CN101809261B - NOx传感器故障诊断装置及故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种NOx传感器故障诊断装置，其包括控制段。当在NOx催化器中已经吸收了预定量的NOx时，控制段供给多于用于还原在NOx还原催化器中所吸收的NOx所需要的量的过量的还原剂，并且当供给该过量的还原剂时，控制段基于NOx传感器输出信号而确定NOx传感器的故障。

Description

NOx传感器故障诊断装置及故障诊断方法

技术领域

本发明涉及一种用于NOx传感器的故障诊断装置和故障诊断方法，并且具体地，本发明涉及一种用于布置在NOx存储还原催化器的下游的NOx传感器的故障诊断的装置和方法。

背景技术

通常，在诸如柴油机和稀燃汽油机的内燃机的排气系统的排气净化系统中设置有净化排气中含有的NOx(氧化氮)的NOx催化器。已知几种类型的NOx催化器；然而，在这些NOx催化器之中，众所周知的是吸收并去除排气中存在的NOx的NOx存储还原催化器(NSR:NOx存储还原)。当供给的排气的空燃比稀于(当在气氛中存在过量的氧气时)预定值(典型地，理论空燃比)时，NOx存储还原催化器吸收排气中的NOx，并且当供给的排气的空燃比浓于(当在气氛中存在不足够的氧气时)预定值时，NOx存储还原催化器释放所存储的NOx并且将NOx还原成N₂。换言之，NOx存储还原催化器具有存储和释放功能。

一旦NOx存储还原催化器存储NOx达饱和(充满)状态，则NOx催化器不能再存储NOx。为此，以适当的时间间隔将还原剂供给到NOx催化器，以将其置于氧气不足的气氛中。所存储的NOx继而从NOx催化器释放以恢复NOx催化器的NOx存储能力。该作用称为NOx催化器再生。

例如，为了确定NOx催化器再生的开始时间和结束时间，在NOx催化器的下游侧处布置有用于检测排气中的NOx浓度的NOx传感器。例如，当NOx催化器存储NOx达充满状态时，NOx泄漏到催化器下游侧中。所以，例如可以在NOx传感器检测到该NOx泄漏时开始NOx催化器再生。当由NOx传感器检测到的NOx浓度在NOx催化器再生期间降低得足够，则可以认为所存储的NOx被全部释放。在该情况下，可以结束NOx催化器再生。

这里，对于配备在汽车中的发动机，各个国家的法规需要对安装在车辆中(在车载状态中)的催化器或传感器进行异常检测，以便于防止汽车在差的排气状态下行驶。已经存在有较多的用于催化器的故障检测的技术。然而，没有有效的用于布置在NOx催化器的下游侧处的NOx传感器的故障检测的技术。尤其现在当排放控制变得更加严格时，要求不仅扩展到断线或类似情况的失效检测，而且扩展到与劣化有关的传感器输出的合理性的准确检测。因此，为满足该要求必需有强有力的对策。

为了诊断NOx传感器的故障，例如可以考虑到，布置有多个NOx传感器，并且对检测到的NOx浓度进行相对比较，或者NOx传感器被拆下并且通过固定式分析器进行测试。然而，前一种方法需要高成本，而后一种方法不能执行车载诊断。

在日本专利申请公开No.2003-120399(JP-A-2003-120399)中公开了一种用于布置在NOx吸收剂的下游侧处的NOx传感器的故障检测装置。如果在到达NOx传感器的排气中的NOx浓度被强制改变，并且如果NOx传感器输出值的变化与正常传感器操作的变化偏离，则确定NOx传感器发生故障。

然而，到达NOx传感器的排气是已经通过NOx吸收剂的排气。因此，排气的NOx浓度是已经被NOx吸收剂吸收过的NOx的浓度。换言之，NOx传感器的输出值反映了位于传感器的前方的NOx吸收剂的影响。这导致NOx传感器的故障诊断的准确性降低。

发明内容

本发明提供诊断布置在NOx存储还原催化器的下游的NOx传感器的故障的NOx传感器故障诊断装置和故障诊断方法。

本发明的第一方面涉及一种诊断内燃机中的NOx传感器的故障的装置，在所述内燃机中在排气通道中布置有NOx存储还原催化器，并且在NOx存储还原催化器的下游设置有NOx传感器。NOx传感器故障诊断装置具有控制段，当NOx催化器已经吸收了预定量的NOx时，所述控制段供给多于用于还原所存储的预定量的NOx所需要的量的过量的还原剂到NOx催化器，并且当供给该过量的还原剂时，所述控制段基于NOx传感器的输出而诊断NOx传感器的故障。

当多于用于还原所存储的NOx所需要的量的过量的还原剂被供给到NOx催化器时，NOx传感器给出了由没有用于释放和还原所存储的NOx的过量的还原剂所导致的输出。如果过量的还原剂的量是已知的，则NOx传感器的故障可以基于响应于过量的还原剂的NOx传感器的输出而诊断。NOx传感器的故障基于与已知的过量的还原剂有关的NOx传感器输出而诊断，所述已知的过量的还原剂是在NOx催化器已经释放了所吸收的全部NOx之后残留的还原剂。因此，可以在没有NOx催化器的劣化等的影响下执行NOx传感器的故障诊断。为此，可以执行优选的高精度的故障诊断。此外，能够从NOx催化器的故障区别NOx传感器的故障。

