CN102224329A - 内燃机的催化剂劣化诊断装置 - Google Patents

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Abstract

在一部分的排气系统具备带EGR催化剂的EGR装置的内燃机中，能够精度良好地求出配置于该排气集合管的催化剂的氧吸留容量，基于其结果准确地诊断催化剂的劣化。本发明的内燃机催化剂劣化诊断装置实施使流入主催化剂的废气的空燃比以化学计量空燃比为中心在稀空燃比侧和浓空燃比侧之间强制性地变化的主动空燃比控制。在实施主动空燃比控制时，使用主催化剂上游的空燃比传感器及下游的氧传感器输出的信号计量主催化剂氧吸留容量，依据氧吸留容量计量结果诊断主催化剂的劣化。在本发明的催化剂劣化诊断装置的主动空燃比控制中，在带EGR催化剂的EGR装置停止的情况下，使排气系统未设置EGR装置的汽缸组的目标空燃比以化学计量空燃比为中心在稀空燃比侧和浓空燃比侧之间以较大振幅进行变化，将排气系统设置EGR装置的汽缸组的目标空燃比保持为化学计量空燃比。

Description

内燃机的催化剂劣化诊断装置
技术领域
本发明涉及诊断配置于内燃机的排气管的催化剂劣化的装置。
背景技术
汽车用的内燃机具备催化剂以作为净化废气的单元。特别地，在进行化学计量空燃比运转的内燃机(例如汽油发动机)中，使用具有氧吸留能力的催化剂，例如三元催化剂。作为诊断具有这样的氧吸留能力的催化剂的劣化状态的方法，已知所谓的Cmax法。Cmax法是计量催化剂的氧吸留容量(Cmax)并依据该计量结果诊断催化剂的劣化的方法。
在Cmax法中，进行使目标空燃比以化学计量空燃比为中心振动据此使流入催化剂的废气的空燃比在稀空燃比侧和浓空燃比侧之间强制性地变化的主动空燃比控制。图4同时表示利用主动空燃比控制使目标空燃比在14.1和15.1之间变化时的催化剂上游的实际空燃比(实际A/F)的时间变化和配置于催化剂下游的副O2传感器的输出值的时间变化。在Cmax法中，在从催化剂上游的空燃比随着主动空燃比控制的实施而变化开始直到催化剂下游的副O2传感器的输出值超过阈值(0.5V)而变化为止的期间，进行利用下式计算的催化剂的氧吸留量或者氧脱离量的累计。
氧吸留量或脱离量＝系数×(当前空燃比-化学计量空燃比)×燃料量喷射量
用上述的方法分别多次计算氧吸留量和氧脱离量，将这些值的平均值设为Cmax。图4通过与其他曲线图的时间轴合并来表示相对Cmax的氧吸留量的时间变化。
然而，作为内燃机的排气系统的构造，已知，例如日本特开2006-112251号公报所公开的那样，把所具有的多个汽缸分组为2个汽缸组，并按每个汽缸组设置排气系统，使该2个系统的排气系统集合成1个排气集合管。另外，已知，在这样的排气系统的构造中，构成为，在排气集合管内配置催化剂，由排气集合管的催化剂统一处理从各汽缸排出的废气。进而，已知在这样的排气系统的构造中，构成为，在一方的排气系统中设置EGR装置，使从该排气系统输出的EGR气体回流到各汽缸的进气系统。
在此，成为问题的是在EGR装置中设置有催化剂的情况。以下，把在上述的排气系统的构造中配置于排气集合管的催化剂称作主催化剂，把设置于EGR装置的催化剂称作EGR催化剂。担负净化从各汽缸排出的废气的是主催化剂，成为基于Cmax法的劣化诊断的对象的也是主催化剂。作为进行主催化剂的劣化诊断的环境，可认为有EGR装置已停止的状况和EGR装置正在作动的状况的两者，但是，EGR催化剂的存在给EGR装置已停止的状况下的诊断结果，更详细地说，给Cmax的计算结果带来影响。
