DE112007001052B4

DE112007001052B4 - Vorrichtung zum Erfassen einer Katalysatorverschlechterung

Info

Publication number: DE112007001052B4
Application number: DE112007001052T
Authority: DE
Inventors: Keiichiro Aoki
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-06-27
Filing date: 2007-06-05
Publication date: 2013-04-18
Anticipated expiration: 2027-06-06
Also published as: CN101479452A; US20090288391A1; JP2008008158A; CN101479452B; DE112007001052B8; DE112007001052T5; JP4844257B2; WO2008001584A1

Abstract

Vorrichtung zum Erfassen einer Katalysatorverschlechterung, umfassend: einen Katalysator (30), der in einem Abgaspfad eines Verbrennungsmotors (10) angeordnet ist; einen Sauerstoffsensor (36), der stromabwärts von dem Katalysator (30) angeordnet ist; ein Mittel zum Erfassen eines Zustands maximaler Sauerstoffspeicherung, das entsprechend einer Ausgabe des Sauerstoffsensors (36) einen Zustand maximaler Sauerstoffspeicherung erfasst, bei dem ein stromabwärts von dem Katalysator (30) ausströmendes Abgas Sauerstoff im Überschuss enthält; ein Mittel zum Erfassen eines Zustands minimaler Sauerstoffspeicherung, das entsprechend einer Ausgabe des Sauerstoffsensors (36) einen Zustand mit minimaler Sauerstoffspeicherung erfasst, bei dem einem stromabwärts von dem Katalysator (30) ausströmenden Abgas Sauerstoff fehlt; ein Mittel zum Steuern eines fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, das eine Steuerung ausführt, um ein fettes Luft-Kraftstoff-Verhältnis für den Verbrennungsmotor (10) während eines Zeitraums der Sauerstofffreisetzung von dem Zeitpunkt an bereitzustellen, an dem der Zustand mit maximaler Sauerstoffspeicherung erfasst wird, bis zu dem Zeitpunkt, bei dem später der Zustand mit minimaler...

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen einer Katalysatorverschlechterung und besonders eine Vorrichtung zum Erfassen des Verschlechterns eines Katalysators, der das Abgas eines Verbrennungsmotors reinigt.
Stand der Technik
Ein Katalysator zur Abgasreinigung ist in einem Abgaspfad eines in einem Fahrzeug befestigten Verbrennungsmotors angeordnet. Der Katalysator kann eine geeignete Menge an Sauerstoff speichern. Wenn das von dem Katalysator zu reinigende Abgas HC, CO und andere unverbrannte Bestandteile enthält, oxidiert der von dem Katalysator gespeicherte Sauerstoff solche unverbrannten Bestandteile. Wenn das Abgas zum anderen NOx und andere Oxide enthält, reduziert der Katalysator solche Oxide. Der resultierende Sauerstoff wird dann in dem Katalysator gespeichert.
Der in dem Abgaspfad angeordnete Katalysator reinigt das Abgas, wie vorstehend beschrieben, durch Oxidieren oder Reduzieren der Bestandteile des Abgases. Das Reinigungsvermögen des Katalysators hängt daher stark von dem Sauerstoffspeichervermögen desselben ab. Eine Abnahme des Reinigungsvermögens des Katalysators, das heißt ein Verschlechtern des Katalysators, kann durch Erfassen des Sauerstoffspeichermögens des Katalysators, das heißt die maximale Menge an Sauerstoff, die von dem Katalysator gespeichert werden kann, beurteilt werden.
Eine herkömmliche Vorrichtung, die zum Beispiel in der JP-A-2003-97334 offenbart ist, erfasst das Sauerstoffspeichervermögen eines in einem Abgaspfad eingebauten Katalysators, indem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis einer einem Verbrennungsmotor zuzuführenden Luft-Kraftstoff-Mischung erzwungen kraftstoffreich oder kraftstoffarm eingestellt wird. Wenn eine Steuerung zum Anfetten des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses der Luft-Kraftstoff-Mischung durchgeführt wird, enthält das dem Katalysator zugeführte Abgas HC, CO und andere unverbrannte Bestandteile, die einen Mangel an Sauerstoff aufweisen. Wenn dem Katalysator ein solches Abgas zugeführt wird, setzt er den gespeicherten Sauerstoff zum Oxidieren von HC und CO für Abgasreinigungszwecke frei. Wenn dieser Zustand jedoch längere Zeit andauert, setzt der Katalysator den gesamten Sauerstoff frei und kann kein HC und CO mehr oxidieren. Der resultierende Zustand wird im Folgenden als „Zustand mit minimaler Sauerstoffspeicherung” bezeichnet.
Wenn andererseits ein Steuern zum Abmagern des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses der Luft-Kraftstoff-Mischung durchgeführt wird, enthält das dem Katalysator zugeführte Abgas, einschließlich NOx, Sauerstoff im Überschuss. Wenn dem Katalysator ein solches Abgas zugeführt wird, speichert der Katalysator den überschüssigen Sauerstoff in dem Abgas, um NOx und dergleichen für Abgasreinigungszwecke zu reduzieren. Wenn dieser Zustand jedoch längere Zeit andauert, speichert der Katalysator Sauerstoff bis zu seinem gesamten Sauerstoffspeichervermögen und kann nicht länger NOx und dergleichen reduzieren. Der resultierende Zustand wird im Folgenden als „Zustand mit maximaler Sauerstoffspeicherung” bezeichnet.
Die vorstehend beschriebene herkömmliche Vorrichtung führt eine Steuerung durch, um ein fettes oder mageres Luft-Kraftstoff-Verhältnis für die Luft-Kraftstoff-Mischung bereitzustellen, so dass sich der Zustand mit minimaler Sauerstoffspeicherung und der Zustand mit maximaler Sauerstoffspeicherung wiederholt einstellen. Diese Vorrichtung bestimmt das Sauerstoffspeichervermögen des Katalysators, indem sie die Menge des von dem Katalysator während eines Übergangs von dem Zustand mit minimaler Sauerstoffspeicherung zu dem Zustand mit maximaler Sauerstoffspeicherung gespeicherten Sauerstoffs bestimmt, oder indem sie die Menge des von dem Katalysator während eines Übergangs von dem Zustand mit maximaler Sauerstoffspeicherung zu dem Zustand mit minimaler Sauerstoffspeicherung freigesetzten Sauerstoffs bestimmt. Ob der Katalysator normal oder verschlechtert ist, wird beurteilt, indem bestimmt wird, ob das Sauerstoffspeichervermögen größer als ein vorgegebener Beurteilungswert ist.
Ferner wird das Zeitintervall des Umschaltens zu einem mageren oder fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis entsprechend einer erzwungenen Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses während des vorstehend angegebenen Erfassens des Sauerstoffspeichervermögens durch Erfassen einer Änderung zu einem fetten oder mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis des aus dem Katalysator ausgetragenen Abgases beurteilt. Genauer gesagt kann der Katalysator, wenn er den Zustand mit minimaler Sauerstoffspeicherung erreicht, keine fetten Bestandteile in dem Abgas oxidieren. Das aus dem Katalysator ausgetragene Abgas enthält daher große Mengen an HC und CO. Als Folge davon ändert sich die Ausgabe des stromabwärts von dem Katalysator eingebauten Sauerstoffsensors, um anzuzeigen, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis kraftstoffreich ist. Wenn der Katalysator zum anderen den Zustand mit maximaler Sauerstoffspeicherung erreicht, kann er keine mageren Bestandteile in dem Abgas reduzieren. Das aus dem Katalysator ausgetragene Abgas enthält daher eine große Menge an NOx. Als Folge davon ändert sich die Ausgabe des stromabwärts von dem Katalysator eingebauten Sauerstoffsensors, um anzuzeigen, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis kraftstoffarm ist.
Wenn sich die Ausgabe des Sauerstoffsensors auf einen Wert ändert, der angibt, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mager oder fett ist, kann daher geschlossen werden, dass der Katalysator den Zustand mit maximaler oder minimaler Sauerstoffspeicherung erreicht hat. Wenn sich die Ausgabe des stromabwärts von dem Katalysator eingebauten Sauerstoffsensors zu einem mageren oder fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis ändert, folgert die vorstehend beschriebene herkömmliche Vorrichtung daher, dass das Zeitintervall zum Umschalten des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses gekommen ist und schaltet zum Zwecke der Steuerung zu einem fetten oder mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis um.
In der DE 102 32 385 A1 werden ein Katalysatorverschlechterungserfassungsgerät und Verfahren offenbart. Ofeenbarungsgemäß sind ein stromaufwärtiger Katalysator und ein stromabwärtiger Katalysator in einem Abgaskanal angeordnet. Ein erster Sauerstoffsensor ist zwischen diesen beiden Katalysatoren angeordnet und ein zweiter Sauerstoffsensor ist stromabwärtig von dem stromabwärtigen Katalysator angeordnet. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis schwankt zwangsweise und die Sauerstoffspeicherfähigkeit des stromaufwärtigen Katalysators wird erfasst. Die Verschlechterung des stromaufwärtigen Katalysators wird dann auf der Grundlage dessen erfasst, ob die Sauerstoffspeicherfähigkeit größer als ein vorbestimmter Wert ist. Die erzwungene Schwankung des Luft- ECU Kraftstoff-Verhältnisses wird lediglich dann ausgeführt, wenn der Sauerstoffspeicherzustand des stromabwärtigen Katalysators geeignet ist. Bei diesem Gerät wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Gemisches von mager nach fett umgeschaltet, nachdem der Katalysator den Sauerstoffmaximalzustand erreicht hat, und von fett nach mager umgeschaltet, nachdem der Katalysator den Sauerstoffminimalspeicherzustand erreicht hat. Eine bestimmte Zeitspanne nach dem Umschalten des Katalysators von mager nach fett beginnt das Abgas mit einer überschüssigen Sauerstoffmenge in den Katalysator zu strömen, welcher im Sauerstoffmaximalspeicherzustand ist. Als ein Ergebnis strömt nicht gereinigtes Abgas mit einer überschüssigen Sauerstoffmenge stromabwärtig von dem Katalysator während dieser Zeitspanne heraus. In ähnlicher Weise strömt eine bestimmte Zeitspanne nach dem Umschalten des Katalysators von fett nach mager Abgas mit einem Mangel an Sauerstoff stromabwärtig von dem Katalysator heraus, welcher im Sauerstoffminimalspeicherzustand ist.
In der US 2002/0 152 743 A1 wird ein Abgasreinigungssystem für eine Brennkraftmaschine offenbart und im Einzelnen eine Abgasreinigungsvorrichtung für einen Motor, die einen ersten Katalysator aufweist, vorgesehen in dem Motorauslassrohr, einem zweiten Katalysators, vorgesehen stromab des ersten Katalysators, einen vorderen NF-Sensor, der ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis, das in den ersten Katalysator strömt, erfasst, einen ersten hinteren NF-Sauerstoffsensor, der das Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder eine Sauerstoffkonzentration erfasst, das aus dem ersten Katalysator strömt, einen zweiten hinteren NF-Sauerstoffsensor, der das Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder die Sauerstoffkonzentration, das aus dem zweiten Katalysator strömt, erfasst, und einen Mikroprozessor, programmiert, um eine Sauerstoffspeichermenge des ersten Katalysators bei dem erfassten Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder die Sauerstoffkonzentration zu berechnen, um ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines Motors auf der Grundlage der berechneten Sauerstoffspeichermenge zu steuern, so dass die Sauerstoffspeichermenge des ersten Katalysators eine Zielmenge ist, und um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf der Grundlage des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses oder der Sauerstoffkonzentration, erfasst durch den zweiten hinteren NF- oder Sauerstoffsensor, zu steuern, so dass die Sauerstoffspeichermengen des ersten Katalysators und des zweiten Katalysators eine Zielmenge nach dem Betrieb bei einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis sind.
[Patentschrift 1]: JP-A-2003-97334
[Patentschrift 2]: DE 102 32 385 A1
[Patentschrift 3]: US 2002/0 152 743 A1
Offenbarung der Erfindung
Von der Erfindung zu lösendes Problem
Die Reaktion für die Ausgabe des Sauerstoffsensors ändert sich je nach der Durchflussmenge und der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases, der Temperatur des Abgases, der Temperatur des Sensorelements des Sauerstoffsensors, des Verschlechterns des Sauerstoffsensors selbst und verschiedenen anderen Bedingungen. Selbst wenn sich die stromabwärts von dem Katalysator vorherrschende Abgaskonzentration im gleichen Zeitintervall zu mager oder fett ändert, ändert sich deshalb das Zeitintervall, in dem der Sauerstoffsensor entsprechend eine Ausgabe erzeugt, um eine Abmagerung oder eine Anfettung anzuzeigen, je nach den Bedingungen des Zustands während des Erfassens. Da der Zustand mit maximaler oder minimaler Sauerstoffspeicherung erfasst wird, wenn der Sauerstoffsensor eine Ausgabe erzeugt, um eine Abmagerung oder eine Anfettung anzuzeigen, ändert die Änderung der Reaktion der Ausgabe des Sauerstoffsensors das Zeitintervall, in dem der Zustand mit maximaler oder minimaler Sauerstoffspeicherung erfasst wird.
Die vorstehend beschriebene herkömmliche Vorrichtung berechnet das Sauerstoffspeichervermögen entsprechend der Menge an während eines Übergangs zwischen dem Zustand mit maximaler Sauerstoffspeicherung und dem Zustand mit minimaler Sauerstoffspeicherung gespeichertem oder freigesetztem Sauerstoff (die Sauerstoffspeichermenge). Wenn sich das Zeitintervall des Erfassens des Zustands mit maximaler oder minimaler Sauerstoffspeicherung in Abhängigkeit von den Bedingungen für das Erfassen ändert, ändern sich daher die Sauerstoffspeichermenge und das entsprechend der Sauerstoffspeichermenge berechnete Sauerstoffspeichervermögen. Wenn die vorstehend beschriebene Änderung des Sauerstoffspeichervermögens zunimmt, ist denkbar, dass die Genauigkeit des Erfassens einer Katalysatorverschlechterung auf Basis des Sauerstoffspeichervermögens abnehmen kann. Für eine Erhöhung der Genauigkeit des Erfassens einer Katalysatorverschlechterung ist daher gewünscht, dass das Sauerstoffspeichervermögen mit einer erhöhten Genauigkeit erfasst wird, indem eine Änderung des Sauerstoffspeichervermögens in Abhängigkeit von den Bedingungen für das Erfassen verhindert wird.
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um das obige Problem zu lösen. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine verbesserte Vorrichtung zum Erfassen einer Katalysatorverschlechterung bereitzustellen, die das Sauerstoffspeichervermögen mit erhöhter Präzision berechnen und das Verschlechtern eines Katalysators selbst dann mit erhöhter Genauigkeit erfassen kann, wenn sich die Bedingungen für das Erfassen der Ausgabe eines Sauerstoffsensors ändern.
Mittel zum Lösen des Problems
Beim Erfüllen der obigen Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zum Erfassen einer Katalysatorverschlechterung bereitgestellt, umfassend: einen Katalysator, der in einem Abgaspfad eines Verbrennungsmotors angeordnet ist; einen Sauerstoffsensor, der stromabwärts von dem Katalysator angeordnet ist; ein Mittel zum Erfassen eines Zustands mit maximaler Sauerstoffspeicherung, das entsprechend einer Ausgabe des Sauerstoffsensors einen Zustand mit maximaler Sauerstoffspeicherung erfasst, wenn ein stromabwärts von dem Katalysator ausströmendes Abgas einen Überschuss an Sauerstoff enthält; ein Mittel zum Erfassen eines Zustands mit minimaler Sauerstoffspeicherung, das entsprechend einer Ausgabe des Sauerstoffsensors einen Zustand mit minimaler Sauerstoffspeicherung erfasst, wenn ein stromabwärts von dem Katalysator ausströmendes Abgas einen Mangel an Sauerstoff aufweist; ein Mittel zum Steuern eines fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, das eine Steuerung durchführt, um ein reiches Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis für den Verbrennungsmotor während der Dauer einer Sauerstofffreisetzung von dem Zeitpunkt, an dem der Zustand mit maximaler Sauerstoffspeicherung erfasst wird, bis zu dem Zeitpunkt, an dem später der Zustand mit minimaler Sauerstoffspeicherung erfasst wird, bereitzustellen; ein Mittel zum Steuern eines mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, das eine Steuerung durchführt, um ein mageres Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis für den Verbrennungsmotor während der Dauer einer Sauerstoffspeicherung von dem Zeitpunkt, an dem der Zustand mit minimaler Sauerstoffspeicherung erfasst wird, bis zu dem Zeitpunkt, an dem später der Zustand mit maximaler Sauerstoffspeicherung erfasst wird, bereitzustellen; ein Mittel zum Erfassen der Sauerstoffspeichermenge, das die Menge des von dem Katalysator während der Dauer der Sauerstofffreisetzung freigesetzten Sauerstoffs oder die Menge des von dem Katalysator während der Dauer der Sauerstoffspeicherung gespeicherten Sauerstoffs als eine Sauerstoffspeichermenge erfasst; ein Mittel zum Beurteilen einer Katalysatorverschlechterung, die das Verschlechtern des Katalysators entsprechend der Sauerstoffspeichermenge beurteilt; und ein Mittel zum Einstellen der Bedingungen für das Erfassen der Sauerstoffspeichermenge, das die Bedingungen für das Erfassen der Sauerstoffspeichermenge einstellt, um eine Änderung zu korrigieren, die während der Dauer der Sauerstofffreisetzung oder der Dauer der Sauerstoffspeicherung in Abhängigkeit eines Unterschieds der Bedingungen für das Erfassen der Ausgabe des Sauerstoffsensors auftreten kann.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Vorrichtung zum Erfassen einer Katalysatorverschlechterung so, wie in dem ersten Aspekt beschrieben, bereitgestellt, wobei sie ferner umfasst: eine Vorrichtung zum Erfassen einer Ansaugluftmenge, die die Ansaugluftmenge erfasst, die in den Verbrennungsmotor gesaugt wird, wobei die Vorrichtung zur Einstellung der Bedingungen für das Erfassen der Sauerstoffspeichermenge umfasst: ein Mittel zum Berechnen des Ausmaßes einer Änderung, das entsprechend der Ansaugluftmenge ein Ausmaß der Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses berechnet, das zum Ändern des aktuellen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zu dem fetten Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder zu dem mageren Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis erforderlich ist, wenn während der Dauer der Sauerstofffreisetzung oder der Dauer der Sauerstoffspeicherung eine Steuerung durchgeführt wird, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Verbrennungsmotors zu dem fetten Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder dem mageren Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu ändern; ein Mittel zum Beurteilen eines fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, das während der Dauer der Sauerstofffreisetzung beurteilt, ob ein fettes Luft-Kraftstoff-Verhältnis durch Subtrahieren des Ausmaßes der Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses von dem aktuellen Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis erhaltenes fettes Luft-Kraftstoff-Verhältnis größer als das fette Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist; ein Mittel zum Einstellen des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, das, wenn beurteilt wird, dass das fette Luft-Kraftstoff-Verhältnis größer als das fette Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, ein Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf das fette Luft-Kraftstoff-Verhältnis einstellt; ein Mittel zum Beurteilen eines mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, das während der Dauer der Sauerstoffspeicherung beurteilt, ob ein durch Addieren des Ausmaßes der Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zu dem aktuellen Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis erhaltenes mageres Luft-Kraftstoff-Verhältnis kleiner als das magere Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist; ein Mittel zum Einstellen des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, das, wenn beurteilt wird, dass das magere Luft-Kraftstoff-Verhältnis kleiner als das magere Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, ein Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf das magere Luft-Kraftstoff-Verhältnis einstellt.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Vorrichtung zum Erfassen einer Katalysatorverschlechterung so, wie sie in dem ersten Aspekt beschrieben ist, bereitgestellt, wobei die ferner umfasst: ein Mittel zum Erfassen der Temperatur eines Elements zum Erfassen der Temperatur eines Elements des Sauerstoffsensors; wobei das Mittel zum Einstellen der Bedingungen für das Erfassen der Sauerstoffspeichermenge umfasst: ein Mittel zum Einstellen eines fetten Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zum Einstellen des fetten Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis entsprechend der Temperatur des Elements; und ein Mittel zum Einstellen eines mageren Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zum Einstellen des mageren Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis entsprechend der Temperatur des Elements.
Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Vorrichtung zum Erfassen einer Katalysatorverschlechterung so, wie sie in dem dritten Aspekt beschrieben ist, bereitgestellt, wobei das Mittel zum Einstellen des fetten Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, wenn die Temperatur des Elements hoch ist, ein fettes Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis einstellt, das den Unterschied zwischen einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis und dem fetten Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis erhöht; und wobei das Mittel zum Einstellen des mageren Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, wenn die Temperatur des Elements höher ist, ein mageres Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis einstellt, das den Unterschied zwischen dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis und dem mageren Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis erhöht.
