CN110939501B - 催化器劣化诊断系统及催化器劣化诊断方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供三元催化器的劣化诊断系统及方法。催化器劣化诊断系统具备空燃比检测单元、NOx检测单元以及运转控制单元，运转控制单元使内燃机执行一边将废气温度保持为600℃以上、一边进行如下操作的诊断运转：在内燃机处于贫燃料运转状态的情况下，在下游侧空燃比达到规定的贫燃料侧阈值的时刻，使内燃机向富燃料运转状态转变，在内燃机处于富燃料运转状态的情况下，在下游侧空燃比达到规定的富燃料侧阈值之后经过了规定时间的时刻，使内燃机向贫燃料运转状态转变，诊断单元对处于富燃料运转状态时的催化器的下游侧的NOx浓度与诊断阈值进行比较，由此诊断催化器的NOx还原能力的劣化程度。

Description

催化器劣化诊断系统及催化器劣化诊断方法
技术领域
本发明涉及对催化器的劣化程度进行诊断的系统及方法，特别涉及用于供来自内燃机的废气导入的催化器的诊断系统及诊断方法。
背景技术
在搭载于车辆(典型的为汽车)的汽油发动机的运转时，从其中排出含有作为有害物质的NOx(氮氧化物)、THC(总烃：Total Hydrocarbon)以及CO(一氧化碳)的废气。因此，在多数汽油发动机车辆搭载有将这3种含有物一同除去(净化)的催化器、即三元催化器(TWC：Three Way Catalyst)。
三元催化器具有：由Pd(钯)、Pt(铂)以及Rh(铑)等贵金属构成且主要承担催化作用的部分；以及由以CeO2(氧化铈)为主的陶瓷构成的、定位为助催化剂的部分。Pd及Pt具有将废气中的HC及CO氧化而生成CO2(二氧化碳)及H2O(水)的作用。另外，Pd及Rh具有将废气中的NOx还原而生成N2(氮)的作用。氧化铈具有对O2(氧)进行吸附或使O2(氧)脱离的作用，在TWC中，从氧化铈释放对HC及CO进行氧化时所需的氧，并将对NOx进行还原时生成的氧吸储(储存)于氧化铈。
汽油发动机以如下方式运转：以空燃比(A/F)与理论空燃比相等或者达到理论空燃比附近的值、且导入至发动机气缸内的燃料完全燃烧的化学计量学(化学计量)状态为中心，并且，还根据车辆的状况而适当地转变为A/F高于化学计量状态的贫燃料状态、或者A/F低于化学计量状态的富燃料状态。并且，TWC能够在其中的化学计量状态下以较高的净化率将HC和CO、以及NOx全部都净化。
更具体而言，TWC的针对NOx的净化率在富燃料运转时(还原气氛)及化学计量运转时相对较高，在贫燃料运转时(氧过剩气氛)相对较低。反之，TWC的针对HC及CO的净化率在贫燃料运转时及化学计量运转时相对较高，在富燃料运转时相对较低。这是因为：废气的含氧量在富燃料运转时较低，因此容易使NOx还原，废气的含氧量在贫燃料运转时较高，因此容易使HC及CO氧化。
TWC在长期持续使用的过程中会劣化。劣化的方式各种各样，不过，主要的劣化模式为富燃料及贫燃料时的净化效率全部都降低、贫燃料时的净化效率降低、富燃料时的净化效率降低等。
另一方面，近年来，关于汽车，根据法律法规的要求而有义务实施OBD(车载故障诊断：On-Board Diagnostics)，TWC也是其对象。
例如可以通过OSC(储氧能力：Oxygen Storage Capacity)法来进行TWC的OBD。其基于如下前提：氧化铈的氧吸储能力(储氧量)越高，三元催化器的净化能力越高，TWC的劣化表现为氧化铈的氧吸储能力(储氧量)的劣化。
已知作为OSC法的一种方式的Cmax法(例如参照专利文献1及专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2006－17078号公报
专利文献2：日本特许第5835478号公报
发明内容
然而，归根结底，以Cmax法为代表的OSC法只不过对TWC所具备的氧化铈的氧吸储能力的劣化程度进行评价而已，无法直接掌握承担与净化直接相关的氧化、还原的贵金属部分的劣化情况。
另外，还存在如下问题，即，TWC所具备的氧化铈的氧吸储量与来自发动机的废气中含有的HC、CO、NOx等气体成分之间的相关性较低。
本发明是鉴于上述课题而完成的，其目的在于，提供能够适当地对TWC的贵金属成分的劣化程度进行诊断的系统及方法。
为了解决上述课题，本发明的第一方案是诊断对从内燃机排出的废气进行净化的催化器的劣化程度的系统，其特征在于，在从所述内燃机排出的所述废气的排气路径中，将从所述催化器朝向所述内燃机的那侧定义为所述催化器的上游侧，将所述上游侧的相反侧定义为所述催化器的下游侧，所述催化器劣化诊断系统具备：下游侧空燃比检测单元，其在所述排气路径中设置为比所述催化器更靠所述下游侧；NOx检测单元，其在所述排气路径中设置为比所述催化器更靠所述下游侧；运转控制单元，其通过控制针对所述内燃机的气体的吸入及燃料的喷射而对所述内燃机的运转状态进行控制；诊断单元，其对所述催化器的劣化程度进行诊断；以及存储单元，其存储有预先规定的诊断阈值，将从所述内燃机排出的所述废气的空燃比大于化学计量值时的所述内燃机的运转状态称为贫燃料运转状态，并且，将从所述内燃机排出的所述废气的空燃比小于化学计量值时的所述内