本发明涉及对内燃机的排出气体进行净化的催化剂的诊断装置，特别涉及基于利用设置在催化剂的上游侧及下游侧的一对传感器检测的空燃比来诊断催化剂的劣化的催化剂诊断装置。
背景技术
在内燃机的排气系统设置催化剂对排气进行净化的系统广为周知。另外，由于催化剂会由于长期使用而净化性能劣化，因此提出了多种对其劣化进行检测的方法。
专利文献1中公开了下述技术：在对具有氧吸留功能的排气净化催化剂的劣化进行判定的催化剂劣化判定系统中，针对流入催化剂的排气的空燃比，进行使从贫燃侧到富燃侧的移转和从富燃侧到贫燃侧的移转交替重复的主动空燃比控制，基于在转为富燃时流入催化剂的排气空燃比的推移及排气流量等估算排氧量，基于在转为贫燃时流入催化剂的排气空燃比的推移及排气流量等估算氧吸留量，基于各估算值进行催化剂的劣化诊断。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第5835478号公报
技术实现要素：
在上述的现有技术中，作为催化剂的能力指标的排氧量及氧吸留量，基于理论空燃比和在催化剂的上游侧检测到的空燃比推定。但是，在这种推定方法中，由于无法探查到催化剂下游侧的空燃比的变化，因此无法正确地诊断催化剂的劣化状态。
本发明的目的在于解决上述技术问题，提供一种能够正确地探查催化剂下游侧的空燃比的变化、并基于此诊断催化剂的劣化状态催化剂诊断装置。
为了实现上述目的，本发明的催化剂劣化判定装置在设置于排气通路内的催化剂的上游侧及下游侧设置空燃比传感器，基于各空燃比传感器的输出判定催化剂的劣化，该催化剂劣化判定装置的特征在于具备以下构造。
(1)包括：以使在催化剂的上游侧检测的空燃比穿过理论配比区域而从贫燃侧及富燃侧中的一方向另一方转移的方式，对燃料喷射量进行控制的机构；对从上游侧的空燃比从所述一方转移至另一方起，直到由下游侧的空燃比传感器检测的空燃比满足规定的阈值条件为止的经过时间进行计时的机构；基于所述经过时间计算催化剂的氧吸留能力(osc:oxygenstoragecapacity)的机构；以及基于氧吸留能力的计算结果对催化剂的劣化进行判定的机构。
(2)对经过时间进行计时的机构，对从上游侧的空燃比转移至贫燃侧起，直到由下游侧的空燃比传感器检测的空燃比满足规定的阈值条件为止的经过时间进行计时，对催化剂的氧吸留能力进行计算的机构，基于所述经过时间计算催化剂的还原气氛下的氧吸留量(osa：oxygenstorageamount)。
(3)对经过时间进行计时的机构，对从上游侧的空燃比转移至富燃侧起，直到由下游侧的空燃比传感器检测的空燃比满足规定的阈值条件为止的经过时间进行计时，对催化剂的氧吸留能力进行计算的机构，基于所述经过时间计算催化剂的氧化气氛下的排氧量(opa：oxygenpurgeamount)。
(4)还具备在对燃料喷射量进行控制之前，在规定期间内将上游侧的空燃比控制为理论配比区域的机构。
发明效果
根据本发明能够实现下述效果。
(1)通过探查催化剂下游侧的空燃比的变化，并将其与催化剂上游侧的空燃比的变化进行比较，求出催化剂的osc，基于此进行劣化状态诊断，因此能够进行反映催化剂下游侧的空燃比的变化的诊断。
(2)基于从催化剂的上游侧的空燃比转移至贫燃侧起，直到由下游侧的空燃比传感器检测的空燃比满足规定的阈值条件为止的经过时间，计算催化剂的还原气氛下的氧吸留量(osa)，因此能够进行基于催化剂的氧吸留能力的诊断。
(3)基于从催化剂的上游侧的空燃比转移至富燃侧起，直到由下游侧的空燃比传感器检测的空燃比满足规定的阈值条件为止的经过时间，计算催化剂的氧化气氛下的排氧量(opa)，因此能够进行基于催化剂的排氧能力的诊断。
(4)在对燃料喷射量进行控制之前，在规定的期间内将上游侧的空燃比控制为在理论配比±5％范围(理论配比区域)内适当设定的基准afr，因此能够在始终相同的条件下开始诊断，能够实现不受诊断开始前的排气气氛影响的正确诊断。
附图说明
图1是表示应用了本发明的排气装置的构造的功能框图。
图2是示意性地表示本发明的催化剂的诊断方法的图(其1)。
图3是示意性地表示本发明的催化剂的诊断方法的图(其2)。
图4是表示本发明一实施方式的动作的流程图。
图5是表示osc计算处理的步骤的流程图。
图6是表示本发明一实施方式的动作的时序图。
图7是表示诊断结果例的图。
具体实施方式