在EGR装置已停止的情况下，也就是，在使EGR阀完全关闭时，EGR气体不从排气系统向进气系统回流。但是，即使EGR阀完全关闭，伴随着排气压力的变动在排气系统和EGR管之间也发生废气的流入流出，由此，也发生废气流入流出EGR催化剂的情况。图5表示调查了EGR阀完全关闭的情况下的涡轮流入气体量(总废气量)和EGR催化剂气体量(流入流出EGR催化剂的气体量)根据曲轴角度如何变化的结果。从该图可知废气流入流出EGR催化剂是在EGR阀完全关闭时不断地发生的现象。
因此，若以方框图表示EGR阀完全关闭时的废气流动，则成为图6那样。图中的α是通向EGR管的气体呼吸的比例，也就是，在排气系统和EGR管之间流入流出的废气的比例。全部废气之中直接流入主催化剂(图中的S/C催化剂)的是(1-α)的废气，α的废气一旦从排气系统进入EGR催化剂后，再次流出到排气系统并流入主催化剂。进入到EGR催化剂的废气与EGR催化剂的氧吸留量相应被净化到化学计量空燃比附近。因此，被净化了的α的废气和未净化的1-α的废气混合并流入主催化剂。
另一方面，EGR装置作动而进行EGR时的废气的流动示于图7。在这种情况下，若把EGR率设为β，则全部废气之中(1-β)的废气流入主催化剂。剩余的β的废气流入EGR催化剂，在通过了EGR催化剂后回流到进气系统。因此，在这种情况下由EGR催化剂所净化的废气不会混入要流入主催化剂的废气中。
图6和图7所示的2个情况之中，在诊断主催化剂的劣化方面，产生问题的是图6所示的情况。如果是图7所示的情况，则因为流入主催化剂的废气的空燃比不受EGR催化剂的影响，所以可以通过主动空燃比控制按目标控制流入主催化剂的废气的空燃比。但是，如果是图6所示的情况，在通过主动空燃比控制使目标空燃比以高频率振动的情况下，EGR催化剂作为低通滤波器而起作用。因此，难以按目标控制流入主催化剂的废气的空燃比。
图8同时表示了在图6所示的情况下进行了主动空燃比控制时的目标空燃比(目标A/F)的变化、主催化剂上游的实际空燃比(实际A/F)的时间变化、配置于主催化剂下游的副O2传感器的输出值的时间变化和假定没有EGR催化剂时的假想的实际A/F的时间变化。另外，图8关于主催化剂和EGR催化剂的每一个，与其他曲线图的时间轴合并来表示相对Cmax的氧吸留量的时间变化。根据该图可知，主催化剂上游的实际A/F的值根据EGR催化剂的氧吸留量而变化。进而，因为EGR催化剂大体上根据其作用加强氧化反应，所以与浓空燃比气体比较稀空燃比气体被净化快。因此，流入催化剂的废气的空燃比进行浓空燃比-稀空燃比反转时的时间常数不同，容易产生氧的脱离和吸留的时间上的偏差。因此，如果是图6所示的情况，可知由于氧吸留量和氧脱离量的各累计值的偏差较大，难以保证Cmax的推定精度。
另外，若流入EGR催化剂的废气的空燃比振动性地变化，则促进催化剂上的氧化反应。因为一般地多数情况下EGR从废气温度较高的地方(例如、涡轮上游)输出，所以由于氧化反应的程度有可能使EGR催化剂的温度超过其上限温度。因此，对于主动空燃比控制中的振幅和频率有从EGR催化剂的上限温度的观点来看的限制，也能够发生由于该限制而无法可靠地实施劣化诊断的情况。
发明内容
本发明是为了解决上述那样的课题而完成的，其目的在于，构成为，在一部分的排气系统内具备带EGR催化剂的EGR装置的内燃机中精度良好地求出配置于其排气集合管的催化剂的氧吸留容量，并能够基于其结果准确地诊断催化剂的劣化。
因此，本发明提供以下那样的内燃机催化剂劣化诊断装置。