燃机的运转状态称为富燃料运转状态，并且，将基于所述下游侧空燃比检测单元的检测结果而确定的所述排气路径的所述催化器的所述下游侧的所述废气的空燃比称为下游侧空燃比，在该情况下，所述运转控制单元使所述内燃机执行一边将所述废气的温度保持为600℃以上的规定的诊断温度、一边进行如下操作的诊断运转：在所述内燃机处于所述贫燃料运转状态的情况下，在所述下游侧空燃比达到规定的贫燃料侧阈值的时刻，使得所述内燃机向所述富燃料运转状态转变，在所述内燃机处于所述富燃料运转状态的情况下，在从所述下游侧空燃比达到规定的富燃料侧阈值的时刻起经过了预先规定的规定时间的时刻，使得所述内燃机向所述贫燃料运转状态转变，所述诊断单元对处于所述富燃料运转状态时基于所述NOx检测单元的检测结果而确定的所述排气路径的所述催化器的下游侧的NOx浓度、与作为所述诊断阈值的第一诊断阈值进行比较，由此诊断所述催化器的NOx还原能力的劣化程度。
本发明的第二方案在第一方案所涉及的催化器劣化诊断系统的基础上，其特征在于，所述催化器劣化诊断系统还具备上游侧空燃比检测单元，该上游侧空燃比检测单元在所述排气路径的所述催化器的所述上游侧对所述废气的空燃比进行检测，并且，将基于所述上游侧空燃比检测单元的空燃比检测值而确定的所述催化器的所述上游侧的空燃比称为上游侧空燃比，所述诊断单元进一步对所述催化器的平均氧吸储量与作为所述诊断阈值的第二诊断阈值进行比较，由此诊断所述催化器的氧吸储能力的劣化程度，该平均氧吸储量是作为所述催化器的一次吸储时的氧吸储量与所述催化器的一次释放时的氧释放量的平均值而计算出的值，所述催化器的一次吸储时的氧吸储量是对所述上游侧空燃比与化学计量值的差值，在所述上游侧空燃比达到化学计量值以上之后直至所述下游侧空燃比达到所述贫燃料侧阈值为止的时间内进行积分而计算出的值，所述催化器的一次释放时的氧释放量是对所述上游侧空燃比与化学计量值的差值，在所述上游侧空燃比变为化学计量值以下之后直至所述下游侧空燃比达到所述富燃料侧阈值为止的时间内进行积分而计算出的值。
本发明的第三方案是用于诊断对从内燃机排出的废气进行净化的催化器的劣化程度的方法，其特征在于，在从所述内燃机排出的所述废气的排气路径中，将从所述催化器朝向所述内燃机的那侧定义为所述催化器的上游侧，将所述上游侧的相反侧定义为所述催化器的下游侧，将从所述内燃机排出的所述废气的空燃比大于化学计量值时的所述内燃机的运转状态称为贫燃料运转状态，并且，将从所述内燃机排出的所述废气的空燃比小于化学计量值时的所述内燃机的运转状态称为富燃料运转状态，并且，将所述排气路径的所述催化器的所述下游侧的所述废气的空燃比称为下游侧空燃比，在该情况下，所述催化器劣化诊断方法具备诊断运转工序、以及诊断所述催化器的劣化程度的诊断工序，在所述诊断运转工序中，利用规定的控制单元控制针对所述内燃机的气体的吸入及燃料的喷射，由此，将所述废气的温度保持为600℃以上的规定的诊断温度并进行如下操作：在所述内燃机处于所述贫燃料运转状态的情况下，在所述下游侧空燃比达到规定的贫燃料侧阈值的时刻，使得所述内燃机向所述富燃料运转状态转变，在所述内燃机处于所述富燃料运转状态的情况下，在从所述下游侧空燃比达到规定的富燃料侧阈值的时刻起经过了预先规定的规定时间的时刻，使得所述内燃机向所述贫燃料运转状态转变，在所述诊断工序中，对处于所述富燃料运转状态时的所述排气路径的所述催化器的所述下游侧的所述废气中的NOx浓度、与预先规定且存储于规定的存储单元的第一诊断阈值进行比较，由此诊断所述催化器的NOx还原能力的劣化程度。
本发明的第四方案在第三方案所涉及的催化器劣化诊断方法的基础上，其特征在于，在所述诊断工序中，进一步对所述催化器的平均氧吸储量、与预先规定且存储于所述存储单元的第二诊断阈值进行比较，由此诊断所述催化器的氧吸储能力的劣化程度，该平均氧吸储量是作为所述催化器的一次吸储时的氧吸储量与所述催化器的一次释放时的氧释放量的平均值而计算出的值，所述催化器的一次吸储时的氧吸储量是对作为所述排气路径的所述催化器的所述上游侧的空燃比的上游侧空燃比与化学计量值的差值，在所述上游侧空燃比达到化学计量值以上之后直至所述下游侧空燃比达到所述贫燃料侧阈值为止的时间内进行积分而计算出的值，所述催化器的一次释放时的氧释放量是对所述上游侧空燃比与化学计量值的差值，在所述上游侧空燃比变为化学计量值以下之后直至所述下游侧空燃比达到所述富燃料侧阈值为止的时间内进行积分而计算出的值。
发明效果
根据本发明的第一方案至第四方案，能够针对三元催化器的贵金属成分承担的NOx还原能力进行劣化程度的诊断。
特别是根据第二方案及第四方案，不仅能够针对三元催化器的NOx还原能力进行劣化程度的诊断，对于氧吸储能力也能够进行劣化程度的诊断。并且，可以同时进行这些诊断，而且，由于二者的劣化方式不具有相关性，所以，与以往的方法相比，能够更详细地掌握三元催化器的劣化状态。
附图说明
图1是概要地表示车辆1000的结构的图。
图2是将执行本实施方式所涉及的劣化诊断时对发动机500的控制方式与以往的通常的Cmax法中对发动机500的控制方式对比示出的图。
图3是劣化状态的程度不同的4种TWC601分别搭载于车辆1000的情况下的、根据各废气温度而对NOx浓度随时间的变化进行汇总的图。
