CN105556084A - 诊断装置 - Google Patents

Abstract

一种诊断装置，高精度地进行DOC的劣化诊断。具备：DOC(15)，将排气中的HC及NO氧化；SCR(22)，对排气中含有的NOx进行还原净化；NOx净化率运算部(41)，基于SCR(22)的上游侧及下游侧的NOx值，运算低温侧NOx净化率和高温侧NOx净化率；HC发热率运算部(42)，至少基于DOC(15)的上游侧及下游侧的排气热量差，运算HC净化率；以及劣化判定部(45)，基于运算出的低温侧NOx净化率、高温侧NOx净化率及HC净化率，判定DOC(15)的NO₂生成性能的劣化。

Description

诊断装置

技术领域

本发明涉及诊断装置，特别涉及在内燃机的排气***中设置的氧化催化剂的劣化诊断。

背景技术

作为柴油发动机等的排气***中设置的排气净化催化剂，已知有将排气中含有的烃(HC)、一氧化碳(CO)氧化、而且将一氧化氮(NO)氧化而生成二氧化氮(NO₂)的氧化催化剂(DieselOxidationCatalyst：DOC)。此外，还已知将对尿素水进行加水分解而生成的氨(NH₃)作为还原剂来将排气中的氮化合物(NOx)选择性地还原净化的选择性还原催化剂(SelectiveCatalyticReduction：SCR)等。

在SCR中，排气中含有的NO和由上游侧的DOC生成的NO₂的比率成为约1：1时，特别是在低温区NOx的净化被促进。即，若DOC的NO氧化能力(NO₂生成性能)因经时劣化等而降低，则有可能会给SCR的NOx净化率带来影响。因此，要求在车载状态(On-Board)下诊断DOC的劣化状态。

例如专利文献1中公开了如下技术：对在SCR的下游侧设置的NOx传感器的检测值乘以排气中含有的NO₂相对于NO的比率来推测NO₂值，由此判定DOC的劣化状态。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：特开2012-36860号公报

发明内容

发明所要解决的技术课题

然而，由于很难直接通过传感器来检测排气中含有的NO₂，因此如上述的现有技术那样对NOx传感器的检测值乘以NO₂的比率来进行推测。然而，排气中的NO₂相对于NO的比率随着运转状态而变化，因此在根据NOx传感器的检测值推测NO₂值来诊断DOC的劣化的技术中，可能无法进行高精度的诊断。

本发明的诊断装置的目的在于，高精度地进行DOC的劣化诊断。

解决课题所采用的技术手段

本发明的诊断装置具备：氧化催化剂，设置于内燃机的排气***，至少将排气中的烃及一氧化氮氧化；选择性还原催化剂，设置于比所述氧化催化剂靠下游侧的排气***，将氨作为还原剂对排气中含有的NOx进行还原净化；第1净化率运算单元，基于所述选择性还原催化剂的上游侧及下游侧的NOx值，在所述选择性还原催化剂的催化剂温度处于规定的低温区时运算低温侧NOx净化率，并且在所述选择性还原催化剂的催化剂温度处于规定的高温区时运算高温侧NOx净化率；第2净化率运算单元，至少基于所述氧化催化剂的上游侧及下游侧的排气热量差，运算所述氧化催化剂的烃净化率；以及判定单元，基于运算出的所述低温侧NOx净化率、所述高温侧NOx净化率及所述烃净化率，判定所述氧化催化剂的劣化。

