DE102021114732A1 - Abgasreinigungsvorrichtung eines verbrennungsmotors und katalysator - Google Patents

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Abstract

Die Abgasreinigungsvorrichtung eines Verbrennungsmotors weist einen Katalysator 20, der in einem Abgaskanal angeordnet und in der Lage ist, Sauerstoff zu speichern; und eine Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, die dazu eingerichtet ist, ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis von einströmendem Abgas, das in den Katalysator strömt, zu steuern, auf. Die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ist dazu eingerichtet, eine Steuerung der Verteilungsbildung durchzuführen, die das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases so steuert, dass in dem Katalysator ein erster Bereich mit einer Sauerstoffspeichermenge, die gleich oder größer als ein vorbestimmter Wert ist, und ein zweiter Bereich mit einer Sauerstoffspeichermenge, die kleiner als der vorbestimmte Wert ist, abwechselnd entlang einer axialen Richtung des Katalysators gebildet werden. Die Gesamtzahl des ersten Bereichs und des zweiten Bereichs, die durch die Steuerung der Verteilungsbildung gebildet werden, ist gleich oder größer als drei.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Abgasreinigungsvorrichtung eines Verbrennungsmotors und einen Katalysator.
  • Hintergrund der Erfindung
  • In der Vergangenheit war es bekannt, einen Katalysator, der in der Lage ist, Sauerstoff zu speichern, in einem Abgaskanal eines Verbrennungsmotors anzuordnen und die Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenstoffmonoxide (CO), Stickstoffoxide (NOx), etc. im Abgas am Katalysator zu entfernen.
  • Wenn bei einem solchen Katalysator das Edelmetall des Katalysators aufgrund einer Vergiftung durch Sauerstoff oder HC in einen inerten Zustand übergeht, sinkt die Abgasreinigungsleistung des Katalysators. Im Gegensatz dazu wird bei dem in JP 2007 - 239 698 A beschriebenen Verbrennungsmotor eine Störungssteuerung durchgeführt, die das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Luft-Kraftstoff-Gemisches zwangsweise um ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis schwanken lässt, das fetter ist als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis. In JP 2007 - 239 698 A wird beschrieben, dass das Edelmetall des Katalysators durch wiederholtes Einlagern und Freisetzen von Sauerstoff am Katalysator durch die Störungssteuerung aktiviert werden kann und dadurch die Abgasreinigungsleistung des Katalysators verbessert werden kann.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Lösung des Problems
  • Bei dem in JP 2007 - 239 698 A beschriebenen Verfahren besteht jedoch noch Spielraum für Verbesserung der lokalen Abgasreinigungsleistung im Katalysator. Darüber hinaus ist im Zusammenhang mit strengeren Abgasvorschriften eine weitere Verbesserung der Abgasreinigungsleistung des Katalysators wünschenswert.
  • In Anbetracht des obigen technischen Problems ist es daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die Abgasreinigungsleistung eines Katalysators zu verbessern, der in einem Abgaskanal eines Verbrennungsmotors angeordnet ist.
  • Lösung des Problems
  • Die Zusammenfassung der vorliegenden Offenbarung ist wie folgt.
    1. (1) Abgasreinigungsvorrichtung eines Verbrennungsmotors, mit: einem Katalysator, der in einem Abgaskanal angeordnet und in der Lage ist, Sauerstoff zu speichern; und eine Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, die dazu eingerichtet ist, ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis von einströmendem Abgas, das in den Katalysator strömt, zu steuern, wobei die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses dazu eingerichtet ist, eine Steuerung der Verteilungsbildung durchzuführen, die das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases so steuert, dass im Katalysator ein erster Bereich mit einer Sauerstoffspeichermenge, die gleich oder größer als ein vorbestimmter Wert ist, und ein zweiter Bereich mit einer Sauerstoffspeichermenge, die kleiner als der vorbestimmte Wert ist, abwechselnd entlang einer axialen Richtung des Katalysators gebildet werden, und eine Gesamtzahl des ersten Bereichs und des zweiten Bereichs, die durch die Steuerung der Verteilungsbildung gebildet werden, gleich oder größer als drei ist.
    2. (2) Abgasreinigungsvorrichtung des vorstehend in (1) beschriebenen Verbrennungsmotors, wobei die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses dazu eingerichtet ist, die Steuerung der Verteilungsbildung so durchzuführen, dass mindestens eine der Grenzen zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich an einer stromabwärtigen Seite des Katalysators gebildet wird und mindestens eine der Grenzen an einer stromaufwärtigen Seite des Katalysators gebildet wird.
    3. (3) Abgasreinigungsvorrichtung des Verbrennungsmotors, die vorstehend in (1) oder (2) beschrieben ist, wobei die Gesamtzahl des ersten Bereichs und des zweiten Bereichs, die durch die Steuerung der Verteilungsbildung gebildet werden, gleich oder größer als vier ist.
    4. (4) Abgasreinigungsvorrichtung des Verbrennungsmotors, die vorstehend in einem der Absätze (1) bis (3) beschrieben ist, wobei in der Steuerung der Verteilungsbildung, die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses dazu eingerichtet ist, abwechselnd eine Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, die das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases fetter als ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis macht, und eine Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, die das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases magerer als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis macht, durchzuführen, so dass ein Schwankungsbetrag des Sauerstoffs des Katalysators während jeder Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses allmählich kleiner wird.
    5. (5) Abgasreinigungsvorrichtung des vorstehend in (4) beschriebenen Verbrennungsmotors, wobei bei der Steuerung der Verteilungsbildung die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses dazu eingerichtet ist, abwechselnd die Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und die Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durchzuführen, so dass eine Differenz zwischen einem Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases und dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis bei jeder Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses allmählich kleiner wird.
    6. (6) Abgasreinigungsvorrichtung des vorstehend in (4) beschriebenen Verbrennungsmotors, wobei bei der Steuerung der Verteilungsbildung die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses dazu eingerichtet ist, abwechselnd die Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und die Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durchzuführen, so dass eine Zeitdauer der Durchführung jeder Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses allmählich kürzer wird.
    7. (7) Abgasreinigungsvorrichtung des vorstehend in (4) beschriebenen Verbrennungsmotors, wobei bei der Steuerung der Verteilungsbildung die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses dazu eingerichtet ist, abwechselnd die Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und die Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durchzuführen, so dass eine Differenz zwischen einem Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases und dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis bei jeder Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses allmählich kleiner wird und eine Zeitdauer der Durchführung jeder Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses allmählich kürzer wird.
    8. (8) Abgasreinigungsvorrichtung des Verbrennungsmotors, die in (4) oder (5) beschrieben ist, wobei die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses dazu eingerichtet ist, eine Zufuhrmenge eines Reduktionsmittels zu dem Katalysator während der Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zu berechnen und die Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zu beenden, wenn die Zufuhrmenge des Reduktionsmittels eine vorbestimmte Menge erreicht hat, und eine Zufuhrmenge von Sauerstoff zu dem Katalysator während der Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zu berechnen und die Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zu beenden, wenn die Zufuhrmenge des Sauerstoffs eine vorbestimmte Menge erreicht hat.
    9. (9) Abgasreinigungsvorrichtung des Verbrennungsmotors, die in einem der vorstehenden Absätze (4) bis (8) beschrieben ist, wobei die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses dazu eingerichtet ist, einen Verschlechterungsgrad des Katalysators zu berechnen und ein Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases während der Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und ein Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases während der Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses basierend auf dem Verschlechterungsgrad einzustellen.
    10. (10) Abgasreinigungsvorrichtung des Verbrennungsmotors, die in einem der vorstehenden Absätze (1) bis (9) beschrieben ist, wobei die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses dazu eingerichtet ist, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases so zu steuern, dass die Positionen des ersten Bereichs und des zweiten Bereichs, die am Katalysator durch die Steuerung der Verteilungsbildung gebildet werden, umgekehrt werden, wenn die Steuerung der Verteilungsbildung wiederholt durchgeführt wird.
    11. (11) Katalysator, der in einem Abgaskanal eines Verbrennungsmotors angeordnet und in der Lage ist, Sauerstoff zu speichern, wobei ein erster Bereich mit einer Sauerstoffspeichermenge, die gleich oder größer als ein vorbestimmter Wert ist, und ein zweiter Bereich mit einer Sauerstoffspeichermenge, die kleiner als der vorbestimmte Wert ist, abwechselnd entlang einer axialen Richtung des Katalysators gebildet werden, und eine Gesamtzahl des ersten Bereichs und des zweiten Bereichs gleich oder größer als drei ist.
  • Vorteilhafte Effekte der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Abgasreinigungsleistung eines Katalysators zu verbessern, der in einem Abgaskanal eines Verbrennungsmotors angeordnet ist.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine Darstellung, die schematisch einen Verbrennungsmotor zeigt, in dem eine Abgasreinigungsvorrichtung eines Verbrennungsmotors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist.
    • 2 ist eine Darstellung, die eine Beziehung zwischen einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis einer Oberfläche eines Katalysators und einer Reaktivität des Katalysators zeigt.
    • 3 ist eine Darstellung, die schematisch einen Zustand des Katalysators zeigt, wenn Abgas in den Katalysator strömt.
    • 4 ist eine Darstellung, die einen Zustand der Sauerstoffspeicherung entlang einer axialen Richtung des Katalysators von 3 zeigt.
    • 5A ist ein Zeitdiagramm eines Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines einströmenden Abgases, eines kumulierten Wertes einer Zufuhrmenge eines Reduktionsmittels und eines kumulierten Wertes einer Zufuhrmenge von Sauerstoff, wenn die Steuerung zur Verteilungsbildung in der ersten Ausführungsform durchgeführt wird.
    • 5B ist eine Darstellung, die einen Zustand der Sauerstoffspeicherung entlang einer axialen Richtung des Katalysators zu verschiedenen Zeiten in 5A zeigt.
    • 6A ist ein Flussdiagramm, das ein Steuerprogramm der Steuerung der Verteilungsbildung in der ersten Ausführungsform zeigt.
    • 6B ist ein Flussdiagramm, das ein Steuerprogramm für die Steuerung der Verteilungsbildung in der ersten Ausführungsform zeigt.
    • 7 ist ein Zeitdiagramm eines Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines einströmenden Abgases, eines kumulierten Wertes einer Zufuhrmenge an Reduktionsmittel und eines kumulierten Wertes einer Zufuhrmenge an Sauerstoff, wenn die Steuerung der Verteilungsbildung in einer zweiten Ausführungsform durchgeführt wird.
    • 8A ist ein Flussdiagramm, das ein Steuerprogramm der Steuerung der Verteilungsbildung in der zweiten Ausführungsform zeigt.
    • 8B ist ein Flussdiagramm, das ein Steuerprogramm der Steuerung der Verteilungsbildung in der zweiten Ausführungsform zeigt.
    • 9 ist ein Flussdiagramm, das ein Steuerprogramm zur Verarbeitung des Einstellens des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in einer dritten Ausführungsform zeigt.
    • 10A ist ein Flussdiagramm, das ein Steuerprogramm der Steuerung der Verteilungsbildung in der dritten Ausführungsform zeigt.
    • 10B ist ein Flussdiagramm, das ein Steuerprogramm der Steuerung der Verteilungsbildung in der dritten Ausführungsform zeigt.
    • 10C ist ein Flussdiagramm, das ein Steuerprogramm der Steuerung der Verteilungsbildung in der dritten Ausführungsform zeigt.
    • 11 ist eine Darstellung, die ein Beispiel für die Verteilung von ersten Bereichen und zweiten Bereichen zeigt, die am Katalysator gebildet werden, wenn die Steuerung der Verteilungsbildung in einer vierten Ausführungsform wiederholt durchgeführt wird.
    • 12 ist ein Flussdiagramm, das ein Steuerprogramm der Steuerung der Verteilungsbildung in der vierten Ausführungsform zeigt.
    • 13 ist eine Darstellung, die ein Beispiel für einen Zustand der Sauerstoffspeicherung entlang der axialen Richtung des Katalysators nach der Steuerung der Verteilungsbildung zeigt.
    • 14 ist eine Darstellung, die ein Beispiel für einen Zustand der Sauerstoffspeicherung entlang der axialen Richtung des Katalysators nach der Steuerung der Verteilungsbildung zeigt.
  • Beschreibung der Ausführungsformen
  • Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Figuren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail erläutert. Es ist zu beachten, dass in der folgenden Erläuterung gleichartigen Bauteilen die gleichen Bezugszeichen zugeordnet sind.
  • Erste Ausführungsform
  • Zunächst wird unter Bezugnahme auf 1 bis 6B eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert.
  • Erläuterung des gesamten Verbrennungsmotors
  • 1 ist eine Darstellung, die schematisch einen Verbrennungsmotor mit einem Abgasreinigungssystem eines Verbrennungsmotors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Der in 1 gezeigte Verbrennungsmotor ist ein fremdgezündeter Verbrennungsmotor. Der Verbrennungsmotor ist in einem Fahrzeug eingebaut.
