(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関における排気ガス触媒の検査方法であって、
触媒の後方の排気ガスのλ値である触媒後方λ値を検出して、該触媒後方λ値がリッチ状態を表しているかあるか、又は、リーン状態を表しているかを判定するステップと、
内燃機関に供給される空気量を変化させるステップであって、触媒後方λ値がリッチ状態を表している場合には、触媒の前方の排気ガスのλ値である触媒前方λ値がリーン状態となるように、また、触媒後方λ値がリーン状態を表している場合には、触媒前方λ値がリッチ状態となるように、空気量を変化させるステップと、
変化された空気量に応じて触媒から放出又は触媒に充填された酸素量を、内燃機関に供給された空気量と触媒前方λ値の１からの偏差との積の積分によって計算し、該計算により得られた酸素量の絶対値と所定の値とを対比するステップと、
触媒後方λ値が、空気量を変化させる前にリッチ状態であれば該リッチ状態からリーン状態に変化する前、又は空気量を変化させる前にリーン状態であれば該リーン状態からリッチ状態に変化する前に、計算により得られた酸素量の絶対値が所定の値を超えた場合に、触媒が正常であると判定するステップと
からなることを特徴とする検査方法。
【請求項２】
請求項１記載の検査方法において、該方法はさらに、
計算された酸素量の絶対値が所定の値を超える前に触媒後方λ値がリッチ状態からリーン状態に変化した場合に、触媒が酸素を含有していないと設定し、また、計算された酸素量の絶対値が所定の値を超える前に触媒後方λ値がリーン状態からリッチ状態に変化した場合に、触媒に酸素が完全に充填されていると設定するステップと、
触媒に酸素が完全に充填されていると設定されている状態で、計算された酸素量の絶対値が所定の値を超える前に触媒後方λ値がリッチ状態からリーン状態に変化した場合、又は、触媒が酸素を含有していないと設定された状態で、計算された酸素量の絶対値が所定の値を超える前に触媒後方λ値がリーン状態からリッチ状態に変化した場合に、触媒が正常ではないことを表すエラー表示を生じさせるステップと
を含んでいることを特徴とする検査方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の検査方法において、積の積分は、内燃機関に供給される空気量を測定する位置から、触媒後方λ値を検出する位置までの間をガスが通過するに要する時間が経過してから、実行されることを特徴とする検査方法。
【請求項４】
内燃機関における排気ガス触媒の検査システムであって、
触媒の後方の排気ガスのλ値である触媒後方λ値を検出して、該触媒後方λ値がリッチ状態を表しているかあるか、又は、リーン状態を表しているかを判定する手段と、
内燃機関に供給される空気量を変化させる手段であって、触媒後方λ値がリッチ状態を表している場合には、触媒の前方の排気ガスのλ値である触媒前方λ値がリーン状態となるように、また、触媒後方λ値がリーン状態を表している場合には、触媒前方λ値がリッチ状態となるように、空気量を変化させる手段と、
変化された空気量に応じて触媒から放出又は触媒に充填された酸素量を、内燃機関に供給された空気量と触媒前方λ値の１からの偏差との積の積分によって計算し、該計算により得られた酸素量の絶対値と所定の値とを対比する手段と、
触媒後方λ値がリッチ状態からリーン状態に変化する前、又はリーン状態からリッチ状態に変化する前に、計算により得られた酸素量の絶対値が所定の値を超えた場合に、触媒を正常であると判定する手段と
からなることを特徴とする検査システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気ガス中の有害物質の転換のために使用される触媒の判定に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
法規制に基づき有害物質エミッションに関連する自動車の部品は、運転中オンボード手段によりモニタリングされなければならない。例えば、有害物質エミッションが、許容値の１．５倍以上に上昇させるエラーは検出され且つ指示されなければならない。可能性のあるエラー源は、特に触媒の有害物質転換能力の完全損失又は部分損失が挙げられる。既知のように、有害物質転換能力は酸素を貯蔵する能力と関連づけられる。従って、酸素貯蔵能力から転換能力を推定することができる。