在第一方面中，控制段可以通过燃料过量供给单尖峰脉冲供给过量的还原剂。

或者，在第一方面中，控制段可以通过燃料过量供给双尖峰脉冲供给过量的还原剂。

在上述的方面中，可以基于在燃料过量供给双尖峰脉冲的第二尖峰脉冲期间NOx传感器的输出而诊断NOx传感器的故障。

在上述的方面中，控制段可以执行多个燃料过量供给双尖峰脉冲，同时逐渐地增加在第一尖峰脉冲中供给的还原剂的量，并且将第二尖峰脉冲的还原剂的量维持在恒定量。如果燃料过量供给双尖峰脉冲被执行多次，则当本次在第二尖峰脉冲期间NOx传感器输出特性与上次相同时，可以基于在本次第二尖峰脉冲期间NOx传感器输出特性而诊断NOx传感器的故障。

在上述的方面中，NOx传感器可以检测排气中的NOx和氨。

本发明的第二方面涉及一种诊断内燃机中的NOx传感器的故障的方法，在所述内燃机中在排气通道中布置有NOx存储还原催化器，并且在NOx存储还原催化器的下游设置有NOx传感器。在NOx传感器的故障诊断方法中，当确定所存储的NOx的量已经达到预定量时，多于用于还原预定量的NOx所需要的量的过量的还原剂被供给到NOx催化器；并且当供给该过量的还原剂时，基于NOx传感器输出信号而诊断NOx传感器的故障。

附图说明

本发明的前述和其它特征及优点将从以下参照附图的示例性实施例的说明而变得明显，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：

图1是根据本发明的实施例的内燃机的系统示意图；

图2是故障诊断方法的第一方面的时间图；

图3是示出故障诊断方法的第一方面的操作的流程图；

图4是故障诊断方法的第二方面的时间图；以及

图5是示出故障诊断方法的第二方面的操作的流程图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明进行说明。

图1是绘制出根据本发明的实施例的内燃机的系统示意性图。附图中所示的内燃机1燃烧形成在气缸体2中的燃烧室3中的燃料和空气的混合物，并且通过使活塞4在燃烧室3中往复运动而产生动力。内燃机1是车用多缸发动机(仅示出单个气缸)，并且是火花点火式内燃机，更具体地是汽油机。然而，在本发明的范围内，内燃机不限于火花点火式内燃机。该内燃机可以是压缩点火式内燃机或柴油机。

对于内燃机1的气缸盖，对每个气缸都布置有用于打开和关闭进气口的进气门Vi以及用于打开和关闭排气口的排气门Ve。每个进气门Vi和每个排气门Ve都通过凸轮轴(未示出)打开和关闭。在气缸盖的顶部处，在每个气缸中都布置有用于点燃燃烧室3中的混合物的火花塞7。此外，在每个气缸中，在气缸盖中都布置有喷射器(燃料喷射阀)12，以用于将燃料直接喷射到燃烧室3中。活塞4的顶部部分构造成碗形，并且在活塞的顶面上形成有凹陷部分4a。在内燃机1中，空气被吸入燃烧室3中，并且燃料从喷射器12直接朝活塞4的凹陷部分4a喷射。这时，在火花塞7附近形成一层燃料和空气的混合物(即，分层)，并且实现稳定的分层燃烧。

每个气缸的进气口都通过用于气缸的歧管连接至稳压罐8，所述稳压罐8是进气收集室。形成进气收集通道的进气管13连接至稳压罐8的上游侧。在进气管13的上游端部处设有空气净化器9。在进气管13上，从上游侧按该次序安装有用于检测进气量的空气流量计5和电子控制的节气门10。进气口、稳压罐8和进气管13形成进气通道。

每个气缸的排气口都通过用于气缸的歧管连接至排气管6，所述排气管6形成排气收集通道。这些排气口、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，其可以同时地净化在排气管6的上游侧中的排气中的CO、HC和NOx；和NOx催化器16，其可以净化在排气管6的下游侧中的排气中的NOx。在该实施例中，使用CCL催化器单元(CCL(Catalytic Converter Lean)：稀催化转化器)，在所述CCL催化器单元中三元催化器11和NOx催化器16容纳在同一个壳体中。然而，三元催化器11和NOx催化器16可以容纳在分离的壳体中并且单独地布置。在柴油机的情况下，代替三元催化器，典型地设置有氧化催化器和微粒过滤器。

在三元催化器11的上游布置有用于检测排气的空燃比(A/F)的空燃比传感器17。空燃比传感器17由所谓的宽范围空燃比传感器形成。空燃比传感器17在较宽的范围内连续地检测空燃比，并且输出与空燃比成比例的信号。或者，空燃比传感器17由所谓的O₂传感器形成，在所述O₂传感器中当空燃比等于或超过理论空燃比(化学计量比)时输出值增大。

