JP7232669B2

JP7232669B2 - 還元剤供給装置及びその制御方法

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Publication number: JP7232669B2
Application number: JP2019033831A
Authority: JP
Inventors: 訓弘千葉
Original assignee: Bosch Corp
Current assignee: Bosch Corp
Priority date: 2019-02-27
Filing date: 2019-02-27
Publication date: 2023-03-03
Anticipated expiration: 2039-02-27
Also published as: JP2020139426A

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に還元剤を供給するための還元剤供給装置及びその制御方法に関する。

ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排気ガス中には、環境に影響を与えるおそれのある窒素酸化物（以下、「ＮＯｘ」と称する。）が含まれている。このＮＯｘを浄化するために用いられる排気浄化装置として、排気通路に配設された触媒の上流側に尿素水溶液等の還元剤を噴射供給し、触媒中で排気ガス中のＮＯｘを還元反応させる排気浄化装置が知られている。

このような排気浄化装置では、排気通路内に還元剤を添加するための還元剤添加装置が備えられている。この還元剤添加装置において、尿素水溶液を還元剤として用いる場合、還元剤が寒冷時に凍結するおそれがあることから、還元剤の供給系に加熱手段が備えられる場合ある。例えば、加熱手段として電熱ヒータを用いて、外気温度及び／または還元剤温度に応じてそれらの電熱ヒータに外部から通電し及びその通電を遮断し還元剤の凍結を防止する適宜な温度範囲を維持する排気浄化装置が開示されている（特許文献１参照）。

特開２０００－２７６２７号公報

しかしながら、還元剤を無条件に加熱すると還元剤の温度が沸点を超えてしまい気化し、これが圧力ダンパとなって還元剤を正常に圧送できなくなるおそれがある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、還元剤の加熱を適切に制御することができる還元剤供給装置及びその制御方法を提供することにある。

本発明に係る還元剤供給装置は排気管に取り付けられた還元触媒の上流側に還元剤を供給する還元剤噴射弁と、前記還元剤が収容される貯蔵タンクと、前記貯蔵タンクから前記還元剤を汲み出して前記還元剤噴射弁に圧送するポンプユニットと、前記ポンプユニットに組み込まれた加熱装置と、前記還元剤にかかる圧力を検出する圧力検出部と、前記還元剤にかかる圧力に基づいて前記加熱装置を制御する加熱制御部と、を備えることを特徴とする還元剤供給装置である。

前記還元剤にかかる圧力は、前記貯蔵タンク内の前記還元剤にかかる圧力であることが好ましい。

前記還元剤にかかる圧力は、前記貯蔵タンク内の前記還元剤にかかる大気圧であることが好ましい。

前記還元剤にかかる圧力は、前記ポンプユニット内に設けられた加圧室内の還元剤にかかる圧力であることであることが好ましい。

前記加圧室に作用する電磁力を発生させるコイルへの通電電流に基づいて、前記加圧室内の還元剤にかかる圧力を算出することが好ましい。

本発明に係る還元剤供給装置の制御方法は、排気管に取り付けられた還元触媒の上流側に還元剤を供給する還元剤噴射弁と、前記還元剤が収容される貯蔵タンクと、前記貯蔵タンクから前記還元剤を汲み出して前記還元剤噴射弁に圧送するポンプユニットと、前記ポンプユニットに組み込まれた加熱装置とを有する還元剤供給装置の制御方法であって、前記還元剤にかかる圧力を検出するステップと、前記還元剤にかかる圧力に基づいて前記加熱装置を制御するステップと、を備えることを特徴とする還元剤供給装置の制御方法である。

本発明によれば、排気管に取り付けられた還元触媒の上流側に還元剤を供給する還元剤供給装置において、還元剤の加熱を適切に制御することができる。

本発明の実施形態に係る還元剤供給装置を備えた排気浄化装置の構成例を示す模式図である。同実施形態に係る還元剤供給装置のポンプユニット部分の模式図である。同実施形態に係る還元剤供給装置の第１ポンプ部分の模式図である。同実施形態に係る還元剤供給装置の電子制御装置に備えられた構成のうち、還元剤の凍結を防止する制御に関連する部分を機能的なブロックで表した図である。同実施形態に係る還元剤供給装置において還元剤の凍結を防止する制御を表したフローチャートである。本発明の変形例に係る還元剤供給装置の電子制御装置に備えられた構成のうち、還元剤の凍結を防止する制御に関連する部分を機能的なブロックで表した図である。

