JP5712515B2 - ＮＯｘセンサ昇温装置 - Google Patents

Description

本発明は、ディーゼル車両の排ガス浄化を行うＳＣＲシステムに適用されるＮＯｘセンサ昇温装置に係り、ＮＯｘセンサの乾燥を確実に判定できるＮＯｘセンサ昇温装置に関する。

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、検出素子が活性化しているセンサ動作温度において検出機能を発揮する。このため、ＮＯｘ濃度を検出するときは、ＮＯｘセンサに付随している電熱式のヒータに電流を流してあらかじめセンサ動作温度にＮＯｘセンサを昇温しておく必要がある（例えば、特許文献２参照）。

ところで、排気管の中には水滴がたまることがある。エンジンの始動時に、排気管の中で水滴が排気ガスによって飛ばされると、その水滴がＮＯｘセンサに付着する可能性がある。

ＮＯｘセンサは、濃度検出の対象ガスが導入されるチャンバとこのチャンバを昇温するヒータを備えるが、チャンバもヒータもセラミックからなる。もし、チャンバやヒータに水滴が付着している状態で、ヒータに電流を流して昇温すると、チャンバやヒータが割れてしまう。したがって、ヒータによる昇温は、ＮＯｘセンサに水滴が付着していない状態、すなわちＮＯｘセンサが完全に乾燥している状態にて開始しなくてはならない。しかし、水滴の有無を直接検出することは難しい。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ＮＯｘセンサの乾燥を確実に判定できるＮＯｘセンサ昇温装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために本発明は、エンジンの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ＮＯｘセンサと、前記ＮＯｘセンサをセンサ動作温度に昇温するヒータと、外気温と車速で熱収支係数が参照されるように構成された熱収支係数マップであって、その熱収支係数の最大値が１で、最小値が０の範囲で、外気温と車速に応じて熱収支係数の領域が設定されると共に、外気温が高くなると熱収支係数の数値が大きくなり、外気温が低くなると熱収支係数の数値が小さくなるように熱収支係数の領域が設定された熱収支係数マップと、前記熱収支係数マップから、測定された外気温と車速に基づいて熱収支係数を読み出す熱収支係数参照部と、前記熱収支係数参照部で読み出した熱収支係数が提供され、他方、排気ガス温度と排気ガス流量とから排気ガスの熱量を算出し、その算出した排気ガスの熱量に、前記提供された熱収支係数を乗じることにより、前記ＮＯｘセンサに蓄積した蓄熱量を算出する蓄熱量算出部と、前記蓄熱量算出部が算出した蓄熱量が、あらかじめ設定した乾燥判定値未満のときは、前記ヒータによる昇温を禁止し、前記蓄熱量算出部が算出した蓄熱量が前記乾燥判定値以上のときは、前記ヒータによる昇温を許可する昇温許可部とを備えたものである。

前記蓄熱量算出部は、所定のサンプリングインターバルで排気ガス温度をサンプリングし、このサンプリングデータに前記熱収支係数を乗じて累積加算することにより、蓄熱量を算出してもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）ＮＯｘセンサの乾燥を確実に判定できる。

本発明の一実施形態を示すＮＯｘセンサ昇温装置が適用されるＳＣＲシステムの要部構成図である。 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。 図１の昇温許可部においてヒータによる昇温を許可する手順を示すフローチャートである。 本発明における蓄熱量の算出イメージを示す時間波形図である。 本発明に用いる熱収支係数マップの図である。

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２に示されるように、本発明に係るＮＯｘセンサ昇温装置が適用される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ＮＯｘセンサ１１０，１１１と、ＮＯｘセンサ１１０，１１１で検出された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１と、ＮＯｘセンサ１１０，１１１をセンサ動作温度に昇温するヒータ（例えば、電熱式のヒータ）２，３と、ＮＯｘセンサ１１０，１１１における熱収支係数ｋを排気ガスの熱量に乗じることにより、ＮＯｘセンサ１１０，１１１に排気ガスからの熱が蓄積した蓄熱量を算出する蓄熱量算出部４と、外気温が高くなると数値が大きくなり、外気温が低くなると数値が小さくなり、かつ、車速が高くなると数値が小さくなり、車速が低くなると数値が大きくなる熱収支係数ｋが設定された熱収支係数マップ５と、熱収支係数マップ５を外気温と車速で参照して熱収支係数ｋを読み出して蓄熱量算出部４に提供する熱収支係数参照部６と、蓄熱量算出部４が算出した蓄熱量があらかじめ設定した乾燥判定値未満のときは、ＮＯｘセンサ１１０，１１１が乾燥していないものと判定してヒータ２，３への通電を禁止することでヒータ２，３による昇温を禁止し、蓄熱量算出部４が算出した蓄熱量が前記乾燥判定値以上のときは、ＮＯｘセンサ１１０，１１１が乾燥したものと判定してヒータ２，３への通電を許可することでヒータ２，３による昇温を許可する昇温許可部７とを備える。

