(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排気管に設けられた選択還元触媒と、
前記選択還元触媒の上流側で尿素水を噴射するドージングバルブと、
排気ガス中のＮＯX濃度を検出するＮＯXセンサと、
前記ＮＯXセンサをセンサ動作温度に昇温するための電熱式のヒータと、
エンジン運転中に、
エンジン回転数があらかじめ設定した通電禁止閾値（０よりも大きい）以下になったとき、前記ＮＯXセンサによるＮＯX濃度の検出が可能な状態を維持させるように前記ヒータへの通電許可を維持し、
前記エンジン回転数が前記通電禁止閾値以下になった状態があらかじめ設定した復帰待ち時間以上経過したとき、前記ヒータへの通電を禁止し、
前記エンジン回転数が通電禁止閾値以下になり、前記ＮＯXセンサによるＮＯX濃度の検出が可能な状態を維持させるように前記ヒータへの通電許可を維持しているときに、前記エンジン回転数が前記通電禁止閾値以下になった状態が前記復帰待ち時間以上経過する前に前記エンジン回転数が上昇して前記通電禁止閾値を超えたとき、前記ヒータへの通電を継続する通電許可部と、
を備えることを特徴とするＳＣＲシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼル車両の排ガス浄化を行うＳＣＲシステムに係り、ヒータ通電によるバッテリへの負担が軽減され、かつ、ＮＯｘ濃度の検出不能時間を低減できるＳＣＲシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンの排気ガス中のＮＯｘを浄化するための排ガス浄化システムとして、ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction；選択還元触媒）装置を用いたＳＣＲシステムが開発されている。
【０００３】
このＳＣＲシステムは、尿素水をＳＣＲ装置の排気ガス上流に供給し、排気ガスの熱でアンモニアを生成し、このアンモニアによって、ＳＣＲ触媒上でＮＯｘを還元して浄化するものである（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−３０３８２６号公報
【特許文献２】特開２００９−２８８０８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
尿素水の噴射は排気ガス中のＮＯｘ濃度に応じて制御される。この制御のために、排気管にはＮＯｘセンサが設けられる。
【０００６】
ＮＯｘセンサは、検出素子が活性化しているセンサ動作温度において検出機能を発揮する。このため、ＮＯｘ濃度を検出するときは、ＮＯｘセンサに付随している電熱式のヒータに電流を流してあらかじめセンサ動作温度にＮＯｘセンサを昇温しておく必要がある（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
図８に示されるように、ＮＯｘセンサの温度が低いとき、ヒータに電流を流し始めると、約１分程度でＮＯｘセンサの温度がセンサ動作温度に達し、電流を停止するとＮＯｘセンサの温度が徐々に低下する。
【０００８】
ＮＯｘセンサをセンサ動作温度まで短時間に昇温するために、ヒータには、発熱量の大きいものが用いられる。このため、ヒータは、電力を著しく消費する。ヒータ電流は、例えば、数百ｍＡの大電流となる。必要に応じて２つのＮＯｘセンサを車両に搭載することがあり、この場合、２つのＮＯｘセンサのヒータを合わせると、２倍もの大電流が流れることになる。
【０００９】
エンジンが十分に暖機されて運転されているときは、ＡＣＧ（AC Generator；オルタネータ）からの電力が得られ、また、バッテリも十分に充電されているため、ヒータに大電流が流れても、特に問題はない。しかし、エンジン始動前やエンジン回転が停止に近いときは、ＡＣＧからの電力が得られないため、ヒータに大電流を流すと、バッテリが充電不足に陥るおそれがある。
【００１０】
また、エンジン始動時のスタータモータによるクランキング時に、ヒータに大電流を流すと、バッテリの充電量が十分でない場合、バッテリ電圧がエンジンの制御回路の動作保証電圧より低下してしまうことがあり、制御回路が停止することによってエンジン始動に失敗するおそれがある。
【００１１】
