JP3686672B1 - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】尿素センサの出力に基づいて複数の異常を判定する場合に、異常の検出と異常の判定との間の時間的なラグに起因する誤判定を回避することを目的とする。
【解決手段】残量異常判定（Ｆｅｍｐ＝１：時刻ｔ２）後、濃度Ｄｎが残量に関する異常領域Ａから濃度に関する異常領域Ｃに直接移行することにより、濃度に関する異常を検出したとき（時刻ｔ３）は、この異常の検出から所定の期間ＰＲＤに亘り残量異常判定を維持する。
【選択図】 図９

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を、アンモニアを還元剤に使用して浄化する技術に関する。

エンジンから排出される大気汚染物質、特に排気中の窒素酸化物（以下「ＮＯｘ」という。）を後処理により浄化するものに、次のＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）装置が知られている。すなわち、エンジンの排気通路にアンモニア又はその前駆体の水溶液を噴射する装置を設置し、噴射されたアンモニアを還元剤として、ＮＯｘとこのアンモニアとを触媒上で反応させ、ＮＯｘを還元及び浄化するものである。また、車上でのアンモニアの貯蔵容易性を考慮し、タンクにアンモニア前駆体である尿素を水溶液の状態で貯蔵しておき、実際の運転に際し、このタンクから供給された尿素水を排気通路内に噴射し、排気熱を利用した尿素の加水分解によりアンモニアを発生させるＳＣＲ装置も知られている（特許文献１）。
特開２０００−０２７６２７号公報（段落番号００１３）

本出願人は、ＳＣＲ装置を自動車等の車両のエンジンの排気浄化装置に採用することを検討している。エンジンからのＮＯｘ排出量に対して的確な量の尿素水を噴射し、ＮＯｘの還元反応を良好に行わせるため、尿素水タンクに尿素センサを設置し、尿素の実際の濃度（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。）をエンジン及びＳＣＲ装置の制御に反映させることが実用上重要となる。現在、尿素センサとして、ヒータと測温抵抗体とを絶縁状態で配設し、尿素の濃度に応じた尿素水の伝熱特性に着目して、測温抵抗体の電気抵抗値に基づいて尿素の実際の濃度を検出するものが開発されている（特開２００１−２２８００４号公報参照）。

ここで、本出願人は、尿素センサにこの感温型のものを採用したエンジンの排気浄化装置を、既に提出した特願２００３−３６６７３７号に開示している。このものでは、尿素センサにより尿素の濃度を検出するとともに、正常領域を上回る高い濃度を検出したときに、尿素水の残量が不足しているとの判定を下す一方、この正常領域を下回る低い濃度を検出したときに、尿素水が水又はそれに近い希薄な状態にあるとして、濃度が異常であるとの判定を下し、これらの判定のいずれかを下したときに、尿素水の噴射を停止させる等の措置を講ずることとしている。また、このものでは、特に後者の低い濃度が検出された場合に、この低い濃度が所定の回数に渡り連続して検出されたときに、その濃度を確定値として採用することで、検出された濃度の信頼性を確保することとしている（前掲先願の図７，９）。

しかしながら、この排気浄化装置のように、正常領域よりも高い又は低い濃度の検出とこれに対応する異常の判定とが時期的に一致して行われず、前者の検出と後者の判定との間に時間的なラグが存在するものには、次のような問題がある。たとえば、尿素水の残量が不足しているとの判定が下された後、運転者が不注意により又は意図的に水又は希釈された尿素水を補給した場合において、残量が不足しているの判定が解除される一方、濃度が異常であるとの判定は、この補給後、前記ラグに相当する時間だけ遅れて下されることになる。このため、その間濃度の異常に対する措置を講ずることができず、未浄化のＮＯｘが大気中に放出されるおそれがある。

本発明は、このような実情に鑑み、尿素センサの出力に基づいて複数の異常を判定するとともに、異常の検出と異常の判定との間に時間的なラグが存在するエンジンの排気浄化装置において、このラグに起因する誤判定を回避することを目的とする。

本発明は、エンジンの排気浄化装置を提供する。本発明に係る装置は、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タンクを含んで構成され、この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し、検出した濃度が正常領域として定められる所定の領域以外の異常領域にあるときに、前記水溶液に関する所定の異常を検出するとともに、異常が検出された後、所定の確定条件が成立したことにより異常判定を下す。また、検出した濃度が異常領域中の第１の領域にあるときに第１の異常を検出する一方、検出した濃度が異常領域中の、この第１の領域とは異なる第２の領域にあるときに第２の異常を検出し、第１の異常の検出と関連させて第１の異常判定を下す一方、第２の異常の検出と関連させて第２の異常判定を下す。第１の異常判定後、検出した濃度が第１の領域から第２の領域に直接移行したことにより第２の異常が検出されたときは、この第２の異常の検出から所定の期間に亘り第１の異常判定を維持する。