Gemäß einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Vorrichtung zum Erfassen einer Katalysatorverschlechterung so, wie sie in dem ersten Aspekt beschrieben ist, bereitgestellt, wobei das Mittel zum Einstellen der Bedingungen für das Erfassen der Sauerstoffspeichermenge ein Mittel zum Steuern der Temperatur eines Elements umfasst, das eine solche Steuerung während der Dauer der Sauerstofffreisetzung und der Dauer der Sauerstoffspeicherung ausübt, dass die Temperatur des Elements des Sauerstoffsensors mit einer Bezugstemperatur übereinstimmt, die höher als eine Aktivierungstemperatur ist.
Gemäß einem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Vorrichtung zum Erfassen einer Katalysatorverschlechterung so, wie sie in dem fünften Aspekt beschrieben ist, bereitgestellt, wobei die Bezugstemperatur zwischen 700°C und 750°C liegt.
Gemäß einem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Vorrichtung zum Erfassen einer Katalysatorverschlechterung so, wie sie in einem der ersten bis sechsten Aspekts beschrieben ist, bereitgestellt, ferner umfassend: ein Mittel zum Berechnen eines integrierten Werts zur Berechnung eines integrierten Werts entsprechend einer seit dem Beginn der Dauer der Sauerstofffreisetzung verstrichenen Zeit oder eines integrierten Werts entsprechend einer seit dem Beginn der Dauer der Sauerstoffspeicherung verstrichenen Zeit; ein Mittel zum Beurteilen des integrierten Werts, um zu beurteilen, ob der integrierte Wert kleiner als ein Bezugswert ist; und ein Mittel zum Verhindern eines Umschaltens des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, das, wenn der integrierte Wert kleiner als der Bezugswert ist, ein Umschalten der Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses von dem fetten Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu dem mageren Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder das Umschalten von dem mageren Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu dem fetten Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis verhindert.
Gemäß einem achten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Vorrichtung zum Erfassen einer Katalysatorverschlechterung so, wie sie in dem siebten Aspekt beschrieben ist, bereitgestellt, ferner umfassend: ein Mittel zum Erfassen einer Ansaugluftmenge zum Erfassen der Ansaugluftmenge, die in den Verbrennungsmotor gesaugt wird; wobei das Mittel zum Berechnen des integrierten Werts den integrierten Wert entsprechend der verstrichenen Zeit und der Ansaugluftmenge festsetzt.
Vorteile der Erfindung
Der erste Aspekt der vorliegenden Erfindung erfasst den Zustand mit maximaler Sauerstoffspeicherung und den Zustand mit minimaler Sauerstoffspeicherung, während gleichzeitig eine Steuerung durchgeführt wird, um das fette oder magere Luft-Kraftstoff-Verhältnis für den Verbrennungsmotor bereitzustellen. Der erste Aspekt der vorliegenden Erfindung bestimmt ferner die Sauerstoffspeichermenge, die die Menge des während der Dauer der Sauerstofffreisetzung oder der Dauer der Sauerstoffspeicherung zwischen dem Zustand mit maximaler Sauerstoffspeicherung und dem Zustand mit minimaler Sauerstoffspeicherung freigesetzten oder gespeicherten Sauerstoffs angibt, und beurteilt das Verschlechtern des Katalysators entsprechend der Sauerstoffspeichermenge. Der Zustand mit maximaler oder minimaler Sauerstoffspeicherung wird entsprechend der Ausgabe des stromabwärts von dem Katalysator eingebaut Sauerstoffsensors erfasst. Wenn sich die Ausgabe des Sauerstoffsensors in Abhängigkeit von einem Unterschied der Bedingungen für das Erfassen der Ausgabe des Sauerstoffsensors ändert, ändert sich das Erfassen des Zustand mit maximaler oder minimaler Sauerstoffspeicherung, wodurch sich die Dauer der Sauerstofffreisetzung oder die Dauer der Sauerstoffspeicherung ändert.
Diesbezüglich stellt der erste Aspekt der vorliegenden Erfindung die Bedingungen für das Erfassen der Sauerstoffspeichermenge zum Korrigieren einer Änderung ein, die während der Dauer der Sauerstofffreisetzung oder der Dauer der Sauerstoffspeicherung in Abhängigkeit von dem Unterschied der Bedingungen für das Erfassen der Ausgabe des Sauerstoffsensors auftreten kann. Dies ermöglicht, eine Änderung während der Dauer der Sauerstofffreisetzung und der Dauer der Sauerstoffspeicherung auszuschließen und die Sauerstoffspeichermenge genau zu bestimmen. Das Verschlechtern des Katalysators kann daher mit erhöhter Genauigkeit erfasst werden.
Wenn indessen zum Beispiel die Durchflussmenge oder die Strömungsgeschwindigkeit in einer Situation hoch sind, in der die Ansaugluftmenge groß ist, wird die Änderung pro Zeiteinheit der Konzentration von jedem Bestandteil in dem Abgas groß. Wenn die Ansaugluftmenge groß ist, reagiert der Sauerstoffsensor daher mit einer erhöhten Empfindlichkeit auf die Änderungen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Abgases und ändert seine Ausgabe mit erhöhtem Ansprechverhalten. Wenn sich das stromabwärts von dem Katalysator herrschende Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases zu einem mageren oder fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis ändert, ist die Reaktionsgeschwindigkeit, mit der der Sauerstoffsensor eine Ausgabe erzeugt, um eine solche Änderung anzuzeigen, wenn die Ansaugluftmenge groß ist, größer, als wenn die Ansaugluftmenge klein ist. Wenn die Ansaugluftmenge groß ist, wird der Zustand mit maximaler oder minimaler Sauerstoffspeicherung daher früher erfasst, als wenn die Ansaugluftmenge klein ist. Als Folge davon sind die Dauer der Sauerstofffreisetzung und die Dauer der Sauerstoffspeicherung, die Zeiträume zwischen dem Zustand mit maximaler Sauerstoffspeicherung und dem Zustand mit minimaler Sauerstoffspeicherung darstellen, kurz, wenn die Ansaugluftmenge groß ist, und lang, wenn die Ansaugluftmenge klein ist.
Wenn während der Dauer der Sauerstofffreisetzung oder der Dauer der Sauerstoffspeicherung eine Steuerung durchgeführt wird, um ein fettes oder mageres Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis als Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Verbrennungsmotors bereitzustellen, stellt der zweite Aspekt der vorliegenden Erfindung diesbezüglich sicher, dass das Ausmaß der Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses von dem aktuellen Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu dem fetten oder mageren Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf der Ansaugluftmenge basiert. Wenn eine Steuerung durchgeführt wird, um von einem aktuellen Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu dem fetten oder mageren Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis umzuschalten, ändert der zweite Aspekt der vorliegenden Erfindung ferner schrittweise das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis entsprechend dem Ausmaß der Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, bevor das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis das fette oder magere Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis erreicht. Der Zeitraum, der dafür erforderlich ist, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis erreicht, kann daher entsprechend der Ansaugluftmenge festsetzt werden. Dies ermöglicht, die Änderung während der Dauer der Sauerstofffreisetzung oder der Dauer der Sauerstoffspeicherung, die auf einer Änderung der Ansaugluftmenge basiert, zu verringern. Als Folge davon kann die Sauerstoffspeichermenge genau erfasst werden.
Selbst wenn sich die Konzentration des Abgases auf die gleiche Weise ändert, können sich ferner die Diffusionsgeschwindigkeiten der Abgasbestandteile infolge einer Änderung der Temperatur eines Elements des Sauerstoffsensors unterscheiden. Als Folge davon können sich das aktuelle Abgas und das Abgas das eine abgasseitige Elektrode des Sauerstoffsensors erreicht, hinsichtlich der Konzentration ihrer Bestandteile unterscheiden. Die Geschwindigkeit, mit der der Sauerstoffsensor eine magere oder fette Ausgabe als Reaktion auf die gleiche Änderung der Konzentration des Abgases anzeigt, ändert sich daher mit der Temperatur des Elements des Sauerstoffsensors. Deshalb ändert sich das Zeitintervall, in dem der Zustand mit maximaler oder minimaler Sauerstoffspeicherung erfasst wird, mit der Temperatur des Elements des Sauerstoffsensors.
Wenn während der Dauer der Sauerstofffreisetzung oder der Dauer der Sauerstoffspeicherung eine Steuerung durchgeführt wird, um ein fettes oder mageres Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis als Luft-Kraftstoff-Verhältnis bereitzustellen, stellt der dritte Aspekt der vorliegenden Erfindung diesbezüglich das fette oder magere Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis entsprechend der Temperatur des Elements ein. Dies stellt sicher, dass das fette oder magere Luft-Kraftstoff-Verhältnis, das heißt die Konzentration eines fetten oder mageren Bestandteils des Abgases, wenn das stromabwärts von dem Katalysator herrschende Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases zu einem fetten oder mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis umschaltet, entsprechend der Temperatur des Elements eingestellt wird. In einer Umgebung, in der zum Beispiel die Konzentration des Abgases stark durch den auf der Temperatur des Elements des Sauerstoffsensors basierenden Unterschied in den Diffusionsgeschwindigkeiten beeinflusst wird, kann daher die Konzentration von jedem Bestandteil des Abgases erhöht werden, um den Einfluss zu minimieren. Dies ermöglicht, den Zustand mit maximaler oder minimaler Sauerstoffspeicherung mit erhöhter Genauigkeit zu erfassen, wodurch die Änderung der Länge der Dauer der Sauerstofffreisetzung oder der Dauer der Sauerstoffspeicherung minimiert wird.
Genauer gesagt nimmt die Diffusionsgeschwindigkeit allgemein zu, wenn die Temperatur des Elements hoch ist. Deshalb reagiert der Sauerstoffsensor sofort auf die Änderungen der Konzentration des Abgases, wenn die Temperatur des Elements hoch ist. Als Folge davon erfasst der Sauerstoffsensor, wenn die Temperatur des Elements hoch ist, früher als gewöhnlich eine Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zu der mageren oder fetten Seite und erzeugt entsprechend eine Ausgabe. Anders ausgedrückt erzeugt der Sauerstoffsensor, wenn die Temperatur des Elements hoch ist, eine Ausgabe, die eine Abmagerung oder Anfettung anzeigt, bevor eine Änderung der Konzentration des Abgases zu der mageren oder fetten Seite signifikant wird. Als Folge davon wird der Zustand mit maximaler oder minimaler Sauerstoffspeicherung in einem vorzeitigen Zustand erfasst. Es ist daher denkbar, dass sich die Länge der Dauer der Sauerstofffreisetzung oder der Dauer der Sauerstoffspeicherung übermäßig verringern kann.
Wenn die Temperatur des Elements höher ist, wählt der vierte Aspekt der vorliegenden Erfindung diesbezüglich ein fettes oder mageres Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis aus, das sich stark von dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis unterscheidet. Anders ausgedrückt nimmt der Grad der Konzentrationsänderung des stromabwärts von dem Katalysator ausströmenden Abgases, wenn der Katalysator den Zustand mit maximaler oder minimaler Sauerstoffspeicherung erreicht, mit einer Zunahme der Temperatur des Elements zu. Eine hohe Temperatur des Elements erhöht sie Diffusionsgeschwindigkeiten der Bestandteile des Abgases und erhöht den Unterschied zwischen diesen Diffusionsgeschwindigkeiten. Daher führt eine Zunahme der Temperatur des Elements zum Erfassen eines erhöhten Grades einer Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Abgases zu der mageren oder fetten Seite. Selbst wenn ein großer Unterschied zwischen den Diffusionsgeschwindigkeiten auftritt, wenn die Temperatur des Elements hoch ist, kann daher der Einfluss des Unterschieds auf das gesamte Abgas minimiert werden. Dies ermöglicht, den Zustand mit maximaler oder minimaler Sauerstoffspeicherung genau zu beurteilen und die Änderung der Dauer der Sauerstofffreisetzung oder der Dauer der Sauerstoffspeicherung zu minimieren.
Der fünfte und sechste Aspekt der vorliegenden Erfindung stellen die Temperatur eines Elements des Sauerstoffsensors auf eine Bezugstemperatur ein, die höher als eine normale Aktivierungstemperatur während der Dauer der Sauerstofffreisetzung und der Dauer der Sauerstoffspeicherung ist. Dies verringert die Änderung der Reaktionszeit, die sich mit der Temperatur des Elements ändert. Als Folge davon ist eine Verringerung der Änderung der Dauer der Sauerstoffspeicherung und der Dauer der Sauerstofffreisetzung, die sich mit der Temperatur des Elements des Sauerstoffsensors ändert, möglich.
Des Weiteren ändert sich das Ansprechverhalten des Sauerstoffsensors mit dem Grad des Verschlechterns desselben. Wenn das Verschlechtern fortschreitet, reagiert der Sauerstoffsensor sofort auf eine geringe Änderung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Abgases und erzeugt eine magere Ausgabe oder eine fette Ausgabe. wenn das Verschlechtern des Sauerstoffsensors fortschreitet, wird daher der Zustand mit maximaler oder minimaler Sauerstoffspeicherung vorzeitig erfasst. Als Folge davon werden die Dauer der Sauerstofffreisetzung und die Dauer der Sauerstoffspeicherung kürzer.
Der siebte und achte Aspekt der vorliegenden Erfindung bestimmen diesbezüglich einen integrierten Wert entsprechend der verstrichenen Zeit seit dem Beginn der Dauer der Sauerstofffreisetzung oder der Dauer der Sauerstoffspeicherung. Wenn der integrierte Wert kleiner als der Bezugswert ist, verhindern der siebte und achte Aspekt der vorliegenden Erfindung ungeachtet der Ausgabe des Sauerstoffsensors ein Umschalten des Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zu dem fetten oder mageren Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Dies stellt sicher, dass der aktuelle Zustand der Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses beibehalten wird, wenn der Zustand mit maximaler/minimaler Sauerstoffspeicherung aufgrund einer Verschlechterung des Sauerstoffsensors vorzeitig erfasst wird. Die Sauerstoffspeichermenge wird daher solange während des aktuellen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses erfasst, bis der Zustand mit maximaler oder minimaler Sauerstoffspeicherung vollständig erreicht ist. Dies ermöglicht, die Sauerstoffspeichermenge genau zu erfassen.
Kurzbeschreibung der Figuren
1 ist ein schematisches Diagramm, das eine Vorrichtung zum Erfassen einer Katalysatorverschlechterung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und den Aufbau eines Systems um diese herum veranschaulicht;
2 veranschaulicht die Ausgaben eines Sensors für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis und eines Sauerstoffsensors, die erzeugt werden, während ein Prozess zum Erfassen einer Katalysatorsteuerung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird;
3 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Steuerroutine veranschaulicht, die eine elektronische Steuereinheit (ECU) durchführt, um eine integrierte Sauerstoffspeichermenge gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu berechnen;
4 ist ein Graph, der die ausgegebenen Kenngrößen des Sauerstoffsensors gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
5 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Durchflussmenge eines Gases und der Reaktionszeit für die Ausgabe des Sauerstoffsensors gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
6 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einem Ausmaß der Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, das durch eine Umschaltung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses während einer erzwungenen Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bereitgestellt wurde, und der Durchflussmenge eines Gases gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
7 ist ein Ablaufdiagram, das eine Steuerroutine veranschaulicht, die die ECU durchführt, um eine erzwungene Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auszuüben;
8 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Impedanz eines Elements und der Temperatur eines Elements des Sauerstoffsensors veranschaulicht;
9 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einem Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis der erzwungenen Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und der Impedanz des Elements des Sauerstoffsensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
10 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Steuerroutine veranschaulicht, die die ECU zum Ausüben einer erzwungenen Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchführt;
11 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Steuerroutine veranschaulicht, die die ECU durchführt, um eine integrierte Sauerstoffspeichermenge gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu berechnen;
12 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Steuerroutine veranschaulicht, die die ECU durchführt, um eine erzwungene Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auszuüben;
13 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Dauer der Verwendung und den ausgegebenen Kenngrößen des Sauerstoffsensors veranschaulicht;
14 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Dauer der Verwendung und der Reaktionszeit für die Ausgabe des Sauerstoffsensors veranschaulicht;
15 ist ein Diagramm, das eine vordefinierte Beziehung zwischen einer Ansaugluftmenge und einem Zählerwert gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
16 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Steuerroutine veranschaulicht, die die ECU durchführt, um die integrierte Sauerstoffspeichermenge gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu berechnen.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungsmotor
12: Ansaugpfad
14: Abgaspfad
16: Luftfilter
18: Sensor für die Ansaugtemperatur
20: Durchflussmessgerät für die Luft
22: Drosselventil
24: Drosselsensor
28: Ventil für die Brennstoffeinspritzung
30: stromaufwärtiger Katalysator
32: stromabwärtiger Katalysator
34: Sensor für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
36: erster Sauerstoffsensor
38: zweiter Sauerstoffsensor
40: ECU (elektronische Steuereinheit)
44: Sensor für die Wassertemperatur

Beste Ausführungsform der Erfindung
Im Folgenden werden die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren beschrieben. Gleiche Elemente in den Figuren sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und in verkürzter oder nicht redundanter Weise beschrieben.
Erste Ausführungsform
[Aufbau des Systems der ersten Ausführungsform]
1 ist ein schematisches Diagramm, das die Struktur eines Verbrennungsmotors 10 mit einer Vorrichtung zum Erfassen einer Katalysatorverschlechterung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und die Strukturen der dieselbe umgebenden Teile veranschaulicht. Unter Bezugnahme auf 1 ist der Verbrennungsmotor 10 mit einem Ansaugpfad 12 und einem Abgaspfad 14 verbunden. Der Ansaugpfad 12 weist einen Luftfilter 16 auf, der am stromaufwärtigen Ende angeordnet ist. Der Luftfilter 16 schließt einen Sensor 18 für die Ansaugtemperatur ein, der die Temperatur einer Ansaugluft (das heißt Raumtemperatur) erfasst. Ein Durchflussmessgerät 20 für die Luft ist stromabwärts von dem Luftfilter 16 angeordnet. Das Durchflussmessgerät 20 für die Luft ist ein Sensor, der die Menge der Ansaugluft Ga erfasst, die in den Ansaugpfad strömt. Ein Drosselventil 22 ist stromabwärts von dem Durchflussmessgerät 20 für die Luft eingebaut. Ein Drosselsensor 24 ist in der Nähe des Drosselventils 22 angeordnet, um die Öffnung des Drosselventils 22 zu erfassen. Ein Ventil 28 für die Brennstoffeinspritzung ist stromabwärts von dem Drosselsensor 24 angeordnet, um Brennstoff in einen Einlassstutzen des Verbrennungsmotors einzuspritzen.
Ein stromaufwärtiger Katalysator 30 (Katalysator) und ein stromabwärtiger Katalysator 32 sind hintereinander innerhalb des Abgaspfades 14 des Verbrennungsmotors 10 angeordnet. Diese Katalysatoren 30, 32 können eine bestimmte Menge an Sauerstoff speichern. Wenn das Abgas große Mengen an HC, CO und anderen unverbrannten Bestandteilen enthält, verwenden die Katalysatoren 30, 32 den gespeicherten Sauerstoff, um diese zu oxidieren. Wenn das Abgas zum anderen große Mengen an NOx und anderen oxidierten Bestandteilen enthält, reduzieren die Katalysatoren 30, 32 dieselben und speichern den freigesetzten Sauerstoff. Das aus dem Verbrennungsmotor 10 ausgetragene Abgas wird, wie für Reinigungszwecke beschrieben, in den Katalysatoren 30, 32 behandelt.
Der Abgaspfad 14 weist einen Sensor 34 für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, einen ersten Sauerstoffsensor 36 (Sauerstoffsensor) und einen zweiten Sauerstoffsensor 38 auf. Der Sensor 34 für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist stromaufwärts von dem stromaufwärtigen Katalysator 30 angeordnet. Der erste Sauerstoffsensor 36 ist zwischen dem stromaufwärtigen Katalysator 30 und dem stromabwärtigen Katalysator 32 angeordnet. Der zweite Sauerstoffsensor 38 ist stromabwärts von dem stromabwärtigen Katalysator 32 angeordnet. Der Sensor 34 für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis erzeugt eine Ausgabe entsprechend der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas. Der erste und der zweite Sauerstoffsensor 36, 38 ändern andererseits ihre Ausgaben signifikant, wenn die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas einen vorgegebenen Wert übersteigt. Der Sensor 34 für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis kann die Sauerstoffkonzentration in dem zu dem stromaufwärtigen Katalysator strömenden Abgas erfassen. Dies ermöglicht das Erfassen eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses A/F einer in dem Verbrennungsmotor 10 verbrannten Luft-Kraftstoff-Mischung. Der erste Sauerstoffsensor 36 kann beurteilen, ob das in dem stromaufwärtigen Katalysator 30 behandelte Abgas brennstoffreich (enthält HC und CO) oder brennstoffarm (enthält NOx) ist. Der zweite Sauerstoffsensor 38 kann beurteilen, ob das durch den stromabwärtigen Katalysator 32 strömende Abgas brennstoffreich (enthält HC und CO) oder brennstoffarm (enthält NOx) ist.
