JP5008366B2 - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元浄化するエンジンの排気浄化装置（以下「排気浄化装置」という）において、液体還元剤又はその前駆体の供給系の総合的な故障診断を行う技術に関する。

エンジン排気系に配設されたＮＯｘ還元触媒の排気上流に、液体還元剤又はその前駆体を噴射供給し、排気中のＮＯｘと還元剤とを触媒還元反応させて、ＮＯｘを無害成分に還元浄化する排気浄化装置が種々提案されている。排気浄化装置においては、液体還元剤又はその前駆体を噴射供給する噴射ノズルに目詰りが発生すると、ＮＯｘ還元触媒に適量の還元剤が供給されず、排気浄化装置としての機能を発揮できない。このため、特開２００６−１３２４４２号公報（特許文献１）に記載されるように、各種パラメータから噴射ノズルの詰りを間接的に判定する技術が提案された。
特開２００６−１３２４４２号公報

しかしながら、ＮＯｘ還元触媒に適量の還元剤が供給されない要因としては、噴射ノズルの目詰りだけではなく、例えば、配管の詰りや亀裂、電子制御系の故障など種々想定できる。このため、噴射ノズルの目詰り判定のみならず、液体還元剤又はその前駆体の供給系の総合的な故障診断を行う技術が必要である。
そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、液体還元剤又はその前駆体の消費量と制御値（添加流量）を順次積算した積算量との間に相関関係があることに着目し、液体還元剤又はその前駆体の供給系の総合的な故障診断を行い得る排気浄化装置を提供することを目的とする。

このため、請求項１記載の発明では、エンジンの排気浄化装置は、還元剤を用いて排気中の窒素酸化物を還元浄化する還元触媒と、液体還元剤又はその前駆体を貯蔵する還元剤タンクと、エンジン運転状態に応じた液体還元剤又はその前駆体の添加流量を演算する添加流量演算手段と、前記添加流量演算手段により演算された添加流量に基づいて、前記還元剤タンクに貯蔵された液体還元剤又はその前駆体を還元触媒の排気上流に添加する還元剤添加手段と、前記添加流量演算手段により演算された添加流量を順次積算した積算量を演算する積算量演算手段と、前記還元剤タンクに貯蔵された液体還元剤又はその前駆体の水位を測定する水位測定手段と、前記水位測定手段により測定された水位に基づいて、液体還元剤又はその前駆体の消費量を演算する消費量演算手段と、前記積算量演算手段により演算された積算量と消費量演算手段により演算された消費量との比率に基づいて、液体還元剤又はその前駆体の供給系に故障が発生しているか否かを判定する故障判定手段と、前記積算量の時系列的な変化特性に基づいて、前記消費量の応答遅れを補正するための補正量を演算する補正量演算手段と、を含んで構成され、前記消費量演算手段は、前記還元剤タンクにおける液体還元剤又はその前駆体の初期水位から、前記水位測定手段により測定された水位に対して１秒より大きな時定数のフィルタを適用したフィルタ値に補正量を加味した値を減算して、液体還元剤又はその前駆体の消費量を演算することを特徴とする。

請求項２記載の発明では、前記故障判定手段は、前記積算量に対する消費量の比率が所定範囲を逸脱しているときに、液体還元剤又はその前駆体の供給系に故障が発生していると判定することを特徴とする。
請求項３記載の発明では、前記故障判定手段は、前記積算量に対する消費量の比率が上限閾値以上であるときに、液体還元剤又はその前駆体の消費が異常に多い故障であると判定する一方、前記積算量に対する消費量の比率が下限閾値以下であるときに、液体還元剤又はその前駆体の消費が異常に少ない故障であると判定することを特徴とする。

請求項４記載の発明では、前記補正量演算手段は、前記添加流量の移動平均に対して１秒より大きな時定数のフィルタを適用することで、前記補正量を演算することを特徴とする。
請求項５記載の発明では、前記消費量演算手段は、前記還元剤タンクにおける液体還元剤又はその前駆体の初期水位から、前記水位測定手段により測定された水位に対して１秒より大きな時定数のフィルタを適用したフィルタ値の最小値である下限水位を減算して、液体還元剤又はその前駆体の消費量を演算することを特徴とする。

請求項６記載の発明では、前記水位測定手段により測定された水位に対して１秒より大きな時定数のフィルタを適用したフィルタ値と、前記時定数と異なる時定数のフィルタを適用したフィルタ値と、の差が第１の所定値以下である状態が第１の所定時間以上連続したときに、該フィルタ値を初期水位として設定する初期水位設定手段を備えたことを特徴とする。
請求項７記載の発明では、前記初期水位設定手段は、エンジン始動時又はエンジン停止時に初期水位を設定することを特徴とする。

請求項８記載の発明では、前記故障判定手段は、エンジン始動後に、前記積算量演算手段により演算された積算量が第２の所定値以上であるときのみ、液体還元剤又はその前駆体の供給系に故障が発生しているか否かを判定することを特徴とする。
請求項９記載の発明では、前記還元剤タンク内の液体還元剤又はその前駆体の温度が氷点未満であるときに、前記積算量及び消費量をリセットする第１のリセット手段を備えたことを特徴とする。

請求項１０記載の発明では、前記水位測定手段により測定された水位に対して１秒より大きな時定数のフィルタを適用したフィルタ値からその最小値である下限水位を減算した値が、第２の所定時間内に第３の所定値以上上昇したときに、前記積算量及び消費量をリセットする第２のリセット手段を備えたことを特徴とする。
請求項１１記載の発明では、前記還元剤タンクに貯蔵される液体還元剤又はその前駆体が空になったか否かを判定する空判定手段と、前記空判定手段により液体還元剤又はその前駆体が空になったと判定されたときに、前記積算量及び消費量をリセットする第３のリセット手段と、を備えたことを特徴とする。

