JPWO2018047554A1 - 制御装置 - Google Patents

Abstract

実際のドライビングサイクルに合わせて噴射弁の詰まりを検知可能な制御装置を提供する。還元剤を噴射する噴射弁（１５）の詰まりを検知する制御装置（２０）において、内燃機関（２）を始動させるイグニッションスイッチがオンにされた際、還元剤を排気管（３）内に噴射することを防ぐために、還元剤を供給する供給経路（１６）内の圧力を規定値に減圧してから噴射弁（１５）を開き、所定時間経過後の供給経路（１６）内の圧力としきい値とに基づいて、噴射弁（１５）の詰まりを検知するようにした。

Description

本発明は還元剤の噴射弁の詰まりを検知する制御装置に関し、例えば自動車に搭載される排気浄化装置に適用して好適なものである。

従来、自動車等の内燃機関から排出される排気ガスには窒素酸化物（NO_X）が含まれている。このNO_Xを還元浄化する装置として、内燃機関の排気管にNO_X浄化触媒が配設され、NO_X浄化触媒の上流側で尿素水溶液や未燃燃料等の還元剤を噴射す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、還元剤と排気ガス中のNO_Xとの還元反応をNO_X浄化触媒中で促進させることによって、NO_Xを窒素、水、二酸化炭素等に分解して大気中に放出している。

また、還元剤として尿素水溶液を用い、尿素水溶液を噴射弁から排気管内に供給するインジェクション式の排気浄化装置（尿素ＳＣＲシステム）が知られている。しかしながら、尿素水溶液の結晶化等による詰まりが噴射弁に生じると、排気管内に目標量の還元剤を噴射することが困難となり、NO_X浄化触媒に供給すべき還元剤量が不足し、排気浄化効率が低下してしまう。この点、イグニッションスイッチがオフ（キーオフ）となった後、尿素水溶液を適宜回数噴射することで噴射弁の詰まりを除去する方法が開示されている（特許文献１参照）。

ここで、尿素水溶液は、所定の温度域において凍結や結晶化（結晶等）を生じる性質を有しているので、尿素ＳＣＲシステムにおいては、前のドライビングサイクルから次のドライビングサイクルの間に結晶等による噴射弁の詰まりが生じることが多い。このように詰まりが噴射弁に生じると、特許文献１の方法では、次のドライビングサイクルにおいて排気浄化効率が低下してしまう。

近年、噴射弁の詰まりを検出する他の方法として、噴射弁およびポンプを接続する供給経路内の圧力変化量を用いて詰まりの有無を判定する方法が開示されている（特許文献２参照）。この方法では、噴射弁の詰まりを判定するためのしきい値を複数設け、これらのしきい値と、供給経路内の圧力と、を比較することにより、噴射弁の詰まりの程度が検知される。

特開２０１３−１７０５６９号公報 特許第５５３４６０２号公報

しかしながら、上述した特許文献２に記載の方法では、噴射弁の詰まりを検知するために、尿素水溶液を排気管内に噴射しなければならない。よって、一のドライビングサイクルにおいては、触媒の活性化温度との関係上、排気ガスの温度が約１８０℃以上になるまでは、特許文献２に記載の方法を利用できないという問題がある。

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、尿素水溶液を排気管内に噴射することなく、一のドライビングサイクルの早い段階で噴射弁の詰まりを検知可能な制御装置を提案しようとするものである。

かかる課題を解決するため本発明においては、還元剤を噴射する噴射弁の詰まりを検知する制御装置において、内燃機関を始動させるイグニッションスイッチがオンにされた際、還元剤を排気管内に噴射することを防ぐために、還元剤を供給する供給経路内の圧力を規定値に減圧してから噴射弁を開き、所定時間経過後の供給経路内の圧力としきい値とに基づいて、噴射弁の詰まりを検知するようにした。

本発明の制御装置によれば、イグニッションスイッチがオンにされた際に、供給経路内が減圧されたときの圧力としきい値とに基づいて噴射弁の詰まりが検知されるので、還元剤が排気管内に噴射されることなく、かつ、一のドライビングサイクルの早い段階で噴射弁の詰まりを検知できるようになる。

本発明によれば、実際のドライビングサイクルに合わせて噴射弁の詰まりを検知可能な制御装置を実現できる。

排気浄化装置の概略構成を示すブロック図である。 制御装置が実行する処理のフローチャートを示す図である。 制御装置が実行する処理のフローチャートを示す図である。 還元剤噴射弁の詰まりに応じた圧力の挙動を示す図である。

