DE112009004665T5

DE112009004665T5 - Katalysatoranormalitätsdiagnosevorrichtung

Info

Publication number: DE112009004665T5
Application number: DE112009004665T
Authority: DE
Inventors: Takahiko Fujiwara; Ryota Onoe; Mamoru Yoshioka
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-04-16
Filing date: 2009-04-16
Publication date: 2012-08-02
Also published as: WO2010119554A1; JPWO2010119554A1; US20120023913A1

Abstract

Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis von Abgas, das einem Katalysator zugeführt wird, wird abwechselnd und aktiv zwischen einem Wert fetten Zustands und einem Wert mageren Zustand umgeschaltet. In Verbindung mit der Durchführung dieser aktiven Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung wird das Sauerstoffspeichervermögen des Katalysators gemessen. Ob der Katalysator normal oder anormal ist, wird bestimmt, indem der Messwert des Sauerstoffspeichervermögens mit einem vorbestimmten Bestimmungswert verglichen wird. Es wird die Temperatur des Katalysators erlangt, und der Bestimmungswert wird beruhend auf der erlangten Katalysatortemperatur eingestellt. Der Bestimmungswert ist so eingestellt, dass er mit zunehmender Katalysatortemperatur abnimmt, wenn die Katalysatortemperatur gleich hoch wie oder höher als eine vorbestimmte Temperatur ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft die Anormalitätsdiagnose eines Katalysators und insbesondere einer Vorrichtung, die so aufgebaut ist, dass sie die Anormalität eines Katalysators diagnostiziert, der in einem Abgasweg in einer Brennkraftmaschine angeordnet ist.
Stand der Technik
In einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine ist zum Beispiel ein Katalysator in einem Abgassystem installiert, um Abgas zu reinigen. Eine bestimmte Bauart eines solchen Katalysators hat eine Sauerstoffspeicherfunktion (O₂-Speicherfunktion). Der Katalysator mit der Sauerstoff speicherfunktion speichert überschüssigen Sauerstoff, der in Abgas vorhanden ist, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis von Abgas, das in den Katalysator strömt, höher als ein theoretisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis (stöchiometrischer Wert) ist, das heißt, wenn das Abgas mager ist. Der Katalysator gibt Sauerstoff frei, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases niedriger als der stöchiometrische Wert ist, das heißt, wenn das Abgas fett ist. In einem Benzinmotor wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Katalysator strömenden Abgases zum Beispiel steuerbar näher an den stöchiometrischen Wert gesetzt. Wenn das tatsächliche Luft-Kraftstoff-Verhältnis jedoch abhängig von Betriebsbedingungen leicht von dem stöchiometrischen Wert abweicht, ermöglicht die Verwendung eines ternären Katalysators mit der Sauerstoffspeicherfunktion es, eine solche Abweichung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses dank des Sauerstoffspeicher- und -freigabearbeit des Drei-Element-Katalysators zu absorbieren.
Ein Qualitätsverlust oder eine Schwächung des Katalysators verringert die Reinigungsrate des Katalysators, wobei der Schwächungsgrad des Katalysators mit dem Schwächungsgrad der Sauerstoffspeicherfunktion korreliert. Daher ermöglicht die Erfassung der Schwächung der Sauerstoffspeicherfunktion es, die Schwächung oder Anormalität des Katalysators zu erfassen. Im Allgemeinen wird ein Verfahren eingesetzt, bei dem die Schwächung des Katalysators diagnostiziert wird, indem derart eine aktive Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung durchgeführt wird, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis aktiv zwischen einem Wert fetten Zustands und einem Wert mageren Zustands umgeschaltet wird und das Sauerstoffspeichervermögen des Katalysators gemessen wird (dieses Verfahren wird Cmax-Verfahren genannt).
Darüber hinaus offenbart das Patentdokument 1 eine Technik, die damit verbunden ist, die Zeit zu messen, wann an einer vorbestimmten Position des Katalysators Oxidationsspeicher-Reaktionswärme erfasst wird, während sich der ternäre Katalysator in einer fetten Atmosphäre befindet und nachdem eine Kraftstoffabsperrung erfolgt ist, und beruhend auf der Erfassungszeit die maximale Sauerstoffspeichermenge zu berechnen, um den Schwächungsgrad des ternären Katalysators zu bestimmen. Die Technik nutzt die Eigenschaft, dass die Zeit, wann die Speicherreaktionswärme erfasst wird, später ist, wenn der Schwächungsgrad des Katalysators abnimmt. Angesichts der Eigenschaft, dass die maximale Sauerstoffspeichermenge konsistent mit der Bodentemperatur des Katalysators zunimmt, wird darüber hinaus beruhend auf der Bodentemperatur des Katalysators die maximale Sauerstoffspeichermenge korrigiert.
Zitatliste
Patentdokumente

PTL1: JP 2009-13945 A

Kurzdarstellung der Erfindung
Wie oben beschrieben wurde, ist es herkömmliches Allgemeinwissen, dass das Sauerstoffspeichervermögen des Katalysators konsistent mit der Katalysatortemperatur zunimmt.
Im Gegensatz dazu haben die Erfinder in Folge von bestimmten Untersuchungen neues, anderes Wissen erlangt. Gemäß dem neuen Wissen sind Anormalitätsdiagnosetechniken, die auf dem herkömmlichen Allgemeinwissen basieren, ungünstig und können die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Diagnose schmälern.
Die Erfindung erfolgte angesichts dieser Umstände. Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Katalysatoranormalitätsdiagnosevorrichtung zur Verfügung zu stellen, die beruhend auf dem neuen Wissen bezüglich des Temperaturverhaltens des Katalysators eine geeignete Diagnosetechnik einsetzt, damit die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Diagnose verbessert werden können.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht eine Vorrichtung vor, die so aufgebaut ist, dass sie die Anormalität eines Katalysators diagnostiziert, der in einem Abgasweg in einer Brennkraftmaschine angeordnet ist, wobei die Vorrichtung durch Folgendes gekennzeichnet ist:
eine Aktiv-Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungseinrichtung zum derartigen Durchführen einer aktiven Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung, dass ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis von Abgas, das dem Katalysator zugeführt wird, abwechselnd und aktiv zwischen einem Wert fetten Zustands und einem Wert mageren Zustands umgeschaltet wird;
eine Messeinrichtung zum Messen eines Sauerstoffspeichervermögens des Katalysators in Verbindung mit der Durchführung der aktiven Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung;
eine Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen, ob der Katalysator normal oder anormal ist, durch Vergleichen eines von der Messeinrichtung gemessenen Werts des Sauerstoffspeichervermögens mit einem vorbestimmten Bestimmungswert;
eine Katalysatortemperatur-Erlangungseinrichtung zum Erlangen einer Temperatur des Katalysators; und
eine Bestimmungswert-Einstelleinrichtung zum Einstellen des Bestimmungswerts beruhend auf der von der Katalysatortemperatur-Erlangungseinrichtung erlangten Katalysatortemperatur, sodass der Bestimmungswert mit zunehmender Katalysatortemperatur abnimmt, wenn die Katalysatortemperatur gleich hoch wie oder höher als eine vorbestimmte Temperatur ist.
In Folge der bestimmten Untersuchungen haben die Erfinder Wissen erhalten, das zum herkömmlichen Wissen im Gegensatz steht. Und zwar haben die Erfinder festgestellt, dass der Messwert des Sauerstoffspeichervermögens mit zunehmender Katalysatortemperatur abnimmt, wenn die Katalysatortemperatur hoch ist und gleich hoch wie oder höher als eine vorbestimmte Temperatur ist. Das heißt, dass der Messwert des Sauerstoffspeichervermögens anfangs allmählich im Verhältnis zur Katalysatortemperatur zunimmt. Allerdings erreicht das Sauerstoffspeichervermögen bei einer vorbestimmten Temperatur den Maximalwert, und dann tritt ein umgekehrtes Phänomen auf. Und zwar nimmt der Messwert des Sauerstoffspeichervermögens allmählich ab, wenn die Temperatur von dem vorbestimmten Wert aus zunimmt. Das liegt daran, dass das Sauerstoffspeichervermögen selbst des Katalysators bei der vorbestimmten Temperatur gesättigt ist, während die Reaktionsgeschwindigkeit des Katalysators auch bei der vorbestimmten Temperatur oder einer höheren Temperatur weiter zunimmt.
Diese Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht es somit, den Bestimmungswert geeignet in Übereinstimmung mit dem auf dem neuen Wissen basierenden Temperaturverhalten einzustellen. Daher können die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Diagnose verbessert werden.
Die „Erlangung” der Katalysatortemperatur schließt eine „Erfassung” und eine „Schätzung” ein.
Die Bestimmungswert-Einstelleinrichtung stellt den Bestimmungswert vorzugsweise in Übereinstimmung mit einem vordefinierten Zusammenhang zwischen der Katalysatortemperatur und dem Bestimmungswert ein. Somit kann der Bestimmungswert verhältnismäßig einfach unter Nutzung eines vordefinierten Kennfelds oder einer vordefinierten Funktion eingestellt werden.
Alternativ erlangt die Bestimmungswert-Einstelleinrichtung einen Bezugsbestimmungswert, der der erlangten Katalysatortemperatur entspricht, und verringert korrigierend den erlangten Bezugsbestimmungswert beruhend auf der erlangten Katalysatortemperatur in Übereinstimmung mit einem Zusammenhang zwischen der Katalysatortemperatur und dem Bestimmungswert, wobei der Zusammenhang derart vordefiniert ist, dass der Bezugsbestimmungswert konsistent mit der Katalysatortemperatur zunimmt, wenn die Katalysatortemperatur gleich hoch wie oder höher als eine vorbestimmte Temperatur ist.
Ob der Katalysator normal oder anormal ist, kann somit vorzugsweise selbst dann bestimmt werden, wenn der Bezugsbestimmungswert verwendet wird, der an das auf dem herkömmlichen Wissen beruhende Temperaturverhalten angepasst ist.
Die Messeinrichtung misst als das Sauerstoffspeichervermögen vorzugsweise eine gespeicherte Sauerstoffmenge während einer mageren Steuerung und eine frei gegebene Sauerstoffmenge während einer fetten Steuerung, und die Bestimmungseinrichtung vergleicht einen vorbestimmten Differenzbestimmungswert mit einer Differenz zwischen der gespeicherten Sauerstoffmenge und der frei gegebenen Sauerstoffmenge oder einem Verhältnis der gespeicherten Sauerstoffmenge zu der frei gegebenen Sauerstoffmenge, um beruhend auf einem Ergebnis des Vergleiches zu bestimmen, ob der Katalysator normal oder anormal ist.
Die Erfinder haben außerdem weiteres Wissen gewonnen, dass die Differenz zwischen der gespeicherten Sauerstoffmenge und der frei gegebenen Sauerstoffmenge mit abnehmendem Schwächungsgrad des Katalysators zunimmt. Daher kann dieses Wissen auch dazu genutzt werden, den vorbestimmten Differenzbestimmungswert mit der Differenz zwischen der gespeicherten Sauerstoffmenge und der frei gegebenen Sauerstoffmenge oder dem Verhältnis der gespeicherten Sauerstoffmenge zu der frei gegebenen Sauerstoffmenge zu vergleichen, um zu bestimmen, ob der Katalysator normal oder anormal ist. Dann können die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Diagnose weiter verbessert werden.
