DE4338917C2 - Verfahren und Vorrichtung einer bordeigenen Katalysator-Wirkungsgrad-Überwachung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Überwachung des Katalysator- Wirkungsgrades bei der Behandlung von Abgasen einer Ver­ brennungskraftmaschine. Insbesondere betrifft die Erfin­ dung die Kraftstoffregelung eines geschlossenen Luft/ Kraftstoff-Regelkreises einer Verbrennungskraftmaschine, der mit stromaufwärts und stromabwärts eines Katalysa­ tors angeordneten Abgas-Sauerstoff-Sensoren (EGO) ausge­ rüstet ist, mit einer periodischen bordeigenen Über­ wachung des Wirkungsgrades des Katalysators.

Es ist bekannt, daß der Wirkungsgrad oder die Wirksam­ keit eines Katalysators bei der Behandlung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine bemerkenswert durch das Verhältnis von Luft zu Kraftstoff beeinflußt wird, die der Maschine zugeführt werden. Bei einem stöchiometri­ schen Verhältnis ist der katalytische Umwandlungswir­ kungsgrad für die Oxidations- und auch die Reduktionsum­ wandlungen hoch. Das stöchiometrische Luft/Kraftstoff­ verhältnis ist definiert als das Verhältnis von Luft zu Kraftstoff, welches bei einer perfekten Verbrennung zu einem vollständigen Verbrauch des Kraftstoffes führen würde. Das Luft/Kraftstoff-Verhältnis LAMBDA eines Luft/ Kraftstoff-Gemisches ist das Verhältnis von

• (a) dem Luftgewichtsbetrag geteilt durch den Kraftstoff­ gewichtsbetrag der zu einem Zeitpunkt tatsächlich der Maschine zugeführten Luft bzw. des zugeführten Kraftstoffes zu
• (b) dem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis.

Der Einsatz geschlossener Kraftstoffregelkreissysteme ist bekannt, um das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in einem engen Bereich um das stöchiometrische Verhältnis zu hal­ ten, und zwar als Umwandlungsfenster. Es sind geschlos­ sene Kraftstoffregelkreissysteme bekannt, die jeweils einen vor und hinter dem Katalysator angeordneten EGO- Sensor verwenden, um das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in­ nerhalb des Umwandlungsfensters zu halten.

Es ist weiterhin bekannt, daß der Wirkungsgrad oder die Wirksamkeit einer katalytischen Umwandlung durch die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators beeinflußt wird. Ein gut arbeitender Katalysator senkt die Sauer­ stoffkonzentrationsschwankungen in dem Abgasstrom. Ein System zum Testen des Katalysator-Wirkungsgrades, das in dem SAE-Papier Nr. 900 062, "Detection of Catalyst Perfor­ mance Using On-Board Diagnostics", vorgeschlagen wurde, verwendet zwei Abgassauerstoffsensoren, einen stromauf­ wärts und einen stromabwärts des Katalysators, um den Sauerstoffgehalt im Abgas zu erfassen. Das System ver­ wendet Testsignale in der Form von Luft/Kraftstoff-Ver­ hältnisschwingungen auf beiden Seiten der Stöchiometrie in vorbestimmten Beträgen oder Frequenzen, die durch Kraftstoffregelsystemstörungen bewirkt werden. Durch Vergleich des Wechsels in den Reaktionsmustern zwischen dem stromaufwärts- und dem stromabwärtsliegenden EGO- Sensor kann eine Aussage über die Katalysatorwirksamkeit gemacht werden.

Aus DE-41 22 702 A1 ist eine Katalysatordegradationsdiagnosevor­ richtung für ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelsystem bekannt, bei dem die Katalysatordegradation dadurch zuverlässig festgestellt werden kann, daß eine vordere Sauerstoff-Sensorausgabe und eine hintere Sauerstoff-Sensorausgabe vor und hinter einem Katalysator festgestellt werden. Es werden Luft-Kraftstoffverhältnis-Korrekturkoeffizienten auf der Basis von Basisrückkopplungsregelkonstanten und Korrekturwerten entsprechend fetten und mageren Luft-Kraftstoffverhältnisbedingungen bestimmt und Perioden und Amplituden des Luft-Kraftstoffverhältnis- Korrekturkoeffizienten gemessen. Dabei wird ein fetter Katalysatordiagnose-Pegelwert höher als ein fetter Luft- Kraftstoffverhältnis-Rückkopplungsregelungspegelwert eingestellt, und ein magerer Katalysatordiagnose-Pegelwert wird niedriger als ein magerer Luft-Kraftstoffverhältnis-Rückkopplungsregelungs-Pegelwert eingestellt, so daß der fette Katalysatordiagnose-Pegelwert zunimmt und der magere Katalysatordiagnose-Pegelwert abnimmt, wenn das Produkt aus Periode und Amplitude des Luft-Kraftstoffverhältnis- Korrekturkoeffizienten zunimmt, und es wird eine Bedingung angegeben, bei der festgestellt wird, daß der Katalysator degradiert ist.

Aus DE 41 12 478 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Beurteilung des Alterungszustandes eines Katalysators, dem das Abgas eines Lambda-geregelten Verbrennungsmotors zugeführt wird bekannt, wobei die Lambda-Werte vor und hinter dem Katalysator gemessen werden, wobei ein möglichst geringer Einfluß von Betriebszuständen auf den berechneten Alterungszustandswert dadurch erreicht wird, daß untersucht wird, ob bei einer Regelschwingung des Lambda-Wertes vor dem Katalysator von fett nach mager oder umgekehrt der Lambda-Wert hinter dem Katalysator einen entsprechenden Übergang zeigt und, falls dies der Fall ist, der den Katalysator durchströmende Gasmassenstrom bestimmt wird, das zeitliche Integral des Produktes aus Gasmassenstrom und Lambda-Wert vor dem Analysator berechnet wird, das zeitliche Integral des Produktes aus Gasmassenstrom und Lambda-Wert hinter dem Katalysator berechnet wird, und als Maß für den Alterungszustand des Katalysators entweder die Differenz zwischen den beiden integralen oder der Quotient aus den beiden integralen oder Quotient aus der Differenz und einem der beiden integralen verwendet wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur genauen und verläßlichen Bestimmung des Katalysator- Wirkungsgrades zu schaffen, insbesondere für ein bordei­ genenes System, welches geeignet ist, in ein Gesamt-Kraftstoff-Regelsystem einer Verbrennungskraftmaschine eingefügt zu werden.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1 bzw. 11 gelöst.

Mit der Erfindung wird ein bordeigenes Verfahren zur Überwachung des Katalysator-Wirkungsgrades bezüglich der Abgasbehandlung einer Verbrennungskraftmaschine geschaf­ fen. Der Katalysator-Wirkungsgrad wird bestimmt durch die Messung einer Umwandlercharakteristik bezogen auf den Behandlungs-Wirkungsgrad von Kohlenwasserstoff (HC), speziell auf die Sauerstoff-Speicherkapazität des Kata­ lysators. In vorteilhafter Weise ist das erfindungsge­ mäße Verfahren zur Regelung des Luft/Kraftstoff-Verhält­ nisses einer Luft/Kraftstoff-Mischung, die einer Ver­ brennungskraftmaschine zugeführt wird, zur Behandlung des Abgases der Maschine und zur periodischen Durchfüh­ rung einer bordeigenen Überwachung des Katalysator-Wir­ kungsgrades bei der Abgas-Behandlung vorgesehen. Das Abgas wird von der Maschine dem Katalysator durch eine stromaufwärtsliegende Abgasleitung zugeführt, wobei es einer ersten EGO-Sensorvorrichtung ausgesetzt wird, die ein erstes EGO-Signal erzeugt, welches einen dem Sauer­ stoffgehalt des Abgases entsprechenden Wert hat. Das Abgas wird stromabwärts des Katalysators durch eine zweite Abgasleitung geführt, wo es einer zweiten EGO- Sensorvorrichtung ausgesetzt wird, die ein zweites EGO- Signal erzeugt, welches einen dem Sauerstoffgehalt in dem stromabwärtsseitigen Abgas entsprechenden Wert hat. Kraftstoff-Regelvorrichtungen werden zur Regelung des Luft- zu Kraftstoffverhältnisses betrieben, in welchem Kraftstoff der Maschine in Abhängigkeit von einem Kraft­ stoff-Strömungs-Regelungssignal zugeführt wird. Die Kraftstoff-Regelvorrichtung wird im normalen Betriebsmo­ dus als ein 2-EGO geschlossenes Kraftstoff-Regelsystem betrieben, entsprechend einer dem Fachmann bekannten Technik. So wird beispielsweise in einer bevorzugten Ausführungsform das Kraftstoff-Strömungs-Regelsignal der Kraftstoff-Regelvorrichtung auf der Basis des ersten EGO-Sensors erzeugt, um das Verhältnis im wesentlichen innerhalb der Grenzen zu halten, die einen Bereich um einen mittleren Luft- zu Kraftstoff-Verhältnisbetrag definieren, der einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff- Verhältnis entspricht. Der mittlere Luft- zu Kraftstoff- Verhältnisbetrag wird eingestellt oder "angeschnitten" auf der Basis des zweiten, stromabwärtsseitigen EGO- Signals entsprechend der oben genannten bekannten Tech­ nik.

