JP6136297B2 - 尿素ｓｃｒ用尿素水消費量診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの排ガス中のＮＯｘを尿素水を用いて選択還元する尿素ＳＣＲシステムに係り、特に、ドージングバルブで噴射した尿素水の尿素水量を的確に診断できる尿素ＳＣＲ用尿素水消費量診断装置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気ガス浄化システムとして、選択還元触媒を用いた選択触媒還元（Selective Catalytic Reduction）システム（ＳＣＲシステム）が開発されている。

このＳＣＲシステムは、尿素水タンクに貯留された尿素水をＳＣＲ装置の排気ガス上流に供給し、排気ガスの熱で尿素水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装置内の触媒でＮＯｘを還元して浄化するものである。尿素水は、ＳＣＲ装置の上流側に設けられたドージングバルブから噴射されることで、ＳＣＲの排気ガス上流に供給される。

ドージングバルブへの尿素水の供給は、サプライモジュールポンプ（ＳＭポンプ）や尿素水圧力センサなどを備えたサプライモジュールによってなされる。サプライモジュールは、吸込ラインを介して尿素水タンクと接続されており、尿素水タンクから吸込ラインを通じて吸い上げた尿素水を、サプライモジュールとドージングバルブとを接続する圧送ラインを通じてドージングバルブに供給する。ドージングバルブは、ＤＣＵ（ドージングコントロールユニット）により制御され、ＳＣＲ装置の下流に設けたＮＯｘセンサの検出値に応じてドージングバルブが開閉制御されて尿素噴射量が調整される。

尿素水タンク内の尿素水のレベルは、尿素水タンク内に設けた尿素水センサで検出され、尿素水センサで検出した尿素水のレベルから尿素水の残存量を検出し、尿素水の補充の目安としている。

特開２０１１−２４７１３７号公報 特開２０１２−２０６１号公報

ところで、尿素水をＮＯｘ触媒内に噴射するドージングバルブ内、およびそこに至る圧送ライン内が異物により詰まりが生じた場合、それを検出する手段がない。またドージングバルブが異物等の固着により、開状態で固着した場合にも同様に検出する手段がない問題がある。

この尿素水の消費量は、尿素水タンク内の尿素水センサのレベル変化から検出でき、その検出した消費量とドージングバルブで噴射した噴射量の積算値とを比較して、これらの値に乖離があればドージングバルブが異物等で固着したことを検出できる。

しかし、尿素水センサの検出精度は、尿素レベルを段階的に検出するもので、検出精度が悪いため、本発明者等は、尿素水センサの検出誤差以上の例えば十数Ｌを判定量とし、ドージングバルブで噴射した積算噴射量がその判定量に達したときに、消費量と積算噴射量を比較して固着等を診断することを提案している。

この提案では、尿素水センサの検出精度を考慮して判定量を、尿素水の積算噴射量が例えば１５Ｌを超えたときを診断開始時期とするが、その間に尿素水タンク内に尿素水が頻繁に補充されたとき、レベル変化から求まる消費量に対して補充量を加算して実消費量を求める必要がある。

しかし、上述のように尿素水センサは段階的に、例えば２０段階でレベルをデジタル的に検出するものであり、これに対して尿素水の液面位置の変化は、アナログ的に連続して変化するものであり、アナログ的に可変の補充量をデジタル的に検出する場合、例えば補充前の尿素水の液面位置が、尿素水センサで検出したレベルの直後で補充されたり、検出する直前で補充されたり、また補充後に上昇した液面が、尿素水センサで検出するレベルに達する前であったり、達した後になったときには、最大で２段階のレベル誤差が発生し、この補充が繰り返し行われると消費量判定の量子化誤差が増大してしまう問題がある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、補充による尿素水センサの量子化誤差を考慮して適切な尿素水消費量を求め、これを基にドージングバルブで噴射した積算噴射量と比較して、ドージングバルブ等の異常を検出できる尿素ＳＣＲ用尿素水消費量診断装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、尿素水タンク内の尿素水を、サプライポンプにて吸い込み、これを圧送ラインを介してＳＣＲ装置の上流側に設けたドージングバルブから噴射するための尿素ＳＣＲ用尿素水消費量診断装置において、前記尿素水タンク内の尿素水のレベルを検出する尿素水センサと、前記尿素水センサから入力される検出値から積算消費量を算出すると共に尿素水の補充後の尿素水センサのレベル変化から補充量を算出して、積算消費量を訂正する消費量算出手段と、ドージングバルブから噴射する尿素水の積算指示噴射量が判定量以上となったとき、消費量算出手段で算出した積算消費量と積算指示噴射量とを比較して圧送ライン又はドージングバルブ内での尿素水の詰まりの有無を判断する異常診断手段とを備え、前記消費量算出手段は、尿素水タンクに補充があったときの尿素水センサの変化レベル値に対して１レベル減じたレベル値を補充量として記憶することを特徴とする尿素ＳＣＲ用尿素水消費量診断装置である。