請求項１２記載の発明では、前記空判定手段は、前記水位測定手段により測定された水位が第４の所定値未満となったときに、液体還元剤又はその前駆体が空になったと判定することを特徴とする。
請求項１３記載の発明では、前記故障判定手段により液体還元剤又はその前駆体の供給系に故障が発生していると判定されたときに、その旨を報知する報知手段を備えたことを特徴とする。

請求項１４記載の発明では、エンジン停止時に、前記積算量及び消費量を不揮発性メモリに書き込む書込手段と、エンジン始動時に、前記不揮発性メモリから積算値及び消費量を読み込む読込手段と、を備えたことを特徴とする。
請求項１５記載の発明では、前記故障判定手段は、液体還元剤又はその前駆体の供給系に故障が発生していると所定回数連続して判定したときに、その判定を確定することを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、エンジン運転状態に応じた液体還元剤又はその前駆体の添加流量を順次積算した積算量が演算されると共に、還元剤タンクに貯蔵された液体還元剤又はその前駆体の水位に基づいて消費量が演算される。そして、積算量と消費量との比率に基づいて、液体還元剤又はその前駆体の供給系に故障が発生しているか否かが判定される。即ち、制御上消費されたであろうと考えられる積算量に比べて、実際に消費された消費量が大幅に少なく又は多いときには、液体還元剤又はその前駆体の供給系に何らかの故障が発生したと判定することができる。このため、噴射ノズルの目詰りのみならず、例えば、配管の詰りや亀裂，電子制御系の故障など、液体還元剤又はその前駆体の供給系の総合的な故障診断を行うことができる。
また、還元剤タンクにおける液体還元剤又はその前駆体の初期水位から、測定水位に対して１秒より大きな時定数のフィルタを適用したフィルタ値を減算することで、液体還元剤又はその前駆体の消費量が演算される。このため、液体還元剤又はその前駆体の液面揺れなどによる変動が抑制され、消費量の演算精度を向上させることができる。
さらに、積算量の時系列的な変化特性（傾き）に応じた補正量に基づいてフィルタ値が補正されるので、応答遅れに起因する消費量の演算精度低下を抑制することができる。

請求項２記載の発明によれば、積算量に対する消費量の比率が所定範囲を逸脱しているときに、液体還元剤又はその前駆体の供給系に故障が発生したと判定することができる。
請求項３記載の発明によれば、積算量に対する消費量の比率が所定範囲の上限を画定する上限閾値以上であるとき、液体還元剤又はその前駆体の消費が異常に多い故障であると判定される。また、積算量に対する消費量の比率が所定範囲の下限を画定する下限閾値以下であるとき、液体還元剤又はその前駆体の消費が異常に少ない故障であると判定される。このため、液体還元剤又はその前駆体の供給系に故障が発生したことに留まらず、どのような故障が発生したかを診断することができる。

請求項４記載の発明によれば、補正量は、エンジン運転状態に応じた添加流量の移動平均に対して１秒より大きな時定数のフィルタを適用することで演算されるため、複雑な演算を行う必要がなく、制御負荷の増加を抑制することができる。

請求項５記載の発明によれば、還元剤タンクにおける液体還元剤又はその前駆体の初期水位から、測定水位に対して１秒より大きな時定数のフィルタを適用したフィルタ値の最小値である下限水位を減算することで、液体還元剤又はその前駆体の消費量が演算される。即ち、還元剤タンク内の液体還元剤又はその前駆体は、その消費に伴って水位が徐々に低下し、また、その液面は上側に大きく下側に小さく揺れる現象が見受けられる。このため、フィルタ値の最小値を用いることで、液体還元剤又はその前駆体の揺れによる変動を抑制しつつ、その液面揺れを考慮した消費量を演算することができる。

請求項６記載の発明によれば、測定水位に対して１秒より大きな時定数のフィルタを適用したフィルタ値と、前記時定数と異なる時定数のフィルタを適用したフィルタ値と、の差が第１の所定値である状態が第１の所定時間以上連続したとき、要するに、液体還元剤又はその前駆体の水位が安定しているときに、初期水位が設定される。このため、液体還元剤又はその前駆体の液面に揺れが少ない又はない状態での水位が初期水位となるので、消費量の演算精度を向上させることができる。

請求項７記載の発明によれば、初期水位はエンジン始動時又はエンジン停止時に設定されるため、例えば、移動車両に搭載した排気浄化装置においては、走行振動などが少ない停車中での初期水位設定を行うことができる。
請求項８記載の発明によれば、エンジン運転状態に応じた添加流量を順次積算した積算量が第２の所定値以上であるときのみ、液体還元剤又はその前駆体の供給系に故障が発生しているか否かが判定される。即ち、積算量が少ないときには、消費量との差が小さいことから相対誤差が大きくなり易いため、この状態での故障判定を禁止することで、誤診断が行われることを抑制することができる。

請求項９記載の発明によれば、還元剤タンク内の液体還元剤又はその前駆体の温度が氷点未満であるときには、積算量及び消費量がリセットされ、故障診断が初めからやり直される。このため、液体還元剤又はその前駆体が凍結又はシャーベット状になっているため添加が困難である状態での故障診断が行われず、その供給系に故障が発生していないにもかかわらず、故障発生と誤診断されることを抑制することができる。

請求項１０又は請求項１１に記載の発明によれば、液体還元剤若しくはその前駆体が補充されたとき、又は、還元剤タンクに貯蔵される液体還元剤若しくはその前駆体が空になったときには、これが正常に消費されたと考えられるため、積算量及び消費量をリセットすることで、故障診断が初めからやり直される。このため、故障発生の蓋然性が低い状態で故障診断が続行されることが防止され、診断精度をさらに向上させることができる。

