In Anbetracht der vorstehenden Probleme
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Katalysatorverschlechterungs-Detektionsvorrichtung
bereitzustellen, welche einen Verschlechterungsgrad eines Katalysators
selbst dann genau detektieren kann, wenn eine strenge Verschlechterungsnorm
vorliegt.
Als ein erstes allgemeines Merkmal
wird eine Katalysatorverschlechterungs-Detektionsvorrichtung bereitgestellt,
welche aufweist: einen in einem Pfad eines von dem Motor emittierten
Abgases angeordneten Katalysator, welcher als ein Sauerstoffspeicherungsmittel
dienendes Zeroxid (CeO2) enthält; eine
Katalysatortemperatur-Meßeinrichtung
zum Erfassen einer Temperatur des Katalysators; und eine Verschlechterungs-Detektionseonrichtung
zum Detektieren eines Grades der Verschlechterung des Katalysators,
wenn die durch die Katalysatortemperatur-Meßeinrichtung gemessene Temperatur
gleich oder höher
als eine Aktivierungstemperatur ist, bei welcher der Katalysator
aktiviert ist und sich in einem besonderen Temperaturbereich befindet,
welcher eine Abnahme des NOx-Umwandlungswirkungsgrades
des Katalysators bewirkt.
Als ein besonderes Merkmal kann der
besondere Temperaturbereich eine Umwandlung bzw. Umwandlung des
Zeroxids bewirken oder kann weder niedriger als 600°C noch höher als
800°C, bevorzugt
etwa um 700°C
sein.
Alternativ zum direkten Erfassen
der Temperatur des Katalysatorinneren kann die Katalysatortemperatur-Meßeinrichtung
die Temperatur des Katalysators auf der Basis eines Betriebszustandes
des Motors abschätzen,
oder kann die Temperatur des Katalysators auf der Basis der Temperatur
des Abgases abschätzen,
das an den Katalysator geliefert wird.
Als ein weiteres bevorzugtes Merkmal
kann die Verschlechterungs-Detektionseinrichtung wie folgt funktionieren.
In einer bevorzugten Form kann die
Verschlechterungs-Detektionseinrichtung
einen NOx-Sensor enthalten, welcher abstromseitig von dem Katalysator
angeordnet ist, um die Konzentration des in dem Abgas enthaltenen
NOx als ein NOx-Signal
zu messen; und die Verschlechterungs-Detektionseinrichtung kann
den Grad der Verschlechterung auf der Basis des NOx-Signals detektieren,
welches von dem NOx-Sensor erhalten wird, wenn die von der Katalysatortemperatur-Meßeinrichtung
gemessene Temperatur sich in dem besonderen Temperaturbereich befindet.
In einer weiteren bevorzugten Form
kann die Verschlechterungs-Detektionseinrichtung einen anstromseitigen
Sauerstoffsensor und einen abstromseitigen Sauerstoffsensor enthalten,
welche jeweils anstromseitig und abstromseitig von dem Katalysator angeordnet
sind, wovon jeder zum Messen der in dem Abgas enthaltenen Sauerstoffkonzentration
als ein Sauerstoffsignal dient; und die Verschlechterungs-Detektionseinrichtung
kann den Grad der Verschlechterung durch Vergleichen der Sauerstoffsignale
bestimmen, welche jeweils von den anstromseitigen und abstromseitigen
Sauerstoffsensoren erhalten werden, wenn sich die von der Katalysatortemperatur-Meßeinrichtung
gemessene Temperatur in dem speziellen Temperaturbereich befindet.
Als ein zusätzliches
bevorzugtes Merkmal kann die Verschlechterungs-Detektionseinrichtung
den Grad der Verschlechterung durch Vergleichen der Sauerstoffsignale
bezüglich
eines von Frequenz, Inversionszyklus und Amplitude detektieren.
In einer zusätzlichen bevorzugten Form kann die
Verschlechterungs-Detektionseinrichtung einen Sauerstoffsensor enthalten,
der abstromseitig von dem Katalysator angeordnet ist, um die in
dem Abgas enthaltene Sauerstoffkonzentration als ein Sauerstoffsignal
zu messen; und die Verschlechterungs-Detektionseinrichtung kann
den Grad der Verschlechterung detektieren, indem sie das Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Veränderungssignal,
welches ein zwangsweise verändertes
Luft/Kraftstoff-Verhältnis betrifft,
wenn sich die erfaßte
Temperatur in dem speziellen Temperaturbereich befindet, und das
Sauerstoffsignal vergleicht.
In einer weiteren bevorzugten Form
kann die Verschlechterungs-Detektionseinrichtung einen anstromseitigen
linearen A/F-Sensor (= "Air/Fuel"; Luft/Kraftstoff-Sensor)
und einen abstromseitigen linearen A/F-Sensor enthalten, welche
jeweils anstromseitig und abstromseitig von dem Katalysator angeordnet
sind, wovon jeder für
die Erfassung eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses des Abgases als ein A/F-Signal
dient; und die Verschlechterungs-Detektionseinrichtung kann den
Grad der Verschlechterung durch Vergleichen der A/F-Signale bestimmen,
welche jeweils von den anstromseitigen und abstromseitigen linearen
A/F-Sensoren erhalten werden, wenn sich die erzielte Temperatur
in dem speziellen Temperaturbereich befindet. Zu diesem Zeitpunkt
kann die Verschlechterungs-Detektionseinrichtung den Grad der Verschlechterung durch
Vergleichen der A/F-Signale bezüglich
eines von Frequenz, Inversionszyklus und Amplitude detektieren.
