JP6417911B2 - 排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、尿素ＳＣＲシステムに供される排気浄化装置に関する。

車両におけるディーゼルエンジン等、燃料の燃焼による排気ガスには窒素酸化物（ＮＯｘ）が含まれる。ＮＯｘは大気汚染物質のひとつとされ、自動車から排出される窒素酸化物及び粒子状物質の特定地域における総量の削減等に関する特別措置法による規制の対象とされている。

排気ガス中のＮＯｘを低減させる方法として、選択的触媒還元（selective catalytic reduction：ＳＣＲ）が知られている。特許文献１には、還元に利用される試薬として尿素（ＣＨ_４Ｎ_２Ｏ）を用いるものが記載されている。

試薬としての尿素はインジェクタを介して排気ガス流に対して噴射される。尿素は分解してアンモニアを生じる。ＮＯｘはアンモニアとの間で還元反応を起こして窒素と水に分解され無害化される。

特表２００９−５３９０２６号公報

ところで、ＳＣＲシステムにおいて試薬を供給するインジェクタの、必要以上の温度上昇は、インジェクタ自身の故障の原因となる。インジェクタを冷却する方法として、特許文献１には、試薬を試薬タンクからインジェクタに供給し、試薬の少なくとも一部を試薬タンクに再循環させる工程を含む方法が示されている。すなわち、この方法は、インジェクタを試薬によって水冷するものである。

しかしながら、今後、尿素ＳＣＲシステムの普及により、尿素ＳＣＲシステムが搭載される車両の種類によっては、より一層の冷却を必要とされることが考えられる。この場合、水冷のみの冷却では不十分な虞がある。

本発明は、上記問題点を鑑みてなされたものであり、尿素ＳＣＲシステムにおいて、より効果的にインジェクタの冷却が可能な排気浄化装置を提供することを目的とする。

ここに開示される発明は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、特許請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、発明の技術的範囲を限定するものではない。

上記目的を達成するために、本発明は、尿素を試薬とする選択的触媒還元システムに供される排気浄化装置であって、尿素水を貯蔵するタンク（１３）と、電磁弁の開度を制御するソレノイドを有し、ソレノイドに通電されて噴射のオンオフを周期的に繰り返しつつ、排気ガス流に対して尿素水を供給するインジェクタ（１１）と、タンクからインジェクタに尿素水を供給するためのポンプ（１２）と、尿素水の噴射を制御する制御部（１４）と、を備え、制御部は、制御モードとして、ノーマルモードと冷却モードとを有し、制御部は、冷却モードにおいて、ノーマルモードよりも、噴射のオン時間を短くするようにインジェクタを制御し、且つ、ノーマルモードよりも、噴射時の尿素水圧を大きくするようにポンプを制御することを特徴としている。

ところで、通常インジェクタでは、尿素水を噴射する場合にソレノイドに通電され、噴射を停止する場合にソレノイドへの通電が止められる。本発明によれば、冷却モードにおいて、ノーマルモードよりも噴射のオン時間、すなわち、ソレノイドへの通電時間が短く設定されている。このため、ソレノイドに通電することによる発熱量が、ノーマルモードに較べて小さくなる。したがって、冷却モードでは、ノーマルモードに較べてインジェクタの温度上昇を抑制することができる。

第１実施形態に係る尿素ＳＣＲシステムの概略構成を示す図である。 排気浄化装置の動作フローを示すフローチャートである。 排気浄化装置の動作フローを示すタイミングチャートである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分に、同一符号を付与する。

（第１実施形態）
最初に、図１を参照して、本実施形態に係る排気浄化装置の概略構成について説明する。

本実施形態に係る排気浄化装置は、車両に搭載されるＳＣＲシステムを構成する。本実施形態において説明するＳＣＲシステムは、還元剤を提供する試薬として尿素（ＣＨ_４Ｎ_２Ｏ）を用いる尿素ＳＣＲシステムである。