【０００３】
これに関連してドイツ特許公開第４１１２４７８号から、特定の条件下で触媒内に導かれた酸素量が触媒から流出する酸素量と比較され且つこれから触媒の酸素貯蔵能力を推定することが既知である。このために、触媒の前方及び後方の排気ガスの酸素含有量が測定され、それぞれ機関ないし触媒内を通過する空気質量流量ないし排気ガス質量流量と乗算され且つその積が積分される。積分値は、触媒に流入し且つ触媒から流出する酸素量に対する尺度である。積分値の差は積分時間間隔内の触媒の酸素充填度の変化を与える。この場合、既知の方法においては、診断において触媒の酸素による完全充填及びそれに続く完全放出又はその逆が確実に行われる。
【０００４】
触媒の完全充填及び／又は完全放出は、後方排気ガスセンサの応答及び触媒の後方における有害物質ピークを発生させる。後方センサの応答は、触媒に関する酸素の過負荷又は酸素不足を示す。これにより触媒の後方に有害物質が発生する。例えば、触媒の前方における排気ガス中の酸素不足は、炭化水素及び一酸化炭素を発生させる。触媒がなお酸素を放出可能なかぎり、この有害物質は触媒内で酸素の関与のもとで水及びＣＯ2に転換される。酸素が放出された触媒はこの転換を行うことはできない。従って、後方センサの応答において発生する前記有害物質は周囲に放出される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この背景から、後方センサの応答が必ずしも発生する必要がない触媒の転換能力の判定方法及び装置を提供することが本発明の課題である。言い換えると、診断により排気ガスピークが形成される頻度が低減されるべきである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、触媒後方の排気ガスの酸素含有量が決定されるステップと、触媒前方の排気ガスの平均酸素含有量が、触媒後方において酸素含有量がその時点の前に決定された酸素含有量から離れる方向に変化されるステップと、平均酸素含有量の変化の結果として形成された触媒の酸素充填状態の変化が決定され且つそれが所定の限界値と比較されるステップと、触媒後方の排気ガスの酸素含有量が変化する前に所定の限界値が超えられたときにはエラー指示を行わないステップとを備える本発明の内燃機関における排気ガス触媒の検査方法により解決される。
【０００７】
上記課題はまた、触媒後方の排気ガスの酸素含有量を決定するための手段と、触媒前方の排気ガスの平均酸素含有量を、触媒後方において酸素含有量がその時点の前に決定された酸素含有量から離れる方向に変化させるための手段と、平均酸素含有量の変化の結果として形成された触媒の酸素充填状態の変化を決定し且つそれを所定の限界値と比較する手段と、触媒後方の排気ガスの酸素含有量が変化する前に所定の限界値が超えられたときには触媒は健全であると判定する手段とを備えた本発明の内燃機関における排気ガス触媒の検査装置により解決される。
【０００８】
本発明は、触媒の酸素充填状態をほぼ限界触媒の酸素貯蔵能力に対応する値だけ変化させることに基づいている。この場合、限界触媒は法規制値をぎりぎり満たす仮想触媒である。この限界触媒に酸素貯蔵能力Ｙ０が割り当てられ、この酸素貯蔵能力Ｙ０は対応する触媒の実施形態に対して試験台実験で求めることができる。
【０００９】
酸素充填状態の変化は、それにより内燃機関が運転される混合物組成の変化により達成することができる。触媒の後方に配置された排気ガスセンサが混合物組成の変化に応答することなく変化量が限界触媒の酸素貯蔵能力に到達した場合、触媒の酸素貯蔵能力は必ず限界触媒の貯蔵能力より大きくなっている。この場合、リーンな混合物への変化の前では触媒は酸素で完全には充填されてなく、そしてリッチな混合物への変化においては酸素が完全には放出されていないことが前提となる。この場合、診断に関連して触媒の後方に有害物質エミッションが形成されることなく、触媒は機能性を有すると判定することができる。
【００１０】
