JP4867675B2

JP4867675B2 - 還元剤供給装置

Info

Publication number: JP4867675B2
Application number: JP2007012440A
Authority: JP
Inventors: 仁関島; 勇介本江
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2007-01-23
Filing date: 2007-01-23
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2027-01-23
Also published as: DE102008000092B4; DE102008000092A1; JP2008180101A

Description

本発明は、エンジンからの排ガスに還元剤を供給する還元剤供給装置に関する。

従来から、エンジンからの排ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元して浄化するために、排ガスに還元剤を供給する還元剤供給装置が公知である（例えば、特許文献１参照）。この還元剤は、例えば、尿素水であり、尿素の分解により発生するアンモニア（ＮＨ３）が、触媒によりＮＯｘと反応して無害な窒素（Ｎ２）や水（Ｈ２Ｏ）を生成することで、ＮＯｘが浄化される。そして、還元剤は、排気管の内部に開口する噴射孔から噴射されて排ガス中に広がり、触媒まで導かれる。

ところで、排ガスの流速はエンジンの運転状態に応じて常に変動しているため、噴射された還元剤の広がり方も排ガス流速とともに変動する。すなわち、排ガス流速が大きい場合、噴射された還元剤は排ガスにより押し流され、充分に径方向に広がることができない。逆に排ガス流速が小さい場合、噴射された還元剤は排ガスを押しのけて急激に径方向に広がる。この結果、還元剤噴霧が径方向に偏り部分的に高濃度になったり、還元剤の管壁への付着量が増加したりする等の問題が発生し、排ガスの浄化効率が低下する虞がある。
特開２００６−１２５３２４号公報

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、還元剤供給装置において、排ガス流速が変動しても還元剤の排ガス中への広がり方の変動を抑制し、排ガスの浄化効率の低下を阻止することにある。

〔請求項１の手段〕
請求項１に記載の還元剤供給装置は、エンジンからの排ガスに還元剤を供給するものである。そして、この還元剤供給装置は、所定のタンクから還元剤を吸引して吐出する供給ポンプと、排ガスが通る排気管に装着され、供給ポンプから吐出された還元剤を排気管の内部に噴射する添加弁と、排ガスの流速の変化に応じて添加弁から噴射される還元剤の圧力を変更するように制御する制御手段とを備える。
また、添加弁は、排気管の流れ方向に対して斜めに還元剤を噴射する。
また、制御手段は、排ガスの流速が大きくなると、添加弁から噴射される還元剤の圧力を増加して排ガスに対する添加弁からの還元剤噴霧の貫徹力を強め、排ガスの流速が小さくなると、添加弁から噴射される還元剤の圧力を低減して排ガスに対する添加弁からの還元剤噴霧の貫徹力を弱める。
さらに、制御手段は、添加弁の弁開度を、全閉の状態を示すオフ状態と全閉よりも開いた状態を示すオン状態との間でパルス状に変化させることで、添加弁による還元剤の噴射量を目標値に略一致させ、排ガスの流速の変化に応じて添加弁から噴射される還元剤の圧力を変更する際に、オン状態の時間が１パルス周期に占める割合を可変する。

これにより、排ガス流速が大きい場合には、噴射される還元剤の圧力を増加して還元剤噴霧の貫徹力を強めることで、排ガスの流れに抗して還元剤噴霧を径方向に広げることができる。逆に排ガス流速が小さい場合には、噴射される還元剤の圧力を低減して還元剤噴霧の貫徹力を弱めることで、還元剤噴霧の径方向への急激な広がりを抑制することができる。この結果、排ガス流速が変動しても還元剤の排ガス中への広がり方の変動を抑制し、排ガスの浄化効率の低下を阻止することができる。
また、排ガスの流速の変化に応じて還元剤の圧力を変更する際に、オン状態の時間が１パルス周期に占める割合を可変することで、排ガス流速の変動に応じて添加弁から噴射される還元剤の圧力を変更する必要が生じた場合でも、還元剤の噴射量を目標値に略一致させることができる。
例えば、排ガス流速の変動前後で噴射量の目標値が変わらない場合を考える。そして、排ガス流速の変動に応じて、添加弁から噴射される還元剤の圧力を増加する場合、前記の割合を縮小することで還元剤の噴射量を目標値に略一致させることができる。また、添加弁から噴射される還元剤の圧力を低減する場合、前記の割合を拡大することで還元剤の噴射量を目標値に略一致させることができる。

