起こすために用いられる。尿素水噴射装置４０は、噴射部４１と、タンク４２と、ポンプ４３と、流路４４とを有する。タンク４２は、尿素水を収容する収容部である。ポンプ４３は、タンク４２内の尿素水を噴射部４１へ向かって圧送する。流路４４は、ポンプ４３によって噴射部４１へ送られる尿素水が流れる供給路である。噴射部４１は、尿素水を排気通路２０内に噴射する。

ＳＣＲ装置５０は、排気ガス中のＮＯｘを還元反応によって無害な窒素に変換する装置である。ＳＣＲ装置５０は、アンモニアとＮＯｘの還元反応を促進させる還元触媒５２を有する。還元触媒５２には、尿素水から生成されたアンモニアが吸着される。還元触媒５２は、吸着したアンモニアによってＮＯｘを窒素と水に還元し、ＮＯｘの排出を低減させる。

ＮＯｘセンサ６０は、排気ガス中のＮＯｘの濃度を検出する。ＮＯｘセンサ６０は、排気通路２０においてＳＣＲ装置５０の上流側に設けられている。ＮＯｘセンサ６０は、ＳＣＲ装置５０の入口側のＮＯｘの濃度を検出する。例えば、ＮＯｘセンサ６０は、内部のチャンバーに取り込まれた排気ガス中のＮＯｘから分解された酸素を検出することで、ＮＯｘの濃度を検出する。ＮＯｘセンサ６０は、検出素子が活性化するセンサ動作温度において、ＮＯｘの検出機能を発揮する。そこで、ＮＯｘセンサ６０をセンサ動作温度に昇温させるヒータ（図２に示すヒータ６５）が設けられている。なお、ＮＯｘセンサ６０は、ＳＣＲ装置５０の上流側及び下流側の両方に設けられていてもよい。

ヒータ６５は、例えば電熱式のヒータであり、通電を受けて加熱することでＮＯｘセンサ６０を昇温させる。ヒータ６５は、ＮＯｘセンサ６０のチャンバー内に設けられており、チャンバー内を昇温させる。ヒータ６５及びチャンバーは、例えばセラミックから成る。ヒータ６５は、排気ガスの熱量が所定の判定閾値よりも大きい場合に、昇温動作を開始する。

制御装置１００は、排気浄化システムＳの動作を制御する。本実施形態では、制御装置１００は、尿素水噴射装置４０、ＮＯｘセンサ６０、ヒータ６５の動作を制御する。

ところで、エンジン１０の始動時等の低外気温時には、排気通路２０中に凝縮水が発生することがある。特に、低外気温状態で長い時間経過すると、凝縮水が発生しやすい。発生した凝縮水が排気ガスによって飛ばされて、ＮＯｘセンサ６０に付着するケースが想定される。凝縮水がＮＯｘセンサ６０に付着した状態でヒータ６５による昇温動作を行うと、ＮＯｘセンサ６０が損傷するおそれがある。
これに対して、本実施形態の制御装置１００は、詳細は後述するが、ヒータ６５による昇温動作を開始する判定閾値を外気温度も考慮して算出し、排気熱量が判定閾値よりも大きい場合にヒータ６５の昇温動作を行う。これにより、低外気温時には、凝縮水が発生する前にヒータ６５の昇温動作を開始できるため、凝縮水に起因してＮＯｘセンサ６０が損傷することを抑制できる。

＜制御装置の詳細構成＞
図２を参照しながら、制御装置１００の詳細構成の一例について説明する。
図２は、制御装置１００の詳細構成を示すブロック図である。制御装置１００は、記憶部１１０と、制御部１２０とを有する。

記憶部１１０は、例えばＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）を含む。記憶部１１０は、制御部１２０が実行するためのプログラムや各種データを記憶する。例えば、記憶部１１０は、後述するＮＯｘセンサ６０の昇温処理に用いられる各種情報を記憶している。

制御部１２０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）である。制御部１２０は、記憶部１１０に記憶されたプログラムを実行することにより、排気浄化システムＳの動作を制御する。本実施形態では、制御部１２０は、エンジン状態取得部１２１、温度取得部１２２、熱量算出部１２３、閾値取得部１２４及び昇温制御部１２５として機能する。

