JP2013072391A - 尿素噴射ｓｃｒ制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】予備ヒーティング制御を行っている期間に、エンジンアウトＮＯｘ排出量に合わせて適切な尿素噴射量を制御できる尿素噴射ＳＣＲ制御システムを提供する。
【解決手段】エンジン１０の排気管１４に設けられたＳＣＲ触媒２３と、ＳＣＲ触媒２３の上流側で尿素水を噴射するドージングバルブ４１と、排ガス中のＮＯｘ量を測定するＮＯｘセンサー４６、４７とを備え、ドージングバルブ４１からの尿素水の噴射を制御する尿素噴射ＳＣＲ制御システムであって、大気圧条件、外気温、エンジン水温に対応した複数のＮＯｘモデルマップ６０を備え、大気圧センサ、外気温センサ、エンジン水温センサの検出値に基づいて各ＮＯｘモデルマップ６０からＮＯｘ量を決定し、その決定したＮＯｘ量に基づいてドージングバルブ４１からの尿素水の噴射量を制御するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの排気管にＳＣＲ装置を接続し、エンジン排ガス中のＮＯｘ量に応じて尿素を噴射する尿素噴射ＳＣＲ制御システムに係り、特に、ＮＯｘセンサーがセンシング可能な状態になるまで、尿素噴射を的確に制御できる尿素噴射ＳＣＲ制御システムに関するものである。

尿素噴射ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）制御は、ＮＯｘセンサーで検出されたエンジンアウトＮＯｘ排出量に合わせて適切な尿素噴射量となるように制御を行っている（特許文献１）。この尿素噴射量が過多だと有毒物質のアンモニアを排出し、過少だとＮＯｘ浄化率の低下となり、排ガス性能に影響する。

エンジンアウトＮＯｘ量は、ＮＯｘセンサーにより検知することが精度も高く一般的であるが、ＮＯｘセンサーは、センサー起動からＮＯｘ量をセンシング可能な状態にするまで、ある程度の時間を要する。ＮＯｘセンサーは構造上、センシング部（以下エレメント）を高温（例えば８００℃）域に保つ必要があるため、ヒーティング制御を行っている。また、エレメント部はセラミックが使われているため、ヒーティング状態で、エレメントに水滴等が付着すると、破損してしまう。よって、ＮＯｘセンサーを使用する場合、エンジン始動直後（暖気前）に排気ガス中に含まれている水分や、排気管内やＮＯｘセンサー自体が結露等によって発生した水滴が無くなるまで、予備ヒーティングを行うようにしている。この予備ヒーティングは、エレメントに水滴が付着しても破損しない温度（例えば１００度）でエレメントを加熱することで、結露によりセンサー内に発生した水滴を蒸発させるものである。このように予備ヒーティングで、水滴付着の可能性が無くなってから（以下この制御を予備ヒーティング制御と言う）、高温域のヒーティング制御に移行させ、その後ＮＯｘ量をセンシングしている（特許文献２、３）。

予備ヒーティング制御を行っている時間は、ＮＯｘ量の検出が出来ないため、その期間の尿素噴射制御は、センサーの代替として、ＮＯｘモデルマップ（エンジン回転と指示噴射量ごとのＮＯｘ量マップ）を使って噴射量を決定している。

特開２０００−３０３８２６号公報 特開２００４−３６０５２６号公報 特開２０１０−１７４６５７号公報

ところで、現状のＮＯｘモデルマップは、ＥＧＲ（排ガス再循環システム）の作動有無での２枚のＮＯｘマップ構成となっている。ここで、実際のエンジン制御では、環境ごとに各制御パラメータが補正されるため、使用環境によりエンジンアウトＮＯｘ排出量も異なる。よって、現状のＮＯｘモデルマップ構成では、使用環境の違いで、実ＮＯｘ量とのズレが発生し、適切な尿素噴射制御することが出来ず、アンモニアスリップやＮＯｘ浄化率低下を招いてしまう。

更に、この尿素噴射量のズレは、故障診断（ＮＯｘセンサーのたしからしさ診断や、ＮＯｘ浄化率診断）の誤検出を引き起こしてしまう問題がある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、予備ヒーティング制御を行っている期間に、エンジンアウトＮＯｘ排出量に合わせて適切な尿素噴射量を制御できる尿素噴射ＳＣＲ制御システムを提供することにある。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、エンジンの排気管に設けられたＳＣＲ触媒と、ＳＣＲ触媒の上流側で尿素水を噴射するドージングバルブとを備え、ドージングバルブからの尿素水の噴射を制御する尿素噴射ＳＣＲ制御システムであって、大気圧条件、外気温、エンジン水温に対応した複数のＮＯｘモデルマップを備え、大気圧検出手段、外気温検出手段、エンジン水温検出手段の検出値に基づいて各ＮＯｘモデルマップからＮＯｘ量を決定し、その決定したＮＯｘ量に基づいてドージングバルブからの尿素水の噴射量を制御することを特徴とする尿素噴射ＳＣＲ制御システムである。