图4是表示废气温度为600℃及700℃的情况下的、水热老化时间与富燃料运转状态下的NOx浓度的最大值之间的关系的图。
图5是表示废气温度为600℃及700℃的情况下的、水热老化时间与氧吸储量之间的关系的图。
附图标记说明
100…ECU、300…油门踏板、401…进气部、500…发动机、501…燃料喷射装置、601…TWC、701…上游侧空燃比检测单元、702…下游侧空燃比检测单元、703…NOx检测单元、1000…车辆、DS1…催化器劣化诊断系统、P…配管、THa…(下游侧A/F的)贫燃料侧阈值、THb…(下游侧A/F的)富燃料侧阈值。
具体实施方式
＜系统的结构＞
图1是概要地表示本实施方式中的车辆(系统)1000的结构的图。本实施方式中，车辆1000是由司机DR驾驶的汽车。
车辆1000主要具备：作为动力源的汽油发动机(以下简称为发动机)500，其是一种内燃机；燃料喷射装置501，其向发动机500的内部(燃烧室)喷射燃料；进气部401，其对发动机500供给空气；TWC(三元催化器)601，其对从发动机500排出的废气进行净化；ECU(电子控制装置)100，其对车辆1000的各部分的动作进行控制；仪表板(Instrument Panel)等显示部200，其用于对司机DR提示与车辆1000有关的各种信息；以及油门踏板300，其是在使车辆1000进行动作时由司机DR操作的各种操作部之一。应予说明，作为操作部，除此以外能够举例示出方向盘、变速器用的变速杆(Select lever：选档杆)、制动踏板(均省略图示)等。
进气部401和TWC601分别借助不同的配管P而与发动机500连接。以下，将从进气部401至发动机500的气体路径称为供给侧或者进气路径，将从发动机500朝向TWC601的那侧的气体路径称为排气侧或者排气路径。另外，基于从发动机500排出并导入至TWC601、进而从TWC601排出的废气流，将从TWC601朝向发动机500的那侧称为上游侧，并将其相反侧称为下游侧。
概略而言，在车辆1000中，在发动机500的内部对通过进气部401而从外部取入的空气(吸入空气)与从燃料喷射装置501喷射的燃料的混合气体进行压缩，利用火花塞(省略图示)点火而使得该压缩后的混合气体爆炸、燃烧并膨胀，利用此时的压力使活塞(省略图示)移动，由此产生动力。然后，作为废气而将该产生动力后的气体向排气路径排出，并利用TWC601进行净化。
废气中含有作为有害物质的NOx(氮氧化物)、THC(总烃：Total Hydrocarbon)以及CO(一氧化碳)。TWC601具有分别以较高的净化率将这3种含有物一同净化(除去)的能力。
TWC601具有：由Pd(钯)、Pt(铂)以及Rh(铑)等贵金属构成、且承担主要的催化作用的部分；以及由以CeO2(氧化铈)为主的陶瓷构成、且定位为助催化剂的部分。Pd及Pt具有将废气中的HC及CO氧化而生成CO2(二氧化碳)及H2O(水)的作用。Pd及Rh具有将废气中的NOx还原而生成N2(氮)的作用。氧化铈具有使O2(氧)吸附或脱离的作用，在TWC601中，将对HC及CO进行氧化时所需的氧从氧化铈释放，并将对NOx进行还原时生成的氧吸储(储存)于氧化铈。
本实施方式中，TWC601具有如下能力，即，在未劣化的正常状态下，当发动机500处于化学计量状态(废气的空燃比为化学计量值(约14.7)的状态)或者富燃料状态(废气的空燃比小于化学计量值的状态)时，以90％以上的高净化率对NOx进行净化(还原为N2)，当发动机500处于化学计量状态或者贫燃料状态(废气的空燃比大于化学计量值的状态)时，以90％以上的高净化率对HC及CO进行净化(氧化为H2O、CO2)。
车辆1000还具备：上游侧空燃比检测单元701，其设置于比TWC601更靠上游侧、且设置于将其与发动机500之间连接的配管P；以及下游侧空燃比检测单元702和NOx检测单元703，它们设置于比TWC601更靠下游侧的配管P。应予说明，图1中，将下游侧空燃比检测单元702和NOx检测单元703分开示出，不过，二者也可以构成为一体，还可以是能够由一个检测单元同时对二者进行检测的方式。
为了测定TWC601的上游侧及下游侧的废气的空燃比而分别配置上游侧空燃比检测单元701及下游侧空燃比检测单元702。为了测定TWC601的下游侧的废气中的NOx浓度而配置NOx检测单元703。来自这些检测单元的输出用于对车辆1000的运转控制，不过，本实施方式中，除此以外，还用于对TWC601所具有的净化能力(催化能力)的劣化程度进行诊断时。
具体而言，本实施方式中，作为主要结构要素，上述上游侧空燃比检测单元701、下游侧空燃比检测单元702、NOx检测单元703、以及ECU100构成对TWC601的劣化程度进行诊断的催化器劣化诊断系统DS1。下文中，对利用催化器劣化诊断系统DS1进行诊断的详细情况进行说明。
ECU100由至少包括1个IC(集成电路)的电子电路构成。电子电路包括至少1个处理器(未图示)。ECU100所具有的各功能可以通过处理器执行软件程序而实现。软件以程序的形式进行记述并存储于存储器(未图示)。用于存储程序的存储器可以包含在ECU100中，例如为非易失性或易失性的半导体存储器。
