JP7010003B2 - 噴射制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、噴射弁、還元剤通路、及びポンプを備える排気浄化システムにおいて、還元剤通路におけるエア混入の有無を判定する噴射制御装置に関する。
近年、車両等に適用されるエンジン(特にディーゼルエンジン)において、排気ガス中のNOx(窒素酸化物)を高い浄化率で浄化する排気浄化システムとして、尿素SCR(Selective Catalytic Reduction)システムが開発・量産されている。
尿素SCRシステムは、タンクに貯蔵された還元剤としての尿素水(尿素水溶液)を還元剤通路に圧送するポンプと、還元剤通路を通じて圧送された尿素水をエンジンの排気管内へ噴射する噴射弁と、を備えている。
尿素SCRシステムでは、排気管内のNOx浄化触媒(以下、SCR触媒という)上でNOxの還元反応によって排気ガスが浄化される。このNOxの還元に際しては、まず噴射弁から排気管内へ噴射された尿素水が、排気熱で加水分解されることによりアンモニア(NH3)が生成され、SCR触媒にて吸着される。排気ガス中のNOxに対してSCR触媒上で、アンモニアによる還元反応が行われることによってNOxが還元、浄化されることになる。
このような尿素SCRシステムにおいて、還元剤通路内にエアが混入されることがある。例えば、尿素SCRシステムでは、エンジン停止時に還元剤通路内で尿素水が凍結しないようにするために、エンジン停止時に還元剤通路内の尿素水をタンクまで吸い戻す処理が実施される。そのため、尿素SCRシステムでは、エンジン始動時に還元剤通路内に尿素水が充填され、その際に、還元剤通路内にエアが混入されることがある。還元剤通路内にエアが混入されると、噴射弁から排気管内へ噴射される尿素水の噴射量が不安定になる。
特許文献1には、燃料通路における燃料圧力から燃料通路内にエアが混入しているかを検出する技術が提案されている。この技術を尿素SCRシステムに適用することで、還元剤通路における尿素水の圧力から還元剤通路におけるエアの有無を判定することができる。
特許第5338696号公報
しかしながら、特許文献1の技術では、還元剤通路における尿素水の圧力から還元剤通路におけるエアの有無が判定される。そのため、例えば圧力フィードバック制御などにより、還元剤通路における尿素水の圧力が一定に保たれる場合には、還元剤通路における尿素水の圧力から還元剤通路におけるエアの有無を精度よく判定することができない。還元剤通路におけるエアの有無を適正に判定することができる技術が望まれている。なお、このような課題は、尿素水に限られず、還元剤として他の液体が用いられる場合にも共通の課題である。
本発明は、上記実情に鑑み、還元剤通路におけるエアの有無を適正に検出できる噴射制御装置を提供することを目的とする。
本発明の噴射制御装置は、内燃機関の排気通路に設けられ、排気中のNOxを浄化するNOx浄化触媒に液状の還元剤を噴射供給する噴射弁と、還元剤通路を介して前記噴射弁に対して前記還元剤を加圧供給するポンプと、を備える排気浄化システムに適用され、前記噴射弁の噴射に伴う前記ポンプの回転速度の変動量又はその相関値を回転変動パラメータとして取得する取得部と、前記回転変動パラメータに基づいて、前記還元剤通路におけるエア混入の有無を判定する判定部と、を備える。
噴射弁から還元剤が排気管へ供給されると、還元剤通路内の圧力が変動する。還元剤通路内の圧力が変動すると、ポンプ回転速度が変動する。還元剤通路内にエアが混入していると、還元剤通路内の圧力変動に伴うエアの弾性変形により、還元剤通路内にエアが混入していない場合に比べて、ポンプ回転速度の変動量が大きくなる。つまり、ポンプ回転速度の変動量と還元剤通路内に混入したエア量とには相関があるため、ポンプ回転速度の変動量に基づいて還元剤通路におけるエア混入の有無を適正に判定することができる。
エンジンの排気浄化システムの概略を示す構成図。 第1実施形態に係る噴射制御処理を示すフローチャート。 噴射回転速度の変動量とエア混入量との関係を示すグラフ。 エア混入量と回収デューティ比との関係を示すグラフ。 噴射制御処理における尿素水の推移を示す図。 噴射制御処理におけるポンプの回転速度の推移を示す図。 噴射弁の噴射に伴うポンプの回転速度の推移を示す図。 回収デューティ比の設定手順を示す説明図。 第2実施形態に係る噴射制御処理を示すフローチャート。
(第1実施形態)
以下、第1実施形態の噴射制御装置に係るポンプ制御部70が適用される排気浄化システム10について、図面を参照しつつ説明する。排気浄化システム10は、選択還元型触媒(以下、SCR触媒という)を用いて排気ガス中のNOxを浄化するものであり、尿素SCRシステムとして構築されている。排気浄化システム10は、内燃機関であるディーゼルエンジン(以下、エンジンという)30が搭載された各種車両に適用できる。排気浄化システム10は、またクレーン車等の建設機械、トラクター等の農業機械等にも適用可能である。
図1に示すように、排気浄化システム10では、エンジン排気系において、エンジン30には排気通路31aを形成する排気管31が接続されており、その排気管31に、排気上流側から順にDPF(Diesel Particulate Filter)32、SCR触媒33が配設されている。また、排気管31においてDPF32とSCR触媒33との間には、液状の還元剤としての尿素水(尿素水溶液)を排気通路31aに噴射供給する尿素水噴射弁(以下、噴射弁という)50が設けられている。噴射弁50は、高温の排気ガス(例えば600℃)から加えられる熱の影響をできるだけ避けるために、先端側のみが排気管31内に位置されるように取り付けられている。なお、本実施形態において、SCR触媒33が「NOx浄化触媒」に相当する。
