(57)【要約】【課題】内燃機関の排気通路を通流する排気ガスに含まれる水分量の検出に好適な水分検出装置を提供すること。【解決手段】水分検出装置３０は、内燃機関の排気通路１０において当該排気通路１０を通流する排気ガスが接触するように配設された発熱抵抗体３１ａを有するセンサ部３１と、センサ部３１で検出された発熱抵抗体３１ａの抵抗率の変化を示す検出値に基づいて、排気ガスに含まれる水分量を算出する演算部３２と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路において当該排気通路を通流する排気ガスが接触するように配設された発熱抵抗体を有するセンサ部と、
前記センサ部で検出された前記発熱抵抗体の抵抗率の変化を示す検出値に基づいて、前記排気ガスに含まれる水分量を算出する演算部と、
を備える水分検出装置。
【請求項２】
前記センサ部は、前記内燃機関の排気通路において、前記排気ガスに含まれるＮＯｘを還元浄化するＳＣＲ装置と当該ＳＣＲ装置の上流で尿素水を噴射する尿素水噴射装置の噴射位置との間に配設され、
前記演算部は、前記排気ガスに含まれる水分量から前記尿素水噴射装置が噴射した尿素水量を推定する、
請求項１に記載の水分検出装置。
【請求項３】
前記演算部は、前記尿素水噴射装置が噴射した尿素水量と前記尿素水噴射装置に噴射指令した尿素水量とに基づいて、前記尿素水噴射装置の正常又は異常を診断する、
請求項２に記載の水分検出装置。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水分検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
大気中の水分量を検出する水分センサが知られている（例えば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２２９００３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、内燃機関の排気通路においては、種々の理由により、排気ガスに含まれる水分量を高精度に検出することが求められる場合がある。例えば、冷間始動時に内燃機関の燃焼室から発生した水分量を検出したり、尿素水噴射装置から噴射した尿素水量を検出したりする要請がある。
【０００５】
本発明は、上記の要請に鑑みてなされたものであり、内燃機関の排気通路を通流する排気ガスに含まれる水分量の検出に好適な水分検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前述した課題を解決する主たる本発明は、内燃機関の排気通路において当該排気通路を通流する排気ガスが接触するように配設された発熱抵抗体を有するセンサ部と、前記センサ部で検出された前記発熱抵抗体の抵抗率の変化を示す検出値に基づいて、前記排気ガスに含まれる水分量を算出する演算部と、を備える水分検出装置である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係る水分検出装置によれば、より高精度に内燃機関の排気通路を通流する排気ガスに含まれる水分量を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態に係るＳＣＲシステムの構成の一例を示す図
【図２】実施形態に係る水分検出装置の構成の一例を示す図
【図３】実施形態に係る水分検出装置の水分量の検出方法について説明する図
【図４】実施形態に係る水分検出装置の動作フローの一例を示す図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１０】
図１は、本実施形態に係るＳＣＲシステム１の全体構成の一例を示す図である。
【００１１】
