CN101636566A - 催化器监测系统和催化器监测方法 - Google Patents

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Abstract

检测或估计流入催化器(11)的排气中的碳氢化合物中的一部分成分的浓度，并且检测流出催化器(11)的排气中的碳氢化合物中的一部分成分的浓度。基于流入催化器(11)的碳氢化合物中的一部分成分的浓度和流出催化器(11)的碳氢化合物中的一部分成分的浓度，确定催化器(11)是否已经劣化。

Description

催化器监测系统和催化器监测方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种用于监测布置在内燃机的排气通道内的催化器的劣化的系统和方法。
背景技术
[0002]通常，在内燃机中催化器布置在排气通道内，以便于净化排气。例如，安装在火花点火式内燃机上的三元催化器具有O2存储功能。通过该O2存储功能，当流入催化器的排气的空燃比变得大于(燃料稀于)化学计量空燃比时，催化器吸收排气中存在的过多的氧。另一方面，当流入催化器的排气的空燃比变得小于(燃料浓于)化学计量空燃比时，催化器释放已经吸收的氧。因此，如果在内燃机正常操作期间，混合气体的空燃比依据发动机的操作状态而变换到化学计量空燃比的浓侧或稀侧，则在催化器的表面上维持化学计量空燃比。由于三元催化器的O2存储功能，当混合气体变稀时，催化器吸收并保留过多的氧，包括减少氮氧化物(NOX)。当混合物变浓时，在催化器中吸收和保留的氧被释放，导致碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)氧化。因而，可以通过三元催化器去除NOX、HC和CO。
[0003]如果三元催化器劣化了，则排气净化比下降。由于三元催化器的劣化和O2存储功能的下降二者都是通过贵金属所发生的反应，所以三元催化器的劣化程度和O2存储功能的下降程度具有相关性。因此，一般惯例是通过检测三元催化器的O2存储功能的下降程度而检测三元催化器的劣化程度。
[0004]基于这种方法，日本专利No.2705039公开了一种技术，在该技术中两个检测排气中的HC浓度的HC传感器设置在三元催化器的上游侧和下游侧上，并且通过比较两个HC传感器的输出而检测三元催化器的劣化。
[0005]近年来，由于加严了机动车废气排放控制，催化器的排气净化比作为用于确定催化器已经劣化的标准而变得较高。即，需要确定催化器已经劣化，而同时催化器的劣化程度较小。因此，流入催化器的排气中的目标成分(NOX，HC，CO)的浓度(即，所述目标成分在流入催化器之前的浓度)与流出催化器的排气中的目标成分的浓度(即，所述目标成分在流入催化器之后的浓度)之间的差增加。
[0006]例如，在HC是目标成分的情况下，催化器之前的HC浓度是1000ppm或更高，而催化器之后的HC浓度是几十ppm的水平。在该情况下，催化器之前的浓度和催化器之后的浓度的两个量级之间有较大的差，在HC去除比方面是百分之九十几的值。
[0007]在日本专利No.2705039中所述的技术中，仅比较催化器之前的HC浓度和催化器之后的HC浓度。此处的HC浓度指的是构成HC的多个成分的总的浓度。即，上述1000ppm或更高的催化器之前的HC浓度和几十ppm的催化器之后的HC浓度是此处的HC浓度。在催化器的正常状态和劣化状态之间，催化器之后的HC浓度仅仅相差了大约几十ppm，并且HC去除比也仅仅相差了大约几个百分比。如果在催化器之前和之后使用同样的HC传感器，则HC传感器需要具有与催化器之前的HC浓度相对应的1000ppm或更高的较宽测量范围，并且同时需要测量小至几十ppm的催化器之后的HC浓度。更具体地，在日本专利No.2705039中所述的技术中，检测所有的多种不同成分的总浓度。因此，必须使用具有与所有成分的总浓度相对应的宽测量范围的传感器，并且辨别催化器之后的低水平的碳氢化合物浓度的量值，以及确定催化器是否已经劣化。然后，关于催化器之后的HC浓度的测量误差会变大，并且由此计算的HC去除比会成为含有较大误差的值。如果基于含有这种较大误差的HC去除比中的大约几个百分比变化而确定催化器的常态/劣化，则不能保证高监测准确度(高检测准确度)。
发明内容
[0008]因此，本发明提供一种能够高准确度地监测催化器的劣化的催化器监测系统和催化器监测方法。
[0009]根据本发明的第一方面的催化器监测系统包括：催化器，其设置在内燃机的排气通道内并且能够去除流入催化器的排气中的至少碳氢化合物；第一浓度检测装置，其用于检测或估计流入催化器的排气中的碳氢化合物中的一部分成分的浓度；第二浓度检测装置，其用于检测流出催化器的排气中的碳氢化合物中的所述一部分成分的浓度；以及劣化确定装置，其用于基于流入催化器的碳氢化合物中的所述一部分成分的浓度和流出催化器的碳氢化合物中的所述一部分成分的浓度而确定催化器是否已经劣化。
[0010]排气中的碳氢化合物包括多种不同的成分。在本发明的上述方面中，目标成分事先限于排气中的碳氢化合物中的一部分成分。因此，可以减小催化器之前的成分浓度，并且也可以减小要求的测量范围，以便可以高准确度地辨别低水平的不同的催化器之后的浓度。结果，能够保证高监测准确度。
[0011]在根据第一方面的催化器监测系统中，排气中的碳氢化合物中的所述一部分成分可以是碳数较小的成分。
[0012]此外，在根据第一方面的催化器监测系统中，排气中的碳氢化合物中的所述一部分成分可以包括甲烷、乙烷和丙烷中的至少一种。
