JP4444165B2 - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの排気浄化装置に関し、詳細には、エンジンから排出される窒素酸化物を、アンモニアを還元剤に使用して浄化する技術に関する。

エンジンから排出される大気汚染物質、特に排気中の窒素酸化物（以下「ＮＯｘ」という。）を後処理により浄化するものに、次のＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）装置が知られている。すなわち、エンジンの排気通路にアンモニア又はその前駆体の水溶液を噴射する装置を設置し、噴射されたアンモニアを還元剤として、ＮＯｘとこのアンモニアとを触媒上で反応させ、ＮＯｘを還元及び浄化するものである。また、車上でのアンモニアの貯蔵容易性を考慮し、タンクにアンモニア前駆体である尿素を水溶液の状態で貯蔵しておき、実際の運転に際し、このタンクから供給された尿素水を排気通路内に噴射し、排気熱を利用した尿素の加水分解によりアンモニアを発生させるＳＣＲ装置も知られている（特許文献１）。
特開２０００−０２７６２７号公報（段落番号００１３）

本出願人は、このＳＣＲ装置を自動車のエンジンの排気浄化装置に採用することを検討している。エンジンからのＮＯｘ排出量に対して的確な量の尿素水を噴射し、ＮＯｘの還元反応を良好に行わせるため、尿素水タンクに尿素センサを設置し、尿素の実際の濃度（以下、単に「濃度」というときは、尿素の濃度をいうものとする。）をエンジン及びＳＣＲ装置の制御に反映させることが実用上重要となる。現在、尿素センサとして、ヒータと測温抵抗体とを備え、濃度に応じた尿素水の伝熱特性に着目して、ヒータにより加熱された測温抵抗体の電気抵抗値に基づいて実際の濃度を検出するものが開発されている（特開２００５−０３０８８８号公報（段落番号００４４））。本出願人は、尿素センサにこの感温型のものを採用したエンジンの排気浄化装置を、既に提出した特願２００３−３６６７３７号に開示している。このものでは、尿素センサにより濃度を検出するとともに、検出した濃度が正常領域を下回る低い濃度であるときは、尿素水タンクに水又は規定濃度の尿素水以外の異種水溶液が貯蔵されているとして、濃度に関する異常を検出するとともに、尿素水の噴射を停止させる等の措置を講ずることとしている。

ここで、感温型の尿素センサを採用したエンジンの排気浄化装置に関し、次のことが問題となる。尿素を水溶液の状態で貯蔵するものでは、特に寒冷地における使用を想定した場合において、尿素水タンク内で尿素水が凍結するのを防止するため、又は一旦凍結した尿素水を速やかに解凍させるため、タンクヒータを設置する（特願２００４−１９４０２８号）。尿素センサとして感温型のものを採用した場合は、このタンクヒータによる加熱に伴い尿素水タンク内で尿素水に対流が生じ、尿素センサによる濃度の検出に悪影響を来す。この対流により尿素水の温度にムラが生じることで、尿素センサにより検出する濃度にバラツキが生じ、濃度の検出精度が低下し、延いては検出した濃度を基礎情報とする異常の検出に誤りを来すのである。

本発明は、感温型の尿素センサを採用したエンジンの排気浄化装置において、異常の検出に、尿素水等の水溶液の温度が平衡状態にあるときの濃度が積極的に採用される構成とすることで、対流に起因する異常の誤検出を回避し、還元剤の添加が不要に停止される等の排気浄化装置の誤動作を防止することを目的とする。

本発明は、エンジンの排気浄化装置を提供する。本発明に係る装置は、エンジンの排気にＮＯｘの還元剤を添加して、排気中のＮＯｘを還元させるエンジンの排気浄化装置であって、排気に添加されるＮＯｘの還元剤又はその前駆体を水溶液の状態で貯蔵するタンクと、このタンクに貯蔵されている水溶液に含まれる還元剤又は前駆体の濃度を検出する濃度検出手段であって、温度に応じて電気特性値が変化する性質を有し、前記水溶液に直接的又は間接的に接触させて設置された第１の感温体と、この第１の感温体を加熱するヒータとを含んで構成され、ヒータを駆動するとともに、加熱された第１の感温体の電気特性値を還元剤又は前駆体の濃度として出力する濃度検出手段とを含んで構成される。検出された濃度が正常領域として定められる所定の領域以外の異常領域にあるときに、前記水溶液に関する所定の異常を検出する。前記水溶液の温度が実質的な平衡状態にあるか否かを判定し、前記異常の検出において、その基礎情報として、前記水溶液の温度が実質的な平衡状態にあると判定された温度平衡時に検出された濃度を採用する。

本発明によれば、尿素水等の水溶液の温度が平衡状態にあるか否かを判定し、異常の検出の基礎情報として、平衡状態にあると判定されたときの濃度を採用する構成としたので、対流に起因する異常の誤検出を回避して、排気浄化装置の動作に対し、異常の正確な検出結果を反映させることができる。

以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る自動車用エンジン（以下「エンジン」という。）１の構成を示している。本実施形態では、エンジン１として直噴型のディーゼルエンジンを採用している。
吸気通路１１の導入部には、図示しないエアクリーナが取り付けられており、このエアクリーナにより吸入空気中の粉塵が除去される。吸気通路１１には、可変ノズル型のターボチャージャ１２のコンプレッサ１２ａが設置されており、コンプレッサ１２ａにより吸入空気が圧縮されて送り出される。圧縮された吸入空気は、サージタンク１３に流入し、マニホールド部で各気筒に分配される。

エンジン本体において、シリンダヘッドには、インジェクタ２１が気筒毎に設置されている。インジェクタ２１は、エンジンコントロールユニット（以下「エンジンＣ／Ｕ」という。）５１からの信号に応じて作動する。図示しない燃料ポンプにより送り出された燃料は、コモンレール２２を介してインジェクタ２１に供給され、インジェクタ２１により燃焼室内に噴射される。