Die Bestimmungswert-Einstelleinrichtung stellt den Differenzbestimmungswert vorzugsweise beruhend auf der erlangten Katalysatortemperatur so ein, dass eine Rate eines Anstiegs beim Differenzbestimmungswert in Bezug auf einen Anstieg bei der Katalysatortemperatur bei der vorbestimmten Temperatur zuzunehmen beginnt.
Die Erfinder haben weiteres Wissen gewonnen, dass die frei gegebene Sauerstoffmenge bei zunehmender Katalysatortemperatur tendenziell in Bezug auf die gespeicherte Sauerstoffmenge abnimmt und die Differenz zwischen der gespeicherten Sauerstoffmenge und der frei gegebenen Sauerstoffmenge zunimmt und dass die Differenz in einem Temperaturbereich, in dem die Katalysatortemperatur gleich hoch wie oder höher als eine vorbestimmte Temperatur ist, größer ist als dann, wenn die Katalysatortemperatur niedriger als die vorbestimmte Temperatur ist. Beruhend auf diesem noch weiteren Wissen wird der Differenzbestimmungswert daher derart eingestellt, dass die Rate eines Anstiegs beim Differenzbestimmungswert in Bezug auf einen Anstieg bei der Katalysatortemperatur bei der vorbestimmten Temperatur zuzunehmen beginnt. Dann können die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Diagnose weiter verbessert werden.
Die Bestimmungswert-Einstelleinrichtung stellt den Differenzbestimmungswert vorzugsweise in Übereinstimmung mit einem vordefinierten Zusammenhang zwischen der Katalysatortemperatur und dem Differenzbestimmungswert ein. Somit kann der Differenzbestimmungswert verhältnismäßig einfach unter Nutzung eines vordefinierten Kennfelds oder einer vordefinierten Funktion eingestellt werden.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht eine Vorrichtung vor, die so aufgebaut ist, dass sie die Anormalität eines Katalysators diagnostiziert, der in einem Abgasweg in einer Brennkraftmaschine angeordnet ist, wobei die Vorrichtung durch Folgendes gekennzeichnet ist:
eine Aktiv-Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungseinrichtung zum derartigen Durchführen einer aktiven Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung, dass ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis von Abgas, das dem Katalysator zugeführt wird, abwechselnd und aktiv zwischen einem Wert fetten Zustands und einem Wert mageren Zustands umgeschaltet wird;
eine Messeinrichtung zum Messen eines Sauerstoffspeichervermögens des Katalysators in Verbindung mit der Durchführung der aktiven Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung;
eine Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen, ob der Katalysator normal oder anormal ist, durch Vergleichen eines von der Messeinrichtung gemessenen Werts des Sauerstoffspeichervermögens mit einem vorbestimmten Bestimmungswert; und
eine Katalysatortemperatur-Erlangungseinrichtung zum Erlangen einer Temperatur des Katalysators, wobei
die Messeinrichtung als das Sauerstoffspeichervermögen eine gespeicherte Sauerstoffmenge während einer mageren Steuerung und eine frei gegebene Sauerstoffmenge während einer fetten Steuerung misst und
die Bestimmungseinrichtung einen Messwert der gespeicherten Sauerstoffmenge mit dem Bestimmungswert vergleicht, um zu bestimmen, ob der Katalysator normal oder anormal ist, wenn die durch die Katalysatortemperatur-Erlangungseinrichtung erlangte Katalysatortemperatur gleich hoch wie oder höher als eine vorbestimmte Temperatur ist.
Die Ergebnisse der von den Erfindern durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass durch die Katalysatortemperatur die Sauerstofffreigabereaktion während der fetten Steuerung deutlicher beeinflusst wird als die Sauerstoffspeicherreaktion während der mageren Steuerung und dass das oben beschriebene umgekehrte Phänomen während der Sauerstofffreigabereaktion ausgeprägter auftritt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird, wenn die Katalysatortemperatur gleich hoch wie oder höher als die vorbestimmte Temperatur ist, bestimmt, ob der Katalysator normal oder anormal ist, indem nur der Messwert der gespeicherten Sauerstoffmenge und nicht der Messwert der frei gegebenen Sauerstoffmenge verwendet wird. Somit kann die frei gegebene Sauerstoffmenge, die mit dem umgekehrten Phänomen verknüpft ist, von den Bestimmungszielen ausgeschlossen werden. Dann können die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Diagnose bei hoher Temperatur verbessert werden.
Die vorbestimmte Temperatur ist vorzugsweise eine Katalysatortemperatur, bei der der Messwert des Sauerstoffspeichervermögens am größten ist. Somit können der Bestimmungswert und dergleichen eingestellt werden, die das umgekehrte Phänomen getreu wiedergeben.
Die vorbestimmte Temperatur liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen etwa 500°C und etwa 650°C.
Noch eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht eine Vorrichtung vor, die so aufgebaut ist, dass sie die Anormalität eines Katalysators diagnostiziert, der in einem Abgasweg in einer Brennkraftmaschine angeordnet ist, wobei die Vorrichtung durch Folgendes gekennzeichnet ist:
eine Aktiv-Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungseinrichtung zum derartigen Durchführen einer aktiven Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung, dass ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis von Abgas, das dem Katalysator zugeführt wird, abwechselnd und aktiv zwischen einem Wert fetten Zustands und einem Wert mageren Zustands umgeschaltet wird;
eine Messeinrichtung zum Messen eines Sauerstoffspeichervermögens des Katalysators in Verbindung mit der Durchführung der aktiven Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung;
eine Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen, ob der Katalysator normal oder anormal ist, durch Vergleichen eines von der Messeinrichtung gemessenen Werts des Sauerstoffspeichervermögens mit einem vorbestimmten Bestimmungswert;
eine Katalysatortemperatur-Erlangungseinrichtung zum Erlangen einer Temperatur des Katalysators;
eine Bestimmungswert-Einstelleinrichtung zum Einstellen eines Bestimmungswerts beruhend auf der durch die Katalysatortemperatur-Erlangungseinrichtung erlangten Katalysatortemperatur in Übereinstimmung mit einem Zusammenhang zwischen der Katalysatortemperatur und dem Bestimmungswert, wobei der Zusammenhang derart voreingestellt ist, dass der Bestimmungswert konsistent mit der Katalysatortemperatur zunimmt, wenn die Katalysatortemperatur gleich hoch wie oder höher als ein vorbestimmter Wert ist; und
eine Messwert-Korrektureinrichtung zum korrigierenden Erhöhen eines Messwerts eines Sauerstoffspeichervermögens beruhend auf der erlangten Katalysatortemperatur, wenn die Katalysatortemperatur gleich hoch wie oder höher als ein vorbestimmter Wert ist.
Die Erfindung setzt die geeignete Diagnosetechnik, die auf dem neuen Wissen bezüglich des Temperaturverhaltens des Katalysators beruht, dazu ein, die hervorragende Wirkung zur Geltung zu bringen, die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Diagnose verbessern zu können.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung, die den Aufbau eines Ausführungsbeispiels der Erfindung zeigt;
2 ist eine schematische Schnittdarstellung, die den Aufbau eines Katalysators zeigt;
3 ist eine Zeittafel einer aktiven Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung;
4 ist eine Zeittafel, die ähnlich der von 3 ist und die ein Verfahren zum Messen eines Sauerstoffspeichervermögens darstellt;
5 ist ein Kurvenbild, das die Ausgangssignalkennlinien eines vor dem Katalysator angeordneten Sensors und eines nach dem Katalysator angeordneten Sensors darstellt;
6 ist ein Kurvenbild, das eine Änderung der Sauerstoffkonzentration in Abgas darstellt, das von dem Katalysator abgegeben wird, wenn eine fette Steuerung dabei ist zu enden;
7 ist ein Kurvenbild, das den Zusammenhang zwischen einer Katalysatortemperatur Tc und jeweils einem Normalitätsbestimmungswert X1 und einem Anormalitätsbestimmungswert X2 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel darstellt;
8 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Prozedur für einen Anormalitätsdiagnosevorgang gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel darstellt;
9 ist ein Kurvenbild, das den Zusammenhang zwischen der Katalysatortemperatur Tc und einem Korrekturkoeffizienten J darstellt;
10 ist ein Kurvenbild, das den Zusammenhang zwischen der Katalysatortemperatur Tc und einem Korrekturkoeffizienten H darstellt;
11 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Prozedur für einen Anormalitätsdiagnosevorgang gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel darstellt;
12 ist ein Kurvenbild, das den Zusammenhang zwischen der Katalysatortemperatur Tc und jeweils einem Normalitätsbestimmungswert Y1 und einem Anormalitätsbestimmungswert Y2 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel darstellt;
13 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Prozedur für einen Anormalitätsdiagnosevorgang gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel darstellt;
14 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Prozedur für einen Anormalitätsdiagnosevorgang gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel darstellt; und
15 ist ein Kurvenbild, das den Zusammenhang zwischen der Katalysatortemperatur Tc und jeweils einem Speichernormalitätsbestimmungswert Z1 und einem Anormalitätsbestimmungswert Z2 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel darstellt.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen wird nun ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
1 ist eine schematische Darstellung, die den Aufbau dieses Ausführungsbeispiels zeigt. Wie in 1 gezeigt ist, verbrennt ein Motor 1, der eine Brennkraftmaschine ist, innerhalb einer in einem Zylinderblock 2 ausgebildeten Brennkammer 3 ein Luft-Kraftstoff-Gemisch, um einen Kolben 4 in der Brennkammer 3 hin und her zu bewegen, womit Leistung erzeugt wird. Der Motor 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist (auch wenn nur ein Zylinder in den Zeichnungen gezeigt ist) ein Kraftfahrzeug-Mehrzylindermotor, das heißt eine Brennkraftmaschine mit Zündkerze, genauer ein Benzinmotor.
In einem Zylinderkopf des Motors 1 sind in jedem Zylinder ein Einlassventil Vi, das so aufgebaut ist, dass es eine Einlassöffnung öffnet und schließt, und ein Auslassventil Ve angeordnet, das so aufgebaut ist, dass es eine Auslassöffnung öffnet und schließt. Jedes Einlassventil Vi und jedes Auslassventil Ve wird von einer (nicht in den Zeichnungen gezeigten) Nockenwelle geöffnet und geschlossen. Darüber hinaus ist auf der Oberseite des Zylinderkopfes für jeden Zylinder eine Zündkerze 7 angebracht, um das Luft-Kraftstoff-Gemisch in der Brennkammer 3 zu zünden.