DPF32は、排気ガス中のPM(粒子状物質)を捕集するPM除去用フィルタである。DPF32は白金系の酸化触媒を担持しており、PM成分の1つである可溶性有機成分(SOF)とともにHCやCOを除去する。このDPF32に捕集されたPMは、エンジン30におけるメイン燃料噴射後のポスト噴射等により燃焼除去でき、これによりDPF32の継続使用が可能となっている。
SCR触媒33は、NOxの還元反応(排気浄化反応)を促進するものであり、例えば、
4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O …(式1)
6NO2+8NH3→7N2+12H2O …(式2)
NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O …(式3)
といった反応を促進して排気ガス中のNOxを浄化する。そして、これらの反応においてNOxの還元剤となるアンモニア(NH3)を生成するための尿素水を噴射供給するものが、同SCR触媒33の上流側に設けられた噴射弁50である。
なお排気管31においてSCR触媒33の下流側には、アンモニア除去装置としての酸化触媒が設けられていてもよい。この酸化触媒により、SCR触媒から排出されるアンモニア(NH3)、すなわち余剰のアンモニアが除去される。
次に、排気浄化システム10のうち、噴射弁50の噴射により尿素水を噴射する還元剤噴射システム20の各構成についてそれぞれ説明する。なお、以下の説明では便宜上、尿素水タンク(以下、タンクという)40から噴射弁50に対して尿素水が供給される場合を基準にして、タンク40側を上流側、噴射弁50側を下流側として記載する。
図1において、タンク40は、給液キャップ付きの密閉容器にて構成されており、その内部に所定の規定濃度の尿素水が貯蔵されている。本実施形態では、尿素濃度が、凍結温度(凝固点)が最も低い濃度である32.5%になっている。なお、尿素濃度が32.5%の場合、マイナス11℃以下で凍結する。
タンク40と噴射弁50とは、供給配管42により接続されている。供給配管42の上流側端部は、タンク40の底面に接続されており、タンク40内に貯留された尿素水が供給配管42に流れ込む状態になっている。なお、本実施形態において、供給配管42が「還元剤通路」に相当する。
供給配管42の途中には、尿素水ポンプ(以下、ポンプという)44が設けられている。ポンプ44は、ポンプ制御部70から供給される電流により回転駆動される電動ポンプであり、供給配管42を介して噴射弁50に対して尿素水を加圧供給する。
ポンプ44は歯車45を有し、その歯車45の回転数に応じて尿素水を供給する。また、ポンプ44は、歯車45が正逆いずれの方向にも回転可能となっている。以下。歯車45が正回転することを、ポンプ44の正回転といい、歯車45が逆回転することを、ポンプ44の逆回転という。ポンプ44の正回転によりタンク40内の尿素水の吸い出しが行われ、ポンプ44の逆回転によりタンク40への尿素水の吸い戻しが行われる。
ポンプ44には、回転検出部46が設けられている。回転検出部46は、ポンプ44の単位時間当たりの回転数である回転速度Nを検出し、例えば、ポンプ44による尿素水の吐出(圧送)速度を検出する。
供給配管42には、ポンプ44の下流側に圧力検出部48が設けられている。圧力検出部48は、供給配管42内の圧力(以下、配管圧力という)Pを検出し、例えば、ポンプ44による尿素水の吐出圧力を検出する。なお、本実施形態において、圧力検出部48が「圧力検出部」に相当する。
噴射弁50は、供給配管42の下流側端部に接続されている。噴射弁50は、既存の燃料噴射弁(インジェクタ)とほぼ同様の構成を有するものであり、公知の構成が採用できるため、ここでは構成を簡単に説明する。噴射弁50は、電磁ソレノイド等からなる駆動部と、先端噴射口を開閉するためのニードル52を有する弁体部とを備えた電磁式開閉弁として構成されており、ポンプ制御部70からの駆動信号Smに基づき開放又は閉鎖する。すなわち、駆動信号Smに基づき電磁ソレノイドが通電されると、該通電に伴いニードル52が開放方向に移動し、そのニードル52の移動によって先端噴射口が開放されて尿素水が噴射される。
供給配管42にはエア抜き配管54が接続されている。エア抜き配管54は、供給配管42におけるポンプ44よりも下流側の分岐部Bと、タンク40と、を接続する。なお、圧力検出部48は、供給配管42のうちのポンプ44と分岐部Bとの間の部分に設けられている。なお、本実施形態において、エア抜き配管54が「エア抜き通路」に相当する。
エア抜き配管54の一端は、タンク40の底面に通じており、このエア抜き配管54の一端に、エア抜き弁60が設けられている。エア抜き弁60は、ポンプ制御部70からの制御信号Scに基づきエア抜き配管54を開閉する。以下、エア抜き弁60に制御信号Scが入力される期間を、制御期間Tc(図8参照)という。制御期間Tcにおいて、制御信号Scに基づきエア抜き弁60が開放されると、供給配管42からエア抜き配管54に流れ込んだ尿素水がタンク40に吸い戻される。
また、エア抜き弁60は、ポンプ制御部70から制御信号Scが入力されない制御停止期間Tn(図8参照)において、逆止弁として機能する。制御停止期間Tnにおいて、エア抜き弁60は、エア抜き配管54内の圧力が所定圧力よりも高い場合に開放し、エア抜き配管54内の圧力が所定圧力よりも低い場合に閉鎖する。