  • Unter Bezugnahme auf 1 bezeichnet 1 einen Motorblock, 2 einen Zylinderblock, 3 einen Kolben, der sich innerhalb des Zylinderblocks 2 hin- und herbewegt, 4 einen Zylinderkopf, der an dem Zylinderblock 2 befestigt ist, 5 einen Brennraum, der zwischen dem Kolben 3 und dem Zylinderkopf 4 gebildet wird, 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 im mittleren Teil der Innenwandfläche des Zylinderkopfs 4 eine Zündkerze 10 angeordnet. Eine Kraftstoffeinspritzdüse 11 ist um die Innenwandfläche des Zylinderkopfs 4 herum angeordnet. Die Zündkerze 10 ist dazu eingerichtet, die Erzeugung eines Funkens in Übereinstimmung mit einem Zündsignal zu bewirken. Ferner spritzt die Kraftstoffeinspritzdüse 11 eine vorbestimmte Menge an Kraftstoff in den Brennraum 5 in Übereinstimmung mit einem Einspritzsignal ein. In der vorliegenden Ausführungsform wird als Kraftstoff Benzin mit einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis von 14,6 verwendet.
  • Der Einlasskanal 7 in jedem Zylinder ist über einen entsprechenden Ansaugkanal 13 mit einem Ausgleichsbehälter 14 verbunden. Der Ausgleichsbehälter 14 ist über ein Ansaugrohr 15 mit einem Luftfilter 16 verbunden. Der Einlasskanal 7, der Ansaugkanal 13, das Ausgleichsbehälter 14, das Ansaugrohr 15 usw. bilden einen Ansaugkanal, der Luft in den Brennraum 5 führt. Weiterhin ist im Ansaugrohr 15 eine Drosselklappe 18 angeordnet, die von einem Drosselklappenantriebsaktor 17 angetrieben wird. Die Drosselklappe 18 kann durch den Drosselklappenantriebsaktor 17 gedreht werden, um dadurch den Öffnungsbereich des Ansaugleitung zu verändern.
  • Auf der anderen Seite ist der Auslasskanal 9 in jedem Zylinder mit einem Abgaskrümmer 19 verbunden. Der Abgaskrümmer 19 hat eine Vielzahl von Kanälen, die mit den Auslasskanälen 9 verbunden sind, und einen Sammler, an dem diese Kanäle gesammelt werden. Der Sammler des Abgaskrümmers 19 ist mit einem Gehäuse 21 verbunden, in dem ein Katalysator 20 eingebaut ist. Das Gehäuse 21 ist mit einem Auspuffrohr 22 verbunden. Der Auslasskanal 9, der Abgaskrümmer 19, das Gehäuse 21, das Auspuffrohr 22 usw. bilden einen Abgaskanal, der das durch die Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemisches in der Brennkammer 5 erzeugte Abgas ableitet.
  • Verschiedene Steuerprogramme des Verbrennungsmotors werden von einer elektronischen Steuereinheit (ECU) 31 durchgeführt. Ausgaben verschiedener Sensoren, die im Verbrennungsmotor oder dem mit dem Verbrennungsmotor ausgestatteten Fahrzeug vorgesehen sind, werden in die ECU 31 eingegeben, und die ECU 31 steuert verschiedene Aktuatoren basierend auf den Ausgaben der Sensoren usw..
  • Die ECU 31 setzt sich aus einem digitalen Computer, der mit Komponenten versehen ist, die über einen bidirektionalen Bus 32 miteinander verbunden sind, wie z.B. ein RAM (Direktzugriffsspeicher) 33, ROM (Festwertspeicher) 34, CPU (Mikroprozessor) 35, Eingangsanschluss 36 und Ausgangsanschluss 37, zusammen. Es ist zu beachten, dass in der vorliegenden Ausführungsform eine einzige Steuereinheit 31 vorgesehen ist, aber eine Vielzahl von Steuereinheiten für jede Funktion vorgesehen sein kann.
  • Im Ansaugrohr 15 ist ein Luftdurchflussmesser 40 angeordnet, der die Durchflussrate der Luft erfasst, die durch das Ansaugrohr 15 strömt. Die Ausgabe des Luftdurchflussmessers 40 wird über einen entsprechenden A/D-Wandler 38 in den Eingabeanschluss 36 eingespeist.
  • Ferner ist am Kopf des Abgaskrümmers 19, d.h. am Abgaskanal auf der in Abgasströmungsrichtung stromaufwärtigen Seite des Katalysators 20, ein stromaufwärtiger Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 angeordnet, der das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases erfasst, das durch das Innere des Abgaskrümmers 19 strömt (d.h. das Abgas, das aus dem Brennraum 5 des Verbrennungsmotors ausgestoßen wird und in den Katalysator 20 strömt). Die Ausgabe des stromaufwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 (Ausgangsstrom) wird proportional zum Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases größer, und der stromaufwärtige Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 kann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases kontinuierlich (linear) erfassen. Der Ausgang des stromaufwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 wird über den entsprechenden A/D-Wandler 38 in den Eingangsanschluss 36 eingegeben.
  • Ferner ist in dem Auspuffrohr 22, d.h. an dem Abgaskanal auf der in Abgasströmungsrichtung stromabwärtigen Seite des Katalysators 20, ein stromabwärtiger Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 42 angeordnet, der das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases erfasst, das durch die Innenseite des Auspuffrohrs 22 strömt (d.h. das aus dem Katalysator 20 ausströmende Abgas). Die Ausgabe des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 42 (Ausgangsstrom) wird proportional zum Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases größer, und der stromabwärtige Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 42 kann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases kontinuierlich (linear) erfassen. Die Ausgabe des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 42 wird über den entsprechenden A/D-Wandler 38 in den Eingangsanschluss 36 eingegeben.
  • Weiterhin ist ein Lastsensor 44, der eine Ausgangsspannung erzeugt, die proportional zu dem Betrag des Niederdrückens eines Gaspedals 43 ist, mit dem Gaspedal 43 verbunden, das in dem Fahrzeug, in dem der Verbrennungsmotor eingebaut ist, vorgesehen ist. Die Ausgangsspannung des Lastsensors 44 wird über einen entsprechenden A/D-Wandler 38 in den Eingangsanschluss 36 eingegeben. Die ECU 31 berechnet die Motorlast basierend auf der Ausgabe des Lastsensors 44.
  • Des Weiteren ist ein Kurbelwinkelsensor 45, der jedes Mal einen Ausgabeimpuls erzeugt, wenn sich die Kurbelwelle um einen vorbestimmten Winkel (zum Beispiel 10°) dreht, mit dem Eingangsanschluss 36 verbunden. Dieser Ausgabeimpuls wird in den Eingangsanschluss 36 eingegeben. Die ECU 31 berechnet die Motordrehzahl basierend auf der Ausgabe des Kurbelwinkelsensors 45.
  • Andererseits ist der Ausgangsanschluss 37 über eine entsprechende Ansteuerschaltung 39 mit verschiedenen Aktuatoren des Verbrennungsmotors verbunden. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Ausgangsanschluss 37 mit Zündkerzen 10, Kraftstoffeinspritzdüsen 11 und einem Drosselklappenantriebsaktuator 17 verbunden, und die ECU 31 steuert diese. Insbesondere steuert die ECU 31 die Zündzeitpunkte der Zündkerzen 10, die Einspritzzeitpunkte und Einspritzmengen der Kraftstoffeinspritzdüsen und den Öffnungsgrad der Drosselklappe 18.
  • Es ist zu beachten, dass der vorstehend erwähnte Verbrennungsmotor ein nicht aufgeladener Verbrennungsmotor ist, der mit Benzin betrieben wird, aber die Konfiguration des Verbrennungsmotors ist nicht auf die vorstehende Konfiguration beschränkt. Daher können die Zylinderanordnung, die Art der Kraftstoffeinspritzung, die Konfiguration des Einlass- und Auslasssystems, die Konfiguration des Ventilbetätigungsmechanismus, das Vorhandensein eines Kompressors und andere spezifische Konfigurationen des Verbrennungsmotors von der in 1 gezeigten Konfiguration abweichen. Beispielsweise können die Kraftstoffeinspritzdüsen 11 so angeordnet sein, dass sie Kraftstoff in das Innere des Einlasskanal 7 einspritzen. Ferner kann eine Konfiguration vorgesehen sein, die es ermöglicht die Abgasrückführung (EGR) vom Abgaskanal zum Ansaugkanal zurückzuführen.
  • Abgasreinigungsvorrichtung eines Verbrennungsmotors
  • Im Folgenden wird eine Abgasreinigungsvorrichtung eines Verbrennungsmotors gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (im Folgenden einfach als „Abgasreinigungsvorrichtung“ bezeichnet) erläutert. Die Abgasreinigungsvorrichtung ist mit einer Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, einem stromaufwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41, einem stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 42 und einem Katalysator 20 versehen. In der vorliegenden Ausführungsform fungiert die ECU 31 als Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses.
  • Die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses steuert das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Katalysator 20 strömenden Abgases (im Folgenden als „einströmendes Abgas“ bezeichnet). Insbesondere stellt die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases ein und steuert die den Brennkammern 5 zugeführte Kraftstoffmenge so, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases dem Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis entspricht. Beispielsweise führt die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eine Rückkopplungssteuerung der den Brennkammern 5 zugeführten Kraftstoffmenge durch, so dass das Ausgangs-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des stromaufwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 mit dem Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis übereinstimmt. Hier bedeutet das „Ausgangs-Luft-Kraftstoff-Verhältnis“ das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, das dem Ausgangswert des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors entspricht, d.h. das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, das von dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor erfasst wird.
  • Es ist zu beachten, dass die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses die den Brennkammern 5 zugeführte Kraftstoffmenge so steuern kann, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases mit dem Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis übereinstimmt, ohne den stromaufwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 zu verwenden. In diesem Fall führt die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses den Brennkammern 5 die Kraftstoffmenge zu, die aus der vom Luftdurchflussmesser 40 erfassten Ansaugluftmenge und dem Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis berechnet wird, so dass das Verhältnis von Kraftstoff und Luft, das den Brennkammern 5 zugeführt wird, dem Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis entspricht.
  • Der Katalysator 20 ist im Abgaskanal angeordnet und reinigt das Abgas. Der Katalysator 20 kann Sauerstoff speichern und ist z. B. ein Dreiwege-Katalysator, der gleichzeitig Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxide (NOx) entfernen kann. Der Katalysator 20 weist ein Substrat (Träger), das aus einer Keramik, einem Metall usw. besteht, ein Edelmetall mit katalytischer Wirkung (z. B. Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh), usw. ), und einen Co-Katalysator mit einer Sauerstoffspeicherfähigkeit (z.B. Ceroxid (CeO2) usw.), auf. Das Edelmetall und der Co-Katalysator sind auf dem Substrat aufgebracht.
  • Der Katalysator 20 speichert oder gibt Sauerstoff in Abhängigkeit vom Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases durch den Co-Katalysator ab. Insbesondere speichert der Katalysator 20 den 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 Sauerstoffmenge frei, die nicht ausreicht, um HC und CO zu oxidieren, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases fetter ist als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Infolgedessen wird, selbst wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases etwas vom stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis abweicht, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis an der Oberfläche des Katalysators 20 in der Nähe des stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses beibehalten, und HC, CO und NOx werden am Katalysator 20 effektiv entfernt.
  • Wenn jedoch eine Sauerstoffmenge in den Katalysator 20 strömt, die die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators 20 übersteigt, wird das Edelmetall des Katalysators 20 durch den Sauerstoff bedeckt und es kommt zur sogenannten „Sauerstoffvergiftung“. Wenn andererseits der im Katalysator 20 gespeicherte Sauerstoff aufgebraucht ist, wird das Edelmetall des Katalysators 20 von HC oder einem anderen Reduktionsmittel bedeckt und es kommt zur sogenannten „HC-Vergiftung“. Tritt eine Sauerstoffvergiftung oder HC-Vergiftung auf, geht das Edelmetall des Katalysators 20 in einen inerten Zustand über und die Abgasreinigungsleistung des Katalysators 20 sinkt. Aus diesem Grund wurde es in der Vergangenheit zur Verbesserung der Abgasreinigungsleistung des Katalysators 20 als wünschenswert erachtet, die Atmosphäre an der Oberfläche des Katalysators 20 so weit wie möglich dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis anzunähern.
  • Als Ergebnis intensiver Studien durch die Erfinder der vorliegenden Anmeldung wurde jedoch festgestellt, dass die Abgasreinigungsleistung des Katalysators 20 in einem Zustand, in dem eine geringe Menge an Sauerstoff oder Reduktionsmittel am Edelmetall des Katalysators 20 adsorbiert ist, weiter verbessert wird. 2 ist eine Darstellung, die eine Beziehung zwischen dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis an der Oberfläche des Katalysators 20 und der Reaktivität des Katalysators 20 zeigt. Wie in 2 gezeigt, ist die Reaktivität des Katalysators 20 in Bereichen am höchsten, in denen das Luft-Kraftstoff-Verhältnis an der Oberfläche des Katalysators 20 geringfügig zur fetten Seite oder zur mageren Seite vom stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis abweicht. Das spezifische Prinzip, bei dem ein solches Phänomen auftritt, ist nicht unbedingt klar, aber es wird angenommen, dass es aufgrund des folgenden solchen Mechanismus auftritt.
