JP6729291B2 - 尿素水供給システム及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、尿素水供給システム及びその制御方法に関し、より詳細には、早期に尿素水を噴射可能な尿素水供給システム及びその制御方法に関する。

エンジンの排気通路に設けられた選択的還元触媒（ＳＣＲ触媒）に、尿素水を供給する尿素水供給システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この尿素水供給システムは、凍結時に尿素水を昇温して、尿素水の解凍に要する時間を演算し、その時間が経過した後に尿素水噴射弁から尿素水を噴射している。

国際公開第２０１４／１９９７７８号

ところで、上記の尿素水供給システムは、イグニッション（始動スイッチ）の入切やエンジン回転速度に基づいて、尿素水の凍結状態を確認して、解凍に要する時間を設定している。それ故、エンジン回転速度が閾値以上になり、その時点からさらに解凍に要する時間が経過するまでは、尿素水の噴射ができずに、尿素水を還元剤とした排気ガス中の窒素酸化物の浄化が遅れることになる。

本発明は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、尿素水を確実に解凍しつつ、噴射開始に要する時間を短縮することができる尿素水供給システム及びその制御方法を提供することにある。

上記の目的を達成する本発明の尿素水供給システムは、尿素水噴射弁、タンク、及びポンプを有してなり、尿素水を昇温する昇温装置と、尿素水の凍結に関する状態を取得する状態取得装置と、前記尿素水噴射弁、前記昇温装置、及び前記状態取得装置に接続された制御装置とを備えていて、この制御装置が起動した場合は、尿素水に対して前記昇温装置による昇温を行い、前記状態取得装置により取得した尿素水の状態に基づいて、前記制御装置により、前記尿素水噴射弁による尿素水の噴射を許可する判定の正否の結果が正の場合に、前記尿素水噴射弁による噴射を開始する構成にした尿素水供給システムにおいて、前記昇温装置の発熱温度を取得する発熱温度取得装置を備えていると共に、前記制御装置が、前記正否の結果を記憶可能に構成されていて、前記昇温装置による昇温、前記許可する判定、前記尿素水噴射弁による噴射を含む当該尿素水供給システムに関するシステム制御が停止してから停止期間を経た後に、前記昇温装置による昇温から再開される場合は、前記制御装置により、前記システム制御が停止したときに記憶した前記正否の結果と、再開直後に前記発熱温度取得装置が取得した発熱温度とに基づいて、前記許可する判定に要する時間を短縮する設定を行う構成にしたことを特徴とするものである。

上記の目的を達成する本発明の尿素水供給システムの制御方法は、タンクに貯留した尿素水を、ポンプにより尿素水噴射弁に供給して、その尿素水噴射弁から噴射する際に、尿素水に対して昇温装置による昇温を行い、その昇温装置による昇温の最中に尿素水の凍結に関する状態を取得し、取得したその凍結に関する状態に基づいて、前記尿素水噴射弁による尿素水の噴射を許可する判定の正否の結果が正の場合に、前記尿素水噴射弁による噴
射を開始する尿素水供給システムの制御方法において、前記昇温装置による昇温、前記許可する判定、前記尿素水噴射弁による噴射を含む前記尿素水供給システムに関するシステム制御を停止してから停止期間を経た後に、前記昇温装置による昇温から再開する場合は、前記システム制御が停止したときの前記正否の結果を記憶し、再開直後に、前記昇温装置の発熱温度を取得し、記憶した前記正否の結果と、取得した前記発熱温度とに基づいて、前記許可する判定に要する時間を短縮する設定を行うことを特徴とする方法である。

本発明によれば、システム制御が停止してから停止期間を経て再度、昇温装置による昇温からシステム制御を再開する場合は、停止したときの許可する判定の正否の結果と、再開直後の昇温装置の発熱温度とに基づいて、その許可する判定に要する時間を短縮する設定を行う。つまり、停止した時の正否の結果と再開直後の発熱温度とに基づいて、尿素水が解凍した後に再凍結していない状態で、システム制御が再開されたか否かを判定して、許可する判定に要する時間を短縮する設定を行う。それ故、許可する判定に要する時間を、停止前の尿素水の解凍状況に応じて、尿素水を確実に解凍可能な最短の時間にすることができる。これにより、尿素水を確実に解凍しつつ、噴射開始に要する時間の短縮には有利になり、早期に尿素水の噴射を開始することができる。

