JP6163552B2 - エア駆動還元剤輸送システム - Google Patents
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Description
図1を参照すると、エンジンの後処理システムにおいて、エンジン100より発生した排気ガスがマニホールド101を通って流路166に侵入する。当該流路166には還元剤インジェクタ130が取り付けられている。インジェクタ130の電磁弁は定量供給制御ユニット(DCU)140がポート136に接続される信号線145により制御を行う。しかも、圧力配線131がポート133の還元剤供給モジュール110と流体的に連結することにより還元剤を提供する。高温排気ガスによる損害を防ぐために、エンジン冷却材を吸入ポート134と排出ポート135との間に循環させる。インジェクタ130より噴出される還元剤が排気ガスと混合され、しかも、それで得られた気体が混合器161によって触媒163へ入り、その中にSCR反応を行って排気ガス中のNOxを還元させる。
図1中の還元剤供給モジュール110の実施形態は図2a中に示すエア駆動ポンピングシステムである。当該ポンピングシステムにおいて、ポンプ本体200が還元剤タンク120からポート117と逆止弁205によって提供される還元剤を保持し、当該逆止弁により還元剤が当該タンク本体へ還流することを防止する。ポンプ本体200のトップに、T型コネクター220に接続されるポート202は圧縮空気の出入りに使用される。当該T型コネクター220の一側が、配線209によって常開型電磁弁201の排出口に接続されており、当該電磁弁の吸入口が圧縮空気源のポート111(図1)に接続されている。当該T型コネクターの他側が配線211によって常閉型電磁弁203の吸入口に接続されており、しかも、マフラー204が当該電磁弁203の排出口に取り付けられて、気体放出のノイズを減少させる。当該マフラーの排出口はポート112(図1)である。還元剤は、ポンプ本体内部の圧力下で、ポート208、配線207、ポート218、および還元剤がポンプ本体へ還流することを回避する逆止弁217によって油圧緩衝器本体210中に圧入される。油圧緩衝器本体210にキャップ212が締められており、しかも、キャップ212中の溝とピストン214中の溝との間にバネ213が配置されており、当該バネの最低位置がrestrainer216により制限される。ピストン214と油圧緩衝器本体210は高圧チャンバー230を封止させ、しかも、ピストン214の溝223におけるOリング215が還元剤を当該高圧チャンバー230に密封して、漏れを防ぐ。インジェクタ130に通電した後、高圧チャンバー230内の還元剤がポート115により流れ出すと同時に、圧力センサー219が高圧チャンバー230中の圧力を検測し、しかも、圧力センシング値がポート114よりDCUへ伝送される。
Pl = (Pc * A303 − ks * x − f0)/A304 (1)
を満足している。
ただし、A303は大径表面303の面積であり、ksはバネ305のバネ定数であり、xはピストン302の最高位置から現在の位置までの距離であり、f0は摩擦力と静的バネ力との合計であり、A304は小径表面304の面積である。式(1)によれば、バネ定数ksと摩擦力が小さければ、面積304に対する面積303の比率A303/A304により駆動圧力を決定することになる。
Pl(0) = (Pc * A303 − f0) / A304
を満足している。
