DE102020129745A1

DE102020129745A1 - Katalysatorverschlechterungs-Erfassungssystem

Info

Publication number: DE102020129745A1
Application number: DE102020129745.9A
Authority: DE
Inventors: Kenji Furui; Go Hayashita; Yoichi Kadota
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-12-25
Filing date: 2020-11-11
Publication date: 2021-07-01
Also published as: CN113027579B; CN113027579A; JP2021102943A; JP7136075B2; US20210199040A1; US11434806B2

Abstract

Das Katalysatorverschlechterungs-Erfassungssystem 1 weist eine Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsvorrichtung 41, welche ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines aus dem Katalysator 20 ausströmenden Abgases erfasst, einen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsteil 71 und einen Verschlechterungsbeurteilungsteil 72 auf. Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsteil ist derart konfiguriert, dass dieser eine Mager-Steuerung, die das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases magerer als ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis macht, und eine Fett-Steuerung, die das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases fetter als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis macht, durchführt. Der Verschlechterungsbeurteilungsteil ist derart konfiguriert, dass dieser eine Amplitude eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines aus dem Katalysator ausströmenden Abgases aufgrund der Mager-Steuerung und der Fett-Steuerung auf der Grundlage eines Ausgangs der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsvorrichtung berechnet und beurteilt, dass sich der Katalysator verschlechtert, falls die Amplitude gleich oder größer als ein Schwellenwert ist.

Description

Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Katalysatorverschlechterungs-Erfassungssystem.
Hintergrund
Im Allgemeinen ist ein Abgasdurchlass einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Katalysator versehen, welcher ein von der Verbrennungskraftmaschine abgegebenes Abgas reinigt. In einem Katalysator, der in der Lage ist, Sauerstoff zu speichern, wird Sauerstoff gespeichert und freigegeben, um dadurch eine Katalysatoratmosphäre in der Nähe eines stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses aufrechtzuerhalten und ein Absinken der Reinigungsleistung zu verhindern, wenn ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases vom stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis abweicht.
Ein Katalysator verschlechtert sich jedoch durch langfristige Nutzung usw. Als typische Art der Verschlechterung eines Katalysators ist ein Abfall einer Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators bekannt. Sinkt die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators, sinkt die Reinigungsleistung des Katalysators bei schwankendem Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases. Um eine Verschlechterung der Abgasemission aufgrund einer Verschlechterung des Katalysators zu verhindern, ist es aus diesem Grund wünschenswert, eine Verschlechterung des Katalysators erfassen zu können.
Bei einer Anomaliediagnosevorrichtung einer Verbrennungskraftmaschine, die in PTL 1 beschrieben ist, wird eine maximale Sauerstoffspeichermenge des Katalysators berechnet und ein Verschlechterungsgrad des Katalysators wird auf der Grundlage der berechneten maximalen Sauerstoffspeichermenge beurteilt. Insbesondere dann, wenn die maximale Sauerstoffspeichermenge, welche die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators zeigt, kleiner als eine untere Grenz-Speichermenge ist, wird beurteilt, dass sich der Katalysator verschlechtert.
In dieser Hinsicht wurden in den letzten Jahren Katalysatoren entwickelt, die den Ko-Katalysator eines Katalysators in einer tatsächlichen Nutzungsumgebung vor einer Verschlechterung bewahren, um dadurch in der Lage zu sein, die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators vor einem Absinken zu bewahren. Bei einem solchen Katalysator kann ein Verschlechterungsmodus auftreten, bei dem sich das Edelmetall des Katalysators in dem Zustand verschlechtert, in dem die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators erhalten bleibt. Bei einer Beurteilung einer Verschlechterung auf der Grundlage der vorstehend erwähnten maximalen Sauerstoffspeichermenge kann eine Verschlechterung des Edelmetalls des Katalysators jedoch nicht erfasst werden.
Im Gegensatz dazu wird bei der Katalysatorverschlechterungs-Beurteilungsvorrichtung gemäß PTL 2 das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Katalysator strömenden Abgases fetter als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis gehalten, nachdem die Sauerstoffspeichermenge des Katalysators null erreicht. Zu dieser Zeit wird die Verschlechterung des Edelmetalls des Katalysators auf der Grundlage der Sauerstoffkonzentration in dem aus dem Katalysator ausströmenden Abgas beurteilt.
Zitierungslist
Patentliteratur

[PTL 1] Japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung mit der Nr. 2015-086861
[PTL 2] Japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung mit der Nr. 2012-197676

Kurzfassung
Technisches Problem
Bei dem Verfahren zur Beurteilung einer Verschlechterung gemäß PTL 2 strömt jedoch auch nach Erreichen der Sauerstoffspeichermenge des Katalysators von null weiterhin Abgas in den Katalysator, welches fetter als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist. Aus diesem Grund strömen unabhängig von irgendeiner Verschlechterung des Katalysators große Mengen an HC und CO aus dem Katalysator aus, und die Abgasemission verschlechtert sich. Außerdem wird bei dem Verfahren zur Beurteilung einer Verschlechterung gemäß PTL 2 die Reinigungsleistung des Katalysators für Abgas, das magerer als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, nicht beurteilt, so dass ein mit der Verschlechterung des Edelmetalls einhergehender Abfall der Reduktionsfähigkeit des Katalysators nicht erfasst werden kann.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt daher in der Bereitstellung eines Katalysatorverschlechterungs-Erfassungssystems, welches in der Lage ist, eine Verschlechterung der Abgasemission zu verhindern, während eine Verschlechterung des Edelmetalls des Katalysators erfasst wird.
Lösung des Problems
Die Kurzfassung der vorliegenden Offenbarung lautet wie folgt.

(1) Ein Katalysatorverschlechterungs-Erfassungssystem, welches in einem Abgasdurchlass einer Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist und eine Verschlechterung eines Katalysators erfasst, der Sauerstoff speichern kann, aufweisend: eine Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsvorrichtung, welche auf einer stromabwärtigen Seite des Katalysators angeordnet ist und ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines aus dem Katalysator ausströmenden Abgases erfasst; einen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsteil, welcher derart konfiguriert ist, dass dieser ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines einströmenden Abgases steuert, das in den Katalysator strömt; und einen Verschlechterungsbeurteilungsteil, welcher derart konfiguriert ist, dass dieser eine Verschlechterung des Katalysators beurteilt, wobei der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsteil derart konfiguriert ist, dass dieser eine Mager-Steuerung, die das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases magerer als ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis macht, und eine Fett-Steuerung, die das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases fetter als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis macht, durchführt, und der Verschlechterungsbeurteilungsteil derart konfiguriert ist, dass dieser eine Amplitude eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines aus dem Katalysator ausströmenden Abgases aufgrund der Mager-Steuerung und der Fett-Steuerung auf der Grundlage eines Ausgangs der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsvorrichtung berechnet und beurteilt, dass sich der Katalysator verschlechtert, falls die Amplitude gleich oder größer als ein Schwellenwert ist.
(2) Das vorstehend in (1) beschriebene Katalysatorverschlechterungs-Erfassungssystem, wobei der Verschlechterungsbeurteilungsteil derart konfiguriert ist, dass dieser beurteilt, dass eine Oxidationsfähigkeit des Katalysators abnimmt, falls die Amplitude gleich oder größer als der Schwellenwert ist und eine Mitte der Amplitude kleiner als ein erster Beurteilungswert ist, und der erste Beurteilungswert einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis entspricht, welches gleich oder kleiner als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist.
(3) Das vorstehend in (1) oder (2) beschriebene Katalysatorverschlechterungs-Erfassungssystem, wobei der Verschlechterungsbeurteilungsteil derart konfiguriert ist, dass dieser beurteilt, dass eine Reduktionsfähigkeit des Katalysators abnimmt, falls die Amplitude gleich oder größer als der Schwellenwert ist und eine Mitte der Amplitude größer als ein zweiter Beurteilungswert ist, und der zweite Beurteilungswert einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis entspricht, welches gleich oder größer als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist.
(4) Das vorstehend in (1) oder (2) beschriebene Katalysatorverschlechterungs-Erfassungssystem, wobei der Verschlechterungsbeurteilungsteil derart konfiguriert ist, dass dieser beurteilt, dass eine Oxidationsfähigkeit des Katalysators abnimmt, falls die Amplitude gleich oder größer als der Schwellenwert ist und eine Mitte der Amplitude kleiner als ein erster Beurteilungswert ist, beurteilt, dass eine Reduktionsfähigkeit des Katalysators abnimmt, falls die Amplitude gleich oder größer als der Schwellenwert ist und die Mitte der Amplitude größer als ein zweiter Beurteilungswert ist, und beurteilt, dass eine Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators abnimmt, falls die Amplitude gleich oder größer als der Schwellenwert ist und die Mitte der Amplitude gleich oder größer als der erste Beurteilungswert und gleich oder kleiner als der zweite Beurteilungswert ist, wobei der erste Beurteilungswert einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis entspricht, welches gleich oder kleiner als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, und der zweite Beurteilungswert einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis entspricht, welches gleich oder größer als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist.
(5) Das vorstehend in einem aus (1) bis (4) beschriebene Katalysatorverschlechterungs-Erfassungssystem, wobei der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsteil derart konfiguriert ist, dass dieser einen Änderungsbetrag einer Sauerstoffspeichermenge des Katalysators berechnet, die Mager-Steuerung beendet, wenn der Änderungsbetrag einen ersten Wechselreferenzwert in der Mager-Steuerung erreicht, und die Fett-Steuerung beendet, wenn der Änderungsbetrag einen zweiten Wechselreferenzwert in der Fett-Steuerung erreicht.

Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Katalysatorverschlechterungs-Erfassungssystem vorgesehen, welches in der Lage ist, eine Verschlechterung der Abgasemission zu verhindern, während eine Verschlechterung des Edelmetalls des Katalysators erfasst wird.
Figurenliste

1 ist eine Ansicht, welche eine Verbrennungskraftmaschine schematisch zeigt, bei der ein Katalysatorverschlechterungs-Erfassungssystem gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist.
2 zeigt Reinigungscharakteristika eines Dreiwegekatalysators.
3 ist ein Blockdiagramm, welches eine Konfiguration eines Katalysatorverschlechterungs-Erfassungssystems gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch zeigt.
4 ist ein Zeitdiagramm eines Ausgangs-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors, wenn ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis von einströmendem Abgas geändert wird.
5 ist ein Flussdiagramm, welches eine Steuerroutine einer Verarbeitung zur Beurteilung einer Katalysatorverschlechterung in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
6 ist ein Flussdiagramm, welches eine Steuerroutine einer Verarbeitung zur Beurteilung einer Katalysatorverschlechterung in einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
7 ist ein Flussdiagramm, welches eine Steuerroutine einer Mager-Steuerung in einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
8 ist ein Flussdiagramm, welches eine Steuerroutine einer Fett-Steuerung in der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