排気通路３１には、マニホールド部の下流にターボチャージャ１２のタービン１２ｂが設置されている。排気によりタービン１２ｂが駆動されることで、コンプレッサ１２ａが回転する。タービン１２ｂの可動ベーン１２１は、アクチュエータ１２２と接続されており、アクチュエータ１２２により角度が制御される。
タービン１２ｂの下流には、上流側から順に酸化触媒３２、ＮＯｘ浄化触媒３３及びアンモニア触媒３４が設置されている。酸化触媒３２は、排気中の炭化水素及び一酸化炭素を酸化するとともに、排気中の一酸化窒素（以下「ＮＯ」という。）を、二酸化窒素（以下「ＮＯ２」という。）を主とするＮＯｘに転換するものであり、排気に含まれるＮＯとＮＯ２との比率を、後述するＮＯｘの還元反応に適切なものに調整する作用を奏する。ＮＯｘ浄化触媒３３は、ＮＯｘを還元して浄化する。ＮＯｘの還元のため、本実施形態では、ＮＯｘ浄化触媒３３の上流で排気に還元剤としてのアンモニアを添加することとしている。本実施形態では、アンモニアの貯蔵容易性を考慮し、アンモニア前駆体である尿素を水溶液の状態で貯蔵することとしている。アンモニアを尿素として貯蔵することで、安全性を確保することができる。

尿素水を貯蔵するタンク４１には、尿素水供給管４２が接続されており、この尿素水供給管４２の先端に尿素水の噴射ノズル４３が取り付けられている。尿素水供給管４２には、上流側から順にフィードポンプ４４及びフィルタ４５が介装されている。フィードポンプ４４は、電動モータ４４１により駆動される。電動モータ４４１は、ＳＣＲコントロールユニット（以下「ＳＣＲ−Ｃ／Ｕ」という。）６１からの信号により回転数が制御され、フィードポンプ４４の吐出し量を調整する。また、フィルタ４５の下流において、尿素水供給管４２に尿素水戻り管４６が接続されている。尿素水戻り管４６には、圧力制御弁４７が設置されており、規定圧力を超える分の余剰尿素水がタンク４１に戻されるように構成されている。

噴射ノズル４３は、エアアシスト式の噴射ノズルであり、本体４３１とノズル部４３２とで構成される。本体４３１には、尿素水供給管４２が接続される一方、アシスト用の空気を供給するための空気供給管４８が接続されている。空気供給管４８は、図示しないエアタンクと接続されており、このエアタンクからアシスト用の空気が供給される。ノズル部４３２は、ＮＯｘ浄化触媒３３の上流において、ＮＯｘ浄化触媒３３及びアンモニア触媒３４の筐体を側面から貫通させて設置されている。ノズル部４３２の噴射方向は、排気の流れと平行な方向に、ＮＯｘ浄化触媒３３の端面に向けて設定されている。

尿層水が噴射されると、噴射された尿素水中の尿素が排気熱により加水分解し、アンモニアが発生する。発生したアンモニアは、ＮＯｘ浄化触媒３３上でＮＯｘの還元剤として作用し、ＮＯｘを還元させる。アンモニア触媒３４は、ＮＯｘの還元に寄与せずにＮＯｘ浄化触媒３３を通過したスリップアンモニアを浄化するためのものである。アンモニアは、刺激臭があるため、未浄化のまま放出するのは好ましくない。酸化触媒３２でのＮＯの酸化反応、尿素の加水分解反応、ＮＯｘ浄化触媒３３でのＮＯｘの還元反応、及びアンモニア触媒３４でのスリップアンモニアの酸化反応は、次の（１）〜（４）式により表される。なお、本実施形態では、ＮＯｘ浄化触媒３３と、アンモニア触媒３４とを一体の筐体に内蔵させているが、それぞれの筐体を別体のものとして構成してもよい。

ＮＯ＋１／２Ｏ₂ → ＮＯ₂ ・・・（１）
(ＮＨ₂)₂ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ → ２ＮＨ₃＋ＣＯ₂ ・・・（２）
ＮＯ＋ＮＯ₂＋２ＮＨ₃ → ２Ｎ₂＋３Ｈ₂Ｏ ・・・（３）
４ＮＨ₃＋３Ｏ₂ → ２Ｎ₂＋６Ｈ₂Ｏ ・・・（４）
また、排気通路３１は、ＥＧＲ管３５により吸気通路１１と接続されている。ＥＧＲ管３５には、ＥＧＲ弁３６が介装されている。ＥＧＲ弁３６は、アクチュエータ３６１に接続されており、アクチュエータ３６１により開度が制御される。

排気通路３１において、酸化触媒３２とＮＯｘ浄化触媒３３との間には、尿素水添加前の排気の温度を検出するための温度センサ７１が設置されている。アンモニア触媒３４の下流には、還元後の排気の温度を検出するための温度センサ７２、及び還元後の排気に含まれるＮＯｘの濃度を検出するためのＮＯｘセンサ７３が設置されている。また、タンク４１内には、尿素水に含まれる尿素の濃度を検出するための尿素センサ７４が設置されている。

温度センサ７１，７２、ＮＯｘセンサ７３及び尿素センサ７４の検出信号は、ＳＣＲ−Ｃ／Ｕ６１に出力される。ＳＣＲ−Ｃ／Ｕ６１は、入力した信号をもとに、最適な尿素水噴射量を演算及び設定し、設定した尿素水噴射量に応じた指令信号を噴射ノズル４３に出力する。また、ＳＣＲ−Ｃ／Ｕ６１は、エンジンＣ／Ｕ５１と双方向に通信可能に接続されており、検出した尿素の濃度をエンジンＣ／Ｕ５１に出力する。一方、エンジン１側には、イグニッションスイッチ、スタートスイッチ、クランク角センサ、車速センサ及びアクセルセンサ等が設置されており、これらの検出信号は、エンジンＣ／Ｕ５１に入力される。エンジンＣ／Ｕ５１は、クランク角センサから入力した信号をもとに、エンジン回転数Ｎｅを算出する。エンジンＣ／Ｕ５１は、燃料噴射量等の尿素水の噴射制御に必要な情報をＳＣＲ−Ｃ／Ｕ６１に出力する。

