DE102017204029B4

DE102017204029B4 - Verfahren zum Diagnostizieren einer Schädigung eines Katalysators und Katalysatorschädigungs-Diagnosesystem

Info

Publication number: DE102017204029B4
Application number: DE102017204029.7A
Authority: DE
Inventors: Kosuke MONNA; Taku Okamoto; Takayuki Sakurai; Noriko Hirata
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2016-03-28
Filing date: 2017-03-10
Publication date: 2022-12-08
Anticipated expiration: 2037-03-11
Also published as: JP6563840B2; US20170276051A1; US10125656B2; DE102017204029A1; JP2017180119A

Abstract

Verfahren zum Diagnostizieren eines Schädigungsgrads eines Katalysators (600), wobei der Katalysator (600) in einem Abgasweg (500) eines Verbrennungsmotors (300) vorgesehen ist und ein mindestens eines von einem Kohlenwasserstoffgas und einem Kohlenmonoxidgas enthaltendes Zielgas, welches in einem Abgas (G) aus dem Verbrennungsmotor (300) enthalten ist, oxidiert oder adsorbiert, wobei das Verfahren enthält:(a) das Vorsehen eines Zielgas-Erfassungselements (100) stromabwärts des Katalysators (600) in dem Abgasweg (500), wobei das Zielgas-Erfassungselement (100) so konfiguriert ist, dass es eine einer Konzentration des Zielgases entsprechende elektromotorische Kraft als ein Erfassungssignal des Zielgases ausgibt; und(b) das Vergleichen eines Diagnose-Indexwerts mit einer Schwelle, um zu diagnostizieren, ob eine ein akzeptables Maß übersteigende Schädigung in dem Katalysator (600) aufgetreten ist, wobei der Diagnose-Indexwert eine Summe von Änderungsbeträgen der elektromotorischen Kraft, ΣΔEMK, nach Einleiten einer Gasatmosphäre zur Diagnose in den Katalysator (600) für eine vordefinierte Zeitdauer ist, die Gasatmosphäre zur Diagnose ein Zielgas mit einer Konzentration, welche höher als die Konzentration des Zielgases in einem Dauerbetriebszustand des Verbrennungsmotors (300) ist, enthält, das Zielgas bewusst in dem Verbrennungsmotor (300) erzeugt wird und die Schwelle entsprechend einer zu einem Zeitpunkt, zu welchem die Gasatmosphäre zur Diagnose eingeleitet wird, ermittelten Temperatur des Katalysators (600) eingestellt wird, wobei eine Zeit t1 einer Spitzenbildungsbeginn-Zeit entspricht, zu welcher eine Spitze p in einem zeitlich veränderlichen Profil der elektromotorischen Kraft zu erscheinen beginnt, indiziert durch einen Wert der Ableitung der elektromotorischen Kraft nach der Zeit, dEMK/dt, der größer als oder gleich einer vordefinierten Schwelle ist, und eine Zeit t2 einer Spitzenbildungsende-Zeit entspricht, zu welcher eine Bildung der Spitze p endet, wobei Änderungsbeträge der elektromotorischen Kraft, ΔEMK, auf der Grundlage eines Wertes e1, welcher der elektromotorischen Kraft zur Zeit t1 entspricht, und aller zwischen den Zeiten t1 und t2 aus dem Zielgas-Erfassungselement (100) ausgegebenen Werte der elektromotrischen Kraft berechnet werden, und wobei die Werte, ΔEMK, dann aufeinanderfolgend summiert werden, um ΣΔEMK zu ermitteln.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Diagnostizieren eines Schädigungsgrads eines Katalysators, welcher ein unverbranntes Kohlenwasserstoffgas oxidiert oder adsorbiert.
Stand der Technik
Herkömmlicherweise wurde für die On-Board-Diagnose (OBD) eines Abgasreinigungssystems für Fahrzeuge, das heißt, die Funktion des Diagnostizierens, ob ein Katalysator in dem System normal wirkt oder nicht, vor allem von Autofirmen eine große Anzahl von Patentanmeldungen eingereicht. Die meisten dieser Patente betreffen mit einem Abgastemperatursensor, Sauerstoffsensor, Sauerstoffkonzentrationssensor (einer Lambdasonde) mit großem Messbereich, NO_x-Sensor oder Partikelsensor arbeitende Verfahren und sind für Dreiwegekatalysatoren, Oxidationskatalysatoren, NO_x-Speicherkatalysatoren, NO_x-selektive Reduktionskatalysatoren und Dieselpartikelfilter (DPF) bestimmt (siehe zum Beispiel die offengelegten japanischen Patentanmeldungen JP 2001- 263 048 A , JP 2005- 240 716 A , JP 2012- 36 860 A , JP 2012- 241 594 A und JP H07- 103 039 A ).
Verschiedene Arten von Kohlenwasserstoffgas-Sensoren (HC-Sensoren) zum Messen von Fahrzeugabgasen auf der Grundlage verschiedener Prinzipien wurden erforscht und entwickelt. Ein JP 2 876 793 B2 ) . HC-Sensor vom Halbleitertyp, welcher auf eine Regelung einer NO_x-Reinigung in einem Zeolithkatalysator anwendbar ist und fähig ist, einen Kohlenwasserstoff (HC) mit einem hohen Molekulargewicht selektiv zu erfassen, ist öffentlich bekannt (siehe zum Beispiel japanisches Patent HC-Sensoren verschiedener Arten wie mit katalytischer Verbrennung arbeitende Gassensoren, eine Sauerstoffkonzentrationsdifferenz erspürende Gassensoren, Grenzstrom-Gassensoren und Mischpotential-Gassensoren, für welche, mit einem Höhepunkt um das Jahr 2000, eine große Anzahl von Patentanmeldungen eingereicht wurden, waren weithin bekannt.
Bei solchen HC-Sensoren ist jedoch davon auszugehen, dass sie hauptsächlich bei einer Kontrolle der Reinigungsleistung in einen Ottomotor von einem Verbrennungstyp mit theoretischem Äquivalentverhältnis (Luftüberschussverhältnis λ = 1) oder einem Magerverbrennungstyp (λ > 1) eingebauter Abgasreinigungsvorrichtungen (Dreiwegekatalysator (DWK), NO_x-Speicherkatalysator (NSK)) oder bei einer Regelung der Einspritzmenge für einen unverbrannten Kohlenwasserstoff in einem Dieselmotor zum Einsatz kommen.
Mit Beginn der 2010er-Jahre wurden die Abgasvorschriften in Nordamerika verschärft, und insbesondere wird OBD von Oxidationskatalysatoren für Dieselfahrzeuge in Zukunft zwingend vorgeschrieben werden. Speziell mussten Oxidationskatalysatoren für Dieselmotoren sich einer auf Nicht-Methan-Kohlenwasserstoffe (NMHC) in einer Sauerstoff- (O₂-) Überschussatmosphäre, welche eine Abgasatmosphäre eines Dieselmotors ist, abzielenden OBD unterziehen.
Jedoch können die öffentlich bekannten Sensoren verwendenden Verfahren, wie in den offengelegten japanischen Patentanmeldungen JP 2001- 263 048 A , JP 2005- 240 716 A , JP 2012- 36 860 A , JP 2012- 241 594 A und JP H07- 103 039 A offenbart, eine solche OBD nicht unterstützen oder nur eine indirekte Diagnose durchführen.
Zum Beispiel ist in der offengelegten japanischen Patentanmeldung JP 2001- 263 048 A ein Verfahren offenbart, welches eine Beziehung nutzt, dass bei abnehmender Fähigkeit, einen unverbrannten Kohlenwasserstoff in einem Oxidationskatalysator umzuwandeln (zu oxidieren oder zu verbrennen), auch eine exotherme Energie zurückgeht. In groben Zügen wird eine Temperaturdifferenz ΔT gemessen, welche zur Zeit der Kraftstoffeinspritzung in vor und nach einem Oxidationskatalysator (stromaufwärts und stromabwärts desselben) in einem Abgasweg angeordneten Abgastemperatursensoren auftritt, und wird der Schädigungsgrad der Fähigkeit zum Umwandeln (Oxidieren oder Verbrennen) eines unverbrannten Kohlenwasserstoffs in dem Oxidationskatalysator indirekt aus einem Messwert diagnostiziert.
Bei diesem Verfahren kann jedoch eine Fehlerursache infolge von Änderungen der Temperatur und der Durchflussmenge eines Abgases bei einem praktischen Einsatz der Gassensoren übermäßig groß sein und kann ein Kraftstoffverbrauch sich unvermeidlich verschlechtern, weil zum Beschleunigen der Wärmeerzeugung eine erhebliche Kraftstoffeinspritzung erforderlich ist.
In der offengelegten japanischen Patentanmeldung JP 2005- 240 716 A ist ein Verfahren offenbart, welches eine Tatsache nutzt, dass bei abnehmender Fähigkeit, einen unverbrannten Kohlenwasserstoff in einem Oxidationskatalysator umzuwandeln, die bei der Verbrennung von Sauerstoff verbrauchte Menge Sauerstoff sich ändert. In groben Zügen wird, auf der Grundlage einer Differenz Δλ zwischen Ausgabewerten λF und λR zweier vor und hinter einem Oxidationskatalysator in einem Abgasweg angeordneter Sauerstoffkonzentrationssensoren (Lambdasonden) mit großem Messbereich oder einer Differenz zwischen Ausgabewerten (Elektromotorische-Kraft-Werten) zweier Sauerstoffsensoren, eine Menge in einem Oxidationskatalysator verbrauchten Sauerstoffs gemessen und wird der Schädigungsgrad der Fähigkeit zum Umwandeln eines unverbrannten Kohlenwasserstoffs in dem Oxidationskatalysator indirekt aus einer Änderung des gemessenen Werts diagnostiziert.
Jedoch beträgt die Konzentration von Sauerstoff in einem Dieselabgas, welches eine O₂-Überschussatmosphäre ist, etwa 10% (= 100000 ppm), wohingegen die Menge (Konzentration von) Kohlenwasserstoff, welche durch einen Oxidationskatalysator umgewandelt (oxidiert oder verbrannt) wird, normalerweise in der Größenordnung von mehreren Hundert ppm liegt und die beim Verbrennen einer solchen geringen Menge Kohlenwasserstoff verbrauchte Menge (Konzentration von) Sauerstoff lediglich mehrere Hundert ppm beträgt. Dies bedeutet, dass die Diagnose der Schädigung eines Oxidationskatalysators mit einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor oder Sauerstoffsensor eine genaue Berechnung von Δλ oder einer Differenz der elektromotorischen Kraft erfordert, welche einer Änderung der Menge verbrauchten Sauerstoffs in der Größenordnung von ppm entspricht, aber die Luft/Kraftstoff-Sensoren und Sauerstoffsensoren können eine solche Messgenauigkeit eigentlich nicht erreichen.
In der offengelegten japanischen Patentanmeldung JP 2012- 36 860 A ist ein Verfahren zum Anordnen eines NOx-Sensors stromabwärts eines Oxidationskatalysators, welcher NO zu NO₂ oxidiert, in einem Abgasweg und Ermitteln eines Schädigungsgrads des Oxidationskatalysators auf der Grundlage eines vordefinierten Kennfelds und eines Ausgabewerts (Elektromotorische-Kraft-Werts) des NOx-Sensors offenbart.
Jedoch kann, selbst wenn ein solches Verfahren die Fähigkeit eines Oxidationskatalysators, NO zu oxidieren, diagnostizieren kann, das Ergebnis dieser Diagnose nicht für eine Diagnose der Fähigkeit, einen unverbrannten Kohlenwasserstoff umzuwandeln (zu oxidieren oder zu verbrennen), verwendet werden. Dies liegt daran, dass die Funktionen eines Edelmetallkatalysators und eines Speichermittels für die Arten von Gasen (z.B. HC, CO, NO) unterschiedlich sind und demgemäß ebenso die Beziehung zwischen der Temperatur eines Abgases und einer Umwandlungsrate (Oxidations- oder Verbrennungsrate) sich bei den jeweiligen Gasen unterscheidet und kein besonderer Zusammenhang dazwischen feststellbar ist.
