JP6417989B2 - 排気浄化システムの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気浄化システムの制御装置に関する。

従来、内燃機関の排気を浄化する後処理として尿素を用いる尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システムが公知である。尿素ＳＣＲシステムでは、排気に尿素を添加することにより、排気に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元する。尿素水を噴射するインジェクタは、排気通路を流れる排気へ尿素水を噴射する。そのため、インジェクタは、高温の排気に晒され、尿素水を噴射する噴孔には尿素が析出しやすいという問題がある。析出した尿素の結晶は、尿素水の噴射を妨げ、排気の浄化効率が低下する要因となる。そこで、インジェクタから尿素を噴射した後、このインジェクタへ水を供給することが提案されている（特許文献１参照）。これにより、噴孔に析出した尿素を水で溶解しつつ洗浄することができる。

しかしながら、特許文献１の構成の場合、尿素の析出の有無に関わらず、尿素水に引き続いて水が噴射される。すなわち、特許文献１の場合、インジェクタの目詰まりを検出することなく、目詰まりの有無に関わらず尿素水の噴射の後に水を噴射している。そのため、尿素水の目詰まりに関係なく、尿素水とは別に水を供給するための配管などの設備が必要となる。

特開２０１０−９０８３６号公報

そこで、本発明の目的は、簡単な構成でインジェクタの目詰まりを検出する排気浄化システムの制御装置を提供することにある。

請求項１または２記載の発明では、微分値算出手段は、取得手段で取得したインジェクタの駆動電流値を微分する。そして、判定手段は、この微分値算出手段で算出した駆動電流値の微分値に基づいてインジェクタの目詰まりの有無を判定する。インジェクタの駆動電流値は、噴射を開始する開弁時に大きく変化する。そして、インジェクタに目詰まりが無い場合、インジェクタの駆動電流値は、変化が小さくなる。これは、インジェクタの可動部はコイルによって駆動され、このコイルのインダクタンスの影響により駆動電流の変化が小さくなるからである。一方、インジェクタに目詰まりがある場合、インジェクタの駆動電流値は、変化が大きくなりやすい。そのため、目詰まりの有無によって、インジェクタの駆動電流値の変化には差異が生じる。つまり、駆動電流値を微分した微分値も、インジェクタの目詰まりの有無によって変化に特徴が生じる。そこで、判定手段は、この微分値の特徴から、インジェクタの目詰まりの有無を判定する。したがって、駆動電流値を取得するという簡単な構成でインジェクタの目詰まりを検出することができる。

請求項３または４記載の発明では、判定手段においてインジェクタに目詰まりがあると判定されると、インジェクタに供給する尿素水を増圧したり、インジェクタからの尿素水の噴射量を増加させる。これにより、インジェクタの目詰まりは、増圧または増量された尿素水によって除去される。したがって、インジェクタに生じた目詰まりを簡単な構成で除去することができる。

一実施形態による制御装置の構成を示すブロック図 一実施形態による排気浄化装置の構成を示す模式図 一実施形態による制御装置の電気的な構成を示す概略図 インジェクタに目詰まりが生じていないときの駆動電流値およびその微分値の変化を示す模式図 インジェクタに目詰まりが生じているときの駆動電流値およびその微分値の変化を示す模式図 一実施形態による制御装置の処理の流れを示す概略図 他の実施形態による制御装置の構成を示すブロック図

以下、一実施形態による排気浄化システムの制御装置を図面に基づいて説明する。
図２に示す排気浄化システム１０は、例えば車両に搭載されている内燃機関１１から排出される排気に尿素水を添加し、排気に含まれるＮＯｘを還元するＳＣＲシステムを構成している。内燃機関１１の排気は、排気管部材１２が形成する排気通路１３を経由して大気へ放出される。内燃機関１１は、例えばディーゼルエンジンである。なお、排気浄化システム１０は、内燃機関１１としてディーゼルエンジンに限らず、ガソリンエンジンやガスタービンエンジンに適用してもよい。また、排気浄化システム１０は、車載の内燃機関１１に限らず、例えば発電ユニットなどの据置型の内燃機関に適用してもよい。

