CN101501309A - 催化剂监测系统和方法 - Google Patents

Abstract

获得在空燃比控制结束时与空燃比控制下一次开始时之间流入NOx催化剂(18)之间的NOx的总量(NOxIN)。基于在空燃比控制期间流入NOx催化剂(18)的还原剂的量计算总储存量(TSA)，该总储存量(TSA)是在空燃比控制开始之前NOx催化剂(18)中的氧储存量(OSA)和NOx储存量(NSA)。通过外推NOx的总量(NOxIN)与总储存量(TSA)之间的关系计算氧储存量(OSA)。通过以至少两个等级执行空燃比控制预先建立该关系。

Description

催化剂监测系统和方法

技术领域

本发明涉及一种催化剂监测系统和方法。更具体地，本发明涉及一种监测配置于内燃机的排气通路中的NOx储存-还原型催化剂的劣化状态的催化剂监测系统和方法。

背景技术

三元催化剂被广泛用于净化内燃机的排气。三元催化剂设有储存氧的氧储存材料。三元催化剂通过储存和释放氧以在催化剂中精确地维持理论空燃比而工作，从而使得可高效地净化排气。

但是，除非流入三元催化剂的排气的空燃比接近理论空燃比，否则不能实现高效净化。因此，在可能在比理论空燃比稀的空燃比(即，稀空燃比)下工作的内燃机中，在内燃机的排气通路中设置NOx储存-还原型催化剂(下文被简称为“NOx催化剂”)。NOx催化剂设有储存NOx的NOx储存材料。

通过设置NOx催化剂，当内燃机在稀空燃比下工作时，排气中的NOx可被储存在NOx催化剂中。另外，当净化NOx催化剂中储存的NOx时，执行将空燃比从稀空燃比临时切换到浓空燃比或理论空燃比的控制(下文，此控制将被简称为“燃料过量供给(浓峰，rich spike)”)。执行此燃料过量供给将包含HC和CO等的排气引入NOx催化剂。此HC和CO等被用作还原剂以将储存的NOx还原为N₂，此后N₂被释放。

另一方面，即使是其中执行稀燃烧的内燃机也可视工作范围而定在理论空燃比下工作。当以理论空燃比工作时，NOx催化剂可被用作三元催化剂。因此，除了NOx储存材料之外，NOx催化剂还设有氧储存材料。当内燃机在稀空燃比下工作时，NOx催化剂中的氧储存材料变得氧饱和。

当这种NOx催化剂劣化时，氧储存能力和NOx储存能力下降。但是，在此情况下，氧储存能力下降的方式和NOx储存能力下降的方式并不相同。因此，优选地，希望能够分别确定氧储存能力和NOx储存能力以正确诊断NOx催化剂的劣化状态。

日本专利No.2827954描述了这样一种系统，该系统可通过连续执行两次燃料过量供给分别确定NOx催化剂的氧储存能力和NOx储存能力。图12是示出此比较示例的工作的视图。

关于日本专利No.2827954中所述的系统，在NOx催化剂的上游设置空燃比传感器(下文被简称为“A/F传感器”)，并且在该NOx催化剂的下游设置氧传感器(下文被简称为“O₂传感器”)。当执行第一燃料过量供给，并且还原剂例如HC和CO流入NOx催化剂时，NOx催化剂中储存的氧和NOx与那些还原剂反应，并且在该过程中被消耗。然后，当NOx催化剂中储存的全部氧和NOx都已被消耗之后，还原剂流到NOx催化剂的下游侧，使得设置在NOx催化剂下游侧的O₂传感器的输出从指示稀空燃比的输出改变为指示浓空燃比的输出。因此，到O₂传感器的输出改变为浓空燃比时流入NOx催化剂的还原剂的量(即，图12中的“还原剂量I”)对应于NOx催化剂中已储存的氧和NOx两者的量之和。因此，可基于还原剂量I计算NOx催化剂中的氧储存量和NOx储存量之和(下文被称为“总储存量”)，该还原剂量I基于设置在NOx催化剂上游的A/F传感器的输出被计算。

当第一燃料过量供给已结束时，空燃比恢复并且被保持为稀空燃比，直到NOx催化剂的氧储存材料变得氧饱和。然后，当NOx催化剂的氧储存材料变为氧饱和时执行第二燃料过量供给。在第二燃料过量供给中，同样如上文所述，到下游O₂传感器的输出改变为浓空燃比时流入NOx催化剂的还原剂的量(即，图12中的“还原剂量II”)可基于上游A/F传感器的输出被计算。

这里，NOx催化剂的氧储存材料变为氧饱和所花费的时间极短(例如1-2秒)。即，在第一燃料过量供给和第二燃料过量供给之间保持稀空燃比的时间极短。因此，在此期间，NOx催化剂中几乎没有储存NOx。即，当第二燃料过量供给开始时，NOx催化剂的氧储存材料已经氧饱和，但是NOx催化剂的NOx储存材料中已储存的NOx量可被看作为零。因此，第二燃料过量供给中的还原剂量II对应于NOx催化剂中的氧储存量。从而，可由还原剂量II计算出氧储存量。因此，从总储存量减去在第二燃料过量供给期间已储存的氧的量对应于NOx储存量。

以此方式，日本专利No.2827954中所述的系统可分别检测NOx催化剂中的氧储存量和NOx储存量，该氧储存量是氧储存能力的指标，该NOx储存量是NOx储存能力的指标。

但是，关于日本专利No.2827954中所述的系统，燃料过量供给必须被连续执行至少两次，以便分别计算氧储存量和NOx储存量。因而，燃料过量供给必须被更频繁地执行。

在燃料过量供给正在被执行时，空燃比成为浓空燃比，从而必须增加燃料喷射量。结果，当燃料过量供给的频率增加时，燃料效率降低相应的量。

此外，在燃料过量供给开始和结束时，空燃比的值在稀空燃比和浓空燃比之间剧烈变化。当空燃比改变时，排放趋向于恶化，并且趋向于发生转矩震动。因此，当燃料过量供给的频率增加时，排放的恶化和转矩震动的产生趋向于变得严重。