In noch einer weiteren bevorzugten
Ausführungsform
kann die Verschlechterungs-Detektionseinrichtung einen linearen
A/F-Sensor enthalten, der abstromseitig von dem Katalysator angeordnet ist,
um ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis
des Abgases als ein A/F-Signal zu messen; und die Verschlechterungs-Detektionseinrichtung
kann den Grad der Verschlechterung dadurch detektieren, indem sie
das Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Veränderungssignal,
welches ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis
betrifft, welches zwangsweise verändert wird, wenn sich die erfaßte Temperatur
in dem speziellen Bereich befindet, und das A/F-Signal vergleicht.
Zu diesem Zeitpunkt kann die Verschlechterungs-Detektionseinrichtung
den Grad der Verschlechterung durch Vergleichen des Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Veränderungssignals
und des A/F-Signals bezüglich
eines von Frequenz, Inversionszyklus und Amplitude bestimmen.
Als ein weiteres bevorzugtes Merkmal
kann die spezielle Temperatur eine Reduzierung der Sauerstoffspeicherkapazität des Katalysators
bewirken.
Zur Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung
wird als ein zweites allgemeines Merkmal eine Katalysatorverschlechterungs-Detektionsvorrichtung
bereitgestellt, welche aufweist: einen Katalysator, der in einem
Pfad von dem Motor emittierten Abgases angeordnet ist, der als ein
Sauerstoffspeicherungsmittel dienendes Zeroxid enthält; eine
Katalysatortemperatur-Meßeinrichtung
zum Erfassen der Temperatur des Katalysators; und eine Verschlechterungs-Detektionseinrichtung
zum Detektieren eines Grades der Verschlechterung des Katalysators, wenn
die von der Katalysatortemperatur-Meßeinrichtung
gemessene Temperatur gleich oder höher als eine Aktivierungstemperatur
ist, bei welcher der Katalysator aktiviert ist und sich in einem
speziellen Temperaturbereich befindet, welcher eine Umwandlung des
Zeroxids bewirkt.
Als ein drittes allgemeines Merkmal
zur Lösung
der Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird eine Katalysatorverschlechterungs-Detektionsvorrichtung
bereitgestellt, welche aufweist: einen Katalysator, der in einem
Pfad von dem Motor emittierten Abgases angeordnet ist, der als ein
Sauerstoffspeicherungsmittel dienendes Zeroxid enthält; eine
Katalysatortemperatur-Meßeinrichtung
zum Erfassen der Temperatur des Katalysators; und eine Verschlechterungs-Detektionseinrichtung
zum Detektieren eines Grades der Verschlechterung des Katalysators, wenn
die von der Katalysatortemperatur-Meßeinrichtung
gemessene Temperatur gleich oder höher als eine Aktivierungstemperatur
ist, bei welcher der Katalysator aktiviert ist und sich in einem
speziellen Temperaturbereich befindet, welcher eine Verringerung
einer Sauerstoffspeicherkapazität
des Katalysators bewirkt.
Als ein viertes allgemeines Merkmal
zur Lösung
der Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird eine Katalysatorverschlechterungs-Detektionsvorrichtung
bereitgestellt, welche aufweist: einen Katalysator, der in einem
Pfad von dem Motor emittierten Abgases angeordnet ist, der als ein
Sauerstoffspeicherungsmittel dienendes Zeroxid enthält; eine
Katalysatortemperatur-Meßeinrichtung
zum Erfassen der Temperatur des Katalysators; und eine Verschlechterungs-Detektionseinrichtung
zum Detektieren eines Grades der Verschlechterung des Katalysators, wenn
die von der Katalysatortemperatur-Meßeinrichtung
gemessene Temperatur gleich oder höher als eine Aktivierungstemperatur
ist, bei welcher der Katalysator aktiviert ist und sich in einem
Temperaturbereich um 700°C
befindet.
Weitere Aufgaben und weitere Merkmale
der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden detaillierten
Beschreibung ersichtlich, wenn diese in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen
wird.
In Zeichnungen sind:
1 ein
Graph, welcher Temperaturkennlinien eines NOx-Umwandlungswirkungsgrades eines Katalysators
darstellt, der als ein Sauerstoffspeicherungsmittel dienendes Zeroxid
enthält,
und gleichzeitig Temperaturkennlinien einer Sauerstoff-Speicher/Freigabe-Menge
des Zeroxids darstellt;
2 ein
Graph, welcher zum Vergleich Temperaturkennlinien des NOx-Umwandlungswirkungsgrades
eines Katalysators, der als ein Sauerstoffspeicherungsmittel dienendes
Zeroxid enthält, vor
und nach der Verschlechterung des Katalysators darstellt;
3 eine
schematische Darstellung, welche die Systemkonfiguration einer Katalysatorverschlechterungs-Detektionsvorrichtung
gemäß einer ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt;
4 ein
Flußdiagramm,
das eine Aufeinanderfolge von Prozedurschritten für die Ermittlung
ob sich ein Katalysator verschlechtert oder nicht gemäß der ersten
Ausführungsform
darstellt; und
5 eine
schematische Darstellung, welche die Systemkonfiguration einer Katalysatorverschlechterungs-Detektionsvorrichtung
gemäß einer zweiten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt.
Verschiedene bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben.
(A) Temperaturkennlinien
des NOx-Umwandlungswirkungsgrades eines Zeroxid enthaltenden Katalysators:
Der Graph in 1 stellt eine Kennlinie zwischen dem
NOx-Umwandlungswirkungsgrad und einer Katalysatortemperatur dar,
wobei der Zeroxid (CeO2) enthaltende Katalysator
als ein Sauerstoffspeicherungsmittel dient. 1 stellt auch Kennlinien zwischen einer
Sauerstoffmenge des Zeroxids und der Katalysatortemperatur dar.
