专利名称：内燃机排气净化装置和方法
技术领域：
本发明涉及内燃机排气净化装置和方法，特别涉及确定为净化(或还原(去除))发动机排气中氮的氧化物(NOx)所用NOx去除(或还原)催化剂异常的技术。
背景技术：
在安装在汽车中的内燃机中，特别是在氧气过量状态下燃料混合气可燃的(在空燃比偏高状态下可驱动的)内燃机中，在贫油驱动(leandrive)期间NOx(氮的氧化物)的排出量增大。因此，一种防止从发动机向空气中排出NOx的技术是把NOx还原(去除)催化剂设置在发动机的排气通道中。当流入NOx去除催化剂中的排气空燃比高时(即贫油时)，NOx还原(去除)催化剂吸收排气中的NOx，而当流入NOx减少催化剂中的排气空燃比低而且存在还原剂(HC(碳氢化合物)、CO(一氧化碳)等)时，在NOx还原(去除)催化剂中所吸收的NOx被释放并被还原成N2(氮)，从而使NOx被净化，(从发动机中去除)。NOx还原(去除)催化剂的NOx吸收能力有一个限度。因此，在NOx去除催化剂的吸收已达到其饱和量之前，必须在适当的时候从NOx去除催化剂中释放所吸收的NOx并使其还原以再生NOx(还原或去除)催化剂。所以，在排气过程中的适当时候，在短时间内将作为还原剂的燃料加到排气中，而发动机暂时被切换到富油驱动，排气空燃比被暂时切换到富油状态，同时供给还原剂(CO(一氧化碳)、HC(碳氢化合物)等)。这一过程被称作执行一次富油峰值控制。另一方面，为保证上述NOx还原处理，以高准确度检测NOx(去除)还原催化剂的异常(如品质变坏)是重要的。因此，已提出各种方法以执行确定NOx去除催化剂异常。
例如，在2002年2月6日公布的第一次公开文献No.2002-38929的日本专利申请中公开了第一种先前提出的NOx去除催化剂异常确定装置，在该装置中，与NOx(还原)去除催化剂的吸收能力暂时再生时的情况相比，流入NOx去除(还原)催化剂中的排气空燃比被减小，在此之后，根据流出NOx催化剂的空燃比表明为富油空燃机的持续时间长度，确定吸收——存储还原型NOx催化剂的品质变坏。
在2001年3月31日公布的第一次公开文献No.2001-73747的日本专利申请中公开了第二种先前提出的NOx还原(去除)催化剂异常确定装置，在该装置中，根据一个测量时间和另一个测量时间确定NOx还原(去除)催化剂的品质变坏，这一个测量时间是从相对于NOx去除(还原)催化剂位于排气通道上游一侧的氧浓度传感器输出发生变化的时刻到相对于NOx去除(还原)催化剂位于排气通道下游一侧的另一个氧浓度传感器输出发生变化的时刻，此时供给发动机的空气混合燃料的空燃比从富油(rich)状态被切换到贫油状态，另一个测量时间是从相对于NOx去除(还原)催化剂位于排气通道上游一侧的氧浓度传感器输出发生变化的时刻到相对于NOx去除(还原)催化剂位于排气通道下游一侧的另一个氧浓度传感器输出发生变化的时刻，此时供给发动机的空气混合燃料的空燃比从富油状态切换到贫油状态。
再有，在1999年11月26日公布的第一次公开文献No.Heisei11-324654的日本专利申请(它对应于2001年4月17日发布的美国专利申请6,216,449号)中公开了第三种先前提出的NOx去除(还原)催化剂品质变坏(异常)确定装置，在该装置中，测量从排气空燃比由贫油状态到富油状态切换的时刻到这一富油排气穿过该催化剂的时刻之间的时间间隔以及另一个从排气空燃比由富油状态再切换到贫油状态的时刻到完成上述切换的时刻之后贫油排气穿过该催化剂的时刻之间的时间间隔。所测量的各时间间隔用于评估氧的吸附和存储功能以及NOx吸附功能，于是NOx吸附功能被评估。就是说，在上述三个先前提出的装置的任何情况中，对NOx去除催化剂品质变坏的确定是使用一个持续时间，利用该持续时间，检测流出催化剂的排气气体的气氛(氧化剂和还原剂之比)，这是在催化剂中所吸收的NOx被释放和还原而且被检测到的排气气体落入一个预定范围的富油峰值控制期间进行检测的。
发明内容
然而，在上述的日本专利申请中公开的上述先前提出的每个NOx还原(去除)催化剂品质变坏确定装置中，由于没有考虑富油峰值控制中的空气燃料混合控制的偏差，因而发生下述不方便。假定一种情况是在富油峰值控制(rich spike control)期间，使用持续时间ti进行品质变坏的确定，对于该持续时间，空燃比相对于NOx去除催化剂位于排气通道下游一侧。在富油峰值控制中目标空燃比(目标空气过量比)被设置为向富油一侧偏移的情况中，与目标空燃比(目标空气过量比)被设置为中性值(参考值)的情况中的时间间隔t1相比，时间间隔t2变短；如果目标空燃比被设置为向贫油一侧偏移，则时间间隔t3变长。就是说，目标空燃比维持在接近理论值附近的时间间隔是这样一个时间间隔，其间存储在NOx去除催化剂中的氧在还原气氛下与还原剂发生反应。因此，随着流入NOx去除(还原)催化剂的排气的空燃比的改变，维持时间间隔自然会改变。因此，当仅仅是测定时间间隔(ti)和把测得的时间间隔与一个预定阈值比较以确定NOx去除催化剂是否存在品质变坏时，由于在那时对空燃比的控制误差(目标λ的偏差)，即使发生同一程度的品质变坏，仍有可能确定为发生或不发生品质变坏。对于新产品催化剂，可能发生错误的品质变坏确定。
在富油峰值控制期间试图改善空燃比控制准确性自然是重要的。然而，在富油峰值控制期间以使用传感器检测排气气体最多几分钟的反馈控制形式来改善空燃比控制准确性是有限的。因此，必须假定在富油峰值控制期间进行催化剂异常确定时总是发生某种程度的误差。
