JP5671839B2 - 尿素品質診断システム - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの排ガス中のＮＯｘを尿素水を用いて還元するＳＣＲシステムに係り、特にＳＣＲ装置に噴射する尿素水の濃度等の品質を診断するための尿素品質診断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を浄化するために排ガス浄化システムとして、例えば選択還元触媒（ＳＣＲ）を用いたＳＣＲシステムが開発されている（例えば、特許文献１，２参照）。

このＳＣＲシステムは、尿素を還元剤として使用し、尿素水をＳＣＲ装置の排気ガス上流に供給し、排気ガスの熱で尿素を加水分解して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。

尿素水はタンクに貯蔵され、所定の濃度（例えば３２．５％）で目標浄化率が達成できるように、エンジン回転数と負荷に応じた尿素噴射量をキャリブレーションしている。

ところで、尿素水を補給する際、尿素水が水で薄められたり、水分の蒸発などで濃度が高くなったり、また、塩水などの異質の液体が入れたりすると、浄化性能の低下や最悪装置の故障（噴射ノズルの詰まり等）といった問題が生じる。

この尿素水タンクの尿素濃度や液位や温度を測定する尿素センサとしては、特許文献３に示されるような尿素センサが知られている。この尿素センサは、静電容量で液位を検出し、超音波速度で濃度を検出し、ヒータ抵抗で温度を検出するものである。

この尿素センサで、尿素水の品質を診断し、濃度異常や液体（塩水など）が入れられたことを検出した場合に、尿素水噴射を禁止し、運転者に警告を発して正規の尿素水の入れ換えを促し、警告が無視されて所定距離走行した時には、エンジンを再始動できなくする措置を取ったりして尿素タンクに正規の尿素水を入れるようにシステムを保護するようにしている。

特開２０００−２７６２７号公報 特開２００５−８３２２３号公報 特開２００７−４７００６号公報 特開２００５−２６４９３３号公報

このように尿素センサで、尿素水の濃度を検出し、所定濃度範囲内にない時は、濃度異常として警告を発するようにするが、濃度の検出は超音波速度で測定するため、その尿素水の温度によって、その検出精度が影響を受ける問題がある。特に、尿素水の凍結温度（−１１℃）以下では尿素水が凍結してしまい正確な濃度診断が行えない。

そこで、従来は、尿素水が確実に凍結しない温度（例えば−５℃）以上のときに濃度の診断を行うようにしている（特許文献４）。しかし、濃度が薄い側では、問題は生じないが、濃い側では、正確な濃度測定は行えない問題がある。すなわち、温度閾値を−５℃以上に設定すれば尿素水は凍結しないため濃度の測定はできるものの、尿素の濃度が濃い場合は、温度の低下と共に尿素水が析出してしまい正確な濃度診断が行えなくなる問題がある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、尿素タンク内の尿素水の品質を的確に診断できる尿素品質診断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請求項１の発明は、尿素タンク内の尿素水の濃度と温度を検出して、その尿素水の品質を診断する尿素品質診断システムにおいて、尿素水の濃度に応じて判定可能水温下限値を個別に設定し、検出した尿素水温度が、個別に設定された判定可能水温下限値より高いとき濃度の品質判定を行い、前記個別に設定された判定可能水温下限値よりも小さい状況において、検出した尿素水の濃度が正常濃度範囲内においても判定を行わないようにしたことを特徴とする尿素品質診断システムである。

請求項２の発明は、検出した尿素水の濃度が所定濃度より高いときの判定可能水温下限値を、尿素水の正常濃度上限値で尿素析出が起きない飽和温度以上に設定している請求項１記載の尿素品質診断システムである。

請求項３の発明は、検出した尿素水の濃度が所定濃度よりも低いときの判定可能水温下限値を、尿素が凍結しない凍結温度以上に設定する請求項１記載の尿素品質診断システムである。

請求項４の発明は、濃度異常と診断したとき、尿素噴射を禁止し、これを運転者に警告するようにした請求項１〜３いずれかに記載の尿素品質診断システムである。

本発明によれば、尿素タンク内の尿素水の濃度を検出する際に、温度条件を考慮して尿素水の品質を診断することで、的確な品質診断が行えるという優れた効果を発揮するものである。

本発明の一実施の形態を示すシステム図である。 本発明の尿素品質診断システムのフローを示す図である。 本発明において尿素診断を行う際の尿素水の尿素水濃度と尿素温度の状態を示す図である。 本発明の尿素品質診断システムの他のフローを示す図である。

