JP4460811B2 - 還元剤の調量装置及び方法 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、排気ガスの触媒後処理の領域内で使用される還元剤、例えば、尿素乃至尿素−水−溶液の調量装置であって、還元剤の蓄積用のタンク、当該タンクから燃料噴射弁への送給用のポンプを有しており、該ポンプを介して、還元剤が混合室内に供給され、タンク、ポンプ及び燃料噴射弁は、第１の線路を介して、タンクとポンプとを相互に接続し、第２の線路を介して、ポンプと燃料噴射弁を有する管路系とを相互に接続する調量装置、並びに、排気ガスの触媒後処理の領域内で使用される還元剤の調量方法であって、還元剤は、管路系を介して調量及び／又は混合装置に供給される方法に関する。
【０００２】
近年、有害物質限界値は益々低く設定される結果、内燃機関の排気ガス後処理装置及び方法は数多く開発されている。例えば、尿素及び／又はアンモニアをＮＯｘ交換用の還元剤として使用する触媒系を用いて、効率的な排気ガス後処理系が利用されている。
【０００３】
排気ガス中のＮＯｘ成分を少なくするために、殊に、ディーゼルエンジン用に還元触媒器が開発されており、この還元触媒器は、通常のように、尿素調量系と蓄積触媒器を有する所謂ＳＣＲ触媒器（英語で、Selective Catalytic Reduction)に分類されている。所謂ＳＣＲ触媒器は、尿素及び／又はアンモニア還元剤供給により再生され、所謂蓄積触媒器は、所謂排気ガス燃料過剰期間中一緒に供給される内燃機関燃料の炭水化物を用いて再生される。
【０００４】
ヨーロッパ特許公開第０３８１２３６号公報から、ディーゼルエンジンからの排気ガス中の窒素酸化物を取り除くために、アンモニアを還元剤として調量することが公知である。この系では、更に、排気ガスの圧力を下げるターボチャージャーが設けられている。用いられる尿素−水−溶液は、圧縮空気を用いて調量される。
【０００５】
ドイツ連邦共和国特許公開第４４４１２６１号公報からは、内燃機関の排気ガスの後処理用の装置が公知であり、この装置では、触媒器の効率が調量装置を介して改善される。調量装置は、最小量調量ロータリーポンプとして構成されており、このロータリーポンプは、円筒状回転体として、溝形状でのねじピッチを有しており、回転体の送給効率を変えるために可変回転数で駆動される。排気ガス中への還元剤の送給は、有利には、特性領域に依存して、即ち、排気ガスの量及び／又は成分に依存して行われる。
【０００６】
従来技術の調量系では、還元剤タンクを例えばエーロゾル形成用の混合室とつなぐ還元剤管路系内での圧力変動によって生じる調量精度が検出される。
【０００７】
従って、本発明が基づく課題は、従来技術の調量系に比して正確な、還元剤の調量を行うことができるようにすることである。
【０００８】
本発明によると、この課題は、
により解決される。
【０００９】
調量精度変動は、還元剤内に生じる気泡によって生じる。従って、本発明によると、従来技術の還元剤管路系を付加的に制御可能乃至調整可能な排気回路を用いて構成することが提案されている。その種の排気回路により、還元剤管路系のアクティブな排気が可能となり、従って、例えば、ポンプを迅速に始動することができる。混合室に還元剤が供給される調量乃至燃料噴射弁を介して、排気が制御されなくなるのを回避することができる。送給ポンプに作用する背圧を排気によって小さくすることができるようにすることによって、ポンプ始動並びにポンプ運転を改善することができる。
【００１０】
本発明の有利な実施例は、従属請求項から得られる。
【００１１】
有利には、制御可能な排気回路は、クロック制御可能な排気弁を有している。その種の排気弁は、簡単に制御可能であり、実際にローブスト且つ高い信頼度の構成部品である。
【００１２】
有利には、排気弁は、２／２路弁として構成されている。
【００１３】
以下、本発明について図示の実施例を用いて詳細に説明する。
【００１４】
その際、