エンジン状態取得部１２１は、エンジン１０の状態を取得する。例えば、エンジン状態取得部１２１は、エンジン１０のイグニッションスイッチ７０のオン後にエンジン１０が始動開始するタイミングを取得する。また、エンジン状態取得部１２１は、エンジン１０を停止（具体的には、イグニッションスイッチ７０をオフ）にしてからの停止経過時間を取得する。

温度取得部１２２は、例えばイグニッションスイッチ７０がオンされると、各種温度を取得する。例えば、温度取得部１２２は、温度を検出する温度センサ８０の検出結果を取得することで、各種温度を取得する。温度取得部１２２は、取得した温度を、閾値取得部１２４に出力する。

温度取得部１２２は、エンジン１０の始動時の排気ガスの温度である排気温度を取得する。温度取得部１２２は、排気温度として、排気通路２０においてＮＯｘセンサ６０が設けられた部分の温度を取得する。例えば、ＮＯｘセンサ６０がＳＣＲ装置５０の上流側に設けられている場合には、温度取得部１２２は、上流側に設けられた温度センサの検出結果によって、排気ガスを浄化する浄化装置であるＳＣＲ装置５０の上流部の排気温度を取得する。
なお、ＮＯｘセンサ６０がＳＣＲ装置５０の下流側に設けられている場合には、温度取得部１２２は、ＳＣＲ装置５０の下流部の排気温度を取得する。この際、温度取得部１２２は、ＳＣＲ装置５０の上流側の温度センサの検出結果から、下流部の排気温度を推定してもよい。

温度取得部１２２は、エンジン１０の始動時の外気温度を取得する。例えば、温度取得部１２２は、エンジン１０の始動時に、排気通路２０の周囲（例えば、排気通路２０においてＮＯｘセンサ６０の近くの部分の周囲）の外気温度を取得する。また、温度取得部１２２は、外気温度として、イグニッションスイッチのオンからエンジン１０の始動開始までの間の最低外気温度を取得する。
温度取得部１２２は、エンジン１０の冷却水の温度である冷却水温度を取得する。例えば、温度取得部１２２は、エンジン１０の始動時の冷却水温度を取得する。

熱量算出部１２３は、排気ガスの熱量（以下、説明の便宜上、排気熱量とも呼ぶ）を算出する。具体的には、熱量算出部１２３は、排気ガスの温度と排気ガスの流量とを乗算することで、排気熱量を求める。熱量算出部１２３は、算出した排気熱量を、昇温制御部１２５に出力する。

閾値取得部１２４は、ヒータに昇温動作を行わせるか否かを判定するための判定閾値を取得する。本実施形態では、閾値取得部１２４は、温度取得部１２２が取得した排気温度、外気温度及び冷却水温度に基づいて、判定閾値を取得する。これにより、凝縮性の発生に大きな影響を与える外気温度を考慮した判定閾値を取得できる。

閾値取得部１２４は、外気温度として、イグニッションスイッチ７０のオンからエンジン１０の始動開始までの間の最低外気温度を用いて、判定閾値を取得する。外気温度として最低外気温度を用いることで、凝縮水がより発生しやすい条件を考慮して判定閾値を取得できる。

閾値取得部１２４は、エンジン状態取得部１２１が取得したエンジン１０の停止経過時間を考慮した判定閾値を取得してもよい。すなわち、閾値取得部１２４は、排気温度、外気温度、冷却水温度、及びエンジン１０を停止にしてからの経過時間に基づいて、判定閾値を取得する。エンジン１０の停止経過時間が長くなるほど、凝縮水が発生しやすくなる。このため、エンジン１０の停止経過時間を考慮して、凝縮水が発生しないような判定閾値を取得しやすくなる。

閾値取得部１２４は、例えば図３に示すグラフを参照して、判定閾値を取得してもよい。グラフは、記憶部１１０に記憶されている。ただし、これに限定されず、図３のグラフに相当するテーブルを用いて、判定閾値を取得してもよい。
図３は、温度考慮値と判定閾値の関係を説明するための模式図である。横軸の温度考慮値は、最低外気温度、排気温度及びエンジン１０の停止経過時間を考慮した値である。図３の曲線Ｌ１は、冷却水温度が低い場合の温度考慮値と判定閾値の関係を示している。曲線Ｌ２は、冷却水温度が高い場合の温度考慮値と判定閾値の関係を示している。曲線Ｌ１、Ｌ２を見ると分かるように、温度考慮値が小さいほど判定閾値が大きくなる傾向を示し、冷却水温度が低いほど判定閾値が大きくなる傾向を示す。