本発明の尿素水供給システムの実施形態を例示する構成図である。 図１の尿素水供給システムの制御方法のうちの通常時のシステム制御に関する方法を例示するフロー図である。 図２の設定時間を算出するマップデータである。 図１の尿素水供給システムの制御方法のうちの短縮する設定に関する方法を例示するフロー図である。 図１の尿素水供給システムのうちの許可判定に要する時間が短縮されたシステム制御に関する方法を例示するフロー図である。

以下に、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。図中では、Ｇ１を排気ガス、Ｗ１を冷却水、及びＵ１を尿素水とする。

図１に例示するように、実施形態の尿素水供給システム１０は、排気ガス浄化システムに組み込まれていて、選択的還元触媒（ＳＣＲ触媒）１１に還元剤となる尿素水を供給するシステムである。

排気ガス浄化システムは、尿素水供給システム１０、選択的還元触媒１１、制御装置２０、及び各種センサ２１〜２７から構成されている。尿素水供給システム１０は、尿素水噴射弁１２、サプライモジュール１３、尿素水タンク１４、及びクーラントバルブ１５から構成されている。なお、クーラントバルブ１５は設けない場合もある。

尿素水噴射弁１２、及び選択的還元触媒１１は、図示しないエンジンから排出された排気ガスＧ１が通過する排気通路１６の中途の位置に、排気ガスＧ１の流れに関して上流側から下流側に向かって順に配置されている。なお、選択的還元触媒１１の下流にアンモニアスリップ触媒を設けてもよい。また、選択的還元触媒１１の上流に酸化触媒や捕集フィルタを設けてもよい。

尿素水噴射弁１２、サプライモジュール１３、尿素水タンク１４は、尿素水配管１７により接続されていて、サプライモジュール１３に設けたポンプ１８により、尿素水タンク１４から尿素水噴射弁１２に尿素水Ｕ１が供給されている。

また、尿素水タンク１４と、尿素水噴射弁１２、サプライモジュール１３、及び尿素水タンク１４を接続する尿素水配管１７とは、冷却水配管１９によりエンジンを冷却した後の冷却水Ｗ１により温められる構成になっていて、クーラントバルブ１５により冷却水Ｗ１の流量が調節されている。この実施形態では、尿素水タンク１４の内部に、あるいは尿素水配管１７に対して隣接して配置された冷却水配管１９が、尿素水Ｕ１を昇温する昇温装置として機能している。なお、尿素水配管１７に加えて、尿素水噴射弁１２やポンプ１８を冷却水配管１９により直接温める構成にしてもよい。

制御装置２０は、各種情報処理を行うＣＰＵ、その各種情報処理を行うために用いられるプログラムや情報処理結果を読み書き可能な内部記憶装置、及び各種インターフェースなどから構成されているハードウェアである。制御装置２０は、尿素水噴射弁１２、ポンプ１８、排気温度センサ２１、２２、外気温度センサ２３、冷却水温度センサ２４、モジュール温度センサ２５、モジュール圧力センサ２６、タンク温度センサ２７、及びＮＯｘセンサ３０に信号線を介して電気的に接続されている。また、制御装置２０は、エンジン制御を行うエンジン制御装置２８とバッテリ２９とに信号線を介して電気的に接続されている。制御装置２０は、接続されたエンジン制御装置２８や各種センサの測定値に基づいて、尿素水噴射弁１２の噴射制御及びポンプ１８の駆動制御を行っている。

次に、尿素水供給システム１０の制御方法について説明する。尿素水供給システム１０においては、イグニッションオンの状態（イグニッションキーあるいはスイッチがオンの状態）になり、バッテリ２９からの通電により制御装置２０が起動した場合は、尿素水Ｕ１に対して冷却水配管１９に流れるエンジンを冷却した後の冷却水Ｗ１による昇温を行っている。次いで、第一パラメータに基づいて、制御装置２０により、尿素水噴射弁１２による尿素水Ｕ１の噴射を許可する判定（以下、許可判定という）を行った後に、その許可判定の正否の結果に応じて、尿素水噴射弁１２に対して尿素水Ｕ１の噴射を許可する指令を出している。

