JP2010180801A - 排気浄化システムの異常診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】還元剤溶液の状態にかかわらず還元剤溶液の品質に関する異常診断を実施する。
【解決手段】排気浄化システムは、尿素水を貯留する尿素水タンク２１と、エンジンの排気管１１に設けられ尿素水により排気中のＮＯｘを選択的に浄化するＳＣＲ触媒１３と、尿素水タンク２１に尿素水供給管２２を介して接続され尿素水タンク２１内の尿素水をＳＣＲ触媒１３の排気上流側に添加する尿素水添加弁１５とを備える。また、同システムには、尿素水タンク２１内の尿素水の温度を検出する温度センサ３１が設けられている。ＥＣＵ４０は、尿素水タンク２１内の尿素水の凍結状態を検出し、その凍結状態と尿素水温度とに基づいて尿素水の品質に関する異常診断を実施する。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気浄化システムの異常診断装置に関するものであり、特に還元剤としてのアンモニアにより排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を選択的に浄化する選択還元型触媒（ＳＣＲ）を採用した排気浄化システムの異常診断装置に関するものである。

近年、自動車等に適用されるエンジン（特にディーゼルエンジン）において、排気中のＮＯｘを高い浄化率で浄化する排気浄化システムとして尿素ＳＣＲシステムの開発が進められており、一部実用化に至っている。尿素ＳＣＲシステムとしては次の構成が知られている。すなわち、尿素ＳＣＲシステムでは、エンジン本体に接続された排気管に選択還元型のＮＯｘ触媒が設けられ、その排気上流側にＮＯｘ還元剤としての尿素水（還元剤溶液）を添加する尿素水添加弁が設けられている。また、同システムにおいて、尿素水はタンク内に所定の尿素濃度（例えば３２．５％や３３％）で貯留されており、ポンプによりタンクから尿素水添加弁に給送される。

上記システムにおいては、尿素水添加弁から排気管内に尿素水が添加されることで、尿素水の加水分解により生成されたアンモニア（ＮＨ3）と排気中のＮＯｘとがＮＯｘ触媒上で反応し、排気中のＮＯｘが選択的に還元・浄化される。ここで、ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ浄化率を高め、しかもＮＯｘ還元反応における余剰分のアンモニアが排気管から排出されるのを抑制するには、ＮＯｘ触媒に対してアンモニアを過不足なく供給することが必要となる。

ところが、タンク内に貯留される尿素水の濃度が何らかの原因により変化した場合、排気中のＮＯｘ量に対して適正量のアンモニアを供給できないことが考えられる。そこで、従来、タンク内の尿素水の品質異常を診断する方法が種々提案されている（例えば特許文献１参照）。特許文献１には、加熱ヒータと温度センサとを有し離間した２点間の熱伝達特性により尿素水の濃度を検出する濃度センサを用いてタンク内の尿素水の濃度異常を診断することが開示されている。この濃度センサでは、離間した２つの位置に温度センサが配置され、その少なくとも一方に加熱ヒータが内蔵されている。そして、加熱ヒータを作動させると、他方の温度センサにおいて、尿素水の熱伝導率に応じた特性をもって温度上昇が検出される。この温度上昇特性に応じて尿素水の濃度が検出される。

特開２００５−１２７２６２号公報

しかしながら、特許文献１では、尿素水が凍結した状態の場合にその尿素水の品質異常を検出できないことが考えられる。すなわち、尿素水が凍結した状態で濃度センサの加熱ヒータを作動させた場合、その加熱ヒータの熱が尿素水の融解に使われるため、他方の温度センサにて温度上昇が検出されないことが考えられる。そのため、尿素水の凍結時には、尿素水が解凍されるまで品質異常を診断できず、その結果、エンジン始動後に異常診断を速やかに実施できないことが考えられる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、還元剤溶液の状態にかかわらず還元剤溶液の品質に関する異常診断を実施することができる排気浄化システムの異常診断装置を提供することを主たる目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。

請求項１に記載の発明は、還元剤溶液を貯留する還元剤タンクと、内燃機関の排気通路に設けられ前記還元剤溶液により排気中の窒素酸化物を選択的に浄化する選択還元型触媒と、前記還元剤タンクに還元剤通路を介して接続され同還元剤タンク内の還元剤溶液を前記選択還元型触媒の排気上流側に添加する還元剤添加装置とを備える排気浄化システムに適用される。また、前記還元剤タンク内の還元剤溶液の温度を検出する温度検出手段と、前記還元剤タンク内の還元剤溶液の凍結状態を検出する状態検出手段と、前記温度検出手段により検出される溶液温度と前記状態検出手段により検出される凍結状態とに基づいて前記還元剤溶液の品質に関する異常診断を実施する異常診断手段と、を備えることを特徴とする。