本実施形態に係るＳＣＲシステム１は、ＳＣＲ装置１１、尿素水噴射装置１２、圧送ライン１３、サプライポンプ１４、尿素水タンク１５、ＤＣＵ（Dosing Control Unit）２０、及び水分検出装置３０を含んで構成される。
【００１２】
本実施形態に係るＳＣＲシステム１は、例えば、ディーゼルエンジンに適用され、当該ディーゼルエンジンの排気通路１０の酸化触媒とＰＭフィルタの後段側に設けられる。尚、ディーゼルエンジンに代えて、ガソリンエンジン等にも適用し得るのは勿論である。
【００１３】
ＳＣＲ装置１１は、排気通路１０の上流側で尿素水噴射装置１２に噴射される尿素水を用いて、ＮＯｘを窒素と水に還元する。ＳＣＲ装置１１は、ＳＣＲ触媒として、例えば、Ｆｅゼオライト、Ｃｕゼオライト、バナジウム等を内蔵する。尚、ＳＣＲ触媒として、触媒上で尿素水をアンモニアに変換するとともにＮＯｘを還元する尿素水吸着タイプのものを用いてもよい。
【００１４】
尿素水噴射装置１２から噴射された尿素水は、排気ガスの高温により加水分解され、アンモニアに変換されてＳＣＲ装置１１に供給される。そして、アンモニアは、ＳＣＲ触媒に吸着して、ＳＣＲ触媒の作用でＮＯｘと反応して、ＮＯｘを還元浄化する。
【００１５】
尚、尿素水がＮＯｘを還元浄化する化学反応は、典型的には、以下の化学反応式（１）〜（４）のように表される。
ＣＯ（ＮＨ２）２＋Ｈ２Ｏ  →  ２ＮＨ３＋ＣＯ２  …式（１）
４ＮＯ＋４ＮＨ３＋Ｏ２  →  ４Ｎ２＋６Ｈ２Ｏ  …式（２）  
６ＮＯ２＋８ＮＨ３  →  ７Ｎ２＋１２Ｈ２Ｏ  …式（３）
ＮＯ＋ＮＯ２＋２ＮＨ３  →  ２Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ  …式（４）
【００１６】
尿素水噴射装置１２は、内蔵するドージングバルブの開度の調整により、排気通路１０に所定量の尿素水を噴射する。尚、ドージングバルブの開度の制御は、例えば、ＤＣＵ２０から出力される制御信号によって行われる。
【００１７】
尿素水噴射装置１２から噴射される尿素水は、尿素水タンク１５に貯留されている。尿素水タンク１５に貯留された尿素水は、サプライポンプ１４に吸引され圧送ライン１３にて尿素水噴射装置１２に圧送される。尚、尿素水は、例えば、３０％程度の所定の濃度で尿素水タンク１５に貯留されている。
【００１８】
ＤＣＵ２０は、ＳＣＲシステム１全体を統括制御する。ＤＣＵ２０は、燃料噴射制御を行う車輌ＥＣＵ（図示せず）、水分検出装置３０とデータ通信する。又、ＤＣＵ２０には、排気通路１０に配設されたＮＯｘセンサ、流量センサ、温度センサ等の各種センサからの検出信号も入力されている。
【００１９】
ＤＣＵ２０は、例えば、ＮＯｘセンサ、流量センサ、温度センサ等が示す検出値に基づいて、尿素水噴射装置１２から噴射するべき尿素水量やタイミングを算出する。そして、ＤＣＵ２０は、サプライポンプ１４を駆動させて圧送ライン１３における尿素水を規定圧まで高めるとともに、尿素水噴射装置１２のドージングバルブを駆動させて算出したタイミングで算出した量の尿素水を噴射させる。
【００２０】
ところで、尿素水噴射装置１２の内部には、尿素水中の成分が結晶化して固着してしまうことが知られており、これにより排気通路に正常に尿素水を供給することができなくなったり、あるいは結晶化した物体が当該ドージングバルブの弁体とシリンダとの間に挟まり、尿素水の噴射を停止できなくなったりする場合がある。
【００２１】
本実施形態に係る水分検出装置３０は、排気ガス中の水分量から尿素水噴射装置１２が実際に噴射した尿素水量を検出するべく配設されている。そして、水分検出装置３０は、尿素水噴射装置１２が実際に噴射した尿素水量から当該尿素水噴射装置１２の故障診断を行う。
【００２２】