以下参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。图1是表示应用了本发明的排气装置20的构造的功能框图，其中，以双轮摩托车的应用为例进行说明。
在发动机e的进气侧安装有针对各气筒设置有燃料喷射装置(喷射器)57的进气管56。在发动机e的排气侧经由出口管60连结催化剂部61，在其下游侧经由排气管62连结消声器26。
在催化剂部61中内置有排气净化催化剂c，在其上游侧及下游侧分别安装有对排出气体的空燃比(afr)进行检测的空燃比传感器50u及对氧浓度进行检测的氧浓度传感器50d。作为所述空燃比传感器50u，能够使用氧浓度传感器或laf传感器。另外，对于所述氧浓度传感器50d也能够使用氧浓度传感器或laf传感器。在使用氧浓度传感器的情况下，需要将其输出值换算为空燃比afr。
在ecu10中，空燃比计算部11基于传感器50u、50d的输出信号计算排出气体的空燃比afr。喷射量控制部12通过对喷射器57的开阀时间tout进行控制而控制燃料喷射量。
所述喷射量控制部12在通常的喷射功能即在车辆行驶中恰当地控制燃料喷射量的基础上还具有诊断喷射功能，该诊断喷射功能为，在催化剂的诊断循环中，在规定的期间内将空燃比反馈控制为理论配比区域内的基准afr，然后，按照使利用空燃比传感器50u检测的上游侧空燃比afru交替反复地从富燃侧向贫燃侧移转及从贫燃侧向富燃侧移转的方式，对燃料喷射量进行增减修正。
计时部13如后详述，在基于喷射量控制部12的诊断喷射功能，以使催化剂的上游侧空燃比afru穿过理论配比区域而反复从贫燃侧及富燃侧中的一方向另一方移转的方式，对燃料喷射量进行增减修正时，对直到由下游侧传感器50d检测的下游侧空燃比afrd满足规定的阈值条件为止的经过时间tosc(tosa及/或topa的统称)进行计时。
δafr计算部14计算在经过时间tosc(tosa、topa)内由各传感器50u、50d检测到的空燃比的平均值的差值δafr。mfuel计算部15计算发动机每一循环的燃料重量mfuel。ne计算部16计算经过时间tosc内的发动机e的转速ne的平均值，将该平均值用作催化剂诊断中的发动机转速ne。
osa计算部17如后详述，将催化剂的还原气氛下的氧吸留量osa(oxygenstorageamount)作为所述δafr、mfuel、ne及经过时间tosa的函数计算。opa计算部18如后详述，将催化剂的氧化气氛下的排氧量opa(oxygenpurgeamount)作为所述δafr、mfuel、ne及经过时间topa的函数计算。劣化诊断部19基于所述osa及opa中的至少一方对催化剂c的劣化状态进行诊断。
图2、3是示意性地表示本发明的催化剂的劣化诊断方法的图，若以使催化剂c的上游侧空燃比afru反复从贫燃侧及富燃侧中的一方向另一方移转的方式对燃料喷射量进行控制，则只要催化剂c充分地发挥作用、充分地发挥其氧吸留功能及排氧功能，则如图2的(a)所示，排出气体中的氧的含有量保持为大致恒定。由此，能够促进由吸留的氧的排放实施的碳氢化合物(hc)及一氧化碳(co)的氧化，并通过由过剩氧吸留实施的氮氧化物(nox)的还原促进的作用实现净化。
与此相对，若催化剂劣化而导致氧的吸留能力或排放能力降低，则如该图的(b)所示，由于无法抑制排出气体中的氧量的变动，导致其氧浓度产生过多或不足，从而hc、co、nox的净化能力降低。
因此，在本发明中，如图3所示，通过将在催化剂c的上游侧及下游侧检测到的空燃比afru、afrd进行比较，推定催化剂c的氧吸留量osa及排氧量opa，若其小于规定的基准值，则诊断为催化剂c劣化。
接下来，参照图4、5的流程图及图6的时序图对本发明一实施方式的动作进行说明。
在步骤s1中，以将利用上游侧传感器50u检测的排出气体的空燃比afru维持在任意的基准afr区域内的方式，由所述喷射量控制部12对燃料喷射量进行反馈控制。在本实施方式中，容许将相对于理想空燃比的14.55为±5％的范围作为基准afr区域。
在步骤s2中，在图6的时刻t1，开始以规定的周期重复进行燃料喷射量的增减修正的诊断喷射。在这里，通过对燃料的喷射修正系数k进行切换，首先对燃料喷射量进行增加修正，由此使得催化剂前空燃比afru向富燃侧移转。
然后，若利用诊断喷射功能使燃料喷射量切换为减少修正，则在步骤s3中，判断由上游侧传感器50u检测的催化剂前空燃比afru是否转移至贫燃侧。若在时刻t2检测到空燃比afru从富燃侧转为贫燃侧，则进入步骤s4，定时器tc开始计时。