Beschreibung von Ausführungsformen
Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Abbildungen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail erläutert. Zu beachten ist, dass in der folgenden Erläuterung ähnlichen Komponenten die gleichen Bezugszeichen zugeordnet sind.
<Erste Ausführungsform>
Zunächst wird unter Bezugnahme auf 1 bis 5 eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert.
<Erläuterung der Verbrennungskraftmaschine insgesamt>
1 ist eine Ansicht, welche eine Verbrennungskraftmaschine, die mit einem Katalysatorverschlechterungs-Erfassungssystem gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung versehen ist, schematisch zeigt. Die in 1 gezeigte Verbrennungskraftmaschine entspricht einer Verbrennungskraftmaschine vom Fremdzündungstyp. Die Verbrennungskraftmaschine ist in einem Fahrzeug montiert.
Unter Bezugnahme auf 1 bezeichnet 2 einen Zylinderblock, 3 einen Kolben, der sich innerhalb des Zylinderblocks 2 hin und her bewegt, 4 einen Zylinderkopf, der am Zylinderblock 2 befestigt ist, 5 eine Brennkammer, die zwischen dem Kolben 3 und dem Zylinderkopf 4 ausgebildet ist, 6 ein Einlassventil, 7 einen Einlasskanal, 8 ein Auslassventil und 9 einen Auslasskanal. Das Einlassventil 6 öffnet und schließt den Einlasskanal 7, während das Auslassventil 8 den Auslasskanal 9 öffnet und schließt.
Wie in 1 gezeigt, ist beim mittleren Teil der Innenwandoberfläche des Zylinderkopfs 4 eine Zündkerze 10 angeordnet. Um die Innenwandoberfläche des Zylinderkopfes 4 herum ist ein Kraftstoffinjektor 11 angeordnet. Die Zündkerze 10 ist derart konfiguriert, dass diese gemäß einem Zündsignal die Erzeugung eines Funkens bewirkt. Darüber hinaus spritzt der Kraftstoffinjektor 11 gemäß einem Einspritzsignal eine vorbestimmte Menge an Kraftstoff in die Brennkammer 5 ein. In der vorliegenden Ausführungsform wird als der Kraftstoff Ottokraftstoff bzw. Benzin mit einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis von 14,6 verwendet.
Der Ansaugkanal 7 in jedem Zylinder ist über einen entsprechenden Ansaugströmungskanal 13 mit einem Ausgleichsbehälter 14 verbunden. Der Ausgleichsbehälter 14 ist über ein Ansaugrohr 15 mit einem Luftfilter 16 verbunden. Der Ansaugkanal 7, der Ansaugströmungskanal 13, der Ausgleichsbehälter 14, das Ansaugrohr 15 usw. bilden einen Ansaugdurchlass, welcher Luft zur Brennkammer 5 führt. Ferner ist innerhalb des Ansaugrohrs 15 ein Drosselventil bzw. eine Drosselklappe 18 angeordnet, die von einem Drosselklappenantriebsstellglied 17 angetrieben wird. Die Drosselklappe 18 kann durch das Drosselklappenantriebsstellglied 17 gedreht werden, um dadurch die Öffnungsfläche des Ansaugdurchlasses zu verändern.
Andererseits ist der Auslasskanal 9 in jedem Zylinder mit einem Auslasskrümmer 19 verbunden. Der Auslasskrümmer 19 besitzt eine Mehrzahl von Strömungskanälen, die mit den Auslasskanälen 9 verbunden sind, und einen Sammler, an dem diese Strömungskanäle gesammelt sind. Der Sammler des Auslasskrümmers 19 ist mit einem stromaufwärtsseitigen Gehäuse 21 verbunden, das einen eingebauten stromaufwärtsseitigen Katalysator 20 besitzt. Das stromaufwärtsseitige Gehäuse 21 ist über ein Abgasrohr 22 mit einem stromabwärtsseitigen Gehäuse 24 verbunden, das einen eingebauten stromabwärtsseitigen Katalysator 23 besitzt. Der Auslasskanal 9, der Auslasskrümmer 19, das stromaufwärtsseitige Gehäuse 21, das Abgasrohr 22, das stromabwärtsseitige Gehäuse 24 usw. bilden einen Auslass- bzw. Abgasdurchlass, der das bei der Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemisches in der Brennkammer 5 entstehende Abgas abführt.
Verschiedene Steuerroutinen der Verbrennungskraftmaschine werden von einer elektronischen Steuerungseinheit (ECU) 31 durchgeführt. Das heißt, die ECU 31 fungiert als eine Steuerungsvorrichtung der Verbrennungskraftmaschine. Ausgänge verschiedener Sensoren, die bei der Verbrennungskraftmaschine vorgesehen sind, werden in die ECU 31 eingegeben, und die ECU 31 steuert verschiedene Stellglieder auf der Grundlage der Ausgänge der Sensoren usw.
Die ECU 31 ist aus einem digitalen Computer aufgebaut, der mit Komponenten versehen ist, die über einen bidirektionalen Bus 32 miteinander verbunden sind, wie beispielsweise ein RAM (Direktzugriffsspeicher) 33, ein ROM (Nurlesespeicher) 34, eine CPU (Mikroprozessor) 35, ein Eingangsanschluss bzw. Eingangsport 36 und ein Ausgangsport 37. Zu beachten ist, dass in der vorliegenden Ausführungsform eine einzelne ECU 31 vorgesehen ist, aber für jede Funktion eine Mehrzahl von ECUs vorgesehen sein können.
Im Ansaugrohr 15 ist ein Luftströmungsmesser 39 angeordnet, welcher die Strömungsrate der Luft erfasst, die durch das Ansaugrohr 15 strömt. Der Ausgang des Luftströmungsmessers 39 wird über einen entsprechenden AD-Wandler 38 bei dem Eingangsport 36 eingegeben.
Ferner ist in einem Sammler des Auslasskrümmers 19, das heißt, auf der stromaufwärtigen Seite in der Strömungsrichtung des Abgases des stromaufwärtsseitigen Katalysators 20, ein stromaufwärtsseitiger Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 40 zum Erfassen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des durch das Innere des Auslasskrümmers 19 strömenden Abgases (das heißt, des in den stromaufwärtsseitigen Katalysator 20 strömenden Abgases) angeordnet. Der Ausgang des stromaufwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 40 (Ausgangsstrom) wird proportional zum Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases größer, und der stromaufwärtsseitige Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 40 kann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases kontinuierlich (linear) erfassen. Der Ausgang des stromaufwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 40 wird über einen entsprechenden AD-Wandler 38 bei einem Eingangsport 36 eingegeben.
Ferner ist innerhalb des Abgasrohrs 22, das heißt, auf der stromabwärtigen Seite in der Strömungsrichtung des Abgases des stromaufwärtsseitigen Katalysators 20, ein stromabwärtsseitiger Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 zur Erfassung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des durch das Innere des Abgasrohrs 22 strömenden Abgases (das heißt, des aus dem stromaufwärtsseitigen Katalysator 20 ausströmenden Abgases) angeordnet. Der Ausgang des stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 (Ausgangsstrom) wird proportional zum Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases größer, und der stromabwärtsseitige Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 kann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases kontinuierlich (linear) erfassen. Der Ausgang des stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 wird über einen entsprechenden AD-Wandler 38 bei dem Eingangsport 36 eingegeben.
Ferner ist ein Lastsensor 43, welcher eine Ausgangsspannung proportional zu einem Niederdrückbetrag eines Gaspedals 42 erzeugt, mit dem Gaspedal 42 verbunden, das in dem Fahrzeug vorgesehen ist, in dem die Verbrennungskraftmaschine montiert ist. Die Ausgangsspannung des Lastsensors 43 wird über einen entsprechenden AD-Wandler 38 bei dem Eingangsport 36 eingegeben. Die ECU 31 berechnet die Maschinenlast auf der Grundlage des Ausgangs des Lastsensors 43.
Ferner ist ein Kurbelwinkelsensor 44, der jedes Mal, wenn sich eine Kurbelwelle um einen vorbestimmten Winkel (beispielsweise 10°) dreht, einen Ausgangsimpuls erzeugt, mit dem Eingangsport 36 verbunden. Dieser Ausgangsimpuls wird bei dem Eingangsport 36 eingegeben. Die ECU 31 berechnet die Maschinendrehzahl auf der Grundlage des Ausgangs des Kurbelwinkelsensors 44.
Andererseits ist der Ausgangsport 37 über eine entsprechende Ansteuerschaltung 39 mit verschiedenen Stellgliedern der Verbrennungskraftmaschine verbunden. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Ausgangsport 37 mit Zündkerzen 10, Kraftstoffinjektoren 11 und einem Drosselklappenantriebsstellglied 17 verbunden, und die ECU 31 steuert diese. Insbesondere steuert die ECU 31 die Zündzeitpunkte der Zündkerzen 10, die Einspritzzeitpunkte und Einspritzmengen der Kraftstoffinjektoren sowie den Öffnungsgrad der Drosselklappe 18.
Zu beachten ist, dass es sich bei der vorstehend erwähnten Verbrennungskraftmaschine um eine nicht aufgeladene, mit Benzin betriebene Verbrennungskraftmaschine handelt, die Konfiguration der Verbrennungskraftmaschine jedoch nicht auf die vorstehende Konfiguration beschränkt ist. Daher können sich die Zylinderanordnung, der Kraftstoffeinspritzmodus, die Konfiguration des Einlass- und Auslasssystems, die Konfiguration des Ventilbetätigungsmechanismus, das Vorhandensein irgendeines Laders und andere spezifische Konfigurationen der Verbrennungskraftmaschine von der in 1 gezeigten Konfiguration unterscheiden. Beispielsweise können die Kraftstoffinjektoren 11 so angeordnet sein, dass diese Kraftstoff in das Innere der Einlasskanäle 7 einspritzen.
<Erläuterung des Katalysators>
Der stromaufwärtsseitige Katalysator 20 und der stromabwärtsseitige Katalysator 23, die im Abgasdurchlass angeordnet sind, besitzen ähnliche Konfigurationen. Aus diesem Grund wird im Folgenden der stromaufwärtsseitige Katalysator 20 (nachstehend einfach als der „Katalysator 20“ bezeichnet) erläutert. Der Katalysator 20 kann Sauerstoff speichern und ist beispielsweise ein Dreiwegekatalysator, der in der Lage ist, gleichzeitig Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxide (NOx) zu entfernen. Der Katalysator 20 besitzt eine Basis (Träger), die aus einer Keramik, einem Metall usw. aufgebaut ist, und ein Edelmetall mit einer katalytischen Wirkung (beispielsweise Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh) usw.) und einen Ko-Katalysator mit einer Sauerstoffspeicherfähigkeit (beispielsweise Ceroxid (CeO₂) usw.). Das Edelmetall und der Ko-Katalysator sind auf der Basis getragen.
2 zeigt Reinigungscharakteristika eines Dreiwegekatalysators. Wie in 2 gezeigt ist, werden die Reinigungsraten von HC, CO und NOx durch den Katalysator 20 extrem hoch, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Katalysator 20 einströmenden Abgases in dem Bereich in der Nähe des stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses liegt (Reinigungsfenster A in 2). Daher kann der Katalysator 20 HC, CO und NOx wirksam entfernen, falls das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases auf dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis gehalten wird.
Darüber hinaus speichert der Katalysator 20 Sauerstoff gemäß dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases durch den Ko-Katalysator oder gibt diesen frei. Insbesondere speichert der Katalysator 20 überschüssigen Sauerstoff im Abgas, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases magerer ist als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Andererseits gibt der Katalysator 20 die Menge an zusätzlichem Sauerstoff frei, die erforderlich ist, um HC und CO zu oxidieren, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases fetter ist als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Infolgedessen wird selbst dann, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases etwas vom stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis abweicht, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf der Oberfläche des Katalysators 20 in der Nähe des stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses gehalten, und HC, CO und NOx werden beim Katalysator 20 wirksam entfernt.
Falls der Katalysator durch Abgas einer Umgebung mit hohen Temperaturen ausgesetzt ist, verschlechtert sich der Katalysator im Allgemeinen zunehmend. Die Verschlechterung des Katalysators umfasst die Verschlechterung des Edelmetalls des Katalysators und die Verschlechterung des Ko-Katalysators des Katalysators. Die Verschlechterung des Edelmetalls wird durch Aggregation des Edelmetalls usw. verursacht und führt zu einer Abnahme der aktiven Punkte des Katalysators. Falls sich das Edelmetall, welches hauptsächlich als die aktiven Oxidationspunkte (Pt, Pd usw.) dient, verschlechtert, nimmt die Oxidationsfähigkeit des Katalysators ab, wohingegen, falls sich das Edelmetall, welches hauptsächlich als die aktiven Reduktionspunkte (Rh usw.) dient, verschlechtert, die Reduktionsfähigkeit des Katalysators abnimmt. Eine Verschlechterung des Ko-Katalysators tritt durch Aggregation des Ko-Katalysators usw. auf. Falls sich der Ko-Katalysator verschlechtert, nimmt die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators ab und die maximale Sauerstoffspeichermenge, die im Katalysator gespeichert werden kann, nimmt ab.
In der vorliegenden Ausführungsform ist der Katalysator 20 derart konfiguriert, dass in der Nutzungsumgebung die Hitzebeständigkeit des Ko-Katalysators höher wird als die Hitzebeständigkeit des Edelmetalls. Beispielsweise ist der Katalysator 20 ein sogenannter „Basiskatalysator“, der aus der Basis und dem Ko-Katalysator aufgebaut ist, die im Herstellungsprozess gebrannt werden. Bei dem Basiskatalysator wird der Ko-Katalysator im Herstellungsprozess einer hohen Temperatur ausgesetzt und der Ko-Katalysator aggregiert. Aus diesem Grund wird der Ko-Katalysator in einer tatsächlichen Nutzungsumgebung vor zunehmender Aggregatbildung bzw. Agglomeration bewahrt, und es wird wiederum verhindert, dass die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators abnimmt. Es ist zu beachten, dass im Basiskatalysator die Menge des Ko-Katalysators erhöht ist und ein Material mit hoher Hitzebeständigkeit als der Ko-Katalysator usw. verwendet wird, um die Sauerstoffspeicherfähigkeit beim neuen Katalysator sicherzustellen.
<Katalysatorverschlechterungs-Erfassungssystem>
Falls sich der Katalysator 20 verschlechtert, sinkt die Reinigungsleistung des Katalysators 20 und die Abgasemission verschlechtert sich. Aus diesem Grund ist in der vorliegenden Ausführungsform bei der Verbrennungskraftmaschine ein Katalysatorverschlechterungs-Erfassungssystem vorgesehen, welches eine Verschlechterung des Katalysators 20 erfasst.
3 ist ein Blockdiagramm, welches die Konfiguration des Katalysatorverschlechterungs-Erfassungssystems 1 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch zeigt. Das Katalysatorverschlechterungs-Erfassungssystem 1 ist mit einem stromaufwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 40, einem stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41, einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsteil 71 und einem Verschlechterungsbeurteilungsteil 72 versehen. Der stromabwärtsseitige Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 entspricht einem Beispiel einer Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsvorrichtung. In der vorliegenden Ausführungsform dient die ECU 31 als der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsteil 71 und der Verschlechterungsbeurteilungsteil 72.
Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsteil 71 steuert das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Katalysator 20 strömenden Abgases (im Folgenden als das „einströmendes Abgas“ bezeichnet). Insbesondere legt der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsteil 71 das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases fest und steuert die Kraftstoffeinspritzmenge des Kraftstoffinjektors 11, so dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases mit dem Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis übereinstimmt. Beispielsweise führt der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsteil 71 eine Feedback- bzw. Rückkopplungssteuerung der Kraftstoffeinspritzmenge eines Kraftstoffinjektors 11 durch, so dass das Ausgangs-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des stromaufwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 40 mit dem Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis übereinstimmt. Hier steht das Ausgangs-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors für ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis entsprechend dem Ausgangswert des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors, das heißt, das vom Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor erfasste Luft-Kraftstoff-Verhältnis.
Zu beachten ist, dass der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsteil 71 die Kraftstoffeinspritzmenge des Kraftstoffinjektors 11 so steuern kann, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases mit dem Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis übereinstimmt, ohne den stromaufwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 40 zu verwenden. In diesem Fall führt der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsteil 71 die Kraftstoffmenge, die aus der vom Luftströmungsmesser 39 erfassten Ansaugluftmenge und dem Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis berechnet wird, vom Kraftstoffinjektor 11 zur Brennkammer 5, so dass das Verhältnis der Kraftstoffeinspritzmenge des Kraftstoffinjektors 11 und der Luft mit dem Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis übereinstimmt. Daher kann der stromaufwärtsseitige Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 40 vom Katalysatorverschlechterungs-Erfassungssystem weggelassen werden.
4 ist ein Zeitdiagramm des Ausgangs-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41, wenn veranlasst wird, dass sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases verändert. 4 zeigt vier Beispiele für das Ausgangs-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 entsprechend Verschlechterungszuständen des Katalysators 20.
In dem Beispiel von 4 wird das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases abwechselnd zwischen einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis, das fetter als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, und einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis, das magerer als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, umgeschaltet bzw. gewechselt. Zunächst wird unter Bezugnahme auf den zweiten Graphen ausgehend von der Oberseite in 4 der Fall erläutert, in dem der Katalysator 20 normal ist, das heißt, der Fall, in dem sich der Katalysator 20 nicht verschlechtert hat.
Zu der Zeit t0 ist das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases auf ein fett eingestelltes Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingestellt, das fetter als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist. Zu dieser Zeit wird die Sauerstoffspeichermenge des Katalysators 20 zu einem geeigneten Wert und die Atmosphäre des Katalysators 20 wird durch die Freisetzung von Sauerstoff an das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis angenähert. Infolgedessen werden die im Abgas enthaltenen HC, CO usw. im Katalysator 20 entfernt, und das Ausgangs-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 wird auf dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis (14.6) gehalten.
Nach der Zeit t0 wird das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases auf dem fett eingestellten Luft-Kraftstoff-Verhältnis gehalten, und die Sauerstoffspeichermenge des Katalysators 20 nimmt allmählich ab. Falls die Sauerstoffspeichermenge des Katalysators 20 auf nahe null sinkt, wird der Katalysator 20 zu einer reduzierenden Atmosphäre, und die Reinigungsleistung des Katalysators 20 nimmt ab. Infolgedessen beginnen HC und CO aus dem Katalysator 20 herauszuströmen, und das Ausgangs-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 ändert sich auf einen Wert, der fetter als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist.
In dem Beispiel von 4 wird zu der Zeit 11, wenn die Sauerstoffspeichermenge des Katalysators 20 im Wesentlichen null erreicht, das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases von dem fett eingestellten Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf ein mager eingestelltes Luft-Kraftstoff-Verhältnis, welches magerer als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, umgeschaltet. In diesem Fall strömen geringe Mengen an HC und CO aus dem Katalysator 20 aus, und der Fett-Grad des Ausgangs-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 wird nahe der Zeit t1 kleiner. Zu beachten ist, dass der „Fett-Grad“ für die Differenz zwischen einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis, welches fetter als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, und dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis steht.
Falls das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases von dem fett eingestellten Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf das mager eingestellte Luft-Kraftstoff-Verhältnis umgeschaltet wird, speichert der Katalysator 20 den überschüssigen Sauerstoff in dem Abgas. Infolgedessen wird veranlasst, dass sich die Atmosphäre des Katalysators 20 dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis anpasst, und das NOx im Abgas wird im Katalysator 20 entfernt. Daher nähert sich nach der Zeit t1 das Ausgangs-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis an.
Nach der Zeit t1 wird das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases auf dem mager eingestellten Luft-Kraftstoff-Verhältnis gehalten und die Sauerstoffspeichermenge des Katalysators 20 nimmt allmählich zu. Falls die Sauerstoffspeichermenge des Katalysators 20 bis in die Nähe der maximalen Sauerstoffspeichermenge ansteigt, wird der Katalysator 20 zu einer oxidierenden Atmosphäre, und die Reinigungsleistung des Katalysators 20 nimmt ab. Infolgedessen beginnt das NOx, welches beim Katalysator 20 nicht entfernt wurde, aus dem Katalysator 20 herauszuströmen, und das Ausgangs-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 ändert sich auf einen Wert, der magerer ist als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis.
In dem Beispiel von 4 wird, wenn zu der Zeit t2 die Sauerstoffspeichermenge des Katalysators 20 im Wesentlichen die maximale Sauerstoffspeichermenge erreicht, das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases von dem mager eingestellten Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf das fett eingestellte Luft-Kraftstoff-Verhältnis umgeschaltet. In diesem Fall strömt eine geringe Menge an NOx aus dem Katalysator 20 aus, und nahe der Zeit t2 wird der Mager-Grad des Ausgangs-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 kleiner. Zu beachten ist, dass der „Mager-Grad“ für die Differenz zwischen einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis, welches magerer als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, und dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis steht.
Falls das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases von dem mager eingestellten Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf das fett eingestellte Luft-Kraftstoff-Verhältnis umgeschaltet wird, setzt der Katalysator 20 fehlenden Sauerstoff frei, um HC und CO oxidieren zu lassen. Infolgedessen wird veranlasst, dass sich die Atmosphäre des Katalysators 20 dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis annähert, und die im Abgas enthaltenen HC und CO werden am Katalysator 20 entfernt. Daher nähert sich nach der Zeit t2 das Ausgangs-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis an.
Nach der Zeit t2 wird das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases auf dem fett eingestellten Luft-Kraftstoff-Verhältnis gehalten und die Sauerstoffspeichermenge des Katalysators 20 nimmt allmählich ab. Falls die Sauerstoffspeichermenge des Katalysators 20 bis nahe null abnimmt, ändert sich das Ausgangs-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 wieder auf einen Wert, der fetter als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist. Zu der Zeit t3 wird in der gleichen Art und Weise wie zu der Zeit t1 das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases von dem fett eingestellten Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf das mager eingestellte Luft-Kraftstoff-Verhältnis umgeschaltet.
Unter Bezugnahme auf den dritten Graphen ausgehend von der Oberseite in 4 wird als nächstes der Fall erläutert, in dem eine Verschlechterung des Ko-Katalysators des Katalysators 20 eine Abnahme der Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators 20 verursacht. Falls die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators 20 abnimmt, sinkt die maximale Sauerstoffspeichermenge, die im Katalysator 20 gespeichert werden kann. Aus diesem Grund erreicht die Sauerstoffspeichermenge des Katalysators 20 zu einem früheren Zeitpunkt als bei einem normalen Katalysator 20 null, wenn das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases auf das fett eingestellte Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingestellt wird. Folglich wird die Zeit des Ausströmens von HC und CO aus dem Katalysator 20 länger, und im Vergleich zu dem normalen Katalysator 20 wird der Fett-Grad des Ausgangs-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 nahe der Zeit t1 und nahe der Zeit t3 größer.
Wenn andererseits das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases auf das mager eingestellte Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingestellt wird, erreicht die Sauerstoffspeichermenge des Katalysators 20 die maximale Sauerstoffspeichermenge zu einem früheren Zeitpunkt als der normale Katalysator 20. Infolgedessen wird die Zeit des Ausströmens von NOx aus dem Katalysator 20 länger, und im Vergleich zu dem normalen Katalysator 20 wird der Mager-Grad des Ausgangs-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 nahe der Zeit t2 größer.
Falls die vorstehend erwähnte Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung durchgeführt wird, wird daher die Amplitude des Ausgangs-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41, die erfasst wird, wenn die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators 20 abnimmt (A1 in 4), größer als die Amplitude des Ausgangs-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41, die erfasst wird, wenn sich der Katalysator 20 nicht verschlechtert hat (An in 4).
Unter Bezugnahme auf den zweiten Graphen ausgehend von der Unterseite in 4 wird als nächstes der Fall erläutert, in dem die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators 20 erhalten bleibt, eine Verschlechterung des Edelmetalls des Katalysators 20 jedoch dazu führt, dass die Oxidationsfähigkeit des Katalysators 20 abnimmt. Ein solcher Verschlechterungsmodus tritt bei dem Katalysator 20 auf, welcher derart konfiguriert ist, dass die Hitzebeständigkeit des Ko-Katalysators höher wird als die Hitzebeständigkeit des Edelmetalls.
Falls die Oxidationsfähigkeit des Katalysators 20 abnimmt, sinkt die Reinigungsleistung von HC und CO im Abgas. Aus diesem Grund strömen, wenn das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases auf das fett eingestellte Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingestellt wird, selbst wenn durch die Freisetzung von Sauerstoff veranlasst wird, dass sich die Atmosphäre des Katalysators 20 dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis annähert, geringe Mengen an HC und CO aus dem Katalysator 20 aus. Infolgedessen sinkt nach der Zeit t0 das Ausgangs-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 allmählich ab, und der Fett-Grad des Ausgangs-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 wird allmählich größer.
Andererseits nimmt die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators 20 nicht ab, so dass, wenn das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases auf das fett eingestellte Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingestellt wird, die Sauerstoffspeichermenge des Katalysators 20 im Wesentlichen zum gleichen Zeitpunkt wie bei einem normalen Katalysator 20 null erreicht. Falls die Sauerstoffspeichermenge des Katalysators 20 auf nahe null sinkt, wird der Katalysator 20 zu einer reduzierenden Atmosphäre, und die Reinigungsleistung des Katalysators 20 nimmt ab. Zu dieser Zeit nimmt die Oxidationsfähigkeit des Katalysators 20 ab, und daher werden die Mengen an HC und CO, die aus dem Katalysator 20 ausströmen, im Vergleich zum normalen Katalysator 20 größer. Daher wird der Fett-Grad des Ausgangs-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 in der Nähe der Zeit t1 im Vergleich zum normalen Katalysator 20 größer.
Falls zu der Zeit t1 das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases von dem fett eingestellten Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf das mager eingestellte Luft-Kraftstoff-Verhältnis umgeschaltet wird, wird veranlasst, dass sich die Atmosphäre des Katalysators 20 dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis annähert, und das NOx im Abgas wird durch die Reduktionsfähigkeit des Katalysators 20 entfernt. Daher nähert sich nach der Zeit t1 das Ausgangs-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis an.
Falls nach der Zeit t1 die Sauerstoffspeichermenge des Katalysators 20 bis nahe an die maximale Sauerstoffspeichermenge ansteigt, wird der Katalysator 20 zu einer oxidierenden Atmosphäre, und die Reinigungsleistung des Katalysators 20 nimmt ab. Infolgedessen beginnt das am Katalysator 20 nicht entfernte NOx aus dem Katalysator 20 herauszuströmen, und das Ausgangs-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 ändert sich auf einen Wert, der magerer als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist. Zu dieser Zeit nimmt die Reduktionsfähigkeit des Katalysators 20 nicht ab, und daher wird der Mager-Grad des Ausgangs-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 nahe der Zeit t2 ähnlich wie beim normalen Katalysator 20.
