JP6988433B2 - 異常判定装置 - Google Patents

Description

本発明は、ポンプ及び噴射弁を備える排気浄化システムにおいて、噴射弁における異常の有無を検出する異常判定装置に関する。

近年、車両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、排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）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（Selective Catalytic Reduction）システムが開発・量産されている。

尿素ＳＣＲシステムは、タンクに貯蔵された還元剤としての尿素水（尿素水溶液）を還元剤通路に圧送するポンプと、還元剤通路を通じて圧送された尿素水をエンジンの排気管内へ噴射する噴射弁と、を備えている。

尿素ＳＣＲシステムでは、排気管内のＮＯｘ浄化触媒上でＮＯｘの還元反応によって排気ガスが浄化される。このＮＯｘの還元に際しては、まず噴射弁から排気管内へ噴射された尿素水が排気熱で加水分解されることによりアンモニア（ＮＨ3）が生成され、ＳＣＲ触媒にて吸着される。排気ガス中のＮＯｘに対してＳＣＲ触媒上で、アンモニアによる還元反応が行われることによってＮＯｘが還元、浄化されることになる。

このような尿素ＳＣＲシステムにおいて、尿素が結晶化により噴射弁の作動が阻害されたり、噴射弁の噴孔を介して排気管側から噴射弁に異物が侵入したりする際には、尿素水の噴射量に異常が発生することがある。このことに対処すべく、特許文献１には、ポンプに供給される電流を制御するためのデューティ比（以下、ポンプデューティ比という）を利用して噴射弁の異常を判定する装置が提案されている。具体的には、供給配管内の圧力を一定に維持した状態で、ポンプデューティ比と尿素水の噴射量との関係に基づいて、噴射弁における異常の有無を判定する装置が開示されている。

特許第４９６４３５３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の尿素ＳＣＲシステムでは、噴射弁における異常の有無を精度よく判定することができない。例えば、ポンプデューティ比を利用した噴射弁の異常判定に際し、ポンプデューティ比から噴射量を推定算出する過程においては、ポンプデューティ比からポンプに供給される電流の実効値が算出され、この実効値に基づいてポンプから吐出される尿素水量（以下、吐出量という）が算出される。ポンプは、噴射弁から噴射される尿素水の噴射量を補うように吐出量が変化するため、この吐出量に基づいて噴射弁の噴射量が算出される。つまり、ポンプデューティ比から間接的に噴射量が算出される。そのため、ポンプデューティ比から電流の実効値が算出される際に、又は、電流の実効値から吐出量が算出される際に誤差が生じると、噴射弁の異常を精度よく判定することができない。なお、このような課題は、尿素水に限られず、還元剤として他の液体が用いられる場合にも共通の課題である。

本発明は、上記実情に鑑み、噴射弁における異常の有無を適切に検出できる異常判定装置を提供することを目的とする。

本発明の異常判定装置は、内燃機関の排気通路に設けられ、排気中のＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化触媒に液状の還元剤を噴射供給する噴射弁と、還元剤通路を介して前記噴射弁に対して前記還元剤を加圧供給するポンプと、を備える排気浄化システムに適用され、前記噴射弁の噴射状態における前記ポンプの回転速度を噴射時回転速度として取得する取得部と、前記噴射時回転速度に基づいて、前記噴射弁における異常の有無を判定する判定部と、を備える。

噴射弁から還元剤が排気管へ供給されると、還元剤通路内の圧力が低下する。還元剤通路内の圧力が低下すると、噴射弁から噴射される還元剤の噴射量を補うようにポンプ回転数を上昇させる。つまり、還元剤の噴射状態とポンプ回転速度の変化とには相関があるため、ポンプ回転速度に基づいて噴射弁の異常を適正に判定することができる。

また、上記構成では、還元剤の噴射状態とポンプ回転速度との直接的な関係を用いて異常判定を実施するため、ポンプに対する駆動信号（例えばデューティ信号）に基づいて異常判定を実施する場合に比べて、異常判定の精度を高めることができる。

エンジンの排気浄化システムの概略を示す構成図。 噴射弁の噴射における回転速度の推移を示す図。 異常判定処理を示すフローチャート。 ポンプの回転数と実噴射量との関係を示すグラフ。 準備処理を示すフローチャート。 噴射量が少ない場合の回転速度の推移を示す図。 噴射量が多い場合の回転速度の推移を示す図。 実噴射量の積算値と、要求噴射量の積算値との推移を示すグラフ。 噴射弁が開固着異常である場合の回転速度の推移を示す図。 噴射弁が全閉固着異常である場合の回転速度の推移を示す図。

以下、一実施形態の異常判定装置に係るポンプ制御部７０が適用される排気浄化システム１０について、図面を参照しつつ説明する。排気浄化システム１０は、選択還元型触媒（以下、ＳＣＲ触媒という）を用いて排気ガス中の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。排気浄化システム１０は、内燃機関であるディーゼルエンジン（以下、エンジンという）３０が搭載された各種車両に適用できる。排気浄化システム１０は、またクレーン車等の建設機械、トラクター等の農業機械等にも適用可能である。

図１に示すように、排気浄化システム１０では、エンジン排気系において、エンジン３０には排気通路３１ａを形成する排気管３１が接続されており、その排気管３１に、排気上流側から順にＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）３２、ＳＣＲ触媒３３が配設されている。また、排気管３１においてＤＰＦ３２とＳＣＲ触媒３３との間には、液状の還元剤としての尿素水（尿素水溶液）を排気通路３１ａに噴射供給する尿素水噴射弁（以下、噴射弁という）５０が設けられている。噴射弁５０は、高温の排気ガス（例えば６００℃）から加えられる熱の影響をできるだけ避けるために、先端側のみが排気管３１内に位置されるように取り付けられている。なお、本実施形態において、ＳＣＲ触媒３３が「ＮＯｘ浄化触媒」に相当する。

