JP2008240546A - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】感温型の濃度センサによる濃度の検出に対する外乱の影響を排除して、貯蔵タンクに貯えられている還元剤等の水溶液に関する異常を確実に検出する。
【解決手段】温度に応じて電気特性値が変化する性質を有する感温体と、この感温体に対して熱的に接続されたヒータとを有する濃度センサ７４を備える。この感温型の濃度センサ７４は、ヒータを駆動するとともに、ヒータにより加熱された感温体の電気特性値を、還元剤又は前駆体の濃度Ｄとして出力するものである。エンジンが停止しているか否かを判定し、停止していると判定されたエンジン停止時に濃度センサ７４により検出された濃度Ｄに基づいて、これが所定の値Ｄｓｌｈを境界として定められる正常領域以外の領域にあるときに、貯えられている水溶液に関する異常を検出する（Ｓ４０７）。
【選択図】 図７

Description

本発明は、エンジンの排気浄化装置に関し、詳細には、窒素酸化物（以下「ＮＯｘ」という。）の還元剤又はその前駆体を水溶液の状態で貯蔵するものにおいて、貯蔵されている還元剤等の水溶液に関して発生する異常を、感温型の濃度センサを使用して、液揺れ等の外乱の影響を受けることなく確実に検出するための技術に関する。

エンジンから排出される大気汚染物質、特に排気中のＮＯｘを後処理により浄化するものとして、尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）法による次のような排気浄化装置が知られている。エンジンの排気にＮＯｘの還元剤であるアンモニアを添加し、排気中のＮＯｘとこのアンモニアとを還元触媒上で反応させて、ＮＯｘを浄化するものである。尿素ＳＣＲ法による排気浄化装置においては、車上でのアンモニアの貯蔵容易性を考慮して、貯蔵タンクにアンモニアの前駆体である尿素を水溶液の状態で貯蔵しておく（特許文献１）。尿素水は、無臭の水溶液であり、安全性及び安定性も高いことから、一般の使用者であっても取扱いが可能である。そして、実際の運転に際しては、還元触媒の上流に設置された噴射ノズルに対してこの貯蔵タンクから尿素水を供給し、供給された尿素水を排気通路内に噴射することで、排気熱を利用した尿素の加水分解反応を生じさせて、アンモニアを発生させる。

ここで、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て、ＮＯｘの還元反応を良好に生じさせるには、貯蔵タンクに貯えられている尿素水の実際の濃度を検出し、これを尿素水の噴射制御に反映させることが重要である。具体的には、検出された濃度に基づいて、尿素水噴射量を演算及び設定するとともに、濃度が異常であると判断されるときは、尿素水の噴射を停止させる。尿素水の濃度を検出するのに適用可能な濃度センサとして、次のようなものが知られている。感温体と、ヒータとを積層させた薄膜チップをセンサ素子として有し、このヒータにより加熱された感温体の電気特性値の変化に基づいて濃度を検出するものである（特許文献２，３）。

このような感温型の濃度センサについては、これを車上で使用する場合に、次のことが問題となる。
第１に、車両が走行する路面は、完全な平坦ではなく、凹凸があり、車両がこの凹凸上を走行することにより車体が振動して、この振動が貯蔵タンクに伝わり、これに貯蔵されている尿素水に揺れを生じさせることである。尿素水に揺れが生じている場合においては、揺れのない場合に対して尿素水を媒体とする熱伝達の特性が変化することから、感温型の濃度センサによっては、実際のものとは異なる濃度が検出されてしまう。そして、このようにして検出された誤った濃度に基づいて濃度の異常を検出しようとすれば、実際には正常の範囲内であるにも拘らず、異常であるとの誤った判定がなされてしまう。

第２に、車両が走行する環境及び状態は、常に一定ではないことである。車両は、平坦路を走行することもあれば、登坂路等の傾斜路を走行することもある。また、平坦路を走行している場合であっても、加速が行われることもあれば、減速が行われることもあり、この加速等は、緩やかに行われることもあれば、急に行われることもある。このような走行状態等の変化により貯蔵タンク内で尿素水が揺らされることによっても、熱伝達の特性に違いが生じる。

本出願人は、このような液揺れの問題を解消するため、濃度の検出を走行中ではなく、停車後所定の時間が経過した時点で行うこととした技術を、既に提出した特願２００３−３６６７３７号（特開２００５−１３３５４１号公報）に開示している。
特開２０００−０２７６２７号公報（段落番号００１３） 特開２００５−０８４０２６号公報（段落番号００１９〜００２１） 特開２００５−１３３５４１号公報（段落番号００１８〜００２１）

上記先願の技術によれば、路面からの振動や、加速度の変化等が濃度の検出に及ぼす影響を排除し、濃度の検出精度、延いては異常の検出精度を向上させることが可能である。しかしながら、上記の技術は、停車後の時間により濃度を検出するタイミングを定めるものであり、主に路面の凹凸や、走行状態の変化等に対応したものであることから、エンジンからの振動等、濃度の検出に対して外乱となり得るものの影響を完全には排除することができない。従って、検出された濃度には、依然として残る外乱に起因する誤差が含まれるおそれがあり、異常の確実な検出のために検出に関する判定用の閾値（濃度）をより厳密に設定しようとしても、検出された濃度に含まれる誤差に対する余裕を確保する必要から、その設定は、必ずしも容易なものではない。

