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JP5573352B2 - 尿素水温度センサの妥当性診断システム - Google Patents

尿素水温度センサの妥当性診断システム Download PDF

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Description

本発明は、尿素タンク内に貯留された尿素水の温度を測定する尿素水温度センサの故障を診断する尿素水温度センサの妥当性診断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、ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction；選択還元触媒）装置を用いた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、尿素タンク内に貯留された尿素水の温度を尿素タンク内に設けられた尿素水温度センサにより測定している。これにより、尿素水の凍結を検出し、必要に応じて解凍制御を行っている。
尿素水温度センサが故障すると尿素水の温度が測定できなくなるため、ＳＣＲシステムには尿素水温度センサの故障を診断する尿素水温度センサの妥当性診断システムが備えられている。
この妥当性診断システムは、尿素水温度センサにより測定された尿素水の温度を外気温と比較して、尿素水温度センサの故障を診断する。具体的には、エンジン始動直後に、尿素水の温度を外気温と比較して、これらの温度差が予め設定した閾値より大きいとき尿素水温度センサを故障と診断する。比較対象の外気温は、外気温を直接測定する温度センサがないため、例えば、インテークマニホールド温度やＭＡＦ（Mass Air Flow；マス・エア・フロー）センサに設けられたＭＡＦ温度センサにより測定されるＭＡＦ温度を外気温として用いる。
エンジン始動直後に診断をするのは、エンジン始動直後であれば、尿素タンク内の尿素水の温度と外気温とが略同一となっていると考えられ、これら温度に大きなズレがあるかどうかを見ることで尿素水温度センサの故障を診断できるからである。
従来の妥当性診断システムでは、エンジン始動直後に診断を限定するために、エンジン始動後の所定の時間だけ診断を許可していた。
特開２０００−３０３８２６号公報
しかしながら、エンジン始動直後であっても、短時間でエンジンの始動と停止が繰り返された場合には、先のエンジン始動後にエンジン温度の上昇に伴ってタンク内の尿素水の温度が上昇することにより、尿素水温度センサの測定値が外気温と大きくズレてしまう。このようにエンジンが冷却された状態での始動（コールドスタート）でない場合に、従来の妥当性診断システムでは、尿素水温度センサが故障していないのにもかかわらず故障と診断されてしまうと言う問題がある。
そこで、本発明の目的は、コールドスタート時に診断を限定し、誤診断を防止することができる尿素水温度センサの妥当性診断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、請求項１の発明は、尿素タンク内に設けられた尿素水温度センサにより測定された尿素水の温度を外気温と比較して、前記尿素水温度センサの故障を診断する妥当性診断部を有する尿素水温度センサの妥当性診断システムにおいて、エンジン始動直後に、測定されたエンジン冷却水温、外気温、燃料温度を用い、エンジン冷却水温と外気温の差、エンジン冷却水温と燃料温度の差、外気温と燃料温度の差を求め、これら各温度差が予め設定した閾値以下のとき、前記妥当性診断部による診断を許可するコールドスタート条件判断部を有する尿素水温度センサの妥当性診断システムである。
請求項２の発明は、前記コールドスタート条件判断部は、更に、エンジン冷却水温が予め設定した範囲内のとき、前記妥当性診断部による診断を許可する請求項１に記載の尿素水温度センサの妥当性診断システムである。