一方、ヒータへの通電を停止（ＯＦＦ）すると、ＮＯｘセンサの温度が徐々に低下してセンサ動作温度を下回り、ＮＯｘ濃度が検出できなくなる。なお、ヒータＯＦＦ中はＮＯｘ濃度の検出はされない。
【００１２】
再び、ＮＯｘセンサを昇温するとき、図８のように、ＮＯｘセンサの温度がセンサ動作温度に達してから数分を待たなければ、ＮＯｘ濃度が検出できない。このため、ヒータへの通電を停止する頻度が高いと、ＮＯｘ濃度が検出できない時間が長くなり、理想的な排気ガス浄化が望めなくなる。
【００１３】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ヒータ通電によるバッテリへの負担が軽減され、かつ、ＮＯｘ濃度の検出不能時間を低減できるＳＣＲシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために本発明は、エンジンの排気管に設けられた選択還元触媒と、前記選択還元触媒の上流側で尿素水を噴射するドージングバルブと、排気ガス中のＮＯX濃度を検出するＮＯXセンサと、前記ＮＯXセンサをセンサ動作温度に昇温するための電熱式のヒータと、エンジン運転中に、エンジン回転数があらかじめ設定した通電禁止閾値（０よりも大きい）以下になったとき、前記ＮＯXセンサによるＮＯX濃度の検出が可能な状態を維持させるように前記ヒータへの通電許可を維持し、前記エンジン回転数が前記通電禁止閾値以下になった状態があらかじめ設定した復帰待ち時間以上経過したとき、前記ヒータへの通電を禁止し、前記エンジン回転数が通電禁止閾値以下になり、前記ＮＯXセンサによるＮＯX濃度の検出が可能な状態を維持させるように前記ヒータへの通電許可を維持しているときに、前記エンジン回転数が前記通電禁止閾値以下になった状態が前記復帰待ち時間以上経過する前に前記エンジン回転数が上昇して前記通電禁止閾値を超えたとき、前記ヒータへの通電を継続する通電許可部と、を備えることを特徴とするＳＣＲシステムである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００１７】
（１）ヒータ通電によるバッテリへの負担が軽減される。
【００１８】
（２）ＮＯｘ濃度の検出不能時間を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態を示すＳＣＲシステムの要部構成図である。
【図２】本発明の一実施形態を示すＳＣＲシステムを詳しく示した構成図である。
【図３】図１のＳＣＲシステムの入出力構成図である。
【図４】図１の通電許可部においてヒータへの通電を許可する手順を示すフローチャートである。
【図５】エンジン始動時におけるヒータ通電許可のタイミングを示すタイミングチャートである。
【図６】図１の通電許可部においてヒータへの通電を禁止する手順を示すフローチャートである。
【図７】エンジン運転中におけるヒータ通電禁止のタイミングを示すタイミングチャートであり、（ａ）は禁止されない場合、（ｂ）は禁止される場合のものである。
【図８】ヒータへの通電とＮＯｘセンサの温度変化を示すタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００２１】
図１及び図２に示されるように、本発明に係るＳＣＲシステム１００は、エンジンＥの排気管１０２に設けられたＳＣＲ装置１０３と、ＳＣＲ装置の上流側で尿素水を噴射するドージングバルブ１０４と、排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ１１０，１１１と、ＮＯｘセンサ１１０，１１１で検出されたＮＯｘ濃度に応じて尿素水噴射を制御する尿素水噴射制御部１と、ＮＯｘセンサ１１０，１１１をセンサ動作温度に昇温するための電熱式のヒータ２，３と、エンジン始動時に、ヒータ２，３への通電を禁止し、エンジン回転数があらかじめ設定した通電許可閾値ｖ１以上になり、その状態があらかじめ設定した安定化待ち時間ｔ１以上経過したとき、ヒータ２，３への通電を許可する通電許可部４とを備える。
【００２２】
さらに、通電許可部４は、エンジン運転中に、エンジン回転数があらかじめ設定した通電禁止閾値ｖ２以下になり、その状態があらかじめ設定した復帰待ち時間ｔ２以上経過したとき、ヒータ２，３への通電を禁止するように構成されている。
【００２３】