Die Kennlinien wurden von den Erfindern während Experimenten bezüglich der
vorliegenden Erfindung gefunden. Angaben an der Abszisse in 1 stellen die Temperatur
eines Katalysatorbettes (Temperatur der Katalysatormitte) dar; Angaben
an der linken Ordinate stellen den NOx-Umwandlungswirkungsgrad (mittlerer Umwandlungswirkungsgrad
in einer vorbestimmten Zeitdauer) dar. Die Temperatur eines Katalysatorbettes
kann als eine Temperatur betrachtet werden, welche im Wesentlichen
identisch mit der Temperatur eines fraglichen Katalysators ist.
Gemäß Darstellung in 1 nimmt der NOx-Umwandlungswirkungsgrad
eines Katalysators nach der durch den Temperaturanstieg bewirkten
Aktivierung des Katalysators zu und erreicht angenähert 100%,
wenn die Temperatur des Katalysatorbettes auf angenähert 500°C steigt.
Die Erfinder haben jedoch Temperaturkennlinien gefunden, welche
zeigen, daß ein
weiterer Anstieg in der Temperatur des Katalysatorbetts allmählich den
NOx-Umwandlungswirkungsgrad des Katalysators verschlechtert, welcher
einen lokalen Minimalwert bei etwa 700°C annimmt, und sich dann der
NOx-Umwandlungswirkungsgrad umkehrt, um wieder anzusteigen. Der Grund
für die
Abnahme im NOx-Umwandlungswirkungsgrad um 700°C herum wurde noch nicht entdeckt,
wird aber in etwa wie folgt angenommen.
Ein in den Experimenten verwendeter
Katalysator enthält
Zeroxid, das als ein Sauerstoffspeicherungsmittel dient, zu sätzlich zu
einem oder mehreren Edelmetallen mit katalytischer Wirkung. Es wird daher
angenommen, daß die
oxidierende Wirkung von O2, das den Edelmetallen
aus den Zeroxiden CO zuzuführen
ist, um so CO2 zu erzeugen und CO, das eine
Vergiftung auf den Edelmetallen bewirkt, behindert wird, so daß die Umwandlungsfähigkeit
des Katalysators beibehalten wird. Es wird angenommen, daß Zeroxid
die Edelmetalle mit O2 in einer der nachstehenden
Weisen (Mechanismen) versorgt.
Eine Weise (Mechanismus) ist der
Speicherung/Freigabe von O2 zugeordnet,
das an einer Oberfläche
des Zeroxids anhaftet/davon freigegeben wird. Wie durch Kurve in
Bezug auf die rechte Ordinate in 1 dargestellt,
nimmt eine Menge von gespeichertem/freigegebenem O2 durch
das Anhaften/Ablösen
an der Zeroxid-Oberfläche
in Abhängigkeit
von der Zunahme der Katalysatorbetttemperatur (Katalysatortemperatur)
zu und bildet bei etwa 500 bis 550°C eine Spitze, bei welcher der
NOx-Umwandlungswirkungsgrad
angenähert
100% erreicht. Wenn die Katalysatortemperatur weiter steigt, nimmt
eine Menge des von der Zeroxid-Oberfläche gespeicherten/freigegebenen
O2 allmählich
ab.
Die andere Art (Mechanismus) ist
einer Umwandlung von Zeroxid zugeordnet. Die Zeroxid-Umwandlung
wird durch eine chemische Reaktion bewirkt, welche durch die nachstehende
Reaktionsformel (1) dargestellt wird, in welcher in der Struktur
von Zeroxid festgehaltenes O2 freigegeben
wird. 2CeO2 → Ce2O3 + O2/2 (1)
Es ist bekannt, daß diese
Umwandlung von Zeroxid in dem Temperaturbereich um 700°C auftritt. Gemäß Darstellung
im Graph von 1 beginnt
eine Menge des durch die Umwandlung von Zeroxid freigesetzten O2 bei einer Temperatur niedriger als 600°C zuzunehmen
und eine Spitze der Freigabemenge bei etwa 700°C zu bilden. Wenn die Temperatur
des Katalysatorbet tes weiter ansteigt, nimmt die Menge des durch
die Zeroxid-Umwandlung
bewirkten freigesetzten O2 allmählich ab.
Die Arten, mit welchen Zeroxid die
Edelmetalle mit O2 versorgt, ändert sich
abhängig
von der Katalysatortemperatur; der Mechanismus ändert sich von durch die Zeroxid-Oberfläche bewirkten
Speicherung/Freigabe von O2 zu der durch
eine Zeroxidbildung gemäß einer
Zunahme in der Katalysatortemperatur. Der erste Mechanismus kann
O2 rasch speichern und freisetzen, da O2 an der Oberfläche des Zeroxids mittels einer
schwachen Kraft anhaftet. Umgekehrt erfordert der zweite Mechanismus
eine längere
Zeit, um O2 im Vergleich zu dem ersten Mechanismus
freizusetzen, da die O2-Freisetzung durch die
Zeroxid-Umwandlung
bewirkt wird, die eine Folge einer Reaktion ist, welche den gesamten
Zeroxidanteil mit einbezieht.
In einem Temperaturbereich von 600
bis 800°C,
in welchem O2 vorherrschend durch den zweiten
Mechanismus erzeugt wird, bewirkt die abnehmende Geschwindigkeit
der Belieferung der Edelmetalle mit O2 aus
dem Zeroxid einen Mangel an O2 an den Edelmetallen.