タンク40内には、発熱体62が設けられている。例えば発熱体62は電気式のヒータであり、ポンプ制御部70からの指令信号に基づく通電によってタンク40内で凍結している尿素水を解凍する。なお発熱体62は凍結した尿素水を解凍可能な位置に設けられていればよく、供給配管42の吸込口付近に設けられていてもよい。
供給配管42の外周には、発熱体64が設けられている。例えば発熱体64は電気式のヒータであり、ポンプ制御部70からの指令信号に基づく通電によって供給配管42内で凍結している尿素水を解凍する。
タンク40内には、温度センサ66が設けられている。例えば温度センサ66は感温ダイオードやサーミスタであり、タンク40内の尿素水の温度を測定する。また、タンク40外には、外気温センサ68が設けられている。例えば外気温センサ68は感温ダイオードやサーミスタであり、タンク40から離間して配置され、エンジン30が搭載された車両の周囲の外気温を測定する。
ポンプ制御部70は、排気浄化に係る制御を行うECU(Electronic Control Unit)であり、CPU、ROM、RAM、入出力インターフェース等を含むマイコンにより構成されている。ポンプ制御部70は、回転検出部46から回転速度Nを取得し、圧力検出部48から配管圧力Pを取得し、温度センサ66からタンク40内の尿素水の温度を取得し、外気温センサ68から外気温を取得する。ポンプ制御部70は、取得したこれらの値により還元剤噴射システム20の各部を制御する。
具体的には、噴射弁50側への尿素水圧送時には、ポンプ44に通電されることでポンプ44が正回転方向に回転駆動される。これにより、タンク40内の尿素水が吸い出されて下流側に流れる。そして、ポンプ44から尿素水が圧送され、その尿素水は噴射弁50に供給される。また、余剰となった尿素水はエア抜き弁60を通じてタンク40に戻される。
また、タンク40への尿素水の吸い戻し時には、ポンプ44が逆回転方向に回転駆動される。これにより、供給配管42内の尿素水がタンク40内に吸引される。これによりエンジン30停止後の車両放置中に尿素水が供給配管42内に残存したままになるのを回避し、尿素水の凍結・膨張による供給配管42の破損を抑制する。
ところで、エンジン30停止後に供給配管42内の尿素水が吸い戻され、その状態で車両が放置された場合、エンジン30始動時に供給配管42内に尿素水が充填される。この場合に、供給配管42内に気泡状のエアAr(図5参照)が混入する。供給配管42内にエアArが混入すると、噴射弁50から排気通路31aに噴射供給される尿素水の噴射量が不安定になることが懸念される。
具体的には、噴射弁50から尿素水が噴射されると、配管圧力Pが変動し、その圧力変動を補うために、回転速度Nが上昇して、供給配管42に尿素水が供給される。供給配管42内にエアArが混入していると、配管圧力Pの変動に伴いエアArが弾性膨張と弾性収縮を繰り返す。この結果、供給配管42内にエアArが混入していない場合に比べて、回転速度Nの変動量ΔNが大きくなる。回転速度Nの変動量ΔNが大きくなると、供給配管42に供給される尿素水の供給量が不安定になることで、噴射弁50から排気通路31aに噴射供給される尿素水の噴射量が不安定になる。
この場合に、配管圧力Pの変動から供給配管42におけるエアArの有無を判定することができるようにも思える。しかしながら、例えば圧力フィードバック制御などにより、配管圧力Pを一定値に制御している排気浄化システム10では、配管圧力Pの変動量が所定範囲内に規制されているため、配管圧力Pから供給配管42におけるエアArの有無を精度よく判定することができない。
本実施形態のポンプ制御部70は、上記問題を解決するために噴射制御処理を実施する。噴射制御処理は、噴射弁50の噴射に伴う回転速度Nの変動量ΔNを取得し、取得された変動量ΔNに基づいて、供給配管42におけるエア混入の有無を判定する処理である。これにより、回転速度Nの変動量ΔNに基づいて供給配管42におけるエア混入の有無を適正に判定することができる。
図2に本実施形態の噴射制御処理のフローチャートを示す。噴射制御処理は、ポンプ制御部70によって、エンジン30の運転中に実施される。
ポンプ制御部70は、エンジン30が始動されると、つまり、エンジン30が搭載された車両のイグニッションスイッチがオンされると、噴射制御処理を開始する。ポンプ制御部70は、噴射制御処理を開始すると、まずステップS10において、噴射弁50を全開してポンプ44に通電し、正回転方向への回転駆動を開始する。これにより、供給配管42への尿素水の供給が開始される。なお、噴射制御処理の開始時において、エア抜き弁60には制御信号Scが入力されておらず、エア抜き弁60は逆止弁として機能する。
ステップS12において、ポンプ制御部70は、回転検出部46により検出された回転速度Nが、所定の目標回転速度Ntg(図6参照)となるように、ポンプ44の駆動を回転速度フィードバック制御する。所定の目標回転速度Ntgは、ポンプ44の最大回転速度であり、後述する基準回転速度Noよりも大きい。
ステップS14において、ポンプ制御部70は、配管圧力Pが所定の基準圧力Po(図6参照)に到達したかを判定する。所定の基準圧力Poは、供給配管42へ供給された尿素水が噴射弁50近傍に達する圧力に設定されている。ポンプ制御部70は、ステップS14で否定判定すると、ステップS12に戻る。一方、ポンプ制御部70は、ステップS14で肯定判定すると、噴射弁50を閉鎖してステップS16に進む。これにより、供給配管42内に充填された尿素水の一部が排気管内へ漏れ出てしまい、排気管内に尿素が析出することが抑制される。
