DE102018119139A1

DE102018119139A1 - Abgasreinigungssystem eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102018119139A1
Application number: DE102018119139.1A
Authority: DE
Inventors: Keiichiro Aoki
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-08-10
Filing date: 2018-08-07
Publication date: 2019-02-14
Anticipated expiration: 2038-08-08
Also published as: CN109386354B; JP6562047B2; JP2019035355A; US10519839B2; US20190048775A1; CN109386354A; DE102018119139B4

Abstract

Ein Abgasreinigungssystem eines Verbrennungsmotors weist einen Katalysator 20, einen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41, eine Stromerfassungsvorrichtung 61, eine Spannungsanlegevorrichtung 60, einen Spannungssteuerabschnitt 71 und einen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerabschnitt 72 auf. Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerabschnitt steuert das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, so dass der Ausgabestrom des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors ein vorbestimmter Wert wird. Der Spannungssteuerabschnitt führt zumindest eine der Spannungsabsenksteuerung, welche die angelegte Spannung zu einer ersten Spannung setzt, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis höher als ein mager beurteiltes Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird, und der Spannungsanhebsteuerung, welche die angelegte Spannung zu einer zweiten Spannung setzt, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis niedriger als ein fett beurteiltes Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird, durch. Die Referenzspannung ist eine Spannung, bei welcher der Ausgabestrom des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors null wird, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Abgasreinigungssystem eines Verbrennungsmotors.
Hintergrund
In der Vergangenheit war bekannt, einen Katalysator und einen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor in einem Abgaskanal anzuordnen und eine Verschlechterung der Abgasemission durch Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des in den Katalysator einströmenden Abgases basierend auf der Ausgabe des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors zu unterdrücken.
Wenn beispielsweise in dem in JP 2014-145308 A beschriebenen Verbrennungsmotor das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, welches durch einen auf einer Stromabwärtsseite eines Katalysators angeordnetem, stromabseitigem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor erfasst wird, ein fett beurteiltes Luft-Kraftstoff-Verhältnis, welches fetter als ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, erreicht, wird ein Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases zu einem mager gesetzten Luft-Kraftstoff-Verhältnis, welches magerer als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, gesetzt. Wenn andererseits ein Schätzwert einer Sauerstoffspeichermenge des Katalysators eine beurteilte Referenzspeichermenge erreicht, wird das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases zu einem fett gesetztem Luft-Kraftstoff-Verhältnis, welches fetter als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, gesetzt. Der Schätzwert der Sauerstoffspeichermenge des Katalysators wird basierend auf der Ausgabe eines stromaufseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors, welcher auf einer Stromaufwärtsseite des Katalysators angeordnet ist, berechnet.
Des Weiteren wird in dem in JP 2014-145308 A beschriebenen Verbrennungsmotor eine an den stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor angelegte Spannung gesteuert, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des aus dem Katalysator ausströmenden Abgases genau zu erfassen. Wenn im Besonderen das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases fetter als ein Referenz-Ziel-Kraftstoff-Verhältnis ist, wird die an den stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor angelegte Spannung zu einer Spannung, welche höher als die Spannung ist, bei welcher der Ausgabestrom zu null wird, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Gases gleich dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist. Wenn andererseits das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases magerer als das Referenz-Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, wird sie zu einer Spannung, welche niedriger ist als die Spannung, bei welcher der Ausgabestrom zu null wird, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Gases gleich dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Allerdings wird in dem Verbrennungsmotor in JP 2014-145308 A , wie oben beschrieben, nachdem der Schätzwert der Sauerstoffspeichermenge des Katalysators die beurteilte Referenzspeichermenge erreicht, das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases auf ein fett gesetztes Luft-Kraftstoff-Verhältnis gesetzt, bis das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases das fett beurteilte Luft-Kraftstoff-Verhältnis erreicht. Aus diesem Grund kann sich der Sauerstoff in dem Katalysator leicht dezimieren und deshalb kann eine große Menge von unverbranntem Gas (HC, CO, usw.) aus dem Katalysator zu strömen, was in einer Verschlechterung der Abgasemission resultiert.
Deshalb ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Abgasreinigungssystem eines Verbrennungsmotors, welches in der Lage ist, eine Verschlechterung der Abgasemission zu unterdrücken, vorzusehen.
Lösung des Problems
Nachstehend folgt die Zusammenfassung der vorliegenden Offenbarung.

(1) Ein Anomalitätsdiagnosesystem einer Ammoniakerfassungsvorrichtung, welches in einer Abgasströmungsrichtung auf einer Stromabwärtsseite eines Katalysators in einem Abgaskanal eines Verbrennungsmotors angeordnet ist und aufweist: eine Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsvorrichtung, welche in der Abgasströmungsrichtung auf der Stromabwärtsseite des Katalysators in dem Abgaskanal angeordnet ist; einen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerabschnitt, welcher eingerichtet ist, ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Katalysator einströmenden Abgases zu steuern; und einen Anomalitätsbeurteilungsabschnitt, welcher eingerichtet ist, eine Anomalität der Ammoniakerfassungsvorrichtung zu beurteilen, wobei der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerabschnitt eingerichtet ist, eine Anfettsteuerung durchzuführen, welche das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases fetter als ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis macht, so dass eine Sauerstoffspeichermenge abnimmt, und wobei der Anomalitätsbeurteilungsabschnitt eingerichtet ist, zu beurteilen, ob die Ammoniakerfassungsvorrichtung anormal ist, wenn nach dem Start der Anfettsteuerung ein Ausgabewert der Ammoniakerfassungsvorrichtung nicht auf einen Referenzwert ansteigt, bevor das durch die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsvorrichtung erfasste Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf ein fett beurteiltes Luft-Kraftstoff-Verhältnis, welches fetter als ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, abfällt.
(2) Das Abgasreinigungssystem eines Verbrennungsmotors, wie oben unter (1) beschrieben, wobei der Zielwert null ist.
(3) Das Abgasreinigungssystem eines Verbrennungsmotors, wie oben unter (1) oder (2) beschrieben, wobei der Spannungssteuerabschnitt eingerichtet ist, eine Spannungsabsenksteuerung durchzuführen, und die erste Spannung zwischen 0,15V und 0,44V ist.
(4) Das Abgasreinigungssystem eines Verbrennungsmotors, wie oben unter einem der Punkte (1) bis (3) beschrieben, wobei der Spannungssteuerabschnitt eingerichtet ist, eine Spannungsanhebsteuerung durchzuführen, und die zweite Spannung zwischen 0,46V und 0,7V ist.
(5) Das Abgasreinigungssystem eines Verbrennungsmotors, wie oben unter einem der Punkte (1) bis (4) beschrieben, weiterhin mit einer Ansaugluftmengenerfassungsvorrichtung, welche eine Ansaugluftmenge erfasst, oder einem Ansaugluftmengenabschätzabschnitt, welcher eingerichtet ist, die Ansaugluftmenge abzuschätzen, wobei der Spannungssteuerabschnitt eingerichtet ist, die Spannungsabsenksteuerung durchzuführen und die erste Spannung umso mehr abzusenken, je größer die Ansaugluftmenge ist.
(6) Das Abgasreinigungssystem eines Verbrennungsmotors, wie oben unter einem der Punkte (1) bis (5) beschrieben, weiterhin mit einem Katalysatorbeurteilungsabschnitt, welcher eingerichtet ist, einen Verschlechterungsgrad des Katalysators zu beurteilen, wobei der Spannungssteuerabschnitt eingerichtet ist, die Spannungsabsenksteuerung durchzuführen und die erste Spannung umso mehr abzusenken, je größer der Verschlechterungsgrad des Katalysators ist.
(7) Das Abgasreinigungssystem eines Verbrennungsmotors, wie oben unter einem der Punkte (1) bis (6) beschrieben, weiterhin mit einer Ansaugluftmengenerfassungsvorrichtung, welche eine Ansaugluftmenge erfasst, oder einem Ansaugluftmengenabschätzabschnitt, welcher eingerichtet ist, die Ansaugluftmenge abzuschätzen, wobei der Spannungssteuerabschnitt eingerichtet ist, die Spannungsanhebsteuerung durchzuführen und die zweite Spannung umso mehr anzuheben, je größer die Ansaugluftmenge ist.
(8) Das Abgasreinigungssystem eines Verbrennungsmotors, wie oben unter einem der Punkte (1) bis (7) beschrieben, weiterhin mit einem Katalysatorbeurteilungsabschnitt, welcher eingerichtet ist, einen Verschlechterungsgrad des Katalysators zu beurteilen, wobei der Spannungssteuerabschnitt eingerichtet ist, die Spannungsanhebsteuerung durchzuführen und die zweite Spannung umso mehr anzuheben, je größer der Verschlechterungsgrad des Katalysators ist.

Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Abgasreinigungssystem eines Verbrennungsmotors, welches in der Lage ist, eine Verschlechterung der Abgasemission zu unterdrücken, vorgesehen.
Figurenliste

1 ist eine Darstellung, welche schematisch einen Verbrennungsmotor zeigt, in welchem ein Abgasreinigungssystem eines Verbrennungsmotors nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist.
2 ist eine Darstellung, welche Reinigungscharakteristiken eines Drei-Wege-Katalysators zeigt.
3 ist eine schematische Schnittdarstellung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors.
4A ist eine Darstellung, welche schematisch einen Betrieb eines Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors zeigt.
4B ist eine Darstellung, welche schematisch einen Betrieb eines Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors zeigt.
4C ist eine Darstellung, welche schematisch einen Betrieb eines Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors zeigt.
5 zeigt ein spezielles Beispiel eines elektrischen Schaltkreises.
6 ist eine Darstellung, welche eine Spannungs-Strom-Charakteristik eines Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors zeigt.
7 ist eine Darstellung, welche eine Spannungs-Strom-Charakteristik in einem Bereich X-X von 6 zeigt.
8 ist ein Diagramm, welches eine Beziehung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines Abgases und eines Ausgabestroms zeigt.
9 ist ein Diagramm, welches eine Beziehung einer an einen Sensor angelegte Spannung, wenn ein Ausgabestrom null ist, und einer Sauerstoffkonzentration einer abgasseitigen Elektrode zeigt.
10 ist ein Blockschaltbild, welches einen Teil des Abgasreinigungssystems eines Verbrennungsmotors nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
11 ist ein Zeitdiagramm eines Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des einströmenden Abgases usw., wenn die Spannungsabsenksteuerung und die Spannungsanhebsteuerung durchgeführt werden.
12 ist ein Flussdiagramm, welches eine Steuerroutine einer Spannungsumschaltsteuerung in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
13 ist ein Flussdiagramm, welches eine Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
14 ist ein Blockschaltbild, welches einen Teil des Abgasreinigungssystems eines Verbrennungsmotors nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
15 ist ein Flussidagramm, welches die Steuerroutine einer Spannungssetzsteuerung in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
16 ist ein Kennfeld zu dem Setzen der ersten Spannung basierend auf der Ansaugluftmenge und dem Verschlechterungsgrad des stromaufseitigen Katalysators.
17 ist ein Kennfeld zu dem Setzen der zweiten Spannung basierend auf der Ansaugluftmenge und dem Verschlechterungsgrad des stromaufseitigen Katalysators.

Ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen
Untenstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Figuren detailliert erklärt. Es ist zu beachten, dass in der folgenden Erklärung ähnlichen Komponenten die gleichen Bezugszeichen zugewiesen sind.
Erste Ausführungsform
Zuerst wird eine erste Ausführungsform mit Bezug auf 1 bis 13 erklärt.