Weil ein geschätzter Wert als ein NO_x-Wert des Abgases unmittelbar nach einem Ausstoß aus einem Motor verwendet wird oder weil andere Faktoren als eine Motordrehzahl und eine Motorlast beim Einstellen eines solchen geschätzten Werts nicht berücksichtigt werden, ist es außerdem vorstellbar, dass die Schätzungsgenauigkeit sich je nach Einsatzbedingungen auffallend verschlechtert.
In der offengelegten japanischen Patentanmeldung JP 2012- 241 594 A ist ein Verfahren zum Anordnen eines Abgastemperatursensors und einer Lambdasonde vor und nach einem Oxidationskatalysator und Diagnostizieren eines Schädigungsgrads des Oxidationskatalysators auf der Grundlage einer aus einem geschätzten Wert einer HC-Speicherfähigkeit während einer normalen Aktivität des Oxidationskatalysators und einem geschätzten Wert einer Menge tatsächlich verbrauchten Sauerstoffs, welche eine Menge tatsächlich durch den Oxidationskatalysator verbrauchten Sauerstoffs ist, erhaltenen Menge erforderlichen Sauerstoffs offenbart.
Ein solches Verfahren führt jedoch lediglich eine Diagnose auf der Grundlage eines geschätzten Werts durch und wird unweigerlich durch Fehler von Signalen aus den jeweiligen Sensoren beeinträchtigt, was eine geringe Diagnosegenauigkeit zur Folge hat.
In der offengelegten japanischen Patentanmeldung JP H07- 103 039 A ist ein System offenbart, dessen Diagnoseobjekt ein DWK oder NSK eines Ottomotors ist. Die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 07-103039 offenbart nichts über die Diagnose eines Oxidationskatalysators in Dieselabgas, das einen O₂-Überschuss-Zustand darstellt.
Die DE 10 2014 208 095 A1 beschreibt ein Verfahren zur Alterungserkennung eines heterogenen Katalysators mit folgenden Schritten: Erfassen von wenigstens einem Messsignal in einem den Katalysator passierenden Medienstrom stromabwärts des Katalysators; Aufprägen eines zeitlich variierenden Eingangssignals auf den Medienstrom und/oder den Katalysator; Auswerten eines Verhaltens des wenigstens einen Messsignals in Abhängigkeit von dem zeitlich variierenden Eingangssignal, und Ermitteln eines Alterungszustands des Katalysators.
Die DE 10 2012 217 832 A1 beschreibt weiterhin ein Verfahren zur Überwachung einer Schadstoff-Konvertierungsfähigkeit einer katalytisch beschichteten, oxidierenden Abgasnachbehandlungskomponente eines Abgassystems einer Brennkraftmaschine, wobei die Abgasnachbehandlungskomponente eine temperaturabhängige Umsatzrate für die Schadstoff-Konvertierungsfähigkeit aufweist, wobei bei niedrigen Temperaturen ein minimaler Umsatz möglich ist und nach einem Übergangsbereich bei hohen Temperaturen ein maximaler Umsatz möglich ist. Bei einer Temperatur im Übergangsbereich wird eine Kohlenwasserstoffmenge im Abgassystem erhöht.
Und die DE 196 45 202 A1 schlägt vor, zur verbesserten Überwachung der Konvertierungsrate eines Abgaskatalysators für eine Brennkraftmaschine, die stromab des Abgaskatalysators ermittelten, auf Gramm-Werte umgerechneten HC-Emissionen während eines vorbestimmten Zeitfensters mit der Zeitspanne (dt) aufzusummieren. Ein Anfangszeitpunkt (tA) sowie die Zeitspanne (dt) werden unter anderem in Abhängigkeit von der Betriebsweise der Brennkraftmaschine, beispielsweise durch Berücksichtigung des Kraftstoffmassenstroms über der Zeit beeinflußt. Der so während der Zeitspanne (dt) unterhalb einer Kurve angesammelte Summenwert wird mit einem Grenzwert verglichen und bei Erreichen eines vorbestimmten Abweichungswerts ein Fehlersignal ausgegeben.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Diagnostizieren eines Schädigungsgrads eines Katalysators, welcher ein unverbranntes Kohlenwasserstoffgas oxidiert oder adsorbiert. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Diagnose einer Schädigung eines Katalysators, welcher in einem Abgasweg eines Verbrennungsmotors vorgesehen ist und ein mindestens eines von einem Kohlenwasserstoffgas und einem Kohlenmonoxidgas enthaltendes Zielgas, welches in einem Abgas aus dem Verbrennungsmotor enthalten ist, oxidiert oder adsorbiert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung enthält ein Verfahren zum Diagnostizieren eines Schädigungsgrads eines Katalysators, bei welchem der Katalysator in einem Abgasweg eines Verbrennungsmotors vorgesehen ist und ein mindestens eines von einem Kohlenwasserstoffgas und einem Kohlenmonoxidgas enthaltendes Zielgas, welches in einem Abgas aus dem Verbrennungsmotor enthalten ist, oxidiert oder adsorbiert, (a) das Vorsehen eines Zielgas-Erfassungselements stromabwärts des Katalysators in dem Abgasweg, wobei das Zielgas-Erfassungselement so konfiguriert ist, dass es eine einer Konzentration des Zielgases entsprechende elektromotorische Kraft als ein Erfassungssignal des Zielgases ausgibt, und (b) das Vergleichen eines Diagnose-Indexwerts mit einer Schwelle, um zu diagnostizieren, ob in dem Katalysator eine ein akzeptables Maß überschreitende Schädigung aufgetreten ist. Der Diagnose-Indexwert ist eine Summe von Änderungsbeträgen der elektromotorischen Kraft, ΣΔEMK, nach Einleiten einer Gasatmosphäre zur Diagnose in den Katalysator für eine vordefinierte Zeitdauer. Die Gasatmosphäre zur Diagnose enthält ein Zielgas mit einer Konzentration, welche höher als die Konzentration des Zielgases in einem Dauerbetriebszustand des Verbrennungsmotors ist. Das Zielgas wird bewusst in dem Verbrennungsmotor erzeugt. Die Schwelle wird entsprechend einer zu einem Zeitpunkt, zu welchem die Gasatmosphäre zur Diagnose eingeleitet wird, ermittelten Temperatur des Katalysators eingestellt, wobei eine Zeit t1 einer Spitzenbildungsbeginn-Zeit entspricht, zu welcher eine Spitze p in einem zeitlich veränderlichen Profil der elektromotorischen Kraft zu erscheinen beginnt, indiziert durch einen Wert der Ableitung der elektromotorischen Kraft nach der Zeit, dEMK/dt, der größer als oder gleich einer vordefinierten Schwelle ist, und eine Zeit t2 einer Spitzenbildungsende-Zeit entspricht, zu welcher eine Bildung der Spitze p endet, wobei Änderungsbeträge der elektromotorischen Kraft, ΔEMK, auf der Grundlage eines Wertes e1, welcher der elektromotorischen Kraft zur Zeit t1 entspricht, und aller zwischen den Zeiten t1 und t2 aus dem Zielgas-Erfassungselement ausgegebenen Werte der elektromotrischen Kraft berechnet werden, und wobei die Werte, ΔEMK, dann aufeinanderfolgend summiert werden, um ΣΔEMK zu ermitteln.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Schädigungsgrad der katalytischen Fähigkeit des Oxidationskatalysators ohne Berechnung einer Umwandlungsrate, welche ein Index der katalytischen Fähigkeit ist, und ohne die Einflüsse eines Stickstoffmonoxidgases und eines Stickstoffdioxidgases, welche Störgase für ein unverbranntes Kohlenwasserstoffgas sind, in Echtzeit mit guter Genauigkeit diagnostiziert werden.
Bevorzugt enthält der Schritt (b) in dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung (b-1) das Messen einer Temperatur des das Zielgas enthaltenden Abgases stromaufwärts des Katalysators in dem Abgasweg als Reaktion auf eine Ausführungsanweisung, eine Schädigungsdiagnose des Katalysators durchzuführen, wobei die Ausführungsanweisung zu einem geeigneten Zeitpunkt während des Dauerbetriebszustands des Verbrennungsmotors gegeben wird, (b-2) im Anschluss an das Messen der Temperatur des Abgases in dem Schritt (b-1) das Einspritzen eines Kraftstoffs in den Verbrennungsmotor, um ein Gas zur Diagnose zu erzeugen, (b-3) das Berechnen des Diagnose-Indexwerts auf der Grundlage des zeitlich veränderlichen Profils der elektromotorischen Kraft von einem Beginn bis zu einem Ende des Auslasses des Gases zur Diagnose aus dem Katalysator und (b-4) das Diagnostizieren eines Schädigungsgrads in dem Katalysator auf der Grundlage des Diagnose-Indexwerts und eines Werts der durch Ansehen der in dem Schritt (b-1) gemessenen Temperatur des Abgases als die Temperatur des Katalysators ermittelten Schwelle. In dem Schritt (b-4) erfolgt eine Diagnose, dass keine das akzeptable Maß überschreitende Schädigung in dem Katalysator aufgetreten ist, wenn der in dem Schritt (b-3) berechnete Diagnose-Indexwert kleiner als die oder gleich der Schwelle ist, und erfolgt eine Diagnose, dass eine das akzeptable Maß überschreitende Schädigung in dem Katalysator aufgetreten ist, wenn der in dem Schritt (b-3) berechnete Diagnose-Indexwert größer als die Schwelle ist.
Die vorliegende Erfindung hat deshalb die Aufgabe, ein Verfahren zum genauen Diagnostizieren eines Schädigungsgrads eines Oxidationskatalysators bereitzustellen.
Figurenliste

1 veranschaulicht schematisch eine Konfiguration eines ein Oxidationskatalysator-Diagnosesystem DS1 enthaltenden Dieselmotorsystems 1000;
Die 2A und 2B sind schematische Schnittansichten einer beispielhaften Konfiguration eines HC-Sensors 100;
3 veranschaulicht schematisch eine Beziehung zwischen einer Temperatur und einer Umwandlungsrate eines Oxidationskatalysators 600;
Die 4A und 4B veranschaulichen schematisch ein weiteres Beispiel eines Umwandlungsraten-Profils Pa;
5 veranschaulicht zeitlich veränderliche Profile einer EMK in dem HC-Sensor 100 für drei Arten von Oxidationskatalysatoren;
6 veranschaulicht konzeptionell eine in einer Ausführungsform durchgeführte Schädigungsdiagnose;
7 veranschaulicht, wie sich in dem HC-Sensor 100 ein EMK-Wert durch den Einfluss von NO ändert;
8 veranschaulicht, wie sich in dem HC-Sensor 100 ein EMK-Wert durch den Einfluss von NO₂ ändert;
9 veranschaulicht einen beispielhaften Ablauf einer in einer Ausführungsform durchgeführten Schädigungsdiagnose;
10 veranschaulicht ein spezielles Summationsverfahren für ΔEMK; und
Die 11A, 11B und 11C sind Schaubilder, welche einen maximalen Änderungsbetrag ΔEMK in Abhängigkeit von einer Umwandlungsrate für jede Katalysatortemperatur und für jede Kraftstoffeinspritzbedingung zeigen.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Überblick über das System
1 veranschaulicht schematisch eine Konfiguration eines Dieselmotorsystems (im Folgenden auch einfach als Motorsystem bezeichnet) 1000, welches ein Oxidationskatalysator-Diagnosesystem DS1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält.
Das Oxidationskatalysator-Diagnosesystem DS1 enthält hauptsächlich einen Kohlenwasserstoffgas-Sensor (im Folgenden auch als HC-Sensor bezeichnet) 100, einen Temperatursensor 110 und ein elektronisches Steuergerät 200, welches ein Steuergerät zum Steuern eines Betriebs des gesamten Motorsystems 1000 ist.