作为功能性结构要素，ECU100具备上游侧空燃比获取部110A、下游侧空燃比获取部110B、燃料喷射控制部120、进气控制部130、统一控制部140、诊断运转控制部150、NOx浓度获取部160、氧吸储量运算部170、诊断部180以及存储部190。
上游侧空燃比获取部110A和下游侧空燃比获取部110B分别获取来自上游侧空燃比检测单元701和下游侧空燃比检测单元702的空燃比信号。未必以空燃比自身的形式获取空燃比信号，也可以以与该空燃比相应的电压值、电流值的形式获取空燃比信号。
应予说明，以下，将基于上游侧空燃比检测单元701的检测结果而确定的TWC601的上游侧的空燃比称为上游侧A/F，将基于下游侧空燃比检测单元702的检测结果而确定的TWC601的下游侧的空燃比称为下游侧A/F。
燃料喷射控制部120在与司机DR对油门踏板300的操作状态等相应的、来自统一控制部140的控制指示下对燃料从燃料喷射装置501的喷射进行控制。
进气控制部130在与司机DR对油门踏板300的操作状态等相应的、来自统一控制部140的控制指示下对来自进气部401的吸入气体进行控制。
统一控制部140与由司机DR针对油门踏板300等操作部的操作状态相应地对ECU100的各控制部发出控制指示，由此统一地对车辆1000整体的动作进行控制。
诊断运转控制部150在来自统一控制部140的执行指示下对执行后述的TWC601的劣化诊断时的车辆1000的运转进行控制。
NOx浓度获取部160从NOx检测单元703获取NOx浓度信号。应予说明，NOx浓度信号所表示的值(NOx浓度信号值)未必是浓度值自身，也可以是与该浓度值相应的电压值、电流值。应予说明，以下，将基于NOx检测单元703的检测结果而确定的TWC601的下游侧的NOx浓度简称为(废气的)NOx浓度。
氧吸储量运算部170在诊断运转控制部150的控制下基于由上游侧空燃比检测单元701发出的空燃比信号而对TWC601中的氧吸储量进行运算。
诊断部180在诊断运转控制部150的控制下基于由NOx浓度获取部160获取的NOx浓度信号和氧吸储量运算部170中运算所得的TWC601中的氧吸储量而对TWC601的劣化程度进行诊断。
存储部190对车辆1000运转时所需的各种程序、数据、劣化诊断时的运转条件、诊断阈值等各种信息进行存储。
在车辆1000中，可以在下游侧空燃比检测单元702及NOx检测单元703的下游侧设置追加催化器602。追加催化器602例如为另一个TWC、GPF(汽油颗粒过滤器：GasolineParticulate Filter)、或SCR(选择还原催化器：Selective Catalytic Reduction)等。这种情况下，更适当地对来自发动机500的废气进行净化。
＜TWC的劣化诊断＞
接下来，对本实施方式中进行的TWC601的劣化诊断进行说明。图2是将执行本实施方式所涉及的劣化诊断时对发动机500的控制方式与以往的通常的Cmax法(以下简称为Cmax法)中对发动机500的控制方式对比示出的图。
具体而言，图2(a)表示Cmax法的情况下的上游侧A/F的控制目标值、下游侧A/F的实际测量值以及NOx浓度的实际测量值的随时间的变化，图2(b)表示本实施方式所涉及的劣化诊断中的上述各值随时间的变化。
首先，对Cmax法进行说明。Cmax法中，如图2(a)所示，执行如下主动控制，即，将发动机500的运转状态控制为使得上游侧A/F的控制目标值在贫燃料状态下的设定值AFa与富燃料状态下的设定值AFb之间呈阶梯状地变化。此时，废气温度设为600℃以上、且设为能够进行该主动控制的规定温度(实际上，可以容许该温度±30℃左右的温度范围)。不过，至少在现状下，如果废气温度超过900℃，则主动控制变得困难，因此，实质上废气温度的上限值为900℃。
以下，对于上游侧A/F的控制目标值设为AFa的发动机500，将其运转状态称为贫燃料运转状态，对于上游侧A/F的控制目标值设为AFb的发动机500，将其运转状态称为富燃料运转状态。
更详细而言，在形成为贫燃料运转状态之后的短暂期间内，由于来自发动机500的废气中含有的过剩的氧吸储于TWC601所具备的氧化铈中，因此，下游侧A/F保持富燃料状态不变。然后，如果氧化铈中的氧吸储量饱和，则废气中含有的氧未被氧化铈吸储而是保持原样地向TWC601的下游侧流动，因此，下游侧A/F的实际测量值逐渐增大。然后，在该下游侧A/F的实际测量值达到贫燃料侧阈值THa的时刻(图2(a)中由实线箭头AR1所示的时刻ta1、ta2、ta3、…)，上游侧A/F的控制目标值设定为AFb而转变为富燃料运转状态。
于是，由于此次来自发动机500的废气中含有的氧的量少于化学计量状态时的量，因此，TWC601中吸储于氧化铈的氧被释放。因此，在短暂期间内，下游侧A/F保持贫燃料状态不变。不久之后，如果所有氧都从氧化铈中释放出来，则暂时增大的下游侧A/F的实际测量值逐渐减小。
然后，在该下游侧A/F的实际测量值达到富燃料侧阈值THb的时刻(图2(a)中由点划线箭头AR2所示的时刻tb1、tb2、tb3、…)，上游侧A/F的控制目标值再次设定为AFa而转变为贫燃料运转状态。