所以，本发明的一个目的是提供一种用于内燃机的排气净化装置和方法，即使在富油峰值控制期间在空燃比控制中发生控制偏差时，它也能准确地确定性能异常(异常大小，并包括性能变坏)。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于内燃机的排气净化装置，包含NOx去除催化剂，当流入该催化剂的排气空燃比为贫油时，该催化剂吸收发动机排气中的氮的氧化物，而当流入该催化剂的排气空燃比为富油时，该催化剂从中释放和还原所吸收的氮的氧化物；排气气氛改变部分，它改变排气中的氧化剂和排气中的还原剂之比；相对于NOx去除催化剂设置在排气通道上游一侧的第一排气气氛检测部分，用于检测排气中的氧化剂和排气中的还原剂之比；相对于NOx去除催化剂设置在排气通病上游一侧的第二排气气氛检测部分，用于检测排气中的氧化剂和排气中的还原剂之比；异常确定部分，它在第一排气气氛检测部分的输出值变化到第一预定值的时刻到第二排气气氛检测部分的输出值达到第二预定值的时刻(此时排气气氛改变部分增大排气中的还原剂比例)期间，根据第一排气气氛检测部分和第二排气气氛检测部分二者的输出值，执行对NOx去除催化剂异常的确定。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于内燃机的排气净化方法，该内燃机包含NOx去除催化剂，当流入该催化剂的排气的空燃比为贫油时，该催化剂吸收发动机排气中的氮的氧化物，而当流入该催化剂的排气的空燃比为富油时，该催化剂从中释放和还原所吸收的氮的氧化物；提供一个排气气氛改变部分，它改变排气中的氧化剂和排气中的还原剂之比；提供相对于NOx去除催化剂设置在排气通道上游一侧的第一排气气氛检测部分，用于检测排气中的氧化剂和排气中的还原剂之比；提供相对于NOx去除催化剂设置在排气通道下游一侧的第二排气气氛检测部分，用于检测排气中的氧化剂和排气中的还原剂之比；以及在第一排气气氛检测部分的输出值变化到第一预定值的时刻到第二排气气氛检测部分的输出值达到第二预定值的时刻(此时排气气氛改变部分增大排气中的还原剂比例)期间，根据第一排气气氛检测部分和第二排气气检测部分二者的输出值，执行对NOx去除催化剂异常的确定。
本发明的发明内容不一定描述了所有必要的特性，因此本发明还可以是所描述的这些特性的子组合。
图1是根据本发明在第一优选实施例中的用于内燃机的排气净化装置的粗略系统配置图。
图2是由图1中所示控制单元执行的异常确定过程的操作流程图。
图3A、3B和3C是解释性特性图，用于解释图2中执行的计算的内容。
图4是代表实际空气过量比的操作流程度。
图5是一个转换表，代表根据本发明在第二优选实施例中的排气净化装置的情况中每个λ传感器的泵电流到实际空气过量比的转换。
图6是在图5中所示第二实施例的情况中由控制单元执行的异常确定过程的操作流程图。
图7A、7B和7C显示在图5和图6中所示根据本发明的第二优选实施例的情况中异常确定的解释图。
图8是代表目标燃料喷射量计算的操作流程图。
图9是代表基本燃料喷射量的基本燃料喷射量图的一个举例。
图10是代表容积效率对应的Kkin值的计算的操作流程。
图11是代表入口气压校正值计算表的示例图。
图12是代表容积效果校正值的示例图。
图13是代表气缸进入新鲜空气量计算过程的操作流程图。
图14是代表从气流计(AFM)输出电压到进气流量的输换表的示例图。
图15是代表计算额外还原剂(额外HC量)的处理例程的操作流程图。
图16是代表在根据本发明的排气净化装置第三优选实施例的情况中由控制单元执行的异常确定的操作流程图。
图17A、17B和17C是用于解释图16中所示第三实施例中的排气净化装置的优点的解释图。
图18是在第一、第二和第三实施例每个中描述的排气净化装置的基本部分的一个系统配置的实例的示意图。
图19是在第一、第二和第三实施例每个中描述的排气净化装置的基本部分的另一个系统配置实例的示意图。
图20是在第一、第二和第三实施例中描述的排气净化装置的基本部分的又一个系统配置实例的示意图。
具体实施例方式
下文中将参考附图，以利于更好地理解本发明。
(第一实施例)图1显示根据本发明在第一优选实施例中的用于内燃机的排气净化装置的整个系统配置的一个举例。图1中显示的系统配置能同样好地适用于下文中描述的第二和第三优选实施例。在图1中设置了一个涡轮增压器1，它通过其压缩机1a把被吸入到进入通道的空气压缩，并利用空气滤清器2去除空气中的灰尘和脏物。被压缩的空气由中间冷却器4冷却并提供给进气歧管5。利用电子控制节气阀6调节进气量。应该指出，涡轮增压器1是所谓可变喷嘴型的，被涡轮增压的压力能被可变化地调节。在发动机7的每个气缸中，安装了燃料喷射器(或燃料喷射阀)和火花塞。燃料喷射器8用于把已被压缩的并在预定压力下供给到供给泵10的燃料(fuel)直接喷射到燃烧室内。喷射的燃料被点火和燃烧。燃烧后的废气经由排气歧管11排出，驱动性地转动涡轮增压器1的一个涡轮1b。在此之后，由NOx(氮的氧化物)去除(还原)催化剂12去除排气中的NOx。NOx去除(还原)催化剂由载有贵金属(如铂(Pt))的涂层和以蜂窝状载体容纳的NOx吸收剂构成。此外，作为NOx吸收剂，选择碱金属(例如铯(Cs))、碱土系列(如钡(Ba))以及稀土系列(如镧(La))中的至少一种。