〔請求項２の手段〕
請求項２に記載の還元剤供給装置によれば、制御手段は、供給ポンプから添加弁への還元剤の供給量を可変して、添加弁から噴射される還元剤の圧力を変更する。

〔請求項３の手段〕
請求項３に記載の還元剤供給装置は、エンジン回転数を検出するエンジン回転数検出手段と、アクセル開度を検出するアクセル開度検出手段とを備え、制御手段は、エンジン回転数検出手段およびアクセル開度検出手段から得られる検出値を用いて排ガスの流速を推測する。
これにより、エンジン回転数検出手段やアクセル開度検出手段として機能する既存のセンサを利用して、排ガス流速を推定するのに必要な因子の値を取得することができる。このため、還元剤供給装置に排ガス流速を検出するための新規のセンサを装備する必要がなくなる。

最良の形態１の還元剤供給装置は、エンジンからの排ガスに還元剤を供給するものである。そして、この還元剤供給装置は、所定のタンクから還元剤を吸引して吐出する供給ポンプと、排ガスが通る排気管に装着され、供給ポンプから吐出された還元剤を排気管の内部に噴射する添加弁と、排ガスの流速の変化に応じて添加弁から噴射される還元剤の圧力を変更するように制御する制御手段とを備える。
また、添加弁は、排気管の流れ方向に対して斜めに還元剤を噴射する。
また、制御手段は、排ガスの流速が大きくなると、添加弁から噴射される還元剤の圧力を増加して排ガスに対する添加弁からの還元剤噴霧の貫徹力を強め、排ガスの流速が小さくなると、添加弁から噴射される還元剤の圧力を低減して排ガスに対する添加弁からの還元剤噴霧の貫徹力を弱める。

制御手段は、供給ポンプから添加弁への還元剤の供給量を可変して、添加弁から噴射される還元剤の圧力を変更する。また、制御手段は、添加弁の弁開度を、全閉の状態を示すオフ状態と全閉よりも開いた状態を示すオン状態との間でパルス状に変化させることで、添加弁による還元剤の噴射量を目標値に略一致させ、排ガスの流速の変化に応じて添加弁から噴射される還元剤の圧力を変更する際に、オン状態の時間が１パルス周期に占める割合を可変する。

また、この還元剤供給装置は、エンジン回転数を検出するエンジン回転数検出手段と、アクセル開度を検出するアクセル開度検出手段とを備え、制御手段は、エンジン回転数検出手段およびアクセル開度検出手段から得られる検出値を用いて排ガスの流速を推測する。

〔実施例１の構成〕
実施例１の還元剤供給装置１の構成を、図１を用いて説明する。
還元剤供給装置１は、エンジンからの排ガスに還元剤を供給するものであり、排ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元して浄化するために用いられる。還元剤は、例えば、尿素水であり、尿素の分解により発生するアンモニア（ＮＨ３）が、触媒２によりＮＯｘと反応して無害な窒素（Ｎ２）や水（Ｈ２Ｏ）を生成することで、ＮＯｘが浄化される。

還元剤供給装置１は、所定のタンク４から還元剤を吸引して吐出する供給ポンプ５と、供給ポンプ５から吐出された還元剤を排気管６の内部に噴射する添加弁７と、供給ポンプ５および添加弁７の作動を制御する電子制御装置（ＥＣＵ）８とを備える。

供給ポンプ５は、例えば、永久磁石が装着されたロータとコイルが巻線されたステータとを有し、永久磁石による磁界とコイルに通電される電流との相互作用によりトルクを発生するブラシレスモータ１１をアクチュエータとする。そして、ＥＣＵ８は、コイルへの通電を制御することで、ブラシレスモータ１１の回転数やトルクを可変して還元剤の供給量および吐出圧を操作する。

添加弁７は、排ガスが通る排気管６に装着され、噴射孔を含む先端部１３は、排気管６の内部に突出する。そして、還元剤は、供給ポンプ５から添加弁７まで導かれ、直接、排気管６に噴射される。また、噴射された還元剤は、排ガスと混合した後に触媒２に導かれ、上記のようにＮＯｘを浄化する。