Da der O2-Mangel die Fähigkeit zur Oxidation von CO,
das in dem Abgas enthalten ist, verringert, vergiftet verbleibendes
CO, welches nicht oxidiert wurde, die Edelmetalle. Das die Edelmetalle
vergiftende CO verringert die Fähigkeit
des Edelmetalls als ein Katalysator zu arbeiten, so daß der NOx-Umwandlungswirkungsgrad
des Katalysators reduziert wird.
Wie es vorstehend beschrieben wurde,
wird angenommen, daß der
Hauptgrund der Reduzierung des NOx-Umwandlungswirkungsgrades des
Katalysators, wenn die Katalysatorbetttemperatur bei etwa 700°C liegt,
eine Abnahme der Kapazität
des Zeroxids zur Lieferung von O2 ist (hierin
nachstehend auch als O2-Speicherkapazität bezeichnet) ist. Und die
Abnahme wird durch die Veränderung
der Art der Belieferung der Edelmetalle mit O2 von
der Zeroxid-Oberfläche
durch die Umwandlung des Zeroxids bewirkt.
Die Erfinder haben die nachstehenden
zwei Verfahren zum Detektieren eines Verschlechterungsgrades des
Katalysators mit den vorstehend erwähnten Temperaturkennlinien
des NOx-Umwandlungswirkungsgrades
erfunden.
Das erste Detektionsverfahren konzentriert sich
auf eine Abnahme der O2-Speicherkapazität, welche
durch die Zeroxid-Umwandlung
bewirkt wird. Die Verschlechterung des Katalysators kann als eine Verschlechterung
des Zeroxids betrachtet werden, und die Verschlechterung des Zeroxids
beendet die durch die chemische Formel (1) dargestellte Umwandlung.
Aus diesem Grunde verschlechtert sich in einem Temperaturbereich
von 600 bis 800°C,
in welchem hauptsächlich
die Zeroxid-Umwandlung
O2 liefert, der Katalysator um so mehr,
je stärker
die O2-Speicherkapazität abnimmt. Insbesondere wird der
Unterschied zwischen O2-Speicherkapazitäten eines
Katalysators vor und nach einer Verschlechterung bei etwa 700°C maximal,
bei welcher die Zeroxid-Umwandlung am stärksten fortschreitet.
Ein Abnahmegrad der O2-Seicherkapazität wird durch
einen Sauerstoffsensor detektiert, wie z.B. einem O2-Sensor
oder einem linearen A/F-Sensor zum Messen der Sauerstoffkonzentration
als ein Sauerstoffsignal. Beispielsweise variiert, wenn ein Paar
anstromseitiger und abstromseitiger Sauerstoffsensoren anstromseitig
und abstromseitig von dem Katalysator angeordnet sind, die Differenz
zwischen den Sauerstoffsignalen, die durch die Sauerstoffsensoren
erfaßt
wird, vor und nach der Verschlechterung eines Katalysators aufgrund
der O2-Speicherkapazität des Katalysators.
Insbesondere dann, wenn eine Veränderung
in einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis
unter Rückkopplungssteuerung über der
Kraftstoffeinspritzmenge eine Störung
bei einer Veränderung
der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas bewirkt, liefert ein Katalysator
mit einer ausreichenden O2-Speicherkapazität ein Sauerstoffsignal,
welches in dem abstromseitigen O2-Sensor
erfaßt
wird, mit kleinerer Frequenz, Inversionsperiode und Amplitude als
ein Sauerstoffsignal, das in den abstromseitigen O2-Sensor
erfaßt
wird. Diese Faktoren des Sauerstoffsignals des abstromseitigen O2-Sensors nähern sich aber denjenigen des
Sauerstoffsignals des anstromseitigen O2-Sensors
auf, wenn sich der Katalysator verschlechtert und die O2-Speicherkapazität dementsprechend
abnimmt. Ein Annäherungsgrad
nimmt zu, wenn die O2-Speicherkapazität gemäß einer
Verschlechterung des Katalysators zugenommen hat.
Ferner variiert, wenn ein Sauerstoffsensor abstromseitig
von dem Katalysator angeordnet ist und ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis zwangsweise
verändert
wird, die Differenz eines Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Veränderungssignals und eines Sauerstoffsignals
aus einem Sauerstoffsensor vor und nach der Verschlechterung des
Katalysators und der Grad der Veränderung der Differenz nimmt
zu, wenn die O2-Speicherkapazität abhängig von
der Katalysatorverschlechterung abnimmt.
Jeder von den vorstehenden Veränderungsgraden
wird bei einer Katalysatortemperatur um 700°C maximal, bei welcher die Differenz
in den O2-Speicherkapazitäten vor
und nach der Katalysatorverschlechterung ebenfalls maximal wird.
Es ist deshalb möglich,
einen Verschlechterungsgrad des Katalysators leicht durch die Detektion
an irgendeinem der vorstehenden Veränderungsgrade zu detektieren,
wenn sich das Katalysatorbett bei etwa 700°C befindet und indem der detektierte
Grad mit einem entsprechenden vorbestimmten Standardwert verglichen
wird.
Das zweite Detektionsverfahren konzentriert sich
auf eine Abnahme des NOx-Umwandlungswirkungsgrades als eine Folge
der Verringerung der O2-Speicherkapazität. Wie vorstehend
beschrieben, bewirkt die Reduzierung der O2-Speicherkapazität einen
Mangel an O2, das an die Edelmetalle in
einem Temperaturbereich von 600 bis 800°C zu liefern ist, in welchem
O2 hauptsächlich durch die Umwandlung von
Zeroxid bereitgestellt wird, worauf die Fähigkeit zur Oxidation von in
dem Abgas enthaltenen CO reduziert wird und das restliche CO die
Edelmetalle vergiftet. Die CO-Vergiftung der Edelmetalle reduziert
den NOx-Umwandlungswirkungsgrad des Katalysators und es wird angenommen,
daß die
CO-Vergiftung hauptsächlich
durch die Zeroxid-Umwandlung aufgrund einer Verschlechterung des
Zeroxids bewirkt wird. Aus diesem Grunde schreitet die CO-Vergiftung fort,
da die O2-Speicherkapazität geringer
wird und der NOx-Umwandlungswirkungsgrad dementsprechend reduziert
wird.