図２は、尿素センサ７４の構成、及びこの尿素センサ７４とタンクヒータとの関係を示している。
本実施形態では、エンジン１の冷却水を流通させる冷却水流通管８１を含んでタンクヒータが構成される。冷却水流通管８１は、Ｕ字に屈曲させて形成され、入口部８１ａ及び出口部８１ｂでタンク４１の天蓋部を貫通している。冷却水流通管８１には、暖気後のエンジン１の冷却水が導入され、この冷却水を熱媒体として尿素水が加熱される。尿素センサ７４は、このＵ字の部分の底辺近傍に設置され、下及び左、右（又は前、後）の３方から冷却水流通管８１により包囲されている。

尿素センサ７４は、前掲特開２００５−０３０８８８号公報に記載された流量・液種計と同様な構成を持ち、２つの感温体の電気特性値をもとに、尿素の濃度を検出する。
前掲公開公報（段落番号０１０４〜０１０７）に記載された流量・液種計は、ヒータ機能を持つ第１のセンサ素子と、ヒータ機能を持たない第２のセンサ素子とを含んで構成される。前者の第１のセンサ素子は、ヒータ層と、ヒータ層上に絶縁状態で形成された、感温体としての測温抵抗層（以下「第１の測温抵抗層」という。）とを含んで構成される。後者の第２のセンサ素子は、感温体としての測温抵抗層（以下「第２の測温抵抗層」という。）を含んで構成されるが、ヒータ層を持たない。各センサ素子は、樹脂製の筐体に内蔵されており、伝熱体としてのフィンプレートの一端に接続されている。

本実施形態では、前記第１及び第２のセンサ素子を含んで尿素センサ７４のセンサ素子部７４１が構成される。センサ素子部７４１は、濃度の検出に際して尿素水に浸漬させて使用されるものであり、前述の通り冷却水流通管８１のＵ字の底辺近傍に設置される。また、各フィンプレート７４１４，７４１５は、筐体７４１３を貫通し、タンク４１内に露出している。

回路部７４２は、第１のセンサ素子７４１１のヒータ層及び測温抵抗層（「第１の感温体」に相当する。）、並びに第２のセンサ素子７４１２の測温抵抗層（「第２の感温体」に相当する。）と接続されている。ヒータ層に通電して第１の測温抵抗層を加熱するとともに、加熱された第１の測温抵抗層と、ヒータ層から熱的に絶縁された状態にある第２の測温抵抗層との各抵抗値Ｒｎ１，Ｒｎ２を検出する。測温抵抗層は、抵抗値が温度に比例して変化する特性を持つ。回路部７４２は、検出したＲｎ１，Ｒｎ２をもとに、次のように濃度Ｄｎを演算する。なお、尿素センサ７４は、尿素の濃度を検出する機能と、尿素水の残量を判定する機能とを兼ね備えている。

図３は、濃度の検出原理を示したものである。
ヒータ層による加熱は、所定の時間Δｔ０１に亘りヒータ層にヒータ駆動電流ｉｈを通電することにより行う。回路部７４２は、ヒータ層への通電を停止した時点ｔ１における各測温抵抗層の抵抗値Ｒｎ１，Ｒｎ２を検出するとともに、その時点における測温抵抗層間の温度差ΔＴｍｐ１２（＝Ｔｎ１−Ｔｎ２）を演算する。このΔＴｍｐ１２は、尿素水を媒体とする伝熱特性に応じて変化するものであり、この伝熱特性は、尿度の濃度に応じて変化するものである。このため、算出したΔＴｍｐ１２を換算して、濃度Ｄｎを算出することができる。また、算出したΔＴｍｐ１２をもとに、タンク４１に残された尿素水の量が不足しているか否かを判定することができる。

なお、本実施形態では、第１のセンサ素子７４１１において、フィンプレート７４１４を介して第１の測温抵抗層を尿素水と接触させるように構成しているが、センサ素子部７４１にタンク４１内の尿素水を導入する測定室を形成し、第１の測温抵抗層がこの測定室内の尿素水を介してヒータにより加熱されるように構成してもよい。この場合は、第１の測温抵抗層と尿素水とが直接的に接触することとなる。

次に、ＳＣＲ−Ｃ／Ｕ６１の動作をフローチャートにより説明する。
本実施形態に係るＳＣＲ−Ｃ／Ｕ６１の動作は、概略次のようである。すなわち、ＳＣＲ−Ｃ／Ｕ６１は、検出許可判定を行い（図４：検出許可ルーチン）、この判定により濃度の検出が許可されたときにのみ、濃度Ｄｎの検出を行う。検出したＤｎが正常領域として定められる所定の範囲内にあるときは、尿素水に関する所定の異常は発生していないと判定するとともに、その濃度Ｄｎを出力する。他方、検出したＤｎがこの範囲内にないときは、その濃度Ｄｎを出力するとともに、前記所定の異常としての尿素水の残量又は濃度に関する異常を検出する。本実施形態では、Ｄｎがこの範囲を上回る領域にあるときに、尿素水の残量に関する異常（以下「残量異常」という。）を検出する一方、Ｄｎがこの範囲を下回る領域にあるときに、尿素水の濃度に関する異常（以下「濃度異常」という。）を検出する。本実施形態では、この濃度異常の検出に対し、タンク４１内の尿素水の温度平衡の観点からその妥当性を判定し（図６：濃度異常妥当性判定ルーチン）、妥当であると判定したときに限り、その検出結果を確定したものとして扱う。また、本実施形態では、各異常の検出に対し、各異常の検出毎にエラーカウンタＣＮＴｃ，ＣＮＴｅを所定の値ずつ加算していき、このエラーカウンタＣＮＴｃ，ＣＮＴｅが所定の値ＣＮＴｃｌｉｍ，ＣＮＴｅｌｉｍに達したときに、実際に異常判定を下す（図５：濃度検出・異常判定ルーチン）。これらの異常判定のうちいずれかが下されたときに、ＳＣＲ−Ｃ／Ｕ６１は、噴射ノズル４３に対し、尿素水の噴射を停止させるための信号を出力する（図８：尿素水噴射制御ルーチン）。

