JP5640487B2

JP5640487B2 - Ｓｃｒシステム

Info

Publication number: JP5640487B2
Application number: JP2010137063A
Authority: JP
Inventors: 正信嶺澤; 明寛澤田; 直人角田
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2010-06-16
Filing date: 2010-06-16
Publication date: 2014-12-17
Anticipated expiration: 2030-06-16
Also published as: JP2012002122A

Description

本発明は、ディーゼル車両の排ガス浄化を行うＳＣＲシステムに係り、ＮＯｘ濃度が急変しているときでもＮＯｘセンサからのＮＯｘ濃度の出力信号が利用できるＳＣＲシステムに関する。

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）。

特開２０００−３０３８２６号公報特開２００９−２８８０８２号公報

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センサは、濃度検出の対象ガスが導入される第１チャンバと、これに隣接する第２チャンバとを備える。第１チャンバでは対象ガスから酸素等が除去されてＮＯが残り、第２チャンバではそのＮＯが窒素と酸素に分解される。このとき生じる電流が対象ガスのＮＯｘ濃度を表す（例えば、特許文献２参照）。

しかしながら、ＮＯｘセンサは、前述のような化学的プロセスを経るため、応答速度が遅い。排気ガス中のＮＯｘ濃度が急変すると、ＮＯｘセンサが応答しきれなくなり、出力信号が正確なＮＯｘ濃度を表さなくなる。排気ガス中のＮＯｘ濃度が急変するのは、例えば、踏み込まれていたアクセルペダルが急に解放されたとき、排気ブレーキが使用されたとき、あるいは、アクセルペダルが短時間内に頻繁に開閉操作されるなどしてエンジン状態が急変するときなどである。

このような不正確な出力信号を実際のＮＯｘ濃度と見なして尿素水噴射に使用すると、余剰のアンモニアが大気に流出するアンモニアスリップが起きたり、アンモニアが不足してＮＯｘの浄化が不十分になったりする。

これに対して、ＮＯｘセンサには、ＮＯｘ濃度の出力信号が不正確であることを示す無効信号と呼ばれる信号を出力する機能が設けられている。そこで、ＮＯｘセンサから無効信号を受け取っている間、ＮＯｘ濃度の出力信号を参照せず、エンジンのモデル式にエンジンパラメータを代入してＮＯｘ濃度の理論値を演算し、この理論値を使っている。しかし、理論値は、エンジンの状態の急変が短時間かつ頻繁に発生した場合、実際のＮＯｘ濃度との差が大きくなる場合がある。また、ＮＯｘセンサにおけるＮＯｘ濃度の出力信号は応答が遅いため、無効信号がなくなった後も、しばらくは出力信号が正確とは限らない。エンジンの状態の急変が短時間かつ頻繁に発生した場合、短時間の無効信号が頻繁に発生し、ＮＯｘ濃度として理論値とＮＯｘセンサの出力信号が頻繁に切り替えられ、上述の理由により適正な尿素水噴射ができず、アンモニアスリップ又はＮＯｘ浄化不良が発生する。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ＮＯｘ濃度が急変しているときでもＮＯｘセンサからのＮＯｘ濃度の出力信号が利用できるＳＣＲシステムを提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、エンジンの排気管に設けられた選択還元触媒装置と、前記選択還元触媒装置の上流側で尿素水を噴射するドージングバルブと、前記排気管に取り付けられて排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出すると共に、ＮＯｘ濃度が急変するときには無効信号を出力するＮＯｘセンサと、無効信号が受信される以前は、前記ＮＯｘセンサが出力するＮＯｘ濃度の出力信号を無処理で通過させ、無効信号が受信されたときは、前記ＮＯｘセンサが出力するＮＯｘ濃度の出力信号を、無処理のときに比して出力信号の応答性が低くなるようにあらかじめ設定されたステップ応答特性によりフィルタ処理し、無効信号の受信が終了した時からあらかじめ設定されたセンサ安定時間が経過するまでは、前記ＮＯｘセンサが出力するＮＯｘ濃度の出力信号を、前記ステップ応答特性とは別の無処理のときに比して出力信号の応答性が低くなるように設定されたステップ応答特性によりフィルタ処理するローパスフィルタ処理部と、前記ローパスフィルタ処理部から出力されたＮＯｘ濃度に応じて尿素水噴射を制御する尿素水噴射制御部とを備えたものである。