在NOx去除(还原)催化剂12中，在排气的贫油状态期间，此时在流入NOx去除催化剂12的排气中氧的浓度高，于是排气中的氧附着在铂(Pt)上，而且在排气中的NO(一氧化碳)在铂(Pt)上氧化反应，提供NO2(2NO+O2-2NO2)。然后，NO2作为NOx吸收剂参与反应并作为氮酸离子(NO3-)被吸收。
另一方面，在排气富油状态，此时流入NOx去除催化剂12的排气中氧浓度低，排气中的HC和CO与铂(Pt)进行氧化反应(被氧化)，于是给出H2O和CO2()。在此时，NOx(NO2或NO)从NOx吸收剂中释放出来。在排气中包括的HC和CO与氧的键合力特别强。如果在排气中存在过多的HC和CO，则被释放的NOx与HC和CO反应，从而还原成无害的N2。这样，当排气系统流动的排气空燃比为贫油时，NOx去除(还原)催化剂12吸收排气中的NOx，而当流入NOx去除催化剂的排气空燃比为富油时，所吸收的NOx被释放并被还原，去除了排气中的NOx，从而净化了排气中的NOx。
传感器21和22(第一和第二排气气氛(atmosphere)检测部分(装置))相对于NOx去除(还原)催化剂设置在排气通道(排气歧管11或排气系统)的上游一侧和下游一侧，以分别检测排气中的氧化剂(主要是氧)和还原剂(主要是HC(碳氢化合物))之比。作为这些传感器。除了直接检测排气中氧化剂和还原剂之比的传感器21和22之外，还可在相对于NOx去除剂22的上游一侧和下游一侧之间插入分别间接检测该比值的其他传感器。例如，上述其他传感器每个包括氧浓度传感器以检测排气中的氧浓度，广域空燃比测量计(所谓λ(lambda)传感器)，或检测排气中NOx(氮的氧化物)浓度的NOx传感器。lambda(λ)传感器的实例是在1996年8月20日发布的美国专利5,546,920。
再有，放置了把进气歧管5的收集器部分5a与排气歧管11连接起来的EGR(排气再循环)通道13和开或闭EGR通道13的EGR阀14，从而能根据驱动条件调节排气再循环量。
控制单元(C/U或控制器)20接收来自各种传感器的检测信号，如检测排气中氧化剂与还原剂之比的传感器21和22，检测发动机7的进气量的气流计(AFM)23，发动机7的冷却剂温度，检测发动机速度(Ne)的曲轴转角传感器25，检测加速器开度角APO的加速器开度角传感器26，进气压力传感器27等。然后，控制单元20根据各传感器输入的检测信号执行对发动机7的控制，如燃料喷射(量和时间)控制和点火时间控制。
此外，如下文中将描述的那样，控制单元20执行富油峰值控制，在其中排气中的还原剂比例被增大，并富比排气空燃比，从而使NOx去除(还原)剂12中吸收的NOx被释放和还原，并执行对性能异常的确定，如NOx去除(还原)催化剂12的品质变坏。因此，控制单元20对应于根据本发明的排气气氛(atmosphere)改变装置(部分)和异常确定装置(部分)。应该指出，富油峰值控制是公知技术，这里将略去对富油峰值控制的详细解释。
例如，如在1995年10月27日公布的第一次公开文献No.Heisei7-279728的日本专利申请中公开的那样，EGR阀14被打开或电子控制的节气阀6被关闭以减少进气量和增大燃料喷射量不是为了要改变发动机输出转矩。如在2002年11月22日公布的第一次公开文献No.2002-332899的日本专利申请中公开的那样，在吸气冲程或压缩冲程期间提供燃料(作为主喷射)，而在爆发冲程和排气冲程期间辅助增加燃料供给(作为辅助喷射)，或者还原剂添加装置(部分)使得在排气中直接添加还原剂(燃料)。
这样，实现了富油峰值控制。富油峰值控制也由2002年2月29日发布的美国专利6,341,487号给出实例(它所公开的内容在这里被纳入作为参考)。
在执行富油峰值控制期间，异常确定是根据相对于NOx去除催化剂12处于下游一侧的传感器22的输出值保持在理论空燃比附近的预定范围内的时间间隔上，相对于NOx去除剂12处在上游一侧的传感器21和相对于NOx去除催化剂12处于下游一侧的传感器22的输出值。
应该指出，假定设置了富油峰值控制执行标志(此后简称作Frich标志)。这里，作为检测排气中氧化剂和还原剂之比的传感器，使用氧浓度传感器(此后也称作上游一侧O2传感器和下游一侧O2传感器)，其中的输出电压在理论空燃比附近急剧地改变，并确定上游O2传感器和下游O2传感器输出之差对时间的积分值，以确定异常。
图2以及图3A至3C显示在第一实施例中进行的异常确定的操作流程图以及计算内容。
在步骤S1，控制单元20确定标志Frich是被设置(真)了还是没有被设置。如果在步骤S1，Frich被设置(Frich＝真)(是)，则例程进入步骤S2。在步骤S2，控制单元20确定上游一侧O2传感器的输出电压VO2_F是否小于预定值VO2_SF#(第一预定值＜理论空燃比的对应值)。如果VO2_F小于第一预定值VO2_SF#，则例程进入步骤S3。在步骤S3，控制单元20确定下游一侧O2传感器的电压VO2_R是否小于预定值VO2_SR1#(＞理论空燃比的对应值)。如果电压VOL_R小于预定值VO2_SF1#(＞理论空燃比)(是)，则该例程进入步骤S4。根据步骤S1至S3的结果，控制单元20确定正在执行富油峰值控制。实际排气空燃比从贫油状态变为富油状态(NOx的释放和还原反应开始了)。如果这些条件成立，该例程进入步骤S4，在那里控制单元20设置异常确定执行标志(此后称作标志F_OBD_ATS)(F_OBD_ATS＝真)。然后，该例程进入步骤S5。另一方面，在步骤S1至S3描述的任何一个或多个条件不成立的情况中，该例程进入步骤S4，在那里标志F_OBD_ATS被释放，于是图2的处理例程以(F_OBD_ATS＝伪)结束。
