CN105556082A - 诊断装置 - Google Patents

Abstract

一种诊断装置，高精度地进行DOC的劣化诊断。具备：DOC(15)，将排气中的HC氧化；温度传感器(18)，检测DOC(15)的入口排气温度；温度传感器(19)，检测DOC(15)的出口排气温度；温度传感器(36)，检测外界空气温度；HC发热率运算部(41)，基于温度传感器(18)、(19)的检测值来运算DOC(15)的上游侧及下游侧的排气热量差，并且基于温度传感器(18)、(19)、(36)的检测值来运算从DOC(15)向外界空气放出的热损失量，将该排气热量差和热损失量相加来运算DOC(15)内的HC发热量；以及DOC劣化判定部(42)，基于运算出的HC发热量，判定DOC(15)的劣化状态。

Description

诊断装置

技术领域

本发明涉及诊断装置，特别涉及在内燃机的排气系统中设置的氧化催化剂的劣化诊断。

背景技术

作为柴油发动机等的排气系统中设置的排气净化催化剂，已知有将排气中含有的烃(HC)或一氧化氮(NO)氧化的氧化催化剂(DieselOxidationCatalyst：DOC)。此外，还已知用于捕获排气中含有的颗粒状物质(ParticulateMatter：PM)的柴油微粒过滤器(DieselParticulateFilter：DPF)等。

在DPF中，若PM堆积量达到规定值，则执行下述的所谓强制再生：向上游侧的DOC供给未燃燃料(HC)并使其氧化，使排气温度上升到PM燃烧温度而将PM燃烧除去。因此，若DOC的HC氧化能力降低，则即使执行强制再生，也可能无法将DPF中堆积的PM充分地燃烧除去。此外，若DPF的再生能力降低，则会引起再生间隔的缩短、排压上升等，还可能会导致油耗变差等。因此，最好在车载状态(On-Board)下对DOC的HC氧化能力进行诊断。

例如专利文献1中公开了如下的技术：在DOC的上游侧及下游侧设置排气温度传感器，根据由这些排气温度传感器检测到的排气温度差推测由DOC内的氧化产生的发热量，对DOC的HC氧化能力进行诊断。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2003-106140号公报

发明内容

发明所要解决的技术课题

一般来讲，DOC被收容在配置于车体下部的排气管的催化剂壳体内，因此DOC内的氧化热受到行驶风等的影响而一部分被散热到外界空气中。因此，在仅基于DOC的上游侧及下游侧的排气温度差来推测DOC内的发热量的现有技术中，未考虑从DOC向外界空气放出的热损失量，因此可能无法进行高精度的诊断。

本发明的诊断装置的目的在于，高精度地进行DOC的劣化诊断。

解决课题所采用的技术手段

本发明的诊断装置具备：氧化催化剂，设置于内燃机的排气系统，将排气中含有的至少烃氧化；第1温度检测单元，检测向所述氧化催化剂流入的入口排气温度；第2温度检测单元，检测从所述氧化催化剂流出的出口排气温度；第3温度检测单元，检测所述氧化催化剂的外界空气温度；发热量推测单元，基于至少所述第1及第2温度检测单元的检测值来运算所述氧化催化剂的上游侧以及下游侧的排气热量差，并且基于至少所述第1、第2及第3温度检测单元的检测值来运算从所述氧化催化剂向外界空气放出的热损失量，对上述排气热量差和热损失量进行加法，来推测所述氧化催化剂内的烃的发热量；以及判定单元，基于推测出的所述发热量，判定所述氧化催化剂的劣化状态。