发明的效果：

根据本发明的诊断装置，能够高精度地进行DOC的劣化诊断。

附图说明

图1是表示应用了本发明的一个实施方式的诊断装置的发动机的吸排气***的整体构成示意图。

图2是说明通过将供给至DOC的HC氧化而进行能量保存的示意图。

图3是说明由强制对流的影响引起的DOC的热损失的侧视示意图。

图4是在上游侧的DOC为正常的状态和劣化的状态下比较SCR的NOx净化率的图。

图5中，(a)是比较正常的DOC和劣化的DOC的NO氧化能力(NO₂生成性能)的图，(b)是比较正常的DOC和劣化的DOC的HC氧化能力(HC净化性能)的图。

图6是表示本实施方式的诊断装置的控制内容的流程图。

图7是表示应用了其他实施方式的诊断装置的发动机的吸排气***的整体构成示意图。

具体实施方式

以下，基于附图说明本发明的一个实施方式的诊断装置。对相同的部件赋予相同的符号，其名称及功能也相同。因此，不对它们进行重复的详细说明。

如图1所示，柴油发动机(以下简称发动机)10中设置有吸气歧管10a和排气歧管10b。吸气歧管10a上连接着导入新气的吸气通路11，排气歧管10b上连接着将排气向大气放出的排气通路12。

吸气通路11中，从吸气上游侧起依次设置有空气滤清器30、MAF传感器31、增压机的压缩机32a、中冷器33。排气通路12中，从排气上游侧起依次设置有增压机的涡轮32b、前段后处理装置14、后段后处理装置20。另外，在图1中，符号36表示外界空气温度传感器。

前段后处理装置14在圆筒状的催化剂壳体14a内从排气上游侧起依次配置DOC15和DPF16而构成。此外，在DOC15的上游侧设置有排气管内喷射装置13，在DOC15的上游侧设置有DOC入口温度传感器18，在DOC15的下游侧设置有DOC出口温度传感器19。进而，在DPF16的前后，设置有用于检测DPF16的上游侧与下游侧的压差的压差传感器17。

排气管内喷射装置13根据从电子控制单元(以下记作ECU)40输出的指示信号，向排气通路12内喷射未燃燃料(HC)。另外，在使用基于发动机10的多级喷射的后喷射的情况下，也可以省略该排气管内喷射装置13。

DOC15例如是在堇青石蜂窝(cordieriteHoneycomb)构造体等的陶瓷制载体表面上担载催化剂成分而形成的。DOC15通过排气管内喷射装置13或者后喷射而被供给未燃烧的HC后，将其氧化而使排气温度上升。此外，DOC15将废气中的NO氧化而生成NO₂，从而使排气中的NO₂相对于NO的比率增加。

DPF16例如是沿着排气的流动方向配置由多孔质分隔壁划分出的多个单元格、并将这些单元格的上游侧和下游侧交替地封闭而形成的。DPF16将排气中的PM捕获到分隔壁的细孔或表面上，并且在PM堆积量达到规定量时执行将其燃烧除去的所谓的强制再生。通过排气管内喷射装置13或者后喷射向DOC15供给未燃燃料(HC)，将向DPF16流入的排气温度升温至PM燃烧温度(例如约600℃)，由此来进行强制再生。PM堆积量能够根据压差传感器17的传感器值来求出。

DOC入口温度传感器18检测向DOC15流入的上游侧的排气温度(以下记作DOC入口排气温度)。DOC出口温度传感器19检测从DOC15流出的下游侧的排气温度(以下记作DOC出口排气温度)。这些温度传感器18、19的检测值被输出至电连接的ECU40。

后段后处理装置20从排气上游侧起依次具备尿素水喷射装置21和配置在圆筒状壳体20a内的SCR22而构成。此外，在SCR22的上游侧设置有SCR入口温度传感器23及SCR入口NOx传感器24，并且在SCR22的下游侧设置有SCR出口NOx传感器25。

尿素水喷射装置21根据从ECU40输出的指示信号，向位于前段后处理装置14与后段后处理装置20之间的排气通路12内喷射未图示的尿素水箱内的尿素水。喷射出的尿素水通过排气热而进行加水分解，生成NH₃，作为还原剂被供给至下游侧的SCR22。

SCR22例如是在蜂窝构造体等的陶瓷制载体表面上担载沸石等而形成的。SCR22吸附作为还原剂被供给的NH₃，并且通过所吸附的NH₃从流过的废气中将NOx还原净化。

