本发明涉及对设于内燃机的排气通路且净化废气的催化剂的劣化进行判定的催化剂的劣化判定装置。
背景技术：
以往，已知对净化内燃机的废气的催化剂(以下仅称为“催化剂”)的劣化进行判定的技术，例如在专利文献1中公开了由本申请人提出的劣化判定装置。在该劣化判定装置中，在三元催化剂的上游侧及下游侧分别设有第1及第2氧浓度传感器，基于吸入空气量和由第1氧浓度传感器检测到的氧浓度，计算向三元催化剂流入的流入氧量。另外，根据所计算出的流入氧量与其目标值的比较结果，执行将混合气体的空燃比交替地切换至理论空燃比的富油(rich)侧和理论空燃比的贫油(lean)侧的空燃比切换控制(摄动(perturbation)控制)。而且，在该空燃比切换控制中第2氧浓度传感器的输出大幅变动的情况下，判定为三元催化剂发生劣化。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2007-285288号公报
技术实现要素：
然而，在该以往的判定装置中，得知在上述的劣化判定中，当与其并行地在内燃机的预热运转状态下等进行了燃料喷射时期的延迟或燃料的分段喷射时，由于后述的理由，尽管三元催化剂实际上未劣化，也有可能误判定为发生了劣化。
本发明是为了解决这样的课题而提出的，其目的在于，提供一种能够有效地避免上述的误判定、提高催化剂的劣化的判定精度的催化剂的劣化判定装置。
为了实现该目的，第一方案的发明为一种催化剂的劣化判定装置，对设于内燃机1的排气系统(实施方式中的(以下，在本项中相同)排气通路13)、具有贮氧能力且净化废气的催化剂(三元催化剂14a)的劣化进行判定，该催化剂的劣化判定装置的特征在于，具备：第1氧浓度传感器(laf传感器27)，其设于催化剂的上游侧；第2氧浓度传感器(o2传感器28)，其设于催化剂的下游侧；流入氧量计算单元(ecu5)，其将向催化剂流入的氧量作为流入氧量os进行计算；空燃比切换控制单元(ecu5、图7的步骤21、22、图8)，其执行空燃比切换控制，即基于所计算出的流入氧量os与该流入氧量os的目标值(贫油侧极限值osobjl、富油侧极限值osobjr)的比较结果，根据由第1氧浓度传感器检测到的氧浓度(检测当量比kact)，将向内燃机1供给的混合气体的空燃比交替地切换至理论空燃比的富油侧和理论空燃比的贫油侧来进行控制；劣化判定单元(ecu5、图7的步骤23)，其基于在空燃比切换控制中检测到的第2氧浓度传感器的输出(o2传感器输出svo2)，判定催化剂的劣化；以及禁止单元(ecu5、图3的步骤13、12)，其在基于劣化判定单元进行的劣化判定中，禁止将燃料的喷射时期延迟的延迟控制及/或分为多次喷射燃料的分段喷射控制。
适用本发明的催化剂具有贮氧能力，在催化剂的上游侧及下游侧分别设有第1及第2氧浓度传感器。在本发明的劣化判定装置中，执行空燃比切换控制(摄动控制)，即计算向催化剂流入的流入氧量，并且基于所计算出的流入氧量与其目标值的比较结果，根据由第1氧浓度传感器检测到的废气中的氧浓度，将混合气体的空燃比交替地切换至理论空燃比的富油侧和贫油侧。而且，基于在该空燃比切换控制中检测到的第2氧浓度传感器的输出，判定催化剂的劣化。因此，通过将流入氧量的目标值设定为催化剂正常时能够贮存、催化剂发生了劣化时无法贮存那样的氧量，能够基于第2氧浓度传感器的输出判定催化剂的劣化。
如前所述，在上述的劣化判定中，在燃料喷射时期延迟的情况、或分段喷射燃料的情况下，有可能尽管催化剂实际上未发生劣化，但也误判定为发生了劣化。认为其理由如下。即，若喷射时期延迟或进行分段喷射，则从燃料的喷射至点火时为止的燃料的气化时间变短，因此容易发生燃料在汽缸内偏聚的局部富油，由于在该状态下进行燃烧，所以废气中的h2成分增加。另一方面，用作第1氧浓度传感器的氧浓度传感器通常利用检测对象的气体从多孔质的扩散层穿过时的扩散速度根据气体的分子量而变化这一特性，在废气的情况下，以co及h2为主要成分的富气的分子量比以o2为主要成分的贫气的分子量小，因此扩散速度变大，传感器输出变大。