ＮＯｘセンサ１１０，１１１は、セラミックからなるチャンバ及びヒータを金属製のハウジングに収容したものである。ハウジングは、排気管１０２の外側に取り付けられる。少なくともチャンバの入口が排気管内に臨むことで排気ガスがチャンバに取り込まれるように構成される。

尿素水噴射制御部１は、ＮＯｘセンサ１１０，１１１の信号線からＮＯｘ濃度を読み取る前にヒータ２，３に通電してＮＯｘセンサ１１０，１１１をセンサ動作温度まで昇温するが、昇温許可部７が昇温を禁止しているときは、ヒータ２，３への通電を停止し、昇温許可部７が昇温を許可しているときのみ、ヒータ２，３への通電を行うように構成されている。

詳しくは、図２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２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３に、ＤＣＵ１２６の入出力構成図を示す。

図３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２、下流側ＮＯｘセンサ１１１のヒータ３、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１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におけるＮＯｘセンサ昇温装置の動作を説明する。

蓄熱量算出部４は、ＮＯｘセンサ１１０，１１１における熱収支係数ｋを排気ガスの熱量、例えば、停車時かつ外気温が一定としたときの排気ガス温度と排気ガス流量から算出される熱量（熱流量）に乗じることにより、ＮＯｘセンサ１１０，１１１に排気ガスからの熱が蓄積した蓄熱量を算出する。なお、蓄熱量の計算の開始時には、蓄熱量をゼロクリアしてから計算を開始するが、蓄熱量の計算の開始は、例えば、エンジン始動時とする。

熱収支係数ｋは、外気温が高くなると数値が大きくなり、外気温が低くなると数値が小さくなり、かつ、車速が高くなると数値が小さくなり、車速が低くなると数値が大きくなるように熱収支係数マップ５に設定されている。この熱収支係数マップ５を熱収支係数参照部６が外気温と車速で参照して熱収支係数ｋを読み出し、蓄熱量算出部４に提供する。

このようにして蓄熱量算出部４にて蓄熱量が算出されるので、時間が経過するにつれて、蓄熱量は徐々に増大していく。

図４に示されるように、例えば、エンジンが始動されたとき、ステップＳ４１にて、昇温許可部７は、ヒータ２，３による昇温を禁止する。次いで、ステップＳ４２にて、昇温許可部７は、ＮＯｘセンサ１１０，１１１の蓄熱量が乾燥判定値以上であるかどうかを判定する。判定がＮＯの場合、ステップＳ４１に戻る。すなわち、蓄熱量が乾燥判定値未満のときは、昇温禁止のままで待つことになる。判定がＹＥＳの場合、ステップＳ４３に進む。

ステップＳ４３にて、ＮＯｘセンサ１１０，１１１の蓄熱量が乾燥判定値以上となったので、昇温許可部７は、ヒータ２，３による昇温を許可する。

一方、尿素水噴射制御部１は、ＮＯｘセンサ１１０，１１１の信号線からＮＯｘ濃度を読み取る前にヒータ２，３に通電してＮＯｘセンサ１１０，１１１をセンサ動作温度まで昇温するが、昇温許可部７が昇温を禁止しているときは、ヒータ２，３への通電を停止し、昇温許可部７が昇温を許可しているときのみ、ヒータ２，３への通電を行う。したがって、図４の手順が終了すると、ヒータ２，３への通電が開始される。ヒータ２，３に電流が流れ始めると、ＮＯｘセンサ１１０，１１１の温度がセンサ動作温度に達するので、尿素水噴射制御部１は、ＮＯｘ濃度を読み取り、ＮＯｘ濃度に応じて尿素水噴射を制御することが可能となる。