消費量算出手段は、尿素水タンクに尿素水が補充されたとき、尿素水センサの変化レベル値に対して１レベル減じたレベル値を補充量として記憶し、異常診断手段で異常診断を行うときに尿素水センサから算出した積算消費量に補充量を足した値を積算消費量として異常診断手段に出力するのが好ましい。

異常診断手段は、指示噴射量積算手段からの積算指示噴射量と消費量算出手段からの積算消費量が入力され、積算指示噴射量が判定量を超えたとき、その積算指示噴射量とそのときの積算消費量とを比較して、両者の差が一定量を超えたときに尿素水消費量異常と判定し、超えなかったときに正常と判定するのが好ましい。

前記判定量は、尿素水の積算指示噴射量が、数Ｌ〜十数Ｌの間で設定されるのが好ましい。

本発明は、尿素水の指示噴射量と尿素水のレベル変化に基づく積算消費量の差を比較する際に、補充時の尿素水センサのレベル変化による補充量の量子化誤差を最小限にすることで、適切な尿素水の積算消費量を求めて、ドージングバルブ又は圧送配管内の詰まりや、ドージングバルブ開固着による吹きっぱなし等の不具合を検出することができるという優れた効果を発揮する。

本発明におけるＳＣＲシステムの概略図である。 本発明において、尿素水タンクへの尿素水補充の際の尿素水センサのレベル検出に基づく量子化誤差のケースを説明する図である。 本発明の尿素ＳＣＲ用尿素水消費量診断装置の消費量診断のフローチャートを示す図である。

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は、ＳＣＲシステムの概略を示したもので、ディーゼルエンジン（図示せず）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ドージングバルブ１２が設けられ、ＳＣＲ装置１１の下流側には、ＮＯｘセンサ１３が設けられる。

ＮＯｘセンサ１３の検出値はＤＣＵ（ドージングコントロールユニット）１４に入力され、ＤＣＵ１４によりドージングバルブ１２が開閉制御される。

ドージングバルブ１２から噴射される尿素水Ｕは、尿素水タンク１５に溜められ、サクションライン１６からサプライモジュール１７のサプライポンプ１８に吸引され、サプライポンプ１８からフィルタ１９を通して異物が除去され、圧送ライン２０にてドージングバルブ１２に圧送される。また余剰の尿素水Ｕは、フィルタ１９の吐出側の圧送ライン２０から戻しライン２１にて尿素水タンク１５内に戻される。

尿素水タンク１５内には、尿素水センサ２２が設けられ、尿素水センサ２２が尿素水タンク１５内の尿素水のレベルを計測し、ＤＣＵ１４へ送信する。

ＤＣＵ１４は、ＳＣＲ装置１１へ尿素水を噴射する量、タイミングを算出し、サプライポンプ１８を駆動させ尿素水を規定圧まで高め、ドージングバルブ１２の開閉を制御し、適切な量を適切なタイミングで噴射する。

ＮＯｘセンサ１３は、ドージングバルブ１２から尿素水が適切に噴射されていることにより、ＳＣＲ装置１１の下流の排ガス中のＮＯｘ値が定常となっていることをモニタするために、ＤＣＵ１４へ計測値を送信する。

ＤＣＵ１４には、主に燃料噴射制御を行うＥＣＭ（エンジンコントロールモジュール）２３と接続され、ＥＣＭ２３からＤＣＵ１４へ、車速信号など、各種入力情報、ＥＣＭ２３の制御情報が送信される。