发明内容

因此，本发明提供了一种催化剂监测系统和方法，该催化剂监测系统和方法可精确地检测NOx储存-还原型催化剂的劣化，从而抑制不利影响例如燃料效率的降低、排放的恶化以及转矩震动的发生。

本发明的第一方面涉及一种催化剂监测系统，所述催化剂监测系统包括设置于内燃机的排气通路中的NOx催化剂，和设置于所述NOx催化剂的下游并且输出指示排气的空燃比的信号的第一排气传感器。更具体地说，该第一方面涉及一种催化剂监测系统，所述催化剂监测系统还包括：执行条件设定装置，所述执行条件设定装置用于设定多个不同空燃比控制执行条件；空燃比控制装置，所述空燃比控制装置用于当所述多个不同空燃比控制执行条件被满足时，将所述内燃机的排气的空燃比从稀空燃比临时切换到浓空燃比或理论空燃比；进入NOx量获得装置，所述进入NOx量获得装置用于估计或检测在空燃比控制结束时与所述空燃比控制下一次开始时之间流入所述NOx催化剂的总进入NOx量；总储存量计算装置，所述总储存量计算装置用于基于在所述空燃比控制期间来自所述第一排气传感器的输出计算总储存量，所述总储存量对应于在所述空燃比控制开始之前已储存在所述NOx催化剂中的氧储存量和NOx储存量的总和；以及氧储存量计算装置，所述氧储存量计算装置用于基于所述进入NOx量与所述总储存量之间的关系计算所述总储存量之中的所述氧储存量，所述关系是通过在至少两个不同的空燃比控制执行条件下执行所述空燃比控制而预先建立的。

另外，该催化剂监测系统可进一步包括氧储存能力监测装置，所述氧储存能力监测装置用于基于所述计算出的氧储存量确定所述NOx催化剂的氧储存能力。

此外，该催化剂检测系统还可进一步包括：NOx储存量计算装置，所述NOx储存量计算装置用于通过从所述总储存量减去所述氧储存量来计算NOx储存量；和NOx储存能力监测装置，所述NOx储存能力监测装置用于基于所述计算出的NOx储存量确定所述NOx催化剂的NOx储存能力。

此外，所述多个不同空燃比控制执行条件可包括所述进入NOx量达到预定值的条件，并且所述执行条件设定装置可将所述预定值设定为至少两个等级。

另外，所述氧储存量计算装置可通过外推所述进入NOx量与所述总储存量之间的关系来计算与在所述进入NOx量为零时的所述总储存量相对应的值，并可将所述计算值设定为所述氧储存量。

此外，该催化剂监测系统可进一步包括：上游催化剂，所述上游催化剂设置于所述NOx催化剂的上游；第二排气传感器，所述第二排气传感器设置于所述NOx催化剂和所述上游催化剂之间，并且依据排气的空燃比输出信号；以及氧储存能力计算装置，所述氧储存能力计算装置用于基于在所述空燃比控制期间来自所述第二排气传感器的输出，计算所述上游催化剂的氧储存能力。所述总储存量计算装置可基于在所述空燃比控制期间来自所述第一和第二排气传感器的输出来计算所述总储存量。

另外，所述进入NOx量获得装置可基于i)所述内燃机的负载和转速与ii)每单位时间产生的NOx的量之间的关系，估计所述进入NOx量。

此外，所述进入NOx量获得装置可基于设置于所述NOx催化剂的上游的NOx传感器的输出，检测所述进入NOx量。

本发明的第二方面涉及一种催化剂监测方法，所述催化剂监测方法用于设置于内燃机的排气通路中的NOx催化剂。更具体地说，该第二方面涉及一种催化剂监测方法，所述催化剂监测方法包括：a)设定多个不同空燃比控制执行条件；b)当所述多个不同空燃比控制执行条件被满足时，将所述内燃机的排气的空燃比从稀空燃比临时切换到浓空燃比或理论空燃比；c)估计或检测在空燃比控制结束时与所述空燃比控制下一次开始时之间流入所述NOx催化剂的总进入NOx量；d)基于在所述空燃比控制期间输出的来自第一排气传感器的信号计算总储存量，所述总储存量对应于在所述空燃比控制开始之前已储存在所述NOx催化剂中的氧储存量和NOx储存量的总和；以及e)基于所述进入NOx量与所述总储存量之间的关系计算所述总储存量之中的所述氧储存量。进入NOx量与总储存量之间的所述关系是通过在至少两个不同的空燃比执行条件下执行所述空燃比控制而预先建立的。

附图说明

本发明的前述和其它目的、特征和优点将在下文参照附图对示例性实施例的描述中变得清楚，在附图中类似的标号用于表示类似的元件，并且在附图中：

图1是根据本发明的第一示例性实施例的系统构造的示意图；

图2A-2E是示出第一示例性实施例的工作的时序图；

图3是示出图2的时序图的一部分的放大图；

图4是示出进入NOx催化剂的进入NOx量与总储存量之间的关系的曲线图；

图5是示出进入NOx催化剂的进入NOx量与总储存量之间的关系的另一曲线图；

图6是示出进入NOx催化剂的进入NOx量与总储存量之间的关系的又一曲线图；

图7是示出进入NOx催化剂的进入NOx量与总储存量之间的关系的另一曲线图；

图8是示出进入NOx催化剂的进入NOx量与NOx储存量之间的关系的曲线图；

图9是在本发明的第一示例性实施例中执行的例程的流程图；

图10是根据本发明的第二示例性实施例的系统构造的示意图；

图11A-11C是示出第二示例性实施例的工作的时序图；并且

图12是示出比较系统的工作的视图。

具体实施方式

图1是根据本发明的第一示例性实施例的系统构造的示意图。图1所示的系统具有内燃机10。附图中所示的发动机是具有四个气缸“#1”到“#4”的直列四缸内燃机。但是，本发明中气缸的数量和布置并不局限于图1中所示的构造。