尿素水噴射制御部１は、ＮＯｘセンサ１１０，１１１の信号線からＮＯｘ濃度を読み取る前にヒータ２，３に通電してＮＯｘセンサ１１０，１１１をセンサ動作温度まで昇温するが、通電許可部４が通電を禁止しているときは、ヒータ２，３への通電を停止し、通電許可部４が通電を許可しているときのみ、ヒータ２，３への通電を行うように構成されている。
【００２４】
詳しくは、図２に示すように、ＳＣＲシステム１００は、エンジンＥの排気管１０２に設けられたＳＣＲ装置１０３と、ＳＣＲ装置１０３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（尿素噴射装置、ドージングモジュール）１０４と、尿素水を貯留する尿素タンク１０５と、尿素タンク１０５に貯留された尿素水をドージングバルブ１０４に供給するサプライモジュール１０６と、ドージングバルブ１０４やサプライモジュール１０６等を制御するＤＣＵ（Dosing Control Unit）１２６とを主に備える。
【００２５】
エンジンＥの排気管１０２には、排気ガスの上流側から下流側にかけて、ＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst；酸化触媒）１０７、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）１０８、ＳＣＲ装置１０３が順次配置される。ＤＯＣ１０７は、エンジンＥから排気される排気ガス中のＮＯを酸化してＮＯ2とし、排気ガス中のＮＯとＮＯ2の比率を制御してＳＣＲ装置１０３における脱硝効率を高めるためのものである。また、ＤＰＦ１０８は、排気ガス中のＰＭ（Particulate Matter）を捕集するためのものである。
【００２６】
ＳＣＲ装置１０３の上流側の排気管１０２には、ドージングバルブ１０４が設けられる。ドージングバルブ１０４は、高圧の尿素水が満たされたシリンダに噴口が設けられ、その噴口を塞ぐ弁体がプランジャに取り付けられた構造となっており、コイルに通電することによりプランジャを引き上げることで弁体を噴口から離間させて尿素水を噴射するようになっている。コイルへの通電を止めると、内部のバネ力によりプランジャが引き下げられて弁体が噴口を塞ぐので尿素水の噴射が停止される。
【００２７】
ドージングバルブ１０４の上流側の排気管１０２には、ＳＣＲ装置１０３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１０９が設けられる。また、ＳＣＲ装置１０３の上流側（ここでは排気温度センサ１０９の上流側）には、ＳＣＲ装置１０３の上流側でのＮＯｘ濃度を検出する上流側ＮＯｘセンサ１１０が設けられ、ＳＣＲ装置１０３の下流側には、ＳＣＲ装置１０３の下流側でのＮＯｘ濃度を検出する下流側ＮＯｘセンサ１１１が設けられる。
【００２８】
サプライモジュール１０６は、尿素水を圧送するＳＭポンプ１１２と、サプライモジュール１０６の温度（サプライモジュール１０６を流れる尿素水の温度）を測定するＳＭ温度センサ１１３と、サプライモジュール１０６内における尿素水の圧力（ＳＭポンプ１１２の吐出側の圧力）を測定する尿素水圧力センサ１１４と、尿素水の流路を切り替えることにより、尿素タンク１０５からの尿素水をドージングバルブ１０４に供給するか、あるいはドージングバルブ１０４内の尿素水を尿素タンク１０５に戻すかを切り替えるリバーティングバルブ１１５とを備えている。ここでは、リバーティングバルブ１１５がＯＮのとき、尿素タンク１０５からの尿素水をドージングバルブ１０４に供給するようにし、リバーティングバルブ１１５がＯＦＦのとき、ドージングバルブ１０４内の尿素水を尿素タンク１０５に戻すようにした。
【００２９】
リバーティングバルブ１１５が尿素水をドージングバルブ１０４に供給するように切り替えられている場合、サプライモジュール１０６は、そのＳＭポンプ１１２にて、尿素タンク１０５内の尿素水を送液ライン（サクションライン）１１６を通して吸い上げ、圧送ライン（プレッシャーライン）１１７を通してドージングバルブ１０４に供給するようにされ、余剰の尿素水を、回収ライン（バックライン）１１８を通して尿素タンク１０５に戻すようにされる。
【００３０】
尿素タンク１０５には、ＳＣＲセンサ１１９が設けられる。ＳＣＲセンサ１１９は、尿素タンク１０５内の尿素水の液面高さ（レベル）を測定するレベルセンサ１２０と、尿素タンク１０５内の尿素水の温度を測定する温度センサ１２１と、尿素タンク１０５内の尿素水の品質を測定する品質センサ１２２とを備えている。品質センサ１２２は、例えば、超音波の伝播速度や電気伝導度から、尿素水の濃度や尿素水に異種混合物が混合されているか否かを検出し、尿素タンク１０５内の尿素水の品質を検出するものである。