本発明は、感温型の濃度センサによる濃度の検出に対する外乱の影響を排除して、貯蔵タンクに貯えられている水溶液に関する異常を確実に検出することのできるエンジンの排気浄化装置を提供することを目的とする。

本発明に係るエンジンの排気浄化装置は、エンジンの排気にＮＯｘの還元剤を添加して、排気中のＮＯｘを還元させるものであって、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ための貯蔵タンクを備える。この貯蔵タンクに貯えら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ための濃度センサが設けられ、この濃度センサは、温度に応じて電気特性値が変化する性質を有する感温体と、この感温体に対して熱的に接続されたヒータとを有し、感温体は、貯えられている水溶液に対して直接的又は間接的に接触させた状態で設けられる。濃度センサは、ヒータを駆動するとともに、ヒータにより加熱された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。エンジンが停止しているか否かが判定され、停止していると判定されたエンジン停止時に濃度センサにより検出された濃度に基づいて、貯えられている水溶液に関する所定の異常が検出される。

本発明によれば、エンジンが停止しているか否かを判定し、停止していると判定されたエンジン停止時に検出された濃度に基づいて、貯蔵タンクに貯えられている水溶液に関する異常を検出することとしたので、路面の凹凸や、走行状態の変化等に限らず、エンジンからの振動等、感温型の濃度センサによる濃度の検出に対して外乱となり得るものの影響を排除した液揺れのない状態で濃度を検出するとともに、液揺れのない状態で検出された濃度に基づいて、貯えられている水溶液に関する異常を検出することが可能となる。従って、本発明によれば、誤差が抑制された正確な濃度に基づいて異常の検出を行うことができることから、異常の検出に関する判定用の閾値を厳密に設定することが可能となり、異常を確実に検出することができる。

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おり、エンジン１は、トラック等の大型車両の駆動源を構成する。
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、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、燃料供給用のインジェクタ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１のコントロールユニット（以下「エンジンＣ／Ｕ」という。）５１からの信号により作動する。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が設置されており、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に設けられた可動ベーン１２１の角度が変化することで、タービン１２ｂ及びコンプレッサ１２ａの回転数が変化する。
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及びアンモニア浄化触媒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に転換するためのものであり、排気に含まれるＮＯとＮＯ２との比率を、後述するＮＯｘの還元反応に最適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、浄化するためのものである。このＮＯｘ浄化触媒ＮＯｘ３３でＮＯｘの還元を生じさせるため、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。アンモニア浄化触媒３４は、ＮＯｘ浄化触媒３３を通過したスリップアンモニアを酸化し、浄化するためのものであり、これにより大気中へのアンモニアの放出が抑制される。本実施形態では、ＮＯｘ浄化触媒３３と、アンモニア浄化触媒３４とを単一の筐体に内蔵させるとともに、これとは別体のものとして構成した筐体に酸化触媒３２を内蔵させることとしている。ＮＯｘ浄化触媒３３等を内蔵させる筐体は、排気マフラーとしての機能を兼ねるものである。

本実施形態では、車上でのアンモニアの貯蔵容易性を考慮して、アンモニアの前駆体としての尿素を水溶液の状態で貯蔵することとしている。
尿素の水溶液（以下「尿素水」という。）を貯蔵するための貯蔵タンク４１は、車両のシャシーフレームに固定されている。この貯蔵タンク４１には、尿素水供給管４２が接続されており、尿素水の添加ユニット４３に対し、この尿素水供給管４２を介して貯蔵タンク４１に貯えられている尿素水が供給される。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、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が介装されており、規定圧力を超える分の余剰の尿素水が貯蔵タンク４１に戻されるように構成されている。

本実施形態において、添加ユニット４３は、エアアシスト式のインジェクタを構成するものであり、本体４３１と、ノズル部４３２とから構成される。本体４３１には、尿素水供給管４２が接続されるとともに、アシスト用の空気（以下「アシストエア」という。）を供給するための空気供給管４８が接続されている。本体４３１と、図示しないエアタンクとがこの空気供給管４８を介して接続されており、本体４３１には、このエアタンクからアシストエアが圧縮された状態で供給される。ノズル部４３２は、酸化触媒３２と、ＮＯｘ浄化触媒３３（及びアンモニア浄化触媒３４）とを接続する排気通路３１ａの管壁を貫通させて設置されている。添加ユニット４３に供給された尿素水と、アシストエアとは、本体４３１で混合され、ノズル部４３２を介して排気中に噴射される。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。なお、本実施形態では、フィードポンプ４４、電動モータ４４１、フィルタ４５及び圧力制御弁４７を一体のモジュール部品Ｐ／Ｍとして構成している。

添加ユニット４３により尿素水が噴射されると、噴射された尿素水中の尿素が排気熱により加水分解反応を生じ、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でＮＯｘの還元剤として作用し、ＮＯｘを還元させる。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、及びアンモニア浄化触媒３４でのスリップアンモニアの酸化反応は、次の（１）〜（４）式により夫々表される。なお、本実施形態では、ＮＯｘ浄化触媒３３と、アンモニア浄化触媒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＋１／２Ｏ_２ → ＮＯ_２ ・・・（１）
(ＮＨ_２)_２ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ → ２ＮＨ_３＋ＣＯ_２ ・・・（２）
ＮＯ＋ＮＯ_２＋２ＮＨ_３ → ２Ｎ_２＋３Ｈ_２Ｏ ・・・（３）
４ＮＨ_３＋３Ｏ_２ → ２Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏ ・・・（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。このＥＧＲ管３５を介して排気が吸気通路１１に還流される。本実施形態では、このＥＧＲ管３５により、ターボチャージャ１２のタービン１２ｂの上流における排気通路３１と、吸気通路１１に介装されたサージタンク１３とが接続されている。ＥＧＲ管３５には、ＥＧＲ弁３６が介装されており、このＥＧＲ弁３６により還流される排気の流量が制御される。ＥＧＲ弁は、エンジンＣ／Ｕ５１からの信号により作動する。

