JP6167781B2 - 尿素水濃度誤診断防止システム - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの排ガス中のＮＯｘを尿素水を用いて還元するＳＣＲシステムに係り、特にＳＣＲ装置に噴射する尿素水の濃度を診断するための尿素水濃度誤診断防止システムに関するものである。

産業用や車両用ディーゼルエンジンの排気ガス中のＮＯｘを浄化するために排ガス浄化システムとして、例えば選択還元触媒（ＳＣＲ）を用いたＳＣＲシステムが実用化されている。

このＳＣＲシステムは、尿素を還元剤として使用し、尿素水をＳＣＲ装置の排気ガス上流に供給し、排気ガスの熱で尿素を加水分解してアンモニアを生成し、このアンモニアによってＳＣＲ触媒上でＮＯｘを還元して浄化するものである。

尿素水はタンクに貯蔵され、所定の濃度（例えば３２．５％）で目標浄化率が達成できるように、エンジン回転数と負荷に応じて尿素水噴射量を決定している。

従来、尿素水濃度測定には、超音波式センサが用いられている。

この超音波式センサは、送受信切り替え自在な超音波発信部及び超音波受信部と、超音波発信部及び超音波受信部に対向して設けられた反射板とで構成される。超音波発信部で発信された超音波は、媒質としての尿素水を伝搬し、反射板で反射され、超音波受信部で反射波が受信され、その送受信間の時間で濃度を検出する。

すなわち、超音波の伝搬速度は、媒質により変化し、気体＜液体＜固体の順で速くなり、液体としての尿素水では、その濃度が高ければ伝播速度が速く、濃度が低ければ伝搬速度が遅くなるため、伝搬時間が濃度のパラメータとなる。

特開２００５−２９９４４１号公報 特開２０１２−００２０６０号公報

ところで、尿素水を貯蔵するタンクは、タンク内外の温度差が大きくなったり、新たな尿素水が注入されたりすると、尿素水中に泡が発生し、これが尿素水濃度センサの反射板などに付着すると、超音波の伝搬速度が大きく変化し、実際の濃度値を示せず、低濃度値を出力したり、或いは規定時間内に反射波を受信できずに濃度判別できなくなる問題がある。

このため低濃度出力が異常判定時間維持した場合、正常な尿素水濃度であっても、ＥＣＵは尿素水濃度異常と判定し、尿素水濃度の誤診断をしてしまう問題がある。

この問題を、解消するため、特許文献１では、尿素水濃度センサへの泡沫の付着を防止するために、尿素水濃度センサを包囲するように泡沫捕捉フィルタを設けることが提案されているが、泡沫捕捉フィルタ内で泡が発生した場合には、尿素水濃度センサの誤診断が避けられない問題がある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、泡による尿素水濃度の誤診断を防ぐことができる尿素水濃度誤診断防止システムを提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、尿素水タンク内の尿素水濃度を超音波の伝搬速度で検出するに際し、エンジンの運転の定常状態と過渡状態で、それぞれ繰り返し尿素水濃度を検出すると共にその各状態での最大尿素水濃度を記憶し、状態が切替ったときに記憶した最大尿素水濃度と異常閾値とを比較して正常・異常を順次判定し、これら連続する過去の状態の正常・異常の判定結果から尿素水濃度の正常・異常を判定することを特徴とする尿素水濃度誤診断防止システムである。

前記尿素水タンクの振動がない運転状態のときを定常状態とし、車両が、発進・加速・減速・停車、或いはエンジンが始動したとき、前記尿素水タンクの振動があるときの運転状態を過渡状態として、各状態で尿素水濃度を繰り返し検出し、その各尿素水濃度を比較して最大尿素水濃度を記憶するのが好ましい。

正常・異常の判定結果が定常状態のとき、その定常状態から連続する過去の状態の正常・異常の判定結果から尿素水濃度の正常・異常の判定結果を確定し、連続する３回の状態にて異常判定が続いた場合に、尿素水濃度を異常と判定結果を確定し、連続する３回の状態のうち、いずれかの状態で正常判定があれば、その連続３回の状態としては正常と判定結果を確定するのが好ましい。