Das Verfahren umfaßt weiterhin die Durchführung eines Testes des Wirkungsgrades des Katalysators durch Unter­ brechung des normalen Betriebsmodus mit einem Testbe­ triebsmodus der Kraftstoff-Regelvorrichtung, welcher eine geschlossene Kraftstoff-Regelung auf der Basis wenigstens des ersten EGO-Signals ohne das zweite EGO- Signal umfaßt. Luft zu Kraftstoff-Störungen werden erzeugt, wobei ein mageres Initialintervall mit einem gegenüber dem stöchiometrischen höheren Luft zu Kraft­ stoff-Verhältnis eingerichtet wird. Dem mageren Initial- Intervall folgen eine Reihe satter Intervalle mit gegen­ über dem stöchiometrischen Verhältnis niedrigeren Luft zu Kraftstoff-Verhältnissen, welche sich mit mageren Intervallen abwechseln. Ein Wirkungsgradwert für den Katalysator wird auf der Basis der Anzahl von Störungen bestimmt, die dem mageren Initiatorintervall folgen und von der ersten EGO-Sensorvorrichtung erfaßt werden, im Vergleich zu der Anzahl, die von der zweiten EGO-Sensor­ vorrichtung erfaßt werden. Der Wirkungsgradwert wird dann mit einem vorbestimmten gespeicherten Wert vergli­ chen, der einem annehmbaren Minimumwirkungsgrad des Katalysators entspricht. Für den Fall, daß der Vergleich des Wirkungsgradwertes mit dem gespeicherten Wert anzeigt, daß der Katalysator-Wirkungsgrad unterhalb des akzeptablen Mindestwertes liegt, kann ein Katalysator- Fehlersignal erzeugt oder eine andere Maßnahme eingelei­ tet werden. Nach der Vervollständigung des Testmodus werden die Störungen beendet und die Kraftstoff-Regel­ vorrichtung wiederum in dem normalen Betriebsmodus als ein 2-EGO-Sensor Kraftstoff-Regelsystem betrieben.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bringen bemerkenswerte Vorteile, insbesondere bei der bordeige­ nen Überwachung des Wirkungsgrades eines Katalysators, insbesondere eines Drei-Wege-Katalysators. Solche bevor­ zugten Ausführungen, welche im Detail weiter unten beschrieben werden, sehen ein 2-EGO geschlossenes Kraft­ stoff-Regelsystem mit einer periodischen bordeigenen Katalysatorüberwachung vor. Insbesondere bewirkt bei dieser Ausführung das magere Initialintervall eine erhöhte Exaktheit und Verläßlichkeit. Die Amplitude und die Frequenz und die Form der Störungen des Luft- zu Kraftstoff-Verhältnisses sind bei einem vorhandenen System einfach einstellbar, welches nach dem Stand der Technik bekannte Techniken und Systemkomponenten verwen­ det. Weitere Vorteile und Merkmale unterschiedlicher bevorzugter Ausführungen ergeben sich aus der folgenden Offenbarung und detaillierten Beschreibung.

Verschiedene bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfin­ dung werden anhand der beiliegenden Zeichnungen be­ schrieben.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Verbrennungs­ kraftmaschine eines Fahrzeuges mit einer Vorrichtung zur Regelung des Luft/Kraft­ stoff-Verhältnisses des Luft und Kraftstoff­ gemisches für die Maschine, zur Behandlung der Maschinenabgase und zur periodischen Überwachung der Katalysatorwirksamkeit bei der Behandlung der Abgase gemäß einer bevor­ zugten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 ein Regelblockdiagramm für das Kraftstoff­ regel-, Abgasbehandlungs- und Überwachungs­ system der Ausführungsform gemäß Fig. 1,

Fig. 3 ein Diagramm, welches den Spannungsausgang eines EGO-Sensors als Funktion des Luft-/ Kraftstoff-Verhältnisses LAMBDA zeigt,

Fig. 4 ein Flußdiagramm, welches die Verfahrens­ schritte zeigt, die bei der Berechnung der Kraftstoff-Strömungsrate FPW während des Normalbetriebs der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Vorrichtung durchgeführt werden,

Fig. 5A ein Diagramm, welches die Störungen des Luft- zu Kraftstoff-Verhältnisses des Testbetriebsmodus des Systems gemäß Fig. 1 und 2 zeigt,

Fig. 5B ein Diagramm gemäß Fig. 5a, welches die Störungen in dem stromaufwärtsseitigen EGO-Sensor-Ausgangssignal zeigt,

Fig. 6 ein Flußdiagramm, welches die Verfahrens­ schritte zeigt, die bei der Durchführung eines Wirksamkeitstests des Katalysators der Ausführungsform gemäß Fig. 1 und 2 in Verbindung mit dem Gesamt-Kraftstoff-Strö­ mungs-Regelverfahren durchgeführt werden und

Fig. 7 ein Flußdiagramm, welches die Verfahrens­ schritte zeigt, um die Kraftstoffströmungs­ rate zu berechnen und eine Katalysatorüber­ wachung in Verbindung mit der Ausführungs­ form gemäß Fig. 1 und 2 durchzuführen.

Der Fachmann erkennt aus dem Vorstehenden, daß die vor­ liegende Erfindung in einer Vorrichtung, einem Verfahren und einem System zur periodischen bordeigenen Überwa­ chung oder Diagnose des Wirkungsgrades eines Katalysa­ tors bezüglich der Behandlung der Abgase einer Verbren­ nungsmaschine eingesetzt werden kann. Die Begriffe "Wir­ kungsgrad" und "Wirksamkeit" werden hier austauschbar verwendet, mit der Bedeutung jedes geeigneten Maßes oder jeder geeigneten Bestimmung der Effektivität des Kata­ lysators. Somit kann der oben beschriebene Katalysator- Wirkungsgrad-Wert bestimmt, gespeichert oder ausgedrückt werden, als ein Verhältnis, ein Teil oder dergleichen von Störungen, die von dem ersten EGO-Sensor wahrgenom­ men wurden, gegenüber solchen, die von dem zweiten EGO- Sensor wahrgenommen wurden. Mit "periodisch" ist gele­ gentlich oder intermittierend gemeint, beispielsweise einmal oder mehrmals, nachdem der Betrieb nach einer Nicht-Betriebsphase wieder aufgenommen wird. In diesem Zusammenhang bedeutet der Hinweis auf die Initialisie­ rung des Tests oder der Testphase während des im wesent­ lichen gleichmäßigen Betriebes der Maschine das Starten des Tests, wenn die Maschine in einem geschlossenem 2- EGO-Sensorregelbetrieb ist, vorteilhafterweise unter normalen Geschwindigkeits- und Lastbedingungen, und nicht notwendigerweise, daß die Maschine unter solchen Bedingungen verbleiben muß oder während der gesamten geplanten Testphase in einem Gleichgewichts status ver­ bleiben muß.

Wie oben ausgeführt wird die Katalysatorüberwachung in vorteilhafter Weise bei Ausführungsformen eingesetzt, die ein 2-EGO-Sensor geschlossenes Kraftstoff-Regelsy­ stem aufweisen und sowohl einen stromaufwärtsseitigen als auch einen stromabwärtsseitigen EGO-Sensor verwenden und einen adaptiven stromaufwärtsseitigen EGO-Schalt­ punkt (vorteilhaft HEGO) aufweisen. Solche Kraftstoff- Regelsysteme sind dem Fachmann bekannt und können unter Berücksichtigung der Offenbarung und Beschreibung der vorliegenden Erfindung in einfacher Weise zur Realisie­ rung der vorbeschriebenen bordeigenen Katalysatorüberwa­ chung angepaßt werden. Geeignete Kraftstoff-Regelsysteme sind beispielsweise beschrieben in der US-PS 39 39 654, Creps und in der US-PS 40 27 477, Storey, auf deren Offenbarungen im folgenden Bezug genommen wird. Jedes dieser Patente beschreibt ein geschlossenes 2-EGO-Sensor Kraftstoff-Regelsystem, wobei eine erste Regelschleife einen stromaufwärtsseitigen EGO-Sensor und einen Propor­ tionalregler umfaßt. Eine zweite Regelschleife umfaßt einen stromabwärtsseitigen EGO-Sensor und einen Doppel­ integratorregler. Andere derartige Systeme sind offen­ bart in der US-PS 48 31 838, Nagai et al und der US-PS 48 40 027, Okumura, welche jede einen Proportional- und Integral-(PI)-Regler in einer ersten Regelschleife mit einem stromaufwärtsseitigen EGO-Sensor verwendet. Auf die Offenbarungen beider Druckschriften wird im folgenden Bezug genommen. In einer Ausführung der Systeme, die in den Nagai et al und Okumura Patenten offenbart sind, werden einstellbare Parameter des PI-Reglers auf der Basis des Ausgangs eines stromabwärtsseitigen EGO-Sen­ sors modifiziert. Die modifizierbaren Parameter umfassen einen Vorschubbetrag oder einen Rück- und einen Integra­ tionsbetrag oder eine Schwelle für einen Regelgrenz- Zyklus. Andere Regelsystem-Parameter, wie beispielsweise Zeitverzögerung und Referenzspannung können ebenfalls auf der Basis des Ausganges eines stromabwärtsseitigen EGO-Sensors modifiziert werden. Der Ausgang des strom­ aufwärtsseitigen EGO-Sensors kann auch zur Erzeugung eines zweiten Luft-/Kraftstoff-Verhältnis-Korrekturbe­ trages verwendet werden, der in einer Hauptkraftstoff- Regelgleichung verwendet wird.