[0013]排气中的碳氢化合物中的构成成分的碳数越大，则所述构成成分越不稳定。对于流入催化器的碳氢化合物中的构成成分，应当认为，具有较大的碳数的碳氢化合物构成成分经由与催化器的反应而较快地分解以进行氧化，并从而被去除(消失)。相反地，应当认为，具有较小的碳数的碳氢化合物成分较稳定，并且在通过催化器期间较不容易去除。换言之，对于具有较小的碳数的碳氢化合物成分，它们的去除比很可能取决于催化器的劣化程度，较强烈地趋向于建立起在催化器的新鲜状态(fresh state)和劣化状态之间的明显差异。因此，通过选择碳数较小的部分作为一种或多种目标碳氢化合物成分，例如甲烷、乙烷和丙烷中的至少一种，则能够适当地评价催化器的劣化程度。
[0014]在根据第一方面的催化器监测系统中，排气中的碳氢化合物中的所述一部分成分可以是甲烷。
[0015]作为排气中的碳氢化合物的构成成分的甲烷具有最小的碳数并且是最稳定的，以便使其去除比最显著地反映催化器的劣化程度。因此，在目标碳氢化合物成分如在上述方面中限于甲烷的情况下，可以较高准确度地执行监测。
[0016]此外，在根据第一方面的催化器监测系统中，第一浓度检测装置可以包括甲烷浓度估计装置，其用于基于内燃机的操作状态估计流入催化器的排气中的甲烷浓度；并且第二浓度检测装置可以包括甲烷传感器。
[0017]此外，在根据第一方面的催化器监测系统中，内燃机的操作状态可以是转速、进气量和冷却水温度中的至少一个。
[0018]此外，在根据第一方面的催化器监测系统中，第一检测装置和第二检测装置可以包括甲烷传感器。
[0019]此外，在根据第一方面的催化器监测系统中，劣化确定装置可以基于流入催化器的排气中的碳氢化合物中的所述一部分成分的浓度和流出催化器的排气中的碳氢化合物中的所述一部分成分的浓度而计算流入催化器的排气中的碳氢化合物中的所述一部分成分的去除比，并基于该去除比而确定催化器是否已经劣化。
[0020]此外，在根据第一方面的催化器监测系统中，劣化确定装置可以将去除比与从具有催化器的温度的函数得到的劣化标准值进行比较，并且如果去除比小于或等于劣化标准值，则确定催化器已经劣化。
[0021]此外，在根据第一方面的催化器监测系统中，还可以包括空燃比控制装置，其用于当通过第一浓度检测装置检测或估计碳氢化合物中的所述一部分成分的浓度时和当通过第二浓度检测装置检测碳氢化合物中的所述一部分成分的浓度时，将流入催化器的排气的空燃比控制成预定空燃比。
[0022]此外，在根据第一方面的催化器监测系统中，预定空燃比的值可以从预定宽度范围内选择，所述预定宽度范围相对于基准值在稀侧和浓侧之内，所述基准值从化学计量空燃比向稀侧偏离。
[0023]此外，在根据第一方面的催化器监测系统中，所述基准值可以是14.7。
[0024]此外，在根据第一方面的催化器监测系统中，预定空燃比的值可以从大于14.6直到14.8的范围内选择。
[0025]此外，在根据第一方面的催化器监测系统中，预定空燃比可以具有从化学计量空燃比向稀侧偏离的值。
[0026]此外，在根据第一方面的催化器监测系统中，还可以包括下游催化器，其设置在所述催化器的下游侧并能够去除流入下游催化器的排气中的至少NOX，并且在下游催化器处在能够去除NOX的状态中的条件下，空燃比控制装置可以执行空燃比控制。
[0027]此外，在根据第一方面的催化器监测系统中，还可以包括催化器温度检测装置，其用于检测或估计催化器的温度，并且如果满足冷却水温度大于或等于预定值的条件、进气量的值在预定波动宽度内的条件和催化器处在预定活化温度范围内的条件，则可以执行催化器监测。
[0028]此外，在根据第一方面的催化器监测系统中，所述催化器可以是三元催化器。
[0029]一种根据本发明的第二方面的催化器监测方法，该催化器监测方法确定催化器是否已经劣化，所述催化器设置在内燃机的排气通道内并能够去除流入催化器的排气中的至少碳氢化合物，其包括：检测或估计流入催化器的排气中的碳氢化合物中的一部分成分的浓度；检测流出催化器的排气中的碳氢化合物中的所述一部分成分的浓度；以及基于流入催化器的碳氢化合物中的所述一部分成分的浓度和流出催化器的碳氢化合物中的所述一部分成分的浓度而确定催化器是否已经劣化。
[0030]此外，在根据第二方面的催化器监测方法中，排气中的碳氢化合物中的所述一部分成分可以是碳数较小的成分。
[0031]此外，在根据第二方面的催化器监测方法中，排气中的碳氢化合物中的所述一部分成分可以包括甲烷、乙烷和丙烷中的至少一种。
[0032]此外，在根据第二方面的催化器监测方法中，排气中的碳氢化合物中的所述一部分成分可以是甲烷。
[0033]此外，在根据第二方面的催化器监测方法中，可以基于内燃机的操作状态估计流入催化器的排气中的甲烷浓度；并且可以通过甲烷传感器检测流出催化器的排气中的甲烷浓度。
[0034]此外，在根据第二方面的催化器监测方法中，可以通过甲烷传感器检测流入催化器的排气中的甲烷浓度，并且可以通过甲烷传感器检测流出催化器的排气中的甲烷浓度。
[0035]此外，在根据第二方面的催化器监测方法中，可以基于流入催化器的碳氢化合物中的所述一部分成分的浓度和流出催化器的碳氢化合物中的所述一部分成分的浓度而计算流入催化器的碳氢化合物中的所述一部分成分的去除比，并且可以基于该去除比确定催化器是否已经劣化。
[0036]此外，在根据第二方面的催化器监测方法中，还可以包括当待检测或估计流入催化器的碳氢化合物中的所述一部分成分的浓度时和当待检测流出催化器的碳氢化合物中的所述一部分成分的浓度时，将流入催化器的排气的空燃比控制成预定空燃比。
[0037]此外，在根据第二方面的催化器监测方法中，预定空燃比的值可以从预定宽度范围内选择，所述预定宽度范围相对于基准值在稀侧和浓侧之内，所述基准值从化学计量空燃比向稀侧偏离。
[0038]此外，在根据第二方面的催化器监测方法中，预定空燃比可以具有从化学计量空燃比向稀侧偏离的值。