ＤＰＦ３２は、排気ガス中のＰＭ（粒子状物質）を捕集するＰＭ除去用フィルタである。ＤＰＦ３２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ＤＰＦ３２に捕集されたＰＭは、エンジン３０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、これによりＤＰＦ３２の継続使用が可能となっている。

ＳＣＲ触媒３３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ガス中のＮＯｘを浄化する。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）を生成するための尿素水を噴射供給するものが、同ＳＣＲ触媒３３の上流側に設けられた噴射弁５０である。

なお排気管３１においてＳＣＲ触媒３３の下流側には、アンモニア除去装置としての酸化触媒が設けられていてもよい。この酸化触媒により、ＳＣＲ触媒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、排気浄化システム１０のうち、噴射弁５０の噴射により尿素水を噴射する還元剤噴射システム２０の各構成についてそれぞれ説明する。なお、以下の説明では便宜上、尿素水タンク（以下、タンクという）４０から噴射弁５０に対して尿素水が供給される場合を基準にして、タンク４０側を上流側、噴射弁５０側を下流側として記載する。

図１において、タンク４０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の尿素水が貯蔵されている。本実施形態では、尿素濃度が、凍結温度（凝固点）が最も低い濃度である３２．５％になっている。なお、尿素濃度が３２．５％の場合、マイナス１１℃以下で凍結する。

タンク４０と噴射弁５０とは、供給配管４２により接続されている。供給配管４２の上流側端部は、タンク４０の底面に接続されており、タンク４０内に貯留された尿素水が供給配管４２に流れ込む状態になっている。なお、本実施形態において、供給配管４２が「還元剤通路」に相当する。

供給配管４２の途中には、尿素水ポンプ（以下、ポンプという）４４が設けられている。ポンプ４４は、ポンプ制御部７０から供給される電流により回転駆動される電動ポンプであり、供給配管４２を介して噴射弁５０に対して尿素水を加圧供給する。

ポンプ４４は歯車４５を有し、その歯車４５の回転数に応じて尿素水を供給する。具体的には、ポンプ４４は、歯車４５の１回転当たりの供給量が一定となるように設定されている。また、ポンプ４４は、歯車４５が正逆いずれの方向にも回転可能となっている。以下、歯車４５が正回転することを、ポンプ４４の正回転といい、歯車４５が逆回転することを、ポンプ４４の逆回転という。ポンプ４４の正回転によりタンク４０内の尿素水の吸い出しが行われ、ポンプ４４の逆回転によりタンク４０への尿素水の吸い戻しが行われる。

ポンプ４４には、回転センサ４６が設けられている。回転センサ４６は、ポンプ４４の単位時間当たりの回転数ΣＮである回転速度Ｎを検出し、例えば、ポンプ４４による尿素水の吐出（圧送）速度を検出する。

供給配管４２には、ポンプ４４の下流側に圧力センサ４８が設けられている。圧力センサ４８は、供給配管４２内の圧力Ｐを検出し、例えば、ポンプ４４による尿素水の吐出圧力を検出する。

噴射弁５０は、供給配管４２の下流側端部に接続されている。噴射弁５０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。噴射弁５０は、電磁ソレノイド等からなる駆動部と、先端噴射口を開閉するためのニードル５２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、ポンプ制御部７０からの駆動信号Ｓｍに基づき開放又は閉鎖する。すなわち、駆動信号Ｓｍに基づき電磁ソレノイドが通電されると、該通電に伴いニードル５２が開放方向に移動し、そのニードル５２の移動によって先端噴射口が開放されて尿素水が噴射される。

供給配管４２には分岐配管５４が設けられている。分岐配管５４は、供給配管４２におけるポンプ４４よりも下流側の分岐部Ｂと、タンク４０と、を接続する。なお、圧力センサ４８は、供給配管４２のうちのポンプ４４と分岐部Ｂとの間の部分に設けられている。

分岐配管５４の一端は、タンク４０の底面に接続されており、この分岐配管５４の一端に、逆止弁６０が設けられている。逆止弁６０は、分岐配管５４内の圧力Ｐが所定圧力よりも低い場合に閉鎖して、タンク４０内に貯留された尿素水が分岐配管５４に流れ込むことを防止する。また、逆止弁６０は、分岐配管５４内の圧力Ｐが所定圧力よりも高い場合に開放して、供給配管４２から分岐配管５４に流れ込んだ尿素水がタンク４０に戻ることを許容する。

タンク４０内には、発熱体６２が設けられている。例えば発熱体６２は電気式のヒータであり、ポンプ制御部７０からの指令信号に基づく通電によってタンク４０内で凍結している尿素水を解凍する。なお発熱体６２は凍結した尿素水を解凍可能な位置に設けられていればよく、供給配管４２の吸込口付近に設けられていてもよい。

供給配管４２の外周には、発熱体６４が設けられている。例えば発熱体６４は電気式のヒータであり、ポンプ制御部７０からの指令信号に基づく通電によって供給配管４２内で凍結している尿素水を解凍する。

タンク４０内には、温度センサ６６が設けられている。例えば温度センサ６６は感温ダイオードやサーミスタであり、タンク４０内の尿素水の温度を測定する。また、タンク４０外には、外気温センサ６８が設けられている。例えば外気温センサ６８は感温ダイオードやサーミスタであり、タンク４０から離間して配置され、エンジン３０が搭載された車両の周囲の外気温を測定する。

