JP5152912B2 - タンク内センサの合理性診断方法及び合理性診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、タンク内センサの合理性診断方法及び合理性診断装置に関する。特に、複数のセンサのセンサ値をもとに、いずれかのセンサの合理性が低下していないかを診断するタンク内センサの合理性診断方法及び合理性診断装置に関する。

ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排気ガス中には、環境に影響を及ぼすおそれのある窒素酸化物（ＮＯ_X）が含まれている。従来、このＮＯ_Xを浄化するために用いられる排気浄化装置の一態様として、排気通路中に選択還元触媒を配設し、この選択還元触媒中で還元剤を用いてＮＯ_Xの還元浄化を行うＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システムが知られている。このＳＣＲシステムは、還元剤としての尿素溶液や未燃燃料（ＨＣ）等を選択還元触媒の上流側の排気通路中に供給し、流入してくる排気ガス中のＮＯ_Xを選択還元触媒中で選択的に還元浄化するものである。

また、選択還元触媒を用いるＳＣＲシステム以外にも、排気ガスの空燃比がリーンの状態で排気ガス中のＮＯ_Xを吸蔵し、空燃比がリッチに切り換わるとＮＯ_Xを放出するとともに排気ガス中の未燃燃料を用いてＮＯ_Xの還元浄化を行うＮＯ_X吸蔵触媒を用いた排気浄化装置が知られている。この排気浄化装置の一態様として、ＮＯ_X吸蔵触媒の上流側に未燃燃料を直接添加する構成の排気浄化装置がある。

これらの排気浄化装置における尿素溶液や未燃燃料等を添加する装置として、代表的には、添加剤をポンプによって圧送し、排気管に接続されたインジェクタを介して排気通路中に添加剤を供給するインジェクション式の添加剤供給装置がある。また、尿素溶液を噴霧する装置には、混合室内で高圧エアを用いて尿素溶液をあらかじめ微粒化した上で、排気管に接続された噴射ノズルを介して排気通路中に尿素溶液を噴霧するエアアシスト式の還元剤供給装置もある。

このような添加剤供給装置では、尿素溶液や未燃燃料等の添加剤を貯蔵しておくタンクが備えられている。そして、添加剤の状態に異常がないかを監視するために、タンク内には、濃度センサ、液位センサ及び温度センサが備えられるようになっている。例えば、尿素溶液を還元剤として用いる還元剤供給装置において、貯蔵容器（タンク）に品質センサ（濃度センサ）、温度センサ、レベルセンサ（液位センサ）及びポンプからなる、尿素溶液を供給するためのアセンブリを備えた還元剤供給装置が開示されている（特許文献１参照）。

特表２００２−５２７６６０号 （請求項１２、段落［００３８］）

ところで、現在、還元剤供給装置を搭載するにあたり、タンク内に備えられる各センサの信頼性を確認するために、各センサの合理性の診断を行うことが義務づけられ始めている。これは、いずれかのセンサの合理性が失われていると、還元剤の実添加量が排気ガスの還元浄化に必要とされる還元剤の目標添加量に対して過不足を生じ、還元剤の不足時にはＮＯ_Xが大気中に放出され、還元剤が過剰時にはアンモニアや炭化水素が大気中に放出されるおそれがあるからである。そのため、タンク内に備えられたすべてのセンサの合理性が保たれているかを正確に診断することができる合理性診断方法が望まれている。

そこで、本発明の発明者は鋭意努力し、タンク内センサの合理性診断方法において、各センサのセンサ値に矛盾が生じていないかを判定することにより各センサの合理性診断を行うことによってこのような問題を解決できることを見出し、本発明を完成させたものである。すなわち、本発明は、すべてのセンサの合理性が保たれているかの診断を、正確に、かつ、容易に行うことができるタンク内センサの合理性診断方法及び合理性診断装置を提供することを目的とする。

本発明によれば、液体を貯蔵するためのタンク内に備えられた濃度センサ、液位センサ及び温度センサの合理性診断を行うためのタンク内センサの合理性診断方法であって、濃度センサ及び液位センサのそれぞれのセンサ値をもとに、液体がそれぞれ凍結、液化、不足のうちのどの状態にあるべきかの判別を行うとともに、温度センサのセンサ値をもとに、液体が凍結、液状のいずれの状態にあるべきかの判別を行い、各液体の状態に矛盾が生じていないかを判定することによって、濃度センサ、液位センサ及び温度センサのうちのいずれかのセンサの合理性が失われていないかを診断することを特徴とするタンク内センサの合理性診断方法が提供され、上述した問題を解決することができる。

また、本発明のタンク内センサの合理性診断方法を実施するにあたり、濃度センサのセンサ値をもとに得られる熱伝導率の値をもとにして、合理性診断を行うことが好ましい。

また、本発明のタンク内センサの合理性診断方法を実施するにあたり、液位センサのセンサ値をもとに得られる比誘電率の値をもとにして、合理性診断を行うことが好ましい。

また、本発明の別の態様は、液体を貯蔵するためのタンク内に備えられた濃度センサ、液位センサ及び温度センサの合理性診断を行うためのタンク内センサの合理性診断装置であって、濃度センサのセンサ値をもとに液体が凍結、液化、不足のうちのどの状態にあるべきかを示す第１の信号と、液位センサのセンサ値をもとに液体が凍結、液化、不足のうちのどの状態にあるべきかを示す第２の信号と、温度センサのセンサ値をもとに液体が凍結、液状のいずれの状態にあるべきかを示す第３の信号と、を相互に比較し、液体の状態に矛盾が生じていないかを判定することによって、濃度センサ、液位センサ及び温度センサのうちのいずれかのセンサの合理性が失われていないかを診断する合理性判定部を備えることを特徴とするタンク内センサの合理性診断装置である。

