JP2008248709A - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】還元剤等の水溶液が凍結していることを、融点付近の温度域にある場合の相状態の判別を含めて判定する。
【解決手段】ＮＯｘの還元剤又はその前駆体を水溶液の状態で貯蔵する貯蔵タンクを備える。貯蔵タンクに貯えられている還元剤等の水溶液の温度Ｔ、及びこの水溶液に含まれる還元剤等の濃度Ｄを検出し、検出された温度Ｔ及び濃度Ｄに基づいて、貯えられている水溶液が凍結しているか否かを判定する。濃度の検出は、濃度センサによることとし、この濃度センサは、温度に応じて電気特性値が変化する感温体と、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、ヒータを駆動し、このヒータにより加熱された感温体の電気特性値Ｒを、還元剤等の濃度Ｄとして出力する。
【選択図】 図３

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（以下「ＮＯｘ」という。）の還元のため、ＮＯｘ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、貯蔵されている水溶液の凍結を、融点付近の温度域にある場合を含めて正確に判定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。

このように還元剤等が水溶液（たとえば、尿素水）の状態で貯蔵される排気浄化装置については、寒冷地におけるなど、気温が氷点下にまで低下するような環境での使用に関して次のことが問題となる。寒冷地等においては、貯蔵タンクに貯蔵されている尿素水が停車中に氷点下にまで冷却され、凍結することで、その後のエンジンの始動に際して排気に還元剤を添加することができず、ＮＯｘの放出を有効に抑制することができないことである。そこで、このような状況を始動後早期に解消して、ＮＯｘの放出を抑制するため、尿素水の貯蔵タンクにヒータを設置し、エンジンの始動に際して貯蔵タンクの内部をこのヒータにより強制的に加熱することとしている。尿素水の凍結は、貯蔵タンクに限らず、尿素水供給系の配管においても発生する。従って、貯蔵タンク及び尿素水供給系の配管の双方で尿素水の凍結が解除（すなわち、解凍）した場合に、排気に対する還元剤の添加が可能となる。

ここで、貯蔵タンク及び尿素水供給系の配管における尿素水の解凍を判定するためのものとして、温度センサを採用した次のような技術が知られている。貯蔵タンクに尿素水の温度を検出するための温度センサを設置するとともに、この温度センサにより検出された温度が所定の値に達したときに、尿素水供給系の加圧ポンプを作動させ、この加圧ポンプの出力側で圧力の上昇が確認された場合に、解凍が完了したと判定するものである（特許文献２）。
特開２０００−０２７６２７号公報（段落番号００１３） 特開２００５−３１５２０６号公報（段落番号０００５）

温度センサ及び加圧ポンプを採用した上記の技術は、貯蔵タンクに限らず、尿素水供給系の配管における尿素水の解凍を判定することを可能とするものである。しかしながら、上記の技術においては、貯蔵タンクにおける尿素水の状態を判定するための手段として、温度センサのみが設けられることから、次のことが問題となる。
融点付近の温度域においては、温度センサからの出力のみからでは、尿素水が実質的な解凍前の固体の状態にあるのか、解凍後の液体の状態にあるのかの相状態の判別まではすることができないことである。従って、温度センサからの出力に基づいて解凍したとの一応の判定をなした後、この判定の確定のために加圧ポンプを作動させるに際し、貯蔵タンクの内部で尿素水が完全には解凍していない（融点付近の温度域にはあるが、固体の状態にある。）場合は、更に解凍が進み、液体となるまでの間、加圧ポンプを無駄に作動させることとなる。このような無駄を削減するため、融点付近の温度域に達した後、解凍が進んで液体への相変化が生じたものと見込まれるまでの時間を遅らせて加圧ポンプを作動させることも考えられるが、この温度域おいては、温度の上昇に時間がかかり、温度の上昇も必ずしも一様な変化を示すものではないことから、加圧ポンプを作動させるタイミングとして適切なタイミングを設定することは困難である。従って、ＮＯｘの排出をできるだけ抑制するとの観点からは、尿素水の供給の可否を早期に確定することが必要であり、そのためには、温度センサからの出力による判定の後、直ちに加圧ポンプを作動させて、圧力による判定に移行せざるを得ない。なお、ここでは、説明の便宜上、凍結した尿素水を解凍させる場合について述べたが、尿素水が凍結したか否かを判定する場合についても同様である。

以上から、貯蔵されている還元剤等の水溶液が凍結し、又は解凍したことを、融点付近の温度域にある場合の相状態の判別を含めて判定することができれば、凍結等の確定的な判定に際して実際には固体の状態にあるにも拘わらず加圧ポンプを作動させるなどの不要な操作を回避し得るとともに、適切なタイミングで還元剤の添加を開始することが可能となる。

