氧传感器的响应性诊断方法及废气净化系统与流程

1.本公开涉及监测内燃机的空燃比的氧传感器的响应性诊断方法及废气净化系统。


背景技术：

2.作为内燃机的废气净化装置，已知有nox吸留还原型催化剂(lean nox trap：以下称为“lnt”)(例如，参照专利文献1)。lnt在废气的空燃比为稀空燃比的状态下，吸留废气中的nox，在废气的空燃比为浓空燃比的状态下，使该吸留的nox与废气中的co或hc等反应，还原为氮气等无害的气体而释放。关于lnt，例如在专利文献1、2等中有记载。
3.lnt中，一般为了检测废气的空气过剩率(λ)而设置有氧传感器。由氧传感器检测的空气过剩率(λ)可根据λ＝(实际的混合气体的空燃比/理论空燃比)来求出。内燃机的发动机控制部基于由氧传感器检测出的空气过剩率(λ)和作为目标的空燃比即目标平均空燃比，对发动机进行控制。顺便说一下，在柴油发动机的控制中，尤其是在浓空燃比时(lnt还原时)，进行以空气过剩率(λ)为指标的发动机控制。关于氧传感器以及使用了氧传感器的发动机的控制，例如在专利文献3等中有记载。
4.如上所述，氧传感器在发动机的空燃比的控制中发挥重要的作用，因此，需要一直监视其响应性能是否正常。作为诊断氧传感器的响应性能的方法，有如下方法：对燃料切断时(q切断时)的氧传感器的输出值的变化进行评价。具体而言，测量从切断燃料起到氧传感器的输出值达到规定值为止的时间，该时间越长则越诊断为响应性已降低。
5.现有技术文献
6.专利文献
7.专利文献1：日本特开2017
‑
203409号公报
8.专利文献2：日本特开2019
‑
007424号公报
9.专利文献3：日本特开2011
‑
185097号公报


技术实现要素：

10.发明要解决的问题
11.可是，上述的氧传感器的诊断方法以观测由于燃料切断而导致氧浓度急剧上升时的氧传感器的响应性为基本原理。然而，燃料切断时的氧浓度的变化幅度本来就较小，因此，若简单地基于燃料切断时的氧传感器的输出值来诊断氧传感器的响应性，则有时难以进行可靠性高的诊断。
12.例如，假设燃料切断前的废气氧浓度为10％左右，且燃料切断后的废气氧浓度为21％左右。如果废气氧浓度是上述假设的废气氧浓度，则能够确保燃料切断时的氧浓度的变化幅度，因此不会有问题。但是，燃料切断前的废气氧浓度很大程度地取决于驾驶员的油门操作等。例如，如果燃料切断前的废气氧浓度远远低于10％，则燃料切断时的废气氧浓度的变化会较大，因而响应性诊断的可靠性会较高，但是，例如，如果燃料切断前的废气氧浓度远远高于10％，则燃料切断时的废气氧浓度的变化会较小，因而响应性诊断的可靠性会
较低。
13.具体而言，若燃料切断时的废气氧浓度的变化较小，则氧传感器的输出值从燃料切断时起到达到规定值为止的时间在氧传感器的响应性良好的情况下与在响应性不好的情况下基本没有变化，其结果，对响应性的评价变得困难，诊断的可靠性降低。
14.为了避免这样的情况，可以考虑，只是在燃料切断时的废气氧浓度的变化较大时，例如，只是在燃料切断前的废气氧浓度远远低于10％时，进行响应性诊断。但是，若是这样，响应性诊断的频次就会变少，因而结果还是会导致响应性诊断的可靠性降低。
15.本公开的目的在于，提供能够提高氧传感器的响应性诊断的可靠性的、氧传感器的响应性诊断方法及废气净化系统。
16.解决问题的方案
17.本公开的一个方式的氧传感器的响应性诊断方法包括以下步骤：
18.输入第一检测结果和第二检测结果的步骤，所述第一检测结果是设置于nox吸留还原型催化剂的上游侧的第一氧传感器的检测结果，所述第二检测结果是设置于所述nox吸留还原型催化剂的下游侧的第二氧传感器的检测结果；
19.在所述nox吸留还原型催化剂从稀燃控制转移到浓燃控制时或从浓燃控制转移到稀燃控制时，求出所述第一检测结果及所述第二检测结果各自从第一值减少到第二值所需的减少时间或从第三值增加到第四值所需的增加时间的步骤；以及
20.基于所述第一检测结果的所述减少时间与所述第二检测结果的所述减少时间的差、或所述第一检测结果的所述增加时间与所述第二检测结果的所述增加时间的差，来判断所述第一氧传感器及所述第二氧传感器的响应性的步骤。
21.本公开的一个方式的废气净化系统具备：