Allgemeine Erklärung eines Verbrennungsmotors
FIG: 1 ist eine Darstellung, welche schematisch einen Verbrennungsmotor zeigt, in welchem ein Abgasreinigungssystem eines Verbrennungsmotors nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist. Der in 1 dargestellte Verbrennungsmotor ist ein Verbrennungsmotor mit Funkenzündung. Der Verbrennungsmotor ist in einem Fahrzeug montiert.
Mit Bezug auf 1 gibt 2 einen Zylinderblock, 3 einen Kolben, welcher sich innerhalb des Zylinderblocks 2 hin- und her bewegt, 4 einen Zylinderkopf, welcher an dem Zylinderblock 2 befestigt ist, 5 eine Brennkammer, welche zwischen dem Kolben 3 und dem Zylinderkopf 4 ausgeformt ist, 6 ein Ansaugventil, 7 eine Ansaugöffnung, 8 ein Auslassventil und 9 eine Auslassöffnung an. Das Ansaugventil 7 öffnet und schließt die Ansaugöffnung 7, während das Auslassventil 8 die Auslassöffnung 9 öffnet und schließt.
Wie in 1 dargestellt, ist an dem Mittelteil der Innenwandfläche des Zylinderkopfs 4 eine Zündkerze 10 angeordnet. Ein Kraftstoffinjektor 11 ist um die Innenwandfläche des Zylinderkopfs 4 angeordnet. Die Zündkerze 10 ist eingerichtet, in Übereinstimmung mit einem Zündsignal eine Erzeugung eines Funken zu veranlassen. Weiterhin spritzt der Kraftstoffinjektor in Übereinstimmung mit einem Einspritzsignal eine vorbestimmte Kraftstoffmenge in die Brennkammer 5 ein. In der vorliegenden Ausführungsform wird Benzin mit einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis von 14,6 als Kraftstoff verwendet.
Die Ansaugöffnung 7 in jedem Zylinder ist über einen entsprechenden Ansaugstutzen 13 mit einem Ausgleichsbehälter 14 verbunden. Der Ausgleichsbehälter 14 ist über eine Ansaugleitung 15 mit einem Luftfilter 16 verbunden. Die Ansaugöffnung 7, der Ansaugstutzen 13, der Ausgleichsbehälter 14, der Ansaugleitung 15, usw. formen einen Ansaugkanal, welcher Luft zu der Brennkammer 5 führt, aus. Weiterhin ist in der Ansaugleitung 15 eine Drosselklappe 18, welche durch einen Drosselklappenantriebsaktuator 17 angetrieben wird, angeordnet. Die Drosselklappe 18 kann durch den Drosselklappenantriebsaktuator 17 gedreht werden, um dabei die Öffnungsfläche des Ansaugkanals zu ändern.
Andererseits ist die Auslassöffnung 9 in jedem Zylinder mit einem Abgaskrümmer 19 verbunden. Der Abgaskrümmer 19 hat eine Vielzahl an Stutzen, welche mit den Auslassöffnungen 9 verbunden sind, und ein Kopfteil, bei welchem diese Stutzen gesammelt werden. Das Kopfteil des Abgaskrümmers 19 ist mit einem stromaufseitigen Gehäuse 21, worin ein stromaufseitiger Katalysator 20 verbaut ist, verbunden. Das stromaufseitige Gehäuse 21 ist über eine Abgasleitung 22 mit einem stromabseitigen Gehäuse 23, worin ein stromabseitiger Katalysator 24 verbaut ist, verbunden. Die Auslassöffnung 9, der Abgaskrümmer 19, der stromaufseitige Katalysator 21, die Abgasleitung 22, der stromabseitige Katalysator 23, usw. formen einen Abgaskanal, welcher durch die Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemisches in der Brennkammer 5 produziertes Abgas abführt, aus.
Verschiedene Steuerroutinen des Verbrennungsmotors werden durch eine elektronische Steuereinheit (ECU) 31 durchgeführt. Die ECU 31 umfasst einen Digitalrechner, welcher mit Komponenten, welche durch einen bidirektionalen Bus 32 verbunden sind, wie z.B. einen RAM (Direktzugriffsspeicher) 33, ROM (Festwertspeicher) 34, CPU (Mikroprozessor) 35, Eingabekanal 36 und Ausgabekanal 37 versehen ist. In der Ansaugleitung 15 ist ein Luftmassenmesser 39 angeordnet, welcher die Durchflussmenge der Luft, welche durch die Ansaugleitung 15 strömt, erfasst. Die Ausgabe des Luftmassenmessers 39 wird über einen entsprechenden AD-Wandler 38 an den Eingabekanal 36 eingegeben.
Weiterhin ist an dem Kopfteil des Abgaskrümmers 19, z.B. in der Abgasströmungsrichtung auf einer Stromaufseite des stromaufseitigen Katalysators 20, ein stromaufseitiger Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 40 angeordnet, welcher das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, welches durch das Innere des Abgaskrümmers 19 (d.h. das Abgas, welches in den stromaufseitigen Katalysator 20 strömt) strömt, erfasst. Die Ausgabe des stromaufseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 40 wird über den entsprechenden AD-Wandler 38 an den Eingabekanal 36 eingegeben.
Weiterhin ist in der Abgasleitung 22, d.h. in der Abgasströmungsrichtung auf einer Stromabseite des stromaufseitigen Katalysators 20, ein stromabseitiger Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 zur Erfassung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Abgases, welches durch das Innere der Abgasleitung 22 (d.h. das Abgas, welches aus dem stromaufseitigen Katalysator 20 strömt) strömt, angeordnet. Die Ausgabe des stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 wird über den entsprechenden AD-Wandler 38 an den Eingabekanal 36 eingegeben.
Weiterhin ist ein Gaspedal 42 mit einem Lastsensor 43, welcher eine Ausgabespannung proportional zu der Niederdrückmenge des Gaspedals 42 erzeugt, verbunden. Die Ausgabespannung des Lastsensors 43 wird über einen entsprechenden AD-Wandler 38 an den Eingabekanal 36 eingegeben. Ein Kurbelwinkelsensor 44 erzeugt zu jedem Zeitpunkt, bei dem die Kurbelwelle um beispielsweise 15 Grad rotiert, einen Ausgabeimpuls. Dieser Ausgabeimpuls wird an den Eingabekanal 36 eingegeben. In der CPU 35 wird aus dem Ausgabeimpuls des Kurbelwinkelsensors 44 die Motordrehzahl berechnet. Andererseits ist der Ausgabekanal 37 über entsprechende Treibschaltkreise 45 mit den Zündkerzen 10, den Kraftstoffinjektoren 11 und dem Drosselklappenantriebsaktuator 17 verbunden.
Zu beachten ist, dass der oben genannte Verbrennungsmotor ein nicht aufgeladener, mit Benzin angetriebener Verbrennungsmotor ist, aber der Aufbau des Verbrennungsmotors nicht auf den obigen Aufbau beschränkt ist. Deshalb können sich die Zylinderanordnung, der Kraftstoffeinspritzmodus, der Aufbau der Ansaug- und Abgassysteme, der Aufbau des Ventilöffnungsmechanismus, das Vorhandensein eines beliebigen Turboladers und andere spezifische Teile des Aufbaus des Verbrennungsmotors von dem in 1 dargestellten Aufbau unterscheiden. Die Kraftstoffinjektoren 11 können beispielsweise angeordnet sein, um Kraftstoff in die Auslassöffnungen 7 einzuspritzen.
Erklärung von Katalysatoren
Der stromaufseitige Katalysator 20 und der stromabseitige Katalysator 24, welche in dem Abgaskanal angeordnet sind, haben einen ähnlichen Aufbau. Die Katalysatoren 20 und 24 sind Katalysatoren mit Sauerstoffspeicherfähigkeiten, wie z.B. Drei-Wege-Katalysatoren. Die Katalysatoren 20 und 24 umfassen insbesondere aus Keramik gefertigte Träger, auf welchen ein Edelmetall mit einer katalytischen Wirkung (z.B. Platin (Pt)) und ein Cokatalysator mit einer Sauerstoffspeicherfähigkeit (wie z.B. Ceroxid (CeO₂)) getragen werden.
2 zeigt die Reinigungscharakteristiken eines Drei-Wege-Katalysators. Wie in 2 dargestellt, werden die Reinigungsraten von unverbranntem Gas (HC, CO) und Stickoxiden (NOx) durch die Katalysatoren 20 und 24 extrem hoch, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in die Katalysatoren 20 und 24 strömenden Abgases in dem Bereich nahe dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis (Reinigungsfenster A in 2) ist. Deshalb können die Katalysatoren 20 und 24 unverbranntes Gas und NOx effektiv beseitigen, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases bei dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis gehalten wird.
Weiterhin speichern oder setzen die Katalysatoren 20 und 24 Sauerstoff in Übereinstimmung mit dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases durch den Cokatalysator frei. Insbesondere speichern die Katalysatoren 20 und 24 überschüssigen Sauerstoff in dem Abgas, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases magerer als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist. Andererseits setzen die Katalysatoren 20 und 24 die Menge an zusätzlichen Sauerstoff frei, welche zur Oxidierung des unverbrannten Gases benötigt wird, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases fetter als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist. Als ein Ergebnis wird, sogar wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases etwas neben dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis liegt, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf der Oberfläche der Katalysatoren 20 und 24 nahe dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis gehalten und das unverbrannte Gas und die Stickoxide werden an den Katalysatoren 20 und 24 effektiv beseitigt.
Zu beachten ist, dass so lange die Katalysatoren 20 und 24 katalytische Wirkung und Sauerstoffspeicherfähigkeiten haben, sie andere Katalysatoren als Drei-Wege-Katalysatoren sein können.
Aufbau von Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensoren
Der stromaufseitige Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 40 und der stromabseitige Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 haben einen ähnlichen Aufbau. 3 ist eine schematische Schnittdarstellung der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensoren 40 und 41. Wie aus 3 deutlich wird, ist in der vorliegenden Ausführungsform jeder der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensoren 40 und 41 ein Einzell-Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor mit einer einzelnen Zelle, welche eine Festelektrolytschicht und ein Elektrodenpaar umfasst.
Wie in 3 dargestellt, ist jeder der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensoren 40 und 41 mit einer Festelektrolytschicht 51, einer abgasseitigen Elektrode 52, welcher auf einer Seitenfläche der Festelektrolytschicht 51 angeordnet ist, einer umgebungsseitigen Elektrode 53, welche auf der anderen Seitenfläche der Festelektrolytschicht 51 angeordnet ist, einer Diffusionsregelschicht 54, welche Diffusion des Abgases reguliert, einer Schutzschicht 55, welche die Diffusionsregelschicht 54 schützt, und einem Heizteil 56, welcher die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensoren 40 oder 41 heizt, versehen.
Die Diffusionsregelschicht 54 ist auf einer Seitenfläche der Festelektrolytschicht 51 vorgesehen. Die Schutzschicht 55 ist auf der der Seitenfläche der Festelektrolytschicht 51 gegenüberliegenden Seitenfläche der Diffusionsregelschicht 54 vorgesehen. In der vorliegenden Ausführungsform ist zwischen der Festelektrolytschicht 51 und der Diffusionsregelschicht 54 eine Messgaskammer 57 ausgeformt. Ein Teil des durch den Abgaskanal strömenden Abgases wird durch die Diffusionsregelschicht 54 in die Messgaskammer 57 eingeleitet. Weiterhin ist die abgasseitige Elektrode 52 innerhalb der Messgaskammer 57 angeordnet. Deshalb ist die abgasseitige Elektrode 52 durch die Diffusionsregelschicht 54 dem Abgas ausgesetzt. Zu beachten ist, dass die Messgaskammer 57 nicht notwendigerweise vorgesehen sein muss. Jeder der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensoren 40 und 41 kann so eingerichtet sein, dass die Diffusionsregelschicht 54 direkt die Oberfläche der abgasseitigen Elektrode 52 berührt.
