JP5921178B2 - ガスセンサの故障を判定するための方法 - Google Patents
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Description
[0001]関連の背景は、排気ガス処理システムおよびそれに関する診断機能の分野に関する。先の努力傾注分野に関して、エンジン排気ガスの望ましくない構成成分の排出を最小限にするために様々な排気ガス処理システムが当技術分野で開発されている。選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム、触媒を含む処理デバイス、および触媒の前で排気ガス供給流中にアンモニア（ＮＨ３）などの材料を注入するように動作可能なシステムを使用してＮＯｘ排出を減少させることが知られている。ＳＣＲ触媒は、ＮＨ３（または他の還元剤、例えば排気中で分解されてＮＨ３を生成する水性尿素）によるＮＯｘの還元を促進するように構成される。ＮＨ３または尿素は、ＳＣＲ触媒の存在下でＮＯｘと選択的に結合してＮ２とＨ２Ｏを生成する。これは、「ＥＮＧＩＮＥ ＥＸＨＡＵＳＴ ＥＭＩＳＳＩＯＮ ＣＯＮＴＲＯＬ ＳＹＳＴＥＭ ＰＲＯＶＩＤＩＮＧ ＯＮ−ＢＯＡＲＤ ＡＭＭＯＮＩＡ ＧＥＮＥＲＡＴＩＯＮ」という名称の米国特許出願公開第２００７／０２７１９０８号に全般的に記載されており、その内容を参照として組み込む。例えばディーゼルエンジンに関しては、アンモニアによるＮＯｘの選択的触媒還元（ＳＣＲ）が、余剰酸素の存在下でＮＯｘを除去するのにおそらく最も選択性が高く、高活性の反応である。ＮＨ３源は定期的に補給しなければならず、ＳＣＲ触媒へのＮＨ３の注入には厳密な制御が必要である。過剰な注入は、テールパイプから雰囲気へのＮＨ３の解放（「スリップ」）を引き起こすことがあり、一方、注入が少なすぎると、排気の還元が不十分になる（すなわちＮ２とＨ２ＯへのＮＯｘ転換が不十分になる）ことがある。
[0002]これらのシステムは、静止・触媒用途では十分に実証されている。アンモニアを直接使用することが一般に可能でない（または少なくとも望ましくない）移動型の用途では、尿素水溶液が、排気ガス流中での適切なアンモニア源であることが実証されている。これにより、広範囲の車両用途でＳＣＲを使用できるようになっている。
[0002]これらのシステムは、静止・触媒用途では十分に実証されている。アンモニアを直接使用することが一般に可能でない（または少なくとも望ましくない）移動型の用途では、尿素水溶液が、排気ガス流中での適切なアンモニア源であることが実証されている。これにより、広範囲の車両用途でＳＣＲを使用できるようになっている。
[0003]テールパイプからのＮＯｘ排出量の削減を求めるより一層厳しい要件が、重量ディーゼル式車両に課されている。ＮＯｘの選択的触媒還元（ＳＣＲ）技術を用いた液体尿素定量供給システムが当技術分野で開発されており、これらのシステムは、世界中での現在および将来のディーゼルＮＯｘ排出基準に合うように実行し得る解決策を提供する。また、アンモニア排出量も、規制によって、または単純に品質の問題として設定されることがある。例えば、ＮＨ３スリップターゲットに関して提案される将来の欧州排出ガス規制（例えばＥＵ６）は、平均１０ｐｐｍ、ピークで３０ｐｐｍに指定する。しかし、処理システムが、最大の（すなわち少なくともＮＯｘ排出基準を満たす）ＮＯｘ還元を実現し、それと同時に、特に処理システムの寿命にわたって許容範囲内のＮＨ３排出を維持するという上述した課題が残っている。
[0004]上述した物質排出基準に加えて、車両ベースのエンジンおよび排出システムは、典型的には、テールパイプ排出基準の遵守を保証するために様々な自己監視診断機能も必要とする。これに関して、米国連邦政府および州政府の車載診断装置規制（例えばＯＢＤ−ＩＩ）は、いくつかの排出関連の車載システムが監視されること、およびシステムが所定の通りに機能していない場合に車両操作者が通知を受けるようにすることを要求する。したがって、自動車電子回路は、典型的には、事前プログラムされた診断データ管理機能または同様のサービスを含み、これは、様々な構成要素もしくはシステムの動作状態に関する診断アルゴリズム／回路から報告を受けるように、様々な標準化された診断トラブルコード（ＤＴＣ）をセット／リセットするように、かつ／またはそうでなければ警報（例えばＭＩＬ）を発するように構成される。そのような診断機能の狙いは、排出性能に影響が及ぼされるレベルまで構成要素および／またはシステムの性能が劣化した時に操作者に知らせ、修正を進めるように（例えばＤＴＣを介して）情報を提供することである。
[0005]上述した排気処理システムの寿命にわたって、様々な構成成分が摩耗や劣化などを生じ、場合によっては全体の性能を損なわせる。例えば、ＳＣＲ触媒または定量供給システムの劣化により、処理システムがＮＯｘおよびＮＨ３排出基準の一方または両方を満たさなくなることがある。そのような状況を検出するための診断方法は、「ＤＩＡＧＮＯＳＴＩＣ ＭＥＴＨＯＤＳ ＦＯＲ ＳＥＬＥＣＴＩＶＥ ＣＡＴＡＬＹＴＩＣ ＲＥＤＵＣＴＩＯＮ （ＳＣＲ） ＥＸＨＡＵＳＴ ＴＲＥＡＴＭＥＮＴ ＳＹＳＴＥＭＳ」という名称の米国特許出願公開第２０１０／０１０１２１４号に全般的に記載されており、その内容を参照として組み込む。しかし、どの技術分野でも常に改良が望まれている。