ポンプ制御部７０は、排気浄化に係る制御を行うＥＣＵ（Electronic Control Unit）であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インターフェース等を含むマイコンにより構成されている。ポンプ制御部７０は、回転センサ４６からポンプ４４の回転速度Ｎ（以下、単に回転速度Ｎという）を取得し、圧力センサ４８から供給配管４２内の圧力Ｐを取得し、温度センサ６６からタンク４０内の尿素水の温度を取得し、外気温センサ６８から外気温を取得する。ポンプ制御部７０は、取得したこれらの値により還元剤噴射システム２０の各部を制御する。

具体的には、ポンプ制御部７０は、ポンプ４４の正回転時において、圧力センサ４８から取得される圧力Ｐが、所定の基準圧力Ｐｏに一致するようにポンプ４４の圧力フィードバック制御（本実施形態では、ＰＩ制御）を行う。

また、ポンプ制御部７０は、ポンプ４４の正回転時において、現状のエンジン３０の負荷及び回転速度に基づき噴射弁５０における要求噴射量Ｑｏ（図２参照）を算出する。ポンプ制御部７０は、算出した要求噴射量Ｑｏを実現する駆動信号Ｓｍを生成し、噴射弁５０に出力することで噴射弁５０の噴射量（以下、単に噴射量という）Ｑを制御する。

図２は、噴射弁５０の噴射における回転速度Ｎの推移を示す。ここで、図２（ａ）は、駆動信号Ｓｍの推移値を示し、図２（ｂ）は、回転速度Ｎの推移を示し、図２（ｃ）は、供給配管４２内の圧力Ｐの推移を示す。なお、図２では、回転速度Ｎ及び供給配管４２内の圧力Ｐから、噴射弁５０の噴射以外の外乱による脈動が除去されている。図６、７、９、１０についても同様である。

図２に示すように、駆動信号Ｓｍは、オン電圧とオフ電圧との２値からなる信号であり、駆動信号Ｓｍがオフ電圧となると、噴射弁５０が閉鎖され、噴射弁５０による尿素水の噴射が停止される。以下、駆動信号Ｓｍがオフ電圧となる期間を噴射停止期間Ｔｓという。噴射停止期間Ｔｓでは、ポンプ４４の圧力フィードバック制御により、回転速度Ｎが所定の基準速度Ｎｏに制御される。なお、余剰となった尿素水は分岐配管５４を通じてタンク４０に戻される。

一方、駆動信号Ｓｍがオン電圧となると、噴射弁５０が開放され、噴射弁５０から尿素水が噴射される。以下、駆動信号Ｓｍがオン電圧となる期間を噴射期間Ｔｐという。噴射期間Ｔｐでは、噴射に伴い供給配管４２内の圧力Ｐが基準圧力Ｐｏから低下し、この噴射に伴う圧力低下を補うため、圧力フィードバックにてポンプ４４から吐出される尿素水量（以下、ポンプ吐出量という）が増加され、それに伴い回転速度Ｎが上昇する。これにより、タンク４０内の尿素水が吸い出され、その尿素水が噴射弁５０に供給される。以下、噴射に伴う回転速度Ｎの基準速度Ｎｏからの上昇量をΔＮという。

駆動信号Ｓｍは、所定周期でオン電圧とオフ電圧とが切り替えられており、これにより、噴射弁５０は、所定周期で噴射と噴射停止とを繰り返し実施する。なお、本実施形態では、駆動信号Ｓｍの周期が２Ｈｚに制御されており、かつ、噴射停止期間Ｔｓと噴射期間Ｔｐとが等しくなるように制御されている。

また、ポンプ制御部７０は、ポンプ４４の逆回転時には、回転センサ４６から取得される回転速度Ｎが、所定回転速度に一致するよう回転速度フィードバック制御を行う。

ところで、ポンプ制御部７０は、ポンプ４４の正回転時において、ポンプ４４に供給される電流のデューティ比（ポンプデューティ比）Ｄｕを制御することによって、噴射弁５０に供給される尿素水の量、つまり、噴射量Ｑを制御する。そのため、尿素が結晶化したり、噴射弁５０の噴孔を介して排気管３１側から噴射弁５０に異物が侵入したりするなどして、噴射量Ｑに異常が発生した場合に、ポンプデューティ比Ｄｕから噴射弁５０の異常を判定することができるようにも思える。

しかし、以下の理由により、ポンプデューティ比Ｄｕから噴射弁５０の異常を精度よく判定することができない。例えば、噴射量Ｑにより回転速度Ｎが変化するポンプ４４を使用している場合、ポンプデューティ比Ｄｕから噴射量Ｑを算出する過程において、ポンプデューティ比Ｄｕからポンプ４４に供給される電流の実効値が算出される。そして、この電流の実効値に基づいて回転速度Ｎが算出され、この回転速度Ｎに基づいて噴射量Ｑが算出される。つまり、ポンプデューティ比Ｄｕから間接的に噴射量Ｑが算出される。そのため、ポンプデューティ比Ｄｕから電流の実効値が算出される際に、又は、電流の実効値から回転速度Ｎが算出される際に誤差が生じると、噴射弁５０の異常を精度よく判定することができない。

本実施形態のポンプ制御部７０は、上記問題を解決するために、ポンプ４４の正回転時において、異常判定処理を実施する。異常判定処理は、噴射弁５０による尿素水の噴射状態における回転速度Ｎを取得し、取得された回転速度Ｎに基づいて、噴射弁５０における異常の有無を判定する処理である。これにより、回転速度Ｎに基づいて噴射弁５０の異常を適正に判定することができる。