在三元催化器11和NOx催化器16之间布置有第二空燃比传感器19。O₂传感器可以用作第二空燃比传感器19；然而，也可以使用宽范围空燃比传感器。

在NOx催化器16的下游设置有用于检测排气的NOx浓度的NOx传感器18。NOx传感器18输出与排气中的NOx浓度成比例的电流。具体地，NOx传感器18是所谓的极限电流式NOx传感器，所述极限电流式NOx传感器不但可以检测排气中的NOx，而且可以检测排气中的氨(NH₃)。NOx传感器18在传感器内将排气中的NOx(尤其是NO)分解成N₂和O₂，并且通过基于分解的O₂的电极间的氧离子转移而产生与氧离子量成比例的电流输出。此外，NOx传感器18在传感器内将排气中的NH₃分解成NO和H₂O，并且进一步将NO分解成N₂和O₂，并且通过与NOx情况相同的原理产生电流输出。NOx传感器18产生与NOx浓度和氨浓度的总浓度成比例的输出。NOx传感器18不能单独地产生NOx浓度和氨浓度的输出。

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，称为ECU)20，所述电子控制单元20起控制段的作用。ECU 20包括CPU、ROM、RAM、输入/输出端口、存储装置等(均未示出)。如图中所示，空气流量计5、空燃比传感器17、第二空燃比传感器19、NOx传感器18，除了这些之外，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、排气温度传感器或分别布置在NOx催化器16的相应上游侧或下游侧处的上游排气温度传感器21和下游排气温度传感器22、以及其它多种传感器，通过A/D变换器或类似物电连接至ECU 20。为了获得期望的输出，ECU 20基于从多个传感器检测到的值，控制火花塞7、节气门10、喷射器12等，以控制点火提前角、燃料喷射量、燃料喷射时刻、节气门开度等。上游排气温度传感器21布置在三元催化器11和NOx催化器16之间。NOx传感器18包括加热器。通过ECU 20执行NOx传感器18的温度控制(加热器控制)。曲柄角传感器14的输出用于检测发动机转速Ne。

当流入三元催化器11的排气的空燃比约为理论空燃比(化学计量比，例如，A/F＝14.6)时，三元催化器11同时地净化CO、HC和NOx。这三种物质全部可以以较高的效率被同时地净化的空燃比的范围较窄。因此，为了三元催化器11有效地发挥功能，进气空燃比被控制成使得流到三元催化器11的排气的空燃比约为理论空燃比。这是所谓的化学计量控制。在化学计量控制期间的发动机的操作称为“化学计量操作”。在化学计量控制中，目标空燃比被设定成等于理论空燃比，并且不但对从喷射器12喷射的燃料喷射量进行反馈控制，而且也对空燃比进行反馈控制，使得由空燃比传感器17检测到的空燃比达到目标空燃比。

鉴于燃料经济性的减少，目标空燃比可以设定成高于理论空燃比，即，设定成稀值(lean value)。这是所谓的稀燃控制。在稀燃控制期间的发动机的操作称为“稀燃操作”。在稀燃控制中，如在化学计量控制中一样，不但对燃料喷射量进行反馈控制，而且也对空燃比进行反馈控制，使得由空燃比传感器17检测到的空燃比达到目标空燃比。在稀燃控制期间，大量的NOx从发动机排放，并且同时受控的空燃比通常达到稀值，在所述稀值处三元催化器11中的NOx净化率极低。在该情况下，为了净化通过三元催化器11的NOx，在三元催化器11的下游侧处布置有NOx催化器16。

将NOx存储还原催化器(NSR:NOx存储还原)用作NOx催化器16。NOx存储还原催化器由作为催化剂成分的诸如铂Pt的贵金属以及NOx吸收成分构成，这两种成分承载在由诸如氧化铝Al₂O₃的氧化物所形成的基体材料表面上。NOx吸收成分可以由例如碱金属、碱土金属和稀土金属形成。碱金属可以优选地是钾K、钠Na、锂Li和铯Cs。碱土金属可以优选地是钡Ba和钙Ca。稀土金属可以优选地是镧La和钇Y。

当流过NOx存储还原催化器16的排气的空燃比稀于理论空燃比时，NOx存储还原催化器16以硝酸盐的形式吸收排气中的NOx，并且当流过的排气的空燃比等于或浓于理论空燃比时，NOx存储还原催化器16释放所存储的NOx。在稀燃操作期间，排气空燃比稀于理论空燃比，并因而NOx催化器16吸收排气中的NOx。当NOx催化器16变得饱和时，NOx催化器16不能再吸收NOx。因此，执行燃料过量供给尖峰脉冲或燃料过量供给尖峰脉冲控制，以便临时地将排气的空燃比降低到至少理论空燃比，以便还原所吸收的NOx。在燃料过量供给尖峰脉冲控制中，目标空燃比被临时地设定在理论空燃比或较浓的值处，并且混合物的空燃比以及继而排气的空燃比被控制成理论空燃比或低于理论空燃比的浓值。包含在该浓排气中的还原成分(HC、CO、H₂)起还原剂的作用，以便从NOx催化器释放所存储的NOx，并且还原并净化所释放的NOx。所存储的NOx从NOx催化器16释放，并且以这种方式恢复NOx催化器16的NOx存储能力，这就是所谓的NOx催化器再生。