Falls zu der Zeit t2 das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases vom mager eingestellten Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf das fett eingestellte Luft-Kraftstoff-Verhältnis umgeschaltet wird, setzt der Katalysator 20 fehlenden Sauerstoff frei, um HC und CO oxidieren zu lassen. Die Oxidationsfähigkeit des Katalysators 20 nimmt jedoch ab, so dass geringe Mengen an HC und CO aus dem Katalysator 20 ausströmen. Infolgedessen fällt nach der Zeit t2 das Ausgangs-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 allmählich ab, und der Fett-Grad des Ausgangs-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 wird allmählich größer.
Nach der Zeit t2 wird das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases auf dem fett eingestellten Luft-Kraftstoff-Verhältnis gehalten, und die Sauerstoffspeichermenge des Katalysators 20 nimmt allmählich ab. Falls die Sauerstoffspeichermenge des Katalysators 20 bis nahe null abnimmt, wird der Katalysator 20 zu einer reduzierenden Atmosphäre, und die Reinigungsleistung des Katalysators 20 nimmt ab. Aus diesem Grund wird der Fett-Grad des Ausgangs-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 wieder größer.
Falls die vorstehend erwähnte Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung durchgeführt wird, wird daher die Amplitude des Ausgangs-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41, die erfasst wird, wenn die Oxidationsfähigkeit des Katalysators 20 abnimmt (A2 in 4), größer als die Amplitude des Ausgangs-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41, die erfasst wird, wenn sich der Katalysator 20 nicht verschlechtert (An in 4).
Abschließend wird unter Bezugnahme auf den untersten Graphen in 4 der Fall erläutert, in dem die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators 20 aufrechterhalten wird, eine Verschlechterung des Edelmetalls des Katalysators 20 jedoch eine Abnahme der Reduktionsfähigkeit des Katalysators 20 verursacht. Ein solcher Verschlechterungsmodus tritt bei einem Katalysator 20 auf, welcher derart konfiguriert ist, dass die Hitzebeständigkeit des Ko-Katalysators höher wird als die Hitzebeständigkeit des Edelmetalls.
Zu der Zeit t0 ist das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases auf ein fett eingestelltes Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingestellt, welches fetter als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist. Die Oxidationsfähigkeit des Katalysators 20 nimmt nicht ab, daher ändert sich von der Zeit t0 bis zu der Zeit t1 das Ausgangs-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff- Verhältnis-Sensors 41 in der gleichen Art und Weise wie der normale Katalysator 20.
Falls zu der Zeit t1 das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases von dem mager eingestellten Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf das fett eingestellte Luft-Kraftstoff-Verhältnis umgeschaltet wird, speichert der Katalysator 20 den überschüssigen Sauerstoff im Abgas und es wird veranlasst, dass sich die Atmosphäre des Katalysators 20 dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis annähert. Die Reduktionsfähigkeit des Katalysators 20 nimmt jedoch ab, weshalb eine geringe Menge an NOx aus dem Katalysator 20 ausströmt. Infolgedessen steigt nach der Zeit t1 das Ausgangs-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 allmählich an, und der Mager-Grad des Ausgangs-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 wird allmählich größer.
Andererseits nimmt die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators 20 nicht ab, so dass, wenn das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases auf das mager eingestellte Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingestellt wird, die Sauerstoffspeichermenge des Katalysators 20 die maximale Sauerstoffspeichermenge im Wesentlichen zum gleichen Zeitpunkt wie beim normalen Katalysator 20 erreicht. Falls die Sauerstoffspeichermenge des Katalysators 20 bis nahe an die maximale Sauerstoffspeichermenge ansteigt, wird der Katalysator 20 zu einer oxidierenden Atmosphäre, und die Reinigungsleistung des Katalysators 20 nimmt ab. Zu dieser Zeit nimmt die Reduktionsfähigkeit des Katalysators 20 ab, so dass die aus dem Katalysator 20 ausströmende Menge an NOx größer wird als diese bei dem normalen Katalysator 20. Daher wird der Mager-Grad des Ausgangs-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 in der Nähe der Zeit t2 im Vergleich zum normalen Katalysator 20 größer.
Falls zu der Zeit t2 das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases von dem mager eingestellten Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf das fett eingestellte Luft-Kraftstoff-Verhältnis umgeschaltet wird, wird veranlasst, dass sich die Atmosphäre des Katalysators 20 dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis annähert, und die Oxidationsfähigkeit des Katalysators 20 bewirkt, dass HC und CO im Abgas entfernt werden. Daher nähert sich nach der Zeit t2 das Ausgangs-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis an. Danach ändert sich das Ausgangs-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 bis in die Nähe der Zeit t3 auf die gleiche Art und Weise wie bei dem normalen Katalysator 20.
Falls die vorstehend erwähnte Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung durchgeführt wird, wird daher die Amplitude des Ausgangs-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41, die erfasst wird, wenn die Reduktionsfähigkeit des Katalysators 20 abnimmt (A3 in 4), größer als die Amplitude des Ausgangs-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41, die erfasst wird, wenn sich der Katalysator 20 nicht verschlechtert (An in 4).
Wie aus der vorstehenden Erläuterung klar hervorgeht, wird die Amplitude des Ausgangs-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41, die erfasst wird, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases so gesteuert wird, dass der Katalysator 20 in der Sauerstoffspeichermenge schwankt, größer, falls sich der Katalysator 20 verschlechtert, im Vergleich dazu, wenn sich der Katalysator 20 nicht verschlechtert. Daher ist es möglich, eine Verschlechterung des Katalysators 20 auf der Grundlage der Amplitude des Ausgangs-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 zu erfassen.
Daher werden in der vorliegenden Ausführungsform, um eine Verschlechterung des Katalysators 20 zu erfassen, der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsteil 71 und der Verschlechterungsbeurteilungsteil 72 verwendet, um die folgende Steuerung durchzuführen. Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsteil 71 führt eine Mager-Steuerung, welche das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases magerer als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis macht, und eine Fett-Steuerung, welche das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases fetter als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis macht, durch. Bei der Mager-Steuerung nimmt die Sauerstoffspeichermenge des Katalysators 20 zu, während bei der Fett-Steuerung die Sauerstoffspeichermenge des Katalysators 20 abnimmt.
Der Verschlechterungsbeurteilungsteil 72 beurteilt eine Verschlechterung des Katalysators 20 auf der Grundlage der Amplitude des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des aus dem Katalysator 20 ausströmenden Abgases aufgrund der Mager-Steuerung und der Fett-Steuerung. Mit anderen Worten, der Verschlechterungsbeurteilungsteil 72 beurteilt eine Verschlechterung des Katalysators 20 auf der Grundlage der Amplitude des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, welches vom stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 erfasst wird, falls die Mager-Steuerung und die Fett-Steuerung von dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsteil 71 durchgeführt werden. Insbesondere berechnet der Verschlechterungsbeurteilungsteil 72 die Amplitude des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des aus dem Katalysator 20 ausströmenden Abgases aufgrund der Mager-Steuerung und der Fett-Steuerung auf der Grundlage des Ausgangs des stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41, und beurteilt, dass sich der Katalysator 20 verschlechtert, falls diese Amplitude gleich oder größer als der Schwellenwert ist.
Gemäß dem vorstehenden Verfahren einer Verschlechterungsbeurteilung reicht es aus, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases so zu steuern, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des aus dem nicht verschlechterten Katalysator 20 ausströmenden Abgases geringfügig von dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis abweicht, um den Wert der Amplitude des Ausgangs-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 entsprechend dem Vorhandensein oder Nichtvorhandensein einer Verschlechterung des Katalysators 20 zu erhalten. Falls sich der Katalysator 20 nicht verschlechtert, verschlechtert sich die Abgasemission aus diesem Grund nicht wesentlich, selbst wenn eine Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung zur Beurteilung einer Verschlechterung des Katalysators 20 durchgeführt wird. Zu beachten ist, dass zu der Zeit einer Beurteilung einer Verschlechterung des Katalysators 20 die aus dem Katalysator 20 ausströmenden HC, CO und NOx durch den stromabwärtsseitigen Katalysator 23 entfernt werden können.
Darüber hinaus ist es gemäß dem vorstehenden Verfahren einer Verschlechterungsbeurteilung möglich, sowohl den Verschlechterungsmodus, bei dem die Verschlechterung des Edelmetalls des Katalysators 20 zu einer Abnahme der Oxidationsfähigkeit des Katalysators 20 führt, als auch den Verschlechterungsmodus, bei dem die Verschlechterung des Edelmetalls des Katalysators 20 zu einer Abnahme der Reduktionsfähigkeit des Katalysators 20 führt, zu erfassen. Daher kann das Katalysatorverschlechterungs-Erfassungssystem 1 eine Verschlechterung der Abgasemission verhindern, während eine Verschlechterung des Edelmetalls des Katalysators 20 erfasst wird.
<Verarbeitung zur Beurteilung einer Katalysatorverschlechterung>
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm von 5 eine Steuerung zur Verschlechterungsbeurteilung des stromaufwärtsseitigen Katalysators 20 in der vorliegenden Ausführungsform im Detail erläutert. 5 ist ein Flussdiagramm, welches die Steuerroutine der Verarbeitung zur Beurteilung einer Katalysatorverschlechterung in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die vorliegende Steuerroutine wird von der ECU 31 nach dem Start der Verbrennungskraftmaschine wiederholend durchgeführt.
Zunächst beurteilt der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsteil 71 in Schritt S101, ob die Bedingung zur Beurteilung einer Verschlechterung erfüllt ist. Die Bedingung zur Beurteilung einer Verschlechterung ist beispielsweise erfüllt, falls eine vorbestimmte Zeit nach dem Start der Verbrennungskraftmaschine verstrichen ist und nach dem Start der Verbrennungskraftmaschine eine Verschlechterung des Katalysators 20 noch nicht beurteilt worden ist. Es ist zu beachten, dass die Bedingung zur Beurteilung einer Verschlechterung umfassen kann, dass die Temperaturen des Katalysators 20 und des stromabwärtsseitigen Katalysators 23 gleich oder größer als eine vorbestimmte Aktivierungstemperatur sind, und dass die Temperaturen des stromaufwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 40 und des stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 gleich oder größer als die vorbestimmte Aktivierungstemperatur sind.
Falls in Schritt S101 beurteilt wird, dass die Bedingung zur Beurteilung einer Verschlechterung nicht erfüllt ist, endet die vorliegende Steuerroutine. Wird andererseits in Schritt S101 beurteilt, dass die Bedingung zur Beurteilung einer Verschlechterung erfüllt ist, fährt die vorliegende Routine mit Schritt S102 fort.
In Schritt S102 beurteilt der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsteil 71, ob ein Ausgangs-Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFdwn des stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 kleiner oder gleich einem als fett beurteilten Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFfett ist, welches fetter als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist. Das als fett beurteilte Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFfett wird im Voraus bestimmt und ist beispielsweise auf 14,55 eingestellt. Zu dieser Zeit wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases gemäß dem Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine gesteuert.
Falls in Schritt S102 beurteilt wird, dass das Ausgangs-Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFdwn des stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 magerer ist als das als fett beurteilte Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFfett, endet die vorliegende Steuerroutine. Wenn andererseits in Schritt S102 beurteilt wird, dass das Ausgangs-Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFdwn des stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 gleich oder kleiner als das als fett beurteilte Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFfett ist, fährt die vorliegende Routine mit Schritt S103 fort. Zu dieser Zeit wird davon ausgegangen, dass die Sauerstoffspeichermenge des Katalysators 20 gleich null ist.
In Schritt S103 führt der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsteil 71 eine Mager-Steuerung durch, die das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases magerer macht als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Insbesondere stellt der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsteil 71 das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases auf ein mager eingestelltes Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis ein, welches magerer als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, und steuert die Kraftstoffeinspritzmenge des Kraftstoffinjektors 11, so dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases mit dem Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis übereinstimmt. Das mager eingestellte Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird im Voraus bestimmt und ist beispielsweise auf 14,8 bis 16,6 eingestellt.
Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsteil 71 beendet die Mager-Steuerung, wenn die erste vorbestimmte Zeit in der Mager-Steuerung verstrichen ist. Das heißt, der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsteil 71 führt die Mager-Steuerung exakt für die erste vorbestimmte Zeit durch. Die erste vorbestimmte Zeit wird im Voraus bestimmt und ist beispielsweise so eingestellt, dass sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des aus dem Katalysator 20 ausströmenden Abgases aufgrund der Mager-Steuerung, wenn sich der Katalysator 20 nicht verschlechtert hat, von dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis geringfügig zur mageren Seite hin ändert. In diesem Fall wird die erste vorbestimmte Zeit beispielsweise unter Verwendung des Wertes der Ansaugluftmenge zu der Zeit eines stabilen Betriebs, des Wertes des mager eingestellten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses usw. eingestellt, so dass die während der Mager-Steuerung im Katalysator 20 gespeicherte Sauerstoffmenge zu der maximalen Sauerstoffspeichermenge des Katalysators 20 wird, wenn dieser noch nicht verwendet wurde (neuer Katalysator). Es ist zu beachten, dass die zweite vorbestimmte Zeit so eingestellt wird, dass die während der Mager-Steuerung im Katalysator 20 gespeicherte Sauerstoffmenge zu einem Wert wird, der geringfügig größer oder geringfügig kleiner als die maximale Sauerstoffspeichermenge des noch nicht verwendeten Katalysators 20 ist.