過渡状態とその直後の定常状態の正常・異常の判定結果から尿素水濃度の正常・異常を判定し、過渡状態と正常状態で共に尿素水濃度が異常であれば、異常と判定結果を確定し、いずれかの状態で正常であれば正常と判定結果を確定するのが好ましい。

本発明によれば、尿素水濃度の判定を、エンジンの運転の定常状態と過渡状態に分けて判定することで、尿素水濃度センサに付着した泡の影響を推定でき、これにより、泡による尿素水濃度の誤診断を防止できるという優れた効果を発揮するものである。

本発明の尿素水濃度誤診断防止システムが適用されるＳＣＲシステムを示す図である。 本発明の尿素水濃度誤診断防止システムのフローを示す図である。 本発明において尿素水濃度の判定を行う際のフローを示し、（ａ）は定常状態、（ｂ）は過渡状態の判定フローを示す図である。 本発明において、連続する３回の状態から尿素水濃度の正常・異常を判定する判定チャートを示す図である。 図４の判定チャートで診断するフローを示す図である。

以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。

先ず図１により、本発明の尿素水濃度誤診断防止システムが適用されるＳＣＲシステムを説明する。

ディーゼルエンジンの排気管１０には、ＳＣＲ装置１１が接続され、そのＳＣＲ装置１１の上流側に尿素水を噴射する噴射ノズル１２が設けられてＳＣＲシステムが構成される。

ＳＣＲ装置１１は、酸化触媒層１３と触媒付セラミックフィルタ１４とからなり、酸化触媒層１３で、排ガス中のＰＭ（パティキュレートマター）中に含まれる炭化水素ＨＣを主とした未燃焼物質（ＳＯＦ）を酸化し、触媒付セラミックフィルタ１４で排ガス中のＰＭを捕集し、さらにその触媒付セラミックフィルタ１４で、尿素水の熱分解で生じたアンモニアとＮＯｘを反応させて脱硝するようになっている。

尿素水１５は尿素水タンク１６内に貯蔵される。この尿素水１５は、ポンプからなるサプライモジュール１７にて、送液ライン１８を通して吸い上げられ、噴射ノズル１２に供給されて噴射され、余剰の尿素水は、回収ライン１９を通して尿素水タンク１６に戻されるようになっている。

噴射ノズル１２から噴射される尿素水量は、ＤＣＵ（Ｄｏｓｉｎｇ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ；噴射弁制御装置）２０により制御される。ＤＣＵ２０は、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）２１に接続され、ＥＣＵ２１からのエンジン回転数−負荷等の各種運転情報２２と、排気管１０の上流側に設けられた排気温度センサ２３、ＮＯｘセンサ２４の検出値に基づいて噴射する尿素水量を決定し、これに基づいてサプライモジュール１７を制御する。

さて、尿素水タンク１６には、尿素水１５の濃度を検出する尿素水濃度センサ２５が設けられ、この尿素水濃度センサ２５の検出値がＤＣＵ２０に入力される。

尿素水濃度センサ２５は、超音波伝搬速度で濃度を検出するもので、詳細は図示しないが、超音波発信部及び受信部に対して反射板が対向して設けられて構成される。その超音波発信部から発信された超音波は、媒質である尿素水を伝搬し、反射板で反射され、その反射波が再度尿素水を伝搬して受信部で受信される。ＤＣＵ２０は、尿素水濃度センサ２５による超音波の発信から受信までの伝搬時間を検出することで、尿素水の濃度を決定する。

なお、尿素水タンク１６には、濃度の他に、尿素水の水位と温度も検出されるようになっており、これらの検出値もＤＣＵ２０に入力されるようになっている。

以上において、尿素水濃度センサ２５は、例えば１秒おきに超音波発信部から超音波を発信し、これを受信部で受信することで尿素水濃度を検出する。

この超音波センサからなる尿素水濃度センサ２５が濃度を誤判定する理由について説明する。

超音波発信・受信部と反射板との間に泡がある場合、空気と液体では信号速度が異なるため、泡が無い時に比べて発信から受信までの時間が長くなる。

泡が大きくて尿素水濃度センサが空気と判断できれば（例：最大待ち時間以内に反射波無し）、低濃度値ではなく特別な値を出力する。

しかし、泡が細かくて空気と判断できない場合（最大待ち時間以内に反射波有りだが反射波を受け取るまでの時間が長い）、実濃度でも特別な値でもない低濃度の値を出力してしまう問題がある。