Die Vorrichtung zum Erfassen einer Katalysatorverschlechterung gemäß der ersten Ausführungsform umfasst, wie in 1 gezeigt, eine elektronische Steuereinheit (electronic control unit, ECU) 40. Die ECU 40 erlangt Informationen über den Betriebszustand des Verbrennungsmotors 10, da es zum Beispiel mit dem Sensor 18 für die Ansaugtemperatur, dem Durchflussmessgerät 20 für die Luft, dem Drosselsensor 24, dem Sensor 34 für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, dem ersten und dem zweiten Sauerstoffsensor 36, 38 und einem Sensor für die Wassertemperatur 44, der die Temperatur von Kühlwasser für den Verbrennungsmotor 10 erfasst, verbunden ist. Die ECU 40 ist zum Beispiel ebenfalls mit dem Ventil 28 für die Brennstoffeinspritzung verbunden und wird zum Ausüben einer notwendigen Steuerung entsprechend einem gesteuerten Durchfluss verwendet, der zum Beispiel entsprechend den erlangten Informationen eingestellt wurde.
[Steuerung des Erfassens einer Katalysatorsteuerung mit einem System gemäß der ersten Ausführungsform]
Bei dem in 1 gezeigten System wird das aus dem Verbrennungsmotor 10 ausgetragene Abgas zunächst durch den stromaufwärtigen Katalysator 30 gereinigt. Der stromabwärtige Katalysator 32 führt einen Reinigungsprozess an dem Abgas aus, das nicht vollständig von dem stromaufwärtigen Katalysator 30 gereinigt wurde. Um ein geeignetes Abgasreinigungsvermögen dauerhaft verwenden zu können, ist es besonders notwendig, das Verschlechtern des stromaufwärtigen Katalysators 30 verzögerungsfrei zu erfassen.
Wie vorstehend beschrieben, reinigt der stromaufwärtige Katalysator 30 das Abgas, indem er Sauerstoff in einem fetten Abgas freisetzt, das HC, CO und andere unverbrannte Bestandteile enthält, und indem er überschüssigen Sauerstoff in einem mageren Abgas speichert, das NOx und dergleichen enthält. Das Reinigungsvermögen des stromaufwärtigen Katalysators 30 wird daher anhand des Sauerstoffspeichervermögens, das heißt der maximalen Menge an Sauerstoff, die freigesetzt oder gespeichert werden kann, bestimmt. Anders ausgedrückt nimmt das Reinigungsvermögen des stromaufwärtigen Katalysators 30 mit einer Verringerung des Sauerstoffspeichervermögens ab. Wenn dies der Fall ist, erfasst die Vorrichtung zum Erfassens einer Katalysatorverschlechterung gemäß der ersten Ausführungsform das Sauerstoffspeichervermögen des stromaufwärtigen Katalysators 30 und beurteilt entsprechend dem erfassten Wert, ob sich der stromaufwärtige Katalysator 30 verschlechtert hat.
Zuallererst wird ein von der Vorrichtung zum Erfassen einer Katalysatorverschlechterung gemäß der ersten Ausführungsform verwendetes Verfahren zum Erfassen des Sauerstoffspeichervermögens beschrieben. 2 ist ein Zeitdiagramm, das einen Fall veranschaulicht, in dem die ECU 40 eine Steuerung zum Erfassen des Sauerstoffspeichervermögens ausführt. In 2 zeigt (A) die Änderungen, die in dem Sensor 34 für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis während des Erfassens des Sauerstoffspeichervermögens auftreten. Zum anderen zeigt (B) in 2 die Änderungen, die in dem ersten Sauerstoffsensor 36 während des Erfassens des Sauerstoffspeichervermögens auftreten. Während des Erfassens des Sauerstoffspeichervermögens wird eine erzwungene Steuerung ausgeführt, so dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der dem Verbrennungsmotor 10 zugeführten Luft-Kraftstoff-Mischung entweder fett oder mager ist. Die während des Erfassens des Sauerstoffspeichervermögens zum Regeln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses der Luft-Kraftstoff-Mischung ausgeführte Steuerung wird im Folgenden als „erzwungene Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses” bezeichnet.
2 veranschaulicht einen Fall in dem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mit einem für den Verbrennungsmotor 10 vor dem Zeitpunkt t0 ausgewählten, fetten Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis gesteuert wird. Während eine Steuerung durchgeführt wird, um ein fettes Luft-Kraftstoff-Verhältnis beizubehalten, enthält das dem stromaufwärtigen Katalysator 30 zugeführte Abgas HC, CO und andere unverbrannte Bestandteile und weist einen Mangel an Sauerstoff auf. Wenn ein solches Abgas zugeführt wird, setzt der stromaufwärtige Katalysator 30 den gespeicherten Sauerstoff frei und oxidiert HC und CO für Abgasreinigungszwecke. Wenn ein solcher Zustand längere Zeit andauert, setzt der stromaufwärtige Katalysator 30 den gesamten Sauerstoff frei und tritt in einen Zustand mit minimaler Sauerstoffspeicherung ein, in dem HC und CO nicht länger oxidiert werden.
Wenn der stromaufwärtige Katalysator 30 den Zustand mit minimaler Sauerstoffspeicherung erreicht, wird das Abgas nicht länger in dem stromaufwärtigen Katalysator 30 gereinigt. Daher beginnt das Abgas, das HC und CO enthält und einen Mangel an Sauerstoff aufweist, stromabwärts aus dem stromaufwärtigen Katalysator 30 auszuströmen. Als Folge davon gibt der erste Sauerstoffsensor 36 einen Wert aus, der kleiner als ein Wert VR zur Beurteilung der Anfettung ist und ein fettes Abgas angibt (dieser ausgegebene Wert wird im Folgenden als „fette Ausgabe” bezeichnet). Das Beobachten der Ausgabe des ersten Sauerstoffsensors 36 ermöglicht daher das Erfassen des Zeitintervalls, in dem das Abgas, dem Sauerstoff fehlt, stromabwärts von dem stromaufwärtigen Katalysator 30 strömt, das heißt des Zeitintervalls, in dem der stromaufwärtige Katalysator 30 den Zustand mit minimaler Sauerstoffspeicherung erreicht. Dieses Zeitintervall entspricht dem Zeitpunkt t0 in 2.
Wenn der Zustand mit minimaler Sauerstoffspeicherung erfasst wird, wenn der erste Sauerstoffsensor 36, wie vorstehend beschrieben, eine fette Ausgabe erzeugt, schaltet der Verbrennungsmotor 10 erzwungen zu einem mageren Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis um. Wenn eine Steuerung durchgeführt wird, um ein mageres Luft-Kraftstoff-Verhältnis bereitzustellen, wird der von dem Sensor 34 für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis ausgegebene Wert folglich zu der mageren Seite hin beeinflusst. Die in 2(A) gezeigte Wellenform gibt einen Zustand wieder, in dem die von dem Sensor 34 für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis erzeugte Ausgabe zu einem Wert umgekehrt ist, der zum Zeitpunkt t1 zu der mageren Seite hin beeinflusst wird. Während die Ausgabe von dem Sensor 34 für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu der mageren Seite hin beeinflusst wird, das heißt während das Abgas, das Sauerstoff im Überschuss enthält, zu dem stromaufwärtigen Katalysator 30 strömt, speichert der stromaufwärtige Katalysator 30 den überschüssigen Sauerstoff in dem Abgas und reduziert NOx, um das Abgas zu reinigen. Wenn dieser Zustand für längere Zeit andauert, wird der Sauerstoff bis zu dem vollständigen Sauerstoffspeichervermögen gespeichert, so dass kein NOx mehr reduziert werden kann. Anders ausgedrückt ergibt sich ein Zustand mit maximaler Sauerstoffspeicherung.
In dem Zustand mit maximaler Sauerstoffspeicherung beginnt das Abgas, das Sauerstoff im Überschuss enthält, einschließlich NOx, stromabwärts des stromaufwärtigen Katalysators 30 auszuströmen, wodurch bewirkt wird, dass der erste Sauerstoffsensor 36 einen Wert ausgibt, der größer als ein Wert VL zur Beurteilung der Abmagerung ist und ein mageres Abgas anzeigt (dieser ausgegebene Wert wird im Folgenden als „magere Ausgabe” bezeichnet). Das Beobachten der Ausgabe des ersten Sauerstoffsensors 36 ermöglicht daher das Erfassen des Zeitintervalls in dem das Abgas, das Sauerstoff im Überschuss enthält, stromabwärts von dem stromaufwärtigen Katalysator 30 strömt, das heißt des Zeitintervalls, in dem der stromaufwärtige Katalysator 30 den Zustand mit maximaler Sauerstoffspeicherung erreicht. Dieses Zeitintervall entspricht dem Zeitpunkt t2 in 2.
Wenn der Zustand mit maximaler Sauerstoffspeicherung erfasst wird, wenn der erste Sauerstoffsensor 36 eine magere Ausgabe erzeugt, schaltet der Verbrennungsmotor 10 erneut erzwungen zu einem fetten Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis um. Wenn eine Steuerung durchgeführt wird, um ein fettes Luft-Kraftstoff-Verhältnis bereitzustellen, wird der von dem Sensor 34 für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis ausgegebene Wert folglich zu der fetten Seite hin beeinflusst. Die in 2(A) gezeigte Wellenform gibt einen Zustand wieder, in dem die von dem Sensor 34 für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis erzeugte Ausgabe zu einem Wert umgekehrt ist, der zum Zeitpunkt t3 zu der fetten Seite bin beeinflusst wird. Während die Ausgabe von dem Sensor 34 für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu der fetten Seite hin beeinflusst wird, das heißt, während das Abgas, dem Sauerstoff fehlt, zu dem stromaufwärtigen Katalysator strömt, setzt der stromaufwärtige Katalysator 30 den Sauerstoff in dem Abgas frei und oxidiert HC und CO, um das Abgas zu reinigen. Wenn dieser Zustand fortdauert, setzt der stromaufwärtige Katalysator 30 erneut den gesamten Sauerstoff frei und tritt in den Zustand mit minimaler Sauerstoffspeicherung ein. In diesem Zustand erzeugt der erste Sauerstoffsensor 36 erneut eine fette Ausgabe.
Wenn der erste Sauerstoffsensor 36 eine fette Ausgabe erzeugt, wiederholt die Vorrichtung zum Erfassen einer Katalysatorverschlechterung den vorstehend beschriebenen Prozess, der ab t0 durchgeführt wurde. Als Folge davon treten wiederholt der Zustand mit minimaler Sauerstoffspeicherung, in dem der gesamte Sauerstoff von dem stromaufwärtigen Katalysator 30 freigesetzt wird, und der Zustand mit maximaler Sauerstoffspeicherung, in dem der Sauerstoff bis zum vollständigen Sauerstoffspeichervermögen gespeichert wird, auf.
Wie vorstehend beschrieben, erfasst die Vorrichtung zum Erfassen einer Katalysatorverschlechterung den Zustand mit minimaler Sauerstoffspeicherung und den Zustand mit maximaler Sauerstoffspeicherung und führt eine Steuerung durch, um ein fettes oder mageres Luft-Kraftstoff-Verhältnis für die Luft-Kraftstoff-Mischung bereitzustellen, so dass die Zustände mit minimaler und maximaler Sauerstoffspeicherung wiederholt auftreten. Indessen kann die Menge des durch den stromaufwärtigen Katalysator 30 pro Zeiteinheit gespeicherten oder freigesetzten Sauerstoffs entsprechend dem Luft-Kraftstaff-Verhältnis A/F eines in den stromaufwärtigen Katalysator 30 strömenden Abgases und der Ansaugluftmenge Ga bestimmt werden. Es wird nun angenommen, dass die Menge an gespeichertem Sauerstoff eine positive Sauerstoffmenge ist und dass die Menge an freigesetztem Sauerstoff eine negative Sauerstoffmenge ist. Beide Sauerstoffmenge werden im Folgenden als Sauerstoffspeichermenge bezeichnet.
Die Vorrichtung zum Erfassen einer Katalysatorverschlechterung bestimmt das Sauerstoffspeichervermögen des stromaufwärtigen Katalysators 30, indem sie die Sauerstoffspeichermenge während einer Dauer der Sauerstoffspeicherung bestimmt, während der sich der Zustand von dem Zustand mit minimaler Sauerstoffspeicherung zu dem Zustand mit maximaler Sauerstoffspeicherung ändert, und indem sie die Sauerstoffspeichermenge während einer Dauer der Sauerstofffreisetzung bestimmt, während der sich der Zustand von dem Zustand mit maximaler Sauerstoffspeicherung zu dem Zustand mit minimaler Sauerstoffspeicherung ändert. Ob der Katalysator normal oder verschlechtert ist, wird daher dadurch beurteilt, indem bestimmt wird, ob das Sauerstoffspeichervermögen größer als ein vorgegebener Wert zur Beurteilung ist.
3 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Routine zur Berechnung einer integrierten Sauerstoffspeichermenge veranschaulicht, die die ECU 40 als vorläufigen Prozess ausführt, um das Sauerstoffspeichervermögen zu bestimmen. Die in 3 gezeigte Routine ist eine zeitlich festgelegte Unterbrechungsroutine, die in vorgegebenen Zeitintervallen wiederholt ausgeführt wird.
Die in 3 gezeigte Routine führt zunächst einen Schritt S10 durch, um zu beurteilen, ob eine Anweisung zum Erfassen des Sauerstoffspeichervermögens OSC ausgegeben wurde. Wenn die Anweisung zum Erfassen des Sauerstoffspeichervermögens OSC in Schritt S10 nicht erkannt wird, wird Schritt S12 durchgeführt, um ein Flag (einen Bitschalter) Xosc für das Erfassen des Sauerstoffspeichervermögens auszuschalten („AUS”). Das Flag Xosc für das Erfassen des Sauerstoffspeichervermögens bleibt an („AN”), während eine erzwungene Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durchgeführt wird, um das Sauerstoffspeichervermögen nach dem Erkennen der Anweisung zum Erfassen des Sauerstoffspeichervermögens OSC zu erfassen. Als nächstes wird Schritt S14 durchgeführt, um eine integrierte Sauerstoffspeichermenge O2SUM zu löschen (O2SUM = 0), welche einen integrierten Wert für die Sauerstoffspeichermenge angibt, der später beschrieben wird. Dann endet der aktuelle Prozess.
Wenn andererseits die Anweisung zum Erfassen des Sauerstoffspeichervermögens OSC in Schritt S10 erkannt wird, wird Schritt S16 durchgeführt, um das Flag Xosc für das Erfassen des Sauerstoffspeichervermögens anzuschalten. Während das Flag Xosc für das Erfassen des Sauerstoffspeichervermögens AN ist, wird eine erzwungene Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, die später beschrieben wird, parallel zu der in 3 gezeigten Ausführung der Routine durchgeführt.
Als nächstes führt die in 3 gezeigte Routine einen Schritt S20 durch, um zu beurteilen, ob das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des stromabwärts von dem stromaufwärtigen Katalysator 30 ausströmende Abgas mager ist, oder genauer gesagt, ob eine magere Ausgabe (> VL) von dem ersten Sauerstoffsensor 36 erzeugt wird. Es sollte beachtet werden, dass der erste Sauerstoffsensor 36 nur dann eine magere Ausgabe erzeugt, wenn sich der stromaufwärtige Katalysator 30 in dem Zustand mit maximaler Sauerstoffspeicherung befindet.
Wenn das in Schritt S20 erhaltene Beurteilungsergebnis angibt, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des stromabwärts von dem stromaufwärtigen Katalysator 30 ausströmenden Abgases mager ist, wird Schritt S22 durchgeführt, um ein mageres Flag Xlean anzuschalten und ein fettes Flag Xrich auszuschalten. Das magere Flag Xlean bleibt AN, während eine magere Ausgabe von dem ersten Sauerstoffsensor 36 erzeugt wird. Das fette Flag Xrich bleibt an, während der erste Sauerstoffsensor 36 eine fette Ausgabe während eines Prozesses erzeugt, der später beschrieben wird.
Wenn andererseits das in Schritt S20 erhaltene Beurteilungsergebnis nicht angibt, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des stromabwärts von dem stromaufwärtigen Katalysator 30 ausströmenden Abgases mager ist, wird Schritt S24 durchgeführt, um zu beurteilen, ob das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des stromabwärts aus dem stromaufwärtigen Katalysator 30 ausströmenden Abgases fett ist, oder genauer gesagt, ob eine fette Ausgabe (< VR) durch den ersten Sauerstoffsensor 36 erzeugt wird. Es sollte beachtet werden, dass der erste Sauerstoffsensor 36 nur dann eine fette Ausgabe erzeugt, wenn sich der stromaufwärtige Katalysator 30 in dem Zustand mit minimaler Sauerstoffspeicherung befindet.
Wenn das in Schritt S24 erhaltene Beurteilungsergebnis angibt, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des stromabwärts von dem stromaufwärtigen Katalysator 30 ausströmenden Abgases fett ist, wird Schritt S26 durchgeführt, um ein fettes Flag Xrich anzuschalten und ein mageres Flag Xlean auszuschalten.
Wenn andererseits das in Schritt S24 erhaltene Beurteilungsergebnis nicht angibt, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des stromabwärts von dem stromaufwärtigen Katalysator 30 ausströmenden Abgases fett ist, kann geschlossen werden, dass das Abgas normal durch den stromaufwärtigen Katalysator 30 gereinigt wird, das heißt, dass sich der stromaufwärtige Katalysator 30 weder im Zustand mit maximaler Sauerstoffspeicherung noch im Zustand mit minimaler Sauerstoffspeicherung befindet. In diesem Fall wird Schritt S28 durchgeführt, um sowohl das magere Flag Xlean als auch das fette Flag Xrich abzuschalten.
Die in 3 gezeigte Routine führt einen Schritt S30 durch, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F zu erfassen, nachdem ein Prozess in Schritt S22, S26 oder S28 durchgeführt wurde, um die Flags Xlean, Xrich an- oder auszuschalten. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F wird entsprechend der Ausgabe des Sensors 34 für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis erfasst. Das bedeutet, dass das hier erfasste Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den stromaufwärtigen Katalysator 30 strömenden Abgases ist.
Als nächstes wird Schritt S32 durchgeführt, um einen Unterschied ΔA/F des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zu berechnen. Der Unterschied ΔA/F des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ist der Unterschied zwischen einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Fst und dem in Schritt S30 erfassten Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F, das heißt dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F des in den stromaufwärtigen Katalysator 30 strömenden Abgases, und wird entsprechend der Gleichung (1) unten berechnet. ΔA/F = A/F – A/Fst (1)
Als nächstes wird Schritt S34 durchgeführt, um die Ansaugluftmenge Ga entsprechend der Ausgabe des Durchflussmessgeräts 20 für die Luft zu erfassen. Dann wird Schritt S36 durchgeführt, um die Sauerstoffspeichermenge O2AD, die die Menge des von dem stromaufwärtigen Katalysator 30 pro Zeiteinheit freigesetzten oder gespeicherten Sauerstoffs angibt, entsprechend dem Unterschied ΔA/F des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und der Ansaugluftmenge Ga zu bestimmen. Die Sauerstoffspeichermenge O2AD wird entsprechend einem in der ECU 40 gespeicherten Kennfeld oder einem arithmetischen Ausdruck berechnet. Die Sauerstoffspeichermenge O2AD nimmt einen positiven Wert an, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F des in den stromaufwärtigen Katalysator 30 strömenden Abgases mager ist, oder einen negativen Wert an, wenn es fett ist.
Als nächstes wird Schritt S38 durchgeführt, um zu beurteilen, ob Bedingungen eingestellt sind, in denen das magere Flag Xlean AN ist, während der Unterschied ΔA/F des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses größer als null ist. Das magere Flag Xlean wird angeschaltet, wenn der erste Sauerstoffsensor 36 in Schritt S22 eine magere Ausgabe erzeugt. Die Bedingungen für Schritt S38 sind daher eingestellt, wenn sowohl das in den stromaufwärtigen Katalysator 30 strömende Abgas als auch das stromabwärts aus dem stromaufwärtigen Katalysator 30 ausströmende Abgas mager sind. Anders ausgedrückt herrschen die Bedingungen dann, wenn sich die Sauerstoffspeichermenge während eines Zeitintervalls, zum Beispiel zwischen dem Zeitpunkt t2 und dem Zeitpunkt t3 in 2, nicht mehr länger mit dem im Zustand mit maximaler Sauerstoffspeicherung befindlichen stromaufwärtigen Katalysator 30 ändert.