SCR入口温度传感器23检测向SCR22流入的上游侧的排气温度(以下记作SCR入口排气温度)。SCR入口NOx传感器24检测向SCR22流入的排气中的NOx值。SCR出口NOx传感器25检测从SCR22流出的排气中的NOx值。这些传感器23～25的检测值被输出至电连接的ECU40。

ECU40进行发动机10、排气管内喷射装置13、尿素水喷射装置21等的各种控制，具备公知的CPU、ROM、RAM、输入端口、输出端口等而构成。此外，ECU40具有HC发热率运算部41、DOC劣化判定部42和NOx净化率判定部43来作为一部分功能要素。说明了这些各功能要素被包含在作为一体硬件的ECU40中的情况，但是也可以将这些各功能要素中的任意一部分设置于分体的硬件中。

NOx净化率运算部41是本发明的第1净化率运算单元的一个例子，基于以下的数式1，运算SCR22的低温侧NOx净化率NC_LOW％、高温侧NOx净化率NC_HIGH％。低温侧NOx净化率NC_LOW％在由SCR入口温度传感器23取得的SCR入口排气温度例如处于180～280度的范围内时被运算。此外，高温侧NOx净化率NC_HIGH％在由SCR入口温度传感器23取得的SCR入口排气温度例如超过280度时被运算。

[数式1]

${\mathrm{NC}}_{\%}=\frac{\mathrm{\Σ}({\mathrm{NOx}}_{in}-{\mathrm{NOx}}_{out})}{{\mathrm{\ΣNOx}}_{in}}$

在数式1中，NOx_in是向SCR22流入的排气中的NOx值，由SCR入口NOx传感器24取得。此外，NOx_OUT是从SCR22流出的排气中的NOx值，由SCR出口NOx传感器25取得。

HC发热率运算部42是本发明的第2净化率运算单元的一个例子，运算DPF16的强制再生时在DOC15内被氧化的HC的发热率(净化率)。以下，对发热率的详细的推测运算步骤进行说明。

如图2所示，在强制再生时从排气管内喷射装置13供给至DOC15的HC的实际发热量C_act通过对DOC15的上游侧的排气能量Q_in与下游侧的排气能量Q_out的排气能量差ΔQ加上从DOC15向外界空气放出的热损失量Q_lost而得到。

上游侧的排气能量Q_in基于以下的数式2来运算，下游侧的排气能量Q_out基于以下的数式3来运算。

[数式2]

Q_in＝c_exh·m_exh·T_{DOC_in}

[数式3]

Q_out＝c_exh·m_exh·T_{DOC_out}

在数式2、3中，c_exh表示排气比热容。此外，m_exh为排气流量，根据MAF传感器31的检测值及发动机10的燃料喷射量等来取得。另外，排气流量m_exh也可以是直接从排气流量传感器(未图示)等取得。T_{DOC_in}为DOC15的入口排气温度，由DOC入口温度传感器18来取得。T_{DOC_out}为DOC15的出口排气温度，由DOC出口温度传感器19来取得。

热损失量Q_lost能够假定为由自然对流引起的热损失量Q_natural和由强制对流引起的热损失量Q_forced的总和(Q_lost＝Q_natural+Q_forced)。

由自然对流引起的热损失量Q_natural基于以下的数式4来运算。

[数式4]

Q_natural＝h_n·A_s·(T_{DOC_brick}-T_ambient)

在数式4中，A_s表示DOC15的外周面(或者，催化剂壳体14a的设置有DOC15的部分的外周面)的有效面积。T_{DOC_brick}为DOC15的内部温度，作为DOC入口排气温度T_{DOC_in}与DOC出口排气温度T_{DOC_out}的平均值来取得。T_ambient为外界空气温度，由外界空气温度传感器36来取得。h_n为自然对流的热传递率，能够从以下的数式5得到。

[数式5]