应予说明，图2(a)中，为了简化图示，将下游侧A/F的实际测量值达到贫燃料侧阈值THa之后直至达到富燃料侧阈值THb为止的时间(tb1－ta1、tb2－ta2、tb3－ta3、…)、和该实际测量值达到富燃料侧阈值THb之后直至达到贫燃料侧阈值THa为止的时间(ta2－tb1、ta3－tb2、…)全部都设为相同，不过，实际上这些时间有时会不同。不过，这些时间通常最多为几秒左右。
以下，根据需要而反复形成为贫燃料运转状态和富燃料运转状态。然后，基于以该方式且以规定次数或者规定时间反复形成为贫燃料运转状态和富燃料运转状态时的上游侧A/F的实际测量值(具体而言，基于规定时间内的时间积分值)，对TWC601所具备的氧化铈的氧吸储量进行估算。然后，基于得到的氧吸储量的值而对TWC601的劣化程度进行诊断。换言之，在Cmax法中，因氧化铈的氧吸储能力降低而诊断为TWC601整体的功能劣化。
接下来，对本实施方式所涉及的劣化诊断进行说明。本实施方式所涉及的劣化诊断由车辆1000所具备的催化器劣化诊断系统DS1来执行。
对于本实施方式所涉及的劣化诊断而言，关于反复形成为贫燃料运转状态和富燃料运转状态这一点、以及从贫燃料运转状态向富燃料运转状态转变的方式，与以往的Cmax法相同，不过，在从富燃料运转状态向贫燃料运转状态转变这方面具有独特的特征。该诊断时对发动机500的控制由诊断运转控制部150来执行。应予说明，在本实施方式所涉及的劣化诊断时，废气温度也设为600℃以上的规定温度(实际上可以容许该温度±30℃左右的温度范围)。将该劣化诊断时的废气的温度称为诊断温度。不过，如上所述，至少在现状下，如果废气温度超过900℃，则主动控制变得困难，因此，该诊断温度的上限值实质上也为900℃。
具体而言，如图2(b)所示，关于从贫燃料运转状态向富燃料运转状态的转变，与以往的Cmax法相同，在下游侧A/F的实际测量值达到贫燃料侧阈值THa的时刻(图2(b)中由实线箭头AR3所示的时刻tc1、tc2、…)，上游侧A/F的控制目标值设定为AFb而转变为富燃料运转状态。
应予说明，对于下游侧A/F的实际测量值，可以采用如下方式：下游侧空燃比获取部110B获取下游侧空燃比检测单元702根据其检测值而计算出的值并将其提供给诊断运转控制部150；获取到下游侧空燃比检测单元702的检测值的下游侧空燃比获取部110B对下游侧A/F的实际测量值进行计算并将其结果提供给诊断运转控制部150；将相当于该实际测量值的空燃比信号从下游侧空燃比检测单元702通过下游侧空燃比获取部110B而提供给诊断运转控制部150，诊断运转控制部150将该信号值作为相当于实际测量值的值而进行处理。
如果富燃料运转状态持续，则在不久之后与Cmax法相同，吸储于氧化铈的氧全部都被释放，在某一时刻(图2(b)中的时刻td1、td2、…)，下游侧A/F的实际测量值达到富燃料侧阈值THb。然而，本实施方式所涉及的劣化诊断中，在该时刻仍未转变为贫燃料运转状态(图2(b)中由叉号CR表示)，而是在从该时刻起经过了预先规定的规定时间Δt之后的时刻(图2(b)中由点划线箭头AR4所示的时刻te1、te2、…)转变为贫燃料运转状态。然后，以下同样地反复形成为贫燃料运转状态和富燃料运转状态。此处，时间Δt为预先通过实验而确定的值，设为1秒至5秒左右。
这样，如果与以往的Cmax法相比而富燃料运转状态持续的时间更长，则如图2(b)的最下部所示，富燃料运转状态持续的期间的NOx浓度的变动根据TWC601的个体而各种各样，有时如实线所示那样大致保持为零，也有时呈现出如虚线、点划线、双点划线所示那样随着时间的经过而NOx浓度逐渐增大的趋势。并且，如点划线、双点划线所示那样，还有时在转变为富燃料运转状态之后而NOx浓度值立刻变为正值。
由NOx检测单元703检测出的NOx无非是在TWC601中未被净化便向下游侧排出的NOx。本发明的发明人进行了潜心研究，结果发现，如果废气的温度相同，则呈现出如下趋势，即，TWC601的劣化越严重，如箭头AR5所示，NOx浓度的值越大。即，这意味着：富燃料运转状态下的NOx浓度和TWC601的与NOx还原能力相关的劣化程度之间具有相关性。
另一方面，关于贫燃料运转状态下的NOx浓度，能够确认：即便贫燃料运转状态在下游侧A/F的实际测量值达到贫燃料侧阈值THa以后仍然持续，也未发现与TWC601的劣化程度之间具有特别的相关性。
本实施方式中，基于以上见解，利用车辆1000所具备的催化器劣化诊断系统DS1，基于在从贫燃料运转状态转变为富燃料运转状态之后直至再次形成为贫燃料运转状态为止的期间内检测出的NOx浓度，对TWC601的(更详细而言，作为贵金属成分的Pd及Rh的)与NOx还原能力相关的劣化程度进行诊断。
具体而言，在催化器劣化诊断系统DS1中，首先，在诊断运转控制部150的控制下，将废气的温度保持为600℃～900℃的范围内的诊断温度，同时，如上所述，反复实现从下游侧A/F的实际测量值达到贫燃料侧阈值THa的时刻的贫燃料运转状态向富燃料运转状态的转变、以及从下游侧A/F的实际测量值达到富燃料侧阈值THb的时刻之后经过了规定的时间Δt的时刻的富燃料运转状态向贫燃料运转状态的转变。将该方式中对发动机500的控制(主动控制)称为诊断运转。