Die Einlassöffnung in jedem Zylinder ist über einen Ansaugkrümmer mit einem Ausgleichsbehälter 8 verbunden, der eine Ansaugsammelkammer ist. Ein Ansaugrohr 13, das einen Ansaugsammelweg bildet, ist mit der stromaufwärtigen Seite des Ausgleichsbehälters 8 verbunden. Am stromaufwärtigen Ende des Ansaugrohrs 13 ist ein Luftfilter 9 vorgesehen. Das Ansaugrohr 13 enthält einen Luftmengenmesser 5, der so aufgebaut ist, dass er die Menge der in den Motor strömenden Luft, das heißt eine Ansaugluftmenge, erfasst, und ein elektrisch gesteuertes Drosselventil 10, wobei der Luftmengenmesser 5 und das Drosselventil 10 in dieser Reihenfolge von der stromaufwärtigen Seite aus angeordnet sind. Die Einlassöffnung, der Ansaugkrümmer, der Ausgleichsbehälter 8 und das Ansaugrohr 13 bilden einen Ansaugweg.
In jedem Zylinder ist ein Injektor, das heißt ein Kraftstoffeinspritzventil 12, angeordnet, der so aufgebaut ist, dass er Kraftstoff in den Ansaugweg, insbesondere die Einlassöffnung, einspritzt. Der von dem Injektor 12 eingespritzte Kraftstoff mischt sich mit der Ansaugluft, um ein Luft-Kraftstoff-Gemisch zu bilden. Das Luft-Kraftstoff-Gemisch wird dann in die Brennkammer 3 gesaugt, wenn das Einlassventil Vi geöffnet wird. Das Luft-Kraftstoff-Gemisch wird von dem Kolben 4 weiter verdichtet und durch die Zündkerze 7 gezündet und verbrannt.
Andererseits ist die Auslassöffnung in jedem Zylinder über einen Abgaskrümmer mit einem Abgasrohr 6 verbunden, das einen Abgassammelweg bildet. Die Auslassöffnung, der Abgaskrümmer und das Abgasrohr 6 bilden einen Abgasweg. Stromaufwärts und stromabwärts von dem Abgasrohr 6 sind jeweils in Reihe Katalysatoren, das heißt ein stromaufwärtiger Katalysator 11 und ein stromabwärtiger Katalysator 19, vorgesehen, die jeweils aus einem ternären Katalysator mit einer Sauerstoffspeicherfunktion gebildet sind. Zum Beispiel ist der stromaufwärtige Katalysator 11 unmittelbar nach dem Abgaskrümmer angeordnet. Der stromabwärtige Katalysator 19 ist unter dem Boden des Fahrzeugs angeordnet.
Stromaufwärts und stromabwärts von dem stromaufwärtigen Katalysator 11 sind jeweils Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensoren, das heißt ein vor dem Katalysator angeordneter Sensor 17 und ein nach dem Katalysator angeordneter Sensor 18, vorgesehen, die jeweils so aufgebaut sind, dass sie beruhend auf einer Sauerstoffkonzentration das Luft-Kraftstoff-Verhältnis von Abgas erfassen. Wie in 5 gezeigt ist, ist der vor dem Katalysator angeordnete Sensor 17 aus etwas gebildet, das als Breitband-Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor bezeichnet wird. Der vor dem Katalysator angeordnete Sensor 17 kann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis kontinuierlich über einen verhältnismäßig großen Bereich erfassen und ein Signal mit einem Wert abgeben, der proportional zum Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist. Andererseits ist der nach dem Katalysator angeordnete Sensor 18 aus etwas gebildet, das als O₂-Sensor bezeichnet wird. Der nach dem Katalysator angeordnete Sensor 18 ist dadurch gekennzeichnet, dass sich ein Ausgangssignalwert von dem nach dem Katalysator angeordneten Sensor 18 bei einer Steuerung auf das theoretische Luft-Kraftstoff-Verhältnis rasch zu ändern beginnt (diese Eigenschaft wird Z-Eigenschaft genannt).
Die oben beschriebene Zündkerze 7, das Drosselventil 10, der Injektor 12 und dergleichen sind elektrisch mit einer elektronischen Steuerungseinheit 20 (nachstehend als ECU bezeichnet) verbunden, die als Steuerungseinrichtung dient. Die ECU 20 enthält eine CPU, einen ROM, einen RAM, einen Ein-Ausgabe-Port und ein Speichergerät, die nicht in den Zeichnungen gezeigt sind. Darüber hinaus ist die ECU 20 nicht nur mit dem oben beschriebenen Luftmengenmesser 5, dem vor dem Katalysator angeordneten Sensor 17 und dem nach dem Katalysator angeordneten Sensor 18 elektrisch verbunden, sondern, wie in 1 gezeigt ist, auch über einen (nicht in den Zeichnungen gezeigten) Analog-Digital-Wandler und dergleichen mit einem Kurbelwinkelsensor 14, der so aufgebaut ist, dass er den Kurbelwinkel des Motors 1 erfasst, einem Gashebel-Öffnungssensor 15, der so aufgebaut ist, dass er den Öffnungsgrad des Gashebels erfasst, und verschiedenen anderen Sensoren elektrisch verbunden. Die ECU 20 steuert die Zündkerze 7, den Injektor 12, das Drosselventil 10 und dergleichen beruhend auf zum Beispiel erfassten Werten von den verschiedenen Sensoren, um so eine gewünschte Ausgangsleistung zu erzielen. Die ECU 20 steuert somit einen Zündzeitpunkt, eine Kraftstoffeinspritzmenge, einen Kraftstoffeinspritzzeitpunkt, einen Drosselöffnungsgrad und dergleichen.
Die Katalysatoren 11 und 19 reinigen jeweils Abgas, das in den Katalysator einströmt, um gleichzeitig und effizient NOx, HC und CO zu entfernen, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases einen theoretischen Wert (einen stöchiometrischen Wert von beispielsweise A/Fs = 14,6) hat. Während des Normalbetriebs des Motors regelt die ECU 20 somit in Übereinstimmung mit dieser Eigenschaft das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Luft-Kraftstoff-Gemisches, das der Brennkammer 3 zugeführt wird, beruhend auf dem Ausgangssignal von dem vor dem Katalysator angeordneten Sensor 17, sodass der Wert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (speziell die von dem Injektor 12 eingespritzte Kraftstoffmenge) des in den Katalysator 11 oder 19 strömenden Abgases gleich dem stöchiometrischen Wert ist.
Es wird nun ausführlicher der stromaufwärtige Katalysator 11 beschrieben, der der Anormalitätsdiagnose zu unterziehen ist. Der stromabwärtige Katalysator 19 ist ähnlich wie der stromaufwärtige Katalysator 11 aufgebaut. Wie in 2 gezeigt ist, ist in dem Katalysator 11 auf der Oberfläche eines (nicht in den Zeichnungen gezeigten) Trägergrundmaterials ein Überzugsmaterial 31 aufgebracht. Von dem Überzugsmaterial 31 wird eine große Anzahl partikelartiger Katalysatorkomponenten 32 getragen, sodass sie darauf verteilt angeordnet sind. Die Katalysatorkomponenten 32 liegen im Inneren des Katalysators 11 frei. Die Katalysatorkomponenten 32 bestehen hauptsächlich aus seltenem Metall wie Pt oder Pd und dienen jeweils als ein Aktivierungspunkt, wenn Abgaskomponenten wie NOx, HC und CO reagieren gelassen werden. Andererseits dient das Überzugsmaterial 31 als ein Beschleuniger, der die Reaktion an der Grenzfläche zwischen dem Abgas und den Katalysatorkomponenten 32 beschleunigt. Das Überzugsmaterial 31 enthält Sauerstoffspeicherkomponenten, die abhängig von dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Atmosphärengases Sauerstoff absorbieren und frei geben können. Die Sauerstoffspeicherkomponenten sind zum Beispiel aus Ceroxid CeO₂ oder Zirconiumoxid gebildet. Synonym zum Ausdruck „Speicher” kann auch der Ausdruck „Absorption” oder „Adsorption” verwendet werden.
Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Atmosphärengases in dem Katalysator zum Beispiel niedriger (magerer) als das theoretische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, absorbieren die um die Katalysatorkomponenten 32 herum vorhandenen Sauerstoffspeicherkomponenten Sauerstoff aus dem Atmosphärengas. Dadurch wird NOx reduziert zur Reinigung. Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Atmosphärengases in dem Katalysator höher (fetter) als das theoretische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, wird der in den Sauerstoffspeicherkomponenten gespeicherte Sauerstoff dagegen frei gegeben. Der frei gegebene Sauerstoff oxidiert HC und CO zur Reinigung.
Diese Sauerstoffabsorptions- und -freigabearbeit ermöglicht während einer normalen, stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung die Absorption einer möglichen leichten Abweichung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses von dem stöchiometrischen Wert.
In dem unbenutzten Katalysator 11 ist, wie oben beschrieben wurde, die große Zahl an Katalysatorkomponenten 32 gleichmäßig verteilt angeordnet. In diesem Zustand ist es sehr wahrscheinlich, dass das Abgas die Katalysatorkomponenten 32 berührt. Wenn der Katalysator 11 jedoch geschwächt ist, können einige der Katalysatorkomponenten 32 verloren gegangen sein, während andere durch Abgaswärme gesintert sein können (siehe Strichellinien in 2). Dann ist es weniger wahrscheinlich, dass das Abgas die Katalysatorkomponenten 32 berührt, was die Reinigungsrate verringert. Abgesehen davon nimmt die Menge des um die Katalysatorkomponenten 32 herum vorhandenen Überzugsmaterials 31, das heißt die Menge der Sauerstoffspeicherkomponenten, ab, sodass die Sauerstoffspeicherfunktion selbst geschwächt wird.
Wie oben beschrieben wurde, korreliert der Schwächungsgrad des Katalysators 11 mit dem Schwächungsgrad der Sauerstoffspeicherfunktion. Somit wird in diesem Ausführungsbeispiel die Anormalität des stromaufwärtigen Katalysators 11 diagnostiziert, indem die Sauerstoffspeicherfunktion des stromaufwärtigen Katalysators 11, die besonders deutlich die Freigabe beeinflusst, erfasst wird, um den Schwächungsgrad des stromaufwärtigen Katalysators 11 zu erfassen.
Dabei wird die Sauerstoffspeicherfunktion des Katalysators 11 durch das Ausmaß des Sauerstoffspeichervermögens (OSC; O₂-Speichervermögen; die Einheit ist g) ausgedrückt, das die Maximalmenge an Sauerstoff ist, die im gegenwärtigen Katalysator 11 gespeichert werden kann.
Die Katalysatoranormalitätsdiagnose gemäß diesem Ausführungsbeispiel basiert auf dem oben beschriebenen Cmax-Verfahren. Während der Anormalitätsdiagnose führt die ECU 20 eine aktive Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung durch. Das heißt, die ECU 20 schaltet das Luft-Kraftstoff-Verhältnis von Abgas, das dem Katalysator 11 zugeführt wird, speziell das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Luft-Kraftstoff-Gemisches in der Brennkammer 3, beruhend auf dem stöchiometrischen Wert A/Fs abwechselnd und aktiv zwischen einem Wert fetten Zustands und einem Wert mageren Zustands um.