このように尿素水濃度センサ２５での検出濃度が、規定の３２．５％濃度より低い値を検出し、ＤＣＵ２０を介してＥＣＵ２１に出力すると、ＥＣＵ２１は、尿素水濃度の出力値が異常閾値より低ければ濃度異常と判定して、誤診断をしてしまう。

ＥＣＵ２１側では、尿素水濃度センサ２５が上記のように泡の影響で濃度誤判定しているか、不正に尿素水が薄められて、実際の尿素水濃度が低いかを区別できないため、尿素水濃度センサ２５の検出値で濃度判定をしていると、泡の影響で実際の濃度が正常でも、濃度異常として誤検出することが避けられない。

上述したように、泡が大きければ、最大待ち時間以内に反射波を検出できなければ、濃度判別できないため、濃度異常ではなく、泡の影響か他の影響かを判定できる。

ところで、泡の影響は、時間と共に変化し、尿素水タンクの振動による泡の発生・消滅・移動により尿素水濃度センサ２５が濃度誤判定することもあれば正常に復帰して実際の濃度を示すことがある。

そこで、以下のシステムを全て実施することにより濃度誤診断を防ぐ。

システム１：
先ず基本的には、キースイッチＯＮ中は、尿素水濃度センサの濃度出力値の最大値を使って濃度診断を実施する。キースイッチＯＮ中に濃度誤判定により低濃度が出力されても、誤判定はある程度無視できる。

システム２：
しかし、システム１だけでは濃度診断の誤診断を防げない。

すなわち、最大濃度値を記録した後に、実濃度が低下した場合（例えば、キースイッチＯＦＦとせずに、エンジン駆動中に尿素水タンク内の尿素水を水で薄める等の不正行為が合った場合等）を検出できない。

そこで、キースイッチのＯＮ・ＯＦＦの代わりに、一定時間経過毎に、濃度異常の診断を行った場合、泡の影響で濃度センサ出力が低濃度を維持し続ける場合は、最大値は低濃度となり、そのときに濃度診断が働けば濃度異常を検出して、誤診断してしまう問題がある。

このように、濃度の最大値を記憶させても、異常診断時期の設定が適正でなければ、泡の影響の濃度低下か不正行為による濃度低下かを判定することは困難である。

そこで、その対策として、本発明は、定常状態・過渡状態が切り替わる度に、その切替時点の状態の濃度センサ出力値を最大濃度値として記憶し、次の状態のときは、その最大濃度値の初期化を行って、再度その状態での最大濃度値を求めて記憶するようにする。

前記エンジンが一定回転のときを定常状態とし、車両が、発進・加速・減速・停車、或いはエンジンが始動したときのそれぞれを過渡状態として、各状態で尿素水濃度を繰り返し検出し、その各尿素水濃度を比較して最大尿素水濃度を記憶する。

すなわち、エンジンが一定回転のときや車両が定速走行しているときには尿素水タンクの振動がないため、この運転状態を定常状態とし、車両が、発進・加速・減速・停車、或いはエンジンが始動したときなど尿素水タンクの振動がある運転状態のときを過渡状態とする。この定常状態と過渡状態は、ＥＣＵ２１が各種運転情報２２を基に判定する。

ＥＣＵ２１による濃度診断時期は、定常状態（或いは過渡状態）が終了した直後に、連続する過去の２乃至３回の定常状態と過渡状態で記憶した最大濃度値を使って行う。

この場合、定常状態も過渡状態も低濃度を維持しているなら実濃度が低いとして、異常と診断し、定常状態か過渡状態のいずれかで正常濃度値が存在すれば異常とせずに正常と診断する。