关于燃料过量供给尖峰脉冲控制，有多种其它的方法。例如，可以在NOx催化器的上游布置有单独的还原剂供给阀，并且该还原剂供给阀被控制成将还原剂供给到排气。还原剂只要在排气中产生诸如碳氢化合物HC或一氧化碳CO的还原成分就可以发挥功能。这种类型的还原剂包括：例如氢气或一氧化碳的气体；液体或气体形式的碳氢化合物，例如丙烷、丙烯或丁烷；或者液体燃料，例如汽油、轻油或煤油。优选地使用作为用于发动机的燃料的汽油。或者，燃料可以在膨胀冲程的后期中或在排气冲程中从喷射器12喷射到燃烧室3中，以在排气中添加未燃烧的燃料(即，“后喷射”)。

如果还原剂通过燃料过量供给尖峰脉冲而供给到NOx催化器16，则排气中的氮N₂和还原成分在NOx催化器16中发生反应以形成氨NH₃。由于NOx的还原作用，氨NH₃与从NOx催化器16分离的NOx发生反应以形成N₂。当供给过量的还原剂时，由NOx催化器16所吸收的全部NOx被还原。除此之外，氨NH₃由还没有在NOx的还原作用中被消耗的过量的还原成分形成，并且被排放到NOx催化器16的下游侧。排放的氨NH₃通过NOx传感器18检测。

如果NOx催化器16的温度不在预定的温度范围(例如，280℃至550℃)内，则NOx催化器16对吸收和还原NOx有困难。在该实施例中，检测或推定出NOx催化器16的温度(催化器载体的温度)以判定是否可以执行稀燃操作。可以直接通过嵌入在NOx催化器中的温度传感器检测NOx催化器16的温度；然而，在该实施例中，温度是推定出的。具体地，ECU 20基于分别由上游排气温度传感器21和下游排气温度传感器22所指示的上游排气温度和下游排气温度而推定出催化器温度。推定方法不限于这些示例。

以下说明诊断NOx传感器的故障的程序。

通常，该实施例中的NOx传感器18的故障诊断程序的特征在于，当预定量的NOx被存储在NOx催化器16中时，多于用于还原所吸收的NOx所需要的量(称为“所需要的量”)的过量的还原剂被供给到NOx催化器16，并且基于此时NOx传感器18的输出而确定NOx传感器18的故障。

当过量的还原剂供给到NOx催化器16时，由还没有用于还原所吸收的NOx的残留量的还原剂形成氨。通过NOx传感器18检测氨。所吸收的NOx的量被提前确定，因此根据经验而确定用于还原所吸收的NOx所需要的还原剂的量。因此，如果除了向NOx催化器供给所需要的量的还原剂之外，还向NOx催化器供给预定量的还原剂，则NOx传感器18指示已经供给了过量的还原剂。因此，监测NOx传感器18的输出能够诊断NOx传感器18的故障。

接下来将参照图2说明NOx传感器故障诊断程序的第一实施例。作为前提，NOx催化器没有劣化并且能够存储足够量的NOx。

在附图中，图2A示出了存储在NOx催化器16中的NOx的积分量(integrated amount)的NOx计数器值X。NOx计数器配备在ECU20中。具体地，ECU 20基于检测到的发动机运转状态的参数，根据提前按经验所得到的图表(或函数)而推定出从发动机排放的NOx的量。ECU 20在每个预定时间段处对排放的NOx量积分，并且将累积的NOx量设定为当前被NOx催化器16吸收的NOx的量。作为这种类型的参数，优选地使用发动机转速Ne、进气量Ga、由空燃比传感器17检测的上游空燃比A/Ffr、由上游排气温度传感器21检测的排气温度Tefr和燃料喷射量Q中的至少一个。更优选地，使用从发动机转速Ne和进气量Ga得到的负荷系数(＝Ga/Ne)和由空燃比传感器17检测到的上游空燃比A/Ffr。

图2B示出供给到NOx催化器16的排气的空燃比A/F。排气空燃比A/F总体上等于由空燃比传感器17检测的上游空燃比A/Ffr。图2C示出NOx传感器18的输出。具体地，图2C示出由NOx传感器18检测到的氨浓度。

首先，说明在附图中的左侧的附图标记(I)的情况。空燃比通过稀燃操作而被控制成显著地稀于化学计量的值(例如，A/F＝20)。此时，通过NOx催化器16捕集从发动机排放的NOx，并且NOx计数器值X逐渐地增大。当所吸收的NOx的量达到预定量时，换言之，当NOx计数器值X达到预定值Xs时，执行燃料过量供给尖峰脉冲，并且空燃比被控制成浓于化学计量的值(例如，A/F＝11)。附图中阴影部分(在该处空燃比是浓的)等于通过燃料过量供给尖峰脉冲供给的还原剂的量I。存储在NOx催化器16中的预定量的NOx可以是NOx催化器16的饱和量，或者可以少于饱和量。

为简单起见，假定将在稀燃控制期间的空燃比设定为显著稀的值，并且从发动机排放的NOx没有被三元催化器11还原，而是被存储在NOx催化器16中。然而，考虑到三元催化器11相对于空燃比的NOx的还原率，如果需要更加精确地推定出存储在NOx催化器16中的NOx的量，则可以将从发动机排放的NOx的预定比例的量推定为所吸收的NOx的量。同样地，假定全部量的还原剂在燃料过量供给尖峰脉冲期间被供给到NOx催化器16。考虑到三元催化器11相对于空燃比的HC和CO净化率，如果需要更加精确地推定出还原剂的量，则可以将从发动机排放的还原剂的预定比例的量推定为供给到NOx催化器16的还原剂的量。

