JP2009185755A - 温度センサの合理性診断装置及び合理性診断方法、並びに内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温度センサの合理性診断を所望のタイミングで正確に行うことができる温度センサの合理性診断装置及び合理性診断方法、並びにそのような合理性診断装置を備えた排気浄化装置を提供する。
【解決手段】貯蔵タンク内の添加剤を還元触媒の上流側の排気管に供給し、還元触媒で排気中のＮＯ_Xを選択的に還元浄化する内燃機関の排気浄化装置における、貯蔵タンク内に備えられた温度センサの合理性診断を行うための温度センサの合理性診断装置であって、貯蔵タンク内の添加剤の熱容量を演算する添加剤熱容量演算部と、貯蔵タンク内の添加剤が受ける熱量の増減量を演算する熱量増減量演算部と、添加剤の熱容量及び熱量の増減量から推定される添加剤の推定温度推移と温度センサによって検出される添加剤のセンサ温度推移とを比較することによって温度センサの合理性を判定する合理性診断部と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、温度センサの合理性診断装置及び合理性診断方法、並びに内燃機関の排気浄化装置に関する。特に、排気浄化に用いられる添加剤を貯蔵する貯蔵タンク内に備えられた温度センサの合理性診断装置及び合理性診断方法、並びに内燃機関の排気浄化装置に関する。

ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排気ガス中には、環境に影響を及ぼすおそれのある窒素酸化物（ＮＯ_X）が含まれている。従来、このＮＯ_Xを浄化するために用いられる排気浄化装置の一態様として、排気管中に選択還元触媒を配設し、この選択還元触媒中で添加剤を用いてＮＯ_Xの還元浄化を行うＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システムが知られている。このＳＣＲシステムは、尿素溶液や未燃燃料等を添加剤として選択還元触媒の上流側の排気管中に供給し、流入してくる排気ガス中のＮＯ_Xを選択還元触媒中で選択的に還元浄化するものである。

また、選択還元触媒を用いるＳＣＲシステム以外にも、排気ガスの空燃比がリーンの状態で排気ガス中のＮＯ_Xを吸蔵し、リッチに切り換わるとＮＯ_Xを放出するＮＯ_X吸蔵触媒を用いた排気浄化装置が知られている。この排気浄化装置の一態様として、ＮＯ_X吸蔵触媒の上流側に未燃燃料を直接添加し、ＮＯ_X吸蔵触媒に吸蔵されているＮＯ_Xを放出させるとともに、未燃燃料に含まれる炭化水素（ＨＣ）を用いてＮＯ_Xの還元浄化を行うようにしたものがある。

これらの排気浄化装置における尿素溶液や未燃燃料等を添加する装置として、代表的には、添加剤をポンプによって圧送し、排気管に接続された噴射弁を介して排気管中に添加剤を供給するインジェクション式の添加剤供給装置がある。また、尿素溶液を噴霧する装置には、混合室内で高圧エアを用いて尿素溶液を微粒化した上で、排気管に接続されたノズルを介して排気管中に尿素溶液を噴霧するエアアシスト式の添加剤供給装置もある。

このような添加剤供給装置では、尿素溶液や未燃燃料等の添加剤を貯蔵しておく貯蔵タンクが備えられている。この貯蔵タンク内に貯蔵された添加剤が固体化すると添加剤の供給制御を精度よく行なうことができないため、貯蔵タンク内に温度センサを備え、添加剤の温度を検知できるようにしたものがある。例えば、尿素溶液を添加剤として用いる添加剤供給装置として、貯蔵容器（貯蔵タンク）に品質センサ、温度センサ、レベルセンサ及びポンプからなる、尿素溶液を供給するためのアセンブリを備えた添加剤供給装置が開示されている（特許文献１参照）。
特表２００２−５２７６６０号 （請求項１２、段落［００３８］）

ところで、現在、排気浄化装置を製品化する際に、貯蔵タンク内の温度センサの信頼性を確認するために、温度センサの合理性の診断を行えるようにすることが義務付けられ始めている。これは、例えば、尿素溶液を添加剤として使用する場合において、添加剤の結晶化や凍結を防止するために、貯蔵タンクの加熱制御が行われる場合等に、温度センサのセンサ値の信頼性が低いと、添加剤を過度に加熱しすぎたり、逆に、解凍すべき時期に解凍させられなかったりするおそれがあるためである。そのため、温度センサの合理性を正確に診断することができる合理性診断方法が望まれている。

そこで、本発明の発明者らは鋭意努力し、温度センサの合理性診断装置において、演算によって推定される添加剤の推定温度推移と、温度センサによって測定される添加剤のセンサ温度推移とを比較する合理性診断部を備えることにより、このような問題を解決できることを見出し本発明を完成させたものである。すなわち、本発明は、温度センサの合理性診断を所望のタイミングで正確に行うことができる温度センサの合理性診断装置及び合理性診断方法、並びにそのような合理性診断装置を備えた排気浄化装置を提供することを目的とする。

本発明によれば、貯蔵タンク内の添加剤を還元触媒の上流側の排気管に供給し、還元触媒で排気中のＮＯ_Xを選択的に還元浄化する内燃機関の排気浄化装置における、貯蔵タンク内に備えられた温度センサの合理性診断を行うための温度センサの合理性診断装置であって、貯蔵タンク内の添加剤の熱容量を演算する添加剤熱容量演算部と、貯蔵タンク内の添加剤が受ける熱量の増減量を演算する熱量増減量演算部と、添加剤の熱容量及び熱量の増減量から推定される添加剤の推定温度推移と温度センサによって検出される添加剤のセンサ温度推移とを比較することによって温度センサの合理性を判定する合理性診断部と、を備えることを特徴とする温度センサの合理性診断装置が提供され、上述した問題を解決することができる。

また、本発明の温度センサの合理性診断装置を構成するにあたり、添加剤の熱容量は、少なくとも貯蔵タンク内の添加剤の残量及び添加剤の比熱をもとに算出されることが好ましい。