因此，如果如上所述地伴随喷射时期的延迟或分段喷射而分子量小的h2成分增加，则由于扩散速度变大，而第1氧浓度传感器的输出与实际的氧浓度相比向富油侧偏移，即氧浓度被误检测(误识别)为富油侧。其结果是，与被误检测为富油侧的氧浓度相应地，以理论空燃比为中心的空燃比切换控制以向贫油侧偏移(被误修正)的状态进行，因此在空燃比切换控制中的贫油运转中，超过预想的量的氧流入至催化剂，其结果是，会推定为第2氧浓度传感器的输出大幅变动，从而导致催化剂的劣化的误判定。
出于以上见解，根据本发明，在催化剂的劣化判定中，禁止使燃料的喷射时期延迟的延迟控制、及/或分为多次喷射燃料的分段喷射控制。由此，通过尽早结束燃料的喷射，能够抑制汽缸内的燃料的局部富油及由此导致的废气中的h2成分的增加，避免第1氧浓度传感器的误检测。其结果是，能够精度良好地进行与由第1氧浓度传感器检测到的氧浓度相应的空燃比切换控制，因此，能够有效地避免由喷射时期的延迟及/或分段喷射引起的催化剂的劣化的误判定，提高其判定精度。
附图说明
图1是示意性地表示包含本发明的一个实施方式的催化剂的劣化判定装置的、内燃机及其控制装置的结构的图。
图2是表示燃料喷射控制处理的流程图。
图3是表示图2的喷射模式决定处理的流程图。
图4是表示与发动机水温相应的喷射时期的延迟及分段喷射的区域与劣化判定的执行区域之间的关系的图。
图5是在喷射模式的决定中使用的映射图。
图6是用于说明催化剂的劣化判定的方法的图。
图7是表示催化剂的劣化判定处理的主要流程的流程图。
图8是用于说明在图7的劣化判定处理中执行的摄动控制的动作的时序图。
附图标记说明
1发动机(内燃机)
5ecu(流入氧量计算单元、空燃比切换控制单元、劣化判定单元、禁止单元)
13排气通路(排气系统)
14a三元催化剂(催化剂)
27laf传感器(第1氧浓度传感器)
28o2传感器(第2氧浓度传感器)
kact检测当量比(由第1氧浓度传感器检测到的氧浓度)
os流入氧量
osobjl贫油侧极限值(流入氧量的目标值)
osobjr富油侧极限值(流入氧量的目标值)
svo2o2传感器的输出(第2氧浓度传感器的输出)
具体实施方式
以下，参照附图详细说明本发明的优选实施方式。图1所示的内燃机(以下称为“发动机”)1例如是搭载于车辆(未图示)的v型6缸的汽油发动机，虽未图示，但在左右两个汽缸排(bank)上各具备三个汽缸。在各汽缸上设有燃料喷射阀3和将汽缸内的混合气体点火的火花塞等。燃料喷射阀3是直接向汽缸内喷射燃料的直喷型的喷射阀，与燃料泵(未图示)连接。燃料喷射阀3的开阀时间及闭阀时期由来自电子控制单元(以下称为“ecu”)5的驱动信号控制，由此，控制燃料喷射量及燃料喷射时期。
在发动机1的进气通路2上设有节气门4，在节气门4上设有检测其开度th的节气门开度传感器21。另外，在节气门4的上游侧设有检测吸入空气量gair的吸入空气量传感器22，在节气门4的下游侧设有检测进气压力pba的进气压力传感器23、和检测进气温度ta的进气温度传感器24。而且，在发动机1的主体上设有检测其冷却水的温度(以下称为“发动机水温”)tw的水温传感器25。这些传感器21～25的检测信号输入至ecu5。
另外，从曲轴转角传感器26向ecu5输入表示曲轴(未图示)的旋转角度位置的脉冲信号即crk信号及tdc信号。crk信号按每规定的曲轴转角(例如30度)输出。ecu5基于该crk信号计算发动机1的转速(以下称为“发动机转速”)ne。