以下図面について、本発明の一実施の形態を詳述する。

（１）排気浄化装置の主な構成
図１は本実施の形態による排気浄化装置１の全体構成を示す。この排気浄化装置１は、ディーゼル自動車等に搭載された内燃機関２から排出される排気ガス中のNO_Xを還元剤としての尿素水溶液を用いて浄化する尿素ＳＣＲシステムであり、排気管３、還元触媒４等を備えている。より具体的には、排気浄化装置１では、排気管３に還元触媒４が配設され、還元触媒４において、上流側で排気管３内に噴射された尿素水溶液が加水分解することで生成されるアンモニアが吸着され、アンモニアとNO_Xとの還元反応が促進され、NO_Xが窒素、水、二酸化炭素等に分解される。なお尿素水溶液は、NO_X浄化効率や耐寒性等を考慮した濃度（例えば３２．５重量%）に調整されている。

また図１に示すように、排気浄化装置１は、還元剤噴射装置１０と、還元剤噴射装置１０を制御する制御装置２０と、排気浄化装置１の各箇所の温度、圧力、窒素濃度等を検出してセンサ情報として制御装置２０に送信する各種センサと、排気浄化装置１の各箇所を加熱するヒータとを更に備える。

還元剤噴射装置１０は、尿素水溶液を貯蔵（収容）する貯蔵タンク１１と、ポンプ１２等を有するポンプユニット１３と、貯蔵タンク１１とポンプ１２とを接続する第１供給経路１４と、還元剤噴射弁１５と、ポンプ１２と還元剤噴射弁１５とを接続する第２供給経路１６と、第２供給経路１６内の圧力を測定してセンサ情報として制御装置２０に送信する圧力センサ１７とを備える。

本実施の形態では、ポンプ１２として、通電量によって出力を調整可能な電動ポンプが用いられる。また還元剤噴射弁１５として、噴孔を３つ有する多噴孔型のドージングバルブが用いられ、還元剤噴射弁１５では、通電と非通電との切り替えにより、開弁と閉弁との切り替えが行われる。

この構成により、還元剤噴射装置１０は、貯蔵タンク１１に貯蔵された尿素水溶液をポンプ１２により圧送して還元剤噴射弁１５より排気管３内に噴射可能となる。

また図１に示すように、還元剤噴射装置１０は、ポンプ１２によって圧送される尿素水溶液の圧送方向を切り替え可能なリバーティングバルブ１８を備える。リバーティングバルブ１８は、電磁弁によって構成され、制御装置２０により駆動制御される。

制御装置２０は、ＣＰＵ、記憶装置（ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＨＤＤ等）等を有するコンピュータであり、各種センサから送信されたセンサ情報に基づいて、ポンプ１２、還元剤噴射弁１５、リバーティングバルブ１８の動作を制御する。なお制御装置２０が行う制御（処理）の一部または全部は、ハードウェア（回路等）により実行されてもよいし、ソフトウェア（例えばＣＰＵがＲＯＭに記憶されたプログラムをＲＡＭ読み出すこと）により実行されてもよい。

（２）排気浄化装置の主な動作
内燃機関２の始動時においては、制御装置２０により、一定の条件が満たされたと判断されると、尿素水溶液の流れる向きが逆方向になるようにリバーティングバルブ１８が設定されるとともに還元剤噴射弁１５が閉弁された状態でポンプ１２が駆動され、一定時間経過後に還元剤噴射弁１５が開弁される。そうすると、還元剤噴射弁１５の噴孔を介して排気管３内の気体（空気）が第２供給経路１６内に吸引され、還元剤噴射弁１５の詰まりの程度に応じて図３に示すような圧力の挙動が示される。なお詳細については図２Ａ、図２Ｂ、および図３を参照して後述する。

また内燃機関２の運転状態においては、制御装置２０により、尿素水溶液の流れる向きが順方向になるようにリバーティングバルブ１８が切り替えられてポンプ１２が駆動され、貯蔵タンク１１内の尿素水溶液は、ポンプ１２によって吸い上げられ、第２供給経路１６を介して還元剤噴射弁１５に向けて圧送される。また制御装置２０は、圧力センサ１７によって検出される第２供給経路１６内の圧力が所定のシステム圧（例えば９bar）となるように、ポンプ１２の出力をフィードバック制御する。この状態で、制御装置２０によって、演算で求められる噴射量に応じて還元剤噴射弁１５の通電制御が実行されることにより、排気管３内に尿素水溶液が噴射される。

