JP2011241692A - Ｓｃｒシステム - Google Patents

Abstract

【課題】尿素水の消費量が低減できるＳＣＲシステムを提供する。
【解決手段】エンジンＥの排気管１０２に設けられたＳＣＲ装置１０３と、ＳＣＲ装置１０３の上流側で尿素水を噴射するドージングバルブ１０４と、排気ガス中のＮＯｘ量に応じてＮＯｘ還元用の尿素水量を算出する尿素水量算出部１と、エンジンＥが過渡状態のときは尿素水量算出部１が算出した尿素水量に余裕量を加味し、エンジンＥが定常状態のときは尿素水量算出部１が算出した尿素水量にて、ドージングバルブ１０４から噴射する尿素水噴射量を制御する噴射量制御部２とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディーゼル車両の排気ガスに尿素水を噴射することで排ガス浄化を行うＳＣＲシステムに係り、尿素水の消費量が低減できるＳＣＲシステムに関する。

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ガス浄化システムとして、ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction；選択還元触媒）装置を用いたＳＣＲシステムが開発されている。

このＳＣＲシステムは、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（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−３０３８２６号公報 特開平８−２１３１３号公報

車両が一般道路を走行しているときには、加速・減速やシフトチェンジが頻繁に行われるため、これに伴ってエンジン回転数、トルクなどのエンジンパラメータが激しく変動する。エンジンパラメータが激しく変動するエンジンの制御状態を過渡（トランジェント）状態と呼ぶ。過渡状態では、図５のように、エンジン回転数とトルクの変化が激しい。なお、図５の限界線Ａは、エンジンの限界を示し、エンジン回転数とトルクのプロットは必ず線Ａの内側（左下）に入る。軌跡Ｐは、ある時間内にエンジン回転数とトルクのプロットが描いたものである。

エンジンが過渡状態であるとき、燃料噴射量も吸入空気量もブースト圧も激しく変化する。このためＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation；排気再循環）量が不安定となり、その結果、排気ガスの成分も不安定となり、ＮＯｘ量が頻繁に増減する。

一方、車両が高速道路を走行しているときには、加速・減速やシフトチェンジがあまりなく、車速がほぼ一定で走行抵抗もほぼ一定であるため、エンジンパラメータの変化が少ない。エンジンパラメータの変化が少ないエンジンの制御状態を定常（ステディ）状態と呼ぶ。定常状態では、図６のように、エンジン回転数とトルクの変化が穏やかである。すなわち、軌跡Ｐは、短く単調な線になるか、または一点に集中する。

エンジンが定常状態であるとき、燃料噴射量も吸入空気量もブースト圧もほぼ一定であり、ＥＧＲ量が安定して、排気ガスの成分も安定し、ＮＯｘ量がほぼ一定となる。

ところで、ＳＣＲシステムでは、排気ガス中のＮＯｘ量に応じてＮＯｘ還元用の尿素水量を算出し、この算出された量の尿素水をＳＣＲ装置の上流側に設置されたドージングバルブから噴射させる。

しかし、エンジンが過渡状態であるとき、排気ガスの成分が不安定でＮＯｘ量が頻繁に増減するため、尿素水噴射制御が応答できないような速さでＮＯｘ量が急増することがある。このように尿素水噴射制御が応答できないような速さでＮＯｘ量が急増してしまうと、浄化が不十分になってしまう。これに対処するために、例えば、前述の算出した尿素水量に対してマージンを考慮してあらかじめ余裕量を加味し、算出した尿素水量よりも多めの尿素水量を噴射するようにしておけば、尿素水噴射制御が応答できないような速さでＮＯｘ量が急増しても浄化は十分に行える。

ところが、余裕量を加味して多めの尿素水量を噴射するようにしてしまうと、ＮＯｘ量の急変がないエンジンの定常状態では、いつも余分な尿素水が噴射されていることになり、尿素水の消費量が増大する。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、尿素水の消費量が低減できるＳＣＲ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本発明は、エンジンの排気管に設けられた選択還元触媒装置と、前記選択還元触媒装置の上流側で尿素水を噴射するドージングバルブと、排気ガス中のＮＯｘ量に応じてＮＯｘ還元用の尿素水量を算出する尿素水量算出部と、前記エンジンが過渡状態のときは前記尿素水量算出部が算出した尿素水量に余裕量を加味し、前記エンジンが定常状態のときは前記尿素水量算出部が算出した尿素水量にて、前記ドージングバルブから噴射する尿素水噴射量を制御する噴射量制御部とを備えたものである。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）尿素水の消費量が低減できる。

