JP5653208B2 - 還元剤供給装置およびその制御方法 - Google Patents
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Description
このうち、NOXを還元して排気ガスを浄化するための装置として尿素SCRシステムがある。尿素SCRシステムは、圧送ポンプによって貯蔵タンク内から汲み上げた還元剤としての尿素水溶液を還元剤噴射弁から排気管内に供給するための還元剤供給装置と、アンモニアを吸着可能な排気浄化触媒の一種であるSCR触媒とを備えて構成される。かかる尿素SCRシステムでは、尿素水溶液の分解により生成されるアンモニアをSCR触媒に吸着させ、排気ガス中のNOXをSCR触媒中でアンモニアと反応させて、排気ガスを浄化する。
近年、排気ガスの浄化基準が高められていることに伴い、DPF及びSCR触媒の両方を備えた排気浄化システムが増えてきている。
一方、内燃機関の停止とともに還元剤噴射弁の放熱機能である冷却水の循環等は停止するため、還元剤噴射弁の温度は上昇する。そうすると、上述の還元剤噴射弁内に残留した尿素水溶液中の水分が気化により抜けていき、その濃度は上昇する。その後、排気管や周囲の温度が下がるにつれて、尿素水溶液の温度は下がるが、通常の濃度に比べ高い濃度となっているため、固化する温度も上がり、残留尿素水溶液が固化してしまい還元剤噴射弁に詰まりが発生してしまうおそれがある。
尿素水溶液の濃度は通常およそ32.5%に調整されており、この場合尿素水溶液の固化する温度はおよそ−11℃である。その濃度が当該パーセンテージを超えて高くなると、尿素水溶液の固化する温度は高くなる傾向にある。(図8参照)したがって高温により水分が抜けて濃度が高くなった還元剤噴射弁内の残留尿素水溶液は、温度が下がった時に固化しやすく、内燃機関の再始動時において当該還元剤噴射弁の噴射が阻害される可能性がある。
すなわち、本発明は、尿素水溶液の固化を未然に防止でき、ひいては、還元剤噴射弁の目詰まりを効果的に抑制できる還元剤供給装置およびその制御方法を提供することを目的とする。
尿素水溶液が固化するおそれがある場合とは、DPFの強制再生が開始後終了するまでの間、または当該終了後所定期間内に内燃機関が停止した場合とすることが好ましい。
このように、DPFの強制再生中およびその終了後の所定期間は、DPFの下流にある還元剤噴射弁は高温にさらされ、内燃機関停止後においては、その冷却機能が有効に働かず、固化する可能性が高いと判断できる。したがって、本判断基準の採用により、尿素水溶液の固化を確実に回避できる。
還元剤噴射弁内の尿素水溶液が固化するか否かは、還元剤噴射弁の温度に依存するので、還元剤噴射弁の温度に基づいて判断することにより、尿素水溶液の固化を確実に回避できる。
このように、内燃機関の停止後に還元剤供給通路および還元剤噴射弁に対し、さらに尿素水溶液を充填し、吸引して回収することにより、還元剤噴射弁の熱を効果的に回収できる。したがって、還元剤噴射弁内に残留した尿素水溶液が高温になるのを避けることができるので、尿素水溶液の固化を未然に防止でき、ひいては、還元剤噴射弁の目詰まりを効果的に抑制できる。また、固化するおそれがあるときのみ当該充填、回収の操作を行うことができ、エネルギーの節約となる。さらに複数回繰り返すことにより、還元剤噴射弁の熱をさらに確実に奪い、尿素水溶液の固化を回避できる。
ただし、以下の実施形態は、本発明の一態様を示すものであってこの発明を限定するものではなく、本発明の範囲内で任意に変更することができる。
なお、各図において同符号を付してあるものは同一の部材ないし部分を示しており、適宜説明が省略されている。
(1)全体構成
図1は、本実施形態にかかる還元剤供給装置40を含む排気浄化システム(以下、単に「システム」と称する場合がある。)10の全体構成を示している。
このシステム10は、DPF22及びSCR触媒24を有する排気浄化ユニット20と、還元剤噴射弁43を含む還元剤供給装置40と、DPF22の強制再生制御や還元剤供給装置40の動作制御を行う制御装置60とを主たる要素として備えている。
かかるシステム10は、排気ガス中のPMをDPF22によって捕集し、かつ、還元剤としての尿素水溶液を用いて排気ガス中のNOXをSCR触媒24中で選択的に浄化するための装置として構成されたものである。
排気浄化ユニット20は、酸化触媒21と、DPF22と、SCR触媒24とを排気上流側から順次に備えている。
