(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒（８）の下流側の後方に配置された酸素検知排気ガス・センサ（１２）を使用した、触媒（８）の酸素吸蔵能力の測定に基づいて、触媒（８）の劣化状態の判定を行う方法であって、
（A）リッチシフトの結果、水素が存在する場合には、前記酸素検知排気ガス・センサ（１２）の測定値が、水素が存在しない場合よりも急速に上昇する、酸素過剰状態から酸素不足状態への切換を含む、内燃機関（２）の運転工程中で、触媒（８）の酸素吸蔵能力を測定するステップと、
（B）触媒の水素生成とは無関係に劣化状態を評価することができる、酸素不足状態から酸素過剰状態への切換を含む、内燃機関（２）の運転工程中で、上記ステップ（A）とは異なる手法により触媒（８）の酸素吸蔵能力を測定するステップと、
（C）触媒（８）の酸素吸蔵能力の測定の結果として、前記ステップ（A）が、触媒（８）は劣化していると評価し、前記ステップ（B）が、触媒（８）はフレッシュであると評価したとき、水素生成と判定するステップと
を含む方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、
前記ステップ（A）において、前記触媒（８）の劣化状態に対する第１の変数を形成するステップと、
前記ステップ（B）において、前記触媒（８）の劣化状態に対する第２の変数を形成するステップと、
前記第１の変数の前記第２の変数からの偏差を与える第３の変数を形成するステップ
前記第３の変数を所定のしきい値と比較するステップと、
前記しきい値を超えたことを、水素の発生の兆候として評価するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項２記載の方法において、前記ステップ（A）が、
前記内燃機関（２）を空気過剰で運転することにより、前記触媒（８）を酸素で完全に充満させるステップと、
前記内燃機関（２）を、理論燃焼に必要な燃料の量に比較して燃料過剰で運転することにより、前記触媒（８）から酸素を空にするステップと、
前記排気ガス・センサ（１２）の酸素不足信号により、前記触媒（８）から酸素が完全に空にされたことを特定するステップと、
前記触媒（８）を空にし始めてから酸素不足信号が発生するまで、前記内燃機関（２）が運転された燃料過剰量を決定するステップと、
決定された燃料過剰量に基づいて、前記劣化状態に対する前記第１の変数を形成するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項２記載の方法において、前記ステップ（B）が、
前記内燃機関（２）を燃料過剰で運転することにより、前記触媒（８）から酸素を完全に空にするステップと、
前記内燃機関（２）を、理論燃焼に必要な空気量に比較して空気過剰で運転することにより、前記触媒（８）を酸素で充満させるステップと、
前記排気ガス・センサ（１２）の酸素過剰信号により、前記触媒（８）を酸素で完全に充満させたことを特定するステップと、
前記触媒（８）を充満し始めてから酸素過剰信号が発生するまで、前記内燃機関（２）が運転された酸素過剰量を決定するステップと、
決定された酸素過剰量に基づいて、前記劣化状態に対する前記第２の変数を形成するステップと、
を含む方法。
【請求項５】
コンピュータに、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の方法の各ステップのすべてを実行させるためのプログラム・コードを有するコンピュータ・プログラム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関が、触媒を有し、また空燃比（燃料／空気混合物の比）を制御する触媒前方の第１のセンサおよび第１のセンサをある程度ガイドする触媒後方の第２の排気ガス・センサを用いた、いわゆる２センサ制御を有する、このような内燃機関用の空燃比を制御する方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
このような方法は、既に米国特許第５，３０７，６２５号から既知である。このような制御においては、フレッシュ触媒において、空燃比がリーンな値の方向にシフトするという問題が示された。このシフトは、触媒の劣化が進行したときに自然に消滅するものである。