この場合、触媒の酸素充填状態が所定の値だけ変化される時間長さは第１の過程（フェーズ）を表わす。この第１の過程の間に既に後方センサの応答が発生したとしても、これは触媒が劣化していることを意味していない。触媒の充填状態はテストの開始時に即ち酸素充填状態の変化の開始時には明確にわかっていないので、このような変化が発生することがある。触媒が例えばテストの開始時に既にたまたま比較的空であり且つ触媒はこのとき更に空にされる場合、センサ応答からだけでは機能性を推定することはできない。しかしながら、センサ応答は触媒の所定の充填状態を表わしている。この場合、後方センサの応答は、第１の過程の中断を表わし且つ第２のテスト過程の開始を表わしている。第２のテスト過程において反対の混合物変化が行われ、従って酸素充填状態の反対の変化が行われる。この変化は同様に限界触媒の貯蔵能力に相当する特定の値だけ行われる。この変化の間に後方センサの他の応答が発生した場合、これはもはや機能性を有していない触媒を示している。これに対し機能性を有する触媒においては後方センサの他の応答が発生せず、従ってテストの実行による他の好ましくない有害物質エミッションの上昇は決して発生しない。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を図面に示す実施形態により詳細に説明する。
図１における参照番号１は、吸気管２、排気管３、制御装置４及びエラー機能を指示又は記憶するための手段５を備えた内燃機関を示す。参照番号６は吸込空気量を測定するための手段を示す。参照番号７は燃料供給手段を表わす。参照番号８は、少なくとも触媒容量の一部により分離された排気ガスセンサ９及び１０を備えた触媒容量を表わす。
【００１２】
本発明の観点から見た図１に示す各部品の本質的な相互作用を図２により説明する。
燃料供給手段７を操作するための燃料供給信号ｔｉは、ブロック２．１において基本値ｔＬと制御係数ＦＲとの積として形成される。基本値ｔＬは、例えば吸込空気量ｍＬ及び場合により機関回転速度のような他の変数から求められるようにした前制御特性曲線群２．２を用いて決定される。機関１内で燃焼された混合物のλ値は排気ガスセンサ９により測定される。図２においてこの値はＬ（ｖＫ）（触媒前方λ）として示されている。この実際値及びブロック２．３から形成された目標値からブロック２．４において制御偏差ＤＬＲ（Δλ制御）が形成される。次いで、制御偏差ＤＬＲは既知のように制御装置２．５において処理されて制御係数ＦＲが形成される。ブロック２．６は診断のためにλを変化させる働きをする。ブロック２．６は、プログラムラン制御及び評価ブロック２．７により制御される。触媒から酸素を放出させるためにブロック２．６は負の値Ｄ＿Ｆｅｔｔを供給し、そして値Ｄ＿Ｆｅｔｔはブロック２．８においてλ目標値と加算結合される。ブロック２．４に供給されるλ目標値はこれにより低減され、この結果触媒の前方の排気ガス中にリッチな混合物及び酸素不足及び炭化水素並びに一酸化炭素が形成される。触媒内に貯蔵されている酸素は、ＨＣ及びＣＯの転換のために消費される。このようにリッチな混合物においては、貯蔵されている酸素が触媒から放出される。同様にリーンな混合物においては、排気ガス中の酸素が過剰になるので、触媒に酸素が充填される。酸素過剰は、λ目標値と正の値Ｄ＿Ｍａｇｅｒとの結合により発生することができる。
【００１３】
混合物変化は、目標値を変化させる変わりに、Ｐ及びＩ部分のような制御パラメータの非対称変化により、又はブロック２．５において積分方向を切り換えるときの遅れ時間により発生してもよい。
【００１４】
ブロック２．９は、λ＝１に対する相対酸素過剰又は不足を表わす尺度ＤＬと、機関及び触媒内を流れる吸込空気質量流量ｍＬの値とから、触媒内に流入及び触媒から流出する酸素量を決定する働きをする。値ｍＬは、更に吸込空気の酸素含有量と乗算されることが有利である。値ＤＬは、ブロック２．１０においてλ実際値Ｌ（ｖＫ）の値１からの差として形成される。値１は量論混合比に対応する。ＤＬが正のときは排気ガス中に酸素過剰が存在し、そしてＤＬが負のときは排気ガス中に酸素不足が存在する。ブロック２．１１は、値ｍＬのブロック２．９への供給を遅れ時間Ｔｔだけ遅延させる。この時間は、機関前方の吸気管内の手段６と機関後方の触媒８ないし排気ガスセンサ９との間のガス通過時間である。ブロック２．１１は、特に吸込空気量が著しく変動する移行運転状態においてブロック２．９内の酸素質量バランスの精度を改善する。