以下、適宜図面を参照して、本発明の還元剤供給装置及びその制御方法に関する実施の形態について具体的に説明する。尚、それぞれの図中、同じ符号を付してあるものについては、特に説明がない限り同一の部材を示しており、適宜説明が省略されている。

以下、本発明の実施形態に係る還元剤供給装置及び還元剤供給装置の制御方法について説明する。

１．排気浄化装置の全体構成
図１は、還元剤供給装置２０を備える排気浄化装置１０の全体構成の一例を説明するために示す模式図である。
この排気浄化装置１０は、排気中のＮＯｘを浄化するための装置であり、ディーゼルエンジン等の内燃機関１の排気通路１１に設けられている。排気浄化装置１０は、排気通路１１の途中に介装された還元触媒１３と、還元触媒１３よりも上流側の排気通路１１内に還元剤を供給するための還元剤供給装置２０とを備えている。

還元触媒１３は、排気中のＮＯｘの還元反応を促進する機能を有する触媒であり、還元剤から生成される還元成分を吸着するとともに、触媒に流れ込む排気中のＮＯｘを還元成分によって選択的に還元するものとなっている。還元剤供給装置２０は、還元剤として尿素水溶液が用いられるものであり、尿素水溶液が排気通路１１中で分解されることにより還元成分としてのアンモニアが生成されるようになっている。

２．還元剤供給装置
図１に示すように、還元剤供給装置２０は、還元剤が収容される貯蔵部としての貯蔵タンク２１と、還元剤を排気通路１１内に噴射するための還元剤噴射弁２５と、貯蔵タンク２１の底面に取り付けられるとともに貯蔵タンク２１内の還元剤を還元剤噴射弁２５に圧送するポンプユニット３０と、ポンプユニット３０と還元剤噴射弁２５を接続する供給通路２３と、還元剤噴射弁２５やポンプユニット３０等と電気的に接続されておりこれらを電子制御する電子制御装置（ＥＣＵ）１００とを備えている。

図２は、ポンプユニット３０の構造の一例を説明するために示す模式図であり、図３は後述する第１ポンプ３１を説明するために示す模式図である。

ポンプユニット３０内には、貯蔵タンク２１内の還元剤を汲み出し還元剤噴射弁２５方向に圧送する第１ポンプ３１と、貯蔵タンク２１方向に戻す第２ポンプ４１とを備えている。

第１ポンプ３１は、電磁駆動タイプのピストンポンプであり、シリンダ３３と、ピストン３５と、コイル３７と、スプリング３９とを備えている。ピストン３５はシリンダ３３内に摺動自在に保持されており、シリンダ３３内にはピストン３５によって画成された加圧室３６が形成されている。ピストン３５は加圧室３６の体積が小さくなる方向にスプリング３９によって付勢されている。また、コイル３７は電子制御装置１００と電気的に接続されており、電子制御装置１００によってコイル３７が通電されると、コイル３７の発生する電磁力により、ピストン３５はスプリング３９の付勢力と逆方向に、すなわち加圧室３６の体積が大きくなる方向に移動する。

第２ポンプ４１も、第１ポンプ３１と同様の電磁駆動タイプのピストンポンプであり、第１ポンプ３１と同様の構成を備えており、電子制御装置１００によって電子制御される。尚、第１ポンプ３１および第２ポンプ４１は、ピストンポンプに限られるものではなく、例えばダイヤフラム式のポンプであってもよい。

第１ポンプ３１の加圧室３６は貯蔵タンク２１と第１通路５１を介して連通している。第１通路５１の途中には第１逆止弁６１が設けられている。第１逆止弁６１は還元剤が貯蔵タンク２１から第１ポンプ３１の方向にのみ流れるように機能する。