【０００３】
空燃比がリーンな値の方向へシフトすることは窒素酸化物エミッションを上昇させるという好ましくない結果をもたらすことになる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような、空燃比がリーンな値の方向へシフトすることにより、窒素酸化物エミッションが上昇するという好ましくない影響を補償する方法を提供することが本発明の課題である。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、触媒と、排気ガスの酸素含有量に関する情報を提供する、当該触媒の後方に配置された少なくとも１つの酸素検知排気ガス・センサを有し、当該触媒の後方の排気ガス内に存在する水素に関する情報が、当該排気ガス・センサにより形成され、それに基いて当該触媒の水素発生が判定され、当該触媒の劣化状態が評価されるものである。
【０００６】
本発明によれば、内燃機関が、触媒と、排気ガスの酸素含有量に関する情報を提供する、当該触媒の後方に配置された少なくとも１つの酸素検知排気ガス・センサとを有し、触媒後方の排気ガス内に存在する水素に関する情報を形成するステップを含むことを特徴とする。
【０００７】
触媒の劣化状態は、触媒の劣化状態の異なる評価方法の結果の比較から判定される。
【０００８】
このために、他の手段は、次のステップ、即ち
第１の方法により触媒の劣化状態に対する第１の変数を形成するステップと、
第２の方法により触媒の劣化状態に対する第２の変数を形成するステップと、
第１の変数の第２の変数からの偏差を与える第３の変数を形成するステップと、
第３の変数を所定のしきい値と比較するステップと、
しきい値を超えたことを、水素の発生の兆候として評価するステップと、
を有している。
【０００９】
好ましい代替態様は、劣化状態に対する変数の形成方法が、触媒後方の酸素検知排気ガス・センサを使用した、触媒の酸素貯蔵能力の測定に基づくように設計されている。
【００１０】
他の手段は、劣化状態に対する変数の形成方法が、触媒後方における水素の発生に、異なる感度で応答するように設計されている。
第１の変数を形成するための好ましい手段は、次のステップ、即ち
内燃機関を空気過剰で運転することにより、触媒を酸素で完全に充満させるステップと、
内燃機関を、理論燃焼に必要な燃料の量に比較して燃料過剰で運転することにより、触媒から酸素を空にするステップと、
前記排気ガス・センサの酸素不足信号により、触媒から酸素が完全に空にされたことを特定するステップと、
触媒を空にし始めてから酸素不足信号が発生するまで、内燃機関がそれで運転された燃料過剰量を決定するステップと、
決定された燃料過剰量に基づいて、劣化状態に対する第１の変数を形成するステップと、
を含む。
【００１１】
第２の変数を形成するための好ましい手段は、次のステップ、即ち
内燃機関を燃料過剰で運転することにより、触媒から酸素を完全に空にするステップと、
内燃機関を、理論燃焼に必要な空気量に比較して空気過剰で運転することにより、触媒を酸素で充満させるステップと、
前記排気ガス・センサの酸素過剰信号により、触媒を酸素で完全に充満させたことを特定するステップと、
触媒を充満し始めてから酸素過剰信号が発生するまで、内燃機関がそれで運転された酸素過剰量を決定するステップと、
決定された酸素過剰量に基づいて、劣化状態に対する第２の変数を形成するステップと、
を含む。
【００１２】
他の実施態様は、第１の方法が、触媒は劣化していると評価し、且つ第２の方法が、触媒はフレッシュであると評価したとき、第２の方法が水素の発生を信号で知らせるように設計されている。
【００１３】
本発明は、上記の手段、ステップ列および実施態様を実行するための電子式制御装置にも関するものである。
本発明は、空燃比がリーンな値の方向へシフトする原因が、劣化の関数としての触媒の水素生成と、酸素検知排気ガス・センサの水素クロス（交差）検知性との間の相互作用にあるという知見に基づいている。この場合、用語「クロス検知性」とは、水素が発生したときに、排気ガス・センサの出力信号の酸素濃度に対する特性曲線がシフトすることを言い換えたものである。水素が発生したときに、特性曲線は酸素濃度が増加する方向にシフトする。したがって、水素の影響は、水素が存在するときに実際に存在するよりも少ない酸素をセンサが指示するように、特性曲線の経過線図をシフトさせる。したがって、センサと結合されている制御装置は、きわめてリーンな燃料／空気混合物を設定する。このために、λに対する依存性が高い窒素酸化物転化率が低下することは好ましくないことである。
