催化剂劣化判断系统及催化剂劣化判断方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于判断催化剂的劣化程度的系统，其中所述催化剂用于对未燃 烧的烃气体进行氧化或吸附。
【背景技术】
[0002] 在现有技术中，关于汽车用的尾气净化系统的OBD(功能判断），即关于在该系统中 用于判断催化剂是否在正常工作的功能，以汽车厂商为核心，申请了数量众多的专利，其大 部分采用尾气温度传感器、氧传感器、宽域氧浓度传感器(λ传感器）、Ν0χ传感器、PM传感器， 判断对象为三效催化剂、氧化催化剂、NOx储存催化剂、NOx选择性还原催化剂、柴油烟灰捕 集过滤器(DPF)(例如，参照专利文献1至专利文献5)。
[0003] 另一方面，作为汽车尾气检测用的烃气体传感器(HC传感器），研究开发了各种各 样原理、类型的产品。例如，能够选择性地检测出可以适用于沸石催化剂中NOx的净化控制 的大分子量的HC(烃）的半导体型的HC传感器已经被人们所公知(例如，参照专利文献6)。作 为HC传感器，其他的接触燃烧型、氧浓度差检测型、极限电流型、混合电位型的产品等被广 泛所知，数量众多的专利被申请，并在公历2000年前后达到顶峰。
[0004]但却是设想将这些HC传感器主要用在搭载于理论当量比（空气过剩率λ=1)燃烧 或稀薄燃烧(稀燃模式，λ>1)的汽油机的尾气净化装置(TWC:三效催化剂，NSC = NOx储存催化 剂)的净化性能检查或柴油发动机中未燃烧的烃喷射量的控制等中。 现有技术文献 专利文献
[0005] 专利文献1:日本特开2001-263048号公报 专利文献2:日本特开2005-240716号公报 专利文献3:日本特开2012-036860号公报 专利文献4:日本特开2012-241594号公报 专利文献5:日本特开平7-103039号公报 专利文献6:日本特许第2876793号公报
【发明内容】
发明所要解决的课题
[0006] 进入公历2010年代，在北美加强了对尾气的限制，在其中，针对柴油发动机车辆的 氧化催化剂的OBD在将来会义务化。具体来说，相对于柴油发动机用的氧化催化剂，在作为 柴油发动机的排气气氛的〇2 (氧）过剩气氛下，有必要实施以匪HC (Nom Methane Hy droCarbon:非甲烷烃)为对象的OBD 〇
[0007] 但是，如专利文献1至专利文献5所公开的在使用现有技术中公知的传感器方法的 情况下，存在无法应对这种OBD，或者仅仅能够间接地进行判断的问题。
[0008] 例如，专利文献1中公开了利用如下关系性的方法，在氧化催化剂中未燃烧的烃的 变换(氧化燃烧)性能降低的情况下，发热能量也降低。简单来说，在配置于排气路径中的氧 化催化剂前后(上游侧及下游侧）的尾气温度传感器上，测量燃料喷射时产生的温度差ΛΤ， 根据该值来间接判断氧化催化剂中未燃烧的烃的变换(氧化燃烧)性能的劣化程度。
[0009] 但是，在这种方法的情况下，存在实际使用时的尾气温度及尾气流量的变化导致 误差因子过大的问题、或用于促进发热的燃料喷射量较大，从而无法避免燃料效率差的问 题。
[0010] 另外，专利文献2中公开了利用如下情况的方法，在氧化催化剂中未燃烧的烃的变 换性能降低的情况下，氧化燃烧时的氧的消耗量会发生变化。简单来说，基于配置在排气路 径中的氧化催化剂前后的两个宽域氧浓度传感器(λ传感器)的输出值AFJR的差Λλ或者两 个氧传感器的输出值（电动势值）的差，测量氧化催化剂中氧的消耗量，根据该值的变化来 间接判断氧化催化剂上未燃烧的烃的变换性能的劣化程度。
[0011 ]但是，相对于O2过剩气氛的柴油排气中的氧浓度为10% ( = 1000 OOppm)的情况，氧 化催化剂所变换的（使其氧化燃烧)烃的量(浓度)通常为数百ppm，使这种微量的烃燃烧的 情况下所消耗的氧的量(浓度）只不过最多数百ppm。这种情况即意味着为了利用空燃比传 感器或氧传感器判断氧化催化剂的劣化，需要精确地算出相当于ppm级的氧的消耗量变化 的Λλ或电动势差，但原本在空燃比传感器及氧传感器上，无法获得达到此程度的测量精 度。