$h_n=\frac{{\mathrm{Nu}}_n\·k}{L_n}$

在数式5中，k表示空气的热传导率。L_n为DOC15的代表长度，与DOC15的容量等相应地适当设定。Nu_n表示自然对流的努塞尔数。

一般来讲，DOC15为圆柱状，而且收容DOC15的催化剂壳体14a形成为大致圆筒状。因此，可以认为DOC15内产生的氧化热经由这些DOC15及催化剂壳体14a的圆筒外周面的整面向外界空气散热。假定为由自然对流引起的散热从轴心朝向水平方向的圆筒外周面的整面进行传递时，努塞尔数Nu_n能够从以下的数式6得到，其中，Gr是格拉斯霍夫数，Pr是普朗特数。

[数式6]

Nu_n＝0.53×(Gr·Pr)^0.25

由强制对流引起的热损失量Q_forced基于以下的数式7来运算。

[数式7]

Q_forced＝h_f·A_f·(T_{DOC_brick}-T_ambient)

在数式7中，A_f表示DOC15的外周面(或者，催化剂壳体14a的设置有DOC15的部分的外周面)的有效面积。T_{DOC_brick}为DOC15的内部温度，作为DOC入口排气温度T_{DOC_in}与DOC出口排气温度T_{DOC_out}的平均值来取得。T_ambient为外界空气温度，由外界空气温度传感器36来取得。h_f为强制对流的热传递率，能够从以下的数式8得到。

[数式8]

$h_f=\frac{{\mathrm{Nu}}_f\·k}{L_f}$

在数式8中，L_f为DOC15的代表长度，与DOC15的容量等相应地适当设定。Nu_f表示强制对流的努塞尔数。

如图3所示，一般来讲，收容DOC15的催化剂壳体14a被固定在车体的车架S的下部，在其前方配置有变速器TM等。因此，行驶时从车体前方向下部流入的行驶风能够假定为仅给DOC15(或者催化剂壳体14a)的下表面部带来影响的平板紊流。即，强制对流的努塞尔数Nu_f能够从对平板紊流热传递式求解而导出的以下的数式9得到。

[数9]

Nu_f＝0.037×Re^0.8×Pr^0.33

在数式9中，Re表示雷诺数。雷诺数Re能够从以下的数式10得到，该数式10中，v是空气的平均速度，ρ是空气密度，L是DOC15的代表长度，μ是动粘性系数。

[数10]

$\mathrm{Re}=\frac{v.\mathrm{\ρ}.L}{\mathrm{\μ}}$

HC发热率运算部41通过对基于上述的数式2运算出的上游侧的排气能量Q_in与基于上述的数式3运算出的下游侧的排气能量Q_out的排气能量差ΔQ，加上基于上述的数式4～10运算出的热损失量Q_lost，来运算强制再生时的DOC15内的HC实际发热量C_act。然后，通过将HC实际发热量C_act除以排气管内喷射(或者后喷射)的理论发热量C_theo，来运算DOC15内的HC实际发热率C_ACT％。

NOx净化率判定部43是本发明的判定单元的一个例子，基于由NOx净化率运算部41运算出的低温侧NOx净化率NC_LOW％及高温侧NOx净化率NC_HIGH％，判定SCR22中的NOx净化率的下降。更详细地讲，ECU40中存储有预先通过实验等求出的、向SCR22流入的排气中的NO及NO₂在DOC15正常的情况下的NOx净化率阈值NC_STD％(例如，图4的实线)。NOx净化率判定部43在低温侧NOx净化率NC_LOW％与NOx净化率阈值NC_STD％之差ΔNC_LOW％、以及高温侧NOx净化率NC_HIGH％与NOx净化率阈值NC_STD％之差ΔNC_HIGH％达到规定的上限阈值ΔNC_MAX时，将这些低温侧及高温侧的NOx净化率判定为下降。

HC净化率判定部44是本发明的判定单元的一个例子，基于由HC发热率运算部42运算出的HC实际发热率C_ACT％，判定DOC15中的HC净化率的下降。更详细地讲，在ECU40中存储有预先通过实验等求出的、在DOC15内规定量的HC被大致完全地氧化的情况下的HC发热率阈值C_STD％。HC净化率判定部44在HC实际发热率C_ACT％与HC发热率阈值C_STD％之差ΔC_％达到规定的上限阈值ΔC_MAX时，将DOC22的HC净化率判定为下降。