Der Graph von 2 stellt Temperaturkennlinien des NOx-Umwandlungswirkungsgrades
eines Katalysators vor (gestrichelte Linie) und nach (durchgezogene
Linie) der Katalysatorverschlechterung für einen Vergleich dar. Gemäß Darstellung
in 2 sind die NOx-Umwandlungswirkungsgrade
des Katalysators vor und nach der Verschlechterung im wesentlichen
bei einer Temperatur bis zu etwa 550°C gleich. Jedoch unterscheiden
sich die NOx-Umwandlungswirkungsgrade bei einem Temperaturbereich nicht
unter 600°C
und nicht höher
als 800°C.
Insgesamt wird der Unterschied in dem NOx-Umwandlungswirkungsgrad
zwischen einem Punkt vor und einem Punkt nach einer Katalysatorverschlechterung bei
etwa 700°C
maximal, bei welcher sich Zeroxid am stärksten umwandelt.
Ein Temperaturbereich von 600 bis
800°C, insbesondere
ein Bereich um 700°C
gemäß Darstellung
in 2 wird als ein spezieller
Temperaturbereich zur Detektion eines Verschlechterungsgrades des
Katalysators definiert. Ein Vergleich zwischen dem NOx-Umwandlungswirkungsgrad
eines Katalysators in dem speziellen Temperaturbereich und einem
standardmäßigen Umwandlungswirkungsgrad (die
Einpunktlinie in der Zeichnung) welche als der Ermittlungsstandard
festgelegt ist, kann es ermöglichen,
definitiv zu unterscheiden, ob sich der Katalysator verschlechtert
oder nicht. Dieser kann einfach einen Verschlechterungsgrad des
Katalysators genau detektieren. Da der NOx-Umwandlungswirkungsgrad
einem NOx-Signal entspricht, d.h., der durch eine NOx-Sensor erfaßten NOx-Konzentration kann
die Detektion eines Verschlechterungsgrades durch Erfassen eines
NOx-Signals ausgeführt
werden, wenn die Temperatur des Katalysatorbettes in dem speziellen
Temperaturbereich liegt und das erfaßte NOx-Signal mit einem vorbestimmten
Standardwert, (welcher dem vorstehenden Standardumwandlungswirkungsgrad
entspricht) verglichen wird.
Hierin nachstehend erfolgt eine Beschreibung
von Katalysatorverschlechterungs-Detektionsvorrichtungen gemäß ersten
bzw. zweiten Ausführungsformen
zum Ausführen
des ersten und zweiten Verschlechterungs-Detektionsverfahrens.
(B) Erste Ausführungsform:
3 stellt
schematisch die Systemkonfiguration einer Katalysatorverschlechterungs-Detektionsvorrichtung
gemäß einer
ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung dar. Gemäß Darstellung in 3 sind ein Unterbodenkatalysator 4 und
ein benachbarter Katalysator 3 in einem Pfad angeordnet
und dementsprechend unter einem Fahrzeugboden und bei einem zu einem
Motor 1 benachbarten Abschnitt. Der benachbarte Katalysator 3 neigt
zu einem früheren
Erreichen einer hohen Temperatur (700–900°C) als der Unterbodenkatalysator 4,
da sich der benachbarte Katalysator 3 näher an dem Motor 1 be findet.
Der benachbarte Katalysator 3 ist ein Drei-Wege-Katalysator,
welcher als ein Sauerstoffspeicherungsmittel dienendes Zeroxid enthält, und
zeigt die in 1 dargestellte
Temperaturkennlinie des NOx-Umwandlungswirkungsgrades. Die Katalysatorverschlechterungs-Detektionsvorrichtung der
ersten Ausführungsform
nimmt die Form einer Borddiagnoseeinrichtung (OBD – on-board
diagnosis) 10 zum Detektieren eines Verschlechterungsgrades
des benachbarten Katalysators 3 an.
O2-Sensoren 11 und 12 sind
jeweils anstromseitig und abstromseitig von dem benachbarten Katalysator 3 und
in dem Pfad 2 angeordnet. Die O2-Sensoren 11 und 12 messen
O2-Konzentrationen und erzeugen O2-Signale welche stark mit dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis, dem
Grenzwert variieren. Ein Temperatursensor 13 zum Erfassen
der Temperatur (genauer gesagt der Temperatur des Bettes) des benachbarten
Katalysators 3 ist auf einem Gehäuse 5 angeordnet,
welches den benachbarten Katalysator 3 trägt. Die
O2-Sensoren 11 und 12 und
der Temperatursensor 13 sind mit der Eingangsseite der OBD 10 so
verbunden, daß die
OBD 10 verschiedene Signale aus den einzelnen Sensoren 11, 12 und 13 empfängt. Eine
OBD-Überwachungsanzeige 15, welche
im Fahrerraum angebracht ist, ist mit der Ausgangsseite der OBD 10 verbunden.
Die OBD 10 hat die Funktionen
einer Verschlechterungs-Detektionseinrichtung
der vorliegenden Erfindung und führt
eine Aufeinanderfolge von Prozedurschritten des Flußdiagramms 4 durch,
um unter Verwendung der von den O2-Sensoren 11 und 12 erhaltenen
O2-Signale und der von dem Temperatursensor 13 erhaltenen
Temperatur zu ermitteln, ob sich der benachbarte Katalysator 3 verschlechtert oder
nicht. Anschließend
wird ein von der OBD ausgeführter
Prozeß für die Ermittlung
der Verschlechterung unter Bezugnahme auf das Flußdiagramm
von 4 beschrieben.