排気浄化システム１０は、尿素水タンク１４、尿素水ポンプ１５、尿素水通路部１６および還元触媒１７を備えている。尿素水タンク１４は、尿素水である尿素の水溶液を貯えている。尿素水ポンプ１５は、尿素水タンク１４に収容されている。尿素水ポンプ１５は、モータ１５１によって駆動される。すなわち、尿素水ポンプ１５は、モータ１５１へ電力を供給することにより駆動され、尿素水タンク１４から吸入した尿素水を加圧して、尿素水通路部１６へ吐出する。尿素水通路部１６は、尿素水通路１８を形成している。還元触媒１７は、排気管部材１２が形成する排気通路１３に設けられている。なお、尿素水ポンプ１５は、尿素水タンク１４の外部に設けてもよい。

排気浄化システム１０は、上記に加えてインジェクタ１９を備えている。尿素水通路１８は、尿素水ポンプ１５と反対側の端部がインジェクタ１９に接続している。尿素水ポンプ１５から吐出された尿素水は、尿素水通路１８を経由してインジェクタ１９に供給される。インジェクタ１９は、排気管部材１２に設けられている。インジェクタ１９は、排気管部材１２を貫いて先端が排気通路１３に露出している。インジェクタ１９へ供給された尿素水は、インジェクタ１９の先端に設けられた図示しない噴孔から排気通路１３を流れる排気へ噴射される。内燃機関１１から排出された排気とインジェクタ１９から噴射された尿素水とは、排気通路１３において混合され、還元触媒１７へ流入する。排気に含まれるＮＯｘは、還元触媒１７において尿素水に含まれる尿素と化学反応することにより還元される。

上述の排気浄化システム１０は、制御装置２０によって制御される。制御装置２０は、図１に示すようにマイクロコンピュータ２１、取得部２２、微分値算出部２３、判定部２４および増圧制御部２５を備えている。マイクロコンピュータ２１は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭにより構成され、ＲＯＭに記憶されているコンピュータプログラムを実行することにより、排気浄化システム１０を制御する。制御装置２０は、それぞれポンプ駆動回路１５１およびインジェクタ駆動回路１９１を通して、尿素水ポンプ１５およびインジェクタ１９と電気的に接続している。これにより、制御装置２０は、尿素水ポンプ１５およびインジェクタ１９へ供給する電力を制御し、これら尿素水ポンプ１５およびインジェクタ１９の駆動を制御する。

取得部２２は、制御装置２０からインジェクタ１９へ供給される駆動電流を駆動電流値として取得する。制御装置２０は、図３に示すように電気的な回路を構成している。図３に示す電気的な回路の一部は、図１に示すインジェクタ駆動回路１９１を構成している。マイクロコンピュータ２１は、ハイサイドスイッチ回路３１およびローサイドスイッチ回路３２を挟んでインジェクタ１９に接続している。インジェクタ１９は、図示しない弁部材を駆動するためコイル３３を有している。このコイル３３は、通電によって弁部材を駆動する電磁力を発生する。マイクロコンピュータ２１は、このコイル３３への通電をオンまたはオフするとともに、コイル３３へ供給する駆動電流を制御することにより、図示しない弁部材を駆動し、噴孔からの尿素水の噴射を断続する。また、ローサイドスイッチ回路３２は、電流検出抵抗３４に接続している。電流検出抵抗３４は、インジェクタ１９のコイル３３へ供給される駆動電流を駆動電流値として検出するために設けられている。この電流検出抵抗３４と並列に微分回路３５が設けられている。微分回路３５は、微分値算出部２３の一部を構成している。

制御装置２０は、マイクロコンピュータ２１においてコンピュータプログラムを実行することにより、図１に示す微分値算出部２３、判定部２４および増圧制御部２５をソフトウェア的に実現している。これら微分値算出部２３、判定部２４および増圧制御部２５は、ハードウェア的に実現してもよく、ソフトウェアとハードウェアとの協働によって実現してもよい。微分値算出部２３は、図３に示す微分回路３５で取得した値から駆動電流値の微分値を算出する。判定部２４は、この微分値算出部２３で算出した微分値に基づいて、インジェクタ１９の目詰まりの有無を判定する。

