JP2009209765A - 尿素水濃度の推定方法および推定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】濃度センサを用いずに尿素水の濃度を推定する。
【解決手段】機関排気通路内にＮＯ_X選択還元触媒１５を配置し、ＮＯ_X選択還元触媒１５上流の機関排気通路内に尿素水タンク１９内の尿素水を供給する。尿素タンク１９内に冷凍室２３を形成する。尿素水の濃度を求めるときには冷凍室２３内の尿素水を凝固させ、次いで凝固した冷凍室２３内の尿素水を融解させる。このとき温度センサ２５により検出された融解中の冷凍室２３内の尿素水の温度から尿素水の濃度を推定する。
【選択図】図１

Description

本発明は尿素水濃度の推定方法および推定装置に関する。

排気ガスの流通路内に尿素水を供給して供給された尿素水により排気ガス中に含まれるＮＯ_Xを浄化するようにしたＮＯ_X浄化装置において、供給すべき尿素水を貯留している尿素水タンク内に尿素水濃度を検出するための濃度センサを取付けたＮＯ_X浄化装置が公知である（例えば特許文献１を参照）。このＮＯ_X浄化装置では濃度センサによって尿素水タンク内に正規の濃度を有する尿素水が貯留されているか否かを判断することができる。
特開２００６−１４４５６２号公報

しかしながら尿素水の濃度センサは極めて高価であり、従って実際には濃度センサを用いることは困難である。
本発明は高価な濃度センサを用いることなく廉価な方法で尿素水の濃度を推定することのできる尿素水濃度の推定方法および推定装置を提供することにある。

本発明によれば、尿素水供給装置内に貯留されている尿素水の少なくとも一部を凝固又は融解させ、凝固中又は融解中の尿素水の温度から尿素水の濃度を推定するようにしている。
更に本発明によれば、尿素水供給装置内に尿素水が貯留されており、貯留されている尿素水の少なくとも一部を凝固又は融解させたときに凝固中又は融解中の尿素水の温度を検出しうる温度センサを具備しており、温度センサにより検出された凝固中又は融解中の尿素水の温度から尿素水の濃度を推定するようにしている。

濃度センサを用いることなく尿素水の濃度を推定することができる。

図１に圧縮着火式内燃機関の全体図を示す。
図１を参照すると、１は機関本体、２は各気筒の燃焼室、３は各燃焼室２内に夫々燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、４は吸気マニホルド、５は排気マニホルドを夫々示す。吸気マニホルド４は吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結され、コンプレッサ７ａの入口は吸入空気量検出器８を介してエアクリーナ９に連結される。吸気ダクト６内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁１０が配置され、更に吸気ダクト６周りには吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１１が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置１１内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。

一方、排気マニホルド５は排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂの入口に連結され、排気タービン７ｂの出口は酸化触媒１２の入口に連結される。この酸化触媒１２の下流には酸化触媒１２に隣接して排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するためのパティキュレートフィルタ１３が配置され、このパティキュレートフィルタ１３の出口は排気管１４を介してＮＯ_X選択還元触媒１５の入口に連結される。このＮＯ_X選択還元触媒１５の出口には酸化触媒１６が連結される。

また、図１に示されるように本発明による実施例では尿素水供給装置１７が設けられている。この尿素水供給装置１７はＮＯ_X選択還元触媒１５上流の排気管１４内に配置された尿素水供給弁１８と、尿素水タンク１９と、尿素水タンク１９に取付けられている供給ポンプ２０と、供給ポンプ２０から尿素水供給弁１８まで延びる尿素水供給管２１からなる。尿素水タンク１９内に貯留されている尿素水は供給ポンプ２０によって尿素水供給弁１８から排気管１４内を流れる排気ガス中に噴射され、尿素から発生したアンモニア（（ＮＨ₂）₂ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→２ＮＨ₃＋ＣＯ₂）によって排気ガス中に含まれるＮＯ_XがＮＯ_X選択還元触媒１５において還元される。

一方、図１に示されるように尿素水タンク１９には冷凍装置２２が取付けられている。図１に示される実施例ではこの冷凍装置２２は尿素水タンク１９内の底部に形成された冷凍室２３と、冷凍室２３の周壁内に冷媒を供給するための冷凍機２４からなる。この冷凍室２３の内部は尿素水タンク１９内に連通しており、従ってこの冷凍室２３内は尿素水で満たされている。

冷凍室２３内には冷凍室２３内の尿素水の温度を検出するための温度センサ２５が配置されている。また、尿素水タンク１９内には凝固した尿素水を融解させるためにヒータ２６が配置されている。