  • HC wird am Katalysator 20 durch eine Oxidationsreaktion entfernt. Zu diesem Zeitpunkt ist die Reaktionsgeschwindigkeit zwischen dem HC und dem Sauerstoff auf dem Edelmetall in dem Zustand erhöht, in dem eine kleine Menge Sauerstoff am Edelmetall adsorbiert ist, verglichen mit einem Zustand, in dem kein Sauerstoff auf dem Edelmetall vorhanden ist. Andererseits wird NOx am Katalysator 20 durch eine Reduktionsreaktion entfernt. Zu diesem Zeitpunkt ist die Reaktionsgeschwindigkeit zwischen NOx und HC auf dem Edelmetall in dem Zustand erhöht, in dem eine kleine Menge HC am Edelmetall adsorbiert ist, verglichen mit einem Zustand, in dem sich kein HC auf dem Edelmetall befindet. Um die Abgasreinigungsleistung des Katalysators 20 weiter zu erhöhen, ist es daher effektiv, unterschiedliche Niveaus der Sauerstoffkonzentration im Katalysator 20 in einem Ausmaß zu bewirken, in dem das Edelmetall nicht zu einem inerten Zustand aufgrund von Sauerstoffvergiftung oder HC-Vergiftung wird.
  • 3 ist eine Darstellung, die schematisch den Zustand des Katalysators 20 zeigt, wenn Abgas in den Katalysator 20 strömt. In 3 wird die Strömungsrichtung des Abgases durch die Pfeilmarkierungen gezeigt. Der Katalysator 20 hat eine säulenförmige Gestalt. Die axiale Richtung des Katalysators 20 entspricht der Strömungsrichtung des Abgases.
  • Im Beispiel von 3 strömt, nachdem der Katalysator 20 mit Sauerstoff gesättigt ist, Abgas, das fetter als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, in den Katalysator 20. Wenn Abgas, das fetter ist als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis, in den Katalysator 20 strömt, wird der im Katalysator 20 gespeicherte Sauerstoff freigesetzt, um den HC usw. im Abgas zu entfernen. Zu diesem Zeitpunkt wird der im Katalysator 20 gespeicherte Sauerstoff kontrolliert von der stromaufwärtigen Seite her freigegeben. Aus diesem Grund verbleibt im Beispiel von 3 ein magerer Bereich, in dem Sauerstoff gespeichert ist, auf der stromabwärtigen Seite, während sich auf der stromaufwärtigen Seite ein fetter Bereich bildet, in dem Sauerstoff aufgebraucht wird. Außerdem wird zwischen dem mageren und dem fetten Bereich ein Übergangsbereich gebildet, in dem sich die lokale Sauerstoffkonzentration allmählich ändert.
  • 4 ist eine Darstellung, die einen Sauerstoffspeicherzustand entlang der axialen Richtung des Katalysators 20 von 3 zeigt. In 4 ist eine Position in der axialen Richtung des Katalysators 20 als x-Achse gezeigt, während die Sauerstoffspeichermenge des Katalysators 20 an dieser Position als y-Achse gezeigt ist. Im mageren Bereich erreicht die Sauerstoffspeichermenge die maximale Sauerstoffspeichermenge und eine große Menge an Sauerstoff wird am Edelmetall adsorbiert. Im fetten Bereich hingegen erreicht die Sauerstoffspeichermenge Null und es wird eine große Menge an Reduktionsmittel (z.B. HC) am Edelmetall adsorbiert. Es ist zu beachten, dass die „maximale Sauerstoffspeichermenge“ die Menge an Sauerstoff bedeutet, die am Katalysator 20 an einer bestimmten Position in axialer Richtung des Katalysators 20 gespeichert werden kann.
  • Im Übergangsbereich zwischen dem mageren Bereich und dem fetten Bereich ändert sich die Sauerstoffspeichermenge zwischen Null und der maximalen Sauerstoffspeichermenge, was zu Unterschieden im Niveau der Sauerstoffkonzentration führt. Das heißt, im Übergangsbereich ergibt sich ein Bereich, in dem die Sauerstoffspeichermenge die Hälfte der maximalen Sauerstoffspeichermenge (50 %) erreicht. Dieser Bereich kann als ein Bereich hoher Aktivität angesehen werden, der die lokale Abgasreinigungsleistung des Katalysators 20 erhöht. Aus diesem Grund wird in der vorliegenden Ausführungsform die folgende Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durchgeführt, um einen Hochaktivitätsbereich im Katalysator 20 zu bilden.
  • Das heißt, die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses führt eine Steuerung der Verteilungsbildung durch, die das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases so steuert, dass in dem Katalysator 20 ein erster Bereich mit einer Sauerstoffspeichermenge, die gleich oder größer als ein vorbestimmter Wert ist, und ein zweiter Bereich mit einer Sauerstoffspeichermenge, die kleiner als der vorbestimmte Wert ist, abwechselnd entlang der axialen Richtung des Katalysators 20 gebildet werden. Zu diesem Zeitpunkt führt die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eine Steuerung der Verteilungsbildung durch, so dass eine Gesamtzahl des ersten Bereichs und des zweiten Bereichs, die durch die Steuerung der Verteilungsbildung gebildet werden, gleich oder größer als drei wird. Auf diese Weise ist es möglich, eine Vielzahl von Bereichen mit wechselnder Sauerstoffkonzentration im Katalysator 20 zu bilden und dadurch die Abgasreinigungsleistung des Katalysators 20 zu erhöhen. Es ist zu beachten, dass die Gesamtzahl des ersten Bereichs und des zweiten Bereichs, die durch die Steuerung der Verteilungsbildung gebildet werden, gleich oder größer als vier sein kann. Auf diese Weise ist es möglich, die Abgasreinigungsleistung des Katalysators 20 weiter zu erhöhen.
  • Zum Beispiel ist der vorbestimmte Wert, der den ersten Bereich und den zweiten Bereich definiert, die Hälfte der maximalen Sauerstoffspeichermenge. In diesem Fall entspricht, wie in 4 gezeigt, der magere Bereich und ein Teil des Übergangsbereichs (Teil mit Sauerstoffspeichermenge von gleich oder größer als 50 %) dem ersten Bereich, und der fette Bereich und ein Teil des Übergangsbereichs (Teil mit Sauerstoffspeichermenge von weniger als 50 %) entspricht dem zweiten Bereich. Wenn in dem in 4 gezeigten Zustand das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases auf ein magereres Luft-Kraftstoff-Verhältnis als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis umgeschaltet wird, wird der Sauerstoff im Katalysator 20 in der Reihenfolge von der stromaufwärtigen Seite gespeichert, und der zweite Bereich der stromaufwärtigen Seite wechselt zum ersten Bereich. Um zu diesem Zeitpunkt einen zweiten Bereich zwischen dem ersten Bereich auf der stromabwärtigen Seite und dem ersten Bereich auf der stromaufwärtigen Seite zu belassen, muss verhindert werden, dass dem stromabwärtigen Endteil des zweiten Bereichs Sauerstoff zugeführt wird. Das heißt, der Schwankungsbetrag des Sauerstoffs des Katalysators 20 (Sauerstoffspeicherbetrag) bei der Bildung eines ersten Bereichs an der stromaufwärtigen Seite muss kleiner gemacht werden als der Schwankungsbetrag des Sauerstoffs des Katalysators 20 (Sauerstofffreisetzungsbetrag), wenn der in 4 gezeigte zweite Bereich gebildet wird. Aus diesem Grund führt die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bei der Steuerung der Verteilungsbildung abwechselnd eine Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durch, die das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases fetter als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis macht, und eine Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, die das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases magerer als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis macht, so dass der Schwankungsbetrag des Sauerstoffs des Katalysators 20 während jeder Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses allmählich kleiner wird. Zum Beispiel führt die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bei der Steuerung der Verteilungsbildung abwechselnd die Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und die Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durch, so dass die Zeitdauer der Durchführung jeder Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses allmählich kürzer wird.
  • Ferner führt die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses die Steuerung der Verteilungsbildung so aus, dass mindestens eine der Grenzen zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich an der stromabwärtigen Seite des Katalysators 20 und mindestens eine der Grenzen an der stromaufwärtigen Seite des Katalysators 20 gebildet wird. Dadurch ist es möglich, hochaktive Bereiche an der stromabwärtigen Seite und der stromaufwärtigen Seite des Katalysators 20 auszubilden, was wiederum die Abgasreinigungsleistung des Katalysators 20 als Ganzes effizient erhöhen kann. Es ist zu beachten, dass die „stromabwärtige Seite des Katalysators 20“ den Teil auf der stromabwärtigen Seite von der Mitte in der axialen Richtung des Katalysators 20 bedeutet, während die „stromaufwärtige Seite des Katalysators 20“ den Teil auf der stromaufwärtigen Seite von der Mitte in der axialen Richtung des Katalysators 20 bedeutet.
  • Erläuterung der Steuerung der Verteilungsbildung mittels Zeitdiagramm
  • Unter Bezugnahme auf 5A und 5B wird ein spezifisches Beispiel für die vorstehend erwähnte Steuerung der Verteilungsbildung erläutert. 5A ist ein Zeitdiagramm des Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des einströmenden Abgases, des kumulierten Wertes der Zufuhrmenge an Reduktionsmittel und des kumulierten Wertes der Zufuhrmenge an Sauerstoff, wenn die Steuerung der Verteilungsbildung durchgeführt wird. 5B ist eine Darstellung, die den Sauerstoffspeicherzustand entlang der axialen Richtung des Katalysators 20 zu verschiedenen Zeiten von 5A (Zeiten t1 bis t5) zeigt.
  • Im Beispiel von 5A wird zum Zeitpunkt t0 eine normale Steuerung durchgeführt und das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases auf einen Wert eingestellt, der etwas magerer ist als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Nach dem Zeitpunkt t0 erreicht die Sauerstoffspeichermenge zum Zeitpunkt t1 die maximale Sauerstoffspeichermenge an allen Positionen in axialer Richtung des Katalysators 20, und der Katalysator 20 ist mit Sauerstoff gesättigt. Das heißt, zum Zeitpunkt t1 wird nur der erste Bereich am Katalysator 20 gebildet und es werden keine unterschiedlichen Niveaus der Sauerstoffkonzentration am Katalysator 20 gebildet.
  • Zum Zeitpunkt t1 wird die Steuerung der Verteilungsbildung gestartet. Um einen zweiten Bereich an der stromaufwärtigen Seite des ersten Bereichs zu bilden, wird zunächst das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases auf ein fettes Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFfett fetter als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingestellt, und die Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses wird gestartet. Bei der Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses wird dem Katalysator 20 ein Reduktionsmittel zugeführt, und der kumulierte Wert der Zufuhrmenge an Reduktionsmittel steigt allmählich an. Infolgedessen wird der im Katalysator 20 gespeicherte Sauerstoff kontrolliert von der stromaufwärtigen Seite freigesetzt, und die Sauerstoffspeichermenge an der stromaufwärtigen Seite des Katalysators 20 wird Null.
  • Die Steuerung des reichen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses wird für genau eine vorbestimmte Zeitdauer von der Zeit t1 bis zur Zeit t2 durchgeführt. Der Schwankungsbetrag des Sauerstoffs (Sauerstofffreisetzungsmenge) während der Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ist kleiner als die Sauerstoffspeichermenge, die zum Zeitpunkt t1 am Katalysator 20 gespeichert war, d.h. die Menge an Sauerstoff, die im Katalysator 20 insgesamt gespeichert werden kann. Aus diesem Grund wird, wie in 5B gezeigt, zum Zeitpunkt t2, zum Zeitpunkt des Endes der Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, ein zweiter Bereich an der stromaufwärtigen Seite des ersten Bereichs gebildet.
  • Als Nächstes wird zum Zeitpunkt t2, um einen ersten Bereich an der stromaufwärtigen Seite des zweiten Bereichs zu bilden, das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases auf ein mageres Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis „TAFmager“ magerer als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingestellt, und die Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses wird gestartet. Bei der Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses wird dem Katalysator 20 Sauerstoff zugeführt, und der kumulierte Wert der Zufuhrmenge an Sauerstoff nimmt allmählich zu. Infolgedessen wird der Sauerstoff kontrolliert von der stromaufwärtigen Seite gespeichert, und die Sauerstoffspeichermenge der stromaufwärtigen Seite des Katalysators 20 wird zur maximalen Sauerstoffspeichermenge.
  • Die Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses wird für genau eine vorbestimmte Zeitdauer vom Zeitpunkt t2 bis zum Zeitpunkt t3 durchgeführt. Die Zeitdauer vom Zeitpunkt t2 bis zum Zeitpunkt t3 ist kürzer als die Zeitdauer vom Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t2. Infolgedessen wird der Schwankungsbetrag des Sauerstoffs (Sauerstoffspeichermenge) während der Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses vom Zeitpunkt t2 zum Zeitpunkt t3 kleiner als der Schwankungsbetrag des Sauerstoffs (Sauerstofffreisetzungsmenge) während der Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses vom Zeitpunkt t1 zum Zeitpunkt t2.
  • Aus diesem Grund wird, wie in 5B gezeigt, zum Zeitpunkt t3 der erste Bereich an der stromaufwärtigen Seite des zweiten Bereichs gebildet.