[0006]本発明の第１の態様では、ガスセンサの故障を識別するための方法が提供される。この方法は、ガス混合物中の第１のガス種とガス混合物中の第２のガス種の両方の濃度に従って変化する出力を有する第１のガスセンサから第１の出力信号を受信するステップを含む。この方法はさらに、ガス混合物中の第１のガス種とガス混合物中の第２のガス種の両方の濃度に従って変化する出力を有する第２のガスセンサから第２の出力信号を受信するステップを含む。この方法はさらに、第１の出力信号および第２の出力信号を、第１のガスセンサのモデルおよび第２のガスセンサのモデルを実装する診断制御装置内で処理して、第１のガスセンサまたは第２のガスセンサの故障を識別するステップを含む。
[0007]本発明の第２の態様では、ガスセンサ用の故障識別システムが、ガス混合物中の第１のガス種とガス混合物中の第２のガス種の両方の濃度に従って変化する出力を有する第１のガスセンサを含む。このシステムはさらに、ガス混合物中の第１のガス種とガス混合物中の第２のガス種の両方の濃度に従って変化する出力を有する第２のガスセンサを含む。このシステムはさらに、第１のガスセンサまたは第２のガスセンサの故障を識別するために第１のガスセンサのモデルおよび第２のガスセンサのモデルを実装する診断制御装置を含む。
[0008]本発明のさらなる態様は、本明細書で以下に提示する詳細な説明および実施例から明らかになろう。提示する詳細な説明および実施例は、例示として意図されており、本発明の範囲を制限する意図はないことを理解されたい。
[0014]次に図面を参照する。図面中、様々な図で同一の構成要素を識別するために同様の参照番号を使用する。図１は、例示的なディーゼルサイクル内燃機関１０を示す概略ブロック図であり、内燃機関１０の燃焼排気ガス１２が、排気ガス処理システム１４に供給される。排気ガスは、排気ガス処理システム１４を通って流れる流れとして表され、参照符号１２ＥＯ（エンジン出口）、１２１、１２２、１２３、および１２ＴＰ（テールパイプ）で表される一連の矢印として示される。本発明は、自動車の（すなわち移動型の）実施形態に関連付けて説明するが、静止型の用途にも有用に適用できることを理解すべきである。さらに、本発明の実施形態は、重量車両での用途（例えば高速道路トラクタやトラックなど）にも軽量車両での用途（例えば乗用車）にも使用することができる。加えて、本発明の実施形態は、さらに例えば圧縮点火（例えばディーゼル）エンジンや火花点火エンジンなど様々なタイプの内燃機関にも有用に適用できる。
[0015]例示的実施形態では、エンジン１０はターボ過給ディーゼルエンジンでよい。構成した実施形態では、エンジン１０は、ＤｕｒａＭａｘという商標名の下で市販されている従来の排気量６．６リットルの８気筒ターボ過給ディーゼルエンジンを備えた。これは例にすぎないことを理解すべきである。
[0016]また、図１は、エンジン１０の動作を制御するように構成されたエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）１６も示す。そのために、ＥＣＵ１６は、当技術分野で一般に知られている従来の装置を備えることができる。一般に、ＥＣＵ１６は、少なくとも１つのマイクロプロセッサまたは他の処理ユニットと、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）やランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）など関連のメモリデバイスと、タイミングクロックと、外部アナログおよびデジタルデバイスからの入力を監視し、出力デバイスを制御するための入力デバイスとを含むことができる。ＥＣＵ１６は、複数のセンサおよび入力機構を使用してエンジン動作状況および他の入力（例えば操作者入力）を監視するように動作可能であり、さらに、予め確立されたアルゴリズムと、監視された状況および入力からの情報を組み込む較正とを使用して、複数の出力システムおよびアクチュエータを用いてエンジン動作を制御するように動作可能である。見やすくするために、エンジンシステムで採用される従来のセンサの多くを省略していることを理解すべきである。ＥＣＵ１６は、エンジン１０から出る質量空気流量を示す排気空気質量流量（ＭＡＦ）パラメータ２０を計算するように構成することができる。
[0017]ＥＣＵ１６で実行されるソフトウェアアルゴリズムおよび較正は、一般に、当業者に知られている従来のストラテジを含むことがある。全般的には、ＥＣＵ１６は、様々な入力に応答して、燃料供給（燃料噴射器の開放、持続、および閉鎖）およびエンジン動作の他の側面を制御するのに必要な出力を生成する。これらはすべて当技術分野で知られている。
[0018]エンジン１０の制御に加えて、ＥＣＵ１６は、典型的には様々な診断も行うように構成される。このために、ＥＣＵ１６は、診断データ管理機能など、様々なより低レベルの診断ルーチン／回路から受信されるレポートを管理するより高レベルのサービスを含み、（１つまたは複数の）診断トラブルコード／サービスコードをセットまたはリセットし、様々な警報を発動または停止させるように構成されることができる。これらはすべて当技術分野で一般に知られている。一例として、いくつかの不連続監視診断機能においてそのような診断が２度失敗すると診断トラブルコード（ＤＴＣ）がセットされて故障表示ランプ（ＭＩＬ）が点灯されるように、そのような診断データ管理機能を予め構成することができる。図１に示されるように、ＥＣＵ１６は、対応する診断トラブルコード（ＤＴＣ）２４をセットするように、かつ／またはＭＩＬ２６の照明など操作者警報を発するように構成することができる。図示しないが、一実施形態では、ＥＣＵ１６は、そのようなセットされたＤＴＣを検索するために（例えば熟練した技師が）問い合わせることができるように構成することができる。一般に、診断トラブルコードの記憶およびその後の問合せおよび検索のプロセスは当業者によく知られており、さらに詳細には説明しない。