この排気浄化ユニット20の構成要素のうち、酸化触媒21は、内燃機関5でのポスト噴射等によって排気管11内に供給された未燃燃料を酸化し、酸化熱を発生させる。これにより、DPF22に流入する排気ガスを昇温させてDPF22を加熱することができる。酸化触媒21は、公知のもの、例えば、アルミナに白金を担持させたものに所定量のセリウム等の希土類元素を添加したものを用いることができる。
これらセンサのセンサ値は制御装置60に送られて、それぞれの位置での圧力や温度、NOX濃度が検出される。
なお、演算によって推定可能であるならば、これらセンサは省略可能である。例えば、還元剤噴射弁43の温度Tudvを計測するためには、還元剤噴射弁に温度センサを装着しても良いが、近傍に配置された温度センサ等から推定することとしてもよい。
したがって、排気管11に還元剤噴射弁43を直接固定する場合と比較して、排気管11や排気ガス等から還元剤噴射弁43への熱を伝わり難くすることができる。
ここで、本実施形態のシステム10は、DPF22の強制再生制御を行うための強制再生手段を備える。DPF22を500℃〜600℃程度に昇温させ、DPF22に堆積したPMを強制的に燃焼させるためである。
本実施形態では、内燃機関5でのポスト噴射等によって排気管11内に未燃燃料を供給する燃料噴射弁(図示せず)と、燃料噴射弁からの燃料噴射量や噴射タイミング等、燃料噴射弁の制御を指示するための制御装置60の制御部と、未燃燃料を酸化して酸化熱を発生させる酸化触媒21とが、強制再生手段を構成する。
また、還元剤供給装置40は、尿素水溶液を貯蔵する貯蔵タンク41と、圧送ポンプ42と、還元剤噴射弁43とを主たる要素として備えている。
このうち、貯蔵タンク41及び圧送ポンプ42が第1の還元剤供給通路44によって接続され、圧送ポンプ42及び還元剤噴射弁43が第2の還元剤供給通路45によって接続されている。この第2の還元剤供給通路45には圧力センサ56が設けられており、センサ値が制御装置60に送信され、第2の還元剤供給通路45内の圧力が検出される。
また、第2の供給通路45及び貯蔵タンク41が第3の還元剤供給通路46によって接続されており、これにより、第2の還元剤供給経路45に供給された余剰の尿素水溶液を、貯蔵タンク41に戻すことができる。
この還元剤供給装置40の構成要素のうち、圧送ポンプ42は、内燃機関5の駆動時においては、第2の還元剤供給経路45内の圧力が所定値で維持されるように、貯蔵タンク41内の尿素水溶液を汲み上げて還元剤噴射弁43に圧送する。
一方内燃機関5の停止時においては、圧送ポンプ42は、第1の還元剤供給経路に残存する尿素水溶液を回収するよう作動する(以下パージ処理という)。
当該パージ処理を終了した後、圧送ポンプ42は、第2の還元剤供給通路45および還元剤噴射弁43に対し、尿素水溶液を充填した後、吸引して、貯蔵タンク41内に尿素水溶液を回収するように機能する。この尿素水溶液を充填した後、吸引して、貯蔵タンク41内に尿素水溶液を回収する操作回数は1回のみと限るものではなく、複数回繰り返してもよい。その回数は実機による試験等によって前もって所定回数を定めてもよいし、還元剤噴射弁43の温度等をフィードバックすることにより、その都度決めても良い。
この尿素水溶液を充填した後、吸引して、貯蔵タンク41内に回収する操作により、相対的に温度の低い尿素水溶液により、還元剤噴射弁43の熱を奪い、冷却をすることができる。
これらパージ処理開始時や、尿素水溶液の充填開始時や、吸引開始時に必要な尿素水溶液の流路切り換えはリバーティングバルブ47によりなされる。
圧送ポンプ42は代表的には電動式ポンプが用いられる。
また、還元剤噴射弁43は、内燃機関5の駆動時においては、制御装置60から出力される制御信号によって還元剤噴射弁43が開かれたときに、尿素水溶液を排気管11中に噴射する。還元剤噴射弁43としては、例えばDUTY制御によって開弁のON−OFFが制御されるON−OFF弁が用いられる。
一方、内燃機関5の停止時において、還元剤噴射弁43は、パージ処理や、その後尿素水溶液を第2の還元剤供給通路45および還元剤噴射弁43に対して充填および回収するために、適宜、開状態もしくは閉状態をとる。
すなわち、尿素水溶液を第2の還元剤供給通路45および還元剤噴射弁43に対して充填するときには、還元剤噴射弁43を開状態として、第2の還元剤供給通路45および還元剤噴射弁43の内部に存在する気体を外部に排出させて、還元剤噴射弁43まで充填させる。また、充填が完了したときには、尿素水溶液が排気管11に排出しないよう還元剤噴射弁43を閉状態とする。この際、還元剤噴射弁43の熱を十分尿素水溶液が吸収するよう還元剤噴射弁43を所定時間閉状態としてもよい。次に充填した尿素水溶液回収するために再び還元剤噴射弁43を開状態とする。回収が完了した後、還元剤噴射弁43は閉状態とされる。