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。アンモニア浄化触媒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、貯蔵タンク４１には、貯えられている尿素水に含まれる尿素の濃度（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。）を検出するための尿素センサ７４が設置されている。本実施形態では、この尿素センサ７４により、「濃度センサ」としての機能が実現される。

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添加ユニット４３に出力する。また、ＳＣＲ−Ｃ／Ｕ６１は、尿素水噴射量、ならびに尿素水の濃度及び液位に基づいて、後に述べるように尿素水供給系に異常が発生したことを検出する。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いる。エンジン１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に出力される。エンジンＣ／Ｕ５１は、エンジン回転数Ｎｅ（クランク角センサからの信号に基づいて算出することができる。）等の運転状態に基づいて燃料噴射量を算出するとともに、算出した燃料噴射量等、尿素水の供給制御に必要な情報をＳＣＲ−Ｃ／Ｕ６１に出力する。

図２は、貯蔵タンク４１の内部の構成を示している。同図を参照して、貯蔵タンク４１及び尿素センサ７４の構成について説明する。
尿素センサ７４は、感温型の「濃度センサ」としての機能を奏するものであり、尿素水に対して直接的又は間接的に接触させた感温体を強制的に加熱した場合における、この感温体の電気特性値の変化に基づいて、尿素の濃度を検出するものである。感温体は、温度に応じて電気特性値が変化する性質を有しており、感温体の電気特性値は、尿素水を媒体とする熱伝達の特性に相関するものとして、尿素の濃度に応じて異なる変化を示す。

尿素センサ７４は、感温体を有するセンサ素子部７４１と、センサ素子部７４１からの出力に基づいて尿素の濃度を演算する回路部７４２とを備えている。
センサ素子部７４１は、「感温体」が測温抵抗層の形態で設けられたセンサ素子７４１ａを有しており、回路部７４２は、この測温抵抗層の抵抗値（感温体の「電気特性値」に相当する。）に基づいて、尿素の濃度を算出する。濃度の検出に際し、センサ素子部７４１は、貯蔵タンク４１に挿入されて、貯蔵タンク４１の底面近傍に配置される一方、回路部７４２は、貯蔵タンク４１外に配置される。径の異なる２つの筒部材７４３，７４４が設けられ、これらの筒部材７４３，７４４は、互いに同心に配置されるとともに、一端で回路部７４２の底面に接合されて、尿素センサ７４の内筒及び外筒を形成している。内筒７４３及び外筒７４４は、貯蔵タンク４１の天蓋を上下に貫通して、貯蔵タンク４１の底面近傍にまで延伸しており、内筒７４３の先端に、尿素センサ７４のセンサ素子部７４１が取り付けられている。センサ素子部７４１と回路部７４２とは、内筒７４３に封入された配線（図示せず。）を介して接続されている。本実施形態では、後述する液位の検出のため、外筒７４４に、軸方向に延伸するスリット７４４ａが形成されている。尿素水がこのスリット７４４ａを介して外筒７４４の内部に流入し、又は外部に流出することで、内筒７４３及び外筒７４４の間における静電容量に変化が生じるため、この静電容量に基づいて尿素水の液位を検出することが可能である。

センサ素子部７４１のセンサ素子７４１ａは、測温抵抗層と、ヒータ層（「ヒータ」を構成する。）とを、電気絶縁膜を介して積層させた薄膜チップとして構成される。センサ素子７４１ａは、伝熱性のフィンプレート７４１ｂの一方の端部に接合されており、このフィンプレート７４１ｂは、センサ素子７４１ａが接合された端部が内筒７４３に挿入された状態で、ホルダー７４１ｃにより支持されている。このホルダー７４１ｃは、フィンプレート７４１ｂを固定して、センサ素子７４１ａを支持するものであるとともに、内筒７４３の内部への尿素水の流入を阻止するシールとしての機能を有するものである。フィンプレート７４１ｂは、センサ素子７４１ａが接合された端部とは反対側の端部において、ホルダー７４１ｃを貫通し、尿素水に接触している。本実施形態では、センサ素子部７４１の保護のため、外筒７４４を内筒７４３よりも大きな長さを持たせて形成しており、フィンプレート７４１ｂの端部を、外筒７４４により包囲させている。