なお、添加弁７は、通電により弁体（図示せず）を開弁側に磁気吸引するソレノイドコイル（図示せず）を有する。そして、ＥＣＵ８は、ソレノイドコイルに通電するための駆動回路（図示せず）にパルス状の制御信号を出力することで、添加弁７の弁開度をパルス状に変化させ、添加弁７による還元剤の噴射量を目標値に略一致させる。

すなわち、ＥＣＵ８は、図２に示すように、全閉の状態を示すオフ状態と、全閉よりも開いた状態を示すオン状態との間で弁開度をパルス状に変化させることで、添加弁７による還元剤の噴射量を目標値に略一致させる。そして、ＥＣＵ８は、噴射量の目標値に応じて制御信号のデューティ比を可変することで、排ガス浄化に過不足のない量の還元剤を添加弁７により噴射させる。

ＥＣＵ８は、制御機能および演算機能を発揮するＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭ等の記憶装置、入力装置ならびに出力装置等により構成される周知のマイクロコンピュータであり、エンジンの運転状態に応じて、各種の機器のアクチュエータに指令して機器の駆動制御を行うものである。すなわち、ＥＣＵ８は、供給ポンプ５および添加弁７等の作動を制御する制御手段として機能する。

また、還元剤供給装置１は、エンジン回転数を検出するエンジン回転数検出手段としてのエンジン回転数センサ１５と、アクセル開度を検出するアクセル開度検出手段としてのアクセル開度センサ１６とを備える。そして、ＥＣＵ８は、エンジン回転数センサ１５およびアクセル開度センサ１６から得られる検出値を用いて排ガス流速を推測する。

そして、ＥＣＵ８は、排ガス流速の推測値に応じて、添加弁７から噴射される還元剤の圧力（つまり、供給ポンプ５による還元剤の吐出圧）を制御する。例えば、ＥＣＵ８は、図３に示すように、排ガス流速の推定値に対する供給ポンプ５の吐出圧の指令値を、所定の一次関数の形式で記憶し、推定値の増加とともに吐出圧の指令値を増加させる。

すなわち、排ガス流速が大きい場合、還元剤噴霧は、排ガスに押し流され充分に径方向に広がることができなくなり（図４（ａ）参照）、排気管６の中心軸よりも添加弁７の側に偏って高濃度に形成される。このため、添加弁７の反対側の触媒２が有効に利用されず未反応のまま排出されるアンモニアが増加したり、添加弁７の側の管壁に付着する還元剤が増加したりする。

また、排ガス流速が小さい場合、還元剤噴霧は、排ガスを押しのけて急激に径方向に広がり（図４（ｂ）参照）、排気管６の中心軸よりも添加弁７の反対側に偏って高濃度に形成される。このため、添加弁７の側の触媒２が有効に利用されず未反応のまま排出されるアンモニアが増加したり、添加弁７の反対側の管壁に付着する還元剤が増加したりする。
そこで、ＥＣＵ８は、排ガス流速の変動に基づく還元剤噴霧の偏りに対し、供給ポンプ５の吐出圧を変更して還元剤噴霧の貫徹力を操作することで、還元剤噴霧の偏りを修正している（図４（ｃ）、（ｄ）参照）。

また、ＥＣＵ８は、排ガスの流速の変化に応じて供給ポンプ５の吐出圧を変更する際に、添加弁７の弁開度に関して、オン状態の時間が１パルス周期に占める割合を可変する。例えば、排ガス流速の変動前後で噴射量の目標値が変わらず、かつ、排ガス流速の変動に応じて供給ポンプ５の吐出圧を増加する場合、上記の割合を縮小することで還元剤の噴射量を目標値に略一致させることができる（図２参照）。逆に、供給ポンプ５の吐出圧を低減する場合、上記の割合を拡大することで還元剤の噴射量を目標値に略一致させることができる。