一方、排気マニホルド５と吸気マニホルド４とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路２７を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２７内には電子制御式ＥＧＲ制御弁２８が配置される。また、ＥＧＲ通路２７周りにはＥＧＲ通路２７内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２９が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置２９内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁３は燃料供給管３０を介してコモンレール３１に連結され、このコモンレール３１は電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ３２を介して燃料タンク３３に連結される。燃料タンク３３内に貯蔵されている燃料は燃料ポンプ３２によってコモンレール３１内に供給され、コモンレール３１内に供給された燃料は各燃料供給管３０を介して燃料噴射弁３に供給される。

電子制御ユニット４０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス４１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）４２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）４４、入力ポート４５および出力ポート４６を具備する。尿素水タンク１９内に配置された温度センサ２５および吸入空気量検出器８の出力信号は夫々対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。また、アクセルペダル５０にはアクセルペダル５０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ５１が接続され、負荷センサ５１の出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。更に入力ポート４５にはクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ５２が接続される。一方出力ポート４６は対応する駆動回路４８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁１０の駆動用ステップモータ、尿素水供給弁１８、供給ポンプ２０、冷凍機２４、ヒータ２６、ＥＧＲ制御弁２８および燃料ポンプ３２に接続される。

酸化触媒１２は例えば白金のような貴金属触媒を担持しており、この酸化触媒１２は排気ガス中に含まれるＮＯをＮＯ₂に転換する作用と排気ガス中に含まれるＨＣを酸化させる作用をなす。即ち、ＮＯ₂はＮＯよりも酸化性が強く、従ってＮＯがＮＯ₂に転換されるとパティキュレートフィルタ１３上に捕獲された粒子状物質の酸化反応が促進され、またＮＯ_X選択還元触媒１５でのアンモニアによる還元作用が促進される。一方、アンモニアが吸着するタイプのＮＯ_X選択還元触媒１５ではＨＣが吸着するとアンモニアの吸着量が減少するためにＮＯ_X浄化率が低下する。従ってこのようなＮＯ_X選択還元触媒を用いた場合には酸化触媒１２によりＨＣを酸化することによってＮＯ_X浄化率が低下するのが阻止される。

パティキュレートフィルタ１３としては触媒を担持していないパティキュレートフィルタを用いることもできるし、例えば白金のような貴金属触媒を担持したパティキュレートフィルタを用いることもできる。一方、ＮＯ_X選択還元触媒１５は低温で高いＮＯ_X浄化率を有するアンモニア吸着タイプのＦｅゼオライトから構成することもできるし、アンモニアの吸着機能がないチタニア・バナジウム系の触媒から構成することもできる。酸化触媒１６は例えば白金からなる貴金属触媒を担持しており、この酸化触媒１６はＮＯ_X選択還元触媒１５から漏出したアンモニアを酸化する作用をなす。

図２（Ａ）は尿素水の濃度（重量％）と尿素水の凝固温度（℃）との関係を示している。図２に示されるように尿素水の凝固温度は尿素水の濃度Ｄが３２．５（ｗ％）のときに最も低くなり、このときの凝固温度はほぼ−１１℃である。内燃機関において尿素水を使用する場合には尿素水ができる限り凍結しないことが好ましく、従って通常内燃機関においては濃度が３２．５（ｗ％）の尿素水が使用されている。

さて、内燃機関では濃度が３２．５（ｗ％）の尿素水が使用されたときに生成されるアンモニアが過剰とならず、良好なＮＯ_X浄化作用が得られるように尿素水の供給量が制御されている。この場合、例えば濃度の薄い尿素水が不正使用されるとＮＯ_Xの浄化作用が良好に行われなくなるためにＮＯ_X浄化率が低下するという問題を生ずる。一方、濃度の濃い尿素水が不正使用されると多量の余剰のアンモニアがＮＯ_X選択還元触媒１５から流出する危険性がある。

従って使用している尿素水の濃度が３２．５（ｗ％）であるか否か、即ち正規の濃度の尿素水が使用されているか否かを判断する必要がある。ところで図２（Ａ）に示されるように尿素水濃度Ｄに応じて尿素水の凝固温度が変化し、従って尿素水の凝固温度がわかれば尿素水濃度Ｄがわかることになる。そこで本発明では尿素水の凝固温度を検出し、この検出された尿素水の凝固温度から尿素水濃度Ｄを推定するようにしている。

次に図２（Ｂ）を参照しつつ尿素水の凝固温度の検出方法について説明する。図２（Ｂ）は凝固している尿素水が周囲から熱を吸収して液状になるまでの尿素水温度ＴＷの時間的変化を示している。即ち、図２（Ｂ）において時刻ｔ₁前は尿素水全体が凝固している状態を示しており、このときには時間が経過するにつれて凝固尿素水の温度ＴＷが上昇する。次いで時刻ｔ₁に達すると凝固している尿素水の融解作用が開始される。