本発明では、異常領域にある濃度の検出とこれに関連させて定められる異常判定との間に、所定の確定条件が成立するまでのラグが存在する。ここで、本発明では、第１の異常判定後、検出した濃度が第１の領域から第２の領域に直接移行したことにより第２の異常が検出されたときに、この第２の異常の検出から所定の期間に亘り第１の異常判定を維持することとしたので、このラグに起因する、正常であるとの誤判定を回避することができる。

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自動車用エンジン（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いる。
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、この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、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からの信号に応じて作動する。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が設置されている。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の可動ベーン１２１は、アクチュエータ１２２と接続されており、アクチュエータ１２２により角度が制御される。
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の還元反応に適切なものに調整する作用を奏する。ＮＯｘ浄化触媒３３は、ＮＯｘを還元して浄化する。ＮＯｘの還元のため、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こととしている。

本実施形態では、アンモニアの貯蔵容易性を考慮し、アンモニア前駆体である尿素を水溶液の状態で貯蔵することとしている。アンモニアを尿素として貯蔵することで、安全性を確保することができる。
尿素水を貯蔵するタンク４１には、尿素水供給管４２が接続されており、この尿素水供給管４２の先端に尿素水の噴射ノズル４３が取り付けられている。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、ＳＣＲ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が設置されており、規定圧力を超える分の余剰尿素水がタンク４１に戻されるように構成されている。

噴射ノズル４３は、エアアシスト式の噴射ノズルであり、本体４３１とノズル部４３２とで構成される。本体４３１には、尿素水供給管４２が接続される一方、アシスト用の空気を供給するための空気供給管４８が接続されている。空気供給管４８は、図示しないエアタンクと接続されており、このエアタンクからアシスト用の空気が供給される。ノズル部４３２は、ＮＯｘ浄化触媒３３の上流において、ＮＯｘ浄化触媒３３及びアンモニア触媒３４の筐体を側面から貫通させて設置されている。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。

尿層水が噴射されると、噴射された尿素水中の尿素が排気熱により加水分解し、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上でＮＯｘの還元剤として作用し、ＮＯｘを還元させる。アンモニア触媒３４は、ＮＯｘの還元に寄与せずにＮＯｘ浄化触媒３３を通過したスリップアンモニアを浄化するためのものである。アンモニアは、刺激臭があるため、未浄化のまま放出するのは好ましくない。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＋１／２Ｏ₂ → ＮＯ₂ ・・・（１）
(ＮＨ₂)₂ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ → ２ＮＨ₃＋ＣＯ₂ ・・・（２）
ＮＯ＋ＮＯ₂＋２ＮＨ₃ → ２Ｎ₂＋３Ｈ₂Ｏ ・・・（３）
４ＮＨ₃＋３Ｏ₂ → ２Ｎ₂＋６Ｈ₂Ｏ ・・・（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。ＥＧＲ管３５には、ＥＧＲ弁３６が介装されている。ＥＧＲ弁３６は、アクチュエータ３６１に接続されており、アクチュエータ３６１により開度が制御される。

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、タンク４１内には、尿素水に含まれる尿素の濃度を検出するための尿素センサ７４が設置されている。

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、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噴射ノズル４３に出力する。また、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おり、検出した尿素の濃度をエンジンＣ／Ｕ５１に出力する。一方、エンジン１側には、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に入力される。エンジンＣ／Ｕ５１は、クランク角センサから入力した信号をもとに、エンジン回転数Ｎｅを算出する。エンジンＣ／Ｕ５１は、燃料噴射量等の尿素水の噴射制御に必要な情報をＳＣＲ−Ｃ／Ｕ６１に出力する。

図２は、尿素センサ７４の構成を示している。
尿素センサ７４は、前掲特開２００１−２２８００４号公報に記載された流量計と同様な構成を持ち、２つの感温体の電気特性値をもとに、尿素の濃度を検出する。
前掲公開公報（段落番号００１５〜００１７）に記載された流量計は、ヒータ機能を持つ第１のセンサ素子と、ヒータ機能を持たない第２のセンサ素子とを含んで構成される。前者の第１のセンサ素子は、ヒータ層と、ヒータ層上に絶縁状態で形成された、感温体としての測温抵抗層（以下「第１の測温抵抗層」という。）とを含んで構成される。後者の第２のセンサ素子は、感温体としての測温抵抗層（以下「第２の測温抵抗層」という。）を含んで構成されるが、ヒータ層を持たない。各センサ素子は、樹脂製の筐体に内蔵されており、伝熱体としてのフィンプレートの一端に接続されている。