また、第１ポンプ３１の加圧室３６は第２通路５２を介して供給通路２３と連通している。第２通路５２の途中には第２逆止弁６２が設けられている。第２逆止弁６２は還元剤が第１ポンプ３１から供給通路２３の方向にのみ流れるように機能する。

第２逆止弁６２と供給通路２３との間の第２通路５２には、第３通路５３との分岐点８２が設けられている。第３通路５３は第２ポンプ４１の加圧室と連通しており、第３通路５３の途中には第３逆止弁６３が設けられている。第３逆止弁６３は還元剤が分岐点８２から第２ポンプ４１の方向にのみ流れるように機能する。

また、第２ポンプ４１の加圧室は貯蔵タンク２１と第４通路５４を介して連通している。第４通路５４の途中には第４逆止弁６４が設けられている。第４逆止弁６４は還元剤が第２ポンプ４１から貯蔵タンク２１の方向にのみ流れるように機能する。

第１ポンプ３１において、コイル３７が非通電状態から通電状態に切り替わると、ピストン３５がスプリング３９に抗して加圧室３６の体積を大きくする方向に移動し、貯蔵タンク内の還元剤が第１通路５１を介して加圧室３６内に流入する。次にコイル３７が通電状態から非通電状態に切り替わると、スプリング３９によって付勢されたピストン３５が加圧室３６内の還元剤を圧縮し、加圧室３６内の還元剤は、第２通路５２および供給通路２３を通って還元剤噴射弁２５に圧送される。

電子制御装置１００は、コイル３７に流れる通電電流Iｃを測定することにより、第１ポンプ３１の加圧室３６内の圧力Ｐｐを算出することができる。例えば通電電流Iｃ、通電電流Iｃの時間微分値または通電電流Iｃの時間積分値と加圧室内の圧力Ｐｐの関係は予め実験等によってデータ化し電子制御装置に記憶しておくことにより、通電電流Iｃから第１ポンプ３１の加圧室３６内の圧力Ｐｐを算出することができる。電子制御装置１００は、当該還元剤の圧力に基づいて、コイル３７や還元剤噴射弁２５への通電を制御することにより、適量の還元剤を還元触媒１３に供給することができる。

電子制御装置１００は、第１ポンプ３１と同様に第２ポンプ４１の作動を制御し、供給通路２３や還元剤噴射弁２５に残留する還元剤を貯蔵タンク２１に戻すことができる。

また、ポンプユニット３０は加熱部である電熱ヒータ７１を備えている。電熱ヒータ７１は電子制御装置１００と接続されており、通電されることにより発熱する。電熱ヒータ７１は、例えば、貯蔵タンク２１の底部と第１ポンプ３１との間に配置され、貯蔵タンク２１およびポンプユニット３０内の還元剤の凍結を防ぐよう構成されている。

還元剤供給装置２０は、さらに還元剤温度センサ２２と、外気温度センサ２９と、大気圧センサ２７とを備えている。

還元剤温度センサ２２は、貯蔵タンク２１内の還元剤の温度を検出する。外気温度センサ２９は還元剤供給装置２０またはその近傍に設けられ、大気の温度を検出する。大気圧センサ２７は還元剤供給装置２０またはその近傍に設けられ大気圧を検出する。

３．電子制御装置
電子制御装置１００は公知のマイクロコンピュータ、ＲＡＭおよびＲＯＭ等から構成されている。図４は、電子制御装置１００に備えられた構成のうち、還元剤の凍結を防止する制御に関連する部分を機能的なブロックで表した図であり、電子制御装置１００が外気温度検出部１１０と、外気温度判断部１１１と、還元剤温度検出部１１２と、圧力検出部１１４と、上限温度算出部１１６と、記憶部１２０と、加熱制御部１３０とを備えていることが記載されている。具体的に、これらの各部は、マイクロコンピュータによるプログラムの実行によって実現されるものである。