关于附图中的附图标记(I)，通过燃料过量供给尖峰脉冲供给到NOx催化器16的还原剂的量是刚好足以还原所存储的NOx的量的量。足以还原所存储NOx量的还原剂的量可以根据经验确定，并且存储在ECU 20中。在该情况下，由过量的还原剂所导致的氨没有排放到NOx催化器下游侧。因此，如图中所示，NOx传感器18的输出几乎没有改变并且保持约为零。

NOx传感器输出值N以预定时间段中在预定间隔被积分，在此期间充分地获得由过量的还原剂所导致的NOx传感器18的输出变化，所述预定时间段是在预定时间ta和tb之间的时间段。在(I)的情况下，积分值接近零。积分起始时间ta例如可以设定成与燃料过量供给尖峰脉冲起始时间一致，并且积分结束时间tb可以设定成比燃料过量供给尖峰脉冲结束时间延迟预定时间段。

当燃料过量供给尖峰脉冲结束并且稀燃操作恢复时，NOx计数器值X被初始化，并且计数再次从零开始。

接下来，关于附图中的附图标记(II)，相对于在NOx催化器中所存储的相同的量的NOx(NOx计数器值Xs)，在燃料过量供给尖峰脉冲期间还原剂的量被设定为过量，即，比情况(1)所需要的量多了预定量。过量的还原剂的量由图4B中的附图标记ΔI表示。在该实施例中，过量的还原剂通过燃料过量供给单尖峰脉冲或燃料过量供给一次尖峰脉冲供给。

因此，NOx传感器18的输出由于由过量的还原剂所导致的氨而增大，所述过量的还原剂被排放到NOx催化器的下游，并且NOx传感器输出积分值指示某一正值。可以通过将所得到的NOx传感器输出积分值与预定故障判定值比较而确定NOx传感器18的正常操作或故障。即，提前通过经验和类似方法获得当供给已知的过量的还原剂时的NOx传感器输出特性，因此，如果实际的输出特性与预期的输出特性显著不同，则可以判定NOx传感器发生故障。

在图4C中，实线表示正常操作，所述实线示出当供给过量的还原剂时的适度的输出变化。相比之下，虚线表示输出减小故障的情况，其中来自NOx传感器的输出小于正常操作时的输出。

如果NOx传感器输出积分值SN大于最大输出阈值SNmax，则判定NOx传感器18具有输出增大故障，在所述输出增大故障中来自NOx传感器的输出大于正常操作时的输出。如果NOx传感器输出积分值SN小于最小输出阈值SNmin，则判定NOx传感器18具有输出减小故障(在图4C中的虚线的情况)。如果在NOx传感器应当是零的期间(例如，图4C中的tc)，NOx传感器输出值Nc高于大于零的阈值Ncs，则判定NOx传感器18具有漂移故障，在所述漂移故障中作为基准值的零点发生较大偏离。

实际上，在稀燃控制期间，氧还与NOx一起被NOx催化器16吸收。在燃料过量供给尖峰脉冲期间，还原剂用于还原来自NOx催化器16的NOx和氧。然而，这部分氧可以认为是NOx的一部分。因此，在该实施例中以这种方式处理氧。

下面，参照图3说明根据NOx传感器故障诊断程序的第一实施例的操作。ECU 20执行图中所示的操作。作为前提，在除了用于燃料过量供给尖峰脉冲的时间以外，执行如上所述的稀燃操作。

在第一步骤S101中，判定是否满足用于故障诊断所必需的预定诊断条件。例如，当NOx传感器18的温度达到预定最小活化温度(例如，约为750℃)或更高，并且NOx催化器16是在预定操作温度范围(例如，280℃至550℃)内时，满足诊断条件。

如果不满足这些条件，则操作立即结束。另一方面，如果满足条件，则操作进入步骤S102，并且推定出所吸收的NOx的量，即，执行NOx计数器值X的积分。

接下来，在步骤S103中，NOx计数器值X与预定值Xs比较。如果NOx计数器值X小于预定值Xs，则步骤S102中的积分继续进行。如果NOx计数器值X等于或超过预定值Xs(实质上，当NOx计数器值X变得等于预定值Xs时)，操作进入步骤S104，并且执行燃料过量供给单尖峰脉冲以供给过量的还原剂。

在步骤S105中，以预定间隔监测NOx传感器18的输出值N，并且同时，在预定时间段(从ta至tb)内对输出值N进行积分。一旦监测和积分结束，则在步骤S106中，NOx传感器输出积分值SN与预定最大输出阈值SNmax比较。如果NOx传感器输出积分值SN等于或超过最大输出阈值SNmax，则操作进入步骤S110，并且判定NOx传感器发生故障，具体地为输出增大故障。另一方面，如果NOx传感器输出积分值SN小于最大输出阈值SNmax，则操作进入步骤S107。

在步骤S107中，NOx传感器输出积分值SN与最小输出阈值SNmin比较。如果NOx传感器输出积分值SN等于或低于最小输出阈值SNmin，则操作进入步骤S110，并且判定NOx传感器18发生故障，具体地为输出减小故障。另一方面，如果NOx传感器输出积分值SN大于最小输出阈值SNmin，则操作进入步骤S108。