劣化判定部45是本发明的判定单元的一个例子，基于NOx净化率判定部43的NOx净化率的判定结果、以及HC净化率判定部44的HC净化率的判定结果，判定DOC15的NO₂生成性能的劣化。以下，对详细的劣化的判定步骤进行说明。

一般来讲，在SCR22中，如果配置在上游侧的DOC15的NO氧化能力(NO₂生成性能)下降，则如图4所示，特别是在低温区(例如180～280度)NOx净化性能下降。另一方面，在高温区(例如280以上)NOx净化性能处于不降低的倾向。即，在低温侧NOx净化率NC_LOW％下降而高温侧NOx净化率NC_HIGH％未下降的情况下，推测为SCR22为正常而DOC15的NO₂生成性能降低。

此外，一般来讲，在DOC15中，若如图5(a)所示那样NO₂生成性能下降，则如图5(b)所示那样，HC氧化能力(HC净化率)也同样处于下降的倾向。即，在由于DOC15劣化而HC实际发热率C_ACT％下降的情况下，推测为NO₂生成性能也附随地下降。

劣化判定部45在〔条件1〕低温侧NOx净化率NC_LOW％下降、〔条件2〕高温侧NOx净化率NC_HIGH％未下降、〔条件3〕HC净化率(HC实际发热率C_ACT％)下降这3个条件成立的情况下，将DOC15的NO₂生成性能判定为劣化状态。

接下来，基于图6对本实施方式的诊断装置的控制流程进行说明。

在步骤(以下将步骤仅记作S)100中，判定由SCR入口温度传感器23取得的SCR入口排气温度T_{SCR_in}是否达到了低温判定温度(例如180度)。进而，在S110中，判定SCR入口排气温度T_{SCR_in}是否超过了高温判定温度(例如280度)。

在S110中为“否”的情况下，SCR入口排气温度T_{SCR_in}处于低温判定温度和高温判定温度(例如，180～280度)的范围内，因此前进至S120，运算低温侧NOx净化率NC_LOW％。另一方面，在S110中为“是”的情况下，SCR入口排气温度T_{SCR_in}超过280度，因此前进至S130，运算高温侧NOx净化率NC_HIGH％。

在S140中，判定SCR22的低温侧NOx净化率NC_LOW％是否下降。在“否”的情况下，推测为DOC15及SCR22均正常，因此，本控制被返回。

在S150中，判定SCR22的高温侧NOx净化率NC_HIGH％是否下降。在“是”的情况下(低温侧净化率及高温侧净化率均下降)推测为SCR22的劣化等，因此在S160中将SCR22判定为异常而被返回。另一方面，在“否”的情况下，推测为仅低温侧NOx净化率NC_LOW％下降而SCR22是正常的，因此，为了判定DOC15的劣化而前进至S170。

在S170中，确认是否执行了DPF16的强制再生。在执行了强制再生的情况下(是)，前进至S180。

在S180中，运算DOC15的HC实际发热率C_ACT％(HC净化率)，在S190中，判定HC净化率是否下降。在“否”的情况下，认为是DOC15的劣化以外的因素，因此本控制被返回。另一方面，在“是”的情况下，〔条件1〕低温侧NOx净化率NC_LOW％下降(S140)、〔条件2〕高温侧NOx净化率NC_HIGH％正常(S150)、〔条件3〕HC实际发热率C_ACT％下降(S190)这3个条件成立。即，推测为SCR22正常、DOC15伴随着HC净化性能的下降而NO₂生成性能也下降的状态。本控制前进至S200，将DOC15的NO₂生成性能判定为劣化，然后返回。