Darüber hinaus erfolgt die Anormalitätsdiagnose während eines gleichförmigen Betriebs des Motors 1 und wenn sich der Katalysator 11 innerhalb eines aktiven Temperaturbereichs befindet. Die Temperatur des Katalysators 11 (Katalysatorbodentemperatur) kann direkt durch einen Temperatursensor erfasst werden, doch wird sie in diesem Ausführungsbeispiel beruhend auf dem Betriebszustand des Motors geschätzt. Wie oben beschrieben wurde, beinhaltet das Konzept der „Erlangung” die beiden Ausdrücke „Erfassung” und „Schätzung”.
Zum Beispiel schätzt die ECU 20 beruhend auf einer Ansaugluftmenge Ga, die von dem Luftmengenmesser 5 erfasst wird, in Übereinstimmung mit einem vordefinierten Kennfeld oder einer vordefinierten Funktion (nachstehend als das Kennfeld oder dergleichen bezeichnet) die Temperatur Tc des Katalysators 11. Es können auch andere Parameter als die Ansaugluftmenge Ga, zum Beispiel die Motordrehzahl Ne, verwendet werden, um die Katalysatortemperatur zu schätzen. Die Katalysatortemperatur kann auch unter Verwendung eines vorbestimmten Modells geschätzt werden, wobei das Schätzverfahren keiner besonderen Beschränkung unterliegt.
Unter Bezugnahme auf 3 und 4 wird nun ein Verfahren zum Messen des Sauerstoffspeichervermögens des stromaufwärtigen Katalysators 11 beschrieben.
In 3(A) zeigen die Strichellinien ein Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Ft und die durchgezogenen Linien ein Ausgangssignal von dem vor dem Katalysator angeordneten Sensor 17 (das in den Wert eines vor dem Katalysator vorhandenen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses A/Ff umgewandelt wird). Darüber hinaus zeigen die durchgezogenen Linien in 3(B) ein Ausgangssignal von dem nach dem Katalysator angeordneten Sensor 18 (eine Ausgangsspannung Vr von dem nach dem Katalysator angeordneten Sensor 18).
Wie in 3 gezeigt ist, wird vor dem Zeitpunkt t1 eine magere Steuerung durchgeführt, um das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Ft auf ein mageres Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Fl (von beispielsweise 15,1) einzustellen, sodass dem Katalysator 11 ein mageres Gas mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis zugeführt wird, das gleich dem Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Ft ist. Gleichzeitig speichert der Katalysator 11 weiter Sauerstoff, aber nur solange, wie der Katalysator 11 nicht gesättigt ist, das heißt bis der Katalysator 11 voll ist. In Folge dessen strömt das magere Gas durch den Katalysator 11 zur stromabwärtigen Seite des Katalysators 11. Dann ändert sich das Ausgangssignal von dem nach dem Katalysator angeordneten Sensor 18 zur mageren Seite. Zu dem Zeitpunkt t1, wenn die Abgabespannung Vr einen mageren Bestimmungswert VL (von beispielsweise 0,21 V) erreicht, wird das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Ft zu einem fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Fr (von beispielsweise 14,1) umgeschaltet. Somit beginnt die fette Steuerung damit, fettes Gas mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis zuzuführen, das gleich dem Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Ft ist.
Wenn dem Katalysator 11 das fette Gas zugeführt wird, fährt der Katalysator 11 damit fort, den gespeicherten Sauerstoff frei zu geben. In der Zwischenzeit wird sämtlicher gespeicherter Sauerstoff von dem Katalysator 11 frei gegeben. Dann kann der Katalysator 11 nicht weiter Sauerstoff frei geben. Das fette Gas strömt durch den Katalysator 11 zur stromabwärtigen Seite des Katalysators 11. Dann ändert sich das Ausgangssignal von dem nach dem Katalysator angeordneten Sensor 18 zur fetten Seite. Zum Zeitpunkt t2, wenn die Abgabespannung Vr einen fetten Bestimmungswert VR (von beispielsweise 0,59 V) erreicht, wird das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Ft zu einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Fl umgeschaltet. Somit beginnt die magere Steuerung erneut damit, mageres Gas mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis zuzuführen, das gleich dem Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Ft ist.
In dem Katalysator 11 wird Sauerstoff gespeichert, bis der Katalysator 11 voll ist. Wenn die Abgabespannung Vr von dem nach dem Katalysator angeordneten Sensor 18 den mageren Bestimmungswert VL erreicht, dann wird das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Ft zum Zeitpunkt t3 zum fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Fr umgeschaltet. Dann beginnt die fette Steuerung.
Somit werden die magere Steuerung und die fette Steuerung jedes Mal, wenn Sauerstoff in dem Katalysator gespeichert wird oder von ihm frei gegeben wird oder wenn sich das Ausgangssignal von dem nach dem Katalysator angeordneten Sensor 18 umkehrt, abwechselnd und wiederholt durchgeführt.
Während die aktive Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung durchgeführt wird, wird das Sauerstoffspeichervermögen OSC des Katalysators 11 wie folgt gemessen.
Die Zeit, während der Sauerstoff kontinuierlich gespeichert oder frei gelassen werden kann, nimmt konsistent mit dem Sauerstoffspeichervermögen des Katalysators 11 zu. Das heißt, dass die Umkehrdauer (zum Beispiel die Zeit zwischen t1 und t2) des nach dem Katalysator angeordneten Sensor-Ausgangssignals Vr lang ist, wenn der Katalysator nicht geschwächt ist, und mit fortschreitender Schwächung des Katalysators abnimmt.
Somit wird dies genutzt, um das Sauerstoffspeichervermögen OSC wie folgt zu messen. Wie in 4 dargestellt ist, wird, unmittelbar nachdem das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Ft nach dem Zeitpunkt t1 zum fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Fr umgeschaltet wurde, das vor dem Katalysator vorhandene Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Ff als aktueller Wert zum fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Fr umgeschaltet, wobei das Umschalten des vor dem Katalysator vorhandenen Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Ff etwas später als das Umschalten des Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses A/Ft erfolgt. Nach dem Zeitpunkt t11, wenn das vor dem Katalysator vorhandene Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/Ff den stöchiometrischen Wert A/Fs erreicht, und vor dem Zeitpunkt t2, wenn die nächste Umkehr bei dem nach dem Katalysator angeordneten Sensor-Ausgangssignal Vr erfolgt, wird dann sequenziell zu jeder vorbestimmten Berechnungsdauer dOSC zwischen dem Zeitpunkt t1 und dem Zeitpunkt t2 das Sauerstoffspeichervermögen entsprechend dem Ausdruck (1) berechnet. Auf diese Weise wird während der fetten Steuerung das Sauerstoffspeichervermögen OSC als Integrationsendwert gemessen, das heißt als eine frei gegebene Sauerstoffmenge, die in 4 mit OSCb bezeichnet ist.
– Ausdruck 1 –

dOSC = ΔA/F × Q × K = |A/Ff – A/Fs| × Q × K (1)

Das Bezugszeichen Q bezeichnet die Kraftstoffausspritzmenge. Das Multiplizieren der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Differenz ΔA/F mit der Kraftstoffeinspritzmenge Q erlaubt die Berechnung einer unzureichenden oder überschüssigen Menge an Luft in Bezug auf den stöchiometrischen Wert. Das Bezugszeichen K bezeichnet eine Konstante, die den Anteil (etwa 0,23) von Sauerstoff in Luft ausdrückt.
Während der mageren Steuerung wird auf ähnliche Weise das Sauerstoffspeichervermögen, das heißt eine gespeicherte Sauerstoffmenge, die in 4 mit OSCa bezeichnet ist, gemessen. Jedes Mal, wenn abwechselnd die fette Steuerung und die magere Steuerung durchgeführt werden, werden abwechselnd die frei gegebene Sauerstoffmenge und die gespeicherte Sauerstoffmenge gemessen.
Sobald eine Vielzahl von Messwerten für jeweils die frei gegebene Sauerstoffmenge und die gespeicherte Sauerstoffmenge ermittelt wurde, wird wie folgt bestimmt, ob der Katalysator normal oder anormal ist.
Zunächst berechnet die ECU 20 den Mittelwert OSCav der Messwerte der frei gegebenen Sauerstoffmenge und der gespeicherten Sauerstoffmenge. Die ECU 20 vergleicht dann den Mittelwert OSCav mit einem vorbestimmten Bestimmungswert. Dieses Ausführungsbeispiel sieht zwei Arten von Bestimmungswerten vor: einen Normalitätsbestimmungswert, der zum Bestimmen von Normalität verwendet wird, und einen Anormalitätsbestimmungswert, der zum Bestimmen von Anormalität verwendet wird. Der Normalitätsbestimmungswert ist höher als der Anormalitätsbestimmungswert. Die ECU 20 bestimmt, dass der Katalysator 11 normal ist, wenn der Mittelwert OSCav gleich hoch wie oder höher als der Normalitätsbestimmungswert ist, und dass er anormal ist, wenn der Mittelwert OSCav gleich hoch wie oder niedriger als der Anormalitätsbestimmungswert ist. Die ECU 20 verweigert die Normalitäts-/Anormalitätsbestimmung, wenn der Mittelwert OSCav niedriger als der Normalitätsbestimmungswert und höher als der Anormalitätsbestimmungswert ist. Bei der Bestimmung, dass der Katalysator anormal ist, aktiviert die ECU 20 vorzugsweise eine (nicht in den Zeichnungen gezeigte) Warnvorrichtung wie eine Kontrolllampe, um den Nutzer über die Anormalität zu benachrichtigen.
Wie oben beschrieben wurde, ist das Temperaturverhalten des Katalysators gemäß dem herkömmlichen Allgemeinwissen derart, dass das Sauerstoffspeichervermögen des Katalysators konsistent mit der Katalysatortemperatur zunimmt. Somit erhöhen allgemeine Verfahren in Übereinstimmung mit dem Temperaturverhalten den Bestimmungswert konsistent mit der Katalysatortemperatur.
Im Gegensatz dazu haben die Erfinder mittels bestimmter Untersuchungen neues Wissen (nachstehend als erstes Wissen bezeichnet) erworben, das sich von dem herkömmlichen Wissen unterscheidet. Und zwar nimmt gemäß dem neuen Wissen, das gegensätzlich zu dem herkömmlichen Wissen ist, der Messwert des Sauerstoffspeichervermögens des Katalysators mit zunehmender Katalysatortemperatur ab, nachdem die Katalysatortemperatur um mindestens ein gewisses Maß zugenommen hat.
