专利名称：催化转换器老化判定系统的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及一种用于废气净化催化转换器(包括NOx吸附型催化转换器)的老化判定系统，所述催化转换器设置在内燃机排气通路中并具有至少氧化功能。
背景技术：
已知的催化转换器老化判定系统的一个实例是在日本公开专利出版物No.02-030915中公开的系统。该系统(双O2传感器系统)具有两个空气燃料混合比传感器(O2传感器)，一个设置在催化转换器上游，而另一个设置在催化转换器下游。该催化转换器老化判定系统用以基于来自空气燃料混合比传感器的信号判定催化转换器是否老化。
鉴于上述，根据本公开内容，对本领域普通技术人员显而易见的是，需要一种改进的老化判定系统。本发明致力于本领域的这种需求和其他需求，根据本公开内容，对本领域普通技术人员是显而易见的。
发明内容
已经发现，在这种双O2传感器系统中，发动机需要以理论空气燃料混合物下运转，因此，广泛地用于汽油发动机。然而，双O2传感器系统不能判定通常运行在稀状态(即，稀混合气)下的柴油机和其他发动机中的催化转换器的老化。
本发明基于这个缺点而构想出。本发明的应该目的是提供一种催化转换器老化判定系统，其即使在稀发动机运转条件下也能够判定催化转换器是否老化。
本发明提供了一种催化转换器老化判定系统，用以判定具有至少氧化功能的催化转换器是否老化，通过探测或估计由所述催化转换器诱发的氧化反应热或与反应热等效的值并基于所述反应热或与所述反应热等效的值的降低判定所述催化转换器老化，来完成所述老化判定。
更具体地，本发明还提供了一种用于NOx吸附型催化转换器的催化转换器老化判定系统，所述NOx吸附型催化转换器用以在所述内燃机在稀混合气下运行时吸附废气中的NOx，而在所述内燃机于理论配比混合气或浓混合气下运行时净化和释放所吸附的NOx。
根据本发明的一方面，本发明的所述催化转换器老化判定系统基本上包括温度探测部分、老化前NOx吸收效率确定部分、老化前吸附的NOx估计部分、老化后NOx吸收效率确定部分、老化后吸附的NOx估计部分以及老化判定部分。所述温度探测部分用以探测催化转换器的温度，所述催化转换器在稀混合气燃烧时吸附废气中的NOx而在理论配比混合气或浓混合气燃烧时净化和释放吸附的NOx。所述老化前NOx吸收效率确定部分用以基于所述催化转换器的温度确定对应于所述催化转换器是新的状态下的所述催化转换器的老化前NOx吸收效率。所述老化前吸附的NOx估计部分用以利用老化前NOx吸收效率估计老化前NOx吸附量。所述老化后NOx吸收效率确定部分用以基于所述催化转换器的温度确定对应于所述催化转换器老化状态下的所述催化转换器的老化后NOx吸收效率。所述老化后吸附的NOx估计部分用以利用老化后NOx吸收效率估计老化后NOx吸附量。所述老化判定部分用以当所述老化前NOx吸附量和所述老化后NOx吸附量之间的差值小于规定值时判定所述催化转换器老化。
根据结合附图公开了本发明优选实施例的下述详细说明，本发明的这些和其它目的、特征、方面和优点对本领域技术人员将变得更加清楚。
现在参考构成本原始公开内容一部分的附图，其中图1是根据本发明实施例的内燃机(如柴油机)的简化框图；图2是一幅图表，示出了相应于老化前和老化(老化后)两种状态下的NOx吸附型催化转换器的吸收效率和温度之间的关系；以及图3是由控制单元执行的、以判定NOx吸附型催化转换器是否老化的控制程序的流程图。
具体实施例方式
本发明的选定实施例将参考附图进行说明。根据本公开内容，对本领域普通技术人员显而易见的是，本发明实施例的以下说明仅用来说明而不是限制由所附权利要求和它们的等同物限定的本发明。
首先参考图1，图示了根据本发明第一实施例的直接喷射柴油机1的示意图。柴油机1优选地用在汽车中。柴油机1在本领域是众所周知的。因为柴油机在本领域众所周知，因此这里将不详细讨论或图示柴油机1的精确结构。空气滤清器(未示出)安装在进气通路2的入口部分处以去除柴油机1进气中的灰尘和粒子。可变喷嘴涡轮增压器(variable nozzle turbocharger)3操作连接于柴油机1。