本発明のタンク内センサの合理性診断方法及び合理性診断装置によれば、濃度センサ、液位センサ、温度センサの各センサ値を相互に比較し、互いのセンサ値に矛盾が生じていないかを判定することによって、いずれかのセンサの合理性が失われていないかを正確に、かつ、容易に判定することができる。特に、各センサ値をもとにタンク内の液体の状態を判別し、その液体の状態に矛盾が生じていないかを判定することによって、より正確にタンク内センサの合理性診断を行うことができる。
したがって、センサの修理、交換を迅速に行うことができ、タンク内に貯蔵された液体の状態を正確に把握することができる。

以下、図面を参照して、本発明のタンク内センサの合理性診断方法及び合理性診断装置に関する実施の形態について具体的に説明する。ただし、かかる実施形態は本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の範囲内で任意に変更することが可能である。
なお、それぞれの図中、同じ符号を付してあるものについては同一の部材を示しており、適宜説明が省略されている。

［第１の実施の形態］
１．排気浄化装置
図１は、第１の実施の形態にかかるタンク内センサ５４の合理性診断装置が備えられた内燃機関５の排気浄化装置（以下、単に「排気浄化装置」と称する場合がある。）１０の構成例を示している。この排気浄化装置１０は、還元剤としての尿素水溶液を、排気通路の途中に配設された還元触媒１３の上流側に噴射供給し、還元触媒１３において排気ガス中に含まれるＮＯ_Xを選択的に還元浄化する排気浄化装置１０である。当該排気浄化装置１０は、内燃機関５に接続された排気管１１の途中に配設され、排気ガス中に含まれるＮＯ_Xを選択的に還元するための還元触媒１３と、還元触媒１３の上流側で排気管１１内に尿素水溶液を噴射供給するための還元剤供給装置２０とを主たる要素として備えている。

２．還元剤供給装置
排気浄化装置１０に備えられた還元剤供給装置２０は、還元触媒１３の上流側で排気管１１に固定された還元剤噴射弁３１と、尿素水溶液が貯蔵されたタンク５０と、タンク５０内の尿素水溶液を還元剤噴射弁３１に対して圧送するポンプ４１を含むポンプモジュール４０と、排気管１１内に噴射供給する還元剤の噴射制御を行うための制御装置（以下、「ＤＣＵ：Dosing Control Unit」と称する。）６０を備えている。また、ポンプモジュール４０と還元剤噴射弁３１とは第１の供給通路５８によって接続され、タンク５０とポンプモジュール４０とは第２の供給通路５７によって接続され、さらに、ポンプモジュール４０とタンク５０とは循環通路５９によって接続されている。

排気浄化装置１０に備えられた還元剤供給装置２０においては、ＤＣＵ６０はＣＡＮ６５に接続されている。このＣＡＮ６５には、内燃機関の運転状態を制御するためのコントロールユニット（以下、「ＥＣＵ（Electrical Control Unit）」と称する。）７０が接続されており、排気浄化装置１０に備えられたセンサ情報をはじめとして、燃料噴射量や噴射タイミング、回転数等の内燃機関の運転状態に関する情報が書き込まれるようになっている。そして、ＣＡＮ６５に接続されたＤＣＵ６０は、ＣＡＮ６５上の情報を読み込み、また、ＣＡＮ６５上に情報を出力できるようになっている。
なお、本実施形態では、ＥＣＵ７０とＤＣＵ６０とが別のコントロールユニットからなり、ＣＡＮ６５を介して情報のやり取りができるようにされているが、これらのＥＣＵ７０とＤＣＵ６０とを一つのコントロールユニットとして構成しても構わない。

還元剤供給装置２０は、タンク５０内の尿素水溶液をポンプ４１によって還元剤噴射弁３１に向けて圧送し、第１の供給通路５８内の圧力を検知しながらポンプ４１のフィードバック制御を行うとともに、余剰の尿素水溶液を循環通路５９を介してタンク５０に戻すことによって、第１の供給通路５８内の圧力が所定値に維持されるようになっている。この状態で還元剤噴射弁操作装置（図１では「Udv操作装置」と表記。）６７によって還元剤噴射弁３１の開閉操作を行うことで、所定量の尿素水溶液が排気通路中に噴射される。この還元剤噴射弁操作装置６７は、ＤＣＵ６０から送信される還元剤の噴射指示値に基づいて、還元剤噴射弁３１の通電制御を行うようになっている。

還元剤噴射弁３１には、内燃機関５の冷却水通路７５から分岐して再び冷却水通路７５に合流する第１の冷却水循環通路８５の一部が配設されている。この第１の冷却水循環通路８５の途中には第１の冷却水流量制御弁８１が設けられ、第１の冷却水流量制御弁８１によって冷却水の循環量を調節することによって、還元剤噴射弁３１の冷却が行われるようになっている。

