JP3687916B2 - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

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。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を還元し、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としての尿素の水溶液を貯蔵しておき、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）。従来、このようなＳＣＲ装置は、定置式エンジンの排気浄化装置として主に採用されてきた。
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として採用することを検討している。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である。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）。本出願人は、尿素センサとしてこの感温型のものを採用することを検討している。

しかしながら、感温型尿素センサを車上で使用する場合は、定置状態で使用する場合とは異なり、次のことが問題となる。
第１に、自動車が走行する路面は、完全に平坦ではなく、凹凸がある。この凹凸上を自動車が走行するときは、車体が振動し、この振動が尿素水タンクにも伝わるため、タンク内で尿素水が振動し、攪拌される。攪拌されている状態で濃度を検出しようとすると、静止状態にある場合とは尿素水の伝熱特性が異なるため、実際のものとは異なる濃度が検出されてしまう。

第２に、自動車の走行環境及び走行状態は、常に一定ではない。自動車は、平坦路ばかりでなく、登坂路及び降坂路を走行することがあり、走行している傾斜路の勾配は、一定であるとは限らず、変化することがある。他方、平坦路走行中であっても加速及び減速が行われることがあり、加減速は、緩やかに行われることもあれば、急に行われることもある。このような走行環境等の変化によりタンク内の尿素水が揺らされる場合も、伝熱特性の違いにより濃度が誤って検出されてしまう。

本発明は、車両に搭載されるＳＣＲ装置において、的確な量の還元剤を排気に添加可能とするため、アンモニア等の還元剤又は尿素等の還元剤前駆体の水溶液に含まれる還元剤又は前駆体の濃度を正確に検出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、排気にＮＯｘの還元剤を添加して、排気中のＮＯｘの還元を促すものであり、自動車用エンジンの排気浄化装置として好適に採用することができる。ＮＯｘの還元剤には、アンモニアを使用することができ、還元剤又はその前駆体を水溶液の状態でタンクに貯蔵する。前駆体には、尿素を使用することができる。タンクに貯蔵されている還元剤又は前駆体水溶液に含まれる還元剤又は前駆体の濃度を検出し、好ましくは、検出した濃度を還元剤の添加量の制御に反映させる。タンク内で還元剤又は前駆体水溶液が静止状態にあるか否かを判定し、還元剤水溶液等が静止状態にあると判定されたときにのみ、濃度を検出することとする。具体的には、車両が停止しているか否かを判定するとともに、車両が停止した後の経過時間を測定し、車両が停止していると判定され、かつ停止後の経過時間が所定の時間に達しているときにのみ、濃度を検出することとする。

本発明では、タンク内で還元剤又は前駆体水溶液が静止状態（これに近い、実質的な静止状態を含むものとする。）にあるとき、例えば、車両が停止しており、かつ停止してから所定の時間が経過しているときにのみ、還元剤又は前駆体の濃度を検出することとした。このため、路面の凹凸や、走行環境等の変化により還元剤水溶液等が揺らされているときを外して濃度を検出することとなるので、設定通りの伝熱特性のもと、正確な濃度を検出することができる。

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、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の還元反応にとって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、浄化する。ＮＯｘの還元を促すため、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、アンモニア前駆体としての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、還元触媒上でＮＯｘの還元剤として作用し、ＮＯｘの還元を促進させる。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。
前掲特開２００１−２２８００４号公報（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、本実施形態では、尿素センサ７４が、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が空であ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の構成を詳細に説明する。
図４は、ＳＣＲ−Ｃ／Ｕ６１の構成を機能ブロックにより示している。
車両停止判定部Ｂ１０１は、エンジンＣ／Ｕ５１から車速ＶＳＰを入力し、入力したＶＳＰに基づいて車両が停止したか否かを判定する。
停止時間測定部Ｂ１０２は、車両停止判定部Ｂ１０１の判定結果を受け、車両が停止した後の経過時間ＴＩＭを測定する。