本発明の一実施形態を示すＳＣＲシステムの要部構成図である。 本発明の一実施形態を示すＳＣＲシステムを詳しく示した構成図である。 図１のＳＣＲシステムの入出力構成図である。 エンジン状態に対応するためのＳＣＲ制御のモードを示す概念図である。 エンジンの過渡状態におけるエンジン回転数とトルクの遷移を示す図である。 エンジンの定常状態におけるエンジン回転数とトルクの遷移を示す図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１及び図２に示されるように、本発明に係るＳＣＲシステム１００は、エンジンＥの排気管１０２に設けられたＳＣＲ装置１０３と、ＳＣＲ装置１０３の上流側で尿素水を噴射するドージングバルブ１０４と、排気ガス中のＮＯｘ量に応じてＮＯｘ還元用の尿素水量を算出する尿素水量算出部１と、エンジンＥが過渡状態のときは尿素水量算出部１が算出した尿素水量に余裕量を加味し、エンジンＥが定常状態のときは尿素水量算出部１が算出した尿素水量にて、ドージングバルブ１０４から噴射する尿素水噴射量を制御する噴射量制御部２とを備える。

本実施形態のＳＣＲシステム１００は、エンジンＥが過渡状態であるときに、ＳＣＲモードで尿素水噴射を制御し、エンジンＥが定常状態のときに、オルタネイティブモードで尿素水噴射を制御するようになっている。ＳＣＲモードは、尿素水量算出部１が算出した尿素水量に余裕量を加味した尿素水量がドージングバルブ１０４から噴射されるモードであり、オルタネイティブモードは、尿素水量算出部１が算出した尿素水量がそのまま余裕量を加味されずドージングバルブ１０４から噴射されるモードである。なお、加味する余裕量は、あらかじめ実験により調べた最適な値が設定されているものとする。

詳しくは、図２に示すように、ＳＣＲシステム１００は、エンジンＥの排気管１０２に設けられたＳＣＲ装置１０３と、ＳＣＲ装置１０３の上流側（排気ガスの上流側）で尿素水を噴射するドージングバルブ（尿素噴射装置、ドージングモジュール）１０４と、尿素水を貯留する尿素タンク１０５と、尿素タンク１０５に貯留された尿素水をドージングバルブ１０４に供給するサプライモジュール１０６と、ドージングバルブ１０４やサプライモジュール１０６等を制御するＤＣＵ（Dosing Control Unit）１２６とを主に備える。

エンジンＥの排気管１０２には、排気ガスの上流側から下流側にかけて、ＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst；酸化触媒）１０７、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）１０８、ＳＣＲ装置１０３が順次配置される。ＤＯＣ１０７は、エンジンＥから排気される排気ガス中のＮＯを酸化してＮＯ₂とし、排気ガス中のＮＯとＮＯ₂の比率を制御してＳＣＲ装置１０３における脱硝効率を高めるためのものである。また、ＤＰＦ１０８は、排気ガス中のＰＭ（Particulate Matter）を捕集するためのものである。

ＳＣＲ装置１０３の上流側の排気管１０２には、ドージングバルブ１０４が設けられる。ドージングバルブ１０４は、高圧の尿素水が満たされたシリンダに噴口が設けられ、その噴口を塞ぐ弁体がプランジャに取り付けられた構造となっており、コイルに通電することによりプランジャを引き上げることで弁体を噴口から離間させて尿素水を噴射するようになっている。コイルへの通電を止めると、内部のバネ力によりプランジャが引き下げられて弁体が噴口を塞ぐので尿素水の噴射が停止される。

ドージングバルブ１０４の上流側の排気管１０２には、ＳＣＲ装置１０３の入口における排気ガスの温度（ＳＣＲ入口温度）を測定する排気温度センサ１０９が設けられる。また、ＳＣＲ装置１０３の上流側（ここでは排気温度センサ１０９の上流側）には、ＳＣＲ装置１０３の上流側でのＮＯｘ濃度を検出する上流側ＮＯｘセンサ１１０が設けられ、ＳＣＲ装置１０３の下流側には、ＳＣＲ装置１０３の下流側でのＮＯｘ濃度を検出する下流側ＮＯｘセンサ１１１が設けられる。