在步骤s5中，获取由上游侧传感器50u检测的催化剂前空燃比afru及由下游侧传感器50d检测的催化剂后空燃比afrd并存储。在步骤s6中，获取发动机转速ne及由燃料喷射时间tout代表的燃料喷射量并存储。
在步骤s7中，判定由下游侧传感器50d检测的催化剂后空燃比afrd是否超过规定的osa阈值。若afrd＜osa阈值则返回步骤s5，以规定的周期重复进行所述空燃比afru、afrd的获取及存储以及发动机转速ne、燃料喷射量tout的获取及存储。
然后，若在时刻t3为afrd≥osa阈值，并在步骤s7中检测到该情况，则进入步骤s8。在步骤s8中，将所述计测定时器tc的计测值登记作为osa时间tosa，使该计测定时器tc重置。在步骤s9中如后详述，基于所述osa时间tosa计算opa。
在步骤s10中，判定osa、opa是否均已计算。若未计算则进入步骤s11，判定由上游侧传感器50u检测的催化剂前空燃比afru是否移转到富燃侧。
利用诊断喷射功能再次将燃料喷射量切换为增加修正，在时刻t4，催化剂前空燃比afru从富燃侧向贫燃侧移转，若在步骤s11中检测到该情况，则进入步骤s12，定时器tc开始计时。在步骤s13中，获取由上游侧传感器50u检测的催化剂前空燃比afru及由下游侧传感器50d检测的催化剂后空燃比afrd并存储。在步骤s14中，获取发动机转速ne及燃料喷射量tout并存储。
在步骤s15中，判定催化剂后空燃比afrd是否低于规定的opa阈值。若afrd＞opa阈值则返回步骤s13，以规定的周期重复进行所述空燃比afru、afrd的获取及存储以及发动机转速ne、燃料喷射量tout的获取及存储。
然后，若在时刻t5为afrd≤opa阈值，并在步骤s15中检测到该情况，则进入步骤s16。在步骤s16中，将所述计测定时器tc的计测值登记为opa时间topa，重置该计测定时器tc的计数值。在步骤s9中，基于所述opa时间topa计算opa。
需要说明的是，在上述实施方式中，说明了基于催化剂后空燃比afrd求出经过时间tosc(tosa及/或topa)的情况，但本发明不限定于此，也可以基于o2传感器的输出电压求出。
图5是表示在所述步骤s9中执行的osc计算处理的步骤的流程图，在步骤s31中，计算osc期间(osa期间或opa期间)内的afru及afrd各自的平均值afru_ave、afrd_ave。
在步骤s32中，计算所述osc期间内的ne及tout各自的平均值ne_ave及tout_ave。在步骤s33中，根据下式(1)计算由各传感器50u、50d检测的催化剂前后的空燃比的差值δafr。
δafr＝│afru_ave－afrd_ave│…(1)
在步骤s34中，基于tout的估算值及喷射特性计算每一循环的燃料喷射重量mfuel。在步骤s35中，基于所述空燃比差值δafr及每一循环的燃料喷射质量mfuel计算每一循环的残留氧量mo2。在步骤s36中，基于下式(2)计算每一秒的残留氧的质量流量m'o2。
m'o2＝(mo2×ne)/120…(2)
在步骤s37中，基于下式(3)、(4)计算osa及opa。
osa(g)＝m'o2×tosa…(3)
opa(g)＝m'o2×topa…(4)
返回图4，在步骤s10中判定为osa、opa均已计算，从而进入步骤s17，基于osa、opa判定催化剂的劣化状态。在本实施方式中，若osa、opa均低于规定的基准值或者osa、opa中的某一方低于基准值则诊断为催化剂劣化。
图7是以多个样本为对象，表示在使发动机转速ne恒定并使节流开度变化的同时测得的osa、poa的判定结果的图，可见无论发动机运行状态如何，均能够获得选择性高的诊断结果。
需要说明的是，在上述实施方式中，说明了作为osc而将osa、opa均计算的情况，但本发明不仅限于此，也可以求出其中一方，仅基于该一方进行催化剂诊断。
附图标记说明
10…ecu、11…空燃比计算部、12…喷射量控制部、13…计时部、14…δafr计算部、15…mfuel计算部、16…ne计算部、17…osa计算部、18…opa计算部、20…排气装置、26…消声器、50u、50d…空燃比传感器、56…进气管、57…喷射器、60…出口管、61…催化剂、62…排气管。