JP4925890B2 - 液体還元剤判別装置及びエンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、還元剤タンク内の液体還元剤又はその前駆体が空か否かを高精度に判別する技術に関し、特に、排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元浄化するエンジンの排気浄化装置（以下「排気浄化装置」という）における還元剤タンクの空判別技術に関する。

エンジン排気系に配設されたＮＯｘ還元触媒の排気上流に、液体還元剤又はその前駆体を噴射供給し、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排気浄化装置が提案されている。このような排気浄化装置において、発熱体の温度上昇特性から液体還元剤又はその前駆体の濃度を測定する濃度センサを利用することにより、液体還元剤又はその前駆体を溜めておく貯蔵タンクが空になっていることを判別する技術が、特開２００６−３４２７８２号公報（特許文献１）に記載されている。
特開２００６−３４２７８２号公報

上記特許文献１に開示された濃度センサを利用する空判別の技術では、液体還元剤又はその前駆体が還元剤タンクに十分入っていても、濃度センサに気泡が付着すると正確な濃度測定を行うことが難しくなるため、条件設定に種々工夫をこらして誤った空判別を出さないように対処しているのが現状である。
そこで、本発明はこのような技術背景に鑑み、より空判別の精度を高めた液体還元剤判別装置及び排気浄化装置を提案することを目的とする。

この目的のため、請求項１記載の発明では、液体還元剤判別装置は、液体還元剤又はその前駆体を貯蔵する還元剤タンクに配設される発熱体と、前記発熱体を所定時間作動させ、該発熱体の温度上昇特性から液体還元剤又はその前駆体の濃度を測定する濃度測定手段と、前記還元剤タンクにおける液体還元剤又はその前駆体の水位を測定する水位測定手段と、前記濃度測定手段により測定された濃度を第１の閾値と比較し且つ前記水位測定手段により測定された水位を第２の閾値と比較した結果が所定の条件を満たしたときに、液体還元剤又はその前駆体が空であると判別する還元剤空判別手段と、を含んで構成されることを特徴とする。

請求項２記載の発明では、前記還元剤空判別手段が空であると判別する所定の条件は、前記濃度が前記第１の閾値を超えており且つ前記水位が前記第２の閾値以下となったときであることを特徴とする。
請求項３記載の発明では、前記還元剤空判別手段により空であるとの空判別がなされたときに、空判別回数を計数する計数手段と、該計数手段により計数された空判別回数が所定回数以上となったときに、空判別を確定する空判別確定手段と、をさらに含むことを特徴とする。

請求項４記載の発明では、前記空判別確定手段により空判別が確定されたときに、液体還元剤が空であることの報知を行う報知手段をさらに含むことを特徴とする。
請求項５記載の発明では、前記還元剤空判別手段により空ではないと判別されたときに、前記空判別回数及び前記空判別確定をリセットするリセット手段をさらに含むことを特徴とする。

また、上記目的のため、請求項６記載の発明では、排気浄化装置は、液体還元剤又はその前駆体を貯蔵する還元剤タンクと、前記還元剤タンクの液体還元剤又はその前駆体を使用して排気中の窒素酸化物を還元浄化する還元触媒と、前記還元剤タンクに配設された発熱体を所定時間作動させ、該発熱体の温度上昇特性から液体還元剤又はその前駆体の濃度を測定する濃度測定手段と、前記還元剤タンクにおける液体還元剤又はその前駆体の水位を測定する水位測定手段と、前記濃度測定手段により測定された濃度を第１の閾値と比較し且つ前記水位測定手段により測定された水位を第２の閾値と比較した結果が所定の条件を満たしたときに、液体還元剤又はその前駆体が空であると判別する還元剤空判別手段と、を含んで構成されたことを特徴とする。