Das Motorsystem 1000 enthält, zusätzlich zu dem Oxidationskatalysator-Diagnosesystem DS1, einen Motor-Hauptkörper 300, welcher ein Dieselmotor als eine Art von Verbrennungsmotor ist, eine Vielzahl von Kraftstoffeinspritzventilen 301, welche einen Kraftstoff in den Motor-Hauptkörper 300 einspritzen, einen Kraftstoffeinspritzanweisungs-Teil 400 zum Anweisen der Kraftstoffeinspritzventile 301, einen Kraftstoff einzuspritzen, ein einen Abgasweg, welcher ein in dem Motor-Hauptkörper 300 erzeugtes Abgas (Motorabgas) G nach außen abgibt, bildendes Abgasrohr 500 und einen Oxidationskatalysator 600 wie Platin oder Palladium, welcher an irgendeiner Stelle mitten in dem Abgasrohr 500 vorgesehen ist und ein unverbranntes Kohlenwasserstoffgas in dem Abgas G oxidiert oder adsorbiert. In der vorliegenden Ausführungsform wird, in einer relativen Bedeutung, die dem Motor-Hauptkörper 300 nähere Position, welche eine Seite des Abgasrohrs 500 ist, als eine stromaufwärts liegende Seite bezeichnet und wird die einer Auslassöffnung 510 nähere Position, welche dem Motor-Hauptkörper 300 entgegengesetzt liegt, als eine stromabwärts liegende Seite bezeichnet.
Das Motorsystem 1000 ist typischerweise in ein Fahrzeug eingebaut, und in einem solchen Fall ist der Kraftstoffeinspritzanweisungs-Teil 400 ein Gaspedal.
In dem Motorsystem 1000 gibt das elektronische Steuergerät 200 ein Kraftstoffeinspritzanweisungs-Signal sg1 an die Kraftstoffeinspritzventile 301. Das Kraftstoffeinspritzanweisungs-Signal sg1 wird in der Regel als Reaktion auf ein Kraftstoffeinspritzanforderungs-Signal sg2 zum Anfordern einer Einspritzung einer vordefinierten Menge Kraftstoff ausgegeben, welches während des Betriebs (der Tätigkeit) des Motorsystems 1000 von dem Kraftstoffeinspritzanweisungs-Teil 400 an das elektronische Steuergerät 200 gegeben wird (z.B. wird ein Gaspedal niedergedrückt, so dass eine optimale Kraftstoffeinspritzung, welche eine große Anzahl von Parametern wie die Stellung eines Gaspedals, eine Sauerstoffeinlassmenge, eine Motordrehzahl und ein Drehmoment widerspiegelt, angefordert wird). Zusätzlich hierzu kann ein Kraftstoffeinspritzanweisungs-Signal sg1 ausgegeben werden, damit das Oxidationskatalysator-Diagnosesystem DS1 arbeitet.
Ein Überwachungssignal sg3 zum Überwachen verschiedener Situationen innerhalb des Motor-Hauptkörpers 300 wird von dem Motor-Hauptkörper 300 an das elektronische Steuergerät 200 geliefert.
In dem Motorsystem 1000 ist das aus dem Motor-Hauptkörper 300, welcher ein Dieselmotor ist, ausgestoßene Abgas G ein Gas in einer Sauerstoff- (O₂-) Überschuss-Atmosphäre mit einer Sauerstoffkonzentration von etwa 10%. Speziell enthält ein solches Abgas G Sauerstoff und unverbranntes Kohlenwasserstoffgas und enthält es außerdem Stickstoffoxid, Ruß (Graphit) und dergleichen. In dieser Beschreibung enthält ein unverbranntes Kohlenwasserstoffgas, welches ein für den Adsorptions- oder Oxidationsprozess in dem Oxidationskatalysator 600 bestimmtes Gas (Zielgas) ist, nicht nur typische (durch eine chemische Formel als Kohlenwasserstoffe klassifizierte) Kohlenwasserstoffgase wie C₂H₄, C₃H₆ und n-C8, sondern auch Kohlenmonoxid (CO). Der HC-Sensor 100 kann bevorzugt ein CO enthaltendes Zielgas erfassen. Jedoch ist CH₄ ausgeschlossen.
Das Motorsystem 1000 kann zusätzlich zu dem Oxidationskatalysator 600 eine einzige oder eine Vielzahl von Reinigungsvorrichtungen 700 an irgendeiner Stelle mitten in dem Abgasrohr 500 enthalten.
Das Oxidationskatalysator-Diagnosesystem DS1 ist für eine Diagnose eines Schädigungsgrads des Oxidationskatalysators 600 (spezieller eines Schädigungsgrads der katalytischen Fähigkeit des Oxidationskatalysators 600) bestimmt. Der Oxidationskatalysator 600 ist dafür vorgesehen, ein unverbranntes Kohlenwasserstoffgas in dem Abgas G, welches von der stromaufwärts liegenden Seite her geströmt ist, zu adsorbieren oder zu oxidieren, um zu verhindern, dass das unverbrannte Kohlenwasserstoffgas durch die Auslassöffnung 510 am Ende des Abgasrohrs 500 ausströmt, aber seine katalytische Fähigkeit (speziell seine Adsorptionsfähigkeit und Oxidationsfähigkeit) verschlechtert sich mit der Zeit. Das Auftreten einer solchen Schädigung ist nicht erwünscht, weil es eine Menge eines unverbrannten Kohlenwasserstoffgases, welches nicht vom Oxidationskatalysator 600 eingefangen wird, sondern stromabwärts strömt, erhöht. Das Oxidationskatalysator-Diagnosesystem DS1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform erfasst das unverbrannte Kohlenwasserstoffgas, welches den Oxidationskatalysator 600 passiert hat, mit dem HC-Sensor 100, um den Schädigungsgrad der katalytischen Fähigkeit des Oxidationskatalysators 600 zu diagnostizieren.
Das Oxidationskatalysator-Diagnosesystem DS1 enthält den HC-Sensor 100 und den Temperatursensor 110 wie oben beschrieben. Der erstere ist stromabwärts des Oxidationskatalysators 600 in dem Abgasrohr 500 angeordnet und erfasst die Konzentration eines unverbrannten Kohlenwasserstoffgases in dem entsprechenden Teil, und der letztere ist stromaufwärts des Oxidationskatalysators 600 angeordnet und erfasst die Temperatur (Abgastemperatur) des Abgases G in dem entsprechenden Teil. Der HC-Sensor 100 und der Temperatursensor 110 sind jeweils so angeordnet, dass ein Ende derselben in das Abgasrohr 500 eingeführt ist.
In groben Zügen ist in dem Oxidationskatalysator-Diagnosesystem DS1 das elektronische Steuergerät 200 so konfiguriert, dass es auf der Grundlage eines aus dem HC-Sensor 100 ausgegebenen HC-Erfassungssignals sg11 und eines aus dem Temperatursensor 110 ausgegebenen Abgastemperatur-Erfassungssignals sg12 diagnostiziert, ob der Oxidationskatalysator 600 geschädigt ist oder nicht. Die beispielhafte Konfiguration des HC-Sensors 100 und die Einzelheiten der Schädigungsdiagnose werden im Folgenden beschrieben. Der Temperatursensor 110 kann ein herkömmlicherweise bekannter Sensor wie ein zum Messen einer Abgastemperatur in einem gewöhnlichen Motorsystem verwendeter sein.
Das elektronische Steuergerät 200 enthält einen Speicher (nicht gezeigt) wie einen Arbeitsspeicher oder eine Festplatte, und der Speicher speichert ein Programm zum Steuern der Operationen des Motorsystems 1000 und des Oxidationskatalysator-Diagnosesystems DS1 und speichert außerdem zum Diagnostizieren des Schädigungsgrads des weiter unten beschriebenen Oxidationskatalysators 600 verwendete Schwellendaten.
Beispielhafte Konfiguration eines HC-Sensors
Die 2A und 2B sind schematische Schnittansichten einer beispielhaften Konfiguration des in der vorliegenden Ausführungsform verwendeten HC-Sensors 100. 2A ist eine senkrechte Schnittansicht eines Sensorelements 101, welches eine Hauptkomponente des HC-Sensors 100 ist, entlang der Längsrichtung des Sensorelements 101. 2B ist eine einen Querschnitt des Sensorelements 101 senkrecht zur Längsrichtung des Sensorelements 101 an einer Position A-A' in 2A enthaltende Ansicht.
Der in der vorliegenden Ausführungsform verwendete HC-Sensor 100 ist ein sogenannter Mischpotential-Gassensor. Grundsätzlich ermittelt der HC-Sensor 100 die Konzentration einer Gaskomponente, welche ein Messobjekt ist, eines Messgases unter Verwendung einer Potentialdifferenz, welche, infolge einer Differenz der Konzentrationen der Gaskomponente zwischen den Teilen nahe den Elektroden aufgrund des Mischpotential-Prinzips, zwischen einer Messelektrode 10, welche auf der Oberfläche des hauptsächlich aus einer Keramik, welche ein sauerstoffionenleitender Festelektrolyt wie Zirconiumdioxid (ZrO₂) ist, bestehenden Sensorelements 101 vorgesehen ist, und einer Referenzelektrode 20, welche innerhalb des Sensorelements 101 vorgesehen ist, auftritt.
In Gegenwart einer Vielzahl von unverbrannten Kohlenwasserstoffgasen in einem Messgas ist eine zwischen der Messelektrode 10 und der Referenzelektrode 20 auftretende Potentialdifferenz ein alle unverbrannten Kohlenwasserstoffgase widerspiegelnder Wert, und somit ist ein zu ermittelnder Konzentrationswert auch eine Gesamtsumme der Konzentrationen der Vielzahl von unverbrannten Kohlenwasserstoffgasen.
Das Sensorelement 101 enthält zusätzlich zu der Messelektrode 10 und der Referenzelektrode 20, welche oben beschrieben sind, hauptsächlich eine Referenzgas-Einleitungsschicht 30, einen Referenzgas-Einleitungsraum 40 und eine Oberflächenschutzschicht 50.
In der vorliegenden Ausführungsform hat das Sensorelement 101 den Aufbau, bei welchem sechs Schichten, nämlich eine erste Festelektrolytschicht 1, eine zweite Festelektrolytschicht 2, eine dritte Festelektrolytschicht 3, eine vierte Festelektrolytschicht 4, eine fünfte Festelektrolytschicht 5 und eine sechste Festelektrolytschicht 6, welche jeweils aus einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolyt gebildet sind, in der angegebenen Reihenfolge von der Unterseite in den 2A und 2B aufeinandergeschichtet sind. Das Sensorelement 101 enthält außerdem weitere Komponenten vor allem zwischen diesen Schichten oder auf einer Außenumfangsfläche des Elements. Die diese sechs Schichten bildenden Festelektrolyte sind völlig luftdicht. Ein solches Sensorelement 101 wird zum Beispiel durch Aufeinanderschichten den einzelnen Schichten entsprechender grüner Keramikplatten, welche einem vordefinierten Prozess und dem Drucken eines Leitungsmusters unterzogen wurden, und ferner durch Vereinigen der aufeinandergeschichteten Schichten durch Brennen hergestellt.
Der Einfachheit halber ist in der folgenden Beschreibung die Oberfläche, welche die Oberseite der sechsten Festelektrolytschicht 6 in den 2A und 2B bildet, als eine Vorderseite Sa des Sensorelements 101 bezeichnet und ist die Oberfläche, welche die Unterseite der ersten Festelektrolytschicht 1 in den 2A und 2B bildet, als eine Rückseite Sb des Sensorelements 101 bezeichnet. Bei der Ermittlung der Konzentration des unverbrannten Kohlenwasserstoffgases in einem Messgas mit dem HC-Sensor 100 ist ein vordefinierter, an einem distalen Ende E1, welches ein Ende des Sensorelements 101 ist, beginnender Bereich, welcher mindestens die Messelektrode 10 enthält, in einer Messgasatmosphäre angeordnet und ist der ein dem distalen Ende E1 entgegengesetztes Basisende E2 enthaltende andere Teil so angeordnet, dass er nicht mit der Messgasatmosphäre in Kontakt steht.
Die Messelektrode 10 ist eine Elektrode zum Erspüren eines Messgases. Die Messelektrode 10 ist als eine poröse Cermet-Elektrode aus ein vordefiniertes Verhältnis von Au enthaltendem Pt, nämlich einer Pt-Au-Legierung und Zirconiumdioxid gebildet. Die Messelektrode 10 ist in einer in der Draufsicht im wesentlichen rechteckigen Form an einer näher an dem distalen Ende E1, das heißt, dem einem Ende in der Längsrichtung des Sensorelements 101 liegenden Position auf der Vorderseite Sa vorgesehen.