该涡轮增压器3包括于空气滤清器下游安装在进气通路2中的压缩机部3a和安装在排气通路10中的涡轮部3b。已经通过空气滤清器的进气由压缩机部3a压缩并向前送入中间冷却器4。中间冷却器4安装在压缩机部3a的下游，因此从压缩机部3a排出的进气被中间冷却器4冷却。节气门5安装在缓冲槽或收集器6紧上游。因此，来自中间冷却器4的冷却进气穿过节气门5并在于柴油机1的歧管部分处分配到各个气缸之前进入收集器6。
燃料利用共用给油管燃料喷射系统配送到燃烧室。更具体地，燃料通过高压燃料泵7被压缩到高压。然后，燃料被配送到共用给油管8并利用多个燃料喷射阀或燃料喷射器9直接喷射到各个气缸的燃烧室内。进气和喷射的燃料在燃烧室内经压缩点火(在本实施例中)，而产生的废气排放到排气通路10。
同时，流入排气通路10的一部分废气通过EGR系统即通过EGR通路11和EGR阀12作为EGR气再循环到进气侧。涡轮增压器3的涡轮部3b在排气通路10内安装在歧管部分的下游。因此，剩余的废气用来驱动涡轮增压器3的废气涡轮部3b。
为了净化废气，在排气通路10中废气涡轮的下游设置了NOx吸附型催化转换器13，其包括具有附加NOx吸收物质的三元催化净化器。当废气的空气-燃料混合比稀时，该NOx吸附型催化转换器13用于吸附包含在废气中的NOx。当废气的空气-燃料混合比为理论配比或浓时，该NOx吸附型催化转换器13用于清洁和释放吸附的NOx。更具体地，当空气-燃料混合比稀时，该NOx吸附型催化转换器13用以在存在铂或其他贵重金属的情况下氧化NO，使得NOx能够以NO2形式的吸收物质更容易地被吸收和储存。而当空气-燃料混合比为理论配比或浓时，NO2在与HC、CO等的还原反应中被还原以得到N2。
为了控制发动机1，发动机控制单元或“ECU”20接收来自各个传感器的各种输入或控制信号，传感器包括但不限于，转速传感器21、油门位置传感器22、空气流量计23、冷却液传感器24和催化转换器温度传感器25。转速传感器21用来探测发动机转速Ne并产生发动机转速Ne的指示信号。油门位置传感器22用来探测油门位置APO并产生油门位置APO的指示信号。空气流量计23用来探测进气量Qa并产生进气量Qa的指示信号。冷却液传感器24用来探测发动机冷却液的温度Tw并产生发动机冷却液温度Tw的指示信号。催化转换器温度传感器25用来探测NOx吸附型催化转换器13的催化转换器温度(载体温度)Tcat并产生催化转换器温度Tcat的指示信号。这些信号都被送到发动机控制单元20。在NOx吸附型催化转换器13的下游设置废气温度传感器并基于废气温度间接地测定测催化转换器温度Tcat也是可接受的。
基于上述的输入信号，发动机控制单元20将燃料喷射指令下达到燃料喷射器9以控制由燃料喷射器9执行的燃料喷射的燃料喷射量和燃料喷射正时，将开度指令信号下达到进气节气门5，将开度指令信号下达到EGR阀，并将喷嘴开度指令值下达到增压器3的可变喷嘴机构15。
优选地，发动机控制单元20包括微电脑，具有确定NOx吸附型催化转换器13的燃料降解的NOx吸附型催化转换器老化判定程序。发动机控制单元20还可以包括其他传统部件，如输入接口电路、输出接口电路、以及储存装置如ROM(只读存储器)装置和RAM(随机存储器)装置。储存电路存储处理结果且由处理器电路运行控制程序。发动机控制单元20以传统的方式操作连接于传感器21-25。发动机控制单元20的内部RAM储存操作标志的状态和各种控制数据。发动机控制单元20的内部ROM储存所需的和/或预期的各种操作。根据本公开内容，对本领域的普通技术人员显而易见的是，发动机控制单元20的精确结构和算法可以是执行本发明功能的硬件和软件的任意组合。换句话说，在说明书和权利要求中所用的“装置加功能”语句应该包括可被用于执行该“装置加功能”语句的功能的任何结构或硬件和/或算法或软件。