【００１４】
フレッシュ触媒は水素を発生させる性質を有している。この性質は劣化の進行と共に弱まってくるが、最初は顕著に現われている。
【００１５】
【実施例】
図１は制御装置１を示し、制御装置１は、内燃機関２と、回転速度センサ３と、燃料供給装置４と、吸気管６内の吸込空気量ｍｌを測定するための手段、例えば熱膜式の空気質量流量計５とを有し、更に触媒８の前方に配置された排気ガス・センサ９、触媒の後方に配置された排気ガス・センサ１２を備えた排気管７と、制御ユニット１０とを有している。符号１１は、ある実施態様において存在し得る水素センサを表わしている。好ましい実施態様においては、内燃機関の所定の運転状態において、後方酸素検知の排気ガス・センサ１２の信号を好適に利用することにより、水素センサを使用する必要がなくなる。ブロック１０．１ないし１０．４は、制御ユニット１０内の噴射時期制御機能を表わす。この場合、ブロック１０．１は特性曲線群メモリに対応し、ブロック１０．２は乗算結合に対応し、ブロック１０．３は一次制御アルゴリズムに対応し、ブロック１０．４は補足的に作用する制御アルゴリズムに対応する。ブロック１０．５は、補足的に作用する制御アルゴリズムが基礎とする目標値／実際値比較を表わす。
【００１６】
制御装置１の基本機能は、制御ユニット１０により、回転速度ｎ、空気量ｍ、および混合物組成 λ＝ｆ（ＵＳｏｎｄｅ＿ｖ、ＵＳｏｎｄｅ＿ｈ） に関する信号を処理して燃料供給量信号ｔｉを形成し、燃料供給量信号ｔｉにより、燃料供給装置４、例えば噴射弁装置が操作される。このために、ブロック１０．１内で空気量および回転速度の関数として形成された仮の燃料供給量信号ｒｌは、ブロック１０．２において、混合物組成λの目標値からの偏差を考慮した補正係数ＦＲと乗算結合される。
【００１７】
最初に、ブロック（一次制御アルゴリズム）１０．３内で、前方排気ガス・センサの信号ＵＳｏｎｄｅ＿ｖから制御係数が形成される。第１の排気ガス・センサの信号は、排気ガス流れ内のその配置に基づいて、予め第２の排気ガス・センサの信号よりも迅速に空燃比の変化に応答し、その理由は、内燃機関の排気ガスは第２の排気ガス・センサまでよりも第１の排気ガス・センサまでのほうがより短い距離を通過するからである。この影響はさらに触媒の酸素貯蔵能力により増大される。制御ユニットの、混合物エラー適合に対する応答速度が高いために、空燃比は最初に第１の排気ガス・センサにより制御される。これに対して、一般に第２の排気ガス・センサの信号ＵＳｏｎｄｅ＿ｈはより正確であり、その理由は、第２の排気ガス・センサの前方に配置されている触媒が、排気ガス成分を均衡化させる方向に排気ガスを調節するからである。さらに、第２のセンサの信号は経時変化を起こしにくく、その理由は、触媒後方の温度負荷は、機関に近く組み込まれている第１の排気ガス・センサにおいてよりも小さいからである。したがって、第２の排気ガス・センサの信号は制御を補足的に補正するために使用される。例えば、第２の排気ガス・センサの信号の偏差を用いて、第１の排気ガス・センサによる制御のための目標値を補正することができる。この場合、補正係合はブロック１０．４内で形成される。
【００１８】
触媒の前方に配置されているセンサは、混合物を目標値に制御し、たいていの場合、λ＝１ に制御する。触媒の後方に配置されているセンサは、上位のガイド制御の範囲内で、前方センサの経時変化に基づくエラーを補償する。前方センサが、例えば経時変化に基づいてきわめてリッチな混合物を指示した場合、例えば、λ＝１ の実際λ値において誤って λ＝０．９５ を指示した場合、制御はリーン化によりそれに応答する。後方センサおよびブロック１０．４は、これから得られた、目標値１の実際λ値の（１より大きい）好ましくないこのリーン化を記録し、且つ後方センサの信号に基づいて、補足的制御係合が、例えば、前方センサに対する目標値を、例えば、λ＝０．９５ にシフトさせ、これにより、実際には再び λ＝１ に制御が行われる。
【００１９】