定常状態では、例えばエンジン回転数が一定で、車両挙動が安定しており、尿素水タンク内の泡の状態が安定するため、濃度変化が起こりにくい、これに対して、過渡状態では、加減速などの車両振動により、尿素水タンク内の尿素水の揺動が起きるため、泡の発生・消滅等があり、濃度変化が発生しやすい。

しかし過渡状態だけの診断では、濃度変化が大きく過渡状態での最大濃度値を基に診断したのでは、過渡状態の時間も短く、適正な診断が行えず、過渡状態から定常状態に切り替わった後、正常濃度を示すようなゆっくりした挙動には対応できない。

そこで、本発明では、濃度診断時期を定常状態（或いは過渡状態）が終了した直後に、連続する過去２乃至３回の定常状態と過渡状態で記憶した最大濃度値を使って濃度診断を行うようにすることで、誤診断を防止するようにしたものである。

次にこの本発明の尿素水濃度誤診断防止システムのフローを図２により説明する。

ステップＳ０で、イグニッションキーがＯＮ（ＩＧ−ＯＮ）された後、ステップＳ１で、尿素水濃の初期化を行った後、ＥＣＵは、ステップＳ２で、各種運転情報からエンジンの運転状況が定常状態か過渡状態かを判断し、その状態が切り替わりかどうかを判断する。ステップＳ２の判断で、切り替わりがなく（ＮＯ）、定常状態を維持している又は過渡状態を維持している間、ステップＳ３で、尿素水濃度センサで検出した現時点の尿素水濃度が、先に記憶しておいた最大尿素水濃度と比較する。このステップＳ３の判断で、現時点の尿素水濃度が先に記憶しておいた最大尿素水濃度より大きければ（ＹＥＳ）、現時点の尿素水濃度を最大尿素水濃度とし（ステップＳ４）て、ステップＳ２の判断に戻し、小さければ（ＮＯ）、最大尿素水濃度を更新しない（ステップＳ５）で、ステップＳ２の判断に戻す。

このステップＳ２〜Ｓ５で、過渡状態又は定常状態で繰り返し尿素水濃度の検出が行われる。この場合、状態の切替直後の尿素水濃度は初期化されているため、ステップＳ３、Ｓ４で、最初に検出した尿素水濃度が最大尿素水濃度に設定され、以後、尿素水濃度の検出を繰り返す毎に、その最大尿素水濃度より高ければ、順次最大尿素水濃度を更新して記憶する。

ステップＳ２の判断で、状態が切替ったとき（ＹＥＳ）、ステップＳ６で、切替前の定常・過渡状態の正常・異常判定を行う。

このステップＳ６での、正常・異常判定を図３（ａ）、図３（ｂ）により説明する。

図３（ａ）は、定常状態時の正常・異常判定のフローを示し、先ずステップＳ６ａで定常状態の時には、図２で説明したステップＳ２で定常状態から過渡状態に切り替わった直後、そのステップＳ４で記憶した定常状態時の最大尿素水濃度を基に、ステップＳ７ａの判断で、その最大尿素水濃度と異常閾値とを比較し、最大尿素水濃度が異常閾値以下かどうかを判断し、異常閾値以下（ＹＥＳ）であれば定常状態異常（ステップＳ８ａ）とし、異常閾値以上（ＮＯ）であれば、定常状態正常（ステップＳ９ａ）として記憶する。

図３（ｂ）は、過渡状態時の正常・異常判定のフローを示し、ステップＳ６ｂで過渡状態の時には、図２で説明したステップＳ２で過渡状態から定常状態に切り替わった直後、そのステップＳ４で記憶した過渡状態時の最大尿素水濃度を基に、ステップＳ７ｂの判断で、その最大尿素水濃度と異常閾値とを比較し、最大尿素水濃度が異常閾値以下かどうかを判断し、異常閾値以下（ＹＥＳ）であれば過渡状態異常（ステップＳ８ｂ）とし、異常閾値以上（ＮＯ）であれば、過渡状態正常（ステップＳ９ｂ）として記憶する。