図１は、本発明の装置の有利な実施例のブロック回路略図、
図２は、本発明の装置によって実施された始動方式を示す流れ図、
図３は、本発明の装置によって実施された排気方式の流れ図、
図４は、本発明の装置によって実施された始動方式の流れ図
である。
【００１５】
図１に示された装置は、触媒排気ガス後処理の領域内で使用される還元剤の調量用システムを示す。その種のシステムでは、還元剤が混合室内に供給され、混合室で、エーロゾルを形成するために圧縮空気が作用して、処理すべき排気ガス内に供給される。空気供給系及び触媒後処理用の構成部品は公知であるので、本発明の対象ではない。本発明は、還元剤供給系に関する。例えば、以下の説明では、還元剤として、尿素−水−溶液が使用され、この尿素−水−溶液は、簡単化のために、尿素とも呼ぶ。
【００１６】
図１では、１で尿素タンクが示されており、この尿素タンクから尿素−水−溶液が、逆止弁２を有する尿素管１ａ及びフィルタスクリーンとして構成されたフィルタ３を介して、送給ポンプ４により吸い込まれ、圧力調整器乃至減衰器５並びに別の逆止弁６を有する第２の尿素管１ｂを介して、（図示していない）混合室の調量乃至噴射弁に送給される。調量弁７は、混合室の混合空間内に所要尿素−水−溶液を調量する。場合によっては生じる過剰流量は、圧力調整器５及び逆止弁８を介して帰還管１ｃを通って尿素タンク１に帰還可能である。還元剤管１ｂ内の圧力は、圧力センサ９を用いて測定することができ、圧力変動を補正することができる（燃料噴射量補正）。
【００１７】
ポンプ４と調量弁７との間で、殊に、圧力調整器５と調量弁７との間で、別の尿素管１ｄが分岐し、この尿素管を、排気弁１０として使用される２／２路弁につなぐことができる。尿素管１ｄは、上述の帰還管１ｃにつながれる。
【００１８】
排気弁１０は、クロック制御することができる。排気弁１０の相応の制御により、調量弁７に供給される尿素の排気を行うことができ、この排気は総体的に、従来技術の手段に較べて高い調量精度で行われる。ポンプ４に加わる、尿素回路内の背圧は、従来技術の手段に較べて小さくすることができ、そうすることによって、ポンプ４を比較的小さなポンプ出力で作動することができる。つまり、排気弁１０の相応の制御によって、バイパスとして作用する管１ｄを開くことにより、従来技術の手段に較べて速く調量開始することができるようになると同時にシステムの寿命を長くすることができる。
【００１９】
尿素調量系の混合室内に設けてもよい排気弁１０は、（図示されていない）制御論理回路によって制御される。排気弁１０が開くことにより、既述のように、系内の背圧が低下する。従って、この背圧は、ポンプ４によって容易に克服することができ、その結果、ポンプ４の電力消費が少なくなり、ポンプ４の全電力が低くなる。排気弁１０は、エンジンの種々の駆動状態乃至触媒排気ガス後処理中操作することができ、例えば、運転開始サイクル中のみならず、駆動中も操作することができ、そのようにして、ダイナミックに排気することができるようになる。
【００２０】
その主の調量系の有利な制御方式乃至方法について、図２〜４の流れ図を用いて詳細に説明する。
【００２１】
図２には、本発明の調量系の始動方式（初期スタート）が図示されている。ステップ１０１で、この方式の初期化のために、スタート時間ｔａが決められる。
【００２２】
続くステップ１０２の間、時間ｔｗａｉｔ２の間、場合によっては、システムの構成要素の機能が監視される（例えば、制御論理回路による制御可能性）。続いて、ステップ１０３で、ポンプ４の回転数が最小値ＲＰＭｍｉｎを超過するかしないかチェックされる。ポンプ４の回転数が最小値ＲＰＭｍｉｎを超過する場合、ステップ１０４で、尿素管１ｂ内の圧力が予め設定可能な系圧（尿素調量系の通常の機能経過にとって十分であると見なせる）に達したか達しないか、チェックされる（圧力Ｐｏｋ）。この圧力Ｐｏｋに達すると、流れ図は、ここには図示していない通常の機能経過の流れ図の方に分岐する。
【００２３】