发明效果

根据本发明的诊断装置，能够高精度地进行DOC的劣化诊断。

附图说明

图1是表示应用了本发明的一个实施方式的诊断装置的发动机的吸排气系统的整体构成示意图。

图2是说明将供给至DOC的HC氧化而进行能量保存的示意图。

图3是说明强制对流的影响所带来的DOC的热损失的示意性侧面图。

图4是比较正常的DOC和劣化后的DOC的HC氧化能力(HC净化性能)的图。

图5是表示本实施方式的诊断装置的控制内容的流程图。

图6是表示应用了其他实施方式的诊断装置的发动机的吸排气系统的整体构成示意图。

具体实施方式

以下，基于附图说明本发明的一个实施方式的诊断装置。对相同的部件赋予相同的符号，其名称及功能也相同。因此，不对它们进行重复的详细说明。

如图1所示，柴油发动机(以下简称发动机)10中设置有吸气歧管10a和排气歧管10b。吸气歧管10a上连接着导入新气的吸气通路11，排气歧管10b上连接着将排气向大气放出的排气通路12。

吸气通路11中，从吸气上游侧起依次设置有空气滤清器30、MAF传感器31、增压机的压缩机32a、中冷器33。排气通路12中，从排气上游侧起依次设置有增压机的涡轮32b、前段后处理装置14、后段后处理装置20。另外，在图1中，符号36表示外界空气温度传感器。外界空气温度传感器36是本发明的第3温度检测单元的一个例子。

前段后处理装置14在圆筒状的催化剂壳体14a内从排气上游侧起依次配置DOC15和DPF16而构成。此外，在DOC15的上游侧设置有排气管内喷射装置13，在DOC15的上游侧设置有DOC入口温度传感器18，在DOC15的下游侧设置有DOC出口温度传感器19。进而，在DPF16的前后，设置有用于检测DPF16的上游侧与下游侧的压差的压差传感器17。

排气管内喷射装置13根据从电子控制单元(以下记作ECU)40输出的指示信号，向排气通路12内喷射未燃燃料(HC)。另外，在使用基于发动机10的多级喷射的后喷射的情况下，也可以省略该排气管内喷射装置13。

DOC15例如是在堇青石蜂窝(cordieriteHoneycomb)构造体等的陶瓷制载体表面上担载催化剂成分而形成的。DOC15通过排气管内喷射装置13或者后喷射而被供给HC后，将其氧化而使排气温度上升。此外，DOC15将废气中的NO氧化而生成NO₂，由此使废气中的NO₂相对于NO的比率增加。

DPF16例如是沿着排气的流动方向配置由多孔质分隔壁划分出的多个单元格、并将这些单元格的上游侧和下游侧交替地封闭而形成的。DPF16将排气中的PM捕获到分隔壁的细孔或表面上，并且在PM堆积量达到规定量时执行将其燃烧除去的所谓的强制再生。通过排气管内喷射装置13或者后喷射向DOC15供给未燃燃料(HC)，将向DPF16流入的排气温度升温至PM燃烧温度(例如约600℃)，由此来进行强制再生。PM堆积量能够根据压差传感器17的传感器值来求出。

DOC入口温度传感器18是本发明的第1温度检测单元的一个例子，检测向DOC15流入的上游侧的排气温度(以下记作入口排气温度)。DOC出口温度传感器19是本发明的第2温度检测单元的一个例子，检测从DOC15流出的下游侧的排气温度(以下记作出口排气温度)。这些温度传感器18、19的检测值被输出至电连接的ECU40。

后段后处理装置20从排气上游侧起依次具备尿素水喷射装置21和配置在圆筒状壳体20a内的SCR22而构成。

尿素水喷射装置21根据从ECU40输出的指示信号，向位于前段后处理装置14与后段后处理装置20之间的排气通路12内喷射未图示的尿素水箱内的尿素水。喷射出的尿素水通过排气热而进行加水分解，生成NH₃，作为还原剂被供给至下游侧的SCR22。

SCR22例如是在蜂窝构造体等的陶瓷制载体表面上担载铁沸石而形成的。SCR22吸附作为还原剂被供给的NH₃，并且通过所吸附的NH₃从流过的废气中将NOx还原净化。

ECU40进行发动机10或排气管内喷射装置13等的各种控制，具备公知的CPU、ROM、RAM、输入端口、输出端口等而构成。此外，ECU40具有HC发热率运算部41和DOC劣化判定部42来作为一部分功能要素。说明了这些各功能要素被包含在作为一体硬件的ECU40中的情况，但是，也可以将这些各功能要素中的任意一部分设置于分体的硬件中。