Andere bekannte Kraftstoff-Regelsysteme mit Doppel-EGO- Sensoren, von denen einer stromaufwärts und einer strom­ abwärts eines Katalysators angeordnet ist, die zur Anwendung für die erfindungsgemäße Ausführung geeignet sind, weisen ein Kaskaden-Regelschema auf, wobei ein Signal des stromabwärtsseitigen EGO-Sensors mit einem Vergleichssignal einem Summierer zugeführt wird. Der Ausgang des Summierers wird einem ersten PI-Regler zuge­ führt. Ein Ausgangssignal des stromaufwärtsseitigen EGO- Sensors wird zusammen mit dem Ausgang des ersten PI-Reg­ lers einem zweiten Summierer zugeführt. Der Ausgang des zweiten Summierers wird einem zweiten PI-Regler zuge­ führt, welcher dann das Rücknahmesignal zur Regelung des Luft-/Kraftstoff-Verhältnisses der Maschine erzeugt. In anderen geeigneten Verfahren ist an beide Summierer ein Referenzsignal angelegt. Der Ausgang des ersten PI- Reglers wird nicht an den zweiten Summierer angelegt, sondern regelt statt dessen den Parameter des zweiten PI-Reglers. Dieses Verfahren ist als Parameter-Regelung bekannt, da die Parameter des zweiten Reglers ihrerseits durch den Ausgang des ersten Reglers geregelt werden.

Zu Zwecken der Beschreibung und nicht einer Beschränkung werden nachfolgend vorteilhafte Ausführungsbeispiele mit Doppel-EGO-Kraftstoff-Regelvorrichtungen, -verfahren und -systemen für eine Verbrennungskraftmaschine beschrie­ ben, welche den bordeigenen Katalysator-Überwachungsas­ pekt der Erfindung in einer 2-EGO-Kraftstoff-Regelvor­ richtung aufweisen. Bei solchen bevorzugten Ausführungs­ beispielen, die im folgenden detailliert beschrieben werden, ist eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Katalysator und zwei EGO-Sensoren vorgesehen, wobei einer stromaufwärts und der andere stromabwärts des Katalysators angeordnet ist. Das Kraftstoff-Regelsystem umfaßt einen ersten Vergleicher zur Erzeugung eines ersten Signals aus dem Ausgangssignal des stromaufwärts­ seitigen EGO-Sensors. Ein solches erstes Signal hat einen konstanten Absolutwert (beispielsweise "1"), ver­ ändert sich jedoch hinsichtlich des Vorzeichens als eine Funktion des Ausgangssignals des stromaufwärtsseitigen EGO-Sensors. Ein zweiter Vergleicher, oder alternativ eine Beschränkungsvorrichtung, erzeugt ein zweites Signal als eine Funktion des stromabwärtsseitigen EGO- Sensorsignals. Das zweite hat ebenfalls einen konstanten Absolutwert, variiert jedoch hinsichtlich des Vorzei­ chens als eine Funktion des stromabwärtsseitigen EGO- Sensorausgangssignals. Eine Korrekturvorrichtung mit einem Hochpaßfilter, welcher auf das erste Signal rea­ giert, erzeugt ein drittes Signal. Eine Vorrichtung zur Verbindung des skalierten zweiten Signals mit dem drit­ ten Signal erzeugt ein viertes Signal, und eine Regel­ vorrichtung, die einen auf das vierte Signal reagieren­ den PI-Regler verwendet, erzeugt ein Luft-/Kraftstoff- Verhältniskorrektursignal. Vorzugsweise umfaßt das Regelsystem weiterhin eine Vorrichtung zur offenen Rege­ lung einer Luft-Kraftstoffmischung, die während bestimm­ ter Phasen unabhängig von den EGO-Sensorausgangssignalen ist, beispielsweise während des Anfangsbetriebs der Maschine, bei dem einer oder beide EGO-Sensoren noch nicht die Betriebstemperatur erreicht haben.

Das System hat einen Normalbetriebsmodus und entspre­ chend dem bordeigenen Katalysator-Überwachungsaspekt der vorliegenden Erfindung einen Testbetriebsmodus. Während des letzteren Modus wird das von dem stromabwärtsseiti­ gen EGO-Sensor erzeugte Signal durch ein Störungssignal ersetzt, wie oben beschrieben.

Das Störungssignal wird durch einen Signalgenerator in an sich bekannter Weise erzeugt. Der Signalgenerator ist vorzugsweise als funktionales Element des Maschinen­ regelcomputers ausgebildet. Das Kraftstoff-Strömungs- Regelsignal basiert während des Testmodus auf (a) der Satt/Magerumschaltung des stromaufwärtsseitigen EGO-Sen­ sors in an sich bekannter Weise um einen mittleren Luft- Kraftstoffverhältniswert, der dem stöchiometrischen Ver­ hältnis entspricht, wie von dem stromabwärtsseitigen EGO-Sensor vor Einleitung des Testbetriebsmodus ein­ gestellt oder "angeschnitten" und b) dem Störungssignal, welches ein Magerinitialintervallsignal umfaßt, um das Verhältnis von ruft zu Kraftstoff zur Einrichtung einer mageren Basislinie zu erhöhen, gefolgt von alternieren­ den Satt-Mager-Störungssignalen. Die Ausgangssignale des stromaufwärtsseitigen und des stromabwärtsseitigen EGO- Sensors werden dann im Testintervall ausgewertet. Spezi­ ell wird die Anzahl solcher Störungen, die von dem stromaufwärtsseitigen EGO-Sensor in dem stromaufwärts­ seitigen Abgas erfaßt wurden, mit der Anzahl der Störun­ gen verglichen, die von dem stromabwärtsseitigen EGO- Sensor in dem stromabwärtsseitigen Abgas (d. h., strom­ abwärtsseitig vom Katalysator) erfaßt wurden. Natürlich erkennt der Fachmann, daß zum Zählen der Störungen eher unabhängige Sensoren als EGO-Sensoren eines Kraftstoff- Regelsystems verwendet werden sollen. Die Magerinitial­ basislinie wird in vorzugsweise für 1 bis 10 Sekunden eingerichtet, in besonders bevorzugter Weise für 5 Sekunden, wodurch das Magerinitialintervallsignal das Luft zu Kraftstoff-Verhältnis vorzugsweise um 3% bis 7% erhöht, in besonders bevorzugter Weise um 5% bezo­ gen auf den mittleren Kraftstoff-Verhältniswert entspre­ chend der Stöchiometrie. Die sofort folgende Reihe alternierender Satt- und Magerstörungen liegen in vor­ zugsweise ebenfalls um 3% bis 7% um das mittlere Luft- zu Kraftstoff-Verhältnis.

Die alternierenden Störungen liegen nicht notwendiger­ weise symmetrisch um den mittleren Wert. Kurze Impulse von 5% bis 7% satter als das stöchiometrische Verhält­ nis können sich mit längeren Impulsen von nur 3% bis 5% magerer abwechseln, oder umgekehrt. Die Form der Impulse kann eine Rechteckwellenform sein oder eine Rundwellenform, beispielsweise eine sinusartige Wellen­ form. Die Dauer der alternierenden Störungen liegt vor­ zugsweise zwischen 50 und 200 msec., in besonders bevorzugter Weise bei 100 msec. für herkömmliche Fahr­ zeugmotorsysteme.