また、本発明の温度センサの合理性診断装置を構成するにあたり、熱量の増減量は、貯蔵タンク内の添加剤がその周囲から受ける熱量及び貯蔵タンク内の添加剤を加熱するための加熱手段から受ける熱量をもとに算出されることが好ましい。

また、本発明の温度センサの合理性診断装置を構成するにあたり、貯蔵タンク内の添加剤がその周囲から受ける熱量は、少なくとも外気温度、貯蔵タンクの形状、及び貯蔵タンクの熱伝達率をもとに算出されることが好ましい。

また、本発明の温度センサの合理性診断装置を構成するにあたり、推定温度推移とセンサ値温度推移との比較による合理性の判定を第１の判定としたときに、合理性診断部は、外気温度と排気温度と内燃機関の冷却水温度とのうちの最大値と最小値との差を求め、差が所定の閾値を超える場合には第１の判定を行う一方、差が閾値以下の場合には、温度センサのセンサ値と外気温度とを比較することにより温度センサの合理性を判定する第２の判定を行うことが好ましい。

また、本発明の別の態様は、貯蔵タンク内の添加剤を還元触媒の上流側の排気管に供給し、還元触媒で排気中のＮＯ_Xを選択的に還元浄化する内燃機関の排気浄化装置における貯蔵タンク内に備えられた温度センサの合理性診断を行う温度センサの合理性診断方法であって、貯蔵タンク内の添加剤の熱容量及び貯蔵タンク内の添加剤が受ける熱量の増減量から推定される添加剤の推定温度推移と、温度センサによって検出される添加剤のセンサ温度推移と、を比較することによって温度センサの合理性を判定することを特徴とする温度センサの合理性診断方法である。

また、本発明のさらに別の態様は、上述したいずれかの温度センサの合理性診断装置を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置である。

本発明の温度センサの合理性診断装置及び合理性診断方法によれば、貯蔵タンク内の添加剤に与えられ又は添加剤から奪われる熱量を考慮して、添加剤の温度変化の推移を推定するとともに、実際に温度センサによって検出される添加剤の温度変化の推移と比較することによって、温度センサの合理性の有無を正確に判定することができる。また、このような診断方法であれば、診断を行う時期の制約が少ないため、所望のタイミングで診断を行うことができ、診断回数を増やすなどして温度センサの合理性の信頼度が高められるようになる。

また、本発明の排気浄化装置によれば、温度センサの合理性診断を正確に行うことができる合理性診断装置を備えているために、添加剤の加熱制御をはじめとする、貯蔵タンク内の温度センサのセンサ値を用いた制御を正確に行うことができる排気浄化装置を提供することができる。

以下、図面を参照して、本発明の温度センサの合理性診断装置、合理性診断方法及び合理性診断装置を備えた内燃機関の排気浄化装置に関する実施の形態について具体的に説明する。ただし、かかる実施形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の範囲内で任意に変更することが可能である。
なお、それぞれの図中、同じ符号を付してあるものについては同一の部材を示しており、適宜説明が省略されている。

１．排気浄化装置
まず、温度センサの合理性診断装置を備えた本実施形態の内燃機関の排気浄化装置の構成について図１を参照しつつ説明する。
図１に示す排気浄化装置１０は、添加剤としての尿素水溶液を、排気管中に配設された還元触媒１３の上流側に噴射供給し、還元触媒１３において排気ガス中に含まれるＮＯ_Xを選択的に還元浄化する排気浄化装置１０である。この排気浄化装置１０は、内燃機関５に接続された排気管１１の途中に配設され、排気ガス中に含まれるＮＯ_Xを選択的に還元するための還元触媒１３と、還元触媒１３の上流側で排気管１１内に添加剤を噴射供給するための添加剤噴射弁３１を含む添加剤供給装置２０とを主たる要素として構成されている。また、排気管１１の還元触媒１３の上流側には温度センサ１５及びＮＯ_Xセンサ１８が配置されるとともに、還元触媒１３の下流側には温度センサ１６及びＮＯ_Xセンサ１７が配置されている。この排気浄化装置１０は、主として車両の排気系に備えられるものであり、本実施形態においても車両に備えられた排気浄化装置１０を例にとって示している。

２．添加剤供給装置
本実施形態の排気浄化装置１０に備えられた添加剤供給装置２０は、還元触媒１３の上流側で排気管１１に固定された添加剤噴射弁３１と、添加剤が貯蔵された貯蔵タンク５０と、貯蔵タンク５０内の添加剤を添加剤噴射弁３１に対して圧送するポンプ４１を含むポンプモジュール４０と、排気管１１内に噴射供給する添加剤の供給量を制御するために、添加剤噴射弁３１やポンプ４１の制御を行う制御装置（以下、「ＤＣＵ：Dosing Control Unit」と称する。）６０を備えている。また、ポンプモジュール４０と添加剤噴射弁３１とは第１の供給通路５８によって接続され、貯蔵タンク５０とポンプモジュール４０とは第２の供給通路５７によって接続され、さらに、ポンプモジュール４０と貯蔵タンク５０とは循環通路５９によって接続されている。

また、図１に示す排気浄化装置１０の例では、ＤＣＵ６０は、ＣＡＮ６５に接続されている。このＣＡＮ６５には、内燃機関の運転状態を制御するためのコントロールユニット（以下、「ＥＣＵ：Engine Control Unit」と称する場合がある。）７０が接続されており、燃料噴射量や噴射タイミング、回転数等をはじめとする内燃機関の運転状態に関する情報が書き込まれるようになっているだけでなく、排気浄化装置１０に備えられたあらゆるセンサ等の情報も書き込まれるようになっている。そして、ＣＡＮ６５に接続されたＤＣＵ６０は、ＣＡＮ６５上の情報を読み込み、また、ＣＡＮ６５上に情報を出力できるようになっている。
なお、本実施形態では、ＥＣＵ７０とＤＣＵ６０とが別のコントロールユニットからなり、ＣＡＮ６５を介して情報のやり取りができるようにされているが、これらのＥＣＵ７０とＤＣＵ６０とを一つのコントロールユニットとして構成しても構わない。