還元剤タンク内に貯留される還元剤溶液の品質が、例えば溶媒の蒸発や還元剤溶液以外の液体の混入等により悪化した場合、排気浄化が適正に実施されないことが考えられる。ここで、還元剤溶液の濃度が同じであって、かつ還元剤溶液以外の液体が混入されていない溶液同士では、その溶液の融点（凝固点）が一致する。したがって、還元剤タンク内に貯留された還元剤溶液の温度が、品質が正常な還元剤溶液であれば凍結した状態（固体状態）であることを示す温度であるにもかかわらず実際には凍結していない（液体状態にある）場合、また逆に、還元剤タンク内に貯留された還元剤溶液の温度が、品質が正常な還元剤溶液であれば凍結しない状態（液体状態）であることを示す温度であるにもかかわらず実際には凍結している（固体状態にある）場合、タンク内には品質が正常でない（異常な）還元剤溶液が貯留されていることが考えられる。その点に鑑み、請求項１に記載の発明では、還元剤タンク内の還元剤溶液の温度とその凍結状態との対応関係に基づいて還元剤溶液の品質異常を診断するため、還元剤溶液が凍結した状態であっても、還元剤溶液の品質に関する異常診断を実施することができる。

還元剤溶液の状態変化は、内燃機関の運転停止中（放置中）及び内燃機関の始動後に生じる。つまり、還元剤溶液の液体状態から固体状態への変化は内燃機関の停止中（放置中）に生じ、固体状態から液体状態への変化は内燃機関の始動時又は始動後に生じる。その点に鑑み、請求項２に記載の発明は、前記内燃機関の始動により前記還元剤タンク内の還元剤溶液に熱供給を行う熱供給手段を備え、前記異常診断手段が、前記内燃機関の始動後における所定の始動期間に前記還元剤溶液の品質に関する異常診断を実施する。この構成によれば、還元剤溶液の状態変化が見られる期間に異常診断を実施するため、品質異常の検出漏れを抑制することができる。また、還元剤溶液の品質に関する異常診断を内燃機関の始動後速やかに実施するため、その異常をできるだけ早期に発見することができる。

還元剤タンク内に貯留された還元剤溶液の温度が、品質が正常な還元剤溶液の融点よりも低いにもかかわらずタンク内の還元剤溶液が凍結していない状態の場合、タンク内の還元剤溶液中に同溶液以外の液体（例えば軽油など）が混入されていることが考えられる。その点に鑑み、請求項３に記載の発明は、前記異常診断手段が、前記溶液温度が前記還元剤溶液の融点として予め定めた所定の規定温度よりも低く、かつ前記還元剤溶液が凍結していない状態の場合に、前記還元剤溶液の品質に関する異常として前記還元剤溶液以外の液体が混入されたとする混入異常有りと判定する。この構成によれば、還元剤溶液の温度とその凍結状態との関係に基づいて還元剤溶液の品質異常のうち同溶液以外の液体が混入されたとする混入異常が発生していることを特定することができる。

還元剤溶液の凍結防止のために、品質が正常な還元剤溶液の濃度が、その溶液において融点が最も低くなるように設定されることがある。かかる場合、還元剤タンク内の還元剤溶液の温度が、品質が正常な還元剤溶液の融点よりも高いにもかかわらずタンク内の還元剤溶液が凍結した状態の場合、タンク内の還元剤溶液の濃度は、品質が正常な還元剤溶液の濃度（正規濃度）と一致していないと言える。その点に鑑み、請求項４に記載の発明は、前記還元剤溶液が、前記還元剤を含む水溶液において最も低い融点としての融点最低値となる濃度に設定されており、前記異常診断手段が、前記溶液温度が前記融点最低値よりも高く、かつ前記還元剤溶液が凍結した状態であると検出された場合に、前記還元剤溶液の品質に関する異常として還元剤濃度が正常時とは異なる濃度異常有りと判定する。この構成によれば、還元剤溶液の温度とその凍結状態との関係に基づいて、還元剤溶液の品質異常のうち濃度異常が発生していることを特定することができる。

請求項５に記載の発明は、前記溶液温度が、前記還元剤溶液の融点として予め定めた所定の規定温度近傍の温度範囲内にある場合に、同温度範囲内の異なる温度で前記還元剤溶液の品質に関する異常診断を実施する。こうすれば、品質正常な還元剤溶液において状態変化が見られる温度領域で異常診断を実施することができる。したがって、異常診断を行う頻度を抑制しつつその異常診断を好適に実施することができる。なお、上記温度範囲は、所定の規定温度を含む温度範囲であるのが好ましい。かかる場合、上記温度範囲内の異なる温度は、同規定温度よりも高温側と低温側とに設定されるのがより好ましい。

請求項６に記載の発明は、更に、前記還元剤溶液が凍結した状態から解凍した状態に変化する温度を検出することにより前記還元剤タンク内に貯留されている溶液の融点を検出する手段を備える。この構成によれば、還元剤タンク内に貯留されている液体の融点が検出されるため、その検出された融点と品質正常時の還元剤溶液の融点とを比較することにより、還元剤タンク内に貯留されている液体において品質異常の程度を知ることができる。

請求項７に記載の発明は、前記ポンプが、前記還元剤通路の途中に前記還元剤タンク内の還元剤溶液に浸漬しない状態で設けられている。この構成によれば、還元剤タンク内の還元剤溶液が凍結・膨張した際におけるポンプの破損を抑制することができる。

