JP2005127262A - 液体判別装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 移動車両のエンジン排気系に配設されたＮＯｘ還元触媒に供給される液体を高精度に判別する。
【解決手段】 ＮＯｘ還元触媒に供給される液体が貯蔵される貯蔵タンクに、離間した２点間の熱伝達特性により液体還元剤の濃度を検出する濃度センサを取り付ける。そして、濃度センサから濃度を読み込み（Ｓ１）、その濃度が０％以下であれば液体は水であると判別する（Ｓ２，Ｓ３）。即ち、水を液体還元剤の濃度に換算すると０％であり、対流によって濃度が低下しても０％以下であることを利用する。また、濃度が所定濃度より大きければ（Ｓ４）、貯蔵タンク内の液体が空であるため濃度センサの出力が異常となったと考えられるので、液体は空であると判別する（Ｓ６）。一方、濃度が０％より大きくかつ所定濃度以下であれば（Ｓ２，Ｓ４）、濃度に誤差が含まれる可能性があるものの、液体は液体還元剤であると判別する（Ｓ５）。
【選択図】 図２

Description

本発明は、離間した２点間の熱伝達特性により液体還元剤の濃度を検出する濃度センサを利用し、移動車両のエンジン排気系に配設された窒素酸化物還元触媒に供給される液体を高精度に判別する技術に関する。

エンジンの排気に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去する触媒浄化システムとして、特開２０００−２７６２７号公報（特許文献１）に開示された排気浄化装置が提案されている。
かかる排気浄化装置は、エンジン排気系にＮＯｘ還元触媒を配設し、ＮＯｘ還元触媒の排気上流に還元剤を噴射供給することにより、排気中のＮＯｘと還元剤とを触媒還元反応させて、ＮＯｘを無害成分に浄化処理するものである。還元剤は、常温において液体状態で貯蔵タンクに貯蔵され、エンジン運転状態に対応した必要量が噴射ノズルから噴射供給される。また、還元反応は、ＮＯｘと反応性が良好なアンモニアを用いるもので、還元剤としては、排気熱及び排気中の水蒸気により加水分解してアンモニアを容易に発生する尿素水溶液，アンモニア水溶液，その他の還元剤水溶液（以下「液体還元剤」という）が用いられる。
特開２０００−２７６２７号公報

しかしながら、上記従来の排気浄化装置によると、何らかの要因により液体還元剤の濃度が変化したとき、これに気付かずエンジン運転を継続すると、ＮＯｘ還元触媒によるＮＯｘ還元効率が低下し、所要のＮＯｘ浄化性能を得られなくなるおそれがある。特に、液体還元剤における還元剤と水分との混合比率が不適正であったり、異種水溶液又は水の混入、液体還元剤の残量不足などが発生したにもかかわらず、エンジン運転を継続すると、ＮＯｘの大量放出を招くおそれがある。

このため、離間した２点間の熱伝達特性により液体還元剤の濃度を検出する濃度センサを貯蔵タンクに設けることが考えられるが、このような濃度センサを自動車などの移動車両に搭載すると、次のような不具合が発生してしまう。即ち、移動車両の走行中には、路面のうねりなどにより車体が絶えず振動するので、貯蔵タンク内の液体還元剤には対流が発生してしまう。液体還元剤に対流が発生すると、これを熱伝達媒体とした熱伝達特性が変化するため、液体還元剤の濃度検出精度が著しく低下してしまう。一方、ＮＯｘ還元触媒に液体還元剤が供給されなければＮＯｘ浄化が殆ど期待できないため、少なくとも、貯蔵タンク内の液体は水，液体還元剤又は空であるかを判別する必要がある。

そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、液体還元剤に対流が発生しているときには濃度が低めに検出されるという濃度センサの特性を利用し、移動車両のエンジン排気系に配設されたＮＯｘ還元触媒に供給される液体を高精度に判別可能な液体判別装置を提供することを目的とする。

このため、請求項１記載の発明では、エンジン排気系に配設された窒素酸化物還元触媒に供給される液体が貯蔵される貯蔵タンク内で、離間した２点間の熱伝達特性により液体還元剤の濃度を検出する濃度検出手段と、前記濃度検出手段により検出された濃度が、０％以下，０％より大きくかつ所定濃度以下及び所定濃度より大きいときに、前記貯蔵タンク内の液体は、夫々、水，液体還元剤及び空であると判別する判別手段と、を含んで構成されたことを特徴とする。