また、第１の冷却水循環通路８５には、第１の冷却水循環通路８５から分岐して再び第１の冷却水循環通路８５に合流する第２の冷却水循環通路８７が接続されている。この第２の冷却水循環通路８７の一部はタンク５０に配設されるとともに、途中には第２の冷却水流量制御弁８３が設けられており、第２の冷却水流量制御弁８３によって冷却水の循環量を調節することによって、タンク５０内の尿素水溶液の温度が調節されるようになっている。この場合、内燃機関５の冷却水は尿素水溶液の冷却に用いられるだけでなく、凍結時における尿素水溶液の解凍や冷寒時における保温に用いられる。

また、ポンプモジュール４０にはリバーティングバルブ７１が備えられ、還元剤供給装置２０が尿素水溶液の噴射制御を行わない場合等において、ポンプモジュール４０や還元剤噴射弁３１、第１の供給通路５８、第２の供給通路５７等を含む還元剤供給系の尿素水溶液がタンク５０に回収できるようになっている。したがって、冷寒時等、尿素水溶液が凍結しやすい温度条件下において、内燃機関５を停止させ、還元剤供給装置２０の制御を行わないような場合に、還元剤供給系内での尿素水溶液の凍結が防止される。そして、その後内燃機関の運転を再開したときに、詰まりによる噴射不良がないようにされている。
このリバーティングバルブ７１は、例えば、尿素水溶液の流路を、タンク５０からポンプモジュール４０へ向かう順方向から、ポンプモジュール４０からタンク５０へ向かう逆方向に切り替える機能を持った切換弁であり、内燃機関のイグニッションスイッチをオフにしたときに、流路を逆方向に切り換えることにより尿素水溶液をタンク５０内に回収することができる。

３．タンク内センサ
（１）センサユニット
本実施形態において、タンク５０には、濃度センサ、液位センサ及び温度センサの機能を併せ持ったセンサユニット５４が備えられている。このセンサユニット５４は、タンク５０内の尿素水溶液の濃度を測定するための濃度センサ部と、タンク５０内の尿素水溶液の残量を測定するための液位センサ部と、タンク５０内の尿素水溶液の温度を測定するための温度センサ部とを備えている。センサユニット５４の各センサ部によって検出されるセンサ値は、タンク５０内の尿素水溶液の濃度、残量及び温度に関連する情報を表す信号として出力されるようになっている。

このセンサユニット５４は、尿素水溶液がタンク５０内に正常な状態で収容されているかを監視するために備えられたものである。
例えば、尿素水溶液の噴射量を決定する際には尿素水溶液が所定範囲内の濃度に保たれていることが前提とされており、タンク内の尿素水溶液の濃度が所定範囲を超えていたり下回ったりしていると、加水分解により生成されるアンモニア量に過不足を生じるおそれがある。そのため、尿素水溶液の濃度が所定範囲内に保たれているかを監視するために濃度センサ部が備えられている。

また、尿素水溶液の残量が不足していたり尿素水溶液が凍結していたりすると、ＤＣＵ６０で決定される量の尿素水溶液を正確に噴射できなくなるおそれがある。そのため、尿素水溶液の残量が所定値以上確保され、また、尿素水溶液が凍結温度よりも高温にされているかを監視するために液位センサ部及び温度センサ部が備えられている。
そして、例えば、尿素水溶液の濃度や液位に異常が見られる場合には、尿素水溶液の噴射制御を停止し、さらには、内燃機関を速やかに停止するよう警告信号を発したり、尿素水溶液の温度に異常が見られる場合には、上述したエンジン冷却水による尿素水溶液の温度制御を行ったりするように構成されている。

さらに、タンク５０内に、間違って尿素水溶液以外の液体が収容されていると、ＮＯ_Xの還元浄化を行うことができないばかりか、液体によっては、故障や事故を引き起こすおそれがある。間違って収容されやすい液体として代表的なものは、内燃機関の燃料である軽油である。そのため、タンク５０に備えられたセンサユニット５４の濃度センサ部は、タンク５０内の液体が尿素水溶液であるか、あるいは、軽油であるかについても判別するために用いられる。
センサユニット５４を構成する各センサ部は、公知のセンサの構成を用いているものであるが、以下、各センサ部によって媒体の濃度や液位、温度を測定する測定原理の一例を簡単に説明する。

（２）濃度センサ部
センサユニット５４の濃度センサ部は、液体に浸漬された濃度センサ素子に設けられた発熱抵抗体に所定の時間定電流を流して濃度センサ素子の周囲の媒体を加熱するとともに、所定時間の通電による発熱抵抗体の両端の電圧変化を検知して、液体の濃度を算出し出力するよう構成されたものである。
すなわち、通電開始直後に発熱抵抗体の抵抗値に対応して出力された電圧値Ｖ１と、所定時間経過後に発熱抵抗体の抵抗値に対応して出力された電圧値Ｖ２との差分ΔＶ（Ｖ２−Ｖ１）を、あらかじめ記憶したさまざまな濃度の尿素水溶液に対応するΔＶの値に照らして尿素水溶液の濃度が判別されて出力される。

