JP6264048B2

JP6264048B2 - 噴射制御装置

Info

Publication number: JP6264048B2
Application number: JP2014003509A
Authority: JP
Inventors: 正信嶺澤; 弘司作本; 裕久大村; 峻也松下; 真尼ヶ崎
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2014-01-10
Filing date: 2014-01-10
Publication date: 2018-01-24
Anticipated expiration: 2034-01-10
Also published as: JP2015132194A; WO2015105155A1

Description

本発明は、噴射制御装置に関し、特に、内燃機関の排気通路内に配置された排気浄化触媒よりも排気上流側に添加剤を噴射する噴射弁の噴射制御装置に関する。

従来、ディーゼルエンジン等の排気通路に設けられる排気浄化触媒として、尿素水から加水分解されて生成されるアンモニア（以下、ＮＨ３）を還元剤として排気中の窒素化合物（以下、ＮＯｘ）を選択的に還元浄化する選択的還元触媒（Selective Catalytic Reduction：以下、ＳＣＲ）が知られている。このようなＳＣＲを備える排気浄化装置では、ＳＣＲの排気上流側に尿素水を噴射する尿素添加弁が設けられている。

尿素添加弁は高排気温時に熱害の影響を受けて破損する可能性がある。そのため、排気温度が尿素添加弁の耐熱を超えるような場合に適量の尿素噴射を実行して冷却することで、尿素添加弁の熱害による破損を防止する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−２４８９２５号公報

ところで、ＳＣＲのＮＨ３吸着量には上限があり、尿素添加弁から尿素水が過剰噴射されると、ＳＣＲからスリップしたＮＨ３が大気に放出されるため好ましくない。そのため、従来は、尿素添加弁に過剰噴射を引き起こす故障等が発生した場合は、尿素噴射を完全停止させる処置を行っている。しかしながら、ディーゼル・パティキュレイト・フィルタ（Diesel Particulate Filter：以下、ＤＰＦ）の強制再生時等、排気温度が高温になる状態で尿素噴射を停止させると、尿素添加弁が熱害の影響を受けて破損する可能性がある。

本発明の目的は、尿素添加弁の熱害による破損を効果的に防止することができる噴射制御装置を提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明の噴射制御装置は、内燃機関の排気通路内に配置された排気浄化触媒よりも排気上流側に添加剤を噴射する噴射弁の噴射制御装置であって、前記噴射弁の添加剤噴射が過剰噴射になるか否かを判定する過剰噴射判定手段と、前記過剰噴射判定手段が前記噴射弁を過剰噴射になると判定した場合に、前記噴射弁に間欠噴射を指示する噴射指示手段と、を備えることを特徴とする。

前記噴射弁が弁開固着状態にあるか否かを判定する開固着判定手段をさらに備え、前記噴射指示手段は、前記開固着判定手段が前記噴射弁を弁開固着状態にあると判定した場合に、前記噴射弁に間欠噴射を指示するものであってもよい。

前記噴射指示手段は、前記過剰噴射判定手段が前記噴射弁を過剰噴射になると判定し、且つ前記開固着判定手段が前記噴射弁を弁開固着状態にないと判定した場合に、前記噴射弁に所定の噴射間隔の第１間欠噴射を指示し、前記過剰噴射判定手段が前記噴射弁を過剰噴射になると判定し、且つ前記開固着判定手段が前記噴射弁を弁開固着状態にあると判定した場合に、前記噴射弁に前記第１間欠噴射よりも噴射間隔が長い第２間欠噴射を指示するものであってもよい。

前記噴射指示手段は、前記噴射弁に前記第１間欠噴射を実行させた後、前記過剰噴射判定手段が前記噴射弁を過剰噴射にならないと判定した場合又は、前記噴射弁に前記第２間欠噴射を実行させた後、前記開固着判定手段が前記噴射弁を弁開固着状態にないと判定し、且つ前記過剰噴射判定手段が前記噴射弁を過剰噴射にならないと判定した場合に、前記噴射弁に前記内燃機関の運転状態に応じた噴射量を指示するものであってもよい。

前記第１間欠噴射の噴射量は、前記内燃機関が高負荷になるほど多く設定され、前記第２間欠噴射の噴射量は、前記第１間欠噴射の噴射量よりも少なく設定されてもよい。

前記噴射弁が添加剤として尿素水を噴射するものであり、前記排気浄化触媒が尿素水から加水分解されて生成されるアンモニアを還元剤として排気中の窒素化合物を浄化する選択的還元触媒であってもよい。