インジェクタ１９は、噴孔が設けられている先端が高温の排気が流れる排気通路１３に露出している。そのため、尿素水の噴射中または噴射後に噴孔のまわりに付着した尿素水に含まれる水分は、高温の排気によって蒸発する。その結果、インジェクタ１９の噴孔の周囲には、尿素水に含まれる尿素が結晶として析出しやすい。この析出した尿素の結晶は、噴孔の周囲に付着することにより噴孔を塞ぎ、インジェクタ１９の目詰まりの原因となる。そこで、判定部２４は、微分値算出部２３で算出した微分値を用いて、インジェクタ１９における目詰まりの有無を判断する。

増圧制御部２５は、判定部２４においてインジェクタ１９に目詰まりがあると判定されたとき、インジェクタ１９へ供給する尿素水の圧力を高める。具体的には、増圧制御部２５は、尿素水ポンプ１５に供給する電力を増加させる。これにより、尿素水ポンプ１５から吐出される尿素水の圧力は高められる。インジェクタ１９に圧力が高められた尿素水を供給することにより、インジェクタ１９から噴射される尿素水の圧力も上昇する。そのため、インジェクタの噴孔の周囲に析出した尿素は、圧力が高められた尿素水によって除去される。すなわち、噴孔の周囲に析出した尿素の結晶は、尿素水によって洗浄される。これらの結果、インジェクタ１９の目詰まりは解消される。

次に、本実施形態の微分値算出部２３および判定部２４による目詰まりの有無の判定について説明する。
微分値算出部２３は、予め設定されたサンプリング期間Ａｄにおいて、微分値ｄＩを算出する。ここで、サンプリング期間Ａｄは、噴射開始時から駆動電流値Ｉｔが予め設定された設定電流値に到達するまでに相当する。具体的には、図４および図５に示すように、制御装置２０は、尿素水を噴射するとき、インジェクタ１９に対して駆動信号を出力する。これにより、インジェクタ１９のコイル３３には、駆動電流が供給される。この駆動信号がオンになるときが噴射開始時となる。すなわち、噴射開始時は、インジェクタ１９に尿素水の噴射が指示されたときである。駆動信号がオンになると、インジェクタ１９のコイル３３には駆動電流が流れる。この駆動電流は、インジェクタ１９の図示しない弁部材の移動に応じて徐々に大きくなる。これは、通電によってコイル３３に生じるインダクタンスの影響によるものである。そして、インジェクタ１９のコイル３３に流れる駆動電流は、予め設定された設定電流値に到達する。このように、噴射開始時から駆動電流が設定電流値に到達するまでの期間がサンプリング期間Ａｄである。なお、図４および図５に示す例では、設定電流値は、変化する駆動電流のピークに一致しているが、このピークに一致しなくてもよい。このサンプリング期間Ａｄは、数ミリ秒程度である。

微分値算出部２３は、このサンプリング期間Ａｄにおいて、駆動電流の微分値ｄＩを算出する。上述のようにインジェクタ１９のコイル３３に流れる駆動電流は、インジェクタ１９の図示しない弁部材の移動にともなって変化する。そして、この駆動電流は、時間的な変化率すなわち駆動電流値Ｉｔの傾きも変化する。すなわち、駆動電流の傾きに相当する微分値ｄＩは、時間とともに、および弁部材の移動とともに変化する。詳細には、駆動電流の変化が大きなときは微分値ｄＩは大きくなり、駆動電流の変化が小さなときには微分値ｄＩは小さくなる。

インジェクタ１９に目詰まりが無い場合、インジェクタ１９の図示しない弁部材は速やかにかつ安定して移動する。そのため、駆動電流の波形には、図４に示すように値が一定に近い、すなわち駆動電流値Ｉｔの変化が小さな区間が生じる。その結果、インジェクタ１９に目詰まりが無い場合、微分値ｄＩがほぼ「０」に近い領域が生じる。これにより、インジェクタ１９に目詰まりが無い場合、サンプリング期間における微分値ｄＩの最大値と最小値との差分Δは大きくなる。そこで、判定部２４は、サンプリング期間Ａｄにおける微分値ｄＩの最大値ｄＩ１と最小値ｄＩ２との差分Δが、予め設定した設定値Ｘ以上のとき、インジェクタ１９に目詰まりが無いと判定する。設定値Ｘは、インジェクタ１９の性能などに応じて任意に設定される。本実施形態の場合、例えば数（Ａ／ミリ秒）程度に設定している。

