JP2011247141A - Scrシステム - Google Patents

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Abstract

【課題】エンジンの運転状態によらずNOx濃度を精度よく検出可能な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、排気管102に設けられたNOxセンサ110と、NOxセンサ110で検出したNOx濃度の検出値に応じて尿素水噴射量を制御する尿素水噴射制御部127と、を備えたSCRシステムにおいて、NOxセンサ110を設けた位置での排気管102内の圧力であるNOxセンサ圧力を推定する圧力推定部131と、圧力推定部131が推定したNOxセンサ圧力に応じて、NOxセンサ110が検出したNOx濃度の検出値を補正するNOx濃度検出値補正部136と、を備えた。
【選択図】図1

Description

本発明は、エンジンの排ガス中のNOxを尿素水を用いて還元するSCRシステムに係り、特に、エンジンの運転状態によらずNOx濃度を精度よく検出可能なSCRシステムに関するものである。
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)。
SCRシステムでは、尿素水の噴射は排気ガス中のNOx濃度に応じて制御される。この制御のために、排気管にはNOxセンサが設けられる。
NOxセンサでは、排気ガス中のO2を除去した後、そのO2を除去した排気ガス中のNOxをN2とO2に分解させ、そのNOxをN2とO2に分解させた排気ガス中のO2濃度を検出することにより、NOx濃度を検出するようになっている。
特開2000−303826号公報
ところで、NOxセンサは、圧力によりNOx濃度の検出値が変動するという特性を有している。一般に、NOxセンサは、大気圧(1atm)でNOx濃度を検出するよう設計されているため、大気圧と大きく異なる圧力下でNOx濃度を測定すると、NOx濃度の検出値の誤差が大きくなってしまう(圧力が高くなるほどNOx濃度の検出値が高くなってしまう)という問題がある。
SCRシステムに用いられるNOxセンサは、エンジンの排気管に設けられるが、エンジンの排気管における圧力、すなわち排気ガスの圧力は、エンジンの運転状態によって大きく変動することから、NOxセンサにてNOx濃度を精度よく検出できないという問題がある。
NOxセンサで検出したNOx濃度は、尿素水噴射量の制御やOBD(On-Board Diagnostics)診断(自己故障診断)に用いられる。よって、NOx濃度を精度よく検出できないと、尿素水噴射量の制御が正常に行われず、過剰な噴射量で尿素水の噴射が行われたり、逆に尿素水の噴射量が低下してNOx浄化率が低下してしまう問題が生じる。さらには、正常に自己故障診断を行うことができなくなるという問題も生じる。
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、エンジンの運転状態によらずNOx濃度を精度よく検出可能なSCRシステムを提供することにある。
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、エンジンの排気管に設けられたSCR(選択還元触媒)装置と、前記SCR装置の上流側で尿素水を噴射するドージングバルブと、前記排気管に設けられたNOxセンサと、前記NOxセンサで検出したNOx濃度の検出値に応じて尿素水噴射量を制御する尿素水噴射制御部と、を備えたSCRシステムにおいて、前記NOxセンサを設けた位置での前記排気管内の圧力であるNOxセンサ圧力を推定する圧力推定部と、前記圧力推定部が推定したNOxセンサ圧力に応じて、前記NOxセンサが検出したNOx濃度の検出値を補正するNOx濃度検出値補正部と、を備えたSCRシステムである。