Das Heizteil 56 ist an der anderen Seitenfläche der Festelektrolytschicht 51 vorgesehen. Die Referenzgaskammer 58 ist zwischen der Festelektrolytschicht 51 und dem Heizteil 56 ausgeformt. Referenzgas wird in die Referenzgaskammer 58 eingeleitet. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Referenzgaskammer 58 offen zur Umgebung hin. Als Referenzgas wird Luft in die Referenzgaskammer 58 eingeleitet. Die umgebungsseitige Elektrode 53 ist innerhalb der Referenzgaskammer 58 angeordnet. Deshalb ist die umgebungsseitige Elektrode 53 dem Referenzgas (Luft) ausgesetzt.
Das Heizteil 56 ist mit einer Vielzahl von Heizelementen 59 versehen. Aufgrund der Heizelemente 59 ist es möglich, die Temperatur jedes Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 40 und 41 und im Speziellen die Temperatur der Festelektrolytschicht 51 zu steuern. Der Heizteil 56 hat eine ausreichende Wärmeerzeugungskapazität, um die Festelektrolytschicht 51 bis zur Aktivierung zu erwärmen.
Die Festelektrolytschicht 51 ist ein Blattelement mit Oxidionenleitfähigeit. Die Festelektrolytschicht 51 ist beispielsweise ein Sinterkörper aus ZrO₂ (Zirkoniumdioxid), HfO₂, ThO₂, Bi₂O₃ usw., dem CaO, MgO, Y₂O₃, Yb₂O₃ usw. als Stabilisator hinzugefügt wird. Weiterhin ist die Diffusionsregelschicht 54 durch einen porösen Sinterkörper aus Aluminium, Magnesium, Silikon, Spinell, Mullit oder anderen hitzebeständigen anorganischen Substanzen ausgeformt. Darüber hinaus sind die abgasseitige Elektrode 52 und die umgebungsseitige Elektrode 53 aus Platin oder anderen Edelmetallen mit hoher katalytischer Wirkung ausgeformt.
Weiterhin sind die abgasseitige Elektrode 52 und die umgebungsseitige Elektrode 53 mit einem elektronischen Schaltkreis 70 verbunden. Der elektronische Schaltkreis 70 beinhaltet eine Spannungsanlegevorrichtung 60 und eine Stromerfassungsvorrichtung 61. Die Spannungsanlegevorrichtung 60 legt an jeden Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 40 und 41 eine Spannung an, so dass das Potential der umgebungsseitigen Elektrode 53 höher als das Potential der abgasseitigen Elektrode 52 wird. Deshalb arbeitet die abgasseitige Elektrode 52 als eine negative Elektrode, während die umgebungsseitige Elektrode 53 als eine positive Elektrode arbeitet. Der Ausgabekanal 37 der ECU 31 ist über einen entsprechenden Treibschaltkreis 45 mit der Spannungsanlegevorrichtung 60 verbunden. Deshalb kann die ECU 31 durch die Spannungsanlegevorrichtung 60 die an den Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 40 angelegte Spannung steuern.
Weiterhin erfasst die Stromerfassungsvorrichtung 61 den zwischen der abgasseitigen Elektrode 52 und der umgebungsseitigen Elektrode 53 fließenden Strom, d.h. den Ausgabestrom jedes Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 40 und 41. Die Ausgabe der Stromerfassungsvorrichtung 61 wird durch den entsprechenden AD-Wandler 38 an den Eingabekanal 36 der ECU 31 eingegeben. Deshalb kann die ECU 31 den Ausgabestrom jedes Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 40 und 41, welcher durch die Stromerfassungsvorrichtung 61 erfasst wird, von der Stromerfassungsvorrichtung 61 erhalten.
Betrieb von Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensoren
Als Nächstes wird mit Bezug auf 4 der grundsätzliche Betrieb jedes Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 40 und 41 erklärt. 4 ist eine Darstellung, welche schematisch den Betrieb jedes Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 40 und 41 zeigt. Jeder Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 40 und 41 ist in dem Abgaskanal angeordnet, so dass die Außenumfangsfläche der Schutzschicht 55 und die Diffusionsregelschicht 54 dem Abgas ausgesetzt sind. Weiterhin wird Luft in die Referenzgaskammer 58 jedes Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 40 und 41 eingeleitet.
Wie oben beschrieben, hat die Festelektrolytschicht 51 eine Oxidionenleitfähigkeit. Aus diesem Grund wird, wenn zwischen den zwei Seitenflächen der aktivierten Festelektrolytschicht 51 eine Sauerstoffkonzentrationsdifferenz auftritt, eine elektromotorische Kraft E erzeugt, welche versucht, die Oxidionen von der hochkonzentrationsseitigen Seitenfläche zu der niedrigkonzentrationsseitigen Seitenfläche zu bewegen. Solch eine Charakteristik wird die „Sauerstoffzellcharakteristik“ genannt.
Andererseits bewegen sich, wenn zwischen den zwei Seitenflächen der Festelektrolytschicht 51 eine Potentialdifferenz gegeben ist, Oxidionen, so dass ein der Potentialdifferenz entsprechendes Sauerstoffkonzentrationsverhältnis zwischen den zwei Seitenflächen der Festelektrolytschicht veranlasst wird. Diese Charakteristik wird die „Sauerstoffpumpcharakteristik“ genannt.
Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in jeden Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 40 und 41 strömenden Abgases magerer als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, wenn die Sauerstoffkonzentration im Abgas hoch ist, wird das Sauerstoffkonzentrationsverhältnis zwischen den zwei Seitenflächen der Festelektrolytschicht 51 nicht so groß werden. Aus diesem Grund wird bei Setzen der an jeden der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensoren 40 und 41 angelegten Spannung auf einen passenden Wert das Sauerstoffkonzentrationsverhältnis zwischen den zwei Seitenflächen der Festelektrolytschicht 51 kleiner als das der angelegten Sensorspannung Vr entsprechende Sauerstoffkonzentrationsverhältnis werden. Aus diesem Grund werden sich, wie in 4A dargestellt, Oxidionen von der abgasseitigen Elektrode 52 hin zur umgebungsseitigen Elektrode 53 bewegen, so dass sich das Sauerstoffkonzentrationsverhältnis zwischen den zwei Seitenflächen der Festelektrolytschicht 51 dem der angelegten Sensorspannung Vr entsprechenden Sauerstoffkonzentrationsverhältnis annähert. Als ein Ergebnis fließt Strom Ir von der positiven Elektrode der Spannungsanlegevorrichtung 60 zu der negativen Elektrode der Spannungsanlegevorrichtung 60. Zu diesem Zeitpunkt wird ein positiver Strom durch die Stromerfassungsvorrichtung 61 erfasst. Weiterhin wird der Wert des Stroms Ir umso größer, je höher die Sauerstoffkonzentration in dem in die Messgaskammer 57 strömenden Abgas ist, d.h. je höher das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases ist.
Andererseits wird, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in jeden Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 40 und 41 strömenden Abgases fetter als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, der Sauerstoff an der abgasseitigen Elektrode 52 durch Reaktion mit dem unverbrannten Gas im Abgas beseitigt. Aus diesem Grund wird die Sauerstoffkonzentration an der abgasseitigen Elektrode 52 extrem niedrig und das Sauerstoffkonzentrationsverhältnis zwischen den zwei Seitenflächen der Festelektrolytschicht 51 wird größer. Aus diesem Grund wird bei Setzen der an den Sensor angelegten Spannung auf einen passenden Wert das Sauerstoffkonzentrationsverhältnis zwischen den zwei Seitenflächen der Festelektrolytschicht 51 größer als das der angelegten Sensorspannung Vr entsprechende Sauerstoffkonzentrationsverhältnis. Aus diesem Grund bewegen sich, wie in 4B dargestellt, Oxidionen von der umgebungsseitigen Elektrode 53 hin zur abgasseitigen Elektrode 52, so dass sich das Sauerstoffkonzentrationsverhältnis zwischen den zwei Seitenflächen der Festelektrolytschicht 51 dem der angelegten Sensorspannung Vr entsprechenden Sauerstoffkonzentrationsverhältnis annähert. Als ein Ergebnis fließt ein Strom Ir von der negativen Elektrode der Spannungsanlegevorrichtung 60 zur positiven Elektrode der Spannungsanlegevorrichtung 60. Zu diesem Zeitpunkt wird durch die Stromerfassungsvorrichtung 61 ein negativer Strom erfasst. Weiterhin wird der Absolutwert des Stroms Ir umso größer, je höher die Konzentration des unverbrannten Gases in dem in die Messgaskammer 57 strömenden Abgas ist, d.h. je niedriger das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases ist.
Weiterhin werden, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in jeden Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 40 und 41 strömenden Abgases das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, die Mengen an Sauerstoff und unverbranntem Gas in dem Abgas gleich dem chemischen Äquivalentverhältnis. Aus diesem Grund verbrennen die zwei Mengen vollständig aufgrund der katalytischen Wirkung der abgasseitigen Elektrode 52 und das Sauerstoffkonzentrationsverhältnis zwischen den zwei Seitenflächen der Festelektrolytschicht 51 wird bei dem der angelegten Sensorspannung Vr entsprechenden Sauerstoffkonzentrationsverhältnis gehalten. Aus diesem Grund tritt, wie in 4C dargestellt, keine Bewegung der Oxidionen aufgrund der Sauerstoffpumpcharakteristik auf und der durch die Stromerfassungsvorrichtung 61 erfasste Strom wird null.
Deshalb schwankt der Wert des Ausgabestroms jedes Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 40 und 41 gemäß dem in jeden Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 40 und 41 strömenden Abgas. Aus diesem Grund kann die ECU 31 das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases basierend auf dem durch die Stromerfassungsvorrichtung 61 erfassten Strom abschätzen. Zu beachten ist, dass „das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases“ das Verhältnis der Luftmasse zu der zugeführten Kraftstoffmasse, bis das Abgas produziert ist, (Luftmasse/Kraftstoffmasse) meint und von den Abgaskomponenten abgeschätzt wird.
Spezifisches Beispiel des elektrischen Schaltkreises
5 zeigt ein spezifisches Beispiel des elektrischen Schaltkreises 70. In dem abgebildeten Beispiel ist die durch die Sauerstoffzellcharakteristik erzeugte, elektromotorische Kraft als E dargestellt, der Innenwiderstand der Festelektrolytschicht 51 ist als Ri dargestellt, die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 52 und 53 ist als Vs dargestellt und die angelegte Sensorspannung, welche an jeden Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 40 und 41 durch die Spannungsanlegevorrichtung 60 angelegt wird, ist als Vr dargestellt.
Wie aus 5 deutlich wird, führt die Spannungsanlegevorrichtung 60 grundsätzlich eine negative Rückkoppelsteuerung durch, so dass die durch die Sauerstoffzellcharakteristik erzeugte, elektromotorische Kraft E der angelegten Sensorspannung Vr entspricht. Die Spannungsanlegevorrichtung 60 führt die negative Rückkoppelsteuerung durch, so dass die Potentialdifferenz Vs zu der angelegten Sensorspannung Vr wird, sogar wenn eine Änderung des Sauerstoffkonzentrationsverhältnisses zwischen den zwei Seitenflächen der Festelektrolytschicht 51 eine Änderung in der Potentialdifferenz Vs zwischen den zwei Elektroden 52 und 53 veranlasst.
Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist und sich das Sauerstoffkonzentrationsverhältnis zwischen den zwei Seitenflächen der Festelektrolytschicht 51 nicht ändert, wird das Sauerstoffkonzentrationsverhältnis zwischen den zwei Seitenflächen der Festelektrolytschicht 51 zu dem der angelegten Sensorspannung Vr entsprechenden Sauerstoffkonzentrationsverhältnis. In diesem Fall entsprechen die elektromotorische Kraft E und die Potentialdifferenz Vs der angelegten Sensorspannung, weshalb kein Strom Ir fließt.
Wenn andererseits das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases ein sich von dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis unterscheidendes Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist und sich das Sauerstoffkonzentrationsverhältnis zwischen den zwei Seitenflächen der Festelektrolytschicht 51 ändert, unterscheidet sich das Sauerstoffkonzentrationsverhältnis zwischen den zwei Seitenflächen der Festelektrolytschicht 51 von dem der angelegten Sensorspannung Vr entsprechenden Sauerstoffkonzentrationsverhältnis. In diesem Fall wird die elektromotorische Kraft E zu einem sich von der angelegten Sensorspannung Vr unterscheidenden Wert. Als ein Ergebnis ist eine Potentialdifferenz Vs zwischen den Elektroden 52 und 53 aufgrund der negativen Rückkoppelsteuerung gegeben, um die Oxidionen zwischen den zwei Seitenflächen der Festelektrolytschicht 51 bewegen zu lassen, so dass die elektromotorische Kraft E der angelegten Sensorspannung Vr entspricht. Weiterhin fließt Strom mitsamt der Bewegung der Oxidionen. Als ein Ergebnis konvergiert die elektromotorische Kraft E mit der angelegten Sensorspannung Vr und die Potentialdifferenz Vs konvergiert auch mit der angelegten Sensorspannung Vr.
Weiterhin erfasst die Stromerfassungsvorrichtung 61 die Spannung E₀ zur Erfassung des Stroms Ir. Dabei wird E0 durch die folgende Gleichung (1) ausgedrückt: $E_{0} = {Vr+V}_{0} + IrR$
wobei V₀ die Offsetspannung (z.B. 3V), welche angelegt wird, so dass E₀ kein negativer Wert wird, ist, während R der in 5 dargestellte Widerstandswert ist.
Da die angelegte Sensorspannung Vr, die Offsetspannung V₀ und der Widerstandswert R konstant sind, ändert sich in Gleichung (1) die Spannung E₀ in Abhängigkeit von dem Strom Ir. Deshalb kann die Stromerfassungsvorrichtung 61 den Strom Ir basierend auf der Spannung E₀ berechnen.
Zu beachten ist, dass sich der elektrische Steuerkreis 70 von dem in 5 dargestellten Aufbau unterscheiden kann, solange dieser Spannung an jeden Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 40 und 41 anlegt und den Ausgabestrom jedes Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 40 und 41 erfasst.
Ausgabecharakteristik von Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensoren
Als ein Ergebnis des oben genannten Prinzips hat jeder Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 40 und 41 die Spannungs-Strom-Charakteristik (V-I), wie in 6 dargestellt. Wie in 6 dargestellt, wird in dem Bereich, in dem die angelegte Sensorspannung Vr 0 oder weniger und nahe 0 ist, bei konstantem Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases der Ausgabestrom Ir umso größer, je höher die angelegte Sensorspannung Vr ist. Zu beachten ist, dass der Spannungsbereich, bei dem sich der Ausgabestrom Ir proportional zu der angelegten Sensorspannung Vr ändert, „proportionaler Bereich“ genannt wird.
In dem proportionalen Bereich ist die angelegte Sensorspannung Vr niedrig, weshalb die Durchflussmenge der Oxidionen, welche in der Lage sind, sich durch die Festelektrolytschicht 51 zu bewegen, klein ist. In diesem Fall wird die Bewegungsgeschwindigkeit der sich durch das Innere der Festelektrolytschicht 51 bewegenden Oxidionen zusammen mit dem Anlegen der Spannung langsamer als die Einleitgeschwindigkeit des durch die Diffusionsregelschicht 54 in die Messgaskammer 57 eingeleiteten Abgases. Aus diesem Grund ändert sich die Durchflussmenge der Oxidionen, welche in der Lage sind, sich durch die Festelektrolytschicht 51 zu bewegen, gemäß der angelegten Sensorspannung Vr, während der Ausgabestrom Ir zusammen mit einem Anstieg der angelegten Sensorspannung Vr ansteigt. Zu beachten ist, dass der Ausgabestrom Ir ein negativer Wert wird, wenn die angelegte Sensorspannung Vr 0 ist, da eine dem Sauerstoffkonzentrationsverhältnis zwischen den zwei Seitenflächen der Festelektrolytschicht 51 entsprechende, elektromotorische Kraft aufgrund der Sauerstoffzellcharakteristik auftritt.
Wie in 6 dargestellt, wird der Ausgabestrom Ir, wenn die angelegte Sensorspannung Vr zu einem vorbestimmten Wert oder mehr wird, ungeachtet des Wertes der angelegten Sensorspannung Vr bei einem im Wesentlichen, konstanten Wert gehalten. Dieser gesättigte Strom wird „Grenzstrom“ genannt, während der Spannungsbereich, bei dem dieser Grenzstrom auftritt, „Grenzstrombereich“ genannt wird. In dem Grenzstrombereich ist die angelegte Sensorspannung Vr höher als in dem proportionalen Bereich, weshalb die Durchflussmenge der Oxiodionen, welche in der Lage sind, sich durch die Festelektrolytschicht 51 zu bewegen, größer wird als in dem proportionalen Bereich. In diesem Fall wird die Bewegungsgeschwindigkeit der sich durch das Innere der Festelektrolytschicht 51 bewegenden Oxidionen zusammen mit dem Anlegen der Spannung schneller als die Einleitgeschwindigkeit des durch die Diffusionsregelschicht 54 in die Messgaskammer 57 eingeleiteten Abgases. Aus diesem Grund ändert sich die Durchflussmenge der Oxidionen, welche in der Lage sind, sich durch die Festelektrolytschicht 51 zu bewegen, gemäß der angelegten Sensorspannung Vr kaum, weshalb der Ausgabestrom Ir ungeachtet des Wertes der angelegten Sensorspannung Vr bei einem im Wesentlichen, konstanten Wert gehalten wird. Andererseits ändert sich die Durchflussmenge der Oxionionen, welche in der Lage sind, sich durch die Festelektrolytschicht 51 zu bewegen, gemäß dem Sauerstoffkonzentrationsverhältnis zwischen den zwei Seitenflächen der Festelektrolytschicht 51, weshalb sich der Ausgabestrom Ir gemäß dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases.
Wie in 6 dargestellt, wird in dem Bereich, bei dem die angelegte Sensorspannung Vr extrem hoch ist, bei konstantem Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases der Ausgabestrom Ir umso größer, je höher die angelegte Sensorspannung Vr ist. Wenn die angelegte Sensorspannung Vr extrem hoch wird, wird das Wasser in dem Abgas an der abgasseitigen Elektrode 52 zersetzt. Die durch die Wasserzersetzung erzeugten Oxiodionen bewegen sich von der abgasseitigen Elektrode 52 durch das Innere der Festelektrolytschicht 51 zu der umgebungsseitigen Elektrode 53. Als ein Ergebnis wird der Strom aufgrund der Wasserzersetzung ebenso wie der Ausgabestrom Ir erfasst, weshalb der Ausgabestrom Ir größer als der Grenzstrom wird. Dieser Spannungsbereich wird der „Feuchtezersetzungsbereich“ genannt.
7 ist eine Darstellung, welche die Spannungs-Strom-Charakteristik in dem Bereich X-X von 6 zeigt. Wie aus 7 deutlich wird, wird der Ausgabestrom Ir sogar in dem Grenzstrombereich, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases konstant ist, etwas größer, wenn die angelegte Sensorspannung Vr höher wird. Aus diesem Grund ändert sich der Wert der angelegten Sensorspannung Vr, wenn der Ausgabestrom Ir null wird, in Übereinstimmung mit dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases.
Wenn beispielsweise das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis (14.6) ist, ist der Wert der angelegten Sensorspannung Vr, wenn der Ausgabestrom Ir null wird, gleich 0,45V. Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases niedriger als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis (fetter) wird, ist der Wert der angelegten Sensorspannung Vr, wenn der Ausgabestrom Ir null wird, höher als 0,45V. Wenn andererseits das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases höher als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis (magerer) wird, ist der Wert der angelegten Sensorspannung Vr, wenn der Ausgabestrom Ir null wird, niedriger als 0,45V.
8 ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases und dem Ausgabestrom Ir zeigt. In 8 ist der Bereich nahe dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis vergrößert. 8 zeigt die Beziehungen zwischen dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases und dem Ausgabestrom Ir, wenn die angelegte Sensorspannung Vr gleich 0,3V, 0,45V und 0,6V ist. 9 ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen der angelegten Sensorspannung Vr und der Sauerstoffkonzentration an der abgasseitigen Elektrode zeigt, wenn der Ausgabestrom Ir null ist. In 9 zeigt die y-Achse (Sauerstoffkonzentration an der abgasseitigen Elektrode) den log an. Je fetter das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases ist, desto niedriger ist die Sauerstoffkonzentration an der abgasseitigen Elektrode. Wie aus 8 und 9 deutlich wird, wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, wenn die angelegte Sensorspannung Vr höher und der Ausgabestrom Ir null wird, niedriger (wird fetter).
Sogar wenn in diesem Zusammenhang das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases konstant ist, treten aufgrund von Schaltkreisfehlern Variationen des Wertes des Ausgabestroms eines Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors zwischen einzelnen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensoren auf. Weiterhin verursacht Alterung usw. sogar in demselben Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor Variation des Wertes des Ausgabestroms bezüglich eines vorbestimmten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors des Abgases. Aus diesem Grund tritt ein Fehler in dem aus dem Ausgabestrom eines Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors berechneten Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases auf.
Wenn andererseits der Ausgabestrom eines Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors null ist, fließt kein Strom zu dem elektrischen Schaltkreis, weshalb der Schaltkreisfehler extrem klein wird. Weiterhin ist es in dem nichtaktivierten Zustand eines Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors zu dem Startzeitpunkt des Verbrennungsmotors usw. möglich den Schaltkreisfehler zu lernen, wenn der Ausgabestrom null ist, und dabei den Schaltkreisfehler weiter zu verringern. Aus diesem Grund kann ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor das dem Null-Ausgabestrom entsprechende Luft-Kraftstoff-Verhältnis genau erfassen. Ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor kann beispielsweise bei Setzen der angelegten Sensorspannung auf 0,45V genau erfassen, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist.
Abgasreinigungssystem eines Verbrennungsmotors
Untenstehend wird ein Abgasreinigungssystem eines Verbrennungsmotors (untenstehend einfach als ein „Abgasreinigungssystem“ bezeichnet) gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erklärt. Das Abgasreinigungssystem ist mit einem stromaufseitigen Katalysator 20, einem stromabseitigen Katalysator 24, einem stromaufseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 40, einem stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41, einer Stromerfassungsvorrichtung 61, einer Spannungsanlegevorrichtung 60, einem Spannungssteuerabschnitt 71 und einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerabschnitt 72 versehen. In der vorliegenden Ausführungsform arbeitet die ECU 31 als der Spannungssteuerabschnitt 71 und der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerabschnitt 72.
10 ist ein Blockschaltbild, welches einen Teil des Abgasreinigungssystems eines Verbrennungsmotors gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Der Spannungssteuerabschnitt 71 steuert die an den stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 angelegte Spannung durch die Spannungsanlegevorrichtung 60. Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerabschnitt 72 steuert das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den stromaufseitigen Katalysator 20 strömenden Abgases (untenstehend als „einströmendes Abgas“ bezeichnet), so dass der Ausgabestrom des stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 zu dem Zielwert wird. Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerabschnitt 72 ändert die den Brennkammern 5 zugeführte Kraftstoffmenge, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases zu steuern.
