JP5633190B2 - 復帰制御システム - Google Patents

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Description

本発明は、ドージングバルブの作動不良や、尿素水が送液される送液ラインの閉塞を解消し、正常な状態に復帰させるための復帰制御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、尿素タンクに貯留された尿素水をＳＣＲ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）。
ここで、尿素水からアンモニアが生成される過程を図６を用いて説明する。
図６に示すように、尿素水は、沸点以上の温度になると、その水分が蒸発を開始し、融解物を経てガスが生成される。生成されたガスは、温度を上昇させると結晶化し、固形物が生成される。生成された固形物は昇華するとアンモニアが生成される。また、生成された融解物やガスの一部は水蒸気と共に加水分解して、アンモニアと炭酸ガスが生成される。
ところで、尿素水は、ＳＣＲ装置の上流側に設けられたドージングバルブ（尿素噴射装置、ドージングモジュール）から噴射される。
図７に示すように、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１２７に噴口１２８が設けられ、その噴口１２８を塞ぐ弁体１２９がスリット１３３を有する筒状のプランジャ１３０に取り付けられた構造となっており、コイル１３１に通電することによりプランジャ１３０を引き上げることで弁体１２９を噴口１２８から離間させて尿素水を噴射するようになっている。また、ドージングバルブ１０４の内部には、プランジャ１３０を介して弁体１２９を常閉の状態に付勢するバネ１３２が設けられているため、コイル１３１への通電を止めると、そのバネ力によりプランジャ１３０が引き下げられて弁体１２９が噴口１２８を塞ぐので尿素水の噴射が停止される。
尿素タンクからのドージングバルブ１０４への尿素水の供給は、ＳＭポンプや尿素水圧力センサなどを備えたサプライモジュールによってなされる。具体的には、尿素タンクとサプライモジュールとは送液ラインで接続され、尿素タンクから送液ラインを介して吸い上げた尿素水を、サプライモジュールとドージングバルブ１０４とを接続する圧送ラインを介してドージングバルブ１０４に供給する。このとき、ドージングバルブ１０４内の尿素水の圧力（サプライモジュールの尿素水圧力センサの測定値）が一定となるようにフィードバック制御され、圧力が一定となったら尿素水の噴射が開始されるようになっている。
特開２０００−３０３８２６号公報
ドージングバルブ１０４は、高温の排気ガスが流れるエンジンの排気管に設けられるので、ドージングバルブ１０４が高温になると、ドージングバルブ１０４内の尿素水も高温となり、図８（ａ）に示すように、ドージングバルブ１０４内の尿素水が結晶化して弁体１２９が固着してしまったり、或いは、図８（ｂ）に示すように、尿素水が結晶化した固体１３４が弁体１２９とシリンダ１２７の弁座との間に挟まって、尿素水の噴射が停止できなくなったりして、ドージングバルブ１０４が動作不良となり適正な尿素水噴射制御が行えなくなるという不具合が生じる。
また、尿素タンクとサプライモジュールとを接続する送液ラインが何らかの異物などで閉塞した場合もドージングバルブ１０４内の尿素水の圧力が一定とならず、即ち圧力が上昇せず、尿素水の噴射が開始されない不具合が生じる。
しかしながら、このような不具合から正常な状態に復帰させる復帰制御は今までなされていなかった。
そこで、本発明の目的は、ドージングバルブの作動不良や、尿素水が送液される送液ラインの閉塞を解消し、正常な状態に復帰させるための復帰制御システムを提供することにある。
本発明は、排気管内に尿素水を噴射するドージングバルブと、尿素タンク内の尿素水を吸い上げて前記ドージングバルブに尿素水を供給すると共に前記ドージングバルブ内の尿素水を前記尿素タンクに戻すサプライモジュールと、を備え、前記ドージングバルブが尿素水の結晶化により正常に作動しないときに正常な状態に復帰させるための復帰制御システムであって、前記ドージングバルブを監視し、前記ドージングバルブの異常を検出する異常検出手段と、前記異常検出手段で前記ドージングバルブの異常を検出したときに、前記サプライモジュールを制御することにより、前記ドージングバルブ内の尿素水を前記尿素タンクに戻すと共に前記排気管の排気ガス（空気）を前記ドージングバルブから前記尿素タンクまで吸い込む強制エンプティングと前記ドージングバルブへの尿素水の供給とを繰り返し、前記ドージングバルブ内の尿素水に与える圧力を変動させる復帰制御手段を更に備えることを特徴とする復帰制御システムである。