[0039]此外，在根据第二方面的催化器监测方法中，还可以包括提供下游催化器，所述下游催化器设置在所述催化器的下游侧并能够去除流入下游催化器的排气中的至少NOX，并且在下游催化器处在能够去除NOX的状态中的条件下，可以执行空燃比的控制。
[0040]此外，在根据第二方面的催化器监测方法中，所述催化器可以是三元催化器。
[0041]因而，根据本发明，能够提供催化器监测系统和催化器监测方法，可以实现极好效果，在所述催化器监测系统和催化器监测方法中可以高准确度地进行监测催化器的劣化。
附图说明
[0042]本发明的上述和/或其它目的、特征和优点将从以下参照附图的优选实施例的说明变得更加明显，在所述附图中相同的附图标记用于表示相同的元件，其中：
图1是根据本发明的第一实施例的内燃机的系统示意图；
图2是示出根据本发明的第一实施例的催化器的结构的示意性截面图；
图3A至3D示出排气中的HC成分的浓度在正常催化器的情况与劣化催化器的情况之间进行比较的测试结果；
图4是示出本发明的第一实施例中的监测程序的流程图；
图5示出劣化标准值计算图表(map)；
图6是根据本发明的第二实施例的内燃机的系统示意图；
图7示出在空燃比改变的情况下对甲烷浓度中的变化进行研究的测试结果；
图8是示出根据本发明的第二实施例的监测程序的流程图。
具体实施方式
[0043]以下将参照附图说明本发明的第一实施例。
[0044]图1是根据本发明的第一实施例的内燃机的系统示意图。如图1中所示，内燃机1通过在燃烧室3内燃烧燃料和空气的混合气体而产生动力，并从而使活塞4在各燃烧室3内部进行往复运动，所述燃烧室3形成在气缸体2中。内燃机1是车用多缸发动机(仅示出一个气缸)，并且是火花点火式内燃机，更具体地是汽油机。
[0045]在内燃机1的气缸盖中，对于各气缸单独地布置有用于打开和关闭进气口的进气门Vi和用于打开和关闭排气口的排气门Ve。进气门Vi和排气门Ve通过凸轮轴(未示出)打开和关闭。另外，在气缸盖的顶部部分中，对于各气缸单独地附装有火花塞7，用于在燃烧室3内点燃混合气体。此外，在气缸盖中，对于各气缸单独地布置有喷射器(燃料喷射阀)12，从而将燃料直接喷射到燃烧室3中。各活塞4都构造成具有所谓的“深碗形活塞头”并且具有形成在活塞的上表面中的凹陷部分4a。在内燃机1的各燃烧室3中，燃料从喷射器12直接朝活塞4的凹陷部分4a喷射，而空气已经吸进燃烧室3中。结果，在火花塞7附近，从周围的空气层不连续地形成一层燃料和空气的混合气体(即，分层)，以便实现稳定的分层燃烧。
[0046]气缸的进气口经由各气缸的支管连接至调压室8，所述调压室8是进气收集室。形成进气收集通道的进气管13连接至调压室8的上游侧。进气管13的上游侧端部设有空气净化器9。在进气管13中，从上游侧按该次序包括有用于检测进气量的空气流量计5和电子控制节气门10。附带提及，进气口、调压室8和进气管13形成进气通道。
[0047]另一方面，气缸的排气口经由各气缸的支管连接至排气管6，所述排气管6形成排气收集通道。排气口、支管和排气管6形成排气通道。排气管6设有三元催化器11、16，所述三元催化器11、16如上所述具有O2存储功能并能够同时地去除排气中的CO、HC和NOX。对于三元催化器11、16，一个三元催化器也可以称为上游催化器11，并且设置在上游催化器11的下游侧的另一个三元催化器也可以称为下游催化器16。在上游催化器11的上游侧上设置有催化器之前的空燃比传感器17，所述催化器之前的空燃比传感器17是用于检测排气空燃比的空燃比传感器。同样地，在上游催化器的下游侧上也设置有催化器之后的空燃比传感器18，所述催化器之后的空燃比传感器18是用于检测排气空燃比的空燃比传感器。催化器之前的空燃比传感器17由所谓的“宽范围空燃比传感器”形成，并因此能够在较宽的范围内连续地检测空燃比，并且输出与检测到的空燃比成比例的电流信号。另一方面，催化器之后的空燃比传感器18由所谓的“O2传感器”形成，并具有输出电压在化学计量空燃比处急剧变化的特征。催化器之后的空燃比传感器18设置在上游催化器11和下游催化器16之间。
[0048]在上游催化器11的下游侧上设置有甲烷传感器21(以下，称为“催化器之后的甲烷传感器21”)，所述甲烷传感器21用于检测甲烷(CH4)的浓度，甲烷是排气中的碳氢化合物(HC)中的一部分成分。附带提及，催化器之后的甲烷传感器21也设置在上游催化器11和下游催化器16之间。
[0049]以上提及的火花塞7、节气门10、喷射器12等电连接至电子控制单元(以下，简化称为ECU)20，所述电子控制单元20设置为控制装置。ECU 20包括CPU、ROM、RAM、输入/输出端口、存储装置等(均未示出)。如图1中所示，多个传感器和类似物经由A/D变流器和类似物连接至ECU 20，所述多个传感器和类似物包括空气流量计5、催化器之前的空燃比传感器17、催化器之后的空燃比传感器18和催化器之后的甲烷传感器21，并且也包括检测内燃机1的曲柄角的曲柄角传感器14、检测加速器操作量的加速器操作量传感器15、检测内燃机1的冷却水温度的水温传感器19，等等。基于从多个传感器检测到的值或类似量，ECU 20以得到期望的输出的方式通过控制火花塞7、节气门10、喷射器12等而控制点火提前角、燃料喷射量、燃料喷射时刻、节气门开度等。
[0050]当流入上游催化器11和下游催化器16中的空燃比A/F是化学计量空燃比(例如，A/F＝14.6)时，上游催化器11和下游催化器16同时地去除NOX、HC和CO。相应地，ECU 20将空燃比控制成使得混合气体的空燃比等于化学计量空燃比，并因此使得排气的空燃比等于化学计量空燃比(所谓的“化学计量控制”)。具体地，ECU20将目标空燃比设置成等于化学计量空燃比，并且反馈控制从喷射器12喷射的燃料的量，以便使通过催化器之前的空燃比传感器17检测到的空燃比变得等于目标空燃比。因此，供给至三元催化器11、16的排气的空燃比保持在化学计量空燃比的附近，以便使三元催化器11、16提供最大的去除性能。