在本实施例中，发动机控制单元20执行老化判定以判定该NOx吸附型催化转换器13是否老化。现在将详细说明老化判定。
图2示出了相应于新状态(“老化之前”或“老化前”)和老化状态(“老化之后”或“老化后”)两种状态的NOx吸附型催化转换器的吸收效率和温度之间的关系。
在发动机升温后的温度区(催化转换器温度TC或更高)，吸收效率随着催化转换器温度的升高而降低。这种趋势在老化之前和之后都出现。相反，吸收效率随着催化转换器温度的降低而增加。另外，在所述区域中吸收效率开始下降的温度在老化后比老化前的低，使得吸收效率下降的程度在老化后比老化前更为严重。
因此，在某一较高催化转换器温度TH处的老化前和老化后吸收效率之间的差值Δη(TH)与在某一较低催化转换器温度TL处的老化前和老化后吸收效率之间的差值Δη(TL)的对比表明Δη(TH)＞Δη(TL)。
同时，当NOx吸附型催化转换器13老化时，它不再能诱发足够的氧化反应(即，用于吸收的氧化反应NO→NO2)，并且催化转换器13的温度降低，因为氧化产生的反应热减少了。因此，当NOx吸附型催化转换器13老化时，老化前的吸收效率和老化后的吸收效率之间的差值减小了(例如，Δη(TH)→Δη(TL))。
本实施例利用了这样的事实催化转换器随时间的流逝而老化，使得当其老化时，它变得不能诱发足够的氧化反应。基于氧化反应的反应热的降低或催化转换器温度的降低判定催化转换器13的老化，其中催化转换器的温度是等同于氧化反应的反应热的值。更具体地，在本实施例中，基于对应于催化转换器温度的老化前吸收效率估测吸附的NOx量，而基于对应于催化转换器温度的老化后吸收效率估测吸附的NOx的另一个量。计算吸附的NOx的两个量之间的差值并与规定值比较。如果该差值小于规定值，那么系统确定由催化剂诱发的氧化反应的反应热的降低已经导致催化转换器温度下降，并因此NOx吸附型催化转换器老化。
图3是被执行以判定NOx吸附型催化转换器13是否老化的控制程序的流程图。该程序在每规定的时段重复执行一次。
在步骤S1，发动机控制单元20确定发动机1是否在稀混合气(柴油机的正常稀混合气)下运行。如果混合气不稀，则程序结束，因为当混合气稀时，NOx仅根据图2的特征曲线被吸附。
在步骤S2，发动机控制单元20确定催化转换器13是否没有硫污染(“硫毒化”)。如果催化转换器13没有硫污染，则程序结束，因为当NOx吸附型催化转换器13被硫污染时，不能获得预期的NOx吸附性能。
催化转换器13是否没有硫污染的确定通过执行硫污染量的单独计算并确定硫污染量是否等于或小于规定值来完成。例如，通过总计(合计)将发动机的燃料喷射量乘以预先确定的硫浓度得到的值(即，总计每个单位时间硫污染量的增加)并减去通过周期性地执行硫污染去除处理而被去除的硫污染量，来计算硫污染量，在所述的硫污染去除处理中，空气燃料混合比改变为浓空气燃料混合比并且燃料喷射正时被延迟，使得废气温度增加(被去除的污染量相关于诸如硫污染去除处理执行的时间量等因素)。
在步骤S3，发动机控制单元20基于来自催化转换器温度传感器25的信号探测催化转换器温度，并确定催化转换器温度是否等于或高于规定温度#TC。如果催化转换器温度不等于或高于规定温度#TC，则程序结束，因为发动机1被认为升温不足。规定温度#TC是活化温度(activation temperature)，在该温度下，由于内燃机1的升温，催化转换器13的净化效率处于或高于规定值(如，90％)。所述系统配置得使用图2所示的、对应于发动机可被认为是暖机的温度范围的、吸收效率-催化转换器温度特征曲线的部分。
在步骤S4，发动机控制单元20使用由催化转换器温度传感器25探测到的催化转换器温度Tcat，在表述像图2中所示的那些特征的特征的表格中，寻找老化前吸收效率ηB(对应于新状态的吸收效率)和老化后吸收效率ηA(对应于老化状态的吸收效率)。