本実施形態では、前記第１及び第２のセンサ素子を含んで尿素センサ７４のセンサ素子部７４１が構成される。センサ素子部７４１は、タンク４１内の底面近傍に設置され、濃度の検出に際して尿素水に浸漬させて使用される。また、各フィンプレート７４１４，７４１５は、筐体７４１３を貫通し、タンク４１内に露出している。
回路部７４２は、第１のセンサ素子７４１１のヒータ層及び測温抵抗層、並びに第２のセンサ素子７４１２の測温抵抗層と接続されている。ヒータ層に通電して第１の測温抵抗層を加熱するとともに、加熱された第１の測温抵抗層と、直接的には加熱されていない第２の測温抵抗層との各抵抗値Ｒｎ１，Ｒｎ２を検出する。測温抵抗層は、抵抗値が温度に比例して変化する特性を持つ。回路部７４２は、検出したＲｎ１，Ｒｎ２をもとに、次のように濃度Ｄｎを演算する。なお、尿素センサ７４は、尿素の濃度を検出する機能と、尿素水の残量を判定する機能とを兼ね備えている。

図３は、濃度の検出及び残量の判定原理を示したものである。
ヒータ層による加熱は、所定の時間Δｔ０１に亘り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、ヒータ層への通電を停止した時点ｔ１における各測温抵抗層の抵抗値Ｒｎ１，Ｒｎ２を検出するとともに、その時点における測温抵抗層間の温度差ΔＴｍｐ１２（＝Ｔｎ１−Ｔｎ２）を演算する。測温抵抗層間の温度差は、尿素水を媒体とする伝熱特性に応じて変化するものであり、この伝熱特性は、尿度の濃度に応じて変化するものである。このため、算出したΔＴｍｐ１２を換算して、濃度Ｄｎを算出することができる。また、算出したΔＴｍｐ１２をもとに、タンク４１に残された尿素水の量が不足しているか否かを判定することができる。

なお、本実施形態では、第１のセンサ素子７４１１において、フィンプレート７４１４を介して第１の測温抵抗層を尿素水と接触させるように構成しているが、センサ素子部７４１にタンク４１内の尿素水を導入する測定室を形成し、第１の測温抵抗層がこの測定室内の尿素水を介してヒータにより加熱されるように構成してもよい。この場合は、第１の測温抵抗層と尿素水とが直接的に接触することとなる。

次に、ＳＣＲ−Ｃ／Ｕ６１の動作をフローチャートにより説明する。
本実施形態に係るＳＣＲ−Ｃ／Ｕ６１の動作は、概略次のようである。すなわち、ＳＣＲ−Ｃ／Ｕ６１は、検出許可判定を行い（図４：検出許可ルーチン）、この判定により濃度の検出が許可されたときにのみ、実際に濃度Ｄｎの検出を行う。検出した濃度Ｄｎが正常領域として定められる所定の範囲内にあるときは、尿素水に関する所定の異常は発生していないと判定するとともに、その濃度Ｄｎを出力する。他方、検出した濃度Ｄｎがこの範囲内にないときは、その濃度Ｄｎを出力するが、前記所定の異常としての尿素水の残量又は濃度に関する異常が発生したと判定する。本実施形態では、濃度Ｄｎがこの範囲を上回る領域にあるときに、尿素水の残量に関する異常判定（以下「残量異常判定」という。）を下す一方、濃度Ｄｎがこの範囲を下回る領域にあるときに、尿素水の濃度に関する異常判定（以下「濃度異常判定」という。）を下す。また、本実施形態では、各異常判定に際し、ＳＣＲ−Ｃ／Ｕ６１は、「確定条件」として、各異常の検出毎にエラーカウンタＣＮＴｃ，ＣＮＴｅを所定の値ずつ加算していき、このエラーカウンタＣＮＴｃ，ＣＮＴｅが所定の値ＣＮＴｃｌｉｍ，ＣＮＴｅｌｉｍに達したときに、実際に異常判定を下す（図６：濃度検出・異常判定ルーチン）。これらの異常判定のうちいずれかが下されたときに、ＳＣＲ−Ｃ／Ｕ６１は、噴射ノズル４３に対し、尿素水の噴射を停止させるための信号を出力する（図８：尿素水噴射制御ルーチン）。