tdc信号是表示在某一汽缸中活塞处于比进气行程开始时的上死点(进气tdc)略微靠滞后角侧的曲轴转角位置的信号，在如实施方式那样发动机1为6缸的情况下，按每曲轴转角120度输出。
另一方面，排气通路13由左右的汽缸排用的两个排气通路构成，在各排气通路上设有将三元催化剂14a及14b收容在一个容器内的催化剂单元15。三元催化剂14a及14b具有贮氧能力，在向发动机1供给的混合气体的空燃比与理论空燃比相比被控制于贫油侧、废气中的氧浓度比较高的贫废气状态下，贮存废气中的氧。反之，在混合气体的空燃比与理论空燃比相比被控制于富油侧、废气中的氧浓度比较低而hc、co成分多的富废气状态下，三元催化剂14a及14b具有通过所贮存的氧将废气中的hc、co氧化而净化的功能。
在催化剂单元15的上游侧，作为第1氧浓度传感器而设有比例型的氧浓度传感器(以下称为“laf传感器”)27。laf传感器27将与废气中的氧浓度(空燃比)成比例的检测信号输出至ecu5。ecu5基于该检测信号计算检测当量比kact来作为向三元催化剂14a流入的废气的实际空燃比。
另外，在催化剂单元15的三元催化剂14a与14b之间，作为第2氧浓度传感器而设有二值型的氧浓度传感器(以下称为“o2传感器”)28，其检测信号输入至ecu5。o2传感器28具有在理论空燃比的前后急剧变化的输出特性，其输出(以下称为“o2传感器输出”)svo2在理论空燃比的富油侧成为高等级，在理论空燃比的贫油侧成为低等级。另外，在三元催化剂14a上设有检测其温度(以下称为“催化剂温度”)tcat的催化剂温度传感器29，其检测信号输入至ecu5。
ecu5由微型计算机构成，该微型计算机由cpu、ram、rom及i/o接口(均未图示)等构成。ecu5根据上述各种传感器20～29的检测信号等，执行对燃料喷射阀3的燃料喷射量、喷射模式进行控制的燃料喷射控制，并执行三元催化剂的劣化判定。
在本实施方式中，ecu5相当于流入氧量计算单元、空燃比切换控制单元、劣化判定单元、及禁止单元。
图2表示由ecu5执行的燃料喷射控制处理。本处理与tdc信号的产生同步地按每个汽缸执行。在本处理中，首先，在步骤1(图示为“s1”。下同)中，计算燃料喷射阀3的与燃料喷射量相当的燃料喷射时间tout。该计算通过下式(1)进行。
tout＝tim·kcmd·kaf·k1+k2···(1)
在此，tim为与基本燃料量相当的基本燃料喷射时间，以通过根据检测到的吸入空气量gair检索规定的tim表(未图示)而使向发动机1供给的混合气体的空燃比大致成为理论空燃比的方式计算。
kcmd为与混合气体的目标空燃比相当的目标当量比，在通常控制中，根据发动机1的运转状态设定，在后述的三元催化剂的劣化判定中，以将空燃比交替地向理论空燃比的富油侧和贫油侧控制的方式设定。
kaf为空燃比修正系数，在通常控制中反馈控制的执行条件成立时、或在三元催化剂的劣化判定中，以使由laf传感器27检测到的检测当量比kact与目标当量比kcmd一致的方式，通过基于pid控制等的反馈控制来计算。
k1及k2分别为其他的修正系数及修正量，根据由前述的各种传感器检测到的发动机参数信号、例如进气温度ta、发动机水温tw等而适当计算。
接着，在步骤2中，决定燃料的喷射模式，结束图2的处理。该喷射模式由以下模式构成：将燃料分为两次喷射的分段喷射模式；将燃料一次喷射并且使喷射时期延迟的喷射时期延迟模式；和将燃料一次喷射并且使喷射时期为通常时期的通常喷射模式。分段喷射模式和喷射时期延迟模式以在发动机1的冷机状态下防止因燃料附着于活塞导致积炭的产生等为目的而选择。