在步骤S5，发动机控制单元20基于由空气流量计23探测到的进气量Qa估计废气中的废气NOx量或数量Qn。
在步骤S6，发动机控制单元20通过将废气NOx量Qn乘以老化前吸收效率ηB来计算对应于老化前状态的老化前NOx吸附率BNOx(在老化前状态下每单位时间吸附的NOx)，如下面的方程所示。
BNOx＝Qn×ηB在步骤S7，发动机控制单元20通过将废气NOx量Qn乘以老化后吸收效率ηA来计算对应于老化后状态的老化后NOx吸附率ANOx(在老化后状态下每单位时间吸附的NOx)，如下面的方程所示。
ANOx＝Qn×ηA在步骤S8，发动机控制单元20分别总计规定量时间内的老化前NOx吸附率BNOx和老化后NOx吸附率ANOx以得到老化前NOx吸附量SBNOx和老化后NOx吸附量SANOx。
SBNOx＝∑(BNOx)SANOx＝∑(ANOx)在步骤S9，发动机控制单元20确定从它开始总计吸附率以来是否已经经过了规定量的时间。如果没有，发动机控制单元20结束程序。
如果从它开始总计吸附率以来已经经过了规定量的时间，即如果它已经计算了相应于规定时段(规定量的时间)的老化前NOx吸附量SBNOx和老化后NOx吸附量SANOx，则发动机控制单元20进行到步骤S10。
在步骤S10，发动机控制单元20通过求得老化前NOx吸附量预测值SBNOx和老化后NOx吸附量预测值SANOx之间的差值(SBNOx-SANOx)对这两个值进行比较，并确定该差值是否等于或小于规定值#SL。
如果该差值SBNOx-SANOx大于规定值#SL，则催化转换器13的温度位于图2中的高侧，表明氧化反应的反应热大。因此，发动机控制单元20确定NOx吸附型催化转换器13正常并进行到步骤S12，在步骤S12它将总计值SBNOx和SANOx重置为零并结束程序。
如果该差值SBNOx-SANOx等于或小于规定值#SL，则催化转换器13的温度位于图2中的低侧，表明氧化反应的反应热小。因此，发动机控制单元20判定NOx吸附型催化转换器老化并进行到步骤S11，在步骤S11它将老化标志的状态改变到ON。然后，发动机控制单元20进行到步骤S12，在步骤S12它将总计值SBNOx和SANOx重置为零并结束程序。
因此，催化转换器温度传感器25连同图3的步骤S3一起构成催化转换器老化判定系统的温度探测部分。图3的步骤S4构成催化转换器老化判定系统的老化前NOx吸收效率确定部分和老化后NOx吸收效率确定部分。图3的步骤S5、S6、S8和S9构成催化转换器老化判定系统的老化前吸附的NOx估计部分。图3的步骤S5、S7、S8和S9构成催化转换器老化判定系统的老化后吸附的NOx估计部分。图3的步骤S10和S11构成催化转换器老化判定系统的老化判定部分。
总之，催化转换器老化判定系统基本上用以执行下述探测或估计催化转换器13的温度；确定对应于催化转换器是新的状态下相对于催化转换器13的温度的催化转换器13的NOx吸收效率；基于催化转换器13是新的时的NOx吸收效率，估计对应于催化转换器13是新的状态下的NOx吸附量；确定对应于催化转换器老化状态下相对于催化转换器13的温度的催化转换器13的NOx吸收效率；以及基于NOx吸收效率，估计对应于催化转换器13老化状态下的NOx吸附量。于是，当对应于催化转换器13是新的状态下的NOx吸附量的估计值与对应于催化转换器13老化状态下的NOx吸附量的估计值的比较指明两个估计值之间的差值小于规定值时，催化转换器老化判定系统判定催化转换器13老化了。
根据本实施例，通过确定对应于催化转换器13是新的或老化状态下相对于催化转换器13的温度的催化转换器13的NOx吸收效率、计算作为废气中的NOx的量与NOx吸收效率的量乘积的每单位时间的NOx吸附量，并总计在规定量时间期间各个每单位时间NOx吸附量，来完成对应于新的和老化状态的NOx吸附量的估计。结果是，可以以改进的精度完成对应于新的和老化状态的NOx吸附量的估计。
本实施例还通过基于进气量进行估计精确地估测废气中包含的NOx量。