検出許可部Ｂ１０３は、後述する減速度演算部Ｂ１０４から停止前の車両の減速度ＤＣＬを入力し、入力したＤＣＬに応じた静止時間ＴＩＭ１を設定する。この静止時間ＴＩＭ１は、車両が停止した後、タンク４１に貯蔵されている尿素水の揺れが収まり、尿素水が静止するのに必要な時間に設定する。経過時間ＴＩＭと設定したＴＩＭ１とを比較し、経過時間ＴＩＭが静止時間ＴＩＭ１に達した時点で許可判定を、その時点までは禁止判定を下す。また、後述する始動判定部Ｂ１０５の判定結果を受け、エンジン１の始動時にも許可判定を下す。エンジン１の始動時は、前回に車両が停止したときから相当の時間が経過していると判断することができ、尿素水が静止している蓋然性が高いためである。判定結果は、尿素センサ７４に出力される。尿素センサ７４では、検出許可部Ｂ１０３の許可判定を受けて回路部７４２が作動し、濃度Ｄｎが検出される。

減速度演算部Ｂ１０４は、エンジンＣ／Ｕ５１から入力した車速ＶＳＰをもとに、停止前の車両の減速度ＤＣＬを演算する。具体的には、エンジン回転数Ｎｅにより減速状態に入ったことが検知された場合に、車速ＶＳＰの単位時間当たりの変化量を演算し、算出した変化量を減速度ＤＣＬに設定する。
始動判定部Ｂ１０５は、エンジンＣ／Ｕ５１からスタートスイッチ信号ＳＷｓｔｒを入力し、入力したＳＷｓｔｒによりエンジン１の始動時であるか否かを判定する。

濃度検出部Ｂ１０６は、尿素センサ７４により検出された濃度Ｄｎを読み込む。前述の通り、濃度Ｄｎの検出は、ヒータ層に通電し、加熱された第１の測温抵抗層及び直接的には加熱されていない第２の測温抵抗層の各抵抗値Ｒｎ１，Ｒｎ２を検出し、検出したＲｎ１，Ｒｎ２に応じた測温抵抗層間の温度差ΔＴｍｐ１２として検出される。濃度Ｄｎの検出は、検出許可部Ｂ１０３により許可判定が下されたときにのみ、行われる。

濃度更新部Ｂ１０７は、濃度検出部Ｂ１０６から濃度Ｄｎを読み込み、読み込んだＤｎにより記憶している濃度（以下「濃度記憶値」という。）Ｄを更新する。まず、読み込んだＤｎが正常を示す所定の範囲内にある場合に、その濃度Ｄｎで濃度記憶値Ｄを更新する（Ｄ＝Ｄｎ）。また、読み込んだＤｎがこの所定の範囲外にある場合にも、その濃度Ｄｎで濃度記憶値Ｄを更新するが、この場合は、所定の範囲外のものとして検出された濃度Ｄｎが正確なものであることを次のように判別したうえで更新する。

異常回数算出部Ｂ１０８は、所定の範囲外の濃度Ｄｎが検出されるたびにカウント値ＣＮＴを１ずつカウントアップし、所定の範囲内の正常な濃度Ｄｎが検出されたときは、ＣＮＴを０にリセットする。そして、濃度更新部Ｂ１０７に対し、カウント値ＣＮＴが所定の値ＣＮＴ１未満であるときは現在記憶されている濃度Ｄｎ−１を、ＣＮＴがＣＮＴ１に達したときは新たに検出された濃度Ｄｎが正確なものであるとして、この濃度Ｄｎを出力する。濃度記憶値Ｄ及びカウント値ＣＮＴは、イグニッションスイッチがオフされているときも保持される。

濃度記憶値Ｄは、濃度更新部Ｂ１０７からエンジンＣ／Ｕ５１に出力され、排気浄化装置との協働によりＮＯｘの放出を最小限に抑えるための制御が行われる。また、濃度記憶値Ｄが過度に低いときは、警告灯Ｂ１１０を作動させ、良好なＮＯｘの浄化作用が期待し得ないことを運転者に知らせる。
残量判定部Ｂ１０９は、尿素水（濃度Ｄが０のものを含む。）を媒体としたときの伝熱特性と、タンク４１が空になったときの、空気を媒体としたときの伝熱特性との違いに着目し、尿素センサ７４により過度に大きな温度差ΔＴｍｐ１２が検出されたときに、タンク４１が空であることを示す信号をエンジンＣ／Ｕ５１に出力するとともに、警告灯Ｂ１１０を作動させる。