Als nächstes führt der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsteil 71 in Schritt S104 eine Fett-Steuerung durch, welche das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases fetter macht als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Insbesondere stellt der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsteil 71 das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases auf ein fett eingestelltes Luft-Kraftstoff-Verhältnis ein, welches fetter als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, und steuert die Kraftstoffeinspritzmenge eines Kraftstoffinjektors 11, so dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases mit dem Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis übereinstimmt. Daher wird das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases von dem mager eingestellten Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf das fett eingestellte Luft-Kraftstoff-Verhältnis umgeschaltet bzw. gewechselt. Das fett eingestellte Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird im Voraus bestimmt und ist beispielsweise auf 12,6 bis 14,4 eingestellt.
Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsteil 71 beendet die Fett-Steuerung, wenn die zweite vorbestimmte Zeit in der Fett-Steuerung verstrichen ist. Das heißt, der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsteil 71 führt die Fett-Steuerung exakt für die zweite vorbestimmte Zeit durch. Die zweite vorbestimmte Zeit wird im Voraus bestimmt und ist beispielsweise so eingestellt, dass, wenn sich der Katalysator 20 nicht verschlechtert hat, sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des aus dem Katalysator 20 ausströmenden Abgases aufgrund der Fett-Steuerung geringfügig von dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis zur fetten Seite hin ändert. In diesem Fall wird die zweite vorbestimmte Zeit beispielsweise unter Verwendung des Wertes der Ansaugluftmenge zu der Zeit eines stabilen Betriebs, des Wertes des fett eingestellten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses usw. eingestellt, so dass die während der Fett-Steuerung aus dem Katalysator 20 freigesetzte Sauerstoffmenge zu der maximalen Sauerstoffspeichermenge des noch nicht verwendeten Katalysators 20 (neuer Katalysator) wird. Es ist zu beachten, dass die zweite vorbestimmte Zeit so eingestellt sein kann, dass die während der Fett-Steuerung aus dem Katalysator 20 freigesetzte Sauerstoffmenge zu einem Wert wird, der geringfügig größer oder geringfügig kleiner als die maximale Sauerstoffspeichermenge des noch nicht verwendeten Katalysators 20 ist. Ferner kann die zweite vorbestimmte Zeit einem Wert entsprechen, der gleich diesem der ersten vorbestimmten Zeit ist. Nach dem Ende der Fett-Steuerung wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases gemäß dem Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine gesteuert.
Als nächstes berechnet der Verschlechterungsbeurteilungsteil 72 in Schritt S105 die Amplitude des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des aus dem Katalysator 20 ausströmenden Abgases aufgrund der Fett-Steuerung und der Mager-Steuerung auf der Grundlage des Ausgangs des stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41. Es ist zu beachten, dass die „Amplitude des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Abgases“ für die Differenz zwischen dem Maximalwert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Abgases und dem Minimalwert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Abgases steht.
Normalerweise tritt eine Verzögerung auf, bis das Abgas den stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 erreicht, so dass das vom stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 erfasste Luft-Kraftstoff-Verhältnis, wie in 4 gezeigt, unmittelbar nach dem Ende der Mager-Steuerung maximal wird und unmittelbar nach dem Ende der Fett-Steuerung minimal wird. Aus diesem Grund berechnet der Verschlechterungsbeurteilungsteil 72 die Amplitude beispielsweise als die Differenz zwischen dem Maximalwert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, welcher von dem stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 unmittelbar nach dem Ende der Mager-Steuerung erfasst wird, und dem Minimalwert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, welcher von dem stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 unmittelbar nach dem Ende der Fett-Steuerung erfasst wird.
Zu beachten ist, dass der Verschlechterungsbeurteilungsteil 72 die Amplitude als die Differenz zwischen dem vom stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 erfassten Luft-Kraftstoff-Verhältnis, wenn die Mager-Steuerung endet, und dem vom stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 erfassten Luft-Kraftstoff-Verhältnis, wenn die Fett-Steuerung endet, berechnen kann. Ferner kann der Verschlechterungsbeurteilungsteil 72 die Amplitude als die Differenz zwischen dem Maximalwert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, der vom stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 während der Mager-Steuerung erfasst wird, und dem Minimalwert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, der vom stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 während der Fett-Steuerung erfasst wird, berechnen.
Als nächstes beurteilt der Verschlechterungsbeurteilungsteil 72 in Schritt S106, ob die in Schritt S105 berechnete Amplitude gleich oder größer als ein Schwellenwert ist. Der Schwellenwert wird im Voraus bestimmt und durch Experimente usw. auf einen Wert eingestellt, der größer ist als die Amplitude, wenn sich der Katalysator 20 nicht verschlechtert hat.
Falls in Schritt S106 beurteilt wird, dass die Amplitude gleich oder größer als der Schwellenwert ist, fährt die vorliegende Routine mit Schritt S107 fort. In Schritt S107 beurteilt der Verschlechterungsbeurteilungsteil 72, dass sich der Katalysator 20 verschlechtert hat, und schaltet eine Warnleuchte an, die an dem Fahrzeug mit der Verbrennungskraftmaschine vorgesehen ist. Nach Schritt S107 endet die vorliegende Steuerroutine.
Falls in Schritt S106 andererseits beurteilt wird, dass die Amplitude kleiner ist als der Schwellenwert, fährt die vorliegende Routine mit Schritt S108 fort. In Schritt S108 beurteilt der Verschlechterungsbeurteilungsteil 72, dass der Katalysator 20 normal ist (sich nicht verschlechtert hat). Nach Schritt S108 endet die vorliegende Steuerroutine.
Zu beachten ist, dass in Schritt S102 der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsteil 71 das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases fetter machen kann als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis, so dass das Ausgangs-Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFdwn des stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 auf das als fett beurteilte Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFfett fällt.
Ferner kann die Reihenfolge der Mager-Steuerung in Schritt S103 und der Fett-Steuerung in Schritt S104 umgekehrt werden. In diesem Fall beurteilt der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsteil 71 in Schritt S102, ob das Ausgangs-Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFdwn des stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 gleich oder größer als das als mager beurteilte Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFmager ist, welches magerer als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist. Das als mager beurteilte Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFmager wird im Voraus bestimmt und ist beispielsweise auf 14,65 eingestellt. Aus diesem Grund wird die Fett-Steuerung gestartet, wenn die Sauerstoffspeichermenge des Katalysators 20 der maximalen Sauerstoffspeichermenge entspricht.
Ferner kann, falls die Reihenfolge der Mager-Steuerung und der Fett-Steuerung gewechselt wird, der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsteil 71 in Schritt S102 das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases magerer machen als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis, so dass das Ausgangs-Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFdwn des stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 auf das als mager beurteilte Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFmager ansteigt.
Ferner erreicht die Sauerstoffspeichermenge des Katalysators 20 normalerweise die maximale Sauerstoffspeichermenge, falls eine Kraftstoffzufuhrunterbrechungssteuerung durchgeführt wird, welche die Kraftstoffeinspritzung durch den Kraftstoffinjektor 11 stoppt. Aus diesem Grund kann, falls die Reihenfolge der Mager-Steuerung und der Fett-Steuerung gewechselt wird, der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsteil 71 in Schritt S102 beurteilen, ob die Kraftstoffzufuhrunterbrechungssteuerung beendet ist.
Unabhängig von der Reihenfolge der Mager-Steuerung und der Fett-Steuerung können die Mager-Steuerung und die Fett-Steuerung ferner zweimal oder öfter wiederholend durchgeführt werden. In diesem Fall wird die Amplitude als der Maximalwert oder der Mittelwert berechnet, wenn die Mager-Steuerung und die Fett-Steuerung wiederholt werden. Ferner kann unabhängig von der Reihenfolge der Mager-Steuerung und der Fett-Steuerung das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases zwischen der Mager-Steuerung und der Fett-Steuerung vorübergehend zu dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis gemacht werden.
Ferner kann eine Verschlechterung des Katalysators 20 nur beurteilt werden, falls die Mager-Steuerung und die Fett-Steuerung bei einem stabilen Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine durchgeführt werden. Dadurch ist es möglich, zu verhindern, dass die Ansaugluftmenge schwankt, wenn die Mager-Steuerung und die Fett-Steuerung durchgeführt werden, und es ist wiederum möglich, die Genauigkeit der Beurteilung einer Verschlechterung des Katalysators 20 zu erhöhen.
<Zweite Ausführungsform>
Das Katalysatorverschlechterungs-Erfassungssystem gemäß der zweiten Ausführungsform ist mit Ausnahme der nachstehend erläuterten Punkte hinsichtlich der Konfiguration und der Steuerung im Wesentlichen gleich dem Katalysatorverschlechterungs-Erfassungssystem gemäß der ersten Ausführungsform. Aus diesem Grund wird im Folgenden die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Schwerpunkt auf Teilen erläutert, die sich von der ersten Ausführungsform unterscheiden.
Wie aus 4 ersichtlich ist, verschiebt sich die Mitte der Amplitude (A1 bis A3) gemäß dem Verschlechterungsmodus des Katalysators 20. In dem Beispiel von 4 entspricht die Mitte der Amplitude (A1), wenn die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators 20 abnimmt, dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Andererseits entspricht die Mitte der Amplitude (A2), wenn die Oxidationsfähigkeit des Katalysators 20 abnimmt, einem Wert, welcher fetter als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, während die Mitte der Amplitude (A3), wenn die Reduktionsfähigkeit des Katalysators 20 abnimmt, einem Wert entspricht, welcher magerer als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist.
Aus diesem Grund identifiziert der Verschlechterungsbeurteilungsteil 72 in der zweiten Ausführungsform den Verschlechterungsmodus des Katalysators 20, falls die Amplitude des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des aus dem Katalysator 20 ausströmenden Abgases aufgrund der Fett-Steuerung und der Mager-Steuerung gleich oder größer als ein Schwellenwert ist. Es ist möglich, eine Analyse der Gründe für die Verschlechterung usw. zu erleichtern, indem der Verschlechterungsmodus identifiziert wird.
Insbesondere beurteilt der Verschlechterungsbeurteilungsteil 72, dass die Oxidationsfähigkeit des Katalysators 20 abgenommen hat, falls die Mitte der Amplitude kleiner als ein erster Beurteilungswert ist, beurteilt, dass die Reduktionsfähigkeit des Katalysators 20 abgenommen hat, falls die Mitte der Amplitude größer als ein zweiter Beurteilungswert ist, und beurteilt, dass die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators 20 abgenommen hat, falls die Mitte der Amplitude gleich oder größer als der erste Beurteilungswert und gleich oder kleiner als der zweite Beurteilungswert ist. Der erste Beurteilungswert entspricht einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis gleich oder kleiner als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis, während der zweite Beurteilungswert einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis gleich oder größer als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis entspricht. Falls der erste Beurteilungswert und der zweite Beurteilungswert stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnisse sind, beurteilt der Verschlechterungsbeurteilungsteil 72, dass die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators 20 abgenommen hat, falls die Mitte der Amplitude dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis entspricht.
<Verarbeitung zur Beurteilung einer Katalysatorverschlechterung>
6 ist ein Flussdiagramm, welches die Steuerroutine der Verarbeitung zur Beurteilung einer Katalysatorverschlechterung in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die vorliegende Steuerroutine wird von der ECU 31 nach dem Start der Verbrennungskraftmaschine wiederholend durchgeführt.
Schritt S201 bis Schritt S206 sind ähnlich wie Schritt S101 bis Schritt S106 von 5, und daher wird auf Erläuterungen verzichtet. Falls bei Schritt S206 beurteilt wird, dass die Amplitude kleiner als der Schwellenwert ist, geht die vorliegende Routine zu Schritt S207 über. In Schritt S207 beurteilt der Verschlechterungsbeurteilungsteil 72, dass der Katalysator 20 normal ist (sich nicht verschlechtert hat). Nach Schritt S207 endet die vorliegende Steuerroutine.
Falls in Schritt S206 andererseits beurteilt wird, dass die Amplitude gleich oder größer als der Schwellenwert ist, fährt die vorliegende Routine mit Schritt S208 fort. Bei Schritt S208 beurteilt der Verschlechterungsbeurteilungsteil 72, ob die Mitte der Amplitude kleiner als der erste Beurteilungswert ist. Der erste Beurteilungswert wird im Voraus bestimmt und ist auf einen Wert eingestellt, der gleich oder kleiner als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, das heißt, das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder einen Wert, der fetter als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist.