Die katalytische Aktivität der Messelektrode 10 gegen ein unverbranntes Kohlenwasserstoffgas wird durch bevorzugtes Bestimmen der Zusammensetzung der ihren Grundwerkstoff bildenden Pt-Au-Legierung unterbunden. Das heißt, die Zersetzungsreaktion eines unverbrannten Kohlenwasserstoffgases wird in der Messelektrode 10 verhindert oder verringert. In dem HC-Sensor 100 ändert sich demgemäß das Potential der Messelektrode 10 selektiv bezüglich des unverbrannten Kohlenwasserstoffgases (hängt es mit diesem zusammen) entsprechend seiner Konzentration. In anderen Worten, die Messelektrode 10 ist so vorgesehen, dass sie bei einem unverbrannten Kohlenwasserstoffgas eine hohe Abhängigkeit des Potentials von der Konzentration aufweist, während sie bei jeder anderen Komponente des Messgases eine geringe Abhängigkeit des Potentials von der Konzentration aufweist. Erreicht wird dies durch Gold (Au) zusätzlich zu Platin (Pt), welches eine Hauptkomponente ist, welches als eine leitende Komponente (Edelmetallkomponente) der Messelektrode 10 enthalten ist.
Speziell ist die Messelektrode 10 so gebildet, dass das Verhältnis von Au (Au-Überschussverhältnis) in der Messelektrode 10 0,3 oder größer ist. Infolge der Bildung der Messelektrode 10 auf eine solche Weise erhöht sich die Erfassungsempfindlichkeit des HC-Sensors 100 stärker als in dem Fall, in welchem die Messelektrode 10 als eine Cermet-Elektrode aus Pt und Zirconiumdioxid ähnlich der Referenzelektrode 20 gebildet ist. In dem HC-Sensor 100 kann das unverbrannte Kohlenwasserstoffgas demgemäß auch, wenn ein in einem Abgas G in einer in dem Motor-Hauptkörper 300 wie oben beschrieben erzeugten Sauerstoffüberschussatmosphäre enthaltenes unverbranntes Kohlenwasserstoffgas ein Erfassungsziel ist, mit einer guten Erfassungsempfindlichkeit erfasst werden.
In dieser Beschreibung ist mit dem Au-Überschussverhältnis ein Flächenverhältnis des mit Au bedeckten Teils zu dem Teil, in welchem Pt an der Oberfläche des Edelmetallpartikels der Messelektrode 10 freiliegt, gemeint. Das Au-Überschussverhältnis ist 1, wenn die Fläche des Teils, in welchem Pt freiliegt, gleich der Fläche des mit Au bedeckten Teils ist. In dieser Beschreibung wird ein Au-Überschussverhältnis mittels eines Relative-Empfindlichkeitskoeffizienten-Verfahrens aus einer durch Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) erhaltenen Spitzenintensität einer für Au und Pt erfassten Spitze berechnet.
Wenn das Au-Überschussverhältnis in der Messelektrode 10 0,3 oder größer ist, ist Au in der Oberfläche eines Edelmetallpartikels der Messelektrode 10 angereichert. Spezieller ist eine Au-reiche Pt-Au-Legierung nahe der Oberfläche eines Pt-reichen Pt-Au-Legierungs-Partikels gebildet. Wenn ein solcher Zustand erreicht ist, wird die katalytische Aktivität in der Messelektrode 10 bevorzugt unterbunden und wird die Abhängigkeit des Potentials der Messelektrode 10 von der Konzentration unverbrannten Kohlenwasserstoffgases verstärkt.
Es genügt, dass das Volumenverhältnis zwischen einer Edelmetallkomponente und Zirconiumdioxid der Messelektrode 10 ungefähr zwischen 5:5 und 8:2 liegt.
Damit der HC-Sensor 100 bevorzugt seine Funktion an den Tag legt, ist die Porosität der Messelektrode 10 bevorzugt 10% oder größer und 30% oder kleiner und ist die Dicke der Messelektrode 10 bevorzugt 5 µm oder größer. Insbesondere ist die Porosität bevorzugter 15% oder größer und 25% oder kleiner und ist die Dicke bevorzugter 25 µm oder größer und 45 µm oder kleiner.
Die plane Größe der Messelektrode 10 kann entsprechend ermittelt werden, und es genügt, dass zum Beispiel die Länge in der Längsrichtung des Sensorelements ungefähr 0,2 mm bis 10 mm beträgt und die Länge senkrecht zur Längsrichtung ungefähr 1 mm bis 5 mm beträgt.
Die Referenzelektrode 20 ist eine Elektrode mit einer in der Draufsicht im Wesentlichen rechteckigen Form, welche innerhalb des Sensorelements 101 vorgesehen ist und als eine Referenz bei der Ermittlung der Konzentration des Messgases dient. Die Referenzelektrode 20 ist als eine poröse Cermet-Elektrode aus Pt und Zirconiumdioxid vorgesehen.
Es genügt, dass die Referenzelektrode 20 eine Porosität von 10% oder mehr und 30% oder weniger und eine Dicke von 5 µm oder mehr und 15 µm oder weniger hat. Die plane Größe der Referenzelektrode 20 kann kleiner als diejenige der Messelektrode 10 sein wie in den 2A und 2B gezeigt oder kann gleich derjenigen der Messelektrode 10 sein.
Die Referenzgas-Einleitungsschicht 30 ist eine Schicht aus porösem Aluminiumoxid, welche innerhalb des Sensorelements 101 vorgesehen ist, um die Referenzelektrode 20 zu bedecken. Der Referenzgas-Einleitungsraum 40 ist ein an dem Basisende E2 des Sensorelements 101 vorgesehener Innenraum. Luft (Sauerstoff), welche (welcher) bei der Ermittlung der Konzentration eines unverbrannten Kohlenwasserstoffgases als ein Referenzgas dient, wird von außen in den Referenzgas-Einleitungsraum 40 eingeleitet.
Der Referenzgas-Einleitungsraum 40 und die Referenzgas-Einleitungsschicht 30 stehen miteinander in Verbindung, und im Gebrauch des HC-Sensors 100 ist demgemäß die Umgebung der Referenzelektrode 20 durch den Referenzgas-Einleitungsraum 40 und die Referenzgas-Einleitungsschicht 30 immer mit Luft (Sauerstoff) gefüllt. Während des Gebrauchs des HC-Sensors 100 hat die Referenzelektrode 20 somit immer ein konstantes Potential.
Der Referenzgas-Einleitungsraum 40 und die Referenzgas-Einleitungsschicht 30 sind so vorgesehen, dass sie dank den sie umgebenden Festelektrolyten nicht mit einem Messgas in Kontakt kommen. Dies verhindert, dass die Referenzelektrode 20 mit dem Messgas in Kontakt kommt, auch wenn die Messelektrode 10 dem Messgas ausgesetzt ist.
In dem in 2A gezeigten Fall ist der Referenzgas-Einleitungsraum 40 so vorgesehen, dass ein Teil der fünften Festelektrolytschicht 5 an dem Basisende E2 des Sensorelements 101 mit dem Äußeren in Verbindung steht. Die Referenzgas-Einleitungsschicht 30 ist so vorgesehen, dass sie sich in der Längsrichtung des Sensorelements 101 zwischen der fünften Festelektrolytschicht 5 und der sechsten Festelektrolytschicht 6 erstreckt. Die Referenzelektrode 20 ist unter dem Schwerpunkt der Messelektrode 10 vorgesehen wie in den 2A und 2B gezeigt.
Die Oberflächenschutzschicht 50 ist eine poröse Schicht aus Aluminiumoxid, welche so vorgesehen ist, dass sie mindestens die Messelektrode 10 auf der Vorderseite Sa des Sensorelements 101 bedeckt. Die Oberflächenschutzschicht 50 ist als eine Elektrodenschutzschicht vorgesehen, welche die Schädigung der Messelektrode 10 infolge ständiger Einwirkung eines Messgases während des Gebrauchs des HC-Sensors 100 verhindert oder verringert. In dem in 2A gezeigten Fall ist die Oberflächenschutzschicht 50 so vorgesehen, dass sie nicht nur die Messelektrode 10 bedeckt, sondern auch im Wesentlichen die gesamte Vorderseite Sa des Sensorelements 101 außer einem vordefinierten Bereich, welcher an dem distalen Ende E1 beginnt.
Wie in 2B gezeigt, ist der HC-Sensor 100 mit einem Potentiometer 60 ausgestattet, das fähig ist, eine Potentialdifferenz zwischen der Messelektrode 10 und der Referenzelektrode 20 zu messen. Obwohl 2B eine Verdrahtung zwischen dem Potentiometer 60 und jeder der Messelektrode 10 und der Referenzelektrode 20 schematisch veranschaulicht, sind in einem tatsächlichen Sensorelement 101 Anschlussklemmen (nicht gezeigt) entsprechend den jeweiligen Elektroden auf der Vorderseite Sa oder der Rückseite Sb auf der Seite des Basisendes E2 vorgesehen und sind Verdrahtungsmuster (nicht gezeigt), welche die jeweiligen Elektroden und deren entsprechende Anschlussklemmen verbinden, auf der Vorderseite Sa und innerhalb des Elements gebildet. Die Messelektrode 10 und die Referenzelektrode 20 sind durch die Verdrahtungsmuster und die Anschlussklemmen elektrisch mit dem Potentiometer 60 verbunden. In der vorliegenden Ausführungsform ist eine Potentialdifferenz zwischen der Messelektrode 10 und der Referenzelektrode 20, welche durch das Potentiometer 60 gemessen wird, ein Erfassungssignal sg11. Diese Potentialdifferenz wird auch als eine HC-Sensor-Ausgabe bezeichnet.
Das Sensorelement 101 enthält außerdem einen Heizungsteil 70, welcher eine Temperaturregelung zum Erwärmen des Sensorelements 101 und Aufrechterhalten der Temperatur des Sensorelements 101 durchführt, um die Sauerstoffionenleitfähigkeit des Festelektrolyts zu steigern. Der Heizungsteil 70 enthält eine Heizungselektrode 71, eine Heizung 72, ein Durchgangsloch 73, eine Heizungs-Isolierschicht 74 und ein Druckdiffusionsloch 75.
Die Heizungselektrode 71 ist eine in Kontakt mit der Rückseite Sb des Sensorelements 101 (in den 2A und 2B der Unterseite der ersten Festelektrolytschicht 1) gebildete Elektrode. Der Heizungsteil 70 kann über die mit einer externen Stromversorgung (nicht gezeigt) verbundene Heizungselektrode 71 von außen mit Strom versorgt werden.
Die Heizung 72 ist ein innerhalb des Sensorelements 101 vorgesehener elektrischer Widerstand. Die Heizung 72 ist durch das Durchgangsloch 73 mit der Heizungselektrode 71 verbunden und erzeugt dadurch, dass sie von außen über die Heizungselektrode 71 mit Strom versorgt wird, Wärme, um die das Sensorelement 101 bildenden Festelektrolyte zu erwärmen und ihre Temperaturen aufrechtzuerhalten.
In dem in den 2A und 2B gezeigten Fall ist die Heizung 72, während sie vertikal zwischen der zweiten Festelektrolytschicht 2 und der dritten Festelektrolytschicht 3 eingeschlossen ist, so vergraben, dass sie sich von dem Basisende E2 bis zu der Position unter der Messelektrode 10 nahe dem distalen Ende E1 erstreckt. Dies ermöglicht die Einstellung des gesamten Sensorelements 101 auf die Temperatur, bei welcher die Festelektrolyte aktiviert sind.
Die Heizungs-Isolierschicht 74 ist eine aus einem Isolator wie Aluminiumoxid auf der Ober- und der Unterseite der Heizung 72 gebildete Isolierschicht. Die Heizungs-Isolierschicht 74 ist zur elektrischen Isolierung zwischen der zweiten Festelektrolytschicht 2 und der Heizung 72 und zur elektrischen Isolierung zwischen der dritten Festelektrolytschicht 3 und der Heizung 72 gebildet.
Das Druckdiffusionsloch 75 ist ein Teil, welcher so vorgesehen ist, dass er die dritte Festelektrolytschicht 3 durchdringt und mit dem Referenzgas-Einleitungsraum 40 in Verbindung steht, und so gebildet ist, dass er einen mit einem Temperaturanstieg in der Heizungs-Isolierschicht 74 einhergehenden Innendruckanstieg abschwächt.