この図３（ａ）、図３（ｂ）のフローにより、図２のフローのステップＳ１０で、定常状態と過渡状態の正常・異常を記憶したのち、ステップＳ１１の判断で、記憶した正常・異常判定結果が正常状態でのものかを判断し、過渡状態での判定結果のとき（ＮＯ）には、ステップＳ２の判断に戻し、正常状態での判定結果のとき（ＹＥＳ）には、３回連続する状態の正常・異常判定の確定を行い、ステップＳ１２の判断で、過去連続する３回の正常・異常判定で、少なくとも１つ正常判定があれば正常（ＮＯ）と判定結果を確定して、ステップＳ２の判断に戻し、連続して３回異常判定があれば異常（ＹＥＳ）と判定結果を確定して、ステップＳ１４で異常表示を行う。

図４は、連続する３回の状態から尿素水濃度の正常・異常を判定する判定チャートを示したもので、定常状態→過渡状態→定常状態が３回切り替わったとき、その各状態で全て異常があったときは濃度異常と判定し、定常又は過渡状態のいずれかで正常で、他の状態では異常或いは濃度判別できない場合には正常と判定するものである。

図５は、図４の判定チャートで診断するフローを示したもので、定常状態・過渡状態・定常状態と連続状態が３回切り替わったときに判定結果の確定を行って正常・異常の判定を行うようにしたものである。またこの他に過渡状態・定常状態の２回の状態で判定結果を確定するようにしてもよい。

以上、本発明においては、尿素水濃度の判定を、エンジンの運転の定常状態と過渡状態に分けて判定することで、過渡状態では、尿素水中に泡がありその尿素水濃度の測定に影響があっても、過渡状態では尿素水タンクの振動などで泡が移動しやすく、泡の移動で尿素水濃度センサが正常に検出ができる状態に戻る確率が高く、また正常状態では、適正な尿素水濃度の検出ができ、この異なる二つの状態で尿素水濃度の正常・異常の判定結果を参照することで、尿素水濃度センサに付着した泡の影響を推定できると共に泡による尿素水濃度の誤診断を防止できるものである。

１０ 排気管
１１ ＳＣＲ装置
１２ 噴射ノズル
１５ 尿素水
１６ 尿素水タンク
２０ ＤＣＵ
２１ ＥＣＵ
２５ 尿素水濃度センサ

Claims (7)

1. 尿素水タンク内の尿素水濃度を超音波の伝搬速度で検出するに際し、エンジンの運転の定常状態と過渡状態で、それぞれ繰り返し尿素水濃度を検出すると共にその各状態での最大尿素水濃度を記憶し、状態が切替ったときに記憶した最大尿素水濃度と異常閾値とを比較して正常・異常を順次判定し、これら連続する過去の状態の正常・異常の判定結果から尿素水濃度の正常・異常を判定することを特徴とする尿素水濃度誤診断防止システム。
2. 前記尿素水タンクの振動がない運転状態のときを定常状態とし、車両が、発進・加速・減速・停車、或いはエンジンが始動したとき、前記尿素水タンクの振動があるときの運転状態を過渡状態として、各状態で尿素水濃度を繰り返し検出し、その各尿素水濃度を比較して最大尿素水濃度を記憶する請求項１記載の尿素水濃度誤診断防止システム。
3. 正常・異常の判定結果が定常状態のとき、その定常状態から連続する過去の状態の正常・異常の判定結果から尿素水濃度の正常・異常の判定結果を確定する請求項１又は２に記載の尿素水濃度誤診断防止システム。
4. 連続する３回の状態にて異常判定が続いた場合に、尿素水濃度を異常と判定結果を確定する請求項３に記載の尿素水濃度誤診断防止システム。
5. 連続する３回の状態のうち、いずれかの状態で正常判定があれば、その連続３回の状態としては正常と判定結果を確定する請求項３に記載の尿素水濃度誤診断防止システム。
6. 過渡状態とその直後の定常状態の正常・異常の判定結果から尿素水濃度の正常・異常を判定する請求項１又は２に記載の尿素水濃度誤診断防止システム。
7. 過渡状態と正常状態で共に尿素水濃度が異常であれば、異常と判定結果を確定し、いずれかの状態で正常であれば正常と判定を確定する請求項６記載の尿素水濃度誤診断防止システム。

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