また、濃度センサ部は、発熱抵抗体の両端の電圧変化ΔＶから、媒体の熱伝導率λを算出し、当該算出結果を出力するようになっている。例えば、尿素水溶液が液化している場合や、凍結している場合、タンク内が空になっている場合、タンク内に軽油が収容されている場合、それぞれ算出される熱伝導率λの値が異なるため、タンク内の媒体の状態に応じて異なる熱伝導率λの値が出力される。

媒体の熱伝導率λの算出方法に関し、媒体の温度勾配をgradTとすると、ΔＶ＝λ×gradTで表されることから、一例として、関係式λ＝ΔＶ／gradTを用いて媒体の熱伝導率λを算出することができる。このように算出される熱伝導率λの値を、あらかじめ記憶させておいた、空気、軽油、凍結した尿素水溶液、液化状態の尿素水溶液の各熱伝導率λの値に照らして、媒体の状態を判別することができる。
限定する主旨ではないが、一例として、空気の熱伝導率λair≒０．０２４１、軽油の熱伝導率λdiesel≒０．０７〜０．１７、凍結した３２．５％尿素水溶液の熱伝導率λureaice≒０．７５、液化した３２．５％尿素水溶液の熱伝導率λureawtr≒０．５７であることが一般的に知られている。

（３）液位センサ部
センサユニット５４の液位センサ部は、所定の高さに配置された一対の電極からなる検出部に所定の交流電圧を印加し、このときに流れる電流を変換して得られた電圧が所定値以上になっているか否かを検知することによって、媒体の残量を監視するように構成されたものである。すなわち、尿素水溶液の比誘電率は、空気や軽油、凍結した尿素水溶液の比誘電率よりも著しく高いことから、電極間に尿素水溶液が介在する場合には電極間に所定値以上の電圧が発生することを利用して、当該一対の電極が配置された高さ位置まで液体が存在しているか否かを検知して、出力するようになっている。
例えば、ある一定量以上の尿素水溶液がタンク内に残っているかを監視するのであれば、図２（ａ）に示すように一対の電極からなる検出部２５を一つだけ配置すればよいし、より細かく尿素水溶液の残量を把握したいのであれば、図２（ｂ）に示すようにそれぞれ一対の電極からなる複数の検出部２５ａ〜２５ｃを、それぞれ高さを異ならせて配置すればよい。

また、本実施形態の液位センサ部は、検出部が配置された高さまで尿素水溶液が存在しているか否かの結果のみならず、検出部に電圧を印加したときに発生した電圧値Ｖをすべて出力するようになっている。この電圧値Ｖは、後述するＤＣＵ６０の液位センサ値処理部において、一対の電極間に存在する媒体の比誘電率εを算出するために用いられる。

なお、本実施形態のセンサユニット５４の液位センサ部では、所定の高さ位置に配置された検出部によって、当該高さ位置まで液体が存在するか否かを検知する形式の液位センサが用いられているが、液体の残量に応じて連続的に変化する静電容量の値をもとにして、液体の残量を細かく検出する形式の液位センサを用いる場合については、第３の実施の形態で説明する。
また、一対の電極からなる検出部を、高さを異ならせて複数配置した液位センサ部の場合には、それぞれの検出部の電極間に発生した電圧値Ｖを互いに比較することによって、液位センサ部自身で合理性診断を行うことも可能であるが、本実施形態の液位センサ部のように、一つの検出部のみによって構成される液位センサの場合には、液位センサ部自身での合理性診断ができないために、本発明が特に有効となる。

（４）温度センサ部
センサユニット５４の温度センサ部は、液体に発熱抵抗体を浸漬させ、液体の温度に応じた発熱抵抗値を検知して、液体の温度ｔを算出して出力するようになっている。
なお、濃度センサ、液位センサ及び温度センサをセンサユニットとして構成する場合には、通常、各センサ部を構成する電極や発熱抵抗体等の一部を互いに共有化して構成することができる。

４．タンク内センサの合理性診断装置（ＤＣＵ）及び合理性診断方法
本実施形態においては、尿素水溶液の噴射制御を行うＤＣＵ６０が、センサユニット５４の合理性診断装置としての機能を有している。このＤＣＵ６０は、基本的には、適切な量の尿素水溶液が排気管１１中に供給されるように、ＣＡＮ６５上に存在する様々な情報をもとに還元剤噴射弁３１の動作制御を行う装置である。
具体的には、第１の供給経路５８内の還元剤の圧力に関する情報を継続的に読み込み、この圧力情報をもとにポンプ４１をフィードバック制御することにより第１の供給経路５８内の圧力をほぼ一定の値に維持するとともに、内燃機関から排出されるＮＯ_X量や還元触媒の温度等をもとにして尿素水溶液の噴射量を演算し、還元剤噴射弁３１の開閉制御を行うように構成されている。

上述したように、タンク５０内に備えられたセンサユニット５４は、噴射された尿素水溶液によって排気ガス中のＮＯ_Xの還元浄化が効率的に行われる状態にあるかを監視する重要な役割を担っているため、センサユニット５４の合理性が失われているおそれがある場合には速やかに交換する必要がある。そのため、図１に示す排気浄化装置１０に備えられたＤＣＵ６０には、センサユニットの合理性診断部（図１では「合理性診断」と表記。）が設けられている。