警告灯Ｂ１１０は、運転室のコントロールパネルに設置される。
次に、ＳＣＲ−Ｃ／Ｕ６１の動作をフローチャートにより説明する。
図５，６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たときに起動され、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。１でないときは、Ｓ１０４へ進む。

Ｓ１０３では、許可判定フラグＦｄｔｃを１に設定し、許可判定を下す。
Ｓ１０４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）。
Ｓ１０５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、Ｓ１０６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Ｓ１０９へ進む。

Ｓ１０６では、タンク４１に貯蔵されている尿素水が静止しているか否かを判定（以下「静止判定」という。）し、判定結果に応じた静止判定フラグＦｓｔｂを設定する。静止判定の内容は、後に図６を参照して説明する。
Ｓ１０７では、静止判定フラグＦｓｔｂが１であるか否かを判定する。静止判定フラグＦｓｔｂは、静止判定により尿素水が静止していると判定されたときは１に、それ以外のときは０に設定される。１であるときは、次のＳ１０８の処理を行った後、Ｓ１０３へ進み、１でないときは、Ｓ１０９へ進む。

Ｓ１０８では、検出インターバルＩＮＴを０に設定する。
Ｓ１０９では、許可判定フラグＦｄｔｃを０に設定し、禁止判定を下す。
図６に示すフローチャートにおいて、Ｓ２０１では、このルーチンを前回に実行した際に読み込んだ静止判定フラグＦｓｔｂ（ｎ−１）が１であるか否かを判定する。１であるときは、Ｓ２０９へ進み、静止判定フラグＦｓｔｂを０に設定する。一方、１でないときは、Ｓ２０２へ進む。

Ｓ２０２では、エンジン回転数Ｎｅを読み込む。
Ｓ２０３では、読み込んだＮｅが所定の値Ｎｅ１以下であるか否かを判定する。所定の値Ｎｅ１は、減速状態を示す回転数領域の上限値に相当し、本実施形態では、アイドル域と有負荷域とを隔てる、負荷に応じたアイドル判定回転数に設定する。
Ｓ２０４では、車速ＶＳＰを読み込む。

Ｓ２０５では、読み込んだＶＳＰをもとに、車速ＶＳＰの単位時間当たりの変化量として減速度ＤＣＬを演算する。
Ｓ２０６では、静止時間ＴＩＭ１を設定する。静止時間ＴＩＭ１は、減速度ＤＣＬに応じた長さに設定する。例えば、減速状態に入ってから車両が停止するまでに算出した減速度ＤＣＬのうち、最も大きいものを特定し、この最大減速度ＤＣＬｍａｘが大きいときほど、停止時における尿素水の揺れが大きいとして、静止時間ＴＩＭ１を延長する。

Ｓ２０７では、車速ＶＳＰが所定の値ＶＳＰ１以下であるか否かを判定する。ＶＳＰ１以下であるときは、Ｓ２１０へ進み、ＶＳＰ１よりも大きいときは、Ｓ２０８へ進む。所定の値ＶＳＰ１は、０に限らず、実質的に停止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。完全には停止していなくとも、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。

Ｓ２０８では、経過時間ＴＩＭを０に設定する。
Ｓ２０９では、静止判定フラグＦｓｔｂを０に設定する。
Ｓ２１０では、経過時間ＴＩＭを１だけカウントアップする。
Ｓ２１１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、Ｓ２１２へ進み、ＴＩＭ１に達していないときは、Ｓ２０９へ進む。

Ｓ２１２では、静止判定フラグＦｓｔｂを１に設定し、尿素水が静止したとの判定を下す。
図７は、濃度検出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、静止判定フラグＦｓｔｂ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、濃度記憶値Ｄが更新される。