在步骤S5，控制单元20使用下列方程KOBDO2＝KOBDO2n-1+(VOL_R-VO2_F)计算下游一侧O2传感器电压VO2_R和上游一侧O2传感器电压VO2_F的输出电压差对时间的积分量(积分值)KOBDO2。
在步骤S6，控制单元20确定电压VO2_R是否低于(小于)预定值VO2_SR2#(第二预定值＜理论空燃比的对应值)。如果在步骤S6的VO2_R＜VO2_SR2#，则该例程进入步骤S7。这样，控制单元20确定是否是处在相对于NOx去除(还原)催化剂12下游一侧的排气空燃比保持在理论空燃比的那一时间段(此后称作理论空燃比保持时间间隔)，就是说，确定NOx去除催化剂12中吸收的NOx的释放是否结束。另一方面，如果VO2_R等于或高于预定值VO2_SR2#，则该例程进入步骤S13，在那里本次确定与上一次确定的结果相同，于是图2的例程结束。
在步骤S7，控制单元20确定上游O2传感器和下游O2传感器的电压差绝对值是否等于或低于KDVO2#(第三预定值)，即是否落入预定值KDVO2#之内。如果该差的绝对值是在第三预定值(KDVO2#)之内，则该例程进入步骤S8。如果在步骤S7，|VO2_F-VO2_R|＞KDVO2#(否)，则由于这两个O2传感器中的任何一个或两个有异常这一事实，可认为异常确定没有在正常状态下进行，于是该例程进入步骤S13，在那里由于本次确定与前一次确定的结果相同而处理结束。这样，图2的例程结束。应该指出，在重复这一步骤的情况中，可能以高可能性检测出传感器异常。在下一步骤S8，控制单元20确定计算出的积分值KOBDO2是用于异常确定的最终O2传感器电压值KOBDF1的电压值。在下一步骤S9，控制单元20清除积分量KOBODO2。在步骤S10，控制单元20确定最终O2传感器电压值KOBDF1是否大于预定的催化剂异常确定阈值KOBDFSL1#。然后，在最终O2传感器电压值KOBDF1大于预定催化剂异常确定阈值KOBDFSL1#的情况中，该例程进入步骤S11。然后，在步骤S11，控制单元20确定该催化剂是正常的并设标志F_ATS_NG＝真。然后，该例程结束。另一方面，在步骤S10，如果KOBDF1≤KOBDFSL1#(否)，则控制单元20确定该催化剂是异常的(品质变坏了)，于是标志F_ATS_NG＝伪。然后，本例程结束。
上述理论空燃比保持时间间隔是在还原剂气氛下在NOx去除(还原)催化剂12中存储的氧(存储O2，被解除吸附的NOx的氧分量)与还原剂(HC，CO)反应的持续时间。因此，如果NOx去除(还原)催化剂12的状态不变，则在富油峰值控制下的空燃比(空气过量比)的控制误差，即由于流入NOx去除催化剂12的排气空燃比的变化造成的控制误差会增大或减小，即使NOx去除(还原)催化剂12的状态不变。
另一方面，由于下游一侧O2传感器22和上游一侧O2传感器21的电压VO2_R和VO2_F之差，控制单元20能估计一个量，即在NOx去除(还原)催化剂12中存储的氧分量在还原气氛下与还原剂发生反应的量。因此，在理论空燃比保持时间间隔期间，由于这一差值(即最终氧电压值KOBDF1)，该积分值对应于被吸收的NOx完成释放的过程中与还原剂反应的氧总量，并且应该近似于一个常数，如果NOx去除(还原)催化剂12的状态不变的话。
在这一实施例中，氧浓度传感器(O2传感器)被用作检测排气中氧化剂和还原剂之比的装置。下游一侧O2传感器22和上游一侧O2传感器21的电压值VO2_R和电压值VO2_F之差的积分值(量)(最终氧传感器电压值KOBDF1)被计算出来。然后，这一最终氧浓度传感器电压值KOBDF1与催化剂异常确定阈值KOBDFSL1#比较，以确定是否存在NOx去除催化剂异常。因此，由富油峰值控制中的空燃比(空气过量比)的控制误差和控制偏差造成的影响被消除，从而能达到高准确度的稳定的异常确定。
此外，在这一实施例中，如果上游O2传感器21和下游O2传感器22的电压值VO2_F和VO2_R之差落入预定值KDVO2#之中，即使下游一侧O2传感器22的电压值VO2_R低于(小于)预定值VO2_SR2#，异常确定也被中止(suspend)，于是先前确定结果被使用。因此，在正常状态下的异常确定被确保，从而能防止发生错误的确定。
(第二实施例)接下来将解释根据本发明的排气净化装置第二优选实施例中的NOx去除(还原)催化剂12的异常确定。
在这一实施例中，作为检测氧化剂和还原剂之比的传感器，使用了广域空燃比测量计(此后称作上游一侧λ传感器和下游一侧λ传感器)，并通过确定差值对时间的积分量(值)来进行异常确定，在下文中将进行描述。
图4显示在第二实施例中执行的计算空气过量比RLAMB的操作流程图。应该指出，对上游一侧λ传感器和下游一侧λ传感器的计算方法彼此相同。在图4中，在步骤S21，控制单元20读取每个λ传感器的泵电流(pumpcurrent)值。
在步骤S22，控制单元20检索图5中所示表，以计算实际空气过量比R1amb0。然后，在步骤S23，控制单元20进行加权平均处理，把在NOx去除(还原)催化剂12上游一侧的上游一侧排气空气过量比(此后称作上游一侧空气过量比)设为RLAMB_F并把下游一侧的排气空气过量比(此后称作下游一侧空气过量比)设为PLAMB_R。然后，图4的例程结束。