另外，根据本实施例，老化判定的精度可以改进，因为当流入催化转换器13的废气中所含的氧气量过多时，执行老化判定。
另外，根据本实施例，老化判定的精度可以改进，因为当催化转换器13没有硫污染(“硫毒化”)时，执行老化判定。
另外，根据本实施例，老化判定的精度可被改进，因为当催化剂的温度等于或高于规定温度(即，活化温度，在该温度下，由于内燃机的升温，催化转换器13的净化效率处于或高于规定值)时，执行老化判定。
如在这里描述上述实施例所使用的，下列方向术语“前、后、上、下、铅直、水平、在下面和横向”以及任何其它类似的方向术语指的是配备有本发明的车辆的那些方向。因而，用于描述本发明的这些术语应该相对于配备有本发明的车辆进行解释。
这里用以描述由部件、部分、装置等执行的操作或功能的术语“探测”包括不需要物理探测的部件、部分、装置等，且还包括确定、测量、模拟、预测、估计或计算等以执行所述操作或功能。这里用以描述部件、部分或装置的一部分的术语“配置成”包括被构造和/或被编程以执行预期功能的硬件和/软件。此外，在权利要求中表述为“装置+功能”的术语应该包括可用于实现本发明那部分功能的任何结构。这里所使用的诸如“基本上”、“大约”、“近似地”等程度术语意味着最终结果不显著改变的被修饰术语的合理偏差量。例如，这些术语可解释为包括被修饰术语的至少±5％的偏差，如果所述偏差不否定它所修饰的词语的意思的话。
虽然仅仅选择了选定的实施例来说明本发明，但是根据本公开内容，对本领域技术人员来说显而易见的是，这里可以进行各种改变和修改而不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围。此外，上述对符合本发明的实施例的描述仅仅在于说明而不是限制由所附权利要求及其等同物所限定的本发明。因此，本发明的范围不限于所公开的实施例。
权利要求
1.一种催化转换器老化判定系统，包括反应热探测部分，该反应热探测部分用以探测由至少具有氧化功能的催化转换器诱发的氧化反应热；以及老化判定部分，该老化判定部分用以基于反应热的减少判定所述催化转换器是否老化。
2.如权利要求1所述的催化转换器老化判定系统，其中所述反应热探测部分还用以探测作为与由所述催化转换器诱发的氧化反应热等效的值的催化转换器的温度，以及所述老化判定部分还用以利用作为反应热的所述催化转换器温度的降低来判定所述催化转换器的老化。
3.如权利要求1所述的催化转换器老化判定系统，其中所述反应热探测部分还用以探测稀混合气燃烧条件下的氧化反应热，且所述催化转换器为NOx吸附型催化转换器，在稀混合气燃烧时吸附废气中的NOx、而在理论配比混合气或浓混合气燃烧时净化和释放所吸附的NOx。
4.如权利要求2所述的催化转换器老化判定系统，其中所述反应热探测部分还用以探测稀混合气燃烧条件下的氧化反应热，且所述催化转换器为NOx吸附型催化转换器，在稀混合气燃烧时吸附废气中的NOx、而在理论配比混合气或浓混合气燃烧时净化和释放所吸附的NOx。
5.如权利要求1所述的催化转换器老化判定系统，其中所述老化判定部分用以在流入所述催化转换器的废气中所含的氧气量超过规定量的条件下进行老化判定。
6.如权利要求1所述的催化转换器老化判定系统，其中所述老化判定部分用以在所述催化转换器没有硫污染的条件下进行老化判定。
7.如权利要求2所述的催化转换器老化判定系统，其中所述老化判定部分用以在所述催化转换器的温度等于或高于规定温度的条件下进行老化判定。
8.如权利要求7所述的催化转换器老化判定系统，其中所述老化判定部分用以将所述规定温度设置为活化温度，在该活化温度下，由于发动机处于暖机条件，所述催化转换器的净化效率处于或高于规定值。