そのため、この還元剤供給装置40は、還元剤噴射弁43のハウジングに設けられた冷却水通路35と、内燃機関5の冷却水通路33から分岐して冷却水通路35に連通する冷却水循環通路33・34と、冷却水循環通路33・34を流れる冷却水の流量を調節する冷却水流量制御弁31・32とを備えている。
これにより、内燃機関5の冷却水を還元剤噴射弁43の冷却水通路35に循環させ、還元剤噴射弁43の温度を70℃〜80℃程度に保ち、還元剤噴射弁43の熱損傷を防止することができる。
また、還元剤噴射弁43からの尿素水溶液の噴射に伴って、貯蔵タンク41内の相対的に低温である尿素水溶液が還元剤噴射弁43に圧送されるために、このような尿素水溶液への熱移動によっても、還元剤噴射弁43の放熱が促される。
内燃機関5の運転中に冷却水が循環し、また、内燃機関5の運転中に還元剤噴射弁43へ尿素水溶液が圧送されるためである。
制御装置60は、公知の構成からなるマイクロコンピュータを中心に構成されている。
また、制御装置60は、各圧力センサや各温度センサをはじめとして、機関回転数Neを検出する回転数センサ、車両の車速Vを検出する車速センサ、アクセルペダルの操作量Accを検出するアクセルセンサ、ブレーキペダルの操作量Brkを検出するブレーキセンサ等の各種センサ信号が読込み可能に構成されている。
さらに、制御装置60には、各部での演算結果や検出結果を記憶するための図示しないRAM(Random Access Memory)が備えられている。
また、制御装置60は、内燃機関5の停止時にパージ処理の実行を指示する。具体的には、尿素水溶液の流路を順方向から逆方向に切り換えるための信号を、リバーティングバルブ47に対して出力するとともに、還元剤噴射弁43を開弁させて圧送ポンプ42を駆動させるための信号を、圧送ポンプ42及び還元剤噴射弁43に対して出力する。
さらにパージ処理を終了した後、第2の還元剤供給通路45および還元剤噴射弁43に対し、尿素水溶液を充填した後、吸引して、貯蔵タンク41内に尿素水溶液を回収するようリバーティングバルブ47や圧送ポンプ42及び還元剤噴射弁43に対して出力する。
なお、内燃機関5の停止後においても、制御装置60は本実施形態のシステム10において必要な機能が動作可能なように構成されている。
以下タイミングチャートとフローチャートを用いて本制御装置によって実行可能な制御方法の具体例について説明する。
図3、図4、図5、図6は、内燃機関の停止を検知した後の制御装置60における演算処理のフローチャートを示している。
これにともなって還元剤噴射弁温度Tudvも上昇するが、内燃機関5が駆動中においては、還元剤噴射弁43のハウジングの冷却水通路35にエンジン冷却水が循環し、また、貯蔵タンク41内の相対的に低温である尿素水溶液が還元剤噴射弁43に圧送されるので、還元剤噴射弁温度Tudvは一定温度以上がらず、新たな尿素水溶液も供給されるので、濃度の上昇も少なく、還元剤噴射弁43内の尿素水溶液の固化温度T0の変化は少ない。
判定方法の具体例については図5及び図6に基づいて後述する。
おそれがない場合には本ルーチンを終了する。またおそれがある場合にはステップS14へ進み、第2の還元剤供給通路45および還元剤噴射弁43に対し、尿素水溶液を充填した後、吸引して、貯蔵タンク41内に尿素水溶液を回収するよう指示を出す。この操作の後再びステップS13に戻り、固化のおそれがなくなるまでこれが繰り返される。
そして、冷却の過程で、還元剤噴射弁温度Tudvが当該上昇した固化温度T0を下回ると推定される場合には、還元剤噴射弁43内の尿素水溶液は固化のおそれがあると判定される。図2においてはt3の時点で、還元剤噴射弁温度Tudvが固化温度T0を下回り、還元剤噴射弁43内の尿素水溶液が固化し始めると推定される。したがって、還元剤噴射弁43内の尿素水溶液が固化のおそれありとの判定になり(図4のステップS13)、第2の還元剤供給通路45および還元剤噴射弁43に対し、尿素水溶液を充填した後、吸引して、貯蔵タンク41内に尿素水溶液を回収するよう指示が出される(図4のステップS14)。
したがって、図4のフローチャートにおいては、これ以上当該尿素水溶液の充填、吸引の操作を実施せず(図4のステップS13で NOに進む)本ルーチンを終了する。