回路部７４２は、センサ素子部７４１の測温抵抗層及びヒータ層と接続されており、ヒータ層に通電して測温抵抗層を加熱するとともに、加熱された測温抵抗層の抵抗値を検出する。測温抵抗層は、その抵抗値が温度に比例して変化する特性を有するものであり、回路部７４２は、検出した抵抗値に基づいて、後に述べるように尿素の濃度を算出する。
本実施形態では、寒冷地等におけるエンジン１の始動に際して貯蔵タンク４１内で尿素水が凍結している場合に、その解凍を促進させるため、貯蔵タンク４１において、尿素水を強制的に加熱するためのタンクヒータを設置している。このタンクヒータは、エンジン本体におけるエンジン冷却水の通路から分岐させて形成されるものであり、貯蔵タンク４１の内部に配置された、エンジン冷却水を流通させるための熱交換パイプ８１を含んで構成される。この熱交換パイプ８１は、貯蔵タンク４１の天蓋にエンジン冷却水の流入部８１ａ及び流出部８１ｂが設けられるとともに、貯蔵タンク４１の内部において、尿素センサ７４のセンサ素子部７４１と、尿素水供給管４２の吸入部（図示せず。）とを取り囲むように配置されている。タンクヒータによる加熱は、熱交換パイプ８１を流れるエンジン冷却水の流量を制御することにより調整される。

次に、図３を参照して、尿素センサ７４による濃度の検出原理について説明する。
ヒータ層による測温抵抗層の加熱は、所定の時間Δｔ０１に亘って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、ヒータ層による加熱前の時刻ｔ０における測温抵抗層の抵抗値Ｒ０を検出するとともに、ヒータ層への通電を停止した時点ｔ１における抵抗値Ｒ１を検出し、検出した抵抗値Ｒ１，Ｒ０の差ＤＬＴＲ（＝Ｒ１−Ｒ０）を算出する。この差ＤＬＴＲは、尿素水を媒体とする熱伝達の特性に相関するものであり、この熱伝達の特性は、尿素の濃度Ｄに応じて変化するものであるため、算出した差ＤＬＴＲを、濃度Ｄに換算することが可能である。濃度Ｄの検出は、所定のインターバル毎に実行される。本実施形態において、尿素センサ７４は、濃度Ｄの検出以外に、尿素水の温度Ｔを検出する温度センサとしての機能を兼ねるものである。尿素水の温度Ｔは、加熱前の抵抗値Ｒ０に基づいて算出することができる。

次に、ＳＣＲ−Ｃ／Ｕ６１の動作をフローチャートにより説明する。
図４は、尿素水の供給制御に関する基本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るエンジンＣ／Ｕ５１からの指令を受けて起動され、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、尿素水の温度管理がなされるとともに、尿素水噴射量Ｑｕが演算及び設定される。

Ｓ１０１では、停止時濃度異常判定フラグＦｄｉｌ２を読み込み、読み込んだＦｄｉｌ２が０であるか否かを判定する。０であるときは、Ｓ１０２へ進み、０でないときは、以降のステップによる処理を行わずにこのルーチンを終了する。停止時濃度異常判定フラグＦｄｉｌ２は、通常は０に設定されており、後述する停止時濃度異常検出ルーチン（図７）により尿素水の濃度に関する異常が検出された場合に、１に切り換えられる。本実施形態では、濃度に関する異常として、貯蔵タンク４１に貯えられているものが規定濃度の尿素水ではなく、尿素を含まない水であることを検出する。

Ｓ１０２では、凍結判定フラグＦｆｒｚを読み込み、読み込んだＦｆｒｚが０であるか否かを判定する。０であるときは、Ｓ１０３へ進み、０でないときは、Ｓ１０４へ進む。凍結判定フラグＦｆｒｚは、貯蔵タンク４１に貯えられている尿素水が凍結しているか否かを示すものであり、通常は０に設定されており、凍結していると判定された場合に、１に切り換えられる。尿素水が凍結しているか否かは、尿素センサ７４により検出される尿素水の温度Ｔに基づいて、これが尿素水の融点よりも低いか否かにより判定される。凍結判定フラグＦｆｒｚは、１に切り換えられた後、温度Ｔに基づいて尿素水の凍結が解除されたと判定された場合に、再度０に設定される。

Ｓ１０３では、熱交換パイプ８１を流れるエンジン冷却水の流量を制御し、貯蔵タンク４１の内部を尿素水の融点よりも高い一定の温度に保持する。
Ｓ１０４では、熱交換パイプ８１を流れるエンジン冷却水の流量を、保温時（Ｓ１０３）と比較して増大させ、凍結した尿素水の解凍を促進させる。
Ｓ１０５では、フィードポンプ４４を作動させて、尿素水供給管４２内の尿素水を昇圧させる。

Ｓ１０６では、異常判定フラグＦｓｃｒを読み込み、読み込んだＦｓｃｒが０であるか否かを判定する。０であるときは、Ｓ１０７へ進み、０でないときは、Ｓ１１０へ進む。異常判定フラグＦｓｃｒは、貯蔵タンク４１に貯えられている尿素水に関する異常の発生を示すものであり、後述する異常判定ルーチン（図５）により設定される。本実施形態では、この異常判定フラグＦｓｃｒにより判別すべき異常として、尿素水の消費に関する異常、ならびに尿素水の濃度及び残量に関する異常を検出する。尿素水に関するこれらの異常のうち、いずれかが検出された場合に、異常判定フラグＦｓｃｒが１に設定される。

Ｓ１０７では、燃料噴射量Ｑｆ、ＮＯｘ濃度ＮＯＸ（ＮＯｘセンサ７３からの出力）及び尿素の濃度Ｄを読み込む。
Ｓ１０８では、尿素水噴射量Ｑｕを演算する。尿素水噴射量Ｑｕの演算は、燃料噴射量Ｑｆ及びＮＯｘ濃度ＮＯＸに応じた基本噴射量を算出するとともに、算出した基本噴射量を濃度Ｄで補正することにより行う。たとえば、濃度Ｄが高く、単位噴射量当たりの尿素含有量が多いと判断されるときは、基本噴射量に対して減量補正を施す。