Der Zielwert wird im Voraus bestimmt. In der vorliegenden Ausführungsform ist er null. Wie oben beschrieben, ist der Schaltkreisfehler klein, wenn der Ausgabestrom null ist. Aus diesem Grund ist es bei Nutzung der oben genannten Steuerung möglich, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des aus dem stromaufseitigen Katalysator 20 strömenden Abgases (untenstehend als „ausströmendes Abgas“ bezeichnet) genau zu dem dem Null-Ausgabestrom entsprechenden Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu steuern.
In diesem Zusammenhang lässt eine äußere Störung usw. in einem Verbrennungsmotor manchmal, sogar wenn die Steuerung durchgeführt wird, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases sich dem Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis (z.B. das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis) annähern zu lassen, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases stark von dem Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis abweichen. Wenn beispielsweise die Motorlast zu dem Zeitpunkt einer Beschleunigung des Fahrzeugs usw. stark ansteigt, wird die von den Kraftstoffinjektoren 11 eingespritzte Kraftstoffmenge erhöht. Aus diesem Grund weicht manchmal das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases stark zu der fetten Seite von dem Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis ab und die Sauerstoffspeichermenge des stromaufseitigen Katalysators 20 wird null. In diesem Fall strömt eine große Menge an unverbranntem Gas aus dem stromaufseitigen Katalysator 20 und der Fettgrad des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des ausströmenden Abgases, welches durch den stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 erfasst wird, wird größer. Zu beachten ist, dass der „Fettgrad des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses“ die Differenz zwischen einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis, das fetter als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, und dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis bedeutet.
Weiterhin führt der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerabschnitt 72 eine Kraftstoffkappsteuerung durch, welche die Kraftstoffzufuhr an die Brennkammern 5 während des Betriebs des Verbrennungsmotors stoppt, wenn vorbestimmte Ausführbedingungen erfüllt sind. Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerabschnitt 72 stoppt in der Kraftstoffkappsteuerung die Kraftstoffeinspritzung von den Kraftstoffinjektoren 11, um die Kraftstoffzufuhr an die Brennkammern 5 zu stoppen. Die vorbestimmten Ausführbedingungen sind beispielsweise, dass die Niederdrückmenge des Gaspedals 42 gleich null oder im Wesentlichen null (d.h. die Motorlast ist null oder im Wesentlichen null) ist und die Motordrehzahl zumindest eine vorbestimmte Drehzahl höher als die Leerlaufdrehzahl ist.
Wenn die Kraftstoffkappsteuerung durchgeführt wird, wird Luft oder ein luftähnliches Gas in den Abgaskanal abgeführt, weshalb Gas mit einem extrem hohen Luft-Kraftstoff-Verhältnis in den stromaufseitigen Katalysator 20 strömt. Aus diesem Grund weicht manchmal das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases stark zu der mageren Seite von dem Ziel-Luft- Kraftstoff-Verhältnis ab und die Sauerstoffspeichermenge des stromaufseitigen Katalysators 20 erreicht ihr Maximum. In diesem Fall strömt eine große Menge an Sauerstoff aus dem stromaufseitigen Katalysator 20 und der Magergrad des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des ausströmenden Gases, welches durch den stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 erfasst wird, wird größer. Zu beachten ist, dass der „Magergrad des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses“ die Differenz zwischen einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis, das magerer als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, und dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis bedeutet.
Wenn eine äußere Störung usw. den Fettgrad des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des ausströmenden Abgases größer werden lässt, um unverbranntes Gas vom Ausströmen abzuhalten, ist es notwendig, dass Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases magerer als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu machen und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases sich der Umgebung des stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses annähern zu lassen. Wenn jedoch das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases auf das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder magerer als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis gesetzt wird, kann sich aufgrund eines Steuerungsfehlers der Magergrad des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des ausströmenden Abgases vergrößern und eine große NOx-Menge kann aus dem stromaufseitigen Katalysator 20 strömen. Dieses Problem ist ausgeprägt, speziell wenn Alterung usw. die maximale Sauerstoffspeichermenge des stromaufseitigen Katalysators 20 abfallen lassen.
Weiterhin muss, wenn die Kraftstoffkappsteuerung usw. den Magergrad des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des ausströmenden Abgases größer werden lässt, um NOx vom Ausströmen abzuhalten, sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases der Umgebung des stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses annähern lassen. Wenn jedoch das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases auf das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder fetter als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis gesetzt wird, kann sich aufgrund eines Steuerungsfehlers der Fettgrad des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des ausströmenden Abgases vergrößern und eine große Menge an unverbranntem Gas kann aus dem stromaufseitigen Katalysator 20 strömen. Dieses Problem ist ausgeprägt, speziell wenn Alterung usw. die maximale Sauerstoffspeichermenge des stromaufseitigen Katalysators 20 abfallen lassen.
Deshalb wird in der vorliegenden Ausführungsform, wenn das durch den stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 erfasste Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases höher als ein mager beurteiltes Luft-Kraftstoff-Verhältnis, welches magerer als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, wird, das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases auf das leicht magere Luft-Kraftstoff-Verhältnis gesetzt. Das leicht magere Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird im Voraus bestimmt und auf einen Wert leicht magerer als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis gesetzt. Der Magergrad des leicht mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ist extrem niedrig, so dass, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases das leicht magere Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, nahezu kein NOx aus dem stromaufseitigen Katalysator 20 strömt. Das mager beurteilte Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird im Voraus bestimmt. In der vorliegenden Ausführungsform ist es gleich dem leicht mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Zu beachten ist, dass das mager beurteilte Luft-Kraftstoff-Verhältnis ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis magerer als das leicht magere Luft-Kraftstoff-Verhältnis sein kann.
Weiterhin wird in der vorliegenden Ausführungsform, wenn das durch den stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 erfasste Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases niedriger als ein fett beurteiltes Luft-Kraftstoff-Verhältnis, welches fetter als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, wird, das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases auf das leicht fette Luft-Kraftstoff-Verhältnis gesetzt. Das leicht fette Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird im Voraus bestimmt und auf einen Wert leicht niedriger als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis gesetzt. Der Fettgrad des leicht fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ist extrem niedrig, so dass, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases das leicht fette Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, nahezu kein unverbranntes Gas aus dem stromaufseitigen Katalysator 20 strömt. Das fett beurteilte Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird im Voraus bestimmt. In der vorliegenden Ausführungsform ist es gleich dem leicht fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Zu beachten ist, dass das fett beurteilte Luft-Kraftstoff-Verhältnis ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis fetter als das leicht fette Luft-Kraftstoff-Verhältnis sein kann.
Wie oben erklärt, steuert der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerabschnitt 72 das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases, so dass der Ausgabestrom des stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 null wird. Aus diesem Grund nähert sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases dem dem Null-Ausgabestrom entsprechenden Luft-Kraftstoff-Verhältnis an. Weiterhin schwankt das dem Null-Ausgabestrom entsprechende Luft-Kraftstoff-Verhältnis in Übereinstimmung mit der an den stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 angelegten Spannung. Wie durch 7 und 8 deutlich wird, wird insbesondere bei Absenken der an den stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 angelegten Spannung das dem Null-Ausgabestrom entsprechende Luft-Kraftstoff-Verhältnis mager, während bei Erhöhen der an den stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 angelegten Spannung das dem Null-Ausgabestrom entsprechende Luft-Kraftstoff-Verhältnis fett wird. Aus diesem Grund wird in der vorliegenden Ausführungsform die an den stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 angelegte Spannung geändert, um das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases zu ändern.
Der Spannungssteuerabschnitt 71 führt insbesondere die Spannungsabsenksteuerung durch, welche die an der stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 angelegte Spannung auf eine erste Spannung niedriger als die Referenzspannung setzt, wenn das durch den stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 erfasste Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases höher als das mager beurteilte Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird. Die Referenzspannung ist die Spannung, bei der der Ausgabestrom des stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 null wird, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, und ist in der vorliegenden Ausführungsform 0,45V. Die erste Spannung ist die Spannung, bei der der Ausgabestrom des strom abseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 null wird, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases das leicht magere Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist. Die erste Spannung wird beispielsweise zwischen 0,15V und 0,44V gesetzt. Dieser Spannungsbereich ist innerhalb des Grenzstrombereichs. Durch Setzen der ersten Spannung auf einen Wert innerhalb des Grenzstrombereichs ist es möglich, Schwankungen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zu unterdrücken, wenn der Ausgabestrom null wird. In der vorliegenden Ausführungsform wird die erste Spannung auf 0,3V gesetzt. Deshalb kann der Magergrad des leicht mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses abgehalten werden, extrem hoch zu werden.
Gemäß der oben genannten Spannungsabsenksteuerung ist es möglich, den Fettgrad des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des ausströmenden Abgases davon abzuhalten, aufgrund von Steuerungsfehlern größer zu werden, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis von der mageren Seite her angenähert wird. Deshalb ist es aufgrund der Spannungsabsenksteuerung möglich, eine große Menge an unverbranntem Gas vom Ausströmen aus dem stromaufseitigen Katalysator 20 abzuhalten und im Gegenzug die Abgasemission von Verschlechterung abzuhalten.
Weiterhin führt der Spannungssteuerabschnitt 71 die Spannungsanhebsteuerung durch, welche die an der stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 angelegte Spannung auf eine zweite Spannung höher als die Referenzspannung setzt, wenn das durch den stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 erfasste Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases niedriger als das fett beurteilte Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird. Die zweite Spannung ist die Spannung, bei der der Ausgabestrom des stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 null wird, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases das leicht fette Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist. Die zweite Spannung wird beispielsweise zwischen 0,46V und 0,7V gesetzt. Dieser Spannungsbereich ist innerhalb des Grenzstrombereichs. Durch Setzen der zweiten Spannung auf einen Wert innerhalb des Grenzstrombereichs ist es möglich, Schwankungen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zu unterdrücken, wenn der Ausgabestrom null wird. In der vorliegenden Ausführungsform wird die zweite Spannung auf 0,6V gesetzt. Deshalb kann der Fettgrad des leicht fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses abgehalten werden, extrem hoch zu werden. Weiterhin ist in der vorliegenden Ausführungsform die Differenz zwischen der ersten Spannung und der Referenzspannung gleich der Differenz zwischen der zweiten Spannung und der Referenzspannung. Mit anderen Worten, der Magergrad des leicht mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ist gleich dem Fettgrad des leicht fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses.
Gemäß der oben genannten Spannungsanhebsteuerung ist es möglich, den Magergrad des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des ausströmenden Abgases davon abzuhalten, aufgrund von Steuerungsfehlern größer zu werden, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis von der fetten Seite angenähert wird. Deshalb ist es aufgrund der Spannungsanhebsteuerung möglich, eine große Menge an NOx vom Ausströmen aus dem stromaufseitigen Katalysator 20 abzuhalten und im Gegenzug die Abgasemission von Verschlechterung abzuhalten.
Erklärung der Steuerung unter Nutzung von Zeitdiagrammen
Untenstehend werden mit Bezug auf 11 die Spannungsabsenksteuerung und die Spannungsanhebsteuerung besonders erklärt. 11 ist ein Zeitdiagramm des Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des einströmenden Abgases, der an den stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 angelegten Spannung, des Ausgabestroms des stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 und des durch den stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 erfassten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, wenn die Spannungsabsenksteuerung und die Spannungsanhebsteuerung durchgeführt werden.