図３は、図１に示すＤＣＵ６０の合理性診断部に関する部分について機能的なブロックで表した構成例を示している。この合理性診断部は、ＣＡＮ情報取出生成部（図３では「CAN情報取出」と表記。）と、液位センサ値処理部（図３では「TnkLvl処理」と表記。）と、合理性判定部（図３では「合理性判定」と表記。）と、カウンタ等から構成されている。これらの各部は、具体的には、マイクロコンピュータ（図示せず。）によるプログラムの実行によって実現されるものである。

このうち、ＣＡＮ情報取出生成部は、センサユニット５４の各センサ部からの信号をはじめとする、ＣＡＮ６５上に存在する情報を受け取り、ＤＣＵ６０の他の部分に対して送信するようになっている。

液位センサ値処理部は、ＣＡＮ情報取出生成部から送信される液位センサ値としての電圧値Ｖをもとにして媒体の比誘電率εを算出し、当該比誘電率εの算出結果を合理性判定部に出力するようになっている。この液位センサ値処理部で算出される比誘電率εの値は、タンク内の媒体の状態によって異なるものである。

媒体の比誘電率εの算出方法に関し、静電容量をＣとして、電極面積をＳ、電極間の距離をｄとすると、Ｃ＝ε×Ｓ×ｄで表されることから、一例として、関係式ε＝Ｃ／Ｓ・ｄを用いて、媒体の比誘電率εを算出することができる。このうち、静電容量Ｃについては、あらかじめ格納された電圧値Ｖと静電容量Ｃとの関係を示すマップを参照して求められる。このように算出される比誘電率εの値を、あらかじめ記憶させておいた、空気の比誘電率εair、軽油の比誘電率εdiesel、凍結した尿素水溶液の比誘電率εureaice、液化状態の尿素水溶液の比誘電率εureawtrの各値に照らすことによって、媒体の状態を判別することができる。
なお、参考までに、空気の比誘電率εair≒１．０、軽油の比誘電率εdiesel≒１．８、凍結した水すなわち氷の比誘電率ε≒４．２、液体の水の比誘電率ε≒８０であることが一般的に知られている。

また、本実施形態の例では、センサユニット５４において、濃度センサ部のセンサ値をもとに媒体の熱伝導率λが算出され、温度センサ部のセンサ値をもとに媒体の温度ｔが算出されるようになっているため、ＤＣＵ６０には、濃度センサ値及び温度センサ値を処理する部分は備えられていない。
ただし、センサユニットに濃度センサ部のセンサ値をもとに媒体の熱伝導率λを算出する部分や、温度センサ部のセンサ値をもとに媒体の温度ｔを算出する部分を備えていない場合には、ＤＣＵ６０に、濃度センサ値処理部や温度センサ値処理部が備えられ、算出される熱伝導率λ及び温度ｔが合理性判定部に出力される。
ＤＣＵ６０の濃度センサ値処理部で媒体の熱伝導率λを算出する場合には、上述した濃度センサ部に備えられた熱伝導率λの算出ロジックが、濃度センサ値処理部に備えられる。

合理性判定部は、出力されてくる各情報ε、λ、ｔをもとに、タンクに備えられたセンサユニット５４の各センサ部のうちのいずれかのセンサ部の合理性が失われていないかの判定を行うようになっている。すなわち、算出された熱伝導率λの値及び比誘電率εの値をもとにして、それぞれ、タンクが空であるか、軽油が収容されているか、尿素水溶液が凍結しているか、尿素水溶液が液化状態であるかを判別することができ、温度ｔの値をもとにして、タンク内の媒体の温度が、尿素水溶液の凍結温度を超えているか、凍結温度以下であるかを判別することができる。したがって、合理性判定部では、主として媒体の熱伝導率λと比誘電率εとによって判別される媒体の状態に矛盾がないかを判定するとともに、尿素水溶液が凍結した状態又は尿素水溶液が液化した状態であると判別された場合には、さらに、尿素水溶液の状態と媒体の温度ｔとに矛盾がないかを判定する。

そして、各センサ値をもとに判別された媒体の状態及び媒体の温度に矛盾がなければ、合理性判定部は、センサユニット５４の各センサ部の合理性が確保されていると判定する。一方、各センサ値をもとに判別された媒体の状態及び媒体の温度に矛盾が生じているときには、合理性判定部は、各センサ部のうちのいずれかのセンサ部の合理性が失われていると判定する。

図４は、合理性判定部に入力される各情報ε、λ、ｔを相互に比較することによりセンサユニットの合理性を判定する合理性診断の具体例について説明するための対応表Ｍを表している。この対応表Ｍは、図３に示すＤＣＵ６０の合理性判定部に格納されており、各情報ε、λ、ｔの内容を当該対応表Ｍに照らし合わせて、センサユニット５４の各センサ部の合理性が確保されているかを判定するために用いられる。
図４の横の項目には、媒体の比誘電率εの値によって媒体の状態が項目分けされており、左側の縦の項目には、媒体の熱伝導率λの値によって媒体の状態が項目分けされており、右側の縦の項目には、濃度センサ部の媒体の状態ごとに、検出された温度ｔが尿素水溶液の凍結温度である−１１℃を超えるか−１１℃以下であるかが項目分けされている。