本発明は、以上の問題を考慮したエンジンの排気浄化装置を提供するものである。

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。貯蔵タンクに貯えられている還元剤又は前駆体の水溶液の温度を検出可能に構成された温度センサと、この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とが設けられ、制御ユニットにより、温度センサにより検出された水溶液の温度と、濃度センサにより検出された還元剤又は前駆体の濃度とに基づいて、貯えられている水溶液が凍結しているか否かが判定される。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、濃度センサにおいて、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、この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。

本発明によれば、貯蔵タンクに貯えられている還元剤等の水溶液が凍結しているか否かの判定のため、温度センサに加えて感温型の濃度センサを設けることとし、これらのセンサにより検出された温度及び濃度に基づいて、凍結しているか否かの判定を行うこととした。凍結した状態からの解凍において、貯えられている水溶液は、融点付近の温度域で実質的な解凍前の固体の状態と、解凍後の液体の状態とをとり得るところ、液体の状態と固体の状態とでは、この水溶液を媒体とする熱伝達の特性が異なる。感温型の濃度センサによれば、センサ素子を構成する感温体が温度に応じて電気特性値が変化する性質を有することから、解凍したか否かを、相状態の判別を含めて判定することが可能となる。従って、本発明によれば、貯えられている水溶液が凍結し、又は凍結した水溶液が解凍したことを、融点付近の温度域にある場合を含めて正確に判定することができ、排気に対する還元剤の添加を適切に行うことが可能となる。

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（及び電動モータ４４１）、フィルタ４５、ならびに圧力制御弁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が、貯蔵タンク４１に貯えられている尿素水の温度を検出する機能と、尿素の濃度を検出する機能とを兼ね備えている。このため、本実施形態では、尿素センサ７４により、「状態センサ」としての機能、又は「温度センサ」及び「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、「制御ユニット」に相当するものであり、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を構成するものであり、尿素水に対して直接的又は間接的に接続され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の内部で尿素水に接触させている。

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に基づいて算出される。

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し実行される。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、凍結判定フラグＦｆｒｚを読み込み、読み込んだＦｆｒｚが１であるか否かを判定する。１であるときは、Ｓ１０２へ進み、１でないときは、Ｓ１０３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、後述する凍結判定ルーチン（図６）により、尿素水が凍結していると判定された場合に０に、凍結していないか、又は凍結が解除された（すなわち、解凍した）と判定された場合に１に設定される。

Ｓ１０２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。保温時における流量の制御は、尿素センサ７４により検出される尿素水の温度Ｔに基づいて行われる。
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、保温時（Ｓ１０２）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。これに伴い、エンジンＣ／Ｕ５１において、エンジン１の暖機を促進させるための制御が行われる。

Ｓ１０４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。
Ｓ１０５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、Ｓ１０６へ進み、０でないときは、Ｓ１０９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、後述する異常検出ルーチン（図５）により設定される。本実施形態では、尿素水に関する異常として、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。尿素水に関して何らかの異常が検出された場合は、異常判定フラグＦｓｃｒが１に設定される。

Ｓ１０６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。
Ｓ１０７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。

Ｓ１０８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。
Ｓ１０９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、過度に希釈された尿素水、又は尿素を含まない水が貯えられている場合は、添加されるアンモニアの量が適正な量に対して不足し、ＮＯｘが未浄化のまま大気中に放出されるおそれがある。また、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、異常検出ルーチンのフローチャートである。このルーチンにより、制御ユニットの「異常検出部」及び「検出禁止部」としての機能が実現される。
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１であるか否かを判定する。１であるとき（すなわち、尿素水の解凍が完了しているとき）は、Ｓ２０３へ進み、０でないときは、このステップ以降の異常の検出に関する処理を行わず、このルーチンを終了する。このステップにおける処理が「検出禁止部」としての機能に相当する。

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した場合に、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。）と判定した場合に、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Ｆｄｉｌ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Ｆｄｉｌは、通常は０に設定されており、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した場合に、１に切り換えられる。水が貯蔵されているか否かの判定は、尿素の濃度Ｄに基づいて行われ、検出された濃度Ｄが、０％と、規定濃度である３２．５％との間の値を持たせて設定された第１の濃度Ｄｓｌ１以下であるときに、水が貯蔵されていると判定される（図３）。この第１の濃度Ｄｓｌ１を上限とする範囲が「第１の領域」に相当する。

Ｓ２０３〜２０５における処理が「異常検出部」としての機能に相当する。
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、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、異常判定フラグＦｓｃｒを１に設定する。これに併せ、運転者に異常の発生を認識させるため、警告灯を点灯させたり、警報を鳴動させるとよい。