Wie oben beschrieben, wird in der vorliegenden Ausführungsform das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases gesteuert, so dass der Ausgabestrom des stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 null wird. Aus diesem Grund wird in dem Zeitdiagramm von 11, wenn der Ausgabestrom des stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 größer als null ist, das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases fetter als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis gemacht, während das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases, wenn der Ausgabestrom des stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 kleiner als null ist, magerer als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis gemacht wird.
In dem Beispiel von 11, wird zu dem Zeitpunkt t1 nach dem Start des Verbrennungsmotors die an den stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 angelegte Spannung auf 0,45V (Referenzspannung Vref) gesetzt. Deshalb wird das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases zu dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis (14,6) gesetzt.
Daraufhin wird zu dem Zeitpunkt t2 aufgrund einer äußeren Störung usw. und konsequent abgeschalteter Steuerung der Ausgabestrom des stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 kleiner als der fettseitige Umschaltbeurteilungswert lrich_Vref. Wie aus 8 deutlich wird, ist der fettseitige Umschaltbeurteilungswert lrich_Vref der Wert des dem fett beurteilten Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFjrich entsprechenden Ausgabestroms, wenn die an den stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 angelegte Spannung die Referenzspannung Vref ist. Deshalb wird zu dem Zeitpunkt t2 das durch den stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 erfasste Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases niedriger als das fett beurteilte Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFjrich.
Zu dem Zeitpunkt t2 wird die an den stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 angelegte Spannung auf die zweite Spannung (0,6V) gesetzt. Das heißt, die an den stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 angelegte Spannung wird von der Referenzspannung auf die zweite Spannung umgeschaltet. Deshalb wird das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases von dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf das leicht fette Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFsrich umgeschaltet.
Wenn die an den stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 angelegte Spannung von der Referenzspannung auf die zweite Spannung umgeschaltet wird, ändert sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases hin zu dem leicht fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFsrich. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases wird zeitweise aufgrund von Überschwingen magerer als das leicht fette Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFsrich. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases wird jedoch nicht magerer als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis werden.
Daraufhin wird zu dem Zeitpunkt t3 aufgrund einer äußeren Störung usw. und konsequent abgeschalteter Steuerung der Ausgabestrom des stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 größer als der magerseitige Umschaltbeurteilungswert llean_V2. Wie aus 8 deutlich wird, ist der magerseitige Umschaltbeurteilungswert llean_V2 der Wert des dem mager beurteilten Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFjlean entsprechenden Ausgabestroms, wenn die an den stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 angelegte Spannung die zweite Spannung V2 ist. Deshalb wird zu dem Zeitpunkt t3 das durch den stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 erfasste Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases höher als das mager beurteilte Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFjlean.
Zu dem Zeitpunkt t3 wird die an den stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 angelegte Spannung auf die erste Spannung (0,3V) gesetzt. Das heißt, die an den stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 angelegte Spannung wird von der zweiten Spannung auf die erste Spannung umgeschaltet. Deshalb wird das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases von dem leicht fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFsrich auf das leicht magere Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFslean umgeschaltet.
Wenn die an den stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 angelegte Spannung von der zweiten Spannung auf die erste Spannung umgeschaltet wird, ändert sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases hin zu dem leicht mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFslean. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases wird zeitweise aufgrund von Überschwingen fetter als das leicht magere Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFslean. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases wird jedoch nicht fetter als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis werden.
Daraufhin wird zu dem Zeitpunkt t4 aufgrund einer äußeren Störung usw. und konsequent abgeschalteter Steuerung der Ausgabestrom des stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 kleiner als der fettseitige Umschaltbeurteilungswert lrich_V1. Wie aus 8 deutlich wird, ist der fettseitige Umschaltbeurteilungswert lrich_V1 der Wert des dem fett beurteilten Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFjrich entsprechenden Ausgabestroms, wenn die an den stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 angelegte Spannung die erste Spannung V1 ist. Deshalb wird zu dem Zeitpunkt t4 das durch den stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 erfasste Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases niedriger als das fett beurteilte Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFjrich.
Zu dem Zeitpunkt t4 wird die an den stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 angelegte Spannung auf die zweite Spannung (0,6V) gesetzt. Das heißt, die an den stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 angelegte Spannung wird von der ersten Spannung auf die zweite Spannung umgeschaltet. Deshalb wird das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases von dem leicht fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFslean auf das leicht fette Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFsrich umgeschaltet.
Wenn in dem Beispiel von 11 nach dem Zeitpunkt t2 das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis von der fetten Seite angenähert wird, wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases nicht das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis erreichen. Solange der Magergrad des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des ausströmenden Abgases jedoch vom Größerwerden abgehalten werden kann, kann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases zeitweise magerer als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis werden. Weiterhin wird in dem Beispiel von 11 das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases, wenn nach dem Zeitpunkt t3 das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis von der mageren Seite angenähert wird, das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis nicht erreichen. Solange der Fettgrad des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des ausströmenden Abgases jedoch vom Größerwerden abgehalten werden kann, kann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases zeitweise fetter als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis werden.
Spannungsumschaltsteuerung
Untenstehend wird mit Bezug auf das Flussdiagramm in 12 die Spannungsumschaltsteuerung zum Umschalten der an den stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 angelegten Spannung in der vorliegenden Ausführungsform erklärt. 12 ist ein Flussdiagramm, welches die Steuerroutine der Spannungsumschaltsteuerung in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die vorliegende Steuerroutine wird von der ECU 31 bei vorbestimmten Zeitintervallen nach dem Start des Verbrennungsmotors ausgeführt.
Als Erstes beurteilt der Spannungssteuerabschnitt 71 bei Schritt S101, ob ein Umschaltausführflag Fs gleich „1“ ist. Das Umschaltausführflag Fs wird auf „1“ gesetzt, wenn die an den stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 angelegte Spannung auf die erste Spannung V1 oder die zweite Spannung V2 gesetzt wird, und wird zurückgesetzt und zu null gemacht, wenn der Verbrennungsmotor gestoppt wird. Weiterhin ist der Anfangswert des Umschaltausführflags Fs gleich null.
Wenn bei Schritt S101 beurteilt ist, dass der Umschaltausführflag Fs gleich null ist, fährt die Steuerroutine mit Schritt S102 fort. Bei Schritt S102 setzt der Spannungssteuerabschnitt 71 die an den stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 angelegte Spannung Vdwn auf die Referenzspannung Vref. Die Referenzspannung Vref ist die Spannung, bei welcher der Ausgabestrom des stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 null wird, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, und ist z.B. 0,45V.
Als Nächstes beurteilt der Spannungssteuerabschnitt 71 bei Schritt S103, ob der Verbrennungsmotor vollständig aufgewärmt ist. Der Spannungssteuerabschnitt 71 beurteilt, dass der Verbrennungsmotor vollständig aufgewärmt ist, wenn beispielsweise die Motorwassertemperatur gleich oder mehr als eine vorbestimmte Temperatur ist, und beurteilt, dass der Verbrennungsmotor noch nicht vollständig aufgewärmt ist, wenn die Motorwassertemperatur weniger als die vorbestimmte Temperatur ist. Wenn bei Schritt S103 beurteilt wird, dass der Verbrennungsmotor noch nicht vollständig aufgewärmt ist, endet die vorliegende Steuerroutine.
Wenn bei Schritt S103 andererseits beurteilt ist, dass der Verbrennungsmotor vollständig aufgewärmt ist, fährt die vorliegende Steuerroutine mit Schritt S104 fort. Bei Schritt S104 beurteilt der Spannungssteuerabschnitt 71, ob der Ausgabestrom Idwn des stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 niedriger als der fettseitige Umschaltbeurteilungswert Irich ist. der Ausgabestrom Idwn wird durch die Stromerfassungsvorrichtung 61 erfasst. Der fettseitige Umschaltbeurteilungswert Irich ist der Wert des dem fett beurteilten Luft-Kraftstoff-Verhältnis entsprechenden Ausgabestroms. Deshalb beurteilt der Spannungssteuerabschnitt 71 bei Schritt S104, ob das durch den stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 erfasste Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases niedriger als das fett beurteilte Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist.
Zu beachten ist, dass der fettseitige Umschaltbeurteilungswert Irich basierend auf der aktuell angelegten Spannung Vdwn bestimmt wird. Wie in 8 dargestellt, ist der fettseitige Umschaltbeurteilungswert lrich_Vref, wenn die angelegte Spannung Vdwn die Referenzspannung Vref (0,45V) ist, höher als der fettseitige Umschaltbeurteilungswert Irich_V1, wenn die angelegte Spannung Vdwn die erste Spannung (0,3V) ist.
Wenn bei Schritt S104 beurteilt ist, dass der Ausgabestrom Idwn des stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 der fettseitige Umschaltbeurteilungswert Irich oder mehr ist, fährt die vorliegende Steuerroutine mit Schritt S105 fort. Bei Schritt S105 beurteilt der Spannungssteuerabschnitt 71, ob der Ausgabestrom Idwn des stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 höher als der magerseitige Umschaltbeurteilungswert Ilean ist. Der magerseitige Umschaltbeurteilungswert Ilean ist der Wert des dem mager beurteilten Luft-Kraftstoff-Verhältnis entsprechenden Ausgabestroms. Deshalb beurteilt der Spannungssteuerabschnitt 71 bei Schritt S105, ob das durch den stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 erfasste Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases höher als das mager beurteilte Luft-Kraftstoff-Verhältnis geworden ist.
Zu beachten ist, dass der magerseitige Umschaltbeurteilungswert Ilean basierend auf der aktuell angelegten Spannung Vdwn bestimmt wird. Wie in 8 dargestellt, ist der magerseitige Umschaltbeurteilungswert llean_Vref, wenn die angelegte Spannung Vdwn die Referenzspannung Vref (0,45V) ist, niedriger als der magerseitige Umschaltbeurteilungswert llean_V2, wenn die angelegte Spannung Vdwn die zweite Spannung (0,6V) ist.
Wenn bei Schritt S105 beurteilt ist, dass der Ausgabestrom Idwn des stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 der magerseitige Umschaltbeurteilungswert Ilean oder weniger ist, endet die vorliegende Steuerroutine.
Wenn bei Schritt S104 andererseits beurteilt wird, dass der Ausgabestrom Idwn des stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 niedriger als der fettseitige Umschaltbeurteilungswert Irich ist, fährt die vorliegende Steuerroutine mit Schritt S108 fort. Bei Schritt S108 setzt der Spannungssteuerabschnitt 71 die angelegte Spannung Vdwn auf die zweite Spannung V2. Das heißt, das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases wird auf das leicht fette Luft-Kraftstoff-Verhältnis gesetzt. Die zweite Spannung V2 ist höher als die Referenzspannung und z.B. 0,6V.
Wenn weiterhin bei Schritt S105 beurteilt wird, dass der Ausgabestrom Idwn des stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 höher als der magerseitige Umschaltbeurteilungswert Ilean ist, fährt die vorliegende Steuerroutine mit Schritt S106 fort. Bei Schritt S106 setzt der Spannungssteuerabschnitt 71 die angelegte Spannung Vdwn auf die erste Spannung V1. Das heißt, das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases wird auf ein leicht fettes Luft-Kraftstoff-Verhältnis gesetzt. Die erste Spannung V1 ist niedriger als die Referenzspannung und z.B. 0,3V.
Nach Schritt S108 oder Schritt S106 fährt die vorliegende Steuerroutine mit Schritt S107 fort. Bei Schritt S107 setzt der Spannungssteuerabschnitt 71 das Umschaltausführflag Fs auf „1“. Nach Schritt S107 endet die vorliegende Steuerroutine.