請求項１２記載の発明によれば、測定水位が第４の所定値未満となったときに、液体還元剤又はその前駆体が空になったと判定されるため、空判定の条件を任意に設定することができる。
請求項１３記載の発明によれば、液体還元剤又はその前駆体の供給系に故障が発生したと判定されたときには、その旨が報知されるので、故障発生を認識することができ、点検・整備などの適切な処理を行うことで、排気浄化装置としての機能を発揮することができる。

請求項１４記載の発明によれば、エンジン停止時に積算量及び消費量が不揮発性メモリに書き込まれる一方、エンジン始動時にこれらが不揮発性メモリから読み込まれるため、エンジンを始動するたびに故障診断を初めから行う必要がなく、短時間で故障診断を行うことができる。
請求項１５記載の発明によれば、液体還元剤又はその前駆体の供給系に故障が発生していると所定回数連続して判定されたときに、その判定が確定されるため、ノイズ重畳などによる誤診断を抑制することができる。

以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図１は、液体還元剤の前駆体としての尿素水溶液を使用し、エンジン排気中のＮＯｘを還元浄化する排気浄化装置の全体構成を示す。
エンジン１０の排気マニフォールド１２に接続される排気管１４には、排気流通方向に沿って、一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ₂）へと酸化させる窒素酸化触媒１６と、尿素水溶液を噴射供給する噴射ノズル１８と、尿素水溶液を加水分解して得られるアンモニアを使用してＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ還元触媒２０と、ＮＯｘ還元触媒２０を通過したアンモニアを酸化させるアンモニア酸化触媒２２と、が夫々配設される。

尿素水溶液を貯蔵する還元剤タンク２４は、その底部で吸込口が開口するサクションホース２６を介して、尿素水溶液を吸い込んで圧送するポンプモジュール２８に連通接続される。ポンプモジュール２８は、プレッシャホース３０を介して、尿素水溶液の添加流量を制御する添加モジュール３２に連通接続される。添加モジュール３２は、添加ホース３４を介して、噴射ノズル１８に連通接続される。ここで、少なくとも、噴射ノズル１８，サクションホース２６，ポンプモジュール２８，プレッシャホース３０，添加モジュール３２及び添加ホース３４により、還元剤添加手段が構成される。なお、還元剤添加手段としては、かかる構成に限定されず、圧縮空気を使用しないもの、添加モジュール３２が排気管１４に直接取り付けられるもの、噴射ノズル１８がないものなどであってもよい。

還元剤タンク２４には、尿素水溶液の水位Ｌ及び濃度Ｃを測定するセンサ３６（水位測定手段）が取り付けられる。センサ３６は、図２（Ａ）に示すように、還元剤タンク２４の天壁から底壁に向けて、横断面が円環形状をなす内側電極３６Ａ及び外側電極３６Ｂが同心に垂下され、両電極間の静電容量変化から水位Ｌを間接的に測定する。また、センサ３６は、内側電極３６Ａ及び外側電極３６Ｂの先端部に温度センサを兼ねたセラミックスヒータ３６Ｃが固定され、同図（Ｂ）に示すように、セラミックスヒータ３６Ｃを所定時間Δｔ作動させたときの温度上昇特性（Ｔ₁−Ｔ₂）、即ち、尿素水溶液を熱伝達媒体とした放熱特性から濃度Ｃを間接的に測定する。さらに、センサ３６は、その温度センサにより、尿素水溶液の温度Ｔuを測定する。なお、図中の符号３６Ｄは、セラミックスヒータ３６Ｃを固定しつつ、内側電極３６Ａと外側電極３６Ｂとの間の間隔を略一定に保持するためのホルダである。

窒素酸化触媒１６と噴射ノズル１８との間に位置する排気管１４には、排気温度Ｔeを測定する排気温度センサ３８が取り付けられる。センサ３６及び排気温度センサ３８の各出力信号は、コンピュータを内蔵した還元剤添加コントロールユニット（以下「還元剤添加ＥＣＵ」という）４０に入力される。また、還元剤添加ＥＣＵ４０には、エンジン１０の各種制御を行うエンジンコントロールユニット４２から、ＣＡＮ（Controller Area Network）などのネットワークを介して、エンジン回転速度，イグニッションスイッチ信号などのエンジン運転状態が入力される。そして、還元剤添加ＥＣＵ４０では、そのＲＯＭ（Read Only Memory）などに記憶された制御プログラムを実行することで、ポンプモジュール２８及び添加モジュール３２が夫々電子制御されると共に、尿素水溶液の供給系の総合的な故障診断が行われ、その診断結果に応じて警告灯，ブザーなどの警報器４４が適宜制御される。このとき、還元剤添加ＥＣＵ４０は、少なくとも排気温度Ｔeを含むエンジン運転状態から演算した制御値（添加流量）に基づいて、ポンプモジュール２８及び添加モジュール３２を夫々制御する。

ここで、還元剤添加ＥＣＵ４０が制御プログラムを実行することで、添加流量演算手段，積算量演算手段，消費量演算手段，故障判定手段，補正量演算手段，初期水位設定手段，第１〜第３のリセット手段，空判定手段，書込手段及び読込手段が夫々具現化される。また、還元剤添加ＥＣＵ４０において実行される制御プログラムが警報器４４を作動させることで、報知手段が具現化される。なお、尿素水溶液の添加流量を表わす制御値が入力可能であれば、還元剤ＥＣＵ４０に限らず、エンジンＥＣＵ４２や他のＥＣＵで制御プログラムを実行するようにしてもよい。

