专利名称：用于内燃发动机的排气净化系统及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种用于内燃发动机的排气净化系统及该排气净化系统的 控制方法。
背景技术：
如JP-A-H6-307271中所述，发动机排气系统中的催化转化器的上游设 置有氧浓度传感器以检测排气中的氧浓度并且基于所检测的氧浓度估算 最优空燃比。
当空燃比稀于化学计量空燃比时(即当空燃比增加时)，排气中的氧浓 度增加的更明显。这确保了最优空燃比的估算更加准确。但是，当空燃比 浓于化学计量空燃比时，排气中的氧浓度降到几乎为零，并且表现出不如 空燃比变化明显。这使得对最优空燃比的准确估算更加困难。
发明内容
本发明提供了 一种用于内燃发动机的排气净化系统及该排气净化系统 的控制方法，其使得在空燃比浓于化学计量空燃比时能够更加准确地估算 最优空燃比。
本发明的第一方面涉及一种用于内燃发动机的排气净化系统。用于内 燃发动机的排气净化系统具有设置于发动机排气系统中的催化转化器的 上游的上游氩浓度传感器，以检测排气中的氢浓度并且基于所检测的氢浓 度估算最优空燃比。
在根据本发明第一方面的排气净化系统中，催化转化器是三元催化转 化器，并且在三元催化转化器的下游设置有下游氢浓度传感器。而且，当 三元催化转化器中的测定或估算温度低于规定温度时，可以基于由上游和 下游氢浓度传感器分别检测的上游和下游氢浓度之间的差估算三元催化 转化器的劣化程度。
如上所述，催化转化器是三元催化转化器并且下游氢浓度传感器置于
三元催化转化器的下游。当三元催化转化器中的测定或估算温度等于或高 于规定温度并且进入三元催化转化器的排气的空燃比等于或浓于化学计 量空燃比时，可以基于由上游和下游氬浓度传感器分别检测的上游和下游 氢浓度之间的差判定三元催化转化器的硫中毒。
当判定三元催化转化器发生了硫中毒时，可以控制三元催化转化器中
的测定或估算温度以使其维持为等于或高于所述规定温度，同时控制ii^ 三元催化转化器的排气的空燃比以使其维持为等于或浓于化学计量空燃 比。
如果判定三元催化转化器发生了硫中毒，则当车辆以怠速状态停驻并 且三元催化转化器中的测定或估算温度维持为等于或高于所述规定温度 时，可以控制进入三元催化转化器的排气的空燃比以使其稀于化学计量空 燃比。
根据本发明第 一方面的排气净化系统可以进一步包括置于发动机排气 系统中的催化转化器上游的氧浓度传感器。
在才艮据本发明第一方面的排气净化系统中，当空燃比浓于化学计量空 燃比时，可根据氢浓度传感器来估算最优空燃比。
当空燃比稀于化学计量空燃比时，可根据氧浓度传感器来估算最优空 燃比。
根据本发明第 一方面的排气净化系统可以不具有置于上游氢浓度传感 器上游的催化转化器。
本发明的第二方面涉及一种控制用于内燃发动机的排气净化系统的方 法。该控制方法包括检测置于发动机排气系统中的催化转化器上游的排 气中包含的氢浓度；以及基于所检测的氢浓度估算最优空燃比。
在根据本发明第 一方面的用于内燃发动机的排气净化系统中，当空燃 比浓时(当空燃比降低时)，催化转化器上游的排气中的氢浓度增加的更 加明显。因此，当空燃比浓于化学计量空燃比时，用置于发动机排气系统 中的催化转化器上游的上游氢浓度传感器对排气内的氢浓度进行检测使 得最优空燃比的估算更加准确。