应用本发明的催化剂劣化诊断装置的内燃机是具备多个汽缸的多汽缸内燃机。上述内燃机把多个汽缸至少分组成2个汽缸组，按每个汽缸组设置有排气系统。各汽缸组的排气系统被集合为1个排气集合管。在上述排气集合管中配置具有氧吸留能力的主催化剂，在上述主催化剂的上游侧和下游侧分别安装有空燃比传感器。另外，上述内燃机在一部分排气系统中具备带EGR催化剂的EGR装置。
本发明的催化剂劣化诊断装置实施使流入上述主催化剂的废气的空燃比以化学计量空燃比为中心在稀空燃比侧和浓空燃比侧之间强制性地变化的主动空燃比控制。而且，在实施上述主动空燃比控制时，使用由上述空燃比传感器及氧传感器输出的信号来计量上述主催化剂的氧吸留容量，并根据上述氧吸留容量的计量结果来诊断上述主催化剂的劣化。
本发明的催化剂劣化诊断装置的1个特征在于，上述主动空燃比控制中的具体的操作。在基于本发明的催化剂劣化诊断装置的主动空燃比控制中，在上述EGR装置停止的情况下，进行使在排气系统中未设置上述EGR装置的汽缸组的目标空燃比以化学计量空燃比为中心在稀空燃比侧和浓空燃比侧之间变化的操作。通过进行这样的操作，可以减小上述EGR催化剂给流入上述主催化剂的废气的空燃比造成的影响。
在更优选的方式中，在上述主动空燃比控制中，在上述EGR装置停止的情况下，进行使在排气系统中设置有上述EGR装置的汽缸组的目标空燃比保持为化学计量空燃比的操作。通过进行这样的操作，可以更减小上述EGR催化剂给流入上述主催化剂的废气的空燃比造成的影响。
在另外的更优选的方式中，在上述主动空燃比控制中，在上述EGR装置停止的情况下，以比在上述EGR装置作动的情况下进行的主动空燃比控制大的振幅，使在排气系统中未设置有上述EGR装置的气缸组的目标空燃比变化的操作。通过进行这样的操作，可以更减小上述EGR催化剂给流入上述主催化剂的废气的空燃比造成的影响。
附图说明
图1是应用了本发明的催化剂劣化诊断装置的内燃机的系统图。
图2是表示在本发明的实施方式中进行的用于劣化判定的空燃比控制的程序的流程图。
图3是表示用于图2所示的劣化判定的空燃比控制程序的实施结果的图。
图4是表示在实施了主动空燃比控制的情况下的各传感器的输出值和催化剂的氧吸留量的变化的图。
图5是表示EGR阀完全关闭的情况下的排气系统的各气体流量基于曲轴角度的变化的图。
图6是表示在设置了带EGR催化剂的EGR装置的排气系统中的使EGR阀完全关闭时的废气的流动的方框图。
图7是表示在设置了带EGR催化剂的EGR装置的排气系统中的EGR装置作动并进行EGR时的废气的流动的方框图。
图8是表示在设置了带EGR催化剂的EGR装置的排气系统中使EGR阀完全关闭并实施了主动空燃比控制的情况下的各传感器的输出值和催化剂的氧吸留量的变化的图。
具体实施方式
以下，对本发明的实施方式，参照图1～图3的各图进行说明。
图1是表示应用了本发明的实施方式的催化剂劣化诊断装置的内燃机的系统构成的图。本实施方式的内燃机2是火花点火式的4冲程活塞式发动机(以下，简单地叫做发动机)。另外，图1只表示1个汽缸4，但本实施方式的发动机2也是串联地具备4个汽缸4的串联4汽缸发动机。另外，也是利用汽缸内喷射器18向汽缸内直接喷射燃料的直喷发动机，也是具备利用废气能量压缩新空气的涡轮增压器14的涡轮发动机。
在本实施方式中，把发动机2具有的4个汽缸4每2个汽缸一组分组为2个汽缸组。把爆发不连续的第1汽缸和第4汽缸设为1个汽缸组，同样地把爆发不连续的第2汽缸和第3汽缸设为1个汽缸组。发动机2按每个这些汽缸组具备排气系统8、10。各排气系统8、10由使2个汽缸的废气集合的排气歧管8a、10a和与排气歧管的出口连接的排气管8b、10b构成。各排气系统8、10的排气管8b、10b在涡轮增压器14的涡轮部中与1个排气集合管12连接。