Bei übermäßiger Länge verbrennen zu viele Sattimpulse den im Katalysator gespeicherten Sauerstoff und werden im stromabwärtsseitigen Abgas erfaßt, was zur Ablehnung eines an sich funktionsfähigen Katalysators führt. Vor­ zugsweise haben die alternierenden Störungen eine Fre­ quenz von 2 Hz bis 10 Hz. Es ist offensichtlich, daß diese Frequenz höher als die 1 Hz-Frequenz des Kraft­ stoff-Regelbegrenzungszyklus ist, der typisch ist für bekannte geschlossene Kraftstoff-Regelsysteme herkömmli­ cher Maschinen. Während einer typischen 20-Sekunden- Testmodusphase wird ein 5-Sekunden-Magerintervall zur Voreinstellung des Katalysators gefolgt von Sattstörun­ gen verwendet, die sich mit Magerstörungen in einer Fre­ quenz von 2 Hz bis 5 Hz in den verbleibenden 15 Sekunden abwechseln. Somit können in einem typischen 20-Sekunden- Test nach dem einleitenden 5-Sekunden-Magerinterval 30 bis 75 abwechselnde Satt- und Magerstörungen durchge­ führt werden, wodurch man eine statistisch signifikante Basis für den Katalysator-Wirkungsgrad-Test erhält. Der resultierende, auf dem Vergleich der Anzahl abwechseln­ der Störungen, die stromaufwärts und stromabwärts des Katalysators erfaßt wurden, basierende Wert repräsen­ tiert die Katalysatorbedingungen und wird mit einem vor­ bestimmten, gespeicherten Wert verglichen, welcher einen Wirkungsgrad- oder Wirksamkeitsgrenzwert definiert. Wenn der Vergleich eine Katalysatorwirksamkeit unterhalb des Grenzwertes anzeigt, wird ein Fehlersignal erzeugt.

Wie in Fig. 1 gezeigt, wird ein Mikrocomputer 100 zur Regelung eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses eingesetzt, welches einer Verbrennungsmaschine 102 zugeführt wird. Der Mikrocomputer 100 umfaßt eine zentrale Recheneinheit (CPU) 104, einen nur Lesespeicher (ROM) 106 zum Spei­ chern einer Hauptmaschinenregelroutine und anderer Rou­ tinen, wie beispielsweise einer Kraftstoffströmungsrou­ tine und Einstellkonstanten, Nachschlagetabellen usw., einen Zugriffsspeicher (RAM) 108 und herkömmliche Ein­ gangs-/Ausgangsschnittstellen (I/O) 110. Die Schnitt­ stellen 110 umfassen Analog/Digitalwandler (A/D) zur Umwandlung verschiedener analoger Eingangssignale, digi­ tale Eingänge, Digital/Analogwandler (D/A) zur Umwand­ lung verschiedener digitaler Ausgangssignale und digitale Ausgänge.

Der Mikrocomputer 100 umfaßt weiterhin herkömmliche Ele­ mente, wie einen Zeitgenerator und eine Vorrichtung zur Erzeugung verschiedener Zeitsignale, Zähler, Treiber und dgl. Der Mikrocomputer 100 regelt das Luft/Kraftstoff- Verhältnis durch Betätigung von Einspritztreibern 112 in Abhängigkeit von Aktionen des Bedienungspersonals und variablen Betriebsbedingungen und Parametern der Maschine 102. Der Mikrocomputer 100 sammelt Eingangspa­ rameter und führt Berechnungen von Regelsignalen in einem festgelegten Sammelintervall DELTA T (AT), wie beispielsweise 20 msec., aus. Wenn der Mikrocomputer 100 eine variable Samplingrate aufweist, sollte ein Timer verwendet werden, welcher eine Zeitmessung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Samplings durchführen und eine gemessene Samplingzeit DELTA T zuweisen kann.

Die Maschine 102 ist in diesem besonderen Ausführungs­ beispiel als herkömmliche Vier-Zylinder-Verbrennungs­ kraftmaschine dargestellt, welche Kraftstoffeinspritzdü­ sen 114, 116, 118 und 120 aufweist, die mit einer Kraft­ stoffleitung 121 verbunden sind. Jede Kraftstoffein­ spritzdüse wird elektronisch durch entsprechende Signale von dem Einspritztreiber 112 aktiviert. Jede Einspritz­ düse 114, 116, 118 und 120 ist weiterhin in herkömmli­ cher Weise mit einem entsprechenden Verbrennungszylinder verbunden. Die Abgase aus dem Verbrennungszylinder wer­ den über einen Abgasverteiler 122 abgeleitet und durch einen Drei-Wege-Katalysator 124 welcher CO, HC und NO_x Verunreinigungen im Abgas entfernt, und durch einen Aus­ puff 126 ausgestoßen. In dem Abgasverteiler 122, strom­ aufwärts des Katalysators 124, ist ein erster EGO-Sensor 128 (EGO 1) zur Erfassung der Sauerstoffkonzentration in den Abgasen angeordnet. In dem Auspuffrohr 126, stromab­ wärts des Katalysators 124, ist ein zweiter EGO-Sensor 130 (EGO 2) zur Erfassung der Sauerstoffkonzentration hinter dem Katalysator 124 eingesetzt. Beide EGO-Senso­ ren 128 und 130 erzeugen Ausgangsspannungssignale, wel­ che über den Analog/Digitalwandler der I/O-Schnittstelle 110 übertragen werden. Verschiedene geeignete alterna­ tive EGO-Sensoren sind dem Fachmann bekannt, einschließ­ lich beheizter EGO-Sensoren (HEGO) usw . . In diesem Zusammenhang wird Bezug genommen auf die Erörterung bei­ spielhaft geeigneter EGO-Sensoren in der US 50 77 970, Hamburg.

Ein in Verbindung mit dem Einlaßverteiler 134 stehender Lufteinlaß 132 dient zur Einleitung von Luft hinter der Drosselklappenplatte 136 in den Verbrennungszylinder. Ein Drosselklappenpositionssensor 138 ist zur Erzeugung eines Drosselklappenpositionssignals TP mit der Drossel­ klappenplatte 136 verbunden. Mit dem Einlaßverteiler 134 ist weiterhin ein Massenluftstromsensor 140 verbun­ den, um ein der Luftströmungsmenge entsprechendes Signal MAF zu erzeugen, welches der Menge des in die Maschine eingeleiteten Luftstroms entspricht sowie ein Tempera­ tursensor 142 zur Erzeugung eines die Temperatur der eingeführten Luft erfassenden Signals TA. Mit dem Zylin­ derblock der Maschine 102 ist ein Kühlwassertemperatur­ sensor 144 verbunden, um ein Signal TW zu erzeugen, welches die Maschinenkühlmitteltemperatur anzeigt. Ein Kurbelwinkelpositionssensor 146 ist mit der Kurbelwelle der Maschine 102 verbunden, um ein Kurbelwinkelpositi­ onssignal CA der Kurbelposition zu erfassen.

Ein Ansaugdrucksensor MAP kann anstelle eines Luftströ­ mungsmengensensors 140 verwendet werden, um in bekannter Weise eine Anzeige der Maschinenbelastung zu liefern. Andere, für den Betrieb der Maschine erforderliche her­ kömmliche Komponenten, wie beispielsweise ein Zündsy­ stem, sind in Fig. 1 nicht gezeigt. Es ist weiterhin zu bemerken, daß die Erfindung in vorteilhafter Weise mit anderen Maschinentypen verwendet werden kann, beispiels­ weise mit Maschinen mit einer anderen Zylinderzahl als vier, Kreiskolbenmaschinen und dgl.

Der Betrieb eines 2-EGO geschlossenen Sensor-Kraftstoff­ regelsystems bei der Regelung des Luft/Kraftstoffver­ hältnisses wird im folgenden mit besonderem Hinweis auf ein Regelblockdiagramm gemäß Fig. 2 und das dazugehörige Diagramm in Fig. 3 erläutert, welches die EGO-Sensoraus­ gangsspannung VEGO als Funktion von LAMBDA zeigt, also das Luft/Kraftstoff-Verhältnis relativ zum stöchiometri­ schen Luft/Kraftstoffverhältnis. Obwohl die Beschreibung sich auf eine Mikrocomputerrealisierung bezieht, kann das Regelsystem auch mit analogen Mitteln ausgeführt werden.

Die Ausgangsspannungen VEGO1 und VEGO2 des stromauf­ wärtsseitigen EGO1-Sensors 128 und des stromabwärtssei­ tigen EGO2-Sensors 130 werden über einen A/D-Wandler in der I/O-Vorrichtung 110 entsprechenden Vergleichern 200 und 202 zugeführt. An jedem Vergleicher liegen die Refe­ renzsignale REF1 bzw. REF2 an, welche der EGO-Ausgangs­ spannung bei einem stöchiometrischen Verhältnis entsprechen, VREF, wie in Fig. 3 gezeigt. Jeder Verglei­ cher 200 und 202 erzeugt ein Ausgangssignal COMP1 bzw. COMP2, welches einen konstanten Absolutwert hat, jedoch hinsichtlich des Vorzeichens variiert, je nach dem auf welcher Seite des stöchiometrischen Verhältnisses das entsprechende EGO-Ausgangsspannungssignal, VEGO1 und VEGO2, liegt.