[0019]引き続き図１を参照すると、排気ガス処理システム１４は、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）２８と、ディーゼル粒子フィルタ（ＤＰＦ）３０と、定量供給サブシステム３２と、選択的触媒還元（ＳＣＲ）触媒３８とを含むことができ、定量供給サブシステム３２は、少なくとも（ｉ）還元剤（例えば尿素水溶液）貯蔵タンク３４および（ｉｉ）定量供給ユニット３６を含む。さらに、図１は、処理システム１４内に配設される、および／または処理システム１４によって使用される様々なセンサを示す。これらは、ＤＯＣ入口温度信号４１（ＴＤＯＣ＿ＩＮ）を生成するように構成されたＤＯＣ入口温度センサ３９と、感知されたＮＯｘ濃度を示すＮＯｘ信号４２（ＮＯｘ）を生成するように構成されたＮＯｘセンサ４０と、ＳＣＲ触媒３８の入口に位置され、第１の温度信号４６（ＴＩＮ）を生成するように構成された第１の排気ガス温度センサ４４と、第２の温度信号５０（ＴＯＵＴ）を生成するように構成された任意選択の第２の排気ガス温度センサ４８と、第１の圧力信号５４（ＰＩＮ）を生成するように構成された第１の圧力センサ５２と、第２の圧力信号５８（ＰＯＵＴ）を生成するように構成された第２の圧力センサ５６と、感知されたＮＨ３濃度を示すアンモニア濃度信号６２を生成するように構成されたアンモニア（ＮＨ３）濃度センサ６０とを含む。多くの商用車では、テールパイプから出るＮＯｘ濃度を示す第２のＮＯｘ信号６６を生成するためのＮＯｘセンサ６４が提供される。しかし、そのようなセンサは、万全を期すためにのみ図示する。
[0020]ＤＯＣ２８およびＤＰＦ３０は、それらの既知の機能を行うために従来の構成要素を備えることができる。
[0021]定量供給サブシステム３２は、供与量制御装置８０によって生成されるＮＨ３要求信号に応答し、注入点（ｎｏｄｅ）６８にＮＯｘ還元物質を送達するように構成され、このＮＯｘ還元物質は、制御された正確な供与量７０（例えば単位時間当たりの質量）で排気ガス流中に導入される。一般に、還元物質（「還元剤」）は、（１）ＮＨ３ガス、または（２）所定の既知の濃度の尿素を含有する尿素水溶液でよい。見やすくするために、定量供給ユニット３２はブロック形式で図示してあり、いくつかの下位要素を備えることができ、これらの下位要素は、限定はしないが、一体型ポンプまたは貯蔵タンクから尿素水溶液を加圧下で輸送する他の圧力源を含むことがある流体送達機構と、（点６８での）電子制御式噴射器やノズルなど流体調整機構と、プログラムされた供与量制御ユニットとを含むことができる。定量供給サブシステム３２は、当技術分野で知られている様々な形態を取ることができ、市販の構成要素を備えることができる。
[0021]定量供給サブシステム３２は、供与量制御装置８０によって生成されるＮＨ３要求信号に応答し、注入点（ｎｏｄｅ）６８にＮＯｘ還元物質を送達するように構成され、このＮＯｘ還元物質は、制御された正確な供与量７０（例えば単位時間当たりの質量）で排気ガス流中に導入される。一般に、還元物質（「還元剤」）は、（１）ＮＨ３ガス、または（２）所定の既知の濃度の尿素を含有する尿素水溶液でよい。見やすくするために、定量供給ユニット３２はブロック形式で図示してあり、いくつかの下位要素を備えることができ、これらの下位要素は、限定はしないが、一体型ポンプまたは貯蔵タンクから尿素水溶液を加圧下で輸送する他の圧力源を含むことがある流体送達機構と、（点６８での）電子制御式噴射器やノズルなど流体調整機構と、プログラムされた供与量制御ユニットとを含むことができる。定量供給サブシステム３２は、当技術分野で知られている様々な形態を取ることができ、市販の構成要素を備えることができる。
[0022]ＳＣＲ触媒３８は、一方としてのＮＯｘと、他方としてのアンモニアガスＮＨ３（または分解してアンモニアＮＨ３になる水性尿素）など還元剤との選択的還元反応を促進するためのメカニズムを提供するように構成される。従来技術の項で上述したように、そのような選択的還元の生成物はＮ２とＨ２Ｏである。一般に、関連する化学反応は文献に十分に記載されており、当業者にはよく理解されているので、より詳細には説明しない。一実施形態では、ＳＣＲ触媒３８は、銅ゼオライト（Ｃｕ−ｚｅｏｌｉｔｅ）材料を含むことがあるが、他の材料も知られている。例えば、Ｌａｂａｒｇｅらに付与された「ＨＩＧＨ ＳＵＲＦＡＣＥ ＡＲＥＡ ＬＥＡＮ ＮＯｘ ＣＡＴＡＬＹＳＴ」という名称の米国特許第６５７６５８７号、およびＬｉらに付与された「ＥＸＨＡＵＳＴ ＴＲＥＡＴＭＥＮＴ ＳＹＳＴＥＭＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＦＯＲ ＵＳＩＮＧ ＴＨＥ ＳＡＭＥ」という名称の米国特許第７２４０４８４号を参照されたい。それらの特許はどちらも、本発明と同一の譲受人によって所有されており、それらの全体を参照として本明細書に組み込む。さらに、図示されるように、ＳＣＲ触媒３８はマルチブリック構成でよく、複数の個別のブリック（ｂｒｉｃｋ）３８１、３８２を含み、各「ブリック」が実質的に円板形状でよい。知られているように、「ブリック」は適切な筐体内に収容することができる。
