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JP5533235B2 - ＮＯｘセンサ診断装置及びＳＣＲシステム - Google Patents

ＮＯｘセンサ診断装置及びＳＣＲシステム Download PDF

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Description

本発明は、ＮＯｘセンサの妥当性を診断するＮＯｘセンサ診断装置及びＳＣＲシステムに関するものである。
ディーゼルエンジンの排気ガス中のＮＯｘを浄化するための排ガス浄化システムとして、選択還元触媒装置（以下、ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）装置という）を用いたＳＣＲシステムが開発されている。
このＳＣＲシステムは、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（例えば、特許文献１参照）。
ＳＣＲシステムでは、尿素水の噴射は排気ガス中のＮＯｘ濃度に応じて制御される。この制御のために、排気管にはＮＯｘセンサが設けられる。
このＮＯｘセンサの検出値が妥当でない場合、尿素水の噴射の制御を適切に行うことができなくなるため、ＳＣＲシステムには、ＮＯｘセンサの妥当性を診断するＮＯｘセンサ診断装置が備えられている。
従来のＮＯｘセンサ診断装置では、エンジンの稼働状態に応じて決定されたＮＯｘ濃度の計算値と、ＮＯｘセンサが検出したＮＯｘ濃度の検出値との乖離が所定のしきい値よりも大きくなったときに、ＮＯｘセンサに異常が発生したと診断するようになっている（例えば、特許文献２参照）。
特開２０００−３０３８２６号公報 特開２００９−１２８２３７号公報
しかしながら、従来のＮＯｘセンサ診断装置では、ＮＯｘ濃度の計算値がエンジンの稼働状態のみで決定され、環境条件を全く考慮しないものであった。
例えば、従来のＮＯｘセンサ診断装置では、高地や寒冷地などの特殊環境下においても、エンジンの稼働状態が同じであれば、基本的にはほぼ同じＮＯｘ濃度の計算値となる。これに対して、実際にＮＯｘセンサで測定されるＮＯｘ濃度の検出値は、特殊環境下でＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation；排気再循環）量が低下するなどして、大きく変動する。その結果、ＮＯｘ濃度の計算値と検出値との乖離が大きくなり、ＮＯｘセンサに異常がないにも拘わらず、ＮＯｘセンサが異常であると誤判断してしまうおそれが生じる。
なお、従来のＮＯｘセンサ診断装置では、ＥＧＲがカットされている状態と、ＥＧＲがカットされていない状態とで、異なるモデルを用いてＮＯｘ濃度の計算値を求めるようになっているが、ＥＧＲ量の変化にＮＯｘ濃度の計算値を追従させることはできず、特にＥＧＲ量が低下している領域では、ＮＯｘ濃度の計算値と検出値との乖離が大きくなってしまうことは避けられない。
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、環境条件を考慮してＮＯｘセンサの妥当性を診断でき、誤診断を防止することが可能なＮＯｘセンサ診断装置及びＳＣＲシステムを提供することにある。
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、エンジンの排気管に設けられ、排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサを診断するＮＯｘセンサ診断装置において、前記エンジンの稼働状態を基に排気ガス中のＮＯｘ濃度の計算値を求める計算値演算部と、前記計算値演算部で求めたＮＯｘ濃度の計算値と、前記ＮＯｘセンサが検出したＮＯｘ濃度の検出値との乖離が判定用閾値よりも大きくなったときに、前記ＮＯｘセンサが異常であると判断する異常判定部と、前記エンジンを冷却するための冷却水の温度、大気圧、および外気温に基づき、前記判定用閾値を設定する判定用閾値設定部と、を備えたＮＯｘセンサ診断装置である。