続くステップS16において、ポンプ制御部70は、圧力検出部48により検出された配管圧力Pが、所定の目標圧力Ptg(図6参照)となるように、ポンプ44の駆動を圧力フィードバック制御する。所定の目標圧力Ptgは、噴射弁50の噴射状態における配管圧力Pであり、前述の基準圧力Poよりも大きい。なお、本実施形態において、ステップS16の処理が「フィードバック制御部」に相当する。
ステップS18において、ポンプ制御部70は、配管圧力Pが目標圧力Ptgに到達したかを判定する。ポンプ制御部70は、配管圧力Pが、所定時間に亘って、目標圧力Ptgを中心とする所定の誤差範囲に留まっている場合に、配管圧力Pが目標圧力Ptgに到達したと判定する。ポンプ制御部70は、ステップS18で否定判定すると、ステップS16に戻る。一方、ポンプ制御部70は、ステップS18で肯定判定すると、ステップS20~S28において、回転速度Nの変動量ΔNを取得する取得処理を実施する。
取得処理では、ポンプ制御部70は、まず、ステップS20において、駆動信号Smを設定する。
駆動信号Smは、オン電圧とオフ電圧との2値からなる信号であり、駆動信号Smがオフ電圧となると、噴射弁50が閉鎖され、噴射弁50による尿素水の噴射が停止される。以下、駆動信号Smがオフ電圧となる期間を噴射停止期間Tsという(図7参照)。また、駆動信号Smがオン電圧となると、噴射弁50が開放され、噴射弁50から尿素水が噴射される。以下、駆動信号Smがオン電圧となる期間を噴射期間Tpという。
駆動信号Smは、所定の規定周期Tkでオン電圧とオフ電圧とが切り替えられており、ポンプ制御部70は、デューティ比(以下、噴射デューティ比という)Dmを可変に制御することができる。ここで、噴射デューティ比Dmとは、噴射期間Tpを規定周期Tkで割った値であり、単位時間当たりに噴射弁50が噴射する噴射量Qに比例する。なお、本実施形態において、噴射デューティ比Dmが「単位時間当たりの噴射量」に相当する。本実施形態では、所定の規定周期Tkが2Hzに設定されている。
ポンプ制御部70は、現状のエンジン30の負荷及び回転速度などの運転状態に応じて噴射弁50における噴射量Qを算出する。ポンプ制御部70は、温度センサ(図示せず)により取得されたSCR触媒33の温度を考慮しつつ、算出した噴射量Qを実現する噴射デューティ比Dmを設定することによって、駆動信号Smを設定する。続くステップS22において、ポンプ制御部70は、ステップS20で設定された駆動信号Smを噴射弁50に出力して、噴射弁50を駆動する。
ステップS24において、ポンプ制御部70は、エア混入の判定のための上昇閾値Ruと下降閾値Rdとを設定する。上昇閾値Ruは、噴射弁50の噴射により、供給配管42内に混入したエアArに起因して生じる回転速度Nの上昇変動量の最小値である。また、下降閾値Rdは、噴射弁50の噴射により、供給配管42内に混入したエアに起因して生じる回転速度Nの下降変動量の最小値である。つまり、上昇閾値Ruと下降閾値Rdとは、噴射弁50の噴射に相関している。そのため、ポンプ制御部70は、ステップS20で設定された噴射デューティ比Dmに応じて、上昇閾値Ruと下降閾値Rdとを設定し、ステップS26に進む。なお、本実施形態において、ステップS24の処理が「設定部」に相当する。
ステップS26において、ポンプ制御部70は、回転検出部46を用いて、噴射期間Tpにおける回転速度Nである噴射回転速度Np(図7参照)を取得する具体的には、ポンプ制御部70は、噴射回転速度Npを、ポンプ44に通電される通電電流の電流値として取得する。続くステップS28において、ポンプ制御部70は、噴射回転速度Npの変動を示す回転変動パラメータを算出する算出処理を実施する。なお、本実施形態において、ポンプ44に通電される通電電流の電流値が「相関値」に相当する。
算出処理において、ポンプ制御部70は、まず、噴射期間Tpの開始時における基準回転速度No(図7参照)を取得する。次に、ポンプ制御部70は、噴射回転速度Npの最大回転速度Nuと最小回転速度Ndとを取得する。
ポンプ制御部70は、最大回転速度Nuと基準回転速度Noとの差の接待値を算出し、これを上昇変動量ΔNuとして取得する。また、ポンプ制御部70は、基準回転速度Noと基準回転速度Noとの差の絶対値を算出し、これを下降変動量ΔNdとして取得する。なお、本実施形態において、上昇変動量ΔNu及び下降変動量ΔNdが「回転変動パラメータ」に相当し、ステップS28の処理が「取得部」に相当する。
続くステップS30において、ポンプ制御部70は、ステップS28で取得された上昇変動量ΔNuと、ステップS24で設定された上昇閾値Ruとを比較すると共に、ステップS28で取得された下降変動量ΔNdと、ステップS24で設定された下降閾値Rdとを比較する。
ポンプ制御部70は、上昇変動量ΔNuが上昇閾値Ruよりも小さく、かつ、下降変動量ΔNdが下降閾値Rdよりも小さい場合に肯定判定する。ポンプ制御部70は、ステップS30で肯定判定すると、ステップS34に進み、供給配管42にエアが混入していない旨判定する。
一方、ポンプ制御部70は、上昇変動量ΔNuが上昇閾値Ruよりも大きいか、又は、下降変動量ΔNdが下降閾値Rdよりも大きい場合に否定判定する。ポンプ制御部70は、ステップS30で否定判定すると、ステップS36に進み、供給配管42にエアが混入している旨判定する。つまり、ポンプ制御部70は、回転変動パラメータに基づいて、具体的には、回転変動パラメータと閾値Ru、Rdとの比較結果に基づいて、供給配管42におけるエア混入の有無を判定する。なお、本実施形態において、ステップS30の処理が「判定部」に相当する。