この尿素ＳＣＲシステムは、図１に示すように、排気浄化装置１０と、図示しない内燃機関から排気される排気ガスを車両の外部へ導入する排気ガス路２０と、を備えている。

まず、排気浄化装置１０について説明する。排気浄化装置１０は、図１に示すように、インジェクタ１１と、ポンプ１２と、タンク１３と、制御部１４と、尿素水ライン１５と、を備えている。

インジェクタ１１は、尿素水を排気ガス路２０の内部に導入する噴射装置である。インジェクタ１１は、開閉する電磁弁と、該電磁弁を駆動するためのソレノイドとを有している。ソレノイドに通電されている時間だけ電磁弁が開弁された状態となり、尿素水が排気ガス路２０の内部に噴射される。一方、ソレノイドへの通電されていない時間は電磁弁が閉弁された状態となり、尿素水は噴射されない。

ポンプ１２は、尿素水に所定の尿素水圧を印加して、後述の尿素水ライン１５に沿って尿素水を循環させる流体輸送装置である。ポンプ１２には渦巻きポンプやディフューザポンプなどの一般的に知られたポンプを採用することができる。ポンプ１２は、後述のタンク１３とインジェクタ１１との間に配置され、タンク１３から尿素水を吸い上げるとともに、予め設定された尿素水圧を以って送出する。ポンプ１２には尿素水圧センサ３１が設けられている。尿素水圧センサ３１はポンプ１２内の尿素水圧を検出する。後述の制御部１４は尿素水圧センサ３１によりポンプ１２内の尿素水圧を監視するとともに、所定の尿素水圧を所定の圧力に制御して尿素水を尿素水ライン１５に循環させている。なお、ポンプ１２とタンク１３との間には、尿素水に含まれる異物を除去するための除去フィルタ１６が設けられている。

タンク１３は、尿素水を貯蔵する貯蔵装置である。車両のユーザーは、このタンク１３に所定量以上の尿素水を貯蔵しておく。これにより、ポンプ１２がタンク１３から尿素水を吸い上げてインジェクタ１１に供給する。本実施形態におけるタンク１３には、尿素水の温度を検出する尿素水温センサ３２と、尿素水の残量を検出するレベルセンサ３３と、尿素水の品質の程度を検出する品質センサ３４と、が設けられている。また、タンク１３内の尿素水の凍結を抑制するためのタンクヒータが設けられていることが好ましい。

なお、インジェクタ１１の温度と、尿素水の温度はほぼ比例の関係にある。このため、予め測定されたインジェクタ温度の尿素水温度依存性に基づいて、尿素水の温度からインジェクタ１１の温度を推定することができる。

制御部１４は、インジェクタ１１およびポンプ１２の駆動を制御している。制御部１４は、ポンプ１２に対して、所定の尿素水圧を以って尿素水を尿素水ライン１５に循環させるよう指示する。ポンプ１２は、制御部１４からの制御信号に基づいて、タンク１３から尿素水を吸い上げ、インジェクタ１１に向けて送出する。また、制御部１４は、インジェクタ１１のソレノイドへの通電のオンオフを制御することによって噴射のオンオフを制御する。

制御部１４は、噴射のオンオフを周期的に繰り返すようにインジェクタ１１を制御している。よって、インジェクタ１１は、所定のデューティ比で噴射のオンオフを繰り返している。ソレノイドに通電されている期間が尿素水の噴射されている時間であり、特許請求の範囲に記載のオン時間に相当する。一方、ソレノイドに通電されていない期間では尿素水が噴射されない。以降、尿素水が噴射される期間をオン時間と称し、噴射されない期間をオフ時間と称する。

本実施形態における制御部１４は、制御モードとして、ノーマルモードと冷却モードと、を有している。ノーマルモードとは、車両が通常に走行する際に、予め適切に指定された尿素水圧および噴射のデューティ比を以って尿素水を噴射する制御モードである。また、冷却モードとは、インジェクタ１１の冷却能力を向上させるようにインジェクタ１１を駆動する制御モードである。制御モードについては、追って詳述する。

尿素水ライン１５は、尿素水が、タンク１３から除去フィルタ１６を介してポンプ１２に至り、ポンプ１２からインジェクタ１１を経由して再びタンク１３に戻る循環路を形成している。図示しないが、尿素水ライン１５には、尿素水の凍結を抑制するためのラインヒータが設けられていることが好ましい。