[0051]此处使用的催化器之后的甲烷传感器21可以是例如日本专利申请公开No.11-118758(JP-A-11-118758)中公开的甲烷传感器。当内置的加热器设定成第一设定温度(例如，500℃)时，该传感器输出与除了甲烷以外的HC成分的浓度相对应的氧泵电流(oxygen pumpcurrent)。当加热器设定成第二设定温度(例如，650℃)时，传感器输出与所有HC成分的浓度相对应的氧泵电流。从上述两种情况之间的浓度差，ECU 20计算甲烷浓度。
[0052]将进一步详细说明形成上游催化器11和下游催化器16的三元催化器。如图2中所示，在催化器中，支撑基底33的表面涂覆有涂料31，并且细粉状态的催化器成分32保持在涂料31中，所述涂料31布置成许多分散颗粒，该催化器成分32并且暴露在催化器内。催化器成分32主要由诸如Pt、Pd等贵金属构成，并且用作用于对诸如NOX、HC和CO的排气成分起反应的活性部位。另一方面，涂料31含有起促进剂作用的氧存储成分，所述氧存储成分加速排气与催化器成分32之间的界面上的反应，并且能够根据周围气体的空燃比而吸收和释放氧气。氧存储部分例如由二氧化铈CeO2构成。例如，如果绕催化器成分32和涂料31的周围气体浓于化学计量空燃比，则存储在绕催化器成分32布置的氧存储成分中的氧被释放。结果，已释放的氧氧化诸如HC和CO的未燃烧的成分，并从而去除这些成分。相反，如果绕催化器成分32和涂料31的周围气体稀于化学计量空燃比，则绕催化器成分32布置的氧存储成分从周围气体吸收氧，导致NOX的去除减少。
[0053]由于这种氧吸收/释放作用，虽然在正常空燃比控制期间排气空燃比相对于化学计量空燃比会在一定程度上波动，但是三种排气成分(即，NO、HC和CO)被同时去除。因此，也能够通过有意地将排气空燃比向化学计量空燃比的稀侧和浓侧摆动到相对于化学计量空燃比非常小的程度而执行排气净化。
[0054]附带提及，当催化器劣化时，一部分催化器成分32消失，并且一些催化器成分32由于排气热量而烘烤和固定在一起，并由此变得烧结(参见图2中的虚线)。这样导致排气与催化器成分32之间的接触的概率降低，所述概率可以变成降低去除比的一个因素。另外，绕催化器成分32布置的涂料31的量(即，氧存储成分的量)减少，并且氧存储能力本身下降。因而，如上所述，在催化器的劣化程度与氧存储能力的下降程度之间有相关性，并且该相关性有时会用于执行关于催化器的监测。具体地，有一种测量催化器的氧存储能力的方法，所述氧存储能力是在当前状态中催化器可以存储最大氧量时的氧存储容量(OSC，其单元是g)，并且该方法依据测量到的氧存储容量值是大于还是小于预定劣化标准值而确定催化器是正常还是劣化。该方法可以称为Cmax方法或类似名称，并且已知为用于三元催化器的普通监测方法。本发明提供一种关注催化器的HC去除能力的方法，该方法与Cmax方法不同。
[0055]接下来，将说明根据本发明的催化器监测。该监测的对象是上游催化器11和下游催化器16中的上游催化器11。
[0056]通常，在根据本发明的监测中，检测或估计流入上游催化器11的排气中的碳氢化合物中的一部分成分(以下，称为“催化器之前部分的成分”)的浓度。类似地，检测流出上游催化器11的排气中的碳氢化合物中的所述一部分成分(以下，称为“催化器之后部分的成分”)的浓度。然后，基于催化器之前部分的成分的浓度和催化器之后部分的成分的浓度，确定上游催化器11是否已经劣化。
[0057]排气中的HC包括多种不同的成分，包括代表性的碳氢化合物，例如甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、丁烷(C4H10)、苯(C6H6)、甲苯(C7H8)、二甲苯(C8H10)、乙烯(C2H4)，并且也包括具有较大的碳数或多种中间体的成分，等等。根据上述日本专利No.2705039中所述的技术，通过HC传感器检测所有HC成分的总的浓度。因此，该技术需要采用具有例如1000ppm或更高的宽测量范围的传感器，并且同时需要辨别在催化器的下游侧处的HC浓度的量值(高或低)，所述量值是在几十ppm的低水平。因此，该技术有时不能提供高检测准确度，并因此不能提供高监测准确度。
[0058]然而，根据本发明的监测，目标成分事先限于HC的一部分成分。因此，可以减小催化器之前的成分浓度，并且也可以减小要求的测量范围，以便使各种低水平的催化器之后的浓度可以被高准确度地辨别。结果，能够保证高监测准确度。
[0059]可以想到的是设置成所述一部分成分是甲烷、乙烷和丙烷中的至少一种。HC的构成成分的碳数越大，则越不稳定。应当认识到，对于流入催化器的HC成分，这些具有较大的碳数的HC成分经由与催化器的反应而较快地分解以进行氧化，并从而被去除(消失)。相反地，应当认识到，具有较小的碳数的HC成分较稳定，并且在通过催化器期间较不容易去除。换言之，对于具有较小的碳数的HC成分，它们的去除比很可能取决于催化器的劣化程度，较强烈地趋向于建立起在催化器的新鲜状态和劣化状态之间的明显差异。因此，通过选择碳数较小的部分作为碳氢化合物成分中的所述一部分成分，例如甲烷、乙烷和丙烷中的至少一种，则能够适当地评价催化器的劣化程度。附带提及，在选择甲烷、乙烷和丙烷中的一种的情况下，所述一部分成分的浓度指的是仅已选择的成分的浓度。在选择甲烷、乙烷和丙烷中的两种或三种的情况下，所述一部分成分的浓度指的是已选择的成分的总的浓度。本质上，催化器之前部分的成分和催化器之后部分的成分需要是相同的。
[0060]附带提及，如果所述一部分成分是甲烷，由于甲烷具有最小的碳数并且最稳定，则甲烷的去除比被认为是最显著地反映催化器的劣化程度。