冷却水の温度と大気圧と外気温とで参照される前記判定用閾値のマップをさらに備え、前記判定用閾値設定部は、前記マップを参照して前記判定用閾値を設定するようにされてもよい。
また、本発明は、エンジンの排気管に設けられた選択還元触媒装置と、前記選択還元触媒装置の上流側で尿素水を噴射するドージングバルブと、前記選択還元触媒装置の上流側に設けられた前記ＮＯｘセンサと、前記ＮＯｘセンサで検出したＮＯｘ濃度の検出値に応じて尿素水噴射量を制御する尿素水噴射制御部と、を備えたＳＣＲシステムにおいて、請求項１または２記載のＮＯｘセンサ診断装置を備えたＳＣＲシステムである。
本発明によれば、環境条件を考慮してＮＯｘセンサの妥当性を診断でき、誤診断を防止することが可能なＮＯｘセンサ診断装置及びＳＣＲシステムを提供できる。
本発明の一実施の形態に係るＮＯｘセンサ診断装置を備えたＳＣＲシステムの概略構成図である。 図１のＳＣＲシステムにおけるＤＣＵの入出力構成図である。 本発明において、ＮＯｘセンサ診断装置の構成図である。 図３のＮＯｘセンサ診断装置の制御フローを示すフローチャートである。
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
まず、車両に搭載されるＳＣＲシステムについて説明する。
図１に示すように、ＳＣＲシステム１００は、エンジンＥの排気管１０２に設けられたＳＣＲ装置１０３と、ＳＣＲ装置１０３の上流側（排気ガスの上流側）で尿素水を噴射するドージングバルブ（尿素噴射装置、ドージングモジュール）１０４と、尿素水を貯留する尿素タンク１０５と、尿素タンク１０５に貯留された尿素水をドージングバルブ１０４に供給するサプライモジュール１０６と、ドージングバルブ１０４やサプライモジュール１０６等を制御するＤＣＵ（Dosing Control Unit）１２６とを主に備える。
エンジンＥの排気管１０２には、排気ガスの上流側から下流側にかけて、ＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst；酸化触媒）１０７、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）１０８、ＳＣＲ装置１０３が順次配置される。ＤＯＣ１０７は、エンジンＥから排気される排気ガス中のＮＯを酸化してＮＯ2とし、排気ガス中のＮＯとＮＯ2の比率を制御してＳＣＲ装置１０３における脱硝効率を高めるためのものである。また、ＤＰＦ１０８は、排気ガス中のＰＭ（Particulate Matter）を捕集するためのものである。
ＳＣＲ装置１０３の上流側の排気管１０２には、ドージングバルブ１０４が設けられる。ドージングバルブ１０４は、高圧の尿素水が満たされたシリンダに噴口が設けられ、その噴口を塞ぐ弁体がプランジャに取り付けられた構造となっており、コイルに通電することによりプランジャを引き上げることで弁体を噴口から離間させて尿素水を噴射するようになっている。コイルへの通電を止めると、内部のバネ力によりプランジャが引き下げられて弁体が噴口を塞ぐので尿素水の噴射が停止される。
ドージングバルブ１０４の上流側の排気管１０２には、ＳＣＲ装置１０３の入口における排気ガスの温度（ＳＣＲ入口温度）を測定する排気温度センサ１０９が設けられる。また、ＳＣＲ装置１０３の上流側（ここでは排気温度センサ１０９の上流側）には、ＳＣＲ装置１０３の上流側でのＮＯｘ濃度を検出する上流側ＮＯｘセンサ１１０が設けられ、ＳＣＲ装置１０３の下流側には、ＳＣＲ装置１０３の下流側でのＮＯｘ濃度を検出する下流側ＮＯｘセンサ１１１が設けられる。
サプライモジュール１０６は、尿素水を圧送するＳＭポンプ１１２と、サプライモジュール１０６の温度（サプライモジュール１０６を流れる尿素水の温度）を測定するＳＭ温度センサ１１３と、サプライモジュール１０６内における尿素水の圧力（ＳＭポンプ１１２の吐出側の圧力）を測定する尿素水圧力センサ１１４と、尿素水の流路を切り替えることにより、尿素タンク１０５からの尿素水をドージングバルブ１０４に供給するか、あるいはドージングバルブ１０４内の尿素水を尿素タンク１０５に戻すかを切り替えるリバーティングバルブ１１５とを備えている。ここでは、リバーティングバルブ１５がＯＮのとき、尿素タンク１０５からの尿素水をドージングバルブ１０４に供給するようにし、リバーティングバルブ１５がＯＦＦのとき、ドージングバルブ１０４内の尿素水を尿素タンク１０５に戻すようにした。