ポンプ制御部70は、ステップS34において、供給配管42にエアが混入していない旨判定すると、ステップS38において、エア抜き弁60を停止させる。つまり、ポンプ制御部70は、エア抜き弁60に制御信号Scが入力されない状態を維持する。
一方、ポンプ制御部70は、ステップS36において、供給配管42にエアが混入している旨判定すると、ステップS40~S44において、供給配管42に混入したエアを除去する除去処理を実施する。
除去処理では、ポンプ制御部70は、まず、ステップS40において、供給配管42におけるエア混入量Axを推定する。図3に示すように、ポンプ制御部70には、噴射回転速度Npの変動量ΔNu、ΔNdとエア混入量Axとの関係を示す第1換算テーブルが記憶されている。第1換算テーブルは、噴射回転速度Npの変動量ΔNu、ΔNdが大きくなると、エア混入量Axが大きくなる関係を有する。ポンプ制御部70は、ステップS28で取得された上昇変動量ΔNuと下降変動量ΔNdのうち、いずれか大きい方を、第1換算テーブルを用いてエア混入量Axに換算することにより、エア混入量Axを推定する。つまり、ポンプ制御部70は、回転変動パラメータに基づいてエア混入量Axを推定する。なお、本実施形態において、ステップS40の処理が「推定部」に相当する。
続くステップS42において、ポンプ制御部70は、制御信号Scを設定する。
制御信号Scは、オン電圧とオフ電圧との2値からなる信号であり、制御信号Scがオフ電圧となると、エア抜き弁60が閉鎖され、タンク40への尿素水の吸い戻しが停止される。また、制御信号Scがオン電圧となると、エア抜き弁60が開放され、エア抜き弁60を介してタンク40に尿素水及びエアArが吸い戻される。
制御信号Scは、駆動信号Smと同様に、規定周期Tkでオン電圧とオフ電圧とが切り替えられており、ポンプ制御部70は、デューティ比(以下、回収デューティ比という)Dcを可変に制御することができる。ここで、回収デューティ比Dcとは、制御信号Scがオン電圧となる期間を規定周期Tkで割った値であり、単位時間当たりにエア抜き弁60を介してタンク40に戻されるエアArの量であるエア抜き量に比例する。なお、本実施形態において、回収デューティ比Dcが「単位時間当たりのエア抜き量」に相当する。
図4に示すように、ポンプ制御部70には、エア混入量Axと回収デューティ比Dcとの関係を示す第2換算テーブルが記憶されている。第2換算テーブルは、エア混入量Axが大きくなると、回収デューティ比Dcが大きくなる関係を有する。ポンプ制御部70は、ステップS40で推定されたエア混入量Axを、第2換算テーブルを用いて回収デューティ比Dcに換算することにより、制御信号Scを設定する。つまり、ポンプ制御部70は、エア混入量Axに基づいて回収デューティ比Dcを設定する。続くステップS44において、ポンプ制御部70は、ステップS20で設定された制御信号Scをエア抜き弁60に出力して、エア抜き弁60を駆動させる。なお、本実施形態において、ステップS42の処理が「制御部」に相当する。
第2換算テーブルでは、エア混入量Axが大きいほど、回収デューティ比Dcが大きくなるように設定されており、回収デューティ比Dcの最小値が、逆止弁として機能するエア抜き弁60のデューティ比(以下、逆止デューティ比という)Drの最大値に比べて大きくなるように設定されている。そのため、第2換算テーブルを用いて回収デューティ比Dcが設定されることで、回収デューティ比Dcは逆止デューティ比Drよりも大きく設定される。つまり、ポンプ制御部70は、供給配管42にエアが混入している旨判定した場合に、供給配管42にエアが混入していない旨判定した場合に比べて、エア抜き弁60のデューティ比が大きくなるように制御する。
ポンプ制御部70は、ステップS38、S44において、所定期間に亘ってエア抜き弁60を停止又は駆動させると、ステップS46に進み、エンジン30が停止されたかを判定する。ポンプ制御部70は、エンジン30が搭載された車両のイグニッションスイッチがオンされたままであると、ステップS46で否定判定し、ステップS16に戻る。
一方、ポンプ制御部70は、エンジン30が搭載された車両のイグニッションスイッチがオフされると、ステップS46で肯定判定し、ステップS48において、ポンプ44を逆回転させ、供給配管42内の尿素水をタンク40へ吸い戻す吸引処理を実施し、噴射制御処理を終了する。
続いて、図5及び図6に、噴射制御処理の一例を示す。詳しくは、図5は、噴射制御処理における尿素水の推移を示す。ここで、図5(a)は、噴射制御処理開始時の還元剤噴射システム20を示し、図5(b)は、尿素水充填後の還元剤噴射システム20を示し、図5(c)は、除去処理中の還元剤噴射システム20を示し、図5(d)は、除去処理後の還元剤噴射システム20を示す。なお、図5以降の図では、還元剤噴射システム20を簡略化して示し、ポンプ制御部70等の記載を省略する。
また、図6は、噴射制御処理における回転速度Nの推移を示す。ここで、図6(a)は、配管圧力Pの推移を示し、図6(b)は、回転速度Nの推移を示し、図6(c)は、噴射デューティ比Dmの推移を示す。なお、図6では、回転速度N及び供給配管42内の配管圧力Pから、噴射弁50の噴射及びエアArの弾性変形以外の外乱による脈動が除去されている。図7、8についても同様である。
図5(a)に示すように、噴射制御処理開始時には、供給配管42のポンプ44よりも下流側とエア抜き配管54に残存空気が充填されている。図6に示すように、時刻t1に車両のイグニッションスイッチがオンされ、エンジン30が始動すると、時刻t2に噴射制御処理が開始され(S10)、ポンプ44を正回転させることで、供給配管42及びエア抜き配管54に尿素水を充填する。
