JP4326976B2 - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の一実施形態に係る自動車用エンジン(以下「エンジン」という。)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いる。
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。
尿素水を貯蔵するタンク41には、尿素水供給管42が接続されており、この尿素水供給管42の先端に尿素水の噴射ノズル43が取り付けられている。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、SCR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が設置されており、規定圧力を超える分の余剰尿素水がタンク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。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36は、アクチュエータ361により開度が制御される。
尿素センサ74は、特開2001−228004号公報に記載された流量計と同様な構成を持ち、2つの感温体の電気特性値をもとに、尿素の濃度を検出する。
特開2001−228004号公報(段落番号0015〜0017)に記載された流量計は、ヒータ機能を持つ第1のセンサ素子と、ヒータ機能を持たない第2のセンサ素子とを含んで構成される。前者の第1のセンサ素子は、ヒータ層と、ヒータ層上に絶縁状態で形成された、感温体としての測温抵抗層(以下「第1の測温抵抗層」という。)とを含んで構成される。後者の第2のセンサ素子は、感温体としての測温抵抗層(以下「第2の測温抵抗層」という。)を含んで構成されるが、ヒータ層を持たない。各センサ素子は、樹脂製の筐体に内蔵されており、伝熱体としてのフィンプレートの一端に接続されている。
回路部742は、第1のセンサ素子7411のヒータ層及び測温抵抗層、並びに第2のセンサ素子7412の測温抵抗層と接続されている。ヒータ層に通電して第1の測温抵抗層を加熱するとともに、加熱された第1の測温抵抗層と、直接的には加熱されていない第2の測温抵抗層との各抵抗値Rn1,Rn2を検出する。測温抵抗層は、抵抗値が温度に比例して変化する特性を持つ。回路部742は、検出したRn1,Rn2をもとに、次のように濃度Dnを演算するとともに、尿素水の残量を判定する。
ヒータ層による加熱は、所定の時間Δt01に亘り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、ヒータ層への通電を停止した時点における各測温抵抗層の抵抗値Rn1,Rn2を検出するとともに、その時点における測温抵抗層間の温度差ΔTmp12(=Tn1−Tn2)を演算する。測温抵抗層間の温度差は、尿素水を媒体とする伝熱特性に応じて変化するものであり、この伝熱特性は、尿素の濃度に応じて変化するものであるため、算出した温度差ΔTmp12を、濃度Dnに換算することができる。また、算出した温度差ΔTmp12をもとに、タンク41が空であるか否かを判定することができる。
まず、SCR−C/U61の動作について説明する。
図4は、異常検出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り起動され、その後所定の時間毎に繰り返される。このルーチンにより尿素水噴射系に異常が発生したことが検出される。
S102では、アシストエア圧力Paが所定の値Pa2及びPa1(<Pa2)を上下限とする所定の範囲内にあるか否かを判定する。所定の範囲内にあるときは、S103へ進み、所定の範囲内にないときは、S108へ進む。所定の値Pa1よりも小さいアシストエア圧力が検出されたときは、空気供給管42でアシストエアの漏れが発生していると判断し、所定の値Pa2よりも大きいアシストエア圧力が検出されたときは、噴射ノズル43に詰りが発生していると判断する。噴射ノズル43の詰りは、ノズル部432内で尿素が凝結し、通路が塞がれた場合等に発生する。
S104では、尿素センサ電圧Vsが所定の値Vs1以下であるか否かを判定する。Vs1以下であるときは、S105へ進み、Vs1よりも大きいときは、S108へ進む。所定の値Vs1よりも大きい尿素センサ電圧が検出されたときは、センサ素子部741で断線が発生していると判断する。