[0023]ＮＯｘ濃度センサ４０は、注入点６８の上流に位置される。すなわち、ＮＯｘセンサ４０は、ＮＨ３ガスの存在により生じ得るＮＯｘ感知機能に対する干渉を回避するように位置される。しかし、別法として、ＮＯｘセンサ４０をさらに上流に、すなわちＤＯＣ２８とＤＰＦ３０の間、またはＤＯＣ２８の上流に位置させることもできる。さらに、本明細書ではしばしば排気温度に言及するが、そのために、ＳＣＲ入口温度センサ４４（ＴＩＮ）からの温度読取りを使用することができる。
[0024]いくつかの実施形態では、ＮＨ３センサ６０は、実線で示されるようにブリック間の位置に位置させることができる（すなわち、ＳＣＲ触媒３８の入口の下流であってＳＣＲ触媒３８の出口の上流の任意の位置に位置させることができる）。図示されるように、ＮＨ３センサ６０は、ほぼ中央の位置に位置させることができる。ブリック間での位置決めが重要である。この構成での感知されるアンモニア濃度レベルは、正常動作中でさえ、小さいが検出可能なレベルのブリック間ＮＨ３スリップであり、ここで、後方にあるブリックの存在下で、下流でのこの検出可能なＮＨ３によるＮＯｘ転換を仮定することができ、テールパイプでのＮＨ３濃度レベルを許容レベル内までさらに減少させる。あるいは、いくつかの実施形態では、ＮＨ３センサ６０をＳＣＲ触媒３８の出口に位置させることができる。図１に示されるセンサの残りの部分は、従来の構成要素を備えることができ、当業者に知られている従来の様式で機能するように構成される。
[0025]供与量制御装置８０は、ＮＨ３要求信号を生成するように構成され、この信号は定量供給ユニット３６に送信され、排気ガス流に送達すべき還元剤の指定量（例えば質量流量）に関するコマンドを表す。供与量制御装置８０は、本明細書で説明する様々なセンサや他の制御ユニットなどと連結するために、参照番号１８で表される複数の入出力部を含む。供与量制御装置８０を独立したブロックとして図示したが、特定の構成に応じて、供与量制御装置８０の機能は、独立した制御装置に実装する、ＥＣＵ１６に組み込む、またはシステム内に既にある他の制御ユニット（例えば定量供給ユニット）に全体または一部を組み込むことができることを理解すべきである。さらに、供与量制御装置８０は、本明細書で説明する制御機能だけでなく、やはり本明細書で説明する様々な診断も行うように構成することができる。そのために、供与量制御装置８０は、当技術分野で知られている従来の処理装置を含むことができ、処理装置は、関連のメモリに記憶された事前プログラムされた命令を実行することができ、すべて本明細書で説明する機能に従って実行される。すなわち、１つの好ましい実施形態では、本明細書で説明する制御および診断プロセスがプログラムされ、得られたソフトウェアコードが関連のメモリに記憶されることが企図される。前述の実施可能な説明に鑑みて、本発明をソフトウェアで実装するには、当業者の通常のプログラミング技能があれば足りる。さらに、そのような制御装置は、ＲＯＭとＲＡＭの両方を備えるタイプのもの、すなわち不揮発性メモリと揮発性（変更可能）メモリの組合せでよく、それにより、ソフトウェアを記憶することができる一方で、動的に生成されるデータおよび／または信号の記憶および処理を可能にする。
[0026]アンモニア（ＮＨ３）濃度センサ６０は、「ＡＭＭＯＮＩＡ ＧＡＳ ＳＥＮＳＯＲ」という名称の米国特許出願公開第２０１０／００３２２９２号に全般的に記載されているガスセンサを備えることができ、その特許文献の内容を参照として組み込む。このセンサは第１の電極材料を含み、この第１の電極材料は、感知されたガス中のＮＨ３濃度に敏感であるが、感知されたガス中のＮＯ２濃度からの相互干渉も受けやすい。第２の電極材料も提供され、これは、ＮＨ３またはＮＯに対する電気化学的感度よりも、ＮＯ２に対する電気化学的感度が高い。米国特許出願公開第２０１０／００３２２９２号の開示は、２つのセンサ電極材料からの信号を処理してＮＨ３濃度の決定を改良することができる方法を詳述する。この開示の詳細はここでは繰り返さないが、本発明の態様を理解する助けとして、開示されているセンサ電極材料の特性を論じることは有用である。
[0027]図２を参照すると、ガスセンサの電圧出力のグラフ１００が示されている。試験したセンサは、ＢｉＶＯ４（５％ＭｇＯ）ＮＨ３電極、ＴｂＭｇ０．２Ｃｒ０．８Ｏ３ＮＯｘ電極、およびＰｔ基準電極を有していた。センサを５６０℃で動作させた。グラフは、ＮＨ３感知セルでの電圧を示す線（線１０２）と、ＮＯｘ感知セルでの電圧を示す線（線１０４）と、ＮＨ３−ＮＯｘセルでの電圧を示す線１０６とを含む。グラフ１００はさらに、ＮＯ２およびＮＯ濃度を表す４つの時間間隔を含む。すなわち、ＮＯおよびＮＯ２濃度が０ｐｐｍ（ｐａｒｔｓ ｐｅｒ ｍｉｌｌｉｏｎ）である第１の時間間隔１０８と、ＮＯ濃度が４００ｐｐｍでありＮＯ２濃度が０ｐｐｍである第２の時間間隔１１０と、ＮＯ濃度が２００ｐｐｍでありＮＯ２濃度が２００ｐｐｍである第３の時間間隔１１２と、ＮＯ濃度が０ｐｐｍでありＮＯ２濃度が４００ｐｐｍである第４の時間間隔１１４とである。
[0028]時間間隔１０８、１１０、１１２、１１４はそれぞれ、ＮＨ３濃度を表す７つの小区分を含む。すなわち、ＮＨ３濃度が１００ｐｐｍである第１の小区分１１６と、ＮＨ３濃度が５０ｐｐｍである第２の小区分１１８と、ＮＨ３濃度が２５ｐｐｍである第３の小区分１２０と、ＮＨ３濃度が１０ｐｐｍである第４の小区分１２２と、ＮＨ３濃度が５ｐｐｍである第５の小区分１２４と、ＮＨ３濃度が２．５ｐｐｍである第６の小区分１２６と、ＮＨ３濃度が０ｐｐｍである第７の小区分１２８とである。残りのガスは、１０％のＯ２、１．５％のＨ２Ｏ、および残部のＮ２から構成される。