図４の対応表Ｍでは、空気の熱伝導率λair、軽油の熱伝導率λdiesel、凍結状態の尿素水溶液の熱伝導率λureaice、液化状態の尿素水溶液の熱伝導率λureawtr、空気の比誘電率εair、軽油の比誘電率εdiesel、凍結状態の尿素水溶液の比誘電率εureaice、液化状態の尿素水溶液の比誘電率εureawtrは、それぞれ公知の値に基づいて、あるいは、あらかじめ実験等によって求められた値が設定されている。

そして、濃度センサ部のセンサ値をもとに算出される熱伝導率λによって判別される媒体の状態と、液位センサ部のセンサ値をもとに算出される比誘電率εによって判別される媒体の状態とに矛盾がある場合にはセンサユニットの合理性が失われているものと判定される（図中ＮＧで示される欄が該当）。一方、熱伝導率λによって判別される媒体の状態と、比誘電率εによって判別される媒体の状態とに矛盾がない場合であっても、尿素水溶液が凍結あるいは液化した状態である場合には、さらに、温度センサ部のセンサ値である尿素水溶液の温度ｔが示す媒体の状態と矛盾がないかが判別される。すなわち、凍結状態の尿素水溶液を示す熱伝導率λ及び比誘電率εとなっている場合に、尿素水溶液の温度ｔが凍結温度を超えている場合にはセンサユニットの合理性が失われているものと判定される。同様に、液化状態の尿素水溶液を示す熱伝導率λ及び比誘電率εとなっている場合に、尿素水溶液の温度ｔが凍結温度以下となっている場合にはセンサユニットの合理性が失われているものと判定される。
これ以外のＯＫで示される欄については、各センサ値をもとに得られる情報λ、ε、ｔに矛盾がないため、センサユニットの合理性が保たれていると判定される。

熱伝導率λ及び比誘電率εが互いに矛盾することなくタンク内が空であることや、軽油が収容されていることを示している場合に、媒体の温度ｔの影響を考慮していないのは、空気については基本的に気体状態から変化することがなく、軽油については基本的に液化状態から変化することがないからである。

また、図３に戻り、本実施形態における合理性判定部は、センサユニット５４の合理性が失われているとの判定された回数をカウンタでカウントし、あらかじめ設定した回数以上、例えば、連続して５回以上、合理性が失われていると判定されたときに、警告手段に対して合理性エラーの信号を出力するようになっている。このように構成することにより、誤診断によってセンサユニット５４の合理性エラーが認識されるおそれを低減することができる。
センサユニット５４の合理性エラー信号が出力されたときには、例えば、運転者に対して注意を喚起するために警報音を発生させる。これによって、運転者は内燃機関を速やかに停止させたり、センサユニットの修理交換を行ったりすることができる。

なお、本実施形態で用いられているタンク内センサは、各センサ部が一体化されたセンサユニット５４であるため、どのセンサ部の合理性が失われているかを特定することは必要とされておらず、上述の合理性エラーの出力がなされた時点で、合理性診断は終了する。すなわち、いずれかのセンサ部の合理性が失われていると判定された時点で、センサユニット５４ごと修理、交換を行う必要がある。
ただし、濃度センサ部、液位センサ部及び温度センサ部のうち、いずれか二つのセンサ部が、センサ部自身で合理性診断を行うことができるのであれば、センサユニット５４の合理性が失われていると判定された後、個別の合理性診断を行うことによって、どのセンサ部の合理性が失われているかを特定することができる。例えば、上述したように、本実施形態のセンサユニット５４では、液位センサ部自身で液位センサ部の合理性診断を行うことができないことから、濃度センサ部及び温度センサ部が自己診断できるものであれば、どのセンサ部の合理性が失われているかを特定することができる。

また、各センサ部が一体化されたセンサユニット５４ではなく、濃度センサ、液位センサ及び温度センサを個別に備えている場合であっても、本実施形態の合理性診断を適用することができる。ただし、本実施形態のタンク内センサの合理性診断方法は、基本的には、三つのセンサのうちの少なくともいずれか一つのセンサの合理性が失われているとの診断結果を得られるものの、どのセンサの合理性が失われているかまで特定することができるものではない。この場合、少なくとも二つのセンサに自己診断機能が備えられていれば、合理性が失われているセンサを特定することができる。
したがって、常時行う診断として本実施形態の診断方法を実施し、いずれかのセンサの合理性が失われていると診断されたときに、個別のセンサの自己診断を実施するようにすれば、診断プログラムの実施を簡素化することができる。

［第２の実施の形態］
本発明の第２の実施の形態では、合理性診断装置の合理性判定部の構成が第１の実施の形態の合理性判定部の構成と異なっている。
以下、第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。

図５は、本実施形態の合理性診断の例を説明するための対応表を表している。図４に示す対応表と同様に、図５の横の項目には、媒体の比誘電率εの値によって媒体の状態が項目分けされており、左側の縦の項目には、媒体の熱伝導率λの値によって媒体の状態が項目分けされており、右側の縦の項目には、濃度センサ部の媒体の状態ごとに、尿素水溶液の凍結温度（−１１℃）を超えるか凍結温度以下であるかが項目分けされている。