尿素ＳＣＲシステムの概要を示す構成図。 尿素水の尿素濃度と凝固点との関係を示す図。 品質異常診断処理の処理手順を示すフローチャート。 尿素水の品質異常診断における時間的推移を示すタイムチャート。

以下、本発明を具体化した排気浄化システムの一実施形態について図面を参照しつつ説明する。本実施形態の排気浄化システムは、選択還元型触媒を用いて排気中のＮＯｘを浄化するものであり、尿素ＳＣＲシステムとして構築されている。はじめに、図１を参照してこのシステムの構成について詳述する。図１は、本実施形態に係る尿素ＳＣＲシステムの概要を示す構成図である。本システムは、自動車に搭載されたディーゼルエンジン（図示略）により排出される排気を浄化対象として、排気を浄化するための各種アクチュエータ及び各種センサ、並びにＥＣＵ（電子制御ユニット）４０等を有して構築されている。

図１のエンジン排気系において、エンジン本体に接続され排気通路を形成する排気管１１が設けられており、その排気管１１に、排気上流側から順にＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）１２、選択還元型触媒（以下、ＳＣＲ触媒という）１３が配設されている。また、排気管１１においてＤＰＦ１２とＳＣＲ触媒１３との間には、還元剤溶液としての尿素水（尿素水溶液）を排気管１１内に添加供給するための尿素水添加弁１５が設けられている。

排気管１１においてＳＣＲ触媒１３の下流側には、ＮＯｘセンサ１６と排気温センサ１７とが設けられている。同ＳＣＲ触媒１３の下流側にて、ＮＯｘセンサ１６により排気中のＮＯｘ量（ＳＣＲ触媒１３によるＮＯｘの浄化率）が検出され、排気温センサ１７により排気の温度が検出される。

排気管１１においてＳＣＲ触媒１３の更に下流側には、アンモニア除去装置としての酸化触媒１９が設けられている。この酸化触媒１９により、ＳＣＲ触媒１３から排出されるアンモニア（ＮＨ3）、すなわち余剰のアンモニアが除去される。

次に、本システムを構成する上記各部の構成についてそれぞれ説明する。

ＤＰＦ１２は、排気中のＰＭ（粒子状物質）を捕集するＰＭ除去用フィルタである。ＤＰＦ１２は白金系の酸化触媒を担持しており、ＰＭ成分の１つである可溶性有機成分（ＳＯＦ）とともにＨＣやＣＯを除去する。このＤＰＦ１２に捕集されたＰＭは、ディーゼルエンジンにおけるメイン燃料噴射後のポスト噴射等により燃焼除去でき（再生処理に相当）、これによりＤＰＦ１２の継続使用が可能となっている。

ＳＣＲ触媒１３は、ＮＯｘの還元反応（排気浄化反応）を促進するものであり、例えば、
４ＮＯ＋４ＮＨ3＋Ｏ2→４Ｎ2＋６Ｈ2Ｏ …（式１）
６ＮＯ2＋８ＮＨ3→７Ｎ2＋１２Ｈ2Ｏ …（式２）
ＮＯ＋ＮＯ2＋２ＮＨ3→２Ｎ2＋３Ｈ2Ｏ …（式３）
といった反応を促進して排気中のＮＯｘを還元する。そして、これらの反応においてＮＯｘの還元剤となるアンモニア（ＮＨ3）を添加供給するものが、同ＳＣＲ触媒１３の上流側に設けられた尿素水添加弁１５である。

尿素水添加弁１５は、既存の燃料噴射弁（インジェクタ）とほぼ同様の構成を有するものであり、公知の構成が採用できるためここでは構成を簡単に説明する。尿素水添加弁１５は、電磁ソレノイド等からなる駆動部と、尿素水を流通させる尿素水通路や先端噴出口１５ａを開閉するためのニードルを有する弁体部とを備えた電磁式開閉弁として構成されており、ＥＣＵ４０からの駆動信号に基づき開弁又は閉弁する。すなわち、駆動信号に基づき電磁ソレノイドが通電されると、その通電に伴いニードルが開弁方向に移動し、そのニードル移動に伴い先端噴出口１５ａから尿素水が添加（噴射）される。

尿素水添加弁１５に対しては、尿素水タンク２１から尿素水が逐次供給される。以下、尿素水供給系の構成について説明する。なお、以下の説明では便宜上、尿素水タンク２１から尿素水添加弁１５に対して尿素水が供給される場合を基準にして、尿素水タンク２１側を上流側、尿素水添加弁１５側を下流側として記載する。

尿素水タンク２１は、給液キャップ付きの密閉容器にて構成されており、その内部に所定の規定濃度ＣＮＨ（例えば３２．５％）の尿素水が貯蔵されている。この尿素水タンク２１と尿素水添加弁１５とは尿素水供給管２２により接続されており、尿素水供給管２２内に尿素水通路（還元剤通路）が形成されている。尿素水供給管２２の途中には、尿素水ポンプ２３が設けられている。