Der Ausgang COMP1 des Vergleichers 200 wird dem Satt/ Magerverhältnisregler 204 sowie dem PI-Regler 210 zugeführt. Der Ausgang COMP2 des zweiten Vergleichers 202 wird einem Integralregler 206 zugeführt. Der Ausgang des Integralreglers 206 wird dem Vergleicher 200 über einen Schalter 296 zugeführt. Der Schalter 296 ist im Normalbetriebsmodus geschlossen, so daß das Ausgangssi­ gnal des Integralreglers 206 zur Modifizierung der Ver­ gleichsspannung verwendet wird, bei welcher COMP1 bestimmt, ob das EGO1 des stromaufwärtsseitigen EGO-Sen­ sors 128 satt oder mager ist. Im Testmodus ist der Schalter 196 geöffnet, um diejenige Vergleichsspannung einzufrieren, bei der COMP1 eine derartige Bestimmung bei dem Wert, den die Vergleichsspannung bei Beginn des Testmodus hatte, durchführt.

Der Ausgang COMP1 des ersten Vergleichers 200 wird dem PI-Regler 210 und weiterhin dem Satt/Magerverhältnisreg­ ler 204 zugeführt. Während des Normalbetriebsmodus wird das Ausgangssignal des PI-Reglers 210 dem Kraftstoffbe­ rechnungsblock 212 über den Schalter 298 zugeführt. Im Testmodus wird das Ausgangssignal des Satt/Magerreglers 204 anstelle des Signals des PI-Reglers 210 dem Kraft­ stoffberechnungsblock 212 über den Schalter 298 zuge­ führt. Der PI-Reglerblock 210 ist vorzugsweise ein Pro­ portional- und Integralregler, der ein Ausgangssignal LAMCOR berechnet, welches einen Luft/Kraftstoffverhält­ niskorrekturbetrag darstellt. Die Eingangswerte H und G, die zur Berechnung von LAMCOR auf der Basis von COMP1 gespeicherten Tabellen 214 entnommen werden, sind ein Rücksprungsignal und ein Rampenwert für den PI-Regler und stellen einstellbare Werte des Regelsystems dar. Der Wert der Parameter H und G kann in Tafeln oder Tabellen 214 als Funktion der Drehzahl und Maschinenbelastung gespeichert sein. Das Ausgangssignal SIG des Funktions­ generators 300 wird dem Kraftstoff-Berechnungsblock 212 während des Testmodus zugeführt. Die drei Schalter 296, 297 und 298 sind funktionsgemäß innerhalb des Mikrocom­ puters 100 zusammengefaßt, um gemeinsam vom Normalmodus in den Testmodus umzuschalten. So ist im Normalmodus der Schalter 296 geschlossen, der Schalter 297 geöffnet und der Schalter 298 verbindet den PI-Regler 210 mit dem Kraftstoffberechnungsblock 212. Im Testmodus ist der Schalter 296 geöffnet, der Schalter 297 geschlossen und der Schalter 298 verbindet den Satt/Magerverhältnisreg­ ler 204 mit dem Kraftstoffberechnungsblock 212.

Der Kraftstoffberechnungsblock 212 berechnet in herkömm­ licher Weise die Kraftstoffströmungsrate FPW, ein Regel­ signal für die Einspritztreiber 112. Die Berechnung kann einen Basiswert der im offenen Wirkungskreis arbeitenden Kraftstoff-Strömungsregelung verwenden, welcher vorzugs­ weise eine Funktion der Maschinenlast/-drehzahl ist, die aus dem ROM-Speicher 106 entnommen wird oder im Kraft­ stoffberechnungsblock 212 gespeichert ist. Die Berech­ nung kann weiterhin einen Kraftstoff-Korrekturbetrag verwenden, welcher beispielsweise auf der Maschinenauf­ wärmtemperatur, der Batteriespannung und dgl. basieren kann und ebenfalls vorzugsweise aus Tabellen entnehmbar ist.

Ein bevorzugter Betrieb des Mikrocomputers 100 zur Kraftstoff-Strömungsregelung während des Normalbetriebs­ modus wird im folgenden unter besonderer Bezugnahme auf das Flußdiagramm gemäß Fig. 4 näher beschrieben. Der Fachmann wird bemerken, daß die Kraftstoff-Regelunterrou­ tine, wie sie in Fig. 4 gezeigt ist, in typischer Weise eine Reihe von Unterroutinen ist, die wiederholt nach­ einander während der Maschinenregelung durchgeführt wer­ den, beispielsweise in Verbindung mit Zündfunkenre­ gelunterroutinen, einer EGR-Unterroutine usw.

Zu Beginn eines jeden Samplingintervalles werden die Maschinenparameter in Schritt 400 aufgenommen. Die Maschinendrehzahl und -belastung werden dann in herkömm­ licher Weise aus dem Kurbelwellenpositionssignal CA und dem Luftströmungsmengensignal MAF berechnet. Während des Schritts 402 wird der Basis-Kraftstoff-Einspritzbetrag FB des offenen Wirkungskreises durch Entnahme und Inter­ polation aus einer Geschwindigkeits/Lasttabelle aus dem ROM-Speicher 106 bestimmt. Bei Schritt 404 wird der Kraftstoff-Korrekturbetrag FCOR berechnet basierend auf Eingangswerten, beispielsweise der Ansauglufttemperatur TA und der Kühlwassertemperatur TW, der Batteriespannung und dergleichen.

In Schritt 406 wird geprüft, ob der stromaufwärtsseitige EGO-Sensor 128 ausreichend aufgewärmt ist und/oder andere Bedingungen erfüllt sind, um den geschlossenen Schleifenbetrieb beginnen zu können. Diese Bedingungen können umfassen, ob die Kühlwassertemperatur TW einen vorgewählten Bereich erreicht hat, die Ansauglufttempe­ ratur TA, ein beobachtetes EGO-Sensorschalten, die seit dem Beginn abgelaufene Zeit und dgl., sind jedoch nicht darauf beschränkt. Weiterhin können verschiedene Maschi­ nenbetriebszustände, wie beispielsweise die weit geöff­ nete Drosselklappe oder der verlängerte Leerlauf, eine offene Schleifenregelung erfordern, nachdem die geschlossenen Schleifenbedingungen auf andere Weise erfüllt sind. Die Maschine kann gleichzeitig mit der stromaufwärtsseitigen offenen und der stromabwärtsseiti­ gen offenen Schleifenregelung betrieben werden, d. h., die Signale beider Sensoren, des stromaufwärtsseitigen EGO-Sensors und des stromabwärtsseitigen EGO-Sensors, werden außer acht gelassen. Dies findet typischerweise dann statt, wenn beispielsweise während eines Kaltstar­ tes und/oder zu irgend einer anderen Zeit die EGO-Senso­ ren nicht ausreichend aufgewärmt sind. Befindet sich das Regelsystem in der stromaufwärtsseitigen offenen Schlei­ fenregelung, befindet es sich bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ebenfalls immer in dem stromabwärts­ seitigen offenen Schleifenregelungsmodus. Bei bestimmten Bedingungen kann eine Stromaufwärtsschleifenregelung (beispielsweise wenn das Regelsystem das stromaufwärts­ seitige EGO-Sensorsignal empfängt und benutzt) erfolgen, während stromabwärtsseitig eine offene Schleifenregelung durchgeführt wird. Dies kann beispielsweise dann erfol­ gen, wenn der stromaufwärtsseitige EGO-Sensor ausrei­ chend erwärmt wurde, während der stromabwärtsseitige EGO-Sensor noch nicht ausreichend aufgewärmt ist und/ oder während einiger harter Beschleunigungsbedingungen, wie für den Fachmann erkennbar. Unter normalen Standard­ bedingungen wird das System jedenfalls eine stromauf­ wärtsseitige und eine stromabwärtsseitige geschlossene Schleifenregelung durchführen.