  • Als Nächstes wird, um einen zweiten Bereich an der stromaufwärtigen Seite des ersten Bereichs zu bilden, die Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses für genau eine vorbestimmte Zeitdauer vom Zeitpunkt t3 bis zum Zeitpunkt t4 durchgeführt. Die Zeitdauer vom Zeitpunkt t3 bis zum Zeitpunkt t4 ist kürzer als die Zeitdauer vom Zeitpunkt t2 bis zum Zeitpunkt t3. Infolgedessen wird der Schwankungsbetrag des Sauerstoffs (Sauerstofffreisetzungsmenge) während der Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses vom Zeitpunkt t3 bis zum Zeitpunkt t4 kleiner als der Schwankungsbetrag des Sauerstoffs (Sauerstoffspeichermenge) während der Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses vom Zeitpunkt t2 bis zum Zeitpunkt t3. Aus diesem Grund wird, wie in 5B gezeigt, zum Zeitpunkt t4 ein zweiter Bereich an der stromaufwärtigen Seite des ersten Bereichs auf der stromaufwärtigen Seite gebildet.
  • Als Nächstes wird, um einen ersten Bereich an der stromaufwärtigen Seite des zweiten Bereichs an der stromaufwärtigen Seite zu bilden, die Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses für genau eine vorbestimmte Zeitdauer vom Zeitpunkt t4 bis zum Zeitpunkt t5 durchgeführt. Die Zeitdauer vom Zeitpunkt t4 bis zum Zeitpunkt t5 ist kürzer als die Zeitdauer vom Zeitpunkt t3 bis zum Zeitpunkt t4. Infolgedessen wird der Schwankungsbetrag des Sauerstoffs (Sauerstoffspeichermenge) während der Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses vom Zeitpunkt t4 bis zum Zeitpunkt t5 kleiner als der Schwankungsbetrag des Sauerstoffs (Sauerstofffreisetzungsmenge) während der Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses vom Zeitpunkt t3 bis zum Zeitpunkt t4. Aus diesem Grund wird, wie in 5B gezeigt, zum Zeitpunkt t5 ein erster Bereich auf der stromaufwärtigen Seite des zweiten Bereichs auf der stromaufwärtigen Seite gebildet. Zum Zeitpunkt t5 wird die Steuerung der Verteilungsbildung beendet und die normale Steuerung wird wieder gestartet.
  • Im Beispiel von 5 beträgt die Gesamtzahl des ersten Bereichs und des zweiten Bereichs, die durch die Steuerung der Verteilungsbildung gebildet werden, fünf, d. h. die Anzahl der durch die Steuerung der Verteilungsbildung gebildeten Hochaktivitätsbereiche beträgt vier. Ferner werden zwei Grenzen zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich an der stromabwärtigen Seite des Katalysators 20 gebildet, während zwei Grenzen zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich an der stromaufwärtigen Seite des Katalysators 20 gebildet werden.
  • Es ist zu beachten, dass im Beispiel von 5 die Steuerung der Verteilungsbildung gestartet wird, wenn der Katalysator 20 mit Sauerstoff gesättigt ist, aber die Steuerung der Verteilungsbildung kann gestartet werden, wenn der Sauerstoff im Katalysator 20 aufgebraucht ist, das heißt, wenn nur ein zweiter Bereich am Katalysator 20 gebildet wird. In diesem Fall wird bei der Steuerung der Verteilungsbildung zunächst die Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durchgeführt, um einen ersten Bereich an der stromaufwärtigen Seite des zweiten Bereichs zu bilden.
  • Steuerung der Verteilungsbildung
  • Nachfolgend wird anhand der Flussdiagramme von 6A und 6B die vorstehend erwähnte Steuerung der Verteilungsbildung erläutert. 6A und 6B sind Flussdiagramme, die ein Steuerprogramm der Steuerung der Verteilungsbildung in der ersten Ausführungsform zeigen. Das vorliegende Steuerprogramm wird von der ECU 31 in vorbestimmten Zeitintervallen wiederholt durchgeführt.
  • Zunächst stellt die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in Schritt S101 fest, ob ein Merker der Verteilungsbildung Fd 1 ist. Der Merker der Verteilungsbildung Fd ist ein Merker, der auf 1 gesetzt wird, wenn die Steuerung der Verteilungsbildung gestartet wird, und auf Null gesetzt wird, wenn die Steuerung der Verteilungsbildung beendet wird. Es ist zu beachten, dass der Anfangswert des Merkers der Verteilungsbildung Fd Null ist.
  • Wenn in Schritt S101 festgestellt wird, dass der Merker der Verteilungsbildung Fd Null ist, fährt das vorliegende Steuerprogramm mit Schritt S102 fort. In Schritt S102 stellt die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses fest, ob das ausgegebene Luft-Kraftstoff-Verhältnis „AFdwn“ des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 42 gleich oder größer als das als mager beurteilte Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFmager ist. Das als mager beurteilte Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFmager ist ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis, das von dem stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 42 erfasst wird, wenn der Katalysator 20 mit Sauerstoff gesättigt ist. Das als mager beurteilte Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFmager ist vorbestimmt und wird auf ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis (z.B. 14,65) eingestellt, das etwas magerer ist als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis.
  • Wenn in Schritt S102 festgestellt wird, dass das ausgegebene Luft-Kraftstoff-Verhältnis „AFdwn“ des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 42 fetter ist als das als mager beurteilte Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFmager, das heißt, wenn festgestellt wird, dass der Katalysator 20 nicht mit Sauerstoff gesättigt ist, geht das vorliegende Steuerprogramm zu Schritt S103 über. In Schritt S103 stellt die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses fest, ob das ausgegebene Luft-Kraftstoff-Verhältnis „AFdwn“ des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 42 gleich oder kleiner als das als fett beurteilte Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFfett ist. Das als fett beurteilte Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFmager ist das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, das von dem stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 42 erfasst wird, wenn der Sauerstoff des Katalysators 20 aufgebraucht ist. Das als fett beurteilte Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFmager ist vorbestimmt und wird auf ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis (z.B. 14,55) eingestellt, das etwas fetter als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist. Wenn in Schritt S103 festgestellt wird, dass das ausgegebene Luft-Kraftstoff-Verhältnis „AFdwn“ des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 42 magerer ist als das als fett beurteilte Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFfett, d.h. wenn festgestellt wird, dass der Sauerstoff des Katalysators 20 nicht aufgebraucht ist, endet das vorliegende Steuerprogramm.
  • Wenn andererseits in Schritt S102 festgestellt wird, dass das ausgegebene Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFdwn des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 42 gleich oder größer als das als mager beurteile Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFmager ist, d.h. wenn festgestellt wird, dass der Katalysator 20 mit Sauerstoff gesättigt ist, geht das vorliegende Steuerprogramm zu Schritt S106 über. In Schritt S106 startet die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses die Steuerung der Verteilungsbildung und setzt das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases TAF auf das fette Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFfett. Das heißt, die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses führt die Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durch. Das fette Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFfett ist vorbestimmt und wird auf ein fetteres Luft-Kraftstoff-Verhältnis (zum Beispiel 12,6 bis 14,4) als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingestellt.
  • Als Nächstes setzt die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in Schritt S105 den Merker der Verteilungsbildung Fd und die Anzahl der Ausführungen „Anzahl“ auf 1. Die Anzahl der Ausführungen „Anzahl“ zeigt die Anzahl der Ausführungen der Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, die während der Steuerung der Verteilungsbildung durchgeführt wird (die Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und die Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses). Nach Schritt S105 endet das vorliegende Steuerprogramm.
  • Wenn in Schritt S103 festgestellt wird, dass das ausgegebene Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFdwn des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 42 gleich oder kleiner als das als fett beurteilte Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFfett ist, d.h. wenn festgestellt wird, dass der Sauerstoff des Katalysators 20 aufgebraucht ist, geht das vorliegende Steuerprogramm zu Schritt S104 über. In Schritt S104 startet die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses die Steuerung der Verteilungsbildung und setzt das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases TAF auf das magere Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFmager. Das heißt, die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses führt die Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durch. Das magere Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFmager ist vorbestimmt und wird auf ein magereres Luft-Kraftstoff-Verhältnis (zum Beispiel 14,8 bis 16,6) als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingestellt.
  • Als Nächstes setzt die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in Schritt S105 den Merker der Verteilungsbildung Fd und die Anzahl der Ausführungen „Anzahl“ auf 1. Nach Schritt S105 endet das vorliegende Steuerprogramm.
  • Andererseits, wenn in Schritt S101 festgestellt wird, dass der Merker der Verteilungsbildung Fd 1 ist, fährt das vorliegende Steuerprogramm mit Schritt S107 fort. In Schritt S107 fügt die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eine inkrementelle Zeitdauer Δt hinzu, um die kumulierte Zeitdauer ET zu aktualisieren. Die kumulierte Zeitdauer ET zeigt den Zeitraum der Durchführung der aktuellen Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (die Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses oder die Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses). Ferner entspricht die inkrementelle Zeitdauer Δt dem Ausführungsintervall des aktuellen Steuerprogramms.
  • Als Nächstes stellt die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in Schritt S108 fest, ob die kumulierte Zeitdauer ET gleich oder größer als eine vorbestimmte Zeitdauer Tref (Anzahl) ist. Die vorbestimmte Zeitdauer Tref (Anzahl) ist für jede der Anzahl der Ausführungen „Anzahl“ vorbestimmt. Die vorbestimmte Zeitdauer Tref (Anzahl) ist umso kürzer, je größer der Wert der Anzahl der Ausführungen „Anzahl“ ist. Zum Beispiel ist die vorbestimmte Zeitdauer Tref (2), wenn die Anzahl der Ausführungen „Anzahl“ 2 ist, kürzer als die vorbestimmte Zeitdauer Tref (1), wenn die Anzahl der Ausführungen „Anzahl“ 1 ist.
  • Wenn bei Schritt S108 festgestellt wird, dass die kumulierte Zeitdauer ET kleiner ist als die vorbestimmte Zeitdauer Tref (Anzahl), endet das vorliegende Steuerprogramm. In diesem Fall wird die laufende Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses fortgesetzt.
  • Wenn andererseits in Schritt S108 festgestellt wird, dass die kumulierte Zeitdauer ET gleich oder größer als die vorbestimmte Zeitdauer Tref (Anzahl) ist, fährt das vorliegende Steuerprogramm mit Schritt S109 fort. In Schritt S109 stellt die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses fest, ob die Anzahl der Ausführungen „Anzahl“ gleich oder größer als eine vorbestimmte Anzahl von Malen N ist. Die vorbestimmte Anzahl von Malen N ist vorbestimmt. Die Gesamtzahl der ersten Bereiche und zweiten Bereiche, die durch die Steuerung der Verteilungsbildung gebildet werden, wird ein Wert der vorbestimmten Anzahl von Malen N plus 1. Die vorbestimmte Anzahl von Malen N wird auf gleich oder größer als zwei, vorzugsweise gleich oder größer als drei, noch bevorzugter gleich oder größer als vier gesetzt.
  • Wenn in Schritt S109 festgestellt wird, dass die Anzahl der Ausführungen „Anzahl“ kleiner ist als die vorbestimmte Anzahl von Malen N, fährt das vorliegende Steuerprogramm mit Schritt S110 fort. In Schritt S110 stellt die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses fest, ob das aktuelle Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAF das fette Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFfett ist. Das heißt, die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses stellt fest, ob die aktuelle Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses die Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ist.
  • Wenn in Schritt S110 festgestellt wird, dass das aktuelle Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAF das fette Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFfett ist, d.h. wenn festgestellt wird, dass die aktuelle Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses die Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ist, fährt das vorliegende Steuerprogramm mit Schritt S111 fort. In Schritt S111 setzt die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAF auf das magere Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFmager. Das heißt, die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses schaltet das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAF von dem fetten Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFfett auf das magere Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFmager um und führt die Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durch.
  • Als Nächstes addiert die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in Schritt S112 „1“, um die Anzahl der Ausführungen zu aktualisieren. Nach Schritt S112 endet das vorliegende Steuerprogramm.
  • Andererseits, wenn in Schritt S110 festgestellt wird, dass das aktuelle Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAF das magere Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFmager ist, d.h. wenn festgestellt wird, dass die aktuelle Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses die Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ist, fährt das vorliegende Steuerprogramm mit Schritt S113 fort. In Schritt S113 setzt die Vorrichtung zur Steuerung es Luft-Kraftstoff-Verhältnisses das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAF auf das fette Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFfett. Das heißt, die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses schaltet das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAF von dem mageren Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFmager auf das fette Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFfett um und führt eine Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durch.
  • Als Nächstes addiert die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in Schritt S112 „1“, um die Anzahl der Ausführungen zu aktualisieren. Nach Schritt S112 endet das vorliegende Steuerprogramm.
  • Danach, wenn in Schritt S109 festgestellt wird, dass die Anzahl der Ausführungen „Anzahl“ gleich oder größer als die vorbestimmte Anzahl von Malen N ist, fährt das vorliegende Steuerprogramm mit Schritt S114 fort. In Schritt S114 setzt die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses den Merker der Verteilungsbildung Fd und die Anzahl der Ausführungen „Anzahl“ auf Null zurück.
  • Als Nächstes startet die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in Schritt S115 die normale Steuerung. Bei der normalen Steuerung wird beispielsweise das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases TAF auf einen Wert eingestellt, der etwas magerer als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist. Es ist zu beachten, dass bei der normalen Steuerung das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases TAF auf einen Wert, der etwas fetter ist als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis, das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis, ein Wert, der dem Betriebszustand des Verbrennungsmotors entspricht, usw., eingestellt werden kann. Nach Schritt S115 ist das vorliegende Steuerprogramm beendet.
