DE19732167C2 - Abgasreinigungsvorrichtung für Verbrennungsmotoren - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der mit einem Katalysator ausgerüsteten Abgasreinigungsvorrich­ tungen für Verbrennungsmotoren, die vom Verbrennungsmotor abgegebene schädliche Abgase in unschädliche Abgase umsetzen, und insbesondere eine Technik für die Diagnose der Verschlechterung des Katalysators.

Wegen der strengeren Vorschriften bezüglich schädlicher Komponenten (z. B. HC, CO, NO_x) in den von Kraftfahrzeug­ motoren oder dergleichen ausgestoßenen Abgasen sind verschiedene Techniken für die Diagnose der Verschlechte­ rung des für die Reinigung des Abgases verwendeten Kata­ lysators vorgeschlagen worden.

Ein typischer Katalysator ist ein Dreiwegekatalysator, der gleichzeitig die Reduktion von NO_x und die Oxidation von HC und CO bewerkstelligt. Um die Reinigung des Abga­ ses weiter zu verbessern, ist ein Katalysator vorgeschla­ gen worden, der nicht nur einen Hauptkatalysator, sondern außerdem einen Vorkatalysator enthält.

Beispielsweise sind aus der JP 5-248227-A Verfahren zur Diagnose von Katalysatoren bekannt, in denen Abgassenso­ ren, z. B. O₂-Sensoren verwendet werden, die im Abgasrohr vor und hinter dem Katalysator angeordnet sind. In diesen Verfahren wird eine Verschlechterung eines Katalysators anhand einer Korrelation zwischen dem stromaufseitigen O₂-Sensor und dem stromabseitigen O₂-Sensor diagnosti­ ziert, etwa anhand der gemessenen Zeit zwischen der Ausgangsinversion des stromaufseitigen O₂-Sensors und der Ausgangsinversion des stromabseitigen O₂-Sensors, wenn das Luft-/Kraftstoffverhältnis von mager nach fett oder von fett nach mager invertiert wird, oder anhand des Ausgangsverhältnisses, des Ansprechverhältnisses oder des Phasenverhältnisses zwischen dem stromaufseitigen Sensor und dem stromabseitigen Sensor.

Jedes dieser Verfahren beurteilt die Verschlechterung des Katalysators durch quantitative Bestimmung der Sauer­ stoffspeicherung des Katalysators. Bei einer höheren Reinigungsrate des Abgases durch einen Katalysator (höhe­ re Sauerstoffspeicherung) wird der Korrelationskoeffizi­ ent zwischen dem Ausgang des stromabseitigen Abgassensors (des Abgassensors nach dem Katalysator) und dem Ausgang des stromaufseitigen Abgassensors (des Abgassensors vor dem Katalysator) niedrig, ferner wird das Ansprechverhal­ ten verzögert und nimmt der Ausgang des stromabseitigen Abgassensors ab. Die Beurteilung der Verschlechterung des Katalysators erfolgt anhand dieser Eigenschaften.

Wenn der Katalysator neu ist, ist die Sauerstoffspeiche­ rung in der Nähe von 300°C gesättigt (100% Aktivierung des Katalysators), während bei fortschreitender Wärmever­ schlechterung das Sauerstoffspeicherungsvermögen auch im Bereich von 300°C bis 550°C einen Zustand mit 100 Aktivierung nicht erreicht. Der Zustand mit 100% Akti­ vierung kann eventuell bei einer Temperatur oberhalb dieses Bereichs erreicht werden, da das Sauerstoffspei­ cherungsvermögen allmählich abnimmt (wobei selbst in diesem Fall bisher von einem guten Katalysator gesprochen worden ist). Daher wird eine fehlerhafte Diagnose vermie­ den, wenn entsprechend der Temperatur zum Diagnosezeit­ punkt ermittelt wird, ob der Katalysator ein guter oder ein verschlechterter Katalysator ist.