請求項２の発明は、前記各ＮＯｘモデルマップは、コントロールユニットに格納され、平地での大気圧条件における外気温に応じてエンジン回転と指示噴射量からＮＯｘ量が設定された複数の外気温別ＮＯｘマップとその外気温別ＮＯｘマップから実際の外気温で外気温別ＮＯｘマップを選択すると共にその外気温別ＮＯｘマップのＮＯｘ値を補間する外気温マップ選択ファクタからなるベースマップを備えると共に、ベースマップを高地での大気圧条件でベースマップからのＮＯｘ値を補正する補正マップとを備え、さらに大気圧条件と外気温条件で決定されたＮＯｘ値をエンジン水温で補正するエンジン水温補正マップを備える請求項１記載の尿素噴射ＳＣＲ制御システムである。

請求項３の発明は、コントロールユニットには、ＥＧＲ制御をしているときとＥＧＲ制御していないときの各ＮＯｘモデルマップが格納されている請求項２記載の尿素噴射ＳＣＲ制御システムである。

請求項４の発明は、排ガス中のＮＯｘ量を測定するＮＯｘセンサーを備え、そのＮＯｘセンサーの予備ヒーティング制御時に、大気圧検出手段、外気温検出手段、エンジン水温検出手段の検出値に基づいて各ＮＯｘモデルマップからＮＯｘ量を決定し、その決定したＮＯｘ量に基づいてドージングバルブからの尿素水の噴射量を制御する請求項１〜３いずれかに記載の尿素噴射ＳＣＲ制御システムである。

本発明は、予備ヒーティング制御期間、大気圧や外気温などの環境違いに対応した複数のＮＯｘモデルマップを用いてエンジンアウトＮＯｘ量を決定することで、実ＮＯｘ量とのズレを減らすことができる。このため、適切な尿素噴射制御が行え、排ガス性能に影響を与えることが無くなると共に、故障診断の誤診断防止、更には診断精度（閾値）を向上させることが出来るようになるという優れた効果を発揮する。

本発明の尿素噴射ＳＣＲ制御システムにおけるＮＯｘモデルマップの構成例を示す図である。 本発明を適用するＳＣＲシステムの一例を示す概略図である。 ＤＣＵの入出力構成を示す図である。

以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。

先ず、図２によりエンジンの排ガス浄化システムについて説明する。

図２において、ディーゼルエンジン１０の吸気マニホールド１１には、吸気管１２が接続され、排気マニホールド１３には排気管１４が接続される。吸気管１２には、吸気量を測定するエアフローセンサ１５が設けられ、そのエアフローセンサ１５で、吸気スロットルバルブ１６の開度が制御されて吸気量が調整される。

排気マニホールド１３と吸気マニホールド１１とは、排気ガスの一部をエンジン１０の吸気系に戻してＮＯｘを低減するためのＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation;排気再循環）管１７が接続され、そのＥＧＲ管１７にＥＧＲクーラ１８とＥＧＲバルブ１９とが接続される。

排気管１４には、排気ブレーキバルブ２０、排気スロットルバルブ２１が接続され、その下流に、ディーゼルパティキュレートフィルタ２２、ＳＣＲ触媒２３が設けられる。

ＥＣＵ３０には、各種検出手段、すなわち、エンジンの回転数を検出する回転センサ３１の検出値、車速センサ３２の検出値、外気温度センサ３３の検出値、大気圧センサ３４の検出値が入力される。

ＥＣＵ３０は、走行中、アクセル開度に応じて燃料インジェクタ３５での燃料噴射量を制御し、また適宜吸気スロットルバルブ１６、排気ブレーキバルブ２０、排気スロットルバルブ２１を制御すると共にＥＧＲバルブ１９を開閉してＥＧＲ量を制御するようになっている。