また、本実施形態の排気浄化装置１０に備えられた貯蔵タンク５０には、タンク内の添加剤の温度を検出するための温度センサ５１及び添加剤の残量を検出するためのレベルセンサ５３が備えられている。
また、添加剤噴射弁３１としては、例えば、デューティ制御により開弁のＯＮ−ＯＦＦが制御されるＯＮ−ＯＦＦ弁を使用することができる。ポンプモジュール４０から添加剤噴射弁３１に圧送される添加剤は所定の圧力で維持されるようになっており、ＤＣＵ６０から送られてくる制御信号によって添加剤噴射弁３１が開かれたときに添加剤が排気管中に供給されるようになっている。

また、添加剤噴射弁３１には冷却水通路３７が設けられ、内燃機関５の冷却水を利用して添加剤噴射弁３１の冷却が行われるようになっている。本実施形態における添加剤供給装置２０の例では、添加剤噴射弁３１の冷却水通路３７を含む第１の冷却水循環通路８５が備えられ、内燃機関５の冷却水は、冷却水循環ポンプ７３によって内燃機関５の冷却水通路７５を循環するとともに、冷却水通路７５から分岐して第１の冷却水循環通路８５にも流入するようになっている。第１の冷却水循環通路８５に流入した冷却水は、途中、添加剤噴射弁３１に設けられた冷却水通路３７を通って、再び内燃機関５の冷却水通路７５に戻され、添加剤噴射弁３１の冷却が行われる。

この第１の冷却水循環通路８５における添加剤噴射弁３１よりも上流側には、第１の冷却水循環通路８５を流れる冷却水の流量を調節するための第１の冷却水流量制御弁８１が備えられている。第１の冷却水流量制御弁８１としては、例えば、電磁制御式のＯＮ−ＯＦＦ弁や、電磁比例流量制御弁を使用することができ、後述するＤＣＵ６０によって制御される。この第１の冷却水流量制御弁８１は通常開弁されており、冷却水によって添加剤噴射弁３１が冷却されるようになっている。一方、添加剤噴射弁３１が冷却されすぎるおそれがある場合には、第１の冷却水流量制御弁８１を閉弁して冷却水の循環を遮断するか、あるいは、第１の冷却水流量制御弁８１の開度を減少させて冷却水の流量を減少させ、添加剤噴射弁３１が冷却されすぎないように調節される。

また、添加剤噴射弁３１に接続された第１の供給通路５８のうち、添加剤噴射弁３１の入口部分には、添加剤噴射弁３１に流入する添加剤の温度を検知するための温度センサ３３が備えられている。さらに、第１の冷却水循環通路８５のうち、添加剤噴射弁３１の上流側の入口部分には、添加剤噴射弁３１に流入する冷却水の温度を検知するための温度センサ３５が備えられている。これらの温度センサ３３、３５で検知されたセンサ値は、ＤＣＵ６０に送られるようになっている。

また、本実施形態の排気浄化装置に備えられた添加剤供給装置２０では、内燃機関５の冷却水通路７５から分岐する第１の冷却水循環通路８５における第１の冷却水流量制御弁８１よりも上流側から、さらに第２の冷却水循環通路８７が分岐して設けられている。この第２の冷却水循環通路８７は貯蔵タンク５０内を通過するように配設されており、再び第１の冷却水循環通路８５に合流するようになっている。また、第２の冷却水循環通路８７における貯蔵タンク５０よりも上流側には、第２の冷却水循環通路８７を流れる冷却水の流量を調節するための第２の冷却水流量制御弁８３が備えられている。

この第２の冷却水循環通路８７を循環する内燃機関５の冷却水は、貯蔵タンク５０内の添加剤の加熱手段として利用されるものである。内燃機関５の冷却水は、例えば７０〜８０℃程度に維持されるようになっているため、貯蔵タンク５０内の添加剤の温度が低下したときに第２の冷却水流量制御弁８３を開弁して貯蔵タンク５０内に冷却水を循環させ、添加剤の温度が過度に低下したり、添加剤が凍結したりしないように制御される。
第２の冷却水流量制御弁８３についても、第１の冷却水流量制御弁８１と同様に、電磁制御式のＯＮ−ＯＦＦ弁や電磁比例流量制御弁を使用することができ、ＤＣＵ６０によって制御されるようになっている。すなわち、上述したように添加剤が貯蔵された貯蔵タンク５０には温度センサ５１が備えられており、温度センサ５１によって検知された値は信号としてＤＣＵ６０に対して出力され、このセンサ値に基づいて第２の冷却水流量制御弁８３の開閉制御が行われるようになっている。

また、ポンプモジュール４０にはポンプ４１が備えられ、第２の供給通路５７を介して貯蔵タンク５０内の添加剤を汲み上げるとともに、第１の供給通路５８を介して添加剤噴射弁３１に圧送するようになっている。このポンプ４１は、例えば電動式のダイヤフラムポンプやギアポンプからなり、ＤＣＵ６０から送られてくる信号によってデューティ制御されるようにすることができる。また、第１の供給通路５８には圧力センサ４３が備えられており、圧力センサ４３によって検知された値は信号としてＤＣＵ６０に出力され、第１の供給通路５８内の圧力値が所定値に維持されるようにポンプ４１の駆動デューティが制御されるようになっている。すなわち、第１の供給通路５８内の圧力が所定値よりも低下するような状態においては、ポンプ４１の駆動デューティは大きくなるように制御され、第１の供給通路５８内の圧力が所定値よりも上昇するような状態においては、ポンプ４１の駆動デューティは小さくなるように制御される。
なお、「ポンプの駆動デューティ」とは、ＰＷＭ（pulse width modulation）制御において、１周期当たりに占めるポンプの駆動時間の割合を意味している。