請求項７記載の発明では、前記還元剤空判別手段が空であると判別する所定の条件は、前記濃度が前記第１の閾値を超えており且つ前記水位が前記第２の閾値以下となったときであることを特徴とする。
請求項８記載の発明では、前記還元剤空判別手段により空であるとの空判別がなされたときに、空判別回数を計数する計数手段と、該計数手段により計数された空判別回数が所定回数以上となったときに、空判別を確定する空判別確定手段と、をさらに含むことを特徴とする。

請求項９記載の発明では、前記空判別確定手段により空判別が確定されたときに、液体還元剤が空であることの報知を行う報知手段をさらに含むことを特徴とする。
請求項１０記載の発明では、前記還元剤空判別手段により空ではないと判別されたときに、前記空判別回数及び前記空判別確定をリセットするリセット手段をさらに含むことを特徴とする。

請求項１及び請求項６記載の発明によれば、濃度測定手段に基づく濃度に加えて水位測定手段に基づく水位も利用して空判別を行うようにしたことにより、従来に比べ正確な判別を実施できる。すなわち、液体還元剤又はその前駆体の残量が十分あるにもかかわらず、発熱体の周囲に気泡が付着ないし存在して空を示す誤信号が出ていても、このときには水位測定手段が空を示す信号を出さないので、誤判別が防止される。

請求項２及び請求項７記載の発明によれば、第１の閾値として、正常な液体還元剤又はその前駆体が入っていれば通常測定され得ない濃度上限の値を設定することができ、また、第２の閾値として、所定数の段階に分けて表示される水位レベルの一番低いレベルを示すための水位下限の値を設定することができる。これにより、より正確な空判別を実施することができる。

請求項３及び請求項８記載の発明によれば、計数手段及び空判別確定手段を備え、空判別回数が所定回数計数されたときに空判別を確定させることにより、測定の信頼性をより高めることができる。
請求項４及び請求項９記載の発明によれば、空判定が確定したときに報知を行う報知手段を備えることで、ユーザに液体還元剤又はその前駆体の補充を促すことができる。

請求項５及び請求項１０記載の発明によれば、リセット手段を備え、空ではないとの判別がなされたときには空判別回数及び空判別確定をリセットし、始めから計数処理をやり直すようにしておくことで、誤確定の発生を極力抑えることができる。

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、液体還元剤の前駆体としての尿素水溶液を使用し、エンジン排気中のＮＯｘを還元浄化する排気浄化装置の全体構成を示す。
エンジン１０の排気マニフォールド１２に接続される排気管１４には、排気流通方向に沿って、一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ_２）へと酸化させる窒素酸化触媒１６と、尿素水溶液を噴射供給する噴射ノズル１８と、尿素水溶液を加水分解して得られるアンモニアを使用してＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ還元触媒２０と、ＮＯｘ還元触媒２０を通過したアンモニアを酸化させるアンモニア酸化触媒２２と、がそれぞれ配設される。一方、還元剤タンク２４に貯蔵される尿素水溶液は、尿素水溶液を吸い込んで圧送するポンプモジュール２６及びその噴射流量を制御する添加モジュール２８を経由して、噴射ノズル１８に供給される。

なお、本実施形態では尿素水溶液を用いているが、ＮＯｘ還元触媒２０の仕様に応じて、アンモニア水溶液等を用いるようにしてもよい。
かかる排気浄化装置において、噴射ノズル１８から噴射供給された尿素水溶液は、排気及び排気中の水蒸気を利用して加水分解され、アンモニアへと転化される。転化されたアンモニアは、ＮＯｘ還元触媒２０において排気中のＮＯｘと反応し、水（Ｈ_２Ｏ）及び窒素（Ｎ_２）へと転化されることは知られたことである。このとき、ＮＯｘ還元触媒２０におけるＮＯｘ浄化効率を向上させるべく、窒素酸化触媒１６によりＮＯがＮＯ_２へと酸化され、排気中のＮＯとＮＯ_２との比率が還元反応に適したものに改善される。一方、ＮＯｘ還元触媒２０を通過したアンモニアは、その排気下流に配設されたアンモニア酸化触媒２２により酸化されるので、アンモニアがそのまま大気中に放出されることが防止される。