前記NOxセンサは、前記SCR装置の上流側に設けられ、前記圧力推定部は、前記エンジンの吸気流量と、エンジン回転数と燃料噴射量とから求めた燃料流量とを足し合わせることにより、排気ガス流量を推定する排気ガス流量推定部と、前記SCR装置の入口における排気ガス温度であるSCR入口温度と、大気圧とに基づき、排気ガスの比容積を推定する排気ガス比容積推定部と、前記排気ガス流量推定部が推定した排気ガス流量と、前記排気ガス比容積推定部が推定した排気ガスの比容積と、SCR入口温度とに基づき、前記SCR装置の入口における圧力と大気圧との差圧を推定するSCR差圧推定部と、SCR差圧推定部が推定した差圧に、大気圧を加えることにより、NOxセンサ圧力を推定するNOxセンサ圧力推定部と、を備えてもよい。
本発明によれば、エンジンの運転状態によらずNOx濃度を精度よく検出可能なSCRシステムを提供できる。
(a),(b)は、本発明の一実施の形態に係るSCRシステムの概略構成図である。 図1のSCRシステムにおける入出力構成図である。 本発明において、NOxセンサ圧力に対する、NOxセンサでのNOx濃度の検出値の誤差の関係を表すグラフ図である。
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。
まず、車両に搭載されるSCRシステムについて説明する。
図1(a)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OFF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ON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1(a)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2に、DCU126の入出力構成図を示す。
図2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からは、エンジンパラメータ(エンジン回転数など)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。
また、DCU126には、CANの伝送路を介してECU(電子制御ユニット)128が接続されている。DCU126からECU128には、排気温度センサ109で検出したSCR入口温度の信号が送信される。また、ECU128からDCU126には、後述するNOxセンサ圧力の信号が送信される。
また、ECU128には、CANの伝送路を介してECM125が接続されており、ECM125より、エンジンパラメータ(エンジン回転数、燃料噴射量など)の信号を受信するようになっている。さらに、ECU128には、エンジンEの吸気管に設けられた吸気流量センサ(MAFセンサ)129、および大気圧センサ130からの入力信号線が接続されている。
DCU126には、上流側NOxセンサ110で検出したNOx濃度の検出値に応じて尿素水噴射量を制御する尿素水噴射制御部127が搭載される。尿素水噴射制御部127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。
さて、本実施の形態に係るSCRシステム100は、上流側NOxセンサ110を設けた位置での排気管102内の圧力であるNOxセンサ圧力を推定する圧力推定部131と、圧力推定部131が推定したNOxセンサ圧力に応じて、上流側NOxセンサ110が検出したNOx濃度の検出値を補正するNOx濃度検出値補正部136と、を備えている。
圧力推定部131はECU128に搭載され、NOx濃度検出値補正部136はDCU126に搭載される。なお、両者ともDCU126に搭載するようにしてもよい。
圧力推定部131は、排気ガス流量推定部132と、排気ガス比容積推定部133と、SCR差圧推定部134と、NOxセンサ圧力推定部135と、を備えている。
排気ガス流量推定部132は、エンジンEの吸気流量(吸入空気の質量流量)と、エンジン回転数と燃料噴射量とから求めた燃料流量とを足し合わせることにより、排気ガス流量(排気ガスの質量流量)を推定するようにされる。
より詳細には、排気ガス流量推定部132は、MAFセンサ129で検出された吸気流量を所定時間平均して、吸入空気の平均質量流量を求め、求めた吸入空気の平均質量流量を、エンジン回転数に応じて時定数が設定されるローパスフィルタに通して、エンジンEの吸気流量を求めるようにされる。ローパスフィルタを用いることより、エンジンEの吸気流量の値が急激に変動してしまうことを抑制できる。