次いで、排気ガス路２０について説明する。排気ガス路２０は、図１に示すように、流路２１と、ミキサ２２と、還元触媒２３と、スリップ触媒２４と、を備えている。

流路２１は、ＮＯｘを含む排気ガスが内部を流動する管状部材であり、内燃機関と車両の外部空間との間で排気ガスの流れを規定している。図１において、排気ガス流は紙面左側から紙面右側に向かって流れる。

ミキサ２２は、排気ガスと尿素水とを撹拌して還元反応の反応断面積を向上させるものである。ミキサ２２は、内燃機関から見てインジェクタ１１よりも下流側に設けられ、排気ガス流に含まれるＮＯｘとインジェクタ１１により流路２１内に噴射される尿素水とを、旋回流によって混合、撹拌する。なお、ミキサ２２に流入する前に、排気ガス流を図示しない酸化触媒に通し、適切なＮＯ／ＮＯ_２比に調整しておくとより好ましい。

還元触媒２３は、ＮＯｘとアンモニアとの還元反応を促進させる触媒である。この還元触媒２３を介することにより、ＮＯｘとアンモニアは窒素と水とに分解されて無害化されるようになっている。触媒には種々の元素を採用することができるが、例えば、白金やロジウム、バナジウム、クロム、マンガン、コバルト、およびその合金などを採用することができる。

スリップ触媒２４は、還元触媒に寄与しなかったアンモニアを酸化して無害化する触媒である。触媒には種々の元素を採用することができるが、例えば、白金やロジウム、ルテニウム、パラジウムおよびその合金などを採用することができる。ＮＯｘとの間で未反応のアンモニアはスリップ触媒２４によって、より酸化数の大きい物質、例えば窒素などに変換される。

なお、排気ガス路２０には、ＮＯｘ濃度センサ３５、排気温センサ３６が設けられている。ＮＯｘ濃度センサ３５は排気ガス中のＮＯｘの濃度を検出する。ＮＯｘ濃度センサ３５は、インジェクタ１１よりも排気ガス流の上流側と、スリップ触媒２４よりも下流側にそれぞれ設けられている。制御部１４は、ＮＯｘ濃度センサ３５によって検出されるＮＯｘの濃度に基づいて、インジェクタ１１に対して適切な量の尿素水の噴射を行うよう制御する。

また、排気温センサ３６は排気ガスの温度を検出する。より具体的には、排気温センサ３６は、ミキサ２２と還元触媒２３との間に配置されており、排気ガスと尿素水の混合流の温度を検出している。アンモニアとＮＯｘの反応断面積および反応速度は、混合流の温度に依存する。このため、制御部１４は排気温センサ３６により検出された温度に基づいて、インジェクタ１１に対して適切な量の尿素水の噴射を行うよう制御する。

次に、図２および図３を参照して、本実施形態に係る排気浄化装置１０の動作フローについて説明する。

まず、図３に示す時刻ｔ１において、制御部１４は図２に示すステップＳ１を実行する。ステップＳ１は、制御部１４がポンプ１２に対して、尿素水の循環を開始するように指示するステップである。制御部１４は、ＮＯｘ濃度センサ３５および排気温センサ３６により検出されるＮＯｘ濃度および排気ガスの温度に対応した尿素水圧Ｐを以って尿素水を送出するようにポンプ１２に制御信号を出力する。ポンプ１２は、制御部１４からの制御信号に基づき、尿素水圧センサ３１が圧力Ｐを検出するように尿素水圧を調整して尿素水を送出する。ここで、時刻ｔ１における圧力Ｐは、図３に示すようにＰ≒５５０ｋＰａであるとする。

次いで、制御部１４は図２に示すステップＳ２を実行する。ステップＳ２は、制御部１４がインジェクタ１１に対して、尿素水の噴射を開始するように指示するステップである。制御部１４は、検出されるＮＯｘ濃度および排気ガスの温度に対応したオン時間ｔｏｎ、すなわちデューティ比を以って尿素水を噴射する。オン時間ｔｏｎとしては、例えばｔｏｎ≒７００ｍｓを採用することができる。