9.一种催化转换器老化判定系统，包括温度探测部分，该温度探测部分用以探测催化转换器的温度，所述催化转换器在稀混合气燃烧时吸附废气中的NOx而在理论配比混合气或浓混合气燃烧时净化和释放所吸附的NOx；老化前NOx吸收效率确定部分，该老化前NOx吸收效率确定部分用以基于所述催化转换器的温度确定对应于所述催化转换器是新的状态下的所述催化转换器的老化前NOx吸收效率；老化前吸附的NOx估计部分，该老化前吸附的NOx估计部分用以利用老化前NOx吸收效率估计老化前NOx吸附量；老化后NOx吸收效率确定部分，该老化后NOx吸收效率确定部分用以基于所述催化转换器的温度确定对应于所述催化转换器老化状态下的所述催化转换器的老化后NOx吸收效率；老化后吸附的NOx估计部分，该老化后吸附的NOx估计部分用以利用老化后NOx吸收效率估计老化后NOx吸附量；以及老化判定部分，该老化判定部分当所述老化前NOx吸附量和所述老化后NOx吸附量之间的差值小于规定值时，判定所述催化转换器老化。
10.如权利要求9所述的催化转换器老化判定系统，其中老化前吸附的NOx估计部分用以通过将所述老化前NOx吸收效率乘以废气中的废气NOx量来计算老化前NOx吸附率，并通过总计规定量时间内的老化前NOx吸附率的各个值来估计所述老化前NOx吸附量；以及老化后吸附的NOx估计部分用以通过将所述老化后NOx吸收效率乘以废气中的废气NOx量来计算老化后NOx吸附率，并通过总计规定量时间内的老化后NOx吸附率的各个值来估计所述老化后NOx吸附量。
11.如权利要求10所述的催化转换器老化判定系统，其中基于进气量预测所述废气中的NOx量。
12.如权利要求9所述的催化转换器老化判定系统，其中所述老化判定部分用以在流入所述催化转换器的废气中所含的氧气量超过规定量的条件下进行老化判定。
13.如权利要求9所述的催化转换器老化判定系统，其中所述老化判定部分用以在所述催化转换器没有硫污染的条件下进行老化判定。
14.如权利要求9所述的催化转换器老化判定系统，其中所述老化判定部分用以在所述催化转换器的温度等于或高于规定温度的条件下进行老化判定。
15.如权利要求14所述的催化转换器老化判定系统，其中所述老化判定部分用以将所述规定温度设置为活化温度，在该活化温度下，由于发动机处于暖机条件，所述催化转换器的净化效率处于或高于规定值。
16.一种催化转换器老化判定系统，包括反应热探测装置，该反应热探测装置用于估计由至少具有氧化功能的催化转换器诱发的氧化反应热；以及老化判定装置，该老化判定装置用于基于反应热的减少判定所述催化转换器是否老化。
17.如权利要求16所述的催化转换器老化判定系统，其中所述反应热探测装置探测作为与由所述催化转换器诱发的氧化反应热等效的值的催化转换器的温度，以及所述老化判定装置利用作为反应热的所述催化转换器温度的降低来判定所述催化转换器的老化。
18.一种判定催化转换器老化的方法，包括估计由至少具有氧化功能的催化转换器诱发的氧化反应热；以及基于反应热的减少判定所述催化转换器是否老化。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述反应热的估计包括探测作为与由所述催化转换器诱发的氧化反应热等效的值的催化转换器的温度，以及所述催化转换器老化的判定利用作为反应热的所述催化转换器温度的降低。
全文摘要
本发明公开了一种催化转换器老化判定系统，用以精确地判定NOx吸附型催化转换器是否老化。所述系统用以探测或估计NOx吸附型催化转换器的温度并基于所述催化转换器温度确定老化前吸收效率和老化后吸收效率。然后，所述系统将所述吸收效率乘以废气NOx量以计算NOx吸附率。总计规定量时间内的各个NOx吸附率以估计老化前和老化后NOx吸附量。经过规定量时间之后，所述系统比较所述老化前NOx吸附量和所述老化后NOx吸附量并确定二者之间的差值是否小于规定值。如果所述差值小于规定值，则所述系统判定所述催化转换器老化。
文档编号F01N3/20GK1789678SQ200510128849
公开日2006年6月21日 申请日期2005年12月7日 优先权日2004年12月14日
发明者三浦学 申请人:日产自动车株式会社