Wird die geschlossene Schleifenregelung aufgerufen, wird in Schritt 408 der Luft/Kraftstoffverhältnis-Korrektur­ betrag LAMCOR errechnet, wobei das Ausgangssignal des PI-Reglers 210 einen Luft/Kraftstoffverhältnis-Korrek­ turbetrag für die geschlossene Schleife darstellt. Ande­ renfalls wird LAMCOR in Schritt 410 auf 1 gesetzt. Die Frequenz des Grenzzyklus wird hauptsächlich durch Para­ meter des stromaufwärtsseitigen Bereiches des Regel­ systems bestimmt. Der stromabwärtsseitige EGO-Sensor liefert jedoch ein Vorspannungssignal, welches den Satt/Magerschaltpunkt für das stromaufwärtsseitige EGO- Sensorsignal verschiebt, wodurch der Grenzzyklus um seine Referenzspannung REF1 asymmetrisch wird. Zur sel­ ben Zeit wird der Ausgang des stromabwärtsseitigen EGO2- Sensors um seine Referenzspannung REF2 zentriert. Der Ausgang LAMCOR des PI-Reglers bringt zwei Sprünge her­ vor. Der erste Sprung erfolgt dann, wenn das Signal des stromaufwärtsseitigen EGO-Sensors die Referenzspannung REF1 kreuzt, und der zweite Sprung erfolgt, wenn das Signal des stromabwärtsseitigen EGO-Sensors seine Refe­ renzspannung REF2 kreuzt. Der logische Weg sowohl von Schritt 410 als auch von Schritt 408 führt zu Schritt 412, in welchem der Kraftstoffberechnungsblock 212 ein Kraftstoff-Flußsignal FPW auf der Basis von LAMCOR berechnet. Das Signal FPW treibt die Kraftstoffein­ spritzdüse in Schritt 414. Schritt 416 führt das System von der Kraftstoff-Flußberechnungsroutine zur Hauptrou­ tine zurück.

Es versteht sich von selbst, daß während verschiedener Maschinenbetriebsmodi, insbesondere bei unterschiedli­ chen Drehzahlen und Belastungen, die kalibrierbaren Parameter des Regelsystems eine Nachstellung zur optima­ len Regelung erfordern. Diese Parameter umfassen den Rückstellwert H und den Rampenwert G des PI-Reglers 210. Um eine Nacheichung dieser Parameter zu erreichen, wer­ den eine Vielzahl von Funktionen oder Tabellen (bei­ spielsweise die Tabelle 214 in Fig. 2) mit Maschinendr­ ehzahlen und Belastungswerten als Eingangswerte verwen­ det. Es versteht sich weiterhin, daß verschiedene Maß­ nahmen, wie beispielsweise Zeitverzögerer oder Filter verwendet werden können, um das Regelsystem vor Auswir­ kungen einer hochfrequenten EGO-Sensor-Umschaltung zu schützen. Solche Veränderungen können einfach in ver­ schiedenen bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfin­ dung vom Fachmann unter Beachtung der vorliegenden Offenbarung durchgeführt werden.

Der Betrieb des Systems zur periodischen Katalysator­ überwachung bei gleichzeitiger Kraftstoff-Flußregelung zu der Maschine wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 2, 5A, 5B, 6 und 7 beschrieben. Ein Testinter­ vall beginnt typischerweise während eines im wesentli­ chen gleichmäßigen Maschinenbetriebs, Dauer ca. 20 Sekunden. Mehrfache Versuche können erforderlich sein, bevor ein gültiger Test vorliegt. Einer oder mehrere gültige Tests können während einer gegebenen Periode gleichmäßigen Betriebs durchgeführt werden. Ein Überwa­ chungstest beginnt während eines Normalbetriebs mit geschlossener Schleife. Der Begriff "periodisch" wird in der Bedeutung von gelegentlich oder absatzweise verwen­ det, beispielsweise einmal (oder öfter) zu jedem Zeit­ punkt, zu dem der Maschinenbetrieb nach einer Periode des Nicht-Betriebs wieder gestartet wird. In diesem Zusammenhang bedeutet das Einleiten einer Testperiode während des im wesentlichen gleichförmigen Betriebs der Maschine, die Testperiode zu beginnen, wenn die Maschine im geschlossenen Schleifenbetrieb arbeitet, nicht not­ wendigerweise, daß alle Maschinenbetriebsparameter kon­ stant sein müssen und auch nicht notwendigerweise, daß die Maschine während der gesamten vorgesehenen Testperi­ ode in dem gleichförmigen Betrieb verbleiben muß.

Zu Beginn des Testes werden die Schalter 296, 297 und 298 in den Testmodus geschaltet. Somit wird das Aus­ gangssignal des PI-Reglers 210 durch das des Satt/Magerreglers 204 ersetzt und das Signal vom Integralregler 206 wird vom Vergleicher 200 entfernt. Der Schalter 297 wird geschlossen, um dem Kraftstoffberechnungsblock 212 ein Testsignal SIG von einem Signalgenerator, in Fig. 2 als Funktionsgenerator 300 bezeichnet, zuzuführen. Wie oben beschrieben bewirkt das Testsignal SIG das Ein­ gangsmagerintervall und die resultierenden abwechselnden Satt/Magerstörungen, vorzugsweise als periodische Funk­ tion mit einer Frequenz, die höher als die Grenzzyklus- Frequenz für die geschlossene-Schleifen-Kraftstoffrege­ lung basierend auf dem stromaufwärtsseitigen EGO-Sensor ist. Das Störungssignal kann in diesem Sinne als Hoch­ frequenzsignal angesehen werden.

Es sei darauf hingewiesen, daß der Einfluß des Störungs­ signals und des Testmodusbetriebs auf die aktuelle Maschinenleistung von der Bedienungsperson im allgemei­ nen nicht wahrgenommen werden wird. Der Wert FPW wird den Einspritztreibern 112 zugeführt und wird in erster Linie durch den Wert von FB bestimmt. Das Testsignal stört den Wert FB nur leicht gegenüber seinem stöchiome­ trischen Wert. Wie bereits ausgeführt haben die Satt- und Magerstörungen eine asymmetrische Wellenform um den mittleren Luft- zu Kraftstoffverhältniswert, welcher dem stöchiometrischen Wert entspricht (zuletzt eingestellt auf der Basis des stromabwärtsseitigen EGO-Sensors vor dem Umschalten auf den Testbetriebsmodus). Gemäß ver­ schiedener besonders bevorzugter Ausführungen der Erfin­ dung regelt die Kraftstoff-Regelvorrichtung die Störungen, die dem Eingangsmagerintervall folgen, bis zu einem gewünschten Satt/Magerverhältnis (welches nicht 1,0 sein muß), durch Vergleichen der Zeitdauer jedes Satt-Störungsintervalles mit einem oder beiden angren­ zenden Mager-Störungsintervallen. Bei dieser Verwendung ist ein angrenzendes Intervall ein der Satt-Störung direkt vorhergehendes oder direkt folgendes Intervall. Gemäß Fig. 5A und 5B wechselt sich eine Rechteckwellen­ reihe (zur Erleichterung der Beschreibung) von Satt-Stö­ rungen mit der Amplitude "a" oberhalb des mittleren Luft- zu Kraftstoffverhältniswertes, der dem stöchiome­ trischen entspricht, mit längeren Mager-Störungen der niedrigeren Amplitude "b" ab. Die Amplituden "a" und "b" werden durch die Werte "c" und "d" (nicht maßstablich gezeichnet) gemäß 5B geregelt. Der Wert "c" ist die Zeitdauer einer Satt-Störung, erfaßt durch den stromauf­ wärtsseitigen EGO-Sensor. Der Wert "d" ist die Dauer einer angrenzenden Mager-Störung. Der stromaufwärtssei­ tige Störungszähler 304 kann so ausgelegt werden, daß er die Zeitdauer in an sich bekannter Weise und mit den dem Fachmann bekannten Mitteln mit und vergleicht. Die vor­ beschriebene Bevorzugung gleichsinniger und entgegenge­ setzter Störungen wird in verschiedenen bevorzugten Aus­ führungsbeispielen realisiert durch eine geschlossene Schleifen-Regelung des Kraftstoff-Regelsystems, welche das Messen und Vergleichen der Zeitdauer angrenzender Satt- und Mager-Störungen umfaßt, um geeignete prozen­ tuale Abweichungen von dem mittleren Luft- zu Kraft­ stoff-Verhältniswert einzustellen.

Die Signale VEGO1 und VEGO2 der stromaufwärtsseitigen und stromabwärtsseitigen EGO-Sensoren werden zu Stö­ rungszählern geführt, die beispielsweise Signalfilter und Registereinrichtungen aufweisen. Der stromaufwärts­ seitige Störungszähler 304 zählt die Luft- zu Kraft­ stoff-Verhältnisstörungen im stromaufwärtsseitigen Ab­ gas. Der stromabwärtsseitige Störungszähler 302 zählt entsprechend die Störungen in dem stromabwärtsseitigen Abgas. Die Zählungen beider werden einem Entscheidungs­ block 306 zugeführt, welcher die Werte in jeder geeigne­ ten Weise vergleicht, beispielsweise durch Berechnung des Prozentsatzes stromabwärtsseitig erfaßter stromauf­ wärtsseitiger Störungen. Der Entscheidungsblock ver­ gleicht dann den resultierenden Katalysator-Wirkungs­ gradwert mit einem gespeicherten Wert, der so vorbe­ stimmt ist, daß er einem akzeptablen Minimalwirkungsgrad für den Katalysator entspricht. Der gespeicherte Wert kann in einfacher Weise vom Fachmann empirisch vorbe­ stimmt werden und hängt von den Maschinensystemcharakte­ ristika und der Größe der Störungen ab. Zur Erzielung verläßlicher und exakter Ergebnisse werden die Störungen in vorteilhafter Weise für ein gegebenes Maschinensystem so konfiguriert, daß sie einen gespeicherten Wert zwi­ schen 40% und 60%, vorzugsweise um 45% ergeben, der einem akzeptablen Katalysator-Minimum-Wirkungsgrad ent­ spricht. Somit erzeugt der Entscheidungsblock, wenn höhere Prozentzahlen stromaufwärtsseitiger Störungen in dem stromabwärtsseitigen Abgas entdeckt werden, ein Feh­ lersignal oder leitet eine andere geeignete Maßnahme ein.