在步骤S108中，在NOx传感器输出意在为零的时间段tc处的NOx传感器输出Nc与大于零的预定值Ncs比较。如果NOx传感器输出Nc是预定值Ncs或者更大，则操作进入步骤S110，并且判定NOx传感器发生故障，具体地为漂移故障。另一方面，如果NOx传感器输出Nc低于预定值Ncs，则操作进入步骤S109，并且判定NOx传感器18操作正常。

接下来，将参照图4说明NOx传感器故障诊断程序的第二实施例。对于与第一实施例一样的部分将不再重复详细的说明。图4A和4B各自都示出与如上所述相同的NOx计数器值X和排气空燃比A/F。图4C和4D示出与如上所述相同的NOx传感器输出。图4C示出操作正常的传感器的情况。图4D示出发生故障的传感器的情况。在图4D中，由长和短划线指示输出增大故障的情况，并且由实线指示输出减小故障的情况。

如图4B中所示，在第二实施例中，过量的还原剂通过燃料过量供给双尖峰脉冲供给，所述燃料过量供给双尖峰脉冲是接连地执行两次的燃料过量供给尖峰脉冲。在燃料过量供给双尖峰脉冲中，首先执行的燃料过量供给尖峰脉冲称为第一尖峰脉冲，并且再次执行的燃料过量供给尖峰脉冲称为第二尖峰脉冲，并且它们分别由S1和S2表示。在第一尖峰脉冲与第二尖峰脉冲之间设定极短的空闲期tk(例如，1至2秒)。在附图中，在存储和再生处理中，通过燃料过量供给双尖峰脉冲，到NOx催化器16的NOx存储与NOx催化器再生是成对的，并且被执行三次(n＝1、2、3)。

在催化器再生程序的第一次重复(n＝1)中，NOx在稀燃操作期间中被NOx催化器16吸收，并且NOx计数器值X逐渐地增大。一旦所存储的NOx的量达到预定量，换言之，当NOx计数器值X达到预定值Xs时，执行燃料过量供给尖峰脉冲，具体地执行第一尖峰脉冲S1。在第一催化器再生程序中通过第一尖峰脉冲供给的还原剂的量设定成稍小于用于还原所存储的全部NOx所必需的量。因而，因为没有供给过量的还原剂，所以没有排放由过量的还原剂所导致的氨。因而NOx传感器18的输出维持在零水平。

当第一尖峰脉冲结束之后，在空闲期tk之后执行第二尖峰脉冲。因为在空闲期tk期间执行稀燃，所以在空闲期tk存储了少量NOx，并且因此，NOx计数器值X增大。然而，因为空闲期tk非常短，所以额外的被吸收的NOx的量不显著。因而，在该实施例中，可以忽略在空闲期tk期间吸收的额外NOx。

在第二尖峰脉冲S2的起始点处，一些NOx残留在NOx催化器16中。通过第二尖峰脉冲供给用于还原残留的所吸收的NOx的过量的还原剂。因此，通过NOx传感器18检测到由过量的还原剂所导致的氨，并且NOx传感器18的输出增大。可以如上所述通过监测NOx传感器18的输出特性而确定NOx传感器18的正常操作和故障。

在催化器再生程序的第二次重复(n＝2)中，在当所存储的NOx量达到预定量时所执行的第一尖峰脉冲S1中，除了通过第一尖峰脉冲供给的还原剂的量之外，还供给过量的还原剂ΔI1。换言之，如果在第一催化器再生程序和第二催化器再生程序中通过第一尖峰脉冲供给的还原剂的量分别假定为I1₁、I1₂，则关系是I1₁＜I1₂。这样，通过第一尖峰脉冲供给的还原剂的量在每次执行催化器再生程序时增加了预定量ΔI1。

在附图中，在第二催化器再生程序的第一尖峰脉冲中的还原剂供给量I1₂超过用于还原所存储的全部NOx所必需的还原剂的量。因此，由于供给的过量的还原剂而排放氨。因此，NOx传感器输出值稍增大。如果在第一催化器再生程序的第一尖峰脉冲中的还原剂的量或过多的还原剂的量I1被设定得较低，则还原剂的量甚至通过第二催化器再生程序的第一尖峰脉冲也不会过量。然而，通过第三催化器再生程序的至少第一尖峰脉冲，应当能够供给过量的还原剂。

接下来，执行第二尖峰脉冲S2。在第二尖峰脉冲中，供给与第一催化器再生程序的第二尖峰脉冲中相同的还原剂的量。换言之，如果由第一催化器再生程序和第二催化器再生程序的第二尖峰脉冲所供给的还原剂的量分别假定为I2₁、I2₂，则关系是I2₁＝I2₂。这样，通过第二尖峰脉冲供给的还原剂的量对于每次的催化器再生程序是恒定的。

在第二尖峰脉冲S2的起始点处，在NOx催化器16中没有残留所存储的NOx。通过第二尖峰脉冲供给的全部还原剂的量都用于产生氨，所述氨继而通过NOx传感器18检测到。因此，来自NOx传感器18的输出应当增大。