また、ＤＣＵ１４には、バッテリー２４が接続されると共にイグニッションキー２５のＯＮ、ＯＦＦ信号が入力される。

このＳＣＲシステムにおいて、ＤＣＵ１４は、ＥＣＭ２３の情報を基にＮＯｘセンサ１３の検出値が定常となるようドージングバルブ１２から噴射する尿素水の噴射指示量を決定し、その決定値に基づいてドージングバルブ１２を開閉制御するが、サプライポンプ１８から圧送ライン２０とドージングバルブ１２に至る経路で異物等による詰まりが生じたときには、ドージングバルブ１２から適正に尿素水が噴射されているかどうかを判定することができず、またドージングバルブ１２が開固着状態で閉じなかったときには、尿素水がドージングバルブ１２から吹きっぱなしになってしまい、この状態も検出することができない。

そこで、本発明においては、ＤＣＵ１４に、ＥＣＭ２３の情報とＮＯｘセンサ１３の検出値に基づいてドージングバルブ１２から噴射する尿素水量を指示する噴射量指示手段３０と、噴射量指示手段３０で指示した指示噴射量を積算する指示噴射量積算手段３１と、尿素水センサ２２から入力される検出値から積算消費量Ｄを算出する消費量算出手段３２と、指示噴射量積算手段３１からの積算指示噴射量Ｐと消費量算出手段３２からの積算消費量Ｄを比較してドージングバルブ１２による尿素水噴射が正常か異常かを判定する異常診断手段３３とを備えて構成する。

先ず、診断を開始するときには、指示噴射量積算手段３１の積算指示噴射量Ｐをゼロにリセットし、同時に、消費量算出手段３２は、尿素水センサ２２で検出されたレベルをレベル（Ｓ０）として記憶する。その後、車両が走行し、ドージングバルブ１２から尿素水が噴射されたとき、指示噴射量積算手段３１は、噴射量指示手段３０による指示噴射量を順次積算し、積算指示噴射量Ｐを記憶する。

異常診断手段３３での尿素水噴射が正常か異常かを検出するには、ある程度尿素水を消費（例えば消費量が数Ｌから十数Ｌ）したときでなければ、検出精度が高くならないため、車両走行が何回か行われたとき、すなわちイグニッションキー２５がＯＮ・ＯＦＦを繰り返し、指示噴射量積算手段３１での積算指示噴射量Ｐが判定量Ｌ（例えば１５Ｌ）を超えたときに、消費量算出手段３２での積算消費量Ｄと積算指示噴射量Ｐを比較し、｜Ｄ−Ｐ｜＞Ｋ１かどうかを判断する。

この判断において、尿素水が適正に噴射されていれば、積算消費量Ｄと積算指示噴射量Ｐとは同じであり、尿素水センサ２２のレベル測定の誤差範囲で決まる値Ｋ１以下であれば、正常と診断し、Ｋ１以上であれば異常と判断する。この際、両者の差の絶対値で比較することで、異物等で噴射がないときにはＤ≪Ｐで、Ｄ−Ｐはマイナスとなり、ドージングバルブ１２が吹きっぱなしとなればＤ≫Ｐで、Ｄ−Ｐはプラスとなり、そのプラス・マイナスから固着による詰まりと、ドージングバルブ１２の吹きっぱなしが判断できる。

また、尿素水タンク１５には、尿素水の補充があるため、キースイッチのＯＮ・ＯＦＦのタイミングで尿素水センサ２２によるレベルセンサのレベルを検出してその変化から消費量算出手段３２が補充量を判断する。すなわち消費量算出手段３２は、制御開始から診断時までその補充量を積算し、実際のレベル変化にその積算補充量を足して尿素水の積算消費量Ｄを求める。

しかし、尿素水センサ２２によるレベル検出は、例えば２０段階で、尿素水が頻繁に補充されたときに量子化誤差を発生してしまう。

この補充による量子化誤差（補充誤差）について、図２により説明する。

図２は、尿素水タンク内の尿素水液面が満液のときをレベル０とし、液面が下がるに従ってレベル１、レベル２、…、レベル８と下がって行く状態を示し、尿素水センサは、液面が、レベル０からレベル１に下がったときにレベル１と検出し、以下液面が順次下がるに従ってレベル２、３と検出し、補充の際にはこれと逆に、レベル８からレベル７になったときレベル７と検出する。