また、第１の供給通路５８にはメインフィルタ４７が備えられ、添加剤噴射弁３１に圧送される添加剤中の異物が捕集されるようになっている。また、ポンプ４１とメインフィルタ４７との間の第１の供給通路５８から循環通路５９が分岐して設けられ、貯蔵タンク５０に接続されている。この循環通路５９の途中にはオリフィス４５が備えられるとともに、オリフィス４５よりも貯蔵タンク５０側に圧力制御弁４９が備えられている。このような循環通路５９を備えることにより、圧力センサ４３のセンサ値をもとにフィードバック制御されるポンプ４１によって添加剤が圧送される状態で、第１の供給通路５８内の圧力値が所定値を超えた場合に圧力制御弁４９が開弁し、添加剤の一部が貯蔵タンク５０内に還流されるようになっている。圧力制御弁４９は、例えば、公知のチェック弁等を使用することができる。

また、ポンプモジュール４０にはリバーティングバルブ７１が備えられ、添加剤供給装置２０が添加剤の供給制御を行わない場合等において、ポンプモジュール４０や添加剤噴射弁３１、第１の供給通路５８、第２の供給通路５７等を含む添加剤供給系の添加剤が貯蔵タンク５０に回収できるようになっている。したがって、冷寒時等、添加剤が凍結しやすい温度条件下において、内燃機関５を停止させ、添加剤供給装置２０の制御を行わないような場合に、添加剤供給系内での添加剤の凍結や結晶化が防止され、その後内燃機関の運転を再開したときに、詰まりによる噴射不良がないようにされている。
このリバーティングバルブ７１は、例えば、添加剤の流路を、貯蔵タンク５０からポンプモジュール４０へ向かう順方向から、ポンプモジュール４０から貯蔵タンク５０へ向かう逆方向に切り替える機能を持った切換弁であり、内燃機関のイグニッションスイッチをオフにしたときに、流路を逆方向に切り換えるとともにポンプ４１を駆動させることにより添加剤を貯蔵タンク５０内に回収することができる。

また、添加剤供給装置２０の添加剤供給系の各部位にはそれぞれヒータ９２〜９７が備えられている。これらのヒータ９２〜９７は、冷寒時等において添加剤が添加剤供給系内に存在する場合に、添加剤が凍結して部分的に又は完全に添加剤供給系を塞いでしまい、添加剤噴射弁３１による添加剤の供給制御を正確に行えなくなることを防ぐために備えられている。また、これらのヒータ９２〜９７は、ＤＣＵ６０によって通電が制御されるようになっている。例えば、添加剤の温度や外気温度等をもとにして、添加剤供給系で添加剤が凍結を生じるような温度条件下にあると判断されたときに、バッテリーから電力が供給され、添加剤が加熱されるようになっている。
これらのヒータ９２〜９７についても、特に制限されるものではなく、例えば、電熱線等を使用することができる。

３．添加剤供給装置の制御装置（温度センサの合理性診断装置）
（１）基本的構成
図１に示す排気浄化装置１０に備えられたＤＣＵ６０では、基本的には、適切な量の添加剤が排気管１１中に供給されるように、ＣＡＮ６５上に存在する様々な情報をもとにポンプ４１及び添加剤噴射弁３１の動作制御が行われるようになっている。また、本発明の実施の形態におけるＤＣＵ６０は、さらに貯蔵タンク５０に備えられた温度センサ５１の合理性診断装置としての機能を備えている。

図１では、添加剤噴射弁３１の動作制御及びポンプ４１の駆動制御、さらに温度センサ１７の合理性診断に関する部分について、機能的なブロックで表された構成例が示されている。このＤＣＵ６０は、ＣＡＮ情報取出生成部（図１では「CAN情報取出生成」と表記。）と、ポンプ駆動制御部（図１では「ポンプ駆動制御」と表記。）と、添加剤供給量指示部（図１では「Udv動作制御」と表記。）と、合理性診断部（図１では「合理性診断」と表記。）等を主要な構成要素として構成されている。そして、これらの各部は、具体的にはマイクロコンピュータ（図示せず）によるプラグラムの実行によって実現されるものである。

このうち、ＣＡＮ情報取出生成部は、ＥＣＵ７０から出力された内燃機関５の運転状態に関する情報や温度センサ及びＮＯ_Xセンサ等から出力されたセンサ値をはじめとして、ＣＡＮ６５上に存在する情報を読み込み、各部に対して出力するようになっている。特に、本実施形態の排気浄化装置に備えられたＤＣＵ６０では、還元触媒１３の上流側の排気管１１に備えられた温度センサ１５によって検出される排気温度情報、内燃機関５に備えられた温度センサ（図示せず）によって検出される内燃機関５の冷却水温度情報、車両に備えられた温度センサ（図示せず）によって検出される外気温度情報、貯蔵タンク５０内に備えられた温度センサ５１によって検出される添加剤の温度情報、貯蔵タンク５０内に備えられたレベルセンサ５３によって検出される添加剤の残量情報、車両に備えられた車速センサ（図示せず）によって検出される車速情報が、ＣＡＮ情報取出生成部を介して、合理性診断部に対して送信されるようになっている。

また、ポンプ駆動制御部は、ＣＡＮ情報取出生成部から出力される、第２の供給経路５７内の添加剤の圧力を示す圧力センサ４３のセンサ値を継続的に読み込み、このセンサ値をもとにポンプ４１をフィードバック制御し、第２の供給経路５７内の圧力がほぼ一定の状態に維持されるようになっている。例えば、ポンプ４１が電動式のポンプである場合には、出力される圧力値が目標値よりも低い場合には、圧力を上昇させるべく、電動式のポンプのデューティ比が大きくなるように制御され、逆に、出力される圧力値が目標値を超える場合には、圧力を低下させるべく、電動式のポンプのデューティ比が小さくなるように制御される。

添加剤供給量指示部は、ＣＡＮ情報取出生成部から出力される、貯蔵タンク５０内の添加剤に関する情報や排気ガス温度、還元触媒温度、還元触媒下流側でのＮＯ_X濃度に関する情報、さらには内燃機関５の運転状態に関する情報等を読み込み、排気ガスに含まれるＮＯ_Xを還元するために必要な量のアンモニアが生成されるように添加剤の供給量を算出し、添加剤噴射弁３１を操作するための添加剤噴射弁操作装置（図１では「Udv操作装置」と表記）６７に対して出力するように構成されている。