内燃机10能够通过燃烧具有比理论空燃比稀的空燃比(下文中，此空燃比将被称为“稀空燃比”)的燃料而工作。内燃机10可以是其中燃料被喷射入进入口内的进气口喷射型内燃机、其中燃料被直接喷射入气缸内的缸内直接喷射型内燃机，和采用进气口喷射与缸内直接喷射的组合中的任一种。

在内燃机10的排气通路12中设置了两个起始催化剂(S/C)14和16，以及一个NOx催化剂(NSR)18。#1和#4气缸的排气流入起始催化剂14，而#2和#3气缸的排气流入起始催化剂16。已通过起始催化剂14的排气与已通过起始催化剂16的排气汇合，并且共同流入NOx催化剂18。

起始催化剂14和16用作三元催化剂，其可在流入的排气的空燃比接近理论空燃比时通过储存和释放氧来同时净化HC、CO和NOx。应理解，文中使用的“储存”是指表现为吸附、粘附、吸收、捕获、吸留以及其它中的至少一种的形式的物质(固体、液体、气体分子)的保持。

另一方面，NOx催化剂18用作NOx储存-还原型催化剂，即，当流入的排气的空燃比稀时储存NOx，而当流入的排气的空燃比浓时或为理论空燃比时通过将储存的NOx还原为N₂来净化储存的NOx，从而释放N₂。此外，此NOx储存-还原型催化剂18还能够储存氧，并且当流入的排气的空燃比接近理论空燃比时用作三元催化剂。

在排气通路12中，A/F传感器20设置于起始催化剂14的上游，A/F传感器22设置于起始催化剂16的上游，A/F传感器24设置于NOx催化剂18的上游，而O₂传感器26设置于NOx催化剂18的下游。

A/F传感器20、22和24是空燃比传感器，其产生指示排气的空燃比的线性输出。另外，O₂传感器26是氧传感器，其产生根据排气的空燃比是比理论空燃比浓还是稀而骤变的输出。

检测NOx催化剂18的温度(床温)TCAT的温度传感器28设置在NOx催化剂18中。顺便提及，NOx催化剂18的温度TCAT可从由设置在NOx催化剂18上游或下游的排气传感器检测到的排气温度估计出，而不是被直接检测。可选择地，NOx催化剂18的温度TCAT可基于内燃机10的工作状态被估计出。

另外，未示出的进气系统连接到内燃机10，该进气系统吸入空气并将空气分配到气缸中。

根据第一示例性实施例的系统包括ECU(电子控制单元)30。除了上述传感器，此ECU 30还电连接到检测发动机速度NE、进气压力PM、进气量GA和节气门打开量TH等的各种传感器。ECU 30还电连接到燃料喷射器、火花塞和节气门等各种致动器。

内燃机10通过在预定工作区域中燃烧具有稀空燃比的燃料而工作。当以稀空燃比工作时，在起始催化剂14和16中不能净化NOx，从而NOx被临时储存在NOx催化剂18中。当NOx在NOx催化剂18中积聚时，ECU 30执行将内燃机10的燃烧空燃比临时从稀切换到浓或理论空燃比的“燃料过量供给”。这里，燃料过量供给可被看作本发明的“空燃比控制”。

图2A-2E是示出第一示例性实施例的工作的时序图。下文将参照图2A至2E描述第一示例性实施例的工作。图2A-2E中沿横轴的时间代表在燃料过量供给已结束之后以及内燃机10的燃烧空燃比已返回稀空燃比之后经过的时间。另外在图2A-2E中，还示出包括在此之后再次执行的另一个燃料过量供给的工作。

图2A中示出的NOxIN代表流入NOx催化剂18的NOx的积分量(integrated amount)。在此第一示例性实施例中，通过试验预先建立i)内燃机10的负载和转速与ii)每单位时间生成的NOx的量之间的关系，然后将该关系预先存储在ECU 30中。然后，基于该关系，ECU 30计算在内燃机10当前的负载和转速下每单位时间生成的NOx的量，并且计算每单位时间生成的NOx的积分量作为NOxIN。当在内燃机10已经在理论空燃比或比理论空燃比浓的空燃比下工作之后，空燃比恢复回稀空燃比时，NOxIN被重置。即，NOxIN代表在燃料过量供给结束之后已流入NOx催化剂18的NOx的总量(其估计值)。

在本发明中，计算NOxIN的方法并不局限于由内燃机10的工作状态估计NOxIN的方法。即，可在NOx催化剂18的上游设置检测NOx浓度的NOx传感器，并且可基于该NOx传感器的输出来计算NOxIN。

图2C是示出设置于NOx催化剂18下游的O₂传感器26的输出的曲线图；图2D是示出设置于NOx催化剂18的上游的A/F传感器24的输出的曲线图。当内燃机10以稀空燃比工作时，具有稀空燃比的排气流过排气通路12。因此，当内燃机10以稀空燃比工作时，O₂传感器26的输出指示稀空燃比，并且A/F传感器24的输出指示内燃机10的稀目标空燃比。

如图2A所示，当内燃机10以稀空燃比工作时，NOxIN单调增加。当NOxIN达到预定值A₁时，燃料过量供给开始(时刻t1)。图2B是燃料过量供给的执行标记FR的时序图。当燃料过量供给正在执行时，燃料过量供给的此执行标记FR为“1”；而当燃料过量供给没有执行时，此执行标记FR为“0”。

当燃料过量供给开始时，内燃机10的燃烧空燃比从稀空燃比改变为浓空燃比。因此，包括大量还原剂例如HC和CO的具有浓空燃比的排气流入起始催化剂14和16。然后，当起始催化剂14和16中所储存的所有氧被耗尽时，具有浓空燃比的排气开始通过起始催化剂14和16到达其下游侧。结果，如图2D所示，A/F传感器24的输出从稀空燃比改变为浓空燃比。