還元剤タンク２４には、尿素水溶液の濃度（尿素濃度）を測定すべく、濃度測定手段として機能すると共に、尿素水溶液の水位（液面レベル）を測定すべく、水位測定手段とし機能するセンサ３０が取り付けられる。センサ３０は、図２（Ａ）に示すように、回路基板を内蔵した基部３０Ａが還元剤タンク２４の天壁に固定され、該基部３０Ａから還元剤タンク２４の底壁へと支持部３０Ｂが垂下される。そして、支持部３０Ｂの先端（自由端）に、セラミックスヒータ３０Ｃ（発熱体）が固定されている。

センサ３０は、図２（Ｂ）に示すように、セラミックスヒータ３０Ｃを所定時間Δｔ作動させたときの温度上昇特性（Ｔ_１−Ｔ_０）、すなわち、尿素水溶液を熱伝達媒体とした放熱特性から濃度を間接的に測定する濃度センサである。また、本実施形態においては、センサ３０の支持部３０Ｂが、横断面円形の内側電極と外側電極とを同心に配置すると共にその内側電極の外周面に絶縁膜を施した構成をなし、該両電極間の静電容量から水位を間接的に測定する水位センサも兼ねている。

なお、セラミックスヒータ３０Ｃの温度上昇特性に基づき尿素濃度を測定する濃度センサと、内側電極と外側電極との間の静電容量に基づき水位を測定する水位センサとを一体化させた本実施形態のセンサ３０の構成については、国際公開特許公報ＷＯ２００７／００４５８３号パンフレットにて公知であるため、詳述については省略する。
濃度センサとしてはこの他にも、近接した２位置に２つの温度センサが夫々配設されると共に、一方の温度センサに加熱ヒータが併設された構成をなすものを利用可能である。また、水位センサは、濃度センサと別体としてあってもよいし、液面に浮かべたフロートにより水位を測定する仕組みのものなどであってもよい。

センサ３０の出力信号、具体的には、濃度信号及び水位信号は、コンピュータを内蔵したコントロールユニット３２に入力される。また、コントロールユニット３２には、エンジン１０の各種制御を行うエンジンコントロールユニット３４から、ＣＡＮ（Controller Area Network）などを介して、イグニッションスイッチ信号などが入力される。そして、コントロールユニット３２では、そのＲＯＭ（Read Only Memory）などに記憶された制御プログラムを実行することで、図３に示すように、還元剤空判別部３２Ａ、空判別回数計数部３２Ｂ及び空判別確定部３２Ｃが夫々具現化される。つまり、本実施形態では、センサ３０及びこのコントロールユニット３２により、液体還元剤判別装置を構成している。なお、この制御プログラムは、コントロールユニット３２に限らず、エンジンコントロールユニット３４などの既設のコントロールユニットで実行するようにしてもよい。

還元剤空判別部３２Ａは、還元剤空判別手段及びリセット手段として機能し、エンジン始動後所定時間（たとえば図２（Ｂ）の時間Δｔに、ヒータ温度がＴ_０へ戻るまでの時間を加えた時間以上）ごとに、センサ３０による濃度信号及び水位信号に基づいて、尿素水溶液が空であるかを判別し、その判別結果に応じた空判別信号又はリセット信号を出力する。空判別回数計数部３２Ｂは、計数手段として機能し、空判別信号が出力されたときに空判別回数を計数する一方、リセット信号が出力されたときにはそれまでの計数をリセット（クリア）する。空判別確定部３２Ｃは、空判別確定手段として機能し、空判別回数計数部３２Ｂから出力される計数信号に基づいて、空判別回数が所定回数以上になったときに空判別を確定し、空判別確定信号を出力する。また、リセット信号が出力されたときに空判別確定信号を出力していれば、これをリセットする。