請求項３の発明は、前記エンジン冷却水温、前記外気温として、それぞれエンジン始動後に測定された温度のうち最低値を用いる請求項１又は２に記載の尿素水温度センサの妥当性診断システムである。
本発明によれば、コールドスタート時に診断を限定し、誤診断を防止することができる。
本発明を適用するＳＣＲシステムを示す概略図である。 ＤＣＵの入出力構成を示す図である。 本発明の一実施の形態に係る尿素水温度センサの妥当性診断システムにおけるコールドスタート条件判断部の動作を示すフローチャートである。 コールドスタート条件判断部を備えた尿素水温度センサの妥当性診断システムの動作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１１５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１１５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。
ＳＣＲシステム１００では、尿素タンク１０５内に貯留された尿素水の温度を尿素水温度センサ（本実施の形態ではＳＣＲセンサ１１９に設けられた温度センサ１２１）により測定し、尿素水の凍結を検出した場合に必要に応じて解凍制御を行うようにしている。尿素水温度センサとしての温度センサ１２１が故障すると尿素水の温度が測定できなくなるため、ＳＣＲシステム１００には温度センサ１２１の故障を診断する尿素水温度センサの妥当性診断システム（以下、単に妥当性診断システムと言う）１２９が備えられている。
妥当性診断システム１２９は、温度センサ１２１により測定された尿素水の温度を外気温と比較して、温度センサ１２１の故障を診断する妥当性診断部１２７を有する。この妥当性診断部１２７は、ＤＣＵ１２６に実装される。
妥当性診断部１２７は、ＣＡＮを介してＥＣＭ１２５から送られるデータ（ＣＡＮデータ）であるエンジン冷却水温（クーラント温度）、外気温、燃料温度関連の異常がないこと、尿素水のレベルを測定するレベルセンサ１２０関連の異常がないこと、温度センサ１２１の回路異常がないこと、を確認した上で、ＤＣＵ１２６に持っている変数であるバッテリ電圧と、エンジンランタイマーで測定した経過時間とによってエンジン始動直後であるか否かを判断するようにされる。ここで、エンジンランタイマーとは、エンジンが始動してからの経過時間を測定するものである。例えば、エンジンランタイマーは、エンジン回転数が予め設定した回転数（ｒｐｍ）以上になったときにエンジン始動と判断してカウントを開始し、エンジン回転数が上記設定した回転数（ｒｐｍ）−所定の回転数（例えば、２５ｒｐｍ）以下になったときにカウントをリセットするようにされる。
なお、通常は外気温を直接測定する温度センサがないため、例えば、インテークマニホールド温度やＭＡＦセンサに設けられたＭＡＦ温度センサにより測定されるＭＡＦ温度を外気温として用いる。
妥当性診断部１２７は、エンジン始動直後であると判断した場合には、温度センサ１２１により得られた尿素水の温度を外気温と比較し、またエンジン始動直後でないと判断した場合には、温度センサ１２１の故障の診断は行わないようにされる。
妥当性診断部１２７は、尿素水の温度を外気温と比較した結果、その温度差が予め設定した閾値より大きいとき、温度センサ１２１を故障と診断するようにされる。
妥当性診断システム１２９は、このようにして温度センサ１２１の故障を診断するようにされるが、エンジン始動直後であるか否かの判断をバッテリ電圧とエンジンランタイマーとによって行うだけでは、短時間でエンジンの始動と停止が繰り返された場合には発明が解決しようとする課題で述べたように正確な故障の診断ができなくなると言う問題が生じる。この問題は、コールドスタート（エンジンが冷却された状態での始動）時に診断を限定することにより回避できる。
そこで、本発明者らは、妥当性診断システム１２９に、エンジン始動直後に、測定されたエンジン冷却水温、外気温、燃料温度を用い、エンジン冷却水温と外気温の差、エンジン冷却水温と燃料温度の差、外気温と燃料温度の差を求め、これら各温度差が予め設定した閾値以下のとき、コールドスタートと判断して妥当性診断部１２７による診断を許可するコールドスタート条件判断部１２８を実装した。
