DE69617232T2

DE69617232T2 - Vorrichtung und verfahren zur bestimmung der sauerstoffpufferkapazität in einem katalysator

Info

Publication number: DE69617232T2
Application number: DE69617232T
Authority: DE
Inventors: Soeren Eriksson; Ronald Hedstroem; Ove Hjortsberg; Mats Laurell
Original assignee: Volvo Car Corp
Current assignee: Volvo Car Corp
Priority date: 1995-06-07
Filing date: 1996-05-31
Publication date: 2002-07-18
Anticipated expiration: 2016-06-01
Also published as: DE69617232D1; EP0830498B1; SE505235C2; SE9502066L; WO1996041071A1; EP0830498A1; SE9502066D0; US6119447A

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die durch den Oberbegriff des Anspruchs 1 bestimmt ist und ein Verfahren, das durch den Oberbegriff der Ansprüche 7 und 8 bestimmt ist, zur Bestimmung der Sauerstoffpufferkapazität eines Katalysators.
Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Steuerung des Luft/Kraftstoffverhältnisses eines Kraftfahrzeugmotors auf Grundlage der Bestimmung der Sauerstoffpufferkapazität.

Hintergrund der Erfindung

Katalysatoren für Kraftfahrzeugabgassysteme sind gut bekannt. Solche Katalysatoren sind typischerweise so aufgebaut, indem innerhalb eines Gehäuses ein oder mehrere Katalysatorsteine (des öfteren als Katalysatormatrizen bezeichnet) angeordnet sind. Jeder der Steine ("bricks") weist eine Washcoat bzw. Zwischenschicht auf, die ein oder mehrere seltene Metalle enthält, die üblicherweise aus den Elementen Platin, Rhodium oder Palladium ausgewählt sind.
Die Zwischenschicht stellt eine Mehrzahl von katalytischen Reaktionsstellen bereit, an denen Sauerstoff, der vorübergehend innerhalb des Katalysators als ein Puffer während eines Magergemischbetriebs gespeichert wird (d.h. ein Betrag an überschüssigem Sauerstoff zur späteren Verwendung), sich katalytischen Oxidationsreaktionen mit einem oder allen der folgenden Gase unterziehen kann: Kohlenstoffmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffe (HC) und Nitrosensauerstoffen (NOX) verschiedener Art. Wo Dreiwegkatalysatoren bereitgestellt sind, unterziehen alle Gase sich einer Oxidationsreaktion.
Es ist jedoch bereits beobachtet worden, dass die Sauerstoffpufferkapazität des Katalysators mit der Zeit verschwindet. Umgekehrt werden die Umwandlungsfähigkeiten des Katalysators stetig reduziert, so dass der Katalysator nicht mehr in der Lage ist, große Fluktuationen des λ-Werts (allgemein aufgenommenes Maß des Luft/Kraftstoffverhältnisses) zu bewältigen. Solch große Fluktuationen können z.B. auftreten, wenn die Steuereinheit der Motorkraftstoffeinspritzung die Einspritzzeit verändert, um so stöchiometrische Verbrennungsbedingungen in dem Motor während der Beschleunigung und der Verzögerung zu erhalten.
Es ist bekannt, dass durch Leser der Ausgaben der vorderen und hinteren Sauerstoffsensoren (üblicherweise sogenannte "λ" Sensoren) und durch Bearbeiten dieser Werte eine verringerte Pufferkapazität erfasst werden kann, um auf diese Weise einen verschlechterten Katalysator frühzeitig ersetzen zu können.
Ein solches Verfahren zur Bestimmung einer verringerten Pufferkapazität eines Katalysators ist z.B. in der DE-A-38 30 515 offenbart, in welcher der Unterschied des Sauerstoffgehalts in den Abgasen sowohl upstream als auch downstream des Katalysators gemessen werden. Indem der Quotient dieser Differenz verglichen wird mit der Sauerstoffmenge upstream des Katalysators, wird ein Wert erhalten, welcher mit bekannten Werten verglichen werden kann. Auf Grundlage des Vergleichs wird der Zustand des Katalysators bestimmt, so dass ein Auswechseln des Katalysators zu geeigneter Zeit vorgenommen werden kann.
In einer weiteren Vorrichtung aus dem Stand der Technik zur Bestimmung der Verschlechterung eines Katalysators, wie in der US-A-5 228 335 offenbart ist, werden die Signale bzgl. des Sauerstoffanteils von einem Sauerstoffsensor upstream und einem Sauerstoffsensor downstream des Katalysators einem Mikroprozessor zugeführt und mit Schwellwerten verglichen. Auf Grundlage dieses Vergleichs wird der Verschlechterungspegel bestimmt.
Die zuvor genannten Verfahren aus dem Stand der Technik beruhen auf diese Weise auf der Erfassung einer bestimmten Reihe von auftretenden Bedingungen, um den Katalysatorausfall bestimmen zu können.
Die EP-A-466 311 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff der Ansprüche 1, 7 und 8. In diesem Dokument wird ein Testverfahren zur Erfassung der Verschlechterung eines Katalysators verwendet, in welchem die Frequenz und/oder die Amplitude des Eingangssignals künstlich durch Anwenden einer gewählten Frequenz- und/oder Amplitudenmodulation verändert wird und anschließend die Ausgangssignale analysiert werden.