22.nox吸留还原型催化剂；
23.第一氧传感器，设置于所述nox吸留还原型催化剂的上游侧；
24.第二氧传感器，设置于所述nox吸留还原型催化剂的下游侧；
25.输入部，输入第一检测结果和第二检测结果，所述第一检测结果是所述第一氧传感器的检测结果，所述第二检测结果是所述第二氧传感器的检测结果；
26.减少/增加时间计算部，在所述nox吸留还原型催化剂从稀燃控制转移到浓燃控制时或从浓燃控制转移到稀燃控制时，求出所述第一检测结果及所述第二检测结果各自从第一值减少到第二值所需的减少时间或从第三值增加到第四值所需的增加时间；以及
27.判断部，基于所述第一检测结果的所述减少时间与所述第二检测结果的所述减少时间的差、或所述第一检测结果的所述增加时间与所述第二检测结果的所述增加时间的差，来判断所述第一氧传感器及所述第二氧传感器的响应性。
28.发明效果
29.根据本公开，由于采用了对nox吸留还原型催化剂的上游侧和下游侧的氧传感器的输出值的减少或增加所需的时间的差分进行比较的方式，因此能够提高氧传感器的响应性诊断的可靠性。
附图说明
30.图1是表示应用实施方式的氧传感器的响应性诊断方法的废气净化系统的主要部
分的结构的图，
31.图2是用于实现实施方式的氧传感器的响应性能的诊断的ecu(electronic control unit，电子控制单元)的功能框图，
32.图3是表示燃料过量供给(rich spike)时的氧传感器的检测结果的波形图，
33.图4是放大了图3的波形图中的从稀燃控制向浓燃控制转移的区间(转移区间1)附近的波形的图，
34.图5是一方的氧传感器的响应性已降低的情况下的波形图，
35.图6是表示由ecu执行的诊断处理步骤的流程图。
具体实施方式
36.下面，参照附图对实施方式详细地进行说明。
37.<1>废气净化系统的结构
38.图1是表示应用本实施方式的氧传感器的响应性诊断方法的废气净化系统100的主要部分的结构的图。本实施方式中，作为一例，对在柴油发动机10的废气净化系统100中应用本公开的氧传感器的响应性诊断方法的方式进行说明。但是，本实施方式的氧传感器的响应性诊断方法不限于应用于柴油发动机10的废气净化系统100，也可以应用于汽油发动机的废气净化系统。
39.废气净化系统100搭载于例如卡车等车辆，对发动机10的废气中的nox进行净化。
40.发动机10包括例如燃烧室及在燃烧室内喷射燃料的燃料喷射装置而构成。发动机10通过在燃烧室内使燃料与空气的混合气体燃烧并膨胀，来产生动力。在发动机10上连接有向燃烧室内导入空气的进气管20、以及将从燃烧室排出的燃烧后的废气向车辆的外部排出的排气管30。
41.废气净化系统100具有lnt(lean nox trap，稀燃nox捕集器)101、dpf(diesel particulate filter，柴油机微粒过滤器)102、scr(selective catalytic reduction，选择还原型催化剂)103和ecu(electronic control unit，电子控制单元)110。另外，实际上，废气净化系统100也具有尿素水喷射装置等其他结构，但是，图1中省略了这些结构。
42.lnt101在废气的空燃比为稀空燃比的状态下吸留废气中的nox。而且，lnt101在废气的空燃比为浓空燃比的状态下使该吸留的nox与废气中的co或hc等反应，而还原为氮气等无害的气体进行释放。需要说明的是，lnt101若接近饱和状态则能够吸留nox的效率降低。因此，由ecu110监视lnt101的nox的吸留状态，定期地执行lnt101的再生(也称为“燃料过量供给”)。
43.dpf102捕集废气中包含的颗粒物质。
44.scr103吸附从尿素水喷射装置(未图示)供给的尿素水进行水解得到的氨，并且利用该吸附的氨从废气中选择性地将nox还原净化。
45.ecu110对废气净化系统100的动作进行控制。ecu110对发动机10的燃料喷射装置的喷射进行控制。另外，ecu110基于lnt101的nox的吸留状态的信息，进行用于实现燃料过量供给的浓燃控制等。