一方、インジェクタ１９に目詰まりがある場合、インジェクタ１９の図示しない弁部材は析出した尿素の結晶によって移動が妨げられる。そのため、駆動電流の波形は、図５に示すように駆動電流値Ｉｔが安定する期間が少なくなる。その結果、インジェクタ１９に目詰まりがある場合、微分値ｄＩがほぼ「０」となる領域が生じない。これにより、インジェクタ１９に目詰まりがある場合、サンプリング期間における微分値ｄＩの最大値ｄＩ１と最小値ｄＩ２との差分Δは小さくなる。そこで、判定部２４は、サンプリング期間Ａｄにおける微分値ｄＩの最大値ｄＩ１と最小値ｄＩ２との差分Δが、予め設定した設定値Ｘより小さいとき、インジェクタ１９に目詰まりがあると判定する。

なお、微分値算出部２３は、尿素水がインジェクタ１９から噴射されるごとに、そのサンプリング期間Ａｄに微分値ｄＩを算出する。一方、判定部２４は、微分値ｄＩを算出するごとに目詰まりの有無を判定してもよく、複数回の微分値ｄＩを算出した後にこれら複数回の微分値ｄＩを考慮して目詰まりの有無を判定してもよい。

次に、上記の構成による制御装置２０の作動の流れを図６に基づいて説明する。
制御装置２０は、インジェクタ１９から尿素水を噴射するごとに目詰まりの判定を行なう。インジェクタ１９からの尿素水の噴射が指示されると、取得部２２はインジェクタ１９のコイル３３へ供給される駆動電流を駆動電流値Ｉｔとして取得する（Ｓ１０１）。すなわち、取得部２２は、制御装置２０からインジェクタ１９へ出力される駆動信号がオンされると、駆動電流値Ｉｔを取得する。微分値算出部２３は、取得部２２がＳ１０１で取得した駆動電流値Ｉｔを用いて、この駆動電流値Ｉｔの微分値ｄＩを算出する（Ｓ１０２）。微分値算出部２３は、サンプリング期間Ａｄが経過するまで微分値ｄＩの算出を継続する。すなわち、微分値算出部２３は、サンプリング期間Ａｄが経過したか否かを判断する（Ｓ１０３）。微分値算出部２３は、サンプリング期間Ａｄが経過していないと判断すると（Ｓ１０３：Ｎｏ）、Ｓ１０１以降の処理を一定の時間間隔で繰り返す。すなわち、微分値算出部２３は、サンプリング期間Ａｄが経過するまで、一定の時間間隔で複数の微分値ｄＩを算出し、算出した微分値ｄＩをマイクロコンピュータ２１の図示しないＲＡＭなどに記憶する。

微分値算出部２３は、サンプリング期間Ａｄが経過したと判断すると（Ｓ１０３：Ｙｅｓ）、差分Δを算出する（Ｓ１０４）。差分Δは、サンプリング期間Ａｄの間に算出された複数の微分値ｄＩから、最大値ｄＩ１と最小値ｄＩ２との差として算出される。すなわち、微分値算出部は、差分Δを、Δ＝ｄＩ１−ｄＩ２として算出する。

判定部２４は、Ｓ１０４で算出した差分Δが予め設定された設定値Ｘより小さいか否かを判断する（Ｓ１０５）。判定部２４は、この差分Δが設定値Ｘより小さいと判断したとき（Ｓ１０５：Ｙｅｓ）、インジェクタ１９に目詰まりが生じていると判定する（Ｓ１０６）。上述のように、インジェクタ１９に目詰まりが生じているとき、インジェクタ１９に供給される駆動電流値Ｉｔがサンプリング期間Ａｄの一部でほぼ一定となること、つまり微分値ｄＩが「０」に近い値となることはない。そのため、微分値ｄＩのうち最大値ｄＩ１と最小値ｄＩ２との差分Δは、設定値Ｘより小さくなる。そこで、判定部２４は、差分Δが設定値Ｘより小さいとき、インジェクタ１９に目詰まりが生じていると判定する。一方、判定部２４は、差分Δが設定値Ｘより小さくないと判断したとき（Ｓ１０５：Ｎｏ）、つまり差分Δが設定値Ｘ以上であると判断したとき、インジェクタ１９に目詰まりが生じていないと判定する（Ｓ１０７）。そして、制御装置２０は、Ｓ１０１へリターンし、Ｓ１０１以降の処理を繰り返す。