[0061]现在，参照图3A至3D，将说明排气中的HC成分的浓度在劣化催化器的情况与正常催化器的情况之间比较的测试结果。在该测试中，执行迫使流入催化器的排气的空燃比切换到化学计量空燃比(A/F＝14.6)的稀侧或浓侧的主动空燃比控制，并且在正常催化器的情况下和在劣化催化器的情况下研究催化器的下游排气中的甲烷、乙烷和丙烷各自的浓度。甲烷、乙烷和丙烷各自的浓度都通过气体分析器(FTIR)进行测量。在图3A至3D中，实线与正常催化器的情况相对应，并且虚线与劣化催化器的情况相对应。
[0062]如图3A中所示，流入催化器的排气的空燃比被迫交替地切换到中间有化学计量空燃比(A/F＝14.6)的稀侧和浓侧。到稀侧的振幅和到浓侧的振幅等于0.5；即，稀侧空燃比是15.1，并且浓侧空燃比是14.1。劣化催化器情况下的切换时间(转换周期)短于正常催化器情况下的切换时间。这是因为空燃比在每次在稀状态期间氧到催化器中的存储或在浓状态期间氧从催化器的释放一直进行到催化器的氧存储容量完全使用完时进行切换。由于劣化催化器中的氧存储容量小于正常催化器中的氧存储容量，所以在测试中劣化催化器情况下的转换周期短于正常催化器情况下的转换周期。经常通过Cmax方法实施如上所述的主动空燃比控制。
[0063]如图3B中所示，在正常催化器情况下流出催化器的排气中的甲烷浓度是大约20ppm，而在劣化催化器情况下是大约40ppm，两种情况之间具有大约20ppm的差。如图3C中所示，流出催化器的排气中的乙烷浓度在正常催化器情况和劣化催化器情况两种情况下都小于或等于10ppm，两种情况之间具有小于10ppm的差。另一方面，如图3D中所示，流出催化器的排气中的丙烷浓度在正常催化器情况和劣化催化器情况两种情况下都是大约0ppm，并因而在两种情况之间没有差。如图7中所示，流入催化器的排气中的甲烷浓度根据排气的空燃比变化，但是是在大约100ppm或更小的量级中变化。
[0064]从这些结果可以理解，HC成分的碳数越小，催化器之后的浓度(作为流出催化器的排气中的碳氢化合物中的一部分成分的浓度)在正常催化器情况和劣化催化器情况之间的差越大，即，去除比的变化越大。尤其，如果目标HC成分限于甲烷，则催化器之前的甲烷浓度(作为流出催化器的排气中的碳氢化合物中的一部分成分的浓度)是在大约100ppm或更小的量级，并且得到与催化器之前的浓度的大约20ppm的差。这意味着可以得到大约20％的去除比的差。对于乙烷，虽然没有像甲烷的效果等那么好，但可以说得到与甲烷类似的效果和类似结果。对于丙烷，测试结果并没有示出在正常催化器情况和劣化催化器情况之间的差。然而，通过进行主动空燃比控制可以得到这些测试结果，并且测试条件(排气条件)中的变化可以提供不同的结果。因此，对于丙烷，虽然没有像甲烷的效果和类似结果那么好，但可以说得到与甲烷类似的效果和类似结果。
[0065]考虑到测试结果，本发明的第一实施例中的目标HC成分限于甲烷，甲烷建立起在催化器的正常状态和劣化状态之间的最大浓度差。然而，也可以采用乙烷或丙烷或者这三种物质中的两种或三种的组合代替甲烷。这三种物质中的两种或三种的组合包括四种组合，即，甲烷和乙烷的组合、甲烷和丙烷的组合、丙烷和乙烷的组合、以及甲烷、乙烷和丙烷的组合。在这些组合示例中，甲烷和乙烷的组合具有最少的碳数，并因此是适当的。
[0066]接下来，将参照图4说明用于执行上述监测的程序。图4中所示的程序通过ECU 20以每个预定计算循环重复地执行。
[0067]首先，在步骤S101中，确定催化器监测执行标志是否开启(on)，和催化器监测结束标志是否关闭(off)。当满足适于催化器监测的预定条件时，催化器监测执行标志开启。例如当满足以下所有条件时，即，通过水温度传感器19检测到的冷却水温度Tw大于或等于预定值的条件(即，暖机已经结束的条件)、发动机操作状态是稳态的条件和上游催化器11处在预定活化温度范围内的条件，则满足上述适于催化器监测的预定条件。例如当通过空气流量计5检测到的进气量Ga的值在预定波动宽度内时，则满足发动机操作状态是稳态的条件。在第一实施例中，提供用于检测或估计上游催化器11的温度Tc的催化器温度检测装置；具体地，基于发动机操作状态(例如，转速Ne和进气量Ga)，根据预定的图表或函数估计上游催化器11的温度Tc。当该估计的温度处在预定活化温度范围内时，则满足上游催化器11处在预定活化温度范围内的条件。附带提及，上游催化器11的温度Tc也可以通过设置在上游催化器11的位置处的温度传感器直接检测，或者上游催化器11的温度Tc也可以从排气温度来估计，所述排气温度通过设置在上游催化器11的上游侧的温度传感器进行检测。
[0068]如果对步骤S101中的判断的回答是“NO”，则该程序结束。如果对步骤S101中的判断的回答是“YES”，则程序继续进入步骤S102。
[0069]在步骤S102中，估计从内燃机1排出而流入下游催化器11的排气中的甲烷浓度(以下，称为“催化器之前的甲烷浓度”)Cf。基于发动机操作状态(例如，转速Ne、进气量Ga和冷却水温度Tw)，根据事先通过实验或类似方法建立的函数或图表而通过ECU 20执行该估计。因而，在第一实施例中，估计催化器之前的甲烷浓度Cf。或者，在上游催化器11的上游侧上可以单独地设置有甲烷传感器，并且可以通过甲烷传感器直接检测催化器之前的甲烷浓度Cf。在第一实施例中估计甲烷浓度的情况下，则不需要催化器之前的甲烷传感器，并且因此该结构在成本方面是有利的。在单独地设置有甲烷传感器的情况下，虽然在成本方面是不利的，但是由于催化器之前的甲烷浓度Cf最大约为100ppm，所以在减少成本增加方面是有利的，并且允许使用与催化器之后的甲烷传感器18相同的甲烷传感器。此外，如果催化器之前的甲烷传感器和催化器之后的甲烷传感器是相同的，则不但能够高准确度地检测催化器之前的甲烷浓度Cf，而且也能够高准确度地检测催化器之后的甲烷浓度Cr，以下将进一步详细说明。