Die US-A-5 207 057 offenbart ein System, das die Signale der upstream und downstream Sensoren analysiert, um ein Verhältnis der Frequenzen ihrer Ausgangssignale zu produzieren. Erreicht dieses Verhältnis einen bestimmten Wert, so ist bestimmt, dass der Katalysator verschlechtert ist.
Die US-A-5 335 538 offenbart ein System, in welchem die Sauerstoffpufferkapazität unter Verwendung eines Phasenshifts der upstream und downstream Sensorausgaben berechnet wird zusammen mit den Gaslaufzeiten während stationärer Betriebsbedingungen.
Die US-A-5 293 740 misst den eigentlichen Sauerstoffladepegel und vergleicht diesen mit einem erwünschten Ladepegel, bevor ein Korrekturfaktor angewendet wird, wodurch der Abgasemissionspegel verbessert wird. Der Sauerstoffladepegel wird berechnet unter Verwendung einer zeitabhängigen Integration von einer Messung des induzierten Luftmasseflusses bzw. des angesaugten Luftmasseflusses, des Sauerstoffgehalts in der angesaugten Luft basierend auf einer Näherung und der Abweichung des λ-Wertes von 1.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Größe der Sauerstoffpufferkapazität eines Katalysators bereitzustellen, insbesondere nach wiederholten Intervallen während des Motorbetriebs, so dass aktualisierte Informationen bzgl. der Pufferkapazität erhältlich sind.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird der Wert der Sauerstoffpufferkapazität dazu verwendet, eine Steuereingabe der Kraftstoffeinspritzsteuereinheit bereitzustellen, um die Kraftstoffeinspritzung in den Motor zu verändern und um eine reduzierte Pufferkapazität zu kompensieren. Jegliches Verfahren zur Messung der Sauerstoffpufferkapazität kann verwendet werden, um die erforderliche Information für eine solche Kompensation bereitzustellen.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Merkmale der vorliegenden Erfindung werden in den unabhängigen Ansprüchen bestimmt. Bevorzugte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen bestimmt. Weitere vorteilhafte Merkmale erscheinen ebenfalls in der folgenden Beschreibung.
Entsprechend der Erfindung wird von dem Signal gebrauch gemacht, welches von den downstream Sauerstoffsensor eines Katalysatorsystems ausgegeben wird.
Wie an sich bekannt ist, ist die Signalausgabe des upstream Sensors eines Katalysatorsystems ein solches, das sehr schnell und im allgemeinen periodisch zwischen Hoch- und Niederspannungsausgaben schwankt. Diese Ausgabe wird als eine primäre Steuereingabe für ein Kraftstoffeinspritzsteuersystem verwendet, um zu steuern, ob eine Zunahme oder Abnahme der Kraftstoffmenge einer Kraftstoffeinspritzanlage zugeführt werden soll (d.h. ob eine fettere oder magere Mischung erforderlich ist). Aufgrund der Tatsache, dass der upstream Sauerstoffsensor versucht, fast stöchiometrische Verbrennungsbedingungen bereitzustellen, ist die Ausgabe des downstream Sensor eine einigermaßen gleichmäßige oder langsam variierende Spannung, da sie nur eine feine Abstimmung des erforderlichen Luft/Kraftstoffverhältnisses bereitstellt.
Entsprechend der Erfindung wird jedoch der downstream Sensor anstelle des upstream Sensors verwendet, um das primäre Eingangssignal der Kraftstoffeinspritzsteuereinheit bereitzustellen. Auf diese Weise verursacht die Einstellung des Sauerstoffgehaltes in den Abgasen, die durch den Katalysator gehen, ein schnell fluktuierendes Ausgangssignal von dem downstream Sensor.
In dem Aspekte der Zeitfunktion dieses Ausgangssignals (welches ebenfalls ein Eingangssignal für eine Kraftstoffeinspritzsteuereinheit ist) analysiert werden, kann die eigentliche Größe der Sauerstoffpufferkapazität bestimmt werden. Das Analyseverfahren wird im Detail unten erklärt werden.
Da die Sauerstoffpufferkapazität während der Lebenszeit eines Katalysators reduziert wird, ist die Zeit, die zum Aufbrauchen des Puffers und anschließendem Füllen des Puffers mit mehr Sauerstoff von den Abgasen während des normalen Motorbetriebs vergeht, entsprechend verringert. Kommt die primäre Eingabe an die Kraftstoffeinspritzsteuereinheit von dem downstream Sensor, wird zusätzlich die Periode, die der Sensor braucht, um ein Signal auszusenden, um das Luft/Kraftstoffgemisch anzureichern oder zu schwächen, relativ lang verglichen mit der während des normalen Betriebs des upstream Sensors. Dies liegt in der Tatsache, dass die Abgase eine endliche Zeit zum Durchlaufen des Katalysators brauchen und ebenfalls eine endliche Zeit brauchen, um den gespeicherten Sauerstoffpuffer aufzubrauchen. Folglich wird es klar, dass wenn die Sauerstoffpufferkapazität reduziert ist, die Periode der Fluktuationen in dem Signal von dem downstream Sensor auf ähnliche Weise reduziert sein werden. In einer Ausführungsform der Erfindung wird diese Verringerung der Periodenzeit gemessen und verglichen mit bekannten Werten der Periodenzeit für verschieden große Sauerstoffpufferkapazitäten. Auf diese Weise kann die Pufferkapazität sehr genau bestimmt werden.