当内燃机10以稀空燃比工作时，NOx催化剂18中的储氧材料很快变得氧饱和。因此，当燃料过量供给开始时，NOx催化剂18中已经储存了达到最大氧储存容量OSC的氧。

另一方面，作为燃料过量供给开始条件的NOxIN的值(即，上述预定值A₁)被设定为使得燃料过量供给在NOx催化剂18中的NOx储存量达到最大NOx储存容量NSC之前开始(稍后将描述的预定值A₂也是相似的)。因此，当燃料过量供给开始时，在NOx催化剂18中储存了数量小于最大NOx储存容量NSC的NOx。

当包含还原剂例如HC和CO的排气流入NOx催化剂18时，NOx催化剂18中储存的氧和NOx在与那些还原剂发生的反应中被消耗。在此期间，O₂传感器26的输出被维持为稀空燃比。另外，当NOx催化剂18中储存的所有氧和NOx都被消耗时，包含还原剂的浓排气开始通过NOx催化剂18到达其下游侧。结果，O₂传感器26的输出从“稀空燃比”改变为“浓空燃比”(时刻t2)。在时刻t2，此燃料过量供给结束。

这样，在O₂传感器26的输出从稀空燃比改变为浓空燃比期间流入NOx催化剂18的还原剂的量与在燃料过量供给开始之前在NOx催化剂18中已储存的氧的量(下文被称为“氧储存量OSA”)和NOx的量(下文被称为“NOx储存量NSA”)两者之间存在相关性。在此第一示例性实施例中，对应于氧储存量OSA和NOx储存量NSA的总和的值将用总储存量TSA表示，下文将描述TSA。

总储存量TSA为已被转换成氧的NOx储存量NSA和氧储存量OSA的总和。在此第一示例性实施例的系统中，如稍后将描述的，总储存量TSA可基于已经流入NOx催化剂18的还原剂的量而获得。

图3是在执行燃料过量供给时，图2C和2D中的部分的放大视图。流入NOx催化剂18的还原剂是排气中的未燃燃料。因而，流入NOx催化剂18的还原剂的量可基于图3中的A/F传感器输出曲线图中的阴影线部分计算。因此，总储存量TSA可使用下式(1)计算。

TSA＝|0.23×GA/(A/F)×(A/F-14.6)|×计算例程周期...(1)

其中，“0.23”为O₂的转换系数，“GA/(A/F)”为每单位时间流入NOx催化剂18的燃料的量，“A/F-14.6”为图3中的阴影线部分的宽度，并且“|0.23×GA/(A/F)×(A/F-14.6)|”为每单位时间消耗的O₂量。另外，“GA”为内燃机10的进气量，“A/F”为流入NOx催化剂18的排气的空燃比，并且“14.6”为理论空燃比。例如，进气量GA可基于空气流量计的输出而获得。另外，空燃比A/F可基于A/F传感器24的输出而获得。可选择地，空燃比A/F可从进气量GA和燃料喷射量而获得。

ECU 30在每次执行预定的计算例程时执行上式(1)中的计算。从上式(1)计算出的TSA代表与在执行周期期间已流入NOx催化剂18的还原剂的量相对应的氧的量。在A/F传感器24的输出已从“稀空燃比”改变为“浓空燃比”之后，ECU 30对从上式(1)计算出的TSA进行积分。因此，TSA的此积分值代表与在A/F传感器24的输出已从稀空燃比改变为浓空燃比之后已流入NOx催化剂18的还原剂的积分量相对应的氧的积分量。图2E示出TSA的积分值。

如上所述，当O₂传感器26的输出已从稀空燃比改变为浓空燃比时(即，在时刻t2)，可判定为NOx催化剂18中储存的氧和NOx已经全部被消耗。因此，在时刻t2，TSA的积分值对应于总储存量TSA。即，在图2E所示的示例中，在时刻t2的TSA₁为在燃料过量供给开始之前的总储存量TSA。顺便提及，当燃料过量供给结束时，TSA的积分值被重置。

迄今已经描述了图2中的第一燃料过量供给。在此燃料过量供给结束的时刻t2之后，燃烧空燃比返回稀目标空燃比，并且内燃机10以稀空燃比工作。经过一段时间之后，第二次执行另一个燃料过量供给。

如上所述，第一燃料过量供给在NOxIN已达到预定值A₁的条件下执行(开始)。相反，如图2A所示，第二燃料过量供给在NOxIN已达到不等于A₁的预定值A₂(在附图中，A₁小于A₂)的条件下(即，在时刻t3)执行(开始)。

除了如上所述燃料过量供给的执行条件不同(即，A₁不等于A₂)之外，在第二燃料过量供给期间的工作类似于在第一燃料过量供给期间的工作。即，当O₂传感器26的输出从稀空燃比改变为浓空燃比时(即，在时刻t4)，第二燃料过量供给结束。在时刻t4的TSA₂为在第二燃料过量供给开始之前的总储存量TSA。

根据上述的图2中所示的控制，可检测当在第一燃料过量供给已结束时和第二燃料过量供给开始时之间已流入NOx催化剂18的NOx的总量(此NOx总量在下文被称为“进入NOx量”)即NOxIN为A₁时的总储存量TSA₁，和当进入NOx量为A₂时的总储存量TSA₂。

这样，对于根据第一示例性实施例的系统，NOx催化剂18中的进入NOx量被设定为多个不同的等级，并且可在每个等级检测总储存量TSA。图4为其中在横轴代表进入NOx量且纵轴代表总储存量TSA的坐标系统上，绘制出每当进入NOx量的值改变并且总储存量TSA被检测时的试验结果的曲线图，该试验被进行多次。顺便提及，已经在基本相同的工作条件下执行了每次燃料过量供给。如图4所示，指示每次执行燃料过量供给时的进入NOx量和总储存量TSA的每个点位于大致直的线上。因此，随着进入NOx量增加，总储存量TSA中的NOx储存量NSA可成比例地增加。

另一方面，如上所述，当内燃机10以稀空燃比工作时，NOx催化剂18迅速变得氧饱和。因此，当燃料过量供给开始时，多达氧储存容量OSC的氧已使得NOx催化剂18饱和。因此，不管进入NOx量如何，总储存量TSA中的氧储存量OSA可等于氧储存容量OSC。