[0070]接下来在步骤S103中，通过甲烷传感器18检测流出下游催化器11的排气中的甲烷浓度(以下，称为“催化器之后的甲烷浓度”)Cr。如上所述，催化器之后的甲烷浓度Cr是几十ppm的量级，并且通过甲烷传感器18足以检测催化器之后的甲烷浓度Cr，所述甲烷传感器18具有大约100ppm的测量范围。因此，可以在较好的准确度的情况下检测催化器的正常状态和劣化状态之间的甲烷浓度差，并因此可以提高监测准确度。从而可以防止错误监测。
[0071]随后在步骤S104中，基于催化器之前的甲烷浓度Cf和催化器之后的甲烷浓度Cr计算上游催化器11的甲烷去除比R。使用以下方程计算甲烷去除比R，R＝(1-Cr/Cf)×100(％)。接着，所得到的甲烷去除比R在步骤S105中与预定的劣化标准值Rs进行比较。劣化标准值Rs是关于上游催化器11的温度Tc(以下，称为“上游催化器温度Tc”)的函数，并且基于上游催化器温度Tc从图5中所示的预定图表计算劣化标准值Rs。上游催化器温度Tc越高，则劣化标准值Rs越大。这与上游催化器温度Tc越高则甲烷去除比R越大相对应。
[0072]在甲烷去除比R大于劣化标准值Rs的情况下，在步骤S106中确定上游催化器11是正常的。另一方面，在甲烷去除比R小于或等于劣化标准值Rs的情况下，在步骤S107中确定上游催化器11已经劣化。
[0073]最后，在步骤S108中，催化器监测结束标志开启，并且催化器监测执行标志关闭。然后，该程序结束。
[0074]接下来，将说明本发明的第二实施例。本发明的第二实施例基本与第一实施例相同，并且以下说明将主要关于与第一实施例的不同之处。第二实施例具有的主要特征在于，在估计或检测催化器之前的甲烷浓度Cf和催化器之后的甲烷浓度Cr时，执行将流入上游催化器11的排气中的空燃比控制成预定空燃比的空燃比控制。
[0075]首先，作为结构中的不同，如图6中所示在下游催化器16的下游侧额外地设置有空燃比传感器22。以下，该空燃比传感器22将称为“催化器之后的下游空燃比传感器”。催化器之后的下游空燃比传感器22可以是与催化器之前的空燃比传感器17类似的宽范围空燃比传感器，或者是与催化器之后的空燃比传感器18类似的O2传感器。在第二实施例中，催化器之后的下游空燃比传感器22是O2传感器。
[0076]图7中示出在流入三元催化器的排气的空燃比A/F改变的情况下研究甲烷浓度变化的测试结果。粗虚线示出催化器之前的甲烷浓度，实方块示出在正常催化器情况下的催化器之后的甲烷浓度，并且空方块示出在劣化催化器情况下的催化器之后的甲烷浓度。
[0077]如图7中所示，随着空燃比A/F变得较大(变得较稀)，HC的量减少，并且因此催化器之前的甲烷浓度和催化器之后的甲烷浓度二者都趋向于降低。催化器之后的甲烷浓度在空气计量空燃比(A/F＝14.6)附近急剧地降低(即，甲烷去除比变大)，该处是三元催化器的净化窗口。附带提及，催化器之后的甲烷浓度变成最小时的空燃比，以及在正常催化器的情况和劣化催化器的情况之间的催化器之后的甲烷浓度差变成最大时的空燃比，都不是化学计量空燃比，而是稍偏向化学计量空燃比的稀侧的值。根据测试结果，该值是14.7。对此的原因是甲烷的去除(氧化)需要氧，并且在空燃比是在化学计量空燃比的稀侧时剩余的氧存在于催化器附近。另外，由于三元催化器在空燃比等于化学计量空燃比时实现最大去除比，向稀侧的过多偏移则导致去除比下降。应当认为，由于在剩余的氧量和催化器的排气净化效率之间进行平衡，稍向化学计量空燃比的稀侧偏移的值14.7提供用于最大的甲烷去除比，即，提供用于催化器之后的甲烷浓度在正常催化器和劣化催化器之间的最大差。
[0078]考虑到测试结果，优选地是，在估计和检测催化器之前的甲烷浓度Cf和催化器之后的甲烷浓度Cr时，流入上游催化器11的排气的空燃比可以被控制成这种预定空燃比A/Fm，从而产生催化器之后的甲烷浓度Cr在正常催化器情况和劣化催化器情况之间的较大的差。优选的是，预定空燃比A/Fm是从预定范围内选择的值，所述预定范围具有从基准值向浓侧和向稀侧的宽度，所述基准值在化学计量空燃比(A/F＝14.6)的稀侧上。考虑到上述测试结果，优选的是，预定空燃比A/Fm从预定值选择，所述预定值具有从基准值向浓侧和向稀侧的宽度，所述基准值是A/F＝14.7，即，14.4≤A/F≤14.9。更优选的是，预定空燃比A/Fm是在化学计量空燃比的稀侧上(14.6＜A/Fm)，并且从14.6＜A/F≤14.8的范围内选择。更优选地，预定空燃比A/Fm的值是14.7。在该实施例中，预定空燃比A/Fm设定成14.7。
[0079]也通过执行上述空燃比控制，能够得到催化器之后的甲烷浓度在正常催化器情况和劣化催化器情况之间的较大的差，并且提高监测准确度。
[0080]附带提及，由于催化器的去除效率取决于催化器温度，所述催化器温度的降低会提高催化器之后的甲烷浓度，使得图7中的催化器之后的甲烷浓度曲线图接近催化器之前的甲烷浓度曲线图。与此相关联的是，催化器之后的甲烷浓度在正常催化器和劣化催化器之间的差减小。
[0081]将参照图8说明根据第二实施例的监测程序。图8中所示的程序通过ECU 20以每个计算循环重复地执行。
[0082]首先，在步骤S201中，与步骤S101类似，判断催化器监测执行标志是否开启，以及催化器监测结束标志是否关闭。如果对判断的回答是“NO”，则程序结束。如果对判断的回答是“YES”，则程序继续进入步骤S202。