[0029]図２に示されるように、ＮＨ３感知セルでの電圧を表す線１０２は、測定されるガスからＮＯ２が排除されている時間間隔１０８と１１０では同一である。しかし、線１０２によって表されるＮＨ３感知セルでの電圧は、ＮＯ２が存在する区分１１２および１１４ではより低い値（より高い絶対値）を有し、それにより、ＮＨ３感知セルに対するＮＯ２の相互干渉効果を実証する。
[0030]同様に、図２は、ＮＯ２感知セルに対するＮＨ３の相互干渉効果も示す。ＮＯｘが存在するどの時間間隔１１０、１１２、１１４内においても、ＮＯｘ感知セルでの電圧を表す線１０４は、各時間間隔の小区分１１６での１００ｐｐｍから各時間間隔の小区分１２８での０ｐｐｍまでＮＨ３濃度が変えられる時のＮＨ３濃度の影響を示す。
[0031]本明細書で開示するシステムおよび方法は、センサの故障決定を改良できるようにするために、これらの相互干渉効果を利用する。本発明のシステムおよび方法の一態様では、２つの電極材料それぞれによって生成される出力信号を比較して、ＮＨ３およびＮＯ２の濃度によって生み出される効果が電極材料の既知の相互干渉特性と一致するかどうか判断する。以下、例示的にこれらの態様をさらに説明する。
[0032]図３は、システム内にセンサを接続することができる一法を示す概略図である。図３において、センサアセンブリの全体が参照番号１６０として示され、センサアセンブリ１６０は、第１の感知セル１６２と、第２の感知セル１６６と、両感知セル１６２および１６６に熱的に結合された加熱器１７０とを含む。感知セル１６２は、ガス種の濃度に関係付けられる電圧ＥＭＦ１を生成し、感知セル１６６は、ガス種の濃度に関係付けられる電圧ＥＭＦ２を生成する。感知セル１６２および１６６は、それぞれ関連の電源インピーダンス１６４および１６８を含むと考えることができる。ｅｍｆＥＭＦ１、ＥＭＦ２と、感知セル１６２、１６６の電源インピーダンス１６４、１６８はどちらも感知セルの温度によって影響を及ぼされ、加熱器１７０は、所望のレベルで感知セル１６２、１６６の温度を維持するように制御される。また、センサ１６０は、加熱器１７０によって生成される温度を感知するために温度センサ（図示せず）を含むこともできる。図３は、ただ１つの加熱器と熱的に連絡する２つのｅｍｆセルを示すが、ｅｍｆセルを個別の物理的実施形態で含むこともでき、各ｅｍｆセルが専用の関連の加熱器を有することもあることを理解されたい。
[0033]引き続き図３を参照すると、センサ１６０は、参照番号１８０で全体を表されるインターフェース装置に電気的に接続される。装置１８０は、感知セル１６２、１６６によって生成される電圧を測定するための測定手段１８６を含むものとして図示される。また、装置１８０は、加熱器１７０を所望の温度で維持するために、加熱器１７０と電気的に連絡する加熱器制御手段も含む。さらに、装置１８０は、第１の感知セル１６２の出力と電圧源Ｖ＋の間に接続された第１のプルアップ抵抗器１８２と、第２の感知セル１６６の出力と電圧源Ｖ＋の間に接続された第２のプルアップ抵抗器１８４とを含むものとして図示される。以下の実施例の論述において図３を参照する。
[0034]（還元剤定量供給中のセンサ合理性試験）第１の診断方法は、還元剤が排気ガスに添加される、例えば尿素溶液が注入される時間間隔中に使用することができる。そのような時間間隔中、排気センサがさらされるガスは、比較的高濃度のＮＨ３を有する。図２に示されるように、ＮＨ３感知セル（その出力が線１０２で示される）とＮＯｘ感知セル（その出力が線１０４で示される）はどちらも、感知されたガス中のＮＨ３の濃度によって影響を及ぼされる。以下の論述では、ＮＨ３感知セルの出力をＥＭＦ１と表し、ＮＯｘ感知セルの出力をＥＭＦ２と表す。
[0035]図４を参照すると、第１の診断方法２００は、それぞれＮＨ３感知セルおよびＮＯｘ感知セルからＥＭＦ１およびＥＭＦ２の値を受け取るステップ２０５を含む。決定ステップ２１０において、ステップ２０５で受け取られたＥＭＦ１およびＥＭＦ２の測定値が、それぞれのセンサに関する所定の範囲とそれぞれ比較される。図３から理解されるように、還元剤定量供給中に測定される非常に低いＥＭＦ１の値は、感知セル１６２での短絡または感知セル１６２の他の損傷を示すものであることがある。還元剤定量供給中に測定される非常に低いＥＭＦ２の値は、感知セル１６６での短絡または感知セル１６６の他の損傷を示すものであることがある。ＥＭＦ１またはＥＭＦ２の非常に高い測定値は、感知セル１６２または１６６での高いインピーダンスによるものであることがあり、これは、損壊したセンサ、または加熱器１７０もしくは加熱器制御装置１８８の不適切な動作によって引き起こされることがある。また、ＥＭＦ１の高い測定値は、測定手段１８６と感知セル１６２の間の回路において開放された導体またはコネクタによるものであることもあり、それにより、測定手段１８６がプルアップ抵抗器１８２を通してＶ＋を受け取る。また、ＥＭＦ２の高い測定値は、測定手段１８６と感知セル１６６の間の回路において開放された導体またはコネクタによるものであることもあり、それにより、測定手段１８６がプルアップ抵抗器１８４を通してＶ＋を受け取る。ＥＭＦ１および／またはＥＭＦ２が所定の時間量を超えて一定値に留まる場合、これは、感知セル１６２および／または１６６が排気ガスから隔離されている可能性があることを示すことがあり、この原因は、例えば、センサ遮蔽または被覆層が煤またはセンサにとって有害な化学物質によって塞がれたことである。決定ステップ２１０で、ＥＭＦ１および／またはＥＭＦ２の測定値が所定の範囲外にあるという結果が得られた場合、プロセスフローはステップ２４０に進む。