在排气集合管12中串联配置有2个三元催化剂20、22。上游侧的三元催化剂20是作为本实施方式的催化剂劣化诊断装置的诊断对象的主催化剂。在主催化剂20的上游侧安装有广域空燃比传感器(以下，A/F传感器)40。在主催化剂20的下游侧安装有氧化锆氧传感器(以下，副O2传感器)42。此外，作为本发明中的空燃比传感器，不只是广域空燃比传感器，也可以使用氧化锆氧传感器。相反地作为本发明中的氧传感器，不只是氧化锆氧传感器，也可以使用广域空燃比传感器。
本实施方式的发动机2具备使废气从排气系统向进气管6回流的EGR装置30。EGR装置30只设置在上述的2个系统的排气系统8、10之中的排气系统8内。EGR装置30利用EGR管32连接排气管8b和进气管6。在EGR管32中设置有EGR阀34。在EGR管32中在EGR阀34的排气侧设置有EGR冷却器36，还在其排气侧设置有EGR催化剂38。
本实施方式的发动机2的控制系统具备ECU100。ECU100是综合控制发动机2的系统整体的控制装置。前述的汽缸内喷射器18和EGR阀34等的致动器连接到ECU100的输出侧，前述的A/F传感器40和副O2传感器42等传感器连接到ECU100的输入侧。ECU100接受来自各传感器的信号并按照规定的控制程序来操作各致动器。此外，与ECU100连接的致动器和传感器如图中所示那样另外还存在多个，但在本说明书中省略其说明。
本实施方式的催化剂劣化诊断装置作为ECU100的1个功能而被实现。在ECU100作为催化剂劣化诊断装置而起作用的情况下，ECU100由3个信号处理单元，即主动空燃比控制单元102、Cmax计量单元104及诊断单元106的组合来表现。这些信号处理单元，可以分别由专用的硬件构成，也可以共享硬件利用软件虚拟地构成。
主动空燃比控制单元102实施使流入主催化剂20的废气的空燃比以化学计量空燃比为中心在稀空燃比侧和浓空燃比侧之间强制性地变化的主动空燃比控制。主动空燃比控制是开环控制，根据汽缸内进气量和目标空燃比决定燃料喷射量，控制汽缸内喷射器18的燃料喷射时间。
Cmax计量单元104伴随着主动空燃比控制的实施，进行主催化剂20的氧吸留容量即Cmax的计量。详细地说，在从A/F传感器40的输出值变化开始直到副O2传感器42的输出值超过阈值(0，5V)而变化为止的期间，根据当前空燃比相对化学计量空燃比的偏差和当前燃料喷射量来计算每单位时间的氧吸留量(或氧脱离量)，并对该值进行累计。而且，进行多次该累计值的计算，并计算这些值的平均作为Cmax。
诊断单元106把Cmax的计量值与规定的劣化基准值进行比较。如果Cmax比劣化基准值大，则判断为主催化剂20未劣化；如果Cmax在劣化基准值以下，则判断为主催化剂20已劣化。
本实施方式的催化剂劣化诊断装置的1个特征在于上述主动空燃比控制中的具体的操作内容。图2是表示由主动空燃比控制单元102进行的用于劣化判定的空燃比控制的程序的流程图。上述的主动空燃比控制按照该空燃比控制程序而被实施。
根据图2的流程图，在最初的步骤S2中，判定有无催化剂劣化判定控制的实施要求。所谓催化剂劣化判定控制，是指用于计量Cmax的空燃比控制，即主动空燃比控制。上述的实施要求是在成为了要诊断主催化剂20的劣化状况的情况下所发出的要求。在没有这样的要求的情况下，进入步骤S20。在步骤S20中，进行通常的空燃比控制，即基于A/F传感器40和副O2传感器42的信号的空燃比反馈控制。在以下的步骤S22中，把规定的标志xafscyl设为OFF。对于该标志xafscyl的意思将后述。