〔実施例１の効果〕
実施例１の還元剤供給装置１によれば、添加弁７は、排気管６に装着され、供給ポンプ５から吐出された還元剤を排気管６の内部に直接噴射し、ＥＣＵ８は、排ガス流速に応じて供給ポンプ５の吐出圧を制御する。
これにより、排ガス流速が大きい場合には、噴射される還元剤の圧力を増加して還元剤噴霧の貫徹力を強めることで、排ガスの流れに抗して還元剤噴霧を径方向に広げることができる。逆に排ガス流速が小さい場合には、噴射される還元剤の圧力を低減して還元剤噴霧の貫徹力を弱めることで、還元剤噴霧の径方向への急激な広がりを抑制することができる。この結果、排ガス流速が変動しても還元剤の排ガス中への広がり方の変動を抑制し、排ガスの浄化効率の低下を阻止することができる。

また、ＥＣＵ８は、添加弁７の弁開度をオフ状態とオン状態との間でパルス状に変化させることで、添加弁７による還元剤の噴射量を目標値に略一致させ、排ガスの流速の変化に応じて供給ポンプ５の吐出圧を変更する際に、オン状態の時間が１パルス周期に占める割合を可変する。
これにより、排ガス流速が変動し、添加弁７から噴射される還元剤の圧力を変更する必要が生じた場合でも、還元剤の噴射量を目標値に略一致させることができる。

なお、実施例１のＥＣＵ８は、長周期パルスの制御信号のデューティ比を可変し、弁開度がオン状態の時間を操作することで還元剤の噴射量を目標値に略一致させる時間調量方式を採用するものであるが、短周期パルスの制御信号のデューティ比を可変し、弁開度をオン状態とオフ状態との間の所定値に略一致させることで還元剤の噴射量を目標値に略一致させる面積調量方式を採用してもよい。

また、ＥＣＵ８は、エンジン回転数センサ１５およびアクセル開度センサ１６から得られる検出値を用いて排ガス流速を推測する。
これにより、既存のセンサを利用して排ガス流速を推定するのに必要な因子の値を取得することができる。このため、還元剤供給装置１に排ガス流速を検出するための新規のセンサを装備する必要がなくなる。

〔参考例１〕
参考例１の還元剤供給装置１は、図５に示すように、空気を加圧して吐出する空気圧送手段としてのコンプレッサ１８を備え、添加弁７は、コンプレッサ１８から吐出される空気の流路１９に対して開閉し、供給ポンプ５から吐出される還元剤の流路１９への供給を操作する。また、還元剤供給装置１は、流路１９の先端にノズル２０を備える。ノズル２０は、排気管６の内部の中央で排ガスの流れの方向に開口し、添加弁７から供給されコンプレッサ１８から吐出された空気と混合された還元剤を排気管６の内部に噴射する。

そして、ＥＣＵ８は、排ガス流速に応じて、添加弁７から流路１９へ供給される還元剤の圧力、およびコンプレッサ１８から吐出される空気の圧力を制御する。つまり、ＥＣＵ８は、排ガス流速の推測値に応じて、供給ポンプ５の吐出圧およびコンプレッサ１８の吐出圧を制御する。すなわち、ＥＣＵ８は、図３と同様に、排ガス流速の推定値に対する供給ポンプ５およびコンプレッサ１８の吐出圧の指令値を、各々、所定の一次関数の形式で記憶し、推定値の増加とともに供給ポンプ５およびコンプレッサ１８の吐出圧の指令値を増加させる。

この結果、排ガスに対する還元剤噴霧の貫徹力を強めたり、弱めたりすることができるので、排ガス流速が変動しても還元剤の排ガス中への広がり方の変動を抑制し、排ガスの浄化効率の低下を阻止することができる。

すなわち、排ガス流速が大きい場合、還元剤噴霧は、排ガスに押し流され充分に径方向に広がることができなくなり（図６（ａ）参照）、排気管６の中心軸の近傍に偏って高濃度に形成される。このため、管壁寄り外周側の触媒２が有効に利用されず未反応のまま排出されるアンモニアが増加する。

また、排ガス流速が小さい場合、還元剤噴霧は、排ガスを押しのけて急激に径方向に広がる（図６（ｂ）参照）。このため、触媒２に到達せず管壁に付着する還元剤が増加する。
そこで、ＥＣＵ８は、排ガス流速の変動に基づく還元剤噴霧の偏りに対し、供給ポンプ５の吐出圧およびコンプレッサ１８の吐出圧を変更して還元剤噴霧の貫徹力を操作することで、還元剤噴霧の偏りを修正している（図６（ｃ）、（ｄ）参照）。