Wenn das in Schritt S38 erhaltene Beurteilungsergebnis nicht angibt, dass die Bedingungen eingestellt sind, wird Schritt S40 durchgeführt, um zu beurteilen, ob Bedingungen eingestellt sind, in denen das fette Flag Xrich AN ist, während der Unterschied ΔA/F des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses kleiner als null ist. Das fette Flag Xrich wird angeschaltet, wenn der erste Sauerstoffsensor 36 in Schritt S26 eine fette Ausgabe erzeugt. Anders ausgedrückt wird Schritt S26 durchgeführt, um zu beurteilen, ob das Abgas an sowohl der stromaufwärtigen als auch der stromabwärtigen Seite des stromaufwärtigen Katalysators 30 fett ist. Dieser Zustand herrscht, wenn sich die Sauerstoffspeichermenge während eines Zeitintervalls, zum Beispiel zwischen dem Zeitpunkt t0 und dem Zeitpunkt t1 in 2, nicht mehr länger mit dem im Zustand mit minimaler Sauerstoffspeicherung befindlichen stromaufwärtigen Katalysator 30 ändert.
Wenn das in Schritt S40 erhaltene Beurteilungsergebnis nicht angibt, dass die Bedingung herrscht, kann daher geschlossen werden, dass sich die Menge des von dem stromaufwärtigen Katalysator 30 gespeicherten Sauerstoffs ändert, während der Sauerstoff gerade von dem stromaufwärtigen Katalysator 30 gespeichert oder freigesetzt wird. Das heißt, dass sich der aktuelle Zeitpunkt in einem Zeitintervall, zum Beispiel zwischen dem Zeitpunkt t1 und dem Zeitpunkt t2 oder zwischen dem Zeitpunkt t3 und dem Zeitpunkt t4 in 2, befindet. In diesem Fall wird Schritt S42 durchgeführt, um die integrierte Sauerstoffspeichermenge O2SUM durch Addieren der während des aktuelle Prozesszyklus berechneten Sauerstoffspeichermenge O2AD zu der während des vorhergehenden Prozesszyklus berechneten integrierten Sauerstoffspeichermenge O2SUM zu aktualisieren. Dann endet der aktuelle Prozess.
Wenn andererseits das in Schritt S38 erhaltene Beurteilungsergebnis angibt, dass die Bedingungen eingestellt sind, kann geschlossen werden, dass sich die Sauerstoffspeichermenge nicht mehr länger mit dem im Zustand mit maximaler Sauerstoffspeicherung befindlichen stromaufwärtigen Katalysator 30 ändert. Daher wird Schritt S44 durchgeführt, um die integrierte Sauerstoffspeichermenge O2SUM, die den aktuellen integrierten Wert für die Sauerstoffspeichermenge angibt, als integrierte maximale Sauerstoffspeichermenge O2SUMmax zu speichern, ohne dieselbe zu aktualisieren. Anschließend wird Schritt S46 durchgeführt, um die integrierte Sauerstoffspeichermenge O2SUM zu löschen (O2SUM = 0). Dann endet der aktuelle Prozess.
Wenn das in Schritt S44 erhaltene Beurteilungsergebnis angibt, dass die Bedingung herrscht, wird geschlossen, dass sich die Sauerstoffspeichermenge nicht ändert, wenn der stromaufwärtige Katalysator 30 den Zustand mit minimaler Sauerstoffspeicherung erreicht, und keinen Sauerstoff mehr freisetzen kann. Deshalb wird Schritt S48 durchgeführt, um die aktuelle integrierte Sauerstoffspeichermenge O2SUM als integrierte minimale Sauerstoffspeichermenge O2SUMmin zu speichern, ohne dieselbe zu aktualisieren. Anschließend wird Schritt S42 durchgeführt, um die integrierte Sauerstoffspeichermenge O2SUM zu löschen (O2SUM = 0). Dann endet der aktuelle Prozess.
Die in 3 gezeigte Routine kann die integrierte maximale Sauerstoffspeichermenge O2SUMmax, die die integrierte Sauerstoffspeichermenge in dem Zustand mit maximaler Sauerstoffspeicherung angibt, und die integrierte minimale Sauerstoffspeichermenge O2SUMmin, die die integrierte Sauerstoffspeichermenge in dem Zustand mit minimaler Sauerstoffspeicherung angibt, durch Erhöhung oder Verringerung der integrierten Sauerstoffspeichermenge O2SUM entsprechend einer Zunahme/Abnahme der Menge des von dem stromaufwärtigen Katalysator 30 gespeicherten Sauerstoffs berechnen. Wenn diese Werte bestimmt werden, kann die ECU 40 das Sauerstoffspeichervermögen OSC durch Subtrahieren der integrierten minimalen Sauerstoffspeichermenge O2SUMmin von der integrierten maximalen Sauerstoffspeichermenge O2SUMmmax berechnen. Die Vorrichtung zum Erfassen einer Katalysatorverschlechterung prüft, ob das berechnete Sauerstoffspeichervermögen OSC größer als ein vorgegebener Wert zur Beurteilung ist, und beurteilt dann entsprechend dem Ergebnis der Überprüfung, ob der stromaufwärtige Katalysator 30 normal oder verschlechtert ist. Der Wert zur Beurteilung wird entsprechend zum Beispiel den Eigenschaften des stromaufwärtigen Katalysators 30 und der erforderlichen Reinigungsleistung eingestellt und vorher in der ECU 40 gespeichert.
[Steuerung der Kenngrößen durch das System gemäß der ersten Ausführungsform]
4 ist ein Graph, der eine ausgegebene Kenngröße des ersten Sauerstoffsensors 36 zeigt. Dieser Graph zeigt schematisch, wie sich die Ausgabe des ersten Sauerstoffsensors 36 ändert, wenn sich das von dem ersten Sauerstoffsensor 36 zu erfassende Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases von fett zu mager ändert. In 4 gibt die horizontale Achse die Zeit wieder, während die vertikale Achse die von dem ersten Sauerstoffsensor 36 erzeugte Ausgabe wiedergibt, Eine durchgezogene Linie (a) und eine gepunktete Linie (b) in 4 geben die ausgegebenen Ergebnisse bei einem Abgas an, das die gleichen Konzentrationsänderungen aufweist. Die durchgezogene Linie (a) zeigt einen Fall, in dem die Durchflussmenge des Abgases groß ist, während die gepunktete Linie (b) einen Fall zeigt, in dem die Durchflussmenge des Abgases klein ist.
Wenn sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases von fett zu mager ändert, erhöht der erste Sauerstoffsensor 36 seine Ausgabe, wie in 4 gezeigt, drastisch und erzeugt eine magere Ausgabe (> VL), um anzuzeigen, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mager ist. In diesem Fall ändert sich die Änderungsgeschwindigkeit eines drastisch geänderten Bereichs in der Ausgabe des ersten Sauerstoffsensors 36 stark mit der Durchflussmenge des Abgases. Genauer gesagt ändert der erste Sauerstoffsensor 36, wenn die Durchflussmenge des Abgases groß ist, drastisch seine Ausgabe und schaltet von einer fetten Ausgabe (< VR) zu einer mageren Ausgabe um, wie mit der durchgezogenen Linie (a) in 4 gezeigt ist. Wenn die Durchflussmenge des Abgases zum anderen klein ist, ändert der erste Sauerstoffsensor 36 seine Ausgabe schrittweise. Genauer gesagt beginnt der erste Sauerstoffsensor 36 seine Ausgabe später zu ändern, wenn die Durchflussmenge des Gases groß ist, und schaltet über einen langen Zeitraum von einer fetten Ausgabe zu einer mageren Ausgabe um.
Der Grund dafür ist, dass das Ausmaß der Änderung der Gaskonzentration pro Zeiteinheit mit einer Erhöhung der Durchflussmenge des Gases zunimmt. Anders ausgedrückt erhöht eine Zunahme der Durchflussmenge des Gases die Konzentrationsänderung pro Zeiteinheit in dem dem ersten Sauerstoffsensor 36 zugeführten Abgas. Die Konzentrationsänderung wird daher auf eine erhöhte Geschwindigkeit zu einer abgasseitigen Elektrode übertragen, die eine an der Abgasseite des ersten Sauerstoffsensors 36 angeordnete Elektrode darstellt. Wenn die Durchflussmenge des Abgases andererseits klein ist, wird die Konzentrationsänderung des Abgases als relativ schrittweise Änderung auf die abgasseitige Elektrode übertragen. Folglich ändert sich das Ansprechverhalten des ersten Sauerstoffsensors 36, selbst wenn das Abgas die gleiche Konzentrationsänderung durchläuft, mit der Durchflussmenge des Abgases, wie durch die durchgezogene Linie (a) und die gepunktete Linie (b) in 4 gezeigt ist. Je größer die Durchflussmenge des Abgases ist, desto kürzer ist die Reaktionszeit, die dafür erforderlich ist, eine Änderung der Ausgabe entsprechend der Konzentrationsänderung hervorzurufen. Das gleiche gilt ebenso, wenn sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases umgekehrt von mager zu fett ändert. Genauer gesagt schaltet der erste Sauerstoffsensor 36 bei einer großen Durchflussmenge des Abgases und langsam bei einer kleinen Durchflussmenge des Abgases von einer mageren Ausgabe zu einer fetten Ausgabe um.
5 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der in dem Abgaspfad in der Nähe des eingebauten ersten Sauerstoffsensors 36 herrschenden Durchflussmenge des Abgases und der Reaktionszeit für die Ausgabe des ersten Sauerstoffsensors 36 zeigt. Die horizontale Achse gibt die Durchflussmenge des Gases wieder, während die vertikale Achse die Reaktionszeit für die Ausgabe wiedergibt. 5 gibt an, dass die Reaktionszeit für die Ausgabe des ersten Sauerstoffsensors 36 für die Änderung der Abgaskonzentration mit einer Erhöhung der Durchflussmenge des Abgases abnimmt und mit einer Verringerung der Durchflussmenge des Abgases zunimmt.
Das aus dem stromaufwärtigen Katalysator 30 ausgetragene Abgas ist entweder mager oder fett, wenn sich der stromaufwärtige Katalysator 30 in dem Zustand mit maximaler oder minimaler Sauerstoffspeicherung befindet. Um zu erfassen, ob der Zustand mit maximaler oder minimaler Sauerstoffspeicherung erreicht ist, überprüft die Vorrichtung zum Erfassen einer Katalysatorverschlechterung daher, ob der erste Sauerstoffsensor 36 eine magere Ausgabe (> VL) oder eine fette Ausgabe (< VR) erzeugt.
Das Zeitintervall, in dem der erste Sauerstoffsensor 36 eine magere oder fette Ausgabe entsprechend der Abgaskonzentration erzeugt, ändert sich jedoch, wie vorstehend beschrieben, mit der Durchflussmenge des Abgases. Genauer gesagt nimmt die für das Erzeugen einer mageren Ausgabe (> VL) oder einer fetten Ausgabe (< VR) erforderliche Reaktionszeit, wenn das dem ersten Sauerstoffsensor 36 zugeführte Abgas mager oder fett ist und der stromaufwärtige Katalysator 30 in dem Zustand mit maximaler oder minimaler Sauerstoffspeicherung angeordnet ist, mit einer Erhöhung der Durchflussmenge des Abgases ab. Wenn die Durchflussmenge des Abgases groß ist, wird anders ausgedrückt der Zustand mit maximaler Sauerstoffspeicherung mit einer mageren Ausgabe erkannt, die erzeugt wurde, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases fetter ist, als wenn die Durchflussmenge des Abgases klein ist, und der Zustand mit minimaler Sauerstoffspeicherung wird mit einer fetten Ausgabe erkannt, die erzeugt wurde, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases magerer ist, als wenn die Durchflussmenge des Abgases groß ist. Als Folge davon ändert sich, wenn die Durchflussmenge des Abgases groß ist, das Zeitintervall zwischen dem Zeitpunkt, an dem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des zu dem stromaufwärtigen Katalysators 30 strömenden Abgases fett wird, und dem Zeitpunkt, an dem der Zustand mit minimaler Sauerstoffspeicherung erfasst wird (die Dauer der Sauerstofffreisetzung, das heißt zum Beispiel das Zeitintervall zwischen dem Zeitpunkt t3 und dem Zeitpunkt t4 in 2), oder das Zeitintervall zwischen dem Zeitpunkt, an dem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mager wird, und dem Zeitpunkt, an dem der Zustand mit maximaler Sauerstoffspeicherung erfasst wird (die Dauer der Sauerstoffspeicherung, das heißt zum Beispiel das Zeitintervall zwischen dem Zeitpunkt t1 und dem Zeitpunkt t2 in 2), mit einer Änderung der Durchflussmenge des Abgases.
Besonders das Abgas, das stromabwärts von dem stromaufwärtigen Katalysator 30 vorhanden ist und in den ersten Sauerstoffsensor 36 strömt, ist ein dünnes Gas, das gereinigt wird, wenn es den stromaufwärtigen Katalysator 30 durchströmt, Daher kann eine solche Konzentrationsänderung selbst dann, wenn eine geringe Konzentrationsänderung pro Zeiteinheit infolge einer Änderung der Durchflussmenge des Abgases auftritt, das stromabwärts von dem stromaufwärtigen Katalysator 30 vorhandene Abgas signifikant beeinflussen, wodurch ein großer Einfluss auf das Ergebnis des ersten Sauerstoffsensors 36 ausgeübt wird. Genauer gesagt kann das Zeitintervall, in dem der erste Sauerstoffsensor 36 eine magere oder fette Ausgabe erzeugt, stark variieren. Als Folge davon können die Dauer der Sauerstofffreisetzung oder die Dauer der Sauerstoffspeicherung in Abhängigkeit davon, ob der Abgasstrom groß oder klein ist, signifikant variieren.
Wie in Verbindung mit der in 3 gezeigten Routine beschrieben ist, wird die integrierte Sauerstoffspeichermenge durch Addieren der Sauerstoffspeichermengen erhalten, die nacheinander während der Dauer der Sauerstofffreisetzung oder der Dauer der Sauerstoffspeicherung erfasst werden. Wenn eine signifikante Änderung während der Dauer der Sauerstofffreisetzung oder der Dauer der Sauerstoffspeicherung auftritt, ist es daher praktisch unmöglich, die Sauerstoffspeichermengen nacheinander in geeigneten Zeitintervallen zu berechnen und aufzuaddieren. Dies erschwert eine genaue Berechnung der integrierten Sauerstoffspeichermenge.
Wenn dies der Fall ist, führt die Vorrichtung zum Erfassen einer Katalysatorverschlechterung gemäß der ersten Ausführungsform, wie nachstehend beschrieben, eine Steuerung aus, um die Änderung während der Integrationsdauer der Sauerstoffspeichermenge (das heißt der Dauer der Sauerstofffreisetzung oder der Dauer der Sauerstoffspeicherung), die sich in Abhängigkeit von der Durchflussmenge des Abgases ergibt, auszugleichen und einen ausreichenden Zeitraum für die Integration zu einem geeigneten Zeitpunkt bereitzustellen, um die Berechnung der integrierten Sauerstoffspeichermenge selbst dann zuzulassen, wenn die Durchflussmenge des Abgases groß ist. Wenn eine erzwungene Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durchgeführt wird, um das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis von einem Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis an der fetten Seite (fettes Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Frich) zu einem Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis an der mageren Seite (mageres Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Flean) oder von dem mageren Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Flean zu dem fetten Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Frich umzustellen, ändert die Vorrichtung zum Erfassen einer Katalysatorverschlechterung gemäß der ersten Ausführungsform das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis in Einheiten des Ausmaßes der Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ΔA/Fref solange, bis das fette oder das magere Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Frich, A/Flean erreicht wird.
In dem obigen Fall wird das Ausmaß der Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ΔA/Fref entsprechend der Durchflussmenge des Abgases eingestellt. Die Durchflussmenge des Abgases entspricht der Ansaugluftmenge Ga, so dass die Durchflussmenge des Abgases mit einer Erhöhung der Ansaugluftmenge Ga zunimmt. Die erste Ausführungsform bestimmt daher das Ausmaß der Änderung, des LuftKraftstoff-Verhältnisses ΔA/Fref für eine Umschaltung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses entsprechend der Ansaugluftmenge Ga.
6 zeigt ein Kennfeld, das die Beziehung zwischen der Ansaugluftmenge Ga und dem Ausmaß der Änderung des Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ΔA/Fref definiert. Wie in dem Kennfeld in 6 gezeigt, nimmt die Einstellung für das Ausmaß der Änderung des Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses für die Umschaltung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses während einer erzwungenen Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses mit einer Erhöhung der Ansaugluftmenge Ga ab. Folglich ändert sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, wenn die Umschaltung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in einer Situation ausgeführt wird, in der die Ansaugluftmenge Ga groß ist, das heißt die Durchflussmenge des Abgases groß ist, in den Einheiten eines geringen Ausmaßes der Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ΔA/Fref schrittweise.
Wie vorstehend beschrieben, ist das Ausmaß der Änderung der Abgaskonzentration pro Zeiteinheit umso größer, je größer die Durchflussmenge des Abgases, das heißt je größer die Ansaugluftmenge Ga ist. Zum anderen verringert die Vorrichtung zum Erfassen einer Katalysatorverschlechterung gemäß der ersten Ausführungsform das Ausmaß der Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ΔA/Fref, um eine solche Einstellung durchzuführen, dass die Konzentrationsänderung des zu dem stromaufwärtigen Katalysator 30 strömenden Abgases mit einer Erhöhung der Ansaugluftmenge Ga abnimmt. Wenn die Umschaltung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ausgeführt wird, kann die Änderung des Ausmaßes der Änderung der Abgaskonzentration pro Zeiteinheit, die infolge einer Änderung der Ansaugluftmenge Ga auftritt, daher ausgeglichen werden, bevor das fette Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Frich oder das magere Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Flean erreicht werden. Folglich bleibt das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des die abgasseitige Elektrode des ersten Sauerstoffsensors 36 erreichenden Abgases während wenigstens eines Zeitraums der Umschaltung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses im Wesentlichen unverändert, unabhängig davon, ob sich die Ansaugluftmenge Ga ändert. Dies ermöglicht, die Änderung des Zeitintervalls, in dem eine magere Ausgabe und eine fette Ausgabe erzeugt werden, mehr oder weniger zu verringern.
Wenn die Ansaugluftmenge Ga groß ist, wird ferner eine Steuerung durchgeführt, um das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis schrittweise zu ändern. Daher ist es möglich, die Dauer der Sauerstoffspeicherung und die Dauer der Sauerstofffreisetzung zu erhöhen, das heißt einen längeren Zeitraum für die Integration der Sauerstoffspeichermenge zu erhalten. Da dies die Empfindlichkeit des ersten Sauerstoffsensors 36 erhöht, ist es möglich, eine übermäßige Abnahme der Integrationsdauer zu vermeiden. Folglich kann ein ausreichender Zeitraum für die Integration der Sauerstoffspeichermenge erhalten werden, um die Sauerstoffspeichermenge selbst dann genau zu bestimmen, wenn sich die Ansaugluftmenge ändert.
[Mit der Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform ausgeführte Routine zum Steuern der Kenngrößen]
7 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Steuerroutine veranschaulicht, die von der ECU 40 der Vorrichtung zum Erfassen einer Katalysatorverschlechterung gemäß der ersten Ausführungsform ausgeführt wird. Die in 7 gezeigte Routine ist eine zeitlich festgelegte Unterbrechungsroutine, die wiederholt in vorgegebenen Zeitintervallen ausgeführt wird, um eine Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses während der Ausführung einer erzwungenen Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bereitzustellen.
Diese Routine führt zunächst einen Schritt S102 durch, um zu beurteilen, ob das Flag Xosc für das Erfassen des Sauerstoffspeichervermögens AN ist. Das Flag Xosc für das Erfassen des Sauerstoffspeichervermögens ist nur dann AN, wenn die Schritte S12 und S16 in 3 durchgeführt werden, um die integrierte Sauerstoffspeichermenge als Reaktion auf die Anweisung zum Erfassen des Sauerstoffspeichervermögens OSC zu berechnen. Wenn das in Schritt S102 erhaltene Beurteilungsergebnis angibt, dass das Flag Xosc für das Erfassen des Sauerstoffspeichervermögens AUS ist, endet der aktuelle Prozess, ohne irgendetwas zu tun.