在根据本发明第一方面的排气净化系统中，催化转化器可以是三元催 化转化器并且下游氢浓度传感器可以置于三元催化转化器的下游。通过 种配置，在三元催化转化器中，发生水蒸汽重整反应，其中排气中的碳氢 化合物与水蒸汽发生反应。另外还发生水煤气变M应，其中排气中的一 氧化碳与水蒸汽发生反应。但是，作为这两种反应的生成物，形成了氢。 因此，当三元催化转化器的测定或估算温度低于规定温度时，由上游和下 游氢浓度传感器分别检测的上游和下游氢浓度之间的差表示前述水蒸汽 重整^^应和7jC煤气变换^^应的活性。这些反应的活性越低，则三元催化转 化器的劣化程度越严重。因此，可以估算三元催化转化器的劣化程度。
在根据本发明第一方面的排气净化系统中，催化转化器可以是三元催 化转化器并且下游氢浓度传感器可以置于三元催化转化器的下游。通过这 种配置，当三元催化转化器的测定或估算温度等于或高于规定温度并且进 入三元催化转化器的排气的空燃比等于或浓于化学计量空燃比时，如果在
其中吸收进SOx，则三元催化转化器^^放SOx。 SOx排放物与排气中的氢 反应以形成硫化氢。因此，在三元催化转化器中，在上述的水蒸汽重整反 应和7&煤气变换>^应中形成氢，同时消耗一部分氢以形成硫化氢。因此， 感测由上游和下游氲浓度传感器分别检测的上游和下游氢浓度之间的差， 可以估算是否消耗了氢以形硫化氢。如果观察到由于形成硫化氢而消耗了 氢，则可以判定三元催化转化器发生了硫中毒。
在根据本发明第一方面的排气净化系统中，当判定三元催化转化器发 生了硫中毒时，可以控制三元催化转化器中的测定或估算温度以使其维持 为等于或高于规定温度，同时可以控制l三元催化转化器的排气的空燃 比以使其维持为等于或浓于化学计量空燃比。通过这种配置，如果能够将 存储在三元催化转化器中的SOx都排放掉，则这表示在三元催化转化器中 没有进一步地形成硫化氢，并且因此没有消耗氢。因此判定三元催化转化 器没有发生硫中毒。
在^L据本发明第一方面的排气净化系统中，如果判定三元催化转化器 发生了硫中毒，如果车辆以怠速状态停驻并且三元催化转化器中的测定或 估算温度维持为等于或高于规定温度，则三元催化转化器继续产生SOx排 放物。SOx排放物与氢反应以形成硫化氲，硫化氲被释放到空气中并且可 能产生讨厌的气味。因此，控制进入三元催化转化器的排气的空燃比以使 其稀于化学计量空燃，从而降低三元催化转化器的SOx排放物，即使其中 储存有SOx时也是如此。
根据下面参照附图对优选实施方式的描述，本发明的前述以及其它目 的、特征和优点将变得很明显，其中使用相同的附图标记表示相同的元件，
并且图中
图1是根据本发明一个实施方式的用于内燃发动机的排气净化系统的 示意图。
图2是示出氢浓度和CO浓度对应于空燃比变化的图表。
图3是根据本发明实施方式的用于内燃发动机的排气净化系统的控制 过程的5^#呈图。
具体实施例方式
图1是根据本发明一个实施方式的用于内燃发动机的排气净化系统的 示意图。发动机排气系统中设置有三元催化转化器1。三元催化转化器1 的上游设置有上游氢浓度传感器2。三元催化转化器1的下游i殳置有下游 氢浓度传感器3。
在本发明的实施方式中，内燃发动机主要设计成以化学计量空燃比执 行均匀燃烧过程。三元催化转化器1设计用来以期望方式净化按照化学计 量空燃比燃烧过的排气。但是，在高负载或高速运转的情况下，可以使空 燃比相对于化学计量空燃比变浓以增加发动机输出。同样，在低负载或低 速运转的情况下，可以使空燃比相对于化学计量空燃比变稀以降低燃料消 耗。在这些情况下，三元催化转化器1的02储存能力有助于将三元催化转 化器l内的排气的空燃比维持在化学计量空燃比附近。