尿素水ポンプ２３は、ＥＣＵ４０からの駆動信号により回転駆動されるインライン式の電動ポンプであり、正逆いずれの方向にも回転が可能となっている。尿素水ポンプ２３の正回転により尿素水タンク２１内の尿素水の吸い上げが行われ、尿素水ポンプ２３の逆回転により尿素水タンク２１への尿素水の吸い戻しが行われる。本実施形態では、尿素水タンク２１内の尿素水に浸漬しない状態で尿素水ポンプ２３が設けられているため、尿素水タンク２１内における尿素水の凍結・膨張による尿素水ポンプ２３の破損が抑制される。

尿素水供給管２２において、尿素水ポンプ２３よりも上流側（尿素水タンク２１側）には、尿素水を濾過するためのフィルタ装置２５が設けられている。また、尿素水ポンプ２３よりも下流側（尿素水添加弁１５側）には、尿素水の圧力を調整する圧力調整弁２６が設けられている。

尿素水添加弁１５側への尿素水圧送時には、尿素水ポンプ２３が正回転方向に回転駆動されることにより尿素水タンク２１内の尿素水が汲み上げられ、フィルタ装置２５を通過して下流側に流れる。これにより、尿素水内に含まれる異物等が除去される。そして、尿素水ポンプ２３から尿素水が吐出（圧送）され、その尿素水は圧力調整弁２６により所定の供給圧力に調整された後、尿素水添加弁１５に給送される。また、圧力調整の結果、余剰となった尿素水はリターン配管２７を通じて尿素水タンク２１に戻される。

尿素水タンク２１への尿素水吸い戻し時には、尿素水ポンプ２３が逆回転方向に回転駆動されることにより尿素水供給管２２内の尿素水が吸い戻され、尿素水タンク２１内に流入される。本実施形態では、この尿素水の吸い戻し動作がＥＣＵ４０によりエンジン停止時に実施される。つまり、エンジン停止中に尿素水が尿素水供給管２２内に残留したままになるのを回避し、これにより尿素水の凍結・膨張による尿素水供給管２２の破損を抑制する。

また、尿素水タンク２１内には、エンジン冷却水の通路としての冷却水通路３３が配設されている。つまり、エンジン冷却水が、エンジン駆動式のウォータポンプ（図示略）の駆動により、エンジン本体→尿素水タンク２１→エンジン本体を循環可能になっている。これにより、エンジンの排熱を利用して尿素水タンク２１内の尿素水の凍結防止を図るとともに尿素水の凍結時における解凍が行われる。なお、本発明の熱供給手段として、尿素水タンク２１内に冷却水通路３３を配設する代わりに、ヒータ等の発熱体を配設してもよい。

尿素水供給系の他の構成として、尿素水タンク２１内には、尿素水タンク２１内に貯留された尿素水の温度を検出する温度センサ３１が設けられている。また、尿素水供給管２２には、尿素水供給管２２内の尿素水の圧力（ライン圧力ＰＮＨ）を検出する圧力センサ３２が設けられている。なお、温度センサ３１は、尿素水供給管２２の吸入口近傍の温度を検出するのが望ましい。

上記システムの中で電子制御ユニットとして主体的に排気浄化に係る制御を行う部分がＥＣＵ４０である。ＥＣＵ４０は、周知のマイクロコンピュータ（図示略）を備え、各種センサの検出値に基づいて所望とされる態様で尿素水添加弁１５等の各種アクチュエータを操作することにより、排気浄化に係る各種の制御を実施する。具体的には、例えば上述したＮＯｘセンサ１６や排気温センサ１７、温度センサ３１、圧力センサ３２等の各種センサから検出信号を入力し、その入力信号に基づいて尿素水添加弁１５の通電時間や尿素水ポンプ２３の駆動量等を制御する。これにより、排気管１１内に、適切な時期に適正な量の尿素水を添加供給する。

本実施形態に係る上記システムでは、エンジン運転時において、尿素水ポンプ２３の駆動により尿素水タンク２１内の尿素水が尿素水供給管２２を通じて尿素水添加弁１５に圧送され、尿素水添加弁１５により排気管１１内に尿素水が添加供給される。すると、排気管１１内において排気と共に尿素水がＳＣＲ触媒１３に供給され、ＳＣＲ触媒１３においてＮＯｘの還元反応によりその排気が浄化される。ＮＯｘの還元に際しては、例えば、
（ＮＨ2）2ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→２ＮＨ3＋ＣＯ2 …（式４）
といった反応により、排気熱による高温下で尿素水が加水分解される。これにより、アンモニア（ＮＨ3）が生成され、そのアンモニアがＳＣＲ触媒１３に吸着するとともに同ＳＣＲ触媒１３において排気中のＮＯｘがアンモニアにより選択的に還元除去される。すなわち、同ＳＣＲ触媒１３上で、アンモニアに基づく還元反応（上記反応式（式１）〜（式３））が行われることによってＮＯｘが還元、浄化されることとなる。