Ｓ３０１では、静止判定フラグＦｓｔｂを読み込み、読み込んだＦｓｔｂ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体間の温度差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内にあるか否かを判定する。この所定の範囲内にあるときは、Ｓ３１０へ進み、この所定の範囲内にないときは、Ｓ３０５へ進む。
Ｓ３０５では、温度差ΔＴｍｐ１２を読み込み、読み込んだΔＴｍｐ１２が所定の値ＳＬ１以上であるか否かを判定する。ＳＬ１以上であるときは、Ｓ３１１へ進み、ＳＬ１未満であるときは、Ｓ３０６へ進む。所定の値ＳＬ１は、尿素センサ７４が尿素水中にある状態で得られる温度差ΔＴｍｐ１２と、尿素センサ７４が空気中にある状態で得られる温度差ΔＴｍｐ１２との中間値に設定する。

Ｓ３０６では、カウント値ＣＮＴを１だけカウントアップする。
Ｓ３０７では、カウントアップ後のＣＮＴが所定の値ＣＮＴ１に達したか否かを判定する。ＣＮＴ１に達したときは、Ｓ３０８へ進み、ＣＮＴ１に達していないときは、Ｓ３０９へ進む。
Ｓ３０８では、第１及び第２の値Ｄ１，Ｄ２により定められる所定の範囲を外れた濃度Ｄｎが所定の数ＣＮＴ１だけ連続して検出されており、新たに検出された濃度Ｄｎが所定の範囲外ではあるものの、充分な信頼性を持つものであると判断して、濃度記憶値Ｄをその新たに検出された濃度Ｄｎにより更新する。

Ｓ３０９では、新たに検出された所定の範囲外の濃度Ｄｎが充分な信頼性を持たず、偶発的な誤検出の可能性があるとして、現在記憶されている濃度Ｄ（＝Ｄｎ−１）を引き続き濃度記憶値Ｄとして維持する。
Ｓ３１０では、検出したＤｎが所定の範囲内にあり、正常なものであるとして、濃度記憶値Ｄをその濃度Ｄｎにより更新する。

Ｓ３１１では、タンク４１が空であるとの判定を下し、そのことを示す信号をエンジンＣ／Ｕ５１に出力するとともに、警告灯を作動させる。
Ｓ３１２では、カウント値ＣＮＴを０に設定する。
図８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たときに実行される。

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、濃度検出ルーチン（Ｓ３０６）や、次に述べる尿素水噴射制御ルーチン（Ｓ５０１）で読み込まれる。本実施形態では、この演算情報として、濃度記憶値Ｄ及びカウント値ＣＮＴを書き込む。

次に、濃度記憶値Ｄを利用した尿素水噴射制御の一例を、図９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、濃度記憶値Ｄを読み込む。
Ｓ５０２では、残量判定の結果を読み込み、タンク４１が空であるときは、Ｓ５０７へ進み、空でないときは、Ｓ５０３へ進む。

Ｓ５０３では、濃度記憶値Ｄが所定の値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、Ｓ５０４へ進み、Ｄ３以下であるときは、Ｓ５０６へ進む。所定の値Ｄ３は、尿素水が水又はそれに近い希薄な状態にあるか、あるいは水及び尿素水とは異なる異種水溶液がタンク４１に貯蔵されている場合に検出され得る濃度として、第１の値Ｄ１よりも小さな値に設定する。なお、所定の値Ｄ３は、第１の値Ｄ１と等しい値に設定してもよい。

Ｓ５０４では、尿素水噴射量を設定する。尿素水噴射量の設定は、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記憶値Ｄにより補正することにより行う。濃度記憶値Ｄ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、濃度記憶値Ｄ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、警告灯を作動させ、尿素水の異常状態を運転者に知らせる。
Ｓ５０７では、尿素水の噴射を停止させる。タンク４１が空であるときは勿論、尿素の濃度が極めて低いときや、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。

本実施形態に関し、尿素センサ７４（センサ素子部７４１及び回路部７４２）が濃度検出手段としての機能を備える。また、ＳＣＲ−Ｃ／Ｕ６１が行う処理のうち、図６のＳ２０７が停止判定手段としての機能に、図６のＳ２０８及び２１０が停止時間測定手段としての機能に、図６のＳ２０６，２０９，２１１及び２１２の機能が検出許可手段としての機能に、図７のＳ３０８〜３１０が濃度記憶手段としての機能に、図９のＳ５０６が警告手段としての機能に、図６のＳ２０５が減速度検出手段としての機能に、図９のＳ５０４及び５０７が添加量制御手段としての機能に、図７のＳ３０５が残量判定手段としての機能に相当する。