図６は、凍結判定ルーチンのフローチャートである。このルーチンにより、凍結判定フラグＦｆｒｚが０又は１に設定される。凍結判定フラグＦｆｒｚは、エンジン１の始動に伴う制御の開始に際して０に設定される。
Ｓ３０１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、Ｓ３０２へ進み、０でないときは、このルーチンを終了する。制御開始後第１回目のルーチンにおいて、凍結判定フラグＦｆｒｚは、０に設定されている。

Ｓ３０２では、尿素水の温度Ｔが、尿素水の融点を示す設定温度Ｔｓｌ１よりも大きいか否かを判定する。Ｔｓｌ１よりも大きいときは、Ｓ３０３へ進み、Ｔｓｌ１以下であるときは、Ｓ３０５へ進む。尿素水の温度Ｔは、ヒータ層による加熱前の測温抵抗層の抵抗値Ｒ０に基づいて算出される（図３）。
Ｓ３０３では、尿素水が凍結していないか、又は解凍したものとして、凍結判定フラグＦｆｒｚを１に設定する。

Ｓ３０４では、カウンタの値ＣＮＴを０にリセットする。
Ｓ３０５では、尿素の濃度Ｄが第２の濃度Ｄｓｌ２以下であるか否かを判定する。Ｄｓｌ２以下であるときは、Ｓ３０６へ進み、Ｄｓｌ２よりも大きいときは、Ｓ３０３進む。尿素水が液体の状態にある場合と、凍結した固体の状態にある場合とでは、尿素水を媒体とする熱伝達の特性が大きく異なり、凍結した状態では、加熱に対する測温抵抗層の抵抗値Ｒの変化が極めて小さくなる。図３は、尿素水が液体の状態にある場合と、凍結した固体の状態にある場合とで抵抗値Ｒの変化を比較したものであり、両者の変化に顕著な違いがあることを示している。同図において、実線Ａは、液体の状態にある規定濃度の尿素水に関して得られる変化を、一点鎖線Ｂは、液体の状態にある水に関して得られる変化を、二点鎖線Ｃは、固体の状態にある尿素水に関して得られる変化を夫々示している。このことから、第２の濃度Ｄｓｌ２は、液体の状態にある場合に得られる濃度（すなわち、３２．５％）と、凍結した固体の状態にある場合に得られる濃度との間の値を持たせたものとして、第１の濃度Ｄｓｌ１よりも小さな濃度に設定される。第２の濃度Ｄｓｌ２を上限とする範囲が「第２の領域」に相当する。

Ｓ３０６では、カウンタの値ＣＮＴを１だけ増加させる。
Ｓ３０７では、増加後のカウンタの値ＣＮＴが所定の値ＣＮＴ１に達したか否かを判定する。達したときは、Ｓ３０８へ進み、達していないときは、このルーチンを終了する。
Ｓ３０８では、尿素水が凍結している（実質的な解凍には至っておらず、固体の状態にある場合を含む。）ものとして、凍結判定フラグＦｆｒｚを０に設定する。

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、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の判定に尿素センサ７４を採用することとし、エンジン１の始動に際し、この尿素センサ７４により検出される尿素水の温度Ｔ、及び尿素水に含まれる尿素の濃度Ｄに基づいて、尿素水が凍結しているか否かを判定することとした。尿素水の温度Ｔのみによっては融点付近の温度域で尿素水が液体の状態にあるのか、又は凍結した固体の状態にあるのかの相状態の判別までは行うことができないところ、感温型の濃度センサを構成する尿素センサ７４を採用したことで、液体の状態にある場合と、固体の状態にある場合との尿素水を媒体とする熱伝達の特性の違いに基づいて、相状態の判別を行うことが可能となる。このため、本実施形態によれば、尿素水が凍結しており、又は解凍したことを、融点付近の温度域にある場合を含めて正確に判定して、添加ユニット４３による還元剤の添加を適切に行うことができる。

なお、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、この反応のための触媒は、特に明示していない。加水分解反応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。
また、以上では、ＮＯｘの還元剤にアンモニアを採用した場合を例に説明したが、アンモニアに代え、炭化水素を採用することもできる。

更に、以上では、貯蔵タンク４１が空であるか否かの判定を、尿素センサ７４の内筒７４３及び外筒７４４を含んで構成される静電容量型の水位センサにより行うこととした。これに限らず、尿素水を媒体とする場合と、空気を媒体とする場合とで熱伝達の特性に大きな違いがあることから、空であるか否かの判定を、測温抵抗層の抵抗値Ｒに基づいて行うことも可能である。図３は、センサ素子部７４１のヒータ層に対し、これが空気中にある状態で通電した場合の抵抗値Ｒの変化を、二点鎖線Ｚにより示している。抵抗値Ｒの差ＤＬＴＲとして算出される濃度Ｄが、第１の濃度Ｄｓｌ１よりも大きな値を持たせて設定される第３の濃度よりも大きいときに、貯蔵タンク４１が空であると判定する。