具体的に、許可判定は、尿素水Ｕ１が解凍する温度になったことを判定する温度判定と、尿素水Ｕ１の解凍を開始してから経過した時間が所定の許可時間以上になったことを判定する時間判定とから構成されている。また、許可判定は温度判定及び時間判定のそれぞれの判定の正否の結果が正の場合に、尿素水噴射弁１２に対して尿素水Ｕ１の噴射を許可する指令を出している。なお、この実施形態では、尿素水Ｕ１の解凍の開始は、エンジンが始動して冷却水Ｗ１が冷却水配管１９を循環し始めたときになる。

図２に例示するように、制御装置２０は、制御装置２０が有している図示しないタイマーにより、時間ｔ１をカウントする（Ｓ１１０）。次いで、制御装置２０は、状態取得装置により第一パラメータを取得する（Ｓ１２０）。次いで、制御装置２０は、第一パラメータのうちの外気温度Ｔ１に応じて、設定時間ｔａを算出する（Ｓ１３０）。

状態取得装置としては、尿素水供給システム１０に存在する尿素水Ｕ１の凍結に関する状態を取得するセンサなどが例示でき、この実施形態では、外気温度センサ２３、モジュール温度センサ２５、及びタンク温度センサ２７を用いている。

第一パラメータは、尿素水供給システム１０に存在する尿素水Ｕ１の凍結に関する状態を示すパラメータである。この実施形態では、第一パラメータとして、外気温度センサ２３が取得する外気温度Ｔ１、モジュール温度センサ２５が取得するモジュール温度Ｔ２、及びタンク温度センサ２７が取得するタンク温度Ｔ３を用いている。なお、尿素水Ｕ１の状態を示すパラメータとしては、尿素水Ｕ１が凍結した場合に変化する測定値として、圧力センサ２６が取得する圧力を用いてもよい。また、尿素水噴射弁１２や尿素水配管１７に温度センサを設けた場合は、それらの測定値を用いてもよい。

設定時間ｔａは、外気温度Ｔ１に応じて、所定の計算式やマップデータにより算出される算出値である。この実施形態では、マップデータを用いて算出している。

図３に例示するように、マップデータは、予め実験や試験により求めておき、制御装置２０に記憶させておき、制御装置２０により読み出されている。マップデータにおいて、設定時間ｔａは、外気温度Ｔ１に対して負の関係にあり、外気温度Ｔ１が低い場合に長い時間に設定され、外気温度Ｔ１が高くなる場合に短い時間に設定される。

特に、設定時間ｔａは、外気温度Ｔ１がゼロ度以下の尿素水Ｕ１が凍結する温度Ｔ４以下になった場合により長い時間に設定される。このように、設定時間ｔａを尿素水Ｕ１が凍結する温度Ｔ４に基づいて、外気温度Ｔ１が低く尿素水Ｕ１が凍結する状態では長くし、それ以外では短くすることで、時間判定に要する時間の短縮には有利になる。

次いで、制御装置２０は、カウントした時間ｔ１が設定時間ｔａ以上か否かを判定する（Ｓ１４０）。この経過した時間ｔ１に基づいた判定が時間判定である。時間判定は、尿素水配管１７の全域の温度を実測することが不可能であることから、時間により尿素水配管１７における尿素水Ｕ１の解凍を判定するために行っている。次いで、制御装置２０は、カウントした時間ｔ１が設定時間ｔａ以上になったときに、つまり、時間判定の正否の結果が正になった場合に、取得した第一パラメータのうちのモジュール温度Ｔ２が予め設定した第一閾値Ｔａ以上になったか否かを判定する（Ｓ１５０）。次いで、制御装置２０は、第一パラメータのうちのタンク温度Ｔ３が予め設定した第二閾値Ｔｂ以上になったか否かを判定する（Ｓ１６０）。この二つの尿素水Ｕ１の温度と閾値とを比較する判定が温度判定である。

第一閾値Ｔａ及び第二閾値Ｔｂのそれぞれは、予め実験や試験により求めておき、制御装置２０に記憶させておく閾値であり、尿素水Ｕ１が解凍したことを判定可能な温度に設定されている。