本発明の噴射制御装置によれば、尿素添加弁の熱害による破損を効果的に防止することができる。

本発明の一実施形態に係る噴射制御装置を示す模式的な全体構成図である。本実施形態のＥＣＵを示す機能ブロック図である。本実施形態の第１間欠噴射モード及び、第２間欠噴射モードの噴射量・噴射間隔を比較したタイムチャート図である。本実施形態の噴射制御装置による制御内容の一例を示すフロー図である。

以下、添付図面に基づいて、本発明の一実施形態に係る噴射制御装置を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

図１に示すように、ディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１０の排気マニホールド１０ｂには、排気を大気に導出する排気通路１１が接続されている。この排気通路１１には、排気上流側から順に、排気流量センサ２０、前段後処理装置３０、排気温度センサ２１、後段後処理装置４０、ＮＯｘセンサ２７等が設けられている。なお、図１中において、符号２２はエンジン回転センサ、符号２３はアクセル開度センサ、符号２４は車速センサ、符号２５は外気温センサ、符号２６は冷却水温センサを示している。

前段後処理装置３０は、触媒ケース３０ａ内に上流側から順に、酸化触媒（Diesel Oxidation Catalyst：以下、ＤＯＣ）３１と、ＤＰＦ３２とを配置して構成されている。また、ＤＯＣ３１よりも上流側の排気通路１１には、燃料添加弁３３が設けられている。

燃料添加弁３３は、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵ）５０から入力される指示信号に応じて、排気通路１１内に未燃燃料（主にＨＣ）を噴射する。なお、エンジン１０の多段噴射によるポスト噴射を用いる場合は、この燃料添加弁３３を省略してもよい。

ＤＯＣ３１は、例えば、コーディエライトハニカム構造体等のセラミック製担体表面に触媒成分を担持して形成されている。ＤＯＣ３１は、燃料添加弁３３又はポスト噴射によってＨＣが供給されると、これを酸化して排気温度を上昇させる。

ＤＰＦ３２は、例えば、多孔質性の隔壁で区画された多数のセルを排気の流れ方向に沿って配置し、これらセルの上流側と下流側とを交互に目封止して形成されている。ＤＰＦ３２は、排気中のＰＭを隔壁の細孔や表面に捕集すると共に、ＰＭ堆積量が所定量に達すると、これを燃焼除去するいわゆる強制再生が実行される。強制再生は、燃料添加弁３３又はポスト噴射によってＤＯＣ３１に未燃燃料（ＨＣ）を供給し、ＤＰＦ３２に流入する排気温度をＰＭ燃焼温度（例えば、約５００〜６００℃）まで昇温することで行われる。

後段後処理装置４０は、ケース４０ａ内に収容されたＳＣＲ４１を備えて構成されている。また、ＳＣＲ４１よりも上流側の排気通路１１には、尿素添加弁４２が設けられている。

尿素添加弁４２は、例えば公知の電磁弁であって、ＥＣＵ５０から入力される指示信号に応じて開閉動作することで、ＳＣＲ４１よりも上流側の排気通路１１内に、尿素水タンク４３内から尿素水ポンプ４４によって圧送される尿素水を噴射する。噴射された尿素水は排気熱により加水分解されてＮＨ３に生成され、下流側のＳＣＲ４１に還元剤として供給される。

ＳＣＲ４１は、例えば、ハニカム構造体等のセラミック製担体表面にゼオライト等を担持して形成されており、多孔質性の隔壁で区画された多数のセルを備えて構成されている。ＳＣＲ４１は、還元剤として供給されるＮＨ３を吸着すると共に、吸着したＮＨ３で通過する排気ガス中からＮＯｘを選択的に還元浄化する。

ＥＣＵ５０は、エンジン１０や燃料添加弁３３、尿素添加弁４２等の各種制御を行うもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備えて構成されている。これら各種制御を行うため、ＥＣＵ５０には、各種センサ２０〜２７のセンサ信号が入力される。

また、ＥＣＵ５０は、図２に示すように、正常時噴射制御部５１と、尿素過剰噴射判定部５２と、弁開固着判定部５３と、間欠噴射制御部５４と、故障判定部５５とを一部の機能要素として有する。これら各機能要素は、一体のハードウェアであるＥＣＵ５０に含まれるものとして説明するが、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。