Optional kann das Fehlersignal einen Licht- und/oder Geräuschalarm für die Bedienungsperson des Fahrzeugs ansteuern. Weiterhin kann optional ein das Bestehen des Testes anzeigendes Signal erzeugt werden, wenn das Test­ ergebnis den vorgegebenen Wert nicht übersteigt.

Die Betriebsweise des Mikrocomputers 100 bei der Rege­ lung des Kraftstoffflusses der Maschine 102 während der Katalysator-Überwachung wird anhand des Flußdiagrammes in Fig. 7 erläutert. Zu Beginn eines jeden Prüfinter­ valls werden die Maschinenparameter in Schritt 700 auf­ genommen. Die Maschinendrehzahl und belastung werden in herkömmlicher Weise aus einem Kurbelpositionssignal CA und einem Massenluftströmungssignal MAF berechnet. Wäh­ rend des Schrittes 702 wird der Basis-Kraftstoff-Ein­ spritzbetrag FB bei offener Schleife durch Entnahme und Interpolation aus einer Drehzahl-/Lasttabelle aus dem ROM-Speicher 106 bestimmt. In Schritt 704 wird ein Kraftstoff-Korrekturbetrag FCOR berechnet, beispiels­ weise basierend auf den Aufwärmbedingungen der Maschine, der Ansauglufttemperatur TA, der Kühlwassertemperatur TW, der Batteriespannung und dergleichen. Einige Maschi­ nenbetriebsbedingungen, wie eine weitgeöffnete Drossel­ klappe oder verlängerter Leerlauf können auch dann eine offene Schleifenkraftstoffregelung erfordern, wenn andere geschlossene Schleifenbedingungen erfüllt sind. Somit werden die Erfordernisse einer geschlossenen Schleife in Schritt 706 überprüft. Sind die Erforder­ nisse für eine geschlossene Schleifenregelung der Kraft­ steuerung nicht erfüllt, wird in Schritt 724 der Luft­ zu Kraftstoff-Verhältniskorrekturbetrag LAMCOR auf 1 gesetzt. Der Schritt 716 berechnet den endgültigen Kraftstofffluß FPW auf der Basis der Haupt-Kraftstoff- Flußgleichung, die für den Normalbetrieb oben beschrie­ ben wurde. In Schritt 718 werden Kraftstoff-Einspritzdü­ sen angeregt und in Schritt 720 erfolgt die Rückkehr zur Hauptmikrocomputerroutine.

Wenn die geschlossenen Schleifen-Kraftstoffregelanforde­ rungen in Schritt 706 als erfüllt festgestellt werden, wird in Schritt 708 geprüft, ob ein Katalysatortest erforderlich ist. Ein Test ist beispielsweise erforder­ lich, wenn während des aktuellen Betriebs der Maschine seit dem Start nach einer Nicht-Betriebsperiode noch kein Test erfolgreich abgeschlossen wurde. Ist ein Test erforderlich, werden in Schritt 710 die Gleichförmig­ keitsbedingungen (stead y state) überprüft. Zusätzlich kann in Schritt 710 geprüft werden, ob zusätzliche Vor­ bedingungen erfüllt sind. Anwendbare behördliche Vor­ schriften können gleichförmige Fahrzeug-, Maschinen­ drehzahl- und Belastungsbedingungen spezifizieren und begrenzen, ein Aufwärmen der stromaufwärts- und stromabwärtsseitigen EGO-Sensoren vorschreiben, usw. Wenn all diese Bedingungen nicht erfüllt sind, wird in Schritt 712 der Test abgebrochen. In Schritt 714 wird dann der Luft-/Kraftstoff-Verhältnis-Korrekturbetrag für die 2-EGO geschlossene Sensor-Schleifen-Kraftstoffrege­ lung, wie oben beschrieben, für den Normalbetriebsmodus berechnet. Sind die Bedingungen in Schritt 710 erfüllt, wird ein Katalysator-Wirkungsgrad-Test mittels des Schrittes 722 durchgeführt, gefolgt durch die Schritte 716, 718 und 720, wie oben ausgeführt. Der Rückkehr­ schritt 720 kann das Verfahren direkt zu dem dem Start­ block direkt vorhergehenden Block 700 oder zur Hauptrou­ tine zum Durchlaufen bis zu Block 700 zurückführen.

Die Betriebsweise des Mikrocomputers 100 in Schritt 722 zur Durchführung eines Katalysator-Wirkungsgradtests ist in dem Flußdiagramm in Fig. 6 dargestellt. Anwendbare Vorschriften können erfordern, daß der Test in einer vorgegebenen Zeitperiode, beispielsweise in 20 Sekunden, abgeschlossen ist. In vorteilhafter Weise umfaßt der Mikrocomputer 100 dafür eine Zeiteinrichtung, um die abgelaufene Zeit seit Testbeginn zu überwachen. Die Zeiteinrichtung wird in Schritt 600 aktualisiert. In Schritt 602 wird geprüft, ob die vorgegebene Testdauer erreicht wurde. Ist die Testdauerzeit nicht erreicht, wird in Schritt 604 ein Funktionsgenerator 300 aktuali­ siert, welcher die periodische Testfunktion SIG bereit­ stellt. Wie oben ausgeführt, wird ein Eingangsmager­ intervall festgelegt, bevor die abwechselnden Störungen erzeugt und gezählt werden, vorzugsweise von 0,25 bis 10 Sekunden, typischerweise um 5 Sekunden. Entsprechend wird die seit Testbeginn abgelaufene Zeit in Schritt 610 geprüft. Hat die abgelaufene Zeit den vorgegebenen Wert überschritten, üblicherweise 5 Sekunden, werden in den Schritten 612 und 614 die erfaßbaren Störungen in den stromaufwärts- und stromabwärtsseitigen Abgasen, wie oben beschrieben, unter Berücksichtigung der Berech­ nungsblöcke 302 und 304 gemäß Fig. 2 gezählt. Der Schritt 616 zeigt den Ausgang zum Schritt 716 in dem Flußdiagramm in Fig. 7. Das Verfahren kann anschließend in einem oder mehreren zusätzlichen Zyklus bzw. Zyklen wiederholt werden. Nachdem das Testintervall abgelaufen ist, wie durch Schritt 602 vorgegeben, wird in Schritt 618 der Katalysator-Wirkungsgradwert berechnet, typi­ scherweise durch Teilen der gesamt gezählten Anzahl von Störungen, die in dem stromabwärtsseitigen Abgas erfaßt wurden, durch die gesamt gezählte Anzahl in dem strom­ aufwärtsseitigen Abgas, und das Ergebnis wird mit einem gespeicherten Wert verglichen, der so vorbestimmt ist, daß er einem akzeptablen Katalysator-Mindestwirkungsgrad entspricht. Wenn dazu aufgefordert wird, kann im Ent­ scheidungsblock 618 die Abgabe eines Fehlersignals ein­ geleitet werden, wie oben in Verbindung mit Entschei­ dungsblock 306 gemäß Fig. 2 beschrieben.