図４は、検出許可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り起動され、その後所定の時間毎に繰り返される。このルーチンにより濃度Ｄｎの検出が許可又は禁止される。
Ｓ１０１では、イグニッションスイッチ信号ＳＷｉｇｎを読み込み、ＳＷｉｇｎが１であるか否かを判定する。１であるときは、イグニッションスイッチがオンされているとして、Ｓ１０２へ進む。

Ｓ１０２では、スタートスイッチ信号ＳＷｓｔｒを読み込み、ＳＷｓｔｒが１であるか否かを判定する。１であるときは、スタートスイッチがオンされており、エンジン１の始動時であるとして、許可判定を下すためにＳ１０３へ進む。エンジン１の始動時は、前回の停止時から相当の時間が経過しており、タンク４１内で尿素水が静止している蓋然性が高いためである。１でないときは、Ｓ１０５へ進む。

Ｓ１０３では、検出インターバルＩＮＴを０にリセットする。
Ｓ１０４では、許可判定フラグＦｄｔｃを１に設定し、許可判定を下す。
Ｓ１０５では、検出インターバルＩＮＴを１だけカウントアップする（ＩＮＴ＝ＩＮＴ＋１）。
Ｓ１０６では、カウントアップ後のＩＮＴが所定の値ＩＮＴ１に達したか否かを判定する。ＩＮＴ１に達したときは、濃度Ｄｎの検出に必要な検出インターバルが確保されているとして、Ｓ１０３へ進み、ＩＮＴ１に達していないときは、必要な検出インターバルが確保されていないとして、禁止判定を下すためにＳ１０７へ進む。

Ｓ１０７では、許可判定フラグＦｄｔｃを０に設定し、禁止判定を下す。
図５は、静止判定ルーチンのフローチャートである。このルーチンは、所定の時間毎に繰り返される。このルーチンによりタンク４１内で尿素水が静止しているか否かが判定され、判定結果に応じた静止判定フラグＦｓｔｂが設定される。設定されたＦｓｔｂは、濃度検出・異常判定ルーチン（図６）に反映される。

Ｓ２０１では、エンジン回転数ＮＥを読み込む。
Ｓ２０２では、読み込んだＮＥが所定のアイドル判定回転数ＮＥｉｄｌｅ以下に減少したか否かを判定する。ＮＥｉｄｌｅ以下に減少したときは、Ｓ２０３へ進み、減少していないときは、Ｓ２０６へ進む。
Ｓ２０３では、車速ＶＳＰを読み込む。

Ｓ２０４では、読み込んだＶＳＰが所定の値ＶＳＰ１（たとえば、０）以下に減少したか否かを判定する。ＶＳＰ１以下に減少したときは、Ｓ２０７へ進み、減少していないときは、Ｓ２０５へ進む。所定の値ＶＳＰ１は、０に限らず、実質的に停車していると判断することのできる車速の最大値として、大きさを持たせて設定することができる。完全には停車していなくとも、車速がある程度低く、大きな減速度が発生しないことが保証されるときは、タンク４１内で尿素水の揺れが減衰し、静止状態への移行が進むからである。

Ｓ２０５では、経過時間ＴＩＭを０にリセットする。
Ｓ２０６では、尿素水が静止していないものとして、静止判定フラグＦｓｔｂを０に設定する。
Ｓ２０７では、経過時間ＴＩＭを１だけカウントアップする。
Ｓ２０８では、カウントアップ後のＴＩＭが静止時間ＴＩＭ１に達したか否かを判定する。ＴＩＭ１に達したときは、Ｓ２０９へ進み、達していないときは、Ｓ２０６へ進む。なお、静止時間ＴＩＭ１は、停車時の減速度に応じて変更することとし、この減速度が大きいときほど、大きな値に変更するとよい。急停車時は、停車直後における尿素水の揺れが大きく、その分静止までに長い時間を要すると考えられるためである。

Ｓ２０９では、静止判定フラグＦｓｔｂを１に設定し、尿素水が静止しているとの判定を下す。
図６は、濃度検出・異常判定ルーチンのフローチャートである。このルーチンは、ＳＣＲ−Ｃ／Ｕ６１及び回路部７４２により、許可判定フラグＦｄｔｃが１に設定されたときに実行される。Ｓ３０２，３０３が回路部７４２の行う処理である。このルーチンにより濃度Ｄｎが検出されるとともに、尿素水に関する所定の異常が検出及び判定される。