图6显示第二实施例中NOx去除(还原)催化剂12异常确定的操作流程图。代替第一实施例中描述的O2传感器电压VO2。使用空气过量比RLMB。除了这些部分，在第二实施例中的异常确定(参考图2)基本上与第一实施例中描述的相同。
在图6中的步骤S31，控制单元20确定是否设置了标志Frich。如果在步骤S31设置了(真)(是)，则该例程进入步骤S32。在步骤S32，控制单元20确定上游一侧空气过量比RLAMB_F是否小于预定值FLAMB_SF#(＜1.0)。如果在步骤S33有RLAMB_R＜RLAMB_SF#(是)，则该例程进入步骤S34。如果在步骤S31至S33没有一个条件成立(否)，则该例程进入步骤S44，在那里标志F_OBD_ATS＝伪，于是图6的例程结束。在步骤S34，控制单元20设置标志如下F_OBD_ATS＝真。在步骤S35，控制单元20使用下列方程KOBDRLAMB＝KOBDRLAMBn-1+(RLAMB_R-RLAMB_F)，计算上游一侧空气过量比RLAMB_R和下游一侧空气过量比RLAMB_F之差的积分量KOBDRLAMB，这里n代表任意整数，KOBDRLAMBn-1代表KOBDRLAMB的前一个值。
在步骤S36和S37，控制单元20确定下游一侧空气过量比RLAMB_R是否小于预定值RLAMB_SR2#(＜RLAMB_SF1#)，即确定空燃比保持在理论空燃比附近的时间间隔是否结束。如果结束了，则控制单元20确定上游一侧空气过量比RLAMB_F和下游一侧空气过量比RLAMB_R之差是否在预定值KDRLAMB#之内。另一方面，如果下游一侧空气过量比RLAMB_R等于或大于预定值RLAMB_SR2#，而且如果在上游一侧和下游一侧的空气过量比之差大于预定值KDRLAMB#，则该例程进入步骤S43。以第一实施例同样的方式(步骤S13)，在步骤S43，本次确定结果与上次确定结果相同。然后，该例程结束。在步骤S38，计算出的积分值KOBDRLAMB被定义为最终空气过量比积分值KOBDF2，用于异常确定。在步骤S39，控制单元清除积分值KOBDRLAMB。
在步骤S40，控制单元20确定最终空气过量比KOBDF2的积分值是否大于预定的催化剂异常确定阈值KOBDFSL2#。如果在步骤S40KOBDF2＞KOBDFSL2#(是)，则该例程进入步骤S41。在步骤S41，控制单元20确定该催化剂是正常的，并且标志F_ATS_NG＝伪。然后，图6中的例程结束。另一方面，在KOBDF2等于或低于催化剂异常确定阈值KOBDFSL2#的情况下，该例程进入步骤S42。在步骤S42，控制单元20确定该催化剂异常(品质变坏了)，于是处理以标志F_ATS_NG＝真结束。
控制单元20能根据下游一侧空气过量比RLAMB_R和上游一侧空气过量比RLAMB_F之差，估计在还原剂气氛下存储在NOx去除(还原)催化剂12中的氧(分量)与还原剂反应的状态下的额外还原剂(HC)。因此，在理论空燃比保持间隔期间差值的积分量(即最终空气过量比积分值KOBDF2)(这里与氧反应直至所吸收的NOx完全释放为止)对应于还原剂总量(HC量)。与第一实施例中氧总量的方式相同，如果NOx去除(还原)催化剂12的状态不变，则积分量KOBDF2近似与还原剂总量相同。
在这一实施例中，广域空燃比测量计(λ传感器)用做检测排气中氧化剂和还原剂之比的装置，在理论空燃比保持间隔期间对上游一侧空气过量比和下游一侧过量空气比(由每个λ传感器检测)之差的积分量(最终空气过量比积分值KOBDF2)被计算出来(如图7A中画斜线的部分所示)，并通过把最终空气过量比积分值KOBDF2与先前由实验确定的催化剂异常确定阈值KOBDFSL2#进行比较，确定是否存在催化剂品质变坏。因此，如图7B和7C所示，在富油峰值控制中空燃比(空气过量比)的控制误差和控制偏差的影响被排除。这样，能达到高准确性的稳定的异常确定。
(第三实施例)接下来，下面将描述排气净化装置的第三优选实施例的情况中NOx去除(还原)催化剂12的异常确定。在这一实施例中，使用广域空燃比测量计(所谓λ(lambda)传感器)作为传感器以与第二实施例相同的方式检测氧化剂和还原剂之比，并通过从空气过量比RLAMB和进入新鲜空气量Qac中提取额外还原剂量(HC量)来进行异常确定。
图8显示根据加速器要求(压下加速器踏板)计算目标燃料喷射量Qfdrv的操作流程图。在图8中，在步骤S51，控制单元20读取发动机速度Ne和加速器开度角APO。在步骤S52，控制单元20通过参考图9中所示图由加速器开度角APO确定基本燃料喷射量Mqdrv。
在步骤S53，控制单元20确定一个空转校正量Qfisc。在步骤S54，控制单元20计算目标燃料喷射量Qfdrv(＝Mqdrv+Qfisc)。然后，该例程结束。图10显示计算容积效率对应值Kin的操作流程图。容积效率对应值Kin用于计算进气系统中的响应时间常数对应值Kkin。
在图10中，在步骤S61，控制单元20读取发动机转速Ne，目标燃料喷射量Qfdrv，进气压力Pint，以及目标EGR速率Megrd。应该指出，在第三实施例中，进气压力Pint由进气压力传感器27检测。然而，进气压力可以由例如涡轮增压的压力来估计。在步骤S62，控制单元20计算容积效率对应的基本值Kinb以及进气压力校正值Kinh。具体地说，通过参考图11中所示图，由读出的发动机速度Ne和目标燃料喷射量Qfdrv计算容积效率对应的基本值Kinb；通过检索图12中所示表，由进气压力计算进气压力校正值Kinh。