図４は、検出許可ルーチンのフローチャートである。このルーチンは、イグニッションスイッチがオンされることにより起動され、その後所定の時間毎に繰り返される。このルーチンにより濃度Ｄｎの検出が許可又は禁止される。
Ｓ１０１では、イグニッションスイッチ信号ＳＷｉｇｎを読み込み、ＳＷｉｇｎが１であるか否かを判定する。１であるときは、イグニッションスイッチがオンされているとして、Ｓ１０２へ進む。

Ｓ１０２では、スタートスイッチ信号ＳＷｓｔｒを読み込み、ＳＷｓｔｒが１であるか否かを判定する。１であるときは、スタートスイッチがオンされており、エンジン１の始動時であるとして、許可判定を下すためにＳ１０３へ進む。１でないときは、Ｓ１０５へ進む。
Ｓ１０３では、検出インターバルＩＮＴを０にリセットする。

Ｓ１０４では、許可判定フラグＦｄｔｃを１に設定し、許可判定を下す。
Ｓ１０５では、検出インターバルＩＮＴを１だけカウントアップする（ＩＮＴ＝ＩＮＴ＋１）。
Ｓ１０６では、カウントアップ後のＩＮＴが所定の値ＩＮＴ１に達したか否かを判定する。ＩＮＴ１に達したときは、濃度Ｄｎの検出に必要な検出インターバルが確保されているとして、Ｓ１０３へ進み、達していないときは、必要な検出インターバルが確保されていないとして、禁止判定を下すためにＳ１０７へ進む。

Ｓ１０７では、許可判定フラグＦｄｔｃを０に設定し、禁止判定を下す。
図５は、濃度検出・異常判定ルーチンのフローチャートである。このルーチンは、先の検出許可ルーチンにより、許可判定フラグＦｄｔｃが１に設定されることにより実行される。このルーチンにより濃度Ｄｎが検出されるとともに、尿素水に関する所定の異常が検出される。

Ｓ２０１では、許可判定フラグＦｄｔｃを読み込み、読み込んだＦｄｔｃが１であるか否かを判定する。１であるときにのみ、Ｓ２０２へ進む。
Ｓ２０２では、濃度Ｄｎの検出のため、尿素センサ７４のヒータ層に通電し、第１の測温抵抗層を加熱する。
Ｓ２０３では、濃度Ｄｎを検出する。濃度Ｄｎの検出は、加熱された各測温抵抗層の抵抗値Ｒｎ１，Ｒｎ２を検出するとともに、検出したＲｎ１，Ｒｎ２の差に応じた測温抵抗層間の温度差ΔＴｍｐ１２を演算し、算出したΔＴｍｐ１２を濃度Ｄｎに換算することにより行う。

Ｓ２０４では、検出したＤｎが第１の値Ｄ１と、この第１の値よりも大きな第２の値Ｄ２とを下限及び上限とする所定の範囲（「正常領域」に相当する。）内にあるか否かを判定する。この範囲内にあるときは、Ｓ２１８へ進み、この範囲内にないときは、Ｓ２０５へ進む。
Ｓ２０５では、濃度Ｄｎが所定の第２の値Ｄ２以上であるか否かを判定する。Ｄ２以上であるときは、Ｓ２１４へ進み、Ｄ２よりも小さいときは、Ｓ２０６へ進む。このＤ２は、尿素センサ７４が尿素水中にある状態で得られる出力Ｄｎと、尿素センサ７４が空気中にある状態で得られる出力Ｄｎとの中間値に設定する。すなわち、濃度ＤｎがＤ２以上であるときは、このＤｎが正常領域を上回るものとして、残量が不足している（又はタンク４１が空の状態にある）との残量異常を検出し、他方、濃度ＤｎがＤ２よりも小さいときは、このＤｎが正常領域を下回るものとして、タンク４１に規定濃度の尿素水以外の異種水溶液（ここでは、水を含む概念とする。）が貯蔵されているとの濃度異常を検出するのである。

Ｓ２０６では、濃度異常の検出の妥当性を判定する。この判定は、既述の通り尿素水の温度平衡の観点から、図６に示す濃度異常妥当性判定ルーチンにより行われる。このルーチンにより、濃度異常の検出が妥当であると判定したときは、妥当性判別フラグＦｊｄｇが１に設定され、妥当でないと判定したときは、妥当性判別フラグＦｊｄｇが０に設定される。

Ｓ２０７では、妥当性判別フラグＦｊｄｇが１であるか否かを判定する。１であるときは、濃度異常の検出が妥当であるとして、Ｓ２０８へ進み、１でないときは、Ｓ２０９へ進む。
Ｓ２０８では、濃度エラーカウンタＣＮＴｃ（「第１のカウンタ」に相当する。）に、車両状態フラグＦｓｔｂに応じた値のポイントａ１，ａ２を加算する。車両状態フラグＦｓｔｂは、図７に示す車両状態判定ルーチンにより０又は１に設定される。このルーチンでは、エンジン１の振動が与える影響の観点からタンク４１内における尿素水の揺れの大きさが判別される。Ｆｓｔｂが１であるときは、ＣＮＴｃに比較的に大きな値ａ１（たとえば、３）を加算する。Ｆｓｔｂが０であるときは、ＣＮＴｃにａ１よりも小さな値ａ２（たとえば、１）を加算する。エンジン１の振動が小さく、尿素水の揺れが小さいときに得られる濃度Ｄｎは、尿素水の攪拌による伝熱特性のばらつきが小さく、その信頼性の高さを異常判定に反映させるためである。