このコールドスタート条件判断部１２８は、キーＯＮ後のエンジン冷却水温とキーＯＮ後の外気温の差、キーＯＮ後のエンジン冷却水温と燃料温度の差、及びキーＯＮ後の外気温と燃料温度の差を求め、これら各温度差が予め設定した閾値以下であるか否かを判断し、各温度差にバラツキが無いことを確認するようにされる。このように、複数のパラメータにより温度差のバラツキを見ることで、より精度の高い（より確実にコールドスタートであるか否かの）判断を行える。この判断に用いられるエンジン冷却水温、外気温、燃料温度は、各温度センサでエンジン始動後から所定時間毎に測定され、ＣＡＮを介してＥＣＭ１２５からＤＣＵ１２６に送られ、妥当性診断システム１２９はこれを利用するようにされる。ここで、コールドスタート条件の判断結果への影響を最小限に抑えるために、エンジン冷却水温と外気温は、それぞれエンジン始動後に測定された温度のうち最低値を用いるとよい。
この判断により、各温度センサの測定値にバラツキが無いことを確認できるものの、これら測定値が自然環境においてあり得ない範囲にあるときは、コールドスタートとは考えられないので、この場合を除外する必要がある。
そのため、コールドスタート条件判断部１２８は、各温度差にバラツキがないことを確認したら、エンジン冷却水温、外気温、燃料温度のいずれかが予め設定した範囲内にあるか否かを判断するようにされる。これら判断により、コールドスタートを確実に検出することができる。
コールドスタート条件判断部１２８の動作をまとめたフローチャートを図３に示す。
図３に示すように、コールドスタート条件判断部１２８は、エンジン始動直後（キーＯＮ後）に、各センサで測定されたエンジン冷却水温、外気温、燃料温度を用い、エンジン冷却水温と外気温の差、エンジン冷却水温と燃料温度の差、外気温と燃料温度の差を求め、これら各温度差が予め設定した閾値以下であるか否かを判断する（ステップ３０１）。具体的には、キーＯＮ後のエンジン冷却水温の最低値とキーＯＮ後の外気温の最低値との差の絶対値、キーＯＮ後のエンジン冷却水温の最低値と燃料温度との差の絶対値、キーＯＮ後の外気温の最低値と燃料温度との差の絶対値のそれぞれが閾値以下であるか否かにより判断する。
ステップ３０１にて各温度差が予め設定した閾値より大きいと判断されたときには、コールドスタート条件判断部１２８は、診断を許可することなく診断許可条件の判断を終了する。
また、ステップ３０１にて各温度差が予め設定した閾値以下であると判断されたときには、コールドスタート条件判断部１２８は、エンジン冷却水温が予め設定した範囲内であるか否かを判断する（ステップ３０２）。なお、エンジン冷却水温以外にも外気温、燃料温度が予め設定した範囲内であるか否かによりステップ３０２の判断を行うようにしてもよい。
ステップ３０２にてエンジン冷却水温が予め設定した範囲外であると判断されたときには、コールドスタート条件判断部１２８は、診断を許可することなく診断許可条件の判断を終了する。
また、ステップ３０２にてエンジン冷却水温が予め設定した範囲内であると判断されたときには、コールドスタート条件判断部１２８は、診断を許可する（ステップ３０３）。
このような動作により、コールドスタート条件判断部１２８は、確実にコールドスタートであるか否かを判断することができる。
このコールドスタート条件判断部１２８を備えた尿素水温度センサの妥当性診断システム１２９の動作を図４により説明する。
妥当性診断システム１２９に備えられた妥当性診断部１２７は、先ず、ＣＡＮデータであるエンジン冷却水温、外気温、燃料温度関連の異常がないこと、尿素水のレベルを測定するレベルセンサ１２０関連の異常がないこと、温度センサ１２１の回路異常がないこと、を確認し（ステップ４００）、いずれかに異常がある場合は診断を終了する。
ステップ４００にて各種異常が無いことを確認したら、妥当性診断部１２７は、ＤＣＵ１２６に持っている変数であるバッテリ電圧が予め設定した範囲内であるか否かを判断する（ステップ４０１）。