然后，与此同时，当发动机500处于诊断运转状态时，NOx浓度获取部160至少在其中的富燃料运转状态的期间内从NOx检测单元703获取NOx浓度信号并将其信号值提供给诊断部180。
诊断部180对提供的NOx浓度信号值和预先存储于存储部190的阈值(第一阈值)进行比较，如果NOx浓度信号值超过阈值，则诊断为TWC601的NOx还原能力产生了超过容许限度的劣化，如果NOx浓度信号值为阈值以下，则诊断为TWC601的NOx还原能力未产生超过容许限度的劣化。以与提供给诊断部180的NOx信号值的形式相应的形式及值对该阈值进行记述。应予说明，也可以是如下方式，即，对每当形成为富燃料运转状态时获取的NOx浓度信号值的平均值与阈值进行比较。或者，也可以是如下方式，即，阶梯式地设定阈值并对各阈值与NOx浓度值进行比较，从而阶段性地对作为诊断对象的TWC601的NOx还原能力的劣化程度进行诊断。
应予说明，根据上述说明也可知，Cmax法与本实施方式所涉及的劣化诊断之间的一个明显的差别在于：将发动机500保持为富燃料运转状态的时间不同。因此，如果TWC601的NOx还原能力的劣化程度相同，则即使在富燃料运转状态的持续时间如Cmax法那样较短的情况下，实际上也会产生NOx从TWC601向下游侧的流出。因此，从表面上看，利用Cmax法也能够对发动机500的运转状态进行控制、且能够测定NOx浓度而进行劣化诊断。
然而，鉴于富燃料运转状态的时间较短、以及NOx检测单元703的响应性、检测误差等，只要TWC601的NOx还原能力未劣化至相当大的程度，则如图2(a)的最下部所示，富燃料运转状态下的NOx浓度通常大致为零或者接近零的值的可能性较高。因此，即便与Cmax法同样地对发动机500的运转状态进行控制，也难以准确地进行NOx还原能力的诊断。
另一方面，在本实施方式所涉及的劣化诊断中，还可以与Cmax法同样地对TWC601所具备的氧化铈的氧吸储量进行估算，并基于该值而对氧化铈的氧吸储能力的劣化程度进行诊断。
具体而言，利用如下原理，即，对于图2(b)的最上部由虚线所示的、发动机500处于诊断运转状态时的上游侧A/F的实际测量值与化学计量值(约14.7)的差值，在发动机500处于贫燃料运转状态的时间内，更详细而言，在上游侧A/F的控制目标值转变为贫燃料侧的设定值AFa之后直至上游侧A/F的实际测量值达到化学计量值以上之后转变为富燃料侧的设定值AFb(下游侧A/F的实际测量值达到贫燃料阈值THa)为止的时间内进行积分，由此得到的值相当于TWC601所具备的氧化铈的一次吸储时的氧吸储量，对于上述差值，在发动机500处于富燃料运转状态时的、上游侧A/F的实际测量值达到化学计量值以下之后直至下游侧A/F的实际测量值达到富燃料阈值THb为止的时间内进行积分，由此得到的值的绝对值相当于一次释放时的氧释放量。例如，图2(b)的斜线部M1的面积相当于一次吸储时的氧吸储量，斜线部M2的面积的绝对值相当于一次释放时的氧释放量。
然后，持续进行诊断运转，并在贫燃料运转状态与富燃料运转状态之间反复转变的每次转变时，都对上述相当于一次吸储时的氧吸储量的面积值和相当于一次释放时的氧释放量的面积值进行计算，将作为得到的所有计算值的平均值的平均氧吸储量设为表示TWC601所具备的氧化铈的氧吸储能力的氧吸储量。
通过该方式计算出的氧吸储量与通过以往的Cmax法计算出的氧吸储能力等同。
因此，在催化器劣化诊断系统DS1中，在诊断运转控制部150的控制下，如果发动机500处于诊断运转状态，则在如上所述那样利用NOx浓度获取部160获取NOx浓度信号的同时由氧吸储量运算部170基于来自上游侧空燃比检测单元701的空燃比信号，以上述方式反复计算氧化铈的氧吸储量及氧释放量，并计算出其平均值、即平均氧吸储量，进而将其提供给诊断部180。
诊断部180在如上所述那样进行NOx还原能力的诊断的同时，对提供的平均氧吸储量和预先存储于存储部190的阈值(第二阈值)进行比较，如果平均氧吸储量低于阈值，则判断为TWC601的氧吸储能力产生了超过容许限度的劣化，如果平均氧吸储量为阈值以上，则诊断为TWC601的氧吸储能力未产生超过容许限度的劣化。或者，可以是如下方式，即，与氧吸储能力的劣化程度对应地阶梯式地设定阈值，并对各阈值和平均氧吸储量进行比较、由此阶段性地对作为诊断对象的TWC601的氧吸储能力的劣化程度进行诊断。
这样，在本实施方式所涉及的催化器劣化诊断系统DS1中，作为TWC601的劣化诊断，可以同时进行NOx还原能力的诊断和与以往相同的氧吸储能力的诊断。并且，本发明的发明人进行了潜心研究，结果确认到：二者的诊断结果之间并未发现相关性。这意味着：本实施方式所涉及的催化器劣化诊断系统DS1中进行的劣化诊断与利用仅以氧吸储能力为指标的Cmax法的劣化诊断相比，能够更恰当地掌握TWC601的劣化状态。
如上所述，根据本实施方式，与以往的Cmax法相同，在发动机中交替反复地形成为贫燃料运转状态和富燃料运转状态，并且，在TWC的下游侧的空燃比的实际测量值达到富燃料侧阈值之后又经过了规定时间之后进行从富燃料运转状态向贫燃料运转状态的转变，然后，在处于富燃料运转状态时，在TWC的下游侧对NOx进行检测，并对以此为基础而确定的NOx浓度值的大小与规定的阈值进行比较，由此能够对TWC的NOx还原能力的劣化程度进行诊断。