図２は、排気ガス内の種々の有害物質の濃度の空気比λに対する経過線図を示す。破線は、内燃機関の未処理エミッションを表わす。未処理エミッションは触媒の前方で測定可能である。実線は、触媒後方の濃度を表わす。特に、λが１より大きい範囲内のＮＯｘ濃度の好ましくない急上昇は、λ制御範囲内の触媒の好ましい作用のみならず、後方センサの水素クロス検知性の可能性のある好ましくない作用をも表わし、この作用は、λを制御範囲から右へシフトさせるものである。
【００２０】
これを除去するために、触媒が水素を生成したとき、ガイド制御が補正される。これに対する前提は、水素の生成が検出されることである。
内燃機関の運転中に水素の生成を検出する方法は、触媒の後方に水素センサを配置し、且つこの信号を評価することにある。水素センサを必要としない好ましい代替態様を、図３および図４により以下に説明する。
【００２１】
この場合、好ましい実施態様においては、触媒の劣化状態の異なる評価方法の結果が妥当であるかどうかに関して検査される。本発明は、異なる方法が量の異なる水素の生成を導くことに基づいている。水素の生成が比較的小さい、劣化された触媒においては、異なる方法が一致した結果を導くことになる。これに対して、結果の間に大きな偏差が発生した場合、これは触媒が水素を生成していることを示唆している。
【００２２】
図３ａは、触媒前方の空気比λｖｏｒＫａｔの経過線図を、燃料を遮断した惰行運転過程と組み合わせて示している。過程１は正常な制御運転に対応し、即ち空気比λは値１の周りに、正確には１よりやや小さい値の周りに小さい振幅で振動している。過程２は惰行運転中の燃料遮断に対応する。このとき、内燃機関には空気のみが貫流している。関連のλ値はここでは図示の関係から最終値として示されているが、原則的には無限大である。この過程において、触媒はその酸素貯蔵能力の限界まで酸素で充満される。過程３においては、惰行運転の終了後に一時的にリッチ混合物による運転が行われ、その理由は、これが触媒の転化能力に対して正の方向に影響を与えるからである。このリッチ化が、図５において使用される用語「触媒を空にすること」に対応する。したがって、この用語は、触媒内に貯蔵された酸素を、酸素過剰での惰行運転過程の後に意図的に排除することを言い換えたものである。このリッチ化は、後方センサの信号がリッチ化に応答するまで（時間区間ｔ）行うことができる。
【００２３】
図３ｂは、健全な触媒に対する後方排気ガス・センサの対応の信号ＵＳｏｎｄｅ＿ｈを、一方で水素生成がある場合に対して「線１」、および他方で水素生成のない場合に対して「線２」示している。
【００２４】
最初に水素生成のない場合「線２」を考察する。過程１において、約６００ｍＶを有する信号ＵＳｏｎｄｅ＿ｈは僅かにリッチな混合物を示している。燃料を遮断した過程２において、センサ電圧は図示のように低い値まで低下する。触媒が既に多量の酸素を貯蔵しているとき、この低下は急速に即ちこの場合のように実際に遅れなしに行われる。
【００２５】
次に燃料供給に再びリッチな混合物組成が使用されたとき、過剰燃料は、触媒の酸素貯蔵領域が空になるまでは貯蔵された酸素により補償される。フレッシュ触媒においては、リッチ混合物において使用される量は、劣化触媒においてよりもはるかに高いものである。したがって、図３に示した時間ｔは、一方で触媒の劣化状態に対する尺度を形成する酸素貯蔵能力に比例している。図示のように比較的長い時間ｔは、水素の発生がない健全な触媒に対応している。
【００２６】
しかしながら、リッチ混合物の使用は水素生成を上昇させる。したがって、生成された水素は、後方センサの信号に、生成された水素の関数である作用（リッチ・シフト）を与える。ここで、リッチ・シフトの結果、水素が存在する場合に、信号は、水素が存在しない場合よりも急速に上昇する。フレッシュ触媒においては、著しい水素生成に基づいて、センサ信号は、劣化触媒においてよりもはるかに急速に上昇する。この結果、時間ｔは著しく短くなり、その間センサの信号は低いレベルにとどまっている。
【００２７】
この状況が「線１」の経過線図により表わされ、この「線１」においては、実際に、この時間ｔはほとんど存在していないようなものである。
結果として、触媒が誤って既に著しく劣化されていると評価されるように、触媒の酸素貯蔵能力がきわめて小さいという不適切な結果となる。
【００２８】