如果进入NOx量为零，则NOx储存量NSA必然为零，从而整个总储存量TSA在此情况下与氧储存量OSA相对应。如图4所示，通过对图4中的直线进行外推，当进入NOx量为零时的总储存量TSA的值可作为此直线的截距被获得。此截距值等于NOx催化剂18的氧储存量OSA，从而等于NOx催化剂18的氧储存容量OSC。

如上所述，在第一示例性实施例中，基于NOx催化剂18的总储存量TSA获得的氧储存量OSA的值等于NOx催化剂18的氧储存容量OSC的值。因此，为了方便起见，氧储存量OSA的值将在下文的描述中被简称为“氧储存容量OSC”。

图5是其中在与如图4所示的坐标系统相同的坐标系统上绘制如图2所示在第二燃料过量供给期间总储存量TSA₁和TSA₂以及进入氧量A₁和A2的曲线图。如图5所示，在本发明中，如果总储存量TSA对于进入NOx量的至少两个不同等级中的每一个被至少检测一次，则代表进入NOx量与总储存量TSA之间的关系的直线可被绘制，从而可估计氧储存容量OSC。

因此，在本发明中，氧储存容量OSC也可基于在进入NOx量的三个或更多个不同等级下检测到的总储存量TSA被估计。另外，在进入NOx量的每个等级下执行两次或更多次燃料过量供给，并且可以基于由这些执行获得的总储存量TSA估计氧储存容量OSC。图6是曲线图，其中当在进入NOx量的三个不同等级(即，A₁、A₂、A₃)下执行三次燃料过量供给之后检测总储存量TSA时，在与图4相同的坐标系统上绘制总共9个点。

如图6所示，当存在至少两个点时，可通过针对那些点例如根据最小二乘法执行线性近似来获得代表进入NOx量与总储存量TSA之间的关系的直线。然后可通过外推该直线而获得氧储存容量OSC。在这种情况下，氧储存容量OSC可被以更高的精度估计。

这样，根据此第一示例性实施例，NOx催化剂18的氧储存容量OSC可被精确地估计，而没有连续两次执行燃料过量供给。当在理论空燃比下使用NOx催化剂18时的NOx还原性能可由NOx催化剂18的氧储存能力确定。当NOx催化剂18劣化时，NOx催化剂18的氧储存能力也下降。氧储存能力可由氧储存容量OSC的值检测到。

因此，例如，可通过预先设定用于确定NOx催化剂18的氧储存能力的预定的判定值，并比较以上述方式估计出的氧储存容量OSC与该判定值，来精确地判定NOx催化剂18的氧储存能力是否正常(即，是否在容许范围内)。

另外，在图4至6中，代表进入NOx量与总储存量TSA之间的关系的直线的较陡的斜率指示更大百分比的流入NOx被NOx催化剂18捕获。即，可以说此直线的斜率指示NOx催化剂18的NOx储存能力(即，当在稀空燃比下使用NOx催化剂18时的NOx还原性能)。

因此，可通过预先设定用于确定NOx催化剂18的NOx储存能力的预定的判定值，并比较代表进入NOx量与总储存量TSA之间的关系的直线的斜率与该预定的判定值，来精确地判定NOx催化剂18的NOx储存能力是否正常(即，是否在容许范围内)。

图7是在其上绘制了类似于图6的试验的结果的曲线图。但是，示出图7中的结果的试验在这样的NOx催化剂18上执行，该催化剂18中劣化已经发展地多于在图6中示出其结果的NOx催化剂18。即，对应于图7的NOx催化剂18的劣化程度高于对应于图6的NOx催化剂18。因此，与图6中的直线相比，图7中的直线具有较小的斜率(即，减小的NOx储存能力)和截距(即，较小的氧储存容量OSC)。

图8是曲线图，其中在坐标系统上，对于图6中所示的九个试验结果的NOx储存量NSA被绘制成黑三角形，而对于图7中所示的九个试验结果的NOx储存量NSA被绘制成白三角形，在该坐标系统中横轴代表进入NOx量，纵轴代表NOx储存量NSA。

顺便提及，NOx储存量NSA可基于总储存量TSA和氧储存容量OSC使用下式计算。

NSA＝(TSA-OSC)×46/32...(2)

其中，“46/32”为从O₂到NO₂的转换系数。

当预定的判定值被设定为类似于图8中的倾斜直线时，没有劣化的图6中的NOx催化剂18的九个NOx储存量NSA全部位于该倾斜直线上方。另一方面，劣化的图7中的NOx催化剂18的九个NOx储存量NSA全部位于该倾斜直线下方。这样，很明显，在NOx储存量NSA与劣化程度之间存在精确的相关性。

因此，在此第一示例性实施例中，可通过预先设定判定值例如图8中的倾斜直线，并比较检测到的进入NOx量和NOx储存量NSA与该判定值，来精确地判定NOx催化剂18的NOx储存能力是否正常(即，是否在容许范围内)。即，还可通过使用该判定值而不是使用代表进入NOx量与总储存量TSA之间的关系的直线的斜率，来判定NOx储存能力。

图9是根据第一示例性实施例中的上述方法的由ECU 30执行以便判定(诊断)NOx催化剂18的劣化的例程的流程图。此例程被相隔预定的时间间隔重复执行。

在图9所示的例程中，首先读取累加已流入NOx催化剂18的NOx的量而得到的NOxIN的值(步骤100)。接下来，判定NOxIN是否已经达到预定值A(步骤102)。此预定值A是被设定为当燃料过量供给开始时流入NOx催化剂18的进入NOx量的值。如上所述，在此第一示例性实施例中，对于进入NOx量的至少两个不同等级中的每一个执行燃料过量供给。当对于进入NOx量的两个不同等级执行燃料过量供给时，准备两个值即A₁和A₂作为该预定值A。另外，当对于进入NOx量的三个不同等级执行燃料过量供给时，准备三个值即A₁、A₂和A₃作为该预定值A。在步骤102中，这些预定值A之一被选择并与NOxIN进行比较。