此外，基于对TWC的上游侧的空燃比的实际测量值进行时间积分所得的值而计算出TWC的氧吸储量，并对该氧吸储量的大小与阈值进行比较，由此还能够对TWC的氧吸储能力的劣化程度进行诊断。
并且，能够同时进行上述NOx还原能力和氧吸储能力的诊断，并且，二者的劣化方式没有相关性，因此，根据本实施方式，与以往的Cmax法相比，能够更详细地掌握TWC的劣化状态。
实施例
(实施例1)
准备了劣化程度不同的4种TWC601，将它们分别搭载于实际的车辆1000而进行发动机500的主动控制运转，针对各TWC601而确认下游侧的NOx浓度的变动。
作为车辆1000，使用了发动机500的排气量为4.6L的汽油车(V8气缸非涡轮增压)。作为TWC601，准备了新品(以下也称为fresh或者fresh产品)、以及为了模拟实现程度不同的劣化状态而以1000℃的温度分别对fresh产品进行2小时、4小时、10小时的水热老化而得到的3个水热老化品。水热老化时间越长的TWC601，相当于劣化程度越显著的样品。应予说明，在含有2％的O2、10％的H2O且剩余为N2的气氛中进行水热老化。
另外，对于上游侧空燃比检测单元701及下游侧空燃比检测单元702而使用公知的空燃比传感器，作为NOx检测单元703而使用质量分析仪。
以如下方式进行主动控制运转，即，将发动机500的转速保持为2000rpm，并且，使空气过剩率λ＝1.04的贫燃料运转状态和λ＝0.96的富燃料运转状态交替反复地分别持续30秒。即，AFa＝1.04×14.7≈15.29，AFb＝0.96×14.7≈14.11。应予说明，将废气的温度设为400℃、500℃、600℃、及700℃这4个不同的等级。为了实现各废气温度，对来自燃料喷射装置501的燃料喷射量和来自进气部401的吸入气体进行了可变控制。
图3是4种TWC601分别搭载于车辆1000的情况下的、根据各废气温度而对NOx浓度随时间的变化进行汇总的图。
如图3所示，在废气温度为600℃的情况下，与TWC的差异无关地在贫燃料运转状态下均检测出较高的NOx浓度，并且，在富燃料运转状态下，除了fresh产品以外，也都检测出NOx。另外，在废气温度为700℃的情况下，在富燃料运转状态下也略微检测出NOx。另一方面，在废气温度为400℃及500℃的情况下，即便在使用水热老化后的TWC的情况下，在富燃料运转状态下，也未检测出NOx。
图4是表示废气温度为600℃及700℃的情况下的、水热老化时间(图4中记作“催化器老化时间”)与富燃料运转状态下的NOx浓度的最大值之间的关系的图。应予说明，“催化器老化时间”为0小时(0hr)的数据是fresh产品的数据。
根据图4可知，在各情况下均呈现出如下趋势，即，水热老化时间越长，NOx浓度越大。
该结果给出了如下启示：如上述实施方式那样，对于交替反复地形成为贫燃料运转状态和富燃料运转状态的主动控制中的富燃料运转状态的时间，与通常的Cmax法中的主动控制中处于富燃料运转状态的时间(最多为几秒左右)相比，将其设为足够长(本实施例中为30秒)，由此能够对TWC的NOx还原能力进行诊断。
(实施例2)
将实施例1中使用的(模拟的)劣化状态不同的4种TWC601搭载于与实施例1相同的车辆1000，利用以往的Cmax法对废气温度设为600℃及700℃时的氧吸储量进行了测定。将发动机500的转速保持为2000rpm而进行主动控制运转。为了实现各废气温度，对来自燃料喷射装置501的燃料喷射量和来自进气部401的吸入气体进行了可变控制。另外，分别形成10次的贫燃料运转状态和富燃料运转状态，将共计20次的氧吸储或者氧释放时的氧吸储量或者氧释放量的平均值作为各TWC的氧吸储量。各运转状态的持续时间为约3秒左右。
图5是表示废气温度为600℃及700℃的情况下的、水热老化时间(图5中记作“催化器老化时间”)与氧吸储量(图5中记作“OSC”)之间的关系的图。
在图5(a)所示的废气温度为600℃的情况下、以及图5(b)所示的废气温度为700℃的情况下，都是只有fresh产品的氧吸储量大于其他3种水热老化品的氧吸储量，3种水热老化品之间并未发现显著的差异。该结果表明：TWC601的氧吸储量在开始使用后的较短时间内降低，此后几乎未变化。
并且，判断为该氧吸储量的变化与图4所示的NOx浓度的变化不具有相关性。这表明：仅通过以往实施的氧吸储能力的评价未必能够妥当地判断TWC601的劣化程度，并且，上述实施方式的诊断方法能够同时对氧吸储能力和NOx还原能力进行评价，从而能够更准确地对TWC601的劣化状态进行诊断。

Claims (4)

1.一种催化器劣化诊断系统，其诊断对从内燃机排出的废气进行净化的催化器的劣化程度，
所述催化器劣化诊断系统的特征在于，
在从所述内燃机排出的所述废气的排气路径中，将从所述催化器朝向所述内燃机的那侧定义为所述催化器的上游侧，将所述上游侧的相反侧定义为所述催化器的下游侧，
所述催化器劣化诊断系统具备：
下游侧空燃比检测单元，其在所述排气路径中设置为比所述催化器更靠所述下游侧；