尿素水添加弁１５による排気中への尿素添加量は、ＮＯｘセンサ１６により検出される排気中のＮＯｘ量に応じてアンモニアの過不足が生じないよう算出される。ところが、尿素水タンク２１内に規定濃度ＣＮＨの尿素水以外の液体が貯留されていると、尿素添加量を適正な値に算出できず、結果としてＮＯｘ浄化率の低下やアンモニアスリップが生じることが考えられる。

すなわち、例えば長期間の放置に伴い尿素水タンク２１内の尿素水のうち水成分が蒸発したり、規定濃度ＣＮＨよりも高い濃度の尿素水が尿素水タンク２１内に供給されたりした場合、尿素水の濃度が規定濃度ＣＮＨよりも高くなる。このため、排気中へのアンモニア供給量が過剰になってしまい、アンモニアスリップが発生することが懸念される。また、規定濃度ＣＮＨよりも低い濃度の尿素水や水が尿素水タンク２１内に供給された場合、尿素水の濃度が規定濃度ＣＮＨよりも低くなる。このため、排気中へのアンモニア供給量が不足し、排気中のＮＯｘの未浄化分が排気管１１から排出されることが懸念される。あるいは、尿素水タンク２１内に尿素水以外の液体（例えば軽油など）が誤って又は故意に供給された場合、その液体混入により尿素水の品質低下を招き、ＮＯｘ浄化率が低下したり、システム故障が生じたりするおそれがある。

この問題に鑑み、本発明者は、所定濃度に保持された尿素水であればその濃度固有の凝固点（融点）を有することに着目した。すなわち、尿素水において尿素濃度と凝固点とは図２に示す関係にあり、所定濃度Ｃ０未満の濃度範囲では濃度が高いほど凝固点が低くなり、所定濃度Ｃ０で凝固点が最小値ＴＥ０になる。また、所定濃度Ｃ０を超える濃度範囲では濃度が高いほど凝固点が高くなる。なお、本実施形態では凝固点が最も低くなる尿素濃度を規定濃度ＣＮＨとしており、例えば所定濃度Ｃ０が３２．５％（規定濃度ＣＮＨ）の場合、その凝固点はマイナス１１℃となる。

そこで、本実施形態では、尿素水の温度（尿素水温度ＴＥＮＨ）と、その尿素水の凍結状態とに基づいて尿素水の品質異常を診断する。具体的には、温度センサ３１の検出値（尿素水温度ＴＥＮＨ）と、規定濃度ＣＮＨ（所定濃度Ｃ０）における凝固点（最小値ＴＥ０に相当）とを比較し、その比較結果から推定される尿素水の凍結状態と、尿素水タンク２１内の尿素水における実際の凍結状態とが一致しているか否かを判定する。そして、その尿素水温度ＴＥＮＨから推定される尿素水の凍結状態と実際の凍結状態とが一致していなければ、尿素水タンク２１内の尿素水において品質異常有りと判定する。

図３は、尿素水の品質異常診断に関する処理（品質異常診断処理）の処理手順を示すフローチャートである。この処理は、イグニッションオン後の所定のエンジン始動期間にＥＣＵ４０により所定周期毎（例えば数ｓｅｃ毎）に繰り返し実施される。なお、所定のエンジン始動期間については、例えばイグニッションオンからの経過時間やエンジン冷却水の温度に基づいて設定してある。

図３において、ステップＳ１１ではまず、温度センサ３１により尿素水タンク２１内における尿素水温度ＴＥＮＨを検出し、ステップＳ１２で、尿素水温度ＴＥＮＨが、規定濃度ＣＮＨにおける凝固点未満か否かを判定する。なお、本実施形態では、規定濃度ＣＮＨをＣ０としているため、規定濃度ＣＮＨにおける凝固点は最小値ＴＥ０になる。

尿素水温度ＴＥＮＨが最小値ＴＥ０以上の場合には、ステップＳ１３へ進み、尿素水タンク２１から尿素水添加弁１５に尿素水を給送するための尿素水ポンプ２３の駆動を開始し、ステップＳ１４において、尿素水が凍結状態であるか否かを判定する。本実施形態では、尿素水ポンプ２３の駆動に伴い尿素水が尿素水供給管２２内を通過していることが圧力センサ３２の検出値により判定された場合、すなわち圧力センサ３２にて圧力上昇が検出された場合に、尿素水が凍結していない状態であると判定する。

なお、凍結状態の尿素水が解凍される場合には、尿素水温度ＴＥＮＨが融点に達するタイミングと、圧力センサ３２で圧力上昇が検出されるタイミングとに時間差が生じることを考慮し、尿素水温度ＴＥＮＨを検出した時刻から所定の遅れ時間ＴＡ（例えば１〜２ｓｅｃ）が経過した時点でのライン圧力ＰＮＨにより尿素水の凍結状態（解凍状態）を判定するとよい。

そして、尿素水ポンプ２３の駆動に伴い圧力センサ３２にて圧力上昇が検出され、尿素水が凍結していない状態であると判定された場合には、ステップＳ１５へ進み、尿素水の品質は正常であると判定する。