Ｓ１０９では、添加ユニット４３に対し、算出した尿素水噴射量Ｑｕに応じた指令信号を出力する。
Ｓ１１０では、添加ユニット４３による尿素水の供給を停止させる。尿素水に関して異常が発生している状態では、ＮＯｘ排出量に対して的確な量のアンモニアを添加することができないからである。たとえば、貯蔵タンク４１に規定濃度の尿素水ではなく、尿素を含まない水が貯えられている場合は、排気に対してアンモニアが添加されず、ＮＯｘが未浄化のまま大気中に放出されてしまう。また、例え尿素水が規定濃度であるとしても、実際に噴射された尿素水の量（すなわち、実際に消費された量）が消費されるべき量よりも多いときは、尿素水が無駄に消費されるばかりでなく、過剰に発生したアンモニアがアンモニア浄化触媒３４により完全には分解されず、大気中に放出されるおそれがある。消費されるべき尿素水の量（以下「指示消費量」という。）は、演算周期毎の噴射量Ｑｕの積算値として算出することが可能である。尿素水の供給を停止させた場合は、エンジンＣ／Ｕ５１に対し、ＥＧＲガス量を増大させるなどのエンジン１からのＮＯｘ排出量自体を減少させるための制御を行わせる。

図５は、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、イグニッションスイッチがオンされているエンジン１の運転中に、所定の時間毎に実行される。このルーチンにより、尿素水に関して何らかの異常が発生したか否かが判定され、異常判定フラグＦｓｃｒが設定される。
Ｓ２０１では、尿素水の水位Ｌ、濃度Ｄ及び温度Ｔを読み込む。既に述べたように、本実施形態において、これらの制御情報は、尿素センサ７４からの出力に基づいて算出される。

Ｓ２０２では、凍結判定フラグＦｆｒｚを読み込み、読み込んだＦｆｒｚが０であるか否かを判定する。０であるときは、Ｓ２０３へ進み、０でないときは、以降のステップによる処理を行わずにこのルーチンを終了する。尿素水が凍結して、固体の状態にある場合は、これが液体の状態にある場合とは熱伝達の特性が著しく異なるので、誤った異常の検出を防止するため、検出に関する判定を禁止するのである。

Ｓ２０３では、消費異常判定フラグＦｃｎｓが０であるか否かを判定する。０であるときは、Ｓ２０４へ進み、０でないときは、Ｓ２０７へ進む。消費異常判定フラグＦｃｎｓは、尿素水の消費に関する異常の発生を示すものであり、通常は０に設定されており、尿素水が過剰に消費されているか、又は消費量が不足していると判定された場合に、１に切り換えられる。尿素水消費量Ｑｃｎｓは、液位Ｌの初期値と現在の検出値との差に、貯蔵タンク４１の断面積を乗じ、これに規定濃度（ここでは、３２．５％）の尿素水の比重を乗じることにより算出される。算出された尿素水消費量Ｑｃｎｓが、指示消費量Ｑｄｒｃを基準として定められる所定の範囲内にないときに、消費に関する異常が検出される。

Ｓ２０４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、Ｓ２０５へ進み、０でないときは、Ｓ２０７へ進む。残量異常判定フラグＦｅｐｍは、通常は０に設定されており、尿素水の残量が不足している（貯蔵タンク４１が空である場合を含む。）と判定された場合に、１に切り換えられる。残量が不足しているか否かの判定は、尿素水の液位Ｌに基づいて行われ、検出された液位Ｌが下限を示す設定液位Ｌｅｍｐ（図２）以下であるときに、不足していると判定される。

Ｓ２０５では、濃度異常判定フラグＦｄｉｌ１が０であるか否かを判定する。０であるときは、Ｓ２０６へ進み、０でないときは、Ｓ２０７へ進む。濃度異常判定フラグＦｄｉｌ１は、通常は０に設定されており、後述する運転時濃度異常検出ルーチン（図６）により、貯蔵タンク４１に尿素水ではなく、水が貯蔵されていると判定された場合に、１に切り換えられる。

Ｓ２０６では、尿素水に関して想定した異常は発生していないとして、運転時異常判定フラグＦｓｃｒを０に設定する。
Ｓ２０７では、尿素水に関して何らかの異常が発生したとして、運転時異常判定フラグＦｓｃｒを１に設定する。
図６は、運転時濃度異常検出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ているエンジン１の運転中に、所定の時間毎に実行される。このルーチンにより、尿素水の濃度に関する異常が発生したか（すなわち、貯蔵タンク４１に貯えられているものが水であるか）否かが判定され、エンジン運転時に関する濃度異常判定フラグＦｄｉｌ１が設定される。

Ｓ３０１では、尿素の濃度Ｄを読み込む。
Ｓ３０２では、停止時濃度異常判定フラグＦｄｉｌ２を読み込み、読み込んだＦｄｉｌ２が１であるか否かを判定する。１であるとき（すなわち、エンジン１の停止時に尿素水の濃度に関する異常を検出したとき）は、Ｓ３０３へ進み、１でないときは、Ｓ３０８へ進む。