ステップＳ１およびステップＳ２では、尿素ＳＣＲシステムの始動直後であり、インジェクタ１１の温度も比較的低いため、制御モードとしてノーマルモードで駆動している。換言すれば、Ｐ≒５５０ｋＰａ、ｔｏｎ≒７００ｍｓがノーマルモードにおける駆動条件である。

次いで、制御部１４は図２に示すステップＳ３を実行する。ステップＳ３は、制御部１４がインジェクタ１１の温度と第１閾値とを比較するステップである。インジェクタ１１の温度が第１閾値以上であればＹＥＳ判定となり、第１閾値より小さければＮＯ判定となる。ステップＳ３は、ＹＥＳ判定になるまでステップＳ３を繰り返す。なお、インジェクタ１１の温度は、タンク１３に設けられた尿素水温センサ３２により検出される尿素水温から、インジェクタ温度の尿素水温度依存性に基づいて推定される。

図３に示すように、時刻ｔ１以降、インジェクタ１１のソレノイドには、例えば０．７Ａの電流がオンオフを繰り返しつつ印加されている。このため、インジェクタ１１のソレノイドが発熱してインジェクタ１１の温度が上昇していく。図３に示す時刻ｔ１からｔ２までの期間においては、ソレノイドの温度が第１閾値として設定された１３０℃よりも低いため、ステップＳ３はＮＯ判定であり、制御部１４はステップＳ３を繰り返している。そして、時刻ｔ２においてインジェクタ１１の温度が１３０℃以上になると、ステップＳ３はＹＥＳ判定となり、ステップＳ４に進む。

ステップＳ４は、制御部１４がポンプ１２に対して、尿素水圧Ｐを増加させるように指示するステップである。ポンプ１２は、図３に示すように、尿素水圧Ｐを５５０ｋＰａから６５０ｋＰａに増加させて尿素水を循環させる。

次いで、制御部１４は図２に示すステップＳ５を実行する。ステップＳ５は、制御部１４がインジェクタ１１に対して、尿素水の噴射時間であるオン時間ｔｏｎを減少させるように指示するステップである。本実施形態のインジェクタ１１は、例えば、ｔｏｎを７００ｍｓから５４０ｍｓに減少させて尿素水を噴射する。

ステップＳ５においては、ノーマルモード時に比べてｔｏｎが略２３％小さくなっている。すなわち、インジェクタ１１の有するソレノイドへの通電時間が略２３％短縮されている。したがって、ソレノイドの発熱量を略２３％抑制することができる。

なお、ステップＳ４において、尿素水圧Ｐを５５０ｋＰａから６５０Ｐａに増加させているので、尿素水圧およびオン時間の変更前後で尿素水の噴射量は変化しないようにできる。このように、尿素水圧およびオン時間の変更前後で、オン時間ｔｏｎと尿素水圧Ｐを反比例の関係を満たすようにすることによって、噴射される尿素水の総量を変えることなく、ソレノイドの発熱量を抑制することができる。

さて、ステップＳ４およびステップＳ５では、ノーマルモードに対して、尿素水圧Ｐを増加させ、且つ、オン時間ｔｏｎを減少させてインジェクタ１１の発熱量を抑制する制御モード、すなわち、冷却モードで駆動している。換言すれば、Ｐ≒６５０ｋＰａ、ｔｏｎ≒５４０ｍｓがノーマルモードにおける駆動条件である。

図３に示すように、インジェクタ１１の温度が第１閾値以上になった時刻ｔ２において、制御部１４は制御モードをノーマルモードから冷却モードに遷移する。

次いで、制御部１４は図２に示すステップＳ６を実行する。ステップＳ６は、制御部１４がインジェクタ１１の温度と第２閾値とを比較するステップである。インジェクタ１１の温度が第２閾値以下であればＹＥＳ判定となり、第２閾値より大きければＮＯ判定となる。ステップＳ６は、ＹＥＳ判定になるまでステップＳ６を繰り返す。