Als ein anderes Verfahren zur Verwendung der Zeitinformation der Signale, die von dem Sauerstoffsensor ausgegeben werden, können die Ausgangssignale von sowohl dem upstream Sensor als auch von dem downstream Sensor verwendet werden, um die Sauerstoffpufferkapazität zu bestimmen, indem ihre Zeitverschiebung (Phasenshift) gemessen wird. Dies wird auf ähnliche Weise wie oben durchgeführt. Der downstream Sensor wird nämlich wieder verwendet, um die Primäreingabe an die Kraftstoffeinspritzsteuereinheit zuzuführen und anschließend werden die Ausgaben des upstream und des downstream Sensors analysiert. Die Ausgaben des upstream und des downstream Sensors werden sehr ähnlich sein, obwohl, wie in den begleitenden Figuren zu sehen sein wird, das Signal von einem zeitlich verspätet ist mit bezug auf das andere. Durch Messung der Zeitverschiebung und Vergleich mit bekannten Werten der Zeiverschiebung wird so die Sauerstoffpufferkapazität erhalten.
Die Zeit, während der der downstream Sensor verwendet wird, um die Primärsteuereingabe zuzuführen, kann so kurz wie eine Zeitperiode sein, wird aber üblicherweise vier oder mehr Zeitperioden betragen, so dass ein Hauptwert der Zeitperiode berechnet werden kann und jegliche Ausgleichsvorgänge von nicht oxidierten Gasen reduziert sind.
Um zu ermöglichen, dass der downstream Sensor die primäre Steuereingabe der Kraftstoffeinspritzsteuereinheit bereitstellt, ist ein Schaltmittel irgendeiner Art bereitgestellt. Dieses Schaltmittel wird üblicherweise ein elektronisches Schaltmittel sein, welches auf eine Reihe von Steuerparametern reagiert.
Zusätzlich, um die gemessene Zeitinformation (z.B. die Periode der Fluktuationen) mit bekannten Werten vergleichen zu können, sollten die Messungen innerhalb eines sogenannten Fensters von Parametern auftreten. Werden z.B. Motorenlast und Geschwindigkeitsparameter betrachtet, kann eine bestimmte Motorenlast und Motorengeschwindigkeit einen verschiedenen Satz von gemessenen Werten von einer verschiedenen Motorenlast ergeben. Läuft der Motor nicht bei einer konstanten Temperatur (üblicherweise während der Aufwärmphase), werden die abgelesenen Werte sich von denen unterscheiden, wenn der Motor bei einer konstanten Temperatur betrieben wird. So sollte zumindest ein Fenster von vorbestimmten Parametern bestimmt sein, in welchem die Signalaufnahme durchgeführt wird. Üblicherweise wird das Fenster innerhalb des normalen Fahrzyklusparameterbereichs des Motors sein. Eine Mehrzahl von Fenstern kann ebenfalls bereitgestellt sein, so dass ein Abtasten ("sampling") während jeder Fahrzeugverwendung einfacher ist.
Da es jedoch nicht möglich ist, eine unendliche Anzahl von Fenstern bereitzustellen, sollte ein Korrekturfaktor, wo möglich, angewendet werden. Insbesondere hat sich noch nicht herausgestellt, dass der Massefluss (von Kraftstoff und Luft, oder nur Luft) die Zeitperiode der Signalfluktuationen auf ungefähr lineare Weise beeinflusst. Auf diese Weise kann eine Einstellung vorgenommen werden, so dass das Signalabtasten praktisch unter jeglichen bekannten Masseflussbedingungen mit guter Übereinstimmung ausgeführt werden kann. In einigen Fällen hängt die Sauerstoffspeicherung von der Temperatur des Katalysators ab und eine Einstellung kann ebenfalls aus diesem Grund erforderlich sein.
Die Messung der Sauerstoffpufferkapazität kann verwendet werden, um die gegenwärtige Bedingung des Katalysators anzuzeigen und/oder wenn ein Ersetzen erforderlich ist. Überdies können jedoch die Ergebnisse verwendet werden, um den Kraftstoffeinlass in den Motor zu steuern, so dass der Gasanteil der Abgase innerhalb akzeptabler Grenzen für die Pufferkapazität, welche bestimmt worden ist, bleibt. Diese Kraftstoffeinspritzeinlasssteuerung ist so eine Kompensationseinlasssteuerung, welche zu einer reduzierten Emission in Kraftfahrzeugen mit Katalysatoren mit reduzierter Sauerstoffpufferkapazität führt.