Bei der Ermittlung der Konzentration eines unverbrannten Kohlenwasserstoffgases in dem Abgas G aus dem Motor-Hauptkörper 300, welches ein Messgas ist, mittels des HC-Sensors 100 mit der obigen Konfiguration wie oben beschrieben wird Luft (Sauerstoff) in den Referenzgas-Einleitungsraum 40 zugeführt, wobei das Sensorelement 101 nur in einem vordefinierten Bereich, welcher an dem distalen Ende E1 beginnt und mindestens die Messelektrode 10 enthält, in dem Abgasrohr 500 des Motorsystems 1000 angeordnet ist und wobei das Sensorelement 101 an dem Basisende E2 von dem Raum getrennt ist. Die Heizung 72 erwärmt das Sensorelement 101 auf eine geeignete Temperatur zwischen 300 °C und 800 °C, bevorzugt zwischen 400 °C und 700 °C, bevorzugter zwischen 400 °C und 600 °C.
In einem solchen Zustand tritt eine Potentialdifferenz zwischen der dem Messgas (Abgas G) ausgesetzten Messelektrode 10 und der in der Luftatmosphäre angeordneten Referenzelektrode 20 auf. Wie oben beschrieben, wird jedoch das Potential der in der (eine konstante Sauerstoffkonzentration aufweisenden) Luftatmosphäre angeordneten Referenzelektrode 20 auf einer Konstanten gehalten, wohingegen das Potential der Messelektrode 10 selektiv eine Abhängigkeit von der Konzentration des unverbrannten Kohlenwasserstoffgases in dem Messgas (Abgas G) aufweist. Die Potentialdifferenz (HC-Sensor-Ausgabe) ist somit im Wesentlichen ein der Konzentration des um die Messelektrode 10 herum vorliegenden Messgases entsprechender Wert. Deshalb gilt eine bestimmte (als Empfindlichkeitscharakteristik bezeichnete) Funktionsbeziehung zwischen der Konzentration des unverbrannten Kohlenwasserstoffgases und der Sensor-Ausgabe. Eine solche Empfindlichkeitscharakteristik kann verwendet werden, um die Konzentration des unverbrannten Kohlenwasserstoffgases in dem Messgas zu ermitteln.
Das soll heißen, eine Vielzahl verschiedener Mischgase, von welchen jedes eine bekannte Konzentration eines unverbrannten Kohlenwasserstoffgases aufweist, wird im Voraus als die Messgase hergestellt und die Sensor-Ausgabe für jedes Messgas wird gemessen, wodurch eine Empfindlichkeitscharakteristik experimentell identifiziert wird. Dann wird diese Empfindlichkeitscharakteristik in dem elektronischen Steuergerät 200 gespeichert. Das elektronische Steuergerät 200 wandelt die Sensor-Ausgabe, welche sich entsprechend der Konzentration eines unverbrannten Kohlenwasserstoffgases in einem Messgas momentan ändert, auf der Grundlage der Empfindlichkeitscharakteristik in die Konzentration des unverbrannten Kohlenwasserstoffgases um. Die Konzentration des unverbrannten Kohlenwasserstoffgases stromabwärts des Oxidationskatalysators 600 kann somit fast in Echtzeit ermittelt werden.
In der vorliegenden Ausführungsform werden ferner Änderungen des HC-Sensor-Ausgabewerts (Potentialdifferenz-Werts), welcher als das HC-Erfassungssignal sg11 bereitgestellt wird, zur Schädigungsdiagnose verwendet, welche im Folgenden beschrieben wird.
Charakteristik eines Oxidationskatalysators
Nun wird die Charakteristik des Oxidationskatalysators 600, welcher ein Gegenstand einer Schädigungsdiagnose durch das Oxidationskatalysator-Diagnosesystem DS1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist, beschrieben.
3 veranschaulicht schematisch eine Beziehung (ein Umwandlungsraten-Profil) zwischen einer Temperatur (Katalysatortemperatur) und einer Umwandlungsrate des Oxidationskatalysators 600. 3 veranschaulicht schematisch ein Umwandlungsraten-Profil Pf eines Oxidationskatalysators 600 (auch als ein frisches Produkt oder einfach „frisch“ bezeichnet) in einem Anfangsstadium des Gebrauchs (ungebraucht oder unmittelbar nach Gebrauch) und ein Umwandlungsraten-Profil Pa eines Oxidationskatalysator 600 (auch als ein gealtertes Produkt oder einfach „gealtert“ bezeichnet) nach Gebrauch über einen bestimmten Zeitraum.
Die Umwandlungsrate ist ein als ein Index der katalytischen Fähigkeit des Oxidationskatalysators 600 dienender Wert und ist durch Ausdruck 1 unten definiert, in welchem die Konzentration eines unverbrannten Kohlenwasserstoffgases in der Umgebung der stromaufwärts liegenden Seite des Oxidationskatalysators 600 als eine Stromaufwärts-Konzentration von unverbranntem Kohlenwasserstoffgas Nu dargestellt ist und die Konzentration eines unverbrannten Kohlenwasserstoffgases in der Umgebung der stromabwärts liegenden Seite des Oxidationskatalysators 600 als eine Stromabwärts-Konzentration von unverbranntem Kohlenwasserstoffgas N1 dargestellt ist. $Umwandlungsfrate (%) = 100 \times (Nu - N1) / Nu$
Das soll heißen, die Umwandlungsrate stellt ein Verhältnis des unverbrannten Kohlenwasserstoffgases, welches nicht stromabwärts aus dem Oxidationskatalysator 600 geströmt ist, zu dem unverbrannten Kohlenwasserstoffgas, welches von der stromaufwärts liegenden Seite her in den Oxidationskatalysator 600 geströmt ist, dar. Das bedeutet, dass ein Oxidationskatalysator 600 mit einer höheren Umwandlungsrate eine bessere katalytische Fähigkeit hat.
Spezieller hat der Oxidationskatalysator 600 eine Wirkung, ein unverbranntes Kohlenwasserstoffgas in einem Temperaturbereich (einem Adsorptionsgebiet in 3) einer Temperatur T1 (ungefähr 150 °C) oder einer niedrigeren Temperatur ausschließlich zu adsorbieren (Adsorptionsfähigkeit), und legt er bevorzugt die Fähigkeit an den Tag, ein unverbranntes Kohlenwasserstoffgas in einem Temperaturbereich (einem Oxidationsgebiet in 3) einer Temperatur T2 (normalerweise zwischen 150 °C und 200 °C) oder einer höheren Temperatur zu oxidieren (Oxidationsfähigkeit), was seine eigentliche Funktion ist. In einem Temperaturbereich zwischen der Temperatur T1 und der Temperatur T2 (einem Zwischengebiet in 3) nimmt bei steigender Temperatur die Adsorptionsfähigkeit ab und die Oxidationsfähigkeit zu. Die Umwandlungsrate ist folglich ein Wert, der einen Prozentsatz angibt, mit welchem das unverbrannte Kohlenwasserstoffgas, welches von der stromaufwärts liegenden Seite her in den Oxidationskatalysator 600 geströmt ist, in dem Oxidationskatalysator 600 adsorbiert oder oxidiert wird.
Wie in 3 gezeigt, hat das Umwandlungsraten-Profil Pf des frischen Produkts normalerweise in dem Oxidationsgebiet die höchste Umwandlungsrate (ungefähr 90%) und hat es in dem Adsorptionsgebiet eine niedrigere Umwandlungsrate als in dem Oxidationsgebiet. Überdies tendiert die Umwandlungsrate dazu, bei der oberen Grenztemperatur T1 (ungefähr 150 °C) des Adsorptionsgebiets ihr Minimum anzunehmen und in dem Zwischengebiet mit steigender Temperatur anzusteigen.
Jedoch kann die Temperatur des Oxidationskatalysators 600 sich je nach der Temperatur (Abgastemperatur) des Abgases G, welches aus dem Motor-Hauptkörper 300 ausgestoßen wird und durch das Abgasrohr 500 in den Oxidationskatalysator 600 strömt, momentan ändern und ändert sich demgemäß auch eine tatsächliche Umwandlungsrate momentan.
Der Oxidationskatalysator 600, welcher eine hohe Umwandlungsrate hat, wenn er ein frisches Produkt ist, wird sich schließlich auch nach einem Dauergebrauch verschlechtern. Das soll heißen, die Umwandlungsrate des Oxidationskatalysators 600 wird ungeachtet der Temperatur auf einen Wert zurückgehen, wie ihn ein gealtertes Produkt nach einem Dauergebrauch erreicht. Obwohl das Umwandlungsraten-Profil Pa des gealterten Produkts ungefähr die gleiche Größenbeziehung zwischen der Umwandlungsrate im Adsorptionsgebiet und derjenigen im Oxidationsgebiet hat wie das Umwandlungsraten-Profil Pf des frischen Produkts, hat es eine Umwandlungsrate, welche bei der gleichen Temperatur niedriger als diejenige des Umwandlungsraten-Profils Pf ist.
Überblick über die Schädigungsdiagnose
Wenn eine Umwandlungsrate infolge eines Dauergebrauchs des Oxidationskatalysators 600 unter einen vordefinierten Wert sinkt wie oben beschrieben, kann der Oxidationskatalysator 600 seine eigentlich beabsichtigte Funktion nicht an den Tag legen. Zum Beispiel können in dem Fall, dass das Motorsystem 1000 in ein Fahrzeug eingebaut ist, Funktionsstörungen auftreten, so dass das Fahrzeug gegen Umweltschutzvorschriften verstößt. Das Oxidationskatalysator-Diagnosesystem DS1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform diagnostiziert auf der Grundlage vordefinierter Kriterien, ob in dem Oxidationskatalysator 600, welcher ein gealtertes Produkt ist, eine Schädigung in einem solchen Maß, dass sie als ein Problem angesehen wird (z.B. ein Austausch erforderlich ist), aufgetreten ist, wodurch es in dem Motorsystem 1000 einen rechtzeitigen Austausch des Oxidationskatalysators 600, welcher ein gealtertes Produkt ist, gegen ein frisches Produkt ermöglicht.
Konzeptionell werden einem Schwellenprofil T, in welchem eine Schwelle einer Umwandlungsrate temperaturabhängig festgelegt ist wie in 3 gezeigt, entsprechende Daten (Schwellendaten) im Voraus erstellt und in dem elektronischen Steuergerät 200 des Oxidationskatalysator-Diagnosesystems DS1 gespeichert. Und dann werden die Temperatur und die Umwandlungsrate des Oxidationskatalysators 600, welcher ein Diagnoseobjekt ist, ermittelt. Folglich kann diagnostiziert werden, dass der Oxidationskatalysator 600 geschädigt ist, wenn die erhaltene Umwandlungsrate niedriger als die Schwelle bei der Temperatur ist.
Das in 3 gezeigte Umwandlungsraten-Profil Pa des gealterten Produkts nimmt bei allen Temperaturen um einen ungefähr konstanten Wert kleinere Werte als diejenigen des Umwandlungsraten-Profils Pf an, was lediglich ein Beispiel ist. Die 4A und 4B veranschaulichen schematisch alternative Beispiele des Umwandlungsraten-Profils Pa. Das soll heißen, das Umwandlungsraten-Profil Pa eines gealterten Produkts kann sich in dem Adsorptionsgebiet in einem größeren Maß als in dem Oxidationsgebiet verschlechtern, wie in 4A gezeigt, oder kann sich umgekehrt in dem Oxidationsgebiet in einem größeren Maß als in dem Adsorptionsgebiet verschlechtern, wie in 4B gezeigt. Deshalb ist es vorzuziehen, dass in dem in 4A gezeigten Fall die Schädigung, welche in dem Temperaturbereich der Temperatur T1 oder einer niedrigeren Temperatur aufgetreten ist, rechtzeitig erfasst wird und dass in dem in 4B gezeigten Fall die Schädigung, welche in dem Temperaturbereich der Temperatur T2 oder einer höheren Temperatur aufgetreten ist, rechtzeitig erfasst wird.