一方、尿素水ポンプ２３を駆動しても圧力センサ３２にて圧力上昇が検出されず、尿素水が凍結した状態であると判定された場合には、ステップＳ１６へ進み、尿素水の品質異常有りと認定してその異常内容を記憶するとともにチェックランプを点灯して運転者に知らせる。つまり、温度センサ３１により検出される尿素水温度ＴＥＮＨがその融点（最小値ＴＥ０）よりも高いにもかかわらず尿素水が凍結している場合、尿素水タンク２１内の液体の融点は規定濃度ＣＮＨよりも高いといえる。かかる場合、尿素水タンク２１内には、規定濃度ＣＮＨよりも高い濃度の尿素水又は規定濃度ＣＮＨよりも低い濃度の尿素水が貯留されていることが考えられる（図２参照）。したがって、この場合には、尿素水の品質異常の一態様として、規定濃度ＣＮＨ以外の尿素水が尿素水タンク２１内に供給されたとする濃度異常有りと判定する。

尿素水温度ＴＥＮが最小値ＴＥ０未満の場合には、ステップＳ１２で肯定判定がなされ、ステップＳ１７へ進み、尿素水が凍結した状態であるか否かを診断するために尿素水ポンプ２３を駆動する。このときのポンプ駆動は、尿素水添加弁１５への尿素水給送用のポンプ駆動におけるポンプ駆動量と同等としてもよいし、それより小さくてもよい。

続いてステップＳ１８へ進み、尿素水ポンプ２３の駆動時における圧力センサ３２の検出値に基づいて尿素水が凍結した状態か否かを判定する。そして、尿素水が凍結した状態であると判定された場合には、ステップＳ１９へ進み、尿素水の品質は正常であると判定する。

これに対し、尿素水が凍結していない状態の場合には、ステップＳ２０へ進み、尿素水の品質異常有りと認定してその異常内容を記憶するとともにチェックランプを点灯して運転者に知らせる。つまり、温度センサ３１により検出される尿素水温度ＴＥＮＨがその融点（最小値ＴＥ０）以下にもかかわらず尿素水が凍結していない場合、尿素水タンク２１内の液体の融点は規定濃度ＣＮＨよりも低いといえる。かかる場合、尿素水タンク２１内には、例えば軽油などが尿素水に混じって又はそれ単独で貯留されており、これに起因して融点が低くなっていると考えられる。したがって、この場合には、尿素水の品質異常の一態様として、尿素水以外の液体が混入されたとする混入異常有りと判定する。

なお、尿素水の品質異常有りと判定された場合、その後の尿素水添加の制御として、尿素水添加弁１５から排気中への尿素水の添加を停止してもよい。また、尿素水の品質異常の形態が混入異常を示す場合には尿素水の添加を停止し、濃度異常を示す場合には尿素水の添加を継続するとしてもよい。あるいは、尿素水タンク２１内の液体が凍結した状態から凍結しない状態へと変化したと判定された時点での尿素水温度ＴＥＮＨに応じて尿素水の添加停止か又は添加継続かを選択する構成としてもよい。

次に、尿素水の品質に関する異常診断の時間的推移について、図４のタイムチャートを用いて説明する。図４では、エンジン始動時に尿素水温度ＴＥＮＨが最小値ＴＥ０よりも低い場合、すなわち尿素水タンク２１内の尿素水が凍結している場合を想定している。また、図４のうち、（ａ）は尿素水の品質が正常の場合を示し、（ｂ）は尿素水の品質異常のうち濃度異常が生じている場合を示し、（ｃ）は混入異常が生じている場合を示す。なお、図４では便宜上、尿素水温度ＴＥＮＨが融点に達するタイミングと、圧力センサ３２で圧力上昇が検出されるタイミングとの時間差（遅れ時間ＴＡ）を考慮せずに説明する。

エンジン始動（イグニッションオン）に伴いエンジン冷却水の循環が開始されるとともに、品質異常を診断するためのポンプ駆動が開始される。このとき、尿素水タンク２１内に規定濃度ＣＮＨの尿素水が貯留されている正常時では、図４（ａ）に示すように、時刻ｔ１以前は尿素水タンク２１内の尿素水が凍結したままであるため、ポンプ駆動を行ってもライン圧力ＰＮＨは変化せず、圧力ゼロに維持される。そして、エンジン冷却水の循環により尿素水温度ＴＥＮＨが上昇していき、時刻ｔ１で最小値ＴＥ０に達すると、尿素水タンク２１内の尿素水が融けだし、その融けだした尿素水が尿素水ポンプ２３により汲み上げられて尿素水供給管２２内を通過する。また、尿素水温度ＴＥＮＨが最小値ＴＥ０になった時刻ｔ１でライン圧力ＰＮＨが上昇し始め、尿素水の品質が正常であると判定される。

一方、尿素水タンク２１内に規定濃度ＣＮＨよりも高いか又は低い濃度の尿素水が貯留されている場合、融点（凝固点）が最小値ＴＥ０よりも高温側にシフトするため、図４（ｂ）に示すように、尿素水温度ＴＥＮＨが最小値ＴＥ０に達した時点ではライン圧力ＰＮＨは上昇せず、最小値ＴＥ０よりも高い温度ＴＥ０＋ｔａとなった時点でライン圧力ＰＮＨが上昇する。この場合、尿素水温度ＴＥＮＨが最小値ＴＥ０に達した時点で尿素水の品質異常（濃度異常）有りと判定される。