Ｓ３０１では、許可判定フラグＦｄｔｃを読み込み、読み込んだＦｄｔｃが１であるか否かを判定する。１であるときにのみ、Ｓ３０２へ進む。
Ｓ３０２では、濃度Ｄｎの検出のため、尿素センサ７４のヒータ層に通電し、第１の測温抵抗層を直接的に、かつ尿素水を媒体として第２の測温抵抗層を間接的に加熱する。
Ｓ３０３では、濃度Ｄｎを検出する。濃度Ｄｎの検出は、加熱された各測温抵抗層の抵抗値Ｒｎ１，Ｒｎ２を検出するとともに、検出したＲｎ１，Ｒｎ２の差に応じた測温抵抗層間の温度差ΔＴｍｐ１２を演算し、算出したΔＴｍｐ１２を濃度Ｄｎに換算することにより行う。

Ｓ３０４では、検出したＤｎが第１の値Ｄ１と、この第１の値よりも大きな第２の値Ｄ２とを上下限とする所定の範囲（「正常領域」に相当する。）内にあるか否かを判定する。この範囲内にあるときは、Ｓ３１６へ進み、この範囲内にないときは、Ｓ３０５へ進む。
Ｓ３０５では、濃度Ｄｎが所定の第３の値Ｄ３よりも大きいか否かを判定する。Ｄ３よりも大きいときは、Ｓ３１１へ進み、Ｄ３以下であるときは、Ｓ３０６へ進む。所定の値Ｄ３は、尿素センサ７４が尿素水中にある状態で得られる出力Ｄｎと、尿素センサ７４が空気中にある状態で得られる出力Ｄｎとの中間値に設定する。なお、本実施形態では、所定の値Ｄ３をＤ２とは異なる（すなわち、Ｄ２よりも大きな）値に設定しているが、Ｄ２と等しい値に設定してもよい。

Ｓ３０６では、濃度エラーカウンタＣＮＴｃに、静止判定フラグＦｓｔｂに応じた値のポイントａ，ｂを加算する。すなわち、Ｆｓｔｂが１であり、タンク４１内で尿素水が静止していると判定したときは、比較的に大きな値のポイントａを加算する一方（ＣＮＴｃ＝ＣＮＴｃ＋ａ）、Ｆｓｔｂが０であり、尿素水が静止していないと判定したときは、ａよりも小さな値のポイントｂを加算する（ＣＮＴｃ＝ＣＮＴｃ＋ｂ：ｂ＜ａ）。尿素水が静止しているときに得られる濃度Ｄｎは、尿素水の攪拌による伝熱特性のばらつきが小さく、その信頼性の高さを異常判定に反映させるためである。

Ｓ３０７では、カウントアップ後のＣＮＴｃが所定の値ＣＮＴｃｌｉｍに達したか否かを判定する。ＣＮＴｃｌｉｍに達したときは、Ｓ３０８へ進み、達していないときは、このルーチンをリターンする。
Ｓ３０８では、残量異常判定フラグＦｅｍｐを０に設定する。
Ｓ３０９では、残量エラーカウンタＣＮＴｅを０にリセットする。

Ｓ３１０では、尿素水が水又はそれに近い希薄な状態にあるか、あるいは尿素水とは異なる異種水溶液がタンク４１に貯蔵されているとの濃度異常判定を下し、濃度異常判定フラグＦｃｎｃを１に設定する。なお、本実施形態では、第１の値Ｄ１よりも低い濃度を検出したときに、単に１つの濃度異常判定を下すこととしている。しかしながら、タンク４１に水が充填された場合と、尿素水が希釈された場合とについて異なる濃度異常判定フラグを設定し、濃度Ｄｎと、Ｄ１よりも小さな第４の値Ｄ４（たとえば、０）とを比較することで、各場合について異常を区別するようにしてもよい。

Ｓ３１１では、残量エラーカウンタＣＮＴｅに、静止判定フラグＦｓｔｂに応じた値のポイントｃ，ｄを加算する。すなわち、Ｆｓｔｂが１であり、タンク４１内で尿素水が静止していると判定したときは、比較的に大きな値のポイントｃを加算する一方（ＣＮＴｅ＝ＣＮＴｅ＋ｃ）、Ｆｓｔｂが０であり、尿素水が静止していないと判定したときは、ｃよりも小さな値のポイントｄを加算する（ＣＮＴｅ＝ＣＮＴｅ＋ｄ：ｄ＜ｃ）。濃度エラーカウンタＣＮＴｃの場合と同様に、尿素水が静止しているときに得られる濃度Ｄｎの信頼性の高さを反映させるためである。