具体的には、ポンプ制御部70は、時刻t2において、噴射弁50が開放された状態で回転速度フィードバック制御により尿素水を充填する(S12)。その後時刻t3において、配管圧力Pが基準圧力Poに到達すると(S14 肯定判定)、ポンプ制御部70は、噴射弁50が閉鎖された状態で圧力フィードバック制御により尿素水を充填する(S16)。ポンプ制御部70は、その後時刻t4において、配管圧力Pが目標圧力Ptgに到達すると(S16 肯定判定)、供給配管42及びエア抜き配管54への尿素水の充填を終了する。
図5(b)に示すように、尿素水充填後には、供給配管42内にエアArが混入している。そのため、その後時刻t5において、駆動信号Smの出力を開始して噴射弁50から尿素水の噴射を開始すると、回転速度Npの変動量ΔNが大きい状態となる。
図7は、噴射弁50の噴射に伴う回転速度Nの推移を示す。ここで、図7(a)は、駆動信号Smの推移値を示し、図7(b)は、供給配管42内にエアArが混入していない場合の回転速度Nの推移を示し、図7(c)は、供給配管42内にエアArが混入していない場合の配管圧力Pの推移を示し、図7(d)は、供給配管42内にエアArが混入している場合の回転速度Nの推移を示す。
図7に示すように、噴射停止期間Tsでは、ポンプ44の圧力フィードバック制御により、回転速度Nが基準回転速度Noに制御される。一方、噴射期間Tpでは、噴射に伴い配管圧力Pが目標圧力Ptgから低下し、この噴射に伴う圧力低下を補うため、圧力フィードバックにてポンプ44から吐出される尿素水量が増加され、それに伴い噴射回転速度Npが上昇する。回転速度Nの変動量ΔNは、噴射に伴う噴射回転速度Npの基準回転速度Noからの変動量を意味する。
図7(b)に示すように、供給配管42内にエアArが混入していないと、噴射回転速度Npは、噴射弁50の噴射に伴い単調に上昇し、最大回転速度Nuに達した後に単調減少し、基準回転速度Noに戻る。そのため、最小回転速度Ndは、基準回転速度Noと略一致する。
一方、図7(d)に示すように、供給配管42内にエアArが混入していると、噴射弁50の噴射に伴う配管圧力Pの変動によりエアArが弾性変形して、噴射回転速度Npが脈動する。その結果、供給配管42内にエアArが混入していないに比べて、最大回転速度Nuが大きくなり、最小回転速度Ndが小さくなる。ポンプ制御部70は、最大回転速度Nu及び最小回転速度Ndから算出される噴射回転速度Npの変動量ΔNu、ΔNdが閾値Ru、Rdよりも大きい場合、除去処理を実施する(S40~S44)。
図5(c)に示すように、除去処理では、ポンプ44を正回転させた状態で制御信号Scを出力し、エア抜き弁60を駆動させる。制御信号Scの回収デューティ比Dcは、供給配管42におけるエア混入量Axに基づいて設定される(S42)。
図8に、回収デューティ比Dcの設定手順を示す。ここで、図8(a)は、駆動信号Smの推移を示し、図8(b)は、回転速度Nの推移を示し、図8(c)は、制御信号Scの回収デューティ比Dcの推移を示す。なお、図8(b)、(c)において、グラフF1(破線)は、エア混入量Axが少ない場合を示し、グラフF2(実線)は、エア混入量Axが多い場合を示す。
図8(b)のグラフF1に示すように、エア混入量Axが少ないと、噴射回転速度Npの変動量ΔNu、ΔNdが小さくなる。ポンプ制御部70は、噴射回転速度Npの変動量ΔNu、ΔNdが小さい場合、エア混入量Axが少ないと推定し、制御信号Scの回収デューティ比Dcを、第1回収デューティ比Dc1(0<Dc1<1)に設定する。
一方、図8(b)に実線で示すように、エア混入量Axが多いと、噴射回転速度Npの変動量ΔNu、ΔNdが大きくなる。ポンプ制御部70は、噴射回転速度Npの変動量ΔNu、ΔNdが大きい場合、エア混入量Axが多いと推定し、制御信号Scの回収デューティ比Dcを、第1回収デューティ比Dc1よりも大きい第2回収デューティ比Dc2(Dc1<Dc2<1)に設定する。
上記のように設定された回収デューティ比Dcを有する制御信号Scが、エア抜き弁60に出力され、エア抜き弁60が駆動される。この結果、図5(d)に示すように、供給配管42に混入したエアArは適正に除去される。
その後時刻t6において、車両のイグニッションスイッチがオフされ、エンジン30が停止されると、ポンプ制御部70は、駆動信号Smの出力を停止して噴射弁50からの尿素水の噴射を停止するとともに、吸引処理(S48)を実施する。ポンプ制御部70は、吸引処理において、ポンプ44を逆回転させる。
その後時刻t7において、ポンプ制御部70は、ポンプ44の逆回転を停止させ、時刻t8に噴射弁50を開放する。これにより、ポンプ44の逆回転により低下した配管圧力Pが大気圧に戻される。その後時刻t9において、ポンプ制御部70は、噴射弁50を閉鎖し、噴射制御処理を終了する。これにより、図5(a)に示すように、供給配管42内の尿素水がタンク40へ吸い戻される。
以上説明した本実施形態によれば、以下の効果を奏する。
噴射弁50の噴射に伴うポンプ44の噴射回転速度Npの変動量ΔNu、ΔNdと供給配管42におけるエア混入量Axとには相関がある。そのため、本実施形態では、噴射回転速度Npの変動量ΔNu、ΔNdに基づいて供給配管42におけるエア混入の有無を適正に判定することができる。