该喷射模式的决定通过图3的处理进行。在本处理中，首先在步骤11中，判断发动机水温tw是否比第1规定值tw1(例如80℃)低。在其反馈为否时，设为发动机1未处于冷机状态，进入步骤12，将喷射模式决定为通常喷射模式，结束本处理。如上所述，在该通常喷射模式中，在吸入行程中相对于一次燃烧进行一次燃料喷射，并且其喷射时期根据发动机水温tw、吸入空气量gair等设定为吸入行程中比较早(提前角侧的)时期。
在上述步骤11的反馈为是、即发动机1处于冷机状态时，在步骤13中，判断劣化判定执行标志f_catdet是否为“1”。如后所述，该劣化判定执行标志f_catdet在三元催化剂的劣化判定的执行中设定为“1”。
图4表示与发动机水温tw相应的喷射时期延迟模式及分段喷射模式的区域与三元催化剂的劣化判定的执行区域之间的关系。如该图所示，劣化判定的执行区域根据三元催化剂处于活性状态这一条件设定为发动机水温tw为比上述第1规定值tw1低的第2规定值tw2(例如69℃)以上的区域。因此，在发动机水温tw为第1规定值tw1与第2规定值tw2之间的区域(阴影线区域)中，有可能同时执行劣化判定、和喷射时期的延迟或分段喷射。
在上述步骤13的反馈为否、即未处于三元催化剂的劣化判定中时，在步骤14以后，基于图5的映射图，根据发动机转速ne及吸入空气量gair决定喷射模式。
如图5所示，在该映射图中，发动机转速ne为第1规定值ne1以下且吸入空气量gair为第1规定值gair1以上的区域被设定为分段喷射区域。另外，在发动机转速ne为比第1规定值ne1大的第2规定值ne2以下、吸入空气量gair为比第1规定值gair1小的第2规定值gair2以上、且除分段喷射区域以外的区域被设定为延迟区域。而且，分段喷射区域及延迟区域以外的区域被设定为通常喷射区域。
因此，在上述步骤14的反馈为是、即发动机1处于分段喷射区域时，将喷射模式决定为分段喷射模式(步骤15)，结束本处理。如前所述，在该分段喷射模式中，在吸入行程中相对于一次燃烧分两次进行燃料喷射，并且第二次的喷射时期被设定为比前述的通常喷射模式的情况下滞后的(滞后角侧的)规定时期。
在上述步骤14的反馈为否时，在步骤16中，判断发动机1是否处于延迟区域。在其反馈为是、即处于延迟区域时，将喷射模式决定为喷射时期延迟模式(步骤17)，结束本处理。如前所述，在该喷射时期延迟模式中，在吸入行程中相对于一次燃烧进行一次燃料喷射，并且其喷射时期被设定为比前述的通常喷射模式的情况下滞后的规定时期。
在上述步骤16的反馈为否时，即在发动机1处于通常喷射区域时，进入上述步骤12，将喷射模式决定为通常喷射模式。
另一方面，在上述步骤13的反馈为是、即处于三元催化剂的劣化判定中时，进入上述步骤12，将喷射模式决定为通常喷射模式。即，在处于劣化判定中时，即使发动机1为冷机状态，无论发动机转速ne等运转状态如何，均禁止分段喷射及喷射时期的延迟，强制执行通常喷射。
接下来，说明三元催化剂的劣化判定。该劣化判定直接以三元催化剂14a为对象进行，在判定为三元催化剂14a发生了劣化时，推定为三元催化剂14b也同样发生了劣化，进行例如警告灯的点亮。
三元催化剂的劣化判定基于使向发动机1供给的混合气体的空燃比以理论空燃比为中心交替地向贫油侧和富油侧变化时(交替地进行贫油运转和富油运转时)的o2传感器输出svo2来进行。以下将像这样交替地执行贫油运转和富油运转的控制称为“摄动控制”。
具体而言，以将三元催化剂正常时能够贮存、且劣化时无法贮存的程度的量的氧向三元催化剂供给的方式进行贫油运转，在之后切换至富油运转时，以使贮存于三元催化剂的氧几乎全部放出的方式进行富油运转。在执行了这样的摄动控制的情况下，如果三元催化剂正常，则如图6的(a)所示，o2传感器输出sov2几乎没有变化，相对于此，如果三元催化剂发生了劣化，则如图6的(b)所示，o2传感器输出sov2大幅变化。因此，能够基于o2传感器输出sov2的变化状态判定三元催化剂的劣化。