以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１において、ディーゼルエンジンの排気管１０には、ＳＣＲ装置１１が接続され、そのＳＣＲ装置１１の上流側に尿素水を噴射する噴射ノズル１２が設けられてＳＣＲシステムが構成される。

ＳＣＲ装置１１は、酸化触媒層１３と触媒付セラミックフィルタ１４とからなり、酸化触媒層１３で、排ガス中のＰＭ（パティキュレートマター）中に含まれる炭化水素ＨＣを主とした未燃焼物質（ＳＯＦ）を酸化し、触媒付セラミックフィルタ１４で排ガス中のＰＭを捕集し、さらにその触媒付セラミックフィルタ１４で、尿素水の熱分解で生じたアンモニアとＮＯｘを反応させて脱硝するようになっている。

尿素水１５は尿素タンク１６内に貯蔵され、ポンプからなるサプライモジュール１７にて、尿素タンク１６内の尿素水が送液ライン１８を通して吸い上げられ、噴射ノズル１２に供給されて噴射され、余剰の尿素水は、回収ライン１９を通して尿素タンク１６に戻されるようになっている。

噴射ノズル１２から噴射される尿素水量は、ＤＣＵ（Ｄｏｓｉｎｇ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ；噴射弁制御装置）２０により制御される。ＤＣＵ２０は、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）に接続され、ＥＣＵからのエンジン回転数−負荷と、排気管１０の上流側に設けられた排気温度センサ２１、ＮＯｘセンサ２２の検出値に基づいて噴射する尿素水量を決定し、これに基づいてサプライモジュール１７を制御する。

さて、尿素タンク１６には、尿素水１５の濃度と水位と温度を検出する尿素センサ２３が設けられ、この尿素センサ２３の検出値（濃度、水位、温度）がＤＣＵ２０に入力される。

尿素センサ２３は、基本的には静電容量変化で水位を測定し、超音波速度で濃度を測定し、ヒータ抵抗で温度を測定するものであるが、同時に電気伝導度も測定して塩水などの混入も検出できるものである。この尿素センサ２３は、図示のように水位センサと濃度センサと温度センサを一体化したものでも、或いは個々に水位と濃度と温度を検出するセンサで構成してもいずれでも良い。

このＤＣＵ２０は、尿素センサ２３からの温度と濃度の検出値に基づいて、尿素水の品質を診断するようになっている。

本発明においては、尿素水の濃度を検出・診断するにあたり、正常か異常かの判定条件に、その時の尿素水の温度条件を加え、濃度の濃い側と薄い側でそれぞれ個別の判定可能水温下限値を設定し、その個別の判定可能水温下限値に応じて的確な品質診断を行うものである。

この診断で、濃度異常と診断した時は、サプライモジュール１７による尿素噴射を禁止し、またＥＣＵを通して、キャビンに設けられた、警告ランプを点灯したり、ブザーで警報音を発したりして運転者に警告し、尿素タンク１６内の尿素水１５を正規のものに入れ替えるように促す。

この尿素水の濃度に温度条件を考慮する理由を図３の尿素水の状態図により説明する。

先ず、使用する尿素水の初期の濃度（所定濃度）は３２．５％である。

図３の状態図は、尿素水の尿素濃度と尿素水温度における凍結温度線Ｌｓと飽和温度線Ｌｄを表したものである。

通常、尿素水は、その濃度が３２．５％以上では、−１１℃で凍結し、また濃度が薄くなり０％（水）のときは０℃で凍結するため、この濃度における凍結温度を凍結温度線Ｌｓとした。またこの凍結温度線Ｌｓに沿った破線は、凍結温度線Ｌｓに対して±３℃の領域を示している。

飽和温度線Ｌｄは、尿素の溶解度（０℃で４０．０％、１０℃で４５．９％、２０℃で５１．９％、３０℃で５８％）から尿素水濃度と尿素水温度の関係で示した。またこの飽和温度線Ｌｄに沿った破線は、飽和温度線Ｌｄに対して±３℃の領域を示している。

この図３において、市販されている尿素水の初期濃度３２．５０％を所定の濃度とし、許容できる正常濃度の下限値Ａを、例えば２４％、上限値Ｂを、例えば４８％とし、この範囲（２４〜４８％）以外は異常と判定する場合を説明する。

従来判定においては、尿素水の凍結温度−１１℃に対して、尿素水が、測定誤差を含めて確実に凍結していない−５℃を判定可能水温とし、その判定可能水温以上のときに、尿素水の濃度の判定を行っているが、この判定では、判定可能水温−５℃以下の場合、尿素水の濃度が薄い側は、２４％までは異常判定可能であるが、尿素水の濃度が濃い側は、３４％濃度までしか異常判定が行えない不都合がある。