[0012]另外，专利文献3中公开了如下方法，关于对NO进行氧化制成NO2的氧化催化剂，在 排气路径上将NOx传感器配置在该氧化催化剂的下游侧，基于其输出值（电动势值)与预先 规定的图，对氧化催化剂的劣化程度进行判定。
[0013]但是，通过这种方法即使能够判断氧化催化剂的NO氧化性能，但无法将这样的判 断结果适用于未燃烧的烃的变换(氧化燃烧)性能的判断上。其原因在于，由于相对于各种 气体(例如，HC、C0、N0等），贵金属催化剂及吸藏材料的功能不同，因此各气体中的尾气温度 与变换率(氧化性能）的关系也不相同，在它们之间不存在明确的相关性。
[0014]此外，由于将推断值用于发动机刚排出的尾气中的NOx值或者在设定这种推断值 时，没有考虑发动机转速及发动机负载之外的要素等，因此可以知晓根据使用状况也有推 断精度显著降低的可能性。
[0015] 另外，专利文献4中公开了如下方法，将尾气温度传感器与λ传感器一并配置在氧 化催化剂的前后，基于从氧化催化剂在正常时的HC吸藏能量的推断值得到的必要氧量与基 于传感器的输出值而计算的氧化催化剂实际消耗的氧的量即实际氧消耗量的推断值，判断 氧化催化剂的劣化程度。
[0016] 但是，这种方法仅仅不过是基于推断值进行判断，存在无法避免来自各传感器的 信号的误差的影响，判断精度低的问题。
[0017] 另外，专利文献5中公开了以汽油机的TWC或NSC为判断对象的系统。在专利文献5 中，对于O2过剩状态下柴油排气中的氧化催化剂判断没有做任何公开。
[0018] 本发明是鉴于上述课题而提出的，其目的在于提供一种能够精确地对氧化催化剂 的劣化程度进行判断的方法。 用于解决课题的技术方案
[0019] 为解决上述课题，第一方案是一种如下的对催化剂的劣化程度进行判断的催化剂 劣化判断系统，该催化剂设置在内燃机的排气路径上，对含有来自于所述内燃机的排气中 所含的烃气体及一氧化碳气体的至少一者的对象气体进行氧化或吸附，所述催化剂劣化判 断系统的特征在于，具备： 温度传感器，其设置在所述排气路径中所述催化剂的上游侧，且在所述上游侧测量含 有所述对象气体的所述排气的温度； 第一气体传感器，其设置在所述排气路径中所述催化剂的下游侧，且在所述下游侧检 测所述对象气体，并输出与所述对象气体的浓度相应的输出值;以及 控制单元，其用于判断所述催化剂的劣化， 规定的存储部中保存有预先确定的阈值数据，所述阈值数据由对应于催化剂温度的阈 值构成，所述阈值为用于催化剂劣化判断的值， 所述控制单元至少基于所述第一气体传感器中的所述输出值、根据所述温度传感器中 的测量值而确定的所述催化剂的温度、及所述阈值数据中对应于该催化剂温度的所述阈 值，对所述催化剂的劣化程度进行判断。
[0020] 第二方案是根据第一方案所述的催化剂劣化判断系统，其特征在于，将所述催化 剂的上游侧的所述对象气体的浓度表示为Nu，将所述催化剂的下游侧的所述对象气体的浓 度表示为Nl时，将使用由变换率（％ ) = 100 X (Nu-Nl )/Nu的计算式定义的变换率作为指标 值，来表示所述催化剂中发生的氧化或吸附的程度，所述阈值是基于所述计算式而确定的。
[0021] 第三方案是根据第二方案所述的催化剂劣化判断系统，其特征在于，所述催化剂 中所容许的所述变换率的范围即容许变换率范围，是预先根据所述催化剂可取的温度而确 定的，并且，在所述阈值数据中，针对所述催化剂的可取温度，将通过把该温度下所述容许 变换率范围的下限值与进行所述催化剂的劣化判断时所述催化剂的上游侧所述对象气体 可取的浓度范围即上游侧气体浓度范围的上限值代入所述计算式中所算出的所述Nl的值 规定为所述阈值，在基于所述第一气体传感器中的所述输出值所确定的所述催化剂的下游 侧的所述对象气体的浓度为小于等于所述阈值的情况下，判断为所述催化剂中没有发生超 过容许的程度的劣化，在基于所述第一气体传感器中的所述输出值所确定的所述催化剂的 下游侧的所述对象气体的浓度大于所述阈值的情况下，判断为所述催化剂中发生了超过容 许程度的劣化。