図３に示すように、時刻ｔ２以降、インジェクタ１１のソレノイドには、ノーマルモードに比べてオン時間が短縮された状態でオンオフを繰り返しつつ印加されている。このため、インジェクタ１１のソレノイドの発熱量はノーマルモードに較べて低下しており、インジェクタ１１の温度は低下していく。図３に示す時刻ｔ２からｔ３までの期間においては、ソレノイドの温度が第２閾値として設定された１１５℃よりも大きいため、ステップＳ６はＮＯ判定であり、制御部１４はステップＳ６を繰り返している。そして、時刻ｔ３においてインジェクタ１１の温度が１１５℃以下になると、ステップＳ６はＹＥＳ判定となり、ステップＳ７に進む。

ステップＳ７は、制御部１４がポンプ１２に対して、尿素水圧Ｐをノーマルモード時の圧力に戻すように指示するステップである。ポンプ１２は、図３に示すように、尿素水圧Ｐを６５０ｋＰａから５５０ｋＰａに減少させて尿素水を循環させる。

次いで、制御部１４は図２に示すステップＳ８を実行する。ステップＳ８は、制御部１４がインジェクタ１１に対して、尿素水の噴射時間であるオン時間ｔｏｎを増加させるように指示するステップである。本実施形態のインジェクタ１１は、ｔｏｎを５４０ｍｓから７００ｍｓに増加させて尿素水を噴射する。

すなわち、冷却モードの状態でインジェクタ１１の温度が第２閾値以下になった時刻ｔ３において、制御部１４は、制御モードを冷却モードからノーマルモードに遷移する。

次いで、制御部１４は図２に示すステップＳ９を実行する。ステップＳ９は、制御部１４が尿素ＳＣＲシステムの停止信号が入力されているか否かを判定するステップである。尿素ＳＣＲシステムの停止信号は、例えば、車両のイグニッションスイッチがオフされた場合に制御部１４に入力される。停止信号が入力されていればＹＥＳ判定となり、ステップＳ１０に進む。停止信号が入力されていなければＮＯ判定となり、ステップＳ３に戻る。例えば、図３に示すように、時刻ｔ４において、制御部１４に停止信号が入力されたとすると、制御部１４はステップＳ１０を実行する。

ステップＳ１０は、制御部１４がインジェクタ１１に対して、尿素水の噴射を停止するように指示するステップである。これにより、インジェクタ１１はソレノイドへの通電をオフして尿素水の噴射を停止する。

次いで、制御部１４は図２に示すステップＳ１１を実行する。ステップＳ１１は、制御部１４がポンプ１２に対して、尿素水の循環を停止するように指示するステップである。これにより、ポンプ１２は尿素水の送出を停止して循環を停止する。

次に、本実施形態に係る排気浄化装置１０の作用効果について説明する。

この排気浄化装置１０は、制御モードとして、ノーマルモードと冷却モードとを有している。そして、冷却モードでは、ノーマルモードよりもインジェクタ１１による尿素水の噴射のオン時間ｔｏｎを短縮するようになっている。このため、ソレノイドへの通電時間を短縮することができ、ソレノイドの発熱量を抑制することができる。したがって、インジェクタ１１の温度上昇を抑制することができる。

また、本実施形態における冷却モードでは、ステップＳ４で説明したように、尿素水圧Ｐを増加させる。このため、尿素水の噴射時間の短縮による噴射量の減少を抑制することができる。

とくに、本実施形態では、ノーマルモードと、冷却モードとが互いに遷移する場合において、オン時間と尿素水圧は反比例の関係を満たすようになっている。このため、ノーマルモードと冷却モードとで尿素水の噴射量の総量を変化させることなく、ソレノイドへの通電時間を短縮してインジェクタ１１の温度上昇を抑制することができる。

また、ノーマルモードから冷却モードへの遷移の条件として、インジェクタ１１の温度が第１閾値以上となることを条件にしている。このため、インジェクタ１１の温度が保証温度に到達してしまう前に、確実に冷却モードに遷移することができる。