46.ecu110包括例如cpu(central processing unit，中央处理器)、rom(read only memory，只读存储器)、ram(random access memory，随机存取存储器)、输入端口及输出端
口等而构成。ecu110的后述的各功能通过例如由cpu参照rom、ram等中存储的控制程序及各种数据来实现。但是，当然，该功能不限于通过基于软件的处理来实现，也可以通过专用的硬件电路来实现。
47.需要说明的是，ecu110进行尿素水喷射装置(未图示)等的状态的获取及对尿素水喷射装置等的控制。另外，ecu110从设置于lnt101上游侧的氧传感器121、设置于lnt101下游侧的氧传感器122、或未图示的其他传感器获取传感器信息，并基于该传感器信息检测在排气管30中流过的废气的状态、lnt101的状态、dpf102的状态和scr103的状态等。
48.<2>本实施方式的氧传感器的响应性诊断
49.ecu110具有诊断氧传感器121、122的响应性能的功能。
50.图2表示用于实现本实施方式的氧传感器的响应性能的诊断的ecu110的功能框图。如上述那样，该功能可以通过软件来实现，也可以通过专用的硬件电路来实现。
51.图3是表示燃料过量供给时的氧传感器121、122的检测结果λ1、λ2的波形图。
52.图4是放大了图3的波形图中的从稀燃控制向浓燃控制转移的区间(转移区间1)附近的波形的图。
53.如图2所示，ecu110具有输入部111、减少/增加时间计算部112和判断部113。
54.输入部111输入氧传感器121的检测结果λ1、氧传感器122的检测结果λ2。
55.减少/增加时间计算部112在lnt101从稀燃控制转移到浓燃控制时(对应于图3的转移区间1)、或从浓燃控制转移到稀燃控制时(对应于图3的转移区间2)，求出检测结果λ1、λ2各自从第一值x1(图4)减少到第二值x2(图4)所需的减少时间δt1、δt2、或从第三值x3增加到第四值x4所需的增加时间δt3、δt4。
56.在此，优选地，上述的值x1和x2是在如下范围内尽可能彼此远离的值，该范围是转移区间1中的检测结果λ1、λ2两者均存在的范围。同样地，优选地，上述的值x3和x4是在如下范围内尽可能彼此远离的值，该范围是转移区间2中的检测结果λ1、λ2两者均存在的范围。本实施方式中，作为一例，设定为x1＝1.4，并设定为x2＝1.1。
57.需要说明的是，显而易见，增加时间δt3、δt4也能够与减少时间δt1、δt2同样地求出，因此，在附图中，仅示出了值x1、x2及减少时间δt1、δt2。
58.判断部113基于检测结果λ1的减少时间δt1与检测结果λ2的减少时间δt2的差|δt1
‑
δt2|、或检测结果λ1的增加时间δt3与检测结果λ2的增加时间δt4的差|δt3
‑
δt4|，来判断氧传感器121、122的响应性。判断部113将判断结果输出到例如车辆的显示仪(未图示)等。
59.图6是表示由ecu110执行的诊断处理步骤的流程图。
60.ecu110在步骤s1中判断lnt101是否已从稀燃控制转移到了浓燃控制，或者，是否已从浓燃控制转移到了稀燃控制。在此，ecu110掌握着在什么时刻进行燃料过量供给，因此也掌握着从稀燃控制向浓燃控制的转移时刻、以及从浓燃控制向稀燃控制的转移时刻。顺便说一下，通常，每30分钟进行数次燃料过量供给。由此，本实施方式的响应性诊断也是每30分钟进行数次。其中，该次数根据lnt101的nox的吸留状态等而改变。
61.ecu110若在步骤s1中得到肯定结果，则向步骤s2推进。在步骤s2中，ecu110的减少/增加时间计算部112如图4所示那样，根据检测值λ1计算δt1，根据检测值λ2计算δt2。
62.在接下来的步骤s3中，ecu110的判断部113将减少时间δt1与减少时间δt2的差|
δt1
‑
δt2|与规定的阈值th1进行比较。判断部113在差|δt1
‑
δt2|低于阈值th1的情况下(步骤s3：“否”)，转移到步骤s4，判断为氧传感器121、122的响应性正常。
63.相对于此，判断部113在差|δt1
‑