在步骤S63，利用下列方程Kin＝Kinb×Kinh/(1+Megrd/100)通过对容积效率对应值Kinb进行进气压力校正和EGR校正，计算出容积效率对应值Kin。
在步骤S64，控制单元20计算进气系统中的响应时间常数对应值Kkin，于是该例程结束。应该指出，容积比KVOL是进气系统(收集器5a和进气歧管5)的容积和气缸冲程容积之比(KVOL＝Vc/Vm)。Kkin＝Kin×KVOL(容积比)。
图13显示计算气缸进入新鲜空气量Qac的操作流程图。在图13中，在步骤S71，控制单元20读取AFM(气流计)23的输出电压Us。在步骤S72，控制单元20通过参考图14中所示表把读出的输出电压Us转换成相应的进气量Qas。在步骤S73，对Qas执行加权平均处理，以导出Qas0。在步骤S74，控制单元20读取发动机速度Ne。在步骤S75，控制单元20根据下列方程Qac0＝Qas0×KCON/Ne，使用由步骤S73的加权平均处理导出的加权平均处理后的进气量Qas0，计算每气缸进气量Qac0，这里KCON代表一个常数(在四气缸发动机的情况中为30，在六气缸发动机的情况中为20)。在步骤S76，进行对进气量Qas0n次计算的延时处理，而且控制单元20计算收集器入口新鲜空气量Aasn(＝Qas0n-k)。在步骤S77，控制单元20通过进行下文描述的延时处理(从AFM23到收集器5a的传输延时)，使用容积比KVOL和容积效率对应值Kin(或使用进气系统中的响应时间常数对应值Kkin)导出气缸进入新鲜空气量Qac，如下式描述的那样，然后，图13的例程结束
Qac＝Qac(n-1)×(1-KVOL×Kin)+Qasn×KVOL×Kin图15显示计算还原剂量(HC量)的操作流程图。
在图15中，在步骤S81，控制单元20读取气缸进入新鲜空气量Qac，上游一侧空气过量比RLAMP_F以及下游一侧空气过量比RLAMP_R。在步骤S82，控制单元20使用预定系数BLAMNB#按下式计算HC量HC(量)＝Qac/(BLAMB#×RLAMB)。
应该指出，在上游一侧HC量的情况中RLAMB＝RLAMB_F，在下游一侧HC量的情况中RLAMB＝RLAMB_R。在步骤S83，控制单元20计算在步骤S82导出的HC量的加权平均处理，以导出上游一侧HC量HC_F和下游一侧HC量HC_R，于是处理结束。
图16显示根据本发明的排气净化装置第三实施例中NOx去除(还原)催化剂12的异常确定执行过程的操作流程图。步骤S91至S94的内容与步骤S31至S34的内容相同。这样，在这里将略去对步骤S91至S94的详细描述。在步骤S95，控制单元20根据下列方程KOBDHC＝KOBDHCn-1+(HC_R-HC_F)计算下游一侧HC量HC_R和上游一侧HC量HC_F之差的积分量KOBDHC，这里n代表任意整数，KOBDHCn-1代表KOBDHC的前一个值。
在步骤S96和步骤S97，以与第二实施例中描述的步骤S36和S37相同的方式，控制单元20确定下游一侧空气过量比RLAMB_R是否小于预定值RLAMB_SR2#(＜RLAMB_SF1#)或上游一侧空气过量比RLAMB_F和下游一侧空气过量比RLAMB_R是否在预定值KDRLAMB#之内。如果这两个条件都被满足，则该例程进入步骤S98。另一方面，如果这两个条件中有任何一个不被满足，则该例程进入步骤S93。以与第一和第二实施例每个相同的方式，该处理以本次结果与前一次结果相同作为处理结果，于是处理结束。
在步骤S98，控制单元20把计算出的积分量KOBDHC定义为最终HC积分值KOBDF3，用于异常确定。在步骤S99，控制单元20清除积分量KOBDHC。在步骤S100，控制单元20确定最终HC积分值KOBDF3是否大于预定催化剂异常确定阈值KOBDFSL3#。如果在步骤S100KOBDF#＞KOBDFSL3#(是)，则该例程进入步骤S101。然后，控制单元20确定该催化剂是异常的(品质变坏了)，标志F_ATS_NG＝真，于是该例程结束。
尽管在这一实施例中计算了最终HC积分值KOBDF3(图17A中的斜线部分)，它是利用上游一侧还原剂量(HC_F)和下游一侧还原剂量(HC_R)得到的在完成被吸收NOx释放过程期间与氧反应的还原剂(HC)总量，但在第二实施例中，异常确定是使用最终空气过量比积分值KOBDF2进行的，在第二实施例中积分值KOBDF2是额外还原剂百分数的积分量。这一最终HC积分值KOBDF3与先前由实验导出的催化剂异常确定阈值KOBDFSL3#比较，以进行异常确定。因此，如图17B和图17C所示，在执行富油峰值控制期间控制误差和控制偏差对空燃比的影响被排除，于是能实现高准确性的稳定的异常确定。
在上述第一至第三实施例的每个当中，排气净化装置只由图18中所示NOx去除(还原)催化剂12构成。然而，本发明不限于这种结构。例如，如图19中所示，本发明可应用于柴油机，其中，在排气通道的一个部分，例如在相对于NOx去除(还原)催化剂12的下游一侧，安装一个DPF(柴油机微粒滤清器)以净化排气中的微粒物质(简称PM)。再有，如图20中所示，本发明可应用于与另一氧化催化剂及DPF的组合，以构成排气净化装置。这些替代物能具有上述第一至第三实施例每个的优点。此外，如果提供多个异常确定异常值，则除了确定NOx去除催化剂异常是否存在外，还能确定异常的大小(品质变坏程度)。