閾値取得部１２４は、例えば下記の式（１）のように、最低外気温度及び排気温度の各々に重みを付加した温度考慮値Ｔ１を算出する。そして、閾値取得部１２４は、温度考慮値Ｔ１を用いて、判定閾値を求める。
Ｔ１＝fac×Ｔ２＋（１－fac）×Ｔ３ （１）
式（１）において、Ｔ２は最低外気温度を意味し、Ｔ３は排気温度を意味し、facは最低外気温度の重みを意味し、（１－fac）は排気温度の重みを意味する。

閾値取得部１２４は、外気温度及び排気温度に応じて、重みfacの大きさを調整可能である。
図４は、外気温度が排気温度よりも低い場合の、重みの大きさを説明するための模式図である。曲線Ｌ１１は、エンジン１０の停止経過時間が長い場合における、外気温度と重みの関係を示している。曲線Ｌ１２は、停止経過時間が短い場合における、外気温度と重みの関係を示している。曲線Ｌ１１、Ｌ１２から分かるように、外気温度（ここでは、最低外気温度）が低いほど重みfacは大きくなり、停止経過時間が長いほど重みfacは大きくなる傾向を示す。

図５は、外気温度が排気温度よりも高い場合の、重みの大きさを説明するための模式図である。曲線Ｌ２１は、排気温度が高い場合における、外気温度と重みの関係を示している。曲線Ｌ２２は、排気温度が低い場合における、外気温度と重みの関係を示している。曲線Ｌ２１、Ｌ２２から分かるように、外気温度（ここでは、最低外気温度）が低いほど重みfacは大きくなり、排気温度が低いほど重みfacは小さくなる傾向を示す。

図４及び図５に示すように、閾値取得部１２４は、外気温度が低いほど、外気温度の重みfacを大きくする。これにより、外気温度を優先した判定閾値を求めることができる。また、閾値取得部１２４は、外気温度が排気温度よりも低い場合には、エンジン１０の停止経過時間が長いほど、重みfacを大きくする。一方で、閾値取得部１２４は、外気温度が排気温度よりも高い場合には、排気温度が低いほど、重みfacを小さくする。これにより、排気温度と外気温度のうちの、凝縮水が発生しやすい低温となる温度を優先することで、判定閾値をより適切に求められる。

昇温制御部１２５は、ヒータ６５によるＮＯｘセンサ６０の昇温動作を制御する。具体的には、昇温制御部１２５は、ヒータ６５に通電することで加熱させて、ＮＯｘセンサ６０を昇温させる。昇温制御部１２５は、熱量算出部１２３が算出した排気熱量と、閾値取得部１２４が求めた判定閾値とを用いて、ＮＯｘセンサ６０の昇温動作を制御する。

昇温制御部１２５は、排気ガスの熱量が閾値取得部１２４によって取得された判定閾値よりも大きい場合には、ヒータ６５に昇温動作を行わせる。一方で、昇温制御部１２５は、排気ガスの熱量が判定閾値以下の場合には、ヒータ６５に昇温動作を行わせない。これにより、外気温度が低い場合に、ヒータ６５によるＮＯｘセンサ６０の昇温動作を早く行うことができる。この結果、凝縮水が発生する前に、ＮＯｘセンサ６０の昇温動作を行いやすくなり、凝縮水に起因してＮＯｘセンサ６０が損傷することを抑制できる。

＜制御装置の動作例＞
ＮＯｘセンサ６０の昇温処理を行う際の制御装置１００の動作例について、図６を参照しながら説明する。

図６は、ＮＯｘセンサ６０の昇温処理の一例を説明するためのフローチャートである。昇温処理は、制御部１２０が記憶部１１０に記憶されたプログラムを実行することで、行われる。ここでは、図３のフローチャートは、イグニッションスイッチ７０がオン（すなわち、エンジン１０が始動）になったことを検出したところから開始される（ステップＳ１０２）。次に、温度取得部１２２は、エンジン１０の始動時の排気温度、外気温度及び冷却水温度を取得する（ステップＳ１０４）。

次に、閾値取得部１２４は、取得した排気温度、外気温度及び冷却水温度に基づいて、判定閾値を求める（ステップＳ１０６）。例えば、閾値取得部１２４は、図３に示すグラフ（又はテーブル）を参照して、取得した取得した排気温度、外気温度及び冷却水温度に適した判定閾値を求める。