サプライモジュール１０６は、尿素水を圧送するＳＭポンプ１１２と、サプライモジュール１０６の温度（サプライモジュール１０６を流れる尿素水の温度）を測定するＳＭ温度センサ１１３と、サプライモジュール１０６内における尿素水の圧力（ＳＭポンプ１１２の吐出側の圧力）を測定する尿素水圧力センサ１１４と、尿素水の流路を切り替えることにより、尿素タンク１０５からの尿素水をドージングバルブ１０４に供給するか、あるいはドージングバルブ１０４内の尿素水を尿素タンク１０５に戻すかを切り替えるリバーティングバルブ１１５とを備えている。ここでは、リバーティングバルブ１１５がＯＮのとき、尿素タンク１０５からの尿素水をドージングバルブ１０４に供給するようにし、リバーティングバルブ１１５がＯＦＦのとき、ドージングバルブ１０４内の尿素水を尿素タンク１０５に戻すようにした。

リバーティングバルブ１１５が尿素水をドージングバルブ１０４に供給するように切り替えられている場合、サプライモジュール１０６は、そのＳＭポンプ１１２にて、尿素タンク１０５内の尿素水を送液ライン（サクションライン）１１６を通して吸い上げ、圧送ライン（プレッシャーライン）１１７を通してドージングバルブ１０４に供給するようにされ、余剰の尿素水を、回収ライン（バックライン）１１８を通して尿素タンク１０５に戻すようにされる。

尿素タンク１０５には、ＳＣＲセンサ１１９が設けられる。ＳＣＲセンサ１１９は、尿素タンク１０５内の尿素水の液面高さ（レベル）を測定するレベルセンサ１２０と、尿素タンク１０５内の尿素水の温度を測定する温度センサ１２１と、尿素タンク１０５内の尿素水の品質を測定する品質センサ１２２とを備えている。品質センサ１２２は、例えば、超音波の伝播速度や電気伝導度から、尿素水の濃度や尿素水に異種混合物が混合されているか否かを検出し、尿素タンク１０５内の尿素水の品質を検出するものである。

尿素タンク１０５とサプライモジュール１０６には、エンジンＥを冷却するための冷却水を循環する冷却ライン１２３が接続される。冷却ライン１２３は、尿素タンク１０５内を通り、冷却ライン１２３を流れる冷却水と尿素タンク１０５内の尿素水との間で熱交換するようにされる。同様に、冷却ライン１２３は、サプライモジュール１０６内を通り、冷却ライン１２３を流れる冷却水とサプライモジュール１０６内の尿素水との間で熱交換するようにされる。

冷却ライン１２３には、尿素タンク１０５とサプライモジュール１０６に冷却水を供給するか否かを切り替えるタンクヒーターバルブ（クーラントバルブ）１２４が設けられる。なお、ドージングバルブ１０４にも冷却ライン１２３が接続されるが、ドージングバルブ１０４には、タンクヒーターバルブ１２４の開閉に拘わらず、冷却水が供給されるように構成されている。なお、図２では図を簡略化しており示されていないが、冷却ライン１２３は、尿素水が通る送液ライン１１６、圧送ライン１１７、回収ライン１１８に沿って配設される。

図３に、ＤＣＵ１２６の入出力構成図を示す。

図３に示すように、ＤＣＵ１２６には、上流側ＮＯｘセンサ１１０、下流側ＮＯｘセンサ１１１、ＳＣＲセンサ１１９（レベルセンサ１２０、温度センサ１２１、品質センサ１２２）、排気温度センサ１０９、サプライモジュール１０６のＳＭ温度センサ１１３と尿素水圧力センサ１１４、およびエンジンＥを制御するＥＣＭ（Engine Control Module）１２５からの入力信号線が接続されている。ＥＣＭ１２５からＤＣＵ１２６には、状態を表す信号、エンジンパラメータの信号が入力される。

また、ＤＣＵ１２６には、タンクヒーターバルブ１２４、サプライモジュール１０６のＳＭポンプ１１２とリバーティングバルブ１１５、ドージングバルブ１０４、上流側ＮＯｘセンサ１１０のヒータ、下流側ＮＯｘセンサ１１１のヒータ、への出力信号線が接続される。なお、ＤＣＵ１２６と各部材との信号の入出力に関しては、個別の信号線を介した入出力、ＣＡＮ（Controller Area Network）を介した入出力のどちらであってもよい。