Vor allem ermittelt die OBD 10 im
Schritt S10, ob sich die von dem Temperatursensor 13 erfaßte Katalysatortemperatur
innerhalb des speziellen Temperaturbereiches für die Verschlechterungsdetektion
befindet. Hier ist der spezielle Temperaturbereich auf einen Temperaturbereich
um 700°C
(700°C ± α) festgelegt.
Wenn die Katalysatortemperatur als
in dem speziellen Temperaturbereich für die Verschlechterungsdetektion
liegend festgestellt wird, vergleicht die OBD 10 im nachfolgenden
Schritt S20 die jeweils von dem anstromseitigen (vorderen) O2-Sensor und dem abstromseitigen (hinteren)
O2-Sensor 12 erfaßten O2-Signale. Insbesondere wenn die Kraftstoffeinspritzmenge
so durch Rückkopplung
gesteuert wird, daß ein
von dem anstromseitigen O2-Sensor 11 erhaltenes
O2-Signal mit einer vorbestimmten Frequenz
variiert, bewirkt eine ausreichende O2-Speicherkapazität aufgrund
des benachbarten Katalysators 3 in einem intakten Zustand,
daß der
benachbarte Katalysator 3 kurzzeitig O2 speichert,
so daß,
eine Veränderung
der O2-Konzentration
abstromseitig von dem benachbarten Katalysator 3 geglättet wird.
Das von dem abstromseitigen O2-Sensor 12 erhaltene O2-Signal variiert daher kaum und dessen Frequenz wird
niedriger als die von dem anstromseitigen Sensor 11 erhaltenen
O2-Signals. Andererseits verändert, wenn
die O2-Speicherkapazität der Verschlechterung des
benachbarten Katalysators 3 entsprechend abnimmt, da die
vorgenannte Wirkung ebenfalls abnimmt, und das von dem abstromseitigen O2-Sensor 12 erhaltene abstromseitige
O2-Signal eine höhere Frequenz annimmt, welche
mit einer Frequenz im wesentlichen gleich der von dem anstromseitigen
O2-Sensor 11 erhaltenen anstromseitigen
O2-Signal variiert. Eine O2-Speicherkapazitätabnahme
des benachbarten Katalysators 13 variiert die Differenz
der Frequenzen der O2-Signale aus den O2-Sensoren 11 bzw. 12.
Wenn die Differenz der Frequenzen der O2-Signale
aus den jeweiligen O2-Sensoren 11 und 12 gleich
oder niedriger als ein vorbestimmter Standardwert wird, d.h., wenn
sich die Frequenz des abstromseitigen O2-Signals
des abstromseitigen O2-Sensors 12 der
des von dem anstromseitigen Sensors 11 erhaltenen anstromseitigen
O2-Signals annähert, stellt die OBD 10 fest,
daß sich
der benachbarte Katalysator 3 verschlechtert.
Die Schritte S10 und S20 werden wiederholt, bis
beide von diesen positive Ergebnisse erzielen. Wenn eine Verschlechterung
des benachbarten Katalysators 3 so festgestellt wird, daß der Schritt
S20 erfüllt
ist, wenn der Schritt S10 erfüllt
ist, d.h., wenn die Katalysatortemperatur bei etwa 700°C liegt,
gibt die OBD ein Signal an die OBD-Überwachungseinrichtung 15 aus.
Auf diese Weise warnt die OBD 10 den Fahrer bezüglich der
Verschlechterung des benachbarten Katalysators 3.
Die Frequenzdifferenz zwischen den
O2-Signalen aus dem abstromseitigen O2-Sensor 12 und dem anstromseitigen
O2-Sensor 11 verändert sich, bevor
und nachdem sich der benachbarte Katalysator 13 verschlechtert.
Der Grad der Differenzveränderung
nimmt einem vergrößerten Abnahmegrad
der O2-Speicherkapazität entsprechend zu, die durch
die Verschlechterung des benachbarten Katalysators 3 bewirkt
wird, und wird maximal, wenn die Katalysatortemperatur bei etwa
700°C liegt.
Mit anderen Worten, wenn sich der benachbarte Katalysator 3 verschlechtert,
so daß sich
die O2-Speicherkapazität verringert, nähert sich
die Frequenz des O2-Signals aus dem abstromseitigen
O2-Sensor 12 der des anstromseitigen
O2-Sensors 11 an. Die OBD 10 der
ersten Ausführungsform
kann definitiv einen intakten Katalysator von einem verschlechterten
Katalysator unterscheiden, indem O2-Signale
aus den anstromseitigen und den abstromseitigen O2-Sensoren 11 und 12 verglichen
werden, wel che zum Zeitpunkt von Bedeutung sind, wenn sich die Katalysatortemperatur
bei etwa 700°C
befindet. Demzufolge ist es möglich,
genau einen Verschlechterungsgrad des benachbarten Katalysators 3 zu
detektieren.
Das System von 3 enthält zwei O2-Sensoren 11 bzw. 12,
die jeweils anstromseitig und abstromseitig von dem benachbarten
Katalysator 3 angeordnet sind. Wenn das System nur den
abstromseitigen O2-Sensor 12 enthält, kann
der Vergleich für die
Verschlechterungsdetektion mit dem O2-Signal aus
dem abstromseitigen O2-Sensor 12 und
einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Veränderungssignal,
das ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis
betrifft, welches zwangsweise verändert wird, durchgeführt werden.