図３に本実施形態の異常判定処理のフローチャートを示す。ポンプ制御部７０は、エンジン３０の駆動中、所定時間毎に異常判定処理を繰り返し実施する。

ポンプ制御部７０は、異常判定処理を開始すると、まずステップＳ１０において、エンジン３０が運転中であるかを判定する。具体的には、エンジン３０が搭載された車両のイグニッションスイッチがオンであるかを判定する。ポンプ制御部７０は、ステップＳ１０で肯定判定した場合、ステップＳ１１に進む。

ステップＳ１１において、ポンプ制御部７０は、異常判定処理が実施可能であるかを判定する。具体的には、ポンプ制御部７０は、回転センサ４６、圧力センサ４８、及び圧力フィードバック制御の状態が正常であるかを判定する。ポンプ制御部７０は、ステップＳ１１で否定判定した場合、異常判定処理を終了する。一方、ポンプ制御部７０は、ステップＳ１１で肯定判定した場合、ステップＳ１２に進む。

ステップＳ１２において、ポンプ制御部７０は、駆動信号Ｓｍがオン電圧であるかを判定する。ポンプ制御部７０は、駆動信号Ｓｍがオフ電圧となる噴射停止期間Ｔｓである場合、ステップＳ１２で否定判定し、ステップＳ１４に進む。ステップＳ１４において、ポンプ制御部７０は、回転センサ４６を用いて回転速度Ｎを取得する。

なお、図２に示すように、噴射弁５０が正常である場合、噴射停止期間Ｔｓにおける回転速度Ｎは、基準速度Ｎｏであるが、直前の噴射により基準速度Ｎｏから変動していることがある。そのため、ポンプ制御部７０は、対象とする噴射停止期間Ｔｓの直前に噴射弁５０が噴射している場合には、噴射停止期間Ｔｓの開始から所定期間Ｔｃ経過後に基準速度Ｎｏを取得する。以下、噴射停止期間Ｔｓの開始から所定期間Ｔｃ経過後の噴射停止期間Ｔｓに取得された回転速度Ｎを、噴射停止速度Ｎｓという。なお、本実施形態において、噴射停止期間Ｔｓの開始から所定期間Ｔｃ経過後の噴射停止期間Ｔｓが「噴射停止状態」に相当し、噴射停止速度Ｎｓが「無噴射時回転速度」に相当する。

一方、ポンプ制御部７０は、駆動信号Ｓｍがオン電圧となる噴射期間Ｔｐである場合、ステップＳ１２で肯定判定し、ステップＳ１６に進む。ステップＳ１６において、ポンプ制御部７０は、噴射停止速度Ｎｓが既に取得されているかを判定する。ポンプ制御部７０は、ステップＳ１６で否定判定した場合、異常判定処理を終了する。一方、ポンプ制御部７０は、ステップＳ１６で肯定判定した場合、ステップＳ１７に進み、回転センサ４６を用いて回転速度Ｎを取得する。なお、本実施形態において、ステップＳ１７の処理が「取得部」に相当する。

ポンプ制御部７０は、噴射期間Ｔｐとそれに続く所定期間Ｔｃに亘って回転速度Ｎを取得する。以下、噴射期間Ｔｐとそれに続く所定期間Ｔｃを併せた期間を取得期間Ｔｅといい、取得期間Ｔｅに取得された回転速度Ｎを噴射速度Ｎｐという。なお、本実施形態において、取得期間Ｔｅが「噴射状態」に相当し、噴射速度Ｎｐが「噴射時回転速度」に相当する。

ステップＳ１８において、ポンプ制御部７０は、回転速度Ｎの上昇量ΔＮを算出する。ポンプ制御部７０は、ステップＳ１７で取得された噴射速度Ｎｐから、ステップＳ１４で取得された噴射停止速度Ｎｓを差し引くことによって、回転速度Ｎの上昇量ΔＮを算出する。

ポンプ制御部７０は、取得期間Ｔｅ毎に噴射速度Ｎｐを取得し、噴射停止期間Ｔｓ毎に噴射停止速度Ｎｓを取得する。この場合、ポンプ制御部７０は、対象とする取得期間Ｔｅ前の噴射停止期間Ｔｓにおける噴射停止速度Ｎｓと、対象とする取得期間Ｔｅにおける噴射速度Ｎｐとを取得する。ポンプ制御部７０は、ステップＳ１８において、対象とする取得期間Ｔｅにおける噴射速度Ｎｐから、対象とする取得期間Ｔｅ前の噴射停止期間Ｔｓにおける噴射停止速度Ｎｓを差し引くことによって、対象とする取得期間Ｔｅにおける回転速度Ｎの上昇量ΔＮを算出する。

ステップＳ２０において、ポンプ制御部７０は、ステップＳ１４で取得された回転速度Ｎの上昇量ΔＮから実噴射量Ｑｐを算出する。図４に示すように、ポンプ制御部７０には、ポンプ４４の回転数ΣＮと実噴射量Ｑｐとの関係を示す換算テーブルが記憶されている。ポンプ制御部７０は、ステップＳ１４で取得された回転速度Ｎの上昇量ΔＮを、対象とする取得期間Ｔｅで積分して回転数ΣＮを算出し、算出された回転数ΣＮを、換算テーブルを用いて実噴射量Ｑｐに換算する。ポンプ制御部７０は、実噴射量Ｑｐを算出すると、ステップＳ２１において、実噴射量Ｑｐを算出した回数を示す数Ｍを１増加させ、ステップＳ２２に進む。