ステップ４０１にてバッテリ電圧が予め設定した範囲外であると判断されたときには、妥当性診断部１２７は温度センサ１２１の診断を行うことなくプロセスを終了する。
また、ステップ４０１にてバッテリ電圧が予め設定した範囲内であると判断されたときには、妥当性診断部１２７はエンジンランタイマーで測定した経過時間が予め設定した範囲内であるか否かを判断する（ステップ４０２）。
ステップ４０２にてエンジンランタイマーで測定した経過時間が予め設定した範囲外であると判断されたときには、妥当性診断部１２７は温度センサ１２１の診断を行うことなくプロセスを終了する。
また、ステップ４０２にてエンジンランタイマーで測定した経過時間が予め設定した範囲内であると判断されたときには、コールドスタート条件判断部１２８によって図３に示したフローチャートに順ってコールドスタートの条件を満たしているか否かの判断を行う（ステップ４０３）。
ステップ４０３にてコールドスタート条件判断部１２８によるコールドスタート条件を満たしていると判断されたときには、妥当性診断部１２７は、温度センサ１２１により得られた尿素水の温度とコールドスタート条件成立後の所定時間内に測定された外気温のうち最低値とを比較する（ステップ４０４）。ここで、コールドスタート条件成立後の所定時間内に測定された外気温のうち最低値を用いるのは、診断結果への影響を最小限に抑えるためである。つまり、本診断中に自動車が走り出したときには、外気温としてのインテークマニホールド温度やＭＡＦ温度が上昇する可能性があり、この場合診断結果に大きな影響を与えてしまうが、最低値を用いることでこれらの影響を排除できる。
ステップ４０４にて尿素水の温度と外気温との温度差が予め設定した閾値以下であると判断されたときには、妥当性診断部１２７は温度センサ１２１が正常であると判断する（ステップ４０５）。
ステップ４０４にて尿素水の温度と外気温との温度差が予め設定した閾値より大きいと判断されたときには、妥当性診断部１２７は温度センサ１２１が故障していると判断する（ステップ４０６）。なお、故障の判断は、これらのステップを繰り返し、連続して複数回、故障と判断されたときに初めて行うようにしてもよい。
このように、本発明の妥当性診断システム１２９では、従来のステップ４０１，４０２の診断許可条件に加えて、コールドスタート条件判断部１２８によるコールドスタート条件を満たしているか否かを判断するため、コールドスタートを確実に検出することができ、コールドスタート時に診断を限定することができる。
よって、エンジンの始動と停止が繰り返された場合に温度センサ１２１により得られた尿素水の温度と外気温との温度差が大きくなり、温度センサ１２１が故障していないのにもかかわらず、故障と判断する誤診断を防止することができる。
１０５ 尿素タンク
１２１ 尿素水温度センサ
１２７ 妥当性診断部
１２８ コールドスタート条件判断部
１２９ 尿素水温度センサの妥当性診断システム

Claims (3)

  1. 尿素タンク内に設けられた尿素水温度センサにより測定された尿素水の温度を外気温と比較して、前記尿素水温度センサの故障を診断する妥当性診断部を有する尿素水温度センサの妥当性診断システムにおいて、
    エンジン始動直後に、測定されたエンジン冷却水温、外気温、燃料温度を用い、エンジン冷却水温と外気温の差、エンジン冷却水温と燃料温度の差、外気温と燃料温度の差を求め、これら各温度差が予め設定した閾値以下のとき、前記妥当性診断部による診断を許可するコールドスタート条件判断部を有することを特徴とする尿素水温度センサの妥当性診断システム。
  2. 前記コールドスタート条件判断部は、更に、エンジン冷却水温が予め設定した範囲内のとき、前記妥当性診断部による診断を許可する請求項１に記載の尿素水温度センサの妥当性診断システム。
  3. 前記エンジン冷却水温、前記外気温として、それぞれエンジン始動後に測定された温度のうち最低値を用いる請求項１又は２に記載の尿素水温度センサの妥当性診断システム。
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