Ｓ３１２では、カウントアップ後のＣＮＴｅが所定の値ＣＮＴｅｌｉｍに達したか否かを判定する。ＣＮＴｅｌｉｍに達したときは、Ｓ３１３へ進み、達していないときは、このルーチンをリターンする。
Ｓ３１３では、濃度異常判定フラグＦｃｎｃを０に設定する。
Ｓ３１４では、濃度エラーカウンタＣＮＴｃを０にリセットする。

Ｓ３１５では、タンク４１に残された尿素水の量が所定の量に満たない（たとえば、タンク４１が空である。）との残量異常判定を下し、残量異常判定フラグＦｅｍｐを１に設定する。
Ｓ３１６では、正常判定を下し、各異常判定フラグＦｃｎｃ，Ｆｅｍｐを０に設定する。

Ｓ３１７では、各エラーカウンタＣＮＴｃ，ＣＮＴｅを０にリセットする。
図７は、停止制御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フされることにより実行される。
Ｓ４０１では、イグニッションスイッチ信号ＳＷｉｇｎを読み込み、ＳＷｉｇｎが０であるか否かを判定する。０であるときは、イグニッションスイッチがオフされたとして、Ｓ４０２へ進む。

Ｓ４０２では、各種の演算情報をバックアップメモリーに書き込む。このメモリーに書き込まれた演算情報は、イグニッションスイッチがオフされ、電源が落とされた後も保持され、次回の運転において、濃度検出・異常判定ルーチン及び次に述べる尿素水噴射制御ルーチン（Ｓ３０６，５０３等）で読み込まれる。本実施形態では、この演算情報として、各エラーカウンタＣＮＴｃ，ＣＮＴｅ及び各異常判定フラグＦｃｎｃ，Ｆｅｍｐを書き込む。

次に、濃度Ｄｎを採用した尿素水噴射制御の一例を、図８に示すフローチャートにより説明する。このルーチンは、所定の時間毎に実行される。
Ｓ５０１では、濃度Ｄｎを読み込む。
Ｓ５０２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、Ｓ５０３へ進み、０でないときは、残量異常判定が下されているとして、Ｓ５０６へ進む。

Ｓ５０３では、濃度異常判定フラグＦｃｏｎが０であるか否かを判定する。０であるときは、Ｓ５０４へ進み、０でないときは、濃度異常判定が下されているとして、Ｓ５０７へ進む。
Ｓ５０４では、尿素水噴射量を設定する。尿素水噴射量の設定は、エンジン１の燃料噴射量及びＮＯｘセンサ７３の出力に応じた基本噴射量を演算するとともに、算出した基本噴射量を濃度Ｄｎにより補正することにより行う。濃度Ｄｎが大きく、単位噴射量当たりの尿素含有量が多いときは、基本噴射量に減量補正を施し、他方、濃度Ｄｎが小さく、単位噴射量当たりの尿素含有量が少ないときは、基本噴射量に増量補正を施す。

Ｓ５０５では、噴射ノズル４３に対し、設定した尿素水噴射量に応じた作動信号を出力する。
Ｓ５０６では、運転席のコントロールパネルに設置されている残量警告灯を作動させ、尿素水の残量が不足していることを運転者に認識させる。
Ｓ５０７では、前記コントロールパネルに設置されている濃度警告灯を作動させ、濃度が過度に低いことを運転者に認識させる。

Ｓ５０８では、尿素水の噴射を停止させる。尿素水の残量が不足しているときは勿論、尿素の濃度が過度に低いときや、尿素水ではなく水等がタンク４１に貯蔵されているときは、アンモニアの添加に必要な量の尿素水を噴射することができないからである。なお、本実施形態では、各異常判定が下されたときに尿素水の噴射を停止させることとしたが、この制御に併せ又はこれに代え、エンジンＣ／Ｕ５１に対し、エンジン１からのＮＯｘ排出量自体を低減させたり、あるいはエンジン１の出力を制限させるための信号を出力するようにしてもよい。前者の制御として、たとえば、ＥＧＲ管３５を介して還流される排気の量を異常判定時以外の通常時よりも低い値に変更し、また、後者の制御として、アクセル操作に対するエンジン１の出力特性を通常時とは異ならせ、たとえば、アクセル開度に対する燃料噴射量を通常時よりも低い値に変更する。