[0036]ステップ２１５で、受け取られたＥＭＦ１およびＥＭＦ２の値からＮＨ３の濃度が求められる。ＮＨ３の濃度は、ＥＭＦ１およびＥＭＦ２をＮＨ３濃度に関係付ける所定の特性方程式を含む計算に基づいて求めることができる。例示的な特性方程式は、２０１０年１２月２１日出願の「ＭＥＴＨＯＤ ＡＮＤ ＤＥＶＩＣＥ ＦＯＲ ＣＨＡＲＡＣＴＥＲＩＺＡＴＩＯＮ ＡＮＤ ＳＥＮＳＩＮＧ ＯＦ ＥＸＨＡＵＳＴ ＧＡＳ ＡＮＤ ＣＯＮＴＲＯＬ ＯＦ ＥＮＧＩＮＥＳ ＡＮＤ ＣＯＭＰＯＮＥＮＴＳ ＦＯＲ ＡＦＴＥＲＴＲＥＡＴＭＥＮＴ ＯＦ ＥＸＨＡＵＳＴ ＧＡＳＥＳ」という名称の米国特許出願第１２／９７４２６６号に開示されており、その特許文献の内容を参照として本明細書に組み込む。あるいは、ステップ２１５で、ＥＭＦ１およびＥＭＦ２を入力として使用するルックアップテーブルによってＮＨ３の濃度を求めることができる。
[0037]ステップ２２０で、ステップ２１５で求められたＮＨ３の濃度を使用して、ＮＨ３濃度に対するＮＯｘ感知セルの感度を表す所定の関係に基づいて予測されるＥＭＦ２値を求める。ＥＭＦ２の予測値は、ＥＭＦ２をＮＨ３濃度に関係付けるＮＯｘ感知セルに関する所定の数学モデルに基づく計算に基づいて求めることができる。あるいは、ＥＭＦ２の予測値は、入力としてＮＨ３濃度を使用するテーブルルックアップによって求めることができる。
[0038]引き続き図４を参照すると、方法は、さらなる一連の決定ステップ２２５、２３０、および２３５を含む。ステップ２２５は、ＮＨ３濃度に基づくＥＭＦ２の予測値を所定の範囲と比較する。ＥＭＦ２の予測値が所定の範囲外である場合、これは、一方または両方の感知セル１６２、１６６の劣化を示し、この劣化は例えばセルの老化または汚染により生じることがある。決定ステップ２２５で、ＥＭＦ２の予測値が所定の範囲外であるという結果が得られた場合、プロセスフローはステップ２４０に進む。
[0039]ステップ２２５での試験が故障状態を示さない場合、方法は続いてステップ２３０に進む。このステップでは、差（ＥＭＦ２の予測値−ＥＭＦ２の測定値）が所定のしきい値と比較される。この差がしきい値を下回る場合、これは、ＮＨ３感知セルの機能不良を示すものであることがあり、この機能不良は、ステップ２１０でのＮＨ３濃度の過小評価、およびそれに対応するステップ２１５でのＥＭＦ２の予測値の過小評価をもたらす。機能不良が示される場合、方法はステップ２４０に進む。
[0040]ステップ２３０での試験が故障状態を示さない場合、方法は続いてステップ２３５に進む。このステップでは、差（ＥＭＦ２の予測値−ＥＭＦ２の測定値）が所定のしきい値と比較される。この差がこのしきい値を上回る場合、これは、ＮＯｘ感知セルの機能不良を示すものであることがあり、この機能不良により、セルは、ＮＯｘ感知セルの特性として知られているＮＨ３に対する相互干渉効果を示さなくなる。ステップ２３５によって機能不良が示される場合、方法はステップ２４０に進む。機能不良が検出されない場合、診断ルーチン２００から抜ける。
[0041]決定ステップ２１０、２２５、２３０、または２３５によって故障状態が検出されると、方法２００におけるステップ２４０に入る。ステップ２４０は、該当する故障状態を示す。故障状態に対するシステムの応答は、故障状態の性質によって決まることができる。例えば、診断トラブルコード（ＤＴＣ）がセットされることがあり、かつ／または故障表示ランプ（ＭＩＬ）が点灯されることがある。故障状態の性質によっては、エンジンまたは排気処理システムの制御をフェールセーフバックアップモードに変えることができ、操縦性を保ち、かつ／または他の構成要素に対する損傷を防止する。
[0042]（還元剤定量供給のない時間間隔中のセンサ合理性試験）第２の診断方法は、還元剤が排気ガスに添加されていない時間中に実行することができる。そのような時間間隔中、排気センサがさらされるガスは、エンジンマッピングまたは直接の測定によって予め決定することができるかなりの量のＮＯ２を含有し、また実質的にゼロのＮＨ３を含有する。先と同様に、以下の論述では、ＮＨ３感知セルの出力をＥＭＦ１と表し、ＮＯｘ感知セルの出力をＥＭＦ２と表す。
[0043]再び図２を参照すると、（時間間隔１０８、１１０、１１２、および１１４での小区分１２８で見られる）無視できるほど微量のＮＨ３という条件下で、（線１０２として示される）ＥＭＦ１が、ＮＯ２濃度に対する測定可能な感度を示すことを理解されよう。時間間隔１０８および１１０は、測定されるガスからＮＯ２が排除された状態を表し、時間間隔１１２は、２００ｐｐｍのＮＯ２を表し、時間間隔１１４は、４００ｐｐｍのＮＯ２を表すことを想起されたい。本発明の一態様は、さらなる診断情報を提供するために、低いＮＨ３レベルでのＮＨ３感知セルに対するＮＯ２のこの相互干渉効果を利用する。
[0044]図５を参照すると、第２の診断方法３００は、それぞれＮＨ３感知セルおよびＮＯｘ感知セルからＥＭＦ１およびＥＭＦ２の値を受け取るステップ３０５を含む。