  • Zweite Ausführungsform
  • Die Konfiguration und die Steuerung der Abgasreinigungsvorrichtung in einer zweiten Ausführungsform sind grundsätzlich ähnlich wie die Abgasreinigungsvorrichtung in der ersten Ausführungsform. Aus diesem Grund wird im Folgenden die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Schwerpunkt auf den von der ersten Ausführungsform verschiedenen Bauteilen erläutert.
  • Wie vorstehend erläutert, in der Steuerung der Verteilungsbildung, führt die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses abwechselnd die Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und die Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durch, so dass die Schwankungsbeträge des Sauerstoffs des Katalysators 20 während jeder Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses allmählich kleiner werden. Diesbezüglich wird in der zweiten Ausführungsform, indem das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis während der Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses allmählich dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis angenähert wird, der Schwankungsbetrag des Sauerstoffs des Katalysators 20 während der Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses allmählich kleiner gemacht. Das heißt, die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses führt abwechselnd die Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und die Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durch, so dass die Unterschiede zwischen dem Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases und dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis während jeder Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses allmählich kleiner werden.
  • Erläuterung der Steuerung der Verteilungsbildung mittels Zeitdiagramm
  • Unter Bezugnahme auf 7 wird ein spezifisches Beispiel für die Steuerung der Verteilungsbildung in der zweiten Ausführungsform erläutert. 7 ist ein Zeitdiagramm des Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des einströmenden Abgases, des kumulierten Wertes der Zufuhrmenge an Reduktionsmittel und des kumulierten Wertes der Zufuhrmenge an Sauerstoff, wenn die Steuerung der Verteilungsbildung durchgeführt wird. In gleicher Weise wie 5A ist in 5B ein Sauerstoffspeicherzustand entlang der axialen Richtung des Katalysators 20 zu verschiedenen Zeiten von 7 (Zeiten t1 bis t5) gezeigt.
  • In gleicher Weise wie im Beispiel von 5A wird die Steuerung der Verteilungsbildung zu dem Zeitpunkt t1 gestartet, zu dem nur ein erster Bereich am Katalysator 20 gebildet wird. Um einen zweiten Bereich an der stromaufwärtigen Seite des ersten Bereiches zu bilden, wird zunächst das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases auf ein erstes fettes Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFfett1 eingestellt, das fetter ist als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis, und die Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses wird gestartet.
  • Die Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses wird für genau eine vorbestimmte Zeitdauer vom Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t2 durchgeführt. Der Schwankungsbetrag des Sauerstoffs (Sauerstofffreisetzungsmenge) während der Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ist kleiner als die Sauerstoffspeichermenge, die zum Zeitpunkt t1 im Katalysator 20 gespeichert war, d.h. die Menge an Sauerstoff, die im Katalysator 20 insgesamt gespeichert werden kann. Aus diesem Grund wird, wie in 5B gezeigt, zum Zeitpunkt t2, wenn die Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses beendet ist, ein zweiter Bereich an der stromaufwärtigen Seite des ersten Bereichs gebildet.
  • Als Nächstes wird zum Zeitpunkt t2, um einen ersten Bereich an der stromaufwärtigen Seite des zweiten Bereichs zu bilden, das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases auf ein erstes mageres Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFmager1 eingestellt, das magerer ist als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis, und die Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses wird gestartet. Die Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses wird z. B. eine vorbestimmte Zeit vom Zeitpunkt t2 bis zum Zeitpunkt t3 durchgeführt. Die Zeitdauer vom Zeitpunkt t2 bis zum Zeitpunkt t3 ist gleich der Zeitdauer vom Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t2. Weiterhin ist die Differenz zwischen dem ersten mageren Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFmager1 und dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff -Verhältnis kleiner als die Differenz zwischen dem ersten fetten Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFfett1 und dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Infolgedessen wird der Schwankungsbetrag des Sauerstoffs (Sauerstoffspeichermenge) während der Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses vom Zeitpunkt t2 zum Zeitpunkt t3 kleiner als der Schwankungsbetrag des Sauerstoffs (Sauerstofffreisetzungsmenge) während der Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses vom Zeitpunkt t1 zum Zeitpunkt t2. Aus diesem Grund wird, wie in 5B gezeigt, zum Zeitpunkt t3 ein erster Bereich an der stromaufwärtigen Seite des zweiten Bereichs gebildet.
  • Als Nächstes wird, um einen zweiten Bereich an der stromaufwärtigen Seite des ersten Bereichs zu bilden, das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases auf ein zweites fettes Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFfett2 eingestellt, das fetter ist als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis, und die Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses wird durchgeführt. Die Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses wird für genau eine vorbestimmte Zeitdauer vom Zeitpunkt t3 bis zum Zeitpunkt t4 durchgeführt. Die Zeitdauer vom Zeitpunkt t3 bis zum Zeitpunkt t4 ist gleich der Zeitdauer vom Zeitpunkt t2 bis zum Zeitpunkt t3. Weiterhin ist die Differenz zwischen dem zweiten fetten Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFfett2 und dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis kleiner als die Differenz zwischen dem ersten mageren Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFmager1 und dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Infolgedessen wird der Schwankungsbetrag des Sauerstoffs (Sauerstofffreisetzungsmenge) während der Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses vom Zeitpunkt t3 zum Zeitpunkt t4 kleiner als der Schwankungsbetrag des Sauerstoffs (Sauerstoffspeichermenge) während der Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses vom Zeitpunkt t2 zum Zeitpunkt t3. Aus diesem Grund wird, wie in 5B gezeigt, zum Zeitpunkt t4 ein zweiter Bereich an der stromaufwärtigen Seite des ersten Bereichs gebildet.
  • Als Nächstes wird, um einen ersten Bereich an der stromaufwärtigen Seite des zweiten Bereichs an der stromaufwärtigen Seite zu bilden, das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases auf ein zweites mageres Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFmager2 eingestellt, das magerer ist als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis, und die Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses wird durchgeführt. Die Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses wird für genau eine vorbestimmte Zeitdauer vom Zeitpunkt t4 bis zum Zeitpunkt t5 durchgeführt. Die Zeitdauer vom Zeitpunkt t4 bis zum Zeitpunkt t5 ist gleich der Zeitdauer vom Zeitpunkt t3 bis zum Zeitpunkt t4. Weiterhin ist die Differenz zwischen dem zweiten mageren Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFmager2 und dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis kleiner als die Differenz zwischen dem zweiten fetten Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFfett2 und dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Infolgedessen wird der Schwankungsbetrag des Sauerstoffs (Sauerstoffspeichermenge) während der Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses vom Zeitpunkt t4 bis zum Zeitpunkt t5 kleiner als Schwankungsbetrag des Sauerstoffs (Sauerstofffreisetzungsmenge) während der Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses vom Zeitpunkt t3 bis zum Zeitpunkt t4. Aus diesem Grund wird, wie in 5B gezeigt, zum Zeitpunkt t5 ein erster Bereich auf der stromaufwärtigen Seite des zweiten Bereichs in der stromaufwärtigen Seite gebildet. Zum Zeitpunkt t5 endet die Steuerung der Verteilungsbildung und die normale Steuerung wird wieder gestartet.
  • Steuerung der Verteilungsbildung
  • 8A und 8B sind Flussdiagramme, die ein Steuerprogramm der Steuerung der Verteilungsbildung in der zweiten Ausführungsform zeigen. Das vorliegende Steuerprogramm wird von der ECU 31 in vorbestimmten Zeitintervallen wiederholt durchgeführt.
  • Die Schritte S201 bis S206 werden auf die gleiche Weise wie die Schritte S101 bis S106 von 6A durchgeführt. Diesmal setzt die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in Schritt S206 das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAF auf das fette Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFfett (1) und setzt in Schritt S204 das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAF auf das magere Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFmager (1). Das fette Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFfett (1) ist das fette Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis, wenn die Anzahl der Ausführungen „Anzahl“ 1 ist und vorbestimmt ist. Das magere Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFmager (1) ist das magere Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis, wenn die Anzahl der Ausführungen „Anzahl“ 1 ist und vorbestimmt ist.
  • Wenn in Schritt S201 festgestellt wird, dass der Merker der Verteilungsbildung Fd 1 ist, fährt das vorliegende Steuerprogramm mit Schritt S207 fort. In Schritt S207 addiert die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in gleicher Weise wie in Schritt S107 von 6B eine inkrementelle Zeitdauer Δt, um die kumulierte Zeitdauer ET zu aktualisieren.
  • Als Nächstes stellt Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in Schritt S208 fest, ob die kumulierte Zeitdauer ET gleich oder größer als eine vorbestimmte Zeitdauer Tref ist. Die vorbestimmte Zeitdauer Tref ist vorbestimmt. Wenn in Schritt S208 festgestellt wird, dass die kumulierte Zeitdauer ET kleiner als die vorbestimmte Zeitdauer Tref ist, wird das vorliegende Steuerprogramm beendet. In diesem Fall wird die aktuelle Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses fortgesetzt.
  • Andererseits, wenn in Schritt S208 festgestellt wird, dass die kumulierte Zeitdauer ET gleich oder größer als die vorbestimmte Zeitdauer Tref ist, geht das vorliegende Steuerprogramm zu Schritt S209 über. In Schritt S209 stellt die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf die gleiche Weise wie in Schritt S109 von 6B fest, ob die Anzahl der Ausführungen „Anzahl“ gleich oder größer ist als die vorbestimmte Anzahl der Male N.
  • Wenn in Schritt S209 festgestellt wird, dass die Anzahl der Male der Ausführungen „Anzahl“ kleiner als die vorbestimmte Anzahl von Malen N ist, fährt das vorliegende Steuerprogramm mit Schritt S210 fort. In Schritt S210 addiert die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses „1“, um die Anzahl der Ausführungen „Anzahl“ zu aktualisieren.
  • Als Nächstes stellt die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in Schritt S211 fest, ob das aktuelle Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAF das fette Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFfett ist. Wenn in Schritt S211 festgestellt wird, dass das aktuelle Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAF das fette Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFfett ist, d.h. wenn festgestellt wird, dass die aktuelle Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses die Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ist, fährt das vorliegende Steuerprogramm mit Schritt S212 fort.
  • In Schritt S212 setzt die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAF auf das magere Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFmager (Anzahl). Das heißt, die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses schaltet das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAF vom fetten Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFfett (Anzahl-1) auf das magere Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFmager (Anzahl) um und führt die Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durch. Das magere Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFmager (Anzahl) wird für jede der Anzahl von Ausführungen „Anzahl“ vorbestimmt. Der Magerkeitsgrad des eingestellten mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses TAFmager (Anzahl) wird umso kleiner, je größer der Wert der Anzahl der Ausführungen „Anzahl“ ist. Es ist zu beachten, dass der „Magerkeitsgrad“ die Differenz zwischen einem magereren Luft-Kraftstoff-Verhältnis als dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis und dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis bedeutet. Nach Schritt S212 endet das vorliegende Steuerprogramm.
  • Andererseits, wenn in Schritt S211 festgestellt wird, dass das aktuelle Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAF das magere Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFmager ist, d.h. wenn festgestellt wird, dass die aktuelle Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eine Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ist, geht das vorliegende Steuerprogramm zu Schritt S213 über. In Schritt S213 setzt die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAF auf das fette Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFfett (Anzahl). Das heißt, die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses schaltet das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAF von dem mageren Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFmager (Anzahl-1) auf das fette Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFfett (Anzahl) um und führt die Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durch. Das fette Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFfett (Anzahl) wird für jede der Anzahl der Ausführungen „Anzahl“ vorbestimmt. Der „Fettheitsgrad“ des fetten Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses TAFfett (Anzahl) ist umso kleiner, je größer der Wert der Anzahl der Ausführungen „Anzahl“ ist. Es ist zu beachten, dass der „Fettheitsgrad“ die Differenz zwischen einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis fetter als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis und dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis bedeutet. Nach Schritt S213 endet das vorliegende Steuerprogramm.
  • Wenn in Schritt S209 festgestellt wird, dass die Anzahl der Ausführungen „Anzahl“ gleich oder größer als eine vorbestimmte Anzahl N ist, geht das vorliegende Steuerprogramm zu Schritt S214 über. In Schritt S214 setzt die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses den Merker der Verteilungsbildung Fd und die Anzahl der Ausführungen „Anzahl“ auf Null zurück.
  • Als Nächstes beginnt die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungsvorrichtung in Schritt S215 auf die gleiche Weise wie in Schritt S115 von 6B mit der normalen Steuerung. Nach Schritt S215 endet das vorliegende Steuerprogramm.
  • Dritte Ausführungsform
  • Die Konfiguration und die Steuerung der Abgasreinigungsvorrichtung in der dritten Ausführungsform sind grundsätzlich ähnlich wie die Abgasreinigungsvorrichtung in der ersten Ausführungsform. Aus diesem Grund wird im Folgenden die dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Schwerpunkt auf den von der ersten Ausführungsform verschiedenen Bauteilen erläutert.
  • Wie vorstehend erläutert, in der Steuerung der Verteilungsbildung, wiederholt die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses abwechselnd die Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und die Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses. Bei der Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses wird das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases auf ein fettes Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingestellt, während bei der Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases auf ein mageres Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingestellt wird.