正常時噴射制御部５１は、本発明の噴射指示手段の一例であって、エンジン１０の運転状態に応じた最適な基本噴射モードＱ_{_0}で尿素添加弁４２の尿素噴射を制御する。この基本噴射モードＱ_{_0}は、尿素添加弁４２に過剰噴射や弁開固着等が生じていない正常作動時に選択される。以下、基本噴射モードＱ_{_0}の噴射量設定手順の一例を説明する。

まず、各種センサ２０〜２３等で検出されるエンジン１０の運転状態に基づいて、エンジン１０から排出されるＮＯｘ排出量を推定する。なお、ＳＣＲ４１よりも上流側にＮＯｘセンサ（不図示）を配置する場合は、このＮＯｘセンサのセンサ値を直接用いてもよい。

さらに、推定したエンジン１０のＮＯｘ排出量及びＮＯｘセンサ２７のセンサ値に基づいて、ＳＣＲ４１のＮＯｘ浄化率に相当するＮＨ３消費量を推定すると共に、このＮＨ３消費量からＳＣＲ４１の現在のＮＨ３実吸着量を推定する。また、排気温度センサ２１のセンサ値（ＳＣＲ内部温度）から、ＳＣＲ４１の現在のＮＨ３吸着可能量を推定する。そして、これらＮＨ３実吸着量及びＮＨ３吸着可能量に基づいてＳＣＲ４１のＮＨ３目標吸着量を設定すると共に、このＮＨ３目標吸着量を達成するのに必要な尿素供給量を基本噴射モードＱ_{_0}の噴射量として設定する。

尿素過剰噴射判定部５２は、本発明の過剰噴射判定手段の一例であって、尿素添加弁４２の尿素噴射が過剰になるか否かを判定する。尿素噴射が過剰になるか否かは、基本噴射モードＱ_{_0}の噴射量を設定するために用いられる各種センサ２０〜２３の故障やエンジン１０の故障等、過剰噴射を引き起こす可能性がある故障コードの発生有無等に基づいて判定される。

弁開固着判定部５３は、本発明の開固着判定手段の一例であって、尿素添加弁４２が弁開固着状態に有るか否かを判定する。弁開固着の有無は、例えば、尿素添加弁４２に出力される指示信号（パルス電流）の変化や、尿素水ポンプ４４の出力増加等に基づいて判定される。

間欠噴射制御部５４は、本発明の噴射指示手段の一例であって、尿素添加弁４２に過剰噴射や弁開固着が生じた際に、尿素添加弁４２を熱害から保護するのに最適な第１間欠噴射モードＱ_{_1}又は第２間欠噴射モードＱ_{_2}を選択的に用いて尿素添加弁４２の噴射量を制御する。

より詳しくは、尿素添加弁４２が弁開固着以外の理由によって過剰噴射を引き起こす可能性がある場合は、第１間欠噴射モードＱ_{_1}が選択される。第１間欠噴射モードＱ_{_1}の尿素噴射量・噴射間隔は、予めＥＣＵ５０に記憶された第１マップ５４ａ及びエンジン１０の運転状態を示す各種センサ２０〜２６のセンサ値に基づいて設定される。この第１マップ５４ａにおいて、尿素噴射量は、エンジン１０の運転状態が高負荷になるほど多くなるように設定されている。

なお、尿素添加弁４２が過剰噴射を引き起こす状態では、正確な噴射量制御が困難なため、多量の噴射指示を行うとＮＨ３スリップを引き起こす可能性がある。このため、第１間欠噴射モードＱ_{_1}は、ＳＣＲ４１の現在のＮＨ３吸着可能量に対して十分な余裕を確保できる噴射量で設定される。

一方、尿素添加弁４２が弁開固着状態にある場合は、第２間欠噴射モードＱ_{_2}が選択される。第２間欠噴射モードＱ_{_2}は、尿素添加弁４２の弁開固着状態からの復帰を図るための尿素噴射であり、その尿素噴射量・噴射間隔は、予めＥＣＵ５０に記憶された第２マップ５４ｂ及び、エンジン１０の運転状態を示す各種センサ２０〜２６のセンサ値に基づいて設定される。