[0045]ステップ３１５で、ＥＭＦ１およびＥＭＦ２の予測値が求められる。ＥＭＦ１およびＥＭＦ２の予測値の決定は、排気中のＮＯおよびＮＯ２のレベルをエンジン動作状況に関係付ける所定のエンジンマッピング情報に基づくことができる。あるいは、ＥＭＦ１およびＥＭＦ２の予測値は、例えば図１のセンサ４０など別のセンサからの測定ＮＯｘレベルに基づいて求められることができる。さらに、ＥＭＦ１およびＥＭＦ２の予測値の決定は、ＥＭＦ１およびＥＭＦ２を排気中のＮＯおよびＮＯ２のレベルに関係付ける所定のセンサ特性に基づくことができる。ＥＭＦ１およびＥＭＦ２の予測値の決定は、ルックアップテーブル、式を利用した計算、またはそれらの組合せによって達成することができる。あるいは、ＥＭＦ１およびＥＭＦ２の測定値を利用して、所定のセンサモデルに基づいてＮＯおよびＮＯ２（ＮＯｘ）を計算することができる。計算されたＮＯおよびＮＯ２（ＮＯｘ）は、所定のエンジンマッピングに基づく、またはセンサ４０など別のＮＯｘセンサを用いたＮＯおよびＮＯ２（ＮＯｘ）の予測値と比較することができる。
[0045]ステップ３１５で、ＥＭＦ１およびＥＭＦ２の予測値が求められる。ＥＭＦ１およびＥＭＦ２の予測値の決定は、排気中のＮＯおよびＮＯ２のレベルをエンジン動作状況に関係付ける所定のエンジンマッピング情報に基づくことができる。あるいは、ＥＭＦ１およびＥＭＦ２の予測値は、例えば図１のセンサ４０など別のセンサからの測定ＮＯｘレベルに基づいて求められることができる。さらに、ＥＭＦ１およびＥＭＦ２の予測値の決定は、ＥＭＦ１およびＥＭＦ２を排気中のＮＯおよびＮＯ２のレベルに関係付ける所定のセンサ特性に基づくことができる。ＥＭＦ１およびＥＭＦ２の予測値の決定は、ルックアップテーブル、式を利用した計算、またはそれらの組合せによって達成することができる。あるいは、ＥＭＦ１およびＥＭＦ２の測定値を利用して、所定のセンサモデルに基づいてＮＯおよびＮＯ２（ＮＯｘ）を計算することができる。計算されたＮＯおよびＮＯ２（ＮＯｘ）は、所定のエンジンマッピングに基づく、またはセンサ４０など別のＮＯｘセンサを用いたＮＯおよびＮＯ２（ＮＯｘ）の予測値と比較することができる。
[0046]方法３００でのステップ３２０は、ステップ３１５で求められたＥＭＦ１の予測値をステップ３０５で受け取られたＥＭＦ１の測定値と比較する。予測値と測定値の差が所定の範囲外である場合、これは故障状態を示す。例えば、ＥＭＦ１の予測値よりもかなり低いＥＭＦ１の測定値は、感知セル１６２での短絡または感知セル１６２の他の損傷を示すことがある。また、予測値よりも低いＥＭＦ１の値は、感知セル１６２の熱損傷（溶融）または化学的汚染により生じることもある。
[0047]ＥＭＦ１の予測値よりもかなり高いＥＭＦ１の測定値は、感知セル１６２の高いインピーダンスを示すことがあり、これは、損壊した感知セル１６２、または加熱器１７０もしくは加熱器制御装置１８８の不適切な動作によって引き起こされることがある。また、予想値よりも高いＥＭＦ１の値は、測定手段１８６と感知セル１６２の間の回路において開放された導体またはコネクタによるものであることもあり、それにより、測定手段１８６がプルアップ抵抗器１８２を通してＶ＋を受け取る。決定ステップ３２０で、ＥＭＦ１の測定値がＥＭＦ１の予測値から所定量よりも大きく異なるという結果が得られた場合、プロセスフローはステップ３４０に進む。
[0048]ステップ３２０でのＥＭＦ１の試験が故障状態を示さない場合、ステップ３２５は、ステップ３１５で求められたＥＭＦ２の予測値をステップ３０５で受け取られたＥＭＦ２の測定値と比較することによって、ＥＭＦ２に対して同様の試験を行う。予測値と測定値の差が所定の範囲外である場合、これは故障状態を示す。例えば、ＥＭＦ２の予測値よりもかなり低いＥＭＦ２の測定値は、感知セル１６６での短絡または感知セル１６６の他の損傷を示すことがある。また、予測値よりも低いＥＭＦ２の値は、感知セル１６６の熱損傷（溶融）または化学的汚染により生じることもある。
[0049]ＥＭＦ２の予測値よりもかなり高いＥＭＦ２の測定値は、感知セル１６６の高いインピーダンスを示すことがあり、これは、損壊した感知セル１６６、または加熱器１７０もしくは加熱器制御装置１８８の不適切な動作によって引き起こされることがある。また、予想値よりも高いＥＭＦ２の値は、測定手段１８６と感知セル１６６の間の回路において開放された導体またはコネクタによるものであることもあり、それにより、測定手段１８６がプルアップ抵抗器１８４を通してＶ＋を受け取る。決定ステップ３２５で、ＥＭＦ２の測定値がＥＭＦ２の予測値から所定量よりも大きく異なるという結果が得られた場合、プロセスフローはステップ３４０に進む。機能不良が検出されない場合、診断ルーチン３００から出る。
[0050]決定ステップ３２０か３２５のいずれかによって故障状態が検出されると、方法３００におけるステップ３４０に入る。ステップ３４０は、該当する故障状態を示す。故障状態に対するシステムの応答は、故障状態の性質によって決まることができる。例えば、診断トラブルコード（ＤＴＣ）がセットされることがあり、かつ／または故障表示ランプ（ＭＩＬ）が点灯されることがある。故障状態の性質によっては、エンジンまたは排気処理システムの制御をフェールセーフバックアップモードに変えることができ、操縦性を保ち、かつ／または他の構成要素に対する損傷を防止する。
[0051]上述の実施例において、示した方法ステップの順序は一例にすぎない。本明細書に開示する本発明の概念から逸脱することなくいくつかのステップを異なる順序で行うことができることを当業者は理解されよう。本発明をその実施形態に関して説明してきたが、本発明は、それに限定されるものとは意図されておらず、添付の特許請求の範囲に記載した範囲にのみ限定されるものと意図される。