増圧制御部２５は、Ｓ１０６においてインジェクタ１９に目詰まりがあると判定されると、この判定された回数が予め設定された設定回数Ａに到達したか否かを判断する（Ｓ１０８）。設定回数は、１回以上の任意の回数に設定することができる。増圧制御部２５は、設定回数Ａに到達したと判断すると（Ｓ１０８：Ｙｅｓ）、尿素水の圧力を高める（Ｓ１０９）。すなわち、増圧制御部２５は、尿素水ポンプ１５から吐出される尿素水の圧力を上昇させる。これにより、インジェクタ１９に目詰まりがあると判定されたとき、目詰まりの原因となる尿素は増圧された尿素水によって除去される。一方、増圧制御部２５は、設定回数Ａに到達していないと判断すると（Ｓ１０８：Ｎｏ）、Ｓ１０１へリターンする。これにより、制御装置２０は、Ｓ１０１以降の処理を繰り返す。

以上説明したように、一実施形態では、微分値算出部２３は、取得部２２で取得したインジェクタ１９の駆動電流値Ｉｔを微分して、微分値ｄＩを算出する。判定部２４は、微分値算出部２３で算出した駆動電流値Ｉｔの微分値ｄＩに基づいてインジェクタ１９の目詰まりの有無を判定する。インジェクタ１９の駆動電流値Ｉｔの変化は、インジェクタ１９の目詰まりの有無によって差異が生じる。つまり、駆動電流値Ｉｔを微分した微分値ｄＩも、インジェクタ１９の目詰まりの有無によって変化に特徴が生じる。そこで、判定部２４は、この微分値ｄＩから、インジェクタ１９の目詰まりの有無を判定する。したがって、駆動電流値Ｉｔを取得するという簡単な構成でインジェクタ１９の目詰まりを検出することができる。

また、一実施形態では、インジェクタ１９の目詰まりの判定に、微分値ｄＩの最大値ｄＩ１と最小値ｄＩ２との差分Δを用いている。サンプリング期間Ａｄの間に取得した駆動電流値Ｉｔの変化によって、微分値ｄＩには最大値ｄＩ１と最小値ｄＩ２との間に差分Δが生じる。この差分Δは、目詰まりがあるとき小さく、目詰まりがないとき大きくなる。このように、判定部２４は、差分Δの特性を用いて、目詰まりの有無を判定する。したがって、簡単な処理でインジェクタ１９の目詰まりの有無を精度よく判定することができる。

さらに、一実施形態では、判定部２４においてインジェクタ１９に目詰まりがあると判定されると、増圧制御部２５はインジェクタ１９に供給する尿素水を増圧する。これにより、インジェクタ１９の目詰まりは、増圧された尿素水によって除去される。したがって、インジェクタ１９に生じた目詰まりを簡単な構成で除去することができる。

（その他の実施形態）
以上説明した一実施形態は、次のように変更してもよい。
上述の例では、判定部２４は、微分値ｄＩの最大値ｄＩ１と最小値ｄＩ２との差分Δが設定値Ｘより小さいとき、インジェクタ１９に目詰まりがあると判定している。これに対し、判定部２４は、微分値ｄＩの最小値ｄＩ２だけを算出し、この最小値ｄＩ２が予め設定された設定最小値Ｘ１より大きいとき、インジェクタ１９に目詰まりがあると判定してもよい。この場合、設定最小値Ｘ１は、インジェクタ１９をはじめとする排気浄化システム１０の特性に応じて任意に設定することができる。