尿素水の融解作用が開始されると融解中は、即ち時刻ｔ₂までは尿素水温度ＴＷは変化しない。次いで時刻ｔ₂になると凝固尿素水の全てが融解する。凝固尿素水の全てが融解すると尿素水温度ＴＷは時間の経過と共に上昇する。一方、液状の尿素水を冷却すると尿素水の温度ＴＷは図２（Ｂ）に示す実線に沿って右から左に変化する。即ち、この場合はｔ₂において尿素水の凝固作用が開始され、ｔ₂から全ての尿素水が凝固するｔ₁までの間は、即ち凝固中は尿素水温度ＴＷは変化しない。

凝固中において尿素水温度ＴＷが変化しないときの温度が尿素水の凝固温度である。従って凝固中の尿素水温度ＴＷから図２（Ａ）に示す関係を用いて尿素水濃度Ｄが推定できることになる。一方融解中において尿素水温度ＴＷが変化しないときの温度が尿素水の融解温度であり、この融解温度と凝固温度とは同一である。従って融解中の尿素水温度ＴＷから図２（Ａ）に示す関係を用いて尿素水濃度Ｄが推定できることになる。

図１に示す実施例において尿素水タンク１９内の尿素水は通常凝固していない。従って第１の例においては冷凍装置２２によって冷凍室２３内の尿素水を凝固させ、凝固中の冷凍室２３内の尿素水の温度ＴＷから尿素水の濃度Ｄが推定される。また、別の例では冷凍室２３内の尿素水全体を一旦凝固させた後に、自然に、或いはヒータ２６を発熱させて凝固した尿素水を融解させ、融解中の冷凍室２３内の尿素水の温度ＴＷから尿素水の濃度Ｄが推定される。

また、別の例では尿素水タンク１９内の尿素水が自然に凝固したときにヒータ２６を発熱させて尿素水タンク１９内の尿素水を融解させ、融解中の尿素水の温度ＴＷから尿素水の濃度Ｄが推定される。なお、尿素水の濃度Ｄを推定するために凝固或いは融解させる尿素水は必ずしも尿素水タンク１９内の尿素水である必要はなく、尿素水供給装置１７の他の場所に貯留されている尿素水でもよい。

従って本発明では、尿素水供給装置１７内に貯留されている尿素水の少なくとも一部を凝固又は融解させ、凝固中又は融解中の尿素水の温度ＴＷから尿素水の濃度Ｄを推定していることになる。なお、図１に示される例では尿素水供給装置１７の一部を構成する尿素水タンク１９内に貯留されている尿素水の一部を凝固させ、次いで凝固した尿素水の一部を融解させると共に融解中の尿素水の温度ＴＷから尿素水の濃度Ｄを推定するようにしている。

別の言い方をすると本発明では、尿素水供給装置１７内に尿素水が貯留されており、貯留されている尿素水の少なくとも一部を凝固又は融解させたときに凝固中又は融解中の尿素水の温度を検出しうる温度センサ２５が設けられており、この温度センサ２５により検出された凝固中又は融解中の尿素水の温度ＴＷから尿素水の濃度Ｄを推定するようにしている。

図３は、一例として冷凍室２３内の尿素水が凝固していない場合には冷凍室２３内の尿素水を凝固させた後に融解させるようにした場合の尿素水の融解制御ルーチンを示しており、図４はこの場合の尿素水濃度の算出ルーチンを示している。なお、図３および図４に示されるルーチンはいずれも一定時間毎の割込みによって実行される。

図３を参照するとまず初めにステップ６０において尿素水の融解制御が完了したか否かが判別される。尿素水の融解制御が完了していないときにはステップ６１に進んで温度センサ２５により冷凍室２３内の尿素水の温度ＴＷが検出される。次いでステップ６２では尿素水の温度ＴＷが、冷凍装置２２による冷凍作用を開始すべきか否かの基準となる温度、例えば−１３℃よりも低いか否かが判別される。ＴＷ≧−１３℃のときには冷凍作用を開始すべきであると判断され、ステップ６３に進んで冷凍作用が開始される。次いでＴＷ＜−１３℃になるとステップ６４に進んで冷凍作用が停止される。このときには冷凍室２３の尿素水全体が凝固している。