NOx检测单元，其在所述排气路径中设置为比所述催化器更靠所述下游侧；
运转控制单元，其通过控制针对所述内燃机的气体的吸入及燃料的喷射而对所述内燃机的运转状态进行控制；
诊断单元，其对所述催化器的劣化程度进行诊断；以及
存储单元，其存储有预先规定的诊断阈值，
将从所述内燃机排出的所述废气的空燃比大于化学计量值时的所述内燃机的运转状态称为贫燃料运转状态，并且，将从所述内燃机排出的所述废气的空燃比小于化学计量值时的所述内燃机的运转状态称为富燃料运转状态，并且，
将基于所述下游侧空燃比检测单元的检测结果而确定的所述排气路径的所述催化器的所述下游侧的所述废气的空燃比称为下游侧空燃比，在该贫燃料运转状态、富燃料运转状态、下游侧空燃比的定义下，
所述运转控制单元使所述内燃机执行一边将所述废气的温度保持为600℃以上的规定的诊断温度、一边进行如下操作的诊断运转：在所述内燃机处于所述贫燃料运转状态的情况下，在所述下游侧空燃比达到规定的贫燃料侧阈值的时刻，使得所述内燃机向所述富燃料运转状态转变，在所述内燃机处于所述富燃料运转状态的情况下，在从所述下游侧空燃比达到规定的富燃料侧阈值的时刻起经过了预先规定的规定时间的时刻，使得所述内燃机向所述贫燃料运转状态转变，
所述诊断单元对处于所述富燃料运转状态时基于所述NOx检测单元的检测结果而确定的所述排气路径的所述催化器的下游侧的NOx浓度、与作为所述诊断阈值的第一诊断阈值进行比较，由此诊断所述催化器的NOx还原能力的劣化程度。
2.根据权利要求1所述的催化器劣化诊断系统，其特征在于，
所述催化器劣化诊断系统还具备上游侧空燃比检测单元，该上游侧空燃比检测单元在所述排气路径的所述催化器的所述上游侧对所述废气的空燃比进行检测，并且，
将基于所述上游侧空燃比检测单元的空燃比检测值而确定的所述催化器的所述上游侧的空燃比称为上游侧空燃比，
所述诊断单元进一步对所述催化器的平均氧吸储量与作为所述诊断阈值的第二诊断阈值进行比较，由此诊断所述催化器的氧吸储能力的劣化程度，该平均氧吸储量是作为所述催化器的一次吸储时的氧吸储量与所述催化器的一次释放时的氧释放量的平均值而计算出的值，所述催化器的一次吸储时的氧吸储量是对所述上游侧空燃比与化学计量值的差值，在所述上游侧空燃比达到化学计量值以上之后直至所述下游侧空燃比达到所述贫燃料侧阈值为止的时间内进行积分而计算出的值，所述催化器的一次释放时的氧释放量是对所述上游侧空燃比与化学计量值的差值，在所述上游侧空燃比变为化学计量值以下之后直至所述下游侧空燃比达到所述富燃料侧阈值为止的时间内进行积分而计算出的值。
3.一种催化器劣化诊断方法，其用于诊断对从内燃机排出的废气进行净化的催化器的劣化程度，
所述催化器劣化诊断方法的特征在于，
在从所述内燃机排出的所述废气的排气路径中，将从所述催化器朝向所述内燃机的那侧定义为所述催化器的上游侧，将所述上游侧的相反侧定义为所述催化器的下游侧，
将从所述内燃机排出的所述废气的空燃比大于化学计量值时的所述内燃机的运转状态称为贫燃料运转状态，并且，将从所述内燃机排出的所述废气的空燃比小于化学计量值时的所述内燃机的运转状态称为富燃料运转状态，并且，
将所述排气路径的所述催化器的所述下游侧的所述废气的空燃比称为下游侧空燃比，在该贫燃料运转状态、富燃料运转状态、下游侧空燃比的定义下，
所述催化器劣化诊断方法具备诊断运转工序、以及诊断所述催化器的劣化程度的诊断工序，在所述诊断运转工序中，利用规定的控制单元控制针对所述内燃机的气体的吸入及燃料的喷射，由此，将所述废气的温度保持为600℃以上的规定的诊断温度并进行如下操作：在所述内燃机处于所述贫燃料运转状态的情况下，在所述下游侧空燃比达到规定的贫燃料侧阈值的时刻，使得所述内燃机向所述富燃料运转状态转变，在所述内燃机处于所述富燃料运转状态的情况下，在从所述下游侧空燃比达到规定的富燃料侧阈值的时刻起经过了预先规定的规定时间的时刻，使得所述内燃机向所述贫燃料运转状态转变，
在所述诊断工序中，对处于所述富燃料运转状态时的所述排气路径的所述催化器的所述下游侧的所述废气中的NOx浓度、与预先规定且存储于规定的存储单元的第一诊断阈值进行比较，由此诊断所述催化器的NOx还原能力的劣化程度。
4.根据权利要求3所述的催化器劣化诊断方法，其特征在于，
在所述诊断工序中，进一步对所述催化器的平均氧吸储量、与预先规定且存储于所述存储单元的第二诊断阈值进行比较，由此诊断所述催化器的氧吸储能力的劣化程度，该平均氧吸储量是作为所述催化器的一次吸储时的氧吸储量与所述催化器的一次释放时的氧释放量的平均值而计算出的值，所述催化器的一次吸储时的氧吸储量是对作为所述排气路径的所述催化器的所述上游侧的空燃比的上游侧空燃比与化学计量值的差值，在所述上游侧空燃比达到化学计量值以上之后直至所述下游侧空燃比达到所述贫燃料侧阈值为止的时间内进行积分而计算出的值，所述催化器的一次释放时的氧释放量是对所述上游侧空燃比与化学计量值的差值，在所述上游侧空燃比变为化学计量值以下之后直至所述下游侧空燃比达到所述富燃料侧阈值为止的时间内进行积分而计算出的值。
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