如果在步骤102中判定出NOxIN还未达到预定值A，则判定为燃料过量供给的执行条件没有被满足。在此情况下，例程的此循环直接结束，并且内燃机继续以稀空燃比工作。

另一方面，如果在步骤102中判定出NOxIN已经达到预定值A，则判定为满足燃料过量供给执行条件。在此情况下，执行燃料过量供给，并且燃料过量供给的执行标记FR被设定为“1”(步骤104)。在燃料过量供给正在执行的同时，计算如图2E所示的TSA的积分值(步骤106)。

接下来，判定在步骤106中计算的TSA的积分值应被储存作为用于确定NOx催化剂18的劣化的总储存量TSA的数据的条件(下文，此条件被简称为“数据存储条件”)是否被满足(步骤108)。该数据存储条件为：(a)燃料过量供给已结束；(b)当执行燃料过量供给时的工作条件(例如，发动机转速NE，节气门开启量TH，和进空量GA)在预定范围内；和(c)当执行燃料过量供给时NOx催化剂18的温度TCAT在预定范围内。

上述条件(a)是一个必要条件，这是因为如上所述，在燃料过量供给结束时的TSA的积分值为应被作为总储存量TSA输入的值。上述条件(b)是这样的条件，即该条件被提供使得只有当在预定工作条件例如没有突然加速或减速的状况下执行燃料过量供给时获得的数据被用作催化剂劣化判定的基础，以便防止由于NOxIN的计算错误等等而导致错误判定。上述条件(c)是防止由于NOx催化剂18的温度的影响而导致错误判定的条件。即，NOx催化剂18的净化能力根据其温度而改变。因此，上述条件(c)被提供使得只有当在一定温度范围内执行燃料过量供给时获得的数据被用作催化剂劣化判定的基础，这是因为在该温度范围内NOx催化剂18的净化能力可被看作是恒定的。

当在步骤108中判定出所有上述条件(a)至(c)都被满足时，在步骤106中计算的TSA的积分值被与在步骤102中选择的预定值A(即，进入NOx量)相关联，作为用于催化剂劣化判定的总储存量TSA的数据，并且被存储在ECU 30中(步骤110)。

顺便提及，即使在偏离上述条件(c)的温度范围内执行燃料过量供给，也可通过执行校正例如将TSA的积分值乘以校正系数，来将TSA的积分值转换成可在上述条件(c)的温度范围内获得的值。因此，当上述条件(c)没有被满足时，可在已按预定方式校正TSA的积分值之后，将TSA的积分值存储作为总储存量TSA的数据。

一旦总储存量TSA的数据被存储，则判定用于执行催化剂劣化判定的条件是否被满足(步骤112)。更具体地说，判定针对进入NOx量的至少两个等级被执行的燃料过量供给的总储存量TSA的数据是否被存储。即，当如参照图5所述地计算氧储存容量OSC所必需的至少两个点的数据被存储时，判定为满足劣化判定执行条件。另外，当基于如图6所示的三个或更多个点的预定数据计算氧储存容量OSC时，当预定值被组合时可判定为满足劣化判定执行条件。

如果在步骤112判定出劣化判定执行条件没有被满足，则例程的此循环直接结束。在此情况下，当下一次以及此后执行该例程时，在步骤102中选择的预定值A已被必要地改变之后，判定燃料过量供给执行条件是否被满足。

另一方面，如果在步骤112中判定出劣化判定执行条件被满足，则基于存储的数据计算氧储存容量OSC(步骤114)。即，根据上文参照图5或6所描述的方法计算氧储存容量OSC。然后，基于上述式(2)计算NOx储存量NSA。

接下来，基于在上述步骤114中计算的氧储存容量OSC判定NOx催化剂18的氧储存能力是否正常(步骤118)。更具体地说，将氧储存容量OSC的值与预定的判定值进行比较，并且如果该氧储存容量OSC的值等于或大于该预定的判定值，则判定为氧储存能力是正常的。在此情况下，标记XOD被设定为“0”(步骤120)，以指示NOx催化剂18的氧储存能力是正常的。另一方面，如果氧储存容量OSC的值小于该预定的判定值，则判定为氧储存能力异常。在此情况下，标记XOD被设定为“1”(步骤122)，以指示NOx催化剂18的氧储存能力异常(即，指示NOx催化剂18的容许范围已被超出，并且NOx催化剂18正在劣化)。

接下来，基于在步骤116计算的NOx储存量NSA判定NOx催化剂18的NOx储存能力是否正常(步骤124)。更具体地说，将NOx储存量NSA的值与例如图8中所示的预定的判定值进行比较，并且如果NOx储存量NSA的值等于或大于该预定的判定值，则判定为NOx储存能力是正常的。在此情况下，标记XND被设定为“0”(步骤126)，以指示NOx催化剂18的NOx储存能力是正常的。另一方面，如果NOx储存量NSA的值小于该预定的判定值，则判定为NOx储存能力异常。在此情况下，标记XND被设定为“1”(步骤128)，以指示NOx催化剂18的NOx储存能力异常(即，指示NOx催化剂18的容许范围已被超出，并且NOx催化剂18正在劣化)。

顺便提及，可如上所述地基于代表进入NOx量与总储存量TSA之间的关系的直线的斜率来判定步骤S124中的NOx储存能力。

如上所述，根据图9中所示的例程，NOx催化剂18的总储存量TSA可被分解。即，可计算氧储存容量OSC(氧储存量OSA)和NOx储存量NSA中的每一个。然后，使用这些值中的每一个，可分别判定氧储存能力和NOx储存能力，该氧储存能力是当在理论空燃比下使用NOx催化剂18时的能力的参考，该NOx储存能力是当在稀空燃比下使用NOx催化剂18时的能力的参考。因此，NOx催化剂18的劣化状态可被精确地诊断。