次に、エンジン１０からの排気ガス中のＮＯｘを処理するためのＳＣＲ触媒２３からなるＳＣＲシステム４０を説明する。

このＳＣＲシステム４０は、エンジン１０の排気管１４に設けられたＳＣＲ触媒２３と、ＳＣＲ触媒２３の上流側（排気ガスの上流側）で尿素水を噴射するドージングバルブ４１と、尿素水を貯留する尿素タンク４２と、尿素タンク４２内の尿素水を吸い上げてドージングバルブ４１に尿素水を供給するＳＭポンプ及び余剰の尿素水を尿素タンク４２内に戻すリバーティングバルブを有するサプライモジュール４３と、ドージングバルブ４１やサプライモジュール４３などを制御するドージングコントロールユニット（ＤＣＵ；Dosing Control Unit）４４とを備える。

ＥＣＵ３０は、エンジン１０の運転状況に応じエンジンパラメータをドージングコントロールユニット４４に出力し、これによりドージングコントロールユニット４４が、後述する各センサーの検出値を基に、サプライモジュール４３とドージングバルブ４１を制御するようになっている。

ドージングバルブ４１の上流側の排気管１４には、ＳＣＲ触媒２３の入口における排気ガスの温度（ＳＣＲ入口温度）を測定する排気温度センサー４５が設けられる。また、ＳＣＲ触媒２３の上流側には、ＳＣＲ触媒２３の上流側でのＮＯｘ濃度を検出する上流側ＮＯｘセンサー４６が設けられ、ＳＣＲ触媒２３の下流側には、ＳＣＲ触媒２３の下流側でのＮＯｘ濃度を検出する下流側ＮＯｘセンサー４７が設けられる。

尿素タンク４２には、尿素水の水位や品質、温度などを測定するＳＣＲセンサー４８が設けられる。

尿素タンク４２とサプライモジュール４３には、エンジン１０を冷却するための冷却水を循環する冷却ライン４９が接続される。冷却ライン４９は、尿素タンク４２内を通り、冷却ライン４９を流れる冷却水と尿素タンク４２内の尿素水との間で熱交換するようにされる。

冷却ライン４９には、尿素タンク４２に冷却水を供給するか否かを切り替えるタンクヒータバルブ（クーラントバルブ）５０が設けられる。また、ドージングバルブ４１にも冷却ライン４９が接続されるが、ドージングバルブ４１には、タンクヒータバルブ５０の開閉に拘わらず、冷却水が供給されるように構成されている。

なお、図２では図を簡略化しており示されていないが、冷却ライン４９は、サプライモジュール４３も冷却するように設けられる。

次に、図３によりドージングバルブ４１やサプライモジュール４３を制御すドージングコントロールユニット（ＤＣＵ）４４の入出力構成について説明する。

図３に示すように、ＤＣＵ４４には、上流側ＮＯｘセンサー４６、下流側ＮＯｘセンサー４７、ＳＣＲセンサー４８（水位センサー、温度センサー及び品質センサー）、排気温度センサー４５、サプライモジュール４３のＳＭ温度センサー５１と尿素水圧力センサー５２の検出値が入力され、またＥＣＵ３０から外気温、大気圧、エンジンパラメータ（エンジン回転数、燃料の指示噴射量、エンジン水温など）の信号が入力される。

ＤＣＵ４４は、タンクヒータバルブ５０、サプライモジュール４３のＳＭポンプ５３とリバーティングバルブ５４、ドージングバルブ４１、上流側ＮＯｘセンサー用ヒータ４６Ｈ、及び下流側ＮＯｘセンサー用ヒータ４７Ｈを制御するようになっている。

このＤＣＵ４４の基本的な制御を説明する。

先ず、ＤＣＵ４４は、エンジン始動時などに上流側ＮＯｘセンサー４６と下流側ＮＯｘセンサー４７を予備ヒーティング制御を行う。すなわち上流側ＮＯｘセンサー用ヒータ４６Ｈ及び下流側ＮＯｘセンサー用ヒータ４７Ｈにて、上流側ＮＯｘセンサー４６と下流側ＮＯｘセンサー４７を予備ヒーティングし、その後、水分などの凝縮水の影響をなくした後、上流側ＮＯｘセンサー４６と下流側ＮＯｘセンサー４７を高温に保持してＮＯｘの検出を行う。

次に、予備ヒーティング制御後、ＤＣＵ４４は、上流側ＮＯｘセンサー４６の値に基づいて基本の尿素水量を決定すると共に、この基本の尿素水量を下流側ＮＯｘセンサー４７の検出値やエンジンパラメータ信号等に基づいて補正し、ドージングバルブ４１からＳＣＲ触媒２３に噴射する尿素水量を決定する。

本発明においては、予備ヒーティング制御を行っている期間、上流側ＮＯｘセンサー４６と下流側ＮＯｘセンサー４７でのＮＯｘ検出が行われないため、ＤＣＵ４４が、ＥＣＵ３０からのエンジン運転条件であるエンジンパラメータと外気温、大気圧、エンジン水温に応じて尿素噴射量を制御するものである。