かかる排気浄化装置において、エンジン運転状態に応じて噴射ノズル１８から噴射供給された尿素水溶液は、排気熱及び排気中の水蒸気により加水分解され、還元剤として機能するアンモニアへと転化される。転化されたアンモニアは、ＮＯｘ還元触媒２０において排気中のＮＯｘと還元反応し、水（Ｈ₂Ｏ）及び窒素（Ｎ₂）へと転化されることは知られたことである。このとき、ＮＯｘ還元触媒２０によるＮＯｘ浄化能力を向上させるべく、窒素酸化触媒１６によりＮＯがＮＯ₂へと酸化され、排気中のＮＯとＮＯ₂との割合が還元反応に適したものに改善される。一方、ＮＯｘ還元触媒２０を通過したアンモニアは、その排気下流に配設されたアンモニア酸化触媒２２により酸化されるので、アンモニアがそのまま大気中に放出されることが防止される。

次に、尿素水溶液供給系の故障診断を行う制御プログラムについて説明する。
図３及び図４は、エンジン始動を契機として、還元剤添加ＥＣＵ４０において実行される故障診断処理を示す。
ステップ１（図では「Ｓ１」と略記する。以下同様）では、各種変数を初期化する。具体的には、尿素水溶液の添加流量を表わす制御値を順次積算した積算量Ｓｕｍ、及び、センサ３６から読み込んだ水位Ｌに対して所定時定数のフィルタを適用させた出力値（以下「フィルタ値」という）ＦＬＴ_t（ｔ：時定数）を夫々リセットする。

ステップ２では、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）などの不揮発性メモリから、前回の故障診断において書き込んだ初期水位Ｌ_INI，初期積算量Ｓｕｍ_INI，カウンタＣＮＴ_S，カウンタＣＮＴ_L及び下限水位Ｌ_LOWを夫々読み込む。ここで、初期水位Ｌ_INIは、故障診断開始時の尿素水溶液の水位、初期積算量Ｓｕｍ_INIは、前回の故障診断において積算した最終的な積算量、カウンタＣＮＴ_S及びＣＮＴ_Lは、尿素水溶液の消費が「小」又は「大」と連続して判定された回数を計数するためのカウンタである。下限水位Ｌ_LOWは、尿素水溶液の消費に伴って水位が徐々に低下し、また、尿素水溶液が揺れたときには、図５（Ａ）に示すように、その液面は上側に大きく下側に小さい現象に鑑み、同図（Ｂ）の実線で示すように、所定時定数のフィルタを適用させたフィルタ値の最小値を保持したものである。具体的には、下限水位Ｌ_LOWは、水位Ｌを測定したときのフィルタ値と最小値とを比較し、フィルタ値が最小値よりも小さいときに、フィルタ値で最小値を逐次更新したものである。なお、初期水位Ｌ_INIが未設定であるときには、その値が０に設定される。

ステップ３では、初期水位Ｌ_INIが設定済みであるか否か、即ち、初期水位Ｌ_INIとして０以外の値が設定されているか否かを判定する。そして、初期水位Ｌ_INIが設定済みであればステップ４へと進む一方（Ｙｅｓ）、初期水位Ｌ_INIが未設定であればこれを設定すべくステップ２４へと進む（Ｎｏ）。
ステップ４では、センサ３６から読み込んだ水位Ｌに対して、異なる時定数のフィルタを夫々適用させた各種フィルタ値ＦＬＴ_tを算出すると共に、下限水位Ｌ_LOWを必要に応じて更新する。ここで、時定数としては、水位Ｌのサンプリング間隔に応じて、数秒，数十秒，数百秒などを採用することができる。なお、以下では説明の便宜上、時定数数秒，数十秒，数百秒のフィルタを適用させたフィルタ値ＦＬＴ_tを、夫々、ＦＬＴ_s，ＦＬＴ_M，ＦＬＴ_Lと表わすものとする。

ステップ５では、次式により、尿素水溶液の噴射流量を表わす制御値を順次積算する。
積算量Ｓｕｍ＝積算量Ｓｕｍ＋制御値
ステップ６では、次式により、実際に消費した尿素水溶液の消費量Ｃｏｎ₁及びＣｏｎ_２を夫々算出する。なお、次式中のＳは、水位を体積に変換すべく、還元剤タンク２４の横断面積などにより一意に決定される変換定数である。

消費量Ｃｏｎ₁＝（初期水位Ｌ_INI−フィルタ値ＦＬＴ_L）×変換定数Ｓ
消費量Ｃｏｎ₂＝（初期水位Ｌ_INI−下限水位Ｌ_LOW）×変換定数Ｓ
ステップ７では、消費量Ｃｏｎ₁は、フィルタ値ＦＬＴ_Lにより時間的な変化が制限されているため、尿素水溶液の消費に伴う実際の水位変化に対し、応答遅れの誤差を含む可能性があることを考慮し、これを補正するための補正量Ｃｏｒを算出する。具体的には、積算量Ｓｕｍの時系列的な変化特性（傾き）から応答遅れを補正すべく、所定数の制御値の移動平均に対して、消費量Ｃｏｎ₁の算出時に使用したフィルタの時定数と同一の時定数のフィルタを適用することで、補正量Ｃｏｒを算出する。

ステップ８では、尿素水溶液供給系に故障が発生している蓋然性が高いか否かを判定する。具体的には、［(消費量Ｃｏｎ₁＋補正量Ｃｏｒ≧閾値Ｔｈ₁、又は、消費量Ｃｏｎ₂≧閾値Ｔｈ₁)かつ(初期積算量Ｓｕｍ_INI＋積算量Ｓｕｍ＞閾値Ｔｈ₂)］という条件が成立しているか否かを判定する。ここで、閾値Ｔｈ₁及びＴｈ₂は、尿素水溶液供給系が正常であれば、積算量に対する消費量の比率が取り得る値に夫々設定される。そして、故障発生の蓋然性が高ければステップ９へと進む一方（Ｙｅｓ）、故障発生の蓋然性が低ければステップ１９へと進む（Ｎｏ）。