カウントした時間ｔ１が設定時間ｔａ以上になった場合（Ｓ１４０：ＹＥＳ）で、且つ、モジュール温度Ｔ２及びタンク温度Ｔ３の両方が閾値以上になった場合（Ｓ１５０：ＹＥＳ、Ｓ１６０：ＹＥＳ）に、つまり、時間判定の正否の結果が正になった場合で、且つ温度判定の正否の結果が正になった場合に、制御装置２０は、尿素水噴射弁１２の噴射を許可する指令を出す（Ｓ１７０）。以上の温度判定（Ｓ１５０、Ｓ１６０）と時間判定（Ｓ１３０、Ｓ１４０）とが許可判定であり、それぞれの正否の結果が正になった場合に、尿素水噴射弁１２の噴射を許可する指定を出す。

このように、尿素水噴射弁１２の噴射を許可する指令が出された後は、ＮＯｘセンサ３０の測定値などに基づいて、制御装置２０により尿素水Ｕ１の噴射制御が行われる。

許可判定として、温度判定と時間判定との二つの項目により、尿素水Ｕ１が解凍したか否かを判定することにより、尿素水Ｕ１が確実に解凍した状態を判定することができる。

特に、温度判定においてモジュール温度Ｔ２及びタンク温度Ｔ３が閾値上になり、判定の結果が正（Ｓ１５０：ＹＥＳ、Ｓ１６０：ＹＥＳ）になった場合でも、尿素水配管１７の全域で尿素水Ｕ１が解凍しているとは限らずに、尿素水配管１７の局所的には尿素水Ｕ１が凍結している場合もある。これに関して、時間判定を用いることで、尿素水供給システム１０に存在する尿素水Ｕ１が全て解凍した状態を判定するには有利になる。

なお、温度判定及び時間判定を並列に処理してもよく、また、温度判定の二つの判定も並列処理にしてもよい。つまり、上記のＳ１３０及びＳ１４０、Ｓ１５０、並びにＳ１６０のそれぞれを並列に処理するようにしてもよい。

上記の尿素水供給システム１０に関するシステム制御（Ｓ１１０〜Ｓ１７０）は、イグニッションオンの状態になり、制御装置２０が起動した場合に行うように構成されている。つまり、システム制御が停止して停止期間Δｔを経た後に、再度、温度判定（Ｓ１５０、Ｓ１６０）と時間判定（Ｓ１３０、Ｓ１４０）との両方を行うことになる。それ故、尿素水Ｕ１が確実に解凍した状態で、尿素水Ｕ１の噴射を行うことができる一方で、許可判定に要する時間により、尿素水Ｕ１の噴射が遅延する。

そこで、この実施形態の尿素水供給システム１０は、発熱温度取得装置として冷却水温度センサ２４を備えていると共に、制御装置２０が許可判定の正否の結果を記憶可能に構成されている。そして、システム制御（Ｓ１１０〜Ｓ１７０）が停止して停止期間Δｔを経た後に再度、エンジンの冷却水Ｗ１を用いた昇温から行う場合は、システム制御が停止したときの許可判定の正否の結果と、再開直後に冷却水温度センサ２４が取得した冷却水温度Ｔ５とに基づいて、制御装置２０により、許可判定に要する時間を短縮する設定を行う構成にしている。より具体的に、この短縮する設定は、許可判定のうちの時間判定を省略する設定である。

この制御方法の詳細について、以下に説明する。なお、図４に例示する短縮する設定は、イグニッションオンの状態になり、バッテリ２９の通電により制御装置２０が起動した場合に、上記のシステム制御が行われる前に行われる。そして、この短縮する設定により、図２に示す通常のシステム制御を行うか、図５に例示する許可判定に要する時間が短縮されたシステム制御を行うかを選択する。

図４に例示するように、制御装置２０は、システム制御が停止したときの許可判定の正否の結果が正であったか否かを判定する（Ｓ２１０）。次いで、制御装置２０は、システム制御が再開した直後に冷却水温度センサ２４が取得した冷却水温度Ｔ５が予め設定した第三閾値Ｔｃ以上か否かを判定する（Ｓ２２０）。

