JP6127510B2 - 尿素ｓｃｒ用尿素水消費量診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの排ガス中のＮＯｘを尿素水を用いて選択還元する尿素ＳＣＲシステムに係り、特に、ドージングバルブで噴射した尿素水の尿素水量を的確に診断できる尿素ＳＣＲ用尿素水消費量診断装置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気ガス浄化システムとして、選択還元触媒を用いた選択触媒還元（Selective Catalytic Reduction）システム（ＳＣＲシステム）が開発されている。

このＳＣＲシステムは、尿素水タンクに貯留された尿素水をＳＣＲ装置の排気ガス上流に供給し、排気ガスの熱で尿素水を加水分解してアンモニアを生成し、このアンモニアによってＳＣＲ装置内の触媒でＮＯｘを還元して浄化するものである。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から噴射されることで、ＳＣＲの排気ガス上流に供給される。

ドージングバルブへの尿素水の供給は、サプライモジュールポンプ（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。サプライモジュールは、吸込ラインを介して尿素水タンクと接続されており、尿素水タンクから吸込ラインを通じ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とを接続する圧送ラインを通じてドージングバルブに供給する。ドージングバルブは、ＤＣＵ（ドージングコントロールユニット）により制御され、ＳＣＲ装置の下流に設けたＮＯｘセンサの検出値に応じてドージングバルブが開閉制御されて尿素噴射量が調整される。

尿素水タンク内の尿素水のレベルは、尿素水タンク内に設けた尿素水センサで検出され、尿素水センサで検出した尿素水のレベルから尿素水の残存量を検出し、尿素水の補充の目安としている。

特開２０１１−２４７１３７号公報 特開２０１２−２０６１号公報

ところで、尿素水をＮＯｘ触媒内に噴射するドージングバルブ内、およびそこに至る圧送ライン内が異物により詰まりが生じた場合、それを検出する手段がない。またドージングバルブが異物等の固着により、開状態で固着した場合にも同様に検出する手段がない問題がある。

この尿素水の消費量については、尿素水タンク内の尿素水センサのレベル変化を検出すれば、その消費量はおおよそ推測できる。

そこで、尿素水のＤＣＵでの指示噴射量と、その指示に従って実際に噴いた量、すなわち尿素水センサの検出値に基づく消費量との差をモニタし、その差でドージングバルブでの噴射の異常の有無を検出できるが、尿素水センサの検出精度は、尿素レベルを段階的に検出するもので、検出精度が悪い問題がある。

本発明者等は、消費量が尿素水センサの誤差範囲以上のレベル変化したときの値を判定量とし、他方ＤＣＵで指示噴射量を積算し、その積算指示噴射量が判定量を超えたときに、積算指示噴射量と尿素水センサから求めたレベル変化による消費量との差を比較し、その差が閾値を超えた場合、消費量異常と判定することにより、尿素水センサの検出精度が悪くても以上の有無を判定できる診断装置を発明した。

この積算消費量が、判定量に達する間に、尿素水タンクへ尿素水の補充が行われた場合、その補充量を算出消費量から引く必要がある。補充量を検出する際、車両の傾きによる液面上昇、センサ自体の持つ設計誤差分等を考慮し、この両者の誤差範囲以上の値Ｋ１よりも多い変化があったときを補充と認識し、尿素水センサで検出した消費量に補充量を加算する必要がある。

しかし、値Ｋ１より少ない量の補充が行われた場合、その量は検出誤差となり、補充量とは見なされず、これが繰り返されると、実際に消費される消費量の誤差量が大となり誤判定となる問題を残す。