ステップ９では、積算量Ｓｕｍが閾値Ｔｈ₃以上であるか否かを判定する。ここで、閾値Ｔｈ₃は、故障診断を行う条件を規定するもので、積算量Ｓｕｍが少ないときには、相対誤差が大きく正確な故障診断が行われない可能性があることを考慮し、例えば、数百mlに設定される。そして、積算量Ｓｕｍが閾値Ｔｈ₃以上であればステップ１０へと進む一方（Ｙｅｓ）、積算量Ｓｕｍが閾値Ｔｈ₃未満であればステップ４へと戻る（Ｎｏ）。

ステップ１０では、積算量と消費量との比率に基づいて、尿素水溶液供給系に何らかの故障が発生し、積算量に対して消費量が異常に多い「消費大」となっているか否かを判定する。具体的には、［(初期積算量Ｓｕｍ_INI＋積算量Ｓｕｍ≦閾値Ｔｈ₄)かつ(消費量Ｃｏｎ₁≧閾値Ｔｈ₅)かつ(消費量Ｃｏｎ₂≧閾値Ｔｈ₅)］という条件、即ち、積算量が閾値Ｔｈ₄以下であるにもかかわらず、消費量が閾値Ｔｈ₅以上である条件が成立しているか否かを判定する。ここで、閾値Ｔｈ₄及びＴｈ₅は、積算量に対して消費量が異常に多いか否かを判定するための閾値であって、積算量と消費量との比率を規定する値に夫々設定される。そして、「消費大」となっていればステップ１１へと進む一方（Ｙｅｓ）、「消費大」となっていなければステップ１３へと進む（Ｎｏ）。

ステップ１１では、カウンタＣＮＴ_Lをインクリメントする。
ステップ１２では、「消費大」と判定されたため、「消費小」である蓋然性は極めて低いと判断し、診断精度を向上させる観点から、カウンタＣＮＴ_Sをリセットする。
ステップ１３では、積算量と消費量との比率に基づいて、尿素水溶液供給系に何らかの故障が発生し、積算量に対して消費量が異常に少ない「消費小」となっているか否かを判定する。具体的には、［(初期積算量Ｓｕｍ_INI＋積算量Ｓｕｍ≧閾値Ｔｈ₆)かつ(消費量Ｃｏｎ₁＋補正量Ｃｏｒ＜閾値Ｔｈ₇)かつ(消費量Ｃｏｎ₂＜閾値Ｔｈ₇)］という条件、即ち、積算量が閾値Ｔｈ₆以上であるにもかかわらず、消費量が閾値Ｔｈ₇未満である条件が成立しているか否かを判定する。ここで、閾値Ｔｈ₆及びＴｈ₇は、積算量に対して消費量が異常に少ないか否かを判定するための閾値であって、積算量と消費量との比率を規定する値に夫々設定される。そして、「消費小」となっていればステップ１４へと進む一方（Ｙｅｓ）、「消費小」となっていなければステップ４へと戻る（Ｎｏ）。

ステップ１４では、カウンタＣＮＴ_Sをインクリメントする。
ステップ１５では、「消費小」と判定されたため、「消費大」である蓋然性は極めて低いと判断し、診断精度を向上させる観点から、カウンタＣＮＴ_Lをリセットする。
ステップ１６では、カウンタＣＮＴ_Sが閾値Ｔｈ₈以上であるか否かを判定する。ここで、閾値Ｔｈ₈は、ノイズ重畳などにより「消費小」と誤判定されても、これが所定回連続しなければその判定を確定しないことで、故障診断精度を向上させるためのものであって、例えば、数回程度に設定される。そして、カウンタＣＮＴ_sが閾値Ｔｈ₈以上であればステップ１８へと進む一方（Ｙｅｓ）、カウンタＣＮＴ_Sが閾値Ｔｈ₈未満であればステップ１７へと進む（Ｎｏ）。

ステップ１７では、カウンタＣＮＴ_Lが閾値Ｔｈ₉以上であるか否かを判定する。ここで、閾値Ｔｈ₉は、ノイズ重畳などにより「消費大」と誤判定されても、これが所定回連続しなければその判定を確定しないことで、故障診断精度を向上させるためのものであって、例えば、数回程度に設定される。なお、閾値Ｔｈ₉は、閾値Ｔｈ₈と同じ値又は異なる値に設定することができる。そして、カウンタＣＮＴ_Lが閾値Ｔｈ₉以上であればステップ１８へと進む一方（Ｙｅｓ）、カウンタＣＮＴ_Lが閾値Ｔｈ₉未満であればステップ２０へと進む（Ｎｏ）。

ステップ１８では、尿素水溶液供給系に故障が発生したことを報知すべく、警報器４４を作動させた後、処理を終了する。
ステップ１９では、カウンタＣＮＴ_s及びＣＮＴ_Lを夫々リセットする。
ステップ２０では、初期水位Ｌ_INIをリセットする。
ステップ２１では、積算量Ｓｕｍをリセットする。