リバーティングバルブ１１５が尿素水をドージングバルブ１０４に供給するように切り替えられている場合、サプライモジュール１０６は、そのＳＭポンプ１１２にて、尿素タンク１０５内の尿素水を送液ライン（サクションライン）１１６を通して吸い上げ、圧送ライン（プレッシャーライン）１１７を通してドージングバルブ１０４に供給するようにされ、余剰の尿素水を、回収ライン（バックライン）１１８を通して尿素タンク１０５に戻すようにされる。
尿素タンク１０５には、ＳＣＲセンサ１１９が設けられる。ＳＣＲセンサ１１９は、尿素タンク１０５内の尿素水の液面高さ（レベル）を測定するレベルセンサ１２０と、尿素タンク１０５内の尿素水の温度を測定する温度センサ１２１と、尿素タンク１０５内の尿素水の品質を測定する品質センサ１２２とを備えている。品質センサ１２２は、例えば、超音波の伝播速度や電気伝導度から、尿素水の濃度や尿素水に異種混合物が混合されているか否かを検出し、尿素タンク１０５内の尿素水の品質を検出するものである。
尿素タンク１０５とサプライモジュール１０６には、エンジンＥを冷却するための冷却水を循環する冷却ライン１２３が接続される。冷却ライン１２３は、尿素タンク１０５内を通り、冷却ライン１２３を流れる冷却水と尿素タンク１０５内の尿素水との間で熱交換するようにされる。同様に、冷却ライン１２３は、サプライモジュール１０６内を通り、冷却ライン１２３を流れる冷却水とサプライモジュール１０６内の尿素水との間で熱交換するようにされる。
冷却ライン１２３には、尿素タンク１０５とサプライモジュール１０６に冷却水を供給するか否かを切り替えるタンクヒーターバルブ（クーラントバルブ）１２４が設けられる。なお、ドージングバルブ１０４にも冷却ライン１２３が接続されるが、ドージングバルブ１０４には、タンクヒーターバルブ１２４の開閉に拘わらず、冷却水が供給されるように構成されている。なお、図１では図を簡略化しており示されていないが、冷却ライン１２３は、尿素水が通る送液ライン１１６、圧送ライン１１７、回収ライン１１８に沿って配設される。
図２に、ＤＣＵ１２６の入出力構成図を示す。
図２に示すように、ＤＣＵ１２６には、上流側ＮＯｘセンサ１１０、下流側ＮＯｘセンサ１１１、ＳＣＲセンサ１１９（レベルセンサ１２０、温度センサ１２１、品質センサ１２２）、排気温度センサ１０９、サプライモジュール１０６のＳＭ温度センサ１１３と尿素水圧力センサ１１４、およびエンジンＥを制御するＥＣＭ（Engine Control Module）１２５からの入力信号線が接続されている。ＥＣＭ１２５からは、外気温、エンジンパラメータ（エンジン回転数など）の信号が入力される。
また、ＤＣＵ１２６には、タンクヒーターバルブ１２４、サプライモジュール１０６のＳＭポンプ１１２とリバーティングバルブ１１５、ドージングバルブ１０４、上流側ＮＯｘセンサ１１０のヒータ、下流側ＮＯｘセンサ１１１のヒータ、への出力信号線が接続される。なお、ＤＣＵ１２６と各部材との信号の入出力に関しては、個別の信号線を介した入出力、ＣＡＮ（Controller Area Network）を介した入出力のどちらであってもよい。
ＤＣＵ１２６には、上流側ＮＯｘセンサ１１０で検出したＮＯｘ濃度の検出値に応じて尿素水噴射量を制御する尿素水噴射制御部１２７が搭載される。尿素水噴射制御部１２７は、ＥＣＭ１２５からのエンジンパラメータの信号と、排気温度センサ１０９からの排気ガス温度とを基に、排気ガス中のＮＯｘの量を推定すると共に、推定した排気ガス中のＮＯｘの量を基にドージングバルブ１０４から噴射する尿素水量を決定するようにされ、さらに、ドージングバルブ１０４にて決定した尿素水量で噴射したとき、上流側ＮＯｘセンサ１１０の検出値に基づいてドージングバルブ１０４を制御して、ドージングバルブ１０４から噴射する尿素水量を調整するようにされる。