前記無効信号がＮＯｘ濃度のフィルタ処理値と実際値とが大きく乖離するほど長時間出力されたときは、フィルタ処理から理論値計算に切り替えてもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）ＮＯｘ濃度が急変しているときでもＮＯｘセンサからのＮＯｘ濃度の出力信号が利用できる。

本発明の一実施形態を示すＳＣＲシステムの要部構成図である。本発明のローパスフィルタ処理部におけるステップ応答特性を示す図である。本発明の一実施形態を示すＳＣＲシステムを詳しく示した構成図である。図１のＳＣＲシステムの入出力構成図である。本発明においてＮＯｘセンサが出力するＮＯｘ濃度の出力信号をフィルタ処理するときの時間波形図である。

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。

図１及び図３に示されるように、本発明に係る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の上流側で尿素水を噴射するドージングバルブ１０４と、排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出すると共に、ＮＯｘ濃度が急変するときには無効信号を出力するＮＯｘセンサ１１０，１１１と、無効信号が受信される以前は、ＮＯｘセンサ１１０，１１１が出力するＮＯｘ濃度の出力信号を無処理で通過させ、無効信号が受信されたときは、ＮＯｘセンサ１１０，１１１が出力するＮＯｘ濃度の出力信号を、あらかじめ設定されたステップ応答特性Ｇ１によりフィルタ処理するローパスフィルタ処理部１と、ローパスフィルタ処理部１から出力されたＮＯｘ濃度に応じて尿素水噴射を制御する尿素水噴射制御部２とを備える。

ローパスフィルタ処理部１は、無効信号が受信された後、無効信号が受信されなくなったときは、あらかじめ設定されたセンサ安定時間が経過するまで、ＮＯｘセンサ１１０，１１１が出力するＮＯｘ濃度の出力信号を、ステップ応答特性Ｇ１とは別に設定されたステップ応答特性Ｇ２によりフィルタ処理するようになっている。

図２に示されるように、ローパスフィルタ処理部１は、ステップ入力に対して適宜な時定数に従って遅延して応答するようになっている。時定数が大きいステップ応答特性では、高周波遮断効果が大きく、時定数が極限的に大きくなると低周波も遮断されて応答出力がなくなる。時定数が小さいステップ応答特性では、高周波遮断効果が小さく、時定数が極限的に小さくなると、無処理で通過するのと等価となり、ステップ入力と同じ応答出力が得られる。

ステップ応答特性Ｇ１及びステップ応答特性Ｇ２は、それぞれ実験により求められた最適値に設定されるものとする。

詳しくは、図３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３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４に、ＤＣＵ１２６の入出力構成図を示す。

図４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、車速などあらゆるエンジンパラメータ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の尿素水噴射制御部２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。

以下、本発明のＳＣＲシステム１００の動作を説明する。

図５に示されるように、時刻ｔ０からｔ１まで、排気ガス中のＮＯｘ濃度が安定しており、ＮＯｘセンサ１１０，１１１は無効信号を出力しない。このとき、ローパスフィルタ処理部１は、ＮＯｘセンサ１１０，１１１が出力するＮＯｘ濃度の出力信号を無処理で通過させて出力する（実線）。

時刻ｔ１からｔ２まで、排気ガス中のＮＯｘ濃度が急変すると、ＮＯｘセンサ１１０，１１１は無効信号を出力する。そこで、ローパスフィルタ処理部１は、ＮＯｘセンサ１１０，１１１が出力するＮＯｘ濃度の出力信号（破線）をステップ応答特性Ｇ１によりフィルタ処理して出力する（実線）。ＮＯｘ濃度の出力信号が短時間で急激に増減しているが実際のＮＯｘ濃度に追従していないのに対し、フィルタ処理された信号は緩慢に増加することで、実際のＮＯｘ濃度の増加傾向を表している。