前記異常検出手段は、ドージングバルブに供給された尿素水の圧力を測定する尿素水圧力センサの測定値から尿素水圧力の異常を検出する圧力異常検出手段からなり、前記復帰制御手段は、前記圧力異常検出手段で尿素水圧力の異常を検出したときに、前記サプライモジュールを制御することにより、前記ドージングバルブ内の尿素水を前記尿素タンクに戻すと共に前記排気管の排気ガス（空気）を前記ドージングバルブから前記尿素タンクまで吸い込む強制エンプティングと前記ドージングバルブへの尿素水の供給とを繰り返し、前記ドージングバルブ内の尿素水に与える圧力を変動させ、且つ、前記強制エンプティングと前記ドージングバルブへの尿素水の供給とを所定回数繰り返しても前記ドージングバルブが正常な状態に復帰しない場合に前記ドージングバルブが故障していると判定すると良い。
本発明によれば、ドージングバルブの作動不良や、尿素水が送液される送液ラインの閉塞を解消し、正常な状態に復帰させることができる。
本発明を適用するＳＣＲシステムを示す概略図である。 ＤＣＵの入出力構成を示す図である。 ドージングバルブを作動させたときのコイル電流の波形を示す図である。 本発明に係る復帰制御システムの動作を示すフローチャートである。 本発明に係る復帰制御システムの動作を示すフローチャートである。 尿素水の温度変化による状態変化を示す図である。 ドージングバルブを示す断面斜視図である。 （ａ），（ｂ）はドージングバルブの不具合を説明する断面図である。
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、図７で説明したように、高圧の尿素水が満たされたシリンダ１２７に噴口１２８が設けられ、その噴口１２８を塞ぐ弁体１２９がスリット１３３を有する筒状のプランジャ１３０に取り付けられた構造となっており、コイル１３１に通電することによりプランジャ１３０を引き上げることで弁体１２９を噴口１２８から離間させて尿素水を噴射するようになっている。また、ドージングバルブ１０４の内部には、プランジャ１３０を介して弁体１２９を常閉の状態に付勢するバネ１３２が設けられているため、コイル１３１への通電を止めると、そのバネ力によりプランジャ１３０が引き下げられて弁体１２９が噴口１２８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。
なお、キーＯＦＦ（イグニッションＯＦＦ、車両停止）の際には、リバーティングバルブ１１５を切り替えてドージングバルブ１０４内の尿素水を尿素タンク１０５に戻すようにして、尿素水の結晶化によるドージングバルブ１０４の動作不良の発生を防止している。このように、ドージングバルブ１０４内の尿素水を尿素タンク１０５に戻す制御を本明細書ではエンプティングと呼称する。
エンプティングを行う際には、予めドージングバルブ１０４を開としておき、ドージングバルブ１０４内の尿素水を尿素タンク１０５に戻すことで、排気管１０２の排気ガス（空気）をドージングバルブ１０４から尿素タンク１０５まで吸い込むようにしている。
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、外気温、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。
ＤＣＵ１２６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。
なお、ドージングバルブ１０４は、図３に示すように、ドージングバルブ１０４は、ｔ0（固定）毎にｔ1間通電することで尿素水を噴射している。このｔ1は尿素噴射量に応じて変わる。エンプティングの際には、所定時間通電を維持することで行う。この所定時間とは、配管内の尿素水を尿素タンク１０５に戻す時間である。
さて、本発明のＳＣＲシステム１００は、ドージングバルブ１０４内の尿素水が高温の排気ガスによって加熱されて結晶化して固着し、ドージングバルブ１０４が正常に作動しないときに正常な状態に復帰させるための復帰制御システムを備えている。復帰制御システムは、ＤＣＵ１２６に実装されており、ドージングバルブ１０４の異常検出手段と、復帰制御手段とを備える。
異常検出手段は、ドージングバルブ１０４の開閉動作が正常か否かで異常を検出するように構成される。
復帰制御手段は、異常検出手段でドージングバルブ１０４の異常を検出したときに、ドージングバルブ１０４内の尿素水を尿素タンク１０５に戻すべく、サプライモジュール１０６を制御するように構成される。具体的には、復帰制御手段は、ドージングバルブ１０４を開とし、サプライモジュール１０６のリバーティングバルブ１１５を切り替えると共にＳＭポンプ１１２を作動させ、強制的にエンプティング（強制エンプティング）を実施するように構成される。
この復帰制御システムの動作を図４を用いて説明する。
復帰制御システムは以下の動作を繰り返し行うようにされている。
異常検出手段は、ドージングバルブ１０４が異常であるか否かを検出する（Ｓ４０１）。
Ｓ４０１にて、ドージングバルブ１０４の異常を検出した場合には、復帰制御手段は、ドージングバルブ１０４を開とし、サプライモジュール１０６のリバーティングバルブ１１５を切り替えると共にＳＭポンプ１１２を作動させ、強制エンプティングを実施する（Ｓ４０２）。