図２は、水分検出装置３０の構成の一例を示す図である。又、図３は、水分検出装置３０の水分量の検出方法について説明する図である。尚、図２中の矢印は、排気ガスの通流方向を表している。
【００２３】
水分検出装置３０は、センサ部３１と演算ユニット３２（「演算部」に相当する）とを備えている。
【００２４】
本実施形態に係るセンサ部３１は、尿素水噴射装置１２が尿素水を噴射する位置（以下、「噴射位置」と略称する）とＳＣＲ装置１１との間の排気通路１０に配設されている。
【００２５】
センサ部３１は、温度変化に比例して抵抗率が変化する白金等の発熱抵抗体３１ａを有し、当該発熱抵抗体３１ａの抵抗率の変化に基づいて、排気ガスに含まれる水分量を検出する。より詳細には、センサ部３１は、熱線式流量計と同様の原理で動作し、発熱抵抗体３１ａの抵抗率の変化から、発熱抵抗体３１ａから水分が奪う熱量を求め、これにより排気ガスに含まれる水分の質量流量を検出する。本方式によれば、水分の質量流量[kg/s]を直接検出できる点で有用である。
【００２６】
本実施形態に係るセンサ部３１は、排気通路１０から排気ガスを取り込むケース３１ｃと、当該ケース３１ｃ内に配設された上記発熱抵抗体３１ａ及び計測用抵抗体３１ｂを含んで構成される。そして、センサ部３１は、発熱抵抗体３１ａと計測用抵抗体３１ｂとを含んでブリッジ回路（図示せず）を構成している。
【００２７】
検出動作の際には、発熱抵抗体３１ａは、計測用抵抗体３１ｂの温度を基準として、温度が一定に保持されるように電流が通流されている。このとき、ケース３１ｃ内に取り込まれた排気ガスは、発熱抵抗体３１ａに接触して、当該発熱抵抗体３１ａから排気ガスに含まれる水分量に応じた熱量を奪ってケース３０ｃの外部に流出する。これにより、発熱抵抗体３１ａは、排気ガスに含まれる水分量に応じて温度が低下し、抵抗率が変化する。換言すると、発熱抵抗体３１ａは、例えば、排気ガスに含まれる水分量が多いほど温度低下し、抵抗率も低くなる（図３の左図を参照）。又、発熱抵抗体３１ａの抵抗率が低くなると、発熱抵抗体３１ａの抵抗率と計測用抵抗体３１ｂの抵抗率とのバランスから、発熱抵抗体３１ａに通流する電流量が大きくなる（図３の右図を参照）。
【００２８】
尚、センサ部３１のブリッジ回路は、演算ユニット３２に内蔵される検出回路と接続されている。演算ユニット３２の検出回路は、例えば、発熱抵抗体３１ａの抵抗率の変化を当該ブリッジ回路に通流させる電流量の変化として検出する。
【００２９】
演算ユニット３２は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、入力ポート、出力ポート等を含んで構成されるＥＣＵ（Electronic Control Unit）である。
【００３０】
演算ユニット３２は、尿素水量推定部３２ａと診断部３２ｂとを備えている。
【００３１】
尿素水量推定部３２ａは、センサ部３１で検出された発熱抵抗体３１ａの抵抗率の変化に基づいて、排気ガス中に含まれる水分量を算出し、これにより排気ガス中の尿素水量を推定する（詳細は後述）。
【００３２】
診断部３２ｂは、ＤＣＵ２０が尿素水噴射装置１２に対して噴射指示した尿素水量（以下、「噴射量の指令値」と称する）と尿素水噴射装置１２が実際に噴射した尿素水量（以下、「噴射量の実際値」と称する）とに基づいて、尿素水噴射装置１２が故障していないか否かを診断する。
【００３３】
尿素水量推定部３２ａ、診断部３２ｂは、例えば、ＣＰＵがＲＯＭ、ＲＡＭ等に記憶された制御プログラムや各種データを参照することによって実現される。但し、当該機能は、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア回路によっても実現できることは勿論である。
【００３４】
［水分検出装置の動作フロー］
次に、図４を参照して、本実施形態に係る水分検出装置３０が、尿素水噴射装置１２の故障を診断するための動作フローについて説明する。