また、尿素水タンク２１内に軽油が混入されている場合、融点（凝固点）が最小値ＴＥ０よりも低温側にシフトするため、図４（ｃ）に示すように、尿素水温度ＴＥＮＨが最小値ＴＥ０に達する前のタイミングでライン圧力ＰＮＨが上昇し、その圧力上昇した時点で尿素水の品質異常（混入異常）有りと判定される。

以上詳述した実施形態によれば以下の優れた効果が得られる。

尿素水タンク２１内の尿素水温度ＴＥＮＨと、尿素水の凍結状態とに基づいて尿素水の品質異常を診断する構成としたため、尿素水が凍結した状態であっても、尿素水の品質に関する異常診断を実施することができる。

温度センサ３１及び圧力センサ３２といった通常の尿素ＳＣＲシステムに設けられているセンサを用い、その検出値により品質異常を診断するため、尿素水の品質異常を既存のセンサを用いて簡易な構成でかつ精度よく検出することができる。

イグニッションオン後の所定のエンジン始動期間に品質異常診断処理を実施する構成としたため、尿素水の凍結可能性のある状況、又は固体状態と液体状態との変化が現れる状況下で異常診断を実施することができる。したがって、品質異常の検出漏れを抑制することができる。また、尿素水の品質に関する異常診断をエンジン始動後速やかに実施するため、その異常をできるだけ早期に発見することができる。

温度センサ３１により検出される尿素水温度ＴＥＮＨが最小値ＴＥ０よりも低く、かつ尿素水が凍結していない状態の場合に、尿素水の品質異常として混入異常有りと判定し、尿素水温度ＴＥＮＨが最小値ＴＥ０よりも高く、かつ尿素水が凍結した状態の場合に、尿素水の品質異常として濃度異常有りと判定する構成としたため、品質異常のうちいずれが生じているかを特定することができる。

尿素水タンク２１内の尿素水に浸漬しない状態で尿素水ポンプ２３が配置されているインライン式のシステムを備える構成としたため、尿素水タンク２１内の尿素水が凍結・膨張した際における尿素水ポンプ２３の破損を抑制することができる。

（他の実施形態）
本発明は、上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施されてもよい。

・上記の品質異常診断処理を、尿素濃度が規定濃度ＣＮＨでの融点（最小値ＴＥ０）近傍であって同融点を含むように設定した所定の温度範囲（例えば、最小値ＴＥ０±β［℃］の温度範囲）で実施する構成とする。尿素水の品質が正常な場合、融点よりも低温側では尿素水が凍結しているため、尿素水ポンプ２３の空回りによる焼き付き等の発生が懸念されるところ、この構成によれば、融点よりも低温側において異常診断のためのポンプ駆動を行う領域を制限することができ、その結果、尿素水ポンプ２３の負荷を低減させることができる。

・上記の品質異常診断処理を、エンジン始動時（イグニッションオン時）に検出される尿素水の始動時温度から所定温度ごとの温度（例えば１℃ごとの温度）を診断温度とし、尿素水が凍結している状態において、温度センサ３１の検出値が診断温度になる毎に尿素水の凍結状態を判定する。こうすることにより、尿素水タンク２１内の溶液が融解した温度を検出することができる。また、その融解温度と品質正常時の融点（最小値ＴＥ０）とを比較することにより、尿素水タンク２１内に貯留されている溶液において品質異常の程度を知ることができる。

・尿素水の凍結判定において、温度センサ３１の検出値が診断温度になる毎に尿素水ポンプ２３を駆動して尿素水の凍結状態を判定する。つまり、尿素水の品質異常を診断するのにあたり、尿素水ポンプ２３のオンオフを繰り返し実施する。

ただし、尿素水ポンプ２３のオンオフの繰り返しを尿素水の融点よりも高温側で実施すると、尿素水添加弁１５への尿素水給送が妨げられるおそれがある。したがって、尿素水ポンプ２３のオンオフの繰り返しによる凍結状態の判定は、融点よりも低温側の温度領域で行うとよい。これにより、尿素水の融点よりも低温側の温度領域で尿素水ポンプ２３がオン状態にされる時間が低減されるため、尿素水ポンプ２３の負荷を低減させることができるからである。また、エンジン始動時において、エンジン冷却水の循環による尿素水の温度上昇に伴い、所定温度ごとに異常診断が実施されるため、尿素水の融解温度を検出することができる。