  • Zu diesem Zeitpunkt ist es durch Erhöhen des Fettheitgrades des fetten Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und des Magerkeitsgrades des mageren Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses möglich, schnell eine Vielzahl von Bereichen hoher Aktivität innerhalb des Katalysators 20 zu bilden, um die Abgasreinigungsleistung des Katalysators 20 schnell zu verbessern. Wenn jedoch der Fettheitsgrad des fetten Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und der Fettheitsgrad des mageren Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses erhöht werden, können sich die Abgasemissionen während der Steuerung der Verteilungsbildung verschlechtern. Je weiter die Verschlechterung des Katalysators 20 fortschreitet, desto mehr sinkt die Abgasreinigungsleistung des Katalysators 20 und desto auffallender wird die Verschlechterung der Abgasemissionen während der Steuerung der Verteilungsbildung.
  • Daher berechnet in der dritten Ausführungsform die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses den Grad der Verschlechterung des Katalysators 20 und stellt das fette Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis und das magere Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis basierend auf dem Grad der Verschlechterung des Katalysators 20 ein. Auf diese Weise ist es möglich, eine Verschlechterung der Abgasemissionen während der Steuerung der Verteilungsbildung zu verhindern und gleichzeitig die Abgasreinigungsleistung des Katalysators 20 durch die Steuerung der Verteilungsbildung schnell zu verbessern.
  • Ferner, wie vorstehend erläutert, führt die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses abwechselnd die Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und die Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durch, so dass der Schwankungsbetrag des Katalysators 20 während jeder Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses allmählich kleiner wird. Der Schwankungsbetrag des Sauerstoffs des Katalysators 20 (Sauerstofffreisetzungsmenge) während der Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses wird umso größer, je größer die Zufuhrmenge des Reduktionsmittels während der Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ist. Andererseits wird der Schwankungsbetrag des Sauerstoffs des Katalysators 20 (Sauerstoffspeichermenge) während der Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses umso größer, je größer die Menge der Sauerstoffzufuhr zum Katalysator 20 während der Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ist. Außerdem schwanken die Zufuhrmenge des Reduktionsmittels und die die Zufuhrmenge des Sauerstoffs zum Katalysator 20 je nach Betriebszustand des Verbrennungsmotors.
  • Aus diesem Grund berechnet die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in der dritten Ausführungsform die Zufuhrmenge des Reduktionsmittels zum Katalysator 20 während der Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und beendet die Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, wenn die Zufuhrmenge des Reduktionsmittels zum Katalysator 20 eine vorbestimmte Menge erreicht. Dadurch kann verhindert werden, dass dem stromabwärtigen Endteil des ersten Bereichs Reduktionsmittel zugeführt wird, wenn ein zweiter Bereich an der stromaufwärtigen Seite eines ersten Bereichs gebildet wird, und es ist möglich, einen hochaktiven Bereich zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich zuverlässiger zu bilden. Ferner berechnet die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses die Zufuhrmenge des Sauerstoffs zum Katalysator 20 während der Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und beendet die Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, wenn die Zufuhrmenge des Sauerstoffs zum Katalysator 20 eine vorbestimmte Menge erreicht. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass dem stromabwärtigen Endteil des zweiten Bereichs Sauerstoff zugeführt wird, wenn ein erster Bereich an der stromaufwärtigen Seite eines zweiten Bereichs gebildet wird, und es ist möglich, einen hochaktiven Bereich zwischen dem zweiten Bereich und dem ersten Bereich zuverlässiger zu bilden.
  • Verarbeitung zur Einstellung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
  • 9 ist ein Flussdiagramm, das ein Steuerprogramm zur Verarbeitung des Einstellens eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in der dritten Ausführungsform zeigt. Das vorliegende Steuerprogramm wird von der ECU 31 zu vorbestimmten Zeitpunkten wiederholt durchgeführt, zum Beispiel wird es einmal durchgeführt, jedes Mal, wenn ein Zündschalter des Fahrzeugs, in dem der Verbrennungsmotor verbaut ist, auf EIN gestellt wird.
  • Zunächst berechnet die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in Schritt 301 einen Grad der Verschlechterung des Katalysators 20. Beispielsweise verwendet die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eine bekannte Technik, um die Menge an Sauerstoff zu berechnen, die im Katalysator 20 als Ganzes gespeichert werden kann, und berechnet den Grad der Verschlechterung des Katalysators 20 basierend auf der Menge. In diesem Fall wird der Grad der Verschlechterung des Katalysators 20 umso größer, je kleiner die Menge des Sauerstoffs ist, die im Katalysator 20 insgesamt gespeichert werden kann. Es ist zu beachten, dass unter Berücksichtigung der Verschlechterung des Katalysators 20 im Laufe der Zeit die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses den Grad der Verschlechterung des Katalysators 20 auf der Grundlage der kumulierten Menge der Ansaugluft usw. berechnen kann.
  • Als Nächstes, in Schritt S302, verwendet die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses beispielsweise ein Kennfeld, um das fette Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFfett und das magere Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFmager basierend auf dem Grad der Verschlechterung des Katalysators 20 einzustellen. In dem Kennfeld wird, je größer der Grad der Verschlechterung des Katalysators 20 ist, d. h. je mehr der Katalysator 20 sich verschlechtert hat, das fette Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFfett und das magere Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFmager umso kleiner eingestellt. Nach Schritt S302 endet das vorliegende Steuerprogramm.
  • Steuerung der Verteilungsbildung
  • 10A bis 10C sind Flussdiagramme, die ein Steuerprogramm der Verteilungsbildung in der dritten Ausführungsform zeigen. Das vorliegende Steuerprogramm wird von der ECU 31 in vorbestimmten Zeitintervallen wiederholt durchgeführt.
  • Die Schritte S401 bis S406 werden auf die gleiche Weise wie die Schritte S101 bis S106 von 6A durchgeführt. Zu diesem Zeitpunkt werden als mageres Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFmager in Schritt S404 und als fettes Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFfett in Schritt S406 die Werte verwendet, die durch das Steuerprogramm von 9 eingestellt wurden.
  • Wenn in Schritt S401 festgestellt wird, dass der Merker der Verteilungsbildung Fd 1 ist, fährt das vorliegende Steuerprogramm mit Schritt S407 fort. In Schritt S407 stellt Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses fest, ob das aktuelle Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAF das fette Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFfett ist. Das heißt, die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses stellt fest, ob die aktuelle Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses die Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ist.
  • Wenn in Schritt S407 festgestellt wird, dass das aktuelle Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAF das fette Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFfett ist, d.h. wenn festgestellt wird, dass die aktuelle Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses die Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ist, fährt das vorliegende Steuerprogramm mit Schritt S408 fort. In Schritt S408 berechnet die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses die Zufuhrmenge des Reduktionsmittels RFA zum Katalysator 20 während der Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses.
  • Die Menge des in den Katalysator 20 einströmenden Reduktionsmittels ändert sich in Abhängigkeit vom Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases und der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases. Ferner kann der Abgasdurchsatz basierend auf der vom Luftdurchflussmesser 40 erfassten Ansaugluftmenge und der Kraftstoffeinspritzmenge der Kraftstoffeinspritzdüsen 11 berechnet werden. Aus diesem Grund berechnet z. B. die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses die Menge an Reduktionsmittel, die pro Zeiteinheit in den Katalysator 20 strömt, basierend auf dem ausgegebenen Luft-Kraftstoff-Verhältniss des stromaufwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41, der Ansaugluftmenge und der Menge der Kraftstoffeinspritzung und addiert die Menge, um die Zufuhrmenge des Reduktionsmittels RFA zum Katalysator 20 zu berechnen. Es ist zu beachten, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases aus der Menge der Ansaugluft und der Menge der Kraftstoffeinspritzung berechnet werden kann. Das heißt, die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses berechnet die Menge an Reduktionsmittel, die pro Zeiteinheit in den Katalysator 20 strömt, basierend auf der Menge der Ansaugluft und der Menge der Kraftstoffeinspritzung.
  • Als Nächstes stellt die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in Schritt S409 fest, ob die Zufuhrmenge des Reduktionsmittels RFA gleich oder größer als eine vorbestimmte Menge X (Anzahl) ist. Die vorbestimmte Menge X (Anzahl) ist für jede der Anzahl von Ausführungen „Anzahl“ vorbestimmt. Die vorbestimmte Menge X (Anzahl) wird umso kleiner, je größer der Wert der Anzahl der Ausführungen „Anzahl“ ist. Zum Beispiel ist der vorbestimmte Betrag X (2), wenn die Anzahl der Ausführungen „Anzahl“ 2 ist, kleiner als der vorbestimmte Betrag X (1), wenn die Anzahl der Ausführungen „Anzahl“ 1 ist.
  • Wenn im Schritt S409 festgestellt wird, dass die Zufuhrmenge des Reduktionsmittels RFA kleiner ist als die vorbestimmte Menge X (Anzahl), endet das vorliegende Steuerprogramm. Wenn andererseits in Schritt S409 festgestellt wird, dass die Zufuhrmenge des Reduktionsmittels RFA gleich oder größer als die vorbestimmte Menge X (Anzahl) ist, fährt das vorliegende Steuerprogramm mit Schritt S410 fort. In Schritt S410 stellt die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in gleicher Weise wie in Schritt S109 von 6B fest, ob die Anzahl der Ausführungen „Anzahl“ gleich oder größer ist als eine vorbestimmte Anzahl von Malen N.
  • Wenn in Schritt S410 festgestellt wird, dass die Anzahl der Ausführungen „Anzahl“ kleiner als die vorbestimmte Anzahl von Malen N ist, fährt das vorliegende Steuerprogramm mit Schritt S411 fort. In Schritt S411 setzt die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAF auf das magere Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFmager. Das heißt, die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses schaltet das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAF vom fetten Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFfett auf das magere Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFmager um und führt die Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durch. Zu diesem Zeitpunkt wird der durch das Steuerprogramm von 9 eingestellte Wert als mageres Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFmager verwendet.
  • Als Nächstes, im Schritt S412, addiert die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses „1“, um die Anzahl der Ausführungen zu aktualisieren. Nach Schritt S412 endet das vorliegende Steuerprogramm.
  • Andererseits, wenn in Schritt S410 festgestellt wird, dass die Anzahl der Ausführungen „Anzahl“ gleich oder größer als die vorbestimmte Anzahl von Malen N ist, geht das vorliegende Steuerprogramm zu Schritt S413 über. In Schritt S413 setzt die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses den Merker der Verteilungsbildung Fd und die Anzahl der Ausführungen „Anzahl“ auf Null zurück.
  • Als Nächstes startet die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in Schritt S414 auf die gleiche Weise wie in Schritt S115 von 6B die normale Steuerung. Nach Schritt S414 endet das vorliegende Steuerprogramm.
  • Wenn in Schritt S407 entschieden wird, dass das aktuelle Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAF das magere Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFmager ist, d.h. wenn entschieden wird, dass die aktuelle Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eine Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ist, geht das vorliegende Steuerprogramm zu Schritt S415 über. In Schritt S415 berechnet die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses die Zufuhrmenge des Sauerstoffs OFA zum Katalysator 20 während der Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses.
  • Die Menge des in den Katalysator 20 einströmenden Sauerstoffs ändert sich in Abhängigkeit vom Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases und der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases. Aus diesem Grund berechnet die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnissesd beispielsweise die in den Katalysator 20 pro Zeiteinheit einströmende Sauerstoffmenge basierend auf dem ausgegebenen Luft-Kraftstoff-Verhältnis des stromaufwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41, der Ansaugluftmenge und der Kraftstoffeinspritzmenge und addiert die Menge kumuliert, um die Zufuhrmenge des Sauerstoffs OFA zum Katalysator 20 zu berechnen. Es ist zu beachten, dass die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses die Menge an Sauerstoff, die pro Zeiteinheit in den Katalysator 20 strömt, basierend auf der Menge an Ansaugluft und der Menge an Kraftstoffeinspritzung berechnen kann.
  • Als Nächstes stellt die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in Schritt S416 fest, ob die Zufuhrmenge an Sauerstoff OFA gleich oder größer als eine vorbestimmte Menge Y (Anzahl) ist. Der vorbestimmte Betrag Y (Anzahl) wird im Voraus für jede der Anzahl von Ausführungen „Anzahl“ eingestellt. Der vorbestimmte Betrag Y (Anzahl) wird um so kleiner, je größer der Wert der Anzahl der Ausführungen „Anzahl“ ist. Zum Beispiel ist der vorbestimmte Betrag Y(2), wenn die Anzahl der Ausführungen „Anzahl“ 2 ist, kleiner als der vorbestimmte Betrag Y(1), wenn die Anzahl der Ausführungen „Anzahl“ 1 ist.
  • Wenn in Schritt S416 festgestellt wird, dass die Zufuhrmenge des Sauerstoffs OFA kleiner als eine vorbestimmte Menge Y(Anzahl) ist, endet das vorliegende Steuerprogramm. Wenn andererseits in Schritt S416 festgestellt wird, dass die Zufuhrmenge an Sauerstoff OFA gleich oder größer als die vorbestimmte Menge Y (Anzahl) ist, fährt das vorliegende Steuerprogramm mit Schritt S417 fort. In Schritt S417 stellt die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf die gleiche Weise wie in Schritt S109 von 6B fest, ob die Anzahl der Ausführungen „Anzahl“ gleich oder größer als eine vorbestimmte Anzahl von Malen N ist.