さらに、ドージングバルブが開状態で固着し、尿素水が噴きっぱなしになったときには、尿素水センサのレベル変化でこれを検出することは不可能である。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、尿素水タンクに補充される尿素水量変化を検出できなく、その実消費量を検出できなくとも圧送ラインやドージングバルブが異物により詰まったり固着したとき、或いはドージングバルブで尿素水が噴きっぱなしになった状態を検出できる尿素ＳＣＲ用尿素水消費量診断装置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、尿素水タンク内の尿素水を、サプライポンプにて吸い込み、これを圧送ラインを介してＳＣＲ装置の上流側に設けたドージングバルブから噴射するための尿素ＳＣＲ用尿素水消費量診断装置において、前記ＳＣＲ装置の下流側に設けられたＮＯｘセンサと、ＮＯｘセンサの検出値が入力され、その検出値からＮＯｘ浄化率が規定値内にあるかどうかを判定するＮＯｘ浄化率判定手段と、前記ドージングバルブから噴射する尿素水量を指示する噴射量指示手段と、前記噴射量指示手段で指示した噴射量を積算する指示噴射量積算手段と、尿素水タンク内の尿素水消費量を算出する消費量算出手段と、圧送ライン又はドージングバルブ内での尿素水の詰まりの有無を判断する異常診断手段とを備え、前記異常診断手段が、前記ＮＯｘ浄化率判定手段でＮＯｘ浄化率が規定値以上で、前記指示噴射量積算手段で算出した尿素水噴射量と前記尿素水消費量との差が閾値以上のとき、尿素水タンクへ尿素水が少量補充されたとして異常診断を行わないことを特徴とする尿素ＳＣＲ用尿素水消費量診断装置である。

本発明は、ＮＯｘセンサによるＮＯｘ浄化率をモニタし、ＮＯｘ浄化率が正常範囲かどうかを判断し、その上で尿素水の指示噴射量と実消費量の差を検出することにより、ドージングバルブや圧送ラインの詰まり、及びドージングバルブ開固着による噴きっぱなしの不具合の検出が可能となる。またＤＣＵにて補充量有無を判定できない少量の補充が繰り返され、ＤＣＵによる尿素噴射量とレベルセンサーによる尿素消費量の差が閾値を超えた場合、浄化率が正常であれば、尿素消費量異常と判定せず、実際に尿素水噴射経路の詰まり等の異常時のみ異常判定が可能となる。

本発明におけるＳＣＲシステムの概略図である。 本発明の尿素ＳＣＲ用尿素水消費量診断装置の消費量診断のフローチャートを示す図である。

以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１は、ＳＣＲシステムの概略を示したもので、ディーゼルエンジン（図示せず）の排気管１０には、ＳＣＲ装置１１が接続され、そのＳＣＲ装置１１の上流側に尿素水を噴射するドージングバルブ１２が設けられ、ＳＣＲ装置１１の下流側には、ＮＯｘセンサ１３が設けられる。また、ＳＣＲ装置１１の上流側にも、ＮＯｘ浄化前のＮＯｘ値を検出するためのＮＯｘセンサ１３−１が設けられる。

ＮＯｘセンサ１３の検出値はＤＣＵ（ドージングコントロールユニット）１４に入力され、その検出値に基づいて、ＮＯｘ浄化率が所定の範囲内になるようにＤＣＵ１４によりドージングバルブ１２が開閉制御される。

ドージングバルブ１２から噴射される尿素水Ｕは、尿素水タンク１５に溜められ、サクションライン１６からサプライモジュール１７のサプライポンプ１８に吸引され、サプライポンプ１８からフィルタ１９を通して異物が除去され、圧送ライン２０にてドージングバルブ１２に圧送される。また余剰の尿素水Ｕは、フィルタ１９の吐出側の圧送ライン２０から戻しライン２１にて尿素水タンク１５内に戻される。

尿素水タンク１５内には、尿素水センサ２２が設けられ、尿素水センサ２２が尿素水タンク１５内の尿素水のレベルを計測し、ＤＣＵ１４へ送信する。また圧送ライン２０には尿素水の供給圧力を検出する尿素水圧力センサ２３が設けられ、その検出圧力がＤＣＵ１４へ送信される。

ＤＣＵ１４は、ＳＣＲ装置１１へ尿素水を噴射する量、タイミングを算出し、サプライポンプ１８を駆動させ尿素水を規定圧まで高め、ドージングバルブ１２の開閉を制御し、適切な量を適切なタイミングで噴射する。

ＮＯｘセンサ１３は、ドージングバルブ１２から尿素水が適切に噴射されていることにより、ＳＣＲ装置１１の下流の排ガス中のＮＯｘ値が定常となっていることをモニタするために、ＤＣＵ１４へ計測値を送信する。

ＤＣＵ１４には、主に燃料噴射制御を行うＥＣＭ（エンジンコントロールモジュール）２６と接続される。ＥＣＭ２６には、車速、その他の運転情報が入力され、これらがＥＣＭ２６からＤＣＵ１４へ送信される。