【００１５】
ブロック２．９は、例えばＤＬとｍＬ（ｔ−Ｔｔ）との積の積分により酸素量を決定する。この場合、積分時間は手段２．７から与えられる。特定の仮定及び条件のもとで積分値から触媒の酸素充填状態をモデル化することができる。後方排気ガスセンサ１０の信号は、モデル化された酸素充填状態を検査する働きをする。
【００１６】
本発明は、触媒の酸素充填状態を所定の方法で変化させることに基づいている。例えばテスト開始時に酸素を全く含まない健全な触媒は、限界触媒が受入可能な酸素量Ｙ０を吸収することができる。従って、健全な触媒においては、テスト過程の開始時及びテスト過程の終了時即ち酸素量Ｙ０を触媒内に吸収した後において、後方排気ガスセンサ１０の信号が酸素不足を指示していなければならない。後方排気ガスセンサ１０の信号が酸素不足を指示しなかった場合、触媒は劣化しており、このとき例えばエラーランプ５を点灯させてもよい。
【００１７】
図３は、図２の機能ブロックにより示されている本発明の方法の過程を信号の時間線図で表わしている。
図３のａ）は、後方排気ガスセンサ１０の信号の時間線図を示す。この場合、高い信号レベルは酸素不足に対応し、低い信号レベルは酸素過剰に対応している。
【００１８】
図３のｂ）は、触媒前方λの時間線図を示す。この場合、高い信号レベルは酸素過剰に対応し、低い信号レベルは酸素不足に対応している。
時間ｔ＝２２４秒において後方排気ガスセンサ１０は酸素不足を示している。このことから、少なくとも全部ではないにしても触媒に酸素が充填されていることが推定される。酸素充填状態に関する正確な情報はこの時点では与えられない。前方排気ガスセンサ９の信号内の下方方向ピークは多量のリッチ化を示している。これは、例えば図２のブロック２．６及び２．８におけるオフセットＤ＿ＦｅｔｔないしＤ＿Ｍａｇｅｒによるλ制御目標値のシフトにより発生させることができる。リッチ化シフトの発生と同様にブロック２．９において触媒からの酸素放出量が計算される。ブロック２．７により制御されて、リッチ化シフトは積分Ｉの絶対値が値Ｙ０を超えるまで実行される。Ｉは時間の増加と共にその絶対値が増大するので、積分Ｉが値Ｙ０を超える時点は、正Ｙ０と負のＩとの和が０より小さくなったときに到達される。従って、触媒の酸素充填状態は値Ｙ０だけ低減される。それに続いて、ブロック２．７はブロック２．６を介して制御目標値にリーン化オフセットＤ＿Ｍａｇｅｒを供給する。その結果、触媒に酸素が充填され、このことはｔ＝２２４．５秒とほぼｔ＝２２５．３秒との間における前方排気ガスセンサ９の信号内のピークにより示される。この過程において形成された積分値Ｉは、触媒内への酸素吸収量に対応する。酸素充填は、この場合正の積分値が値Ｙ０を超えるまで又は後方排気ガスセンサが酸素満タンに応答するまで続けられる。
【００１９】
図示の例においては、値Ｙ０に到達する前に後方排気ガスセンサ１０が応答している。この結果、検査されている触媒は限界触媒より劣化していると判定され、これがエラーランプ５の点灯により指示される。エラーランプ５の点灯は場合により複数回の試行により統計的に確認した後にはじめて行ってもよい。機能性を有する触媒は、少なくとも限界触媒と同じ量の酸素を受入可能でなければならない。先行するリッチ化過程においては限界触媒の酸素貯蔵能力に対応する値Ｙ０の酸素量が触媒から放出されているので、なお健全な触媒は後方排気ガスセンサ１０が酸素過剰を示すことなく量Ｙ０のこの絶対値を吸収可能であるはずである。
【００２０】
図４は本発明による方法の実施形態の流れ図を示す。診断方法のスタート後ステップ３．１において、触媒の後方における酸素過剰（Ｌ（ｈＫ）＞１）又は酸素不足（Ｌ（ｈＫ）＜１）のいずれが存在するかの検査が行われる。Ｌ（ｈＫ）＜１から、触媒に完全ではないが酸素が充填されていることが推定される。それに続いてステップ３．２は変数Ｋに値ＮＶを割り当てる（Ｋ＝ＮＶ、Ｋは「触媒」を示し、ＮＶは「完全ではないが酸素が充填されている」を示す）。これは、酸素量の吸収において後方排気ガスセンサ１０の信号が値＜１から値＞１への変化が可能であることを意味する。これは、触媒から酸素が完全に放出されているとき（Ｋ＝Ｌ）にもまた成立する。テストのためにステップ３．