Wenn das in Schritt S102 erhaltene Beurteilungsergebnis andererseits angibt, dass das Flag Xosc für das Erfassen des Sauerstoffspeichervermögens AN ist, wird Schritt S104 durchgeführt, um zu beurteilen, ob sich der Zustand des mageren Flag Xlean von AUS zu AN geändert hat. Das magere Flag Xlean bleibt an, wenn eine magere Ausgabe durch den ersten Sauerstoffsensor 36 erzeugt wird (siehe Schritt S20 bis S22 in 3). Daher herrscht die in Schritt S108 vorgegebene Bedingung nur dann, wenn sich die Ausgabe des ersten Sauerstoffsensors 36 während des vorhergehenden und des aktuellen Prozesszyklus von einem Wert, der kleiner als der Wert VL der Beurteilung der Abmagerung ist, zu einem Wert, der größer als der Wert VL der Beurteilung der Abmagerung ist, ändert.
Wenn festgestellt wird, dass sich der Zustand des mageren Flag Xlean von AUS zu AN geändert hat, wird Schritt S106 durchgeführt, um ein Flag Yrich für eine fette Umschaltung anzuschalten. Das Flag Yrich für eine fette Umschaltung bleibt während des Zeitintervalls zwischen dem Zeitpunkt, an dem eine magere Ausgabe des ersten Sauerstoffsensors 36 erkannt wird, das heißt festgestellt wird, dass der stromaufwärtige Katalysator 30 den Zustand mit maximaler Sauerstoffspeicherung erreicht hat, und dem Zeitpunkt, an dem die Umschaltung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zu einem fetten Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Frich beendet wurde, AN.
Als nächstes wird Schritt S108 durchgeführt, um die aktuelle Ansaugluftmenge Ga zu erfassen. Die Ansaugluftmenge Ga kann entsprechend einer von dem Durchflussmessgerät 20 für die Luft erzeugten Ausgabe erfasst werden. Dann wird Schritt S110 durchgeführt, um das Ausmaß der Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ΔA/Fref zu berechnen. Das Ausmaß der Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ΔA/Fref wird aus dem in 6 gezeigten Kennfeld entsprechend der in Schritt S108 erfassten Ansaugluftmenge Ga berechnet. Wie vorstehend beschrieben, nimmt die Einstellung für das Ausmaß der Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ΔA/Fref mit einer Erhöhung der Ansaugluftmenge Ga ab. Anders ausgedrückt erfolgt das Ausmaß der Änderung des Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ΔA/Fref, wenn die Ansaugluftmenge Ga zunimmt, für eine anschließende Umschaltung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses schrittweise.
Als nächstes wird Schritt S112 durchgeführt, um ein fettes Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/FrefR zu berechnen. Während das Flag Yrich für eine fette Umschaltung AN ist, das heißt, während sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu der fetten Seite hin ändert, wird das fette Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/FrefR, das als Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis dient, durch Subtrahieren des Ausmaßes der Änderung ΔA/Fref von dem aktuell eingestellten Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Fref entsprechend der Gleichung (2) unten bestimmt. Fettes Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/FrefR = aktuelles Ziel-Luft-Kraftstoff Verhältnis A/Fref – Ausmaß der Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ΔA/Fref (2)
Als nächstes wird Schritt S114 durchgeführt, um zu beurteilen, ob das berechnete fette Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Fref größer als das fette Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Frich ist. Wenn das erhaltene Beurteilungsergebnis angibt, dass A/FrefR > A/Frich, erreicht das fette Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Fref, das als Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Fref dient, bei der aktuellen Einstellung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses nicht das fette Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Frich. Es wird daher Schritt S116 durchgeführt, so dass das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Fref das in Schritt S112 berechnete Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/FrefR ist. Anschließend wird Schritt S118 durchgeführt, um eine Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses entsprechend dem eingestellten Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Fref durchzuführen. Dann endet der aktuelle Prozess.
Wenn zum anderen das in Schritt S114 erhaltene Beurteilungsergebnis nicht angibt, dass A/FrefR > A/Frich, das heißt, wenn das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/FrefF für die Umschaltung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zu der fetten Seite nicht größer als das fette Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Frich ist, wird Schritt S120 durchgeführt, um das fette Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Frich als Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Fref einzustellen. Als nächstes wird Schritt S122 durchgeführt, um das Flag Yrich für die fette Umschaltung auszuschalten. Anschließend wird Schritt S118 durchgeführt, um die Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses entsprechend dem in Schritt S120 eingestellten Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis auszuführen. Dann endet der aktuelle Prozess.
Anschließend wird wiederholt die in 7 gezeigte Routine ausgeführt. Nach Vollendung der Schritte S120 und S122 befindet sich der stromaufwärtige Katalysator 30 jedoch in dem Zustand mit minimaler Sauerstoffspeicherung. Das fette Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Frich wird daher solange als Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Frich beibehalten, bis sich der Zustand des fetten Flag Xrich in Schritt S104 von AUS zu AN ändert.
Der gleiche Prozess wird sogar dann durchgeführt, nachdem der erste Sauerstoffsensor 36 eine fette Ausgabe erzeugt. Genauer gesagt wird dann, wenn das in Schritt S104 erhaltene Beurteilungsergebnis nicht angibt, dass sich der Zustand des mageren Flag Xlean von AUS zu AN ändert, der Schritt S124 durchgeführt, um zu beurteilen, ob sich der Zustand des fetten Flag Xrich von AUS zu AN ändert. Das fette Flag Xrich bleibt AN, wenn von dem ersten Sauerstoffsensor 36 eine fette Ausgabe erzeugt wird (siehe Schritt S24 bis S26 in 3). Der in Schritt S124 vorgegebene Zustand herrscht daher nur dann, wenn sich die Ausgabe des ersten Sauerstoffsensors 36 während des vorhergehenden und des aktuellen Prozesszyklus von einem Wert, der nicht kleiner als der Wert VR der Beurteilung der Anfettung ist, zu einem Wert, der kleiner als der Wert VR der Anfettung ist, ändert.
Wenn festgestellt wird, dass der Zustand des fetten Flag Xrich von AUS zu AN geändert ist, wird Schritt S126 durchgeführt, um ein Flag Ylean für die magere Umschaltung anzuschalten. Das Flag Xlean für die magere Umschaltung wird angeschaltet, wenn erfasst wird, dass der stromaufwärtige Katalysator 30 den Zustand mit minimaler Sauerstoffspeicherung erreicht hat. Anschließend bleibt das Flag Ylean für die magere Umschaltung solange an, bis das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Fref vollständig zu dem mageren Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Flean umschaltet.
Als nächstes wird Schritt S128 durchgeführt, um die aktuelle Ansaugluftmenge Ga zu erfassen. Dann wird Schritt S130 durchgeführt, um das Ausmaß der Änderung des Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ΔA/Fref entsprechend der erfassten Ansaugluftmenge Ga zu berechnen. Als nächstes wird Schritt S132 durchgeführt, um ein mageres Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/FrefL zu berechnen, das als Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis für die Umschaltung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zu der mageren Seite dient. Das magere Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/FrefL wird durch Addieren des Ausmaßes der Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ΔA/Fref zu dem aktuell eingestellten Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Fref entsprechend der Gleichung (3) unten bestimmt. Mageres Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/FrefL = aktuelles Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Fref + Ausmaß der Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ΔA/Fref (3)
Als nächstes wird Schritt S134 durchgeführt, um zu beurteilen, ob das magere Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/FrefL kleiner als das magere Ziel-Luft-Kraftstoff Verhältnis A/Flean ist. Wenn das erhaltene Beurteilungsergebnis angibt, dass A/FrefL < A/Flean, wird geschlossen, dass das magere Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/FrefL in dem aktuellen Prozess nicht das magere Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Flean erreicht hat. Es wird daher Schritt S136 durchgeführt, um das berechnete magere Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/FrefL als Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Fref einzustellen.
Wenn das in Schritt S134 erhaltene Beurteilungsergebnis andererseits nicht angibt, dass das magere Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/FrefL kleiner als das magere Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Flean ist, das heißt, wenn festgestellt wird, dass das magere Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/FrefL nicht kleiner als das magere Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Flean ist, wird Schritt S138 durchgeführt, um das magere Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Flean als Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Fref einzustellen. Anschließend wird Schritt S140 durchgeführt, um das Flag Ylean für die magere Umschaltung auszuschalten.
Wenn das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Fref in Schritt S136 oder Schritt S138 eingestellt wird, wird Schritt S118 durchgeführt, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis so zu steuern, dass das eingestellte Luft-Kraftstoff-Verhältnis herrscht. Dann endet der aktuelle Prozess.
Anschließend wird wiederholt die in 7 gezeigte Routine durchgeführt. Nach Vollendung der Schritte S138 und S140 ist der stromaufwärtige Katalysator 30 jedoch zu dem Zustand mit maximaler Sauerstoffspeicherung zurückgekehrt. Das magere Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Flean wird daher solange als Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Fref beibehalten, bis sich der Zustand des mageren Flag Xlean in Schritt S104 von AUS zu AN ändert.
Wenn zum anderen das in Schritt S124 erhaltene Beurteilungsergebnis nicht angibt, dass sich der Zustand des fetten Flag von AUS zu AN ändert, das heißt, das keines der mageren Flags Xlean, Xrich seinen Zustand von AUS zu AN geändert hat, wird Schritt S142 durchgeführt, um zu beurteilen, ob das Flag Yrich für die fette Umschaltung AN ist. Das Flag Yrich für die fette Umschaltung bleibt AN, während sich das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis während der erzwungenen Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses von mager zu fett ändert.
Wenn festgestellt wird, dass das Flag für die fette Umschaltung AN ist, fährt die Routine daher mit Schritt S112 fort und berechnet das fette Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/FrefR entsprechend der Gleichung (2) oben. Wenn festgestellt wird, dass das fette Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/FrefR > fettes Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Frich, wird Schritt S116 durchgeführt, um das fette Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/FrefR als Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Frich einzustellen. Dieser Prozess wird solange während einer wiederholten Ausführung der Routine durchgeführt, bis das in Schritt S114 erhaltene Beurteilungsergebnis angibt, dass das fette Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/FrefR nicht größer als das fette Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Frich ist. Anders ausgedrückt wird, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis von mager zu fett umschaltet, eine Steuerung durchgeführt, um das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis in Einheiten des Ausmaßes der Änderung ΔA/Fref, das entsprechend der Ansaugluftmenge Ga bestimmt wird, solange zu verringern, bis das fette Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Frich erreicht ist. Wenn anschließend festgestellt wird, dass das fette Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/FrefR nicht größer als das fette Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Frich ist, wird Schritt S120 durchgeführt, um das fette Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Frich als Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Fref einzustellen. Als nächstes wird Schritt S122 durchgeführt, um das Flag Yrich für die fette Umschaltung auszuschalten. Dann wird Schritt S118 durchgeführt, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu steuern.
Wenn das in Schritt S142 erhaltene Beurteilungsergebnis angibt, dass das Flag Yrich für die fette Umschaltung AUS ist, wird Schritt S144 durchgeführt, um zu beurteilen, ob das Flag Ylean für die magere Umschaltung AN ist. Das Flag Ylean für die magere Umschaltung bleibt an, wenn sich das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis während einer erzwungenen Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses von fett zu mager ändert.
Wenn das in Schritt S144 erhaltene Beurteilungsergebnis angibt, dass das Flag für die magere Umschaltung AN ist, fährt die Routine mit Schritt S132 fort und berechnet das magere Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/FrefL. Wenn in Schritt S134 festgestellt wird, dass das magere Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/FrefL < mageres Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Flean, wird Schritt S136 durchgeführt, um das magere Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/FrefL als Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Fref einzustellen. Dann wird Schritt S118 durchgeführt, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu steuern. Dieser Prozess zum Umschalten zu einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf der mageren Seite wird solange durchgeführt, bis das in Schritt S134 erhaltene Beurteilungsergebnis angibt, dass das magere Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/FrefL nicht kleiner als das magere Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Flean ist. Anders ausgedrückt wird, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu einer mageren Seite umschaltet, eine Steuerung durchgeführt, um das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis in Einheiten des Ausmaßes der Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ΔA/Fref, das entsprechend der Ansaugluftmenge Ga bestimmt wird, solange zu erhöhen, bis das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Fref das magere Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Flean erreicht. Wenn anschließend festgestellt wird, dass das magere Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/FrefL nicht kleiner als das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Flean ist, wird Schritt S138 durchgeführt, um das magere Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Flean als Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Fref einzustellen. Als nächstes wird Schritt S140 durchgeführt, um das Flag Ylean für die magere Umschaltung auszuschalten. Dann wird Schritt S118 durchgeführt, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu steuern.
Wenn zum anderen das in Schritt S144 erhaltene Beurteilungsergebnis nicht angibt, dass das Flag Ylean für die magere Umschaltung AN ist, wird Schritt S118 durchgeführt, um das aktuell eingestellte Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis beizubehalten und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu steuern.
Wenn das Sauerstoffspeichervermögen zum Zwecke des Erfassens einer Katalysatorverschlechterung erfasst wird, führt die Vorrichtung zum Erfassen einer Katalysatorverschlechterung gemäß der ersten Ausführungsform eine erzwungene Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durch, um, wie vorstehend beschrieben, erzwungen auf ein fettes oder mageres Luft-Kraftstoff-Verhältnis umzuschalten. Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis von fett zu mager oder von mager zu fett umgeschaltet wird, verwendet die Vorrichtung zum Erfassen einer Katalysatorverschlechterung ferner das auf der Ansaugluftmenge Ga basierende Ausmaß der Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ΔA/Fref. Genauer gesagt wird das Ausmaß der Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ΔA/Fref auf einen großen Wert eingestellt, wenn die Ansaugluftmenge Ga klein ist. Wenn die Ansaugluftmenge Ga groß ist, wird das Ausmaß der Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ΔA/Fref zum anderen auf einen kleinen Wert eingestellt. Als Folge davon erfolgt die Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Abgases schrittweise, wenn das die abgasseitige Elektrode des ersten Sauerstoffsensors 36 erreichende Abgas in einer Situation, in der die Ansaugluftmenge Ga groß ist, eine große Konzentrationsänderung erfährt. Die Konzentrationsänderung des den ersten Sauerstoffsensor 36 erreichenden Abgases kann daher innerhalb eines bestimmten Bereichs durch Ausgleichen der Änderung der sich mit der Ansaugluftmenge Ga ändernden Konzentrationsänderung pro Zeiteinheit eingegrenzt werden.
Selbst wenn der erste Sauerstoffsensor 36 in einer Situation, in der die Ansaugluftmenge Ga groß ist, sofort auf eine Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses reagiert und schnell eine magere oder fette Ausgabe erzeugt, kann der zum Erreichen des Zustand mit maximaler oder minimaler Sauerstoffspeicherung erforderliche Zeitraum ferner durch Bereitstellen einer schrittweisen Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zu der mageren oder fetten Seite erhöht werden. Selbst wenn die Ansaugluftmenge Ga groß ist, kann daher der Zeitraum für die Integration der Sauerstoffspeichermenge für das Erfassen des Sauerstoffspeichervermögens lang gehalten werden. Als Folge davon kann die Vorrichtung zum Erfassen einer Katalysatorverschlechterung gemäß der ersten Ausführungsform sofort das Sauerstoffspeichervermögen berechnen und das Verschlechtern eines Katalysators mit erhöhter Genauigkeit beurteilen.
Es wird angenommen, dass die erste Ausführungsform das Ausmaß der Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ΔA/Fref entsprechend der Ansaugluftmenge Ga bestimmt, wenn während einer erzwungenen Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses von einem fetten zu einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis umgeschaltet wird. Die vorliegende Erfindung verwendet jedoch nicht notwendigerweise die Ansaugluftmenge Ga als Parameter zum Bestimmen des Ausmaßes der Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ΔA/Fref. Das Ausmaß der Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ΔA/Fref kann zum Beispiel entsprechend einer direkten Messung einer Durchflussmenge des angesaugten Gases bestimmt werden. Die Änderung der Konzentration pro Zeiteinheit des stromabwärts von dem stromaufwärtigen Katalysator 30 ausgetragenen Abgases erhöht sich nicht nur, wenn die Durchflussmenge des angesaugten Gases groß ist, sondern auch, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des angesaugten Gases hoch ist. Die Reaktionsgeschwindigkeit für die Ausgabe des ersten Sauerstoffsensors 36 ändert sich daher mit der Strömungsgeschwindigkeit des Gases. Als Folge davon ermöglicht das Ausführen einer ähnlichen Steuerung zum Verringern des Ausmaßes der Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ΔA/Fref, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des angesaugten Gases groß ist, die Änderung der Integrationsdauer, die sich mit der Reaktionszeit für die Ausgabe des ersten Sauerstoffsensors 36 ändert, zu verringern.
Des Weiteren verwendet die vorliegende Erfindung nicht notwendigerweise einen Wert entsprechend dem in 6 gezeigten Kennfeld als Ausmaß der Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ΔA/Fref für die Ansaugluftmenge Ga. Das Ausmaß der Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ΔA/Fref ändert sich zum Beispiel mit den Eigenschaften des stromaufwärtigen Katalysators 30. Es kann daher als für den Verbrennungsmotor 10, in dem die Vorrichtung zum Erfassen einer Katalysatorverschlechterung eingebaut werden soll, geeignet definiert werden.
In der ersten Ausführungsform setzt das Durchführen des Schritts S20 zum Beispiel das „Mittel zum Erfassen eines Zustand mit maximaler Sauerstoffspeicherung” gemäß der vorliegenden Erfindung, das Durchführen des Schritts S24 das „Mittel zum Erfassen eines Zustands mit minimaler Sauerstoffspeicherung” gemäß der vorliegenden Erfindung, das Durchführen der Schritte S116 bis S120 das „Mittel zum Steuern eines fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses”, das Durchführen der Schritte S134 bis S140 und S118 das „Mittel zum Steuern eines mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses”, das Durchführen der Schritte S36 bis S48 das „Mittel zum Erfassen der Sauerstoffspeicherung” und das Durchführen der Schritte S110 bis S116 und der Schritte S130 bis S136 das „Mittel zum Einstellen der Bedingungen für das Erfassen der Sauerstoffspeichermenge” voraus.
In der ersten Ausführungsform setzt ferner das Durchführen der Schritte S108 und S128 das „Mittel zum Erfassen einer Ansaugluftmenge” gemäß der vorliegenden Erfindung, das Durchführen der Schritte S110 und S130 das „Mittel zum Berechnen des Ausmaßes der Änderung”, das Durchführen des Schritts S114 das „Mittel zum Beurteilen eines fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses”, das Durchführen des Schritts S116 das „Mittel zum Einstellen eines fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses”, das Durchführen des Schritts S134 das „Mittel zum Beurteilen eines mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses” und das Durchführen des Schritts S136 das „Mittel zum Einstellen eines mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses” voraus.
Zweite Ausführungsform
Die Vorrichtung zum Erfassen einer Katalysatorverschlechterung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und ein System um diese herum besitzen den gleichen Aufbau, wie er in Verbindung mit der ersten Ausführungsform beschrieben wurde (siehe 1). Auch in der zweiten Ausführungsform erfasst die als Vorrichtung zum Erfassen einer Katalysatorverschlechterung dienende ECU 40 das Verschlechtern des stromaufwärtigen Katalysators 30 durch Erfassen des Sauerstoffspeichervermögens des stromaufwärtigen Katalysators 30. Genauer gesagt führt die zweite Ausführungsform eine erzwungene Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf die gleiche Weise wie die erste Ausführungsform durch, erfasst das Sauerstoffspeichervermögen des Katalysators während der Ausführung einer solchen Steuerung und beurteilt das Verschlechtern des Katalysators entsprechend dem Sauerstoffspeichervermögen.
Genauer gesagt führt die Vorrichtung zum Erfassen einer Katalysatorverschlechterung gemäß der zweiten Ausführungsform die gleiche Steuerung wie die Vorrichtung zum Erfassen einer Katalysatorverschlechterung gemäß der ersten Ausführungsform durch, außer dass erstere keine Steuerung ausführt, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in Einheiten eines vorher ausgewählten Ausmaßes der Änderung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses solange zu ändern, bis ein fettes oder mageres Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis erreicht wird, wenn die Umschaltung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses während einer erzwungenen Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ausgeführt werden soll, und dass letztere ein geeignetes Luft-Kraftstoff-Verhältnis entsprechend der Temperatur eines Elements des ersten Sauerstoffsensors 36 als mageres oder fettes Luft-Kraftstoff-Verhältnis für eine Dauer der erzwungenen Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses einstellt und zum Zeitpunkt einer Umschaltung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses sofort zu einem mageren oder einem fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis umschaltet.