δt2|为阈值th1以上的情况下(步骤s3：“是”)，转移到步骤s5。判断部113在步骤s5中，对δt1和δt2的大小进行比较。判断部113在判断为δt1比δt2大的情况下(步骤s5：“是”)，转移到步骤s6，判断为氧传感器121的响应性已降低。另一方面，判断部113在步骤s5中得到否定结果的情况下(步骤s5：“否”)，转移到步骤s7，判断为氧传感器122的响应性已降低。
64.在此，如步骤s4那样判断为氧传感器121、122的响应性正常的情况，是例如得到了图4所示那样的λ1、λ2的情况。另一方面，如步骤s7那样判断为氧传感器122的响应性已降低的情况，是例如得到了图5所示那样的λ1、λ2的情况。即，λ2的斜率较为平缓的情况。需要说明的是，虽然未图示，但如步骤s6那样判断为氧传感器121的响应性已降低的情况，是λ1的斜率较为平缓的情况。
65.顺便说一下，在图4等中，相较于上游侧的氧传感器121的检测结果λ1，下游侧的氧传感器122的检测结果λ2在时间轴上稍微向延迟的方向偏移，这是因为，氧传感器122设置于比氧传感器121更靠下游侧的位置，废气移动该距离需要时间。
66.<3>总结
67.如以上说明的那样，根据本实施方式，基于两个氧传感器121、122的减少或增加所需的时间δt1、δt2(δt3、δt4)的差分|δt1、δt2|(|δt3、δt4|)对响应性已降低的氧传感器的有无进行比较，并且，在差分为阈值th1以上的情况下，判断为减少或增加所需的时间更长的一方的氧传感器的响应性已降低，由此，能够提高氧传感器的响应性诊断的可靠性。
68.在此，上述的实施方式的氧传感器的响应性诊断方法是以不存在lnt101的上游侧及下游侧的氧传感器这两者的响应性同时降低且降低的程度相同的情况为前提的。在这样的前提下，通过比较两个氧传感器的检测结果，来查找响应性已降低的氧传感器。
69.但是，根据图3及图4等可知，在浓燃控制区间，若lnt101的再生推进，则下游侧的氧传感器122的检测结果λ2的值也会下降。也就是说，与浓燃控制的开始时间点的λ2的值相比，结束时间点的λ2的值变小。其结果，与针对减少时设定的x1、x2相比，能够将针对增加时设定的x3、x4设为彼此更远离的值。也就是说，能够设为(x1
‑
x2)<(x3
‑
x4)。
70.考虑到这些，更优选的是，在从浓燃控制转移到稀燃控制时，执行在上述的实施方式中所说明的使用差分的响应性的诊断。当然，在上述的实施方式中所说明的使用差分的响应性的诊断，可以在从稀燃控制转移到浓燃控制时和从浓燃控制转移到稀燃控制时这两个时机中的任意一个时机执行，或者在从稀燃控制转移到浓燃控制时和从浓燃控制转移到稀燃控制时这两个时机均执行。
71.而且，由于在很多情况下氧传感器121、122的传感器特性在从浓燃控制转移到稀燃控制时、与从稀燃控制转移到浓燃控制时不同，因此，考虑到这一点，更优选的是，在从稀燃控制转移到浓燃控制时和从浓燃控制转移到稀燃控制时这两个时机均执行。由此，能够进一步提高响应性诊断的诊断精度。
72.上述的实施方式不过是示出实施本公开时的具体的一例，不以这些来限定性地解释本公开的技术范围。即，对于本公开，只要不脱离其主旨或其主要的特征，可以以各种各
样的方式来实施。
73.在上述的实施方式中，对在燃料过量供给时执行本公开的氧传感器的响应性诊断方法的情况进行了叙述，但是，本公开的氧传感器的响应性诊断方法例如也可以在燃料切断时(q切断时)执行。
74.本技术主张基于在2019年3月8日提交的日本专利申请特愿2019
‑
042439号的优选权。该申请的说明书及附图中记载的内容全部引入本技术说明书中。
75.工业实用性
76.本公开作为对设置于废气净化系统的氧传感器进行响应性诊断的方法及装置是适宜的。
77.附图标记说明
78.10发动机
79.20进气管
80.30排气管
81.100废气净化系统
82.101lnt(lean nox trap，稀燃nox捕集器)
83.102dpf(diesel particulate filter，柴油机微粒过滤器)
84.103scr(selective catalytic reduction，选择还原型催化剂)
85.110：ecu(electronic control unit，电子控制单元)
86.111输入部
87.112减少/增加时间计算部
88.113判断部
89.121、122氧传感器