S106では、希釈判定フラグFdilを読み込み、読み込んだFdilが0であるか否かを判定する。0であるときは、S107へ進み、0でないときは、S108へ進む。希釈判定フラグFdilは、通常は0に設定されており、後述するようにタンク41内の尿素水が過度に希薄であると判定されたときに、1に切り換えられる。
S108では、尿素水噴射系に何らかの異常が発生したとして、異常判定フラグFscrを1に設定するとともに、警告灯を作動させ、異常の発生を運転者に認識させる。
S201では、スタートスイッチ信号SWstrを読み込み、SWstrが1であるか否かを判定する。1であるときは、スタートスイッチがオンされているとして、S204へ進み、後述するように濃度Dnを演算する。
S203では、カウントアップ後のINTが所定の値INT1に達したか否かを判定する。INT1に達したときは、濃度Dnの検出に必要な検出インターバルが確保されているとして、S204へ進み、INT1に達していないときは、そのような検出インターバルが確保されていないとして、このルーチンをリターンする。
S205では、尿素センサ74のヒータ層に通電し、第1の測温抵抗層を直接的に、かつ尿素水を媒体として第2の測温抵抗層を間接的に加熱する。
S206では、濃度Dnを演算する。濃度Dnの演算は、各測温抵抗層の抵抗値Rn1,Rn2の差に応じた測温抵抗層間の温度差ΔTmp12を演算し、算出したΔTmp12を濃度Dnに換算することにより行う。
S210では、タンク41が空であるとの判定を下し、残量判定フラグFempを1に設定する。
S211では、タンク41に貯蔵されている尿素水が所要のNOx浄化率を達成し得ないほどに希薄であるとの判定を下し、希釈判定フラグFdilを1に設定する。
S301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、S302へ進み、0でないときは、尿素水噴射系に異常が発生しているとして、S305へ進む。
S303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演算するとともに、算出した基本噴射量を濃度記憶値Dにより補正することにより行う。濃度記憶値Dが大きく、単位噴射量当たりの尿素含有量が多いときは、基本噴射量に対して減量補正を施し、他方、濃度記憶値Dが小さく、単位噴射量当たりの尿素含有量が少ないときは、基本噴射量に対して増量補正を施す。
S305では、尿素水の噴射を停止させる。尿素水噴射系に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尿素水を噴射することができず、適正値に対して尿素水噴射量が少ないときは、NOxが未浄化のまま大気中に放出されるおそれがあり、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からである。また、タンク41が空であるときは勿論、尿素水が過度に希薄であるときや、尿素水ではなく、水等がタンク41に貯蔵されているときは、排気に対し、NOxの浄化に必要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。
図7は、燃料噴射量設定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り起動され、その後所定の時間毎に繰り返される。このルーチンにより燃料噴射量Qfが設定される。
S401では、エンジン回転数Ne及びアクセル開度(「アクセル操作量」に相当する。)APO等のエンジン1の運転状態を読み込む。
S403では、通常運転用マップを選択するとともに、読み込んだNe,APOにより選択したマップを検索して、燃料噴射量Qfを設定する。
S405では、車速VSPを読み込む。車速VSPは、トランスミッションの出力軸の回転数を検出することにより直接的に検出してもよいが、エンジン回転数Neをトランスミッションの変速比により換算することで、間接的に検出することもできる。
S407では、出力制限用マップを選択するとともに、読み込んだNe,APOにより選択したマップ検索して、燃料噴射量Qfを設定する。出力制限用マップにより設定される燃料噴射量Qfは、同じNe,APOのもとで通常運転用マップにより設定されるものよりも少なく、エンジン1の出力(すなわち、トルク)が制限される。本実施形態では、ここで発生させるトルクを、所定の値VSP1の速度で平坦路を定常走行するために必要な最小限のトルクとしており、発生した異常が解除されるまでの間、所定の値VSP1を超える速度での走行が制限されるようにしている。尿素水噴射系に異常が発生しているときは、前述のように尿素水の噴射が停止され(S305)、尿素水の不安定な噴射が回避されているので、燃料噴射量Qfの設定を含む総合的なエンジン制御により、NOxの発生自体を極力抑えるようにする。