さらに、冷却モードからノーマルモードへの遷移は、インジェクタ１１の温度が第１閾値よりも低い第２閾値以下になることを条件としている。このため、インジェクタ１１の温度が第１閾値に比べて小さくなってからノーマルモードに遷移することができる。すなわち、インジェクタ１１の温度が十分な安全域に到達してからの制御モードをノーマルモードに戻すことができる。

（その他の実施形態）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

上記した第１実施形態では、冷却モードにおいて、オン時間ｔｏｎの短縮に加えて、尿素水圧Ｐを増加させる例を示した。しかしながら、尿素水圧Ｐの増加は必ずしも必要ではない。ノーマルモードから冷却モードへの遷移において、オン時間ｔｏｎを短縮するだけであっても、ソレノイドへの通電時間を短縮することができるので、インジェクタ１１の温度上昇を抑制することができる。なお、冷却モードにおいて尿素水圧Ｐの変更を実施しない場合は、図２に示すステップＳ４は実行されない。また、これに伴ってステップＳ７も実行されない。

また、上記した第１実施形態では、インジェクタ１１の温度の推定方法として、タンク１３に設けられた尿素水温センサ３２から推定する例について説明したが、インジェクタ１１にインジェクタ温度センサを直線配設し、インジェクタ１１の温度を直線検出してもよい。インジェクタ温度センサによって直線的にインジェクタ１１の温度を検出することによって、インジェクタ１１の温度をより正確に推定することができる。ただし、インジェクタ温度センサを配設すると、インジェクタ１１の体格が大きくなるため、インジェクタ１１の体格が問題となるような尿素ＳＣＲシステムにおいては、タンク１３に設けられた尿素水温センサ３２から推定することが好ましい。

なお、上記した第１実施形態において、第１閾値、第２閾値、尿素水圧Ｐ、オン時間、インジェクタ電流に具体的な値を例示しているが、これらの値は一例であって、これらの値に限定されるものではない。

１０・・・排気浄化装置，１１・・・インジェクタ，１２・・・ポンプ，１３・・・タンク，１４・・・制御部，２０・・・排気ガス路，２２・・・ミキサ，２３・・・還元触媒，２４・・・スリップ触媒

Claims (6)

1. 尿素を試薬とする選択的触媒還元システムに供される排気浄化装置であって、
   尿素水を貯蔵するタンク（１３）と、
   電磁弁の開度を制御するソレノイドを有し、前記ソレノイドに通電されて噴射のオンオフを周期的に繰り返しつつ、排気ガス流に対して前記尿素水を供給するインジェクタ（１１）と、
   前記タンクから前記インジェクタに前記尿素水を供給するためのポンプ（１２）と、
   前記尿素水の噴射を制御する制御部（１４）と、を備え、
   前記制御部は、制御モードとして、ノーマルモードと冷却モードとを有し、
   前記制御部は、前記冷却モードにおいて、前記ノーマルモードよりも、噴射のオン時間を短くするように前記インジェクタを制御し、且つ、前記ノーマルモードよりも、噴射時の尿素水圧を大きくするように前記ポンプを制御することを特徴とする排気浄化装置。
2. 前記ノーマルモード時と、前記冷却モード時とが互いに遷移する場合において、
   前記オン時間と前記尿素水圧は反比例の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
3. 前記制御部は、前記インジェクタの温度が所定の第１閾値以上となることを条件に、前記制御モードを、前記ノーマルモードから前記冷却モードに遷移することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の排気浄化装置。
4. 前記制御モードが、前記冷却モードから前記ノーマルモードに遷移する場合において、
   前記制御部は、前記インジェクタの温度が、前記第１閾値よりも低い温度が設定された第２閾値以下となることを条件に、前記制御モードを遷移することを特徴とする請求項３に記載の排気浄化装置。
5. 前記尿素水の温度を検出するための尿素水温センサ（３２）を備え、
   前記インジェクタの温度は、前記尿素水温センサにより検出された前記尿素水の温度から推定されることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の排気浄化装置。
6. 前記インジェクタの温度を検出するインジェクタ温度センサを備え、
   前記インジェクタの温度は、前記インジェクタ温度センサにより検出された温度であることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の排気浄化装置。

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