図４ａは、触媒の酸素貯蔵能力の測定および評価による触媒の診断（劣化状態の決定）に関連した、触媒前方の空気比λｖｏｒＫａｔの経過線図を示す。過程１は、前と同様に正常な制御運転に対応し、空気比λは、値１の周りに、正確には１よりやや小さい値の周りに小さい振幅で振動している。過程２は、燃料／空気混合物を１より小さい値にリッチ化することに対応する。これから得られた排気ガス内の酸素不足により、十分に長い過程２の間に触媒から酸素が完全に空にされる。燃料のリッチ化が終了した後、過程３において空気過剰を有する過程が行われる。これにより、触媒後方の排気ガス・センサの信号が再び酸素過剰に応答するまで、触媒は再び酸素で充満される。相対空気過剰（λ−１）と触媒を酸素で充満する間に吸い込まれた空気量ｍｌとの積の積分 ∫〔（λ−１）・ｍｌ〕ｄｔ は、触媒の酸素貯蔵能力に対する尺度を示している。
【００２９】
図４ｂは、診断中の対応信号ＵＳｏｎｄｅ＿ｈ（後方排気ガス・センサの信号）を示す。
後方排気ガス・センサの信号の急変方向は、場合により存在する水素によっては影響されず、且つ触媒は排気ガス内の酸素が過剰な場合には水素を生成しないので、このようにして、触媒の水素生成とは無関係に劣化状態を評価することができる。
【００３０】
異なる酸素貯蔵能力の決定方法の結果の比較から、触媒が水素を生成しているかどうかを与える上記の第２の情報を形成することができる。
一実施態様においては、酸素貯蔵能力を決定するために、触媒前方の酸素含有量が変化してから触媒後方の排気ガス・センサがそれに応答するまでの、吸込空気量ｍｌと、λ実際値の値１からの偏差との積の少なくとも１つの積分が評価されてもよい。特に、第１の方法は、酸素過剰から酸素不足へ切り換えたことにより触媒前方の酸素含有量が変化したときに、吸込空気量ｍｌと、λ実際値の値１からの偏差との積の第１の積分を提供し、また第２の方法は、酸素不足から酸素過剰へ切り換えたことにより触媒前方の酸素含有量が変化したときに、第２の積分を提供することができる。
【００３１】
第１の積分が劣化触媒であることを信号で知らせ、且つ第２の積分がフレッシュ触媒であることを信号で知らせたとき、第２の情報は水素の発生を信号で知らせることになる。
【００３２】
図５は、本発明による方法の実施態様としての、それ自体の説明から明瞭な流れ図を示す。ステップ５．１は、図３に関して説明した方法に対応する。同様に、ステップ５．２は、図４に関して説明した方法に対応する。ステップ５．３に示す手段に対する例は、さらに上記のように、前方排気ガス・センサに対する目標値の補正で説明されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の作用を示す技術的周辺図である。
【図２】排気ガス中における種々の有害物質の濃度の、空気比λに対する経過線図である。
【図３】本発明の好ましい実施態様における、対応のλ値を有する混合物の燃焼において設定されるような、触媒前方の所定の酸素濃度における触媒後方の酸素検知排気ガス・センサの信号、即ち空気比λ（図３ａ）および対応の信号ＵＳｏｎｄｅ＿ｈの経過線図である。
【図４】本発明の好ましい実施態様における、対応のλ値を有する混合物の燃焼において設定されるような、触媒前方の所定の酸素濃度における触媒後方の酸素検知排気ガス・センサの信号、即ち空気比λ（図４ａ）および対応信号ＵＳｏｎｄｅ＿ｈの経過線図である。
【図５】本発明による方法の実施態様としての、それ自体の説明から明瞭な流れ図である。
【符号の説明】
１  制御装置
２  内燃機関
３  回転速度センサ
４  燃料供給装置
５  吸込空気量測定手段
６  吸気管
７  排気管
８  触媒
９  排気ガス・センサ（触媒前方）
１０  制御ユニット
１０．１  特性曲線群メモリ
１０．２  乗算結合
１０．３  一次制御アルゴリズム
１０．４  補足的に作用する制御アルゴリズム
１０．５  目標値／実際値比較
１１  水素センサ
１２  排気ガス・センサ（触媒後方）
ｍｌ  吸込空気量
ｎ  回転速度
Ｕｓｏｌｌ  目標値
ＵＳｏｎｄｅ＿ｈ  排気ガス・センサ（触媒後方）の信号
ＵＳｏｎｄｅ＿ｖ  排気ガス・センサ（触媒前方）の信号
λ  空気比
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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