また、上述の例では、インジェクタ１９に目詰まりがあると判定されたとき、増圧された尿素水によって目詰まりを除去している。これに対し、図７に示すように噴射増量制御部４１を備えていてもよい。噴射増量制御部４１は、判定部２４においてインジェクタ１９に目詰まりがあると判定されたとき、インジェクタ１９から噴射する尿素水の量を増加させる。具体的には、噴射増量制御部４１は、インジェクタ１９からの尿素水の噴射期間を延長したり、尿素水ポンプ１５からインジェクタ１９へ供給する尿素水の単位時間あたりの供給量を増加させる。これにより、インジェクタ１９から噴射される尿素水は増加する。そのため、インジェクタ１９の噴孔の周囲に析出した尿素は、増量された尿素水によって除去される。すなわち、噴孔の周囲に析出した尿素の結晶は、尿素水によって洗浄される。これらの結果、インジェクタ１９の目詰まりを解消することができる。

以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。

図面中、１０は排気浄化システム、１１は内燃機関、１３は排気通路、１９はインジェクタ、２０は制御装置、２２は取得部（取得手段）、２３は微分値算出部（微分値算出手段）、２４は判定部（判定手段）、２５は増圧制御部（増圧制御手段）、４１は噴射増量部（噴射増量制御手段）を示す。

Claims (4)

1. 内燃機関（１１）の排気が流れる排気通路（１３）へ尿素水を噴射するインジェクタ（１９）を備える排気浄化システム（１０）において、前記排気浄化システム（１０）を制御する制御装置（２０）であって、
   前記インジェクタ（１９）へ供給される駆動電流を駆動電流値として取得する取得手段（２２）と、
   前記取得手段（２２）で取得した前記駆動電流値を微分して、微分値を算出する微分値算出手段（２３）と、
   前記微分値算出手段（２３）で算出した前記微分値に基づいて、前記インジェクタ（１９）の目詰まりの有無を判定する判定手段（２４）と、
   を備え、
   前記微分値算出手段（２３）は、１回以上の尿素水の噴射期間において、前記インジェクタ（１９）へ尿素水の噴射が指示された噴射開始時から、前記駆動電流値が予め設定された設定電流値に到達するまで、前記微分値を算出し、
   前記判定手段（２４）は、算出した前記微分値のうち最大となる最大微分値と、算出した前記微分値のうち最小となる最小微分値との差である微分値差が予め設定された設定値より小さいと判断すると、前記インジェクタ（１９）に目詰まりがあると判定する排気浄化システムの制御装置。
2. 内燃機関（１１）の排気が流れる排気通路（１３）へ尿素水を噴射するインジェクタ（１９）を備える排気浄化システム（１０）において、前記排気浄化システム（１０）を制御する制御装置（２０）であって、
   前記インジェクタ（１９）へ供給される駆動電流を駆動電流値として取得する取得手段（２２）と、
   前記取得手段（２２）で取得した前記駆動電流値を微分して、微分値を算出する微分値算出手段（２３）と、
   前記微分値算出手段（２３）で算出した前記微分値に基づいて、前記インジェクタ（１９）の目詰まりの有無を判定する判定手段（２４）と、
   を備え、
   前記微分値算出手段（２３）は、１回以上の尿素水の噴射期間において、前記インジェクタ（１９）へ尿素水の噴射が指示された噴射開始時から、前記駆動電流値が予め設定された設定電流値に到達するまで、前記微分値を算出し、
   前記判定手段（２４）は、算出した前記微分値の最小値が予め設定された設定最小値より大きいと判断すると、前記インジェクタ（１９）に目詰まりがあると判定する排気浄化システムの制御装置。
3. 前記判定手段（２４）で前記インジェクタ（１９）に目詰まりがあると判定されると、前記インジェクタ（１９）へ供給する尿素水の圧力を高める増圧制御手段（２５）をさらに備える請求項１または２記載の排気浄化システムの制御装置。
4. 前記判定手段（２４）で前記インジェクタ（１９）に目詰まりがあると判定されると、前記インジェクタ（１９）から噴射する尿素水を増加させる噴射増量制御手段（４１）をさらに備える請求項１または２記載の排気浄化システムの制御装置。

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