ＤＣＵ１２６の尿素水量算出部１は、ＥＣＭ１２５からのエンジンパラメータの信号と、排気温度センサ１０９からの排気ガス温度とを基に、排気ガス中のＮＯｘの量を推定すると共に、推定した排気ガス中のＮＯｘの量を基にドージングバルブ１０４から噴射する尿素水量を決定するようにされ、さらに、ドージングバルブ１０４にて決定した尿素水量で噴射したとき、上流側ＮＯｘセンサ１１０の検出値に基づいてドージングバルブ１０４を制御して、ドージングバルブ１０４から噴射する尿素水量を調整するようにされる。

以下、本発明のＳＣＲシステム１００の動作を説明する。

図４に示されるように、ＥＣＭ１２５は、エンジン回転数、トルク、アクセル開度等のエンジンパラメータが単位時間に所定値以上変化すると、エンジンＥが過渡状態であると判断し、エンジンパラメータの変化が所定値未満であればエンジンＥが定常状態であると判断する。

エンジンＥの状態は、ＥＣＭ１２５からＤＣＵ１２６に通知される。

一方、ＤＣＵ１２６では、尿素水量算出部１が排気ガス中のＮＯｘ量に応じてＮＯｘ還元用の尿素水量を算出する。ここで算出される尿素水量は、排気ガス中のＮＯｘ量に過不足なく見合う量である。

ＤＣＵ１２６では、エンジンＥが過渡状態のときは、ＳＣＲモードで尿素水噴射を制御することになる。すなわち、噴射量制御部２は、尿素水量算出部１が算出した尿素水量に余裕量を加味し、ドージングバルブ１０４から噴射する尿素水噴射量を制御する。

ここで、エンジンＥが過渡状態のときは、ＥＧＲ量が不安定となり、排気ガス中のＮＯｘ量が頻繁に増減する。このとき、噴射量制御部２は、尿素水量算出部１が算出した尿素水量に余裕量を加味し、尿素水量算出部１が算出した尿素水量よりも多めの尿素水量を噴射するように制御するので、排気ガス中のＮＯｘ量が急増しても浄化は十分に行える。

これに対し、エンジンＥが定常状態のときは、オルタネイティブモードで尿素水噴射を制御することになる。すなわち、噴射量制御部２は、尿素水量算出部１が算出した尿素水量にて、ドージングバルブ１０４から噴射する尿素水噴射量を制御する。

エンジンＥが定常状態のときは、ＥＧＲ量が安定して、排気ガス中のＮＯｘ量がほぼ一定となる。このとき、噴射量制御部２は、尿素水量算出部１が算出した尿素水量にて尿素水噴射量を制御するので、余分な尿素水が噴射されることがない。もちろん、ＮＯｘ量が急増することはないので、浄化は十分に行える。

以上説明したように、本発明のＳＣＲシステム１００によれば、エンジンＥが過渡状態のときは尿素水量算出部１が算出した尿素水量に余裕量を加味し、エンジンＥが定常状態のときは尿素水量算出部１が算出した尿素水量にて、ドージングバルブ１０４から噴射する尿素水噴射量を制御するようにしたので、エンジン状態に拘わらず常時、余裕量を加味する制御に比べると、エンジンＥが定常状態のときに余裕量を加味しない結果、尿素水の消費量が低減できる。

１ 尿素水量算出部
２ 噴射量制御部
１００ ＳＣＲシステム
１０３ ＳＣＲ装置
１０４ ドージングバルブ
１２５ ＥＣＭ
１２６ ＤＣＵ

Claims (1)

1. エンジンの排気管に設けられた選択還元触媒装置と、
   前記選択還元触媒装置の上流側で尿素水を噴射するドージングバルブと、
   排気ガス中のＮＯｘ量に応じてＮＯｘ還元用の尿素水量を算出する尿素水量算出部と、 前記エンジンが過渡状態のときは前記尿素水量算出部が算出した尿素水量に余裕量を加味し、前記エンジンが定常状態のときは前記尿素水量算出部が算出した尿素水量にて、前記ドージングバルブから噴射する尿素水噴射量を制御する噴射量制御部とを備えたことを特徴とするＳＣＲシステム。

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