本実施形態に関し、尿素センサ７４及び図６に示すフローチャートのＳ３０２，３０３処理が濃度検出手段を、同フローチャートのＳ３０４，３０５の処理が異常検出手段を、同フローチャートのＳ３０６，３０７，３１１及び３１２が異常判定手段を、図４に示すフローチャートのＳ１０２及び図５に示すフローチャートのＳ２０１〜２０５，２０７，２０８が静止状態判定手段を、図８に示すフローチャートのＳ５０８が添加停止手段を、同フローチャートのＳ５０６，５０７が警告手段を、同フローチャートのＳ５０４が添加制御手段を夫々構成する。

本発明によれば、次のような効果を得ることができる。
図９は、ＳＣＲ−Ｃ／Ｕ６１の動作を示すタイムチャートであり、残量異常判定（「第１の異常判定」に相当する。）が下された後（時刻ｔ２）、不注意により又は意図的に水等が補給されることで、濃度Ｄｎが所定の範囲Ｂを上回る領域Ａからこの範囲Ｂを下回る領域Ｃに直接移行した場合の（時刻ｔ３）、各エラーカウンタＣＮＴｃ，ＣＮＴｅ及び各異常判定フラグＦｃｎｃ，Ｆｅｍｐの動きを示している。

本実施形態では、このような場合において、領域Ｃにある異常な濃度Ｄｎを検出した後（時刻ｔ３）、濃度エラーカウンタＣＮＴｃが増大して所定の値ＣＮＴｃｌｉｍに達し、濃度異常判定（「第２の異常判定」に相当する。）が下されるまでの期間ＰＲＤに亘り、残量異常判定を維持することとした（ＣＮＴｅ＝ＣＮＴｅｌｉｍ，Ｆｅｍｐ＝１：図６のＳ３０７）。このため、濃度Ｄｎが過度に低く、ＮＯｘの還元が良好に行われないにも拘わらず、濃度エラーカウンタＣＮＴｃが所定の値ＣＮＴｃｌｉｍに達していないことにより通常通りにエンジン１が運転され、かつ尿素水が噴射されることで、未浄化のＮＯｘが大気中に放出されるのを回避することができる。

また、本実施形態では、静止判定を行い、タンク４１内で尿素水が静止していると判定したときにのみ濃度Ｄｎを検出することで、走行中の振動により尿素水が攪拌され、伝熱特性が設定上のものからばらつくことによる濃度Ｄｎの誤検出を防止することができる。
更に、本実施形態では、各異常判定が下されたときに還元剤の噴射を停止させるとともに、エンジン１からのＮＯｘ排出量を低減させることで、適量な尿素水が噴射されないことによるＮＯｘの放出を防止することができる。

更に、本実施形態では、各異常判定が下されたときにエンジン１の出力を制限し、走行を制限することで、運転者による尿素水の適切な補給を促すことができる。
更に、本実施形態では、濃度Ｄｎに基づいて尿素水噴射量を設定することで、尿素水を過不足なく噴射することができる。
なお、以上では、濃度異常判定及び残量異常判定の双方についてエラーカウンタＣＮＴｃ，ＣＮＴｅを採用することとした。しかしながら、いずれかの異常判定（たとえば、誤判定が比較的に生じ易い濃度異常判定）のみについてエラーカウンタＣＮＴｃを採用し、他方の異常判定（すなわち、残量異常判定）は、所定の範囲Ｂを下回る領域Ｃにある濃度Ｄｎが検出されたことにより直ちに下すこととしてもよい。

また、以上では、濃度又は残量の異常の検出毎に所定の値ａ〜ｄずつ加算されるエラーカウンタＣＮＴｃ，ＣＮＴｅを採用して、異常判定の精度を確保することとした。エラーカウンタに代えて単に回数を採用し、検出された濃度Ｄｎが各領域Ａ，Ｃ外からその領域Ａ，Ｃに移行した後、所定の回数に渡り検出された濃度Ｄｎのうち所定の割合のものがこの領域内にある場合（たとえば、所定の回数に渡り連続してその領域内の濃度Ｄｎが検出された場合）に、異常判定を下すようにしてもよい。

更に、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、この加水分解のための触媒は、特に明示していない。加水分解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。

本発明の一実施形態に係るエンジンの構成 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 検出許可ルーチンのフローチャート 同上ルーチンの静止判定処理のサブルーチン 濃度検出・異常判定ルーチンのフローチャート 停止制御ルーチンのフローチャート 尿素水噴射制御ルーチンのフローチャート ＳＣＲ−Ｃ／Ｕの動作を示すタイムチャート