在催化器再生程序的第三次重复(n＝3)中，除了通过催化器再生程序的第二次重复的第一尖峰脉冲供给的还原剂的量之外，第一尖峰脉冲S1还供给过量的还原剂ΔI1。具体地，供给的过量的还原剂将比催化器再生程序的第一次重复的第一尖峰脉冲的还原剂的量多了2ΔI1。超过用于还原所存储的全部NOx所必需的量的还原剂的量变得比第二催化器再生程序的第一尖峰脉冲的大。来自NOx传感器的输出的增大应当高于在催化器再生程序的第二次重复的第一尖峰脉冲中的增大。

因此，当通过第三次重复的第二尖峰脉冲S2供给与第二催化器再生程序的第二尖峰脉冲S2中相同的量的还原剂时，供给的全部量的还原剂基本都用于形成氨。氨继而通过NOx传感器18检测到。即，在第二催化器再生程序的第二尖峰脉冲中和在第三催化器再生程序的第二尖峰脉冲中，通过NOx传感器18检测到与相同量的还原剂相对应的氨。二者的传感器输出特性，即，二者的传感器输出积分值，变得相同。

这样，在这一点上，即，在上次(第二次)和最后的一次(第三次)的NOx传感器输出特性(具体地，传感器输出积分值)对于第二尖峰脉冲变得相同，可以基于在催化器再生程序的最后的重复的第二尖峰脉冲期间的NOx传感器输出特性而诊断NOx传感器的异常。这里使用NOx传感器输出积分值作为NOx传感器输出特性；或者，例如，可以使用NOx传感器输出峰值。

以下，参照图5说明根据NOx传感器故障诊断方法的第二实施例的操作。通过ECU 20执行附图中所示的操作。作为前提，在除了用于燃料过量供给尖峰脉冲的时间以外，执行如上所述的稀燃操作。

在第一步骤S201中，与步骤S101的方式相同，判定是否满足用于故障诊断所必需的预定条件。如果不满足条件，则操作立即结束。另一方面，如果满足条件，则操作进入步骤S202，用于对催化器再生程序数量n计数的计数器增加1。n的初始值是零。在第一次程序中，n＝1。

接下来，在步骤S203中，推定出所吸收的NOx的量，即，执行NOx计数器值X的积分。并且在步骤S204中，NOx计数器值X与预定值Xs比较。如果NOx计数器值X小于预定值Xs，则步骤S102中的积分继续。如果NOx计数器值X等于或超过预定值Xs，则操作进入步骤S205，并且执行如上所述的燃料过量供给双尖峰脉冲。

在步骤S206中，以预定间隔监测NOx传感器18的输出值N。同时，在预定时间段内对输出值N进行积分。如图4中所示，在预定时间段(从ta1_n至tb1_n)内对在第一尖峰脉冲期间的NOx传感器输出值N1进行积分，并且同时，在预定时间段(从ta2_n至tb2_n)内对在第二尖峰脉冲期间的NOx传感器输出值N2进行积分。这些积分时间段单独地设定成如下的长度，即，该长度使得可以通过过量的还原剂较好地确定NOx传感器输出特性。

当监测和积分结束时，操作进入步骤S207，在所述步骤S207中判定在最后的一次的第二尖峰脉冲期间的NOx传感器输出积分值SN2_n是否等于或低于在上次的第二尖峰脉冲期间的NOx传感器输出积分值SN2_n-1(SN2_n-1＝SN2_n)。然而，SN2_n-1＞SN2_n不是现实的关系。所以，实际上是确定是否SN2_n-1＝SN2_n。

如果SN2_n-1＝SN2_n不成立，即，如果实际上SN2_n-1＝SN2_n不成立，则操作进入步骤S202，并且重复地执行步骤S202至206。即，每次催化器再生程序的数量n增加1，NOx被重复地吸收，直到NOx计数器值X达到预定值Xs为止。此后，执行燃料过量供给双尖峰脉冲。在燃料过量供给双尖峰脉冲中，第一尖峰脉冲的还原剂的量与上次比较增加了预定量ΔI，并且第二尖峰脉冲的还原剂的量设定成等于上次。然后，在第一尖峰脉冲和第二尖峰脉冲期间的NOx传感器输出积分值SN1_n和SN2_n被积分。

在步骤S207中，如果SN2_n-1＝SN2_n成立，即，如果实际上SN2_{n -1}＝SN2_n成立，则在最后的一次的第二尖峰脉冲期间的NOx传感器输出积分值SN2_n应当是当通过第二尖峰脉冲供给一定量的还原剂I2时的值。因此，基于第二尖峰脉冲期间的NOx传感器输出积分值SN2_n，以如下方式确定NOx传感器的故障。

首先，在步骤S208中，NOx传感器输出积分值SN2_n与上限阈值SN2max比较。如果NOx传感器输出积分值SN2_n等于或超过SN2max，则操作进入步骤S212，并且判定NOx传感器18发生故障，具体地为输出增大故障。然而，如果NOx传感器输出积分值SN2_n小于上限阈值SN2max，则操作进入步骤S209。

在步骤S209中，NOx传感器输出积分值SN2_n与下限阈值SN2min比较。如果NOx传感器输出积分值SN2_n等于或低于下限阈值SN2min，则操作进入步骤S212，并且判定NOx传感器18发生故障，具体地为输出减小故障。然而，如果NOx传感器输出积分值SN2_n大于下限阈值SN2min，则操作进入步骤S210。