また、ＤＣＵ１４には、バッテリー２４が接続されると共にイグニッションキー２５のＯＮ、ＯＦＦ信号が入力される。

このＳＣＲシステムにおいて、ＤＣＵ１４は、ＥＣＭ２６の情報を基にＮＯｘセンサ１３の検出値が定常となるようドージングバルブ１２から噴射する尿素水の噴射指示量を決定し、その決定値に基づいてドージングバルブ１２を開閉制御する。

先ず、尿素水消費の異常診断おいては、ＤＣＵ１４に、ＥＣＭ２６の情報とＮＯｘセンサ１３の検出値に基づいてドージングバルブ１２から噴射する尿素水量を指示する噴射量指示手段３０と、噴射量指示手段３０で指示した指示噴射量を積算する指示噴射量積算手段３１と、尿素水センサ２２から入力される検出値から積算消費量Ｄを算出する消費量算出手段３２と、指示噴射量積算手段３１からの積算指示噴射量Ｐと消費量算出手段３２からの積算消費量Ｄを比較してドージングバルブ１２による尿素水噴射が正常か異常かを判定する異常診断手段３３とを備える。

異常診断を開始するときには、指示噴射量積算手段３１の積算指示噴射量Ｐをゼロにリセットし、同時に、消費量算出手段３２は、尿素水センサ２２で検出されたレベルをレベル（Ｓ０）として記憶する。その後、車両が走行し、ドージングバルブ１２から尿素水が噴射されたとき、指示噴射量積算手段３１は、噴射量指示手段３０による指示噴射量を順次積算し、積算指示噴射量Ｐを記憶する。

異常診断手段３３での尿素水噴射が正常か異常かを検出するには、ある程度尿素水を消費（例えば消費量が数Ｌから十数Ｌ）したときでなければ、検出精度が高くならないため、車両走行が何回か行われたとき、すなわちイグニッションキー２５がＯＮ・ＯＦＦを繰り返し、指示噴射量積算手段３１での積算指示噴射量Ｐが判定量Ｌ（例えば１５Ｌ）を超えたときに、消費量算出手段３２での積算消費量Ｄと積算指示噴射量Ｐを比較し、｜Ｄ−Ｐ｜＞Ｋ１かどうかを判断する。

この判断において、尿素水が適正に噴射されていれば、積算消費量Ｄと積算指示噴射量Ｐとは同じであり、尿素水センサ２２のレベル測定の誤差範囲で決まる値Ｋ１以下であれば、正常と診断し、Ｋ１以上であれば異常と判断する。この際、両者の差の絶対値で比較することで、異物等で噴射がないときにはＤ≪Ｐで、Ｄ−Ｐはマイナスとなり、ドージングバルブ１２が噴きっぱなしとなればＤ≫Ｐで、Ｄ−Ｐはプラスとなり、そのプラス・マイナスから固着による詰まりと、ドージングバルブ１２の噴きっぱなしが判断できる。

また、尿素水タンク１５には、尿素水の補充があるため、キースイッチのＯＮ・ＯＦＦのタイミングで尿素水センサ２２によるレベルセンサのレベルを検出してその変化から消費量算出手段３２が補充量を判断する。すなわち消費量算出手段３２は、制御開始から診断時までその補充量を積算し、実際のレベル変化にその積算補充量を足して尿素水の積算消費量Ｄを求める。

しかし、補充量が多い場合には、その補充量を積算できるが、尿素水が少量ずつ補充された場合には、尿素水センサ２２によるレベル変化で検出できず、これが繰り返されると指示噴射量と積算消費量との乖離が大きくなってしまう問題がある。

上記の問題を回避するため、ＮＯｘセンサ２２によるＮｏｘ浄化率を、ＮＯｘ浄化率判定手段３４がモニタし、ＮＯｘ浄化率が正常範囲内で規定値Ｑ以上、指示噴射量に対して消費量が少ないときは、少量補充が繰り返され、ＤＣＵ指示噴射量と尿素水センサによる尿素水消費量に乖離が生じたと判断する。よって、ＮＯｘ値が規定値Ｑ未満で、かつ、指示噴射量に対して消費量が閾値を超えた場合のみ、消費量異常と判定する。