更に、尿素水の温度Ｔと、これに含まれる尿素の濃度Ｄとを検出するための「状態センサ」としては、図２に示すような１つ感温体のみを有するものに限らず、「感温体」として２つの測温抵抗層が形成されたセンサ素子を有する状態センサを採用することができる。図７は、この状態センサによる場合の濃度Ｄの検出原理を示している。ヒータ層に対して時間Δｔ０１に亘ってヒータ駆動電流ｉｈを通電し、測温抵抗層の抵抗値Ｒ１の変化に基づいて濃度Ｄを検出することは、既述のものと同様である。２つの測温抵抗層を有するものでは、ヒータ層による加熱の対象とするのは一方の測温抵抗層のみとし、他方の測温抵抗層は、ヒータ層から熱的に絶縁された状態で設置される。ヒータ駆動電流ｉｈを停止した時点における一方の測温抵抗層の抵抗値Ｒ１と、他方の測温抵抗層の抵抗値Ｒ２との差Ｄｒ１（＝Ｒ１−Ｒ２）を検出し、これを濃度に換算する。なお、この場合において、尿素水の温度Ｔは、ヒータ層による加熱前の抵抗値Ｒ１，Ｒ２の差Ｄｒ０に基づいて算出することが可能である。

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 異常検出ルーチンのフローチャート 凍結判定ルーチンのフローチャート 他の尿素センサによる濃度の検出原理

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Ｃ／Ｕ、６１…「制御ユニット」としてのＳＣＲ−Ｃ／Ｕ、７１，７２…排気温度センサ、７３…ＮＯｘセンサ、７４…尿素センサ。

Claims (9)

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の温度を検出可能に構成された温度センサと、
   前記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、
   前記温度センサにより検出された前記水溶液の温度と、前記濃度センサにより検出された前記還元剤又は前駆体の濃度とに基づいて、前記水溶液が凍結しているか否かを判定する制御ユニットと、を含んで構成され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、
   前記水溶液の温度、及び前記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状態センサであって、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、前記ヒータを駆動して、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一方、前記ヒータの駆動前における前記感温体の電気特性値を、前記水溶液の温度として出力する状態センサと、
   前記状態センサにより検出された前記水溶液の温度、及び前記還元剤又は前駆体の濃度に基づいて、前記水溶液が凍結しているか否かを判定する制御ユニットと、を含んで構成されるエンジンの排気浄化装置。
3. 前記制御ユニットは、前記検出された濃度に基づいて、前記貯蔵タンクに液体として貯蔵されている前記水溶液に関する所定の異常を検出する異常検出部を有し、前記水溶液が凍結していると判定した場合に、前記異常検出部による異常の検出を禁止する請求項１又は２に記載のエンジンの排気浄化装置。
4. 前記水溶液を加熱可能に構成されたタンクヒータを更に含んで構成され、
   前記制御ユニットは、前記水溶液が凍結していると判定した場合に、それ以外の場合と比較して、前記タンクヒータにより前記水溶液に与えられる熱量を増大させるための信号を出力する請求項１〜３のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。
5. 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、
   前記濃度センサにより検出された前記還元剤又は前駆体の濃度に基づいて、前記貯蔵タンクに液体として貯蔵されている前記水溶液に関する所定の異常を検出する異常検出部を有し、この異常検出部により、前記検出された濃度が所定の値を境界として定められる第１の領域にあるときに、前記異常を検出する制御ユニットと、を含んで構成され、
   前記制御ユニットは、前記異常検出部に加え、前記検出された濃度が前記所定の値とは異なる値を境界として定められる第２の領域にあるときに、前記水溶液が凍結しているものと判定して、前記異常検出部による異常の検出を禁止する検出禁止部を更に有するエンジンの排気浄化装置。
6. 前記貯蔵タンクにおいて、前記前駆体としての尿素を水溶液の状態で貯蔵する請求項１〜５のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。
7. 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、を更に含んで構成される請求項１〜６のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。
8. 前記制御ユニットは、前記水溶液が凍結していると判定した場合に、前記添加ユニットに対し、前記還元剤の添加に関する動作を停止させるための信号を出力する請求項７に記載のエンジンの排気浄化装置。
9. 前記制御ユニットは、前記検出された濃度に基づいて、排気に対する前記水溶液の供給量を算出し、
   前記添加ユニットは、前記制御ユニットにより算出された供給量の前記水溶液を、排気に対して供給する請求項７又は８に記載のエンジンの排気浄化装置。

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