ステップ２２では、フィルタ値ＦＬＴ_s，ＦＬＴ_M及びＦＬＴ_Lを夫々リセットする。
ステップ２３では、下限水位Ｌ_LOWをリセットした後、ステップ３へと戻る。
ステップ２４では、ステップ４と同様な処理により、センサ３６から読み込んだ水位Ｌからフィルタ値ＦＬＴ_S，ＦＬＴ_M及びＦＬＴ_Lを夫々算出する。
ステップ２５では、還元剤タンク２４に貯蔵される尿素水溶液の水位が安定しているか否かを判定する。具体的には、［(｜フィルタ値ＦＬＴ_S−フィルタ値ＦＬＴ_L｜≦閾値Ｔｈ₁₀)かつ(｜フィルタ値ＦＬＴ_M−フィルタ値ＦＬＴ_L｜≦閾値Ｔｈ₁₀)］という条件が所定時間以上成立し続けているか否かを判定する。ここで、閾値Ｔｈ₁₀は、尿素水溶液の水位が安定しているか否か、即ち、その液面の揺れの大小を判定するための閾値であって、例えば、数mm程度に設定される。そして、尿素水溶液の水位が安定していればステップ２６へと進む一方（Ｙｅｓ）、尿素水溶液の水位が安定していなければステップ２４へと戻る（Ｎｏ）。

ステップ２６では、初期水位Ｌ_INIにフィルタ値ＦＬＴ_Lを設定した後、ステップ５へと進む。
かかる故障診断処理によれば、エンジン運転状態に応じた制御値（尿素水溶液の添加流量）を順次積算することで、制御上消費されたであろうと考えられる積算量Ｓｕｍが演算される。また、還元剤タンク２４における尿素水溶液の初期水位Ｌ_INIから、センサ３６から読み込んだ水位Ｌに対して時定数数百秒のフィルタを適用したフィルタ値ＦＬＴ_Lを減算することで、尿素水溶液の液面揺れによる変動が抑制された消費量Ｃｏｎ₁が演算される。さらに、初期水位Ｌ_INIから、水位Ｌに対して時定数数十秒のフィルタを適用したフィルタ値ＦＬＴ_Mを減算することで、尿素水溶液の液面揺れによる変動を抑制しつつその液面揺れ特性を考慮した消費量Ｃｏｎ₂が演算される。ここで、初期水位Ｌ_INIは、水位が安定した条件下でのみ設定されるため、尿素水溶液の液面揺れが極力排除される。

そして、初期積算量Ｓｕｍ_INIに積算量Ｓｕｍを加算した積算量（以下「Total積算量」という）と消費量Ｃｏｎ₁及びＣｏｎ₂との比率に基づいて、尿素水溶液供給系に故障が発生したか否かが判定される。具体的には、Total積算量に対する消費量Ｃｏｎ₁及びＣｏｎ₂の比率が、尿素水溶液の消費が異常に多いことを判定する上限閾値及びその消費が異常に少ないことを判定する下限閾値により画定される所定範囲から逸脱しているときに、尿素水溶液供給系に故障が発生したと判定される。

従って、噴射ノズル１８の目詰りのみならず、例えば、配管の詰りや亀裂，電子制御系の故障，添加モジュール３２に内蔵された流量制御弁の固着など、尿素水溶液供給系の総合的な故障診断を行うことができる。
このとき、消費量Ｃｏｎ₁は、応答遅れを考慮し、積算量Ｓｕｍの時系列的な変化特性に応じた補正量Ｃｏｒにより補正されるため、故障診断精度を向上させることができる。また、積算量Ｓｕｍが所定値（閾値Ｔｈ₃）以上であるときのみ、尿素水溶液供給系に故障が発生したか否かが判定されるので、消費量との差が小さく、相対誤差が大きくなり易い状態での故障判定が禁止され、誤診断が行われることを抑制することができる。さらに、故障発生の蓋然性が低いときには、故障診断が初めからやり直されるので、その信頼性を向上させることができる。

一方、尿素水溶液供給系に故障が発生したと判定されても、所定回数連続しなければその判定が確定されないため、ノイズ重畳などによる誤診断を抑制することができる。そして、尿素水溶液供給系の故障判定が確定されたときには、警報器４４が作動されるため、故障発生を認識することができ、点検・修理などの適切な処理を行うことで、排気浄化装置としての機能を発揮することができる。

図６は、エンジン始動を契機として、図３及び図４に示す処理と並行して、還元剤添加ＥＣＵ４０において所定時間ごとに繰り返し実行される診断許可処理を示す。
ステップ３１では、診断許可条件が成立しているか否かを判定する。ここで、診断許可条件としては、還元剤タンク２４に貯蔵される尿素水溶液の温度Ｔuが低いときには、これが凍結又はシャーベット状になっているため噴射供給が困難である可能性を考慮し、例えば、尿素水溶液の温度Ｔuが氷点以上であるか否かを採用することができる。なお、尿素水溶液の温度Ｔuは、センサ３６の温度センサ機能を用いて測定すればよい。そして、診断許可条件が成立していればステップ３２へと進む（Ｙｅｓ）。一方、診断許可条件が成立していなければステップ３４へ進み（Ｎｏ）、カウンタＣＮＴ_Lをリセットする。

ステップ３２では、尿素水溶液の補充が行われていないか否かを判定する。具体的には、［フィルタ値ＦＬＴ_M−下限水位Ｌ_LOW≧閾値Ｔｈ₁₁］という条件が所定時間以上連続して成立したか否かを判定する。ここで、閾値Ｔｈ₁₁は、尿素水溶液が補充されることで水位が上昇したか否かを判定するための閾値であって、例えば、10〜20mm程度に設定される。そして、尿素水溶液の補充が行われていなければステップ３３へと進む一方（Ｙｅｓ）、尿素水溶液の補充が行われたならばステップ３５へと進む（Ｎｏ）。

ステップ３３では、センサ３６から読み込んだ水位Ｌに基づいて、尿素水溶液の残量が閾値Ｔｈ₁₂以上であるか否かを判定する。ここで、閾値Ｔｈ₁₂は、尿素水溶液が空若しくは残量が少ない状態であるか否かを判定するための閾値であって、例えば、センサ３６の水位測定能力に応じて適宜設定される。そして、尿素水溶液の残量が閾値Ｔｈ₁₂以上であれば処理を終了する一方（Ｙｅｓ）、尿素水溶液の残量が閾値Ｔｈ₁₂未満であればステップ３５へと進む（Ｎｏ）。