Dies hängt damit zusammen, dass aufgrund der Tatsache, dass nicht der gesamte Sauerstoffpuffer aufgebraucht wird, d.h. man bleibt bei Ablauf von katalytischen Reaktionen irgendwo in der Nähe der Mitte innerhalb der Grenzen des Sauerstoffpuffers, der Katalysator besser für Ausgleichsvorgänge sorgen kann. So kann die Modifikation des Luft/Kraftstoffverhältnisses von λ = 1 auf einen niedrigeren Wert (d.h. auf ein fetteres Gemisch) für eine beschränkte Zeitperiode erforderlich sein, um den Sauerstoffgehalt der zur Verfügung stehenden Sauerstoffpufferkapazität zu reduzieren.
Es sollte darauf hingewiesen werden, dass der Ausdruck "Kraftstoffeinspritzsteuereinheit" sich auf ein einziges Steuereinheitsystem beziehen kann, aber dass auch mehrere Steuereinheiten innerhalb der Steuereinheit enthalten sein können, um die erforderlichen Steuerfunktionen durchzuführen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nunmehr im Detail mit bezug auf gewisse bevorzugte Ausführungsformen und mit bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm ist, das eine typische Vorrichtung zur Verwendung entsprechend der Erfindung zeigt;
Fig. 2 ein Blockdiagramm eines der Elemente der Fig. 1 ist;
Fig. 3 ein typisches Flussdiagramm ist zum Abtasten einer Signalausgabe von einem Sauerstoffsensor;
Fig. 4 einen typischen Satz von Signalausgängen von einem upstream und einem downstream Sensor darstellt vor, während und nach Umschalten der Primärsteuereingabe, die nun Ausgabe ist, die von dem hinteren Sensor gelesen wird;
Fig. 5 ein typisches Diagramm darstellt, das die Reduktion der Zeitperiode mit zunehmenden Alter eines Katalysators zeigt, und
Fig. 6 zeigt, wie die Zeitperiode der Fluktuationen mit dem Massefluss schwankt (Motorgeschwindigkeit x Last).

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung umfasst einen Katalysator mit zwei Katalysatormatrizen 30, 31. Die Erfindung kann jedoch mit einer beliebigen Anzahl von Matrizen durchgeführt werden. Der Katalysator 1 weist einen Einlass auf der linke Seite (wie dargestellt) und einen Auslass auf der rechten Seite auf. Obwohl die Verbindung nicht gezeigt ist, ist der Einlass in den Katalysator 1 mit einem Abgasauslass eines Motors 9 verbunden.
Ein Sauerstoffsensor 2 befindet sich an dem upstream Ende des Katalysators und ein weiterer Sauerstoffsensor 3 befindet sich downstream des Katalysators in Richtung des Flusses der Abgase. Der downstream Sensor kann jedoch an irgendeiner anderen Stelle downstream des ersten Sensors gestellt sein, so lange er ebenfalls downstream von zumindest einer Katalysatormatrix sich befindet. Alternative Positionen 32 und 33 für den downstream Sensor sind durch gestrichelte Linien angezeigt.
Für die Sensorposition 33 wird angenommen, dass eine Katalysatormatrix zwischen dem Sensor 2 und der Matrix 30 sich befindet, wie an sich aus gewissen Systemen bekannt ist.
Jeder der Sensoren weist eine Ausgabe 2a, 3b auf, die über eine Verbindung 6 bzw. 7 an eine Kraftstoffeinspritzsteuereinheit 4 übertragen wird. Die Verbindungen 6 und 7 sind üblicherweise elektrische Leiter, es können aber auch Radiosignale oder lichtübertragende Kabel verwendet werden. Die Ausgaben 2a und 3b stellen anschließend entsprechende Eingabesignale an den Eingaben 4a und 4b der Steuereinheit 4 dar. Eine Ausgabe 4c der Einheit 4 ist anschließend über eine Leitung 8 mit einer Eingabe 5a eines Kraftstoffeinspritzmittels 5 verbunden (z.B. eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung und/oder eine Kraftstoffpumpe) das, umgekehrt Kraftstoff über eine Leitung 10 dem Motor 9 zuführt. Die Leitung 10 würde normalerweise Teil des Einlassverteilers sein, es sein denn direkte Einspritzung wird vorgenommen.
Während des normalen Betriebs (d.h. alle Vorgänge außer wenn ein Probeabtasten des Signals durchgeführt wird) wird der upstream Sensor 2 verwendet, um eine primäre Steuerspannungseingabe an die Einheit 4 bereitzustellen. Auf Grundlage dieser Eingabe wird eine Spannung durch die Leitung 8 übertragen, um so zu steuern, wenn und für wie lang Kraftstoff durch die Einspritzvorrichtung 5 dem Motor 9 zugeführt werden soll. Die Steuerung ist normalerweise so eingestellt, dass auf Grundlage der Sauerstoffmenge in dem Abgas, das an dem Sensor 2 anliegt, ein Verhältnis von nahezu λ = 1 erzielt werden sollte. Ähnlich nimmt der downstream Sensor 3 während des normalen Betriebs eine Feineinstellung des Luft/Kraftstoffverhältnisses auf Grundlage des Sauerstoffgehalts in den Abgasen nach Durchlaufen durch den Katalysator vor.