３においてリーンなλ値＞１が設定される。ステップ３．４は、上記の積分Ｉを形成することにより触媒内に流入する酸素量を求める働きをする。ステップ３．５は、後方排気ガスセンサ１０が酸素過剰に応答したか否かを検査する。後方排気ガスセンサ１０が酸素過剰に応答しないかぎり問い合わせステップ３．６がそれに続き、問い合わせステップ３．６において積分値がしきい値Ｙ０と比較される。Ｉ＜Ｙ０が成立し且つ後方排気ガスセンサ１０が応答しないかぎり、ステップ３．４、３．５及び３．６からなるループが反復実行される。プログラムがステップ３．６からステップ３．７へループを抜け出した場合、触媒は健全である。この場合、後方排気ガスセンサ１０の応答が発生することなく、健全触媒と劣化触媒との境界を形成する酸素量Ｙ０が触媒に吸収されたことになる。
【００２１】
これに対しプログラムがステップ３．５からループを抜け出した場合、それに続くステップ３．８において２つの異なるケースが考えられる。触媒がテスト開始時に空であったとき（Ｋ＝Ｌ）、触媒の貯蔵能力は限界触媒の貯蔵能力より小さい。この場合、ステップ３．９によりエラーの指示及び／又は記憶が行われる。これに対しテストの開始時に触媒が完全ではないが充填されている場合（Ｋ＝ＮＶ）、その酸素貯蔵能力は一義的に判定することはできない。しかしながら、この場合センサ応答は触媒が酸素で完全に充填されていることを示す。それに応じてステップ３．１０がＫ＝Ｖを設定し且つプログラムは流れ図の左側部分に分岐する。左側部分は右側部分のいわゆる鏡像を示している。ここでテストのためにステップ３．１２においてλ＜１即ち酸素不足が設定される。それ以下の残りのステップは、右側分岐部分のステップないし右側分岐部分が鏡像反転されたステップにそのまま対応している。はじめに触媒は空ではなく（Ｋ＝ＮＬ、ステップ３．１１）又は満タン（Ｋ＝Ｖ、ステップ３．１２）である。次に酸素不足が設定され且つ積分Ｉ（ステップ３．１３）が形成される。値Ｉはここでは負である。Ｉの絶対値がＹ０より大きくなったとき、触媒は健全である（ステップ３．１５、３．１６）。Ｉの絶対値がＹ０より大きくならなかった場合、２つの異なるケースが考えられる。Ｉ＞Ｙ０となる前にセンサが応答し且つ触媒がテスト開始時に満タン（Ｋ＝Ｖ）であったとき、触媒の酸素貯蔵能力は限界触媒のそれより小さい。この場合、ステップ３．１４、３．１７及び３．９を介してエラー指示が行われる。これに対しテスト開始時に触媒が空でなかった場合、この時点で触媒は完全に空となり且つステップ３．１７を通過した後、Ｋ＝Ｌがセットされ且つ右側部分に分岐される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の技術的周辺図である。
【図２】本発明に関連する変数を説明するための機能ブロック線図である。
【図３】ある実施形態において発生する信号の時間線図である。
【図４】本発明による方法の実施形態の流れ図である。
【符号の説明】
１  内燃機関
２  吸気管
３  排気管
４  制御装置
５  エラー機能指示又は記憶手段
６  吸込空気量測定手段
７  燃料供給手段
８  触媒容量
９  前方排気ガスセンサ
１０  後方排気ガスセンサ
２．１  乗算段
２．２  前制御特性曲線群
２．３  λ目標値形成ブロック
２．４、２．８、２．１０  加算段
２．５  制御装置
２．６  λ変化ブロック
２．７  プログラムラン制御及び評価ブロック（積分時間決定手段）
２．９  積分ブロック
２．１１  遅れ時間発生ブロック
Ｄ＿Ｆｅｔｔ  λ目標値をリッチ化するオフセット値
ＤＬ  λ＝１に対する相対空気過剰又は不足
ＤＬＲ  λの制御偏差
Ｄ＿Ｍａｇｅｒ  λ目標値をリーン化するオフセット値
ＦＲ  燃料供給信号の制御係数
Ｉ  積分値
Ｌ（ｋＬ）  触媒後方λ値
Ｌ（ｖＫ）  触媒前方λ値
ＬＳ  λ目標値
ｍＬ  吸込空気質量流量
ｔｉ  燃料供給信号
ｔＬ  燃料供給信号の基本値
Ｔｔ  遅れ時間
Ｙ０  限界触媒の受入可能な酸素量
【図１】
0004436473.tif 000002
【図２】
0004436473.tif 000003
【図３】
0004436473.tif 000004
【図４】
0004436473.tif 000005