外気温度検出部１１０は、外気温度センサ２９の信号である外気温度Ｔａを受信し、外気温度判断部１１１に送る。

外気温度判断部１１１は記憶部１２０から閾値温度Ｔｔｈを読み出し、外気温度Ｔａが閾値温度Ｔｔｈよりも低いか否かを判断し、その結果を加熱制御部１３０に送る。還元剤が３２．５％の尿素水溶液の場合、凝固点が－１１℃なので、閾値温度Ｔｔｈは－１１℃またはこれよりも高い温度に設定される。

加熱制御部１３０は、外気温度判断部１１１において外気温度Ｔａが閾値温度Ｔｔｈよりも低いと判断された場合には、還元剤の凍結のおそれがあるので、電熱ヒータ７１に通電する。

圧力検出部１１４は、大気圧センサ２７の信号である大気圧Ｐａを受信し、上限温度算出部１１６に送る。

上限温度算出部１１６は、大気圧Ｐａを基に還元剤の沸点を算出し、還元剤を加熱する場合の上限温度Ｔｍａｘを還元剤の沸点を基にさらに算出する。大気圧Ｐａと還元剤の沸点の関係を予めマップ等にして記憶部１２０に入れておくことにより、これを読み出し、大気圧Ｐａから還元剤の沸点を算出することができる。また、上限温度Ｔｍａｘは、電熱ヒータ７１の加熱時に還元剤が沸点に達しないように、沸点から余裕をもった温度として算出される。例えば、還元剤の沸点が９８℃の場合、１０℃低い温度である８８℃を上限温度Ｔｍａｘとすることができる。上限温度算出部１１６は、上限温度Ｔｍａｘを加熱制御部１３０に送る。

還元剤温度検出部１１２は、還元剤温度センサ２２の信号である還元剤温度Ｔｕを受信し、加熱制御部１３０に送る。

加熱制御部１３０は、電熱ヒータ７１に通電後,還元剤温度Ｔｕが上限温度Ｔｍａｘを超えた場合に電熱ヒータ７１の通電を止める。

以上のように、本願発明の還元剤供給装置によれば、還元剤が凍結するおそれがある場合に電熱ヒータ７１で加熱し、還元剤の温度が、大気圧を考慮に入れた上限温度Ｔｍａｘを超えた場合に電熱ヒータ７１の加熱を止めるので、還元剤の温度が沸点に到達することがなく、還元剤の沸騰で発生した蒸気により、ポンプユニット３０にて還元剤の圧送が困難になることを回避することができる。

４．還元剤供給装置の制御方法
次に、上述した電子制御装置１００によって実行される還元剤供給装置の制御方法のうち、還元剤の凍結を防止する制御方法について図５のフローチャートに基づいて説明する。

まずステップＳ１０で、外気温度検出部１１０が外気温度Ｔａを検出する。

次にステップＳ２０で、外気温度判断部１１１は、外気温度Ｔａが閾値温度Ｔｔｈよりも低いか否かを判断する。外気温度Ｔａが閾値温度Ｔｔｈよりも低い場合には、ステップＳ３０に進み、外気温度Ｔａが閾値温度Ｔｔｈ以上の場合には、還元剤が凍結するおそれが無いのでステップＳ８０に進み本フローを終了する。尚、電熱ヒータ７１が既に通電状態にある時にはステップＳ８０において電熱ヒータ７１を非通電状態にする。

次にステップＳ３０で、加熱制御部１３０は電熱ヒータ７１を通電状態にする。尚、電熱ヒータ７１が既に通電状態の場合には、通電状態を継続する。

次にステップＳ４０で、圧力検出部１１４が大気圧Ｐａを検出する。

次にステップＳ５０で、上限温度算出部１１６が大気圧Ｐａを基に還元剤の沸点を算出し、算出された還元剤の沸点を基に還元剤を加熱する場合の還元剤の上限温度Ｔｍａｘをさらに算出する。予め記憶部１２０に入力されている大気圧Ｐａと還元剤の沸点との関係を示すマップ等から還元剤の沸点を算出することができる。また、上限温度Ｔｍａｘは、電熱ヒータ７１の加熱時に還元剤が沸点に達しないように、沸点から余裕をもった温度として算出される。例えば還元剤の沸点が９８℃の場合、１０℃低い温度である８８℃を上限温度Ｔｍａｘとすることができる。