Fig. 2 zeigt drei Grundelemente, die innerhalb der Steuereinheit 4 enthalten sind; einen Fensterparameterschaltkreis 11, einen Auswahlschaltkreis 12 und einen Analyseschaltkreis 13. Der Schaltkreis 11 entscheidet, wann das System normal betrieben werden soll und wann das System so betrieben werden soll, um die Sauerstoffpufferkapazität zu bestimmen. Um dies zu entscheiden, ist der Schaltkreis 11 so eingestellt, um zu testen, ob eine Anzahl von Fensterparametern erfüllt sind, bevor mit einem Test der Sauerstoffpufferkapazität fortgeführt wird. Solche Parameter können z.B. die Motortemperatur, die Öltemperatur, die Katalysatortemperatur, die Motorlaufzeit, die nach der ursprünglichen Motorzündung vergangen ist, die Motorlaufzeit seit dem letzten Pufferkapazitätstest und/oder Anzahl der Tests, die in einem beliebigen Betrieb von Start bis Ende durchgeführt wurden, einschließen. Während weitere Faktoren, wie z.B. Massefluss an Kraftstoff zur Einlassseite eines Motors, Massefluss von Luft zur Einlassseite eines Motors, Motorumdrehungsgeschwindigkeit und Motorlast als Fensterparameter enthalten sein können, kann eine lineare Korrektur dieser bekannten Werte gemacht werden und deshalb sind solche normalerweise nicht in dem Fenster enthalten. Eine konstante Motorengeschwindigkeit und konstante Motorenlast kann jedoch typischerweise als Fenstererfordernis vorhanden sein, um Effekte aufgrund von Ausgleichsvorgängen zu vermeiden.
Ein Schaltmittel ist in der Form eines Auswahlschaltkreises 12 bereitgestellt. Sind die Fensterparameter erfüllt, wird ein Signal an den Schaltkreis 12 gesendet und ein Umschaltvorgang tritt auf, so dass das Signal von dem downstream Sensor 3 als der Primäreingang an die Einheit 4 verwendet wird. Dies ist gleichwertig mit dem Eingang 4b, der anstelle des Eingangs 4a tritt. Auf diese Weise schwankt das Ausgangssignal von dem downstream Sensor, um eine Primärsteuerung des Kraftstoff/Luftgemisches bereitzustellen.
Das Signal wird durch den Schaltkreis 13 analysiert und der Zeitinformationswert(e) von diesem Signal wird verglichen mit einem oder mehreren vorbestimmten Wert(e), um so eine Messung der Sauerstoffpufferkapazität zu erhalten. Der Schaltkreis 13 kann zusätzlich zu, und/oder Teil des normalen Schaltkreises für die Bereitstellung einer Kraftstoffeinspritzsteuerausgabe über die Leitung 8 sein (Ausgabe 4c). Die Analyse, die von dem Schaltkreis 13 durchgeführt wird, ist normalerweise eine Messung der periodischen Zeit (Zeitperiode) oder der Durchschnittsperiodenzeit, und der Schwankungen in dem Ausgabesignal von dem downstream Sensor. Wenn der downstream Sensor verwendet wird als die primäre Steuereingabe, ändert sich jedoch die Zeitperiode des upstream Sensors ebenfalls, uns auf diese Weise wird einer von beiden tatsächlich gemessen. Alternativ kann die zu verwendete Zeitinformation gleich der Zeitverschiebung zwischen den Eingabesignalen von dem upstream und dem downstream Sensor sein.
Eine Berechnung der Sauerstoffpufferkapazität kann anschließend durch eine Vergleichsrechnung mit bekannten Werten der Periodenzeit für verschiedene Pufferkapazitäten durchgeführt werden. So kann die eigentliche Pufferkapazität bestimmt werden als eine besondere Zeitspanne oder die prozentuale verbleibende Pufferkapazität kann bestimmt werden durch Vergleich mit entsprechenden Werten.
Fig. 3 zeigt ein typisches Flussdiagramm für eine Bestimmung der Pufferkapazität. Eine Serie von Eingabeparametern, wie z.B. Motorengeschwindigkeit, Last, Temperatur und/oder Zeit, werden an den Fensterparameterblock 11 gesendet. In dem Block 16 ist bestimmt, ob die Fensterparameter von irgendeinem Fenster erfüllt sind oder nicht. Sind sie nicht erfüllt, folgt der Block 17, so dass das Luft/Kraftstoffverhältnis fortlaufend auf Grundlage eines Primärsignals von dem upstream Sensor eingestellt wird. Dies ist nicht die normale Situation.