（２）添加剤供給制御
図１に示す排気浄化装置１０による排気ガス中のＮＯ_Xの還元浄化は以下のように行われる。
内燃機関の運転時において、貯蔵タンク５０内の添加剤は、ポンプ４１によって汲み上げられ、添加剤噴射弁３１に向けて圧送される。このとき、ポンプモジュール４０に備えられたポンプ４１の下流側の圧力センサ４３のセンサ値をフィードバックし、センサ値が所定値未満の場合にはポンプ４１の出力を高める一方、圧力値が所定値を超える場合には圧力制御弁４９によって減圧される。これによって、添加剤噴射弁３１に向けて圧送される添加剤の圧力がほぼ一定の値に維持されるように制御される。

このとき、貯蔵タンク５０内の添加剤の温度が温度センサ５１によって検知され、例えば、６０℃未満の低温になっているときには、内燃機関の冷却水が第２の冷却水循環通路８７内を流れ、添加剤が加熱されるようになっている。これによって、添加剤の凍結が防止されるとともに、排気管１１内に供給される添加剤が速やかに加水分解を生じてアンモニアが生成されやすくなっている。

添加剤がほぼ一定の圧力で供給された状態で、ＤＣＵ６０は、内燃機関の運転状態や排気温度、還元触媒１３の温度、さらには還元触媒１３の下流側で測定される、還元されずに還元触媒１３を通過したＮＯ_X濃度等の情報をもとに供給すべき添加剤量を決定し、それに応じた制御信号を生成して添加剤噴射弁操作装置６７に対して出力する。そして、添加剤噴射弁操作装置６７によって添加剤噴射弁３１のデューティ制御が行われ、適切な量の添加剤が排気管１１中に供給される。排気管１１中に供給された添加剤は、排気ガスに混合された状態で還元触媒１３に流入し、排気ガス中に含まれるＮＯ_Xの還元反応に用いられる。このようにして、排気ガスの浄化が行われるものである。

（３）温度センサの合理性診断部
ここで、本実施形態の排気浄化装置に備えられたＤＣＵ６０には温度センサの合理性診断部が備えられている。
図２は、ＤＣＵ６０の構成のうちの温度センサの合理性診断部の構成をさらに詳細に表している。この合理性診断部は、添加剤熱容量演算部（図２では「熱容量演算」と表記。）と、熱量増減量演算部（図２では「熱量増減量演算」と表記。）と、合理性判定部（図２では「合理性判定」と表記。）とから構成されている。これらの各部についても、マイクロコンピュータ（図示せず）によるプログラムの実行によって実現されるものである。

このうち、添加剤熱容量演算部は、貯蔵タンク内に貯蔵されている添加剤の熱容量を演算する部分である。添加剤の質量をm、比熱をcpとすると、添加剤の熱容量Cpは下記式（１）で表すことができる。
Cp＝cp・m …（１）

ここで、本実施形態の排気浄化装置の構成例では、あらかじめ記憶させた貯蔵タンクの形状及び貯蔵タンクに備えられたレベルセンサのセンサ値をもとにして、添加剤の質量mが算出されるようになっている。具体的には、貯蔵タンクの形状に基づいた形状定数をα、レベルセンサのセンサ値をLとすると、添加剤の質量mは下記式（２）を用いて算出することができる。
m＝α・L …（２）
したがって、本実施形態の排気浄化装置に備えられたＤＣＵの添加剤熱容量演算部では、上記式（２）を式（１）に代入して得られる下記式（３）を用いて、貯蔵タンク内の添加剤の熱容量Cpを求めるようになっている。
Cp＝cp・α・L …（３）

ただし、貯蔵タンク内にレベルセンサを備えていない構成の排気浄化装置の場合には、貯蔵タンクの形状やレベルセンサのセンサ値の情報を用いる代わりに、補給量（m1）から使用量（m2）を差し引くことによって求められる添加剤の質量の推定値を使用することができる。この場合、上記式（１）は、下記式（４）で表すことができる。
Cp＝cp・（m1−m2） …（４）

また、熱量増減量演算部は、貯蔵タンク内に貯蔵されている添加剤が受ける熱量の増減量を演算する部分である。本実施形態の排気浄化装置の構成例では、貯蔵タンクの周囲から受ける熱流量や、貯蔵タンクの添加剤を加熱する加熱手段から受ける熱流量と、添加剤熱容量演算部で求められた添加剤の熱容量とをもとにして、添加剤が受ける熱量の増減量が演算により求められるようになっている。

貯蔵タンク内の添加剤がその周囲から受ける熱流量は、例えば、ＣＡＮ情報取出生成部から送信される車両の車速情報及び外気温度情報や、貯蔵タンクの形状及び貯蔵タンクの熱伝達率等をもとにして演算によって求めることができる。

また、貯蔵タンク内の添加剤が加熱手段から受ける熱流量についても、演算によって求めることができる。本実施形態の排気浄化装置に備えられた添加剤の加熱手段は、内燃機関の冷却水を循環させて、貯蔵タンクに備えられた熱交換器を介して貯蔵タンク内の添加剤を加熱するように構成されたものである。そのため、熱量増減量演算部では、第２の冷却水通路内を流れる冷却水の流量や、ＣＡＮ情報取出生成部から送信される冷却水温度情報、熱交換器の温度情報、冷却水の比熱等をもとにして、添加剤が受ける熱量の増減量が求められるようになっている。