Insbesondere ist eine Luft/Kraftstoff-Verhältnissteuerungsfunktion zum
Ausführen
einer Steuerung einer Kraftstoffeinspritzmenge im offenen Regelkreis,
um zwangsweise das Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu verändern in
einer nicht dargestellten Motorsteuerung zum Steuern des Motors 1 eingebaut.
Während
die Motorsteuerung zwangsweise das Luft/Kraftstoff-Verhältnis verändert, erhält die OBD 10 ein
Veränderungssignal,
das ein verändertes
Luft/Kraftstoff-Verhältnis betrifft.
Selbst wenn die Frequenz des Veränderungssignals
unverändert
bleibt, verändert
sich die Frequenz des O2-Signals aus dem abstromseitigen O2-Sensor 12 einem Abnahmegrad der
O2-Speicherkapazität des benachbarten Katalysators 3 entsprechend.
Daher vergleicht die OBD 10 die Frequenz des O2-Signals
aus dem abstromseitigen O2-Sensor mit einem
vorbestimmten Standardwert, während
ein Veränderungssignal
mit einer vorbestimmten Frequenz eingegeben wird, so daß es möglich ist,
genau einen Verschlechterungsgrad des benachbarten Katalysators 3 zu
detektieren. Demzufolge kann die OBD 10 definitiv ermitteln,
ob sich der benachbarte Katalysator 3 verschlechtert oder
nicht. Eine derartige Verschlechterungsdetektion wird durchgeführt, wenn
sich die Katalysatortempera tur (die Temperatur des Katalysatorbettes),
welche durch den Temperatursensor 13 erfaßt wird,
in dem vorgenannten speziellen Temperaturbereich für die Verschlechterungsdetektion
befindet.
In dem dargestellten Beispiel werden
O2-Signale aus dem anstromseitigen O2-Sensor und dem abstromseitigen O2-Sensor 12 bezüglich der Frequenz verglichen.
Alternativ kann der der Vergleich bezüglich der Inversionsperiode
oder Amplitude durchgeführt
werden.
Ferner nutzt das dargestellte Beispiel
einen oder zwei O2-Sensoren zum Erfassen
der O2-Konzentration. Alternativ können lineare
A/F-Sensoren 16 und 17 wovon jeder zum linearen
Erfassen eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses dient, als Ersatz
für die in 1 dargestellten O2-Sensoren 11 und 12 verwendet
werden.
(C) Zweite Ausführungsform:
5 stellt
schematisch die Systemkonfiguration einer Katalysatorverschlechterungs-Detektionsvorrichtung
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar. In 5 werden
Elemente und Teile, welche identisch mit solchen in 1 der ersten Ausführungsform sind, mit denselben
Bezugszeichen wie den in 1 bezeichnet.
Ähnlich
zur ersten Ausführungsform
nimmt die Katalysatorverschlechterungs-Detektionsvorrichtung dieser
zweiten Ausführungsform
die Form einer Borddiagnoseeinrichtung (OBD) 20 zum Detektieren eines
Verschlechterungsgrades eines benachbarten Katalysators 3 an.
Ein NOx-Sensor 14 ist im Pfad 2 und abstromseitig
von dem benachbarten Katalysator in der zweiten Ausführungsform
angeordnet. Der NOx-Sensor 14 hat die Funktion der Detektion
einer in dem Abgas enthaltenen NOx-Konzentration als ein NOx-Signal.
Der NOx-Sensor 14 und ein Temperatursensor 13 sind
mit der Eingangsseite der OBD 20 so ver bunden, daß die OBD 20 verschiedene
Signale aus jedem von den Sensoren 13 und 14 empfängt. Eine
OBD-Überwachungseinrichtung 15 ist
mit der Ausgangsseite der OBD 20 verbunden.
Die OBD 20 funktioniert
als eine Verschlechterungs-Detektionseinrichtung
der vorliegenden Erfindung, indem sie unter Verwendung von Signalen aus
dem NOx-Sensor 14 und dem Temperatursensor 13 ermittelt,
ob sich der benachbarte Katalysator 3 verschlechtert oder
nicht. Die von der OBD 20 ausgeführte Verschlechterungsdetektion
wird durch eine Aufeinanderfolge von Prozedurschritten eines Flußdiagramms
von 4 ähnlich wie
in der ersten Ausführungsform
durchgeführt.
Vor allem ermittelt die OBD 20, ob die durch den Temperatursensor 13 erfaßte Katalysatortemperatur
innerhalb des speziellen Temperaturbereichs für die Verschlechterungsdetektion
liegt.
Wenn die OBD 20 feststellt,
daß sich
die erfaßte
Temperatur in dem speziellen Temperaturbereich befindet, vergleicht
die OBD 20 ein NOx-Signal mit einem vorbestimmten Standardwert
(einem Standardsignalwert) für
die Verschlechterungsdetektion. Ein NOx-Signal aus dem NOx-Sensor 14 ist
dem NOx-Umwandlungswirkungsgrad zugeordnet. Je stärker der
NOx-Umwandlungswirkungsgrad abnimmt, desto größer wird das NO-Signal. Der
vorstehende Standardwert ist identisch mit einem NOx-Signal aus
dem NOx-Sensor 14, welches dem NOx-Umwandlungswirkungsgrad
entspricht, das aus einem Grenzwert für die Unterscheidung eines
intakten Katalysators von einem verschlechterten Katalysator dient.
Die OBD 20 stellt fest, daß sich der benachbarte Katalysator 3 verschlechtert,
wenn ein NOx-Signals
aus dem NOx-Sensor 14 den Standardwert überschreitet und warnt den
Fahrer bezüglich
der Verschlechterung des benachbarten Katalysators 3, indem
sie die OBD-Überwachungseinrichtung 15 aufleuchten
läßt.