S409では、以上のようにして設定したQfを出力噴射量Qfsetに設定するとともに、設定したQfsetに応じた作動信号をインジェクタ21に出力する。
図8は、燃料カット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り起動され、その後所定の時間毎に繰り返される。このルーチンにより燃料カットフラグFcutが設定される。
S501では、アクセル開度APOを読み込む。
S503では、燃料の噴射を停止させるため、燃料カットフラグFcutを1に設定する。
S505では、カウント値CNTを1だけカウントアップする(CNT=CNT+1)。このカウント値CNTは、尿素水噴射系に異常が発生した時点からの経過時間を表すものである。
S507では、カウント値CNTを0に設定する。
S508では、燃料カットフラグFcutを0に設定し、燃料の噴射を実行させる。
本実施形態に関し、タンク41、尿素水供給管42、噴射ノズル43、フィードポンプ44及び空気供給管48が還元剤添加手段としての機能を備え、還元剤の添加装置を構成する。尿素センサ74は、尿素の濃度を検出する第1のセンサとしての機能と、尿素水の残量を判定する第2のセンサとしての機能とを兼ね備える。また、SCR−C/U61が備える機能のうち、図4に示すフローチャート全体の機能が異常検出手段に、図7に示すフローチャート全体及び図8に示すフローチャートのS504〜507の機能がエンジン制御手段に相当する。
第1に、尿素水噴射系に異常が発生したときに、燃料噴射量設定マップを切り換え、同じアクセル開度APOのもとで設定される燃料噴射量Qfを通常時のものよりも減少させ、エンジン1の出力が抑制されるようにした。このため、走行を制限し、運転者に対し、尿素水噴射系の修理を促すことができ、尿素水噴射系の適正な管理が図られるようにすることができる。
第3に、尿素水噴射系に異常が発生したときに、エンジン1の再始動を禁止するとともに、所定の時間が経過した後に燃料の噴射を停止させ、エンジン1を停止させるようにした。このため、運転者が速やかにサービスステーションに向かい、修理を行うように働きかけることができる。本実施形態では、異常の発生を検出した時点で警告灯を作動させるようにしたので、運転者は、異常の発生を速やかに認識し、サービスステーションに向かうことができる。なお、本実施形態では、異常の発生が検出された後、所定の時間が経過した時点で即、燃料の供給が停止されるようにしたが(S410)、燃料噴射量Qfを漸減させ、燃料の供給が徐々に停止に向かうようにしてもよい。
以下に、本発明の他の実施形態について説明する。
アクセル開度APO等の各種の運転状態を読み込んだ後(S401)、S601では、読み込んだAPO等をもとに、燃料噴射量Qfを設定する。異常判定フラグFscrが1であり、尿素水噴射系に異常が発生していると判定すると(S402)、スタータと電源装置との間の接続を遮断する(S404)。車速VSPを読み込んだ後(S405)、読み込んだVSPが所定の値VSP1以上であると判定したときは、S602へ進み、先に設定したQfに係数x1を乗算し、得た値(=Qf×x1)を改めて燃料噴射量Qfに設定する。この係数x1は、エンジン1の出力を抑制するためのものであり、0よりも大きく、かつ1よりも小さい値に設定する。燃料カットフラグFcutが0でないと判定したときは(S408)、燃料噴射量Qfを0に設定し(S410)、燃料の噴射を停止させる。以上のようにして設定したQfを出力噴射量Qfsetに設定し(S409)、インジェクタ21を作動させる。
本実施形態によれば、上記の第1〜4の効果が得られることに加え、通常時と異常発生時とで燃料噴射量設定マップを別々に備える必要がないので、エンジンC/U51の記憶容量を削減することができる。
S702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、S703へ進み、0でないときは、尿素水噴射系に異常が発生しているとして、S704へ進む。
S704では、エンジン1の始動を禁止するため、始動時噴射量Qfstrを0に設定する。
本実施形態に関し、図10に示すフローチャートのS702,704(及び図7に示すフローチャート全体(S404を除く。)及び図8に示すフローチャートのS504〜507)の機能がエンジン制御手段に相当する。