接下来，对本实施方式的诊断装置的作用效果进行说明。

以往，很难直接通过传感器来检测排气中含有的NO₂值，DOC的NO₂生成性能是基于对NOx传感器等的检测值乘以排气中的NO₂比而得到的推测值等来进行诊断的。然而，排气中的NO与NO₂的比率随着发动机的运转状态等而变化，因此，在使用根据NOx传感器的检测值推测出的NO₂值的手法中，可能无法正确地诊断出DOC的劣化。

与此相对，在本实施方式的诊断装置中，不推测流过DOC15的排气中的NO₂值，而是基于〔条件1〕低温侧NOx净化率NC_LOW％、〔条件2〕高温侧NOx净化率NC_HIGH％、〔条件3〕HC实际发热率C_ACT％中3个条件来诊断DOC15的NO₂生成性能。

因此，根据本实施方式的诊断装置，能够不受运转状态的变化的影响等而高精度地诊断DOC15的NO₂生成性能。

此外，在本实施方式的诊断装置中，基于对DOC15的上游侧及下游侧的排气能量差ΔQ加上向外界空气的热损失量Q_lost而得到的HC实际发热量C_act，判定DOC15的HC净化率。

因此，根据本实施方式的诊断装置，能够运算考虑了向外部的热损失量Q_lost的高精度的HC实际发热量C_act，与仅基于排气能量差ΔQ来判定HC净化率的降低的情况相比，能够有效地提高判定精度。

另外，本发明不限于上述的实施方式，能够在不脱离本发明的主旨的范围内适当变形来实施。

例如图7所示，也能够应用于在前段后处理装置14中仅具备DOC15而省略了DPF16及排气管内喷射装置13的构造中。该情况下，省略图6所示的流程图的S170(DPF强制再生)、执行发动机10的后喷射等即可。此外，发动机10不限于柴油发动机，也能够广泛地应用于汽油发动机等其他内燃机。

符号的说明

10发动机

15DOC(氧化催化剂)

22SCR(选择性还原催化剂)

40ECU

41NOx净化率运算部(第1净化率运算单元)

42HC发热率运算部(第2净化率运算单元)

43NOx净化率判定部(判定单元)

44HC净化率判定部(判定单元)

45劣化判定部(判定单元)

Claims (5)

1.一种诊断装置，具备：

氧化催化剂，设置于内燃机的排气***，至少将排气中的烃及一氧化氮氧化；

选择性还原催化剂，设置于比所述氧化催化剂靠下游侧的排气***，将氨作为还原剂对排气中含有的NOx进行还原净化；

第1净化率运算单元，基于所述选择性还原催化剂的上游侧及下游侧的NOx值，在所述选择性还原催化剂的催化剂温度处于规定的低温区时运算低温侧NOx净化率，并且在所述选择性还原催化剂的催化剂温度处于规定的高温区时运算高温侧NOx净化率；

第2净化率运算单元，至少基于所述氧化催化剂的上游侧及下游侧的排气热量差，运算所述氧化催化剂的烃净化率；以及

判定单元，基于运算出的所述低温侧NOx净化率、所述高温侧NOx净化率及所述烃净化率，判定所述氧化催化剂的劣化。

2.如权利要求1记载的诊断装置，

所述判定单元在所述低温侧NOx净化率下降、所述高温侧NOx净化率正常、而且所述烃净化率下降的情况下，将所述氧化催化剂的二氧化氮的生成性能判定为劣化。

3.如权利要求1或2记载的诊断装置，

所述第2净化率运算单元基于对所述氧化催化剂的上游侧及下游侧的排气热量差加上从所述氧化催化剂向外界空气放出的热损失量而得到的烃发热量，运算所述烃净化率。

4.如权利要求3记载的诊断装置，

所述第2净化率运算单元基于包含自然对流的热传递率的第1模型式及包含强制对流的热传递率的第2模型式，运算所述热损失量。

5.如权利要求4记载的诊断装置，

所述氧化催化剂被收容在设置于车体下部的筒状的催化剂壳体内，

所述强制对流的热传递率基于将强制对流假定为给所述催化剂壳体的下表面带来影响的平板紊流时的努塞尔数来设定。