噴射弁50の噴射に伴い配管圧力Pも変動する。しかし、本実施形態のように、ポンプ44が圧力フィードバック制御されている場合には、配管圧力Pの変動量が目標圧力Ptgを中心とした所定範囲内に制御されるため、配管圧力Pに基づいて供給配管42におけるエア混入の有無を適正に判定することができない。本実施形態では噴射回転速度Npの変動量ΔNu、ΔNdに基づいて供給配管42におけるエア混入の有無を判定するため、ポンプ44が圧力フィードバック制御されていても、供給配管42におけるエア混入の有無を適正に判定することができる。
特に本実施形態では、噴射回転速度Npの変動量ΔNu、ΔNdと噴射弁50の噴射デューティ比Dmとには相関があることに着目し、噴射デューティ比Dmに対応させて閾値Ru、Rdを設定する。そのため、噴射回転速度Npの変動量ΔNu、ΔNdと閾値Ru、Rdとの比較結果に基づいて、供給配管42におけるエア混入の有無を精度よく判定することができる。
本実施形態では、供給配管42にエアArが有ると判定された場合におけるエア抜き弁60の回収デューティ比Dcを、供給配管42にエアArが無いと判定された場合における逆止デューティ比Drよりも大きくする。そのため、回収デューティ比Dcが逆止デューティ比Drよりも小さい場合に比べて、供給配管42に混入したエアArを、エア抜き弁60を介して早期にタンク40に戻すことができる。
本実施形態では、噴射回転速度Npの変動量ΔNu、ΔNdを用いて供給配管42におけるエア混入量Axが推定され、推定されたエア混入量Axに基づいて回収デューティ比Dcが設定される。そのため、推定されたエア混入量Axが多いにも関わらず、エア抜き弁60が過小にしか開放されないことが抑制される。これにより、供給配管42に混入したエアArを、エア抜き弁60を介して早期にタンク40に戻すことができる。また、推定されたエア混入量Axが少ないにも関わらず、エア抜き弁60が過剰に開放されることが抑制される。これにより、エア抜き弁60の駆動電力や、エア抜き弁60の開放による噴射回転速度Npの上昇に伴うポンプ44の駆動電力など、除去処理に必要とされる電力を抑制することができる。
本実施形態では、逆止弁として機能するエア抜き弁60の開閉を制御することにより、供給配管42に混入したエアArをタンク40に戻す。そのため、逆止弁として機能するエア抜き弁60、及びエア抜き弁60が設けられるエア抜き配管54とは別に、供給配管42に混入したエアArをタンク40に戻すための開閉弁、及び開閉弁が設けられる専用の配管を設ける構成に比べて、還元剤噴射システム20の構成を簡略化することができる。
(第2実施形態)
次に第2実施形態に係るポンプ制御部70について図9を用いて説明する。第2実施形態に係るポンプ制御部70は、第1実施形態に係るポンプ制御部70と比べて、噴射制御処理が異なる。以下では、第2実施形態に係る噴射制御処理について説明する。
図9に示すように、第2実施形態の噴射制御処理が、第1実施形態の噴射制御処理と異なる点は、駆動信号Smの設定方法である。なお図9において、先の図2で説明した内容と同一の内容については、説明を省略する。
ポンプ制御部70は、ステップS18で肯定判定すると、ステップS62に進み、エンジン30の運転状態に応じた噴射デューティ比Dmを設定する。続くステップS64では、ポンプ制御部70は、設定した噴射デューティ比Dmが所定の基準デューティ比Doよりも大きいかを判定する。所定の基準デューティ比Doは、噴射回転速度Npの変動量ΔNu、ΔNdを用いて供給配管42におけるエア混入の有無を適正に判定するための最小の噴射デューティ比Dmであり、本実施形態では「50%」に設定されている。なお、本実施形態において、基準デューティ比Doが「基準噴射量」に相当する。
ポンプ制御部70は、ステップS64で肯定判定すると、ステップS62で設定した噴射デューティ比Dmを用いて駆動信号Smを設定し(ステップS20)、設定した噴射デューティ比Dmに対応させて閾値Ru、Rdを設定する(ステップS24)。
一方、ポンプ制御部70は、ステップS64で否定判定すると、ステップS66に進み、噴射デューティ比Dmを基準デューティ比Doよりも大きい所定の目標デューティ比Dtgに再設定する。所定の目標デューティ比Dtgは、供給配管42におけるエア混入の有無を適正に判定するための十分な噴射回転速度Npの変動量ΔNu、ΔNdを発生させる噴射デューティ比Dmであり、本実施形態では「80%」に設定されている。つまり、ポンプ制御部70は、噴射デューティ比Dmが基準デューティ比Doよりも小さい場合に、噴射デューティ比Dmを基準デューティ比Doよりも大きく設定する。
ポンプ制御部70は、噴射デューティ比Dmを再設定すると、ステップS66で設定した噴射デューティ比Dmを用いて駆動信号Smを設定し(ステップS20)、ステップS66で設定した噴射デューティ比Dmに対応させて閾値Ru、Rdを設定する(ステップS24)。
以上説明したように、本実施形態では、エンジン30の運転状態に応じた噴射デューティ比Dmと基準デューティ比Doとを比較する。そして、噴射デューティ比Dmが基準デューティ比Doよりも小さい場合、噴射デューティ比Dmを基準デューティ比Doよりも大きい目標デューティ比Dtgに再設定する。
噴射デューティ比Dmと噴射回転速度Npの変動量ΔNとには相関があり、噴射デューティ比Dmが大きいほど、噴射回転速度Npの変動量ΔNが大きくなる。そのため、噴射デューティ比Dmが基準デューティ比Doよりも小さいと、噴射回転速度Npの変動量ΔNu、ΔNdを用いて供給配管42におけるエア混入の有無を精度よく判定することができない。