Falls in Schritt S208 beurteilt wird, dass die Mitte der Amplitude kleiner als der erste Beurteilungswert ist, fährt die vorliegende Routine mit Schritt S209 fort. In Schritt S209 beurteilt der Verschlechterungsbeurteilungsteil 72, dass eine Verschlechterung des Edelmetalls des Katalysators 20 zu einem Abfall der Oxidationsfähigkeit des Katalysators 20 geführt hat, und schaltet eine Warnleuchte an, die an dem Fahrzeug mit der Verbrennungskraftmaschine vorgesehen ist. Darüber hinaus speichert der Verschlechterungsbeurteilungsteil 72 einen Fehlercode entsprechend einem Abfall der Oxidationsfähigkeit in einem Speicher (ROM 34 oder RAM 33) der ECU 31 oder einer anderen Speichervorrichtung. Nach Schritt S209 endet die vorliegende Steuerroutine.
Falls in Schritt S208 andererseits beurteilt wird, dass die Mitte der Amplitude gleich oder größer als der erste Beurteilungswert ist, fährt die vorliegende Routine mit Schritt S210 fort. In Schritt S210 beurteilt der Verschlechterungsbeurteilungsteil 72, ob die Mitte der Amplitude größer als ein zweiter Beurteilungswert ist. Der zweite Beurteilungswert wird im Voraus bestimmt und ist auf einen Wert gleich oder größer als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis, das heißt, auf das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder einen Wert, der magerer als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, eingestellt.
Falls in Schritt S210 beurteilt wird, dass die Mitte der Amplitude größer als der zweite Beurteilungswert ist, fährt die vorliegende Routine mit Schritt S211 fort. In Schritt S211 beurteilt der Verschlechterungsbeurteilungsteil 72, dass eine Verschlechterung des Edelmetalls des Katalysators 20 ein Absinken der Reduktionsfähigkeit des Katalysators 20 bewirkt hat, und schaltet eine Warnleuchte an, die an dem Fahrzeug vorgesehen ist, an dem die Verbrennungskraftmaschine montiert ist. Ferner speichert der Verschlechterungsbeurteilungsteil 72 einen Fehlercode entsprechend einem Abfallen der Reduktionsfähigkeit in einem Speicher (ROM 34 oder RAM 33) der ECU 31 oder einer anderen Speichervorrichtung. Nach Schritt S211 endet die vorliegende Steuerungsroutine.
Falls in Schritt S210 andererseits beurteilt wird, dass die Mitte der Amplitude gleich oder kleiner als der zweite Beurteilungswert ist, fährt die vorliegende Routine mit Schritt S212 fort. In Schritt S212 beurteilt der Verschlechterungsbeurteilungsteil 72, dass eine Verschlechterung des Ko-Katalysators des Katalysators 20 ein Absinken der Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators 20 bewirkt hat, und schaltet eine Warnleuchte an, die an dem Fahrzeug vorgesehen ist, in dem die Verbrennungskraftmaschine montiert ist. Darüber hinaus speichert der Verschlechterungsbeurteilungsteil 72 einen Fehlercode entsprechend einem Abfallen der Sauerstoffspeicherfähigkeit in einem Speicher (ROM 34 oder RAM 33) der ECU 31 oder einer anderen Speichervorrichtung. Nach Schritt S212 endet die vorliegende Steuerungsroutine.
Zu beachten ist, dass die vorliegende Steuerroutine auf die gleiche Art und Weise modifiziert werden kann wie die Steuerroutine von 5.
<Dritte Ausführungsform>
Das Katalysatorverschlechterungs-Erfassungssystem gemäß der dritten Ausführungsform ist mit Ausnahme der nachstehend erläuterten Punkte hinsichtlich der Konfiguration und der Steuerung im Wesentlichen gleich dem Katalysatorverschlechterungs-Erfassungssystem gemäß der ersten Ausführungsform. Aus diesem Grund wird im Folgenden die dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Schwerpunkt auf Teilen erläutert, die sich von der ersten Ausführungsform unterscheiden.
Wie vorstehend erläutert ist, werden die Mager-Steuerung und die Fett-Steuerung durchgeführt, um eine Verschlechterung des Katalysators 20 zu erfassen. Falls jedoch die Ansaugluftmenge während der Durchführung der Mager-Steuerung schwankt, schwankt die Menge des im Katalysator 20 gespeicherten Sauerstoffs, wenn die Mager-Steuerung für exakt eine erste vorbestimmte Zeit durchgeführt worden ist. Schwankt dagegen die Ansaugluftmenge während der Durchführung der Fett-Steuerung, schwankt die Menge des aus dem Katalysator 20 freigesetzten Sauerstoffs, wenn die Fett-Steuerung für exakt eine zweite vorbestimmte Zeit durchgeführt worden ist. Aus diesem Grund schwankt die Amplitude, die bei der Durchführung der Mager-Steuerung und der Fett-Steuerung erfasst wird, und die Genauigkeit der Beurteilung einer Verschlechterung des Katalysators 20 neigt dazu, sich zu verschlechtern.
In der dritten Ausführungsform berechnet daher der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsteil 71 den Änderungsbetrag der Sauerstoffspeichermenge des Katalysators 20 und bestimmt den Endzeitpunkt der Mager-Steuerung und den Endzeitpunkt der Fett-Steuerung auf der Grundlage des Änderungsbetrags. Insbesondere beendet der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsteil 71 die Mager-Steuerung, wenn der Änderungsbetrag einen ersten Wechselreferenzwert in der Mager-Steuerung erreicht, und beendet die Fett-Steuerung, wenn der Änderungsbetrag einen zweiten Wechselreferenzwert in der Fett-Steuerung erreicht.
Aus diesem Grund wird die Mager-Steuerung durchgeführt, so dass die Sauerstoffspeichermenge in der Mager-Steuerung im Wesentlichen konstant wird, und die Fett-Steuerung wird durchgeführt, so dass die Sauerstofffreigabemenge in der Fett-Steuerung im Wesentlichen konstant wird. Aus diesem Grund ist es möglich, die Genauigkeit der Beurteilung einer Verschlechterung des Katalysators 20 zu erhöhen.
<Verarbeitung zur Beurteilung einer Katalysatorverschlechterung>
In der dritten Ausführungsform wird, wenn die Steuerroutine von 5 durchgeführt wird, die Steuerroutine von 7 als die Mager-Steuerung von Schritt S103 durchgeführt, während als die Fett-Steuerung von Schritt S104 die Steuerroutine von 8 durchgeführt wird.
In der Steuerroutine der Mager-Steuerung von 7 stellt der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsteil 71 in Schritt S301 zunächst das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAF des einströmenden Abgases auf das mager eingestellte Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFmager ein und steuert die Kraftstoffeinspritzmenge des Kraftstoffinjektors 11, so dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases mit dem Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis übereinstimmt. Das mager eingestellte Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFmager wird im Voraus bestimmt und ist beispielsweise auf 14,8 bis 16,6 eingestellt.
Als nächstes berechnet der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsteil 71 in Schritt S302 den Sauerstoffänderungsbetrag ΔOCA in einer sehr kurzen Zeit. Der Sauerstoffänderungsbetrag ΔOCA wird beispielsweise durch die folgende Gleichung (1) auf der Grundlage des Ausgangs des stromaufwärtsseitigen Luft-Kraftstoff- Verhältnis-Sensors 40 und der Kraftstoffeinspritzmenge berechnet: $Δ OCA = 0,23 \times (AFup - 14,6) \times Qi$
wobei 0,23 der Sauerstoffkonzentration in der Luft entspricht, 14,6 dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis entspricht, Qi der Kraftstoffeinspritzmenge in der sehr kurzen Zeit entspricht, und AFup einem Ausgangs-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des stromaufwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 40 entspricht. Die Kraftstoffeinspritzmenge Qi wird auf der Grundlage des Befehlswerts von der ECU 31 zum Kraftstoffinjektor 11 berechnet.
Zu beachten ist, dass der Sauerstoffänderungsbetrag ΔOCA durch die folgende Gleichung (2) auf der Grundlage des Ausgangs des stromaufwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 40 und der Ansaugluftmenge berechnet werden kann: $Δ OCA = 0,23 \times (AFup - 14,6) \times Ga/AFup$
wobei 0,23 der Sauerstoffkonzentration in der Luft entspricht, 14,6 dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis entspricht, Ga der Ansaugluftmenge in der sehr kurzen Zeit entspricht und AFup einem Ausgangs-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des stromaufwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 40 entspricht. Die Ansaugluftmenge Ga wird auf der Grundlage des Ausgangs des Luftströmungsmessers 39 berechnet.
Ferner kann der Sauerstoffänderungsbetrag ΔOCA auf der Grundlage des Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses TAF des einströmenden Abgases berechnet werden, ohne den Ausgang des stromaufwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 40 zu verwenden. Das heißt, in den vorstehenden Gleichungen (1), (2) kann anstelle des Ausgangs-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses AFup des stromaufwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 40 der Wert des Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses TAF verwendet werden. In diesem Fall kann der stromaufwärtsseitige Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 40 im Katalysatorverschlechterungs-Erfassungssystem 1 weggelassen werden.
Als nächstes berechnet der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsteil 71 in Schritt S303 den Änderungsbetrag der Sauerstoffspeichermenge des Katalysators 20. Insbesondere addiert der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsteil 71 kumulativ den Sauerstoffänderungsbetrag ΔOCA während der Mager-Steuerung, um dadurch den Änderungsbetrag der Sauerstoffspeichermenge des Katalysators 20 zu berechnen.
Als nächstes beurteilt der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsteil 71 in Schritt S304, ob der Änderungsbetrag der Sauerstoffspeichermenge des Katalysators 20 gleich oder größer als der erste Wechselreferenzwert ist. Der erste Wechselreferenzwert wird im Voraus bestimmt und ist beispielsweise auf die maximale Sauerstoffspeichermenge des Katalysators 20 eingestellt, wenn dieser noch nicht verwendet wurde (neuer Katalysator). Es ist zu beachten, dass der erste Wechselreferenzwert auf einen Wert eingestellt sein kann, der geringfügig größer oder geringfügig kleiner als die maximale Sauerstoffspeichermenge des noch nicht verwendeten Katalysators 20 ist.
Falls in Schritt S304 beurteilt wird, dass der Änderungsbetrag kleiner ist als der erste Wechselreferenzwert, kehrt die vorliegende Routine zu Schritt S301 zurück und die Mager-Steuerung wird fortgesetzt. Falls in Schritt S304 andererseits beurteilt wird, dass der Änderungsbetrag gleich oder größer als der erste Wechselreferenzwert ist, endet die vorliegende Steuerroutine und die Mager-Steuerung endet. Danach wird als Schritt S104 von 5 die Steuerroutine von 8 durchgeführt.
In der Steuerroutine der Fett-Steuerung von 8 stellt der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsteil 71 in Schritt S401 zunächst das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAF des einströmenden Abgases auf das fett eingestellte Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFfett ein und steuert die Kraftstoffeinspritzmenge des Kraftstoffinjektors 11, so dass das Luft-Kraftstoff- Verhältnis des einströmenden Abgases mit dem Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis übereinstimmt. Das fett eingestellte Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFfett wird im Voraus bestimmt und ist beispielsweise auf 12,6 bis 14,4 eingestellt.
Als nächstes berechnet der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsteil 71 in Schritt S402 auf die gleiche Art und Weise wie Schritt 302 von 7 den Sauerstoffänderungsbetrag ΔOCA in einer sehr kurzen Zeit.
Als nächstes berechnet der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsteil 71 in Schritt S403 den Änderungsbetrag der Sauerstoffspeichermenge des Katalysators 20. In der Fett-Steuerung wird der Sauerstoffänderungsbetrag ΔOCA als ein negativer Wert berechnet. Aus diesem Grund addiert der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsteil 71 kumulativ den Absolutwert des Sauerstoffänderungsbetrags ΔOCA während der Fett-Steuerung, um dadurch den Änderungsbetrag der Sauerstoffspeichermenge des Katalysators 20 zu berechnen.
Als nächstes beurteilt der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsteil 71 in Schritt S404, ob der Änderungsbetrag der Sauerstoffspeichermenge des Katalysators 20 gleich oder größer als der zweite Wechselreferenzwert ist. Der zweite Wechselreferenzwert wird im Voraus bestimmt und ist beispielsweise auf die maximale Sauerstoffspeichermenge des Katalysators 20 eingestellt, wenn dieser noch nicht verwendet wurde (neuer Katalysator). Es ist zu beachten, dass der zweite Wechselreferenzwert auf einen Wert eingestellt sein kann, der geringfügig größer oder geringfügig kleiner als die maximale Sauerstoffspeichermenge des noch nicht verwendeten Katalysators 20 ist. Ferner kann der zweite Wechselreferenzwert mit dem ersten Wechselreferenzwert identisch sein.
Falls in Schritt S404 beurteilt wird, dass der Änderungsbetrag kleiner ist als der zweite Wechselreferenzwert, kehrt die vorliegende Routine zu Schritt S401 zurück und die Fett-Steuerung wird fortgesetzt. Falls in Schritt S404 andererseits beurteilt wird, dass der Änderungsbetrag gleich oder größer als der zweite Wechselreferenzwert ist, endet die vorliegende Steuerroutine und die Fett-Steuerung endet. Danach werden die Schritte S105 bis Schritt 108 von 5 in der gleichen Art und Weise wie bei der ersten Ausführungsform durchgeführt.
Vorstehend wurden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erläutert, die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt und kann innerhalb des Anspruchswortlauts auf verschiedene Weise korrigiert und geändert werden. Beispielsweise kann anstelle des stromabwärtsseitigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 ein NOx-Sensor, der das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases erfassen kann, als die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsvorrichtung verwendet werden. Ferner kann der stromabwärtsseitige Katalysator 23 in der Verbrennungskraftmaschine weggelassen werden.
Ferner kann das in der Mager-Steuerung eingestellte Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases während der Mager-Steuerung geändert werden, solange dieses einem magereren Wert als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis entspricht. Gleichermaßen kann das in der Fett-Steuerung eingestellte Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases während der Fett-Steuerung geändert werden, solange dieses einem fetteren Wert als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis entspricht.
Ferner können die vorstehenden Ausführungsformen beliebig kombiniert werden. Falls die zweite Ausführungsform und die dritte Ausführungsform kombiniert werden, wird als Schritt S203 von 6 die Steuerroutine von 7 durchgeführt, während als Schritt S204 von 6 die Steuerroutine von 8 durchgeführt wird.
Bezugszeichenliste