日本专利申请2003-049569号(2003年2月26日在日本受理)的全部内容在这里被纳入作为参考。本发明范围的确定以下述权利要求为参考。
权利要求
1.一种用于内燃机的排气净化装置，包含NOx去除催化剂，当流入该催化剂的排气空燃比为贫油时，该催化剂吸收发动机排气中的氮的氧化物，而当流入该催化剂的排气空燃比为富油时，该催化剂从中释放和还原所吸收的氮的氧化物；排气气氛改变部分，它改变排气中的氧化剂和排气中的还原剂之比；相对于NOx去除催化剂设置在排气通道上游一侧的第一排气气氛检测部分，用于检测排气中的氧化剂和排气中的还原剂之比；相对于NOx去除催化剂设置在排气通道下游一侧的第二排气气氛检测部分，用于检测排气中的氧化剂和排气中的还原剂之比；异常确定部分，当排气气氛改变部分增大排气中的还原剂比例时，从第一排气气氛检测部分的输出值变化到第一预定值到第二排气气氛检测部分的输出值达到第二预定值期间，根据第一排气气氛检测部分和第二排气气氛检测部分二者的输出值，执行对NOx去除催化剂异常的确定。
2.如权利要求1中所述的用于内燃机的排气净化装置，其中异常确定部分计算第一排气气氛检测部分和第二排气气氛检测部分的输出值之差对时间的积分量，并根据计算出的差值积分量执行对NOx去除催化剂的异常确定。
3.如权利要求1中所述的用于内燃机的排气净化装置，其中第一排气气氛检测部分和第二排气气氛检测部分每个检测排气中的氧浓度。
4.如权利要求1中所述的用于内燃机的排气净化装置，其中第一排气气氛检测部分和第二排气气氛检测部分每个检测排气中的空燃比。
5.如权利要求4中所述的用于内燃机的排气净化装置，其中异常确定部分根据检测到的排气空燃比和进入的新鲜空气量，计算排气中的额外HC量，而且其中异常确定部分根据相对于NOx去除催化剂在排气通道上游一侧的排气中额外HC量与相对于NOx去除催化剂在排气通道下游一侧的排气中额外HC量之差对时间的积分量，执行对NOx去除催化剂的异常确定。
6.如权利要求1中所述的用于内燃机的排气净化装置，当第一排气气氛检测部分和第二排气气氛检测部分的输出值之差大于第三预定值，同时第二排气气氛检测部分的输出值达到第二预定值时，异常确定部分中止对NOx去除催化剂的异常确定。
7.如权利要求3中所述的用于内燃机的排气净化装置，其中第一排气气氛检测部分包含相对于NOx去除催化剂设置在排气通道上游一侧的上游一侧氧浓度传感器，第二排气气氛检测部分包含相对于NOx去除催化剂设置在排气通道下游一侧的下游一侧氧浓度传感器，而且其中异常确定部分在排气气氛改变部分增大排气中还原剂比例时，在下游一侧氧浓度传感器的输出值保持在理论空燃比附近一个预定范围内的时间间隔内执行对NOx去除催化剂的异常确定。
8.如权利要求7中所述的用于内燃机的排气净化装置，其中异常确定部分包含积分量计算部分，它按下式KOBDO2＝KOBDO2n-1+(VO2_R-VO2_F)计算下游一侧氧浓度传感器和上游一侧氧浓度传感器输出电压之差(VO2_R-VO2_F)对时间的积分量(KOBDO2)，其中n代表任意整数，KOBDO2n-1是KOBDO2的前一个值。
9.如权利要求8中所述的用于内燃机的排气净化装置，其中异常确定部分包含NOx释放结束确定部分，用于确定下游一侧排气空燃比保持在理论空燃比附近的时间段是否结束；以及差值绝对值计算部分，当NOx释放结束确定部分确定该时间段结束时，用于确定上游一侧氧浓度传感器和下游一侧氧浓度传感器输出电压之差的绝对值是否等于或低于第三预定值(KDVO2#)。
10.如权利要求9中所述的用于内燃机的排气净化装置，其中异常确定部分把计算的积分量(KOBDO2)定义为最终氧浓度传感器输出电压值(KOBDF1)用于异常确定，并当差值绝对值计算部分确定上游一侧氧浓度传感器和下游一侧氧浓度传感器的输出电压之差的绝对值(|VO2_F-VO2_R|)等于或低于第三预定值(KDVO2#)时，清除所计算出的积分量，并确定该最终氧浓度传感器输出电压值(KOBDF1)是否大于至少一个预定异常确定阈值(KOBDFSL1#1)，以确定是否存在NOx去除催化剂异常。
11.如权利要求9中所述的用于内燃机的排气净化装置，其中，当差值绝对值计算部分确定上游一侧和下游一侧氧浓度传感器的输出电压之差的绝对值(|VO2_F-VO2_R|)大于第三预定值(KDVO2#)时，由异常确定部分进行的异常确定被中止。
12.如权利要求4中所述的用于内燃机的排气净化装置，其中第一和第二排气气氛检测部分分别包含上游一侧λ传感器和下游一侧λ传感器，而且其中该排气净化装置进一步包含一个空气过量比计算部分，所述空气过量比计算部分根据相对于NOx去除催化剂设置在排气通道上游一侧的上游一侧λ传感器的泵电流值，计算相对于NOx去除催化剂在排气通道上游一侧的上游一侧空气过量比(RLAMB_F)，并根据相对于NOx去除催化剂放置在排气通道下游一侧的下游一侧λ传感器的泵电流值，计算相对于NOx去除催化剂在排气通道下游一侧的下游一侧空气过量比(RLAMB_R)。