Während eine erzwungene Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ausgeführt wird, hängt die Temperatur des aus dem stromaufwärtigen Katalysators 30 ausgetragenen Abgases zum Beispiel von den Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors 10 ab und ändert sich mit der Situation. Wenn sich die Temperatur des Abgases, wie vorstehend beschrieben, ändert, ändern sich sowohl die Anteile der fetten Bestandteile in dem Abgas als auch die mageren Bestandteile in dem Abgas, unabhängig davon, ob das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases unverändert bleibt.
Genauer gesagt neigt der Anteil an CH₄, der ein fetter HC-Bestandteil des Abgases ist, bei steigender Temperatur des Abgases dazu, sich zu erhöhen. CH₄ besitzt eine höhere Diffusionsgeschwindigkeit als die anderen HC-Bestandteile. Das bedeutet, dass CH₄ zum Beispiel durch eine an der Oberfläche der abgasseitigen Elektrode gebildete Diffusionsschicht strömt und einen Katalysator der abgasseitigen Elektrode früher als die anderen HC-Bestandteile erreicht. Wenn die Temperatur des Abgases steigt, steigt die Temperatur des Sensorelements des ersten Sauerstoffsensors 36 (die Temperatur des Elements) unter dem Einfluss des Abgases mit hoher Temperatur ebenfalls. Wenn die Temperatur des Elements des ersten Sauerstoffsensors 36 ansteigt, erhöht sich zum Beispiel auch die Temperatur der Diffusionsschicht an der Oberfläche der abgasseitigen Elektrode des ersten Sauerstoffsensors 36. Ein Anstieg der Temperatur der Diffusionsschichten verleiht die Funktion, die Durchflussmenge des zu dem Sensor geleiteten Abgases zu steuern. Wenn eine solche Funktion verliehen wird, weist besonders ein fetter H-Bestandteil eine höhere Diffusionsgeschwindigkeit als die anderen Bestandteile auf.
Wenn die Temperatur des Abgases hoch ist, wenn sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases von mager zu fett ändert, üben die CH₄- und H-Bestandteile mit einer hohen Diffusionsgeschwindigkeit, wie vorstehend beschrieben, einen starken Einfluss aus. Der erste Sauerstoffsensor 36 reagiert daher sofort auf eine solche Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und erzeugt eine fette Ausgabe, während das stromabwärts von dem stromaufwärtigen Katalysator 30 vorhandene Abgas ein relativ mageres Luft-Kraftstoff-Verhältnis aufweist. Wenn die Temperatur des Abgases im Gegensatz dazu niedrig ist, ändert der erste Sauerstoffsensor 36 seine Ausgabe schrittweise. Wenn das Abgas ein relativ fettes Luft-Kraftstoff-Verhältnis erreicht, reagiert der erste Sauerstoffsensor 36 auf eine solche Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und erzeugt eine Ausgabe, die eine Anfettung angibt.
Genauer gesagt erzeugt der erste Sauerstoffsensor 36, wenn der stromaufwärtige Katalysator 30 den Zustand mit minimaler Sauerstoffspeicherung erreicht, wodurch ein fettes Abgas in den ersten Sauerstoffsensor 36 zu strömen beginnen kann, eine fette Ausgabe, die den erreichten Zustand mit einer relativen Schnelligkeit angibt, während das tatsächliche Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases mager ist. Je höher die Temperatur des Abgases ist, desto schneller erzeugt der erste Sauerstoffsensor 36 eine solche fette Ausgabe. Wie vorstehend beschrieben, nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit des ersten Sauerstoffsensors 36 an der fetten Seite mit einer Erhöhung der Temperatur des Abgases zu. Eine Zunahme einer solchen Reaktionsgeschwindigkeit rückt näher an den Zeitraum heran, in dem der erste Sauerstoffsensor 36 den Zustand mit minimaler Sauerstoffspeicherung erfasst.
Indessen erhöht eine Zunahme der Temperatur des Abgases den Anteil von NO₂ in NO_x, das einen mageren Bestandteil des Abgases darstellt, während eine Abnahme der Temperatur des Abgases den Anteil von NO in NO_x erhöht. NO₂ enthält eine größere Menge an Sauerstoff in seinem Molekül als NO. In dem Katalysator der abgasseitigen Elektrode setzt NO₂ daher eine größere Menge an Sauerstoff frei. Wenn sich das Abgas daher zu einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis ändert, erzeugt der erste Sauerstoffsensor 36 infolgedessen eine Ausgabe, die die Abmagerung eines relativ fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses angibt, wenn ein Abgas mit hoher Temperatur und einem großen Anteil an NO₂ einströmt.
Genauer gesagt erzeugt der erste Sauerstoffsensor 36, wenn der stomaufwärtige Katalysator 30 den Zustand mit maximaler Sauerstoffspeicherung erreicht, wodurch ein mageres Abgas stromabwärts von dem stromaufwärtigen Katalysator 30 auszuströmen beginnen kann, eine magere Ausgabe, die den erreichten Zustand mit einer relativen Schnelligkeit und bei einem relativ fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis anzeigt, während die Temperatur des Abgases hoch ist. Wenn die Temperatur im Gegensatz dazu niedrig ist, erhöht sich die für die Erzeugung einer mageren Ausgabe (> VL) erforderliche Reaktionszeit infolge einer Zunahme des Anteils an NO in einem mageren Bestandteil des Abgases.
Besonders wird das stromabwärts von dem stromaufwärtigen Katalysator 30 vorhandene Abgas in dem stromaufwärtigen Katalysator 30 gereinigt. Die Konzentrationsänderung ist daher gering, selbst wenn der stromaufwärtige Katalysator 30 den Zustand mit maximaler oder minimaler Sauerstoffspeicherung erreicht, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases abzumagern oder anzufetten. Wenn sich die Anteile an fetten oder mageren Bestandteilen des Abgases und die Diffusionsgeschwindigkeiten der durch die Diffusionsschicht strömenden Bestandteile infolge der Temperaturänderung des Abgases ändern, wie vorstehend beschrieben ist, wodurch eine Änderung der Konzentrationsänderung des Abgases verursacht wird, übt die Konzentrationsänderung einen großen Gesamteinfluss auf ein dünnes Abgas aus, unabhängig davon, ob die Änderung geringfügig ist.
Wie vorstehend beschrieben, verringert eine hohe Abgastemperatur die für das tatsächliche Erzeugen einer fetten oder mageren Ausgabe als Reaktion auf eine Änderung zu einem fetten oder mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis des stromabwärts von dem stromaufwärtigen Katalysator 30 ausgetragenen Abgases erforderliche Reaktionszeit. Anders ausgedrückt rückt eine hohe Abgastemperatur näher an den Zeitraum heran, in dem der Zustand mit maximaler oder minimaler Sauerstoffspeicherung erfasst wird, und ändert diesen. Dies kann eine Änderung verursachen, die die Dauer der Sauerstoffspeicherung oder die Dauer der Sauerstofffreisetzung übermäßig verkürzt. Als Folge davon können die Sauerstoffspeichermengen während eines geeigneten Zeitraums nicht aufaddiert werden. Die resultierende integrierte Sauerstoffspeichermenge unterscheidet sich daher von einem tatsächlichen Wert. Um das Sauerstoffspeichervermögen genau zu berechnen und das Verschlechtern des stromaufwärtigen Katalysators mit hoher Präzision zu beurteilen, ist jedoch bevorzugt, dass die integrierte Sauerstoffspeichermenge exakter vorliegt. Daher ist gewünscht, Schwankungen der Integrationsdauer zu vermeiden und eine feste Integrationsdauer bereitzustellen.
Unter den obigen Umständen stellt die zweite Ausführungsform sicher, dass ein mageres oder fettes Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ersten Sauerstoffsensors 36 während einer erzwungenen Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf der Temperatur eines Elements des ersten Sauerstoffsensors basiert. Genauer gesagt führt die zweite Ausführungsform, wenn die Abgastemperatur hoch ist, eine solche Einstellung durch, dass sich das magere Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Flean oder das fette Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Frich stark von dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F unterscheidet.
Wenn eine Einstellung, wie vorstehend beschrieben, durchgeführt wird, so dass sich das fette oder magere Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis stark von dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis unterscheidet, ist das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in dem stromaufwärtigen Katalysator 30 strömenden Abgases signifikant mager oder fett. Wenn der stromaufwärtige Katalysator 30 den Zustand mit maximaler oder minimaler Sauerstoffspeicherung erreicht, weist daher das fette oder magere Abgas, das stromabwärts von dem stromaufwärtigen Katalysator 30 auszuströmen beginnt, ein großes Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf. Wenn die Abgastemperatur hoch ist, erfasst der erste Sauerstoffsensor 36 daher eine solche signifikante Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Abgases. Selbst wenn die Abgastemperatur hoch ist, ist es daher infolgedessen möglich, den Einfluss der Änderungen der Anteile der Bestandteile des Abgases, die sich aus einem Anstieg der Abgastemperatur ergeben, und der Änderungen der Diffusionsgeschwindigkeiten während der Ausgabe des ersten Sauerstoffsensors 36 zu verringern. Wenn die Abgastemperatur hoch ist, ist es deshalb möglich, eine übermäßige Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit für eine Ausgabe des ersten Sauerstoffsensors 36 und des Erfassens des Zustand mit maximaler oder minimaler Sauerstoffspeicherung bei einem fetten oder mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu vermeiden.
Indessen steigt die Temperatur des Elements unausweichlich mit einer Erhöhung der Abgastemperatur. Es wird daher angenommen, dass das vorstehend erwähnte magere Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Flean oder das fette Ziel-Luft-Kraftstoff Verhältnis A/Frich entsprechend der Temperatur des Elements bestimmt werden soll. Dies ermöglicht, eine Einstellung des Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ebenso unter Berücksichtigung der Abgastemperatur durchzuführen.
Die Temperatur des Elements entspricht ferner der Impedanz des Sensorelements. 8 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Temperatur und der Impedanz des Elements veranschaulicht. Wie in 8 gezeigt, nimmt die Temperatur des Elements mit einer Abnahme der Impedanz des Elements zu. Diese Beziehung kann zum Bestimmen der Temperatur des Elements aus einer erfassten Impedanz des Elements verwendet werden. Das magere Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Flean oder das fette Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Frich, das die Temperatur des Elements als Parameter verwendet, kann als ein auf der Impedanz des Elements basierender Wert eingestellt werden.
9 zeigt ein Kennfeld, das die Beziehung zwischen der Impedanz des Elements, dem mageren Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Flean und dem fetten Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Frich veranschaulicht. Entsprechend der mit dem Kennfeld in 9 gezeigten Beziehung werden die mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisse A/Flean, A/Frich so eingestellt, dass sich der Unterschied zu dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Fst mit einer Abnahme der Impedanz des Elements (das heißt mit einer Zunahme der Temperatur des Elements) erhöht.
Entsprechend der in 9 gezeigten Beziehung speichert die ECU 40 das Kennfeld, das die Beziehung zwischen der Impedanz des Elements, dem mageren Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Flean und dem fetten Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Frich veranschaulicht. Eine erzwungene Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zum Erfassen des Verschlechterns des stromaufwärtigen Katalysators 30 wird so durchgeführt, dass die Impedanz des Elements des ersten Sauerstoffsensors 36 erfasst wird, das magere Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Flean oder das fette Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Frich entsprechend dem erfassten Wert eingestellt wird und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis entsprechend dem eingestellten Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis gesteuert wird.
10 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Steuerroutine veranschaulicht, die die ECU 40 entsprechend der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausführt. Die in 10 gezeigte Routine ist eine Routine der erzwungenen Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses für die Berechnung der integrierten Sauerstoffspeichermenge und wird anstelle der in 7 gezeigten Routine ausgeführt, wenn das magere Flag Xlean und das fette Flag Xrich, wie in 3 gezeigt, gesteuert werden.
Genauer gesagt führt die in 10 gezeigte Routine einen Schritt S202 durch, um zu beurteilen, ob das Flag Xosc zum Erfassen des Sauerstoffspeichervermögens AN ist. Wenn das in Schritt S202 erhaltene Beurteilungsergebnis angibt, dass das Flag Xosc zum Erfassen des Sauerstoffspeichervermögens AN ist, wird Schritt S204 durchgeführt, um zu beurteilen, ob sich der Zustand des mageren Flag Xlean von AUS zu AN geändert hat. Das magere Flag Xlean bleibt an, während in den Schritte S20 bis S22 in 3 der Zustand mit maximaler Sauerstoffspeicherung erfasst wurde. Die in Schritt S204 vorgegebene Bedingung herrscht daher nur dann, wenn sich die Ausgabe des ersten Sauerstoffsensors 36 von einem Wert, der kleiner als ein vorgegebener Beurteilungswert ist, zu einem Wert, der nicht kleiner als die magere Ausgabe während des vorhergehenden und des aktuellen Prozesses ist, ändert.
Wenn die in Schritt S204 vorgegebene Bedingung herrscht, wird Schritt S206 durchgeführt, um die Impedanz des Elements zu erfassen. Die Impedanz des Elements wird erfasst, indem eine Spannung zum Erfassen der Impedanz des Elements an das Sensorelement angelegt und eine Änderung des in das Sensorelements fließenden Stroms erfasst wird. Als nächstes wird Schritt S208 durchgeführt, um das fette Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Frich entsprechend der Impedanz des Elements zu berechnen. Das fette Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Frich wird auf einen Wert eingestellt, der auf der Impedanz des Elements entsprechend dem Kennfeld (siehe 9) basiert, das vorher in der ECU 40 gespeichert wurde. Das berechnete fette Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Frich nimmt mit einer Erhöhung der Impedanz des Elements (das heißt mit einer Abnahme der Temperatur des Elements) zu. Anschließend wird Schritt S210 durchgeführt, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf das in Schritt S208 erhaltene fette Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Frich einzustellen. Dann wird in Schritt S212 eine solche Steuerung durchgeführt, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mit dem eingestellten fetten Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Frich übereinstimmt.
Wenn andererseits das in Schritt S204 erhaltene Beurteilungsergebnis nicht angibt, dass sich der Zustand des mageren Flag Xlean von AUS zu AN geändert hat, wird Schritt S214 durchgeführt, um zu beurteilen, ob sich der Zustand des fetten Flag Xrich von AUS zu AN geändert hat. Das fette Flag Xrich bleibt AN, während der Zustand mit minimaler Sauerstoffspeicherung erfasst wird (Schritt S24 und S26 in 3). Die in Schritt S214 vorgegebene Bedingung herrscht daher nur dann, wenn sich die Ausgabe des ersten Sauerstoffsensors 36 von einem Wert, der nicht kleiner als ein vorgegebener Beurteilungswert ist, zu einem Wert einer fetten Ausgabe, der kleiner als der Beurteilungswert während des vorhergehenden und des aktuellen Prozesses ist, ändert.
Wenn das in Schritt S124 erhaltene Beurteilungsergebnis angibt, dass sich der Zustand des fetten Flag Xrich von AUS zu AN geändert hat, wird Schritt S216 durchgeführt, um die Impedanz des Elements zu erfassen. Anschließend wird Schritt S218 durchgeführt, um das magere Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Flean entsprechend der Impedanz des Elements zu berechnen. Entsprechend dem Kennfeld, das vorher in der ECU 40 gespeichert wurde, wird das magere Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Flean auf einen Wert entsprechend der Impedanz des Elements eingestellt. Die Einstellung für das magere Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Flean nimmt mit einer Erhöhung der Impedanz des Elements (das heißt mit einer Abnahme der Temperatur des Elements) zu. Anschließend wird Schritt S220 durchgerührt, um das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf das in Schritt S218 erhaltene magere Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis einzustellen. Dann wird Schritt S212 durchgeführt, um eine solche Steuerung auszuführen, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mit dem eingestellten mageren Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Flean übereinstimmt.
Wenn keine der in den Schritten S204 und S214 vorgegebenen Bedingungen herrscht, wird geschlossen, dass weder der Zustand mit maximaler Sauerstoffspeicherung noch der Zustand mit minimaler Sauerstoffspeicherung erreicht wurden. Daher wird Schritt S222 durchgeführt, so dass das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis mit dem aktuell eingestellten Luft-Kraftstoff-Verhältnis beibehalten wird. Dann wird Schritt S212 durchgeführt, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu steuern.
Wie vorstehend beschrieben, führt die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine solche Einstellung für die während des Erfassens des Sauerstoffspeichervermögens ausgeführte erzwungene Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durch, dass der Unterschied zwischen dem mageren Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Flean oder dem fetten Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Frich und dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Fst mit einer Erhöhung der Temperatur des Elements des ersten Sauerstoffsensors 36 zunimmt. Als Folge davon kann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den stromaufwärtigen Katalysators 30 strömenden Abgases, wenn die Temperatur des Elements hoch ist, das heißt, wenn erwartet wird, dass die Temperatur des Abgases hoch ist, stark abgemagert oder angefettet werden. In diesem Fall weist das fette oder magere Abgas, das stromabwärts von dem stromaufwärtigen Katalysator 30 auszuströmen beginnt, wenn der stromaufwärtige Katalysator 30 den Zustand mit maximaler oder minimaler Sauerstoffspeicherung erreicht, ein großes Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf. Wenn die Temperatur des Abgases hoch ist, erfasst der erste Sauerstoffsensor 36 daher eine Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Abgases, das sich, wie vorstehend erwähnt, stark ändert. Selbst wenn die Temperatur des Abgases hoch ist, ist es infolgedessen möglich, den Einfluss der Änderungen der Anteile der Bestandteile des Abgases, die infolge eines Temperaturanstiegs des Abgases auftreten, und der Änderungen der Diffusionsgeschwindigkeiten der Bestandteile während der Ausgabe des ersten Sauerstoffsensors 36 zu verringern. Wenn die Temperatur des Abgases hoch ist, ist es daher möglich, eine übermäßige Zunahme der Antwortgeschwindigkeit für eine Ausgabe des ersten Sauerstoffsensors 36 und des Erfassens des Zustands mit maximaler oder minimaler Sauerstoffspeicherung bei einem fetten oder mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu vermeiden.
Die zweite Ausführungsform wurde unter der Annahme beschrieben, dass die Impedanz des Elements erfasst und als Parameter zum Einstellen des ZLKVs A/Flean, A/Frich verwendet wird. Die vorliegende Erfindung verwendet jedoch nicht notwendigerweise einen solchen Parameter zum Einstellen des Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses A/Flean, AFrich. Alternativ kann die vorliegende Erfindung einen Parameter verwenden, der die Abgastemperatur wiedergibt. Genauer gesagt kann die vorliegende Erfindung direkt die Temperatur des Elements oder die Temperatur eines in den ersten Sauerstoffsensor 36 strömenden Abgases erfassen und den erfassten Wert als Parameter zum Einstellen des Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses A/Flean, A/Frich verwenden.
Ferner wird angenommen, dass die zweite Ausführungsform das magere oder fette Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Flean, A/Frich entsprechend der Impedanz des Elements definiert und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zum Zeitpunkt der Umschaltung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses unmittelbar zu dem definierten mageren oder fetten Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Flean, A/Frich ändert. Die vorliegende Erfindung ruft jedoch nicht notwendigerweise eine unmittelbare Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses hervor. Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis geändert werden soll, kann die vorliegende Erfindung zum Beispiel das definierte magere oder fette Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Flean, A/Frich als finales Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis verwenden und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in Einheiten des Ausmaßes der Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ΔA/Fref solange ändern, wies es in der ersten Ausführungsform der Fall ist, bis das Luft-Kraftstoff-Verhältnis das finale Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis erreicht.
In der zweiten Ausführungsform setzt das Durchführen der Schritte S206 oder S216 das „Mittel zum Erfassen der Temperatur eines Elements”, das Durchführen des Schritts S208 das „Mittel zum Einstellen eines fetten Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses”, das Durchführen der Schritte S210 und S212 das „Mittel zum Steuern eines fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses”, das Durchführen des Schritts S218 das „Mittel zum Einstellen eines mageren Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses” und das Durchführen der Schritte S220 und S212 das „Mittel zum Steuern eines mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses” voraus.
Dritte Ausführungsform
Die Vorrichtung zum Erfassen einer Katalysatorverschlechterung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und ein System, das die Vorrichtung zum Erfassen einer Katalysatorverschlechterung umfasst, besitzen den gleichen Aufbau, wie er in Verbindung mit der ersten Ausführungsform beschrieben wurde (siehe 1). Die Vorrichtung zum Erfassen einer Katalysatorverschlechterung gemäß der dritten Ausführungsform führt eine erzwungene Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zum Umschalten eines fetten oder mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses aus, wie es bei der Vorrichtung zum Erfassen einer Katalysatorverschlechterung gemäß der ersten oder zweiten Ausführungsform der Fall ist, bestimmt das Sauerstoffspeichervermögen OSC durch Erfassen der integrierten Sauerstoffspeichermenge O2SUMmax, O2SUMmin in dem Zustand mit maximaler oder minimaler Sauerstoffspeicherung und beurteilt das Verschlechtern des stromaufwärtigen Katalysators 30 entsprechend dem Sauerstoffspeichervermögen OSC. Die Vorrichtung zum Erfassen einer Katalysatorverschlechterung gemäß der dritten Ausführungsform führt die gleiche Steuerung wie die Vorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform durch, außer dass erstere einen vorgegebenen festen Wert für das magere oder fette Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Flean, A/Frich für eine erzwungene Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses verwendet und das Sensorelement auf einer vorgegebenen hohen Temperatur hält, während das Sauerstoffspeichervermögen während der erzwungenen Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses erfasst wird.