さて、本実施の形態に係るＳＣＲシステム１００は、上流側ＮＯｘセンサ１１０の妥当性を診断するＮＯｘセンサ診断装置１を備えている。ＳＣＲシステム１００は、２つのＮＯｘセンサ１１０，１１１を備えているが、ＮＯｘセンサ診断装置１は、ＳＣＲ装置１０３の上流側に設けられた上流側ＮＯｘセンサ１１０の妥当性を診断するものである。
図３に示すように、ＮＯｘセンサ診断装置１は、エンジンＥの稼働状態を基に（ＥＣＭ１２５からのエンジンパラメータを基に）排気ガス中のＮＯｘ濃度の計算値を求める計算値演算部２と、計算値演算部２で求めたＮＯｘ濃度の計算値と、上流側ＮＯｘセンサ１１０が検出したＮＯｘ濃度の検出値との乖離が判定用閾値よりも大きくなったときに、上流側ＮＯｘセンサ１１０が異常であると判断する異常判定部３と、エンジンＥを冷却するための冷却水の温度、大気圧、および外気温に基づき、判定用閾値を設定する判定用閾値設定部４と、を備えている。
計算値演算部２、異常判定部３、および判定用閾値設定部４は、ＤＣＵ１２６に搭載される。冷却水の温度、大気圧、および外気温の信号は、ＣＡＮを介してＥＣＭ１２５からＤＣＵ１２６に入力される。外気温の信号としては、吸気マニホールドの温度（吸気温度）の信号を用いてもよい。
本実施の形態では、異常判定部３は、ＮＯｘ濃度の計算値とＮＯｘ濃度の検出値の比率（ＮＯｘ濃度の検出値／ＮＯｘ濃度の計算値）が判定用閾値よりも大きくなったときに、上流側ＮＯｘセンサ１１０が異常であると判断するようにされる。異常判定部３は、上流側ＮＯｘセンサ１１０が異常であると判断したとき、図示しない警告ランプ（ＣＥＬ（Check Engine Lamp）やＭＩＬ（Mulfunction Indicator Lamp））を点灯することで、ドライバーに警告を行うようにされる。
また、ＮＯｘセンサ診断装置１は、冷却水の温度と大気圧と外気温とで参照される判定用閾値のマップ５をさらに備えている。判定用閾値のマップ５は、冷却水の温度と大気圧と外気温ごとに判定用閾値が設定されたマップである。判定用閾値設定部４は、判定用閾値のマップ５を参照して判定用閾値を設定するようにされる。判定用閾値のマップ５は、ＤＣＵ１２６に搭載される。
本実施の形態では、判定用閾値のマップ５として、冷却水の温度で参照される第１の係数マップ５ａと、大気圧と外気温で参照される第２の係数マップ５ｂとを用い、第１の係数マップ５ａで得た第１の係数と、第２の係数マップ５ｂで得た第２の係数とを掛け合わせることによって、判定用閾値を求めるようにした。なお、これに限らず、判定用閾値のマップ５として、冷却水の温度、大気圧、および外気温で参照される３次元のマップを用いるようにしてもよい。
第１の係数と第２の係数は、予め実験により、冷却水の温度、大気圧、および外気温の環境条件を異ならせて実際の排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出すると共に、ＮＯｘ濃度の計算値とＮＯｘ濃度の検出値の比率を求め、求めた比率にセンサのばらつき等を考慮した変動許容値をマージンとして加えて設定される。
次に、ＮＯｘセンサ診断装置１の制御フローを図４を用いて説明する。
図４に示すように、まず、ステップＳ１にて、計算値演算部２が、ＥＣＭ１２５からのエンジンパラメータの信号を基に、ＮＯｘ濃度の計算値を求める。
ＮＯｘ濃度の計算値を求めた後、ステップＳ２にて、異常判定部３が、上流側ＮＯｘセンサ１１０からＮＯｘ濃度の検出値を読み込み、読み込んだＮＯｘ濃度の検出値と、ステップＳ１で求めたＮＯｘ濃度の計算値とから、ＮＯｘ濃度の計算値と検出値の比率ｈを求める。
ステップＳ３では、判定用閾値設定部４が、ＥＣＭ１２５より冷却水の温度、大気圧、および外気温のデータを取得する。
ステップＳ４では、判定用閾値設定部４が、ＥＣＭ１２５より取得した冷却水の温度で第１の係数マップ５ａを参照し、第１の係数を求める。
ステップＳ５では、判定用閾値設定部４が、ＥＣＭ１２５より取得した大気圧と外気温で第２の係数マップ５ｂを参照し、第２の係数を求める。