Sind die Parameter eines Fensters erfüllt, zeigt der Block 18 an, dass ein Signal, das einen Test initiiert, an den Auswahlblock 12 in der Steuereinheit 4 gesendet wird. Dies wird dem Block 19 initiiert, welcher die Steuereinheit 4 veranlasst, die Primärsteuereingabe von der Eingabe 4b aufzunehmen, so dass die Kraftstoffeinspritzsteuerung von dem downstream Sensor 3 beeinflusst wird. Die Schwankungen der Signaleingabe bei 4b oder 4a werden anschließend analysiert (cf. Block 20), um die Zeitperiode der Fluktuationen zu messen. Alternativ werden die Signaleingaben bei den Eingaben 4a und 4b analysiert, um die Zeitverschiebung zwischen den beiden Signalen zu messen. Der Block 21 zeigt an, dass eine Bestimmung der Sauerstoffpufferkapazität anschließend gemacht werden wird, die eine Funktion der analysierten Zeitinformation ist, und daher die Schreibweise K (t). In Block 22 wird entschieden, ob die Analyse vollständig ist. Wird dies bejahend beantwortet (Ja), wird die Analyse beendet und die Steuereinheit 4 wird den normalen Betrieb aufnehmen. Wird sie negativ beantwortet (Nein), werden die in den Blöcken 20 bis 22 durchgeführten Schritte wieder initiiert.
Das Flussdiagramm ist jedoch nur erklärend und es ist verständlich, dass einige weitere mögliche alternative Flussdiagramme dem Fachmann bekannt sind.
Der obere Abschnitt der Fig. 4 zeigt typische Spannungsausgabesignale 23 und 25, und 24 und 26, von den vorderen bzw. hinteren Sauerstoffsensoren bzgl. der Zeit (t). Der untere Abschnitt der Fig. 4 zeigt einen Ausgabewert 27 entsprechend dem normalerweise angewendeten Faktor für die Kraftstoffeinspritzzeit und, wie die Länge der Einspritzzeiteinstellung variieren kann.
Das Diagramm ist unterteilt in drei Zeitzonen 20, 21 und 22. Zone 20 ist eine Zone, in welcher der Motor mit der Primäreingabe von dem upstream Sensor wie normal läuft. Zone 21 ist die Analysezeitzone mit der Primärsteuereingabe von dem downstream Sensor 3 und Zone 22 ist die, wenn die Primärsteuereingabe zurück zum upstream Sensor geschaltet ist.
Die Ausgabe in Zone 21 entspricht einer typischen Ausgabe, die über ungefähr 10 Sekunden gemessen wurde, obwohl kürzere als auch längere Zeitzonen für die Zone 21 verwendet werden können.
In Zone 20 schwankt die upstream Sensorausgabe 23 sehr schnell, die das Luft/Kraftstoffverhältnis auf mager und fett und anschließend zurück ändert. Die downstream Sensorausgabe schwankt nicht sehr schnell, sondern führt eine leicht schwankende Ausgabe der Kraftstoffsteuereinheit 4 zu, um das Gemisch in kleinen Schritten anzureichern oder zu schwächen.
In Zone 21 variiert die Zeitperiode und die Größe des Signals von der downstream Sensorausgabe 26 relativ schnell, während es das Einlassgemisch von mager auf fett und zurück verändert. Die Ausgabe des upstream Sensors erfolgt ebenfalls dieser Art mit einer sehr ähnlichen Fluktuationswellenform, obwohl mit einer kennzeichnenden und relativ konstanten Zeitverspätung verglichen mit Signal 25. Während die Sauerstoffpufferkapazität mit zunehmenden Alter des Katalysators abnimmt, wird die Periode eines jeden dieser Signale kürzer und die Zeitverspätung wird geringer. So kann eine dieser Zeitinformationsquellen für die Signalanalyse verwendet werden. In Zone 22 kehrt die Ausgabe der zwei Sensoren auf ihren normalen Wert wie in Zone 20 zurück. Eine Zone ähnlich der Zone 21 tritt dann wieder auf, wenn die Fensterparameter wieder erfüllt sind.
Das Fluktuationssignal 27 zeigt einen Wert entsprechend dem typisch angewendeten Faktor für die Einspritzzeit. Dieses Signal variiert ebenfalls in Zone 21, da es abhängig von dem resultierenden Eingangssignal von dem hinteren Sensor ist. Auf diese Weise kann die periodischer Zeit des Signals 27 in Zone 21 ebenfalls verwendet werden, um die Pufferkapazität zu bestimmen. Das Signal 27 kann andere Fluktuationsformen aufweisen (z.B. rechteckige Wellenform usw.).
Fig. 5 zeigt, wie die periodische Zeit TP mit der Anzahl der gefahrenen Meilen für einen typischen Katalysator variiert. Mit einem neuen Katalysator ist TP fast 5 Sekunden, wobei mit einem gealterten Katalysator mit 200000 gefahrenen Meilen die Zeitperiode um die Hälfte reduziert worden ist. Es ist klar, dass TP mit der Anzahl der gefahrenen Meilen auf einer fast linearen Skala in diesem besonderen Abgassystem abnimmt. Da diese Abnahme durch die Abnahme der Sauerstoffpufferkapazität bedingt ist, kann ein direkter Vergleich mit bekannten Pufferkapazitätsdaten gemacht werden, um die gegenwärtige Pufferkapazität zu bestimmen. Verschiedene Kurven ergeben sich für verschiedene Kraftfahrzeuge.