Wenn die Temperatur des Elements des ersten Sauerstoffsensors 36 niedrig ist, ist die Temperatur der Diffusionsschicht der abgasseitigen Elektrode ebenfalls niedrig. Wenn die Temperatur der Diffusionsschicht, wie vorstehend beschrieben, niedrig ist, sind die Diffusionsgeschwindigkeiten der Abgasbestandteile in der Diffusionsschicht größer, als wenn die Temperatur der Diffusionsschicht hoch ist. Selbst wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des den ersten Sauerstoffsensor 36 umgebenden Abgases unverändert bleibt, kann sich daher das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das die Diffusionsschicht durchströmt und die abgasseitige Elektrode erreicht, in Abhängigkeit davon, ob die Temperatur des Elements (das heißt die Temperatur der Diffusionsschicht) hoch oder niedrig ist, ändern.
Wie vorstehend beschrieben erfasst der erste Sauerstoffsensor 36 ein Abgas, das den stromaufwärtigen Katalysator 30 durchströmt und die Konzentration seiner fetten oder mageren Bestandteile verringert hat. Selbst wenn die Änderungen der Diffusionsgeschwindigkeiten der Bestandteile, die aus einer Änderung der Temperatur des Elements basieren, wie vorstehend beschrieben ist, geringfügig sind, ist es daher wahrscheinlich, dass die Ausgabe des ersten Sauerstoffsensors 36 stark beeinflusst wird. Anders ausgedrückt ändert sich das Ansprechverhalten des ersten Sauerstoffsensors 36 mit der Temperatur des Elements. Wenn sich das Ansprechverhalten der Ausgabe des ersten Sauerstoffsensors 36 mit der Temperatur des Elements ändert, variiert das Zeitintervall stark, in dem der erste Sauerstoffsensor 36 eine magere oder fette Ausgabe erzeugt. Als Folge davon ändert sich die Dauer der Sauerstoffspeicherung und die Dauer der Sauerstofffreisetzung mit der Temperatur des Elements. Dies ändert auch die integrierte Sauerstoffspeichermenge, die während solcher Zeiträume integriert wird. Um eine Beurteilung einer Verschlechterung des Katalysators mit hoher Genauigkeit zu formulieren, ist jedoch bevorzugt, dass die Änderung der integrierten Sauerstoffspeichermenge, die sich aus einer Änderung der Temperatur des Elements ergibt, verringert wird, um das Sauerstoffspeichervermögen genau zu bestimmen.
Unter den obigen Umständen stellt die Vorrichtung zum Erfassen einer Katalysatorverschlechterung gemäß der dritten Ausführungsform sicher, dass das Sensorelement auf eine vorgegebene Temperatur, die höher als die Aktivierungstemperatur ist, (in der dritten Ausführungsform auf eine Temperatur zwischen annähernd 700°C und 750°C) erwärmt wird, während die integrierte Sauerstoffspeichermenge während einer erzwungenen Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses berechnet wird. Wenn, wie vorstehend beschrieben, eine Steuerung durchgeführt wird, um eine hohe Temperatur des Sensorelements zu erhalten, ist es möglich, die Temperatur des Sensorelements fest zu halten, unabhängig davon, ob die Temperatur des Abgases hoch oder niedrig ist. Als Folge davon kann eine Ausgabe des ersten Sauerstoffsensors 36 erfasst werden, während die Temperatur der Diffusionsschicht innerhalb eines bestimmten Bereichs konstant gehalten wird. Dies ermöglicht, die Änderung der Diffusionsgeschwindigkeiten der Bestandteile des Abgases zu unterbinden und konstant eine magere oder fette Ausgabe als Reaktion auf eine Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Abgases mit praktisch fester Reaktionsgeschwindigkeit zu erzeugen. Die Schwankungen der Dauer der Sauerstoffspeicherung oder der Dauer der SSF können infolgedessen verringert werden, um die integrierte Sauerstoffspeichermenge zu berechnen.
11 veranschaulicht eine Steuerroutine, die das System entsprechend der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausführt. Die in 11 gezeigte Routine ist eine Routine, die die ECU 40 anstelle der in 3 gezeigten Routine ausführt, die die erste Ausführungsform beschreibt. Die in 11 gezeigte Routine entspricht der in 3 gezeigten Routine, außer dass erstere die Schritte S60 bis S64 während eines Zeitintervalls zwischen den Schritten S10 und S16 in der in 3 gezeigten Routine ausführt.
Genauer gesagt führt die in 11 gezeigte Routine, wenn das in Schritt S10 erhaltene Beurteilungsergebnis angibt, dass das Flag Xosc für das Erfassen des Sauerstoffspeichervermögens AN ist, zunächst den Schritt S60 durch, um eine für das Erfassen des Sauerstoffspeichervermögens vorgegebene Bezugstemperatur (zum Beispiel eine Temperatur zwischen annähernd 700°C und 750°C) als Zielwert der Steuerung für die Temperatur des Elements des ersten Sauerstoffsensors 36 einzustellen und entsprechend eine Steuerung der Temperatur des Elements auszuführen. Genauer gesagt wird eine Steuerung durchgeführt, um den einer in der Nähe des Sensorelements eingebauten Heizvorrichtung zugeführten Strom zu regeln und das Sensorelement auf seine Zieltemperatur zu erwärmen.
Als nächstes wird Schritt S62 durchgeführt, um die Temperatur des Elements des ersten Sauerstoffsensors 36 zu erfassen. Die Temperatur des Elements kann zum Beispiel aus einer erfassten Impedanz des Elements des ersten Sauerstoffsensors 36 bestimmt werden (siehe 8). Dann wird Schritt S64 durchgeführt, um zu beurteilen, ob die aktuelle Temperatur des Elements des ersten Sauerstoffsensors 36 nicht kleiner als die Bezugstemperatur für das Erfassen des Sauerstoffspeichervermögens ist. Wenn das in Schritt S64 erhaltene Beurteilungsergebnis angibt, dass die Temperatur des Elements des ersten Sauerstoffsensors 36 kleiner als die Bezugstemperatur ist, kehrt die Routine zu Schritt S60 zurück und führt die Schritte S60 bis S62 erneut durch, um eine Steuerung des Anstiegs der Temperatur des Sensorelements auszuführen und die Temperatur des Elements zu erfassen. Die Schritte S60 und S62 werden solange wiederholt durchgeführt, bis die Temperatur des Elements in Schritt S64 ≥ Bezugstemperatur.
Wenn das in Schritt S64 erhaltene Beurteilungsergebnis als Ergebnis einer wiederholten Ausführung der Schritte S60 und S62 angibt, dass die Temperatur des Elements des ersten Sauerstoffsensors 36 nicht kleiner als die Bezugstemperatur ist, folgert die Routine, dass die Bezugstemperatur für das Erfassen des Sauerstoffspeichervermögens erreicht wurde. Dann wird Schritt S16 durchgeführt, um das Flag Xosc für das Erfassen des Sauerstoffspeichervermögens anzuschalten. Anschließend führt die Routine die Schritte S22 bis S46 in der gleichen Weise, wie in 3 angegeben ist, durch, um eine AN-/AUS-Steuerung des mageren Flag Xlean und des fetten Flag Xrich auszuüben und die integrierte Sauerstoffspeichermenge während einer erzwungenen Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zu berechnen, wie es in der ersten Ausführungsform der Fall ist.
12 zeigt eine Routine für eine erzwungene Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses für die Berechnung einer integrierten Sauerstoffspeichermenge, die die ECU 40 entsprechend der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausführt. Die in 12 gezeigte Routine wird anstelle der in 10 gezeigten Routine ausgeführt, wenn eine AN-/AUS-Steuerung des mageren Flag Xlean und des fetten Flag Xrich so, wie in 11 gezeigt ist, ausgeführt wird. Die in 12 gezeigte Routine entspricht der in 10 gezeigten Routine, außer dass erstere nicht die Schritte S206 bis S208 und die Schritte S216 bis S218 durchführt und die Schritte S302 und S304 anstelle der Schritte S210 und S220 durchführt.
Genauer gesagt führt die in 12 gezeigte Routine den Schritt S302 durch, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf das fette Ziel-Luft-Krafstoff-Verhältnis A/Frich einzustellen, wenn das in Schritt S202 erhaltene Beurteilungsergebnis angibt, dass das Flag Xosc für das Erfassen des Sauerstoffspeichervermögens AN ist, und wenn das in Schritt S204 erhaltene Beurteilungsergebnis angibt, dass sich der Zustand des mageren Flag Xlean von AUS zu AN geändert hat. Das fette Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Frich ist ein vorgegebener fester Wert, der in der ECU 40 gespeichert ist. Anders ausgedrückt ist das fette Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Frich ein fester Wert, der sich nicht mit der Temperatur des Elements oder anderen Faktoren ändert. In der dritten Ausführungsform nimmt die insgesamte Reaktionsgeschwindigkeit des ersten Sauerstoffsensors zu, um eine hohe Temperatur des Elements beizubehalten. Unter Berücksichtigung einer solchen Zunahme der Reaktionsgeschwindigkeit kann das fette Ziel-Luft-Kraftstoff Verhältnis A/Frich zum Beispiel auf einen Wert eingestellt werden, der etwas kleiner als ein Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis bei einer herkömmlichen Vorrichtung ist, das heißt einen Wert, der den Unterschied zu dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis erhöht. Nach Einstellen des fetten Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses wird der Schritt S212 durchgeführt, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis entsprechend dem fetten Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Frich zu steuern. Dann endet der aktuelle Prozess.
Wenn andererseits das in Schritt S214 erhaltene Beurteilungsergebnis angibt, dass sich der Zustand des fetten Flag Xrich von AUS zu AN geändert hat, wird Schritt S304 durchgeführt, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf das magere Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Flean einzustellen. Wie das fette Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Frich ist das magere Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Flean ein in der ECU 40 gespeicherter, vorgegebener fester Wert. Da hier eine Steuerung ausgeführt wird, um eine hohe Temperatur des Elements aufrechtzuerhalten, nimmt ferner die insgesamte Reaktionsgeschwindigkeit des ersten Sauerstoffsensors zu. Unter Berücksichtigung einer solchen Zunahme der Reaktionsgeschwindigkeit kann das magere Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Flean zum Beispiel auf einen Wert, der größer als ein Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis für eine herkömmliche Vorrichtung ist, das heißt auf einen Wert, der den Unterschied zu dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis erhöht, eingestellt werden. Nach Einstellen des mageren Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses A/Flean wird Schritt S212 durchgeführt, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis entsprechend dem eingestellten mageren Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Flean zu steuern. Dann endet der aktuelle Prozess.
Wenn keine der in den Schritten S204 und S214 vorgegebenen Bedingungen herrscht, wird geschlossen, dass weder der Zustand mit maximaler Sauerstoffspeicherung noch der Zustand mit minimaler Sauerstoffspeicherung erreicht wurde. Daher wird Schritt S222 so durchgeführt, dass das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis mit dem aktuell eingestellten Luft-Kraftstoff-Verhältnis beibehalten wird. Dann wird Schritt S212 durchgeführt, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu steuern. Dann endet der aktuelle Prozess.
In dem vorstehend beschriebenen Prozess wird das Flag Xosc für das Erfassen des Sauerstoffspeichervermögens nur dann angeschaltet, wenn die Temperatur des Elements des ersten Sauerstoffsensors 36 auf die vorgegebene Bezugstemperatur ansteigt (Schritt S60 bis S64 in 11). Dann wird der Schritt S202 in 12 durchgeführt, um zu beurteilen, ob das Flag Xosc für das Erfassen des Sauerstoffspeichervermögens AN ist. Ansch1ießend wird eine erzwungene Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses nur dann durchgeführt, wenn das Flag Xosc AN ist. Anders ausgedrückt starten die erzwungene Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und die Vorgänge für das Erfassen des Sauerstoffspeichervermögens solange nicht, bis das Flag Xosc für das Erfassen des Sauerstoffspeichervermögens angeschaltet wird. Wenn die obige Routine das Sauerstoffspeichervermögen während einer erzwungenen Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses erfasst, hat sich daher die Temperatur des Elements des ersten Sauerstoffsensors 36 auf die vorgegebene Zieltemperatur (zwischen annähernd 700 °C und 750°C) erhöht. Daher kann eine Änderung der Ausgabe infolge einer Änderung der Temperatur des Elements des ersten Sauerstoffsensors 36 verringert werden, um die Änderung der Dauer der Sauerstofffreisetzung und der Dauer der Sauerstoffspeicherung zu minimieren. Als Folge davon kann die integrierte Sauerstoffspeichermenge während eines geeigneten Zeitraums erfasst werden, um das Sauerstoffspeichervermögen genau zu bestimmen. Infolgedessen kann das System gemäß der dritten Ausführungsform das Verschlechtern des stromaufwärtigen Katalysators mit hoher Genauigkeit erfassen.
Es wird angenommen, dass die dritte Ausführungsform die Impedanz des Elements erfasst und die Temperatur des Elements berechnet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die Verwendung eines solchen Verfahrens beschränkt. Zum Beispiel kann die vorliegende Erfindung direkt die Impedanz des Elements als Parameter verwenden. Eine weitere Alternative wäre, einen Temperatursensor zum Erfassen einer Temperatur des Elements einzubauen, die Temperatur des Elements direkt mit dem eingebauten Temperatursensor zu erfassen und die erfasste Temperatur des Elements als Parameter zu verwenden.
Es wird auch angenommen, dass die dritte Ausführungsform eine erzwungene Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf herkömmliche Weise ausführt, nachdem sich die Temperatur des Elements des ersten Sauerstoffsensors 36 auf die Bezugstemperatur erhöht hat, und die integrierte Sauerstoffspeichermenge berechnet. Die dritte Ausführungsform ist jedoch nicht auf die Verwendung eines solchen Verfahrens beschränkt. Eine Alternative wäre zum Beispiel die in 11 gezeigte Routine mit der in 7 gezeigten Routine, die in der ersten Ausführungsform ausgeführt wird, zu kombinieren, das Ausmaß der Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ΔA/Fref für eine Umschaltung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses entsprechend der Ansaugluftmenge einzustellen und eine Steuerung auszuführen, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis solange schrittweise zu ändern, bis das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Flean erreicht wird.
In der dritten Ausführungsform setzt zum Beispiel das Durchführen der Schritte S60 bis S64 das „Mittel zum Steuern der Temperatur des Elements” gemäß der vorliegenden Erfindung, das Durchführen der Schritte S302 und S212 das „Mittel zum Steuern eines fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses” und das Durchführen der Schritte S304 und S212 das „Mittel zum Steuern eines mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses” voraus.
Vierte Ausführungsform
Die Vorrichtung zum Erfassen einer Katalysatorverschlechterung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und ein System, das die Vorrichtung zum Erfassen einer Katalysatorverschlechterung umgibt, besitzen den gleichen Aufbau, wie er in Verbindung mit der ersten Ausführungsform beschrieben wurde (siehe 1). Wie in dem Fall der Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform berechnet die Vorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform das Sauerstoffspeichervermögen des stromaufwärtigen Katalysators 30 und beurteilt das Verschlechtern des stromaufwärtigen Katalysators entsprechend dem Sauerstoffspeichervermögen während einer erzwungenen Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, die erzwungen zwischen einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis und einem fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis umschaltet. Das System gemäß der vierten Ausführungsform ist besonders dadurch gekennzeichnet, dass ein Überwachungswert als Untergrenze für den Zeitraum für die Berechnung der integrierten Sauerstoffspeichermenge bereitgestellt wird.
13 ist ein Graph, der die von dem Sauerstoffsensor ausgegebenen Kenngrößen veranschaulicht. Eine durchgezogene Linie (c) zeigt eine verschlechterte Sensorausgabe an, wohingegen eine gepunktete Linie (d) die Sensorausgabe zu Beginn anzeigt. In 13 gibt die horizontale Achse die Zeit wieder, während die vertikale Achse eine Ausgabe des Sauerstoffsensors wiedergibt. Die durchgezogene Linie (c) und die gepunktete Linie (d) in der 13 geben entsprechend eine Ausgabe in Bezug auf das gleiche Abgas an.
Wie in 13 gezeigt, unterscheiden sich die Änderungen der Ausgabe des Sauerstoffsensors, die vor einer Verschlechterung des Sauerstoffsensors auftreten, von denjenigen, die nach einer Verschlechterung des Sauerstoffsensors auftreten, selbst wenn der Sauerstoffsensor das gleiche Abgas erfasst. Es wird vermutet, dass die Änderungen der Ausgabe des Sauerstoffsensors hauptsächlich aus dem Verschlechtern der Diffusionsschicht des Sauerstoffsensors resultieren. Die Diffusionsschicht ist an der Oberfläche der abgasseitigen Elektrode gebildet und kann das Abgas in der Nähe der abgasseitigen Elektrode lenken und ausgleichen, bevor das Abgas die abgasseitige Elektrode erreicht. Wenn das Verschlechtern der Diffusionsschicht voranschreitet, verliert die Diffusionsschicht deshalb ihr vorstehend angegebenes Vermögen, das Abgas zu lenken und auszugleichen.
Wenn der erste Sauerstoffsensor 36 nicht verschlechtert ist, wie in 13 angegeben, wird das die Oberfläche der abgasseitigen Elektrode erreichende Abgas allgemein durch die Diffusionsschicht gelenkt und ausgeglichen. Der erste Sauerstoffsensor 36 erzeugt daher eine Ausgabe, die exakt die Konzentration des Abgases während der Konzentrationsänderung desselben darstellt und eine gemäßigte Reaktion zeigt (gepunktete Linie (d)).
Wenn der erste Sauerstoffsensor andererseits verschlechtert ist, funktioniert die Diffusionsschicht nicht richtig, so dass das Abgas die Oberfläche der abgasseitigen Elektrode früher als normal erreicht. Der verschlechterte Sensor zeigt daher eine schnelle Reaktion und ändert seine Ausgabe als Reaktion auf eine Konzentrationsänderung des Abgases von fett zu mager drastisch (siehe die durchgezogene Linie (c)).
14 zeigt die Beziehung zwischen der Betriebsdauer und der Reaktionszeit für die Ausgabe des ersten Sauerstoffsensors 36. In 14 gibt die horizontale Achse die Betriebsdauer wieder, wohingegen die vertikale Achse die Reaktionszeit für die Ausgabe wiedergibt. 14 gibt an, dass die Reaktionszeit für die Ausgabe des ersten Sauerstoffsensors 36 mit einer Erhöhung der Betriebsdauer desselben schrittweise abnimmt.
In der Vorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform erfasst der erste Sauerstoffsensor 36, der stromabwärts von dem stromaufwärtigen Katalysator 30 eingebaut ist, ein dünnes Abgas, das von dem stromaufwärtigen Katalysator 30 gereinigt wurde. Wenn bei einem solchen Abgas ein verschlechterter Sauerstoffsensor verwendet wird, beeinflussen die Änderungen der Anteile der Bestandteile des Abgases, die sich infolge der Änderung der Diffusionsgeschwindigkeit ergeben, die Ausgabe des Sensors stark. Als Folge davon kann der Sensor eine fette Ausgabe in einer mageren Phase oder eine magere Ausgabe in einer fetten Phase erzeugen. Infolgedessen kann der Zustand mit maximaler oder minimaler Sauerstoffspeicherung vorzeitig erfasst werden. Es ist daher denkbar, dass die Dauer der Sauerstoffspeicherung oder die Dauer der Sauerstofffreisetzung variieren können.
In manchen Fällen können die magere Ausgabe und die fette Ausgabe des verschlechterten ersten Sauerstoffsensors 36 erzeugt werden, wenn leichte Änderungen der Bestandteile innerhalb des Abgases direkt die abgasseitige Elektrode erreichen, ohne von der Diffusionsschicht gelenkt zu werden. Es ist daher denkbar, dass das Zeitintervall, in dem die magere Ausgabe und die fette Ausgabe erzeugt werden, stark von einer Erfassung zur anderen variieren können, selbst wenn der gleiche erste Sauerstoffsensor 36 verwendet wird. Es ist daher auch denkbar, dass die Dauer der Sauerstoffspeicherung oder die Dauer der Sauerstofffreisetzung variieren und übermäßig kurz werden können.