しかし、尿素管１ａ内の圧力がこの圧力Ｐｏｋに達しないことが確認された場合、排気弁１０（図２〜４の流れ図にＥＶとして示されている）は、所定時間ｔ_ｂｅｔｒに亘って開かれる（ステップ１０５）。続くステップ１０６では、弁１０が再度閉じられる。弁１０の開閉は、管１ｂの排気に使われる。ここで前提となっているのは、尿素管１ｂ内の過度に低い圧力は、気泡が生じていることが原因であるということである。弁１０を開いて、続いて、閉じることによって、確かに当初圧力が更に低下するが、それと同時に気泡を排気することができ、それにより、原理的に、尿素管１ａ内に高い圧力を調整することができる。ステップ１０６で、弁１０を閉じた後、尿素管１ａ内に十分な圧力を形成することができるかどうかチェックするために、先ずステップ１０７で、圧力形成時間ｔａの間待機される。この場合、圧力形成時間ｔａは、インクリメントに、所望の系圧に達する迄延長される。所望の系圧乃至尿素管１ａ内の圧力が調整される時間ｔａが、ステップ１０８で、予め調整可能な時間ｔ_Ｄｅｆ２と比較される。圧力形成時間ｔａがこの時間ｔ_Ｄｅｆ２よりも小さいことが確認されると、ステップ１０４に帰還分岐され、ステップ１０４で再度、管１ｂ内の圧力が値Ｐｏｋよりも大きいかどうかチェックされる。管１ｂ内の圧力が値Ｐｏｋよりも大きい場合、既述の通り、通常の制御方式の方に分岐される。
【００２４】
しかし、ステップ１０８で、圧力形成時間ｔａが時間ｔ_Ｄｅｆ２よりも大きいことが確認されると、ステップ１０９で、排気系（弁１０）がスイッチオフされ、ステップ１１０で、系のエラーにより、排気できないことが確認される。
【００２５】
上述のステップ１０３で、ポンプ４のポンプ回転数が値ＲＰＭｍｉｎを下回ることが確認されると、ステップ１１１に分岐され、ステップ１１１で、尿素調量系は総体的にスイッチオフされていることが確認される。続くステップ１１２で、エンジンが故障していることが検知される。
【００２６】
図３には、尿素調量系の通常作動中のダイナミック排気を示すための流れ図が示されている。ここでは、先ず、ステップ２０１で、尿素圧が限界値Ｐ_{Ｇｒｅｎｚ}よりも小さいかどうかチェックされる。尿素圧が、この限界値よりも小さくない場合、ステップ２０２で、排気は必要ない、即ち、排気圧をゼロに等しく設定することができると判定される。
【００２７】
しかし、尿素圧が限界値Ｐ_{Ｇｒｅｎｚ}よりも小さい場合、ステップ２０３で、所要排気圧Ｐ_Ｅｎｔが排気圧限界値Ｐ_{ＥｎｔＧｒｅｎｚ}を超過するか又は超過しないかチェックされる。この限界値が超過されると、即ち、排気が過度に強すぎる圧力低下となるのが不可避である場合、ステップ２０６で、系が排気不可能であるというエラー状態が検知される。
【００２８】
しかし、所要排気圧が、この限界値より上であることが確認されると、排気弁１０は、時間ｔ_Ｂｅｌに亘って開制御される。続くステップ２０５で、この場合に所要排気圧ＰＥｎｔが確認され、続いて、帰還分岐でステップ２０１（場合によっては圧力形成時間を考慮して）で再度、尿素圧が限界値Ｐ_{Ｇｒｅｎｚ}を下回っているかいないかチェックされる。
【００２９】
図４には、続いて、各エンジンスタート時に実行可能な始動方式が図示されている。この場合、エーロゾルの形成用の尿素系と共に作用する圧縮空気系の制御用の方式、並びに、加熱系も一緒に考慮されている。加熱方式に関しては、通常のように使用される尿素溶液が約−１１℃付近で凍結するので、この温度以下では、加熱系の制御を必要とするという点に注意する必要がある。
【００３０】
ステップ３０１では、調量弁７が遮断され、続くステップ３０２では、ポンプ４がスイッチオフされる。圧縮空気系が、ステップ３０３でスイッチオンされ、ステップ３０４で、ゼロ点が圧力形成時間に定義される。ステップ３０５で、圧縮空気系の空気圧が、予め調整可能な限界値、例えば、１バールを超過することがチェックされると、ゼロ点が加熱時間及び排気弁１０の制御時間に関して設定される（ステップ３０９）。