図11は、第4の実施形態に係る燃料噴射量設定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り起動され、その後所定の時間毎に繰り返される。
Qfdlt=Qfdlt+DQ ・・・(5b)
S802では、燃料噴射量Qfが制限噴射量Qflmtよりも大きいか否かを判定する。Qflmtよりも大きいときは、燃料噴射量Qfを制限噴射量Qflmtで置き換えることにより燃料噴射量を制限したうえでS408へ進み、それ以外のときは、直接にS408へ進む。以降の処理は、既述のものと同様である。燃料カットフラグFcutが0でないと判定したときは(S408)、燃料噴射量Qfを0に設定し(S410)、燃料の噴射を停止させる。以上のようにして設定したQfを出力噴射量Qfsetに設定し(S409)、インジェクタ21を作動させる。
本実施形態によれば、制限噴射量Qflmtの設定に際し、車速VSPをフィードバックし、車速VSPにより制限噴射量Qflmtの調整が図られるようにしたので、異常発生時において、車速VSPを所定の値VSP1に正確に制御し、尿素水噴射系の修理が行われるまでのNOxの排出を抑えることができる。また、補正量Qfdlt(すなわち、制限噴射量Qflmt)の変化量DQを、速度差DLTが大きいときほど大きな値として算出することとしたので、車速VSPを所定の値VSP1に向けて速やかに、かつ滑らかに収束させることができる。
Claims (15)
- 還元剤又はその前駆体を水溶液の状態で貯蔵するタンクと、排気通路に設置され、タンクに貯蔵されている還元剤又は前駆体水溶液をアシストエアと混合して噴射するための噴射ノズルと、タンクに貯蔵されている還元剤又は前駆体水溶液を噴射ノズルに供給するフィードポンプと、を有し、噴射ノズルにより還元剤又は前駆体水溶液をエンジンの排気中に噴射して、エンジンの排気にNOxの還元剤としてアンモニアを添加する還元剤添加手段と、
タンクに貯蔵されている還元剤又は前駆体水溶液に含まれる還元剤又は前駆体の濃度を検出する濃度センサと、
タンクに貯蔵されている還元剤又は前駆体水溶液の残量を検出する残量センサと、
前記アシストエアの圧力を検出する第1の圧力センサと、
前記フィードポンプによる前記水溶液の供給圧力を検出する第2の圧力センサと、
前記濃度センサのセンサ素子部により、その検知濃度に応じて出力される電圧を検出する電圧センサと、
前記濃度センサにより検出された濃度の値が所定の範囲外にあるか、前記残量センサにより検出された残量の値が所定の値よりも小さいか、前記第1の圧力センサにより検出されたアシストエアの圧力が所定の第1のエア圧力値よりも小さいか、前記検出されたアシストエアの圧力が前記第1のエア圧力値よりも大きな第2のエア圧力値よりも大きいか、前記第2の圧力センサにより検出された供給圧力が所定の値よりも小さいか、又は前記電圧センサにより検出された電圧が所定の値よりも大きいことを検出したときに、前記還元剤添加手段に異常が発生したことを検出する異常検出手段と、
異常検出手段により異常の発生が検出された異常発生時において、エンジンの停止後における再始動を禁止して、エンジンの作動を制限するエンジン制御手段と、を含んで構成されるエンジンの排気浄化装置。 - エンジン制御手段は、異常発生時において、運転者のアクセル操作に対するエンジンの出力特性を異常発生時以外の通常時のものとは異ならせて、エンジンの出力を制限するとともに、エンジンの停止後は、その再始動を禁止する請求項1に記載のエンジンの排気浄化装置。
- エンジン制御手段は、異常発生時と通常時とで、同じアクセル操作量のもとで設定されるエンジンへの燃料供給量を変化させて、エンジンの出力特性を異ならせる請求項2に記載のエンジンの排気浄化装置。
- エンジン制御手段は、同じアクセル操作量のもと、異常発生時に設定される燃料供給量を、通常時に設定される燃料供給量よりも減少させる請求項3に記載のエンジンの排気浄化装置。
- 異常発生時において、エンジン制御手段は、車速を所定の値に制御するための第1の燃料供給量を算出するとともに、アクセル操作量に応じた第2の燃料供給量を算出し、第1及び第2の燃料供給量のうち小さい方を、最終的な燃料供給量に設定する請求項3に記載のエンジンの排気浄化装置。
- エンジン制御手段は、車速を所定の値に維持するためのものとして予め設定された第1の燃料供給量を保持し、
異常発生時において、エンジン制御手段は、アクセル操作量に応じた第2の燃料供給量を算出するとともに、第1及び第2の燃料供給量のうち小さい方を、最終的な燃料供給量に設定する請求項3に記載のエンジンの排気浄化装置。 - 車速を検出する車速検出手段を更に含んで構成され、