图7表示基于这样的判定方法执行的三元催化剂的劣化判定处理。如前所述，该劣化判定处理以发动机水温tw为第2规定值tw2以上为条件，由ecu5按每规定时间执行。另外，当处于劣化判定处理的执行中时，如前所述，禁止分段喷射及喷射时期的延迟。此外，该劣化判定处理与本申请人提出申请的上述专利文献1(日本特开2007-285288号公报)所记载的处理基本相同，因此在图7中示出主要流程并说明其概要。
在本处理中，首先在步骤21中，例如以如下方式生成用于执行摄动控制的摄动信号。
a.根据由laf传感器27检测到的检测当量比kact计算与废气的氧浓度成比例的氧浓度参数o2n。
氧浓度参数o2n以在kact＝1.0(理论空燃比)时取0值、在kact＜1.0(比理论空燃比贫油)时取正值、kact＞1.0(比理论空燃比富油)时取负值的方式计算。
b.根据吸入空气量gair计算成为催化剂劣化的基准的基准氧量osc。
c.根据催化剂温度tcat计算第1及第2温度修正系数ktcatr、ktcatl。
第1温度修正系数ktcatr在富油运转时使用，取负值，催化剂温度tcat越高，则计算为越小的值(绝对值越大的值)。
第2温度修正系数ktcatl在贫油运转时使用，取正值，催化剂温度tcat越高，则计算为越大的值。
d.对下式(2)(3)适用基准氧量osc、第1及第2温度修正系数ktcatr、ktcatl，计算富油侧极限值osobjr及贫油侧极限值osobjl。
osobjr＝osc·ktcatr···(2)
osobjl＝osc·ktcatl···(3)
富油侧极限值osobjr及贫油侧极限值osobjl是通过后述的e计算的流入氧量os的目标值，在摄动控制中作为在富油-贫油之间切换空燃比时的阈值使用。
贫油侧极限值osobjl相当于三元催化剂正常时能够贮存、三元催化剂发生了劣化时无法贮存的程度的流入氧量，富油侧极限值osobjr设定为绝对值与贫油侧极限值osobjl大致相等的负值。
e.对下式(4)适用a的氧浓度参数o2n，计算流入氧流量o2，对下式(5)适用流入氧流量o2，计算流入氧量os。
o2＝o2n·gairave···(4)
os＝os+o2···(5)
在此，gairave为吸入空气量gair的规定的多个量的移动平均值，式(5)的右边的os是上次的值。
另外，根据a中的氧浓度参数o2n的计算方法和式(4)(5)，在贫油运转中，流入氧流量o2取正值，流入氧量os逐渐增大，另一方面，在富油运转中，流入氧流量o2取负值，流入氧量os逐渐减小，并且随着富油运转的进行而变为取负值。
f.当流入氧量os超过d的贫油侧极限值osobjl时，设为流入氧量os达到了贫油运转时的目标值，为了切换至富油运转而将空燃比切换参数kosfb设定为“1”。
同样地，当流入氧量os低于富油侧极限值osobjr时，设为流入氧量os达到了富油运转时的目标值，为了切换至贫油运转而将空燃比切换参数kosfb设定为“-1”。
通过以上的设定，空燃比切换参数kosfb在每次流入氧量os达到贫油运转时或富油运转时的目标值时，如图8的(a)所示，在“1”与“-1”之间交替地切换。
在图7的步骤21中如上所述地生成了摄动信号后，在步骤22中，计算目标当量比kcmd。该计算根据空燃比切换参数kosfb来设定贫油运转用及富油运转用的目标当量比kcmd，由此执行摄动控制，该计算例如如下所述地进行。
g.在空燃比切换参数kosfb为“1”时，在紧接从“-1”切换之后，将目标当量比kcmd设定为与理论空燃比相当的值1.0，并且之后通过下式(6)更新目标当量比kcmd。