具体的には、熱交換器と接する冷却水通路の表面積をS1、添加剤と接する熱交換器の表面積をS2、冷却水から熱交換器への熱伝導率をα1、熱交換器から添加剤への熱伝導率をα2、冷却水温度をTc、熱交換器温度をTw、添加剤温度をTuとすると、添加剤が受ける熱量の増減量dQは、下記式（５）で表すことができる。
dQ＝α1・（Tc−Tw）・S1＋α2・（Tw−Tu）・S2 …（５）
このうち、冷却水から熱交換器への熱伝導率（α1）は、冷却水の流量に依存する値である。
この式において、仮に、S1＝S2、α1＝α2である場合には、添加剤が受ける熱量の増減量dQは下記式（６）で表すことができる。
dQ＝α1・（Tc−Tu）・S1 …（６）

ただし、添加剤が加熱手段から受ける熱流量の算出方法については上述した例に制限されるものではない。例えば、電気ヒータ等の他の加熱手段が用いられる場合には、用いられる加熱手段の性能や使用条件をもとにして、添加剤が加熱手段から受ける熱流量を算出するように設定することができる。
このようにして算出される、貯蔵タンク内の添加剤が加熱手段から受ける熱流量に、添加剤がその周囲から受ける熱流量を加算すれば、貯蔵タンク内の添加剤が受ける熱量の増減量が求められる。

また、合理性判定部は、貯蔵タンク内に備えられた温度センサの合理性診断を行う部分である。本実施形態の排気浄化装置に備えられた合理性診断装置では、内燃機関が低温始動時にあるか否かに応じて、判定方法の異なる第１の判定及び第２の判定を行うことができるように構成されている。
このうち、第１の判定を行う第１の判定部では、添加剤熱容量演算部で求められた添加剤の熱容量と、熱量増減量演算部で求められた添加剤が受ける熱量の増減量とが、図示しないＲＡＭ（Random Access Memory）に継続的に記憶され、推定される添加剤の温度推移と、実際に貯蔵タンクに備えられた温度センサによって検出される値の推移とを比較することによって、温度センサのセンサ値の合理性の診断が行われる。すなわち、添加剤が受ける熱量の増減量から推定される温度変化曲線と、温度センサのセンサ値の変化曲線とが近似しているかを見ることによって、温度センサの合理性を診断するようになっている。

この第１の判定部によって、すべての状況下において温度センサの合理性診断を行うことは可能であるが、内燃機関が長時間停止していた場合、すなわち、内燃機関や排気浄化装置が低温になっている場合には貯蔵タンク内の温度が外気温度に近似しているはずであり、長時間停止後においては簡易的に温度センサによるセンサ値と外気温度とを比較することにより、簡便に温度センサの合理性診断を行うことができる。そのため、本実施形態の排気浄化装置に備えられた合理性診断部には、第１の判定とは異なる判定を行う第２の判定部が備えられている。第２の判定部では、内燃機関が長時間停止していた状態において、ＣＡＮ情報取出生成部から送信される、貯蔵タンク内に備えられた温度センサによって検出されるセンサ値と、外気温度とを比較することによって、温度センサによるセンサ値の合理性の診断が行われる。

すなわち、本実施形態の排気浄化装置に備えられた合理性診断部では、内燃機関が長時間停止していた場合には簡易的に温度センサによるセンサ値と外気温度とを比較して、温度センサの合理性を診断する第２の判定を行う一方、長時間の停止状態にない場合には、推定される温度推移と温度センサのセンサ値の推移とを比較する第１の判定を行うように構成されたものである。
このように構成することにより、内燃機関の低温始動時においては短時間で簡便に診断を行うことができる一方、内燃機関が昇温している状況下においても、所望のタイミングで診断を行うことができる。

本実施形態の排気浄化装置に備えられた合理性診断部では、内燃機関が低温始動時であるか否かを判定する低温始動判定部（図２では「コールドスタート判定」と表記。）は、ＣＡＮ情報取出生成部から送信される外気温度、還元触媒上流側の排気温度及び冷却水温度のうち、最大値と最小値との差ΔT₁が閾値ΔT₁0以下となっているか否かで、内燃機関が低温始動時であるか否かを判別するようになっている。内燃機関が長時間以上停止していた場合には、上記の外気温度、排気温度及び冷却水温度は互いに近似する値となるためである。
ただし、内燃機関が低温始動時にあるか否かの判定方法は、この例に限られるものではない。例えば、本実施形態では排気温度として還元触媒上流側の温度センサ値を用いているが、還元触媒下流側の温度センサ値であってもよいし、さらに別の排気温度に関する情報を使用することもできる。

４．合理性診断方法
（１）温度センサの合理性判定の具体例
次に、本実施形態の排気浄化装置に備えられた合理性診断装置において、貯蔵タンク内に備えられた温度センサのセンサ値の推移と、推定される温度推移とを比較することにより、温度センサの合理性を判定する第１の判定の具体例について、図３を参照して詳細に説明する。

図３は、貯蔵タンク内の添加剤の推定温度推移及び貯蔵タンクに備えられた温度センサのセンサ値の推移を示すものであり、縦軸が温度（相対値）を示し、横軸が経過時間（相対値）を示し、外気温度（点線Ｃ）、冷却水温度（破線Ｄ）、還元触媒上流側の温度センサ値（実線Ａ）及び添加剤推定温度（一点鎖線Ｂ）の推移がそれぞれ表されている。また、外気温度（点線Ｃ）、冷却水温度（破線Ｄ）及び温度センサ値（実線Ａ）については、相対的な温度を反映して示されているが、推定温度（一点鎖線Ｂ）については、t0のときの値が温度センサ値（実線Ａ）と一致させてある。

この図３の例では、時間の経過に伴って外気温度（点線Ｃ）が徐々に低下する一方、冷却水温度（破線Ｄ）が徐々に上昇しており、温度センサによって検出されるセンサ値（実線Ａ）の推移も段階的に上昇している。この温度センサ値の変化曲線（実線Ａ）は、貯蔵タンク内の添加剤の推定温度の変化曲線（一点鎖線Ｂ）と完全に一致してはいないものの、診断を行っているt1からt2の期間に、温度センサ値と推定温度との差の絶対値が閾値S以下となっており、互いに近似する変化曲線となっているために温度センサの合理性があるものと判定することができる。一方、実線Ａ´で示すように、診断を行っているt1からt2の期間に、温度センサ値と推定温度との差の絶対値がSを超える場合には、温度センサの合理性がないものと判定される。