  • Wenn in Schritt S417 festgestellt wird, dass die Anzahl der Male der Ausführungen „Anzahl“ kleiner als eine vorbestimmte Anzahl von Malen N ist, fährt das vorliegende Steuerprogramm mit Schritt S418 fort. In Schritt S418 stellt die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAF auf das fette Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFfett ein. Das heißt, die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses schaltet das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAF vom mageren Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFmager auf das fette Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFfett um und führt die Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durch. Zu diesem Zeitpunkt wird als fettes Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFfett der durch das Steuerprogramm von 9 eingestellte Wert verwendet.
  • Als Nächstes addiert die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in Schritt S419 „1“, um die Anzahl der Ausführungen zu aktualisieren. Nach Schritt S419 ist das vorliegende Steuerprogramm beendet.
  • Andererseits, wenn in Schritt S417 festgestellt wird, dass die Anzahl der Male der Ausführungen „Anzahl“ gleich oder größer als die vorbestimmte Anzahl von Malen N ist, geht das vorliegende Steuerprogramm zu Schritt S420 über. In Schritt S420 setzt die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses den Merker der Verteilungsbildung Fd und die Anzahl der Ausführungen „Anzahl“ auf Null zurück.
  • Als Nächstes startet die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in Schritt S421 auf die gleiche Weise wie in Schritt S115 von 6B die normale Steuerung. Nach Schritt S421 endet das vorliegende Steuerprogramm.
  • Es ist zu beachten, dass bei der dritten Ausführungsform das Steuerprogramm von 9 weggelassen werden kann, und dass vorbestimmte Werte als das magere Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFmager bei Schritt S404 von 10A und Schritt S411 von 10B und als das fette Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFfett bei Schritt S406 von 10A und Schritt S418 von 10C verwendet werden können.
  • Vierte Ausführungsform
  • Die Konfiguration und die Steuerung der Abgasreinigungsvorrichtung in der vierten Ausführungsform sind grundsätzlich ähnlich wie die Abgasreinigungsvorrichtung in der ersten Ausführungsform. Aus diesem Grund wird im Folgenden die vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert, wobei der Schwerpunkt auf den Bauteilen liegt, die sich von der ersten Ausführungsform unterscheiden.
  • Wie vorstehend erläutert, hat der Katalysator 20 ein Edelmetall mit einer katalytischen Wirkung. Das Edelmetall weist z.B. Platin (Pt), Palladium (Pd) und Rhodium (Rh) auf. Die als Edelmetall verwendeten Pt, Pd und Rh unterscheiden sich jeweils in ihrer Beständigkeit hinsichtlich des thermischen Abbaus in einer oxidierenden Atmosphäre und in einer reduzierenden Atmosphäre. Das spezifische Prinzip, warum ein solches Phänomen auftritt, ist nicht unbedingt klar, aber es wird angenommen, dass es aufgrund des folgenden solchen Mechanismus auftritt.
  • Pt und Rh haben die Eigenschaft, bei einer hohen Temperatur im oxidierten Zustand einen höheren Dampfdruck zu haben. Mit anderen Worten, Pt und Rh haben die Eigenschaften, dass der Dampfdruck bei bestimmten Temperaturen in einer oxidierenden Atmosphäre höher wird als in einer reduzierenden Atmosphäre. Aus diesem Grund kommt es in einer oxidierenden Atmosphäre eher zu einer Verdampfung von Pt und Rh als in einer reduzierenden Atmosphäre, und die thermische Zersetzung des Katalysators 20 wird gefördert.
  • Andererseits hat Pd die Eigenschaft, bei einer hohen Temperatur bei der Oxidation einen niedrigeren Dampfdruck zu haben. Mit anderen Worten, Pd hat die Eigenschaft, dass der Dampfdruck bei einer vorbestimmten Temperatur in einer oxidierenden Atmosphäre im Vergleich zu einer reduzierenden Atmosphäre niedriger wird. Aus diesem Grund tritt die Verdampfung von Pd in einer oxidierenden Atmosphäre im Vergleich zu einer reduzierenden Atmosphäre leichter auf und die thermische Verschlechterung des Katalysators 20 wird gefördert.
  • Daher wird in einem ersten Bereich mit einer Sauerstoffspeichermenge, die gleich oder größer als ein vorbestimmter Wert ist, die Wärmeverschlechterung des Katalysators 20 aufgrund der Verdampfung von Pt und Rh stärker gefördert als in einem zweiten Bereich mit einer Sauerstoffspeichermenge, die kleiner als der vorbestimmte Wert ist. Andererseits wird in dem zweiten Bereich die Wärmeverschlechterung des Katalysators 20 aufgrund der Verdampfung von Pd stärker gefördert als in dem ersten Bereich. Aus diesem Grund wird, wenn der erste Bereich und der zweite Bereich zu allen Zeiten an denselben Positionen innerhalb des Katalysators 20 gebildet werden, wenn die Steuerung der Verteilungsbildung wiederholt durchgeführt wird, die Wärmeverschlechterung des Katalysators 20 aufgrund spezifischer Edelmetalle lokal fortschreiten.
  • Zum Beispiel wird an einer Position, an der der erste Bereich wiederholt gebildet wird, die Verdampfung von Pt und Rh gefördert, die Oxidationsreaktion von HC und CO durch Pt und die Reduktionsreaktion von NOx durch Rh werden unterdrückt, und die Abgasreinigungsleistung des Katalysators 20 sinkt. Andererseits wird an einer Position, an der der zweite Bereich wiederholt gebildet wird, die Verdampfung von Pd gefördert, die Oxidationsreaktion von HC und CO durch Pd wird unterdrückt, und die Abgasreinigungsleistung des Katalysators 20 sinkt.
  • Daher steuert in der vierten Ausführungsform bei wiederholter Durchführung der Steuerung der Verteilungsbildung die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases so, dass die Positionen des ersten Bereichs und des zweiten Bereichs, die am Katalysator 20 durch die Steuerung der Verteilungsbildung gebildet werden, umgekehrt werden. Mit anderen Worten, bei wiederholter Durchführung der Steuerung der Verteilungsbildung steuert die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases so, dass sich die Verteilung des ersten Bereichs und des zweiten Bereichs, die am Katalysator 20 durch die Steuerung der Verteilungsbildung gebildet werden, umkehrt. Dadurch ist es möglich, eine örtlich fortschreitende Wärmeverschlechterung des Katalysators 20 zu verhindern, und es ist wiederum möglich, ein Absinken der Abgasreinigungsleistung des Katalysators 20 zu verhindern.
  • Wie vorstehend erläutert, führt die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bei der Steuerung der Verteilungsbildung abwechselnd die Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und die Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durch. Wenn beispielsweise die Positionen des ersten Bereichs und des zweiten Bereichs umgeschaltet werden, kehrt die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses die Reihenfolge der Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und der Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in der darauf folgenden Steuerung der Verteilungsbildung um.
  • 11 ist eine Darstellung, die ein Beispiel für die Verteilung der ersten Bereiche und zweiten Bereiche zeigt, die am Katalysator 20 gebildet werden, wenn die Steuerung der Verteilungsbildung in der vierten Ausführungsform wiederholt durchgeführt wird. Bei der ersten, dritten und fünften Steuerung der Verteilungsbildung wird die Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zuerst von dem Zustand aus durchgeführt, in dem der Sauerstoff des Katalysators 20 gesättigt ist. Andererseits wird bei der zweiten und vierten Steuerung der Verteilungsbildung die Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zuerst von dem Zustand aus durchgeführt, in dem der Sauerstoff des Katalysators 20 aufgebraucht ist.
  • Infolgedessen wird an dem Katalysator 20 nach der ersten, dritten und fünften Steuerung der Verteilungsbildung ein erster Bereich an der stromabwärtigen Seite des Katalysators 20 gebildet, und ein erster Bereich und ein zweiter Bereich werden abwechselnd entlang der axialen Richtung des Katalysators 20 gebildet. Andererseits wird an dem Katalysator 20 nach der zweiten und vierten Steuerung der Verteilungsbildung ein zweiter Bereich an der stromabwärtigen Seite des Katalysators 20 gebildet und ein zweiter Bereich und ein erster Bereich werden abwechselnd entlang der axialen Richtung des Katalysators 20 gebildet. Das heißt, jedes Mal, wenn die Steuerung der Verteilungsbildung durchgeführt wird, wird die Verteilung der ersten Bereiche und zweiten Bereiche am Katalysator 20 umgekehrt.
  • Steuerung der Verteilungsbildung
  • 12 ist ein Flussdiagramm, das ein Steuerprogramm der Steuerung der Verteilungsbildung in der vierten Ausführungsform zeigt. Das vorliegende Steuerprogramm wird von der ECU 31 in vorbestimmten Zeitintervallen wiederholt durchgeführt.
  • Die Schritte S501 bis S503 werden auf die gleiche Weise wie die Schritte S101 bis S103 von 6A durchgeführt. Wenn in Schritt S502 festgestellt wird, dass das ausgegebene Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFdwn des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 42 gleich oder größer als das als mager beurteilte Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFmager ist, das heißt, wenn festgestellt wird, dass der Katalysator 20 mit Sauerstoff gesättigt ist, fährt das vorliegende Steuerprogramm mit Schritt S508 fort.
  • In Schritt S508 stellt die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses fest, ob der Fett-Merker Fr Null ist. Der Fett-Merker Fr ist ein Merker, der auf 1 gesetzt wird, wenn die Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zuerst in der Steuerung der Verteilungsbildung durchgeführt wird, und der auf Null gesetzt wird, wenn die Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zuerst in der Steuerung der Verteilungsbildung durchgeführt wird. Es ist zu beachten, dass der Anfangswert des Fett-Merkers Fr Null ist.
  • Wenn in Schritt S508 festgestellt wird, dass der Fett-Merker Fr 1 ist, d.h. wenn die Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zuerst in der vorherigen Steuerung der Verteilungsbildung durchgeführt wurde, endet das vorliegende Steuerprogramm. Wenn andererseits in Schritt S508 festgestellt wird, dass der Fett-Merker Fr Null ist, fährt das vorliegende Steuerprogramm mit Schritt S509 fort. In Schritt S509 startet die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in gleicher Weise wie in Schritt S106 von 6A die Steuerung der Verteilungsbildung und setzt das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases TAF auf das fette Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFfett. Das heißt, die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses führt die Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durch.
  • Als Nächstes setzt die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in Schritt S510 den Fett-Merker Fr auf 1 und setzt den Mager-Merker FI auf Null. Als Nächstes setzt die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in Schritt S507 auf die gleiche Weise wie in Schritt S105 von 6A den Merker der Verteilungsbildung Fd und die Anzahl der Ausführungen „Anzahl“ auf 1. Nach Schritt S507 endet das vorliegende Steuerprogramm.
  • Wenn in Schritt S503 festgestellt wird, dass das ausgegebene Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFdwn des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 42 gleich oder kleiner als das festgestellte fette Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFfett ist, d.h. wenn festgestellt wird, dass der Sauerstoff des Katalysators 20 verbraucht wurde, fährt das vorliegende Steuerprogramm mit Schritt S504 fort. In Schritt S504 stellt die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses fest, ob der Mager-Merker FI Null ist. Der Mager-Merker Fl ist ein Merker, der auf 1 gesetzt wird, wenn die Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zuerst in der Steuerung der Verteilungsbildung durchgeführt wird, und das auf Null gesetzt wird, wenn die Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zuerst in der Steuerung der Verteilungsbildung durchgeführt wird. Es ist zu beachten, dass der Anfangswert des Mager-Merkers F1 Null ist.
  • Wenn in Schritt S504 festgestellt wird, dass das Mager-Merker FI 1 ist, d.h. wenn die Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zuerst in der vorherigen Steuerung der Verteilungsbildung durchgeführt wurde, endet das vorliegende Steuerprogramm. Wenn andererseits in Schritt S508 festgestellt wird, dass der Mager-Merker FI Null ist, fährt das vorliegende Steuerprogramm mit Schritt S505 fort. In Schritt S505 startet die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in gleicher Weise wie in Schritt S104 von 6A die Steuerung der Verteilungsbildung und setzt das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases TAF auf das magere Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFmager. Das heißt, die Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses führt die Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durch.
  • Als Nächstes setzt die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in Schritt S506 den Fett-Merker Fr auf Null und setzt den Mager-Merker FI auf 1. Als Nächstes setzt die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in Schritt S507 auf die gleiche Weise wie in Schritt S105 von 6A den Merker der Verteilungsbildung Fd und die Anzahl der Ausführungen „Anzahl“ auf 1. Nach Schritt S507 endet das vorliegende Steuerprogramm.
  • Andererseits, wenn in Schritt S501 festgestellt wird, dass der Merker der Verteilungsbildung Fd 1 ist, werden auf die gleiche Weise wie bei der ersten Ausführungsform die Schritte S107 bis S115 von 6B durchgeführt und der erste Bereich und der zweite Bereich werden am Katalysator 20 gebildet.