Wenn weiterhin bei Schritt S101 beurteilt ist, dass das Umschaltausführflag Fs „1“ ist, überspringt die vorliegende Steuerroutine die Schritte S102 und S103 und fährt mit Schritt S104 fort.
Zu beachten ist, dass die angelegte Spannung Vdwn, wenn aufgrund der Kraftstoffkappsteuerung der Ausgabestrom Idwn des stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors höher als der magerseitige Umschaltbeurteilungswert Ilean wird, zu dem Endzeitpunkt der Kraftstoffkappsteuerung auf die erste Spannung V1 gesetzt werden kann. Weiterhin können die Schritte S104 und S108 oder S105 und S106 weggelassen werden. Das heißt, nur eine der Spannungsanhebsteuerung und der Spannungsabsenksteuerung wird durchgeführt. Weiterhin kann die an den stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 angelegte Spannung Vdwn zeitweise auf die Referenzspannung Vref gesetzt werden, sogar nachdem die an den stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 angelegte Spannung Vdwn auf die erste Spannung V1 oder die zweite Spannung V2 gesetzt wurde.
Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung
Untenstehend wird mit Bezug auf das Flussdiagramm von 13 die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung in der vorliegenden Ausführungsform erklärt. 13 ist ein Flussdiagramm, welches die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die vorliegende Steuerroutine wird von der ECU 31 zu vorbestimmten Zeitintervallen nach dem Start des Verbrennungsmotors ausgeführt. Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerabschnitt 72 steuert das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases, so dass der Ausgabestrom Idwn des stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 null wird.
Zuerst beurteilt bei Schritt S201 der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerabschnitt 72 auf dieselbe Art als bei Schritt S103 von 12, ob der Verbrennungsmotor vollständig aufgewärmt ist. Wenn beurteilt ist, dass der Verbrennungsmotor noch nicht vollständig aufgewärmt ist, endet die vorliegende Steuerroutine. Wenn andererseits beurteilt ist, dass der Verbrennungsmotor vollständig aufgewärmt ist, fährt die vorliegende Steuerroutine mit Schritt S202 fort.
Bei Schritt S202 beurteilt der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerabschnitt 72, ob der Ausgabestrom Idwn des stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 größer als null ist. Der Ausgabestrom Idwn wird durch die Stromerfassungsvorrichtung 61 erfasst. Wenn bei Schritt S202 beurteilt ist, dass der Ausgabestrom Idwn des stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 null oder weniger ist, fährt die vorliegende Steuerroutine mit Schritt S203 fort.
Bei Schritt S203 beurteilt der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerabschnitt 72, ob der Ausgabestrom Idwn des stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 kleiner als null ist. Wenn beurteilt ist, dass der Ausgabestrom Idwn des stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 null oder mehr ist, d.h. wenn der Ausgabestrom Idwn null ist, endet die vorliegende Steuerroutine.
Wenn andererseits bei Schritt S202 beurteilt ist, dass der Ausgabestrom Idwn des stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 größer als null ist, fährt die vorliegende Steuerroutine mit Schritt S205 fort. Bei Schritt S205 setzt der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerabschnitt 72 das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAF des einströmenden Abgases auf das fette Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFrich, welches fetter als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist. Insbesondere setzt der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerabschnitt 72 das fette Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFrich basierend auf der Differenz zwischen dem Ausgabestrom Idwn des stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 und null und korrigiert die von den Kraftstoffinjektoren 11 eingespritzte Kraftstoffmenge. Nach Schritt S205 endet die vorliegende Steuerroutine.
Wenn weiterhin bei Schritt S203 beurteilt ist, dass der Ausgabestrom Idwn des stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 kleiner als null ist, fährt die vorliegende Steuerroutine mit Schritt S204 fort. Bei Schritt S204 setzt der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerabschnitt 72 das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAF des einströmenden Abgases auf das magere Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFlean, welches magerer als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist. Insbesondere setzt der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerabschnitt 72 das magere Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFlean basierend auf der Differenz zwischen dem Ausgabestrom Idwn des stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 und null und korrigiert die von den Kraftstoffinjektoren 11 eingespritzte Kraftstoffmenge. Nach Schritt S204 endet die vorliegende Steuerroutine.
Zweite Ausführungsform
Das Abgasreinigungssystem eines Verbrennungsmotors gemäß der zweiten Ausführungsform ist in Aufbau und Steuerung bis auf die untenstehend erklärten Punkte grundsätzlich ähnlich zu dem Abgasreinigungssystem eines Verbrennungsmotors gemäß der ersten Ausführungsform. Aus diesem Grund wird untenstehend die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Fokus auf den sich von der ersten Ausführungsform unterscheidende Teile erklärt.
14 ist ein Blockschaltbild, welches einen Teil des Abgasreinigungssystems eines Verbrennungsmotors nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Abgasreinigungssystem ist weiterhin mit einer Ansaugluftmengenerfassungsvorrichtung 80, welche die Ansaugluftmenge erfasst, versehen. Die Ansaugluftmengenerfassungsvorrichtung 80 ist beispielsweise ein Luftmassenmesser 39.
Wenn die Ansaugluftmenge groß ist, erhöht sich ebenso die Abgasmenge und die Gasreaktionszeit an dem stromaufseitigen Katalysator 20 nimmt ab. Aus diesem Grund kann eine große Menge an unverbranntem Gas ausströmen, bevor das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis von der mageren Seite erreicht. Weiterhin kann eine große Menge an NOx ausströmen, bevor das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis von der fetten Seite erreicht.
Aus diesem Grund wird in der zweiten Ausführungsform das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases, welches gesetzt wird, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases höher als das mager beurteilte Luft-Kraftstoff-Verhältnis, d.h. das leicht magere Luft-Kraftstoff-Verhältnis, wurde, umso magerer gemacht, je größer die Ansaugluftmenge ist. Wie aus 7 und 8 deutlich wird, wird bei Absenken der an den stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 angelegten Spannung das dem Null-Ausgabestrom entsprechende Luft-Kraftstoff-Verhältnis magerer. Aus diesem Grund senkt der Spannungssteuerabschnitt 71 die erste Spannung umso mehr ab, je größer die Ansaugluftmenge ist. Deshalb wird es möglich ein Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis gemäß der Ansaugluftmenge zu setzen. Sogar wenn die Ansaugluftmenge groß ist, ist es möglich, eine große Menge an unverbranntem Gas vom Ausströmen aus dem stromaufseitigen Katalysator 20 abzuhalten. Deshalb ist es möglich, eine Verschlechterung der Abgasemission viel mehr zu unterdrücken. Zu beachten ist, dass in der zweiten Ausführungsform die erste Spannung in dem Bereich zwischen 0,15V und 0,44V in Übereinstimmung mit der Ansaugluftmenge geändert wird.
Weiterhin wird in der zweiten Ausführungsform das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases, welches gesetzt wird, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases niedriger als das fett beurteilte Luft-Kraftstoff-Verhältnis, d.h. das leicht fette Luft-Kraftstoff-Verhältnis, wurde, umso fetter gemacht, je größer die Ansaugluftmenge ist. Wie aus 7 und 8 deutlich wird, wird bei Anheben der an den stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 angelegten Spannung das dem Null-Ausgabestrom entsprechende Luft-Kraftstoff-Verhältnis fett. Aus diesem Grund hebt der Spannungssteuerabschnitt 71 die zweite Spannung umso mehr an, je größer die Ansaugluftmenge ist. Deshalb wird es möglich ein Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis gemäß der Ansaugluftmenge zu setzen. Sogar wenn die Ansaugluftmenge groß ist, ist es möglich, eine große Menge an NOx vom Ausströmen aus dem stromaufseitigen Katalysator 20 abzuhalten. Deshalb ist es möglich, eine Verschlechterung der Abgasemission viel mehr zu unterdrücken. Zu beachten ist, dass in der zweiten Ausführungsform die zweite Spannung in dem Bereich zwischen 0,46V und 0,7V in Übereinstimmung mit der Ansaugluftmenge geändert wird.
Wie in 14 dargestellt, ist das Abgasreinigungssystem weiterhin mit einem Katalysatorbeurteilungsabschnitt 73, welcher den Verschlechterungsgrad des stromaufseitigen Katalysators 20 beurteilt, versehen. In der vorliegenden Ausführungsform arbeitet die ECU 31 als der Katalysatorbeurteilungsabschnitt 73. Der Katalysatorbeurteilungsabschnitt 73 nutzt ein bekanntes Mittel, um den Verschlechterungsgrad des stromaufseitigen Katalysators 20 zu beurteilen. Zum Beispiel nutzt der Katalysatorbeurteilungsabschnitt 73, wie in JP 2016-169664A usw. beschrieben, den stromaufseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 40 und den stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41, um die maximale Sauerstoffspeichermenge des stromaufseitigen Katalysators 20 zu berechnen, und beurteilt den Verschlechterungsgrad des stromaufseitigen Katalysators 20 umso größer, je kleiner die maximale Sauerstoffspeichermenge ist.
Wenn der Verschlechterungsgrad des stromaufseitigen Katalysators 20 groß ist, fällt die Gasreaktionsfähigkeit an dem stromaufseitigen Katalysator 20. Aus diesem Grund kann, bevor das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis von der mageren Seite erreicht, eine große Menge an unverbranntem Gas ausströmen. Weiterhin kann, bevor das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis von der fetten Seite erreicht, eine große Menge an NOx ausströmen.
Aus diesem Grund wird in der zweiten Ausführungsform das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases, welches gesetzt wird, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases höher als das mager beurteilte Luft-Kraftstoff-Verhältnis, d.h. das leicht magere Luft-Kraftstoff-Verhältnis, wird, umso magerer gemacht je größer der Verschlechterungsgrad des stromaufseitigen Katalysators 20 ist. Deshalb senkt der Spannungssteuerabschnitt 71 die erste Spannung umso mehr ab, je größer der Verschlechterungsgrad des stromaufseitigen Katalysators 20 ist. Deshalb wird es möglich ein Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis gemäß des Verschlechterungsgrads des stromaufseitigen Katalysators 20 zu setzen. Sogar wenn der Verschlechterungsgrad des stromaufseitigen Katalysators 20 groß ist, ist es möglich, eine große Menge an unverbranntem Gas vom Ausströmen aus dem stromaufseitigen Katalysator 20 abzuhalten. Deshalb ist es möglich, eine Verschlechterung der Abgasemission viel mehr zu unterdrücken. Zu beachten ist, dass in der zweiten Ausführungsform die erste Spannung in dem Bereich zwischen 0,15V und 0,44V in Übereinstimmung mit dem Verschlechterungsgrad des stromaufseitigen Katalysators 20 geändert wird.
Weiterhin wird in der zweiten Ausführungsform das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases, welches gesetzt wird, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases niedriger als das fett beurteilte Luft-Kraftstoff-Verhältnis, d.h. das leicht fette Luft-Kraftstoff-Verhältnis, wird, umso fetter gemacht, je größer der Verschlechterungsgrad des stromaufseitigen Katalysators 20 ist. Deshalb hebt der Spannungssteuerabschnitt 71 die zweite Spannung umso mehr an, je größer der Verschlechterungsgrad des stromaufseitigen Katalysators 20 ist. Deshalb wird es möglich, ein Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis gemäß des Verschlechterungsgrads des stromaufseitigen Katalysators 20 zu setzen. Sogar wenn der Verschlechterungsgrad des stromaufseitigen Katalysators 20 groß ist, ist es möglich, eine große Menge an NOx vom Ausströmen aus dem stromaufseitigen Katalysator 20 abzuhalten. Deshalb ist es möglich, eine Verschlechterung der Abgasemission viel mehr zu unterdrücken. Zu beachten ist, dass in der zweiten Ausführungsform die zweite Spannung in dem Bereich zwischen 0,46V und 0,7V in Übereinstimmung mit dem Verschlechterungsgrad des stromaufseitigen Katalysators 20 geändert wird.