また、この図３の例では、温度推移の監視を開始してから所定時間を経過するまで（t0からt1の期間）は待機時間とされ、診断が開始されないようになっている。これは、t0の時点では、温度センサ値と推定温度とが一致しているため、温度推移の監視を開始した直後では、温度センサ値と推定温度との差が大きくなる可能性は低く、正確に判定することが困難であるからである。また、経過時間が短い場合には閾値Sを小さくすることも考えられるが、閾値Sを小さくすると誤診断の確率が高くなり、診断結果の信頼性が低下するからである。

また、推定温度の変化曲線（一点鎖線Ｂ）と温度センサ値の変化曲線（実線Ａ）とを比較する診断を行う期間の長さ（t1からt2までの時間）については、例えば、６０〜６００秒に設定することができるが、特に制限されるものではない。ただし、診断期間が長ければ診断結果の信頼性を高められる一方、過度に長すぎると診断に時間を要し、診断が途中で中断される可能性が高くなる。

（２）合理性診断のフロー
次に、温度センサの合理性診断方法の具体的なルーチンの一例を図４〜図６のフローチャートを参照しつつ説明する。なお、このルーチンは、常時実行されるようにしてもよく、あるいは一定時間ごとの割り込みによって実行されるようにしてもよい。ただし、回数が多いほど、温度センサの合理性に対する信頼性が高められる。

まず、ステップＳ１０において、外気温度To、還元触媒上流側の排気温度Tg、内燃機関の冷却水温度Tcを読み取る。次いで、ステップＳ１１において、ステップＳ１０で読み取った外気温度To、排気温度Tg、冷却水温度Tcのうちの最大値と最小値との差ΔT₁が、所定の閾値ΔT₁0未満であるか否かの判別を行う。

ステップＳ１１において減算値ΔT₁が閾値ΔT₁0未満であるときには、外気温度To、排気温度Tg、冷却水温度Tcが近似した状態であり、内燃機関が長時間停止していた後の低温始動状態にあるものと推定できるため、合理性診断を簡便に行う第２の判定のステップに進む。一方、ステップＳ１１において、三つの温度の最大値と最小値との差ΔT₁が閾値ΔT₁0以上であるときには、内燃機関が長期間停止していた後の低温始動状態にないと推定され、温度推移の変化曲線を比較する第１の判定のステップに進む。

第２の判定を行う場合には、まず、ステップＳ１２で、温度センサのセンサ値Tu及び外気温度Toを読み取った後、ステップＳ１３で、温度センサのセンサ値Tuと外気温度Toとの差の絶対値ΔT₂が所定の閾値ΔT₂0未満であるか否かが判別される。そして、絶対値ΔT₂が閾値ΔT₂0未満であれば温度センサの合理性があるものと判定され、絶対値ΔT₂が閾値ΔT₂0以上であれば温度センサの合理性がないものと判定される。

一方、第１の判定を行う場合には、まず、ステップＳ１４でレベルセンサのセンサ値Lを読み取った後、ステップＳ１５で、あらかじめ記憶させておいた貯蔵タンクの形状に基づいた形状定数及び添加剤の比熱等をもとにして、貯蔵タンク内の添加剤の熱容量を算出する。

次いで、ステップＳ１６で、車両の車速センサのセンサ値S及び外気温度Toを読み取った後、ステップＳ１７で、あらかじめ記憶させておいた貯蔵タンクの形状及び貯蔵タンクの熱伝達率等をもとにして、添加剤が貯蔵タンクの周囲から受ける熱量の増減量を求める。
さらに、ステップＳ１８で、第２の冷却水通路内を流れる冷却水の流量Vc、冷却水温度Tc及び熱交換器の温度Twを読み取った後、ステップＳ１９で、予め記憶させておいた冷却水の比熱や熱交換器の熱伝導率等をもとにして、添加剤が加熱手段から受ける熱量の増減量を求める。

その後、ステップＳ２０では、ステップＳ１５で求めた添加剤の熱容量と、ステップＳ１７で求めた添加剤が貯蔵タンクの周囲から受ける熱量の増減量と、ステップＳ１９で求めた添加剤が加熱手段から受ける熱量の増減量とをもとにして推定される添加剤の温度変化曲線を、温度センサのセンサ値Tuの変化曲線と比較して、互いの変化曲線が近似しているか否かが判別される。そして、上述したように、温度センサのセンサ値Tuの変化曲線と推定温度の変化曲線とが近似していると判別される場合には、温度センサの合理性があるものと判定され、温度センサのセンサ値Tuの変化曲線と推定温度の変化曲線とが近似していないと判別される場合には、温度センサの合理性がないものと判定される。

以上説明した本実施形態の排気浄化装置に備えられた温度センサの合理性診断装置によれば、貯蔵タンク内の温度センサのセンサ値の変化曲線を、貯蔵タンク内の添加剤が受ける熱量の増減量から推定される推定温度の変化曲線と比較して温度センサの合理性を診断することにより、内燃機関の運転状態にかかわらず、所望のタイミングで温度センサの合理性診断を行うことができる。

（３）応用例
これまで説明した例は、内燃機関が低温始動時であるか否かによって第１の判定又は第２の判定を行い温度センサの合理性診断を行う基本的な例であるが、以下に、内燃機関の低温始動時に第２の判定を行った後、第１の判定を行う応用例について、図７に基づいて説明する。

まず、図４に基づいてすでに説明したように、ステップＳ２０〜ステップＳ２１において内燃機関が低温始動時であるか否かが判別され、低温始動時でない場合にはステップＳ２７に進み、図６に基づいて説明した第１の判定を行う一方、低温始動時である場合にはステップＳ２２に進み、図５に基づいてすでに説明した第２の判定を行う。ステップＳ２７に進んだ場合には、ステップＳ２８で第１の判定の結果がＹｅｓかＮｏかが判別され、その結果にしたがい温度センサの合理性の有無が判定される。