通常，氧浓度传感器置于发动机排气系统中以检测排气的氧浓度并且 基于所检测的氧浓度估算最优空燃比。但是，当空燃比浓于化学计量空燃 比时，发动机排气系统中的氧浓度几乎为零。在这种情况下，氧浓度比空 燃比变化得更小，这使得更加难以准确地估算最优空燃比。
图2中的图表内的实线示出空燃比和氢浓度之间的关系。如图所示， 在浓于化学计量空燃比的空燃比范围内，空燃比越浓(空燃比降低)，氢 浓度增加的越明显。因此，氢浓度的变化比空燃比的相应变化更明显。因 此，在本发明的实施方式中，基于由上游氢浓度传感器2检测的排气中的
氢浓度估算最优空燃比。在此实施方式中，当空燃比浓时，能够尤其准确 的估算最优空燃比。基于此准确的估算，可以控制将要喷射的燃料量以得 到期望的空燃比。
相反，当空燃比稀时，氢浓度的变化比空燃比的变化更小。即使在稀
空燃比的情况下，也可以基于由上游氢浓度传感器2所检测的氢浓度估算 最优空燃比。除上游氢浓度传感器2外，氧浓度传感器也置于三元催化转 化器1的上游以检测排气中的氧浓度。空燃比越稀时(当空燃比增大时) 所检测的氧浓度更明显。换言之，氧浓度比空燃比变化得更明显。从而， 当空燃比稀时，可以基于由氧传感器检测的氧浓度估算最优空燃比。
当排气经过例如三元催化转化器和NOx储存还原催化转化器等具有 氧化功能的催化转化器时，发生水蒸汽重整反应，其中排气中的碳氬化合 物与水蒸汽^^应以形成氢，如公式(l)中所示。另夕卜，还发生水煤气变换
反应，其中排气中的一氧化碳与水蒸汽反应以形成氢，如公式(2)中所示。
CH2+H20 —CO+2H2 (1)
CO+H20 —C02+H2 (2)
因此优选为通过上游氲浓度传感器2检测尚未经过催化转化器的排气 中的氢浓度。从而，在本发明的实施方式中，催化转化器不设置在上游氢 浓度传感器2的上游。
排气中的SOx与包含在三元催化转化器1中的钡或钾反应，并且SOx 储存在三元催化转化器1中(下面称其为硫中毒)。这不仅降低了三元催化 转化器l中包括的贵金属催化剂的功能，从而增加了产生活化的温度，而 且降低了三元催化转化器1中包括的二氧化铈的02储存能力。
如果三元催化转化器1中的温度等于或高于规定温度并且三元催化转 化器1中的氧浓度降低，则储存SOx的三元催化转化器1释放SOx。例如， 在高负载行驶或高速行驶情况下，排气的高温导致三元催化转化器1中的 温度升高到或超过规定温度。同时，空燃比等于或浓于化学计量空燃比， 在这种情况下排气中的氧浓度降低。因此，从三元催化转化器1中自动地 释放出SOx。
在本发明的实施方式中，上游和下游氢浓度传感器2和3用于棉^据图 3中的流程图判定三元催化转化器1的劣化程度或者解决硫中毒。
该过程在步骤S101开始以判定三元催化转化器1中的测定温度T(估 算温度)是否等于或高于规定温度T1。如果判定结果为假，则三元催化转 化器1不释放SOx。然后，过程前进到步猓S102以计算分别由上游和下 游氢浓度传感器2和3检测的上游和下游氢浓度Cl和C2之间的差C。所 述差C取决于上述水蒸汽重整和水煤气变换^^应中的氢量。
如果这些反应是能起作用的，则判定三元催化转化器1的劣化程度最 小。如果不能起作用，则判定三元催化转化器l的劣化程度严重。然后， 过程前进到步骤S103以判定通过用校正系数k校正上游和下游氢浓度Cl 和C2之间的差C所得到的值是否等于或低于规定浓度D。如果确定三元 催化转化器1的劣化程度维持不变，由于排气中含有更多CH2和CO—— 其量基于空燃比估算一一或者由于三元催化转化器1具有更高的温度，则 水蒸汽重整反应和7jC煤汽变^L^应更加活跃，因此校正系数k降低。图2 中的虚线示出空燃比和CO浓度之间的关系。