次にステップＳ６０で、還元剤温度検出部１１２が還元剤温度Ｔｕを検出する。

次にステップＳ７０で、加熱制御部１３０は、還元剤の温度Ｔｕが上限温度Ｔｍａｘ以下であるか否かを判断する。還元剤の温度Ｔｕが上限温度Ｔｍａｘ以下の場合にはステップＳ１０に戻り、還元剤の温度Ｔｕが上限温度Ｔｍａｘより高い場合にはステップＳ８０に進む。

ステップＳ８０では、加熱制御部１３０は電熱ヒータ７１への通電を遮断し、非通電とし本フローを終了する。

以上のように、本願発明の還元剤供給装置の制御方法によれば、還元剤が凍結するおそれがある場合に電熱ヒータ７１で加熱し、還元剤の温度が、大気圧を考慮に入れた上限温度Ｔｍａｘを超えた場合に電熱ヒータ７１の加熱を止めるので、還元剤の温度が沸点に到達することがなく、還元剤の沸騰で発生した蒸気により、ポンプユニット３０にて還元剤の圧送が困難になることを回避することができる。

５．還元剤供給装置の変形例
ここまで、本実施形態に係る還元剤供給装置２０について説明したが、本実施形態に係る還元剤供給装置は種々の変形が可能である。以下、本発明に係る還元剤供給装置の変形例の一つを説明する。

図６は、変形例に係る還元剤供給装置の電子制御装置１００’ に備えられた構成のうち、還元剤の凍結を防止する制御に関連する部分を機能的なブロックで表した図である。図６に示す電子制御装置１００’ は、圧力検出部１１４に代えて最低圧力検出部１１４’ を有している点で図４に示す電子制御装置１００と異なる。最低圧力検出部１１４’ は、コイル３７への通電電流Iｃを受信し、通電電流Iｃ、通電電流Iｃの時間微分値または通電電流Iｃの時間積分値から加圧室内の圧力Ｐｐを算出する。通電電流Iｃ、通電電流Iｃの時間微分値または通電電流Iｃの時間積分値と加圧室内の圧力Ｐｐの関係は予め実験等によってデータ化し記憶部１２０に記憶しておくことができる。尚、コイル３７への通電電流Iｃは電子制御装置１００’内で検出した値を用いることができる。

最低圧力検出部１１４’ は所定期間加圧室内の圧力Ｐｐを受信し、当該所定期間における最低圧力Ｐｐ_lowを上限温度算出部１１６に送る。

前述の通り、第１ポンプ３１の加圧室３６内の圧力はピストン３５の移動に伴って変動する。例えば、ピストン３５が加圧室３６を圧縮する方向に移動する場合には加圧室３６内の圧力は上昇し、加圧室の体積が増加する方向にピストン３５が移動する場合には加圧室３６内の圧力は下降する。最低圧力検出部１１４’ は、この変動する圧力を算出し、所定期間における最低圧力Ｐｐ_lowを決定し、上限温度算出部１１６に送る。

ここで所定期間とは、第１ポンプ３１へ通電を開始した時点から、その後非通電とし、再び通電を開始する時点までの期間を所定期間としてもよいし、これら通電・非通電のサイクルを２回以上行う期間を所定期間としてもよい。

また、最低圧力Ｐｐ_lowは所定期間における最も低い圧力であるが、所定期間における測定を複数回行い、それぞれの所定期間における最も低い圧力の平均値を最低圧力Ｐｐ_lowとしてもよい。

上限温度算出部１１６は最低圧力Ｐｐ_lowを基に還元剤の沸点を算出し、還元剤を加熱する場合の上限温度Ｔｍａｘを還元剤の沸点を基に算出する。前述の電子制御装置１００において大気圧Ｐａから還元剤の沸点を算出する方法と同様の方法で、最低圧力Ｐｐ_lowから還元剤の沸点を算出することができる。