Claims (11)

1. Verfahren zur Regelung des Luft- zu Kraftstoff-Verhält­ nisses einer Luft- und Kraftstoffmischung, die einer Verbrennungsmaschine (102) zugeführt wird, zur Behand­ lung des Abgases der Maschine (102) und zur periodischen Überwachung der Katalysatorwirksamkeit bei der Behand­ lung des Abgases, umfassend die folgenden Schritte:

• (A) Führen des Abgases von der Maschine (102) zum Kata­ lysator (124) durch erste Abgasführungsvorrichtungen (122), wobei das Abgas einer ersten EGO-Sensor-Vorrich­ tung (128) zur Erzeugung eines ersten EGO-Signals mit einem Wert, der dem darin enthaltenen Sauerstoffgehalts­ wert entspricht, ausgesetzt wird;
• (B) Führen des Abgases von dem Katalysator (124) durch eine zweite Abgasführungsvorrichtung (126), wobei es einer zweiten EGO-Sensor-Vorrichtung (130) zur Erzeugung eines zweiten EGO-Signals ausgesetzt wird, mit einem Wert, der dem darin enthalten Sauerstoffgehaltswert ent­ spricht;
• (C) Betreiben einer Kraftstoffregelvorrichtung zur Rege­ lung des Luft- zu Kraftstoff-Verhältnisses, bei welchem Kraftstoff der Maschine (102) in Abhängigkeit von einem Kraftstoff-Strömungsregelsignal zugeführt wird, wobei das Luft- zu Kraftstoffverhältnis während des Normalbe­ triebsmodus im wesentlichen einen durch Grenzen defi­ nierten Bereich um einen Wert, der einem stöchiome­ trischen Luft- zu Kraftstoffverhältnis entspricht, durchläuft, und wobei das Kraftstoff-Strömungsregelsi­ gnal während eines Normalbetriebsmodus der Kraftstoffre­ gelvorrichtung wenigstens auf dem ersten EGO-Signal und dem zweiten EGO-Signal basiert;
• (D) Durchführen eines Testes des Wirkungsgrades des Katalysators (124) durch Unterbrechen des Normalbetriebsmodus mit einem Testbetriebsmodus der Kraftstoff-Regelvorrichtung während einer Testperiode, umfassend das Durchführen einer geschlossenen Schleifen- Kraftstoffregelung basierend wenigstens auf dem ersten EGO-Signal ohne das zweite EGO-Signal und auf einem Testsignal mit dem ein Eingangsmagerintervall des Luft- zu Kraft­ stoffverhältnisses, welches höher als das stöchiometri­ sche Verhältnis ist, gefolgt von einer Reihe satter Intervalle, die sich mit mageren Intervallen um einen Haupt-Luft- zu Kraftstoff-Verhältniswert abwechseln, welcher im wesentlichen dem stöchiometrischen Verhältnis entspricht, erzeugt werden;
• (E) der Bestimmung eines Wirkungsgradwertes basierend auf der Anzahl daß Störungen während des Testbetriebsmodus, die von der ersten EGO- Sensorvorrichtung (128) erfaßt wurden, geteilt durch die Anzahl, die von der zweiten EGO-Sensorvorrichtung (130) erfaßt worden sind und
• (F) Vergleichen des Wirkungsgradwertes mit einem vorbe­ stimmten gespeicherten Wert, der einem akzeptablen Mini­ mumwirkungsgrad für den Katalysator (124) entspricht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin den Schritt der Erzeugung eines Katalysatorfehlersignals umfaßt, wenn der Vergleich von Schritt (F) anzeigt, daß der Katalysatorwirkungsgrad unterhalb des akzeptablen Minimalwirkungsgrades liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangsmagerintervall eine Dauer von 0,25 bis 10 Sekunden umfaßt, während welcher das Luft- zu Kraftstoff-Verhältnis 3% bis 5% höher als das stöchiometrische Verhältnis ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Störungen während der abwechselnden Satt- und Magerintervalle, die dem Eingangsmagerintervall folgen, einer Sinuskurven-Wellenform folgen, wobei die maximal und akkumulierten Abweichungen vom stöchiometrischen Verhältnis gleich und entgegengesetzt für die abwechselnden Satt- und Magerintervalle sind.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Satt- und Magerintervalle von gleicher Zeitdauer sind.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Satt- und Magerintervalle zwischen 50 und 200 ms liegt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Eingangsmagerintervall folgenden Störungen eine Frequenz zwischen 2 Hz bis 5 Hz haben.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirkungsgradwert das Verhältnis der Anzahl der Störungen ist, die dem Eingangsmagerintervall folgen, und zwar der Anzahl der vom zweiten EGO-Sensor erfaßten durch die Anzahl der von dem ersten EGO-Sensor erfaßten.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoff-Regelvorrichtung die Störungen regelt, die dem Eingangsmagerintervall folgen, bis zu einem vorbestimmten Verhältnis von Satt- und Magerintervallen, indem jede Zeitdauer, in welcher der erste EGO-Sensor ein satteres als das stöchiometrische Luft- zu Kraftstoff-Verhältnis erfaßt, mit der Zeitdauer verglichen wird, in welcher ein angrenzendes mageres als das stöchiometrische Luft- zu Kraftstoffverhältnis erfaßt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Durchführen eines Testes des Wirkungsgrades des Katalysators das Durchführen einer geschlossenen Schleifen-Kraftstoffregelung basierend auf wenigstens dem ersten EGO-Signal ohne das zweite EGO-Signal und auf einem Testsignal erzeugt werden, mit dem Eingangs- 5-Sekunden-Magerintervall des Luft-zu Kraftstoff­ verhältnisses, welches 5% größer als das stöchiometrische ist, gefolgt durch 30 bis 75 Sattintervalle bei Luft- zu Kraftstoff-Verhältnissen, die 3% bis 5% niedriger als das stöchiometrische sind und die sich sinusförmig mit gleichen und entgegengesetzten Magerintervallen abwechseln, und daß ein Katalysatorfehlersiganl erzeugt wird, wenn der Vergleich des Wirkungsgradwertes mit dem vorher­ bestimmten gespeicherten Wert, der einem akzeptablen Minimumswirkungsgrad des Katalysators (124) entspricht, anzeigt, daß der Katalysatorwirkungsgrad unter dem akzeptablen Minimumwirkungsgrad liegt.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit

• A) einer ersten Abgasführungsvorrichtung (122) zum Führen des stromaufwärtsseitigen Abgases von der Maschine (102) zum Katalysator (124), mit einer ersten EGO-Sensorvorrichtung (128), die dem stromaufwärtsseitigen Abgas ausgesetzt ist, um ein erstes EGO-Signal zu erzeugen, welches einen dem darin enthaltenen Sauerstoffgehaltswert entsprechenden Wert hat;
• B) einer zweiten Abgasführungsvorrichtung (126) zum Führen des stromabwärtsseitigen Abgases unterhalb des Katalysators (124), mit einer zweiten EGO- Sensorvorrichtung (130), die dem stromabwärtsseitigen Abgas ausgesetzt wird, um ein zweites EGO-Signal zu erzeugen, welches einen dem darin enthaltenen Sauerstoffgehaltswert entsprechenden Wert hat;
• C) einer Kraftstoffregelvorrichtung zur Regelung des Luft- zu Kraftstoff-Verhältnisses, bei welchem Kraftstoff der Maschine (102) in Abhängigkeit von einem Kraftstoff-Strömungsregelsignal zugeführt wird, mit einem Normalbetriebsmodus und einem Testbetriebsmodus, wobei die Kraftstoff­ regelvorrichtung versehen ist mit einer Kraftstoffströmungs-Regelsignalgeneratorvorrich­ tung zur Erzeugung des Kraftstoffströmungsregelsignals und einer Störungssignalgeneratorvorrichtung zur Erzeugung eines Eingangs-Magerinterallsignals, ausgelegt um das Luft- zu Kraftstoffverhältnis 3% bis 7% gegenüber einem stöchiometrischen Verhältnis entsprechenden mittleren Luft- zu Kraftstoff- Verhältniswert für ein Eingangsintervall von 1 bis 10 Sekunden zu erhöhen, und zur Erzeugung einer danach folgenden Reihe abwechselnder Satt- und Magersignale, bei denen das Luft- zu Kraftstoff-Verhältnis 3% bis 7% gegenüber dem mittleren Luft- zu Kraftstoffverhälntis für jeweils 50 bis 200 ms verringert bzw. erhöht ist, wobei das Kraftstoff-Regelsignal von dem Kraftstoff-Strömungsregelsignalgenerator im Normalbetriebsmodus auf der Basis des ersten und zweiten EGO-Signals erstellt wird, um das Luft- zu Kraftstoffverhältnis innerhalb eines Grenzzyklusses zu halten, der einen Bereich um den mittleren Luft- zu Kraftstoff-Verhältniswert definiert, und im Testbetriebsmodus auf der Basis des ersten EGO-Signals und des Störungssignals ohne das zweite EGO-Signal erstellt wird, und
• D) einer Zählvorrichtung zum
  • a) Erfassen und zum Zählen einer ersten Anzahl von Luft- zu Kraftstoffverhältnisstörungen in dem stromaufwärtsseitigen Abgas und einer zweiten Anzahl von Luft- zu Kraftstoff- Verhältnisstörungen in dem stromabwärtsseitigen Abgas während des Testbetriebsmodus,
  • b) Berechnen eines Katalysator- Wirkungsgradwertes auf der Basis der genannten ersten und zweiten Anzahl,
  • c) Vergleichen des Katalysator- Wirkungsgradwertes mit einem vorbestimmten gespeicherten Wert, der einen akzeptablen Minimumwirkungsgrad des Katalysators (124) entspricht und
  • d) Auslösen eines Katalysator-Fehlersignals, wenn der Katalysator-Wirkungsgradwert anzeigt, daß der Katalysator-Wirkungsgrad niedriger als der akzeptable Minimumwirkungsgrad ist.