排除の後、ポンプと油圧緩衝器中の圧縮空気が放出されて、油圧緩衝器が空になる。しかし、タンク本体中の還元剤が重力差と圧力差の作用でポンプ本体中に侵入するが、油圧緩衝器と還元剤配線は空のままである。したがって、図1に示すように、当該ポンプは、加熱装置(113)により還元剤を解凍するとともに、寒い周囲環境条件でその温度を氷点より高く維持する必要がある。ポンプが還元剤タンク中に配置される場合、図4に示すように、加熱装置を省略してもよい。図4を参照すると、タンク本体200が還元剤タンク400中に密封され、また、還元剤出力配線207がポート401により油圧緩衝器に接続され、圧縮空気ポート202がポート402によりT型コネクター220に接続される。吸入口127と排出口128とを有する冷却剤ヒーター405は、周囲環境温度が低い場合、還元剤を加熱するのに使用される。当該冷却剤ヒーターと共に、液面センサー403はタンク本体内の還元剤の体積を検出するのに使用され、しかも、温度センサー404を利用して還元剤の温度をモニタし制御する。還元剤液面センサー403と温度センサー404はそれぞれ線路141と線路142によりDCU140に接続される。
図1のシステムにおいて、還元剤の定量供給率は、PWM信号を利用してPWMサイクルでのインジェクター130の開時間を制御することにより制御される。該当PWM制御を使用する場合、還元剤の質量流量率が以下の方程式により決定される。
target_value (i)= Mass_flow_rate_cmd * S0 (F1)
ただし、Mass_flow_rate_cmdがPWM制御の質量流量率であり、S0が第1段PWM信号の周期値であり、ステップ531でのcurrent_valueの計算に用いられる式は、以下の式であってもよい。
current_value(i) = K * sqrt(Pr(i) − Pc) * P3 + current_value (i−1) (F2)
ただし、 sqrtが平方根の計算であり、Pr(i)が第i番目の割り込みサイクル計算中の圧力センシング値であり、Pc が排気ガス流路166中の圧力であり、kが式(2)での
i= Timer/P3 (F3);
current_value (0)がステップ532で0に設定される。
定量供給制御は還元剤を排気ガス処理システム中に輸送することである。図7を参照すると、図1のポンピングシステムにおいて、全体の定量供給制御は主にオフ状態701と、アイドル状態702と、起動状態710と、定量供給状態720及び排除状態730の5つの状態がある。オフ状態701では、ポンプ制御がモード0であり、インジェクタ130と戻り配線の遮断弁137が通電されないが、アイドル状態702では、インジェクタ130と遮断弁137が依然として閉鎖されている場合、ポンプ制御がモード1に移行し、当該モードでは、ポンプ本体内の空気が周囲環境から遮断される。
油圧緩衝器圧力の閉ループ制御と2段PWM定量供給制御は、定量供給率が圧縮空気供給中の圧力変化による影響を受けにくいようにし、図3aと図3bに示す増圧ポンプの使用が低圧の圧縮空気の供給を許可する。したがって、本発明における定量供給システムが多種の圧縮空気源を使用することができる。ディーゼルエンジンにおいて、便利的な圧縮空気源はターボによって発生された圧縮吸気空気である。図8に示すように、エンジン100により発生した排気ガスが排気ガスマニホールド101からターボ840に侵入する。ターボのコンプレッサでは、新鮮な空気が圧縮されて得られた気流が増圧冷却器(Charge Air Cooler 、CAC)での冷却剤と熱交換して温度が低下される。排気ガス再循環(Exhaust Gas Recirculation 、EGR)装置がない実用では、圧縮された新鮮空気が直接エンジンの吸気マニホールドに侵入される。EGR(高圧EGR)を使用した実用では、排気ガスがターボ840に侵入する前にEGR装置830へ分流される。次に、EGR装置830によって調整された排気ガスと圧縮された新鮮空気とが混合され、得られた増圧気流が吸気マニホールド801に侵入される。CACからの低温圧縮空気(通常50℃より低い)が定量供給システムの空気源として使用される。