１０ 内燃機関、エンジン
１２ 燃焼排気ガス
１４ 排気ガス処理システム
１６ エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）
１８ 入出力部
２０ 排気空気質量流量（ＭＡＦ）パラメータ
２４ 診断トラブルコード（ＤＴＣ）
２８ ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）
３０ ディーゼル粒子フィルタ（ＤＰＦ）
３２ 定量供給サブシステム
３４ 還元剤（例えば尿素水溶液）貯蔵タンク
３６ 定量供給ユニット
３８ 選択的触媒還元（ＳＣＲ）触媒
３９ ＤＯＣ入口温度センサ
４０ ＮＯｘセンサ
４２ ＮＯｘ信号
４４ 第１の排気ガス温度センサ
４６ 第１の温度信号
４８ 第２の排気ガス温度センサ
５０ 第２の温度信号
５２ 第１の圧力センサ
５４ 第１の圧力信号
５６ 第２の圧力センサ
５８ 第２の圧力信号
６０ アンモニア（ＮＨ３）濃度センサ
６２ アンモニア濃度信号
６４ ＮＯｘセンサ
６６ 第２のＮＯｘ信号
６８ 注入点
７０ 供与量
８０ 供与量制御装置
１２ 燃焼排気ガス
１４ 排気ガス処理システム
１６ エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）
１８ 入出力部
２０ 排気空気質量流量（ＭＡＦ）パラメータ
２４ 診断トラブルコード（ＤＴＣ）
２８ ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）
３０ ディーゼル粒子フィルタ（ＤＰＦ）
３２ 定量供給サブシステム
３４ 還元剤（例えば尿素水溶液）貯蔵タンク
３６ 定量供給ユニット
３８ 選択的触媒還元（ＳＣＲ）触媒
３９ ＤＯＣ入口温度センサ
４０ ＮＯｘセンサ
４２ ＮＯｘ信号
４４ 第１の排気ガス温度センサ
４６ 第１の温度信号
４８ 第２の排気ガス温度センサ
５０ 第２の温度信号
５２ 第１の圧力センサ
５４ 第１の圧力信号
５６ 第２の圧力センサ
５８ 第２の圧力信号
６０ アンモニア（ＮＨ３）濃度センサ
６２ アンモニア濃度信号
６４ ＮＯｘセンサ
６６ 第２のＮＯｘ信号
６８ 注入点
７０ 供与量
８０ 供与量制御装置
Claims (8)
- ガス混合物にさらされるガスセンサの故障を判定するための方法であって、
前記ガス混合物中の第１のガス種の濃度と前記ガス混合物中の第２のガス種の濃度との両方に従って変化する出力を有する第１のガスセンサから第１の出力信号を受信するステップと、
前記ガス混合物中の前記第１のガス種の濃度と前記ガス混合物中の前記第２のガス種の濃度との両方に従って変化する出力を有する第２のガスセンサから第２の出力信号を受信するステップと、
前記第１のガスセンサまたは前記第２のガスセンサの故障を判定するように、前記第１の出力信号および前記第２の出力信号を、前記第１のガスセンサのモデルおよび前記第２のガスセンサのモデルを実装する診断制御装置内で処理するステップと、
判定された故障を示すステップと
を含み、
前記ガス混合物が、前記ガス混合物中にアンモニアを制御可能に導入するための手段を備える排気システムを有する内燃機関からの排気ガスを含み、前記第１のガス種がＮＨ ３ であり、前記第２のガス種がＮＯ ｘ であり、
前記第１の出力信号および前記第２の出力信号の処理が、
前記ガス混合物中の前記第１のガス種の濃度を計算するように、前記第１の出力信号および前記第２の出力信号を前記モデルへの入力として使用するステップと、
前記第２のガスセンサから予測信号レベルを計算するように、計算された前記第１のガス種の前記濃度を前記第２のガスセンサの前記モデルへの入力として使用するステップと、
前記第２の出力信号が第１の所定の範囲内にない場合に、第１の故障状態を示すステップと、
前記予測信号レベルが第２の所定範囲内にない場合に、第２の故障状態を示すステップと、
前記第２の出力信号と前記予測信号レベルの差が第３の所定の範囲内にない場合に、第３の故障状態を示すステップと
を含む方法。 - 前記ガス混合物中にアンモニアを制御可能に導入するための手段が前記ガス混合物中にアンモニアを導入するように制御される時に、前記第１の出力信号および前記第２の出力信号が測定される請求項１に記載の方法。
- 前記第１の所定の範囲、前記第２の所定の範囲、および前記第３の所定の範囲のうち少なくとも１つが、前記内燃機関の動作状態の関数である請求項２に記載の方法。
- 前記第１の出力信号および前記第２の出力信号の処理が、
前記第１の出力信号が第４の所定の範囲内にない場合に、第４の故障状態を示すステップを含む請求項１に記載の方法。 - 前記ガス混合物中にアンモニアを制御可能に導入するための手段が前記ガス混合物中へのアンモニアの導入を妨げるように制御される時に、前記第１の出力信号および前記第２の出力信号が測定される請求項４に記載の方法。
- 前記第１の所定の範囲および前記第２の所定の範囲のうちの少なくとも一方が、前記内燃機関の動作状態の関数である請求項５に記載の方法。
- 判定された故障を示す前記ステップが、出力装置を制御するように動作可能な信号を発生するステップを含む請求項１に記載の方法。
- 前記出力装置が、視覚表示装置またはメモリ記憶デバイスである請求項７に記載の方法。
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