次に、空判別に係る各種機能について、図４のフローチャートを参照しつつ説明する。
還元剤空判別部３２Ａは、ステップ１（図では「Ｓ１」と略記する。以下同様）でセンサ３０から濃度信号を読み込み、さらにステップ２でセンサ３０から水位信号を読み込む。
続くステップ３では、測定された濃度を第１の閾値と比較し、第１の閾値より大であるという条件を満たすか否か判定する。濃度に対する第１の閾値は、尿素水溶液が空であるか否かを判別するための閾値であって、正常な尿素水溶液が入っていれば通常測定され得ない濃度上限の値に設定される。この第１の閾値との比較の結果、濃度が第１の閾値以下であって条件を満たしてない場合は、ステップ４へ進んでリセット信号を出力し、空判別回数計数部３２Ｂの計数及び空判別確定部３２Ｃの空判別確定をリセットした後、所定時間待機してからステップ１を再開する。すなわち、還元剤空判別部３２Ａは、測定された濃度が第１の閾値以下であれば、水位を判定するまでもなく、空ではないと判別でき、水位判定の処理を省くことができる。

一方、濃度が第１の閾値より大であるという条件を満たしている場合は、ステップ５へ進み、測定された水位を第２の閾値と比較し、第２の閾値以下であるという条件を満たすか否か判定する。水位に対する第２の閾値は、尿素水溶液が空であることを判別するための閾値であって、たとえば複数のＬＥＤを使用して５段階に分けて表示される水位レベルの一番低い０レベルを示すための水位下限の値に設定される。この第２の閾値との比較の結果、水位が第２の閾値よりも大であって条件を満たしていない場合は、所定時間待機してからステップ１を再開する。

一方、水位が第２の閾値以下であるという条件を満たしている場合は、尿素水溶液が空であるとの空判別を行って空判別信号を出力し、ステップ６へ進む。ステップ６では、空判別回数計数部３２Ｂにおいて空判別回数が１増加される。そして、空判別回数の計数結果を示す計数信号が空判別確定部３２Ｃへ出力され、ステップ７において、計数後の空判別回数が所定回数以上になったか否かが判定される。この所定回数は、液面の揺れなどによる誤判別を極力避けて空判別処理の精度をより高めるために設定される値で、２以上の自然数が設定される。判定の結果、空判別回数が所定回数を下回っていれば、所定時間待機してからステップ１を再開する。

このとき、すなわち、空判別回数が所定回数に達しないうちのステップ１再開後、ステップ３で濃度が第１の閾値以下である（つまり条件を満たさない）と判定された場合は、ステップ４へ進んでリセット信号が出力され、空判別回数計数部３２Ｂの計数がリセットされる。このタイミングで空ではないとの判別がなされたときには、空判別回数の計数をリセットして始めから計数処理をやり直すようにしておくことで、誤確定の発生を極力抑えることができる。

ステップ７で空判別回数が所定回数以上になっている場合は、ステップ８へ進み、空判別確定部３２Ｃにおいて空判別が確定され、空判定確定信号が出力される。空判定確定信号が出力されると、ブザーやＬＥＤなどによる報知手段が作動し、ユーザに対し、還元剤タンク２４内の尿素水溶液が空であることが報知される。これにより、ユーザに尿素水溶液の補充を促し、排気浄化装置の機能を維持させることができる。

空判定確定信号を出力した後、所定時間待機してからステップ１が再開されるが、一旦空判定確定信号が出力された後は、ステップ３で濃度が第１の閾値以下と判定されるまで、すなわち、尿素水溶液が補充されるまで、空判定確定信号のリセットは行われない。
以上のように、濃度及び水位の両方を利用して空判別を行うようにしたことにより、尿素水溶液の残量が十分あるにもかかわらず、セラミックスヒータ３０Ｃの周囲（換言すれば、濃度センサ）に気泡が付着ないし存在して、空を示す濃度信号が出ていても、このときには水位信号が空を示さないので、誤判別が防止され、従来に比べ正確な判別を実施できる。