6 ist ein Kurvenbild, das darstellt, wie sich die Konzentration von Sauerstoff in Abgas, das von dem Katalysator 11 abgegeben wird (dieses Gas wird nachstehend als das abgegebene Gas bezeichnet), ändert, wenn die fette Steuerung dabei ist zu enden. In 6 sind vier Linien a bis d gezeigt, von denen jede einer Katalysatortemperatur entspricht, die allmählich in der Reihenfolge von a bis d zunimmt. Da die fette Steuerung dabei ist zu enden, nimmt die Menge an fettem Gas, die durch den Katalysator geht, allmählich zu, wobei die Sauerstoffkonzentration des abgegebenen Gases allmählich abnimmt. Das Bezugszeichen N_VR bezeichnet eine Sauerstoffkonzentration, die dem fetten Bestimmungswert VR des nach dem Katalysator angeordneten Sensors 18 entspricht. Wenn die Sauerstoffkonzentration des abgegebenen Gases den Wert N_VR erreicht, kehrt sich das Ausgangssignal von dem nach dem Katalysator angeordneten Sensor 18 zur fetten Seite um. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird dann zum Wert mageren Zustands umgeschaltet. Die Zeitpunkte, wann die Sauerstoffkonzentration N_VR auf den Linien a bis d erreicht wird, werden jeweils durch die Bezugszeichen t_a bis t_d angegeben.
Wenn wie oben beschrieben die Umkehrung des Ausgangssignals von dem nach dem Katalysator angeordneten Sensor zur fetten Seite später stattfindet, nimmt die Zeit zu, während der das zu jedem Berechnungszeitraum berechnete Sauerstoffspeichervermögen dOSC integriert wird. Somit wird eine große Sauerstoffspeicherkapazität OSC gemessen. Andererseits wird die Sauerstoffkonzentration N_VR auf der Linie (b) später als auf der Linie (a) und auf der Linie (c) später als auf der Linie (b) erreicht. Daher nimmt die gemessene Sauerstoffspeicherkapazität OSC, wie das herkömmliche Wissen aufzeigt, für die Linien a, b und c konsistent mit der Katalysatortemperatur zu.
Allerdings wird für die Linien c und d die Sauerstoffkonzentration N_VR auf der Linie (d) früher als auf der Linie (c) erreicht. Somit nimmt das gemessene Sauerstoffspeichervermögen OSC für die Linien c und d anders als im Fall des herkömmlichen Wissens mit zunehmender Katalysatortemperatur ab. Die Katalysatortemperatur, bei der dieses umgekehrte Phänomen auftritt, ändert sich abhängig vom Katalysator, liegt aber im Allgemeinen in dem Bereich zwischen etwa 500°C und etwa 650°C. In dem dargestellten Beispiel beträgt diese Katalysatortemperatur etwa 500°C.
Ein möglicher Grund, warum das umgekehrte Phänomen auftritt, ist der Folgende. Und zwar erhöht ein Anstieg der Katalysatortemperatur für die Linien a, b und c die Aktivität des Katalysators und somit das Sauerstoffspeichervermögen des Katalysators. Gleichzeitig nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit des Katalysators zu. Daher bewegt sich die Linie allmählich nach rechts, wobei die nach unten gerichtete Neigung der Linie allmählich steiler wird.
Wenn der Katalysator einen bestimmten hohen Temperaturwert erreicht, ist jedoch das Sauerstoffspeichervermögen des Katalysators für die Linien c und d gesättigt und wird daran gehindert, weiter anzusteigen. Allerdings nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit des Katalysators weiter zu, was die Neigung der Linie noch steiler macht.
Das heißt, es kann angenommen werden, dass eine Zunahme des Sauerstoffspeichervermögens, die durch einen Anstieg der Katalysatortemperatur bedingt ist, begrenzt ist, dass aber eine zugehörige Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeit nicht begrenzt ist. Es wird erwartet, dass die Zunahme der Reaktionsgeschwindigkeit ein Hauptgrund für die Differenz beim Zeitpunkt, wann die Sauerstoffkonzentration N_VR erreicht wird, oder für das umgekehrte Phänomen des Messwerts des Sauerstoffspeichervermögens ist.
In Verbindung mit der Sauerstoffabsorptions- und -freigabereaktion des Katalysators wird erwartet, dass die Sauerstofffreigabegeschwindigkeit geringer als die Sauerstoffspeichergeschwindigkeit ist. Der Grund ist der, dass Sauerstoff bei der Sauerstoffspeicherreaktion einfach von den Sauerstoffspeicherkomponenten absorbiert wird, ohne dass die aus seltenem Metall oder dergleichen gebildeten Katalysatorkomponenten 32 verwendet werden, wohingegen die Sauerstofffreigabereaktion über die Katalysatorkomponenten 32 erfolgt. Daher wird die Sauerstofffreigabereaktionsgeschwindigkeit deutlich vom Aktivierungszustand der Katalysatorkomponenten 32 beeinflusst. Die Sauerstofffreigabereaktion wird von der Katalysatortemperatur deutlicher als die Sauerstoffspeicherreaktion beeinflusst. Es wird davon ausgegangen, dass das oben beschriebene umgekehrte Phänomen ausgeprägt während der Sauerstofffreigabereaktion auftritt.
Beruhend auf der obigen Diskussion wird erwartet, dass es eine Katalysatortemperatur gibt, bei der das Sauerstoffspeichervermögen den Maximalwert zeigt (diese Katalysatortemperatur wird im Folgenden als Spitzentemperatur bezeichnet). Das Temperaturverhalten des Katalysators ist derart, dass der Messwert des Sauerstoffspeichervermögens abnimmt, wenn die Katalysatortemperatur vom Spitzenwert aus zunimmt, und dass der Messwert des Sauerstoffspeichervermögens in einem Temperaturbereich, in dem die Katalysatortemperatur niedriger als die Spitzentemperatur ist, konsistent mit der Katalysatortemperatur zunimmt. Das herkömmliche Wissen trifft für die Niedertemperaturseite der Spitzentemperatur zu. Im Gegensatz dazu verschafft die Erfindung Wissen über die Hochtemperaturseite der Spitzentemperatur. Die Erfindung nutzt dieses Wissen auch, um mit hoher Genauigkeit und Zuverlässigkeit eine geeignete Diagnose zu implementieren.
Es werden nun entsprechend dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel Ausführungsbeispiele beschrieben, die sich auf die Anormalitätsdiagnose beziehen. Die Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt.
– Erstes Ausführungsbeispiel –
7 stellt den Zusammensang zwischen der Katalysatortemperatur Tc und dem Sauerstoffspeichervermögen OSC dar, der im ersten Ausführungsbeispiel verwendet wird, genauer gesagt den Zusammenhang zwischen der Katalysatortemperatur Tc und jeweils einem Normalitätsbestimmungswert X1 und einem Anormalitätsbestimmungswert X2, der im ersten Ausführungsbeispiel verwendet wird. Der Zusammenhang wird beruhend auf Versuchen oder dergleichen in Übereinstimmung mit dem oben beschriebenen Temperaturverhalten vorab erzeugt und in der ECU 20 in der Form eines Kennfelds oder dergleichen gespeichert. Das Bezugszeichen Tcp bezeichnet die oben beschriebene Spitzentemperatur, die einen Wert hat, der beruhend auf Versuchen oder dergleichen voreingestellt wird. Die Temperatur Tcp ändert sich abhängig vom Katalysator, liegt aber im Allgemeinen in dem Bereich zwischen etwa 500°C und etwa 650°C.
Die Spitzentemperatur Tcp gehört vorzugsweise zu einem Katalysator, der um ein vorbestimmtes Maß geschwächt ist, zum Beispiel zu einem unbenutzten, nicht geschwächten Katalysator.
Wie in 7 zu erkennen ist, sind der Normalitätsbestimmungswert X1 und der Anormalitätsbestimmungswert X2 beide am größten, wenn die Katalysatortemperatur Tc gleich hoch wie die Spitzentemperatur Tcp ist. Wenn die Katalysatortemperatur Tc gleich hoch wie oder höher als die Spitzentemperatur Tcp ist, nehmen der Normalitätsbestimmungswert X1 und der Anormalitätsbestimmungswert X2 beide mit zunehmender Katalysatortemperatur Tc ab. Wenn die Katalysatortemperatur Tc niedriger als die Spitzentemperatur Tcp ist, nehmen der Normalitätsbestimmungswert X1 und der Anormalitätsbestimmungswert X2 beide konsistent mit der Katalysatortemperatur Tc zu, wie dies bei den herkömmlichen Techniken der Fall ist.
Unter Bezugnahme auf 8 wird nun eine Prozedur für einen Anormalitätsdiagnosevorgang im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, die von der ECU 20 durchgeführt wird.
Zunächst wird im Schritt S101 wie oben beschrieben eine aktive Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung durchgeführt, und es wird eine Vielzahl von Messwerten für das Sauerstoffspeichervermögen OSC, das heißt für jeweils die gespeicherte Sauerstoffmenge OSCa und die frei gegebene Sauerstoffmenge OSCb, ermittelt. Dann wird im Schritt S102 der Mittelwert OSCav der Messwerte der gespeicherten Sauerstoffmenge OSCa und der frei gegebenen Sauerstoffmenge OSCb berechnet.
Im Schritt S103 wird die Katalysatortemperatur Tc als ein Schätzwert erlangt. Die Katalysatortemperatur Tc kann zu einem vorbestimmten Moment geschätzt werden, oder sie kann der Mittelwert von Katalysatortemperaturen sein, die während eines vorbestimmten Zeitraums geschätzt wurden. In diesem Ausführungsbeispiel wird zum Beispiel die Katalysatortemperatur Tc verwendet, die am Ende der OSC-Messung geschätzt wurde.
Im Schritt S104 werden beruhend auf der Katalysatortemperatur Tc in Übereinstimmung mit dem in 7 dargestellten Zusammenhang (dem Kennfeld oder dergleichen) der Normalitätsbestimmungswert X1 und der Anormalitätsbestimmungswert X2 berechnet.
Im Schritt S105 vergleicht die ECU 20 den Mittelwert OSCav mit dem Normalitätsbestimmungswert X1. Falls OSCav ≥ X1 ist, dann fährt die ECU 20 mit Schritt S106 fort, um zu bestimmen, dass der Katalysator 11 normal ist. Falls andererseits OSCav < X1 ist, dann fährt die ECU 20 mit Schritt S107 fort.
Im Schritt S107 vergleicht die ECU 20 den Mittelwert OSCav mit den Anormalitätsbestimmungswert X2. Falls OSCav ≤ X2 ist, dann fährt die ECU 20 mit dem Schritt S108 fort, um zu bestimmen, dass der Katalysator 11 anormal ist.
Falls andererseits OSCav > X2 ist, dann fährt die ECU 20 mit dem Schritt S109 fort, um die Normalitäts-/Anormalitätsbestimmung für den Katalysator 11 zu verweigern.
Wie oben beschrieben wurde, sind die Bestimmungswerte X1 und X2 so eingestellt, dass sie in einem Temperaturbereich, in dem die Katalysatortemperatur Tc gleich hoch wie oder höher als die Spitzentemperatur Tcp ist, mit zunehmender Katalysatortemperatur Tc abnehmen. Wenn die aktuelle geschätzte Katalysatortemperatur Tc hoch ist und gleich hoch wie oder höher als die Spitzentemperatur Tcp ist, kann die ECU 20 somit den Messwert des Sauerstoffspeichervermögens mit einem geeigneten Bestimmungswert vergleichen, um zu bestimmen, ob der Katalysator normal oder anormal ist. Daher kann die Genauigkeit der Diagnose in einem solchen Hochtemperaturbereich erhöht werden, was zu einer besseren Zuverlässigkeit führt.