[0083]在步骤S202中，判断下游催化器16是否处在能够去除NOX的状态中。设置该步骤为步骤S203作准备。在步骤S203中，排气空燃比被控制成在化学计量空燃比的稀侧的预定空燃比A/Fm，这样很可能会使NOX从上游催化器11流出。因此，如果在下游催化器16处在能够去除NOX的状态中的条件下执行将排气空燃比控制成预定空燃比A/Fm的控制，则从上游催化器11流出的NOX可以通过下游催化器16去除，并且因此可以防止NOX排放到大气中。
[0084]具体地，在步骤S202中，判断催化器之后的下游空燃比传感器22是否输出与在化学计量空燃比的稀侧的空燃比相对应的值。如果催化器之后的下游空燃比传感器22没有输出与稀空燃比相对应的值，则认为没有从下游催化器16流出较稀气体，并因此下游催化器16处在能够存储氧的状态中。因此，如果使NOX流入该状态下的下游催化器16，则通过减少NOX而可以去除NOX。附带提及，催化器之后的下游空燃比传感器22没有输出与稀空燃比相对应的值的条件，也可以用估计出的存储在下游催化器16中的氧量小于预定值(例如，小于或等于与全容量相对应的值的预定值)的条件代替。
[0085]在步骤S202中，如果确定下游催化器16没有处在能够去除NOX的状态中，则程序结束。如果确定下游催化器16处在能够去除NOX的状态中，则程序继续进入步骤S203。在步骤S203中，如上所述，从内燃机1排出而流入上游催化器11中的排气的空燃比被控制成在化学计量空燃比的稀侧的预定空燃比A/Fm。
[0086]接下来，执行与第一实施例中的步骤S102和S108类似的程序。具体地，在步骤S204中，估计催化器之前的甲烷浓度Cf。在步骤S205中，检测催化器之后的甲烷浓度Cr。在步骤S206中，计算甲烷去除比R。然后在步骤S207中，甲烷去除比R与预定劣化标准值Rs进行比较。如果甲烷去除比R大于预定劣化标准值Rs，则在步骤S208中确定上游催化器11是正常的。如果甲烷去除比R小于或等于预定劣化标准值Rs，则在步骤S209中确定上游催化器11已经劣化。最后，在步骤S210中，催化器监测结束标志开启，催化器监测执行标志关闭，并且使空燃比等于预定空燃比A/Fm的空燃比控制结束。从而，该程序结束。
[0087]根据本发明的监测技术，得到超出普通的Cmax方法的以下优点。近年来，有朝着减少用在催化器中的贵金属的量的趋势。如果催化器中的贵金属的量减少，则催化器的反应速度下降，使得即使将较稀气体或较浓气体供给催化器而促使吸收氧或释放氧，催化器也不能很好地吸收或释放氧。在这种情况下，催化器的氧存储容量OSC可以测量为小于其真实值的值。然而，在根据本发明的监测技术中，催化器没有被促使吸收或释放氧。因此，即使用在催化器中的贵金属的量减少了，也仅引起催化器之前的浓度和催化器之后的浓度之间的差的减小(去除比下降)，并且可以防止如上所述的错误测量和错误检测。因此，根据本发明的监测技术能够不取决于催化器中的贵金属的量而提供高准确度的监测，并且因此超出Cmax方法的有利之处在于，根据本发明的技术可以充分适合近年来朝着减少催化器贵金属的量的趋势。
[0088]虽然已经说明了本发明的实施例，但是本发明也适用于其它实施例。例如，虽然在上述实施例中将三元催化器用作监测的目标催化器，但是本发明可应用于所有能够去除排气中的至少HC的催化器。例如，本发明也可应用于能够去除HC和CO的氧化催化器，所述HC和CO是排气中未燃烧的成分。虽然在实施例中，净化(去除)比计算为表示催化器的劣化程度的指标值，并且净化(去除)比与用于确定劣化的预定劣化标准值进行比较，但这不是限制性的。例如，在催化器的上游侧和下游侧之间的浓度差或浓度比与用于确定劣化的劣化标准值进行比较。虽然在上述实施例中下游催化器是三元催化器，但是只要催化器能够去除排气中的至少NOX，则任何催化器都可以是下游侧催化器。例如，可以采用存储减少型的NOX催化器、选择减少型的NOX催化器，等等。
[0089]本发明的实施例不限于上述实施例。相反，本发明包括本发明的概念中包含的所有修改、应用、等同结构，等等，本发明的概念由所附权利要求书限定。因此，本发明不应当被限制性地解释，而是可应用于属于本发明的概念的范围的任何技术。
[0090]虽然已经参照示例性实施例说明本发明，但是应当理解的是本发明不限于示例性实施例或结构。与此相反，本发明意图覆盖多种修改和等同布置。另外，虽然在多种组合和结构中示出示例性实施例的多种元件，但是这些都是示例，而包括更多、更少或仅单个元件的其它组合和结构也在本发明的精神和范围内。

Claims (29)

1.一种催化器监测系统，其包括：
催化器，其设置在内燃机的排气通道内，并且能够去除流入所述催化器的排气中的至少碳氢化合物；
第一浓度检测装置，其用于检测或估计流入所述催化器的所述排气中的所述碳氢化合物中的一部分成分的浓度；
第二浓度检测装置，其用于检测流出所述催化器的所述排气中的所述碳氢化合物中的所述一部分成分的浓度；以及
劣化确定装置，其用于基于流入所述催化器的所述碳氢化合物中的所述一部分成分的浓度和流出所述催化器的所述碳氢化合物中的所述一部分成分的浓度而确定所述催化器是否已经劣化。
2.根据权利要求1所述的催化器监测系统，其中所述排气中的所述碳氢化合物中的所述一部分成分是碳数较小的成分。
3.根据权利要求1或2所述的催化器监测系统，其中所述排气中的所述碳氢化合物中的所述一部分成分包括甲烷、乙烷和丙烷中的至少一种。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的催化器监测系统，其中所述排气中的所述碳氢化合物中的所述一部分成分是甲烷。
5.根据权利要求4所述的催化器监测系统，其中：
所述第一浓度检测装置包括甲烷浓度估计装置，其用于基于所述内燃机的操作状态估计流入所述催化器的所述排气中的甲烷浓度；并且
所述第二浓度检测装置包括甲烷传感器。
6.根据权利要求5所述的催化器监测系统，其中所述内燃机的所述操作状态是转速、进气量和冷却水温度中的至少一个。