Ｓ２０９では、バックアップエラーカウンタＢＣＫｃ（「第２のカウンタ」に相当する。）に１を加算する。バックアップエラーカウンタＢＣＫｃは、濃度エラーカウンタＣＮＴｃとは異なり、妥当性判別フラグＦｊｄｇに拘わらず濃度異常の検出毎に１ずつ加算される。
Ｓ２１０では、カウントアップ後のＣＮＴｃが所定の値ＣＮＴｃｌｉｍ（たとえば、１０）に達したか否かを判定する。ＣＮＴｃｌｉｍに達したときは、Ｓ２１２へ進み、達していないときは、Ｓ２１１へ進む。

Ｓ２１１では、カウントアップ後のＢＣＫｃが所定の値ＢＣＫｃｌｉｍ（ＣＮＴｃｌｉｍよりも大きく、たとえば、１００）に達したか否かを判定する。ＢＣＫｃｌｉｍに達したときは、Ｓ２１２へ進み、達していないときは、このルーチンをリターンする。
Ｓ２１２では、タンク４１に異種水溶液が貯蔵されているとの濃度異常判定を下し、濃度異常判定フラグＦｃｎｃを１に設定する。なお、本実施形態では、第１の値Ｄ１よりも低い濃度を検出したときに、単に１つの濃度異常判定を下すこととしている。しかしながら、タンク４１に異種水溶液が充填された場合と、尿素水が過剰に希釈された場合とについて異なる濃度異常判定フラグを設定し、濃度Ｄｎと、Ｄ１よりも大きな第３の値Ｄ３とを比較することで、各場合について異常を区別するようにしてもよい。

Ｓ２１３では、残量異常判定フラグＦｅｍｐを０に設定するとともに、残量エラーカウンタＣＮＴｅを０にリセットする。
Ｓ２１４では、残量エラーカウンタＣＮＴｅに所定のポイントｂ（たとえば、１）を加算する。
Ｓ２１５では、カウントアップ後のＣＮＴｅが所定の値ＣＮＴｅｌｉｍに達したか否かを判定する。ＣＮＴｅｌｉｍに達したときは、Ｓ２１６へ進み、達していないときは、このルーチンをリターンする。

Ｓ２１６では、タンク４１に残された尿素水の量が所定の量に満たない（たとえば、タンク４１が空である。）との残量異常判定を下し、残量異常判定フラグＦｅｍｐを１に設定する。
Ｓ２１７では、濃度異常判定フラグＦｃｎｃを０に設定するとともに、濃度エラーカウンタＣＮＴｃ及びバックアップエラーカウンタＢＣＫｃを０にリセットする。

Ｓ２１８では、正常判定を下し、各異常判定フラグＦｃｎｃ，Ｆｅｍｐを０に設定する。
Ｓ２１９では、各エラーカウンタＣＮＴｃ，ＣＮＴｅ（及びバックアップカウンタＢＣＫｃ）を０にリセットする。
図６は、濃度異常妥当性判定ルーチンのフローチャートである。このルーチンは、先の濃度検出・異常判定ルーチンのＳ２０６で実行されるサブルーチンとして構成される。このルーチンにより濃度異常の検出の妥当性が判定される。

Ｓ３０１では、タンクヒータが作動しているか否か、すなわち、冷却水流通管８１に冷却水が流通しているか否かを判定する。作動しているときは、Ｓ３０２へ進み、停止しているときは、Ｓ３０８へ進む。この判定は、冷却水流通管８１への冷却水の流入を制御する流量制御弁の開度に基づいて行われる。タンクヒータが停止しているときは、タンク４１において、濃度の検出に対する影響が問題となるほどの尿素水の強い対流が生じておらず、尿素水の温度が実質的な平衡状態にあると判断するのである。

Ｓ３０２では、妥当性判定の基礎情報として、尿素水の温度Ｔｕｒｅａ、及び各センサ素子７４１１，７４１２の測温抵抗層の抵抗値Ｒｎ１，Ｒｎ２を読み込む。
Ｓ３０３では、読み込んだＴｕｒｅａが所定の値Ｔ１以上であるか否かを判定する。Ｔ１以上であるときは、Ｓ３０４へ進み、Ｔ１未満であるときは、Ｓ３１０へ進む。このＴ１は、尿素水が凍結する温度（ここでは、−５℃）として設定される。尿素水が凍結したときは、伝熱特性による濃度の検出自体に正確さを欠き、濃度異常の検出も明らかに妥当性を欠くと判断し得るからである。

Ｓ３０４では、尿素水の温度変化率ＧＲＤｔが所定の値Ｇ１以下であるか否かを判定する。Ｇ１以下であるときは、Ｓ３０５へ進み、Ｇ１よりも大きいときは、Ｓ３０９へ進む。ＧＲＤｔが小さいときは、熱媒体としての冷却水と尿素水との温度差が小さく、問題となるほどの強い対流が生じていないと判断することができるからである。本実施形態では、ＧＲＤｔは、今回の計測時と前回の計測時との温度Ｔｕｒｅａ，Ｔｕｒｅａ_n-1の差（＝Ｔｕｒｅａ−Ｔｕｒｅａ_n-1）として、計測毎に読み込まれるＴｕｒｅａに基づいて算出する。

Ｓ３０５では、濃度Ｄｎのバラツキ量ＶＲＩｄが所定の値Ｖ１以下であるか否かを判定する。Ｖ１以下であるときは、Ｓ３０６へ進み、Ｖ１よりも大きいときは、Ｓ３０９へ進む。ＶＲＩｄが小さいときは、濃度Ｄｎの検出が安定して行われており、検出したＤｎの信頼性が高いと判断することができるからである。本実施形態では、ＶＲＩｄは、今回の計測時と前回の計測時との濃度Ｄｎ，Ｄｎ_n-1の差の絶対値（＝｜Ｄｎ−Ｄｎ_n-1｜）として、計測毎に読み込まれるＤｎに基づいて算出する。