ステップＳ２２において、ポンプ制御部７０は、数Ｍが所定の規定数Ｍｏ（Ｍｏ：２以上の自然数）よりも大きいかを判定する。規定数Ｍｏは、噴射弁５０の異常を適正に判定するために実噴射量Ｑｐを積算する取得期間Ｔｅの数であり、本実施形態では「１００」に設定されている。ポンプ制御部７０は、ステップＳ２２で否定判定した場合、異常判定処理を終了する。一方、ポンプ制御部７０は、ステップＳ２２で肯定判定した場合、ステップＳ２４に進む。

ポンプ制御部７０は、ステップＳ２４において、Ｍ個の取得期間Ｔｅにおける実噴射量Ｑｐを積算した積算実噴射量ΣＱｐを算出するとともに、Ｍ個の取得期間Ｔｅ（噴射期間Ｔｐ）における要求噴射量Ｑｏを積算した積算要求噴射量ΣＱｏを算出する。続くステップＳ２６において、ポンプ制御部７０は、積算実噴射量ΣＱｐと積算要求噴射量ΣＱｏとの差の絶対値である消費量偏差Ｄｃを算出する。
｜ΣＱｐ−ΣＱｏ｜＝Ｄｃ …（式４）

ステップＳ２８において、ポンプ制御部７０は、消費量偏差Ｄｃが所定の差分閾値Ｄｔよりも大きいかを判定する。差分閾値Ｄｔは、噴射弁５０に経年変化以上の変化が生じているかを判定するための閾値であり、具体的には、ステップＳ２２で算出された積算実噴射量ΣＱｐの半分の値に設定されている。ポンプ制御部７０は、ステップＳ２８で否定判定すると、ステップＳ３０において、噴射弁５０が正常であると判定し、ステップＳ３１に進む。ステップＳ３１において、ポンプ制御部７０は、数Ｍをゼロに設定し、ステップＳ３２において、ステップＳ２８の判定に用いた噴射停止速度Ｎｓ、つまり、ステップＳ１８における回転速度Ｎの上昇量ΔＮの算出に用いた噴射停止速度Ｎｓを速度閾値Ｎｔとして更新し、異常判定処理を終了する。なお、速度閾値Ｎｔについては、後述するステップＳ３８において説明する。本実施形態において、ステップＳ２８の処理が「判定部」に相当し、ステップＳ３２の処理が「更新部」に相当する。

一方、ポンプ制御部７０は、ステップＳ２８で肯定判定すると、噴射弁５０が異常であると判定し、ステップＳ３４〜Ｓ４２において、異常の種類を判定する。消費量偏差Ｄｃが差分閾値Ｄｔよりも大きい場合、実噴射量Ｑｐが要求噴射量Ｑｏに比べて過度に大きい異常と、実噴射量Ｑｐが要求噴射量Ｑｏに比べて過度に小さい異常とが含まれる。

実噴射量Ｑｐが要求噴射量Ｑｏに比べて過度に大きいと、排気ガス中のＮＯｘに対応する量よりも多くの尿素水が噴射され、余剰の尿素水により排気管３１内に尿素が析出することが懸念される。

また、実噴射量Ｑｐが要求噴射量Ｑｏに比べて過度に小さいと、排気ガス中のＮＯｘに対応する量よりも少ない尿素水しか噴射されないため、排気ガス中のＮＯｘが十分に浄化されないことが懸念される。そこで、本実施形態では、噴射停止速度Ｎｓを用いてこれらの異常を判定する。

具体的には、ポンプ制御部７０は、ステップＳ２８で肯定判定すると、ステップＳ３３において、数Ｍをゼロに設定し、ステップＳ３４に進む。ステップＳ３４において、ポンプ制御部７０は、積算要求噴射量ΣＱｏが噴射閾値Ｑｔよりも小さいかを判定する。噴射閾値Ｑｔは、噴射弁５０の最大噴射量Ｑｍａｘに対応する噴射量であり、具体的には、各取得期間Ｔｅの最大噴射量Ｑｍａｘを積算した噴射量に設定されている。ポンプ制御部７０は、ステップＳ３４で否定判定すると、ステップＳ３６において、噴射弁５０には消費量異常が発生していると判定し、異常判定処理を終了する。ここで、消費量異常とは、実噴射量Ｑｐが最大噴射量Ｑｍａｘよりも大きい異常を意味する。

ポンプ制御部７０は、ステップＳ３４で肯定判定すると、ステップＳ３８において、噴射停止速度Ｎｓが速度閾値Ｎｔ以下であるかを判定する。速度閾値Ｎｔは、噴射停止速度Ｎｓに基づいて噴射弁５０の異常の種類を判定する閾値であり、具体的には、以前の異常判定処理において取得されて、速度閾値Ｎｔとして更新された噴射停止速度Ｎｓである（ステップＳ３２参照）。ポンプ制御部７０は、ステップＳ３８で否定判定すると、ステップＳ４０において、噴射弁５０には開固着異常が発生していると判定し、異常判定処理を終了する。ここで、開固着異常とは、噴射弁５０が開状態で固着し、噴射弁５０が閉鎖しない異常を意味する。そのため、開固着異常では、実噴射量Ｑｐが要求噴射量Ｑｏに比べて過度に大きくなる。

また、ポンプ制御部７０は、ステップＳ３８で否定判定すると、ステップＳ４２において、噴射弁５０には全閉固着異常が発生していると判定し、異常判定処理を終了する。ここで、全閉固着異常とは、噴射弁５０が全閉状態で固着し、噴射弁５０が開放しない異常を意味する。そのため、全閉固着異常では、実噴射量Ｑｐが要求噴射量Ｑｏに比べて過度に小さくなる。