另外，在本发明中，不必相隔短的时间间隔(即，在其期间NOx催化剂18中几乎没有储存NOx的间隔)连续执行燃料过量供给。即，前述效果可通过相隔与正常执行燃料过量供给的间隔接近的间隔执行燃料过量供给来获得。因此，可防止过频繁地执行燃料过量供给，这继而可防止发生不利的影响，例如燃料效率和排放恶化以及产生转矩震动的趋向增加。

另外，在上文所述的第一示例性实施例中，NOx催化剂18可被看作本发明的“NOx催化剂”，而O₂传感器26可被看作本发明的“第一排气传感器”。此外，ECU 30可通过执行步骤102中的处理被看作本发明的“执行条件设定装置”，通过执行步骤104中的处理被看作本发明的“空燃比控制装置”，通过执行步骤100中的处理被看作本发明的“进入NOx量获得装置”，通过执行步骤106中的处理被看作本发明的“总储存量计算装置”，并且通过执行步骤114中的处理被看作本发明的“氧储存量计算装置”。

另外，ECU 30通过执行步骤118至122中的处理可被看作本发明的“氧储存能力监测装置”，并且通过执行步骤124至128中的处理可被看作本发明的“NOx储存能力监测装置”。

接下来，将参照图10和11描述本发明的第二示例性实施例。但是，下文的描述将集中于与上述第一示例性实施例不同的那些内容。类似于第一示例性实施例的描述将被简化或省略。图10是根据本发明的第二示例性实施例的系统构造的示意图。如图10所示，在根据此第二示例性实施例的系统中，在NOx催化剂18的上游侧没有设置第一示例性实施例中的A/F传感器24，而是设置了O₂传感器32，该O₂传感器32产生根据排气的空燃比是比理论空燃比浓还是稀而突然变化的输出。在所有其它方面，第二示例性实施例中的系统与第一示例性实施例中的系统类似。下文，为了简化描述起见，设置在NOx催化剂18上游的O₂传感器32将被称为上游O₂传感器32，而设置在NOx催化剂18下游的O₂传感器26将被称为下游O₂传感器26。

在第二示例性实施例中，如下文将描述的，当执行燃料过量供给时，可在检测NOx催化剂18的总储存量TSA的同时，检测起始催化剂14和16的氧储存容量OSC，该催化剂14和16为三元催化剂。

图11A至11C为示出检测起始催化剂14和16的氧储存容量OSC和NOx催化剂18的总储存量TSA的方法的时序图。图11A示出下游O₂传感器26的输出。图11B示出上游O₂传感器32的输出。图11C示出设置在起始催化剂14和16的上游的A/F传感器20或22的输出，或A/F传感器20和22两者的平均输出(此后，此输出被称为“A/F传感器输出”)。

如图11A至11C所示，当开始燃料过量供给，并且具有浓空燃比的排气开始从内燃机10排出时，首先，A/F传感器输出从稀空燃比改变为浓空燃比(时间t1)。然后，当起始催化剂14和16中储存的全部氧由于流入起始催化剂14和16的还原剂而被用尽时，具有浓空燃比的排气开始通过起始催化剂14和16到达其下游侧。结果，上游O₂传感器的输出从稀空燃比改变为浓空燃比(时间t2)。

这样，在时间t1和t2之间已经流入起始催化剂14和16的还原剂的量(即，图11C中的具有交叉影线的部分)对应于起始催化剂14和16的氧储存容量OSC。因此，起始催化剂14和16的氧储存容量OSC可通过从时间t1到时间t2求上式(1)的结果的积分而获得。

从时间t2开始，还原剂开始流入NOx催化剂18。然后，当NOx催化剂18中储存的全部氧和NOx由于还原剂而被用尽时，浓空燃比的排气开始通过NOx催化剂18到达其下游侧。结果，下游O₂传感器26的输出从稀空燃比改变为浓空燃比(时间t3)。

这样，在时间t2和t3之间已经流入NOx催化剂18的还原剂的量(即，图11C中的具有影线的部分)对应于NOx催化剂18的总储存量TSA。因此，NOx催化剂18的总储存量TSA可通过从时间t2到时间t3求上式(1)的结果的积分而获得。

在此第二示例性实施例中，如上所述，可检测NOx催化剂18的总储存量TSA以及起始催化剂14和16的氧储存容量OSC两者。因此，还可同时诊断起始催化剂14和16的劣化。

当计算流入的还原剂的量时，排气的空燃比可由内燃机10的燃料喷射量和进气量GA计算出，而不是从A/F传感器输出而获得。

第二示例性实施例的所有其它方面类似于上述第一示例性实施例的那些方面，因此将省去对它们的进一步描述。

顺便提及，在上述第二示例性实施例中，起始催化剂14和15中的每一个可被看作本发明的“上游催化剂”，而上游O₂传感器32可被看作本发明的“第二排气传感器”。另外，ECU 30可通过计算起始催化剂14和16的氧储存容量OSC而被看作本发明的“氧储存容量计算装置”。

尽管已经参照本发明的示例性实施例描述了本发明，但是应理解，本发明并不局限于所描述的实施例或结构。相反，本发明将覆盖各种修改和等同设置。另外，尽管在各种组合和构型中示出示例性实施例的各种要素，但是包含更多、更少或仅一个要素的其它组合和构型也在本发明的精神和范围内。

Claims (11)

1.一种催化剂监测系统，所述催化剂监测系统包括设置于内燃机的排气通路中的NOx催化剂，和设置于所述NOx催化剂的下游并且依据排气的空燃比输出信号的第一排气传感器，

所述催化剂监测系统的特征在于包括：

执行条件设定装置，所述执行条件设定装置用于设定多个不同空燃比控制执行条件；

空燃比控制装置，所述空燃比控制装置用于当所述多个不同空燃比控制执行条件被满足时，将所述内燃机的排气的空燃比从稀空燃比临时切换到浓空燃比或理论空燃比；

进入NOx量获得装置，所述进入NOx量获得装置用于估计或检测在空燃比控制结束时与所述空燃比控制下一次开始时之间流入所述NOx催化剂的总进入NOx量；

总储存量计算装置，所述总储存量计算装置用于基于在所述空燃比控制期间输出的来自所述第一排气传感器的信号计算总储存量，所述总储存量对应于在所述空燃比控制开始之前已储存在所述NOx催化剂中的氧储存量和NOx储存量的总和；以及