Ｓ３０６では、濃度Ｄｎが所定の値Ｄ４以上であるか否かを判定する。Ｄ４以上であるときは、Ｓ３０７へ進み、Ｄ４未満であるときは、Ｓ３０９へ進む。このＤ４は、濃度Ｄｎが採り得る範囲の下限として、たとえば、０未満の値に設定される。
Ｓ３０７では、各測温抵抗層の初期温度差ＤＬＴｔが所定の値ＳＬ以下であるか否かを判定する。ＳＬ以下であるときは、Ｓ３０８へ進み、ＳＬよりも大きいときは、Ｓ３０９へ進む。ＤＬＴｔが小さいときは、各センサ素子７４１１，７４１２の間で温度のムラが小さく、強い対流が生じていないと判断することができるからである。ＤＬＴｔは、ヒータ層を駆動する直前における各測温抵抗層の温度差ＤＬＴｔ（図３）として算出する。

Ｓ３０８では、妥当性判別フラグＦｊｄｇを、濃度異常の検出が妥当であることを示す１に設定する。
Ｓ３０９では、濃度エラーカウンタＣＮＴｃから所定の値ｄを減算する。なお、このｄは、Ｓ３０４〜３０７の判定毎に設定し、否定の結果が得られた判定に応じた値ｄ１〜ｄ４がＣＮＴｃから減算されるようにしてもよい。

Ｓ３１０では、妥当性判別フラグＦｊｄｇを０に設定する。
図７は、車両状態判定ルーチンのフローチャートである。このルーチンは、所定の時間毎に繰り返される。
Ｓ４０１では、エンジン回転数ＮＥを読み込む。
Ｓ４０２では、車速ＶＳＰを読み込む。

Ｓ４０３では、読み込んだＮＥがアイドル回転数（＝４００〜６００ｒｐｍ：アイドル運転域に共振点が存在する。）よりも小さな所定の値ＮＥ１以下であるか否かを判定する。ＮＥ１以下であるときは、Ｓ４０４へ進み、ＮＥ１よりも大きいときは、Ｓ４０５へ進む。
Ｓ４０４では、読み込んだＶＳＰが停車している状態を示す所定の値ＶＳＰ１以下であるか否かを判定する。ＶＳＰ１以下であるときは、Ｓ４０７へ進み、ＶＳＰ１よりも大きいときは、Ｓ４０５へ進む。

Ｓ４０５では、読み込んだＮＥがアイドル回転数よりも大きな所定の値ＮＥ２以上であるか否かを判定する。ＮＥ２以上であるときは、Ｓ４０６へ進み、ＮＥ２よりも小さいときは、Ｓ４０８へ進む。
Ｓ４０６では、読み込んだＶＳＰがＶＳＰ１よりも大きな所定の値ＶＳＰ２以下であるか否かを判定する。ＶＳＰ２以下であるときは、Ｓ４０７へ進み、ＶＳＰ２よりも大きいときは、Ｓ４０８へ進む。

Ｓ４０７では、エンジン１の振動を外乱とする尿素水の揺れが小さいとして、車両状態フラグＦｓｔｂを１に設定する。
Ｓ４０８では、車両状態フラグＦｓｔｂを０に設定する。
次に、濃度Ｄｎを採用した尿素水噴射制御の一例を、図８に示すフローチャートにより説明する。このルーチンは、所定の時間毎に実行される。

Ｓ５０１では、濃度Ｄｎを読み込む。
Ｓ５０２では、残量異常判定フラグＦｅｍｐが０であるか否かを判定する。０であるときは、Ｓ５０３へ進み、０でないときは、残量異常判定が下されているとして、Ｓ５０６へ進む。
Ｓ５０３では、濃度異常判定フラグＦｃｏｎが０であるか否かを判定する。０であるときは、Ｓ５０４へ進み、０でないときは、濃度異常判定が下されているとして、Ｓ５０７へ進む。

Ｓ５０４では、尿素水噴射量を設定する。尿素水噴射量の設定は、エンジン１の燃料噴射量及びＮＯｘセンサ７３の出力に応じた基本噴射量を演算するとともに、算出した基本噴射量を濃度Ｄｎにより補正することにより行う。濃度Ｄｎが大きく、単位噴射量当たりの尿素含有量が多いときは、基本噴射量に減量補正を施し、他方、濃度Ｄｎが小さく、単位噴射量当たりの尿素含有量が少ないときは、基本噴射量に増量補正を施す。

Ｓ５０５では、噴射ノズル４３に対し、設定した尿素水噴射量に応じた作動信号を出力する。
Ｓ５０６では、運転席のコントロールパネルに設置されている残量警告灯を作動させ、尿素水の残量が不足していることを運転者に認識させる。
Ｓ５０７では、前記コントロールパネルに設置されている濃度警告灯を作動させ、タンク４１に貯蔵されているものが異種水溶液であることを運転者に認識させる。

Ｓ５０８では、尿素水の噴射を停止させる。尿素水の残量が不足しているときは勿論、尿素水ではなく水等がタンク４１に貯蔵されているときは、アンモニアの添加に必要な量の尿素水を噴射することができないからである。なお、本実施形態では、各異常判定が下されたときに尿素水の噴射を停止させることとしたが、この制御に併せ又はこれに代え、エンジンＣ／Ｕ５１に対し、エンジン１からのＮＯｘ排出量自体を低減させたり、あるいはエンジン１の出力を制限させるための信号を出力するようにしてもよい。前者の制御として、たとえば、ＥＧＲ管３５を介して還流される排気の量を異常判定時以外の通常時よりも増大させる。また、後者の制御として、アクセル操作に対するエンジン１の出力特性を通常時とは異ならせ、たとえば、アクセル開度に対する燃料噴射量を通常時よりも減少させる。

本発明によれば、次のような効果を得ることができる。
図９は、ＳＣＲ−Ｃ／Ｕ６１の動作を示すタイムチャートであり、残量異常判定（「第２の異常判定」に相当する。）が下された後（時刻ｔ２）、不注意により又は意図的に水等が補給されることで、濃度Ｄｎが所定の範囲Ｂを上回る領域Ａからこの範囲Ｂを下回る領域Ｃに直接移行した場合の（時刻ｔ３）、各エラーカウンタＣＮＴｃ，ＣＮＴｅ及び各異常判定フラグＦｃｎｃ，Ｆｅｍｐの動きを示している。