ステップ３５では、カウンタＣＮＴ_Sをリセットする。
ステップ３６では、初期水位Ｌ_INIをリセットする。
ステップ３７では、積算量Ｓｕｍをリセットする。
ステップ３８では、フィルタ値ＦＬＴ_S，ＦＬＴ_M及びＦＬＴ_Lを夫々リセットする。
ステップ３９では、下限水位Ｌ_LOWをリセットする。

かかる診断許可処理によれば、還元剤タンク２４に貯蔵される尿素水溶液の温度Ｔuが所定温度（氷点）未満であるときには、積算量Ｓｕｍ並びに消費量Ｃｏｎ₁及びＣｏｎ₂を演算する基準となる初期水位Ｌ_INIが夫々リセットされ、故障診断が初めからやり直される。このため、尿素水溶液が凍結又はシャーベット状になっているため噴射供給が困難である状態での故障診断が行われず、その供給系に故障が発生していないにもかかわらず、故障発生と判定される誤診断を抑制することができる。

また、尿素水溶液が補充され又は空となったときには、その消費が異常に少ない「消費小」である蓋然性が極めて低いため、「消費大」と判定された回数を計数するカウンタＣＮＴ_Lのみを保持したまま、故障診断が初めからやり直される。このため、「消費小」と誤判定される可能性が低減し、故障診断精度を向上させることができる。
図７は、エンジン停止を契機として、還元剤添加ＥＣＵ４０において実行される情報書込処理を示す。

ステップ４１では、フィルタ値ＦＬＴ_S，ＦＬＴ_M及びＦＬＴ_Lを夫々リセットする。
ステップ４２では、ステップ４と同様な処理により、センサ３６から読み込んだ水位Ｌからフィルタ値ＦＬＴ_S，ＦＬＴ_M及びＦＬＴ_Lを夫々算出する。
ステップ４３では、ステップ２５と同様な処理により、還元剤タンク２４に貯蔵される尿素水溶液の水位が安定しているか否かを判定する。そして、尿素水溶液の水位が安定していればステップ４４へと進む一方（Ｙｅｓ）、尿素水溶液の水位が安定していなければステップ４２へと戻る（Ｎｏ）。

ステップ４４では、初期水位Ｌ_INIが未設定であるか否かを判定する。そして、初期水位Ｌ_INIが未設定であればステップ４５へと進み（Ｙｅｓ）、初期水位Ｌ_INIにフィルタ値ＦＬＴ_Lを設定する。一方、初期水位Ｌ_INIが設定済みであればステップ４６へと進む（Ｎｏ）。
ステップ４６では、初期積算量Ｓｕｍ_INIに積算量Ｓｕｍを設定した後、初期水位Ｌ_INI，初期積算量Ｓｕｍ_INI，カウンタＣＮＴ_S，カウンタＣＮＴ_L及び下限水位Ｌ_LOWを夫々ＥＥＰＲＯＭに書き込む。

かかる情報書込処理によれば、エンジン停止時に、還元剤タンク２４に貯蔵される尿素水溶液の水位が安定した条件下で、尿素水溶液の初期水位Ｌ_INI及び下限水位Ｌ_LOWが設定される。また、初期積算量Ｓｕｍ_INIに積算量Ｓｕｍが設定された後、初期水位Ｌ_INI，初期積算量Ｓｕｍ_INI，カウンタＣＮＴ_S，カウンタＣＮＴ_L及び下限水位Ｌ_LOWがＥＥＰＲＯＭに書き込まれる。このため、エンジン始動を契機として実行される故障診断処理において、この初期水位Ｌ_INI及び下限水位Ｌ_LOWに基づいて消費量Ｃｏｎ₁及びＣｏｎ₂が演算されることとなり、エンジン始動後すぐ故障診断を開始することができる。また、初期積算量Ｓｕｍ_INI，カウンタＣＮＴ_S，カウンタＣＮＴ_L及び下限水位Ｌ_LOWが引き継がれるため、エンジン１０を始動するたびに故障診断を初めから行う必要がなく、短時間で故障診断を行うことができる。

なお、本実施形態においては、還元剤タンク２４に貯蔵される尿素水溶液の水位Ｌ及び温度Ｔuを測定するために、水位測定機能及び濃度測定機能を備えたセンサ３６を使用したが、公知の水位計及び温度センサを使用して水位Ｌ及び温度Ｔuを計測するようにしてもよい。
また、本発明は、液体還元剤又はその前駆体として尿素水溶液を使用するものに限らず、ＮＯｘ還元触媒におけるＮＯｘ還元浄化反応に応じて、アンモニアや炭化水素を主成分とする軽油，ガソリン，灯油などを使用するものにも適用可能である。

本発明に係る排気浄化装置の一例を示す全体構成図 尿素水溶液の水位及び濃度を測定するセンサを示し、（Ａ）はその構造説明図、（Ｂ）はその測定原理説明図 エンジン始動を契機として実行される故障診断処理のフローチャート エンジン始動を契機として実行される故障診断処理のフローチャート 下限水位の技術的意義を示し、（Ａ）は液面揺れの特性説明図、（Ｂ）は下限水位の特定方法の説明図 エンジン始動を契機として実行される診断許可処理のフローチャート エンジン停止を契機として実行される情報書込処理のフローチャート