ただし、媒体の比誘電率εの値によって項目分けされる媒体の状態に関し、第１の実施の形態では、タンクが空であるか、タンク内に軽油が収容されているか、尿素水溶液が凍結しているか、尿素水溶液が液化状態であるかによって項目分けされているが、本実施形態では、尿素水溶液が液化状態であるか、それ以外かの二つの項目分けとなっている。これは、液位センサ部のセンサ値をもとに媒体の比誘電率εを算出するにあたり、タンクが空である場合、軽油が収容されている場合、尿素水溶液が凍結している場合の各比誘電率εair、εdiesel、εureaiceの差が小さい一方、ＤＣＵの処理能力によっては算出結果の誤差が大きくなるため、タンク内が空であるか、軽油が収容されているか、尿素水溶液が凍結しているかの判断を正確にできないおそれがあるからである。
したがって、本実施形態では、合理性判定部は、液位センサ処理部から出力される比誘電率の値に基づいて、タンク内に液化状態の尿素水溶液が収容されているか（ε＝εureaatr）、それ以外か（ε≦εureaice）を判別する。

そして、濃度センサ部のセンサ値をもとに得られる媒体の熱伝導率λの値が、タンクが空である、軽油が収容されている、あるいは、尿素水溶液が凍結していることを示す場合に、比誘電率εの値が液化状態の尿素水溶液を示す場合には、液位センサのセンサ値と濃度センサ部のセンサ値との間に矛盾が生じていると判定される。同様に、液化状態の尿素水溶液を示す熱伝導率λの値となっている場合に、タンクが空である、軽油が収容されている、あるいは、尿素水溶液が凍結していることを示す比誘電率εの値となっている場合についても、液位センサ部のセンサ値と濃度センサ部のセンサ値との間に矛盾が生じていると判定される。

一方、液位センサ部のセンサ値をもとに算出される熱伝導率λによって判別される媒体の状態と、濃度センサ部のセンサ値をもとに算出される比誘電率εによって判別される媒体の状態とに矛盾がない場合であっても、尿素水溶液が凍結あるいは液化した状態である場合には、さらに、温度センサ部のセンサ値である尿素水溶液の温度ｔが示す媒体の状態と矛盾していないかが判別される。すなわち、凍結状態の尿素水溶液を示す熱伝導率λ及び比誘電率εとなっている場合に、尿素水溶液の温度ｔが凍結温度を超えている場合にはセンサユニットの合理性が失われているものと判定される。同様に、液化状態の尿素水溶液を示す熱伝導率λ及び比誘電率εとなっている場合に、尿素水溶液の温度ｔが凍結温度以下となっている場合についてもセンサユニットの合理性が失われているものと判定される。

本実施形態においても、タンク内センサの構成は、センサユニットに限られるものではなく、第１の実施の形態と同様に、濃度センサ、液位センサ及び温度センサを個別に備えるようにしてもよく、また、液位センサ部についても、一対の電極からなる検出部を一つのみ備える構成であっても良いし、複数備える構成であってもよい。

［第３の実施の形態］
本発明の第３の実施の形態では、センサユニットのうちの液位センサ部の構成が第１の実施の形態及び第２の実施の形態の液位センサ部の構成と異なっている。また、液位センサ部の構成が異なることに伴い、合理性診断を行う際の手順が異なっている。
以下、第１の実施の形態及び第２の実施の形態と異なる点を中心に説明する。

１．液位センサ部の構成
本実施形態で用いられるセンサユニットの液位センサ部は、図６に示すように、互いに対向する第１電極及び第２電極であって、タンク内の高さ方向に沿って所定長さを有する第１電極及び第２電極を有し、第１電極と第２電極との間で媒体の液位に応じて静電容量が変化するコンデンサを形成した液位検出体を備えている。この第１電極及び第２電極は、対向する平板電極であってもよく、内側電極及び外側電極からなる二重管電極であってもよい。
上述した第１及び第２の実施の形態で用いられている液位センサ部は、所定高さに配置される一対の電極からなる検出部に所定の交流電圧を印加したときに発生する電圧Ｖが所定値以上となったときに、当該所定高さまで媒体が存在することを認識するものである。これに対して、本実施形態で用いられている液位センサ部は、タンク内が空である状態での基準静電容量Ｃ₀に対する静電容量の変化量ΔＣをもとにして、媒体の残量をリニアに認識することができる構成となっている。

かかる構成の液位センサ部を用いる場合において、タンク内に正常な尿素水溶液が収容されていることを前提とすれば、尿素水溶液の液位を測定することができる。
しかしながら、タンク内の液体の残量によって、液体中に浸漬される電極の面積が異なってくることから、液位センサ部のセンサ値をもとに媒体の比誘電率εを算出して媒体の状態を判別する合理性診断を行う場合、静電容量の違いが、単純に媒体の状態に依存するものであるかの見分けが困難である。すなわち、静電容量の変化量ΔＣが、単純に媒体の状態の違いによって生じているのか、媒体の液位の違いによって生じているのかの見分けが困難である。

このような液位センサ部の場合、第１の実施の形態及び第２の実施の形態のように、第１電極及び第２電極間に交流電圧を印加したときに発生した電圧値を用いて媒体の比誘電率εを算出することは容易ではない。そのため、本実施形態のタンク内センサの合理性診断装置では、タンク内への尿素水溶液の補充時に、タンク内が満タンにされることを前提として、合理性診断が行われるようになっている。