また内燃機関２の停止時においては、制御装置２０により、尿素水溶液の流れる向きが逆方向になるようにリバーティングバルブ１８が切り替えられるとともに還元剤噴射弁１５を開弁した状態でポンプ１２が駆動される。そうすると、還元剤噴射弁１５の噴孔を介して排気管３内の気体（空気や排気）が第２供給経路１６内に吸引され、還元剤噴射弁１５および第２供給経路１６内が気体に置き換えられながら、尿素水溶液が貯蔵タンク１１側に回収される。

（３）還元剤噴射弁の詰まりを検知する方法
次に本実施の形態の制御装置２０によって内燃機関２の始動時および運転状態時に実行される還元剤噴射弁１５の詰まりを検知する方法（検知処理）を図２Ａおよび図２Ｂに示すフローチャートに基づいて説明する。

まずステップＳ１０では、制御装置２０は、内燃機関２を始動させるイグニッションスイッチがオンになったことを検出する（Ｓ１０）。

次いでステップＳ１１では、制御装置２０は、還元剤の充填レベルが所定値（例えば０%）以下であるか否かを判定する（Ｓ１１）。制御装置２０は、還元剤の充填レベルが所定値以下であると判定した場合、ステップＳ１２に処理を移し、還元剤の充填レベルが所定値以下でないと判定した場合、ステップＳ２７に処理を移す。換言するならば、第２供給経路１６内の圧力が所定のシステム圧に維持されていない場合（ビルドアップ前）、ステップＳ１２の処理が行われ、維持されている場合（ビルドアップ後）、ステップＳ２７の処理が行われる。

ステップＳ１２では、制御装置２０は、エンジンスピードが０ppmであるか否かを判定する（Ｓ１２）。制御装置２０は、エンジンスピードが０ppmであると判定した場合、ステップＳ１３に処理を移し、エンジンスピードが０ppmでないと判定した場合、ステップＳ２９の判定を行う。例えばドライバがキーをオンにしたが、ラジオを聞いていたり、カーナビゲーションシステムを操作していたりして、エンジンをかけていない場合（一のドライビングサイクルのエンジンの作動前）、アイドリングストップ（no idling）している場合、車両がハイブリッドカーであり、かつモータのみで走行している場合、ステップＳ１３に処理が移される。一のドライビングサイクルは、イグニッションスイッチがオンになってからオフになるまでをいう。

ステップＳ１３では、制御装置２０は、排気浄化装置１が凍結しているか否かを示す凍結フラグを記憶装置から読み出し、凍結フラグがオンであるか否かを判定する（Ｓ１３）。制御装置２０は、凍結フラグがオンであると判定した場合、ステップＳ１１に処理を移し、凍結フラグがオフであると判定した場合、ステップＳ１４に処理を移す。なお冬などに貯蔵タンク１１、ポンプユニット１３、第１供給経路１４、第２供給経路１６、還元剤噴射弁１５内の還元剤が凍結することにより正しい判定が行うことができないので、ステップＳ１３の判定を設けて凍結状況下における詰まりの検知は行わないようにしている。

ステップＳ１４では、制御装置２０は、リバーティングバルブ１８をオンに制御する（Ｓ１４）。続いてステップＳ１５では、制御装置２０は、ポンプ１２をオンに制御する（Ｓ１５）。これらの処理により、ポンプ１２により第２供給経路１６内の空気が吸い上げられ、第２供給経路１６内の圧力が負圧（減圧）になる。

ステップＳ１６では、制御装置２０は、圧力センサ１７により検出された第２供給経路１６（サプライモジュール）内の圧力が規定値（例えば−１５０hPa）よりも小さくなったか否かを判定する（Ｓ１６）。制御装置２０は、第２供給経路１６内の圧力が規定値よりも小さくなったと判定した場合、ステップＳ１７に処理を移し、第２供給経路１６内の圧力が規定値よりも小さくなっていないと判定した場合、再びステップＳ１６の判定を行う。

ステップＳ１７では、制御装置２０は、還元剤噴射弁１５をオン（開弁）にする（Ｓ１７）。このように制御装置２０では、還元剤を排気管３内に噴射することを防ぐために、第２供給経路１６内の圧力を減圧してから還元剤噴射弁１５を開弁している。続いて、ステップＳ１８では、制御装置２０は、タイマＡをスタートする（Ｓ１８）。