本実施形態では、エンジン30の運転状態に応じた噴射デューティ比Dmが基準デューティ比Doよりも低い場合には、噴射デューティ比Dmを基準デューティ比Doよりも大きい目標デューティ比Dtgに設定する。そのため、エンジン30の運転状態に応じた噴射デューティ比Dmが基準デューティ比Doよりも低い場合でも、供給配管42におけるエア混入の有無を精度よく判定することができる。
本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、次のように実施されてもよい。
液状の還元剤は、尿素水に限定されず、例えば、尿素水以外のアンモニア由来化合物を噴射するものであってもよい。
回転変動パラメータとして、上昇変動量ΔNuと下降変動量ΔNdとが算出される例を示したが、これに限られない。例えば、上昇変動量ΔNuと下降変動量ΔNdとの一方のみが算出されてもよい。また、上昇変動量ΔNuや下降変動量ΔNdと共に、又は、上昇変動量ΔNuや下降変動量ΔNdに代えて、噴射回転速度Npの最大回転速度Nuと最小回転速度Ndとの差の絶対値が算出されてもよい。この場合、基準回転速度Noは必ずしも取得されなくてもよい。
また、上昇変動量ΔNuや下降変動量ΔNdと共に、又は、上昇変動量ΔNuや下降変動量ΔNdに代えて、噴射回転速度Npが脈動する脈動期間を取得してもよい。供給配管42に混入しているエア混入量Axが多いと、供給配管42に混入しているエアArが抜けるまでの時間が長期化することにより、脈動期間が長くなる。つまり、上記脈動期間とエア混入量Axとは、脈動期間が長いほど、エア混入量Axが大きくなる関係を有する。そのため、噴射回転速度Npが脈動する脈動期間に基づいて供給配管42におけるエア混入の有無を判定することができる。
単位時間当たりの噴射量を、噴射デューティ比Dmで調整する例を示したが、これに限られず、例えば、噴射弁50の開放度合を示す噴射弁50の開度を調整してもよい。同様に、単位時間当たりのエア抜き量を、回収デューティ比Dcで調整する例を示したが、これに限られず、例えば、エア抜き弁60の開放度合を示すエア抜き弁60の開度を調整してもよい。
ポンプ制御部70は、エア抜き弁60を駆動させている間に亘って、噴射回転速度Npの変動量ΔNu、ΔNdを取得し続けてもよい。そして、エア抜き弁60の駆動により供給配管42に混入したエアArがタンク40に戻ることに伴って、噴射回転速度Npの変動量ΔNu、ΔNdが閾値Ru、Rdよりも小さくなった場合に、エア抜き弁60を停止させてもよい。
ΔN…変動量、30…エンジン、31a…排気通路、42…供給配管、44…ポンプ、50…噴射弁、70…ポンプ制御部。

Claims (4)

  1. 内燃機関(30)の排気通路(31a)に設けられ、排気中のNOxを浄化するNOx浄化触媒に液状の還元剤を噴射供給する噴射弁(50)と、還元剤通路(42)を介して前記噴射弁に対して前記還元剤を加圧供給するポンプ(44)と、を備える排気浄化システムに適用され、
    前記噴射弁の噴射に伴う前記ポンプの回転速度の変動量又はその相関値を回転変動パラメータ(ΔN)として取得する取得部(S28)と、
    前記回転変動パラメータに基づいて、前記還元剤通路におけるエア混入の有無を判定する判定部(S30)と、
    前記噴射弁における単位時間当たりの噴射量に応じて、前記エア混入の判定のための閾値(Ru、Rd)を設定する設定部(S20)と、
    を備え
    前記設定部は、前記内燃機関の運転状態に応じた前記単位時間当たりの噴射量が、所定の基準噴射量(Do)よりも小さい場合に、前記単位時間当たりの噴射量を前記基準噴射量よりも大きく設定するとともに、設定された前記単位時間当たりの噴射量に応じて前記閾値を設定し、
    前記判定部は、前記取得部により取得された前記回転変動パラメータと、前記設定部により設定された前記閾値との比較結果に基づいて、前記還元剤通路におけるエア混入の有無を判定する噴射制御装置。
  2. 前記排気浄化システムは、前記還元剤を貯えるタンク(40)と、前記還元剤通路に接続され前記タンクに通じるエア抜き通路(54)と、前記エア抜き通路に設けられ前記エア抜き通路を開閉するエア抜き弁(60)と、を備えており、
    単位時間当たりのエア抜き量(Dc)を可変に制御する制御部(S42)を備え、
    前記制御部は、前記判定部が前記還元剤通路にエアが有ると判定した場合に、前記判定部が前記還元剤通路にエアが無いと判定した場合に比べて、前記エア抜き量が大きくなるように制御する請求項1に記載の噴射制御装置。
  3. 前記判定部が前記還元剤通路にエアが有ると判定した場合に、前記取得部により取得された前記回転変動パラメータに基づいて、前記還元剤通路におけるエア混入量(Ax)を推定する推定部(S40)を備え、
    前記制御部は、前記推定部により推定された前記エア混入量に基づいて、前記判定部が前記還元剤通路にエアが有ると判定した場合における前記エア抜き量を設定する請求項2に記載の噴射制御装置。
  4. 前記排気浄化システムは、前記還元剤通路内の圧力を検出する圧力検出部(48)を備えており、
    前記噴射弁の噴射状態において前記圧力検出部により検出された前記還元剤の圧力が所定の目標圧力(Ptg)となるように、前記ポンプの駆動をフィードバック制御するフィードバック制御部(S16)を備え、
    前記取得部は、前記フィードバック制御部により前記還元剤通路内の圧力が前記目標圧力となった場合に、前記回転変動パラメータを取得する請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の噴射制御装置。
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