本発明によれば、次のような効果を得ることができる。
第１に、感温型尿素センサ７４により尿素の濃度を検出する場合に、車両が停止しており、かつ停止してから静止時間ＴＩＭ１が経過している場合にのみ、濃度を検出することとした。このため、タンク４１内で尿素水が静止している蓋然性が高いときにのみ、濃度の検出を行い、それ以外のときは、濃度の検出を行わないこととなるので、路面の凹凸や、走行環境等の変化による伝熱特性のばらつきをなくし、正確な濃度を検出することができる。

第２に、停止前の車両の減速度ＤＣＬを検出し、検出したＤＣＬに応じて静止時間ＴＩＭ１を変更することとした。このため、停止後、尿素水を充分に安定させてから濃度を検出することが可能となるので、検出精度を向上させることができる。
第３に、検出された濃度Ｄｎが正常を示す所定の範囲にあるときは、濃度記憶値Ｄをその濃度Ｄｎにより更新することとするが、検出された濃度Ｄｎがこの所定の範囲外にあるときは、そのよう異常な濃度が所定の数ＣＮＴ１以上、かつ連続して検出されたことを条件に、濃度記憶値Ｄをその濃度Ｄｎにより更新することとした。このため、偶発的に検出されたに過ぎない、誤った濃度Ｄｎにより濃度記憶値Ｄが更新されることを防止し、濃度記憶値Ｄの信頼性を高めることができる。

第４に、濃度記憶値Ｄに基づいて尿素水噴射量を制御することとしたので、ＮＯｘの還元を良好に行わせるのに必要な量の尿素水を、確実に噴射させることができる。
なお、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。

また、以上では、所定の範囲外の濃度Ｄｎが検出された場合に、濃度記憶値Ｄの更新の条件として、現在までに連続して検出された所定の数の濃度Ｄｎが、そのような異常な濃度であることを判定することとした。更新の条件として、このような判定に代え、現在までに連続して検出された所定の数の濃度Ｄｎを合計し、その合計値が所定の範囲内にないことを採用することで、異常な濃度の信頼性を判別することもできる。

また、以上では、バックアップメモリーに書き込む演算情報として、濃度記憶値Ｄ及びカウント値ＣＮＴを採用した。Ｓ３０５で行われる残量判定や、Ｓ５０３で行われる異常判定の結果を、例えば、識別フラグとして記憶し、濃度記憶値Ｄ等とともにこの識別フラグを書き込むことで、各判定結果がエンジン停止中も保持されるようにしてもよい。

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 ＳＣＲ−Ｃ／Ｕの構成 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

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 (17)