ステップＳ１９では、制御装置２０は、タイマＡをスタートしてから所定の時間（例えば３０秒）が経過したか否かを判定する（Ｓ１９）。制御装置２０は、タイマＡをスタートしてから所定の時間が経過したと判定した場合、ステップＳ２０に処理を移し、タイマＡをスタートしてから所定の時間が経過していないと判定した場合、再びステップＳ１９の判定を行う。続いて、ステップＳ２０では、制御装置２０は、タイマＡをリセットし（Ｓ２０）、ステップＳ２１に処理を移す。

ステップＳ２１では、制御装置２０は、記憶装置に記憶されているしきい値を読み出し、圧力センサ１７により検出された第２供給経路１６（サプライモジュール）内の圧力がしきい値よりも小さいか否かを判定する（Ｓ２１）。制御装置２０は、第２供給経路１６内の圧力がしきい値より小さいと判定した場合、ステップＳ２２に処理を移し、第２供給経路１６内の圧力がしきい値以上であると判定した場合、ステップＳ２６に処理を移す。

ステップＳ２２では、制御装置２０は、リカバリモードを実行する（Ｓ２２）。リカバリモードでは、例えば制御装置２０は、還元剤噴射弁１５に設けられたコイルに電流を流し、コイルにより還元剤噴射弁１５を加熱する。これにより、還元剤噴射弁１５に付着した尿素水溶液の結晶が溶かされる。

ステップＳ２３では、制御装置２０は、リカバリモードの実行回数を計数するためのカウンタＢに「１」を加算する（Ｓ２３）。なお初期値には「０」がセットされている。

ステップＳ２４では、制御装置２０は、カウンタＢの値が規定値（例えば「２」）よりも大きいか否かを判定する（Ｓ２４）。制御装置２０は、カウンタＢの値が規定値より大きいと判定した場合、ステップＳ２５に処理を移し、カウンタＢの値が規定値以下であると判定した場合、ステップＳ１１に処理を移す。

ステップＳ２５では、制御装置２０は、エラーをセットし（Ｓ２５）、検知処理を終了する。つまり、リカバリモードが規定回数実行されたにもかかわらず、還元剤噴射弁１５が正常にならなかった場合、機械的に故障している可能性があるので、エラーをセットして警告灯を点灯する。

ステップＳ２６では、制御装置２０は、カウンタＢをリセットし（Ｓ２６）、ステップＳ１１に処理を移す。

ステップＳ２７では、制御装置２０は、排気ガス規制に対応するモニタリング（監視）が必要であるか否かを示す要否情報を記憶装置から読み出し（Ｓ２７）、要否情報に基づいてモニタリングが必要であると判定した場合、ステップＳ２８に処理を移し、モニタリングが必要でないと判定した場合、ステップＳ１１に処理を移す。

ステップＳ２８では、制御装置２０は、第２供給経路１６内を減圧し（Ｓ２８）、ステップＳ１４に処理を移す。つまり、ビルドアップ後は、第２供給経路１６内の圧力が所定のシステム圧に維持されているので、第２供給経路１６内の減圧が行われ、ステップＳ１４以降の処理が同様に行われる。

ステップＳ２９では、制御装置２０は、許可スイッチ（図示しない。）が「Ｔｒｕｅ」であるか否かを判定する（Ｓ２９）。制御装置２０は、許可スイッチが「Ｔｒｕｅ」であると判定した場合、Ｓ１３に処理を移し、許可スイッチが「Ｔｒｕｅ」でないと判定した場合、Ｓ１１に処理を移す。つまり、ＤＰＦ（Diesel particulate filter）の有無など、排気レイアウトによっては、エンジンがかかっているときに吸い込みを行うと、煤などを吸い込んで還元剤噴射弁１５が詰まる可能性があるので、排気レイアウトに応じて設定可能な許可スイッチが設けられている。この構成によれば、触媒の温度がビルドアップに必要な温度（約１８０℃）に達していない状況において、エンジンスピード（エンジン回転数）にかかわらず、詰まりの診断が可能となる。

（４）還元剤噴射弁の詰まりに応じた圧力の挙動
図３は、還元剤噴射弁１５の詰まりに応じた圧力の挙動の一例を示す図である。図３において、「Normal valve」は、還元剤噴射弁１５の噴口の全てが開口しているときの圧力の挙動を示し、「Partly blocked」は、還元剤噴射弁１５の噴口のうち１つが閉口しているときの圧力の挙動を示し、「Completely blocked」は、還元剤噴射弁１５の噴口の全てが閉口しているときの圧力の挙動を示す。