氧储存量计算装置，所述氧储存量计算装置用于基于所述进入NOx量与所述总储存量之间的关系计算所述总储存量之中的所述氧储存量，所述关系是通过在至少两个不同的空燃比控制执行条件下执行所述空燃比控制而预先建立的。

2.根据权利要求1所述的催化剂监测系统，还包括：

氧储存能力监测装置，所述氧储存能力监测装置用于基于所述计算出的氧储存量确定所述NOx催化剂的氧储存能力。

3.根据权利要求1或2所述的催化剂监测系统，还包括：

NOx储存量计算装置，所述NOx储存量计算装置用于通过从所述总储存量减去所述氧储存量来计算NOx储存量；和

NOx储存能力监测装置，所述NOx储存能力监测装置用于基于所述计算出的NOx储存量确定所述NOx催化剂的NOx储存能力。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的催化剂监测系统，其中：

所述多个不同空燃比控制执行条件还包括所述进入NOx量达到预定值的条件，以及

所述执行条件设定装置将所述预定值设定为至少两个等级。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的催化剂监测系统，其中

所述氧储存量计算装置通过外推所述进入NOx量与所述总储存量之间的关系，计算与在所述进入NOx量为零时的所述总储存量相对应的值，并且将所述计算值设定为所述氧储存量。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的催化剂监测系统，还包括：

上游催化剂，所述上游催化剂设置于所述NOx催化剂的上游；

第二排气传感器，所述第二排气传感器设置于所述NOx催化剂和所述上游催化剂之间，并且依据排气的空燃比输出信号；以及

氧储存能力计算装置，所述氧储存能力计算装置用于基于在所述空燃比控制期间输出的来自所述第二排气传感器的信号，计算所述上游催化剂的氧储存能力，

其中，所述总储存量计算装置基于在所述空燃比控制期间输出的来自所述第二排气传感器的信号和来自所述第一排气传感器的信号，计算所述总储存量。

7.根据权利要求1所述的催化剂监测系统，其中

所述进入NOx量获得装置基于i)所述内燃机的负载和转速与ii)每单位时间产生的NOx的量之间的关系，估计所述进入NOx量。

8.根据权利要求1所述的催化剂监测系统，其中

所述进入NOx量获得装置基于设置于所述NOx催化剂的上游的NOx传感器的输出，检测所述进入NOx量。

9.一种催化剂监测方法，所述催化剂监测方法用于包括NOx催化剂和第一排气传感器的系统，所述NOx催化剂设置于内燃机的排气通路中，所述第一排气传感器设置于所述NOx催化剂的下游并且依据排气的空燃比输出信号，

所述催化剂监测方法的特征在于包括：

a)设定多个不同空燃比控制执行条件；

b)当所述多个不同空燃比控制执行条件被满足时，将所述内燃机的排气的空燃比从稀空燃比临时切换到浓空燃比或理论空燃比；

c)估计或检测在空燃比控制结束时与所述空燃比控制下一次开始时之间流入所述NOx催化剂的总进入NOx量；

d)基于在所述空燃比控制期间输出的来自所述第一排气传感器的信号计算总储存量，所述总储存量对应于在所述空燃比控制开始之前已储存在所述NOx催化剂中的氧储存量和NOx储存量的总和；以及

e)基于所述进入NOx量与所述总储存量之间的关系计算所述总储存量之中的所述氧储存量，所述关系是通过在至少两个不同的空燃比执行条件下执行所述空燃比控制而预先建立的。

10.一种催化剂监测系统，包括：

NOx催化剂，所述NOx催化剂设置于内燃机的排气通路中；

第一排气传感器，所述第一排气传感器设置于所述NOx催化剂的下游并且依据排气的空燃比输出信号；

执行条件设定部，所述执行条件设定部设定多个不同空燃比控制执行条件；

空燃比控制部，当所述多个不同空燃比控制执行条件被满足时，所述空燃比控制部将所述内燃机的排气的空燃比从稀空燃比临时切换到浓空燃比或理论空燃比；

估计或检测进入NOx量的进入NOx量获得部，所述进入NOx量是在空燃比控制结束时与所述空燃比控制下一次开始时之间流入所述NOx催化剂的NOx的总量；

总储存量计算部，所述总储存量计算部基于在所述空燃比控制期间输出的来自所述第一排气传感器的信号计算总储存量，所述总储存量对应于在所述空燃比控制开始之前已储存在所述NOx催化剂中的氧储存量和NOx储存量的总和；以及

氧储存量计算部，所述氧储存量计算部基于所述进入NOx量与所述总储存量之间的关系计算所述总储存量之中的所述氧储存量，所述关系是通过在至少两个不同的空燃比控制执行条件下执行所述空燃比控制而预先建立的。

11.一种催化剂监测方法，包括：

设定多个不同空燃比控制执行条件；

当所述多个不同空燃比控制执行条件被满足时，将内燃机的排气的空燃比从稀空燃比临时切换到浓空燃比或理论空燃比；

估计或检测在空燃比控制结束时与所述空燃比控制下一次开始时之间流入NOx催化剂的总进入NOx量，所述NOx催化剂设置于所述内燃机的排气通路中；

基于在所述空燃比控制期间输出的来自第一排气传感器的信号计算总储存量，所述总储存量对应于在所述空燃比控制开始之前已储存在所述NOx催化剂中的氧储存量和NOx储存量的总和，所述第一排气传感器设置于所述NOx传感器的下游，并且依据排气的空燃比输出信号；以及

基于所述进入NOx量与所述总储存量之间的关系计算所述总储存量之中的所述氧储存量，所述关系是通过在至少两个不同的空燃比控制执行条件下执行所述空燃比控制而预先建立的。

Images