また、排気ガス流量推定部132は、ECM125より受信したエンジン回転数と燃料噴射量とから求めた燃料容積に、燃料密度を掛け合わせることによって、燃料流量を求めるようにされる。燃料噴射量としては、指示噴射量、ポスト噴射量、排気管噴射量(排気管噴射を行う車両のみ)を足し合わせた値が用いられる。
さらに、排気ガス流量推定部132では、吸気流量と燃料流量を足し合わせて求めた排気ガス流量を、エンジン回転数に応じて時定数が設定されるローパスフィルタに通すことより、排気ガス流量の値が急激に変動してしまうことを抑制するようにしている。
排気ガス比容積推定部133は、DCU126から受信したSCR入口温度と、大気圧センサ130から受信した大気圧(外気圧)とに基づき、排気ガスの比容積を推定するようにされる。より詳細には、排気ガス比容積推定部133では、SCR入口温度に、予め車両ごと(車種、車型ごと)に設定された排気ガスのガス定数を掛け合わせ、得られた値をさらに大気圧で除することにより、排気ガスの比容積を算出するようにされる。
SCR差圧推定部134は、排気ガス流量推定部132が推定した排気ガス流量と、排気ガス比容積推定部133が推定した排気ガスの比容積と、DCU126から受信したSCR入口温度とに基づき、SCR装置103の入口における圧力と大気圧(外気圧)との差圧(以下、単にSCR差圧という)を推定するようにされる。なお、SCR装置103の入口における圧力は、上流側NOxセンサ110を設けた位置での排気管102内の圧力、すなわちNOxセンサ圧力と等しい。
より詳細には、SCR差圧推定部134は、排気ガス流量と排気ガスの比容積とでベース差圧マップ(図示せず)を参照して、SCR差圧のベースとなる値(以下、SCRベース差圧という)を決定するようにされる。なお、ベース差圧マップは、車両ごと(車種、車型ごと)に予め設定されたマップであり、排気ガス流量と排気ガスの比容積ごとに、ベース差圧が設定されたマップである。
また、SCR差圧推定部134は、SCR入口温度から、SCR装置103の入口における排気ガスの粘性係数を求め、求めた粘性係数の逆数と排気ガス流量とを掛け合わせることにより、SCR装置103の入口におけるレイノルズ数を算出するようにされる。さらに、SCR差圧推定部134は、得られたレイノルズ数とSCR入口温度とで流量係数マップ(図示せず)を参照し、SCR装置103の入口における排気ガスの流量係数を決定するようにされる。なお、流量係数マップは、車両ごと(車種、車型ごと)に予め設定されたマップであり、レイノルズ数とSCR入口温度ごとに、排気ガスの流量係数(圧力損失−流量に関する形状係数)が設定されたマップである。
SCR差圧推定部134は、求めたベース差圧と流量係数とを掛け合わせることにより、SCR差圧を算出するようにされる。
NOxセンサ圧力推定部135は、SCR差圧推定部134が推定したSCR差圧に、大気圧センサ130から受信した大気圧(外気圧)を加えることにより、SCR装置103の上流側の圧力、すなわち、上流側NOxセンサ110を設けた位置での排気管102内の圧力であるNOxセンサ圧力を、推定するようにされる。NOxセンサ圧力推定部135は、推定したNOxセンサ圧力の信号をDCU126に送信するようにされる。
DCU126に搭載されたNOx濃度検出値補正部136は、NOxセンサ圧力推定部135からNOxセンサ圧力の信号を受信し、NOxセンサ圧力で補正用係数マップを参照して、補正用係数を決定する。補正用係数マップは、車両ごと(車種、車型ごと)に予め設定されたマップであり、NOxセンサ圧力ごとに、補正用係数が設定されたマップである。補正用係数は、予め試験を行い決定される。
NOx濃度検出値補正部136は、得られた補正用係数を、上流側NOxセンサ110が検出したNOx濃度の検出値に掛け合わせることにより、NOx濃度の検出値の補正を行うようにされる。尿素水噴射制御部127は、補正後のNOx濃度の検出値を用いて、尿素水噴射量を制御するようにされる。
以上説明したように、本実施の形態に係るSCRシステム100では、上流側NOxセンサ110を設けた位置での排気管102内の圧力であるNOxセンサ圧力を推定する圧力推定部131と、圧力推定部131が推定したNOxセンサ圧力に応じて、上流側NOxセンサ110が検出したNOx濃度の検出値を補正するNOx濃度検出値補正部136と、を備えている。