在步骤S210中，在NOx传感器输出应是零的预定时间段处tc _n的NOx传感器输出NC_n与大于零的预定值Ncs比较。如果，如图4中所示，预定时间段tc_n(tc₃)被设定在上次的第二尖峰脉冲的积分结束时间段tb2_n-1(tb2₂)与最晚的一次的第一尖峰脉冲的积分起始时间段ta1_n(ta1₃)之间的任何时间段。如果NOx传感器输出NC_n等于或超过预定值Ncs，则操作进入步骤S212，并且判定NOx传感器18发生故障，具体地为漂移故障。另一方面，如果NOx传感器输出NC_n小于预定值Ncs，则操作进入步骤S211，并且判定NOx传感器18操作正常。

如上所述，根据本发明，在所存储的全部NOx通过位于NOx传感器上游侧的NOx催化器16释放之后，基于相对于已知的过量的还原剂的NOx传感器输出而诊断NOx传感器的故障。不管NOx催化器16的劣化和类似情况，都可以在没有被NOx催化器16影响的情况下执行NOx传感器18的故障诊断。因此，可以执行优选的高精度的异常诊断。此外，可以与NOx催化器的故障分离地准确地诊断NOx传感器的故障。

本发明的上述实施例还可以根据需要修改。例如，在以上的实施例中，基于发动机运转状态而推定出由NOx催化器所吸收的NOx的量。或者，第二NOx传感器可以用于检测流入NOx催化器中的排气的NOx浓度，并且可以基于检测到的NOx浓度而推定出由NOx催化器所吸收的NOx的量。

本发明的实施例不受所述实施例限制，并且包括落入由所附权利要求书限定的本发明的范围内的多种修改、应用以及等同结构。因而，本发明不应当被限制性地解释，而可以应用到落入本发明的范围内的任何其它的技术。

Claims (10)

1.一种用于内燃机(1)的NOx传感器故障诊断装置，在所述内燃机中在排气通道(6)中布置有存储还原型NOx催化器(16)，并且在所述NOx催化器(16)的下游设置NOx传感器(18)，其特征在于，所述NOx传感器故障诊断装置包括：

控制段(20)，当所述NOx催化器(16)已经吸收了预定量的NOx时，除了向所述NOx催化器供给用于还原所吸收的预定量的NOx所需要的量的还原剂之外，所述控制段还供给过量的还原剂到所述NOx催化器(16)，并且当供给所述过量的还原剂时，所述控制段基于所述NOx传感器(18)的输出而诊断所述NOx传感器(18)的故障。

2.根据权利要求1所述的NOx传感器故障诊断装置，其特征在于，

如果当供给所述过量的还原剂时，所述NOx传感器的输出值等于或超过最大输出阈值或者低于最小输出阈值，则所述控制段确定所述NOx传感器发生故障。

3.根据权利要求1所述的NOx传感器故障诊断装置，其特征在于，

如果当没有供给所述过量的还原剂时，所述NOx传感器的输出值等于或超过预定值，则所述控制段确定所述NOx传感器发生故障。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的NOx传感器故障诊断装置，其特征在于，

所述控制段通过燃料过量供给单尖峰脉冲供给所述过量的还原剂。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的NOx传感器故障诊断装置，其特征在于，

所述控制段通过燃料过量供给双尖峰脉冲供给所述过量的还原剂。

6.根据权利要求5所述的NOx传感器故障诊断装置，其特征在于，

所述控制段基于在所述燃料过量供给双尖峰脉冲的第二尖峰脉冲期间所述NOx传感器的输出值而诊断所述NOx传感器的故障。

7.根据权利要求6所述的NOx传感器故障诊断装置，其特征在于，

所述控制段执行多个燃料过量供给双尖峰脉冲，同时逐渐地增加在第一尖峰脉冲中供给的所述还原剂的量，并且将在所述第二尖峰脉冲中供给的所述还原剂的量维持在恒定量，并且

当本次在所述第二尖峰脉冲期间的NOx传感器输出特性与上次相同时，所述控制段基于在本次所述第二尖峰脉冲期间的所述NOx传感器输出特性而诊断所述NOx传感器的故障。

8.根据权利要求7所述的NOx传感器故障诊断装置，其特征在于，

所述控制段将第一个燃料过量供给双尖峰脉冲的第一尖峰脉冲中的所述还原剂的量设定成低于还原全部所吸收的NOx所需要的量的量。

9.根据权利要求1所述的NOx传感器故障诊断装置，其特征在于，

所述NOx传感器检测排气中的NOx和氨。

10.一种用于内燃机(1)的NOx传感器故障诊断方法，在所述内燃机中在排气通道(6)中布置有存储还原型NOx催化器(16)，并且在所述NOx催化器(16)的下游设置NOx传感器(18)，其特征在于，所述NOx传感器故障诊断方法包括：

当所述NOx催化器(16)已经吸收了预定量的NOx时，除了供给用于还原所吸收的预定量的NOx所需要的量的还原剂之外，还供给过量的还原剂，和

当供给所述过量的还原剂时，基于所述NOx传感器(18)的输出而诊断所述NOx传感器(18)的故障。

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