次に、熱量算出部１２３は、排気ガスの熱量を算出する（ステップＳ１０８）。例えば、熱量算出部１２３は、排気ガスの流量と温度から、熱量を算出する。

次に、昇温制御部１２５は、算出した排気熱量が判定閾値よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１１０）。ステップＳ１１０で排気熱量が判定閾値よりも大きいと判定した場合には（Ｙｅｓ）、昇温制御部１２５は、ＮＯｘセンサ６０の昇温動作を行う（ステップＳ１１０）。すなわち、昇温制御部１２５は、ヒータ６５に通電して、ＮＯｘセンサ６０をセンサ動作温度まで昇温させる。一方で、ステップＳ１１０で排気熱量が判定閾値以下である場合には（Ｎｏ）、昇温制御部１２５は、ＮＯｘセンサ６０の昇温動作を行わない。

＜本実施形態における効果＞
上述した実施形態の制御装置１００は、エンジン１０の始動時の排気温度、外気温度及び冷却水温度に基づいて、判定閾値を取得する。そして、制御装置１００は、排気熱量が、算出した判定閾値よりも大きい場合に、ヒータ６５によるＮＯｘセンサ６０の昇温動作を行わせる。
これにより、排気温度、外気温度及び冷却水温度を考慮した判定閾値を用いてヒータ６５を動作せるので、低外気温時に凝縮水が発生する前にヒータ６５による昇温動作を開始できる。この結果、凝縮水に起因してＮＯｘセンサ６０が損傷することを抑制できる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、装置の全部又は一部は、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。また、複数の実施の形態の任意の組み合わせによって生じる新たな実施の形態も、本発明の実施の形態に含まれる。組み合わせによって生じる新たな実施の形態の効果は、もとの実施の形態の効果を併せ持つ。

１０ エンジン
２０ 排気通路
５０ ＳＣＲ装置
６０ ＮＯｘセンサ
６５ ヒータ
７０ イグニッションスイッチ
１２２ 温度取得部
１２３ 閾値取得部
１２５ 昇温制御部

Claims (6)

1. エンジンの排気管に設けられ排気ガス中のＮＯｘの濃度を検出するＮＯｘセンサと、
   前記ＮＯｘセンサをセンサ動作温度に昇温させる昇温動作を行うヒータと、
   前記エンジンの始動時の前記排気ガスの温度である排気温度、外気温度、及び前記エンジンの冷却水の温度である冷却水温度を取得する温度取得部と、
   前記温度取得部が取得した前記排気温度、前記外気温度及び前記冷却水温度に基づいて、熱量の閾値を取得する閾値取得部と、
   前記排気ガスの熱量が前記閾値取得部によって取得された前記閾値よりも大きい場合には、前記ヒータに前記昇温動作を行わせる昇温制御部と、
   を備える、ＮＯｘセンサ昇温装置。
2. 前記閾値取得部は、前記排気温度、前記外気温度、前記冷却水温度、及び前記エンジンを停止にしてからの経過時間に基づいて、前記閾値を取得する、
   請求項１に記載のＮＯｘセンサ昇温装置。
3. 前記閾値取得部は、前記外気温度及び前記排気温度の各々に重みを付加した値を用いて、前記閾値を取得し、
   前記閾値取得部は、前記外気温度が低いほど前記外気温度に対する重みを大きくする、
   請求項１又は２に記載のＮＯｘセンサ昇温装置。
4. 前記閾値取得部は、
   前記外気温度が前記排気温度よりも低い場合には、前記エンジンを停止にしてからの経過時間が長いほど前記外気温度に対する重みを大きくし、
   前記外気温度が前記排気温度よりも高い場合には、前記排気温度が低いほど前記外気温度に対する重みを小さくする、
   請求項３に記載のＮＯｘセンサ昇温装置。
5. 前記閾値取得部は、前記外気温度として、イグニッションスイッチのオンから前記エンジンの始動開始までの間の最低外気温度を用いて、前記閾値を取得する、
   請求項１から４のいずれか１項に記載のＮＯｘセンサ昇温装置。
6. 前記閾値取得部は、前記排気温度として、前記排気管に設けられ前記排気ガスを浄化する浄化装置の上流部又は下流部の温度を用いて、前記閾値を取得する、
   請求項１から５のいずれか１項に記載のＮＯｘセンサ昇温装置。
   
   

Images