符号の説明

１…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…アンモニア触媒、３５…ＥＧＲ管、３６…ＥＧＲ弁、４１…タンク、４２…尿素水供給管、４３…噴射ノズル、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…ＳＣＲ−Ｃ／Ｕ、７１，７２…排気温度センサ、７３…ＮＯｘセンサ、７４…尿素センサ。

Claims (13)

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タンクと、
   この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濃度検出手段と、
   検出された濃度が正常領域として定められる所定の領域以外の異常領域にあるときに、前記水溶液に関する所定の異常を検出する異常検出手段と、
   異常が検出された後、所定の確定条件が成立したことにより異常判定を下す異常判定手段と、を含んで構成され、
   前記異常検出手段は、検出した濃度が前記異常領域中の第１の領域にあるときに、第１の異常を検出する一方、検出した濃度が前記異常領域中の、この第１の領域とは異なる第２の領域にあるときに、第２の異常を検出し、
   前記異常判定手段は、前記第１の異常の検出と関連させて第１の異常判定を下す一方、前記第２の異常の検出と関連させて第２の異常判定を下し、かつ第１の異常判定後、検出された濃度が前記第１の領域から前記第２の領域に直接移行したことにより前記第２の異常が検出されたときは、この第２の異常の検出から所定の期間に亘り第１の異常判定を維持するエンジンの排気浄化装置。
2. 前記異常検出手段は、検出された濃度をもとに、前記水溶液の残量不足、前記水溶液の希釈及び前記タンクにおける異種水溶液の混入を含むグループから選択された１つを前記第１の異常として検出するとともに、このグループから選択された、前記第１の異常とは異なる他の１つを前記第２の異常として検出する請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
3. 前記異常判定手段は、前記第１又は第２の異常の検出毎に所定の値ずつ増大されるカウンタが設定され、このカウンタの値に基づいて前記第１又は第２の異常判定を下す請求項１又は２に記載のエンジンの排気浄化装置。
4. 前記タンク内で前記水溶液が静止状態にあるか否かを判定する静止状態判定手段を更に含んで構成され、
   前記異常判定手段は、前記水溶液が静止状態にあると判定されたときとそれ以外のときとで、前記所定の値を異ならせる請求項３に記載のエンジンの排気浄化装置。
5. 前記異常判定手段は、少なくとも前記第２の異常判定に関して前記カウンタが設定され、このカウンタが所定の異常判定値に達したときに前記第２の異常判定を下すものであり、
   前記所定の期間が、前記第２の異常の検出から前記カウンタが前記所定の異常判定値に達するまでの期間として定められる請求項３又は４に記載のエンジンの排気浄化装置。
6. 前記異常判定手段は、検出された濃度が前記第２の領域外からこの領域に移行した後、所定の回数に渡り検出された濃度のうち所定の割合のものがこの領域内にある場合に、前記第２の異常判定を下す請求項１又は２に記載のエンジンの排気浄化装置。
7. 前記第１又は第２の異常判定が下されたときに、排気に対する還元剤の添加を停止させる添加停止手段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. 前記第１又は第２の異常判定が下されたときに、これ以外のときと比較してエンジンからのＮＯｘ排出量を低減させるＮＯｘ低減手段を更に含んで構成される請求項１〜７のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。
9. 前記第１又は第２の異常判定が下されたときに、これ以外のときとはアクセル操作に対するエンジンの出力特性を異ならせ、エンジンの出力を制限する出力制限手段を更に含んで構成される請求項１〜８のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。
10. 前記第１又は第２の異常判定が下されたときに、その異常の発生を運転者に認識させるための警告手段を更に含んで構成される請求項１〜９のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。
11. 前記濃度検出手段により検出された濃度に基づいて排気に対する還元剤添加量を制御する添加制御手段を更に含んで構成される請求項１〜１０のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。
12. 前記濃度検出手段は、前記タンク内に配置されるセンサ素子部と、このセンサ素子部と接続され、還元剤又は前駆体の濃度を算出するための所定の演算を実行する回路部とを含んで構成され、
    前記センサ素子部は、ヒータと、温度に応じて電気特性値が変化する性質を有し、前記水溶液に直接的又は間接的に接触するとともに、このヒータにより加熱される感温体とを含んで構成され、
    前記回路部は、前記ヒータを駆動するとともに、加熱された前記感温体の電気特性値を検出し、検出した電気特性値に基づいて還元剤又は前駆体の濃度を算出する請求項１〜１１のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。
13. 前記還元剤がアンモニアである請求項１〜１２のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。

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