その後、強制エンプティングが終了したかを判断し（Ｓ４０３）、強制エンプティングが終了した場合は、尿素水をドージングバルブ１０４に供給する（Ｓ４０４）。
このような動作の繰り返しにより、ドージングバルブ１０４内の尿素水を尿素タンク１０５に戻す力で、尿素水と共に結晶化した尿素水を取り除くことができる。結晶化した尿素水を取り除けなかった場合（ドージングバルブ１０４が動かず閉じたまま）、尿素水を戻すことも供給することもできず、尿素水がドージングバルブ１０４内に残ったままとなるが、強制エンプティングと尿素水の供給を繰り返し、ドージングバルブ１０４内の尿素水に与える圧力を変動させることにより、結晶化している尿素水の位置まで尿素水を送りことにより結晶を溶かして取り除くことができる。以上により、ドージングバルブ１０４の動作不良の原因が尿素水の結晶化による固着が原因であれば、ドージングバルブ１０４の動作不良を解消することができる。なお、Ｓ４０１，４０２〜４０４を繰り返し、強制エンプティングと尿素水の供給を所定回数繰り返してもドージングバルブ１０４の動作不良を解消できない場合には、ドージングバルブ１０４を故障と判定するようにしてもよい。これにより、復帰可能な不具合か、復帰不可能な不具合かが判断でき、復帰可能な不具合にもかかわらず、運転者などに故障を警告するような事態を防止できる。
以上要するに、本発明の復帰制御システムによれば、ドージングバルブの作動不良を解消し、正常な状態に復帰させることができる。
なお、エンプティングでは、上述したように予めドージングバルブ１０４を開としておき、排気管１０２の排気ガス（空気）をドージングバルブ１０４から尿素タンク１０５まで吸い込むようにしている。つまり、エンプティングを実施すると、送液ライン１１６、圧送ライン１１７などを通って排気ガスが吸い込まれる。そのため、送液ライン１１６や圧送ライン１１７に溜まった異物などの除去も行える。
そこで、本発明の変形例として、復帰制御システムに、ドージングバルブ１０４に供給された尿素水の圧力を測定する尿素水圧力センサ１１４の測定値から尿素水圧力の異常を検出する圧力異常検出手段を設け、この圧力異常検出手段で尿素水の圧力の異常を検出したときに、復帰制御手段により強制エンプティングを実施するようにしてもよい。即ち、図５に示すように、圧力異常検出手段でドージングバルブ１０４に供給された尿素水の圧力が異常か否か（一定になるか否か）を検出し（Ｓ５０１）、Ｓ５０１にて圧力異常が検出されたときに、復帰制御手段により強制エンプティングを実施する（Ｓ５０２）ようにしてもよい。
これにより、送液ライン１１６の閉塞を検出し、強制エンプティングにより閉塞の原因である異物を除去することも可能である。
また、強制エンプティングではリバーティングバルブ１１５を作動させず、ＳＭポンプ１１２をＯＦＦさせるだけでもよい。
１０２ 排気管
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
１２７ シリンダ
１２９ 弁体
１３０ プランジャ
１３１ コイル

Claims (2)

  1. 排気管内に尿素水を噴射するドージングバルブと、
    尿素タンク内の尿素水を吸い上げて前記ドージングバルブに尿素水を供給すると共に前記ドージングバルブ内の尿素水を前記尿素タンクに戻すサプライモジュールと、
    を備え、前記ドージングバルブが尿素水の結晶化により正常に作動しないときに正常な状態に復帰させるための復帰制御システムであって、
    前記ドージングバルブを監視し、前記ドージングバルブの異常を検出する異常検出手段と、
    前記異常検出手段で前記ドージングバルブの異常を検出したときに、前記サプライモジュールを制御することにより、前記ドージングバルブ内の尿素水を前記尿素タンクに戻すと共に前記排気管の排気ガス（空気）を前記ドージングバルブから前記尿素タンクまで吸い込む強制エンプティングと前記ドージングバルブへの尿素水の供給とを繰り返し、前記ドージングバルブ内の尿素水に与える圧力を変動させる復帰制御手段を更に備えることを特徴とする復帰制御システム。
  2. 前記異常検出手段は、ドージングバルブに供給された尿素水の圧力を測定する尿素水圧力センサの測定値から尿素水圧力の異常を検出する圧力異常検出手段からなり、
    前記復帰制御手段は、前記圧力異常検出手段で尿素水圧力の異常を検出したときに、前記サプライモジュールを制御することにより、前記ドージングバルブ内の尿素水を前記尿素タンクに戻すと共に前記排気管の排気ガス（空気）を前記ドージングバルブから前記尿素タンクまで吸い込む強制エンプティングと前記ドージングバルブへの尿素水の供給とを繰り返し、前記ドージングバルブ内の尿素水に与える圧力を変動させ、且つ、前記強制エンプティングと前記ドージングバルブへの尿素水の供給とを所定回数繰り返しても前記ドージングバルブが正常な状態に復帰しない場合に前記ドージングバルブが故障していると判定する請求項１に記載の復帰制御システム。
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