また、指示噴射量に対して消費量が大きな乖離率プラス側の消費量異常については、ＮＯｘ浄化率によらず、尿素水指示量と消費量の乖離のみで判定する。

このＮＯｘ浄化率判定手段３４の浄化率の判定を説明する。

噴射量指示手段３０は、ＮＯｘセンサ１３の検出値が定常の範囲となるように尿素水の指示噴射量を決定する。しかし、ＮＯｘセンサ１３は、ＳＣＲ装置１１の下流側のＮＯｘ濃度は検出できても、ＳＣＲ装置１１内に流入する排ガス中のＮＯｘ濃度は検出できない。

ＮＯｘ浄化率判定手段３４は、上流側のＮＯｘセンサ１３−１とＮＯｘセンサ１３で検出されたＮＯｘ濃度比から浄化率を求めるもので、その浄化率が規定値Ｑ以上かどうかを判定するものである。

入口側のＮＯｘ濃度はエンジンの運転状態により変動するものの、排気管１０から放出されるＮＯｘ値が法規制以下であればよいため、浄化率の規定値Ｑを、エンジンの特性にあわせて、例えば９０％以上に設定しておく。

次に本発明の診断を図２のフローチャートにより説明する。

ステップＳ１で診断が開始され、キースイッチがＯＮされたとき（ステップＳ２）、尿素水センサで初期のレベルセンサ位置（Ｓ０）を読み込み、記憶する（ステップＳ３）。次にステップＳ４で、車速＝０ｋｍかどうかを判断し、車両が停止状態のとき（Ｙｅｓ）は、繰り返しレベルセンサ位置（Ｓ０’）を読み込み、その停止中に尿素水の補充があればそのレベルＳ０’を最大値として記憶更新する（ステップＳ５）。このステップＳ４で車両が走行したとき（Ｎｏ）、ステップＳ６の判断で、最初に記憶したレベルＳ０と停止中に記憶したレベルＳ０’の差（Ｓ０’−Ｓ０）が、尿素水センサの検出精度以上又は誤差範囲以上の値（Ｋ１）に対して大きいかどうか（Ｓ０’−Ｓ０＞Ｋ１）を判断する。このステップＳ４の判断で、誤差範囲以上にレベルが上昇していたならば（Ｙｅｓ）、Ｓ０’−Ｓ０＝Ｒp0とし、その補充量を積算補充量ＲΣに加算（ステップＳ７）して、指示噴射量積算開始のステップＳ８に移行し、また、レベルＳ０’が最初のレベルＳ０に対して誤差範囲であれば（Ｎｏ）、ステップＳ８に移行する。この指示噴射量積算開始のステップＳ８では、ステップＳ９のキースイッチＯＦＦまで指示噴射量を積算すると共に尿素水はレベルＳ０として記憶する。ステップＳ９でキースイッチがＯＦＦとされたときに、制御開始から一回目の走行後のレベルセンサ位置Ｓ１を読み込み、そのときの尿素水の積算消費量Ｄ（＝Ｓ１−Ｓ０）を記憶する（ステップＳ１０）。

次に、ステップＳ１１で、キースイッチがＯＮとされたとき、ステップＳ１２の判断で、その前の走行による積算指示噴射量Ｐが判定量Ｌに達したかどうか（Ｐ≧Ｌ）を判定する。この判定量Ｌは、数Ｌ〜十数Ｌの範囲で、例えば１５Ｌに設定する。

このステップＳ１２の判断で、尿素水の積算指示噴射量Ｐが判定量Ｌに達していないとき（Ｎｏ）、ステップＳ１３に移行して、レベルセンサ位置（Ｓ１_+n）を読み込んで記憶する。次にステップＳ１４の判断で、その記憶したレベル（Ｓ１₊₁）とステップＳ１１でキースイッチがＯＮとされる前のレベルＳ１とを比較し、Ｓ１_+n−Ｓ１＞Ｋ１かどうかを判断して尿素水の補充の有無を判断し、補充がなければ（Ｎｏ）、ステップＳ１７に移行し、補充があれば（Ｙｅｓ）、ステップＳ２０で、Ｓ１_+n−Ｓ１＝Ｒ１を計算し、Ｒ１を補充量として記憶した後、ステップＳ１５で補充量Ｒ１を積算補充量ＲΣに加算し、ステップＳ１６に移行し、そのステップＳ１６で、指示噴射量積算を継続する。その後ステップＳ１８でキースイッチがＯＦＦされたならば、ステップＳ１９でレベルセンサ位置（Ｓ２_+n）を読み込み、そのレベル（Ｓ２_+n）を基に積算消費量Ｄ（＝Ｓ２_+n−Ｓ１）を計算して記憶すると共にステップＳ１１の上流側に戻す。