Fig. 6 zeigt, wie die periodische Zeit TP linear mit dem Massefluss an Luft oder Kraftstoff/Luft in den Motor variiert. In dem gezeigten Fall ist die vertikale Achse mit N*TL markiert, wobei N = Motorengeschwindigkeit und TL = Last ist, wobei das Produkt dieser beiden Faktoren den Massefluss ausdrückt. Durch Verwendung dieses Diagramms kann die Zeitperiodeanalyse entsprechend mit dem vorher genannten Verfahren und der Vorrichtung bei beliebiger Motorengeschwindigkeit und Last mit einem korrigierten Wert der periodischen Zeit durchgeführt werden, die durch Vergleich mit bekannten Werten für gewisse Pufferkapazitäten erhalten wird. Wie oben erklärt, ermöglicht dies im allgemeinen, die Faktoren für Motorengeschwindigkeit und Last aus den Fensterparametern auszulassen. Die Motorenanschlaggeschwindigkeit bzw. die Motorenmaximalgeschwindigkeit ("engine tickover speed") kann jedoch Probleme verursachen, und so kann ein Fensterparameter enthalten sein, um eine ungewollte Analyse z.B. unter 1200 r.p.m. auszuschließen.
Ist die Sauerstoffpufferkapazität einmal bekannt, kann dieser Wert in einem Speicher für die nachfolgende Verwendung gespeichert werden. In dem diese gespeicherten Daten verwendet werden, kann die Kraftstoffeinspritzung in dem Motor anschließend modifiziert werden, so dass der Betrag an Sauerstoffpufferkapazität niemals verarmt oder vollständig voll wird. Dies wird z.B. dadurch erreicht, indem eine kürzere Periode zum Abschwächen und/oder Anreichern des Luft/Kraftstoffgemisches in geeigneten Intervallen verwendet wird.
Anreichern kann erzielt werden durch eine kleine Extramenge an Kraftstoff, die eingespritzt wird, um so das Gemisch vorübergehend anzureichern, was zu mehr Kohlenwasserstoffen führt, die in die Abgase abgelassen werden, um so zu verhindern, dass der Sauerstoff in den Abgasen die gesamte Sauerstoffkapazität einnimmt. Der Kraftstoff kann z.B. durch eine geringfügig längere Einspritzperiode, verglichen mit der erforderlichen, eingespritzt werden.
Ähnlich kann das Abschwächen des Gemisches durchgeführt werden, um die Sauerstoffpufferkapazität zu füllen, falls sie reduziert ist.
Die Größe solcher Pufferkorrekturen wird auf der Grundlage der bestimmten Pufferkapazität gemacht. Typischerweise treten diese Korrekturen während Beschleunigungs- oder Verlangsamungsphasen und/oder kurz danach auf.

Claims

1. Anordnung zum Bestimmen der Sauerstoffpufferkapazität in einem katalytischen Konverter (1) eines Abgassystems, die Anordnung umfasst zumindest einen Downstream- Sauerstoffsensor (3, 32, 3), der downstream von zumindest einer Konvertermatrix (30, 31) des katalytischen Konverters angeordnet ist, der Downstream- Sensor (3, 32, 33) führt ein Eingangssignal (24) einer Kraftstoffeinspritzsteuereinheit (4) zu, und einen Upstream-Sauerstoffsensor (2), der upstream von der Konvertermatrix (30, 31) angeordnet ist, zum Zuführen eines Primäreingangssignals an die Kraftstoffeinspritzsteuereinheit (4), wobei Kraftstoffsteuerungsausgangsmittel innerhalb der Steuereinheit bereitgestellt sind zum Ändern des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses in Abhängigkeit von den Eingangssignalen der Downstream- (3, 32, 33) und Upstream- (2) Sensoren, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (12) bereitgestellt sind, die bewirken, dass das Eingangssignal von dem Downstream-Sensor (3, 32, 33) stattdessen als der Primäreingang von dem Upstream- Sensor für eine beschränkte Zeitperiode wirkt, und dass ein Analysatorschaltkreis (13) bereitgestellt ist zum Bestimmen der Zeitinformation der Fluktuationen des Eingangssignals (26), die daraus resultieren, oder eines fluktuierenden Signals (27), das davon abhängt, und Berechnungsmittel zum Berechnen der Sauerstoffpufferkapazität, basierend auf der Zeitinformation.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schaltmittel (12) bereitgestellt ist zum Schalten des Eingangssignals von dem Downstream-Sensor (3, 32, 33), das stattdessen als der Primäreingang von dem Upstream-Sensor (2) wirkt.

3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Analysatorschaltkreis (13) die Zeitverschiebung der Fluktuationen des Eingangssignals (26) von dem Downstream-Sensor (3, 32, 33) misst bezogen auf die Fluktuationen des Eingangssignals (25) von dem Upstream-Sensor.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Analysatorschaltkreis (13) die Zeitperiode (TP) der Fluktuationen in dem/den Eingangssignal(en) (25, 26, 27) misst.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schaltkreis (1) bereitgestellt ist mit einem Fenster von vorbestimmten Eingangsparametern, die zum Erzeugen eines Ausgangssignals erforderlich sind, und das Ausgangssignal zum Aktivieren der Schaltmittel verwendet wird.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung des Weiteren Speichermittel zum Speichern des berechneten Wertes der Sauerstoffpufferkapazität umfasst und dass der gespeicherte Wert beim Steuern des Luft-/Kraftstoffmischverhältnisses verwendet wird.