図3に示すように、NOxセンサ圧力によりNOx濃度の検出値の補正を行わない従来のSCRシステム(図示破線)では、NOxセンサ圧力が大きくなるほど、上流側NOxセンサ110でのNOx濃度の検出値に誤差が大きくなり、NOx濃度を精度よく検出できなかった。これに対して、本発明のSCRシステム100(図示実線)では、推定したNOxセンサ圧力に応じて上流側NOxセンサ110の検出値を補正しているため、NOxセンサ圧力が大きくなった場合であっても、上流側NOxセンサ110でのNOx濃度の検出値の誤差を小さく維持し、NOx濃度を精度よく検出することが可能になる。
つまり、本実施の形態に係るSCRシステム100によれば、NOxセンサ圧力によらず、すなわちエンジンの運転状態によらず、NOx濃度を精度よく検出することが可能となる。よって、尿素水噴射量の制御が正常に行われず、過剰な噴射量で尿素水の噴射が行われたり、逆に尿素水の噴射量が低下してNOx浄化率が低下してしまうといった不具合を解消できる。また、正常にOBD診断(自己故障診断)を行うことができないといった不具合も解消できる。
本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。
例えば、上記実施の形態では、上流側NOxセンサ110でのNOx濃度の検出値を補正する場合を説明したが、本発明は、下流側NOxセンサ111にも適用可能である。下流側NOxセンサ111に適用する場合、上述の上流側NOxセンサ110におけるNOxセンサ圧力から、SCR装置103で発生する圧力損失を減ずれば、下流側NOxセンサ111におけるNOxセンサ圧力を求めることができるので、得られたNOxセンサ圧力に応じて、下流側NOxセンサ111でのNOx濃度の検出値を補正するようにすればよい。
100 SCRシステム
102 排気管
103 SCR装置
104 ドージングバルブ
105 尿素タンク
106 サプライモジュール
110 上流側NOxセンサ(NOxセンサ)
111 下流側NOxセンサ
125 ECM
126 DCU
127 尿素水噴射制御部
128 ECU
131 圧力推定部
132 排気ガス流量推定部
133 排気ガス比容積推定部
134 SCR差圧推定部
135 NOxセンサ圧力推定部
136 NOx濃度検出値補正部
E エンジン

Claims (2)

  1. エンジンの排気管に設けられたSCR(選択還元触媒)装置と、
    前記SCR装置の上流側で尿素水を噴射するドージングバルブと、
    前記排気管に設けられたNOxセンサと、
    前記NOxセンサで検出したNOx濃度の検出値に応じて尿素水噴射量を制御する尿素水噴射制御部と、を備えたSCRシステムにおいて、
    前記NOxセンサを設けた位置での前記排気管内の圧力であるNOxセンサ圧力を推定する圧力推定部と、
    前記圧力推定部が推定したNOxセンサ圧力に応じて、前記NOxセンサが検出したNOx濃度の検出値を補正するNOx濃度検出値補正部と、
    を備えたことを特徴とするSCRシステム。
  2. 前記NOxセンサは、前記SCR装置の上流側に設けられ、
    前記圧力推定部は、
    前記エンジンの吸気流量と、エンジン回転数と燃料噴射量とから求めた燃料流量とを足し合わせることにより、排気ガス流量を推定する排気ガス流量推定部と、
    前記SCR装置の入口における排気ガス温度であるSCR入口温度と、大気圧とに基づき、排気ガスの比容積を推定する排気ガス比容積推定部と、
    前記排気ガス流量推定部が推定した排気ガス流量と、前記排気ガス比容積推定部が推定した排気ガスの比容積と、SCR入口温度とに基づき、前記SCR装置の入口における圧力と大気圧との差圧を推定するSCR差圧推定部と、
    SCR差圧推定部が推定した差圧に、大気圧を加えることにより、NOxセンサ圧力を推定するNOxセンサ圧力推定部と、
    を備える請求項1記載のSCRシステム。
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