図５に示されるように、蓄熱量Ｑは、サンプリングインターバルΔｔごとに、排気ガス温度と排気ガス流量から算出される熱量に熱収支係数ｋを乗じ、Δｔでの蓄熱量ΔＱを計算していく。よって、仮に、熱量Ｔｅｍｐが一定であったとしても、熱収支係数ｋの違いにより、蓄熱量が異なる。

図６に示されるように、熱収支係数マップ５は、外気温と車速で熱収支係数ｋが参照されるように構成されている。熱収支係数ｋは、最大値が１、最小値が０である。熱収支係数ｋは、外気温が高く、かつ、車速が低い領域では大きく、外気温が低く、かつ、車速が高い領域では小さく設定される。したがって、例えば、外気温が高いときに、車両が停車していると、熱収支係数ｋは１である。中程度の外気温では、車両が走行していると、０．８、０．６というように車速に応じて小さくなる。また、同じ車速においては、熱収支係数ｋは外気温が高いと大きく、外気温が低いと小さい。

したがって、図５と図６を合わせて考えると、熱量Ｔｅｍｐが同じであっても、外気温が低く車速が高いときには、熱収支係数ｋが小さいために足し込み値ΔＱが小さくなり、同じ時間経過に対する蓄熱量の増加が少ないという結果になる。これとは逆に、外気温が高く車速が低いときには、熱収支係数ｋが大きいため足し込み値ΔＱが大きくなり、同じ時間経過に対する蓄熱量の増加が多いという結果になる。

以上説明したように、本発明によれば、ＮＯｘセンサ１１０，１１１における熱収支係数ｋを排気ガスの熱量に乗じることにより、ＮＯｘセンサ１１０，１１１に排気ガスからの熱が蓄積した蓄熱量を算出する蓄熱量算出部４と、外気温が高くなると数値が大きくなり、外気温が低くなると数値が小さくなり、かつ、車速が高くなると数値が小さくなり、車速が低くなると数値が大きくなる熱収支係数ｋが設定された熱収支係数マップ５と、蓄熱量算出部４が算出した蓄熱量があらかじめ設定した乾燥判定値未満のときはヒータ２，３による昇温を禁止し、蓄熱量算出部４が算出した蓄熱量が前記乾燥判定値以上のときはヒータ２，３による昇温を許可する昇温許可部７とを備えたので、ＮＯｘセンサ１１０，１１１の乾燥を確実に判定してから昇温することができるようになる。

１ 尿素水噴射制御部
２ ヒータ
３ ヒータ
４ 蓄熱量算出部
５ 熱収支係数マップ
６ 熱収支係数参照部
７ 昇温許可部
１００ ＳＣＲシステム
１０２ 排気管
１０４ ドージングバルブ
１０９ 排気温度センサ
１１０ 上流側ＮＯｘセンサ
１１１ 下流側ＮＯｘセンサ

Claims (2)

1. エンジンの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ＮＯｘセンサと、
   前記ＮＯｘセンサをセンサ動作温度に昇温するヒータと、
   外気温と車速で熱収支係数が参照されるように構成された熱収支係数マップであって、その熱収支係数の最大値が１で、最小値が０の範囲で、外気温と車速に応じて熱収支係数の領域が設定されると共に、外気温が高くなると熱収支係数の数値が大きくなり、外気温が低くなると熱収支係数の数値が小さくなるように熱収支係数の領域が設定された熱収支係数マップと、
   前記熱収支係数マップから、測定された外気温と車速に基づいて熱収支係数を読み出す熱収支係数参照部と、
   前記熱収支係数参照部で読み出した熱収支係数が提供され、他方、排気ガス温度と排気ガス流量とから排気ガスの熱量を算出し、その算出した排気ガスの熱量に、前記提供された熱収支係数を乗じることにより、前記ＮＯｘセンサに蓄積した蓄熱量を算出する蓄熱量算出部と、
   前記蓄熱量算出部が算出した蓄熱量が、あらかじめ設定した乾燥判定値未満のときは、前記ヒータによる昇温を禁止し、前記蓄熱量算出部が算出した蓄熱量が前記乾燥判定値以上のときは、前記ヒータによる昇温を許可する昇温許可部とを備えたことを特徴とするＮＯｘセンサ昇温装置。
2. 前記蓄熱量算出部は、所定のサンプリングインターバルで排気ガス温度をサンプリングし、このサンプリングデータに前記熱収支係数を乗じて累積加算することにより、蓄熱量を算出することを特徴とする請求項１記載のＮＯｘセンサ昇温装置。

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