当在步骤S2中检测到上述的实施要求的情况下，进行步骤S4的判定。在步骤S4中，根据发动机2的运转状态和运转条件来判定主动空燃比控制的执行条件是否成立。如果执行条件还未成立，则在步骤S20中继续通常的空燃比控制。而且，在步骤S22中将标志xafscyl保持被设为OFF不变。
当在步骤S4中主动空燃比控制的执行条件成立了的情况下，接着，进行步骤S6的判定。在步骤S6中，判定EGR是否在停止中，也就是说，EGR阀34是否完全关闭。在EGR不是在停止中的情况下，进而进行步骤S14的判定。在步骤S14中，判定标志xafscyl是否为OFF。该标志xafscyl是在以EGR处在停止中的状态进行主动空燃比控制的情况下被设为ON的标志。
当在步骤S14中标志xafscyl为OFF的情况下，进行步骤S16的处理。在步骤S16中，对于全部汽缸，把目标空燃比变更为劣化判定用的目标空燃比。把劣化判定用的目标空燃比设为以化学计量空燃比为中心在稀空燃比侧和浓空燃比侧之间以规定的周期进行振动的矩形波信号。与排气系统中是否已设置EGR装置30没有关系，对于全部的汽缸，把目标空燃比的振动的振幅设为相同。而且，在步骤S22中将标志xafscyl保持被设为OFF不变。
另一方面，当在步骤S14中标志xafscyl为ON的情况下，进行步骤S20的处理。当在步骤S20中一旦进行了通常的空燃比控制后，在后续的步骤S22中把标志xafscyl从ON变更为OFF。由于把标志xafscyl变更为OFF，则下次的步骤S14的判定结果成为肯定。因此，在这种情况下，在下次的控制周期中进行步骤S16的主动空燃比控制。
当在步骤S6中EGR处在停止中的情况下，则在步骤S8及步骤16中进行主动空燃比控制。首先，在步骤S8中，把与未设置EGR装置30的排气系统10连接的汽缸组的目标空燃比变更为劣化判定用的目标空燃比。在此，所设定的目标空燃比与步骤S16的情况同样是以化学计量空燃比为中心在稀空燃比侧和浓空燃比侧之间以规定的周期进行振动的矩形波信号。但是，与在步骤S16中所设定的目标空燃比相比增大了振动的振幅。这是因为，排气系统10的废气不受EGR催化剂38的影响，所以通过增大其空燃比的振幅，可以提高流入主催化剂20的废气的空燃比信号的SN比。
在步骤S10中，变更与设置有EGR装置30的排气系统8连接的汽缸组的目标空燃比。在此，所设定的目标空燃比是化学计量空燃比，与步骤S16和步骤S8的情况不同，不进行使目标空燃比振动的操作。这是为了，通过将流入EGR催化剂38的废气的空燃比保持为化学计量空燃比，来防止在流入流出EGR催化剂38的前后空燃比产生变化。也就是，为了排除EGR催化剂38对空燃比的影响。另外，也是为了，通过抑制流入EGR催化剂38的废气的空燃比的振动，来缓和催化剂上的氧化反应而防止催化剂温度的上升。在以下的步骤S12中，把标志xafscyl变更为ON。
把以上说明的空燃比控制的结果，特别地，在步骤S6的判定条件成立的情况下，把所实施的主动空燃比控制的结果示于图3。图3的最上段表示与未设置EGR装置30的排气系统10连接的汽缸组(没有EGR输出的汽缸组)的目标空燃比(目标A/F)的设定和由此产生的排气管10b内的实际空燃比(实际A/F)的时间变化。在从上数第2段中表示与设置有EGR装置30的排气系统8连接的汽缸组(有EGR输出的汽缸组)的实际A/F的时间变化。而且，在从上数第3段中表示流入主催化剂20的废气(流入催化剂的气体)的实际A/F的时间变化。流入主催化剂20的废气的实际A/F是把来自排气系统10的废气的实际A/F和来自排气系统8的废气的实际A/F进行平均而得到的值。在从上数第4段中表示副O2传感器42的输出值的时间变化。而且，在最下段表示相对Cmax的氧吸留量的时间变化。