13.如权利要求12中所述的用于内燃机的排气净化装置，其中异常确定部分包含一个积分量计算部分，它按下式KOBDRLAMB＝KOBDRLAMBn-1+(RLAMB_R-RLAMB_F)计算下游一侧空气过量比(RLAMB_R)和上游一侧空气过量比(RLAMB_F)之差对时间的积分量(KOBDRLAMB)，其中n代表任意整数，KOBDRLAMBn-1代表KOBDRLAMB的前一个值。
14.如权利要求13中所述的用于内燃机的排气净化装置，其中异常确定部分包含NOx释放结束确定部分，它确定下游一侧空气过量比保持在理论空燃比附近的时间段是否结束；以及差值绝对值计算部分，它计算当NOx释放结束确定部分确定该时间段结束时上游一侧λ传感器的空气过量比和下游一侧λ传感器的空气过量比之差的绝对值，以确定是否落入第二预定值(KORLAMB#)。
15.如权利要求14中所述的用于内燃机的排气净化装置，其中异常确定部分把计算出的积分量(KOBDRLAMB)定义为最终空气过量比积分值(KOBDF2)用于NOx去除催化剂的异常确定，并清除计算出的积分量，并确定该空气过量比积分值(KOBDF2)是否大于至少一个预定异常确定阈值(KOBDFSL2#)，以确定是否存在NOx去除催化剂异常。
16.如权利要求5中所述的用于内燃机的排气净化装置，其中气缸进入新鲜空气量(Qac)按下式确定Qac＝Qac(n-1)×(1-KVOL×Kin)+Qasn×KVOL×Kin，其中KVOL代表气缸容积比，Kin代表容积效率对应值，Qasn代表发动机收集器入口新鲜空气速率，而且第一排气气氛检测部分包含上游一侧λ传感器，第二排气气氛检测部分包含下游一侧λ传感器，并且根据上游一侧λ传感器的空气过量比(RLAMB_F)、下游一侧λ传感器的空气过量比(RLAMB_R)以及气缸进入新鲜空气速率(Qac)，按下式确定额外还原剂量(HC量)HC(量)＝Qac/(BLAMB#×RLAMB)，其中BLAMB#代表一个预定系数，在上游一侧λ传感器的情况中RLAMB＝RLAMB_F，在下游一侧λ传感器的情况中RLAMB＝RLAMB_R，并且上游一侧HC量HC_F和下游一侧HC量HC_R分别由加权平均处理计算出的上游一侧HC(量)和加权平均处理计算出的下游一侧HC(量)计算出来。
17.如权利要求16中所述的用于内燃机的排气净化装置，其中异常确定部分包含积分量计算部分，它按下式KOBDHC＝KOBDHCn-1+(HC_R-HC_F)计算下游一侧HC量(HC_R)和上游一侧HC量(HC_F)之间的差对时间的积分量(KOBDHC)，其中n代表任意整数，KOBDHCn-1代表KOBDHC的前一个值。
18.如权利要求17中所述的用于内燃机的排气净化装置，其中异常确定部分包含NOx释放结束确定部分，它确定下游一侧空气过量比保持在理论空燃比附近的时间段是否结束；以及差值绝对值计算部分，它确定当NOx释放结束确定部分确定该时间段结束时上游一侧λ传感器处的HC量和下游一侧λ传感器处的HC量之差的绝对值，以确定是否落入第二预定值(KDRLAMB#)。
19.一种用于内燃机的排气净化装置，包含NOx去除催化剂装置，用于当流入的排气空燃比为贫油时吸收发动机排气中的氮的氧化物，并当流入的排气空燃比为富油时从中释放和还原所吸收的氮的氧化物；排气气氛改变装置，用于改变排气中的氧化剂和排气中的还原剂之比；相对于NOx去除催化剂装置设置在排气通道上游一侧的第一排气气氛检测装置，用于检测排气中的氧化剂和排气中的还原剂之比；相对于NOx去除催化剂装置设置在排气通道下游一侧的第二排气气氛检测装置，用于检测排气中的氧化剂和排气中的还原剂之比；以及异常确定装置，当排气气氛改变装置增大排气中的还原剂比例时，从第一排气气氛检测装置的输出值变化到第一预定值到第二排气气氛检测装置的输出值达到第二预定值期间，根据第一排气气氛检测装置和第二排气气氛检测装置二者的输出值，执行对NOx去除催化剂装置的异常确定。
20.一种用于内燃机的排气净化方法，该内燃机包含NOx去除催化剂，当流入该催化剂的排气的空燃比为贫油时，该催化剂吸收发动机排气中的氮的氧化物，而当流入该催化剂的排气的空燃比为富油时，该催化剂从中释放和还原所吸收的氮的氧化物；提供相对于NOx去除催化剂设置在排气通道上游一侧的第一排气气氛检测部分，用于检测气中的氧化剂和排气中的还原剂之比；提供相对于NOx去除催化剂设置在排气通道下游一侧的第二排气气氛检测部分，用于检测排气中的氧化剂和排气中的还原剂之比；以及当排气气氛改变部分增大排气中的还原剂比例时，从第一排气气氛检测部分的输出值变化到第一预定值到第二排气气氛检测部分的输出值达到第二预测值期间，根据第一排气气氛检测部分和第二排气气氛检测部分二者的输出值，执行对NOx去除催化剂异常的确定。
全文摘要
在用于内燃机的排气净化装置和方法中，在第一排气气氛检测部分的输出值变化到第一预定值的时刻到第二排气气氛检测部分的输出值达到第二预测值的时刻(此时排气气氛改变部分(控制单元)增大排气中的还原剂比例)期间，根据第一排气气氛检测部分和第二排气气氛检测部分(例如，设置在发动机排气通道中的NOx去除催化剂入口和出口部分之间的氧浓度传感器)二者的输出值，执行对NOx去除催化剂异常的确定。
文档编号F02M25/07GK1542264SQ200410006740
公开日2004年11月3日 申请日期2004年2月26日 优先权日2003年2月26日
发明者白河 , 白河暁, 久, 北原靖久, 仁, 小野寺仁, 三浦学 申请人:日产自动车株式会社