２．タンク内センサの合理性診断装置及び合理性診断方法
本実施形態のＤＣＵも、基本的には第１の実施の形態又は第２の実施の形態で説明したＤＣＵの構成と同様であり、合理性判定部には図４又は図５に示す対応表が備えられている。
本実施形態のセンサユニットの合理性診断方法では、まず、タンクに媒体を満タンに補充した時点で、第１の実施の形態又は第２の実施の形態で説明した合理性診断方法と同様の方法で合理性診断が行われる。媒体の補充直後の場合、タンク内が媒体で満タンとされた場合の各媒体の比誘電率εを予めＤＣＵに記憶させておくことにより、液位センサ部によって検出される比誘電率εの値から媒体の状態を判別することができる。
なお、媒体の補充直後の場合、タンク内が空でないことは言うまでもなく、媒体が凍結しているおそれも少ないと言うことができる。

この媒体の補充直後の合理性診断において、各センサ値をもとに推定される媒体の状態が互いに矛盾している場合には、いずれかのセンサの合理性が失われていると判定される。一方、媒体の補充直後の合理性診断において、センサユニットの合理性が保たれていると判定された場合、タンクに補充された媒体が特定される。したがって、以降の合理性診断を行う際にはタンク内の媒体が明らかになっているために、タンク内の媒体の残量が満タンでない場合であっても、液位センサ部によって検出される比誘電率εの値からタンク内の媒体の状態を推定することができる。その結果、第１の実施の形態や第２の実施の形態で説明した合理性診断方法を行うことができるようになる。

すなわち、互いに対向する第１電極及び第２電極を備え、タンク内の媒体の残量をリニアに測定可能な液位センサ部が用いられる場合には、媒体を補充するごとに合理性診断を行いつつ媒体の種類を特定した上でその後の合理性診断を行うことによって、互いのセンサ値の矛盾を判定することができるようになる。
なお、実際には、媒体の補充直後の合理性診断時にタンク内の媒体が軽油であると判別される際には、還元剤として尿素水溶液の代わりに軽油を使用し続けることができないことから、運転者等に対して警告を発することになる。

第１の実施の形態にかかる合理性診断装置が備えられた排気浄化装置の構成を示す図である。 第１の実施の形態のセンサユニットに用いられる液位センサの構成例を説明するための図である。 第１の実施の形態にかかる合理性診断装置（ＤＣＵ）の構成例を示すブロック図である。 第１の実施の形態にかかる合理性診断方法を説明するための図である。 第２の実施の形態にかかる合理性診断方法を説明するための図である。 第３の実施の形態のセンサユニットに用いられる液位センサの構成例を説明するための図である。

符号の説明

５：内燃機関、１０：排気浄化装置、１１：排気管、１３：還元触媒、２０：還元剤供給装置、２５・２５ａ・２５ｂ・２５ｃ：検出部、３１：還元剤噴射弁、４０：ポンプモジュール、４１：ポンプ、５０：タンク、５４：センサユニット、５７：第２の供給通路、５８：第１の供給通路、５９：循環経路、６０：ＤＣＵ（合理性診断装置）、６５：ＣＡＮ、７０：コントロールユニット（ＥＣＵ）、７１：リバーティングバルブ、７５：冷却水通路、８１：第１の冷却水流量制御弁、８３：第２の冷却水流量制御弁、８５：第１の冷却水循環通路、８７：第２の冷却水循環通路、

Claims (4)

1. 液体を貯蔵するためのタンク内に備えられた濃度センサ、液位センサ及び温度センサの合理性診断を行うためのタンク内センサの合理性診断方法において、
   前記濃度センサ及び前記液位センサのそれぞれのセンサ値をもとに、前記液体がそれぞれ凍結、液化、不足のうちのどの状態にあるべきかの判別を行うとともに、前記温度センサのセンサ値をもとに、前記液体が凍結、液状のいずれの状態にあるべきかの判別を行い、各液体の状態に矛盾が生じていないかを判定することによって、前記濃度センサ、前記液位センサ及び前記温度センサのうちのいずれかのセンサの合理性が失われていないかを診断することを特徴とするタンク内センサの合理性診断方法。
2. 前記濃度センサのセンサ値をもとに得られる熱伝導率の値をもとにして、前記合理性診断を行うことを特徴とする請求項１に記載のタンク内センサの合理性診断方法。
3. 前記液位センサのセンサ値をもとに得られる比誘電率の値をもとにして、前記合理性診断を行うことを特徴とする請求項１に記載のタンク内センサの合理性診断方法。
4. 液体を貯蔵するためのタンク内に備えられた濃度センサ、液位センサ及び温度センサの合理性診断を行うためのタンク内センサの合理性診断装置において、
   前記濃度センサのセンサ値をもとに前記液体が凍結、液化、不足のうちのどの状態にあるべきかを示す第１の信号と、前記液位センサのセンサ値をもとに前記液体が凍結、液化、不足のうちのどの状態にあるべきかを示す第２の信号と、前記温度センサのセンサ値をもとに前記液体が凍結、液状のいずれの状態にあるべきかを示す第３の信号と、を相互に比較し、前記液体の状態に矛盾が生じていないかを判定することによって、前記濃度センサ、前記液位センサ及び前記温度センサのうちのいずれかのセンサの合理性が失われていないかを診断する合理性判定部を備えることを特徴とするタンク内センサの合理性診断装置。

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