In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Schädigungsgrad des Oxidationskatalysators 600 auf der Grundlage eines Integrals eines Änderungsbetrags (ΔEMK) eines Elektromotorische-Kraft-Werts (EMK), welcher ein Ausgabewert (HC-Erfassungssignal sg11) des stromabwärts des Oxidationskatalysators 600 vorgesehenen HC-Sensors 100 ist, diagnostiziert. Bei dieser Gelegenheit wird ein sogenanntes aktives On-Board-Diagnose- (OBD-) Verfahren verwendet, bei welchem eine geringe Menge Kraftstoff während des Betriebs des Motor-Hauptkörpers 300 für eine kurze Zeitdauer bewusst eingespritzt wird, um ein Kohlenwasserstoffgas zur Diagnose zu erzeugen, und beim Diagnostizieren die resultierende Kohlenwasserstoffgas-Atmosphäre zur Diagnose untersucht wird. Das soll heißen, ein Integral eines Änderungsbetrags des Ausgabewerts des HC-Sensors 100 bei einer bewussten Kraftstoffeinspritzung wird verwendet, um die Schädigung des Oxidationskatalysators 600 zu diagnostizieren.
Die bei einer aktiven OBD-Diagnose verwendete Kohlenwasserstoffgas-Atmosphäre erhält man, indem man das Kohlenwasserstoffgas zur Diagnose einem in einem normalen Abgas G enthaltenen unverbrannten Kohlenwasserstoffgas überlagert. Es ist zu beachten, dass das Kohlenwasserstoffgas zur Diagnose in der folgenden Beschreibung der Einfachheit halber auch als ein unverbranntes Kohlenwasserstoffgas bezeichnet sein kann.
5 veranschaulicht zeitlich veränderliche Profile der EMK (im Folgenden einfach als Elektromotorische-Kraft-Profile bezeichnet) in den in den jeweiligen Oxidationskatalysator-Diagnosesystemen DS1 enthaltenen HC-Sensoren 100. Diese Profile erhält man, wenn drei Arten von Oxidationskatalysatoren 600, welche sich verschieden stark verschlechtern können, weil sie nach Fertigung unter den gleichen Bedingungen in verschiedenen Situationen eingesetzt wurden, in dem Motorsystem 1000 installiert sind und ein Kraftstoff für eine kurze Zeitdauer unter den gleichen Einspritzbedingungen bei einer auf 400 °C eingestellten Katalysatortemperatur eingespritzt wird. Die drei in den Motorsystemen 1000 enthaltenen Oxidationskatalysatoren 600 werden als Prüfmuster 1, Prüfmuster 2 und Prüfmuster 3 bezeichnet. 6 veranschaulicht konzeptionell eine in der vorliegenden Ausführungsform durchgeführte Schädigungsdiagnose.
Wie in 5 gezeigt, erscheinen in allen Elektromotorische-Kraft-Profilen des Prüfmusters 1, des Prüfmusters 2 und des Prüfmusters 3 den jeweiligen Kraftstoffeinspritzungen entsprechende Spitzen p1, p2 und p3 kurz nach t = 10. Dies sind aus einem unverbrannten Kohlenwasserstoffgas in dem Kraftstoff, welches in dem Oxidationskatalysator 600 nicht vollständig oxidiert wurde und nach stromabwärts abgegeben wurde, resultierende Spitzen. Die Größenordnungen der Integrale (Einheit: mV.s) dieser Spitzen p1, p2 und p3 spiegeln somit die Umwandlungsraten der jeweiligen Oxidationskatalysatoren 600, das heißt, katalytischen Fähigkeiten wider. Dies liegt daran, dass der Oxidationskatalysator 600, welcher ein annähernd frisches Produkt ist, eine höhere Umwandlungsrate hat, und demgemäß wird ein durch Kraftstoffeinspritzung in den Oxidationskatalysator 600 eingeleitetes unverbranntes Kohlenwasserstoffgas mit einer niedrigeren Rate nach stromabwärts abgegeben; der Oxidationskatalysator 600, welcher gebraucht wurde und ein gealtertes Produkt geworden ist, hat eine niedrigere Umwandlungsrate, und demgemäß wird ein durch Kraftstoffeinspritzung in den Oxidationskatalysator 600 eingeleitetes unverbranntes Kohlenwasserstoffgas mit einer höheren Rate nach stromabwärts abgegeben.
In dem in 5 gezeigten Fall ähneln Spitzenintegrale (Integrale von ΔEMK, welches ein Änderungsbetrag von EMK ab einer Grundlinie ist) I1 und I2 der Spitzen p1 und p2 für die Prüfmuster 1 und 2 einander; ein Spitzenintegral I3 der Spitze p3 für das Prüfmuster 3 ist größer als I1 und I2. Dies bedeutet, dass die Schädigung des Oxidationskatalysators 600 des Prüfmusters 3 weiter fortgeschritten ist als diejenige der Oxidationskatalysatoren 600 der Prüfmuster 1 und 2.
Wie oben beschrieben, besteht ein Zusammenhang zwischen dem Integral von ΔEMK und dem Schädigungsgrad des Oxidationskatalysators 600. In der vorliegenden Ausführungsform wird somit ein Integral als ein Indexwert einer Schädigungsdiagnose (Diagnose-Indexwert) angesehen, und wie in 6 gezeigt, wird ermittelt, dass der Oxidationskatalysator 600 normal ist, wenn das Integral kleiner als eine oder gleich einer vordefinierte(n) Schwelle (in 6 „Schwelle zur Schädigungsermittlung“) ist, wohingegen ermittelt wird, dass die Schädigung des Oxidationskatalysators 600 in einem solchen Maß fortgeschritten ist, dass der Oxidationskatalysator 600 ausgetauscht werden muss (in 6 ist eine solche Situation als „defekt“ bezeichnet), wenn das Integral die Schwelle übersteigt.
Obwohl die in 5 gezeigten Elektromotorische-Kraft-Profile auf den ersten Blick stetig zu sein scheinen, erfolgt eine Ausgabe aus dem HC-Sensor 100 an das elektronische Steuergerät 200 tatsächlich in bestimmten kurzen Zeitintervallen. Genaugenommen ist das Elektromotorische-Kraft-Profil somit eine diskrete Sammlung von Datenausgaben in den Zeitintervallen. Um tatsächlich eine Schädigungsdiagnose durchzuführen, wird deshalb ΣΔEMK (Einheit: mV), welches eine Gesamtsumme von ΔEMKs an allen Datenpunkten in einem der Zeit einer Kraftstoffeinspritzung entsprechenden Zeitraum ist, als ein Diagnose-Indexwert verwendet, so dass man das oben beschriebene Integral praktisch erhält. In einem solchen Fall kann eine Schwelle auch entsprechend ΣΔEMK ermittelt werden.
Das soll heißen, es wird ermittelt, dass der Oxidationskatalysator 600 normal ist, wenn ΣΔEMK kleiner als eine oder gleich einer vordefinierte(n) Schwelle ist, wohingegen ermittelt wird, dass die Schädigung des Oxidationskatalysators 600 in einem solchen Maß fortgeschritten ist, dass der Oxidationskatalysator 600 ausgetauscht werden muss wenn ΣΔEMK größer als eine vordefinierte Schwelle ist.
Spezieller unterscheidet sich die katalytische Fähigkeit des Oxidationskatalysators 600 je nach Temperatur wie in den 3, 4A und 4B gezeigt. Die Schwelle von ΣΔEMK wird deshalb entsprechend der Temperatur, welche der Oxidationskatalysator 600 erreichen kann, im Voraus ermittelt und in dem Speicher des elektronischen Steuergeräts 200 gespeichert. ΣΔEMK steigt mit zunehmender Kraftstoffeinspritzmenge an, und demgemäß werden die Kraftstoffeinspritzbedingungen bei der Schädigungsdiagnose bevorzugt konstant eingestellt.
Obwohl das in 5 gezeigte Beispiel auf die Temperatur des Oxidationskatalysators 600 in dem Oxidationsgebiet abzielt, kann eine Diagnose mittels eines ähnlichen Verfahrens bei der Temperatur des Oxidationskatalysators 600 in dem Adsorptionsgebiet durchgeführt werden. Wenn die Umwandlungsrate des Oxidationskatalysators 600 je nach Temperatur auf ein anderes Maß sinkt wie in den 4A und 4B gezeigt, kann eine zuverlässige Diagnose erreicht werden.
Da die drei in 5 gezeigten Elektromotorische-Kraft-Profile völlig verschiedene Werte der Grundlinien selbst haben, scheint es auf den ersten Blick, dass der Schädigungsgrad auf der Grundlage der Größenbeziehung der Grundlinien selbst, das heißt, unter Verwendung von Werten der Grundlinien als Diagnose-Indexwerte diagnostiziert werden kann. Dies liegt daran, dass in einer Situation, in welcher das einen unverbrannten Kohlenwasserstoff enthaltende Abgas G stetig strömt, die Umwandlungsrate des Oxidationskatalysators 600 nach einem Dauergebrauch allmählich zurückgeht und es demgemäß vorstellbar ist, dass der EMK-Wert einhergehend mit einem solchen Rückgang ansteigt.
Jedoch liefert die den Wert der Grundlinie als Diagnose-Indexwert nutzende Diagnose des Schädigungsgrads möglicherweise nicht immer ein genaues Ergebnis, und darum wird sie nicht bevorzugt. Dies liegt daran, dass selbst bei der gleichen Konzentration eines Kohlenwasserstoffgases eine in dem HC-Sensor 100 erhaltene elektromotorische Kraft wegen der Einflüsse von NO (Stickstoffmonoxid) und NO₂ (Stickstoffdioxid), welche Störgase für ein Kohlenwasserstoffgas sind, schwanken kann.
Die 7 und 8 veranschaulichen, wie sich der EMK-Wert in dem HC-Sensor 100 durch die Einflüsse von NO (Stickstoffmonoxid) und NO₂ (Stickstoffdioxid) ändert. Die 7 und 8 sind Schaubilder, welche eine elektromotorische Kraft (EMK), die erzeugt wird, wenn der HC-Sensor 100 in eine Mischgasatmosphäre eingebracht ist, in Abhängigkeit von der NO-Konzentration oder der NO₂-Konzentration zeigen. Die Mischgasatmosphäre erhält man durch Hinzufügen eines NO-Gases (im Fall von 7) oder eines NO₂-Gases (im Fall von 8) bei gleichzeitiger Änderung seiner Konzentration in einem Kohlenwasserstoffgas (speziell Ethylen, C₂H₄) mit einer konstanten Konzentration. Die Konzentration des Kohlenwasserstoffgases wird in drei Stufen, 0 ppm, 100 ppm und 500 ppm, geändert und die Konzentrationen des NO-Gases und des NO₂-Gases werden in sechs Stufen, 0 ppm, 100 ppm, 300 ppm, 500 ppm, 700 ppm und 1000 ppm, geändert.
Obwohl der EMK-Wert wegen einer konstanten Konzentration eines Kohlenwasserstoffgases eigentlich der gleiche sein sollte, ändert sich der EMK-Wert, wie in den 7 und 8 gezeigt, entsprechend der Konzentration von NO und der Konzentration von NO₂. Diese Ergebnisse zeigen, dass eine Schädigungsdiagnose nicht immer bevorzugt unter Verwendung der wie in 5 beispielhaft veranschaulicht erhaltenen Werte der Grundlinien der Elektromotorische-Kraft-Profile als Diagnose-Indexwerte durchgeführt wird.
Im Gegensatz dazu ändert sich, wenn eine in einem Elektromotorische-Kraft-Profil erscheinende Spitze unter Verwendung des aktiven OBD-Verfahrens wie in der vorliegenden Ausführungsform zur Schädigungsdiagnose verwendet wird, die elektromotorische Kraft deutlich entsprechend dem Schädigungsgrad des Oxidationskatalysators 600 in dem HC-Sensor 100. Folglich kann zuverlässig diagnostiziert werden, ob der Oxidationskatalysator 600 in einem solchen Maß geschädigt ist, dass ein Austausch erforderlich ist.