請求項２記載の発明では、前記濃度検出手段により検出された濃度が０％以下となった回数を計数する計数手段を備え、前記判別手段は、前記計数手段により計数された回数が所定回数以上になったときに、前記貯蔵タンク内の液体は水であると判別することを特徴とする。
請求項３記載の発明では、前記判別手段による判別結果を可視的に表示する表示手段が備えられたことを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、離間した２点間の熱伝達特性により検出された液体還元剤の濃度が、０％以下，０％より大きくかつ所定濃度以下及び所定濃度より大きいときに、貯蔵タンク内の液体は、夫々、水，液体還元剤及び空であると判別される。即ち、液体に対流が発生しているときには、離間した２点間で伝達されるべき熱量の一部が対流に乗って運ばれるため、一方から他方へと伝達される熱量が減少し、液体還元剤の濃度が低めに検出される。しかし、水を液体還元剤の濃度に換算すると０％であるので、対流の有無にかからわず、濃度が０％以下であれば貯蔵タンク内の液体は水であると判別することができる。また、窒素酸化物還元触媒に供給される液体還元剤は所定濃度を有するので、そこに対流が発生していて濃度が低めに検出されたとしても、所定濃度以上の濃度が検出されることはない。所定濃度以上の濃度が検出されたときは、濃度検出信号が異常であり、その要因として、貯蔵タンク内の液体が空であると考えられる。従って、濃度が所定濃度以上になったときには、貯蔵タンク内の液体は空であると判別することができる。一方、濃度が０％より大きくかつ所定濃度以下であれば、その濃度には誤差が含まれている可能性があるものの、貯蔵タンク内の液体は液体還元剤であると判別することができる。

従って、貯蔵タンク内の液体に対流が発生しているか否かにかかわらず、その液体が水，液体還元剤又は空のいずれかであるかを高精度に判別することができる。
請求項２記載の発明によれば、液体還元剤の濃度が０％以下になっても、直ぐ貯蔵タンク内の液体が空になったと判別せず、その回数が所定回数以上になったときに初めて空になったと判別される。このため、ノイズなどに起因する誤判別が低減し、液体判別精度を向上させることができる。

請求項３記載の発明によれば、貯蔵タンク内の液体判別結果が可視的に表示されるため、その中の液体がどのような状態にあるかを一目で把握可能であり、必要に応じて、液体還元剤を補充するなどの作業を行うことで、ＮＯｘ浄化性能を適正に維持することができる。

以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図１は、本発明に係る液体判別装置を備えた排気浄化装置の構成を示す。
エンジン１０の排気は、排気マニフォールド１２からＮＯｘ還元触媒１４が配設された排気管１６を経由して大気中に排出される。詳細には、排気管１６には、排気上流側から順に、一酸化窒素（ＮＯ）の酸化触媒，ＮＯｘの還元触媒及びスリップ式アンモニア酸化触媒の３つの触媒が配設され、その前後に温度センサ，酸素センサなどが配設されて排気系が構成されるが、詳細には図示していない。また、ＮＯｘ還元触媒１４の排気上流には、貯蔵タンク１８に貯蔵される液体還元剤が、還元剤供給装置２０及び噴射ノズル２２を経由して、空気と共に噴射供給される。ここで、液体還元剤としては、本実施形態では尿素水溶液を用いるが、アンモニア水溶液並びに炭化水素を主成分とする軽油，石油又はガソリンなどを用いるようにしてもよい。

尿素水溶液は、固体又は粉体の尿素を溶解した水溶液であって、貯蔵タンク１８の底部近くの下部位置に開口する吸込口２４から吸い込まれて、供給配管２６を通って還元剤供給装置２０に供給される。ここで、還元剤供給装置２０に供給された尿素水溶液のうち、噴射に寄与しない余剰のものは、戻り配管２８を通って貯蔵タンク１８の上部位置に開口する戻り口３０からその内部に戻される。

ＮＯｘ還元触媒１４の排気上流に噴射供給された尿素水溶液は、排気熱及び排気中の水蒸気により加水分解され、アンモニアが容易に発生する。発生したアンモニアは、ＮＯｘ還元触媒１４において、排気中のＮＯｘを反応し、水及び無害なガスに浄化されることは知られたことである。
また、貯蔵タンク１８には、尿素水溶液の濃度を検出する濃度センサ３２（濃度検出手段）が取り付けられる。即ち、貯蔵タンク１８の天壁に、回路基板が内蔵された基部３２Ａが固定されると共に、基部３２Ａから貯蔵タンク１８底部へと検出部３２Ｂが垂下される。

ここで、検出部３２Ｂとしては、離間した２位置に温度センサが夫々配設されると共に、その少なくとも一方に加熱ヒータが内蔵されたものを用いる。そして、一方の温度センサを加熱したとき、その熱が他方の温度センサに伝達される熱的特性により、尿素水溶液の濃度が検出される。具体的には、一方の温度センサに内蔵された加熱ヒータを所定時間ｔだけ作動させると、他方の温度センサでは、尿素水溶液の熱伝導率に応じた特性をもって徐々に温度が上昇する。そして、加熱ヒータを停止したときの温度上昇特性に応じて、尿素水溶液の濃度を検出することができる。なお、濃度センサ３２としては、三井金属鉱業（株）製造販売のものが知られている。

濃度センサ３２の出力信号は、コンピュータを内蔵した制御装置３４に入力される。また、制御装置３４には、エンジン１０の各種制御を行うエンジン制御装置３６から、ＣＡＮ（Controller Area Network）を介して、エンジン回転速度信号，燃料噴射量信号などのエンジン運転状態が入力される。そして、制御装置３４では、ＲＯＭ（Read Only Memory）に記憶された制御プラグラムにより、エンジン運転状態に応じて還元剤供給装置２０が制御されると共に、貯蔵タンク１８内の液体を判別するための各種機能（判別手段，計数手段及び表示手段）が実現される。