Unter den obigen Umständen verhindert die vierte Ausführungsform, dass die Dauer der Sauerstoffspeicherung und die Dauer der Sauerstofffreisetzung, das heißt ein Zeitraum für die Integration der Sauerstoffspeichermenge, übermäßig kurz werden, indem sie eine Überwachung der Untergrenze für den Zeitraum für die Integration der Sauerstoffspeicherung bereitstellt. Genauer gesagt beurteilt die vierte Ausführungsform, ob ein Zeitraum, der das Strömen einer ausreichenden Abgasmenge in den stromaufwärtigen Katalysator und das Erreichen des Zustands mit maximaler oder minimaler Sauerstoffspeicherung zulässt, nach dem letzten Erfassen des Zustands mit minimaler oder maximaler Sauerstoffspeicherung verstrichen ist. Wenn das erhaltene Beurteilungsergebnis nicht angibt, dass eine ausreichende Abgasmenge in den stromaufwärtigen Katalysator 30 geströmt ist, beurteilt die vierte Ausführungsform nicht unmittelbar den Zustand mit maximaler oder minimaler Sauerstoffspeicherung, selbst wenn der erste Sauerstoffsensor 36 eine magere oder fette Ausgabe erzeugt, sondern behält das aktuelle Luft-Kraftstoff-Verhältnis bei und berechnet die integrierte Sauerstoffspeichermenge solange kontinuierlich, bis der Zeitraum für das Einströmen des Abgases für lang genug befunden wurde.
Konkret gesagt stellt die vierte Ausführungsform einen integrierten Zählerwert COUNTsum, der inkrementiert werden soll, nachdem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den stromaufwärtigen Katalysator 30 einströmenden Abgases zu einem fetten oder einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis umschaltet, ein. Obwohl der vorgegebene Bezugswert nicht mit dem integrierten Zählerwert COUNTsum erreicht wird, verhindert die vierte Ausführungsform das Umschalten des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zu einem fetten oder einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis, behält das aktuelle Luft-Kraftstoff-Verhältnis bei und fährt mit der Integration der Sauerstoffspeichermenge fort.
Der integrierte Zählerwert COUNTsum wird durch Aufaddieren von Zählerwerten COUNT entsprechend der Ansaugluftmenge Ga entsprechend der Gleichung (4) unten erhalten, während in einer Situation, in der der integrierte Zählerwert COUNTsum auf null zurückgesetzt wird, wenn das stromaufwärts von dem stromaufwärtigen Katalysator 30 vorhandene Abgas zu einem fetten oder mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis umschaltet, wiederholt eine Routine in vorgegebenen Zeitintervall ausgeführt wird. Integrierter Zählerwert COUNTsum = vorheriger integrierter Zählerwert COUNTsum + Zählerwert COUNT (4)
15 ist ein Kennfeld, das die Beziehung zwischen der Ansaugluftmenge Ga und dem Zählerwert veranschaulicht. Wie in 15 gezeigt, nimmt die Einstellung für den Zählerwert COUNT mit einer Erhöhung der Ansaugluftmenge Ga ab. Wie in Verbindung mit der ersten Ausführungsform beschrieben, nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit des ersten Sauerstoffsensors 36 zu, wenn die Ansaugluftmenge Ga groß ist.
Wenn die Ansaugluftmenge Ga groß ist, kann eine magere oder fette Ausgabe daher früher als normal erzeugt werden, um die Dauer der Sauerstofffreisetzung oder die Dauer der Sauerstoffspeicherung zu ändern. Infolgedessen wird eine solche Einstellung durchgeführt, dass der Zählerwert COUNT mit einer Zunahme der Ansaugluftmenge Ga abnimmt, um das Ausmaß der Zunahme des integrierten Zählerwerts COUNTsum zu verringern. Dies erhöht die Zeitdauer, die dafür erforderlich ist, dass der integrierte Zählerwert den vorgegebenen Bezugswert erreicht. Die resultierende Einstellung ist daher so, dass die Dauer für die Berechnung der integrierten Sauerstoffspeichermenge umso größer ist, je größer die Ansaugluftmenge Ga ist.
16 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Steuerroutine veranschaulicht, die die ECU 40 gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausführt. Die in 16 gezeigte Routine wird anstelle der in 3 gezeigten Routine und ähnlich wie die in 3 gezeigte Routine ausgeführt, außer dass sie die Schritte S70 bis S76 nach Vollendung des Schritts S16, den Schritt S78 nach Vollendung des Schritts S42 und den Schritt S80 nach Vollendung des Schritts S14 durchführt.
Wenn das Flag für das Erfassen der Sauerstoffspeichermenge in Schritt S16 angeschaltet wird, führt die in 16 gezeigte Routine zunächst den Schritt S70 durch, um die Ansaugluftmenge Ga zu erfassen. Die Ansaugluftmenge Ga wird entsprechend der Ausgabe von dem Durchflussmessgerät 20 für die Luft erfasst. Als nächstes wird Schritt S72 durchgeführt, um den Zählerwert COUNT zu berechnen. Der Zählerwert COUNT wird aus dem in der ECU 40 gespeicherten Kennfeld (siehe 15) entsprechend der Ansaugluftmenge Ga bestimmt.
Als nächstes wird Schritt S74 durchgeführt, um den integrierten Zählerwert COUNTsum zu berechnen. Der integrierte Zählerwert COUNTsum wird durch Addieren des in Schritt S72 berechneten Zählerwerts COUNT zu dem vorher bestimmten integrierten Zählerwert COUNTsum entsprechend der Gleichung (4) oben bestimmt.
Dies stellt sicher, dass der integrierte Zählerwert COUNTsum entsprechend der Ansaugluftmenge Ga und der seit dem Beginn der Integration verstrichenen Zeit eingestellt wurde.
Als nächstes wird Schritt S76 durchgeführt, um zu beurteilen, ob der integrierte Zählerwert COUNTsum nicht kleiner als ein Bezugszählerwert COUNTbase ist. Wenn das erhaltene Beurteilungsergebnis nicht angibt, dass der integrierte Zählerwert COUNTsum > Bezugszählerwert COUNTbase, wird Schritt S28 durchgeführt, um sowohl das magere Flag Xlean als auch das fette Flag Xrich auszuschalten. Genauer gesagt werden beide Flags Xlean, Xrich erzwungen abgeschaltet, ohne die Schritte S20 und S24 durchzuführen, um zu beurteilen, ob eine magere oder fette Ausgabe von dem ersten Sauerstoffsensor 36 erzeugt wird.
Wenn die Flags Xlean, Xrich abgeschaltet werden, wird geschlossen, dass weder der Zustand mit maximaler Sauerstoffspeicherung noch der Zustand mit minimaler Sauerstoffspeicherung erreicht wurden. In der aktuellen Routine werden daher beide Abfragen in den Schritten S38 und S40 mit „Nein” beantwortet. Infolgedessen wird Schritt S42 durchgeführt, um die integrierte Sauerstoffspeichermenge O2SUM durch Addieren der Sauerstoffspeichermenge O2AD zu der aktuellen integrierten Sauerstoffspeichermenge O2SUM zu aktualisieren. Anschließend endet der aktuelle Prozess.
Da beide Flags Xlean, Xrich abgeschaltet werden, wird eine erzwungene Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durchgeführt, um das aktuelle fette Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder das magere Luft-Kraftstoff-Verhältnis beizubehalten, ohne eine Umschaltung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zu bewirken.
Wenn andererseits das in Schritt S76 erhaltene Beurteilungsergebnis angibt, dass der integrierte Zählerwert COUNTsum ≥ Bezugszählerwert COUNTbase, fährt die Routine mit Schritt S20 fort und führt eine Steuerung des AN-/AUS-Zustands des mageren Flag Xlean und des fetten Flag Xrich entsprechend der Ausgabe des ersten Sauerstoffsensors 36 aus.
Anschließend wird, wenn die in Schritt S38 oder S40 vorgegebene Bedingung herrscht, Schritt S44 oder S48 durchgeführt, um die integrierte maximale Sauerstoffspeichermenge SUMmax oder die integrierte minimale Sauerstoffspeichermenge SUMmin zu berechnen. Wenn anschließend Schritt S46 durchgeführt wird, um die integrierte Sauerstoffspeichermenge O2SUM auf null zu löschen, wird Schritt S78 durchgeführt, um den integrierten Zählerwert COUNTsum ebenfalls auf null zu löschen. Dann endet der aktuelle Prozess.
Wenn andererseits das in Schritt S10 erhaltene Beurteilungsergebnis angibt, dass das Flag Xosc für das Erfassen des Sauerstoffspeichervermögens AUS ist, wird Schritt S80 durchgeführt, um den integrierten Zählerwert COUNTsum nach Vollendung des Schritts S14 auf null zu löschen.
Wenn der vorgegebene Bezugszählerwert COUNTbase nicht von dem integrierten Zählerwert COUNTsum erreicht wird, führt die vierte Ausführungsform kontinuierlich eine erzwungene Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durch, um das aktuelle Luft-Kraftstoff-Verhältnis beizubehalten, und aktualisiert die integrierte Sauerstoffspeichermenge O2SUM, wie vorstehend beschrieben, ohne die Ausgabe des ersten Sauerstoffsensors 36 zu berücksichtigen. Der Zählerwert COUNTsum wird entsprechend der Ansaugluftmenge Ga eingestellt und zu dem integrierten Zählerwert COUNTsum addiert, während die Routine in vorgegebenen Zeitintervallen wiederholt ausgeführt wird. Der integrierte Zählerwert COUNTsum wird daher von der Ansaugluftmenge Ga und der seit der letzten Umschaltung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses verstrichenen Zeit beeinflusst.
Selbst wenn der erste Sauerstoffsensor 36 unter Erhöhung der Geschwindigkeit einer Reaktion auf eine Änderung der Konzentration des Abgases und eine Änderung des Zeitintervalls, in dem eine magere Ausgabe und eine fette Ausgabe erzeugt werden, verschlechtert ist, ist es daher möglich, eine übermäßige Abnahme der für das tatsächliche Erreichen des Zustands mit maximaler oder minimaler Sauerstoffspeicherung erforderlichen Zeit zu vermeiden. Dies ermöglicht, ein vorzeitiges Beurteilen des Erfassens des Zustand mit maximaler oder minimaler Sauerstoffspeicherung durch die Ausgabe des verschlechterten ersten Sauerstoffsensors 36 zu verhindern, wodurch eine ausreichende Integrationsdauer bereitgestellt wird.
Die vierte Ausführungsform nimmt an, dass der integrierte Zählerwert COUNTsum auf der Ansaugluftmenge basiert. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die Verwendung des integrierten Zählerwerts COUNTsum beschränkt. Alternativ kann die vorliegende Erfindung eine einfache Umschaltung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses nach Verstreichen eines vorgegebenen Zeitraums zulassen.
Des Weiteren kann das in der vierten Ausführungsform verwendete Verfahren zum Berechnen des integrierten Zählerwerts COUNTsum und zum Verhindern einer Umschaltung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, bevor der integrierte Zählerwert COUNTsum seinen Bezugswert erreicht, zum Beispiel mit dem in Verbindung mit der ersten bis dritten Ausführungsform beschriebenen Verfahren zum Erfassen einer Verschlechterung kombiniert werden.
In der vierten Ausführungsform setzt zum Beispiel das Durchführen von Schritt S70 ein „Mittel zum Erfassen einer Ansaugluftmenge” gemäß der vorliegenden Erfindung, das Durchführen der Schritte S72 und S74 das „Mittel zum Berechnen eines integrierten Werts”, das Durchführen des Schritts 76 das „Mittel zum Beurteilen eines integrierten Werts” und das Durchführen des Schritts S28 das „Mittel zum Verhindern einer Umschaltung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses” voraus.
In der vorliegenden Erfindung müssen der Verbrennungsmotor mit der vorstehend beschriebenen Vorrichtung zum Erfassen einer Katalysatorverschlechterung und das System um den Verbrennungsmotor nicht notwendigerweise so, wie in 1 gezeigt, aufgebaut sein. Der Verbrennungsmotor mit der vorstehend beschriebenen Vorrichtung zum Erfassen einer Katalysatorverschlechterung und das System um den Verbrennungsmotor können auf alternative Weise aufgebaut sein, ohne von dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Selbst wenn die Anzahl, die Größe, die Menge, der Bereich oder ein anderer Zahlenwert eines Elements in der obigen Beschreibung der Ausführungsformen angegeben ist, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die angegebenen Zahlenwerte beschränkt, soweit es prinzipiell nicht ausdrücklich angegeben oder theoretisch definiert ist. Ferner sind die in Verbindung mit den Ausführungsformen beschriebenen Strukturen und Schritte nicht notwendigerweise für die vorliegende Erfindung wesentlich, soweit dies prinzipiell nicht ausdrücklich angegeben oder theoretisch definiert ist.

Claims

Vorrichtung zum Erfassen einer Katalysatorverschlechterung, umfassend: einen Katalysator (30), der in einem Abgaspfad eines Verbrennungsmotors (10) angeordnet ist; einen Sauerstoffsensor (36), der stromabwärts von dem Katalysator (30) angeordnet ist; ein Mittel zum Erfassen eines Zustands maximaler Sauerstoffspeicherung, das entsprechend einer Ausgabe des Sauerstoffsensors (36) einen Zustand maximaler Sauerstoffspeicherung erfasst, bei dem ein stromabwärts von dem Katalysator (30) ausströmendes Abgas Sauerstoff im Überschuss enthält; ein Mittel zum Erfassen eines Zustands minimaler Sauerstoffspeicherung, das entsprechend einer Ausgabe des Sauerstoffsensors (36) einen Zustand mit minimaler Sauerstoffspeicherung erfasst, bei dem einem stromabwärts von dem Katalysator (30) ausströmenden Abgas Sauerstoff fehlt; ein Mittel zum Steuern eines fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, das eine Steuerung ausführt, um ein fettes Luft-Kraftstoff-Verhältnis für den Verbrennungsmotor (10) während eines Zeitraums der Sauerstofffreisetzung von dem Zeitpunkt an bereitzustellen, an dem der Zustand mit maximaler Sauerstoffspeicherung erfasst wird, bis zu dem Zeitpunkt, bei dem später der Zustand mit minimaler Sauerstoffspeicherung erfasst wird; ein Mittel zum Steuern eines mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, das eine Steuerung ausführt, um ein mageres Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis für den Verbrennungsmotor (10) während eines Zeitraums der Sauerstoffspeicherung von dem Zeitpunkt an bereitzustellen, an dem der Zustand mit minimaler Sauerstoffspeicherung erfasst wird, bis zu dem Zeitpunkt, bei dem später der Zustand mit maximaler Sauerstoffspeicherung erfasst wird; ein Mittel zum Erfassen einer Sauerstoffspeichermenge, das die Menge des von dem Katalysator (30) während der Dauer der Sauerstofffreisetzung freigesetzten Sauerstoffs oder die Menge des von dem Katalysator (30) während der Dauer der Sauerstoffspeicherung gespeicherten Sauerstoffs als Sauerstoffspeichermenge erfasst; ein Mittel zur Beurteilung einer Katalysatorverschlechterung, das das Verschlechtern des Katalysators (30) entsprechend der Sauerstoffspeichermenge beurteilt; und ein Mittel zur Einstellung der Bedingungen für das Erfassen der Sauerstoffspeichermenge, das die Bedingungen für das Erfassen der Sauerstoffspeichermenge zum Korrigieren einer Änderung einstellt, die während der Dauer der Sauerstofffreisetzung oder der Dauer der Sauerstoffspeicherung auftreten kann, in Abhängigkeit von einem Unterschied in den Bedingungen für das Erfassen einer Ausgabe des Sauerstoffsensors (36).
Vorrichtung zum Erfassen einer Katalysatorverschlechterung nach Anspruch 1, ferner umfassend: ein Mittel (20) zum Erfassen einer Ansaugluftmenge, das die Menge der Ansaugluft erfasst, die in den Verbrennungsmotor (10) gesaugt wird; wobei das Mittel zur Einstellung der Bedingungen für das Erfassen der Sauerstoffspeichermenge umfasst: ein Mittel zur Berechnung des Ausmaßes einer Änderung, das entsprechend der Ansaugluftmenge ein Ausmaß der Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses berechnet, das zum Ändern des aktuellen Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu dem fetten Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder dem mageren Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis erforderlich ist, wenn während der Dauer der Sauerstofffreisetzung oder der Dauer der Sauerstoffspeicherung ein Steuern durchgeführt wird, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Verbrennungsmotors (10) zu dem fetten Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder dem mageren Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu ändern; ein Mittel zur Beurteilung eines fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, das während der Dauer der Sauerstofffreisetzung beurteilt, ob ein durch Subtrahieren des Ausmaßes der Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses von dem aktuellen Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis erhaltenes fettes Luft-Kraftstoff-Verhältnis größer ist als das fette Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis; ein Mittel zur Einstellung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, das, wenn beurteilt wird, dass das fette Luft-Kraftstoff-Verhältnis größer als das fette Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, ein Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf das fette Luft-Kraftstoff-Verhältnis einstellt; ein Mittel zur Beurteilung eines mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, das während der Dauer der Sauerstoffspeicherung beurteilt, ob ein durch Addieren des Ausmaßes der Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zu dem aktuellen Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis erhaltenes mageres Luft-Kraftstoff-Verhältnis kleiner ist als das magere Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis; und ein Mittel zur Einstellung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, das, wenn beurteilt wird, dass das magere Luft-Kraftstoff-Verhältnis kleiner ist als das magere Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis, ein Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf das magere Luft-Kraftstoff-Verhältnis einstellt.
Vorrichtung zum Erfassen einer Katalysatorverschlechterung nach Anspruch 1, ferner umfassend: ein Mittel zum Erfassen der Elementtemperatur zum Erfassen der Elementtemperatur des Sauerstoffsensors (36); wobei das Mittel zur Einstellung der Bedingungen für das Erfassen der Sauerstoffspeichermenge umfasst: ein Mittel zur Einstellung eines fetten Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zum Einstellen des fetten Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis entsprechend der Elementtemperatur; und ein Mittel zur Einstellung eines mageren Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zum Einstellen des mageren Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis entsprechend der Elementtemperatur.
Vorrichtung zum Erfassen einer Katalysatorverschlechterung nach Anspruch 3, wobei das Mittel zur Einstellung des fetten Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, wenn die Elementtemperatur hoch ist, ein fettes Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis einstellt, das den Unterschied zwischen einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis und dem fetten Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis erhöht; und wobei das Mittel zur Einstellung des mageren Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, wenn die Elementtemperatur höher ist, ein mageres Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis einstellt, das den Unterschied zwischen dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis und dem mageren Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis erhöht.
Vorrichtung zum Erfassen einer Katalysatorverschlechterung nach Anspruch 1, wobei das Mittel zur Einstellung der Bedingungen für das Erfassen der Sauerstoffspeichermenge ein Mittel zum Steuern der Elementtemperatur umfasst, das eine solches Steuern während der Dauer der Sauerstofffreisetzung und der Dauer der Sauerstoffspeicherung ausübt, dass die Elementtemperatur des Sauerstoffsensors (36) mit einer Bezugstemperatur übereinstimmt, die höher als eine Aktivierungstemperatur ist.
Vorrichtung zum Erfassen einer Katalysatorverschlechterung nach Anspruch 5, wobei die Bezugstemperatur zwischen 700°C und 750°C liegt.
Vorrichtung zum Erfassen einer Katalysatorverschlechterung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner umfassend: ein Mittel zum Berechnen eines integrierten Werts entsprechend einer seit dem Beginn der Dauer der Sauerstofffreisetzung verstrichenen Zeit oder eines integrierten Werts entsprechend einer seit dem Beginn der Dauer der Sauerstoffspeicherung verstrichenen Zeit; ein Mittel zur Beurteilung des integrierten Werts, um zu beurteilen, ob der integrierte Wert kleiner als ein Bezugswert ist; und ein Mittel zur Verhinderung eines Umschaltung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, das, wenn der integrierte Wert kleiner als der Bezugswert ist, ein Umschalten des Steuerns des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses von dem fetten Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu dem mageren Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder das Umschalten von dem mageren Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu dem fetten Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis verhindert.
Vorrichtung zum Erfassen einer Katalysatorverschlechterung nach Anspruch 7, ferner umfassend: ein Mittel zum Erfassen der Ansaugluftmenge, die in den Verbrennungsmotor (10) gesaugt wird; wobei das Mittel zur Berechnung des integrierten Werts den integrierten Wert entsprechend der verstrichenen Zeit und der Ansaugluftmenge einstellt.