許可判定の正否の結果は、図２における温度判定及び時間判定の両方の判定の正否の結果と、図５における温度判定のみの正否の結果とのどちらか一方になる。

冷却水温度Ｔ５は、システム制御が再開した直後の冷却水配管１９からなる昇温装置の発熱温度を示している。冷却水温度Ｔ５は、エンジンを冷却した後の温度を用いるため、冷却水温度センサ２４は、エンジンから放出された冷却水Ｗ１の温度を測定可能な位置に配置されることが望ましい。なお、ここでいう再開直後とは、制御装置２０が起動した直後であり、イグニッションオンの状態になった直後である。

第三閾値Ｔｃは、尿素水Ｕ１が再凍結していない状態を判定可能な温度に設定されている。具体的には、第三閾値Ｔｃは、外気温度Ｔ１よりも高い温度が好ましく、エンジンが駆動している間の冷却水Ｗ１の温度範囲の温度がより好ましい。つまり、再開直後の冷却水温度Ｔ５がこの第三閾値Ｔｃ以上を示す場合は、停止期間Δｔが短時間の場合や、その停止期間Δｔの間に冷却水温度Ｔ５が維持された場合を示している。

以上の二つの判定により、システム制御が停止したときの正否の結果が正であり、且つ、冷却水温度Ｔ５が第三閾値Ｔｃ以上である場合は、図５に例示する許可判定に要する時間を短縮する設定がなされたシステム制御を行う。一方、システム制御が停止したときの結果が否である、又は冷却水温度Ｔ５が第三閾値Ｔｃ未満である場合は、図２に例示する通常のシステム制御を行う。

図５に例示するように、許可判定に要する時間を短縮する設定がなされたシステム制御は、通常のシステム制御に対して、時間判定（Ｓ１１０、Ｓ１３０、Ｓ１４０）が省略されている。システム制御が停止したときの正否の結果が正である場合は、尿素水供給システム１０に存在する尿素水Ｕ１を解凍した後の状態である。そして、冷却水温度Ｔ５が第三閾値Ｔｃ以上である場合は、尿素水Ｕ１が解凍してから、その状態が維持されている状態である。

このように、システム制御が停止してから停止期間Δｔを経て再度、システム制御を再開する場合は、停止したときの許可判定の正否の結果と、再開直後の冷却水温度Ｔ５とに基づいて、許可判定に要する時間を短縮する設定を行う。つまり、正否の結果（図２：Ｓ１７０、図５：Ｓ１７０）と冷却水温度Ｔ５とに基づいて、尿素水Ｕ１が解凍した後に再凍結していない状態で、システム制御が再開されたか否かを判定して、許可判定に要する時間を短縮する設定を行う。それ故、許可判定に要する時間を、停止前の尿素水Ｕ１の解凍状況に応じて、尿素水Ｕ１を確実に解凍可能な最短の時間にすることができる。これにより、尿素水Ｕ１を確実に解凍しつつ、噴射開始に要する時間の短縮には有利になり、早期に尿素水Ｕ１の噴射を開始することができる。これに伴って、早期に、ＮＯｘセンサ３０の測定値に基づいた尿素水Ｕ１の噴射制御を行うことができるので、窒素酸化物を確実に浄化することができる。

なお、許可する判定の正否の結果が正の場合に、尿素水噴射弁１２による噴射が許可されることから、正否の結果の代わりに、尿素水噴射弁１２による噴射の許可の有無を用いることもできる。この噴射の許可の有無は、ＮＯｘセンサ３０の測定値などに基づいた尿素水噴射弁１２の噴射の有無とは異なるものである。

この実施形態では、冷却水温度Ｔ５、つまりエンジンの状態のみで、許可判定に要する時間を短縮せずに、前回の尿素水Ｕ１の解凍状況であるシステム制御が停止したときの正否の結果を用いて、許可判定に要する時間を短縮している。これにより、エンジンの状態のみで判定する場合に生じる尿素水Ｕ１の部分的な凍結に対する解凍を判別することができるので、尿素水Ｕ１の圧力異常や噴射量不適正などの事態を回避するには有利になる。