Wenn eine Umwandlungsrate auf der Grundlage von Ausdruck 1 berechnet wird, muss die Konzentration eines unverbrannten Kohlenwasserstoffgases sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts des Oxidationskatalysators 600 ermittelt werden. Im Gegensatz dazu verwendet das Oxidationskatalysator-Diagnosesystem DS1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform einen Wert von ΔEMK des stromabwärts des Oxidationskatalysators 600 angeordneten HC-Sensors 100 wie oben beschrieben und ist es demgemäß insofern vorteilhaft, als kein HC-Sensor stromaufwärts des Oxidationskatalysators 600 vorgesehen zu sein braucht.
Die aktive OBD, bei welcher bewusst ein Kraftstoff eingespritzt wird, scheint im Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch in dem Motorsystem 1000 auf den ersten Blick nachteilig zu sein. Jedoch ist eine Gesamtmenge einer in dem Oxidationskatalysator-Diagnosesystem DS1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform durchgeführten Kraftstoffeinspritzung viel kleiner als bei einer zu einem anderen Zweck in dem Motorsystem 1000 durchgeführten Kraftstoffeinspritzung oder bei einer Kraftstoffeinspritzung bei Verwendung eines anderen Diagnoseverfahrens, dessen Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch auf einem Minimum gehalten wird.
Speziell wird eine Kraftstoffeinspritzung bei aktiver OBD zu einem Zeitpunkt einer Nacheinspritzung im Motortakt des Motor-Hauptkörpers 300 durchgeführt. Eine Einheits-Einspritzmenge ist bevorzugt 0,5 bis 10 mg/Einspritzung, eine Einspritzzeit ist bevorzugt 0,01 bis 3 s und eine Gesamteinspritzmenge ist bevorzugt 0,002 bis 10 g. In einem solchen Fall kann eine Diagnose auf der Grundlage einer aktiven OBD bevorzugt bei gleichzeitiger Minimierung einer Kraftstoffeinspritzmenge erfolgen. Die Gesamteinspritzmenge wird mittels Ausdruck 2 unten berechnet. $\begin{array}{l} Gesamteinspritzmenge (g) = Einheits - Einspritzmenge (mg / Einspritzung) \times Einsprizzeit (s) \times Motor - \\ drehzahl (U / min) \times Anzahl von Zylinden / (60 \times 2 \times 1000) \end{array}$
Zum Beispiel bei einer Motordrehzahl von 1600 U/min in einem Vierzylinder-Reihenmotor ist eine Gesamteinspritzmenge 0,224 g, wenn eine Einheits-Einspritzmenge 3 mg/Einspritzung ist und eine Einspritzzeit 1,4 s ist.
Wenn eine Kraftstoffeinspritzung (Dieselpartikelfilter- (DPF-) Regeneriermodus) zum Regenerieren des DPF, welche für den normalerweise in ein Abgasrohr eines Fahrzeugs eingebauten DPF durchgeführt wird, bei einer Motordrehzahl von 2000 U/min, bei welcher die Abgastemperatur etwa 150 °C erreicht, durchgeführt wird, wird, zum Vergleich, eine Einspritzung mit einer Einheits-Einspritzmenge von etwa 6 mg/Einspritzung über eine Einspritzzeit von etwa 150 s durchgeführt. In einem solchen Fall ist die Gesamteinspritzmenge des Vierzylinder-Reihenmotors etwa 60 g. Dieser Wert ist mehrere hundert Mal so groß wie die Gesamteinspritzmenge, mit welcher in der vorliegenden Ausführungsform eine Diagnose auf der Grundlage einer aktiven OBD durchgeführt wird, und somit ist der Kraftstoffverbrauch bei einer in der vorliegenden Ausführungsform durchgeführten aktiven OBD praktisch sehr gering.
Beispiel einer Diagnoseprozedur
9 veranschaulicht eine beispielhafte Prozedur einer in der vorliegenden Ausführungsform durchgeführten Schädigungsdiagnose. Die Schädigungsdiagnose in der vorliegenden Ausführungsform beginnt, indem zuerst der Temperatursensor 110 die Temperatur (Abgastemperatur) eines Abgases G in der Umgebung der stromaufwärts liegenden Seite des Oxidationskatalysators 600 überprüft (Schritt S1). Genauer gesagt, eine Abgastemperatur wird identifiziert, indem das elektronische Steuergerät 200 ein von dem Temperatursensor 110 ausgegebenes Abgastemperatur-Erfassungssignal sg12 empfängt. Eine solche Abgastemperatur wird als die Temperatur des Oxidationskatalysators 600 zu diesem Zeitpunkt angesehen.
Anschließend ruft das elektronische Steuergerät 200 eine der Abgastemperatur entsprechende Schwelle einer Konzentration von unverbranntem Kohlenwasserstoffgas aus den im Voraus in dem Speicher des elektronischen Steuergeräts 200 gespeicherten Schwellendaten ab (Schritt S2). Die Schwelle wird bei allen Temperaturen in dem Temperaturbereich (ungefähr-40 °C bis 1000 °C), welche der Oxidationskatalysator 600 erreichen kann, im Voraus ermittelt. Es besteht keine besondere Beschränkung darüber, wie eine Schwelle vorzusehen ist, und demgemäß kann die Schwelle als eine stetige Funktion der Temperatur (Abgastemperatur) des Oxidationskatalysators 600 vorgesehen sein oder kann sie als ein Festwert pro Temperaturbereich vorgesehen sein.
Anschließend gibt das elektronische Steuergerät 200 ein Kraftstoffeinspritzanweisungs-Signal sg1 an die Kraftstoffeinspritzventile 301, um für eine kurze Zeitdauer eine geringe Kraftstoffeinspritzung aus den Kraftstoffeinspritzventilen 301 zu erzeugen (Schritt S3). Wie oben beschrieben, wird eine solche Kraftstoffeinspritzung zu einem Zeitpunkt einer Nacheinspritzung im Motortakt des Motor-Hauptkörpers 300 durchgeführt.
Nach der Kraftstoffeinspritzung, zusätzlich zu dem einhergehend mit dem Betrieb des Motor-Hauptkörpers 300 ständig abgegebenen Abgas G, wird der eingespritzte Kraftstoff innerhalb des Motor-Hauptkörpers 300 verdampft und wird er auf eine überlagerte Weise in das Abgasrohr 500 abgegeben, so dass ein unverbranntes Kohlenwasserstoffgas mit einer höheren Konzentration als im konstanten Betrieb an den Oxidationskatalysator 600 abgegeben wird.
Dann wird zu einem mit einer solchen Kraftstoffeinspritzung verknüpften Zeitpunkt ein Ausgabewert eines Änderungsbetrags (ΔEMK) der elektromotorischen Kraft (EMK) in dem HC-Sensor 100 während einer Kraftstoffeinspritzung summiert (Schritt S4).
10 veranschaulicht ein Verfahren für eine solche Summation. Wie in 10 durch ein „Nacheinspritzsignal“ angezeigt, wird eine Kraftstoffeinspritzung bei einer Schädigungsdiagnose nur für eine vordefinierte Zeitdauer, das heißt, impulsweise durchgeführt. Infolge einer solchen Kraftstoffeinspritzung erscheint eine Spitze p in einem in 10 mit „EMK“ bezeichneten Elektromotorische-Kraft-Profil.
Da eine Spitze p auf die oben beschriebene Weise erscheint, steigt der Wert von dEMK/dt, welcher ein Wert der Ableitung nach der Zeit von EMK ist, welcher in einem stationären Zustand annähernd konstant bleibt, zu einem Zeitpunkt einer Kraftstoffeinspritzung unverzüglich an. Das elektronische Steuergerät 200 überwacht ständig den Wert von dEMK/dt und sieht eine Zeit t1 (Zeitpunkt A in 10), zu welcher der Wert von dEMK/dt größer als eine oder gleich einer vordefinierte(n) Schwelle ist, als eine Zeit an, zu welcher eine Spitze p in dem Elektromotorische-Kraft-Profil zu erscheinen beginnt (Spitzenbildungsbeginn-Zeit). Das elektronische Steuergerät 200 sieht eine Zeit t2 (Zeitpunkt B in 10), zu welcher eine Kraftstoffeinspritzung endet, als eine Zeit an, zu welcher die Bildung der Spitze p endet (Spitzenbildungsende-Zeit).
Für alle zwischen den Zeiten t1 und t2aus dem HC-Sensor ausgegebenen EMK-Werte wird ΔEMK auf der Grundlage eines Werts e1 von EMK zur Zeit t1 berechnet und werden die berechneten Werte aufeinanderfolgend summiert, um ΣΔEMK zu ermitteln. Dann dient ein Wert S von ΣΔEMK zur Zeit t2 als ein Diagnose-Indexwert.
Nachdem auf eine solche Weise eine Summation durchgeführt und eine Schwelle abgerufen wurde, vergleicht das elektronische Steuergerät 200 den Wert S, welcher ein Diagnose-Indexwert ist, mit der Schwelle (Schritt S5). Das elektronische Steuergerät 200 diagnostiziert dann, dass eine Schädigung in einem solchen Maß, dass sie als ein Problem angesehen wird (z.B. ein Austausch erforderlich ist), in dem Oxidationskatalysator 600 aufgetreten ist (NG) (Schritt S6), wenn der Wert S größer ist (JA in Schritt S5), oder diagnostiziert, wenn die Schwelle größer ist (NEIN in Schritt S5), dass die oben erwähnte Schädigung im Oxidationskatalysator 600 nicht aufgetreten ist (OK) (Schritt S7).
Wenn nach Abschluss der vorherigen Diagnose ungeachtet dessen, ob eine Diagnose „NG“ oder „OK“ ergab, eine Diagnose wiederholt wird (Ja in Schritt S8), wird der Prozess erneut ab der Überprüfung einer Abgastemperatur durch den Temperatursensor 110 wiederholt (NEIN in Schritt S8).
Wie oben beschrieben, diagnostiziert das Oxidationskatalysator-Diagnosesystem gemäß der vorliegenden Ausführungsform einen Schädigungsgrad der katalytischen Fähigkeit eines Oxidationskatalysators, welcher an irgendeiner Stelle mitten in dem Abgasrohr von dem Motor-Hauptkörper, welcher ein Dieselmotor in dem Motorsystem ist, vorgesehen ist und ein unverbranntes Kohlenwasserstoffgas in einem Abgas oxidiert oder adsorbiert, indem es die Konzentration eines unverbrannten Kohlenwasserstoffgases, welches in den Oxidationskatalysator strömt, durch Einspritzen einer geringen Menge Kraftstoff bewusst erhöht und dann eine der Konzentration des unverbrannten Kohlenwasserstoffgases an einer Position in der Umgebung der stromabwärts liegenden Seite des Oxidationskatalysators in dem Abgasrohr, welche durch den an dieser Position befindlichen Kohlenwasserstoffgas-Sensor direkt gemessen wurde, entsprechende Änderung der elektromotorischen Kraft ermittelt. Dies ermöglicht eine Diagnose in Echtzeit mit guter Genauigkeit, ohne eine Umwandlungsrate, welche ein Index der katalytischen Fähigkeit ist, zu berechnen.
Insbesondere wird eine Schädigung auf der Grundlage der Summe von Änderungsbeträgen einer elektromotorischen Kraft diagnostiziert, und somit kann die Diagnose mit guter Genauigkeit durchgeführt werden, ohne von einem Stickstoffmonoxidgas und einem Stickstoffdioxidgas, welche Störgase für das unverbrannte Kohlenwasserstoffgas sind, beeinträchtigt zu werden.
Beispiele
Unter den gleichen Bedingungen gefertigte Oxidationskatalysatoren 600 mit verschiedenen Umwandlungsraten wurden hergestellt, und ΣΔEMK einer Elektromotorische-Kraft-Spitze wurde, während eine Katalysatortemperatur und Kraftstoffeinspritzbedingungen geändert wurden, für jedes der Elektromotorische-Kraft-Profile ausgewertet. Speziell wurden Oxidationskatalysatoren 600 mit Umwandlungsraten von 75%, 78% und 83% hergestellt und wurde die Katalysatortemperatur in drei Stufen, 300 °C, 350 °C und 400 °C, geändert. Was die Kraftstoffeinspritzbedingungen anbelangt, wurde die Einheits-Einspritzmenge bei einer Motordrehzahl von 1600 U/min eines Vierzylinder-Reihenmotors in zwei Stufen, 3 mg/Einspritzung und 5 mg/Einspritzung, geändert und wurde eine Einspritzzeit konstant auf 1,4 s gehalten. Gesamteinspritzmengen unter den jeweiligen Bedingungen waren 0,224 g und 0,373 g.