用校正系数k校正的差C独立于当前包含于排气中的CH2量和CO量 以及三元催化转化器1的当前温度。差C与三元催化转化器1的当前劣化 程度成反比。因而，如果步骤S103中的判定为真，则三元催化转化器1 劣化严重。进而，如果步骤S103中的判定多次连续为真，则可以判定三 元催化转化器1极度劣化。
根据图3中所示的流程图，从三元催化转化器1中发生的例如水蒸汽 重整>^应和水煤气变换>^应等氧化还原>^应可直接判定三元催化转化器1 的劣化。与从例如02储存能力的降低进行间接判定相比，这确保了对三 元催化转化器1的劣化判定更加准确。
另一方面，如果步骤S101中的判定为真，则过程前进到步骤S105以 与步骤S102中相同的方式计算上游和下游氢浓度Cl和C2之间的差C。 在步骤S105中，在高负栽行驶或高速行驶情况下，三元催化转化器1具 有高温，同时空燃比等于或浓于化学计量空燃比。因此，如果发生了三元 催化转化器l的硫中毒，则其产生SOx排放物。
SOx排放物与氢反应以形成硫化氢，如下面公式(3)所示。
S02+3H2 — H2S+2H20 (3 )
然后，过程前进到步骤S106以判定在步骤S105中所计算的上游和下游氢 浓度Cl和C2之间的差C是否近似等于基于由水蒸汽重整反应和水煤气变
换反应形成的氢量所得到的氢浓度c，。估算氢浓度c'时考虑了当前包含
于排气中的CH2量和CO量、三元催化转化器1的当前温度以及催化转化 器l当前的劣化程度。步骤S106中为真的判定表示没有氢通过硫化氢的形 成被消耗。换言之，判定三元催化转化器l中是否没有释放SOx。
如果步骤S106中的判定为真，则判定三元催化转化器1没有发生石克中 毒。如图3中所示，根据流程图，过程结束判定。因而，如下所述，不必 使空燃比变浓或变稀，并且储存在三元催化转化器l中的氧量不会过度波 动。
相反，步骤S106中的为假的判定表示消耗了氢以形成硫化氢。换言之， 由于SOx的释放而判定三元催化转化器l发生了硫中毒。然后，根据it^呈 图，过程前进到步骤S107以判定车辆是否停驻。如果判断为假，即，车 辆在行驶中，则过程前进到步骤S108以使空燃比相对于化学计量空燃比 变浓，使得三元催化转化器1继续释放SOx。但是，在车辆行驶时形成的 硫化氲不会ii^车辆内部。
尽管如此，当车辆在高负栽行驶或高速行^立即停驻时，从三元催 化转化器1排出的SOx排放物会导致硫化氢形成，其会^到车辆内部。 因而，驾驶员和任何其它乘员会闻到讨厌的气味。因此，如果在步骤S107 中判定为真，则过程前进到步骤S109以使空燃比变稀，从而降低SOx排 放物。因此，不太可能形成硫化氢。
在流程图的步骤S102和S105中，上游氢浓度传感器2设计成检测三 元催化转化器l中的上游氢浓度C1。可替代地，如果用上述手段以外的手 段例如氧传感器估算最优空燃比，则可以基于估算的最优空燃比判定上游 氢浓度C1。例如，当空燃比稀于化学计量空燃比时，可以使用氧浓度传感 器估算上游氢浓度C1。
虽然参照被认为是本发明优选实施方式的内容描述了本发明，但M 当了解，本发明并不限于所披露的实施方式或构造。相反，本发明意在覆 盖各种改型和等效装置。另外，虽然以多种示例性的结合和配置示出了所 披露的发明的多种元件，但是包括更多、更少或仅单个元件的其它结合和 配置也落入所附权利要求的范围。