HC发热率运算部41是本发明的发热量推测单元的一个例子，运算在DPF16的强制再生时被DOC15氧化的HC的发热率。以下，对发热率的详细的运算步骤进行说明。

如图2所示，强制再生时从排气管内喷射装置13供给至DOC15的HC的实际发热量C_act通过对DOC15的上游侧的排气能量Q_in与下游侧的排气能量Q_out的排气能量差ΔQ加上从DOC15向外气放出的热损失量Q_lost而得到。

上游侧的排气能量Q_in基于以下的数式1来运算，下游侧的排气能量Q_out基于以下的数式2来运算。

[数式1]

Q_in＝c_exh·m_exh·T_{DOC_in}

[数式2]

Q_out＝c_exh·m_exh·T_{DOC_out}

在数式1、2中，c_exh表示排气比热容。此外，m_exh为排气流量，根据MAF传感器31的检测值及发动机10的燃料喷射量等来取得。另外，排气流量m_exh也可以直接从排气流量传感器(未图示)等取得。T_{DOC_in}为DOC15的入口排气温度，由DOC入口温度传感器18取得。T_{DOC_out}为DOC15的出口排气温度，由DOC出口温度传感器19取得。

热损失量Q_lost能够假定为由自然对流引起的热损失量Q_natural和由强制对流引起的热损失量Q_forced的总和(Q_lost＝Q_natural+Q_forced)。

由自然对流引起的热损失量Q_natural基于以下的数式3来运算。

[数式3]

Q_natural＝h_n·A_s·(T_{DOC_brick}-T_ambient)

在数式3中，A_s表示DOC15的外周面(或者，催化剂壳体14a的设置有DOC15的部分的外周面)的有效面积。T_{DOC_brick}为DOC15的内部温度，作为入口排气温度T_{DOC_in}与出口排气温度T_{DOC_out}的平均值来取得。T_ambient为外界空气温度，由外界空气温度传感器36取得。h_n为自然对流的热传递率，能够从以下的数式4得到。

[数式4]

$h_n=\frac{{\mathrm{Nu}}_n\·k}{L_n}$

在数式4中，k表示空气的热传导率。L_n为DOC15的代表长度，与DOC15的容量等相应地适当设定。Nu_n表示自然对流的努塞尔数。

一般来讲，DOC15为圆柱状，而且收容DOC15的催化剂壳体14a为大致圆筒状。因此，可以认为DOC15内产生的氧化热经由这些DOC15及催化剂壳体14a的圆筒外周面的整面向外界空气散热。假定为由自然对流产生的散热从轴心朝着水平方向的圆筒外周面的整面进行传递时，努塞尔数Nu_n能够从以下的数式5得到，在该数式5中，Gr是格拉斯霍夫数，Pr是普朗特数。

[数式5]

Nu_n＝0.53×(Gr·Pr)^0.25

由强制对流引起的热损失量Q_forced基于以下的数式6来运算。

[数式6]

Q_forced＝h_f·A_f·(T_{DOC_brick}-T_ambient)

在数式6中，A_f表示DOC15的外周面(或者催化剂壳体14a的设置有DOC15的部分的外周面)的有效面积。T_{DOC_brick}为DOC15的内部温度，作为入口排气温度T_{DOC_in}与出口排气温度T_{DOC_out}的平均值来取得。T_ambient为外界空气温度，由外界空气温度传感器36取得。h_f为强制对流的热传递率，能够从以下的数式7得到。

[数式7]