一方、図３に示されるルーチンが開始されて初めてステップ６２に進んだときにＴＷ＜−１３℃であると判別されたときにはステップ６４に進む。このときには冷凍作用は停止した状態に維持される。続くステップ６５では凝固した尿素水を融解するためにヒータ２６による尿素水の加熱作用が開始される。次いでステップ６６では尿素水濃度を算出すべきことを示す検出フラグがセットされる。次いでステップ６７では冷凍室２３内の尿素水の温度ＴＷが一定温度、例えば０℃以上になったか否かが判別される。ＴＷ≧０℃になったときにはステップ６８に進んでヒータ２６による加熱作用が停止され、次いでステップ６９において尿素水の融解制御が完了したと判断される。

次に図４を参照するとまず初めにステップ７０において図３に示すルーチンにおいてセットされる検出フラグがセットされているか否かが判別される。検出フラグがセットされたときにはステップ７１に進んで温度センサ２５により冷凍室２３内の尿素水の温度ＴＷが検出される。次いでステップ７２ではステップ７１において検出された尿素水の温度ＴＷと前回の割込み時に検出された尿素水の温度ＴＷ₁との温度差ΔＴＷが算出される。次いでステップ７３ではこの温度差ΔＴＷが零であるか否か、即ち前回の割込み時から今回の割込み時の間で尿素水の温度ＴＷが変化しなかったか否かが判別される。温度差ΔＴＷが零でないときにはステップ７４に進んで経過時間ｔが零とされ、次いでステップ７５において今回検出された尿素水の温度ＴＷがＴＷ₁とされる。

これに対し、温度差ΔＴＷが零のときにはステップ７６に進んで経過時間ｔがΔｔだけ増大せしめられ、次いでステップ７７では経過時間ｔが予め定められた設定時間ｔ₀を越えたか否かが判別される。ｔ＜ｔ₀のときにはステップ７５に進む。これに対し、ｔ≧ｔ₀になったときには尿素水が凝固中であると判断され、このときにはステップ７８に進んで図２（Ａ）に示されるようにこのときの尿素水の温度ＴＷ_kから図２（Ａ）に示す関係を用いて例えば低い方の尿素水の濃度Ｄ_kが算出される。次いでステップ７９では低い方の尿素水の濃度Ｄ_kが予め定められている濃度ＤＸよりも低いか否かが判別される。Ｄ_k＞ＤＸのときにはステップ８１にジャンプする。これに対し、Ｄ_k≦ＤＸのときにはステップ８０に進んで尿素水が異常であることを示す警報が発せられ、ステップ８１に進む。ステップ８１では検出フラグがリセットされる。

圧縮着火式内燃機関の全体図である。 尿素水濃度と凝固温度との関係等を示す図である。 尿素水の融解制御を実行するためのフローチャートである。 尿素濃度を算出するためのフローチャートである。

符号の説明

１２，１６ 酸化触媒
１３ パティキュレートフィルタ
１５ ＮＯ_X選択還元触媒
１７ 尿素水供給装置
１８ 尿素水供給弁
１９ 尿素水タンク
２２ 冷凍装置
２３ 冷凍室
２５ 温度センサ
２６ ヒータ

Claims (6)

1. 尿素水供給装置内に貯留されている尿素水の少なくとも一部を凝固又は融解させ、凝固中又は融解中の尿素水の温度から尿素水の濃度を推定するようにした尿素水濃度の推定方法。
2. 尿素水供給装置の一部を構成する尿素水タンク内に貯留されている尿素水の一部を凝固させ、次いで凝固した該尿素水の一部を融解させると共に融解中の尿素水の温度から尿素水の濃度を推定するようにした請求項１に記載の尿素水濃度の推定方法。
3. 尿素水供給装置内に尿素水が貯留されており、貯留されている尿素水の少なくとも一部を凝固又は融解させたときに凝固中又は融解中の尿素水の温度を検出しうる温度センサを具備しており、該温度センサにより検出された凝固中又は融解中の尿素水の温度から尿素水の濃度を推定するようにした尿素水濃度の推定装置。
4. 上記尿素水供給装置が尿素水タンクを具備しており、該尿素水タンク内に貯留されている尿素水の一部を凝固させるための冷凍装置を具備しており、凝固した該尿素水の一部を融解させたときに上記温度センサにより検出された融解中の尿素水の温度から尿素水の濃度を推定するようにした請求項３に記載の尿素水濃度の推定装置。
5. 上記冷凍装置は尿素水タンク内の底部に形成されかつ尿素水で満たされている冷凍室を具備しており、該冷凍室内の尿素水を凝固させ、凝固した該冷凍室内の尿素水を融解させたときに上記温度センサにより検出された融解中の冷凍室内の尿素水の温度から尿素水の濃度を推定するようにした請求項４に記載の尿素水濃度の推定装置。
6. 凝固した尿素水を融解させるためにヒータを具備している請求項４に記載の尿素水濃度の推定装置。

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