時刻ｔ２にて、ＮＯｘセンサ１１０，１１１は無効信号を停止する。ローパスフィルタ処理部１は、時刻ｔ２からセンサ安定時間ｔ３が経過するまで、ＮＯｘセンサ１１０，１１１が出力するＮＯｘ濃度の出力信号（破線）をステップ応答特性Ｇ２によりフィルタ処理して出力する（実線）。この例では、フィルタ処理された信号は、時刻ｔ１からｔ２まで増加した値から激変することなく緩慢に減少する。

センサ安定時間ｔ３が経過した後は、ローパスフィルタ処理部１は、ＮＯｘセンサ１１０，１１１が出力するＮＯｘ濃度の出力信号を無処理で通過させて出力する。

時刻ｔ４からｔ５まで、再び排気ガス中のＮＯｘ濃度が急変すると、ＮＯｘセンサ１１０，１１１が無効信号を出力するので、ローパスフィルタ処理部１は、ＮＯｘセンサ１１０，１１１が出力するＮＯｘ濃度の出力信号（破線）をステップ応答特性Ｇ１によりフィルタ処理して出力する（実線）。ＮＯｘ濃度の出力信号が短時間で急激に増減しているが実際のＮＯｘ濃度に追従していないのに対し、フィルタ処理された信号は緩慢に減少することで、実際のＮＯｘ濃度の減少傾向を表している。

時刻ｔ５にて、ＮＯｘセンサ１１０，１１１が無効信号を停止すると、ローパスフィルタ処理部１は、時刻ｔ５からセンサ安定時間ｔ６が経過するまで、ＮＯｘセンサ１１０，１１１が出力するＮＯｘ濃度の出力信号（破線）をステップ応答特性Ｇ２によりフィルタ処理して出力する（実線）。この例では、フィルタ処理された信号は、時刻ｔ４からｔ５まで減少した値から激変することなく緩慢に増加する。

このようにして、ローパスフィルタ処理部１から出力されるＮＯｘ濃度の信号は、時刻ｔ０から最後まで実線で示すように滑らかに繋がり、尿素水噴射制御部２は、このＮＯｘ濃度に応じて尿素水噴射を制御することになる。

この結果、時刻ｔ１からｔ２のようにＮＯｘ濃度が主として増加の方向に急変する場合も、時刻ｔ４からｔ５のようにＮＯｘ濃度が主として減少の方向に急変する場合も、ローパスフィルタ処理部１の出力には短時間での極端な増加や極端な減少が見られず、したがって、余剰のアンモニアが大気に流出するアンモニアスリップが起きたり、アンモニアが不足してＮＯｘの浄化が不十分になったりすることが防止される。

なお、ＮＯｘセンサ１１０，１１１が無効信号を出力している間、ＮＯｘ濃度をあらかじめ設定した固定値（デフォルト値）とすることも可能である。しかし、この場合、固定値をどのような値に設定するかが難しい。また、エンジンのモデル式にエンジンパラメータを入力してＮＯｘ濃度の理論値を演算し、ＮＯｘセンサ１１０，１１１が無効信号を出力している間、ＮＯｘ濃度を理論値とすることも可能である。しかし、理論値は、エンジン状態の急変が短時間かつ頻繁に発生した場合、実際のＮＯｘ濃度との差が大きくなる場合がある。その点、本発明では、ＮＯｘセンサ１１０，１１１の出力信号をフィルタ処理してＮＯｘ濃度としているので、実際のＮＯｘ濃度の増加傾向あるいは減少傾向によく追従していると共に、複雑なモデル式を演算する必要もない。