・上記の品質異常診断処理において、規定濃度ＣＮＨでの凝固点（最小値ＴＥ０［℃］）近傍であって凝固点の低温側と高温側とにそれぞれ設定した２点（例えばＴＥ０±１［℃］）を診断温度とし、温度センサ３１の検出値が診断温度になった場合に尿素水ポンプ２３を所定の短時間だけ駆動して尿素水の凍結状態を判定する構成とする。この構成によれば、融点よりも低温側の温度領域で尿素水ポンプ２３がオン状態にされる時間を最小限としつつ、尿素水の品質異常診断を実施することができる。また、規定濃度ＣＮＨでの凝固点（最小値ＴＥ０）近傍であって凝固点の低温側又は高温側に設定した温度を診断温度として尿素水の凍結異常を診断する構成としてもよい。かかる構成によれば、品質異常のうち濃度異常か又は混入異常かのいずれかを検出することができる。

・上記実施形態では、尿素水ポンプ２３を駆動した際の圧力センサ３２の検出値に基づいて凍結判定を実施する構成としたが、凍結判定の方法はこれに限定しない。例えば、温度センサ３１の検出値に基づいて凍結判定を実施する構成とする。具体的には、固体状態の尿素水が融け始める温度と融け終わる温度との差に基づいて判定したり、温度が一定となる期間の長さに基づいて判定したりする。

・尿素水ポンプ２３が尿素水供給管２２の途中に尿素水タンク２１内の尿素水に浸漬しない状態で設けられた所謂インライン式のシステムを本発明に適用したが、尿素水ポンプ２３が尿素水タンク２１内の尿素水に浸漬した状態で設けられた所謂インタンク式のシステムを本発明に適用してもよい。

・車載ディーゼルエンジン用の尿素水ＳＣＲシステムとして実用化する以外に、例えばガソリンエンジン、特にリーンバーンエンジン用の尿素水ＳＣＲシステムとして実用化することも可能である。また、尿素水以外の還元剤溶液を用いる排気浄化システムにおいても本発明を同様に適用することが可能である。例えば、還元剤溶液としてアンモニア含有の水溶液を用いることが考えられる。

１１…排気管、１２…ＤＰＦ、１３…ＳＣＲ触媒（選択還元型触媒）、１５…尿素水添加弁（還元剤添加装置）、２１…尿素水タンク（還元剤タンク）、２２…尿素水供給管（還元剤通路）、２３…尿素水ポンプ（ポンプ）、３１…温度センサ（温度検出手段）、３２…圧力センサ、３３…冷却水通路（熱供給手段）、４０…ＥＣＵ（状態検出手段、異常診断手段）。

Claims (7)

1. 還元剤溶液を貯留する還元剤タンクと、内燃機関の排気通路に設けられ前記還元剤溶液により排気中の窒素酸化物を選択的に浄化する選択還元型触媒と、前記還元剤タンクに還元剤通路を介して接続され同還元剤タンク内の還元剤溶液を前記選択還元型触媒の排気上流側に添加する還元剤添加装置とを備える排気浄化システムに適用され、
   前記還元剤タンク内の還元剤溶液の温度を検出する温度検出手段と、
   前記還元剤タンク内の還元剤溶液の凍結状態を検出する状態検出手段と、
   前記温度検出手段により検出される溶液温度と前記状態検出手段により検出される凍結状態とに基づいて前記還元剤溶液の品質に関する異常診断を実施する異常診断手段と、
   を備えることを特徴とする排気浄化システムの異常診断装置。
2. 前記内燃機関の始動により前記還元剤タンク内の還元剤溶液に熱供給を行う熱供給手段を備え、
   前記異常診断手段は、前記内燃機関の始動後における所定の始動期間に前記還元剤溶液の品質に関する異常診断を実施する請求項１に記載の排気浄化システムの異常診断装置。
3. 前記異常診断手段は、前記溶液温度が前記還元剤溶液の融点として予め定めた所定の規定温度よりも低く、かつ前記還元剤溶液が凍結していない状態の場合に、前記還元剤溶液の品質に関する異常として前記還元剤溶液以外の液体が混入されたとする混入異常有りと判定する請求項１又は２に記載の排気浄化システムの異常診断装置。
4. 前記還元剤溶液は、前記還元剤を含む水溶液において最も低い融点としての融点最低値となる濃度に設定されており、
   前記異常診断手段は、前記溶液温度が前記融点最低値よりも高く、かつ前記還元剤溶液が凍結した状態であると検出された場合に、前記還元剤溶液の品質に関する異常として還元剤濃度が正常時とは異なる濃度異常有りと判定する請求項１乃至３のいずれか一項に記載の排気浄化システムの異常診断装置。
5. 前記異常診断手段は、前記溶液温度が、前記還元剤溶液の融点として予め定めた所定の規定温度近傍の温度範囲内にある場合に、同温度範囲内の異なる温度で前記還元剤溶液の品質に関する異常診断を実施する請求項１乃至４のいずれか一項に記載の排気浄化システムの異常診断装置。
6. 前記還元剤溶液が凍結した状態から解凍した状態に変化する温度を検出することにより前記還元剤タンク内に貯留されている溶液の融点を検出する手段を備える請求項１乃至５のいずれか一項に記載の排気浄化システムの異常診断装置。
7. 前記ポンプは、前記還元剤通路の途中に前記還元剤タンク内の還元剤溶液に浸漬しない状態で設けられている請求項１乃至６のいずれか一項に記載の排気浄化システムの異常診断装置。

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