$h_f=\frac{{\mathrm{Nu}}_f\·k}{L_f}$

在数式7中，L_f为DOC15的代表长度，与DOC15的容量等相应地适当设定。Nu_f表示强制对流的努塞尔数。

如图3所示，一般来讲，收容有DOC15的催化剂壳体14a被固定在车体的车架S的下部，在其前方配置有变速器TM等。因此，行驶时从车体前方向下部流入的行驶风能够假定为仅给DOC15(或者催化剂壳体14a)的下表面部带来影响的平板紊流。即，强制对流的努塞尔数Nu_f能够从对平板紊流热传递式求解而导出的以下的数式8得到。

[数式8]

Nu_f＝0.037×Re^0.8×Pr^0.33

在数式8中，Re表示雷诺数。雷诺数Re能够从以下的数式9得到，在该数式9中，v是空气的平均速度，ρ是空气密度，L是DOC15的代表长度，μ是动粘性系数。

[数式9]

$\mathrm{Re}=\frac{v.\mathrm{\ρ}.L}{\mathrm{\μ}}$

HC发热率运算部41通过对基于上述的数式1运算出的上游侧的排气能量Q_in与基于上述的数式2运算出的下游侧的排气能量Q_out的排气能量差ΔQ加上基于上述的数式3～9运算出的热损失量Q_lost，来运算强制再生时的DOC15内的HC实际发热量C_act。然后，通过将HC实际发热量C_act除以排气管内喷射(或者后喷射)的理论发热量C_theo，来运算DOC15内的HC实际发热率C_ACT％。

DOC劣化判定部42基于由HC发热率运算部41运算出的HC实际发热率C_ACT％，判定DOC15的劣化状态。更详细地讲，在ECU40中存储有预先通过实验等求出的、在DOC15内规定量的HC被大致完全地氧化的情况下的HC发热率阈值C_STD％。DOC劣化判定部42在HC发热率阈值C_STD％与HC实际发热率C_ACT％之差ΔC_％达到表示DOC15的劣化的规定的上限阈值ΔC_MAX时，将DOC15的HC氧化能力(HC净化性能)判定为劣化状态。另外，所谓DOC15的HC净化性能已劣化的状态如图4所示，例如是指由于经时劣化等而相对于正常时的HC净化率产生差的(催化剂活性温度向高温侧偏移)状态。

接下来，基于图5对本实施方式的诊断装置的控制流程进行说明。

在步骤(以下将步骤仅记作S)100中，例如基于DPF16的前后压差，判定DPF16中堆积的PM堆积量PM_depo是否达到了上限值PM_MAX。在PM堆积量PM_depo达到了上限值PM_MAX的情况下，本控制前进至S110。

在S110中，排气管内喷射装置13的排气管内喷射(或者后喷射)开始，执行DPF16的强制再生。

在S120中，通过对上游侧的排气能量Q_in与下游侧的排气能量Q_out的排气能量差ΔQ加上向外界空气散热的热损失量Q_lost，来运算DOC15内的HC实际发热量C_act。进而，在S130中，通过将S120中运算出的HC实际发热量C_act除以理论发热量C_theo，来运算HC实际发热率C_ACT％。

在S140中，执行将S130中运算出的HC实际发热率C_ACT％与HC发热率阈值C_STD％进行比较的DOC15的劣化判定。在HC发热率阈值C_STD％与HC实际发热率C_ACT％之差ΔC_％未达到上限阈值ΔC_MAX的情况下，本控制返回至S100。即，在下次的强制再生之前不进行DOC15的劣化判定。另一方面，在差ΔC_％达到上限阈值ΔC_MAX的情况下，在S150中将DOC15的HC氧化能力(HC净化性能)判定为劣化状态，本控制返回。

接下来，对本实施方式的诊断装置的作用效果进行说明。

在现有技术中，通过根据DOC的上游侧及下游侧的排气温度差推测DOC内的HC发热量，来诊断HC氧化能力的劣化状态。然而，在仅基于DOC的上游侧及下游侧的排气温度差来进行的HC发热量的推测中，未考虑从DOC向外界空气放出的热损失量，因此，存在无法进行高精度的诊断的课题。

与此相对，在本实施方式的诊断装置中构成为，通过对DOC15的上游侧的排气能量Q_in与下游侧的排气能量Q_out的排气能量差ΔQ加上向DOC15外界空气放出的热损失量Q_lost，来运算DOC15内的HC实际发热量C_act。