ここで、４ステップ分の尿素水を補充したとする。この場合１ステップ分を仮に１Ｌとすると４ステップ分のレベル変化に相当する補充量は、４Ｌ以上、５Ｌ以下であり、液面の位置と補充量により、ケース１〜４が考えられる。

すなわち、ケース１では、補充時の液面がレベル７にあり、補充によりレベル７からレベル６、５、４、３、２と変化し、６ｓｔｅｐ分の変化となり、ケース２では、レベル６、５、４、３、２と変化し、５ｓｔｅｐ分の変化となり、ケース３では、レベル６からレベル５、４、３、２と変化し、５ｓｔｅｐ分の変化となり、ケース４では、レベル５、４、３、２と変化し、４ｓｔｅｐ分の変化となる。

よって、補充誤差はケース１で最大２ｓｔｅｐ分となり、ケース２、３では、１ｓｔｅｐ、ケース４では０ｓｔｅｐとなる。

これらケース１〜４は、補充量が４ステップ分のレベルに相当する４Ｌであれば、ケース４のように０ｓｔｅｐとなるが、補充量が４Ｌより多い場合には、ケース１〜３となる。よって、補充誤差を抑える（絶対値を小さくする）ために、消費量算出手段３２が補充量を判断する際に、レベル変化で求めた補充量に対して１ｓｔｅｐ分（Ｒ_REF）を減算することにより、上記の誤差が±１ｓｔｅｐ分となり、誤差絶対値は半減することができる。

次に本発明を図３のフローチャートより説明する。

ステップＳ１で診断が開始され、キースイッチがＯＮされたとき（ステップＳ２）、尿素水センサで初期のレベルセンサ位置（Ｓ０）を読み込み、記憶する（ステップＳ３）。次に、指示噴射量積算開始のステップＳ４では、ステップＳ５のキースイッチＯＦＦまで指示噴射量を積算すると共に尿素水はレベルＳ０として記憶する。ステップＳ５でキースイッチがＯＦＦとされたときに、制御開始から一回目の走行後のレベルセンサ位置Ｓ１を読み込み、そのときの尿素水の積算消費量Ｄ（＝Ｓ１−Ｓ０）を記憶する（ステップＳ６）。

次に、ステップＳ７で、キースイッチがＯＮとされたとき、ステップＳ８の判断で、その前の走行による積算指示噴射量Ｐが判定量Ｌに達したかどうか（Ｐ≧Ｌ）を判定する。この判定量Ｌは、数Ｌ〜十数Ｌの範囲で、例えば１５Ｌに設定する。

このステップＳ８の判断で、尿素水の積算指示噴射量Ｐが判定量Ｌに達していないとき（Ｎｏ）、ステップＳ９に移行して、レベルセンサ位置（Ｓ１_+n）を読み込んで記憶する。次にステップＳ１０の判断で、その記憶したレベル（Ｓ１₊₁）とステップＳ１１でキースイッチがＯＮとされる前のレベルＳ１とを比較し、Ｓ１_+n−Ｓ１＞Ｋ１かどうかを判断して尿素水の補充の有無を判断し、補充がなければ（Ｎｏ）、ステップ１３に移行し、補充があれば（Ｙｅｓ）、ステップ１１で、（Ｓ１_+n−Ｓ１）−Ｒ_REF＝Ｒ１を計算し、Ｒ１を補充量として記憶した後、ステップＳ１２で補充量Ｒ１を積算補充量ＲΣに加算し、ステップＳ１３に移行し、そのステップＳ１３で、指示噴射量積算を継続する。その後ステップＳ１４でキースイッチがＯＦＦされたならば、ステップＳ１５でレベルセンサ位置（Ｓ２_+n）を読み込み、そのレベル（Ｓ２_+n）を基に積算消費量Ｄ（＝（Ｓ２_+n−Ｓ１）−Ｒ_REF）を計算して記憶すると共にステップＳ７の上流側に戻す。次に、ステップＳ７でキースイッチがＯＮとされたとき、ステップＳ８で、尿素水の積算指示噴射量Ｐが判定量Ｌに達したかどうかを判断する。積算指示噴射量Ｐが判定量Ｌに達していないときには、上述したステップＳ９〜Ｓ１５、Ｓ７を繰り返す。