[0022]第四方案是根据第二方案所述的催化剂劣化判断系统，其特征在于，所述内燃机 响应来自所述控制单元的喷射指示，能有意地生成含有浓度比所述内燃机处于稳定运转状 态时的所述对象气体的浓度更高的对象气体的判断用气体气氛，所述催化剂中所容许的所 述变换率的范围即容许变换率范围，是预先根据所述催化剂可取的温度及劣化判断时所述 催化剂的上游侧所述对象气体可取的浓度范围而确定的，并且，在所述阈值数据中，针对所 述催化剂的可取温度，将通过把该温度下所述容许变换率范围的下限值与所述内燃机处于 稳定运转状态时所述催化剂的所述上游侧所述对象气体可取的浓度范围即稳定时上游侧 气体浓度范围的上限值代入所述计算式中所算出的所述Nl的值规定为第一所述阈值，并 且，将通过把该温度下所述容许变换率范围的下限值与所述判断用气体气氛在所述上游侧 可取的浓度范围即判断时上游侧气体浓度范围的上限值代入所述计算式中而算出的所述 Nl的值规定为第二所述阈值， 可选择性地实施如下的第一劣化判断和第二劣化判断中的一方或双方： 所述第一劣化判断，在所述内燃机处于稳定运转状态下的任意时点可实施，基于所述 第一气体传感器中的所述输出值、根据所述温度传感器中的测量值所确定的该时点上所述 催化剂的温度、及所述阈值数据所记录的该催化剂的温度下的所述第一所述阈值，来判断 所述催化剂中的劣化程度;所述第二劣化判断，在使所述判断用气体气氛导入至所述催化 剂之后实施，基于在所述判断用气体从所述催化剂排出的时点上所述第一气体传感器中的 所述输出值、根据所述温度传感器中的测量值所确定的所述判断用气体气氛在导入时点上 所述催化剂的温度、及与该时点上所述催化剂的温度相对应的所述第二所述阈值，判断所 述催化剂的劣化程度。
[0023]第五方案是根据第一至第四方案中的任一个所述的催化剂劣化判断系统，其特征 在于，所述第一气体传感器是混合电位型烃气体传感器，所述混合电位型烃气体传感器的 检测电极为Pt-Au合金电极，且所述检测电极中的催化活性被失效。
[0024]第六方案是根据第一方案所述的催化剂劣化判断系统，其特征在于，所述催化剂 劣化判断系统还具备第二气体传感器，该第二气体传感器设置在所述排气路径上所述催化 剂的上游侧，用于在所述上游侧检测所述对象气体，并输出与所述对象气体的浓度对应的 输出值，所述控制单元基于所述第一气体传感器及所述第二气体传感器中的所述输出值、 根据所述温度传感器中的测量值所确定的所述催化剂的温度、及所述阈值数据中对应于该 催化剂温度的所述阈值，判断所述催化剂的劣化程度。
[0025] 第七方案是根据第六方案所述的催化剂劣化判断系统，其特征在于，将所述催化 剂的上游侧的所述对象气体的浓度表示为Nu，将所述催化剂的下游侧的所述对象气体的浓 度表示为Nl时，将使用变换率（％ ) = 100 X (Nu-Nl)/Nu的计算式定义的变换率作为指标值， 来表示所述催化剂中发生的氧化或吸附的程度，在此情况下，所述催化剂中所容许的所述 变换率的范围即容许变换率范围，是预先根据所述催化剂的可取温度而确定的，并且，在所 述阈值数据中，针对所述催化剂的可取温度，将该温度下所述容许变换率范围的下限值规 定为所述阈值，在基于所述第一气体传感器及所述第二气体传感器中的所述输出值算出的 变换率小于所述阈值的情况下，判断为所述催化剂中发生了超过容许的程度的劣化。
[0026] 第八方案是根据第六或第七方案所述的催化剂劣化判断系统，其特征在于，所述 第一气体传感器及所述第二气体传感器是混合电位型的烃气体传感器，所述混合电位型烃 气体传感器的检测电极为Pt-Au合金电极，且所述检测电极中的催化活性被失效。