一方、ポンプ制御部７０は、ステップＳ１０で肯定判定した場合、ステップＳ４４に進む。ステップＳ４４において、ポンプ制御部７０は、エンジン３０の運転が停止された後の車両放置中における異常に対処するための準備処理を実施する。

図５は、準備処理の手順を示すフローチャートである。ポンプ制御部７０は、準備処理を開始すると、まずステップＳ５０において、吸引処理を実施する。吸引処理において、ポンプ制御部７０は、ポンプ４４を逆回転させ、供給配管４２内の尿素水をタンク４０へ吸い戻す。これにより車両放置中に尿素水が供給配管４２内に残存したままになるのが回避され、尿素水の凍結・膨張による供給配管４２の破損が抑制される。

続くステップＳ５２において、ポンプ制御部７０は、現在のエンジン３０の運転中に速度閾値Ｎｔが更新されたかを判定する。ポンプ制御部７０は、ステップＳ５２で否定判定した場合、準備処理及び異常判定処理を終了する。一方、ポンプ制御部７０は、ステップＳ５２で肯定判定した場合、ステップＳ５４に進む。ステップＳ５２で肯定判定されることは、現在のエンジン３０の運転中に速度閾値Ｎｔが更新されていること、すなわち、速度閾値Ｎｔが更新された後にエンジン３０の運転が停止される状況を意味する。

ステップＳ５４において、ポンプ制御部７０は、速度閾値ＮｔをＲＡＭ等、一時的ではない記憶装置に記憶し、準備処理及び異常判定処理を終了する。これにより、速度閾値Ｎｔは、エンジン３０の運転が次回に始動されるまでの停止期間に亘って保持される。なお、本実施形態において、ステップＳ５４の処理が「保持部」に相当する。

続いて、図６〜図１０を用いて、異常判定処理の一例を示す。図６は、噴射量Ｑが少ない場合の回転速度Ｎの推移をし、図７は、噴射量Ｑが多い場合の回転速度Ｎの推移を示す。図６、図７において、（ａ）は、駆動信号Ｓｍの推移値を示し、（ｂ）は、回転速度Ｎの推移を示し、（ｃ）は、供給配管４２内の圧力Ｐの推移を示す。

駆動信号Ｓｍの噴射期間Ｔｐに噴射弁５０から尿素水が噴射されると、供給配管４２内の圧力Ｐが低下する。この噴射に伴う圧力低下を補うため、圧力フィードバックにてポンプ吐出量が増加され、それに伴い回転速度Ｎが上昇する。図６に示すように、噴射期間Ｔｐが短く、噴射弁５０の実噴射量Ｑｐが少ないと、圧力Ｐの低下量が小さくなり、回転速度Ｎの上昇量ΔＮも小さくなる。一方、図７に示すように、噴射期間Ｔｐが長く、噴射弁５０の実噴射量Ｑｐが多いと、圧力Ｐの低下量が大きくなり、回転速度Ｎの上昇量ΔＮも大きくなる。したがって、尿素水の噴射状態、つまり、噴射弁５０の実噴射量Ｑｐと、回転速度Ｎの上昇量ΔＮとには相関があり、回転速度Ｎの上昇量ΔＮから噴射弁５０の実噴射量Ｑｐを算出することができる。なお、図６、７に示すように、回転速度Ｎの上昇量ΔＮが取得される所定期間Ｔｃは、噴射期間Ｔｐが長いほど、長く設定される。

図８は、実噴射量Ｑｐの積算値と、要求噴射量Ｑｏの積算値との推移を示す。噴射弁５０の経年変化前の初期状態において、実噴射量Ｑｐは要求噴射量Ｑｏと略等しく、噴射弁５０の経年変化により、実噴射量Ｑｐと要求噴射量Ｑｏとの間に差が生じ、これにより、実噴射量Ｑｐの積算値と、要求噴射量Ｑｏの積算値との間に消費量偏差Ｄｃが生じる。図８に実線で示すように、噴射弁５０に異常が発生していない場合、数Ｍに対応する時刻ｔｍにおいて、消費量偏差Ｄｃは差分閾値Ｄｔよりも小さい。

一方、図８に破線で示すように、噴射弁５０に異常が発生している場合、時刻ｔｍにおいて消費量偏差Ｄｃは差分閾値Ｄｔよりも大きくなる。そのため、実噴射量Ｑｐに基づいて、噴射弁５０における異常の有無を判定することができる。

また、図９は、開固着異常である噴射弁５０の回転速度Ｎの推移をし、図１０は、全閉固着異常である噴射弁５０の回転速度Ｎの推移を示す。図９、図１０において、（ａ）は、駆動信号Ｓｍの推移値を示し、（ｂ）は、回転速度Ｎの推移を示し、（ｃ）は、供給配管４２内の圧力Ｐの推移を示す。

図１０に示すように、全閉固着異常が発生していると、噴射停止期間Ｔｓにおいて噴射弁５０が閉鎖されるため、噴射停止速度Ｎｓは基準速度Ｎｏとなる。一方、開固着異常が発生していると、噴射停止期間Ｔｓにおいて噴射弁５０が閉鎖されない。そのため、常時噴射弁５０から尿素水が噴射されるため、供給配管４２の圧力Ｐを維持するために、その分をポンプ４４から供給する必要があり、噴射停止速度Ｎｓは基準速度Ｎｏに比べて上昇する。つまり、噴射弁５０に生じた異常の種類によって、噴射停止速度Ｎｓが変化する。したがって、噴射停止速度Ｎｓに基づいて噴射弁５０における異常の種類を判定することができる。