ここで図３に示すように、還元剤噴射弁１５の噴孔の詰まりの程度に応じて圧力の挙動が示されるので、還元剤噴射弁１５が一定量の還元剤を噴射可能な状態、すなわち還元剤噴射弁１５が正常に動作する範囲（しきい値）を定めることができる。なお、しきい値は、還元剤噴射弁１５の噴口の数、大きさ、形、ポンプ１２の吐出能力などに応じて設定され、本実施の形態では、設定圧力（例えば−６００hPa）の５０%相当の負圧（−３００hPa）をしきい値と設定し、制御装置２０は、第２供給経路１６内の圧力が−３００hPaよりも小さい場合、還元剤噴射弁１５が正常に動作しない詰まりがあると検知する。

以上のように本実施の形態の制御装置２０によれば、第２供給経路１６内の圧力が９bar（排気管３内の温度が触媒の活性温度１８０℃）に達するまでの時間を利用して一のドライビングサイクルの早い段階で検知処理ができるようになる。またアイドリングストップ中、ハイブリット車におけるモータ走行中等、一のドライビングサイクルにおいてエンジンが停止する段階でも検知処理ができるようになる。更に制御装置２０によれば、詰まりを検知するための尿素水溶液の噴射が不要となる。このように制御装置２０によれば、尿素水溶液を排気管内に噴射することなく、かつ実際のドライビングサイクルに合わせて噴射弁の詰まりが検知可能になる。

（５）他の実施の形態
なお上述の実施の形態においては、本発明をディーゼル自動車等に搭載される排気浄化装置に適用するようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、この他種々の車両の排気浄化装置に広く適用することができる。

また上述の実施の形態においては、エンジンの停止時に尿素水溶液をタンク側に吸い戻すアフターラン制御に用いるポンプ、圧力センサ等の機器を利用するようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、新たに機器を設けて適用することができる。

また上述の実施の形態においては、還元剤噴射弁の詰まりを検知するためのしきい値を１つ設定する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、しきい値を複数設けてもよい。例えば設定圧力（例えば−６００hPa）の３０%相当の負圧（例えば−１８０hPa）をしきい値として更に設定し、制御装置２０は、第２供給経路１６内の圧力が−１８０hPaよりも小さいが−３００hPaよりも大きい場合、還元剤噴射弁１５が正常に動作しない詰まりが生じ得ると判断（検知）し、表示灯などを点灯してドライバに注意を促す。

また上述の実施の形態においては、一のドライビングサイクルで繰り返し検出処理を実行するようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、検出処理の実行回数を指定可能にしてもよい。例えば、検出処理の回数を計数するためのフラグを設け、１０回のドライビングサイクルで検出処理が３回行われる構成、検出処理を手動で実行するためのスイッチを設け、ユーザ操作に基づいて検出処理が行われる構成などを採用してもよい。

１……排気浄化装置、２……内燃機関、３……排気管、４……還元触媒、１０……還元剤噴射装置、１１……貯蔵タンク、１２……ポンプ、１３……ポンプユニット、１４……第１供給経路、１５……還元剤噴射弁、１６……第２供給経路、１７……圧力センサ、１８……リバーティングバルブ、２０……制御装置。

Claims (4)

1. 還元剤を噴射する噴射弁（１５）の詰まりを検知する制御装置（２０）において、
   内燃機関（２）を始動させるイグニッションスイッチがオンにされた際、還元剤を排気管（３）内に噴射することを防ぐために、還元剤を供給する供給経路（１６）内の圧力を規定値に減圧してから前記噴射弁（１５）を開き、所定時間経過後の前記供給経路（１６）内の圧力としきい値とに基づいて、前記噴射弁（１５）の詰まりを検知する
   ことを特徴とする制御装置。
2. 前記イグニッションスイッチがオンにされ、かつ、前記供給経路（１６）内の還元剤の充填レベルが所定値以下である場合、前記噴射弁（１５）の詰まりを検知する
   ことを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
3. 前記充填レベルが前記所定値を超えていても、前記噴射弁（１５）が詰まっているか否かの監視が必要である場合、前記供給経路（１６）内の圧力を減圧した後、前記噴射弁（１５）の詰まりを検知する
   ことを特徴とする請求項２に記載の制御装置。
4. 還元剤を圧送するポンプ（１２）と、前記ポンプ（１２）による還元剤の圧送方向を切り替えるリバーティングバルブ（１８）とを備える排気浄化装置（１）に対して、前記リバーティングバルブ（１８）により前記ポンプ（１２）の圧送方向を切り替えて前記供給経路（１６）内の圧力を前記規定値まで減圧する
   ことを特徴とする請求項１に記載の制御装置。

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