Ｓ３０３では、読み込んだ濃度Ｄが濃度に関する異常判定からの復帰判定用の閾値Ｄｃｃｌ（＝Ｄｓｌｈ）以上であるか否かを判定する。Ｄｃｃｌ以上であるときは、Ｓ３０４へ進み、Ｄｃｃｌよりも小さいときは、Ｓ３１３へ進む。なお、この復帰判定用の閾値Ｄｃｃｌは、図３に示すように、後述する第１の閾値Ｄｓｌｌよりも大きな値に設定され、本実施形態では、後述する第２の閾値Ｄｓｌｈ（図７）と等しい値に設定している。勿論、復帰判定用の閾値Ｄｃｃｌを第２の閾値Ｄｓｌｈとは異なる値に設定してもよく、好ましくは、異常判定の解除をより厳密に行うため、第２の閾値Ｄｓｌｈよりも大きな値に設定するとよい。

Ｓ３０４では、濃度に関する異常は解除された（すなわち、貯蔵タンク４１に規定濃度の尿素水が貯蔵されている。）として、停止時濃度異常判定フラグＦｄｉｌ２を０に設定する。
Ｓ３０５では、濃度異常検出用の第２のカウンタの値ＣＮＴｂを０にリセットする。
Ｓ３０６では、濃度に関する異常は発生していないとして、濃度異常判定フラグＦｄｉｌ１を０に設定する。

Ｓ３０７では、濃度異常検出用の第１のカウンタの値ＣＮＴａを０にリセットする。
Ｓ３０８では、濃度Ｄが濃度異常判定用の第１の閾値（濃度）Ｄｓｌｌ以上であるか否かを判定する。Ｄｓｌｌ以上であるときは、Ｓ３０６へ進んで濃度異常判定フラグＦｄｉｌ１を０に設定するとともに、第１のカウンタの値ＣＮＴａを０にリセットする一方、Ｄｓｌｌよりも小さいときは、Ｓ３０９へ進む。図３に一点鎖線Ｂにより示すように、貯蔵タンク４１に水が貯えられている場合は、水を媒体とする熱伝達の特性に起因して、規定濃度の尿素水が貯えられている場合（実線Ａにより示す。）よりも検出される濃度Ｄが低下する。なお、第１の閾値Ｄｓｌｌは、エンジン１の運転中に尿素センサ７４により検出される濃度Ｄに含まれる誤差に対する余裕を持たせたものとして、比較的に小さな値に設定される。

Ｓ３０９では、第１のカウンタの値ＣＮＴａを１だけ増加させる。
Ｓ３１０では、増加後の第１のカウンタの値ＣＮＴａが所定の値ＣＮＴｓｌ１に達したか否かを判定する。達したときは、Ｓ３１１へ進み、達していないうちは、Ｓ３０１へ戻り、以上の処理を繰り返す。
Ｓ３１１では、濃度に関する異常が発生したとして、濃度異常判定フラグＦｄｉｌ１を１に切り換える。これにより、異常判定ルーチン（図５）において、Ｓ２０５の処理により尿素水に関する異常が検出され、異常判定フラグＦｓｃｒが１に設定されることとなる。

Ｓ３１２では、濃度異常判定フラグＦｄｉｌ１が１であるか否かを判定する。１であるときは、Ｓ３１３へ進み、１でないときは、このＳ３１３による処理を行わずにこのルーチンを終了する。
Ｓ３１３では、警報を作動させ、濃度に関する異常の発生を運転者に認識させる。
図７は、停止時濃度異常検出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フされることによるエンジンＣ／Ｕ５１からの指令を受けて、ＳＣＲ−Ｃ／Ｕ６１に備わる自己保持回路により実行される。このルーチンにより、停止時濃度異常判定フラグＦｄｉｌ２が設定される。なお、エンジン停止時においては、貯蔵タンク４１に液揺れが生じておらず、尿素センサ７４から安定した出力が得られることから、このルーチンが繰り返される周期は、運転時濃度異常検出ルーチン（図６）の実行周期よりも短くてよい。

Ｓ４０１では、尿素の濃度Ｄを読み込む。
Ｓ４０２では、読み込んだ濃度Ｄが濃度異常判定用の第２の閾値（濃度）Ｄｓｌｈ以上であるか否かを判定する。Ｄｓｌｈ以上であるときは、Ｓ４０３へ進み、Ｄｓｌｈよりも小さいときは、Ｓ４０５へ進む。エンジン停止時においては、尿素センサ７４により検出される濃度Ｄに含まれる誤差が抑制されており、濃度Ｄの検出精度が充分に確保されることから、判定をより厳密に行うため、この第２の閾値Ｄｓｌｈは、運転時に関する第１の閾値Ｄｓｌｌよりも大きな値に設定される（図３）。

Ｓ４０３では、濃度に関する異常は発生していないとして、停止時濃度異常判定フラグＦｄｉｌ２を０に設定する。
Ｓ４０４では、その後のエンジン１の始動に備えて、運転時に関する第１のカウンタの値ＣＮＴａを０にリセットする。
Ｓ４０５では、濃度異常検出用の第２のカウンタの値ＣＮＴｂを１だけ増加させる。

Ｓ４０６では、増加後の第２のカウンタの値ＣＮＴｂが所定の値ＣＮＴｓｌ２に達したか否かを判定する。達したときは、Ｓ４０７へ進み、達していないうちは、Ｓ４０１へ戻り、以上の処理を繰り返す。この所定の値ＣＮＴｓｌ２は、第１のカウンタに関する値ＣＮＴｓｌ１よりも小さな値に設定される。第２の閾値Ｄｓｌｈと同様に、エンジン停止時に検出される濃度Ｄの信頼性を考慮したものである。