そこで、本発明においては、所定濃度（３２．５％）よりも濃度が低いときには、凍結温度線Ｌｓに基づく濃度（３２．５〜０％）における凍結温度（−１１℃〜０℃）に対して、確実に凍結していない＋５℃高い温度（−６℃〜＋５℃）を判定可能下限値βとし、また所定濃度（３２．５％）よりも濃度が高いときには、その飽和温度線Ｌｄに基づく濃度（３２．５〜５８％）における飽和温度（−１１℃〜３０℃）よりも＋５℃高い温度（−６℃〜＋３５℃）を判定可能下限値βとして記憶しておく。

尿素水の品質診断の際には、先ず尿素水の濃度と温度を検出し、その検出した濃度に応じて上述の判定可能下限値βを個別に設定しておく。

次に検出した温度と濃度に応じて設定した判定可能下限値βを比較し、検出した温度が判定可能下限値β以上であれば、検出濃度に基づく尿素の品質診断を行い、検出した温度が判定可能下限値βを下回ったときには判定しないようにするものである。

すなわち、例えば正常濃度範囲を２４〜４８％としたとき、所定濃度より低い側で、正常濃度下限値Ａ（２４％）での凍結温度−８℃に対しては、確実に凍結しない温度として３℃高い−５℃を凍結温度とし、これを判定可能水温下限値βに、濃度３２．５％のときには−６℃を判定可能水温下限値βに、また濃度０％のときには、＋５℃を判定可能水温下限値βに設定する。

また所定濃度より高い側で、正常濃度上限値Ｂ（４８％）での飽和温度１４℃に対して、確実に析出しない温度として３℃高い１７℃を、判定可能水温下限値βとし、濃度３２．５％のときには−６℃を判定可能水温下限値βに、また濃度５８％のときには、３５℃を判定可能水温下限値βに設定する。

これにより、所定濃度（３２．５％）に対して濃度が低い側では、検出した尿素温度が、確実に凍結しない判定可能水温下限値β以上であれば、適正な濃度診断が行え、凍結しているおそれのある判定可能水温下限値βを下回ったときには判定を行わないようにすることで、誤診防止できる。

また、所定濃度（３２．５％）に対して濃度が高い側では、検出した尿素温度が、尿素が確実に析出しない判定可能水温下限値β以上であれば、適正な濃度診断が行え、析出しているおそれのある判定可能水温下限値βを下回ったときには判定を行わないようにすることで、誤診防止できる。

次にこの本発明の尿素品質診断システムのフローを図２により説明する。

診断をスタートし、ｓｔｅｐ１で、検出尿素水濃度と温度から判定可能水温下限値βを設定し、次にｓｔｅｐ２で、検出した温度が判定可能水温下限値β以上かどうか判断する。このｓｔｅｐ２の判断で、検出した温度が判定可能水温下限値βを下回るときには（ＮＯ）、ｓｔｅｐ３で判定しないとして診断を終了する。

ｓｔｅｐ２の判断で、検出した温度が、判定可能水温下限値β以上のとき、ｓｔｅｐ４で、尿素水濃度が正常濃度下限値Ａ（濃度２４％）以上かどうかを診断し、正常濃度下限値Ａを下回るとき（ＮＯ）には、ｓｔｅｐ７で異常判定、ｓｔｅｐ８で尿素噴射停止、ｓｔｅｐ８で警告ランプ点灯して診断を終了する。

次にｓｔｅｐ４の判断で、尿素水濃度が正常濃度下限値Ａ（濃度２４％）以上のとき（ＹＥＳ）、ｓｔｅｐ５で、尿素濃度が正常濃度上限値Ｂ（濃度４８％）以下かどうかを診断し、正常濃度上限値Ｂを超えるとき（ＮＯ）には、ｓｔｅｐ７で異常判定、ｓｔｅｐ８で尿素噴射停止、ｓｔｅｐ８で警告ランプ点灯して診断を終了する。

このｓｔｅｐ５判断で、尿素濃度が正常濃度上限値Ｂ（濃度４８％）以下であるとき（ＹＥＳ）には、ｓｔｅｐ６で正常判定を行って診断を終了する。

このように、先ず検出した尿素濃度で、その濃度応じた判定可能水温下限値βを個別に設定することで、尿素凍結と尿素の飽和析出条件下での判定は行わずに、尿素濃度による診断を行うことで確実な診断が行える。