図8を参照すると、空気タンク810が緩衝器として使用され、圧縮空気がポート811によって定量供給システムへ提供される。吸入ポート812が逆止弁813を介して圧縮空気に接続され、DCU140(図1)により制御線路815を介して電磁弁814が制御される。電磁弁814は、空気タンクに提供される空気流を制御するのに使用される。エンジン制御では増圧気流から新鮮空気を取得することを許可する場合、DCUが電磁弁814を通電させる。圧縮空気の圧力が逆止弁813に設定された圧力より高い場合、当該圧縮空気流が空気タンク810に流入される。圧縮空気の流量は、DCUが電磁弁814にPWM信号を印加することによって制御される。
(付記1)
還元剤を内燃機関の排気ガスシステムへ輸送させる装置であって、
還元剤タンクと、
圧縮空気源と、
エア駆動油圧ポンプであって、逆止弁を介して前記還元剤タンクと流体的に連結される第1の吸入ポートと、前記圧縮空気源と流体的に連結される第2の吸入ポートと、圧縮空気を前記エア駆動油圧ポンプから放出させるための第1の排出ポートと、当該エア駆動油圧ポンプ内の還元剤の流出に用いられる第2の排出ポートと、を備えるエア駆動油圧ポンプと、
前記排気ガスシステムの還元剤流量を制御するためのインジェクタと、
前記圧縮空気源から前記第2の吸入ポートを介して前記エア駆動油圧ポンプに送られる空気流および第1の排出ポートを介して放出される空気流を制御することで還元剤の圧力を制御するように構成され、前記インジェクタの開時間を調整することで前記排気ガスシステムへの還元剤の定量供給量を制御するように構成されるコントローラーと、を含む装置。
(付記2)
逆止弁を介して前記エア駆動油圧緩衝器の前記第2の排出ポートと流体的に連結される吸入ポートと、前記インジェクタと流体的に連結される排出ポートと、を備える油圧緩衝器を更に含む付記1に記載の装置。
(付記3)
体積変換装置が前記油圧緩衝器内に設置され、しかも前記体積変換装置は、体積が前記油圧緩衝器内の還元剤の圧力により変化される付記2に記載の装置。
(付記4)
前記インジェクタを前記還元剤タンクと流体的に連結する流体流路と、前記流体流路中の流体の流動を制御する制御弁と、をさらに含む付記1に記載の装置。
(付記5)
前記コントローラーが、さらに前記制御弁を開くことによって前記エア駆動油圧ポンプ中の還元剤を排出するように構成される付記4に記載の装置。
(付記6)
前記エア駆動油圧ポンプが前記還元剤タンク内に配置される付記1に記載の装置。
(付記7)
前記圧縮空気源が前記内燃機関のターボを含む付記1に記載の装置。
(付記8)
前記エア駆動油圧ポンプは、
前記エア駆動油圧ポンプ内に上下移動され、その内部空間が前記第1の排出ポートと前記第2の吸入ポートとに流体的に連結する上部空間、及び前記第1の吸入ポートと前記第2の排出ポートとに流体的に連結する下部空間に分割されるピストンと、
前記ピストンがある位置までに移動される場合、逆止弁を介して前記上部空間を前記下部空間と流体的に連結する流体流路と、を含む付記1に記載の装置。
(付記9)
前記ピストンは、さらに、前記エア駆動油圧ポンプの前記内部空間内に、周囲環境と流体的に連結される中間空間を形成させる付記8に記載の装置。
(付記10)
前記ピストンは、さらに、前記エア駆動油圧ポンプの前記内部空間内に、前記ピストンが前記ある位置に位置する時以外、周囲環境と流体的に連結される中間空間を形成させる付記8に記載の装置。
(付記11)
逆止弁を介して前記還元剤タンクと流体的に連結される第1の吸入ポートと、前記圧縮空気源と流体的に連結される第2の吸入ポートと、圧縮空気を前記エア駆動油圧ポンプから放出させるための第1の排出ポートと、前記エア駆動油圧ポンプ内の還元剤の流出に用いられる第2の排出ポートと、を備える交互型エア駆動油圧ポンプをさらに含む付記1に記載の装置。