Ｓ４０７では、濃度に関する異常が発生したとして、停止時濃度異常判定フラグＦｄｉｌ２を１に設定する。
Ｓ４０８では、第２のカウンタの値ＣＮＴｂを０にリセットする。
Ｓ４０９では、その後のエンジン１の始動を禁止するための処理を行う。この処理は、たとえば、始動禁止フラグＦｓｔｒを設定し、その後の始動に際してこの始動禁止フラグＦｓｔｒをエンジンＣ／Ｕ５１に読み込ませることによる。エンジンＣ／Ｕ５１は、始動禁止フラグＦｓｔｒを参照して、始動が禁止されている場合に、燃料噴射装置や、点火装置の作動を禁止する。エンジンの始動は、Ｓ４０７の処理により停止時濃度異常判定フラグＦｄｉｌ２が１に切り換えられた後、直ちに禁止されてもよいが、本実施形態では、停止時濃度異常判定フラグＦｄｉｌ２の切換えから時間をあけ、所定の距離を走行した後のエンジンの始動が禁止されるようにする。

Ｓ４１０では、現時点における第２のカウンタの値ＣＮＴｂ、及びエンジン１の再始動の拒否に関する情報（たとえば、始動禁止フラグＦｓｔｒ）等、各種の制御情報を記憶する。
Ｓ４１１では、自己保持電源を遮断し、このルーチンを終了する。
本実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。

本実施形態では、停止時濃度異常検出ルーチン（図７）を設定し、エンジン停止時にこのルーチンを実行して、尿素センサ７４により検出された濃度Ｄに基づいて、貯蔵タンク４１に貯えられているものが水であるか否かを判定することとした。エンジン停止時においては、エンジン１からの振動等、尿素センサ７４による濃度Ｄの検出に対して外乱となり得るものの影響が排除されることから、濃度Ｄを正確に検出するとともに、水が貯蔵されているか否かの判定を、正確に検出された濃度Ｄに基づいて行うことが可能となる。従って、本実施形態によれば、濃度Ｄをより高い精度で検出できるという効果が得られることに加え、濃度異常判定用の閾値（具体的には、第２の閾値Ｄｓｌｈ）をより厳密に設定して、異常を確実に検出することが可能となる。

本実施形態では、濃度異常判定用の第２の閾値Ｄｓｌｈ以上の範囲（図７のＳ４０２）が「第１の正常領域」に相当し、第１の閾値Ｄｓｌｌ以上の範囲（図６のＳ３０８）が「第２の正常領域」に相当する。また、復帰判定用の閾値Ｄｃｃｌ（本実施形態では、第２の閾値Ｄｓｌｈに等しい。）以上の範囲（図６のＳ３０３）が「復帰判定領域」に相当する。

以上では、エンジン１の運転時における異常の検出（図６）と、停止時における異常の検出（図７）とを独立のルーチンにより行うこととし、停止時濃度異常検出ルーチンをイグニッションスイッチのオフが検出されるたびに実行することとした。しかしながら、両者の異常の検出に関連性を持たせることとしてもよく、たとえば、エンジン１の運転時と、停止時との双方で濃度に関する異常が検出された場合に、異常を検出したとの最終的な判断がなされるようにしたり、又は運転時濃度異常検出ルーチンにより濃度に関する異常が検出された場合に限り、停止時濃度異常検出ルーチンが実行されるようにしてもよい。このような制御上の変更は、当業者であれば、具体例による明示がなくとも容易にすることができる。

また、尿素水は、補給がされない限り濃度Ｄが頻繁に変化するものではないことから、エンジン停止時にのみ、濃度Ｄを検出し、異常を検出することとしてもよい。この場合においては、エンジン１が停止しているか否かの判定を、水位センサからの出力や、貯蔵タンク４１の補給口に設けられる開閉センサからの出力に基づいて行うこととし、尿素水が補給されたことが検知された場合に、濃度Ｄの検出等を行うとよい。

更に、尿素の加水分解によるアンモニアの発生を促すため、ＮＯｘ浄化触媒３３の上流に加水分解触媒を設置してもよい。
更に、ＮＯｘの還元剤として、アンモニアに代えて炭化水素を採用することもできる。
本発明は、ディーゼルエンジンに限らず、ガソリンエンジンの排気浄化装置に適用することもできる。

本発明の一実施形態に係るディーゼルエンジンの構成 同上実施形態に係る貯蔵タンク及び尿素センサの構成 同上尿素センサによる濃度の検出原理 尿素水の供給制御に関する基本ルーチンのフローチャート 異常判定ルーチンのフローチャート 運転時濃度異常検出ルーチンのフローチャート 停止時濃度異常検出ルーチンのフローチャート

符号の説明

１…ディーゼルエンジン、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…アンモニア浄化触媒、３５…ＥＧＲ管、３６…ＥＧＲ弁、４１…貯蔵タンク、４２…尿素水供給管、４３…添加ユニット、４３１…添加ユニットの本体、４３２…ノズル部、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１のコントロールユニット、６１…排気浄化装置のコントロールユニット、７１，７２…排気温度センサ、７３…ＮＯｘセンサ、７４…「濃度センサ」としての尿素センサ。