本実施形態では、このような場合において、領域Ｃにある異常な濃度Ｄｎを検出した後（時刻ｔ３）、濃度エラーカウンタＣＮＴｃが増大して所定の値ＣＮＴｃｌｉｍに達し、濃度異常判定（「第１の異常判定」に相当する。）が下されるまでの期間ＰＲＤに亘り、残量異常判定が維持される（ＣＮＴｅ＝ＣＮＴｅｌｉｍ，Ｆｅｍｐ＝１：図５のＳ２１０）。このため、水等が噴射され、ＮＯｘの還元が良好に行われないにも拘わらず、濃度エラーカウンタＣＮＴｃが所定の値ＣＮＴｃｌｉｍに達していないことにより通常通りにエンジン１が運転され、かつ水等が噴射されることで、未浄化のＮＯｘが大気中に放出されるのを回避することができる。

特に、本実施形態では、濃度異常の検出に際し、図６に示すフローチャートに従い温度平衡の観点からその妥当性を判定し、妥当であると判定したときに限り、濃度異常の検出を確定したものとして扱う（時刻ｔ３〜ｔ４）。このため、対流の影響による濃度異常の誤検出を回避し、この誤検出に起因して尿素水の噴射が不要に停止される等の誤動作を防止することができる。本実施形態に係る妥当性の判定では、タンクヒータによる加熱後、尿素水の温度が平衡状態に達した後は、図６に示すフローチャートのＳ３０３〜３０７の条件が原則として成立することにより濃度異常の検出が妥当であると判定されるとともに、平衡状態に達する前であっても、これらの条件が成立したときに限り、対流は弱く、検出結果に充分な信頼性が補償されるとして、濃度異常の検出が妥当であると判定される。

なお、以上では、濃度又は残量の異常の検出毎に所定の値ａ１，ａ２，ｂずつ加算されるエラーカウンタＣＮＴｃ，ＣＮＴｅを採用して、異常判定の精度を確保することとした。エラーカウンタに代えて単に回数を採用し、検出した濃度Ｄｎが各領域Ａ，Ｃ外からその領域Ａ，Ｃに移行した後、所定の回数に渡り検出した濃度Ｄｎのうち所定の割合のものがこの領域内にある場合（たとえば、所定の回数に渡り連続してその領域内の濃度Ｄｎが検出された場合）に、異常判定を下すようにしてもよい。

また、以上では、尿素の加水分解によりアンモニアを発生させることとしたが、この加水分解のための触媒は、特に明示していない。加水分解の効率を高めるため、ＮＯｘ浄化触媒３３の上流に加水分解触媒を設置してもよい。

本発明の一実施形態に係るエンジンの構成 尿素センサの構成 同上尿素センサによる濃度の検出原理 検出許可ルーチンのフローチャート 濃度検出・異常判定ルーチンのフローチャート 同上ルーチンの濃度異常妥当性判定処理のサブルーチン 車両状態判定ルーチンのフローチャート 尿素水噴射制御ルーチンのフローチャート ＳＣＲ−Ｃ／Ｕの動作を示すタイムチャート

符号の説明

１…エンジン、１１…吸気通路、１２…ターボチャージャ、１３…サージタンク、２１…インジェクタ、２２…コモンレール、３１…排気通路、３２…酸化触媒、３３…ＮＯｘ浄化触媒、３４…アンモニア触媒、３５…ＥＧＲ管、３６…ＥＧＲ弁、４１…タンク、４２…尿素水供給管、４３…噴射ノズル、４４…フィードポンプ、４５…フィルタ、４６…尿素水戻り管、４７…圧力制御弁、４８…空気供給管、５１…エンジンＣ／Ｕ、６１…ＳＣＲ−Ｃ／Ｕ、７１，７２…排気温度センサ、７３…ＮＯｘセンサ、７４…尿素センサ。

Claims (16)