このステップＳ９〜Ｓ１５、Ｓ７の繰り返しで、ステップＳ１４で、補充が有り、積算消費量Ｄ（＝（Ｓ２_+n−Ｓ１）−Ｒ_REF）を計算する際に、予め尿素水センサの量子化誤差分（Ｒ_REF）を減算しているため、補充量Ｒ１の適切な値が得られる。

その後ステップＳ８で、積算指示噴射量Ｐが判定量Ｌに達したとき（Ｙｅｓ）、ステップＳ１６で積算補充量ＲΣ＝０かを判断し、補充がないとき（Ｙｅｓ）は、ステップＳ１８で、｜Ｄ−Ｐ｜＞Ｋ１を判断し、補充があるとき（Ｎｏ）は、ステップＳ１７で、補充時Ｄの訂正（Ｄ＝Ｓ２₊₁−Ｓ１＋ＲΣ）を行ってステップＳ１８の判断に戻す。

このステップＳ１８の判断で、ドージングバルブからの尿素水の噴射が正常であれば、積算消費量Ｄと積算指示噴射量Ｐとは略同じで０で、検出誤差Ｋ１以内であるため（Ｎｏ）、ステップＳ１９で消費量正常と判定し、制御を終了（ステップＳ２１）する。ステップＳ１８の判断で、ドージングバルブ等が詰まって噴射が行われていないときには、積算消費量Ｄは、積算指示噴射量Ｐに対して十分少なく、またドージングバルブが開固着状態で尿素水が吹きっぱなしのときには、積算消費量Ｄは、積算指示噴射量Ｐに対して十分に大きくなるため、両者の差の絶対値（｜Ｄ−Ｐ｜）とＫ１とを比較し、その絶対値がＫ１より大きければ、ステップＳ２０で消費量異常と判定して制御を終了（ステップＳ２１）する。

１０ 排気管
１１ ＳＣＲ装置
１２ ドージングバルブ
１３ ＮＯｘセンサ
１５ 尿素水タンク
２２ 尿素水センサ
３０ 噴射量指示手段
３１ 指示噴射量積算手段
３２ 消費量算出手段
３３ 異常診断手段

Claims (4)

1. 尿素水タンク内の尿素水を、サプライポンプにて吸い込み、これを圧送ラインを介してＳＣＲ装置の上流側に設けたドージングバルブから噴射するための尿素ＳＣＲ用尿素水消費量診断装置において、
   前記尿素水タンク内の尿素水のレベルを段階的に検出する尿素水センサと、
   前記尿素水センサから入力される検出値から積算消費量を算出すると共に尿素水の補充後の尿素水センサのレベル変化から補充量を算出して、積算消費量を訂正する消費量算出手段と、
   ドージングバルブから噴射する尿素水の積算指示噴射量が判定量以上となったとき、消費量算出手段で算出した積算消費量と積算指示噴射量とを比較して圧送ライン又はドージングバルブ内での尿素水の詰まりの有無を判断する異常診断手段とを備え、
   前記消費量算出手段は、尿素水タンクに補充があったときの尿素水センサの変化レベル値に対して１レベル減じたレベル値を補充量として記憶することを特徴とする尿素ＳＣＲ用尿素水消費量診断装置。
2. 消費量算出手段は、尿素水タンクに尿素水が補充されたとき、尿素水センサの変化レベル値に対して１レベル減じたレベル値を補充量として記憶し、異常診断手段で異常診断を行うときに尿素水センサから算出した積算消費量に補充量を足した値を積算消費量として異常診断手段に出力する請求項１記載の尿素ＳＣＲ用尿素水消費量診断装置。
3. 異常診断手段は、指示噴射量積算手段からの積算指示噴射量と消費量算出手段からの積算消費量が入力され、積算指示噴射量が判定量を超えたとき、その積算指示噴射量とそのときの積算消費量とを比較して、両者の差が一定量を超えたときに尿素水消費量異常と判定し、超えなかったときに正常と判定する請求項１又は２記載の尿素ＳＣＲ用尿素水消費量診断装置。
4. 前記判定量は、尿素水の積算指示噴射量が、数Ｌ〜十数Ｌの間で設定される請求項１〜３いずれかに記載の尿素ＳＣＲ用尿素水消費量診断装置。