1: Katalysatorverschlechterungs-Erfassungssystem
20: Stromaufwärtsseitiger Katalysator
22: Abgasrohr
31: Elektronische Steuerungseinheit (ECU)
41: Stromabwärtsseitiger Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor
71: Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsteil
72: Verschlechterungsbeurteilungsteil

Claims

Katalysatorverschlechterungs-Erfassungssystem, welches in einem Abgasdurchlass einer Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist und eine Verschlechterung eines Katalysators erfasst, der in der Lage ist, Sauerstoff zu speichern, aufweisend: eine Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsvorrichtung, welche auf einer stromabwärtigen Seite des Katalysators angeordnet ist und ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines aus dem Katalysator ausströmenden Abgases erfasst; einen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsteil, welcher derart konfiguriert ist, dass dieser ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines einströmenden Abgases steuert, das in den Katalysator einströmt; und einen Verschlechterungsbeurteilungsteil, welcher derart konfiguriert ist, dass dieser eine Verschlechterung des Katalysators beurteilt, wobei der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsteil derart konfiguriert ist, dass dieser eine Mager-Steuerung, die das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases magerer als ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis macht, und eine Fett-Steuerung, die das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases fetter als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis macht, durchführt, und der Verschlechterungsbeurteilungsteil derart konfiguriert ist, dass dieser eine Amplitude eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines aus dem Katalysator ausströmenden Abgases aufgrund der Mager-Steuerung und der Fett-Steuerung auf der Grundlage eines Ausgangs der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsvorrichtung berechnet und beurteilt, dass sich der Katalysator verschlechtert, falls die Amplitude gleich oder größer als ein Schwellenwert ist.
Katalysatorverschlechterungs-Erfassungssystem nach Anspruch 1, wobei der Verschlechterungsbeurteilungsteil derart konfiguriert ist, dass dieser beurteilt, dass eine Oxidationsfähigkeit des Katalysators abnimmt, falls die Amplitude gleich oder größer als der Schwellenwert ist und eine Mitte der Amplitude kleiner als ein erster Beurteilungswert ist, und der erste Beurteilungswert einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis entspricht, welches gleich oder kleiner als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist.
Katalysatorverschlechterungs-Erfassungssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Verschlechterungsbeurteilungsteil derart konfiguriert ist, dass dieser beurteilt, dass eine Reduktionsfähigkeit des Katalysators abnimmt, falls die Amplitude gleich oder größer als der Schwellenwert ist und eine Mitte der Amplitude größer als ein zweiter Beurteilungswert ist, und der zweite Beurteilungswert einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis entspricht, welches gleich oder größer als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist.
Katalysatorverschlechterungs-Erfassungssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Verschlechterungsbeurteilungsteil derart konfiguriert ist, dass dieser beurteilt, dass eine Oxidationsfähigkeit des Katalysators abnimmt, falls die Amplitude gleich oder größer als der Schwellenwert ist und eine Mitte der Amplitude kleiner als ein erster Beurteilungswert ist, beurteilt, dass eine Reduktionsfähigkeit des Katalysators abnimmt, falls die Amplitude gleich oder größer als der Schwellenwert ist und die Mitte der Amplitude größer als ein zweiter Beurteilungswert ist, und beurteilt, dass eine Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators abnimmt, falls die Amplitude gleich oder größer als der Schwellenwert ist und die Mitte der Amplitude gleich oder größer als der erste Beurteilungswert und gleich oder kleiner als der zweite Beurteilungswert ist, wobei der erste Beurteilungswert einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis entspricht, welches gleich oder kleiner als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, und der zweite Beurteilungswert einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis entspricht, welches gleich oder größer als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist.
Katalysatorverschlechterungs-Erfassungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsteil derart konfiguriert ist, dass dieser einen Änderungsbetrag einer Sauerstoffspeichermenge des Katalysators berechnet, die Mager-Steuerung beendet, wenn der Änderungsbetrag einen ersten Wechselreferenzwert in der Mager-Steuerung erreicht, und die Fett-Steuerung beendet, wenn der Änderungsbetrag einen zweiten Wechselreferenzwert in der Fett-Steuerung erreicht.