なお、弁開固着時は、尿素水ポンプ４４によって圧送される尿素水が尿素添加弁４２から恒常的に流れ出す可能性があり、第１間欠噴射モードＱ_{_1}と同量の尿素噴射を指示すると多量のＮＨ３スリップを引き起こす虞がある。そのため、図３に示すように、第２間欠噴射モードＱ_{_2}の噴射間隔は第１間欠噴射モードＱ_{_1}よりも長く設定される。好ましくは、第１間欠噴射モードＱ_{_1}の噴射間隔は例えば秒から分のオーダーで設定され、第２間欠噴射モードＱ_{_2}の噴射間隔は例えば分のオーダーで設定される。また、図３に示すように、第２間欠噴射モードＱ_{_2}の尿素噴射量は第１間欠噴射モードＱ_{_1}よりも少なく設定される。特に、第２間欠噴射モードＱ_{_2}の尿素噴射量は、少なくとも尿素添加弁４２に指示信号（パルス電流）を与えるものであれば良く、尿素添加弁の開固着時の尿素噴射においてもＮＨ３スリップが発生しないように設定されている。

故障判定部５５は、第１間欠噴射モードＱ_{_1}又は第２間欠噴射モードＱ_{_2}を実行しても、尿素添加弁４２の過剰噴射や弁開固着が解消しない場合（一時的な故障でない場合）に、尿素添加弁４２を完全故障と判定する。完全故障の判定結果は、運転者に知らせるべく、図示しない運転室の表示装置に表示される。

次に、図４に基づいて、本実施形態の噴射制御装置による制御フローを説明する。なお、図４のフローにおいて、フラグＦ₁は尿素添加弁４２の過剰噴射を示す判定フラグであり、過剰噴射の可能性がある場合にオン（Ｆ₁＝１）され、過剰噴射の可能性がない場合にオフ（Ｆ₁＝０）される。また、フラグＦ₂は尿素添加弁４２の弁開固着を示す判定フラグであり、弁開固着が生じた場合にオン（Ｆ₂＝１）され、弁開固着が生じていない場合にオフ（Ｆ₂＝０）される。

ステップ（以下、ステップを単にＳと記載する）１００では、尿素添加弁４２の尿素噴射が基本噴射モードＱ_{_0}で制御される。Ｓ１１０では、尿素添加弁４２が過剰噴射になるか否かが判定される。過剰噴射の可能性がある場合（Ｙｅｓ）はＳ１２０に進み、フラグＦ₁がオン（Ｆ₁＝１）に設定される。一方、過剰噴射にならない場合（Ｎｏ）は、Ｓ１３０でフラグＦ₁がオフ（Ｆ₁＝０）に設定されると共に、基本噴射モードＱ_{_0}を維持すべくＳ１００に戻される。

Ｓ１４０では、尿素添加弁４２が弁開固着状態に有るか否かが判定される。弁開固着状態に無い場合（Ｎｏ）は、Ｓ１５０でフラグＦ₂がオフ（Ｆ₂＝０）に設定されると共に、Ｓ１６０で尿素添加弁４２の尿素噴射が第１間欠噴射モードＱ_{_1}で制御され、その後、本制御はＳ１３０に戻される。

上述のＳ１４０で、尿素添加弁４２が弁開固着状態に有ると判定された場合（Ｙｅｓ）は、Ｓ２００でフラグＦ₂がオン（Ｆ₂＝１）に設定されると共に、Ｓ２１０で尿素添加弁４２の尿素噴射が第２間欠噴射モードＱ_{_2}で制御される。

Ｓ２２０では、尿素添加弁４２が弁開固着状態に有る否かが再度判定される。第２間欠噴射モードＱ_{_2}の実行によって弁開固着が解消された場合（Ｎｏ）は、Ｓ２３０でフラグＦ₂がオフ（Ｆ₂＝０）に設定されてＳ１１０に戻される。一方、弁開固着が解消していない場合（Ｙｅｓ）は、Ｓ２４０に進む。

Ｓ２４０では、第２間欠噴射モードＱ_{_2}の実行から所定時間が経過したか否かが判定される。所定時間が経過している場合（Ｙｅｓ）は、第２間欠噴射モードＱ_{_2}を継続しても弁開固着を解消できる見込みはないため、Ｓ２５０で尿素添加弁４２は完全故障と判定される。所定時間が経過していない場合（Ｎｏ）は、第２間欠噴射モードＱ_{_2}を継続すべく、Ｓ２１０に戻される。その後、上述のＳ１００〜Ｓ２５０までの各制御ステップは、エンジン１０のイグニッションキーＯＦＦ操作まで繰り返し実行される。

次に、本実施形態に係る噴射制御装置の作用効果を説明する。

従来装置では、尿素添加弁４２に過剰噴射や弁開固着等の機械的故障が生じると、ＳＣＲ４１からのＮＨ３スリップを防止すべく、尿素添加弁４２の尿素噴射を完全停止させている。そのため、ＤＰＦ３２の強制再生時等、高排気温時に尿素添加弁４２が熱害の影響を受けて破損する課題がある。