【００３５】
図４は、本実施形態に係る水分検出装置３０の動作フローの一例を示す図である。尚、図４に示す動作フローは、例えば、演算ユニット３２がコンピュータプログラムに従って実行するものである。この動作フローは、例えば、尿素水噴射装置１２が動作している際、所定間隔（例えば、１秒間隔）で繰り返し実行される。
【００３６】
まず、演算ユニット３２の尿素水量推定部３２ａは、例えば、発熱抵抗体３１ａの抵抗率の変化に基づいて、尿素水噴射装置１２から実際に噴射された尿素水の量（噴射量の実際値）を推定する（ステップＳ１）。
【００３７】
尿素水量推定部３２ａは、上記したように、発熱抵抗体３１ａの抵抗率の変化に基づいて排気ガスに含まれる水分量を算出する。ここで、尿素水噴射装置１２が噴射する尿素水の濃度は既知であるため、排気ガスに含まれる水分量から尿素水量に換算することができる。これより、尿素水量推定部３２ａは、排気ガスに含まれる水分量から噴射量の実際値を推定する。
【００３８】
尚、この際、発熱抵抗体３１ａの抵抗率と尿素水量との対応関係を示す演算マップを予め記憶部に格納しておき、尿素水量推定部３２ａは、当該演算マップを用いて尿素水量を推定すればよい。又、尿素水量推定部３２ａは、この際、排気通路１０の断面積に応じた積算処理を行って噴射量の実際値を推定してもよいのは勿論である。又、尿素水量推定部３２ａは、更に、尿素水噴射装置１２の噴射位置からセンサ部３１で検出されるまでの間において蒸発した尿素水量を加算して、尿素水噴射装置１２が噴射した尿素水量を推定してもよい。
【００３９】
続く、ステップＳ２〜Ｓ１０は、演算ユニット３２の診断部３２ｂの処理である。
【００４０】
診断部３２ｂは、まず、ＤＣＵ２０から噴射量の指令値を取得する（ステップＳ２）。
【００４１】
次に、診断部３２ｂは、噴射量の指令値と噴射量の実際値とを比較して、尿素水噴射装置１２の噴射量の実際値が指令値よりも相当量下回っていないかを判定する（ステップＳ３）。換言すると、尿素水噴射装置１２の内部のドージングバルブに詰まり等が生じていないかを判定する。
【００４２】
ステップＳ３においては、診断部３２ｂは、噴射量の指令値に対して１未満の所定の減算係数α（例えば、０．８）を積算した値を設定して、噴射量の実際値が当該値を超えたか否かを判定する。そして、診断部３２ｂは、噴射量の実際値が当該値を超えていない場合には（ステップＳ３：ＮＯ）、噴射量の実際値が少な過ぎるため、エラーとしてエラー回数を積算する（ステップＳ５）。一方、噴射量の実際値が当該値を超えている場合には（ステップＳ３：ＹＥＳ）、続くステップＳ４の判定処理を行う。
【００４３】
診断部３２ｂは、噴射量の指令値と噴射量の実際値とを比較して、尿素水噴射装置１２の噴射量の実際値が指令値よりも相当量上回っていないかを判定する（ステップＳ４）。換言すると、尿素水噴射装置１２の内部のドージングバルブに漏れ等が生じていないかを判定する。
【００４４】
ステップＳ４においては、診断部３２ｂは、噴射量の指令値に対して１以上の所定の加算係数β（例えば、１．２）を積算した値を設定して、噴射量の実際値が当該値を超えたか否かを判定する。そして、診断部３２ｂは、噴射量の実際値が当該値を超えている場合には（ステップＳ４：ＮＯ）、噴射量の実際値が多過ぎるため、エラーとしてエラー回数を積算する（ステップＳ８）。一方、噴射量の実際値が当該値を超えていない場合には（ステップＳ４：ＹＥＳ）、尿素水噴射装置１２の故障はないものと判定できるため、一連の処理を終了する。
【００４５】
上記において、噴射量の実際値が少な過ぎるとしてエラー判定を行った場合（ステップＳ３：ＮＯ、ステップＳ５）、診断部３２ｂは、エラー回数の積算値が設定値を超えたか否かを判定する（ステップＳ６）。そして、診断部３２ｂは、エラー回数の積算値が設定値を超えてない場合（ステップＳ６：ＮＯ）、エラー回数を保持した状態でステップＳ１に戻り、判定処理を繰り返し実行する。