权利要求
1.一种用于内燃发动机的排气净化系统，包括催化转化器，其设置于所述内燃发动机的排气系统内；以及上游氢浓度传感器，其置于所述催化转化器的上游，检测所述催化转化器上游的排气中的氢浓度；其中基于所检测到的上游氢浓度估算最优燃烧空燃比。
2. 如权利要求1所述的用于内燃发动机的排气净化系统，进一步包括下游氢浓度传感器，其置于所述催化转化器的下游，检测所述催化转 化器下游的排气中的氢浓度，其中所述催化转化器是三元催化转化器，并且当所述三元催化转化器 的测定或估算温度低于阈值温度时，基于所检测到的上游氢浓度和所检测 到的下游氢浓度之间的差估算所述三元催化转器的劣化程度。
3. 如权利要求1所述的用于内燃发动机的排气净化系统,进一步包括下游氢浓度传感器，其置于所述催化转化器的下游，检测所述催化转 化器下游的排气中的氢浓度，其中所述催化转化器是三元催化转化器，当所述三元催化转化器中的 测定或估算温度等于或高于阈值温度并且进入所述三元催化转化器的排 气的空燃比等于或浓于化学计量空燃比时，基于所检测到的上游氢浓度和 所检测到的下游氬浓度之间的差判定所述三元催化转化器是否发生硫中 毒。
4.如权利要求3所述的用于内燃发动机的排气净化系统，其中，当判 定所述三元催化转化器发生硫中毒时，控制所述三元催化转化器中的测定 或估算温度以保持为等于或高于所述阈值温度，并且控制进入所述三元催 化转化器的排气的空燃比以保持为等于或浓于所述化学计量空燃比。
5，如权利要求3所述的用于内燃发动机的排气净化系统，其中，当判 定所述三元催化转化器发生硫中毒时，当车辆以怠速状态停驻并且所述三 元催化转化器的测定或估算温度保持为等于或高于所述阈值温度时，控制 进入所述三元催化转化器的排气的空燃比以使其稀于所述化学计量空燃 比。
6.如权利要求1至5中任一项所述的用于内燃发动机的排气净化系统, 进一步包括氧浓度传感器，其置于所述发动机排气系统中的催化转化器的 上游，检测所述排气中的氧浓度。
7.如权利要求6所述的用于内燃发动机的排气净化系统，其中基于燃 烧空燃比浓于化学计量空燃比时所检测到的所述排气中的氢浓度估算所 述最优燃烧空燃比。
8.如权利要求6所述的用于内燃发动机的排气净化系统，其中基于燃 烧空燃比稀于化学计量空燃比时所检测到的所述排气中的氢浓度估算所 述最优燃烧空燃比。
9.如权利要求6所述的用于内燃发动机的排气净化系统，其中基于所 检测到的氧浓度估算所述最优燃烧空燃比，并且基于所估算的最优燃烧空 燃比估算所述催化转化器上游的排气中的氢浓度。
10. 如权利要求1至9中任一项所述的用于内燃发动机的排气净化系 统，其中仅在所述上游氢浓度传感器的下游设置有催化转化器。
11. 一种用于内燃发动机的排气净化系统的控制方法，包括检测设置在所述发动机排气系统中的催化转化器上游的排气中所含 的氢浓度；以及基于所检测到的氢浓度估算最优燃烧空燃比。
全文摘要
一种用于内燃发动机的排气净化系统，其具有置于发动机排气系统中的催化转化器(1)的上游的氢浓度传感器(2)以检测排气中的氢浓度。然后基于所检测的氢浓度估算最优燃烧空燃比。
文档编号F01N11/00GK101360895SQ200780001506
公开日2009年2月4日 申请日期2007年2月26日 优先权日2006年2月28日
发明者加藤健治 申请人:丰田自动车株式会社