1. エンジンの排気にＮＯｘの還元剤を添加して、排気中のＮＯｘの還元を促す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の水溶液を貯蔵するタンクと、
   タンクに貯蔵されている還元剤又は前駆体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、
   タンク内で還元剤又は前駆体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と、
   還元剤又は前駆体水溶液が静止状態にあると判定されたときに、濃度検出手段による濃度の検出を許可し、それ以外のときに、濃度検出手段による濃度の検出を禁止する検出許可手段と、を含んで構成され、
   濃度検出手段は、静止判定手段により濃度の検出が許可されたときにのみ、濃度を検出するエンジンの排気浄化装置。
2. エンジンの排気にＮＯｘの還元剤を添加して、排気中のＮＯｘの還元を促す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の水溶液を貯蔵するタンクと、
   タンクに貯蔵されている還元剤又は前駆体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、
   車両が停止しているか否かを判定する停止判定手段と、
   車両が停止していると判定されたときに、停止後の経過時間を測定する停止時間測定手段と、
   車両が停止していると判定され、かつ停止後の経過時間が所定の時間に達しているときに、濃度検出手段による濃度の検出を許可し、それ以外のときに、濃度検出手段による濃度の検出を禁止する検出許可手段と、を含んで構成され、
   濃度検出手段は、検出許可手段により濃度の検出が許可されたときにのみ、濃度を検出するエンジンの排気浄化装置。
3. 濃度検出手段により検出された濃度を濃度記憶値として記憶する濃度記憶手段を更に含んで構成され、
   濃度記憶手段は、検出された濃度が所定の範囲内にあるときにのみ、その濃度により濃度記憶値を更新する請求項２に記載のエンジンの排気浄化装置。
4. 濃度検出手段により検出された濃度を濃度記憶値として記憶する濃度記憶手段を更に含んで構成され、
   濃度記憶手段は、検出された濃度が所定の範囲内にあるときに、その濃度により濃度記憶値を更新する一方、検出された濃度が所定の範囲外にあるときは、現在までに検出された所定の数の濃度のうち、所定の割合のものがその範囲外にあることを条件に、その濃度により濃度記憶値を更新する請求項２に記載のエンジンの排気浄化装置。
5. 前記所定の数の濃度に、前回のエンジン停止前に検出された濃度が含まれる請求項４に記載のエンジンの排気浄化装置。
6. 所定の範囲外の濃度により濃度記憶値が更新されるときに、運転者に濃度の異常を知らせる警告手段を更に含んで構成される請求項４又は５に記載のエンジンの排気浄化装置。
7. 停止前における車両の減速度を検出する減速度検出手段を更に含んで構成され、
   検出許可手段は、検出された車両の減速度に応じて前記所定の時間を変更する請求項２〜６のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。
8. 検出許可手段は、検出された車両の減速度が大きいときほど、前記所定の時間を延長する請求項７に記載のエンジンの排気浄化装置。
9. 検出許可手段は、エンジンの始動時に濃度の検出を許可する請求項２〜８のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。
10. 濃度検出手段により検出された濃度をもとに、排気への還元剤の添加量を制御する添加量制御手段を更に含んで構成される請求項２〜９のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。
11. 濃度検出手段は、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た回路部とを含んで構成され、
    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、タンク内の還元剤又は前駆体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、
    回路部は、ヒータを駆動するとともに、加熱された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検出する請求項２〜１０に記載のエンジンの排気浄化装置。
12. 回路部により検出された電気特性値をもとに、タンクに所定の量以上の還元剤又は前駆体水溶液が残されているか否かを判定する残量判定手段を更に含んで構成される請求項１１に記載のエンジンの排気浄化装置。
13. ＮＯｘの還元剤がアンモニアである請求項２〜１２のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。
14. タンクが前駆体水溶液としての尿素水を貯蔵する請求項１３に記載のエンジンの排気浄化装置。
15. 車両用エンジンに設けられる請求項２〜１４のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。
16. エンジンの排気にＮＯｘの還元剤を添加して、排気中のＮＯｘの還元を促す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の水溶液を貯蔵するタンクと、
    タンクに貯蔵されている還元剤又は前駆体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、
    タンク内で還元剤又は前駆体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と、
    還元剤又は前駆体水溶液が静止状態にあると判定されたときに濃度検出手段により検出された還元剤又は前駆体水溶液の濃度をもとに、排気への還元剤の添加量を制御する添加量制御手段と、を含んで構成されるエンジンの排気浄化装置。
17. 車両用エンジンに設けられ、
    ＮＯｘの還元剤又はその前駆体の水溶液を貯蔵するタンクと、
    排気通路に設置され、タンクに貯蔵されている還元剤又は前駆体水溶液を噴射する噴射ノズルと、
    タンクに貯蔵されている還元剤又は前駆体水溶液に含まれる還元剤又は前駆体の濃度を検出するセンサと、
    センサの動作を制御する第１のコントローラと、
    センサにより検出された濃度をもとに、噴射ノズルの動作を制御する第２のコントローラと、を含んで構成され、
    センサは、ヒータと、このヒータにより加熱され、温度に応じて電気特性値が変化する感温体と、一側でこの感温体と接続され、他側でタンク内に露出させて設けられる伝熱体と、ヒータ及び感温体と接続された回路部とを含んで構成され、
    第１のコントローラは、濃度の検出に際し、タンク内で還元剤又は前駆体水溶液が静止状態にあるか否かを判定し、
    回路部は、ヒータを駆動するとともに、加熱された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演算する一連の動作により濃度を検出するものであり、第１のコントローラにより還元剤又は前駆体水溶液が静止状態にあると判定されたときにのみ、濃度を検出するエンジンの排気浄化装置。

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