7. Verfahren zum Bestimmen der Sauerstoffpufferkapazität in einem katalytischen Konverter (1) eines Abgassystems, das System umfasst einen Downstream-Sauerstoffsensor (3, 32, 33), der downstream von einer Konvertermatrix (30, 31) des katalytischen Konverters angeordnet ist, der Downstream-Sensor (3, 32, 33) führt ein Eingangssignal (26) der Kraftstoffeinspritzsteuereinheit (4) zu, und einen Upstream-Sauerstoffsensor (2), der upstream von der Matrix angeordnet ist zum Zuführen eines Primäreingangssignals an die Kraftstoffeinspritzsteuereinheit (4), dadurch gekennzeichnet, dass das Eingangssignal von dem Downstream-Sensor geschaltet ist, so dass es stattdessen als der Primäreingang von dem Upstream-Sensor (2) für eine beschränkte Zeitperiode wirkt, und dass die resultierenden Fluktuationen in dem Signal von dem Downstream-Sauerstoffsensor (3, 32, 33) oder ein davon abhängiges fluktuierendes Signal (27) analysiert werden, um die Zeitperiode (TP) der Fluktuationen zu bestimmen, und wobei die Sauerstoffpufferkapazität des katalytischen Konverters basierend auf der bestimmten Zeitperiode (TP) berechnet wird.

8. Verfahren zum Bestimmen der Sauerstoffpufferkapazität in einem katalytischen Konverter (1) eines Abgassystems, das System umfasst einen Downstream-Sauerstoffsensor (3, 32, 33), der downstream von einer Konvertermatrix (30, 31) des katalytischen Konverters angeordnet ist, der Downstream-Sensor (3, 32, 33) führt ein Eingangssignal (26) einer Kraftstoffeinspritzsteuereinheit (4) zu, und ein Upstream-Sauerstoffsensor (2), der upstream von der Matrix angeordnet ist zum Zuführen eines Primäreingangssignals an die Kraftstoffeinspritzsteuereinheit (4), dadurch gekennzeichnet, dass das Eingangssignal von dem Downstream-Sensor geschaltet wird, so dass es stattdessen als der Primäreingang von dem Upstream-Sensor (2) für eine beschränkte Zeitperiode wirkt, und dass die resultierenden Fluktuationen in dem Signal von dem Downstream-Sauerstoffsensor (3, 32, 33) analysiert werden, um die Zeitverschiebung der Fluktuationen zu bestimmen, und wobei die Sauerstoffpufferkapazität des katalytischen Konverters basierend auf der bestimmten Zeitverschiebung berechnet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangssignale (23, 24, 25, 26) von dem Downstream-Sensor (3, 32, 33) und dem Upstream-Sensor (2) an die Kraftstoffeinspritzsteuereinheit (4) verwendet werden, um das Luft/Kraftstoffverhältnis an der Einlassseite (10) eines Motors zu ändern, und dass die Anordnung des Weiteren Speichermittel zum Speichern des berechneten Wertes der Sauerstoffpufferkapazität umfasst, und dass der gespeicherte Wert beim Steuern des Luft/Kraftstoffverhältnisses verwendet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Fenster von vorbestimmten Parametern innerhalb des Stromkreises der Kraftstoffeinspritzsteuereinheit (4) bereitgestellt sind, und dass die Analyse der Signalfluktuationen nur durchgeführt wird, wenn die Eingangsparameter mit den Parametern innerhalb eines Fensters übereinstimmen.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter innerhalb eines Fensters ein oder mehrere der Parameter aus der Gruppe der Parameter umfassen: Massefluss an Kraftstoff zur Einlassseite eines Motors, Massefluss an Luft zur Einlassseite eines Motors, Motorumdrehungsgeschwindigkeit, Motorbelastung, Motortemperatur, Öltemperatur, Temperatur des katalytischen Konverters, Motorlaufzeit, die seit der ursprünglichen Motorzündung vergangen ist, und Motorenlaufzeit seit dem letzten Pufferkapazitätstest.

12. Verfahren zum Steuern des Luft-/Kraftstoffverhältnisses eines Fahrzeugmotors basierend auf der Bestimmung der Sauerstoffpufferkapazität nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Luft-/Kraftstoffverhältnis der in den Motor eingegebenen Mischung geändert wird, um so die zur Verfügung stehende Sauerstoffpufferkapazität zu kompensieren.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Luft-/Kraftstoffverhältnis vorübergehend angereichert wird durch Zuführen von Kraftstoff über eine längere Kraftstoffeinspritzzeit als normalerweise erforderlich, um stöchiometrische Bedingungen zu erreichen, oder durch Zuführen einer verschiedenartigen Extramenge an Kraftstoff.

14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Luft-/Kraftstoffverhältnis vorübergehend geschwächt wird durch Zuführen von Kraftstoff über eine kürzere Kraftstoffeinspritzzeit als normalerweise erforderlich, um stöchiometrische Bedingungen zu erreichen, oder durch Zuführen einer geringeren Menge an Kraftstoff.