[0027] 第九方案是一种如下的催化剂劣化判断方法，其用于对催化剂的劣化程度进行判 断，该催化剂设置在内燃机的排气路径上，对含有来自于所述内燃机的排气中所含的烃气 体及一氧化碳气体中的至少一者的对象气体进行氧化或吸附，所述催化剂劣化判断方法的 特征在于，实施如下工序： 阈值数据保存工序:将预先确定的阈值数据保存于规定的存储部中，所述阈值数据由 对应于催化剂温度的阈值构成，所述阈值为用于催化剂劣化判断的值;温度测量工序:在所 述排气路径的所述催化剂的上游侧，通过温度传感器测量含有所述对象气体的所述排气的 温度;第一气体检测工序:在所述排气路径的所述催化剂的下游侧通过第一气体传感器检 测所述对象气体，并将与所述对象气体的浓度相应的输出值输出；以及判断工序:至少基于 所述第一气体传感器中的所述输出值、基于所述温度传感器中的测量值所确定的所述催化 剂的温度、及该催化剂的温度下的所述阈值，判断所述催化剂中的劣化程度。
[0028] 第十方案是根据第九方案所述的催化剂劣化判断方法，其特征在于，将所述催化 剂的上游侧的所述对象气体的浓度表示为Nu，将所述催化剂的下游侧的所述对象气体的浓 度表示为Nl时，将使用变换率（％ ) = 100 X (Nu-Nl)/Nu的计算式定义的变换率作为指标值， 来表示所述催化剂中发生的氧化或吸附的程度，所述阈值是基于所述计算式而确定的。
[0029] 第十一方案是根据第十方案所述的催化剂劣化判断方法，其特征在于，所述催化 剂中所容许的所述变换率的范围即容许变换率范围，是预先根据所述催化剂的可取温度而 确定的，并且， 在所述阈值数据中，针对所述催化剂的可取温度，将通过把该温度下所述容许变换率 范围的下限值、及进行所述催化剂的劣化判断时在所述催化剂的上游侧所述对象气体可取 的浓度范围即上游侧气体浓度范围的上限值代入所述计算式中所算出的所述Nl的值规定 为所述阈值，在所述判断工序中，在基于所述第一气体传感器中的所述输出值而确定的所 述催化剂的下游侧的所述对象气体的浓度小于等于所述阈值的情况下，判断为所述催化剂 中没有发生超过容许的程度的劣化，在基于所述第一气体传感器中的所述输出值而确定的 所述催化剂的下游侧的所述对象气体的浓度大于所述阈值的情况下，判断为所述催化剂中 发生了超过容许的程度的劣化。
[0030] 第十二方案是根据第九方案所述的催化剂劣化判断方法，其特征在于，所述催化 剂劣化判断方法还包括第二气体检测工序，在所述排气路径的所述催化剂的上游侧通过第 二气体传感器检测所述对象气体，并输出与所述对象气体的浓度相应的输出值，基于所述 第一气体传感器及所述第二气体传感器中的所述输出值、根据所述温度传感器中的测量值 而确定的所述催化剂的温度、及该催化剂的温度下的所述阈值，判断所述催化剂的劣化程 度。
[0031] 第十三方案是根据第十二方案所述的催化剂劣化判断方法，其特征在于，将所述 催化剂的上游侧的所述对象气体的浓度表示为Nu，将所述催化剂的下游侧的所述对象气体 的浓度表示为Nl时，在将使用变换率（％ ) = 100 X (Nu-Nl )/Nu的计算式定义的变换率作为 指标值，来表示所述催化剂中氧化或吸附的程度的情况下，所述催化剂中所容许的所述变 换率的范围即容许变换率范围，是预先根据所述催化剂的可取温度而确定的，并且，在所述 阈值数据中，针对所述催化剂的可取温度，将该温度下所述容许变换率范围的下限值规定 为所述阈值，在所述判断工序中，在基于所述第一气体传感器及所述第二气体传感器中的 所述输出值算出的变换率大于等于所述阈值的情况下，判断为所述催化剂中没有发生超过 容许程度的劣化，在基于所述第一气体传感器及所述第二气体传感器中的所述输出值算出 的变换率小于所述阈值的情况下，判断为所述催化剂发生了超过容许程度的劣化。
[0032] 第十四方案是根据第九至第十三方案中的任一个记述的催化剂劣化