図２は、貯蔵タンク１８内の液体を判別するための液体判別処理を示す。
ステップ１（図では「Ｓ１」と略記する。以下同様）では、濃度センサ３２から尿素水溶液の濃度を読み込む。
ステップ２では、尿素水溶液の濃度が０％以下であるか否かを判定する。そして、尿素水溶液の濃度が０％以下であればステップ３へと進み（Ｙｅｓ）、貯蔵タンク１８内の液体は水であると判別する。一方、尿素水溶液の濃度が０％より大きければステップ４へと進む（Ｎｏ）。ここで、検出濃度が０％以下となる理由は、離間した２点間の熱伝達特性から所定規則により濃度を算出するためであり、実際に尿素水溶液の濃度がマイナスになるわけではない。

ステップ４では、尿素水溶液の濃度が所定濃度（例えば５０％）以下であるか否かを判定する。そして、尿素水溶液の濃度が所定濃度以下であればステップ５へと進み（Ｙｅｓ）、貯蔵タンク１８内の液体は尿素水溶液、換言すると、貯蔵タンク１８内には尿素水溶液があると判別する。一方、尿素水溶液の濃度が所定値より大きければステップ６へと進み（Ｎｏ）、貯蔵タンク１８内の液体は空であると判別する。

このような液体判別処理によれば、貯蔵タンク１８内の液体に対流が発生しているか否かにかかわらず、その液体は水，尿素水溶液又は空のいずれかであるかを高精度に判別することができる。即ち、液体に対流が発生しているときには、濃度センサ３２の加熱ヒータで発生した熱量の一部が対流に乗って運ばれるため、温度センサの一方から他方へと伝達される熱量が減少し、尿素水溶液の濃度が低めに検出される。しかし、水を尿素水溶液の濃度に換算すると０％であるので、対流の有無にかかわらず、濃度センサ３２により検出された濃度が０％以下であれば、貯蔵タンク１８内の液体は水であると判別することができる。また、排気浄化装置の還元触媒に供給される尿素水溶液は所定濃度を有するので、そこに対流が発生していて濃度が低めに検出されたとしても、所定濃度以上の濃度が検出されることはない。所定濃度以上の濃度が検出されたときは、濃度センサ３２の出力が異常であり、その要因として、貯蔵タンク１８内の液体が空であると考えられる。従って、濃度センサ３２により検出された濃度が所定濃度以上となったときには、貯蔵タンク１８内の液体は空であると判別することができる。一方、濃度センサ３２により検出された濃度が、０％より大きくかつ所定濃度以下であれば、その濃度には誤差が含まれている可能性があるものの、貯蔵タンク１８内の液体は尿素水溶液であると判別することができる。

なお、濃度センサ３２からの信号にノイズなどが重畳し、尿素水溶液の濃度、特に水判別が正確に行われない可能性を考慮し、尿素水溶液の濃度が０％以下となった回数を計数すると共に、その回数が所定回数以上になったときに、貯蔵タンク１８内の液体が空になったと判別するようにしてもよい。このようにすれば、ノイズなどに起因する誤判別を低減することができ、液体判別精度を向上させることができる。

また、貯蔵タンク１８内の液体判別結果を、例えば、移動車両のインストルメントパネルに、表示灯などをもって可視的に表示することが望ましい。このようにすれば、運転者は、貯蔵タンク１８内の液体がどのような状態にあるかを一目で把握でき、必要に応じて、貯蔵タンク１８に尿素水溶液を補充するなどの作業を行うことで、排気浄化装置によるＮＯｘ浄化性能を適正に維持することができる。

本発明に係る液体判別装置を備えた排気浄化装置の構成図 液体判別処理を示すフローチャート

符号の説明

１０ エンジン
１４ ＮＯｘ還元触媒
１６ 排気管
１８ 貯蔵タンク
３２ 濃度センサ
３４ 制御装置

Claims (3)

1. エンジン排気系に配設された窒素酸化物還元触媒に供給される液体が貯蔵される貯蔵タンク内で、離間した２点間の熱伝達特性により液体還元剤の濃度を検出する濃度検出手段と、
   前記濃度検出手段により検出された濃度が、０％以下，０％より大きくかつ所定濃度以下及び所定濃度より大きいときに、前記貯蔵タンク内の液体は、夫々、水，液体還元剤及び空であると判別する判別手段と、
   を含んで構成されたことを特徴とする液体判別装置。
2. 前記濃度検出手段により検出された濃度が０％以下となった回数を計数する計数手段を備え、
   前記判別手段は、前記計数手段により計数された回数が所定回数以上になったときに、前記貯蔵タンク内の液体は水であると判別することを特徴とする請求項１記載の液体判別装置。
3. 前記判別手段による判別結果を可視的に表示する表示手段が備えられたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の液体判別装置。

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