〔変形例〕
実施例１、参考例１のＥＣＵ８は、エンジン回転数センサ１５およびアクセル開度センサ１６から得られる検出値を用いて排ガス流速を推測するが、排ガス流速を検出する専用のセンサを排気管６に装備し、直接、排ガス流速を検出するようにしてもよい。

また、参考例１のＥＣＵ８は、供給ポンプ５の吐出圧およびコンプレッサ１８の吐出圧の両方を排ガス流速に応じて可変したが、供給ポンプ５の吐出圧およびコンプレッサ１８の吐出圧のいずれか一方を可変するようにしても、還元剤噴霧の貫徹力を操作することができる。

還元剤供給装置の構成図である（実施例１）。添加弁の弁開度の推移を示すタイムチャートである（実施例１）。排ガス流速の推定値と供給ポンプの吐出圧の指令値との相関を示す制御マップである（実施例１）。（ａ）は排ガス流速大、かつ修正前の還元剤噴霧を示す説明図であり、（ｂ）は排ガス流速小、かつ修正前の還元剤噴霧を示す説明図であり、（ｃ）は排ガス流速大、かつ修正後の還元剤噴霧を示す説明図であり、（ｄ）は排ガス流速小、かつ修正後の還元剤噴霧を示す説明図である（実施例１）。還元剤供給装置の構成図である（参考例１）。（ａ）は排ガス流速大、かつ修正前の還元剤噴霧を示す説明図であり、（ｂ）は排ガス流速小、かつ修正前の還元剤噴霧を示す説明図であり、（ｃ）は排ガス流速大、かつ修正後の還元剤噴霧を示す説明図であり、（ｄ）は排ガス流速小、かつ修正後の還元剤噴霧を示す説明図である（参考例１）。

１還元剤供給装置
４タンク
５供給ポンプ
６排気管
７添加弁
８ＥＣＵ（制御手段）
１５エンジン回転数センサ（エンジン回転数検出手段）
１６アクセル開度センサ（アクセル開度検出手段）
１８コンプレッサ
１９流路
２０ノズル

Claims

エンジンからの排ガスに還元剤を供給する還元剤供給装置において、
所定のタンクから還元剤を吸引して吐出する供給ポンプと、
排ガスが通る排気管に装着され、前記供給ポンプから吐出された還元剤を前記排気管の内部に噴射する添加弁と、
排ガスの流速の変化に応じて前記添加弁から噴射される還元剤の圧力を変更するように制御する制御手段とを備え、
前記添加弁は、前記排気管の流れ方向に対して斜めに還元剤を噴射し、
前記制御手段は、
排ガスの流速が大きくなると、前記添加弁から噴射される還元剤の圧力を増加して排ガスに対する前記添加弁からの還元剤噴霧の貫徹力を強め、
排ガスの流速が小さくなると、前記添加弁から噴射される還元剤の圧力を低減して排ガスに対する前記添加弁からの還元剤噴霧の貫徹力を弱め、
さらに、前記制御手段は、
前記添加弁の弁開度を、全閉の状態を示すオフ状態と全閉よりも開いた状態を示すオン状態との間でパルス状に変化させることで、前記添加弁による還元剤の噴射量を目標値に略一致させ、
排ガスの流速の変化に応じて前記添加弁から噴射される還元剤の圧力を変更する際に、オン状態の時間が１パルス周期に占める割合を可変することを特徴とする還元剤供給装置。
請求項１に記載の還元剤供給装置において、
前記制御手段は、前記供給ポンプから前記添加弁への還元剤の供給量を可変して、前記添加弁から噴射される還元剤の圧力を変更することを特徴とする還元剤供給装置。
請求項１または請求項２に記載の還元剤供給装置において、
エンジン回転数を検出するエンジン回転数検出手段と、アクセル開度を検出するアクセル開度検出手段とを備え、
前記制御手段は、前記エンジン回転数検出手段および前記アクセル開度検出手段から得られる検出値を用いて排ガスの流速を推測することを特徴とする還元剤供給装置。