これに対し、本実施形態の噴射制御装置は、ＤＰＦ３２の強制再生時等、高排気温状況下で尿素添加弁４２に過剰噴射や弁開固着が生じた場合においても、第１間欠噴射モードＱ_{_1}を実行することで、尿素添加弁４２の冷却効果を維持できるように構成されている。

したがって、本実施形態の噴射制御装置によれば、尿素添加弁４２の熱害による破損を確実に防止することが可能になる。また、過剰噴射時に尿素噴射を完全停止させる従来装置に比べ、少量でも尿素噴射を実行することで、ＳＣＲ４１のＮＯｘ浄化作用を効果的に継続させることができる。また、ＤＰＦ３２の強制再生時等、高排気温状況下で弁開固着が生じた場合においても、第２間欠噴射モードＱ_{_2}を実行することで、尿素添加弁４２の冷却やＳＣＲ４１のＮＯｘ浄化作用の効果と共に、尿素添加弁４２の弁開固着状態からの復帰を図ることができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。

例えば、第１間欠噴射モードＱ_{_1}や第２間欠噴射モードＱ_{_2}の適用は、尿素添加弁４２に限定されず、燃料添加弁３３の燃料噴射に適用することも可能である。この場合は、燃料添加弁３３の熱害による故障を効果的に防止することができる。また、後段後処理装置４０はＳＣＲ４１に限定されず、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒（ＬＮＴ）であってもよい。また、エンジン１０はディーゼルエンジンに限定されず、ガソリンエンジン等の他の内燃機関にも広く適用することが可能である。

１０エンジン
１１排気通路
２０排気流量センサ
２１排気温度センサ
２２エンジン回転センサ
２３アクセル開度センサ
２４車速センサ
２５外気温センサ
２６冷却水温センサ
２７ＮＯｘセンサ
３０前段後処理装置
３１ＤＯＣ
３２ＤＰＦ
３３燃料添加弁
４０後段後処理装置
４１ＳＣＲ
４２尿素添加弁
５０ＥＣＵ
５１正常時噴射制御部
５２尿素過剰噴射判定部
５３弁開固着判定部
５４間欠噴射制御部
５５故障判定部

Claims

内燃機関の排気通路内に配置された排気浄化触媒よりも排気上流側に添加剤を噴射する噴射弁の噴射制御装置であって、
前記噴射弁の添加剤噴射が過剰噴射になるか否かを判定する過剰噴射判定手段と、
前記噴射弁が弁開固着状態にあるか否かを判定する開固着判定手段と、
前記過剰噴射判定手段が前記噴射弁を過剰噴射になると判定し、且つ前記開固着判定手段が前記噴射弁を弁開固着状態にないと判定した場合に、前記噴射弁に所定の噴射間隔の第１間欠噴射を指示し、前記過剰噴射判定手段が前記噴射弁を過剰噴射になると判定し、且つ前記開固着判定手段が前記噴射弁を弁開固着状態にあると判定した場合に、前記噴射弁に前記第１間欠噴射よりも噴射間隔が長い第２間欠噴射を指示する噴射指示手段と、を備える
ことを特徴とする噴射制御装置。
前記噴射指示手段は、
前記噴射弁に前記第１間欠噴射を実行させた後、前記過剰噴射判定手段が前記噴射弁を過剰噴射にならないと判定した場合又は、前記噴射弁に前記第２間欠噴射を実行させた後、前記開固着判定手段が前記噴射弁を弁開固着状態にないと判定し、且つ前記過剰噴射判定手段が前記噴射弁を過剰噴射にならないと判定した場合に、前記噴射弁に前記内燃機関の運転状態に応じた噴射量を指示する
請求項１に記載の噴射制御装置。
前記第１間欠噴射の噴射量は、前記内燃機関が高負荷になるほど多く設定され、前記第２間欠噴射の噴射量は、前記第１間欠噴射の噴射量よりも少なく設定される
請求項１又は２に記載の噴射制御装置。
前記噴射弁が添加剤として尿素水を噴射するものであり、
前記排気浄化触媒が尿素水から加水分解されて生成されるアンモニアを還元剤として排気中の窒素化合物を浄化する選択的還元触媒である
請求項１から３の何れか一項に記載の噴射制御装置。