1. エンジンの排気にＮＯｘの還元剤を添加して、排気中のＮＯｘを還元させるエンジンの排気浄化装置であって、
   排気に添加されるＮＯｘの還元剤又はその前駆体を水溶液の状態で貯蔵するタンクと、
   このタンクに貯蔵されている水溶液に含まれる還元剤又は前駆体の濃度を検出する濃度検出手段であって、温度に応じて電気特性値が変化する性質を有し、前記水溶液に直接的又は間接的に接触させて設置された第１の感温体と、この第１の感温体を加熱するヒータとを含んで構成され、前記ヒータを駆動するとともに、加熱された前記第１の感温体の電気特性値を前記還元剤又は前駆体の濃度として出力する濃度検出手段と、
   検出された濃度が正常領域として定められる所定の領域以外の異常領域にあるときに、前記水溶液に関する所定の異常を検出する異常検出手段と、
   前記水溶液の温度が実質的な平衡状態にあるか否かを判定する状態判定手段と、を含んで構成され、
   前記異常検出手段は、前記状態判定手段により前記水溶液の温度が実質的な平衡状態にあると判定された温度平衡時に検出された濃度をもとに、前記所定の異常を検出するエンジンの排気浄化装置。
2. 前記水溶液の加熱のためのタンクヒータを更に含んで構成され、
   このタンクヒータによる加熱時において、前記状態判定手段による前記判定の結果に応じ、前記異常検出手段により前記所定の異常を検出する請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
3. 前記タンクヒータは、エンジンの冷却水を熱媒体として流通させる冷却水流通管を含んで構成され、エンジンの冷却水との熱交換により前記水溶液を加熱するものである請求項２に記載のエンジンの排気浄化装置。
4. 前記水溶液の温度上昇率を検出する手段を更に含んで構成され、
   前記異常検出手段は、前記温度平衡時以外の非平衡時において、検出された温度上昇率が所定の値以下である場合に限り、前記検出された濃度に基づいて前記所定の異常を検出する請求項１〜３のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。
5. 前記検出された濃度の今回値と前回値との差を検出する手段を更に含んで構成され、
   前記異常検出手段は、前記温度平衡時以外の非平衡時において、検出された差の絶対値が所定の値以下である場合に限り、前記検出された濃度に基づいて前記所定の異常を検出する請求項１〜４のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。
6. 前記異常検出手段は、前記温度平衡時以外の非平衡時において、前記検出された濃度が前記正常及び異常領域の境界を定める第１の値と、この第１の値とは異なる前記異常領域中の第２の値とを上限及び下限とする所定の範囲内にある場合に限り、前記検出された濃度に基づいて前記所定の異常を検出する請求項１〜５のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。
7. 前記濃度検出手段は、前記ヒータに対して熱的に絶縁させる一方、前記水溶液に接触させて設置された第２の感温体を更に含んで構成され、
   前記異常検出手段は、前記温度平衡時以外の非平衡時において、前記ヒータの駆動前における前記第１及び第２の感温体の各電気特性値の差が所定の値以下である場合に限り、前記検出された濃度に基づいて前記所定の異常を検出する請求項１〜６のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。
8. 前記異常検出手段による前記異常の検出毎に所定の値ずつ増大される第１のカウンタが設定され、この第１のカウンタが第１の異常判定値に達したときに、実際の異常判定を下す第１の異常判定手段を更に含んで構成される請求項４〜７のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。
9. エンジン回転数を検出する手段を更に含んで構成され、
   前記第１の異常判定手段は、検出されたエンジン回転数がこのエンジンの共振点を含む所定の回転数領域にあるときと、それ以外のときとで、前記異常の検出毎に増大させる所定の値を異ならせる請求項８に記載のエンジンの排気浄化装置。
10. 前記濃度検出手段による前記異常領域にある濃度の検出毎に所定の値ずつ増大される第２のカウンタが設定され、この第２のカウンタが前記第１の異常判定値よりも大きい第２の異常判定値に達したときに、前記第１の異常判定手段に優先して異常判定を下す第２の異常判定手段を更に含んで構成される請求項８又は９に記載のエンジンの排気浄化装置。
11. 前記第１の異常判定手段は、前記所定の異常を検出した異常検出時以外の非検出時において、前記第１のカウンタを所定の値だけ減少させる請求項８〜１０のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。
12. 前記異常検出手段は、検出した濃度が前記異常領域中の第１の領域にあるときに、第１の異常を検出する一方、検出した濃度が前記異常領域中の、この第１の領域とは異なる第２の領域にあるときに、第２の異常を検出するものであり、
    前記第１の異常判定手段は、前記第１の異常の検出と関連させて、前記第１のカウンタの値に基づいて第１の異常判定を下す一方、前記第２の異常の検出と関連させて第２の異常判定を下すものであり、第２の異常判定後、検出された濃度が前記第２の領域から前記第１の領域に直接移行したことにより前記第１の異常が検出されたときは、この第１の異常の検出から所定の期間に亘り第２の異常判定を維持する請求項８〜１１のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。
13. 前記第１又は第２の異常判定が下されたときに、排気に対する還元剤の添加を停止させる添加停止手段を更に含んで構成される請求項１２に記載のエンジンの排気浄化装置。
14. 前記第１又は第２の異常判定が下されたときに、その異常の発生を運転者に認識させる警告手段を更に含んで構成される請求項１２又は１３に記載のエンジンの排気浄化装置。
15. 前記濃度検出手段により検出された濃度に基づいて排気に対する還元剤添加量を制御する添加制御手段を更に含んで構成される請求項１〜１４のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。
16. エンジンの排気にＮＯｘの還元剤を添加して、排気中のＮＯｘを還元させるエンジンの排気浄化装置であって、
    排気に添加されるＮＯｘの還元剤又はその前駆体を水溶液の状態で貯蔵するタンクと、
    このタンクに貯蔵されている水溶液に含まれる還元剤又は前駆体の濃度を検出する濃度検出手段であって、温度に応じて電気特性値が変化する性質を有し、前記水溶液に直接的又は間接的に接触させて設置された第１の感温体と、この第１の感温体を加熱するヒータと、このヒータに対して熱的に絶縁させる一方、前記水溶液に接触させて設置された第２の感温体とを含んで構成され、前記ヒータを駆動するとともに、加熱された前記第１の感温体の電気特性値と、前記第２の感温体の電気特性値とに基づいて前記還元剤又は前駆体の濃度を算出する濃度検出手段と、
    検出された濃度が正常領域として定められる所定の領域以外の異常領域にあるときに、前記水溶液に関する所定の異常を検出する異常検出手段と、
    前記異常検出手段により前記所定の異常が検出された後、所定の確定条件が成立したこ
    とにより実際の異常判定を下す異常判定手段と、
    前記ヒータの駆動前における前記第１及び第２の感温体の各電気特性値の差、又は前記第１若しくは第２の感温体の電気特性値の濃度検出周期当たりの変化量をもとに、前記異常の検出に関する許可条件の成否を判定する許可判定手段と、を含んで構成され、
    前記異常検出手段は、前記許可判定手段により前記異常の検出が許可された検出許可時に検出された濃度をもとに、前記所定の異常を検出し、検出された濃度が前記異常領域中の第１の領域にあるときに、第１の異常を検出する一方、検出された濃度が前記異常領域中の、この第１の領域とは異なる第２の領域にあるときに、第２の異常を検出し、
    前記異常判定手段は、前記第１の異常の検出と関連させて第１の異常判定を下す一方、前記第２の異常の検出と関連させて第２の異常判定を下し、第２の異常判定後、検出された濃度が前記第２の領域から前記第１の領域に直接移行したことにより前記第１の異常が検出されたときは、この第１の異常の検出から所定の期間に亘り第２の異常判定を維持するエンジンの排気浄化装置。

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