一方、ステップＳ２２に進み第２の判定を行った場合には、引き続きステップＳ２３で第１の判定を行う。
次いで、ステップＳ２４で、第１の判定の結果がＹｅｓかＮｏかが判別され、Ｙｅｓであった場合には、ステップＳ２２の第２の判定の結果にかかわらず温度センサの合理性有りと判定される。これは、例えば、内燃機関が低温始動時である場合において、直前に、外気温度に対して大きく温度が異なる添加剤を貯蔵タンクに補充していたケースでは、第２の判定では合理性なしと判定される一方、推定温度の変化曲線と温度センサ値の変化曲線とが近似していれば温度センサの合理性はあるものと考えられるためである。

逆に、ステップＳ２４で、第１の判定の結果がＮｏであった場合には、ステップＳ２５に進み、ステップＳ２２における第２の判定の結果がＹｅｓかＮｏかが判別される。第２の判定の結果がＮｏの場合には、第１及び第２の判定のいずれの判定でも温度センサの合理性が無かった結果と考えられるため、温度センサの合理性がないものと判定される。
一方、第２の判定の結果がＹｅｓの場合には、内燃機関の低温始動時に温度センサ値と外気温度とが一致していたにもかかわらず、温度センサ値の変化曲線が推定温度に沿って推移していないことから、加熱手段の故障のおそれが高いため、ステップＳ２６で加熱手段の故障フラグをたてた上で、温度センサの合理性があるものと判定される。

以上説明した応用例では、内燃機関の低温始動時における温度センサの合理性診断の結果の信頼性をより高めることができるとともに、加熱手段の故障のおそれについても判別を行うことができるようになる。

本発明の実施の形態にかかる排気浄化装置の構成例を示す図である。 温度センサの合理性診断部を備えた添加剤供給装置制御装置（ＤＣＵ）の構成例を示すブロック図である。 温度センサの合理性を診断する第１の判定の具体例を説明するための図である。 内燃機関の低温始動時の判定方法を説明するためのフローチャートである。 第２の判定方法を説明するためのフローチャートである。 第１の判定方法を説明するためのフローチャートである。 温度センサの合理性診断方法の応用例を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１０：排気浄化装置、１１：排気管、１３：還元触媒、１５・１６：温度センサ、１７・１８：ＮＯ_Xセンサ、２０：添加剤供給装置、３１：添加剤噴射弁、３３・３５：温度センサ、４０：ポンプモジュール、４１：ポンプ、４３：圧力センサ、４５：オリフィス、４７：メインフィルタ、４９：圧力制御弁、５０：貯蔵タンク、５１：温度センサ、５７：第２の供給通路、５８：第１の供給通路、５９：循環経路、６０：添加剤供給装置制御装置（ＤＣＵ）、７１：リバーティングバルブ、７３：冷却水循環ポンプ、７５：内燃機関の冷却水通路、８１：第１の冷却水流量制御弁、８３：第２の冷却水流量制御弁、８５：第１の冷却水循環通路、８７：第２の冷却水循環通路、９２・９３・９４・９５・９６・９７：ヒータ

Claims (7)

1. 貯蔵タンク内の添加剤を還元触媒の上流側の排気管に供給し、前記還元触媒で排気中のＮＯ_Xを選択的に還元浄化する内燃機関の排気浄化装置における、前記貯蔵タンク内に備えられた温度センサの合理性診断を行うための温度センサの合理性診断装置において、
   前記貯蔵タンク内の前記添加剤の熱容量を演算する添加剤熱容量演算部と、
   前記貯蔵タンク内の前記添加剤が受ける熱量の増減量を演算する熱量増減量演算部と、
   前記添加剤の熱容量及び前記熱量の増減量から推定される前記添加剤の推定温度推移と前記温度センサによって検出される前記添加剤のセンサ温度推移とを比較することによって前記温度センサの合理性を判定する合理性診断部と、
   を備えることを特徴とする温度センサの合理性診断装置。
2. 前記添加剤の熱容量は、少なくとも前記貯蔵タンク内の前記添加剤の残量及び前記添加剤の比熱をもとに算出されることを特徴とする請求項１に記載の温度センサの合理性診断装置。
3. 前記熱量の増減量は、前記貯蔵タンク内の前記添加剤がその周囲から受ける熱量及び前記添加剤を加熱するための加熱手段から受ける熱量をもとに算出されることを特徴とする請求項１又は２に記載の温度センサの合理性診断装置。
4. 前記貯蔵タンク内の前記添加剤がその周囲から受ける熱量は、少なくとも外気温度、前記貯蔵タンクの形状、及び前記貯蔵タンクの熱伝達率をもとに算出されることを特徴とする請求項３に記載の温度センサの合理性診断装置。
5. 前記推定温度推移と前記センサ値温度推移との比較による合理性の判定を第１の判定としたときに、
   前記合理性診断部は、外気温度と排気温度と内燃機関の冷却水温度とのうちの最大値と最小値との差を求め、前記差が所定の閾値を超える場合には前記第１の判定を行う一方、前記差が前記閾値以下の場合には、前記温度センサのセンサ値と前記外気温度とを比較することにより前記温度センサの合理性を判定する第２の判定を行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の温度センサの合理性診断装置。
6. 貯蔵タンク内の添加剤を還元触媒の上流側の排気管に供給し、前記還元触媒で排気中のＮＯ_Xを選択的に還元浄化する内燃機関の排気浄化装置における前記貯蔵タンク内に備えられた温度センサの合理性診断を行う温度センサの合理性診断方法において、
   前記貯蔵タンク内の前記添加剤の熱容量及び前記貯蔵タンク内の前記添加剤が受ける熱量の増減量から推定される前記添加剤の推定温度推移と、前記温度センサによって検出される前記添加剤のセンサ温度推移と、を比較することによって前記温度センサの合理性を判定することを特徴とする温度センサの合理性診断方法。
7. 請求項１〜５のいずれか一項に記載された温度センサの合理性診断装置を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。

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