Aus der JP 7-71232-A ist eine Diagnosevorrichtung für eine Abgasreinigungsvorrichtungen für Fahrzeuge bekannt, die im Abgasrohr des Verbrennungsmotors hintereinander mehrere katalytische Körper aufweist, wobei die Diagnose­ vorrichtung stromaufseitig vom vordersten katalytischen Körper und stromabseitig vom hintersten katalytischen Körper Abgassensoren umfaßt. Wenn vorgegebene Diagnose­ bedingungen vorliegen (z. B. wenn der Motorbetriebszu­ stand, der etwa durch die Motorlast und die Motordrehzahl gegeben ist, innerhalb des Diagnosebereichs liegt und der Aufwärmvorgang abgeschlossen ist oder wenn das Fahrzeug mit konstanter Geschwindigkeit fährt), wird die Reini­ gungsrate eines spezifischen katalytischen Körpers anhand der Gesamtreinigungsrate der Abgasreinigungsvorrichtung und der jeweiligen Reinigungsraten der einzelnen kataly­ tischen Körper mit Ausnahme des spezifischen katalyti­ schen Körpers, die aus den jeweiligen Erfassungssignalen von den entsprechenden Abgassensoren ermittelt werden, erhalten, wobei der Verschlechterungszustand des Kataly­ sators durch Vergleichen der Reinigungsrate des spezifi­ schen katalytischen Körpers mit einem Referenzwert beur­ teilt wird.

Andere Diagnosetechniken für Katalysatoren, die auf die Sauerstoffspeicherung Bezug nehmen, sind beispielsweise bekannt aus JP 5-98945-A, JP 5-98946-A, JP 5-98947-A, JP 5-98948-A, JP 5-98949-A, JP 5-106493-A, JP 5-106494-A, JP 5-163989-A, JP 5-180043-A und JP 6-172661-A.

Die herkömmlichen Diagnosetechniken für die Verschlechte­ rung von Katalysatoren zur Abgasreinigung beurteilen die Verschlechterung anhand der Reinigungsrate nach der Aktivierung des Katalysators, d. h. sie bestimmen in quantitativer Weise das Vermögen der gesättigten Sauer­ stoffspeicherung.

Die Anforderungen an die Abgasreinigung sind im Hinblick auf den Umweltschutz in letzter Zeit strenger geworden. Um derart strenge Anforderungen zu erfüllen, ist ein Katalysator vorgeschlagen worden, in dem zusätzlich zum Hauptkatalysator ein Schnellaktivierungskatalysator, durch den die Aktivierung beschleunigt wird, sowie ein Vorkatalysator, mit dem der Reinigungswirkungsgrad nach der Aktivierung sichergestellt wird, vorgesehen.

Der Schnellaktivierungskatalysator verwendet grundsätz­ lich einen Dreiwegekatalysator wie der Hauptkatalysator und der Vorkatalysator. Um jedoch die Zeitperiode bis zum Erreichen der Aktivierungstemperatur ab dem Anlassen des Motors zu verkürzen, kann der Schnellaktivierungskataly­ sator mit einer elektrischen Heizeinrichtung versehen sein, einen Beschleunigungskatalysator für die Oxidati­ onsreaktion enthalten oder eine kleine Wärmekapazität besitzen und näher am Motor angeordnet sein. Die Tempera­ tur des Schnellaktivierungskatalysators erreicht die Aktivierungstemperatur, bevor der Hauptkatalysator und der Vorkatalysator ihre jeweiligen Aktivierungstemperatu­ ren erreichen. Daher kann der Schnellaktivierungskataly­ sator eine Abgasreinigung kurze Zeit nach dem Anlassen des Motors ausführen.

Unter diesen Umständen ist es außerdem erforderlich, die Schnellaktivierungsfunktion eines Katalysators (insbeson­ dere des Schnellaktivierungskatalysators) zu diagnosti­ zieren; vorhandene Diagnosetechniken für Katalysatoren können diese Anforderung jedoch nicht erfüllen. Der Grund hierfür besteht darin, daß herkömmliche Diagnosetechniken für Katalysatoren die Verschlechterung eines Katalysators anhand der Abgasreinigungsrate diagnostizieren, nachdem der Katalysator die Aktivierungstemperatur erreicht hat, und daß keine Techniken bekannt sind, mit denen überwacht wird, wieviel Zeit seit dem Anlassen des Motors bis zur Aktivierung des Katalysators verstreicht.