Das NOx-Signal aus dem NOx-Sensor 14 verändert sich
vor und nach der Verschlechterung des benachbarten Katalysators 3.
Das NOx-Signal wird größer im Vergleich
zu einem NOx-Signal,
das nach dem Passieren eines neuen Katalysators erfaßt wird,
wenn der benachbarte Katalysator 3 schlechter wird, was
eine Abnahme der O2-Speicherkapazität bewirkt
und wird maximal, wenn die Katalysatortemperatur bei etwa 700°C liegt.
Die OBD 20 der zweiten Ausführungsform kann definitiv einen
intakten Katalysator von einem verschlechterten Katalysator unterscheiden,
indem sie ein von dem NOx-Sensor 14 erfaßtes NOx-Signal,
wenn sich die Katalysatortemperatur in einem Bereich von etwa 700°C befindet, mit
dem Standardwert vergleicht. Demzufolge ist es möglich, genau einen Verschlechterungsgrad
des benachbarten Katalysators 3 zu detektieren.
In dem dargestellten Beispiel wird
ein NOx-Signal aus dem NOx-Sensor 14 direkt mit dem Standardwert
verglichen. Alternativ kann die OBD 20 einen Veränderungsbetrag
des NOx-Signals
von vor der bis nach der Katalysatorverschlechterung erfassen und
den erfaßten
Betrag mit einem Standardwert (einem Standardveränderungswert) vergleichen.
Die Veränderung
eines NOx-Signals aus dem NOx-Sensor 14 in Bezug auf einen
neuen Katalysator wird größer, wenn
sich der Katalysator verschlechtert, weshalb der Vergleich zwischen
einem Veränderungsbetrag
und dem Standardwert genau einen Verschlechterungsgrad des benachbarten
Katalysators 3 detektieren kann.
(D) Andere:
Ferner sollte die vorliegende Erfindung
in keiner Weise auf diese vorstehenden Ausführungsformen beschränkt sein
und verschiedene Änderungen
und Modifikationen sind vorstellbar ohne von dem Erfindungsgedanken
abzuweichen. Beispielsweise detektiert die OBD 10 einen
Verschlechterungsgrad des benach barten Katalysators 3.
Alternativ kann, wenn der Unterbodenkatalysator ein als Sauerstoffspeicherungsmittel
dienendes Zeroxid enthält,
ein Verschlechterungsgrad des Unterbodenkatalysators unter Verwendung
von Sensoren 11, 12, 13 und 14,
wovon jeder anstromseitig oder abstromseitig von dem Unterbodenkatalysator 4 angeordnet ist,
detektiert werden.
In den vorstehenden Ausführungsformen
ist ein Temperaturbereich für
die Verschlechterungsdetektion auf einen Temperaturbereich um 700°C (700°C ± α) festgelegt.
Alternativ kann der Temperaturbereich nicht niedriger als 600°C und nicht
höher als
800°C sein,
bei welchem sich in einem Katalysator enthaltenes Zeroxid umwandelt.
Der alternative Temperaturbereich bewirkt eine Differenz in der O2-Speicherkapazität von vor der bis nach der
Katalysatorverschlechterung im Vergleich zu einem anderen Temperaturbereich.
Jedoch sollte, wenn eine Verschlechterungsdetektion in einem Temperaturbereich
außerhalb
dem um etwa 700°C
durchgeführt wird,
ein Standardwert für
die Verschlechterungsdetektion einem Verfahren für die Verschlechterungsdetektion
entsprechend verändert
werden. Zum Erzielen des am meisten bevorzugten Ergebnisses der vorliegenden
Erfindung sollte der Temperaturbereich auf etwa 700°C festgelegt
werden, bei welchem der Unterschied in der O2-Speicherkapazität vor und nach
der Katalysatorverschlechterung maximal wird.
Um eine Temperatur eines Katalysators
in den vorstehenden Ausführungsformen
zu erfassen, erhält
ein Temperatursensor die Temperatur eines den Katalysator tragenden
Bettabschnittes. Alternativ kann ein Temperatursensor im Pfad des
Abgases so angeordnet sein, daß die
Katalysatortemperatur auf der Basis eines durch den Pfad strömenden Abgases
abgeschätzt
wird. Ferner kann alternativ die Katalysatortemperatur auf der Basis
eines Betriebszustandes eines Motors, wie z.B. einer Ver änderung des
Drehmomentes und/oder Drehzahl des Motors nach dem Start des Motors
abgeschätzt
werden.
Wie beschrieben, detektiert die Katalysatorverschlechterungs-Detektionsvorrichtung
der vorliegenden Erfindung einen Verschlechterungsgrad eines Katalysators,
wenn sich der Katalysator in einem Temperaturbereich befindet, von
dem angenommen wird, daß er
die Differenz im NOx-Umwandlungswirkungsgrad vor und nach der Katalysatorverschlechterung
bewirkt, d.h., wenn ein spezielles Temperaturbereichssignal gleich
oder höher
als eine Aktivierungstemperatur ist, bei welcher der Katalysator
aktiviert ist und sich in einem speziellen Temperaturbereich befindet,
welcher bewirkt, daß der
NOx-Umwandlungswirkungsgrad des Katalysators abnimmt. Es ist daher
möglich,
genau zu ermitteln, ob sich ein Katalysator verschlechtert oder
nicht, wobei die Möglichkeit
einer irrtümlichen
Unterscheidung zwischen einem intakten Katalysator und einem verschlechterten
Katalysator eliminiert wird.