符号の説明

１０ エンジン
１４ 排気管
１８ 噴射ノズル
２０ ＮＯｘ還元触媒
２４ 還元剤タンク
２６ サクションホース
２８ ポンプモジュール
３０ プレッシャホース
３２ 添加モジュール
３４ 添加ホース
３６ センサ
３８ 排気温度センサ
４０ 還元剤添加ＥＣＵ
４２ エンジンＥＣＵ
４４ 警報器

Claims (15)

1. 還元剤を用いて排気中の窒素酸化物を還元浄化する還元触媒と、
   液体還元剤又はその前駆体を貯蔵する還元剤タンクと、
   エンジン運転状態に応じた液体還元剤又はその前駆体の添加流量を演算する添加流量演算手段と、
   前記添加流量演算手段により演算された添加流量に基づいて、前記還元剤タンクに貯蔵された液体還元剤又はその前駆体を還元触媒の排気上流に添加する還元剤添加手段と、
   前記添加流量演算手段により演算された添加流量を順次積算した積算量を演算する積算量演算手段と、
   前記還元剤タンクに貯蔵された液体還元剤又はその前駆体の水位を測定する水位測定手段と、
   前記水位測定手段により測定された水位に基づいて、液体還元剤又はその前駆体の消費量を演算する消費量演算手段と、
   前記積算量演算手段により演算された積算量と消費量演算手段により演算された消費量との比率に基づいて、液体還元剤又はその前駆体の供給系に故障が発生しているか否かを判定する故障判定手段と、
   前記積算量の時系列的な変化特性に基づいて、前記消費量の応答遅れを補正するための補正量を演算する補正量演算手段と、
   を含んで構成され、
   前記消費量演算手段は、前記還元剤タンクにおける液体還元剤又はその前駆体の初期水位から、前記水位測定手段により測定された水位に対して１秒より大きな時定数のフィルタを適用したフィルタ値に補正量を加味した値を減算して、液体還元剤又はその前駆体の消費量を演算することを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
2. 前記故障判定手段は、前記積算量に対する消費量の比率が所定範囲を逸脱しているときに、液体還元剤又はその前駆体の供給系に故障が発生していると判定することを特徴とする請求項１記載のエンジンの排気浄化装置。
3. 前記故障判定手段は、前記積算量に対する消費量の比率が上限閾値以上であるときに、液体還元剤又はその前駆体の消費が異常に多い故障であると判定する一方、前記積算量に対する消費量の比率が下限閾値以下であるときに、液体還元剤又はその前駆体の消費が異常に少ない故障であると判定することを特徴とする請求項２記載のエンジンの排気浄化装置。
4. 前記補正量演算手段は、前記添加流量の移動平均に対して１秒より大きな時定数のフィルタを適用することで、前記補正量を演算することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のエンジンの排気浄化装置。
5. 前記消費量演算手段は、前記還元剤タンクにおける液体還元剤又はその前駆体の初期水位から、前記水位測定手段により測定された水位に対して１秒より大きな時定数のフィルタを適用したフィルタ値の最小値である下限水位を減算して、液体還元剤又はその前駆体の消費量を演算することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載のエンジンの排気浄化装置。
6. 前記水位測定手段により測定された水位に対して１秒より大きな時定数のフィルタを適用したフィルタ値と、前記時定数と異なる時定数のフィルタを適用したフィルタ値と、の差が第１の所定値以下である状態が第１の所定時間以上連続したときに、該フィルタ値を初期水位として設定する初期水位設定手段を備えたことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載のエンジンの排気浄化装置。
7. 前記初期水位設定手段は、エンジン始動時又はエンジン停止時に初期水位を設定することを特徴とする請求項６に記載のエンジンの排気浄化装置。
8. 前記故障判定手段は、エンジン始動後に、前記積算量演算手段により演算された積算量が第２の所定値以上であるときのみ、液体還元剤又はその前駆体の供給系に故障が発生しているか否かを判定することを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載のエンジンの排気浄化装置。
9. 前記還元剤タンク内の液体還元剤又はその前駆体の温度が氷点未満であるときに、前記積算量及び消費量をリセットする第１のリセット手段を備えたことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載のエンジンの排気浄化装置。
10. 前記水位測定手段により測定された水位に対して１秒より大きな時定数のフィルタを適用したフィルタ値からその最小値である下限水位を減算した値が、第２の所定時間内に第３の所定値以上上昇したときに、前記積算量及び消費量をリセットする第２のリセット手段を備えたことを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか１つに記載のエンジンの排気浄化装置。
11. 前記還元剤タンクに貯蔵される液体還元剤又はその前駆体が空になったか否かを判定する空判定手段と、
    前記空判定手段により液体還元剤又はその前駆体が空になったと判定されたときに、前記積算量及び消費量をリセットする第３のリセット手段と、
    を備えたことを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか１つに記載のエンジンの排気浄化装置。
12. 前記空判定手段は、前記水位測定手段により測定された水位が第４の所定値未満となったときに、液体還元剤又はその前駆体が空になったと判定することを特徴とする請求項１１に記載のエンジンの排気浄化装置。
13. 前記故障判定手段により液体還元剤又はその前駆体の供給系に故障が発生していると判定されたときに、その旨を報知する報知手段を備えたことを特徴とする請求項１〜請求項１２のいずれか１つに記載のエンジンの排気浄化装置。
14. エンジン停止時に、前記積算量及び消費量を不揮発性メモリに書き込む書込手段と、
    エンジン始動時に、前記不揮発性メモリから積算値及び消費量を読み込む読込手段と、
    を備えたことを特徴とする請求項１〜請求項１３のいずれか１つに記載のエンジンの排気浄化装置。
15. 前記故障判定手段は、液体還元剤又はその前駆体の供給系に故障が発生していると所定回数連続して判定したときに、その判定を確定することを特徴とする請求項１〜請求項１４のいずれか１つに記載のエンジンの排気浄化装置。

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