(付記12)
前記コントローラーは、さらに、吸液行程と加圧行程との間に交互に切り替えるように前記交互型エア駆動油圧ポンプ及び前記エア駆動油圧ポンプを制御することにより、一定の還元剤圧力を提供するように構成される付記11に記載の装置。
(付記13)
高圧吸入口が前記圧縮空気源と流体的に連結され、低圧吸入口が前記第2吸入ポート及び前記第1排出ポートと流体的に連結され、しかも、排出口が周囲環境と流体的に連結されるベンチュリ装置をさらに含む付記11に記載の装置。
(付記14)
流体タンクと、吸液行程と加圧行程とを備えるポンプと、油圧緩衝器と、前記油圧緩衝器中の流体圧力を表すセンシング値を提供する圧力センサーと、インジェクタと、を含む流体輸送システムの制御方法であって、
前記ポンプの前記加圧行程において、前記油圧緩衝器中に流体圧力を積み上げることと、
前記ポンプの前記加圧行程において前記油圧緩衝器中の流体の圧力を一定に維持するように、少なくとも前記圧力センサーより取得されたセンシング値を利用してフィードバック制御を起動させることと、
前記ポンプの前記吸液行程において前記フィードバック制御を停止させることと、
前記インジェクタの開時間を調整して流体の輸送量を制御することと、を含む方法。
(付記15)
前記油圧緩衝器中の流体残留物を前記流体タンク中へ戻させることと、
前記インジェクタ中の流体残留物を排除することと、を含む付記14に記載の方法。
(付記16)
前記圧力センサーから取得された前記センシング値に基づいて、パルス幅変調法を利用して繰り返しコントロールサイクル中の前記流体輸送量を制御して流体輸送速度を制御することを含む付記14に記載の方法。
(付記17)
前記パルス幅変調は、第1段制御と第2段制御との2段制御を含み、前記第1段制御が少なくとも前記圧力センサーより取得された前記センシング値に基づいて、前記第2段制御を周期的に指令して第2段の信号を生成させて第1段のPWM信号を生成させる付記16に記載の方法。
(付記18)
前記流体輸送システムにおいて、前記ポンプと流体的に連結される圧縮空気源を含み、
前記加圧行程において、空気を前記圧縮空気源から前記ポンプ中へ送ることと、
前記吸液行程において、前記ポンプから空気を放出させることと、をさらに含む付記14に記載の方法。
(付記19)
前記フィードバック制御は、前記圧力センサーより取得された前記センシング値に基づいて、空気を前記圧縮空気源から前記ポンプ中へ送り、前記ポンプ中に空気を保持し、前記ポンプから空気を放出させて、前記ポンプ中の空気量を調整することを含む付記18に記載の方法。
(付記20)
流体タンクと、第1のポンプ吸液行程と第1のポンプ加圧行程とを備える第1のポンプと、第2のポンプ吸液行程と第2のポンプ加圧行程とを備える第2のポンプと、油圧緩衝器と、前記油圧緩衝器中の流体圧力を表すセンシング値を提供する圧力センサーと、インジェクタと、を含む流体定量供給システムの制御方法であって、
前記第1のポンプの前記第1のポンプ加圧行程において、前記油圧緩衝器中に流体圧力を積み上げることと、
前記第1のポンプの前記第1のポンプ加圧行程において前記油圧緩衝器中の流体の圧力を一定に維持するように、少なくとも前記圧力センサーより取得された前記センシング値を利用してフィードバック制御を起動させてから、前記第2のポンプの前記第2のポンプ吸液行程を開始させることと、
前記第2のポンプの前記第2のポンプ加圧行程において前記油圧緩衝器中の流体の圧力を一定に維持するように、前記圧力センサーより取得された少なくとも前記センシング値を利用してフィードバック制御を起動させてから、前記第1のポンプの前記第1のポンプ吸液行程を開始させることと、
前記インジェクタの開時間を調整して流体の輸送量を制御することと、を含む方法。
Claims (18)