Es soll nun angenommen werden, dass der Bestimmungswert für einen Temperaturbereich, in dem die Katalysatortemperatur Tc gleich hoch wie oder höher als die Spitzentemperatur Tcp ist, in Übereinstimmung mit dem auf dem herkömmlichen Wissen beruhenden Temperaturverhalten eingestellt wird, wie durch die Strichellinie V1 in 7 gezeigt ist. Dann verschiebt sich der Bestimmungswert zur Normalseite, was es wahrscheinlicher macht, dass bestimmt wird, dass der Katalysator anormal ist. Daher kann ein Katalysator, der als normal bestimmt werten sollte, als anormal bestimmt werden, oder die Normalitäts-/Anormalitätsbestimmung kann für diesen Katalysator verweigert werden. Allerdings ermöglicht dieses Ausführungsbeispiel, solche fehlerhaften Diagnosen zu verhindern.
Die Bestimmungswerte X1 und X2 werden so eingestellt, dass sie in einen Temperaturbereich, in dem die Katalysatortemperatur Tc niedriger als die Spitzentemperatur Tcp ist, konsistent mit der Katalysatortemperatur Tc zunehmen, wie durch das herkömmliche Wissen aufgezeigt wird. Daher ermöglicht der in 8 dargestellte Vorgang, dass selbst in einem solchen Temperaturbereich eine genauere Normalitäts-/Anormalitätsbestimmung erfolgt.
Das erste Ausführungsbeispiel kann wie folgt abgewandelt werden. Und zwar wird gemäß einem abgewandelten Verfahren selbst für den Temperaturbereich, in dem die Katalysatortemperatur Tc gleich hoch wie oder höher als die Spitzentemperatur Tcp ist, ein Bezugsbestimmungswert in Übereinstimmung mit dem auf dem herkömmlichen Wissen beruhenden Temperaturverhalten voreingestellt. Der Bezugsbestimmungswert wird beruhend auf der geschätzten Katalysatortemperatur korrigiert, um den Bestimmungsendwert einzustellen.
In Verbindung mit dem Normalitätsbestimmungswert X1 wird zum Beispiel speziell für den Temperaturbereich, in dem die Katalysatortemperatur Tc gleich hoch wie oder höher als die Spitzentemperatur Tcp ist, in Übereinstimmung mit dem auf dem herkömmlichen Wissen beruhenden Temperaturverhalten ein Bezugsnormalitätswert voreingestellt, wie er von der Strichellinie V1 in 7 angegeben wird. Der in 7 gezeigte Zusammenhang zwischen der Katalysatortemperatur Tc und dem Bezugsnormalitätsbestimmungswert V1 wird in der ECU 20 in der Form eines Kennfelds oder dergleichen vorab gespeichert. Dann wird beruhend auf dem Kennfeld oder dergleichen der Bezugsnormalitätsbestimmungswert V1 berechnet, der der geschätzten Katalysatortemperatur Tc entspricht. Der Bezugsnormalitätsbestimmungswert V1 wird beruhend auf der geschätzten Katalysatortemperatur Tc korrigiert. Zum Beispiel wird in Übereinstimmung mit dem in 9 gezeigten Kennfeld oder dergleichen ein Korrekturkoeffizient J berechnet, der der geschätzten Katalysatortemperatur Tc entspricht. Der Bezugsnormalitätsbestimmungswert V1 wird mit dem Korrekturkoeffizienten J multipliziert. Dadurch wird der Normalitätsbestimmungswert X1 erzielt. Der Korrekturkoeffizient J ist so voreingestellt, dass er in dem Temperaturbereich, in dem die Katalysatortemperatur Tc gleich hoch wie oder höher als die Spitzentemperatur Tcp ist, mit zunehmender Katalysatortemperatur Tc allmählich von 1 aus abnimmt. Somit wird der Bezugsnormalitätsbestimmungswert V1 korrigierend gesenkt, wobei der Korrekturbetrag konsistent mit der Katalysatortemperatur zunimmt. Dies ermöglicht es, den gleichen Normalitätsbestimmungswert zu erzielen, wie er in 7 durch X1 angegeben ist.
Dieses Verfahren findet auch bei dem Anormalitätsbestimmungswert X2 Anwendung.
Alternativ ist die folgende Prozedur möglich, auch wenn diese nicht in den Zeichnungen gezeigt ist. In dem Temperaturbereich, in dem die Katalysatortemperatur Tc gleich hoch wie oder höher als die Spitzentemperatur Tcp ist, wird ein Bestimmungswert verwendet, der ein solches Verhalten wie der Bezugsbestimmungswert V1 zeigt. Darüber hinaus wird der Messwert des Sauerstoffspeichervermögens korrigierend erhöht, und der sich ergebende Wert wird mit dem Bestimmungswert verglichen. In diesem Fall wird in Übereinstimmung mit einem wie in 10 gezeigten Kennfeld oder dergleichen ein Korrekturkoeffizient H berechnet, der der geschätzten Katalysatortemperatur Tc entspricht. Dann wird der Messwert des Sauerstoffspeichervermögens korrigiert, indem er mit dem Korrekturkoeffizienten H multipliziert wird. Der Korrekturkoeffizient H ist so voreingestellt, dass er in dem Temperaturbereich, in dem die Katalysatortemperatur Tc gleich hoch wie oder höher als die Spitzentemperatur Tcp ist, allmählich und konsistent mit der Katalysatortemperatur Tc von 1 aus zunimmt. Somit wird der Messwert des Sauerstoffspeichervermögens korrigierend erhöht, wobei der Korrekturbetrag konsistent mit der Katalysatortemperatur zunimmt. Somit kann selbst dann, wenn der Bestimmungswert das auf dem herkömmlichen Wissen beruhende Verhalten hat, der Messwert des Sauerstoffspeichervermögens in Übereinstimmung mit diesem Verhalten korrigiert werden. Daher kann eine geeignete Normalitäts-/Anormalitätsbestimmung erfolgen.
– Zweites Ausführungsbeispiel –
Es wird nun ein zweites Ausführungsbeispiel beschrieben. Das zweite Ausführungsbeispiel beruht auf weiterem neuem Wissen (nachstehend als zweites Wissen bezeichnet), das von den Erfindern gewonnen wurde.
Und zwar haben die Erfinder festgestellt, dass, wenn die gespeicherte Sauerstoffmenge OSCa und die frei gegebene Sauerstoffmenge OSCb einzeln gemessen werden, die Differenz ΔOSC = OSCa – OSCb zwischen der gespeicherten Sauerstoffmenge OSCa und der frei gegebenen Sauerstoffmenge OSCb mit abnehmendem Schwächungsgrad des Katalysators, das heißt mit zunehmendem Normalitätsgrad des Katalysators, zunimmt. Somit erfolgt die Anormalitätsdiagnose beruhend auf dem zweiten Wissen wie folgt.
11 stellt eine Prozedur für einen Anormalitätsdiagnosevorgang im zweiten Ausführungsbeispiel dar, die von der ECU 20 durchgeführt wird. In dem dargestellten Beispiel wird auch das erste Ausführungsbeispiel verwendet.
Zunächst führt die ECU 20 im Schritt S201 die oben beschriebenen aktive Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung durch und ermittelt eine Vielzahl von Messwerten des Sauerstoffspeichervermögens OSC, das heißt von jeweils der gespeicherten Sauerstoffmenge OSCa und der frei gegebenen Sauerstoffmenge OSCb.
Dann berechnet die ECU 20 im Schritt S202 den Mittelwert OSCav der Vielzahl von Messwerten der gespeicherten Sauerstoffmenge OSCa, das heißt eine mittlere gespeicherte Sauerstoffmenge OSCaav, und den Mittelwert der Vielzahl von Messwerten der frei gegebenen Sauerstoffmenge OSCb, das heißt eine mittlere frei gegebene Sauerstoffmenge OSCbav.
Im Schritt S203 berechnet die ECU 20 mittels des Ausdrucks OSCav = (OSCaav + OSCbav)/2 den Mittelwert OSCav des Sauerstoffspeichervermögens OSC.
Im Schritt S204 berechnet die ECU 20 die Differenz ΔOSC = OSCaav – OSCbav zwischen der mittleren gespeicherten Sauerstoffmenge OSCaav und der mittleren frei gegebenen Sauerstoffmenge OSCbav.
Im Schritt S205 erlangt die ECU 20 wie im Fall des oben beschriebenen Schritts S103 die geschätzte Katalysatortemperatur Tc.
Im Schritt S206 berechnet die ECU 20 beruhend auf der Katalysatortemperatur Tc wie im Fall des oben beschriebenen Schritts S104 den Normalitätsbestimmungswert X1 und den Anormalitätsbestimmungswert X2.
Im Schritt S207 vergleicht die ECU 20 den Mittelwert OSCav wie im vorgeschriebenen Schritt S105 mit dem Normalitätsbestimmungswert X1. Falls OSCav ≥ X1 ist, dann fährt die ECU 20 mit dem Schritt S209 fort, um zu bestimmen, dass der Katalysator 11 normal ist. Falls dagegen OSCav < X1 ist, dann fährt die ECU 20 mit dem Schritt S208 fort.
Im Schritt S107 vergleicht die ECU 20 die Differenz ΔOSC mit einem vorbestimmten normalen Differenzbestimmungswert Y1. Der normale Differenzbestimmungswert Y1 wird in der ECU 20 als eine festgeschriebene Konstante vorab gespeichert. Falls ΔOSC > Y1 ist, dann fährt die ECU 20 mit dem Schritt S209 fort, um zu bestimmen, dass der Katalysator 11 normal ist. Auf dieses Weise kann selbst dann, wenn die Normalitätsbestimmung nicht allein mit dem Mittelwert OSCav erreicht werden kann, die Normalitätsbestimmung beruhend auf der Differenz ΔOSC erreicht werden. Falls andererseits ΔOSC < Y1 ist, dann fährt die ECU 20 mit dem Schritt S210 fort.
Im Schritt S210 vergleicht die ECU 20 den Mittelwert OSCav mit dem Anormalitätsbestimmungswert X2. Falls OSCav > X2 ist, dann fährt die ECU 20 mit dem Schritt S213 fort, um die Normalitäts-/Anormalitätsbestimmung für den Katalysator 11 zu verweigern. Falls dagegen OSCav ≤ X2 ist, dann fährt die ECU 20 mit dem Schritt S211 fort.