以上説明した本実施形態によれば、以下の効果を奏する。

噴射弁５０による尿素水の噴射状態と、回転速度Ｎの変化とには相関がある。そのため、本実施形態では、回転速度Ｎに基づいて噴射弁５０の異常を判定することにより、噴射弁５０の異常を適正に判定することができる。

特に本実施形態では、噴射弁５０による尿素水の噴射状態を示す噴射弁５０の実噴射量Ｑｐと、回転速度Ｎの変化を示す回転速度Ｎの上昇量ΔＮとには相関があることに着目し、噴射速度Ｎｐと噴射停止速度Ｎｓとに基づいて噴射弁５０の異常を判定する。そのため、噴射速度Ｎｐのみに基づいて噴射弁５０の異常を判定する場合に比べて、噴射停止速度Ｎｓの影響を排除して、噴射弁５０の異常を精度良く判定することができる。

具体的には、噴射速度Ｎｐと噴射停止速度Ｎｓとから回転速度Ｎの上昇量ΔＮを算出し、回転速度Ｎの上昇量ΔＮと噴射弁５０の実噴射量Ｑｐとの直接的な関係から、噴射弁５０の実噴射量Ｑｐを算出する。実噴射量Ｑｐと要求噴射量Ｑｏとの差は、噴射弁５０の異常と相関があるため、実噴射量Ｑｐに基づいて噴射弁５０の異常を判定することができる。

本実施形態では、噴射弁５０による尿素水の噴射状態と、回転速度Ｎとの直接的な関係を用いて、噴射弁５０における異常の有無を判定する。そのため、ポンプデューティ比Ｄｕと、回転速度Ｎとの間接的な関係を用いて、噴射弁５０の異常を判定する場合に比べて、異常判定の精度を高めることができる。

本実施形態では、噴射弁５０の異常を適正に判定することができるため、異常発生を車両の使用者に知らせて修理を促すことができる。これにより、排気ガスが浄化されない状態で、車両が使用され続けることを抑制することができる。

本実施形態では、対象とする取得期間Ｔｅの回転速度Ｎの上昇量ΔＮを算出する際に、その取得期間Ｔｅの直前の噴射停止期間Ｔｓにおいて取得された噴射停止速度Ｎｓを用いて、上昇量ΔＮを算出する。直前の噴射停止期間Ｔｓにおいて取得された噴射停止速度Ｎｓには、噴射弁５０の経年変化が反映されている。そのため、噴射弁５０の経年変化を反映させた状態で、噴射弁５０の異常を適正に判定することができる。

本実施形態では、噴射停止速度Ｎｓに基づいて噴射弁５０における異常の種類を判定する。全閉固着異常や開固着異常など、噴射弁５０に生じた異常の種類によって、噴射停止速度Ｎｓが変化する。そのため、噴射停止速度Ｎｓに基づいて、噴射弁５０における異常の種類を適正に判定することができる。

本実施形態では、要求噴射量Ｑｏと実噴射量Ｑｐとの差に基づく消費量偏差Ｄｃが差分閾値Ｄｔよりも小さい場合に、その実噴射量Ｑｐの算出に用いた噴射停止速度Ｎｓを速度閾値Ｎｔとして更新する。

噴射停止期間Ｔｓの噴射停止速度Ｎｓは、噴射弁５０の経年変化により変化するため、噴射停止速度Ｎｓと比較される速度閾値Ｎｔも更新される必要がある。一方、速度閾値Ｎｔが異常な値に更新されると、速度閾値Ｎｔを用いて噴射弁５０における異常の種類を適正に判定することができない。

本実施形態では、消費量偏差Ｄｃが差分閾値Ｄｔよりも小さい場合、噴射弁５０は正常と判定される。そのため、正常と判定された噴射弁５０の実噴射量Ｑｐの算出に用いた噴射停止速度Ｎｓも正常と評価することができる。そのため、この噴射停止速度Ｎｓを速度閾値Ｎｔとして更新することで、速度閾値Ｎｔを適切に更新することができる。

本実施形態では、速度閾値Ｎｔが更新された後にエンジン３０の運転が停止された場合に、停止期間に亘って速度閾値Ｎｔを保持する。

噴射弁５０の異常が停止期間に発生することがある。この場合に、エンジン３０の運転が次回に始動された後に速度閾値Ｎｔが設定されると、噴射弁５０の異常に対応して速度閾値Ｎｔが異常な値に設定されることがある。この場合、速度閾値Ｎｔを用いて噴射弁５０における異常の種類を適正に判定することができない。

本実施形態では、速度閾値Ｎｔが更新された後にエンジン３０の運転が停止された場合に、停止期間に亘って速度閾値Ｎｔを保持する。速度閾値Ｎｔが更新されているため、保持された速度閾値Ｎｔは正常と評価することができる。そのため、停止期間において噴射弁５０に異常が発生しても、異常が発生する前に正常と評価された速度閾値Ｎｔを用いて、異常が発生した後に異常の種類を適切に判定することができる。

本実施形態では、Ｍ個の取得期間Ｔｅにおける実噴射量Ｑｐを積算した積算実噴射量ΣＱｐを用いて、噴射弁５０の異常を判定する。

回転速度Ｎの上昇量ΔＮは、基準速度Ｎｏに比べて小さい。具体的には、上昇量ΔＮは、約２０〜３０ｒｐｍであるのに対し、基準速度Ｎｏは、約１２００ｒｐｍである。そのため、１回の取得期間Ｔｅにおける実噴射量Ｑｐを用いても、噴射弁５０の異常を判定しても、噴射弁５０の異常を適正に判定することができない。