- 還元剤を内燃機関の排気ガスシステムへ輸送させる装置であって、
還元剤タンクと、
圧縮空気源と、
エア駆動油圧ポンプであって、逆止弁を介して前記還元剤タンクと流体的に連結される第1の吸入ポートと、前記圧縮空気源と流体的に連結される第2の吸入ポートと、前記エア駆動油圧ポンプと流体的に連結され、圧縮空気を前記エア駆動油圧ポンプから放出させるための第1の排出ポートと、当該エア駆動油圧ポンプ内の還元剤の流出に用いられる、前記第1の吸入ポートとは独立した第2の排出ポートと、を備えるエア駆動油圧ポンプと、
前記排気ガスシステムの還元剤流量を制御するためのインジェクタと、
前記圧縮空気源から前記第2の吸入ポートを介して前記エア駆動油圧ポンプに送られる空気流および第1の排出ポートを介して放出される空気流をそれぞれ独立して制御することで還元剤の圧力を制御するように構成され、前記インジェクタの開時間を調整することで前記排気ガスシステムへの還元剤の定量供給量を制御するように構成されるコントローラーと、を含む装置。 - 逆止弁を介して前記エア駆動油圧ポンプの前記第2の排出ポートと流体的に連結される吸入ポートと、前記インジェクタと流体的に連結される排出ポートと、を備える油圧緩衝器を更に含む請求項1に記載の装置。
- 体積変換装置が前記油圧緩衝器内に設置され、しかも前記体積変換装置は、体積が前記油圧緩衝器内の還元剤の圧力により変化される請求項2に記載の装置。
- 前記インジェクタを前記還元剤タンクと流体的に連結する流体流路と、前記流体流路中の流体の流動を制御する制御弁と、をさらに含む請求項1に記載の装置。
- 前記コントローラーが、さらに前記制御弁を開くことによって前記エア駆動油圧ポンプ中の還元剤を排出するように構成される請求項4に記載の装置。
- 前記エア駆動油圧ポンプが前記還元剤タンク内に配置される請求項1に記載の装置。
- 前記圧縮空気源が前記内燃機関のターボを含む請求項1に記載の装置。
- 前記エア駆動油圧ポンプは、
前記エア駆動油圧ポンプ内に上下移動され、その内部空間が前記第1の排出ポートと前記第2の吸入ポートとに流体的に連結する上部空間、及び前記第1の吸入ポートと前記第2の排出ポートとに流体的に連結する下部空間に分割されるピストンと、
前記ピストンが最低位置までに移動される場合、逆止弁を介して前記上部空間を前記下部空間と流体的に連結する流体流路と、を含む請求項1に記載の装置。 - 前記ピストンは、さらに、前記エア駆動油圧ポンプの前記内部空間内に、周囲環境と流体的に連結される中間空間を形成させる請求項8に記載の装置。
- 前記ピストンは、さらに、前記エア駆動油圧ポンプの前記内部空間内に、前記ピストンが前記最低位置に位置する時以外、周囲環境と流体的に連結される中間空間を形成させる請求項8に記載の装置。
- 第2のエア駆動油圧ポンプであって、逆止弁を介して前記還元剤タンクと流体的に連結される第3の吸入ポートと、前記圧縮空気源と流体的に連結される第4の吸入ポートと、前記第2のエア駆動油圧ポンプと流体的に連結され、圧縮空気を前記第2のエア駆動油圧ポンプから放出させるための第3の排出ポートと、前記第2のエア駆動油圧ポンプ内の還元剤の流出に用いられる、前記第3の吸入ポートとは独立した第4の排出ポートと、を備える第2のエア駆動油圧ポンプをさらに含み、
前記第1の吸入ポートと前記第3の吸入ポートとが流体的に連結され、前記第2の吸入ポートと前記第4の吸入ポートとが流体的に連結され、前記第1の排出ポートと前記第3の排出ポートとが流体的に連結され、前記第2の排出ポートと前記第4の排出ポートとが流体的に連結された請求項1に記載の装置。 - 前記コントローラーは、さらに、吸液行程と加圧行程との間に交互に切り替えるように前記第2のエア駆動油圧ポンプ及び前記エア駆動油圧ポンプを制御することにより、一定の還元剤圧力を提供するように構成される請求項11に記載の装置。