【００４６】
又、同様に、上記において、噴射量の実際値が多過ぎるとしてエラー判定を行った場合（ステップＳ４：ＮＯ、ステップＳ８）、診断部３２ｂは、エラー回数の積算値が設定値を超えたか否かを判定し（ステップＳ９）、エラー回数の積算値が設定値を超えてない場合（ステップＳ９：ＮＯ）、エラー回数を保持した状態でステップＳ１に戻り、判定処理を繰り返し実行する。他方、連続でエラーが検出されない場合には、上記したように一連の処理を終了することになる。尚、ここで、診断部３２ｂがエラー回数を積算して最終的な故障判定を行うのは、排気通路１０中を通流する異物等のノイズ成分による誤判定を防止するためである。
【００４７】
そして、診断部３２ｂは、エラー回数の積算値が設定値を超えた場合（ステップＳ６：ＹＥＳ、ステップＳ９：ＹＥＳ）、それぞれ、尿素水噴射装置１２の実際の噴射量が少な過ぎる故障状態と判定を確定し（ステップＳ７）、尿素水噴射装置１２の実際の噴射量が多過ぎる故障状態と判定を確定する（ステップＳ１０）。尚、この際、診断部３２ｂは、例えば、ＤＣＵ２０に対して尿素水噴射装置１２の停止指令を出力したり、運転者に対して故障状態を知らせるべく報知音声を出力したりしてもよい。
【００４８】
以上、本実施形態に係る水分検出装置３０によれば、排気ガス中に含まれる水分量をリアルタイムに検出することができる。特に、この水分検出装置３０は、発熱抵抗体３１ａの抵抗率の変化に基づいて、水分の質量流量[kg/s]により水分量を検出することから、排気通路１０内の排気ガスの体積流量[km3/s]の変化による影響を受けることなく、高精度な水分検出を行うことができる。
【００４９】
又、本実施形態に係る水分検出装置３０は、特に、尿素水噴射装置１２が実際に噴射した噴射量を検出するために好適に用いることができる。この場合、水分検出装置３０は、尿素水噴射装置１２から実際に噴射された尿素水量を監視することが可能となり、当該尿素水噴射装置１２内における尿素成分の固着や尿素水の漏れ等の故障状態を監視することができる。又、これによって、尿素水噴射装置１２のキャリブレーションを行うことも可能である。
【００５０】
（その他の実施形態）
本発明は、上記実施形態に限らず、種々に変形態様が考えられる。
【００５１】
上記実施形態では、水分検出装置３０の演算ユニット３２の一例として、尿素水量推定部３２ａと診断部３２ｂの機能が一のコンピュータによって実現されるものとして記載したが、複数のコンピュータによって実現されてもよいのは勿論である。例えば、診断部３２の機能は、ＤＣＵ２０の機能として実現されてもよい。他方、尿素水量推定部３２ａと診断部３２ｂの機能の全部がＤＣＵ２０に内蔵されてもよい。
【００５２】
又、上記実施形態では、水分検出装置３０の構成の一例として、尿素水量推定部３２ａと診断部３２ｂの処理を一連のフローの中で実行されるものとして示したが、これらの処理の一部が並列で実行されるものとしてもよい。
【００５３】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明に係る水分検出装置は、ＳＣＲシステムに有用である。
【符号の説明】
【００５５】
１  ＳＣＲシステム
１０  排気通路
１１  ＳＣＲ装置
１２  尿素水噴射装置
１３  圧送ライン
１４  サプライポンプ
１５  尿素水タンク
２０  ＤＣＵ
３０  水分検出装置
３１  センサ部
３２  演算ユニット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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