Im Schritt S211 vergleicht die ECU 20 die Differenz ΔOSC mit einem vorbestimmten anormalen Differenzbestimmungswert Y2. Der anormale Differenzbestimmungswert Y2 wird ebenfalls als eine festgeschriebene Konstante in der ECU 20 vorab gespeichert. Der Wert Y2 ist kleiner als der Wert Y1. Falls ΔOSC > Y2 ist, dann fährt die ECU 20 mit dem Schritt S213 fort, um die Normalitäts-/Anormalitätsbestimmung für den Katalysator 11 zu verweigern. Falls andererseits ΔOSC ≤ Y2 ist, dann fährt die ECU 20 mit dem Schritt S212 fort, um zu bestimmen, dass der Katalysator 11 anormal ist. Es wird somit bestimmt, dass der Katalysator anormal ist, wenn der Mittelwert OSCav und die Differenz ΔOSC beide kleiner als die vorbestimmten Werte sind. Daher kann die Genauigkeit der Anormalitätsbestimmung verbessert werden.
Wie oben beschrieben wurde, wird zusätzlich zu den geeigneten hochtemperaturseitigen Bestimmungswerten X1 und X2 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel die Differenz ΔOSC zwischen der gespeicherten Sauerstoffmenge OSCa und der frei gegebenen Sauerstoffmenge OSCb für die Normalitäts-/Anormalitätsbestimmung verwendet. Daher können die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Diagnose weiter verbessert werden.
– Drittes Ausführungsbeispiel –
Es wird nun ein drittes Ausführungsbeispiel beschrieben. Das dritte Ausführungsbeispiel beruht auf weiterem neuem Wissen (nachstehend als drittes Wissen bezeichnet), das von den Erfindern gewonnen wurde.
Und zwar haben die Erfinder festgestellt, dass ein Anstieg bei der Katalysatortemperatur die frei gegebene Sauerstoffmenge OSCb in Bezug auf die gespeicherte Sauerstoffmenge OSCa tendenziell erhöht, während sich die Differenz ΔOSC erhöht. Die Erfinder haben außerdem festgestellt, dass die Different ΔOSC in dem Temperaturbereich, in dem die Katalysatortemperatur Tc gleich hoch wie oder höher als die Spitzentemperatur Tcp ist, in Folge des oben beschriebenen umgekehrten Phänomens größer ist als dann, wenn die Katalysatortemperatur Tc niedriger als die Spitzentemperatur Tcp ist. Somit werden die Differenzbestimmungswerte Y1 und Y2 im dritten Ausführungsbeispiel beruhend auf der geschätzten Katalysatortemperatur Tc so eingestellt, dass die Raten der Anstiege bei den Differenzbestimmungswerten Y1 und Y2 in Bezug auf einen Anstieg bei der Katalysatortemperatur Tc beginnen, bei der Spitzentemperatur Tcp zuzunehmen.
12 stellt den Zusammenhang zwischen der Katalysatortemperatur Tc und der Differenz ΔOSC dar, die im dritten Ausführungsbeispiel verwendet wird, insbesondere den Zusammenhang zwischen der Katalysatortemperatur Tc und jeweils dem Normalitätsbestimmungswert Y1 und dem Anormalitätsbestimmungswert Y2, der im ersten Ausführungsbeispiel verwendet wird. Der Zusammenhang wird experimentell beruhend auf dem dritten Wissen vorab erzeugt und in der ECU 20 in der Form eines Kennfelds oder dergleichen gespeichert. Wie in 12 zu erkennen ist, beginnen die Raten der Anstiege bei den Differenzbestimmungswerten Y1 und Y2 (das heißt die Neigungen der Linien Y1 und Y2) in Bezug auf einen Anstieg bei der Katalysatortemperatur Tc bei der Spitzentemperatur Tcp zuzunehmen. Das heißt, dass die Raten, wenn die Katalysatortemperatur Tc gleich hoch wie oder höher als die Spitzentemperatur Tcp ist, höher sind als dann, wenn die Katalysatortemperatur Tc niedriger als die Spitzentemperatur Tcp ist.
Das Einstellen der Differenzbestimmungswerte Y1 und Y2 in Übereinstimmung mit diesem Zusammenhang ermöglicht somit das Einstellen der geeigneten Differenzbestimmungswerte Y1 und Y2, in denen sich das dritte Wissen widerspiegelt. Dadurch kann in sämtlichen Katalysatortemperaturbereichen (besonders in dem Bereich der Katalysatortemperaturen von gleich hoch wie oder höher als der Spitzentemperatur) beruhend auf der Differenz ΔOSC eine geeignete Normalitäts-/Anormalitätsbestimmung erfolgen. Daher können die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Diagnose weiter verbessert werden.
13 stellt eine Prozedur für einen Anormalitätsdiagnosevorgang in dem dritten Ausführungsbeispiel dar, der von der ECU 20 durchgeführt wird. In dem dargestellten Beispiel wird das erste Ausführungsbeispiel nicht verwendet. Allerdings kann das erste Ausführungsbeispiel auch wie im Fall des zweiten Ausführungsbeispiels verwendet werden.
Im Schritt S301 führt die ECU 20 die aktive Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung durch und ermittelt eine Vielzahl von Messwerten des Sauerstoffspeichervermögens OSC, das heißt von jeweils der gespeicherten Sauerstoffmenge OSCa und der frei gegebenen Sauerstoffmenge OSCb.
Dann berechnet die ECU 20 im Schritt S302 anhand jeweils der Vielzahl von Messwerten der gespeicherten Sauerstoffmenge OSCa und der Vielzahl von Messwerten der frei gegebenen Sauerstoffmenge OSCb die mittlere gespeicherte Sauerstoffmenge OSCaav und die mittlere frei gegebene Sauerstoffmenge ΔSCbav.
Im Schritt S303 berechnet die ECU 20 die Differenz ΔOSC = OSCaav – OSCbav zwischen der mittleren gespeicherten Sauerstoffmenge OSCaav und der mittleren frei gegebenen Sauerstoffmenge OSCbav.
Im Schritt S304 erlangt die ECU 20 wie im Fall des oben beschriebenen Schritts S103 die geschätzte Katalysatortemperatur Tc. Dann berechnet die ECU 20 im Schritt S305 beruhend auf der erlangten Katalysatortemperatur Tc in Übereinstimmung mit dem in 12 dargestellten Zusammenhang (dem Kennfeld oder dergleichen) den Normalitätsbestimmungswert Y1 und den Anormalitätsbestimmungswert Y2.
Im Schritt S306 vergleicht die ECU 20 die Differenz ΔOSC mit dem Normalitätsbestimmungswert Y1. Falls ΔOSC ≥ Y1 ist, dann fährt die Ecu 20 mit dem Schritt S307 fort, um zu bestimmen, dass der Katalysator 11 normal ist. Falls andererseits ΔOSC < Y1 ist, dann fährt die ECU 20 mit dem Schritt S308 fort.
Im Schritt S308 vergleicht die ECU 20 die Differenz ΔOSC mit dem Anormalitätsbestimmungswert Y2. Falls ΔOSC ≤ Y2 ist, dann fährt die ECU 20 mit dem Schritt S309 fort, um zu bestimmen, dass der Katalysator 11 anormal ist. Falls andererseits ΔOSC > Y2 ist, dann fährt die ECU 20 mit dem Schritt S310 fort, um die Normalitäts-/Anormalitätsbestimmung für den Katalysator 11 zu verweigern.
– Viertes Ausführungsbeispiel –
Es wird nun ein viertes Ausführungsbeispiel beschrieben. Wie oben beschrieben wurde, wird die Sauerstofffreigabereaktion deutlicher als die Sauerstoffspeicherreaktion durch die Katalysatortemperatur beeinflusst. Das oben beschriebene umgekehrte Phänomen tritt während der Sauerstofffreigabereaktion ausgeprägt auf.
Wenn die Katalysatortemperatur Tc hoch ist und gleich hoch wie oder höher als die Spitzentemperatur Tcp ist, erfolgt somit die Normalitäts-/Anormalitätsbestimmung im vierten Ausführungsbeispiel, indem lediglich der Messwert der gespeicherten Sauerstoffmenge OSCa und nicht der Messwert der frei gegebenen Sauerstoffmenge OSCb verwendet wird. Somit kann die frei gegebene Sauerstoffmenge OSCb, die mit dem umgekehrten Phänomen bei hoher Temperatur verbunden ist, von den Bestimmungszielen ausgeschlossen werden. Dann können die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Diagnose bei hoher Temperatur verbessert werden. Darüber hinaus kann die Diagnose selbst vereinfacht werden.
14 stellt eine Prozedur für einen Anormalitätsdiagnosevorgang im vierten Ausführungsbeispiel dar, die durch die ECU 20 durchgeführt wird.
Im Schritt S401 führt die ECU 20 die aktive Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung durch und ermittelt eine Vielzahl von Messwerten des Sauerstoffspeichervermögens OSC, das heißt von jeweils der gespeicherten Sauerstoffmenge OSCa und der frei gegebenen Sauerstoffmenge OSCb.
Dann berechnet die ECU 20 im Schritt S402 anhand jeweils der Vielzahl von Messwerten der gespeicherten Sauerstoffmenge OSCa und der Vielzahl von Messwerten der frei gegebenen Sauerstoffmenge OSCb die mittlere gespeicherte Sauerstoffmenge OSCaav und die mittlere frei gegebene Sauerstoffmenge OSCbav.
Im Schritt S403 berechnet die ECU 20 mittels des Ausdrucks OSCav = (OSCaav + OSCbav)/2 den Mittelwert OSCav des Sauerstoffspeichervermögens OSC.
Im Schritt S404 erlangt die ECU 20 wie im Fall des oben beschriebenen Schritts S103 die geschätzte Katalysatortemperatur Tc.
Im Schritt S405 vergleicht die ECU 20 die erlangte geschätzte Katalysatortemperatur Tc mit der Spitzentemperatur Tcp.
Falls Tc ≥ Tcp ist, dann fährt die ECU 20 mit dem Schritt S406 fort, um die mittlere gespeicherte Sauerstoffmenge OSCaav mit einem vorbestimmten Speichernormalitätsbestimmungswert Z1 zu vergleichen. Der Speichernormalitätsbestimmungswert Z1 wird beruhend auf der im Schritt S404 erlangten geschätzten Katalysatortemperatur Tc in Übereinstimmung mit einem wie in 15 gezeigten Zusammenhang, das heißt mit einem wie in 15 gezeigten Kennfeld oder dergleichen, berechnet. Wie in 15 dargestellt ist, sind der Speichernormalitätsbestimmungswert Z1 und ein Speicheranormalitätsbestimmungswert Z2 so voreingestellt, dass es selbst in dem Bereich der Temperaturen, die gleich hoch wie oder höher als die Spitzentemperatur Tcp sind, konsistent mit der Katalysatortemperatur Tc ansteigen, wie durch des herkömmliche Wissen aufgezeigt ist. Dies entspricht der Tendenz der gespeicherten Sauerstoffmenge OSCa, selbst in dem Bereich von Temperaturen, die gleich hoch wie oder höher als die Spitzentemperatur Tcp sind, konsistent mit der Katalysatortemperatur Tc anzusteigen.
Wenn das Ergebnis des Vergleiches zeigt, dass OSCaav ≥ Z1 ist, fährt die ECU 20 mit dem Schritt S407 fort, um zu bestimmen, dass der Katalysator 11 normal ist. Falls das Ergebnis des Vergleichs andererseits angibt, dass OSCaav < Z1 ist, fährt die ECU 20 mit dem Schritt S408 fort.