kcmd＝kcmd+δkcmd···(6)
在此，δkcmd为更新用的规定值。
通过反复进行基于该式(6)的更新，在空燃比切换参数kosfb为“1”时，目标当量比kcmd从值1.0逐渐增加，即空燃比逐渐向富油方向变化。另外，对增加后的目标当量比kcmd实施基于规定的上限值kcmdh的限制处理(参照图8的(b))。
h.另一方面，在空燃比切换参数kosfb为“-1”时，在紧接从“1”切换之后，将目标当量比kcmd设定为值1.0，并且之后利用δkcmd，通过下式(7)更新目标当量比kcmd。
kcmd＝kcmd－δkcmd···(7)
通过反复进行基于该式(7)的更新，在空燃比切换参数kosfb为“-1”时，目标当量比kcmd从值1.0逐渐减少，即空燃比逐渐向贫油方向变化。另外，对减少后的目标当量比kcmd实施基于规定的下限值kcmdl的限制处理(参照图8的(b))。
通过以上的计算出理，在摄动控制中，目标当量比kcmd如图8所示那样根据空燃比切换参数kosfb的值(图8的(a))，而如图8的(b)那样变化。另外，在摄动控制中，以使基于laf传感器27的检测当量比kact与所计算出的目标当量比kcmd一致的方式，计算上述式(1)的空燃比修正系数kaf，由此对空燃比进行反馈控制。
在图7的步骤22中如上述那样计算出目标当量比kcmd后，在步骤23中，执行劣化判定。该劣化判定基于在摄动控制中检测到的o2传感器输出svo2判定三元催化剂14a的劣化，例如如下所述地进行。
i.在摄动控制中，在o2传感器输出svo2超过比理论空燃比靠贫油侧的规定阈值的情况下，对其超过次数进行计数。
j.而且，在摄动控制中，当该超过次数没有达到规定次数时，设为o2传感器输出svo2处于如图6的(a)所示的状态，判定为三元催化剂14a是正常的。另一方面，当超过次数达到了规定次数时，设为o2传感器输出svo2处于图6的(b)所示的状态，判定为三元催化剂14a是异常的，为了通知该情况，例如使警告灯点亮。
如上所述，根据本实施方式，在三元催化剂的劣化判定中，禁止使燃料的喷射时期延迟的喷射时期延迟模式、及分为多次喷射燃料的分段喷射模式。由此，通过尽早结束燃料的喷射，能够抑制汽缸内的燃料的局部富油及由此导致的废气中的h2成分的增加，避免laf传感器27的误检测。其结果是，能够精度良好地进行与由laf传感器27检测到的检测当量比kact相应的摄动控制，因此，能够有效地避免由喷射时期的延迟及分段喷射引起的三元催化剂的劣化的误判定，提高其判定精度。
此外，本发明不限定于所说明的实施方式，能够以各种方式实施。例如，在实施方式中构成为，在发动机1处于冷机状态时，根据发动机转速ne及吸入空气量gair适当地使用燃料的喷射时期的延迟和燃料的分段喷射，并且，在三元催化剂的劣化判定中，喷射时期的延迟及分段喷射均被禁止。本发明不限于此，也可以是，在仅设定了喷射时期的延迟的情况下，在劣化判定中禁止喷射时期的延迟，或者也可以是，在仅设定了分段喷射的情况下，在劣化判定中禁止分段喷射。
另外，在实施方式中，作为劣化判定的对象的催化剂是三元催化剂，但只要是具有贮氧能力、且净化废气的催化剂即可，也可以是例如nox催化剂。而且，在实施方式中，在三元催化剂14a、14b之间配置有o2传感器28，即在o2传感器28的下游侧设有三元催化剂14b，但在o2传感器28的下游侧没有设置三元催化剂的情况下，也能够适用本发明。
另外，在实施方式中，发动机是车辆用的发动机，但本发明不限于此，也能够适用于车辆用以外的发动机、例如将曲轴铅直地配置的船外机等那样的船舶推进器用发动机中使用的排气净化用的催化剂。此外，在本发明的主旨的范围内，能够适当变更细节部的结构。