本発明では、Ｍ個の取得期間Ｔｅにおける実噴射量Ｑｐを積算した積算実噴射量ΣＱｐを用いて、噴射弁５０の異常を判定するため、１つの取得期間Ｔｅにおける実噴射量Ｑｐを用いて噴射弁５０の異常を判定する構成に比べて、噴射弁５０の異常を適正に判定することができる。

本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、次のように実施されてもよい。

異常判定処理において、異常の種類を判定する処理（ステップＳ３４〜Ｓ４２）は、必ずしも実行されなくてもよい。また、判定される異常の種類も限定されず、例えば開固着異常と全閉固着異常のみが判定され、消費量異常が判定されなくてもよい。

噴射停止速度Ｎｓが噴射停止期間Ｔｓ毎に取得される例を示したが、噴射停止速度Ｎｓが取得される頻度はこれに限られない。例えば、噴射停止速度Ｎｓは、エンジン３０の運転中において、噴射弁５０からの噴射が開始される前において、１回に限り取得されてもよい。

また、エンジン３０の運転中において、噴射停止速度Ｎｓは必ずしも取得されなくてもよい。例えば、前回のエンジン３０の運転中に更新された速度閾値Ｎｔが保持されている場合には（ステップＳ５４）、保持されている速度閾値Ｎｔを、現在のエンジン３０の運転中における噴射停止速度Ｎｓとして用いてもよい。なお、この場合には、噴射停止速度Ｎｓを用いて異常の種類を判定することができない。

異常判定処理において、実噴射量Ｑｐの積算（ステップＳ２４）は必ずしも実行されなくてもよい。この場合には、実噴射量Ｑｐと要求噴射量Ｑｏとの差の絶対値が、消費量偏差Ｄｃとなる。また、実噴射量Ｑｐを積算する積算回数も増減することが可能である。

消費量偏差Ｄｃの算出に、噴射量Ｑを用いる例を示したが、回転数ΣＮを用いてもよい。具体的には、現状のエンジン３０の負荷及び回転速度に基づき噴射弁５０における要求回転数ΣＮｏを算出し、回転速度Ｎの上昇量ΔＮから算出される実回転数ΣＮｐと、要求回転数ΣＮｏとの差の絶対値から消費量偏差Ｄｃを算出してもよい。

４２…供給配管、４４…ポンプ、５０…噴射弁、７０…ポンプ制御部、Ｎ…回転速度。

Claims (5)

1. 内燃機関（３０）の排気通路（３１ａ）に設けられ、排気中のＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化触媒に液状の還元剤を噴射供給する噴射弁（５０）と、還元剤通路（４２）を介して前記噴射弁に対して前記還元剤を加圧供給するポンプ（４４）と、を備える排気浄化システムに適用され、
   前記噴射弁の噴射状態における前記ポンプの回転速度を噴射時回転速度（Ｎｐ）として取得する取得部（Ｓ１７）と、
   前記噴射弁における要求噴射量（Ｑｏ）と、前記噴射時回転速度から算出される実噴射量（Ｑｐ）との差に基づいて、前記噴射弁における異常の有無を判定する判定部（Ｓ２８）と、
   を備え、
   前記取得部は、前記噴射弁の噴射停止状態における前記ポンプの回転速度を無噴射時回転速度（Ｎｓ）として取得し（Ｓ１４）、
   前記判定部は、前記無噴射時回転速度に対する前記噴射時回転速度の上昇量（ΔＮ）から前記実噴射量を算出し、前記噴射弁に異常が有ると判定した場合に、前記無噴射時回転速度を所定の速度閾値（Ｎｔ）と比較し（Ｓ３８）、前記無噴射時回転速度が前記速度閾値よりも大きい場合に、前記噴射弁が閉鎖しない開固着異常が発生していると判定し（Ｓ４０）、前記無噴射時回転速度が前記速度閾値以下である場合に、前記噴射弁が閉鎖したままとなる閉固着異常が発生していると判定する（Ｓ４２）異常判定装置。
2. 前記噴射弁は、所定周期で噴射と噴射停止とを繰り返し実施するものであり、
   前記取得部は、前記噴射弁の噴射開始前の前記無噴射時回転速度を取得するとともに、前記噴射弁の噴射開始後の前記噴射時回転速度を取得し、
   前記判定部は、前記噴射弁の噴射開始前の前記無噴射時回転速度に対する前記噴射弁の噴射開始後の前記噴射時回転速度の上昇量から前記実噴射量を算出する請求項１に記載の異常判定装置。
3. 前記取得部は、所定条件に応じて前記無噴射時回転速度を繰り返し取得しており、
   前記判定部が前記噴射弁に異常が無いと判定した場合に、当該判定に用いた前記無噴射時回転速度を前記速度閾値として更新する更新部（Ｓ３２）を備える請求項１または請求項２に記載の異常判定装置。
4. 前記速度閾値が更新された後に前記内燃機関の運転が停止された場合に、前記内燃機関の運転が次回に始動されるまでの停止期間に亘って、前記速度閾値を保持する保持部（Ｓ５４）を備える請求項３に記載の異常判定装置。
5. 前記噴射弁は、噴射と噴射停止とを繰り返し実施するものであり、
   前記判定部は、複数の噴射状態における前記要求噴射量の積算値（ΣＱｏ）と、前記複数の噴射状態における前記実噴射量の積算値（ΣＱｐ）との差に基づいて、前記噴射弁における異常の有無を判定する請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の異常判定装置。

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