如从图8的第3段的图了解的那样，根据步骤S8及S10的主动空燃比控制，可以排除流入主催化剂20的废气的空燃比受到EGR催化剂38的影响，从而可以按目标控制流入主催化剂20的废气的空燃比。因此，流入主催化剂20的废气的空燃比的浓一稀反转时的时间常数不产生差异，从而不产生氧的脱离和吸留的时间上的偏差。因此，根据本实施方式的催化剂劣化诊断装置，能够保证Cmax的推定精度，可以基于以较高精度求出的Cmax来准确地诊断主催化剂20的劣化。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明不限定于上述的实施方式，可以在不脱离本发明的宗旨的范围内通过进行各种变形而实施。例如，上述的实施方式的发动机2是串联发动机，但本发明也能够应用于V型发动机。如果是V型发动机，则可以分别把左右的汽缸排作为汽缸组。在这种情况下，只要在左汽缸排的排气系统和右汽缸排的排气系统的任何一方设置带EGR的EGR装置即可。
另外，上述的实施方式的发动机2是直喷的涡轮发动机，但作为直喷发动机和作为涡轮发动机不是应用本发明的催化剂劣化诊断装置上的必须的事项。
另外，当在EGR阀34完全关闭的状况下进行劣化诊断时，更优选构成为，在实施主动空燃比控制之前，预先把EGR催化剂38的氧吸留量设为稀空燃比。作为该方法，例如，在使EGR装置作动而进行EGR的同时进行稀空燃比运转即可。这是因为，通过进行这样的控制，可以在主动空燃比控制的实施过程中防止EGR催化剂38的净化率大幅度地变化。
符号的说明：
2发动机；4汽缸；6进气管；8、10排气系统；8a、10a排气歧管；8b、10b排气管；12排气集合管；20主催化剂(三元催化剂)；30EGR装置；32EGR管；34EGR阀；38EGR催化剂；40A/F传感器；42副O2传感器；100ECU。

Claims (3)

1.一种内燃机催化剂劣化诊断装置，其特征在于，该内燃机具备：
至少被分组成2个气缸组的多个气缸；
按每个气缸组设置的排气系统；
使各气缸组的排气系统集合为1个而构成的排气集合管；
配置于上述排气集合管的具有氧吸留能力的主催化剂；
在上述排气集合管中安装于上述主催化剂的上游侧的空燃比传感器；
在上述排气集合管中安装于上述主催化剂的下游侧的氧传感器；
在一部分的排气系统设置的带EGR催化剂的EGR装置，
该内燃机催化剂劣化诊断装置具备：
主动空燃比控制单元，实施使流入上述主催化剂的废气的空燃比以化学计量空燃比为中心在稀空燃比侧和浓空燃比侧之间强制性地变化的主动空燃比控制；
计量单元，在实施上述主动空燃比控制时，使用由上述空燃比传感器及氧传感器输出的信号，计量上述主催化剂的氧吸留容量；和
诊断单元，根据上述氧吸留容量的计量结果诊断上述主催化剂的劣化，
上述主动空燃比控制单元构成为，在上述EGR装置停止的情况下，使在排气系统中未设置上述EGR装置的气缸组的目标空燃比以化学计量空燃比为中心在稀空燃比侧和浓空燃比侧之间变化。
2.根据权利要求1所述的内燃机催化剂劣化诊断装置，其特征在于，
上述主动空燃比控制单元构成为，在上述EGR装置停止的情况下，使在排气系统中设置有上述EGR装置的气缸组的目标空燃比保持为化学计量空燃比。
3.根据权利要求1或2所述的内燃机催化剂劣化诊断装置，其特征在于，
上述主动空燃比控制单元构成为，在上述EGR装置停止的情况下，以比在上述EGR装置作动的情况下进行的主动空燃比控制大的振幅，使在排气系统中未设置有上述EGR装置的气缸组的目标空燃比变化。
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