本発明に係る液体還元剤判別装置を備えた排気浄化装置の一例を示す全体構成図。 尿素水溶液の濃度及び水位を測定するセンサを示し、（Ａ）はその構造説明図、（Ｂ）は濃度測定原理説明図。 空判別を行うための各種機能のブロック図。 空判別処理を示すフローチャート。

符号の説明

１０ エンジン
２０ ＮＯｘ還元触媒
２４ 還元剤タンク
３０ センサ
３０Ｃ セラミックスヒータ
３２ コントロールユニット
３２Ａ 還元剤空判別部
３２Ｂ 空判別回数計数部
３２Ｃ 空判別確定部

Claims (10)

1. 液体還元剤又はその前駆体を貯蔵する還元剤タンクに配設される発熱体と、
   前記発熱体を所定時間作動させ、該発熱体の温度上昇特性から液体還元剤又はその前駆体の濃度を測定する濃度測定手段と、
   前記還元剤タンクにおける液体還元剤又はその前駆体の水位を測定する水位測定手段と、
   前記濃度測定手段により測定された濃度を第１の閾値と比較し且つ前記水位測定手段により測定された水位を第２の閾値と比較した結果が所定の条件を満たしたときに、液体還元剤又はその前駆体が空であると判別する還元剤空判別手段と、
   を含んで構成されることを特徴とする液体還元剤判別装置。
2. 前記還元剤空判別手段が空であると判別する所定の条件は、前記濃度が前記第１の閾値を超えており且つ前記水位が前記第２の閾値以下となったときであることを特徴とする請求項１記載の液体還元剤判別装置。
3. 前記還元剤空判別手段により空であるとの空判別がなされたときに、空判別回数を計数する計数手段と、
   該計数手段により計数された空判別回数が所定回数以上となったときに、空判別を確定する空判別確定手段と、
   をさらに含むことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の液体還元剤判別装置。
4. 前記空判別確定手段により空判別が確定されたときに、液体還元剤が空であることの報知を行う報知手段をさらに含むことを特徴とする請求項３記載の液体還元剤判別装置。
5. 前記還元剤空判別手段により空ではないと判別されたときに、前記空判別回数及び前記空判別確定をリセットするリセット手段をさらに含むことを特徴とする請求項３又は請求項４記載の液体還元剤判別装置。
6. 液体還元剤又はその前駆体を貯蔵する還元剤タンクと、
   前記還元剤タンクの液体還元剤又はその前駆体を使用して排気中の窒素酸化物を還元浄化する還元触媒と、
   前記還元剤タンクに配設された発熱体を所定時間作動させ、該発熱体の温度上昇特性から液体還元剤又はその前駆体の濃度を測定する濃度測定手段と、
   前記還元剤タンクにおける液体還元剤又はその前駆体の水位を測定する水位測定手段と、
   前記濃度測定手段により測定された濃度を第１の閾値と比較し且つ前記水位測定手段により測定された水位を第２の閾値と比較した結果が所定の条件を満たしたときに、液体還元剤又はその前駆体が空であると判別する還元剤空判別手段と、
   を含んで構成されることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
7. 前記還元剤空判別手段が空であると判別する所定の条件は、前記濃度が前記第１の閾値を超えており且つ前記水位が前記第２の閾値以下となったときであることを特徴とする請求項６記載のエンジンの排気浄化装置。
8. 前記還元剤空判別手段により空であるとの空判別がなされたときに、空判別回数を計数する計数手段と、
   該計数手段により計数された空判別回数が所定回数以上となったときに、空判別を確定する空判別確定手段と、
   をさらに含むことを特徴とする請求項６又は請求項７記載のエンジンの排気浄化装置。
9. 前記空判別確定手段により空判別が確定されたときに、液体還元剤が空であることの報知を行う報知手段をさらに含むことを特徴とする請求項８記載のエンジンの排気浄化装置。
10. 前記還元剤空判別手段により空ではないと判別されたときに、前記空判別回数及び前記空判別確定をリセットするリセット手段をさらに含むことを特徴とする請求項８又は請求項９記載のエンジンの排気浄化装置。

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