図２の制御フローは、尿素の濃度に応じて、判定可能水温下限値βを個別に設定して、検出温度と比較して診断を行う制御を説明したが、異常判定は、尿素水濃度が正常濃度下限値Ａ（濃度２４％）を下回るときと、正常濃度上限値Ｂ（濃度４８％）を超えるときの異常診断が制御的には重要である。そこで、簡易的制御としての制御フローを説明する。

この制御フローは、検出尿素濃度が、正常濃度下限値Ａ（濃度２４％）を超え、正常濃度上限値Ｂを下回るときには、尿素濃度が正常と判定し、正常濃度下限値Ａ以下又は正常濃度上限値Ｂ以上のときには、正常濃度下限値Ａと正常濃度上限値Ｂの濃度における判定可能水温下限値βＬ、βＨを設定しておき、正常範囲のときには、正常と判断しておき、判定可能水温下限値βＬ、βＨ以上のときには異常と判定し、判定可能水温下限値βＬ、βＨを下回るときには品質判定を行わないようにすることで、品質診断を簡便に行えるようにしたものである。

この簡易制御のフローを図４により説明する。

診断をスタートし、ｓｔｅｐ１で、検出した尿素水濃度が正常濃度下限値（例えば２４％）Ａ以下かどうかを判断する。このｓｔｅｐ１で、尿素水濃度が正常濃度下限値Ａ以上のとき（ＹＥＳ）には、次のｓｔｅｐ２で、尿素水濃度が正常濃度上限値（例えば４８％）Ｂ以上かどうかを判断し、正常濃度上限値Ｂ以下であるときは、ｓｔｅｐ５で正常判定を行って、診断を終了（リターン）とする。

またｓｔｅｐ１の判断で尿素水の濃度が、正常濃度下限値Ａを下回るとき（ＮＯ）、次のｓｔｅｐ４の判断で、検出した尿素水温度が、βＬ≦尿素水温を判断し、βＬ（例えば−５℃）以上のとき（ＹＥＳ）には、ｓｔｅｐ６で異常判定を行い、ｓｔｅｐ６で尿素噴射禁止，ｓｔｅｐ７で警告ランプ点灯を行って診断を終了とする。またｓｔｅｐ４の判断で、βＬ未満（ＮＯ）では、ｓｔｅｐ９で判定しないとして診断を終了とする。

次にｓｔｅｐ２の判断で、尿素水濃度が正常濃度上限値Ｂを超えるとき（ＮＯ）は、ｓｔｅｐ３の判断で、検出した尿素水温度が、βＨ≦尿素水温を判断し、βＨ（例えば１７℃）以上のとき（ＹＥＳ）には、ｓｔｅｐ６で異常判定を行い、ｓｔｅｐ７で尿素噴射禁止４４，ｓｔｅｐ８で警告ランプ点灯を行って診断を終了とする。さらに、ｓｔｅｐ３の判断で、検出した尿素水温度が、βＨを下回るときにはｓｔｅｐ１０で判定しないとして診断を終了する。

この図４のフローにおいては、尿素水濃度が２４〜４８％の範囲は無条件で正常と判断し、濃度が正常範囲外にあるときのみ、検出温度と判定可能水温下限値βＬ、βＨを比較して異常判定をするか、判定せずにおくかを判断することで、簡便な異常判断が行える。

１０ 排気管
１１ ＳＣＲ装置
１２ 噴射ノズル
１５ 尿素水
１６ 尿素タンク
２０ ＤＣＵ
２３ 尿素センサ

Claims (4)

1. 尿素タンク内の尿素水の濃度と温度を検出して、その尿素水の品質を診断する尿素品質診断システムにおいて、尿素水の濃度に応じて判定可能水温下限値を個別に設定し、検出した尿素水温度が、個別に設定された判定可能水温下限値より高いとき濃度の品質判定を行い、前記個別に設定された判定可能水温下限値よりも小さい状況において、検出した尿素水の濃度が正常濃度範囲内においても判定を行わないようにしたことを特徴とする尿素品質診断システム。
2. 検出した尿素水の濃度が所定濃度より高いときの判定可能水温下限値を、尿素水の正常濃度上限値で尿素析出が起きない飽和温度以上に設定している請求項１記載の尿素品質診断システム。
3. 検出した尿素水の濃度が所定濃度よりも低いときの判定可能水温下限値を、尿素が凍結しない凍結温度以上に設定する請求項１記載の尿素品質診断システム。
4. 濃度異常と診断したとき、尿素噴射を禁止し、これを運転者に警告するようにした請求項１〜３いずれかに記載の尿素品質診断システム。

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