  • Es ist zu beachten, dass, wenn in Schritt S508 festgestellt wird, dass der Fett-Merker Fr 1 ist, die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases TAF auf ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis einstellen kann, das fetter ist als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis (zum Beispiel das fette Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFfett), so dass das ausgegebene Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFdwn des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 42 gleich oder kleiner als das als fett beurteilte Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFfett wird. Wenn in Schritt S504 festgestellt wird, dass der Mager-Merker FI 1 ist, kann die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases TAF auf ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis einstellen, das magerer ist als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis (z.B. das magere Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFmager), so dass das ausgegebene Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFdwn des stromabwärtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 42 gleich oder größer wird als das mager beurteilte Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFmager.
  • Ferner werden gemäß dem Steuerprogramm jedes Mal, wenn die Steuerung der Verteilungsbildung durchgeführt wird, die Positionen der ersten Bereiche und die Positionen der zweiten Bereiche am Katalysator 20 umgekehrt. Die Positionen der ersten Bereiche und die Positionen der zweiten Bereiche am Katalysator 20 können jedoch jedes Mal umgekehrt werden, wenn die Steuerung der Verteilungsbildung mehrere Male durchgeführt wird.
  • Andere Ausführungsformen
  • Vorstehend wurden bevorzugte Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. Sie können im Rahmen der Ausdrucksweise der Ansprüche auf verschiedene Weise korrigiert und verändert werden. Beispielsweise kann ein stromabwärtiger Katalysator im Abgaskanal an der stromabwärtigen Seite des Katalysators 20 angeordnet sein, und die Steuerung der Verteilungsbildung kann so durchgeführt werden, dass der erste Bereich und der zweite Bereich abwechselnd am stromabwärtigen Katalysator gebildet werden.
  • Ferner kann die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses die Steuerung der Verteilungsbildung starten, wenn die Gesamtzahl des ersten Bereichs und des zweiten Bereichs, die an dem Katalysator 20 gebildet werden, zwei ist und die Länge in der axialen Richtung des Bereichs an der stromabwärtigen Seite gleich oder kleiner als ein vorbestimmter Wert ist (zum Beispiel 1/10 bis 1/2 der Länge des Katalysators 20 in der axialen Richtung). Das heißt, die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses kann die Steuerung der Verteilungsbildung starten, bevor der Sauerstoff des Katalysators 20 verbraucht ist oder bevor der Katalysator 20 bei der normalen Steuerung mit Sauerstoff gesättigt ist. Zum Beispiel kann die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses die Steuerung der Verteilungsbildung im Sauerstoffspeicherzustand, wie bei t2 in 5B, starten. In diesem Fall schätzt die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses den Sauerstoffspeicherzustand des Katalysators 20 basierend auf der Zufuhrmenge des Sauerstoffs und der Zufuhrmenge des Reduktionsmittels zum Katalysator 20 während der normalen Steuerung.
  • Wenn eine vorbestimmte Bedingung erfüllt ist, führt die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eine Steuerung zum Abschneiden des Kraftstoffs durch, die die Einspritzung von Kraftstoff durch die Kraftstoffeinspritzdüsen 11 stoppt. Normalerweise wird dem Katalysator 20 eine große Menge Sauerstoff zugeführt und der Katalysator 20 wird mit Sauerstoff gesättigt, wenn die Steuerung zum Abschneiden des Kraftstoffs durchgeführt wird. Das heißt, nach der Durchführung der Steuerung zum Abschneiden des Kraftstoffs wird nur ein erster Bereich am Katalysator 20 gebildet. Aus diesem Grund kann die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses nach Beendigung der Steuerung zum Abschneiden des Kraftstoffs mit der Steuerung der Verteilungsbildung beginnen.
  • Des Weiteren kann die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses die Verteilungsbildung so durchführen, dass unterschiedliche Niveaus der Sauerstoffkonzentration, wie in 13 oder 14 gezeigt, gebildet werden. 13 und 14 sind Darstellungen, die Beispiele für den Sauerstoffspeicherzustand entlang der axialen Richtung des Katalysators 20 nach der Steuerung der Verteilungsbildung zeigen. Der in 13 oder 14 gezeigte Zustand kann gebildet werden, indem die Differenz der Schwankungsbeträge des Sauerstoffs des Katalysators 20 zwischen der Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und der Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bei der Steuerung der Verteilungsbildung kleiner gemacht wird.
  • Wenn der Zustand von 13 gebildet wird, wenn ein zweiter Bereich an der stromaufwärtigen Seite eines ersten Bereichs gebildet wird, führt die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses die Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durch, so dass der Sauerstoffspeichermenge des Katalysators 20 den maximale Sauerstoffspeichermenge an einer Stelle in der axialen Richtung des ersten Bereichs erreicht. Ferner führt die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bei der Bildung eines ersten Bereichs an der stromaufwärtigen Seite eines zweiten Bereichs die Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durch, so dass die Sauerstoffspeichermenge des Katalysators 20 an einer Stelle in der axialen Richtung des zweiten Bereichs Null erreicht.
  • Wenn der Zustand von 14 gebildet wird, wenn ein zweiter Bereich an der stromaufwärtigen Seite eines ersten Bereichs gebildet wird, führt die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses die Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durch, so dass die Sauerstoffspeichermenge des Katalysators 20 im ersten Bereich kleiner als die maximale Sauerstoffspeichermenge wird. Wenn ein erster Bereich an der stromaufwärtigen Seite eines zweiten Bereichs gebildet wird, führt die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses die Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durch, so dass die Sauerstoffspeichermenge des Katalysators 20 im zweiten Bereich größer als Null wird. Daher wird im Beispiel von 14, verglichen mit dem Beispiel von 13, der Unterschied in den Schwankungsbeträgen des Sauerstoffs des Katalysators 20 zwischen der Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und der Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bei der Steuerung der Verteilungsbildung weiter verringert. Es ist zu beachten, dass in einem Beispiel wie 14 die Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und die Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses so durchgeführt werden können, dass die Mitte des Schwankungsbereichs der Sauerstoffspeichermenge des Katalysators 20 ein anderer Wert als die Hälfte (50%) der maximalen Sauerstoffspeichermenge wird.
  • Weiterhin können die obigen Ausführungsformen frei kombiniert werden. Wenn beispielsweise das Steuerprogramm von 10A bis 10C durchgeführt wird, können anstelle der Schritte S404 und S406 von 10A die Schritte S204 und S206 von 8A durchgeführt werden, anstelle der Schritte S411 und S412 von 10B können die Schritte S210 und S212 von 8B durchgeführt werden, und anstelle der Schritte S418 und S419 von 10C können die Schritte S210 und S213 von 8B durchgeführt werden.
  • Wenn das Steuerprogramm von 6A und 6B durchgeführt wird, können außerdem die von dem Steuerprogramm von 9 eingestellten Werte als das magere Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFmager in Schritt S104 von 6A und Schritt S111 von 6B und das fette Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFfett in Schritt S106 von 6A und Schritt S113 von 6B verwendet werden. In ähnlicher Weise können, wenn das Steuerprogramm von 12 und 6B durchgeführt wird, die von dem Steuerprogramm von 9 eingestellten Werte als das magere Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFmager bei Schritt S505 von 12 und Schritt S111 von 6B und das fette Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFfett bei Schritt S509 von 12 und Schritt S113 von 6B verwendet werden. In ähnlicher Weise können, wenn das Steuerprogramm von 8A und 8B durchgeführt wird, die durch das Steuerprogramm von 9 eingestellten Werte als das magere Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFmager (1) bei Schritt S204 von 8A und als das fette Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis TAFfett (1) bei Schritt S206 von 8A verwendet werden.
  • Ferner kann, wenn das Steuerprogramm von 8A und 8B durchgeführt wird, anstelle von Schritt S208 von 8B der Schritt S108 von 6B durchgeführt werden. Das heißt, bei der Steuerung der Verteilungsbildung kann die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses abwechselnd die Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und die Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durchführen, so dass die Differenzen des Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des einströmenden Abgases und des stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bei jeder Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses allmählich kleiner werden und die Zeitdauer der Durchführung jeder Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses allmählich kürzer wird.
  • Ferner können, wenn das Steuerprogramm von 8A und 8B durchgeführt wird, die Schritte S504 und S506 von 12 um den Schritt S204 herum durchgeführt werden, und die Schritte S508 und S510 von 12 können um den Schritt S206 herum durchgeführt werden. Wenn das Steuerprogramm von 10A bis 10C durchgeführt wird, können die Schritte S504 und S506 von 12 um Schritt S404 herum durchgeführt werden, und die Schritte S508 und S510 von 12 können um Schritt S406 herum durchgeführt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 20
    Katalysator
    31
    Steuereinheit (ECU)
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2007239698 A [0003, 0004]

Claims (11)

  1. Abgasreinigungsvorrichtung eines Verbrennungsmotors, mit: einem Katalysator, der in einem Abgaskanal angeordnet und in der Lage ist, Sauerstoff zu speichern; und eine Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, die dazu eingerichtet ist, ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis von einströmendem Abgas, das in den Katalysator strömt, zu steuern, wobei die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses dazu eingerichtet ist, eine Steuerung der Verteilungsbildung durchzuführen, die das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases so steuert, dass in dem Katalysator ein erster Bereich mit einer Sauerstoffspeichermenge, die gleich oder größer als ein vorbestimmter Wert ist, und ein zweiter Bereich mit einer Sauerstoffspeichermenge, die kleiner als der vorbestimmte Wert ist, abwechselnd entlang einer axialen Richtung des Katalysators ausgebildet werden, und eine Gesamtzahl des ersten Bereichs und des zweiten Bereichs, die durch die Steuerung der Verteilungsbildung ausgebildet werden, gleich oder größer als drei ist.
  2. Abgasreinigungsvorrichtung des Verbrennungsmotors nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses dazu eingerichtet ist, die Steuerung der Verteilungsbildung so durchzuführen, dass mindestens eine der Grenzen zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich an einer stromabwärtigen Seite des Katalysators ausgebildet wird und mindestens eine der Grenzen an einer stromaufwärtigen Seite des Katalysators ausgebildet wird.
  3. Abgasreinigungsvorrichtung des Verbrennungsmotors nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Gesamtzahl des ersten Bereichs und des zweiten Bereichs, die durch die Steuerung der Verteilungsbildung ausgebildet werden, gleich oder größer als vier ist.
  4. Abgasreinigungsvorrichtung des Verbrennungsmotors nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bei der Steuerung der Verteilungsbildung dazu eingerichtet ist, abwechselnd eine Steuerung eines fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, die das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases fetter als ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis macht, und eine Steuerung eines mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, die das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases magerer als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis macht, durchzuführen, so dass ein Schwankungsbetrag des Sauerstoffs des Katalysators während jeder Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses allmählich kleiner wird.
  5. Abgasreinigungsvorrichtung des Verbrennungsmotors nach Anspruch 4, wobei die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bei der Steuerung der Verteilungsbildung dazu eingerichtet ist, abwechselnd die Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und die Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durchzuführen, so dass eine Differenz zwischen einem Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases und dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis bei jeder Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses allmählich kleiner wird.
  6. Abgasreinigungsvorrichtung des Verbrennungsmotors nach Anspruch 4, wobei die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bei der Steuerung der Verteilungsbildung dazu eingerichtet ist, abwechselnd die Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und die Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durchzuführen, so dass eine Zeitdauer der Durchführung jeder Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses allmählich kürzer wird.
  7. Abgasreinigungsvorrichtung des Verbrennungsmotors nach Anspruch 4, wobei die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bei der Steuerung der Verteilungsbildung dazu eingerichtet ist, abwechselnd die Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und die Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durchzuführen, so dass eine Differenz zwischen einem Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases und dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis bei jeder Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses allmählich kleiner wird und eine Zeitdauer der Durchführung jeder Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses allmählich kürzer wird.
  8. Abgasreinigungsvorrichtung des Verbrennungsmotors nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses dazu eingerichtet ist, eine Zufuhrmenge eines Reduktionsmittels zum Katalysator während der Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zu berechnen und die Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zu beenden, wenn die Zufuhrmenge des Reduktionsmittels eine vorbestimmte Menge erreicht hat, und eine Zufuhrmenge eines Sauerstoffs zum Katalysator während der Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zu berechnen und die Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zu beenden, wenn die Zufuhrmenge des Sauerstoffs eine vorbestimmte Menge erreicht hat.
  9. Abgasreinigungsvorrichtung des Verbrennungsmotors nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses dazu eingerichtet ist, einen Grad der Verschlechterung des Katalysators zu berechnen und ein Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases während der Steuerung des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und ein Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases während der Steuerung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses basierend auf dem Grad der Verschlechterung einzustellen.
  10. Abgasreinigungsvorrichtung des Verbrennungsmotors nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses dazu eingerichtet ist, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases so zu steuern, dass die Positionen des ersten Bereichs und des zweiten Bereichs, die am Katalysator durch die Steuerung der Verteilungsbildung ausgebildet werden, umgekehrt werden, wenn die Steuerung der Verteilungsbildung wiederholt durchgeführt wird.
  11. Katalysator, der in einem Abgaskanal eines Verbrennungsmotors angeordnet und in der Lage ist, Sauerstoff zu speichern, wobei ein erster Bereich mit einer Sauerstoffspeichermenge, die gleich oder größer als ein vorbestimmter Wert ist, und ein zweiter Bereich mit einer Sauerstoffspeichermenge, die kleiner als der vorbestimmte Wert ist, abwechselnd entlang einer axialen Richtung des Katalysators ausgebildet werden, und eine Gesamtzahl des ersten Bereichs und des zweiten Bereichs gleich oder größer als drei ist.
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