因此，根据本实施方式的诊断装置，能够运算出考虑了向外部的热损失量Q_lost的HC实际发热量C_act，能够提高DOC15的劣化诊断精度。

此外，在本实施方式的诊断装置中，从DOC15向外界空气的热损失量Q_lost是基于包含自然对流的热传递率h_n的模型式(数式3～5)和包含强制对流的热传递率h_f的模型式(数式6～9)来运算。其中，自然对流的热传递率h_n根据假定为从DOC15的圆筒外周面的整面散热时的努塞尔数Nu_n来设定，强制对流的热传递率h_f根据假定为给DOC15的下表面部带来影响的平板紊流时的努塞尔数Nu_f来设定。即，基于考虑了DOC15或催化剂壳体14a的形状、行驶风的影响等的模型式来正确地运算热损失量Q_lost。

因此，根据本实施方式的诊断装置，能够考虑自然对流及强制对流的影响来高精度地运算HC实际发热量C_act，能够高精度地诊断DOC15的HC氧化能力。

此外，在本实施方式的诊断装置中，在DPF16的强制再生时执行DOC15的HC氧化性能的诊断。

因此，根据本实施方式的诊断装置，不需要仅以DOC15的诊断为目的的排气管内喷射(或者后喷射)，能够有效地抑制油耗的劣化。

另外，本发明不限于上述的实施方式，能够在不脱离本发明的主旨的范围内适当变形来实施。

例如如图6所示，也能够应用于在前段后处理装置14中仅具备DOC15而省略了DPF16及排气管内喷射装置13的构造。该情况下，省略图5所示的流程图的S100、110(DPF强制再生)而执行发动机10的后喷射等即可。此外，发动机10不限于柴油发动机，也能够广泛地应用于汽油发动机等其他内燃机。

符号的说明

10发动机

13排气管内喷射装置

15DOC(氧化催化剂)

16DPF

18DOC入口温度传感器(第1温度检测单元)

19DOC出口温度传感器(第2温度检测单元)

36外界空气温度传感器(第3温度检测单元)

40ECU

41HC发热率运算部(发热量推测单元)

42DOC劣化判定部(判定单元)

Claims (4)

1.一种诊断装置，具备：

氧化催化剂，设置于内燃机的排气系统，将排气中含有的至少烃氧化；

第1温度检测单元，检测向所述氧化催化剂流入的入口排气温度；

第2温度检测单元，检测从所述氧化催化剂流出的出口排气温度；

第3温度检测单元，检测所述氧化催化剂的外界空气温度；

发热量推测单元，基于至少所述第1温度检测单元及所述第2温度检测单元的检测值来运算所述氧化催化剂的上游侧及下游侧的排气热量差，并且基于至少所述第1温度检测单元、所述第2温度检测单元及所述第3温度检测单元的检测值来运算从所述氧化催化剂向外界空气放出的热损失量，将该排气热量差和热损失量相加，来推测所述氧化催化剂内的烃的发热量；以及

判定单元，基于推测的所述发热量，判定所述氧化催化剂的劣化状态。

2.如权利要求1记载的诊断装置，

所述发热量推测单元基于包含自然对流的热传递率的第1模型式、以及包含强制对流的热传递率的第2模型式，运算所述热损失量。

3.如权利要求2记载的诊断装置，

所述氧化催化剂被收容在设置于车体下部的筒状的催化剂壳体内，

所述强制对流的热传递率基于将强制对流假定为给所述催化剂壳体的下表面带来影响的平板紊流时的努塞尔数来设定。

4.如权利要求1～3中任一项记载的诊断装置，还具备：

过滤器，设置于比所述氧化催化剂靠下游侧的排气系统中，捕获排气中的颗粒状物质；

所述发热量推测单元在对所述过滤器中堆积的颗粒状物质进行燃烧除去的强制再生时推测所述发热量。