一方で、許可判定に要する時間を短縮する場合は、許可判定における温度判定及び時間判定のうちの時間判定のみを省略している。これにより、安全サイド寄りに許可判定に要する時間を短縮することで、時間を短縮しても、尿素水Ｕ１が凍結した状態で噴射の許可をすることを回避するには有利になる。

昇温装置としては、上述のエンジンを冷却した後の冷却水Ｗ１が通過する冷却水配管１９で構成された昇温装置に代えて、電気ヒータを用いてもよい。電気ヒータの場合は、この電気ヒータに流れる電流及び電圧に基づいて、発熱温度を測定するとよい。

１０ 尿素水供給システム
１２ 尿素水噴射弁
１３ ポンプモジュール
１４ タンク
１８ ポンプ
１９ 冷却水配管（昇温装置）
２０ 制御装置
２２、２５、２７ 状態取得装置
２３ 発熱温度取得装置
Ｕ１ 尿素水
Ｗ１ 冷却水

Claims (5)

1. 尿素水噴射弁、タンク、及びポンプを有してなり、尿素水を昇温する昇温装置と、尿素水の凍結に関する状態を取得する状態取得装置と、前記尿素水噴射弁、前記昇温装置、及び前記状態取得装置に接続された制御装置とを備えていて、この制御装置が起動した場合は、尿素水に対して前記昇温装置による昇温を行い、前記状態取得装置により取得した尿素水の状態に基づいて、前記制御装置により、前記尿素水噴射弁による尿素水の噴射を許可する判定の正否の結果が正の場合に、前記尿素水噴射弁による噴射を開始する構成にした尿素水供給システムにおいて、
   前記昇温装置の発熱温度を取得する発熱温度取得装置を備えていると共に、前記制御装置が、前記正否の結果を記憶可能に構成されていて、
   前記昇温装置による昇温、前記許可する判定、前記尿素水噴射弁による噴射を含む当該尿素水供給システムに関するシステム制御が停止してから停止期間を経た後に、前記昇温装置による昇温から再開される場合は、前記制御装置により、前記システム制御が停止したときに記憶した前記正否の結果と、再開直後に前記発熱温度取得装置が取得した発熱温度とに基づいて、前記許可する判定に要する時間を短縮する設定を行う構成にしたことを特徴とする尿素水供給システム。
2. 前記許可する判定が、尿素水が解凍する温度になったことを判定する温度判定と、前記昇温装置による昇温が開始されてから経過した時間が所定の許可時間以上になったことを判定する時間判定とから構成されていて、
   前記短縮する設定が、その時間判定を省略する設定である請求項１に記載の尿素水供給システム。
3. 前記短縮する設定が、前記システム制御が停止したときに前記正否の結果が正であり、且つ、再開直後に前記発熱温度取得装置が取得した前記発熱温度が予め設定した閾値以上の場合に、前記時間判定を省略する設定である請求項２に記載の尿素水供給システム。
4. 前記昇温装置が、エンジンを冷却した後の冷却水が通過する冷却水配管からなり、その冷却水により前記尿素水噴射弁、前記タンク、及び前記ポンプのそれぞれを昇温する構成であり、
   前記発熱温度取得装置が、前記冷却水の水温を取得する冷却水温度センサで構成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の尿素水供給システム。
5. タンクに貯留した尿素水を、ポンプにより尿素水噴射弁に供給して、その尿素水噴射弁から噴射する際に、尿素水に対して昇温装置による昇温を行い、その昇温装置による昇温の最中に尿素水の凍結に関する状態を取得し、取得したその凍結に関する状態に基づいて、前記尿素水噴射弁による尿素水の噴射を許可する判定の正否の結果が正の場合に、前記尿素水噴射弁による噴射を開始する尿素水供給システムの制御方法において、
   前記昇温装置による昇温、前記許可する判定、前記尿素水噴射弁による噴射を含む前記尿素水供給システムに関するシステム制御を停止してから停止期間を経た後に、前記昇温装置による昇温から再開する場合は、
   前記システム制御が停止したときの前記正否の結果を記憶し、
   再開直後に、前記昇温装置の発熱温度を取得し、
   記憶した前記正否の結果と、取得した前記発熱温度とに基づいて、前記許可する判定に要する時間を短縮する設定を行うことを特徴とする尿素水供給システムの制御方法。