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ための貯蔵タンクと、
   前記貯蔵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ための濃度センサであって、温度に応じて電気特性値が変化する性質を有し、前記水溶液に対して直接的又は間接的に接触させた状態で設けられた感温体と、この感温体に対して熱的に接続されたヒータとを有し、前記ヒータを駆動するとともに、前記ヒータにより加熱された前記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センサと、
   前記水溶液に関する所定の異常を検出するための手段と、
   エンジンが停止しているか否かを判定するための手段と、を含んで構成され、
   前記検出手段は、前記判定手段によりエンジンが停止していると判定されたエンジン停止時に前記濃度センサにより検出された濃度に基づいて、前記異常を検出するエンジンの排気浄化装置。
2. 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ための貯蔵タンクと、
   前記貯蔵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ための濃度センサであって、温度に応じて電気特性値が変化する性質を有し、前記水溶液に対して直接的又は間接的に接触させた状態で設けられた感温体と、この感温体に対して熱的に接続されたヒータとを有し、前記ヒータを駆動するとともに、前記ヒータにより加熱された前記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センサと、
   前記水溶液に関する所定の異常を検出するための手段と、
   エンジンが停止しているか否かを判定するための手段と、を含んで構成され、
   前記検出手段は、前記濃度センサにより検出された濃度に基づいて、前記判定手段によりエンジンが停止していると判定されたエンジン停止時においては、前記検出された濃度が所定の第１の値を境界として定められる第１の正常領域以外の領域にあるときに、エンジン停止時以外のエンジン運転時においては、前記検出された濃度が前記第１の値とは異なる第２の値を境界として定められる第２の正常領域以外の領域にあるときに、前記異常を検出するエンジンの排気浄化装置。
3. 前記検出手段は、エンジン運転時に前記第２の正常領域以外の領域にある濃度を検出し、かつその後のエンジン停止時に前記第１の正常領域以外の領域にある濃度を検出したときに、前記異常を検出する請求項２に記載のエンジンの排気浄化装置。
4. 前記検出手段は、エンジン運転時に前記第２の正常領域以外の領域にある濃度を検出した場合にのみ、その後のエンジン停止時に前記異常の検出を行う請求項３に記載のエンジンの排気浄化装置。
5. エンジンの排気通路に介装された還元触媒と、
   エンジンの排気に対し、前記還元触媒の上流で前記貯蔵タンクに貯蔵されている水溶液を供給して、前記還元剤を添加するように構成された還元剤の添加ユニットと、
   前記検出手段によりエンジン運転時に異常が検出されたときに、前記添加ユニットによる還元剤の添加を停止させるための手段と、を更に含んで構成される請求項３又は４に記載のエンジンの排気浄化装置。
6. 前記検出手段によりエンジン停止時に前記異常が検出されたときに、その後のエンジンの作動を制限し又は再始動を禁止するための手段を更に含んで構成される請求項３〜５のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。
7. エンジン停止時に前記異常を検出した後のエンジン運転時において、前記検出された濃度が前記第２の値とは異なる第３の値を境界として定められる復帰判定領域にあるときに、前記異常の検出を解除するための手段を更に含んで構成される請求項２〜６のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。
8. 前記第３の値が前記第１の値に等しい請求項７に記載のエンジンの排気浄化装置。
9. 前記第１の正常領域が前記第２の正常領域よりも狭い範囲の領域として定められる請求項２〜８のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。
10. 前記検出手段により前記異常が検出されたときに作動して、運転者に対して異常の発生の認識を促すための手段を更に含んで構成される請求項１〜９のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。
11. 前記判定手段は、イグニッションスイッチからの信号に基づいて、エンジンが停止しているか否かを判定する請求項１〜１０のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。
12. 前記検出手段は、前記濃度センサによる前記正常領域以外の領域にある濃度の検出毎に所定の単位値が加算される異常検出用のカウンタを有し、このカウンタの値が所定の値に達したときに、前記異常を検出する請求項１〜１１のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。
13. 前記検出手段において、前記異常検出用のカウンタとして、エンジン停止時における異常の検出のための第１のカウンタと、エンジン運転時における異常の検出のための第２のカウンタとが設定され、エンジン停止時とそれ以外のときとで、各カウンタに関する前記所定の値が異なる請求項１２に記載のエンジンの排気浄化装置。
14. 前記検出手段は、所定の検出周期毎に前記異常の検出を行うものであり、エンジン停止時とそれ以外のときとで、前記検出周期が異なる請求項１２又は１３に記載のエンジンの排気浄化装置。
15. 前記濃度センサにより検出された濃度に基づいて、排気に添加される還元剤の量を制御するための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ための貯蔵タンクと、
    前記貯蔵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ための濃度センサであって、温度に応じて電気特性値が変化する性質を有し、前記水溶液に対して直接的又は間接的に接触させた状態で設けられた感温体と、この感温体に対して熱的に接続されたヒータとを有し、前記ヒータを駆動するとともに、前記ヒータにより加熱された前記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センサと、
    エンジンが停止しているか否かを判定するための手段と、
    前記判定手段によりエンジンが停止していると判定されたエンジン停止時に、前記濃度センサに対して前記還元剤又は前駆体の濃度を検出させる一方、それ以外のときに、前記濃度センサによる濃度の検出を禁止するための手段と、を含んで構成されるエンジンの排気浄化装置。

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