【００３１】
しかし、ステップ３０５で、圧縮空気が予め調整された値を超過しないことが確認されると、ステップ３０６で、所望圧力を形成するための時間ｔ_ＤＬが限界値ｔ_{ＤＬＧｒｅｎｚ}を超過するか又は超過しないかチェックされる。この限界値が超過されると、圧縮空気がない（ステップ３０８）ことが確認される。時間ｔ_ＤＬが限界値を超過しない場合、ステップ３０７で、時間ｔ_ＤＬが１インクリメントだけ増大され（ｔ_ＤＬ＋）、ステップ３０５で、圧力が予め調整された値を超過するかどうか再度チェックされる。
【００３２】
圧力が時間の経過前に予め調整された値ｔ_{ＤＬＧｒｅｎｚ}を超過すると、既述のように、系はステップ３０９の方に分岐し、ステップ３０９で、排気弁１０及び加熱系用の制御時間がゼロに設定される。
【００３３】
続くステップ３１０で、待機時間ｔ_{ｗａｉｔ１}の間、予め調整可能な時間待機される。続くステップ３１１では、系乃至尿素タンクが低温かどうかチェックされる。系乃至尿素タンクが低温である場合、加熱系が作動され、ステップ３２２で、所要加熱時間ｔ_Ｈｅｉｚが予め調整可能な限界値ｔ_{ＨｅｉｚＧｒｅｎｚ}を超過するか又は超過しないかチェックされる。この限界値が超過されると、加熱が機能していないことが検知される（ステップ３２３）。時間ｔ_{ＨｅｉｚＧｒｅｎｚ}に未だ達していない場合、加熱時間は１インクリメントだけ増大され（ｔ_Ｈｅｉｚ＋）、その後、系はステップ３１０及び３１１の方に帰還分岐される。ステップ３１１で、尿素タンク乃至系が十分な温度でないことが確認されると、加熱系の始動方式が閉じられ、系はステップ３１２の方に分岐し、ステップ３１２で、尿素圧が最小値Ｈ_Ｄｍｉｎを下回っているかいないかチェックされる。尿素圧が最小値Ｈ_Ｄｍｉｎを下回っている場合、ステップ３１７で、排気弁の制御時間が限界値ｔ_{ＥＶＧｒｅｎｚ}を上回っているかいないかチェックされる。排気弁の制御時間が限界値ｔ_{ＥＶＧｒｅｎｚ}を上回っている場合、ステップ３２０で、排気弁１０が故障していることが検知される。排気弁の制御時間が限界値ｔ_{ＥＶＧｒｅｎｚ}を上回っていない場合、ステップ３１８で、時間間隔ｔ_{ＥＶａｕｆ}に亘って、排気弁が開かれる。続くステップ３１９で、制御時間ｔＥＶが１インクリメントだけ増大され（ｔ_ＥＶ＋）、それに続いて、系はステップ３１２に帰還分岐される。
【００３４】
これに対して、ステップ３１２で、尿素圧が最小圧力ＨＤ_ｍｉｎよりも小さいことが検知されると、ステップ３１３で、尿素タンクが空か又は空でないかチェックされる。尿素タンクが空の場合、ステップ３２４で、タンクが空であることが検知される。しかし、尿素タンクが空でない場合、ステップ３１４で、ポンプ４がスイッチオンされ、それに続いて、ステップ３０５で、既述のスタート方式が開始され、続いて、系が通常のように作動される（ステップ３１６）。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の装置の有利な実施例のブロック回路略図
【図２】 本発明の装置によって実施された始動方式を示す流れ図
【図３】 本発明の装置によって実施された排気方式の流れ図
【図４】 本発明の装置によって実施された始動方式の流れ図

Claims (2)

1. 排気ガスの触媒後処理の領域内で使用される還元剤の調量方法であって、前記還元剤は、管系を介して調量及び／又は混合装置に供給される方法において、
   ポンプを有する管系内圧を監視し、該圧力が限界値（Ｐ_ｏｋ；Ｐ_{Ｇｒｅｎｚ}）より下になった場合、排気弁を開くことができ（１０５；２０４）、前記排気弁を開いた結果、管系を、調量乃至混合装置と接続されたポンプ側で、排気回路と接続し、前記圧力を先ず更に低下して、前記管系を排気することを
   特徴とする方法。
2. 排気回路に、クロック制御可能な排気弁（１０）を設け、該排気弁を、管系内圧を変えるために操作可能にする請求項１記載の方法。

Images