7.根据权利要求4所述的催化器监测系统，其中所述第一浓度检测装置和所述第二浓度检测装置包括甲烷传感器。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的催化器监测系统，其中所述劣化确定装置基于流入所述催化器的所述排气中的所述碳氢化合物中的所述一部分成分的浓度和流出所述催化器的所述排气中的所述碳氢化合物中的所述一部分成分的浓度而计算流入所述催化器的所述排气中的所述碳氢化合物中的所述一部分成分的去除比，并基于所述去除比而确定所述催化器是否已经劣化。
9.根据权利要求8所述的催化器监测系统，其中所述劣化确定装置将所述去除比与从具有所述催化器的温度的函数得到的劣化标准值进行比较，并且如果所述去除比小于或等于所述劣化标准值，则确定所述催化器已经劣化。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的催化器监测系统，还包括空燃比控制装置，其用于当通过所述第一浓度检测装置检测或估计所述碳氢化合物中的所述一部分成分的浓度时和当通过所述第二浓度检测装置检测所述碳氢化合物中的所述一部分成分的浓度时，将流入所述催化器的所述排气的空燃比控制成预定空燃比。
11.根据权利要求10所述的催化器监测系统，其中所述预定空燃比的值从预定宽度范围内选择，所述预定宽度范围相对于基准值在稀侧和浓侧之内，所述基准值从化学计量空燃比向所述稀侧偏离。
12.根据权利要求11所述的催化器监测系统，其中所述基准值是14.7。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的催化器监测系统，其中所述预定空燃比的值从大于14.6直到14.8的范围内选择。
14.根据权利要求10所述的催化器监测系统，其中所述预定空燃比具有从化学计量空燃比向所述稀侧偏离的值。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的催化器监测系统，还包括下游催化器，其设置在所述催化器的下游侧并能够去除流入所述下游催化器的所述排气中的至少NOX，
其中在所述下游催化器处在能够去除NOX的状态中的条件下，所述空燃比控制装置执行所述空燃比控制。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的催化器监测系统，还包括催化器温度检测装置，其用于检测或估计所述催化器的温度，
其中如果满足冷却水温度大于或等于预定值的条件、进气量的值在预定波动宽度内的条件和所述催化器处在预定活化温度范围内的条件，则执行催化器监测。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的催化器监测系统，其中所述催化器是三元催化器。
18.一种确定催化器是否已经劣化的催化器监测方法，所述催化器设置在内燃机的排气通道内并能够去除流入所述催化器的排气中的至少碳氢化合物，其特征在于包括：
检测或估计流入所述催化器的所述排气中的所述碳氢化合物中的一部分成分的浓度；
检测流出所述催化器的所述排气中的所述碳氢化合物中的所述一部分成分的浓度；
基于流入所述催化器的所述碳氢化合物中的所述一部分成分的浓度和流出所述催化器的所述碳氢化合物中的所述一部分成分的浓度而确定所述催化器是否已经劣化。
19.根据权利要求18所述的催化器监测方法，其中所述排气中的所述碳氢化合物中的所述一部分成分是碳数较小的成分。
20.根据权利要求18或19所述的催化器监测方法，其中所述排气中的所述碳氢化合物中的所述一部分成分包括甲烷、乙烷和丙烷中的至少一种。
21.根据权利要求18至20中任一项所述的催化器监测方法，其中所述排气中的所述碳氢化合物中的所述一部分成分是甲烷。
22.根据权利要求21所述的催化器监测方法，其中：
基于所述内燃机的操作状态估计流入所述催化器的所述排气中的甲烷浓度；并且
通过甲烷传感器检测流出所述催化器的所述排气中的甲烷浓度。
23.根据权利要求21所述的催化器监测方法，其中：
通过甲烷传感器检测流入所述催化器的所述排气中的甲烷浓度，并且
通过甲烷传感器检测流出所述催化器的所述排气中的甲烷浓度。
24.根据权利要求18至23中任一项所述的催化器监测方法，其中：
基于流入所述催化器的所述碳氢化合物中的所述一部分成分的浓度和流出所述催化器的所述碳氢化合物中的所述一部分成分的浓度而计算流入所述催化器的所述碳氢化合物中的所述一部分成分的去除比，并且
基于所述去除比确定所述催化器是否已经劣化。
25.根据权利要求18至24中任一项所述的催化器监测方法，还包括当待检测或估计流入所述催化器的所述碳氢化合物中的所述一部分成分的浓度时和当待检测流出所述催化器的所述碳氢化合物中的所述一部分成分的浓度时，将流入所述催化器的所述排气的空燃比控制成预定空燃比。
26.根据权利要求25所述的催化器监测方法，其中所述预定空燃比的值从预定宽度范围内选择，所述预定宽度范围相对于基准值在稀侧和浓侧之内，所述基准值从化学计量空燃比向所述稀侧偏离。
27.根据权利要求25所述的催化器监测方法，其中所述预定空燃比具有从化学计量空燃比向所述稀侧偏离的值。
28.根据权利要求25至27中任一项所述的催化器监测方法，还包括提供下游催化器，所述下游催化器设置在所述催化器的下游侧并能够去除流入所述下游催化器的所述排气中的至少NOX，
其中在所述下游催化器处在能够去除NOX的状态中的条件下，执行所述空燃比的所述控制。
29.根据权利要求18至28中任一项所述的催化器监测方法，其中所述催化器是三元催化器。
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