ステップS21において、制御装置60が、内燃機関の停止を検知すると、ステップS22に進みパージ処理を実施するよう指示を出す。その後、ステップS23に進み、DPF22の強制再生中または、強制再生後所定期間内か否かが判定される。DPF22の強制再生中または、強制再生後所定期間である場合にはステップS24に進み、第2の還元剤供給通路45および還元剤噴射弁43に対し、尿素水溶液を充填した後、吸引して、貯蔵タンク41内に尿素水溶液を回収するよう指示を出し、ステップS23に戻る。また、DPF22の強制再生中でも強制再生後所定期間でもない場合には本ルーチンを終了する。したがって、DPF22の強制再生後所定期間がすぎるまで尿素水溶液を充填した後、吸引して、貯蔵タンク41内に尿素水溶液を回収するよう指示が出される。
尚、尿素水溶液を充填した後、吸引して、貯蔵タンク41内に尿素水溶液を回収する操作を、DPF22の強制再生後所定期間がすぎるまでではなく、所定回数を決め、その所定回数繰り返すとしてもよい。
ステップS31において、制御装置60が内燃機関の停止を検知すると、ステップS32に進みパージ処理を実施するよう指示を出す。その後、ステップS33に進み、還元剤噴射弁温度Tudvが閾値Tsより高いか否かが判定される。還元剤噴射弁温度Tudvが閾値Ts以上の場合にはステップS34に進み、第2の還元剤供給通路45および還元剤噴射弁43に対し、尿素水溶液を充填した後、吸引して、貯蔵タンク41内に尿素水溶液を回収するよう指示を出し、ステップS33に戻る。還元剤噴射弁温度Tudvが閾値Tsよりも低い場合には、本ルーチンを終了する。したがって、還元剤噴射弁温度Tudvが閾値Tsよりも低くなるまで、当該尿素水溶液を充填した後、吸引して、貯蔵タンク41内に尿素水溶液を回収する指示が出される。
指示が取り消された後は、その時点で当該操作を停止するのではなく、貯蔵タンク41内に尿素水溶液を回収した後、当該操作を終了するのが好ましい。
尚、尿素水溶液を充填した後、吸引して、貯蔵タンク41内に尿素水溶液を回収する操作を、還元剤噴射弁温度Tudvが閾値温度Tsよりも低くなるまでではなく、所定回数を決め、その所定回数繰り返すとしてもよい。
ここで、判定に使う還元剤噴射弁温度Tudvは、その時点での温度としてもよいし、その後到達すると推定される温度としてもよい。また、図2、図7に示すような還元剤噴射弁到達最高温度Tudvmaxとしてもよい。
尚、閾値温度Tsはおよそ100℃程度である。
Claims (4)
- 内燃機関において生成した排気ガス中のNOxを還元する還元剤としての尿素水溶液を圧送するための圧送ポンプと、
前記圧送ポンプによって圧送される前記尿素水溶液を供給するための還元剤供給通路と、
前記還元剤供給通路によって供給された前記尿素水溶液を前記排気ガス中に噴射するための還元剤噴射弁と、
を備えた還元剤供給装置であって、
前記内燃機関の停止後において、前記還元剤噴射弁内の尿素水溶液が固化するおそれがある場合に、前記圧送ポンプが、前記還元剤供給通路および前記還元剤噴射弁に対し、さらに前記尿素水溶液を充填した後、吸引して回収する操作を複数回繰り返すことを特徴とする還元剤供給装置。 - 前記還元剤噴射弁が前記排気ガス中の排気微粒子を捕集するDPFの排気下流側に配置されている還元剤供給装置であって、
前記尿素水溶液が固化するおそれがある場合とは、前記DPFの強制再生が開始後終了するまでの間、または当該終了後所定期間内に前記内燃機関が停止した場合であることを特徴とする請求項1に記載の還元剤供給装置。 - 前記尿素水溶液が固化するおそれがある場合とは、前記還元剤噴射弁の温度が閾値より高い場合、または前記還元剤噴射弁の温度が閾値より高くなると予想される場合であることを特徴とする請求項1に記載の還元剤供給装置。
- 内燃機関において生成した排気ガス中のNOxを還元する還元剤としての尿素水溶液を圧送するための圧送ポンプと、前記圧送ポンプによって圧送される前記尿素水溶液を供給するための還元剤供給通路と、前記還元剤供給通路によって供給された前記尿素水溶液を前記排気ガス中に噴射するための還元剤噴射弁と、
を備えた還元剤噴射方法であって、
前記内燃機関の停止後において、前記還元剤噴射弁内の尿素水溶液が固化するおそれがある場合に、前記圧送ポンプにより、前記還元剤供給通路および前記還元剤噴射弁に対し、さらに前記尿素水溶液を充填した後、吸引して回収する操作を複数回繰り返す工程を有することを特徴とする還元剤供給装置の制御方法。
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