この尿素噴射ＳＣＲ制御システムを図１により説明する。

図１は、図３で説明したＤＣＵ４４に格納されるＮＯｘモデルマップの構成例を示したものである。

図１においては、ＥＧＲ制御を行っているときのＮＯｘモデルマップの例で、大気圧条件に応じて３つのＮＯｘモデルマップ６０−１、６０−２、６０−３を備え、さらにエンジン水温補正マップ６１を備えて構成される。この３つのＮＯｘモデルマップ６０−１、６０−２、６０−３は、第１のＮＯｘモデルマップ６０−１が、平地における大気圧条件（１）でのベースマップであり、第２のＮＯｘモデルマップ６０−２が、例えば高度１０００ｍに相当する大気圧条件（２）での補正マップ１であり、第３のＮＯｘモデルマップ６０−３が、例えば高度２０００ｍに相当する大気圧条件（３）での補正マップ２である。

先ず第１のＮＯｘモデルマップ６０−１は、外気温（例えば−４０℃〜＋４０℃の範囲で任意に設定）に応じた複数の外気温別ＮＯｘマップ６２ａ１、６２ｂ１、６２ｃ１、６２ｄ１と、外気温が入力され、その外気温に応じて、これら外気温別ＮＯｘマップ６２ａ１、６２ｂ１、６２ｃ１、６２ｄ１から２つの外気温別ＮＯｘマップを選択する外気温度マップ選択ファクタ６３−１とが格納されている。

これら外気温別ＮＯｘマップ６２ａ１、６２ｂ１、６２ｃ１、６２ｄ１は、設定の外気温でエンジンが運転されるときのエンジン回転と燃料の指示噴射量ごとで決定されるＮＯｘ量が記憶されており、外気温度マップ選択ファクタ６３−１は、検出された外気温から外気温別ＮＯｘマップ６２ａ１、６２ｂ１、６２ｃ１、６２ｄ１のうち、検出された外気温に対して高く設定されている外気温別ＮＯｘマップ（例えば６２ｂ１）と、低く設定されている外気温別ＮＯｘマップ６２ｃ１とを選択し、これら外気温別ＮＯｘマップ６２ｂ１、６２ｃ１で決定されるＮＯｘ値を外気温で補間し、そのＮＯｘ値を加算器６６に出力するようになっている。

第１のＮＯｘモデルマップ６０−１に対して、第２、第３のＮＯｘモデルマップ６０−２、６０−３は、設定された大気圧条件（２）、（３）と、設定の外気温別ＮＯｘマップ６２ａ２、６２ａ３、６２ｂ２、６２ｂ３、６２ｃ２、６２ｃ３、６２ｄ２、６２ｄ３と、外気温度マップ選択ファクタ６３−２、６３−３とでＮＯｘ値を補正する補正マップ１、２を備え、さらにＮＯｘモデルマップ６０−２、６０−３からの補正ＮＯｘ値を、さらに実際の大気圧で補間するための大気圧補正マップ６４−２、６４−３とを備え、ＮＯｘモデルマップ６０−２、６０−３からの補正ＮＯｘ値と大気圧補正マップ６４−２、６４−３の補間値が乗算器６５−２、６５−３に入力されて補正ＮＯｘを加算器６６に出力するようになっている。

この３つのＮＯｘモデルマップ６０−１、６０−２、６０−３は、先ず第１のＮＯｘモデルマップ６０−１で、エンジン運転状態（エンジン回転数と指示噴射量）と外気温に基づいてＮＯｘ値が決定され、そのＮＯｘ値が加算器６６に入力され、また大気圧条件（２）、（３）に応じて、第２、第３のＮＯｘモデルマップ６０−２、６０−３の乗算器６５−２、６５−３のいずれかから補正ＮＯｘ値が加算器６６に入力され、第１のＮＯｘモデルマップ６０−１のＮＯｘ値が大気圧条件（２）、（３）で補正されて、乗算器６７に出力され、乗算器６７で、エンジン水温補正マップ６１からのエンジン水温による補正値が乗算されて、大気圧、外気温、エンジン水温に基づいたＮＯｘ値が出力される。

この３つのＮＯｘモデルマップ６０−１、６０−２、６０−３は、ＥＧＲ制御しているときのマップ構成例であり、ＥＧＲ制御していないときのエンジンアウトＮＯｘ値は、ＥＧＲ制御しているときのＮＯｘ値と相違するため、別途ＥＧＲ制御無しのときを考慮した３つのＮＯｘモデルマップ６０がＤＣＵ４４に格納されている。