本発明では、時刻ｔ２及び時刻ｔ５において、ＮＯｘセンサ１１０，１１１が無効信号を停止したにも拘わらず、フィルタ処理を行うが、これは、ＮＯｘセンサ１１０，１１１が無効信号を停止しても、しばらくはＮＯｘ濃度の出力信号が安定しないという知見に基づいている。ＮＯｘ濃度の出力信号が安定しない期間は、５〜６秒であったり、あるいは１分に及ぶこともある。よって、センサ安定時間は、ＮＯｘセンサ１１０，１１１が無効信号を停止した後、ＮＯｘ濃度の出力信号が十分に信頼できる長い時間とするのが好ましい。一方、センサ安定時間を過度に長くすると、その間、リアルタイムのＮＯｘ濃度が得られなくなるという不利益もあるので、センサ安定時間は実験により求めた最適値に設定するのが好ましい。

また、以下の動作も可能である。

エンジン状態の急変が連続して発生し、無効信号が出力されている時間が長くなった場合、フィルタ処理から理論値の計算に切り替える。無効信号が長く続くと、フィルタ処理した値と実際のＮＯｘ濃度の差が大きくなり、理論値を使った方が適正に尿素水噴射ができる場合があるため、無効信号がなくなった後、その時のＮＯｘセンサ１１０，１１１の出力信号により（例えば、あり得ないような低い値を長時間続けた場合）、フィルタ処理でなく理論値の計算に切り替える。あり得ない値を使ってフィルタ処理をするより、理論値の方が実際のＮＯｘ濃度に近くなる。

以上説明したように、本発明によれば、無効信号が受信される以前は、ＮＯｘセンサ１１０，１１１が出力するＮＯｘ濃度の出力信号を無処理で通過させるが、無効信号が受信されたときは、ＮＯｘセンサ１１０，１１１が出力するＮＯｘ濃度の出力信号をステップ応答特性Ｇ１によりフィルタ処理するようにしたので、急変するＮＯｘ濃度の出力信号から尿素水噴射制御に適切なＮＯｘ濃度の信号が得られる。

また、本発明によれば、無効信号が受信された後、無効信号が受信されなくなったときは、センサ安定時間が経過するまで、ＮＯｘセンサ１１０，１１１が出力するＮＯｘ濃度の出力信号をステップ応答特性Ｇ２によりフィルタ処理するようにしたので、無効信号が停止してもＮＯｘ濃度の出力信号が安定しない期間においても、尿素水噴射制御に適切なＮＯｘ濃度の信号が得られる。

１ローパスフィルタ処理部
２尿素水噴射制御部
１００ＳＣＲシステム
１０２排気管
１０３選択還元触媒装置（ＳＣＲ装置）
１０４ドージングバルブ
１１０上流側ＮＯｘセンサ
１１１下流側ＮＯｘセンサ

Claims

エンジンの排気管に設けられた選択還元触媒装置と、
前記選択還元触媒装置の上流側で尿素水を噴射するドージングバルブと、
前記排気管に取り付けられて排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出すると共に、ＮＯｘ濃度が急変するときには無効信号を出力するＮＯｘセンサと、
無効信号が受信される以前は、前記ＮＯｘセンサが出力するＮＯｘ濃度の出力信号を無処理で通過させ、無効信号が受信されたときは、前記ＮＯｘセンサが出力するＮＯｘ濃度の出力信号を、無処理のときに比して出力信号の応答性が低くなるようにあらかじめ設定されたステップ応答特性によりフィルタ処理し、無効信号の受信が終了した時からあらかじめ設定されたセンサ安定時間が経過するまでは、前記ＮＯｘセンサが出力するＮＯｘ濃度の出力信号を、前記ステップ応答特性とは別の無処理のときに比して出力信号の応答性が低くなるように設定されたステップ応答特性によりフィルタ処理するローパスフィルタ処理部と、
前記ローパスフィルタ処理部から出力されたＮＯｘ濃度に応じて尿素水噴射を制御する尿素水噴射制御部とを備えたことを特徴とするＳＣＲシステム。
前記無効信号がＮＯｘ濃度のフィルタ処理値と実際値とが大きく乖離するほど長時間出力されたときは、フィルタ処理から理論値計算に切り替えることを特徴とする請求項１記載のＳＣＲシステム。