- 前記エア駆動油圧ポンプは、高圧吸入口が前記圧縮空気源と流体的に連結され、低圧吸入口が前記エア駆動油圧ポンプ及び前記第1の排出ポートと流体的に連結され、しかも、排出口が周囲環境と流体的に連結されるベンチュリ装置をさらに含み、
前記第2のエア駆動油圧ポンプは、高圧吸入口が前記圧縮空気源と流体的に連結され、低圧吸入口が前記第2のエア駆動油圧ポンプ及び前記第3の排出ポートと流体的に連結され、しかも、排出口が周囲環境と流体的に連結されるベンチュリ装置をさらに含む請求項11に記載の装置。 - 流体タンクと、第1のポンプ吸液行程と第1のポンプ加圧行程とを備える第1のエア駆動油圧ポンプと、第2のポンプ吸液行程と第2のポンプ加圧行程とを備える第2のエア駆動油圧ポンプと、油圧緩衝器と、前記油圧緩衝器中の流体圧力を表すセンシング値を提供する圧力センサーと、インジェクタと、を含む流体定量供給システムの制御方法であって、
前記第1のエア駆動油圧ポンプの前記第1のポンプ加圧行程において、前記油圧緩衝器中に流体圧力を積み上げることと、
前記第1のエア駆動油圧ポンプのそれぞれの前記第1のポンプ加圧行程において前記流体圧力を予め定めた範囲内に維持するように、少なくとも前記圧力センサーより取得された前記センシング値を利用してフィードバック圧力制御を起動させてから、前記第2のエア駆動油圧ポンプの前記第2のポンプ吸液行程を開始させることと、
前記第2のエア駆動油圧ポンプのそれぞれの前記第2のポンプ加圧行程において前記流体圧力を前記予め定めた範囲内に維持するように、前記圧力センサーより取得された少なくとも前記センシング値を利用してフィードバック圧力制御を起動させてから、前記第1のエア駆動油圧ポンプの前記第1のポンプ吸液行程を開始させることと、
前記インジェクタの開時間を調整して流体の輸送量を制御することと、を含む方法。 - 流体タンクと、吸液行程と加圧行程とを備えるエア駆動油圧ポンプと、油圧緩衝器と、前記油圧緩衝器中の流体圧力を表すセンシング値を提供する圧力センサーと、ソレノイドにより操作される弁により開閉されるインジェクタと、を含む流体輸送システムの制御方法であって、
前記エア駆動油圧ポンプの前記加圧行程において、前記油圧緩衝器中に流体圧力を積み上げることと、
前記エア駆動油圧ポンプのそれぞれの前記加圧行程において前記油圧緩衝器中の流体の圧力を予め定めた範囲内に維持するように、前記圧力センサーより取得されたセンシング値に基づいて、前記エア駆動油圧ポンプ内に圧縮空気を供給し、前記エア駆動油圧ポンプ内に空気を保存し、前記エア駆動油圧ポンプから空気を放出する、ことを通じて前記エア駆動油圧ポンプ内の空気量を調整することによるフィードバック圧力制御を起動させることと、
前記エア駆動油圧ポンプのそれぞれの前記吸液行程において前記フィードバック圧力制御を停止させることと、
前記ソレノイドに所定の時間通電することにより流体の輸送量を制御することと、を含む方法。 - 前記油圧緩衝器中の流体残留物を前記流体タンク中へ戻させることと、
前記インジェクタ中の流体残留物を排除することと、を含む請求項15に記載の方法。 - 前記圧力センサーから取得された前記センシング値に基づいて、パルス幅変調法を利用して繰り返しコントロールサイクル中の前記流体輸送量を制御することにより、流体輸送速度を制御することを含む請求項15に記載の方法。
- 前記パルス幅変調法は、第1段制御と第2段制御との2段制御を含み、前記第1段制御が少なくとも前記圧力センサーより取得された前記センシング値に基づいて、前記第2段制御を周期的に指令して第1段のPWM信号を生成させ、前記第2段制御が第2段の信号を生成させる請求項17に記載の方法。
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