ＤＣＵ４４は、エンジン運転条件（エンジン回転数と指示噴射量）に対して、ＮＯｘモデルマップ６０−１、６０−２、６０−３、エンジン水温補正マップ６１に基づいて決定されたＮＯｘ値に基づいてドージングバルブ４１から噴射する尿素量を決定する。

これにより、予備ヒーティング制御期間、ＮＯｘセンサー４６、４７からのＮＯｘ検出がなくても、適切な尿素噴射量の制御が行える。

本発明においては、ＮＯｘモデルマップと実ＮＯｘ量のズレを解消するために、環境の違い（大気圧、外気温、エンジン水温など）に対応したＮＯｘモデルマップをＤＣＵ４４に格納し、これらの環境の違いに対応してＮＯｘ量を求めることで実ＮＯｘ量のズレを解消できる。また当然マップ数が多い方がＮＯｘ量の精度は上がるが、極端な複数マップ化は現実的ではないので、ある程度の複数マップ化として途中のＮＯｘ量は補間値にて対応させる。

このように本発明は、環境違いに対応したＮＯｘモデルマップ化により実ＮＯｘ量とのズレを減らすことができるため、適切な尿素噴射制御により、排ガス性能に影響を与えることが無くなると共に、故障診断の誤診断防止、更には診断精度（閾値）を向上させることが出来るようになる。

上述の実施の形態では、３つのＮＯｘモデルマップ６０とエンジン水温補正マップ６１で、ＮＯｘ値を決定する例を示したが、ＮＯｘモデルマップ６０は、大気圧条件をさらに細かくして４つ以上にしてもよいし、温度別ＮＯｘマップも４つとしたが、これ以上であってもよい。さらに３つのＮＯｘモデルマップ６０のうち１つをベースマップとし、他を補正マップとする例で説明したが、それぞれ大気圧条件下で独立したベースマップで構成するようにしてもよい。

また、ＮＯｘモデルマップ６０をＤＣＵ４４に格納する例で説明したがＥＣＵ３０に格納するようにしてもよい。

１０ エンジン
１４ 排気管
２３ ＳＣＲ触媒
４１ ドージングバルブ
４６ 上流側ＮＯｘセンサー
４７ 下流側ＮＯｘセンサー
６０−１〜６０−３ ＮＯｘモデルマップ

Claims (4)

1. エンジンの排気管に設けられたＳＣＲ触媒と、ＳＣＲ触媒の上流側で尿素水を噴射するドージングバルブとを備え、ドージングバルブからの尿素水の噴射を制御する尿素噴射ＳＣＲ制御システムであって、大気圧条件、外気温、エンジン水温に対応した複数のＮＯｘモデルマップを備え、大気圧検出手段、外気温検出手段、エンジン水温検出手段の検出値に基づいて各ＮＯｘモデルマップからＮＯｘ量を決定し、その決定したＮＯｘ量に基づいてドージングバルブからの尿素水の噴射量を制御することを特徴とする尿素噴射ＳＣＲ制御システム。
2. 前記各ＮＯｘモデルマップは、コントロールユニットに格納され、平地での大気圧条件における外気温に応じてエンジン回転と指示噴射量からＮＯｘ量が設定された複数の外気温別ＮＯｘマップとその外気温別ＮＯｘマップから実際の外気温で外気温別ＮＯｘマップを選択すると共にその外気温別ＮＯｘマップのＮＯｘ値を補間する外気温マップ選択ファクタからなるベースマップを備えると共に、ベースマップを高地での大気圧条件でベースマップからのＮＯｘ値を補正する補正マップとを備え、さらに大気圧条件と外気温条件で決定されたＮＯｘ値をエンジン水温で補正するエンジン水温補正マップを備える請求項１記載の尿素噴射ＳＣＲ制御システム。
3. 前記コントロールユニットには、ＥＧＲ制御をしているときとＥＧＲ制御していないときの各ＮＯｘモデルマップが格納されている請求項２記載の尿素噴射ＳＣＲ制御システム。
4. 排ガス中のＮＯｘ量を測定するＮＯｘセンサーを備え、そのＮＯｘセンサーの予備ヒーティング制御時に、大気圧検出手段、外気温検出手段、エンジン水温検出手段の検出値に基づいて各ＮＯｘモデルマップからＮＯｘ量を決定し、その決定したＮＯｘ量に基づいてドージングバルブからの尿素水の噴射量を制御する請求項１〜３いずれかに記載の尿素噴射ＳＣＲ制御システム。