次に、ステップＳ１１でキースイッチがＯＮとされたとき、ステップＳ１２で、再度尿素水の積算指示噴射量Ｐが判定量Ｌに達したかどうかを判断する。積算指示噴射量Ｐが判定量Ｌに達していないときには、上述したステップＳ１３〜Ｓ１９から、ステップＳ１１に戻して指示積算量Ｐの積算を継続する。

このステップＳ１２の判断で、積算指示噴射量Ｐが判定量Ｌに達したとき（Ｙｅｓ）、ステップＳ２０で積算補充量ＲΣ＝０かを判断し、補充がないとき（Ｙｅｓ）は、ステップＳ２２で、｜Ｄ−Ｐ｜＞Ｋ１を判断し、補充があるとき（Ｎｏ）は、ステップＳ２１で、補充時のＤの訂正（Ｄ＝Ｓ２₊₁−Ｓ１＋ＲΣ）を行ってステップＳ２２の判断に戻す。

このステップＳ２２の判断で、ドージングバルブからの尿素水の噴射が正常であれば、積算消費量Ｄと積算指示噴射量Ｐとは略同じで０で、検出誤差値Ｋ１以内であるため（Ｎｏ）、ステップＳ２３で消費量正常と判定し、制御を終了（ステップＳ２７）する。

ステップＳ２２の絶対値（｜Ｄ−Ｐ｜）とＫ１の比較判断で、絶対値がＫ１より大きければ（ＹＥＳ）、ステップＳ２４で、積算指示噴射量Ｐ＞消費量Ｄかどうかを比較判断する。

このステップＳ２４で、ドージングバルブが開固着で噴きっぱなしのときは、積算指示噴射量Ｐに対して積算消費量Ｄが十分に大きいため（Ｙｅｓ）、ステップＳ２６で消費量異常と判定する。

また積算指示噴射量Ｐに対して積算消費量Ｄが小さいときは、ステップＳ２５にてＮＯｘ浄化率の範囲が規定値Ｑ以上かどうかを判断し、規定値Ｑ未満の浄化率のとき（Ｎｏ）は、ドージングバルブ等が固着しているため、ステップＳ２６で消費量異常と判定する。

また、ステップＳ２５の判断で、規定値Ｑ以上（Ｙｅｓ）ときは、補充量が積算消費量Ｄに加算されなかったときであり、異常では無いため制御を終了（ステップＳ２７）する。

１０ 排気管
１１ ＳＣＲ装置
１２ ドージングバルブ
１３ ＮＯｘセンサ
１５ 尿素水タンク
２２ 尿素水センサ
２３ 尿素水圧力センサ
３０ 噴射量指示手段
３１ 指示噴射量積算手段
３２ 消費量算出手段
３３ 異常診断手段
３４ ＮＯｘ浄化率判定手段

Claims (1)

1. 尿素水タンク内の尿素水を、サプライポンプにて吸い込み、これを圧送ラインを介してＳＣＲ装置の上流側に設けたドージングバルブから噴射するための尿素ＳＣＲ用尿素水消費量診断装置において、
   前記ＳＣＲ装置の下流側に設けられたＮＯｘセンサと、
   ＮＯｘセンサの検出値が入力され、その検出値からＮＯｘ浄化率が規定値内にあるかどうかを判定するＮＯｘ浄化率判定手段と、
   前記ドージングバルブから噴射する尿素水量を指示する噴射量指示手段と、
   前記噴射量指示手段で指示した噴射量を積算する指示噴射量積算手段と、
   尿素水タンク内の尿素水消費量を算出する消費量算出手段と、
   圧送ライン又はドージングバルブ内での尿素水の詰まりの有無を判断する異常診断手段とを備え、
   前記異常診断手段が、前記ＮＯｘ浄化率判定手段でＮＯｘ浄化率が規定値以上で、前記指示噴射量積算手段で算出した尿素水噴射量と前記尿素水消費量との差が閾値以上のとき、尿素水タンクへ尿素水が少量補充されたとして異常診断を行わないことを特徴とする尿素ＳＣＲ用尿素水消費量診断装置。