以上のように、変形例に係る還元剤供給装置によれば、コイル３７への通電電流Iｃから加圧室３６内の最低圧力Ｐｐ_low、さらには還元剤の沸点が算出される。そして当該沸点に基づいて算出される上限温度Ｔｍａｘを超えないように電熱ヒータ７１を制御することにより、加圧室３６内の還元剤の沸騰を確実に避けることができ、還元剤の沸騰で発生した蒸気によりポンプユニット３０にて還元剤の圧送が困難になることを回避することができる。尚、変形例においてはコイル３７への通電電流Iｃから加圧室内の圧力Ｐｐを算出したが、加圧室内に圧力センサを設け、当該圧力センサから加圧室内の圧力Ｐｐを検出し、最低圧力Ｐｐ_lowを決定してもよい。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１内燃機関、１０排気浄化装置、１１排気通路、１３還元触媒、２０還元剤供給装置、２１貯蔵タンク、２２還元剤温度センサ、２３供給通路、２５還元剤噴射弁、２７大気圧センサ、２９外気温度センサ、３０ポンプユニット、３１第１ポンプ、３３シリンダ、３５ピストン、３６加圧室、３７コイル、３９スプリング、４１第２ポンプ、５１第１通路、５２第２通路、５３第３通路、５４第４通路、６１第１逆止弁、６２第２逆止弁、６３第３逆止弁、６４第４逆止弁、７１電熱ヒータ、８２分岐点、１００電子制御装置、１００’ 電子制御装置、１１０外気温度検出部、１１１外気温度判断部、１１２還元剤温度検出部、１１４圧力検出部、１１４’ 最低圧力検出部、１１６上限温度算出部、１２０記憶部、１３０加熱制御部

Claims

排気管に取り付けられた還元触媒の上流側に還元剤を供給する還元剤噴射弁と、
前記還元剤が収容される貯蔵タンクと、
前記貯蔵タンクから前記還元剤を汲み出して前記還元剤噴射弁に圧送するポンプユニットと、
前記ポンプユニットに組み込まれ、前記還元剤を加熱する加熱装置と、
前記還元剤にかかる圧力を検出する圧力検出部と、
前記還元剤にかかる圧力に基づいて前記還元剤の沸点を算出し、前記沸点よりも所定温度だけ低い温度である上限温度を算出する上限温度算出部と、
前記還元剤の温度を検出する還元剤温度検出部と、
前記還元剤の温度が前記上限温度よりも高い場合、前記加熱装置による前記還元剤の加熱を止める加熱制御部と、
を備えることを特徴とする還元剤供給装置。
前記還元剤にかかる圧力は、前記貯蔵タンク内の前記還元剤にかかる圧力であることを特徴とする請求項１記載の還元剤供給装置。
前記還元剤にかかる圧力は、前記貯蔵タンク内の前記還元剤にかかる大気圧であることを特徴とする請求項２記載の還元剤供給装置。
前記還元剤にかかる圧力は、前記ポンプユニット内に設けられた加圧室内の還元剤にか
かる圧力であることを特徴とする請求項１記載の還元剤供給装置。
前記加圧室に作用する電磁力を発生させるコイルへの通電電流に基づいて、前記加圧室内の還元剤にかかる圧力を算出することを特徴とする請求項４記載の還元剤供給装置。
排気管に取り付けられた還元触媒の上流側に還元剤を供給する還元剤噴射弁と、前記還元剤が収容される貯蔵タンクと、前記貯蔵タンクから前記還元剤を汲み出して前記還元剤噴射弁に圧送するポンプユニットと、前記ポンプユニットに組み込まれ、前記還元剤を加熱する加熱装置とを有する還元剤供給装置の制御方法であって、
前記還元剤にかかる圧力を検出するステップと、
前記還元剤にかかる圧力に基づいて前記還元剤の沸点を算出し、前記沸点よりも所定温度だけ低い温度である上限温度を算出するステップと、
前記還元剤の温度を検出するステップと、
前記還元剤の温度が前記上限温度よりも高いか否かを判定し、前記還元剤の温度が前記上限温度よりも高い場合、前記加熱装置による前記還元剤の加熱を止めるステップと、
を備えることを特徴とする還元剤供給装置の制御方法。