Die 11A, 11B und 11C sind Schaubilder, welche ΣΔEMK einer Elektromotorische-Kraft-Spitze in Abhängigkeit von einer Umwandlungsrate für jede Katalysatortemperatur und für jede Kraftstoffeinspritzbedingung zeigen. Die 11A, 11B und 11C zeigen jeweils die Ergebnisse bei den Katalysatortemperaturen von 300 °C, 350 °C und 400 °C.
Die 11A, 11B und 11C lassen erkennen, dass bei jeder Katalysatortemperatur ein Zusammenhang zwischen einer Umwandlungsrate und einem maximalen Änderungsbetrag ΔEMK besteht. Solche Ergebnisse bedeuten, dass mindestens in dem Bereich von 300 °C oder einer höheren Temperatur, welcher ein Normalgebrauchs-Temperaturbereich des Oxidationskatalysators 600 ist, eine Schädigung des Oxidationskatalysators 600 unter Verwendung des maximalen Änderungsbetrags ΔEMK als Diagnose-Indexwert diagnostiziert werden kann und dass eine Umwandlungsrate auf der Grundlage des maximalen Änderungsbetrags ΔEMK überwacht (geschätzt) werden kann.

Claims

Verfahren zum Diagnostizieren eines Schädigungsgrads eines Katalysators (600), wobei der Katalysator (600) in einem Abgasweg (500) eines Verbrennungsmotors (300) vorgesehen ist und ein mindestens eines von einem Kohlenwasserstoffgas und einem Kohlenmonoxidgas enthaltendes Zielgas, welches in einem Abgas (G) aus dem Verbrennungsmotor (300) enthalten ist, oxidiert oder adsorbiert, wobei das Verfahren enthält: (a) das Vorsehen eines Zielgas-Erfassungselements (100) stromabwärts des Katalysators (600) in dem Abgasweg (500), wobei das Zielgas-Erfassungselement (100) so konfiguriert ist, dass es eine einer Konzentration des Zielgases entsprechende elektromotorische Kraft als ein Erfassungssignal des Zielgases ausgibt; und (b) das Vergleichen eines Diagnose-Indexwerts mit einer Schwelle, um zu diagnostizieren, ob eine ein akzeptables Maß übersteigende Schädigung in dem Katalysator (600) aufgetreten ist, wobei der Diagnose-Indexwert eine Summe von Änderungsbeträgen der elektromotorischen Kraft, ΣΔEMK, nach Einleiten einer Gasatmosphäre zur Diagnose in den Katalysator (600) für eine vordefinierte Zeitdauer ist, die Gasatmosphäre zur Diagnose ein Zielgas mit einer Konzentration, welche höher als die Konzentration des Zielgases in einem Dauerbetriebszustand des Verbrennungsmotors (300) ist, enthält, das Zielgas bewusst in dem Verbrennungsmotor (300) erzeugt wird und die Schwelle entsprechend einer zu einem Zeitpunkt, zu welchem die Gasatmosphäre zur Diagnose eingeleitet wird, ermittelten Temperatur des Katalysators (600) eingestellt wird, wobei eine Zeit t1 einer Spitzenbildungsbeginn-Zeit entspricht, zu welcher eine Spitze p in einem zeitlich veränderlichen Profil der elektromotorischen Kraft zu erscheinen beginnt, indiziert durch einen Wert der Ableitung der elektromotorischen Kraft nach der Zeit, dEMK/dt, der größer als oder gleich einer vordefinierten Schwelle ist, und eine Zeit t2 einer Spitzenbildungsende-Zeit entspricht, zu welcher eine Bildung der Spitze p endet, wobei Änderungsbeträge der elektromotorischen Kraft, ΔEMK, auf der Grundlage eines Wertes e1, welcher der elektromotorischen Kraft zur Zeit t1 entspricht, und aller zwischen den Zeiten t1 und t2 aus dem Zielgas-Erfassungselement (100) ausgegebenen Werte der elektromotrischen Kraft berechnet werden, und wobei die Werte, ΔEMK, dann aufeinanderfolgend summiert werden, um ΣΔEMK zu ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt (b) enthält (b-1) das Messen einer Temperatur des das Zielgas enthaltenden Abgases (G) stromaufwärts des Katalysators (600) in dem Abgasweg (500) als Reaktion auf eine Ausführungsanweisung, eine Schädigungsdiagnose des Katalysators (600) durchzuführen, wobei die Ausführungsanweisung zu einem geeigneten Zeitpunkt während des Dauerbetriebszustands des Verbrennungsmotors (300) gegeben wird, (b-2) im Anschluss an das Messen der Temperatur des Abgases (G) in dem Schritt (b-1) das Einspritzen eines Kraftstoffs in den Verbrennungsmotor (300), um ein Gas zur Diagnose zu erzeugen, (b-3) das Berechnen des Diagnose-Indexwerts auf der Grundlage des zeitlich veränderlichen Profils der elektromotorischen Kraft von einem Beginn bis zu einem Ende des Auslasses des Gases zur Diagnose aus dem Katalysator (600), und (b-4) das Diagnostizieren eines Schädigungsgrads in dem Katalysator (600) auf der Grundlage des Diagnose-Indexwerts und eines durch Ansehen der in dem Schritt (b-1) gemessenen Temperatur des Abgases (G) als die Temperatur des Katalysators (600) ermittelten Werts der Schwelle, wobei in dem Schritt (b-4) eine Diagnose erfolgt, dass keine das akzeptable Maß überschreitende Schädigung in dem Katalysator (600) aufgetreten ist, wenn der in dem Schritt (b-3) berechnete Diagnose-Indexwert kleiner als die oder gleich der Schwelle ist, und eine Diagnose erfolgt, dass eine das akzeptable Maß überschreitende Schädigung in dem Katalysator (600) aufgetreten ist, wenn der in dem Schritt (b-3) berechnete Diagnose-Indexwert größer als die Schwelle ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Mischpotential-Kohlenwasserstoffgas-Sensor (100) als das Zielgas-Erfassungselement (100) verwendet wird, wobei der Kohlenwasserstoffgas-Sensor (100) eine Messelektrode (10) aus einer Pt-Au-Legierung enthält, um eine katalytische Aktivität in der Messelektrode (10) zu unterbinden.
Katalysatorschädigungs-Diagnosesystem (DS1) zum Diagnostizieren eines Schädigungsgrads eines Katalysators (600), wobei der Katalysator (600) in einem Abgasweg (500) eines Verbrennungsmotors (300) vorgesehen ist und ein mindestens eines von einem Kohlenwasserstoffgas und einem Kohlenmonoxidgas enthaltendes Zielgas, welches in einem Abgas (G) aus dem Verbrennungsmotor (300) enthalten ist, oxidiert oder adsorbiert, wobei das System (DS1) enthält: ein Zielgas-Erfassungselement (100), welches so konfiguriert ist, dass es eine einer Konzentration des Zielgases entsprechende elektromotorische Kraft als ein Erfassungssignal des Zielgases ausgibt, wobei das Zielgas-Erfassungselement (100) stromabwärts des Katalysators (600) in dem Abgasweg (500) vorgesehen ist und das Zielgas auf der stromabwärts liegenden Seite erspürt; ein Steuerelement (200), welches so konfiguriert ist, dass es das Katalysatorschädigungs-Diagnosesystem (DS1) steuert; und einen Speicher, welcher so konfiguriert ist, dass er Schwellendaten enthält, in welchen eine im Voraus ermittelte und zum Diagnostizieren einer Schädigung des Katalysators (600) verwendete Schwelle entsprechend einer Temperatur des Katalysators (600) beschrieben ist, wobei der Verbrennungsmotor (300) so konfiguriert ist, dass er bewusst eine Gasatmosphäre zur Diagnose erzeugt, welche ein Zielgas mit einer Konzentration, welche höher als eine Konzentration des Zielgases in einem Dauerbetriebszustand des Verbrennungsmotors (300) ist, enthält, und das Steuerelement (200) einen Diagnose-Indexwert mit der Schwelle vergleicht, um zu diagnostizieren, ob eine ein akzeptables Maß überschreitende Schädigung in dem Katalysator (600) aufgetreten ist, wobei der Diagnose-Indexwert eine Summe von Änderungsbeträgen der elektromotorischen Kraft, ΣΔEMK, nach Einleiten der Gasatmosphäre zur Diagnose in den Katalysator (600) für eine vordefinierte Zeitdauer ist und die Schwelle entsprechend der zu einem Zeitpunkt, zu welchem die Gasatmosphäre zur Diagnose eingeleitet wird, ermittelten Temperatur des Katalysators (600) eingestellt ist, wobei eine Zeit t1 einer Spitzenbildungsbeginn-Zeit entspricht, zu welcher eine Spitze p in einem zeitlich veränderlichen Profil der elektromotorischen Kraft zu erscheinen beginnt, indiziert durch einen Wert der Ableitung der elektromotorischen Kraft nach der Zeit, dEMK/dt, der größer als oder gleich einer vordefinierten Schwelle ist, und eine Zeit t2 einer Spitzenbildungsende-Zeit entspricht, zu welcher eine Bildung der Spitze p endet, wobei Änderungsbeträge der elektromotorischen Kraft, ΔEMK, auf der Grundlage eines Wertes e1, welcher der elektromotorischen Kraft zur Zeit t1 entspricht, und aller zwischen den Zeiten t1 und t2 aus dem Zielgas-Erfassungselement (100) ausgegebenen Werte der elektromotrischen Kraft berechnet werden, und wobei die Werte, ΔEMK, dann aufeinanderfolgend summiert werden, um ΣΔEMK zu ermitteln.
System (DS1) nach Anspruch 4, ferner enthaltend: ein Temperaturmesselement (110), welches so konfiguriert ist, dass es als Reaktion auf eine Ausführungsanweisung, eine Schädigungsdiagnose des Katalysators (600) durchzuführen, eine Temperatur des das Zielgas enthaltenden Abgases (G) stromaufwärts des Katalysators (600) in dem Abgasweg (500) misst, wobei die Ausführungsanweisung zu einem geeigneten Zeitpunkt, zu welchem der Verbrennungsmotor (300) sich in dem Dauerbetriebszustand befindet, aus dem Steuerelement (200) ausgegeben wird; ein Einspritzelement (301), welches so konfiguriert ist, dass es einen Kraftstoff in den Verbrennungsmotor (300) einspritzt, um ein Gas zur Diagnose zu erzeugen; und ein Diagnose-Indexwert-Identifizierungselement, welches so konfiguriert ist, dass es den Diagnose-Indexwert auf der Grundlage des zeitlich veränderlichen Profils der elektromotorischen Kraft von einem Beginn bis zu einem Ende einer Abgabe des Gases zur Diagnose aus dem Katalysator (600) berechnet, wobei im Anschluss an das Messen der Temperatur des Abgases in dem Temperaturmesselement (110) das Einspritzelement (301) den Kraftstoff in den Verbrennungsmotor (300) einspritzt, um das Gas zur Diagnose zu erzeugen, und das Steuerelement (200) so konfiguriert ist, dass es einen Wert der Schwelle aus den Schwellendaten gewinnt, indem es die durch das Temperaturmesselement (110) gemessene Temperatur des Abgases (G) als die Temperatur des Katalysators (600) ansieht, diagnostiziert, dass keine das akzeptable Maß überschreitende Schädigung in dem Katalysator (600) aufgetreten ist, wenn der durch das Diagnose-Indexwert-Identifizierungselement berechnete Diagnose-Indexwert kleiner als die oder gleich der Schwelle ist, und diagnostiziert, dass eine das akzeptable Maß überschreitende Schädigung in dem Katalysator (600) aufgetreten ist, wenn der durch das Diagnose-Indexwert-Identifizierungselement berechnete Diagnose-Indexwert größer als die Schwelle ist.
System (DS1) nach Anspruch 4 oder 5, wobei das Zielgas-Erfassungselement (100) einen eine Messelektrode (10) aus einer Pt-Au-Legierung enthaltenden Mischpotential-Kohlenwasserstoffgas-Sensor (100) enthält, um eine katalytische Aktivität in der Messelektrode (10) zu unterbinden.