Spannungssetzsteuerung
Untenstehend wird mit Bezug auf das Flussdiagramm von 15 eine Spannungssetzsteuerung zu dem Setzen der ersten Spannung und der zweiten Spannung in der vorliegenden Ausführungsform erklärt. In der zweiten Ausführungsform wird die Spannungssetzsteuerung von 15 zusätzlich zu der Spannungsumschaltsteuerung von 12 und der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung von 13 durchgeführt. 15 ist ein Flussidagramm, welches die Steuerroutine der Spannungssetzsteuerung in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die vorliegende Steuerroutine wird von der ECU 31 zu vorbestimmten Zeitintervallen nach dem Start des Verbrennungsmotors ausgeführt.
Zuerst erwirbt der Spannungssteuerabschnitt 71 bei Schritt S301 die Ansaugluftmenge. Die Ansaugluftmenge wird durch die Ansaugluftmengenerfassungsvorrichtung 80 erfasst. Als Nächstes erwirbt der Spannungssteuerabschnitt 71 bei Schritt S302 den Verschlechterungsgrad des stromaufseitigen Katalysators 20. Der Verschlechterungsgrad des stromaufseitigen Katalysators 20 wird durch den Katalysatorbeurteilungsabschnitt 73 beurteilt.
Als Nächstes setzt bei Schritt S303 der Spannungssteuerabschnitt 71 basierend auf der Ansaugluftmenge und dem Verschlechterungsgrad des stromaufseitigen Katalysators 20 die erste Spannung V1. Der Spannungssteuerabschnitt 71 nutzt insbesondere ein Kennfeld, wie in 16 dargestellt, um die erste Spannung V1 zu setzen. In dem Kennfeld von 16 ist die erste Spannung als eine Funktion der Ansaugluftmenge Ga und dem Verschlechterungsgrad Cdd des stromaufseitigen Katalysators 20 dargestellt. Dieses Kennfeld ist vorbereitet, so dass bei konstantem Verschlechterungsgrad Cdd die Ansaugluftmenge Ga umso größer wird, je niedriger die erste Spannung V1 wird. Weiterhin ist dieses Kennfeld vorbereitet, so dass bei konstanter Ansaugluftmenge Ga der Verschlechterungsgrad Cdd umso größer wird, je niedriger die erste Spannung V1 wird.
Als Nächstes setzt der Spannungssteuerabschnitt 71 bei Schritt S202 basierend auf der Ansaugluftmenge und dem Verschlechterungsgrad des stromaufseitigen Katalysators 20 die zweite Spannung V2. Der Spannungssteuerabschnitt 71 nutzt insbesondere ein Kennfeld, wie in 17 dargestellt, um die zweite Spannung V2 zu setzen. In dem Kennfeld von 17 ist die zweite Spannung als eine Funktion der Ansaugluftmenge Ga und dem Verschlechterungsgrad Cdd des stromaufseitigen Katalysators 20 dargestellt. Dieses Kennfeld ist vorbereitet, so dass bei konstantem Verschlechterungsgrad Cdd die Ansaugluftmenge Ga umso größer wird, je höher die zweite Spannung V2 wird. Weiterhin ist dieses Kennfeld vorbereitet, so dass bei konstanter Ansaugluftmenge Ga der Verschlechterungsgrad Cdd umso größer wird, je höher die zweite Spannung V2 wird.
Nach Schritt S304 endet die vorliegende Steuerroutine. Die bei Schritt S303 gesetzte erste Spannung V1 wird bei Schritt S106 von 12 genutzt. Die bei Schritt S304 gesetzte zweite Spannung V2 wird bei Schritt S108 von 12 genutzt.
Zu beachten ist, dass Schritt S301 oder S302 weggelassen werden können. Wenn Schritt S301 weggelassen wird, setzt der Spannungssteuerabschnitt 71 die erste Spannung V1 und die zweite Spannung V2 basierend auf dem Verschlechterungsgrad des stromaufseitigen Katalysators 20 und senkt die erste Spannung umso mehr ab und hebt die zweite Spannung umso mehr an, je größer der Verschlechterungsgrad ist. Wenn Schritt S302 weggelassen wird, setzt der Spannungssteuerabschnitt 71 die erste Spannung V1 und die zweite Spannung V2 basierend auf der Ansaugluftmenge und senkt die erste Spannung umso mehr ab und hebt die zweite Spannung umso mehr an, je größer die Ansaugluftmenge ist.
Weiterhin kann das Abgasreinigungssystem statt der Ansaugluftmengenerfassungsvorrichtung 80 mit einem Ansaugluftmengenabschätzabschnitt, welcher die Ansaugluftmenge abschätzt, versehen sein. In diesem Fall arbeitet die ECU 31 als der Ansaugluftmengenabschätzabschnitt. Der Ansaugluftmengenabschätzabschnitt nutzt beispielsweise Modellrechnungen, wie in JP 2013-133793A beschrieben, um die Ansaugluftmenge abzuschätzen.
Obig werden bevorzugte Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung erklärt, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt und kann korrigiert oder in verschiedenen Weisen innerhalb der Ansprüche geändert werden. In den obigen Ausführungsformen wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis grundsätzlich basierend auf der Ausgabe des stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 gesteuert. Weiterhin werden schädliche Substanzen im Abgas grundsätzlich an dem stromaufseitigen Katalysator 20 beseitigt. Aus diesem Grund muss das Abgasreinigungssystem nicht mit dem stromaufseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 40 und dem stromabseitigen Katalysator 24 versehen sein.
Sogar wenn weiterhin der Ausgabestrom des stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 null ist, treten manchmal leichte Fehler in dem stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 und dem elektrischen Schaltkreis 70 auf, weshalb bei Berücksichtigung solcher Fehler der Zielwert des Ausgabestroms des stromabseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 zu einem Wert leicht höher als null oder zu einem Wert leicht niedriger als null gesetzt werden kann.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Abgasreinigungssystem eines Verbrennungsmotors mit einem Katalysator, einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor, einer Stromerfassungsvorrichtung, einer Spannungsanlegevorrichtung 60, einem Spannungssteuerabschnitt und einen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerabschnitt 72 auf. Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerabschnitt steuert das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, so dass der Ausgabestrom des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors ein vorbestimmter Wert wird. Der Spannungssteuerabschnitt führt eine Spannungsabsenksteuerung, welche die angelegte Spannung zu einer ersten Spannung setzt, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis höher als ein mager beurteiltes Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird, und/oder eine Spannungsanhebsteuerung, welche die angelegte Spannung zu einer zweiten Spannung setzt, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis niedriger als ein fett beurteiltes Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird, durch. Die Referenzspannung ist eine Spannung, bei welcher der Ausgabestrom des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors null wird, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist.
Bezugszeichenliste

20.: stromaufseitiger Katalysator
22.: Abgasleitung
31.: elektronische Steuereinheit (ECU)
41.: stromabseitiger Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor
60.: Spannungsanlegevorrichtung
61.: Stromerfassungsvorrichtung
71.: Spannungssteuerabschnitt
72.: Luft-Kraftstoff-VerhäItnis-Steuerabschnitt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2014145308 A [0003, 0004, 0005]
JP 2016169664 A [0108]
JP 2013133793 A [0118]

Claims

Abgasreinigungssystem eines Verbrennungsmotors mit: einem Katalysator, welcher in einem Abgaskanal des Verbrennungsmotors angeordnet und Sauerstoff speichern kann; einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor, welcher auf einer Stromabwärtsseite des Katalysators angeordnet ist und ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines aus dem Katalysator ausströmenden Abgases erfasst; einer Stromerfassungsvorrichtung, welche einen Ausgabestrom des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors erfasst; einer Spannungsanlegungsvorrichtung, welche eine Spannung an den Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensoranlegt; einem Spannungssteuerabschnitt, welcher eingerichtet ist, die an den Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor angelegte Spannung zu steuern; und einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerabschnitt, welcher eingerichtet ist, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines in den Katalysator einströmenden Abgases zu steuern, wobei der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerabschnitt eingerichtet ist, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases so zu steuern, dass der Ausgabestrom des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors zu einem vorbestimmten Zielwert wird, der Spannungssteuerabschnitt eingerichtet ist, eine Spannungsabsenksteuerung durchführt, welche die angelegte Spannung auf eine erste Spannung niedriger als eine Referenzspannung setzt, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des durch den Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor erfassten ausströmenden Abgases höher wird als ein mager beurteiltes Luft-Kraftstoff-Verhältnis, welches magerer als ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, und/oder eine Spannungsanhebsteuerung durchführt, welche die angelegte Spannung auf eine zweite Spannung höher als die Referenzspannung setzt, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des durch den Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor erfassten ausströmenden Abgases niedriger wird als ein fett beurteiltes Luft-Kraftstoff-Verhältnis, welches fetter als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, und die Referenzspannung eine Spannung ist, bei der der Ausgabestrom des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors null wird, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des ausströmenden Abgases das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist.
Abgasreinigungssystem eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 1, wobei der Zielwert null ist.
Abgasreinigungssystem eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Spannungssteuerabschnitt eingerichtet ist, die Spannungsabsenksteuerung durchzuführen, und die erste Spannung zwischen 0,15V und 0,44V ist.
Abgasreinigungssystem eines Verbrennungsmotors nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Spannungssteuerabschnitt eingerichtet ist, die Spannungsanhebsteuerung durchzuführen, und die zweite Spannung zwischen 0,46V und 0,7V ist.
Abgasreinigungssystem eines Verbrennungsmotors nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiterhin mit einer Ansaugluftmengenerfassungsvorrichtung, welche eine Ansaugluftmenge erfasst, oder einem Ansaugluftmengenabschätzabschnitt, welcher eingerichtet ist, die Ansaugluftmenge abzuschätzen, wobei der Spannungssteuerabschnitt eingerichtet ist, die Spannungsabsenksteuerung durchzuführen und die erste Spannung umso mehr abzusenken, je größer die Ansaugluftmenge ist.
Abgasreinigungssystem eines Verbrennungsmotors nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiterhin mit einem Katalysatorbeurteilungsabschnitt, welcher eingerichtet ist, einen Verschlechterungsgrad des Katalysators zu beurteilen, wobei der Spannungssteuerabschnitt eingerichtet ist, die Spannungsabsenksteuerung durchzuführen und die erste Spannung umso mehr abzusenken, je größer der Verschlechterungsgrad des Katalysators ist.
Abgasreinigungssystem eines Verbrennungsmotors nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiterhin mit einer Ansaugluftmengenerfassungsvorrichtung, welche eine Ansaugluftmenge erfasst, oder einem Ansaugluftmengenabschätzabschnitt, welcher eingerichtet ist, die Ansaugluftmenge abzuschätzen, wobei der Spannungssteuerabschnitt eingerichtet ist, die Spannungsanhebsteuerung durchzuführen und die zweite Spannung umso mehr anzuheben, je größer die Ansaugluftmenge ist.
Abgasreinigungssystem eines Verbrennungsmotors nach einem der Ansprüche 1 bis 7, weiterhin mit einem Katalysatorbeurteilungsabschnitt, welcher eingerichtet ist, einen Verschlechterungsgrad des Katalysators zu beurteilen, wobei der Spannungssteuerabschnitt eingerichtet ist, die Spannungsanhebsteuerung durchzuführen und die zweite Spannung umso mehr anzuheben, je größer der Verschlechterungsgrad des Katalysators ist.