【００３１】
尿素タンク１０５とサプライモジュール１０６には、エンジンＥを冷却するための冷却水を循環する冷却ライン１２３が接続される。冷却ライン１２３は、尿素タンク１０５内を通り、冷却ライン１２３を流れる冷却水と尿素タンク１０５内の尿素水との間で熱交換するようにされる。同様に、冷却ライン１２３は、サプライモジュール１０６内を通り、冷却ライン１２３を流れる冷却水とサプライモジュール１０６内の尿素水との間で熱交換するようにされる。
【００３２】
冷却ライン１２３には、尿素タンク１０５とサプライモジュール１０６に冷却水を供給するか否かを切り替えるタンクヒーターバルブ（クーラントバルブ）１２４が設けられる。なお、ドージングバルブ１０４にも冷却ライン１２３が接続されるが、ドージングバルブ１０４には、タンクヒーターバルブ１２４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１２３は、尿素水が通る送液ライン１１６、圧送ライン１１７、回収ライン１１８に沿って配設される。
【００３３】
図３に、ＤＣＵ１２６の入出力構成図を示す。
【００３４】
図３に示すように、ＤＣＵ１２６には、上流側ＮＯｘセンサ１１０、下流側ＮＯｘセンサ１１１、ＳＣＲセンサ１１９（レベルセンサ１２０、温度センサ１２１、品質センサ１２２）、排気温度センサ１０９、サプライモジュール１０６のＳＭ温度センサ１１３と尿素水圧力センサ１１４、およびエンジンＥを制御するＥＣＭ（Engine Control Module）１２５からの入力信号線が接続されている。ＥＣＭ１２５からは、外気温、エンジンパラメータ（エンジン回転数など）の信号が入力される。
【００３５】
また、ＤＣＵ１２６には、タンクヒーターバルブ１２４、サプライモジュール１０６のＳＭポンプ１１２とリバーティングバルブ１１５、ドージングバルブ１０４、上流側ＮＯｘセンサ１１０のヒータ２、下流側ＮＯｘセンサ１１１のヒータ３、への出力信号線が接続される。なお、ＤＣＵ１２６と各部材との信号の入出力に関しては、個別の信号線を介した入出力、ＣＡＮ（Controller Area Network）を介した入出力のどちらであってもよい。
【００３６】
ＤＣＵ１２６の尿素水噴射制御部１は、ＥＣＭ１２５からのエンジンパラメータの信号と、排気温度センサ１０９からの排気ガス温度とを基に、排気ガス中のＮＯｘの量を推定すると共に、推定した排気ガス中のＮＯｘの量を基にドージングバルブ１０４から噴射する尿素水量を決定するようにされ、さらに、ドージングバルブ１０４にて決定した尿素水量で噴射したとき、上流側ＮＯｘセンサ１１０の検出値に基づいてドージングバルブ１０４を制御して、ドージングバルブ１０４から噴射する尿素水量を調整するようにされる。
【００３７】
以下、本発明のＳＣＲシステム１００の動作を説明する。
【００３８】
エンジン始動時に、図４の手順が実行される。図４に示されるように、ステップＳ４１にて、通電許可部４は、エンジンが始動されたとき、ヒータ２，３への通電を禁止する。次いで、ステップＳ４２にて、通電許可部４は、エンジン回転数が通電許可閾値ｖ１以上である状態が安定化待ち時間ｔ１以上経過したかどうかを判定する。判定がＮＯの場合、ステップＳ４１に戻る。すなわち、エンジン回転数が通電許可閾値ｖ１以上で安定化待ち時間ｔ１以上が経過するまで、通電禁止のままで待つことになる。判定がＹＥＳの場合、ステップＳ４３に進む。
【００３９】
ステップＳ４３にて、通電許可部４は、ヒータ２，３への通電を許可する。
【００４０】
図４の手順の実行により、図５のタイミングでヒータ２，３への通電が開始される。すなわち、エンジン回転数が通電許可閾値ｖ１以上となり、さらに安定化待ち時間ｔ１以上が経過するとヒータ２，３への通電が開始される。ヒータ２，３に電流が流れ始めると、既に説明したように、約１分程度でＮＯｘセンサ１１０，１１１の温度がセンサ動作温度に達し、数分後には、尿素水噴射制御部１は、ＮＯｘ濃度を読み取り、ＮＯｘ濃度に応じて尿素水噴射を制御することが可能となる。
【００４１】