エンジン制御手段は、検出された車速が所定の値よりも高いときにのみ、異常発生時と通常時とで、同じアクセル操作量のもとで設定されるエンジンへの燃料供給量を変化させて、エンジンの出力特性を異ならせる請求項2〜6のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。 - エンジン制御手段は、エンジンのクランキングを行う始動装置と、その電源との間の接続を遮断することによりエンジンの再始動を禁止する請求項1〜7のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。
- エンジン制御手段は、エンジンへの燃料の供給を停止させることによりエンジンの再始動を禁止する請求項1〜7のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。
- エンジン制御手段は、異常の発生が検出されてから、所定の期間が経過した後にエンジンを停止させる請求項1〜9のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。
- 濃度センサは、センサ素子部がタンク内に配置されるとともに、このセンサ素子部と接続された回路部を含んで構成され、
センサ素子部は、ヒータと、温度に応じて電気特性値が変化する性質を有し、タンク内の還元剤又は前駆体水溶液に直接的又は間接的に接触するとともに、このヒータにより加熱される感温体と、を含んで構成され、
回路部は、ヒータを駆動するとともに、加熱された感温体の電気特性値を検出し、検出した電気特性値に基づいて還元剤又は前駆体の濃度を検出する請求項1〜10のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。 - 還元剤前駆体である尿素を用い、
還元剤添加手段は、排気に尿素を添加して、NOxの還元剤を添加する請求項1〜11のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。 - 車両用エンジンに設けられる請求項1〜12のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。
- 異常発生時において、異常の発生を運転者に認識させるための警告手段を更に含んで構成される請求項1〜13のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。
- 還元剤又はその前駆体を水溶液の状態で貯蔵するタンクと、排気通路に設置され、タンクに貯蔵されている還元剤又は前駆体水溶液をアシストエアと混合して噴射するための噴射ノズルと、タンクに貯蔵されている還元剤又は前駆体水溶液を噴射ノズルに供給するフィードポンプと、を有し、噴射ノズルにより還元剤又は前駆体水溶液をエンジンの排気中に噴射して、エンジンの排気にNOxの還元剤としてアンモニアを添加するための還元剤添加装置と、
タンクに貯蔵されている還元剤又は前駆体水溶液に含まれる還元剤又は前駆体の濃度を検出する濃度センサと、
タンクに貯蔵されている還元剤又は前駆体水溶液の残量を検出する残量センサと、
前記アシストエアの圧力を検出する第1の圧力センサと、
前記フィードポンプによる前記水溶液の供給圧力を検出する第2の圧力センサと、
前記濃度センサのセンサ素子部により、その検知濃度に応じて出力される電圧を検出する電圧センサと、
前記還元剤添加装置を制御するコントローラと、を含んで構成され、
コントローラは、
通常時において、前記還元剤添加装置に対し、エンジンの運転状態に応じた量の還元剤を添加させる一方、
前記濃度センサにより検出された濃度の値が所定の範囲外にあるか、前記残量センサにより検出された残量の値が所定の値よりも小さいか、前記第1の圧力センサにより検出されたアシストエアの圧力が所定の第1のエア圧力値よりも小さいか、前記検出されたアシストエアの圧力が前記第1のエア圧力値よりも大きな第2のエア圧力値よりも大きいか、前記第2の圧力センサにより検出された供給圧力が所定の値よりも小さいか、又は前記電圧センサにより検出された電圧が所定の値よりも大きいことを検出したときに、前記還元剤添加装置に異常が発生したとしてエンジンに対して指令を発生し、エンジンの停止後における再始動を禁止して、エンジンの作動を制限するエンジンの排気浄化装置。
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