ステップＳ６では、判定用閾値設定部４が、ステップＳ４で求めた第１の係数と、ステップＳ５で求めた第２の係数とを掛け合わせて、判定用閾値Ｔｈを求める。
ステップＳ７では、異常判定部３が、ステップＳ２で求めたＮＯｘ濃度の計算値と検出値の比率ｈが、ステップＳ６で求めた判定用閾値Ｔｈよりも大きいかを判断する。ステップＳ７にてＮＯと判断された場合、上流側ＮＯｘセンサ１１０は正常であると考えられるため、そのまま制御を終了する。
ステップＳ７でＹＥＳと判断された場合、上流側ＮＯｘセンサ１１０に異常が発生していると考えられるため、異常判定部３は、ＣＥＬやＭＩＬなどの警告ランプを点灯させ（ステップＳ８）、制御を終了する。
以上説明したように、本実施の形態に係るＮＯｘセンサ診断装置１は、異常判定部３で用いる判定用閾値を、冷却水の温度、大気圧、および外気温に基づいて設定する判定用閾値設定部４を備えている。
つまり、ＮＯｘセンサ診断装置１では、計算値演算部２で求めるＮＯｘ濃度の計算値を補正するのではなく、異常判定を行う際の判定用閾値を環境条件に応じて設定することにより、上流側ＮＯｘセンサ１１０が正常であるにも拘わらず異常であると誤診断してしまうことを防止している。
これにより、従来のシステムに判定用閾値設定部４を追加するという簡易な構成で、環境条件を考慮した上流側ＮＯｘセンサ１１０の妥当性の診断が可能となり、高地や寒冷地などの特殊環境下でＥＧＲ量が低下しているような場合であっても、誤診断を防止することが可能となる。
本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。
例えば、上記実施の形態では、ＮＯｘ濃度の計算値と検出値との乖離を表す値として、ＮＯｘ濃度の計算値と検出値の比率（ＮＯｘ濃度の検出値／ＮＯｘ濃度の計算値）を用いたが、これに限らず、ＮＯｘ濃度の計算値と検出値との差（絶対値）を用いるようにしてもよい。
１ ＮＯｘセンサ診断装置
２ 計算値演算部
３ 異常判定部
４ 判定用閾値設定部
５ 判定用閾値のマップ
１００ ＳＣＲシステム
１０２ 排気管
１０３ ＳＣＲ装置（選択還元触媒装置）
１０４ ドージングバルブ
１０５ 尿素タンク
１０６ サプライモジュール
１１０ 上流側ＮＯｘセンサ（ＮＯｘセンサ）
１１１ 下流側ＮＯｘセンサ
１２５ ＥＣＭ
１２６ ＤＣＵ
１２７ 尿素水噴射制御部
Ｅ エンジン

Claims (3)

  1. エンジンの排気管に設けられ、排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサを診断するＮＯｘセンサ診断装置において、
    前記エンジンの稼働状態を基に排気ガス中のＮＯｘ濃度の計算値を求める計算値演算部と、
    前記計算値演算部で求めたＮＯｘ濃度の計算値と、前記ＮＯｘセンサが検出したＮＯｘ濃度の検出値との乖離が判定用閾値よりも大きくなったときに、前記ＮＯｘセンサが異常であると判断する異常判定部と、
    前記エンジンを冷却するための冷却水の温度、大気圧、および外気温に基づき、前記判定用閾値を設定する判定用閾値設定部と、を備え、
    前記判定用閾値設定部は、前記計算値演算部がＮＯｘ濃度の計算値を求めた後に取得した大気圧に基づき、前記判定用閾値を設定する
    ことを特徴とするＮＯｘセンサ診断装置。
  2. 冷却水の温度と大気圧と外気温とで参照される前記判定用閾値のマップをさらに備え、 前記判定用閾値設定部は、前記マップを参照して前記判定用閾値を設定するようにされる請求項１記載のＮＯｘセンサ診断装置。
  3. エンジンの排気管に設けられた選択還元触媒装置と、
    前記選択還元触媒装置の上流側で尿素水を噴射するドージングバルブと、
    前記選択還元触媒装置の上流側に設けられた前記ＮＯｘセンサと、
    前記ＮＯｘセンサで検出したＮＯｘ濃度の検出値に応じて尿素水噴射量を制御する尿素水噴射制御部と、を備えたＳＣＲシステムにおいて、
    請求項１または２記載のＮＯｘセンサ診断装置を備えたことを特徴とするＳＣＲシステム。
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