以上のように、通電許可部４は、エンジン始動時に、ヒータ２，３への通電を禁止し、エンジン回転数が通電許可閾値ｖ１以上になり、その状態が安定化待ち時間ｔ１以上経過したとき、ヒータ２，３への通電を許可する。このため、ＡＣＧからの電力が得られるようになってから、ヒータ２，３に電流が流れるようになり、バッテリが充電不足に陥ることがない。ＡＣＧからの電力が得られるようになる前は、ヒータ２，３への通電が禁止されているため、バッテリ電圧がエンジンの制御回路の動作保証電圧より低下してエンジン始動に失敗することがない。
【００４２】
通電許可閾値ｖ１は、アイドル回転数かそれよりやや低い回転数に設定するのが好ましい。エンジン回転数がアイドル回転数になってからしばらく時間が経過すれば、ＡＣＧが十分に立ち上がっていることが確実だからである。
【００４３】
安定化待ち時間ｔ１は車種によって異なるので、実験によりＡＣＧが安定化する時間を見極めて決定するのが好ましい。例えば、エンジン回転数がアイドル回転数になって２〜３秒経過すればＡＣＧが安定化する場合、安定化待ち時間ｔ１を２〜３秒に設定する。安定化待ち時間ｔ１は、短時間に設定するほど、ＮＯｘ濃度の検出が早期に開始できるので好ましい。
【００４４】
次に、エンジン運転中に、図６の手順が実行される。図６に示されるように、ステップＳ５１にて、通電許可部４は、エンジン運転中であるからヒータ２，３への通電を許可する。次いで、ステップＳ５２にて、通電許可部４は、エンジン回転数が通電禁止閾値ｖ２以下の状態が復帰待ち時間ｔ２以上経過したかどうかを判定する。判定がＮＯの場合、ステップＳ５１に戻る。すなわち、エンジン回転数が通電禁止閾値ｖ２以下で復帰待ち時間ｔ２以上が経過しない限り、通電許可を続けることになる。判定がＹＥＳの場合、ステップＳ５３に進む。
【００４５】
ステップＳ５３にて、通電許可部４は、ヒータ２，３への通電を禁止する。
【００４６】
図６の手順の実行により、図７（ａ）、図７（ｂ）のタイミングでヒータ２，３への通電が継続または停止される。すなわち、図７（ａ）に示されるように、エンジン回転数が低下して通電禁止閾値ｖ２以下となった後、復帰待ち時間ｔ２が経過する前にエンジン回転数が上昇して通電禁止閾値ｖ２を超えたとする。この場合、ヒータ２，３への通電は許可されたままであるので、通電が継続される。一方、図７（ｂ）に示されるように、エンジン回転数が低下して通電禁止閾値ｖ２以下となった後、その状態で復帰待ち時間ｔ２が経過すると、ヒータ２，３への通電が禁止されるので、通電は停止となる。
【００４７】
以上のように、通電許可部４は、エンジン運転中に、エンジン回転数が通電禁止閾値ｖ２以下になり、その状態が復帰待ち時間ｔ２以上経過したとき、ヒータ２，３への通電を禁止する。このため、復帰待ち時間ｔ２が経過するまでは、ヒータ２，３への通電が許可されており、上流側ＮＯｘセンサ１１０、下流側ＮＯｘセンサ１１１によるＮＯｘ濃度の検出が可能な状態が維持される。これは、ＡＣＧからの電力がほとんど得られなくなっても、直前までのエンジン運転によりバッテリが十分に充電されており、復帰待ち時間ｔ２が経過する前ならば大電流の需要に応えられるからである。
【００４８】
復帰待ち時間ｔ２が経過する前にエンジン回転数が通電禁止閾値ｖ２を超えたときは、再び、ＡＣＧからの電力が得られるようになったのであるから、ヒータ２，３への通電が許可されたままとなる。
【００４９】
したがって、ヒータ２，３への通電が停止される頻度が低くなる。この結果、ＮＯｘ濃度が検出できない時間が短縮され、尿素水噴射制御部１において尿素水噴射が適切に制御されるようになるので、理想的な排気ガス浄化が期待できる。
【００５０】
通電禁止閾値ｖ２は、エンジン停止、すなわちエンジン回転数＝０の近傍に設定するのが好ましい。復帰待ち時間ｔ２は車種によって異なるので、実験により大電流に対してバッテリの充電不足が起きる時間を見極めて決定するのが好ましい。
【符号の説明】
【００５１】
１  尿素水噴射制御部
２  ヒータ
３  ヒータ
４  通電許可部
１００  ＳＣＲシステム
【図１】
0005840829.tif 000002
【図２】
0005840829.tif 000003
【図３】
0005840829.tif 000004
【図４】
0005840829.tif 000005
【図５】
0005840829.tif 000006
【図６】
0005840829.tif 000007
【図７】
0005840829.tif 000008
【図８】
0005840829.tif 000009