Im Schritt S408 vergleicht die ECU 20 die mittlere gespeicherte Sauerstoffmenge OSCaav mit dem vorbestimmten Speicheranormalitätsbestimmungswert Z2. Falls OSCaav ≤ Z2 ist, dann fährt die ECU 20 mit dem Schritt S409 fort, um zu bestimmen, dass der Katalysator 11 anormal ist. Falls dagegen OSCaav > Z2 ist, dann fährt die ECU 20 mit dem Schritt S410 fort, um die Normalitäts-/Anormalitätsbestimmung für den Katalysator 11 zu verweigern.
Falls im Schritt S405 Tc < Tcp ist, führt die ECU 20 die Normalitäts-/Anormalitätsbestimmung in Übereinstimmung mit dem normalen Cmax-Verfahren durch. Das heißt, die ECU 20 vergleicht zunächst im Schritt S411 den Mittelwert OSCav mit einem Normalitätsbestimmungswert A1. Der Normalitätsbestimmungswert A1 und ein unten beschriebener Anormalitätsbestimmungswert A2 werden in Übereinstimmung mit einem vorab gespeicherten Kennfeld oder dergleichen beruhend auf der im Schritt S404 erlangten geschätzten Katalysatortemperatur Tc berechnet. Der Normalitätsbestimmungswert A1 und der Anormalitätsbestimmungswert A2 haben ein ähnliches Verhalten wie das in 15 und sind so voreingestellt, dass sie konsistent mit der Katalysatortemperatur Tc zunehmen. Allerdings sind die Größen des Normalitätsbestimmungswerts A1 und des Anormalitätsbestimmungswerts A2 jeweils von denen des Speichernormalitätsbestimmungswerts Z1 und des Speicheranormalitätsbestimmungswerts Z2 verschieden. Das liegt daran, dass der Mittelwert OSCav auch unter Berücksichtigung der frei gegebenen Sauerstoffmenge OSCb ermittelt wird.
Falls OSCav ≤ A1 ist, dann fährt die ECU 20 mit dem Schritt S407 fort, um zu bestimmen, dass der Katalysator 11 anormal ist. Falls andererseits OSCav > A1 ist, dann fährt die ECU 20 mit dem Schritt S412 fort.
Im Schritt S412 vergleicht die ECU 20 den Mittelwert OSCav mit dem Anormalitätsbestimmungswert A2. Falls ΔOSC ≤ A2 ist, dann fährt die ECU 20 mit dem Schritt S409 fort, um zu bestimmen, dass der Katalysator 11 anormal ist. Falls andererseits ΔOSC A2 ist, dann fährt die ECU 20 mit dem Schritt S410 fort, um die Normalitäts-/Anormalitätsbestimmung für den Katalysator 11 zu verweigern.
Das Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde ausführlich beschrieben. Allerdings sind verschiedene andere Ausführungsbeispiele der Erfindung möglich. Zum Beispiel sind die Anwendung und Form des Motors optional. Zum Beispiel kann der Motor in anderen Anwendungsbereichen als Fahrzeugen verwendet werden, und er kann ein Direkteinspritzungsmotor oder eine Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung sein. Darüber hinaus sieht das oben beschriebene Ausführungsbeispiel die zwei Arten von Bestimmungswerten vor, die verwendet werden, um jeweils Normalität und Anormalität zu bestimmen. Allerdings kann auch eine einzige Art von Bestimmungswert verwendet werden, um die Normalitäts-/Anormalitätsbestimmung durchzuführen. Außerdem kann für das Sauerstoffspeichervermögen OSC an Stelle der Vielzahl von Mittelwerten ein einzelner Wert verwendet werden, um die Normalitäts-/Anormalitätsbestimmung durchzuführen. Allerdings ist naturgemäß die Vielzahl von Mittelwerten für eine bessere Genauigkeit und dergleichen vorzuziehen. In dem zweiten und dritten Ausführungsbeispiel kann anstelle der Differenz ΔOSC = OSCa – OSCb zwischen der gespeicherten Sauerstoffmenge OSCa und der frei gegebenen Sauerstoffmenge OSCb das Verhältnis OSCa/OSCb der gespeicherten Sauerstoffmenge OSCa zu der frei gegebenen Sauerstoffmenge OSCb verwendet werden. Die obige Beschreibung trifft auch auf diesen Fall zu.
Ob die Katalysatortemperatur gleich hoch wie oder höher als die Spitzentemperatur Tcp ist oder nicht, kann auch durch das folgende Verfahren bestimmt werden. Und zwar nimmt die Katalysatortemperatur konsistent mit der Dauer zu, während der ein gleichmäßiger Betriebszustand mit einer großen Ansaugluftmenge (einer großen Last) andauert. Ob die Katalysatortemperatur gleich hoch wie oder höher als die Spitzentemperatur Tcp ist, kann daher beruhend auf der Dauer des gleichmäßigen Betriebs und der Ansaugluftmenge bestimmt werden.
Die Erfindung schließt jegliche Abwandlungen, Anwendungen und Äquivalente ein, die von dem durch die Ansprüche definierten Konzept der Erfindung umfasst sind. Daher sollte die Erfindung nicht einschränkend verstanden werden, sondern lässt sich auch auf andere Techniken anwenden, die zum Schutzumfang und Konzept der Erfindung gehören.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2009-13945 A [0005]

Claims

Vorrichtung, die so aufgebaut ist, dass sie die Anormalität eines Katalysators diagnostiziert, der in einem Abgasweg in einer Brennkraftmaschine angeordnet ist, wobei die Vorrichtung durch Folgendes gekennzeichnet ist: eine Aktiv-Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungseinrichtung zum derartigen Durchführen einer aktiven Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung, dass ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis von Abgas, das dem Katalysator zugeführt wird, abwechselnd und aktiv zwischen einem Wert fetten Zustands und einem Wert mageren Zustands umgeschaltet wird; eine Messeinrichtung zum Messen eines Sauerstoffspeichervermögens des Katalysators in Verbindung mit der Durchführung der aktiven Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung; eine Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen, ob der Katalysator normal oder anormal ist, durch Vergleichen eines von der Messeinrichtung gemessenen Werts des Sauerstoffspeichervermögens mit einem vorbestimmten Bestimmungswert; eine Katalysatortemperatur-Erlangungseinrichtung zum Erlangen einer Temperatur des Katalysators; und eine Bestimmungswert-Einstelleinrichtung zum Einstellen des Bestimmungswerts beruhend auf der von der Katalysatortemperatur-Erlangungseinrichtung erlangten Katalysatortemperatur, sodass der Bestimmungswert mit zunehmender Katalysatortemperatur abnimmt, wenn die Katalysatortemperatur gleich hoch wie oder höher als eine vorbestimmte Temperatur ist.
Katalysatoranormalitätsdiagnosevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmungswert-Einstelleinrichtung den Bestimmungswert in Übereinstimmung mit einem vordefinierten Zusammenhang zwischen der Katalysatortemperatur und dem Bestimmungswert einstellt.
Katalysatoranormalitätsdiagnosevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmungswert-Einstelleinrichtung einen Bezugsbestimmungswert erlangt, der der erlangten Katalysatortemperatur entspricht, und den erlangten Bezugsbestimmungswert beruhend auf der erlangten Katalysatortemperatur in Übereinstimmung mit einem Zusammenhang zwischen der Katalysatortemperatur und dem Bestimmungswert korrigierend verringert, wobei der Zusammenhang derart vordefiniert ist, dass der Bezugsbestimmungswert konsistent mit der Katalysatortemperatur zunimmt, wenn die Katalysatortemperatur gleich hoch wie oder höher als eine vorbestimmte Temperatur ist.
Katalysatoranormalitätsdiagnosevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung als das Sauerstoffspeichervermögen eine gespeicherte Sauerstoffmenge während einer mageren Steuerung und eine frei gegebene Sauerstoffmenge während einer fetten Steuerung misst und die Bestimmungseinrichtung einen vorbestimmten Differenzbestimmungswert mit einer Differenz zwischen der gespeicherten Sauerstoffmenge und der frei gegebenen Sauerstoffmenge oder einem Verhältnis der gespeicherten Sauerstoffmenge zu der frei gegebenen Sauerstoffmenge vergleicht, um beruhend auf einem Ergebnis des Vergleichs zu bestimmen, ob der Katalysator normal oder anormal ist.
Katalysatoranormalitätsdiagnosevorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmungswert-Einstelleinrichtung den Differenzbestimmungswert beruhend auf der erlangten Katalysatortemperatur so einstellt, dass eine Rate eines Anstiegs beim Differenzbestimmungswert in Bezug auf einen Anstieg bei der Katalysatortemperatur bei der vorbestimmten Temperatur zuzunehmen beginnt.
Katalysatoranormalitätsdiagnosevorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmungswert-Einstelleinrichtung den Differenzbestimmungswert in Übereinstimmung mit einem vordefinierten Zusammenhang zwischen der Katalysatortemperatur und dem Differenzbestimmungswert einstellt.
Vorrichtung, die so aufgebaut ist, dass sie die Anormalität eines Katalysators diagnostiziert, der in einem Abgasweg in einer Brennkraftmaschine angeordnet ist, wobei die Vorrichtung durch Folgendes gekennzeichnet ist: eine Aktiv-Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerungseinrichtung zum derartigen Durchführen einer aktiven Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung, dass ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis von Abgas, das dem Katalysator zugeführt wird, abwechselnd und aktiv zwischen einem Wert fetten Zustands und einem Wert mageren Zustands umgeschaltet wird; eine Messeinrichtung zum Messen eines Sauerstoffspeichervermögens des Katalysators in Verbindung mit der Durchführung der aktiven Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung; eine Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen, ob der Katalysator normal oder anormal ist, durch Vergleichen eines von der Messeinrichtung gemessenen Werts des Sauerstoffspeichervermögens mit einem vorbestimmten Bestimmungswert; und eine Katalysatortemperatur-Erlangungseinrichtung zum Erlangen einer Temperatur des Katalysators, wobei die Messeinrichtung als das Sauerstoffspeichervermögen eine gespeicherte Sauerstoffmenge während einer mageren Steuerung und eine frei gegebene Sauerstoffmenge während einer fetten Steuerung misst und die Bestimmungseinrichtung einen Messwert der gespeicherten Sauerstoffmenge mit dem Bestimmungswert vergleicht, um zu bestimmen, ob der Katalysator normal oder anormal ist, wenn die durch die Katalysatortemperatur-Erlangungseinrichtung erlangte Katalysatortemperatur gleich hoch wie oder höher als eine vorbestimmte Temperatur ist.
Katalysatoranormalitätsdiagnosevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Temperatur eine Katalysatortemperatur ist, bei der der Messwert der Sauerstoffspeicherkapazität am größten ist.
Katalysatoranormalitätsdiagnosevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Temperatur in einem Bereich zwischen etwa 500°C und etwa 650°C liegt.