In der DE 43 44 137 A1 ist ein System zum Schutz eines Katalysators im Abgassystem einer Brennkraftmaschine vor Übertemperatur beschrieben. Die Differenz zwischen einer vorgebbaren maximal zulässigen Katalysatortemperatur und der tatsächlichen Katalysatortemperatur wird mit einer Reihe von Schwellenwerten verglichen, bei deren Unter­ schreitung sukzessiv den Schwellwerten zugeordnete Maß­ nahmen zur Kühlung des Katalysators getroffen werden. Dieses System ist jedoch nicht in der Lage, eine Ver­ schlechterung des Katalysators zu erkennen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Abgasreinigungsvor­ richtung für Verbrennungsmotoren mit einem Katalysator für die Reinigung des Abgases eines Verbrennungsmotors zu schaffen, die eine Verschlechterung des Katalysators exakt diagnostizieren kann.

Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gerichtet.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung enthält die mit einem Katalysator ausgerüstete Abgasreinigungsvorrichtung für Verbrennungsmotoren eine Katalysator-Diagnoseein­ richtung, die die Verschlechterung des Katalysators beurteilt, indem sie die Anstiegscharakteristik (Über­ gangscharakteristik) der Abgasreinigungsrate in Abhängig­ keit von der Katalysatortemperatur mit einer Refe­ renz-Anstiegscharakteristik (Referenz-Übergangscharakte­ ristik) vergleicht.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält die erfindungsgemäße Abgasreinigungsvorrichtung für Verbren­ nungsmotoren einen Hauptkatalysator sowie einen vor dem Hauptkatalysator angeordneten Hilfskatalysator, der einen Schnellaktivierungskatalysator, mit dem eine schnelle Aktivierung erzielt wird, und einen Vorkatalysator, der den Reinigungswirkungsgrad nach der Aktivierung sicher­ stellt, umfaßt; die Abgasreinigungsvorrichtung enthält einen Abgassensor, der entweder nur stromabseitig oder stromaufseitig und stromabseitig vom Hilfskatalysator angeordnet ist; eine Einrichtung zum Erfassen oder Schät­ zen der Temperatur des Hilfskatalysators; und eine Kata­ lysatordiagnoseeinrichtung, in die Informationen bezüg­ lich der Temperatur des Hilfskatalysators und Daten vom Abgassensor eingegeben werden und die die Anstiegscharak­ teristik der Abgasreinigungsrate in Abhängigkeit von der Katalysatortemperatur sowie die Stationärzustandscharak­ teristik nach dem Übergangszustand bewertet und urteilt, daß sich der Schnellaktivierungskatalysator verschlech­ tert hat, wenn eine Abweichung zwischen der Anstiegscha­ rakteristik und einer Referenz-Anstiegscharakteristik einen vorgegebenen Betrag übersteigt, und die urteilt, daß sich der Vorkatalysator verschlechtert hat, wenn die Stationärzustandscharakteristik unter einem vorgegebenen Wert liegt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deut­ lich beim Lesen der folgenden Beschreibung einer bevor­ zugten Ausführungsform, die auf die beigefügten Zeichnun­ gen Bezug nimmt; es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Motorsystems, auf das die Erfindung anwendbar ist;

Fig. 2 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgasreini­ gungsvorrichtung;

Fig. 3 ein erläuterndes Diagramm, das die Abgasreini­ gungsratencharakteristiken zeigt;

Fig. 4 ein erläuterndes Diagramm, das die Beziehung zwischen der Abgasreinigungsrate und dem Korrela­ tionskoeffizienten der Abgassensorsignale vor dem Katalysator und nach dem Katalysator zeigt;

Fig. 5 ein erläuterndes Diagramm, das die Änderung der Abgassensorsignale vor dem Katalysator und nach dem Katalysator sowie der Katalysatortemperatur, der Katalysatorreinigungsrate, der HC-Konzen­ tration hinter dem Katalysator und die Sensorsi­ gnal-Korrelation im zeitlichen Ablauf zeigt;

Fig. 6 ein Flußdiagramm zur Erläuterung eines ersten Teils einer Katalysatorverschlechterungsdiagnose gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 7 ein Flußdiagramm, das den restlichen Teil der Katalysatorverschlechterungsdiagnose dieser Aus­ führungsform zeigt.

In dem in Fig. 1 gezeigten Motorsystem empfängt eine Steuereinheit 12 die folgenden Signale: Erfassungssignale von einem Luftdurchflußmengensensor 1 und von einem Drosselklappensensor 2, die sich in einem Luftansaugsy­ stem befinden, Erfassungssignale von einem Drehzahlsensor 11 und von einem Wassertemperatursensor 4 im Motor 13, Erfassungssignale von einem Abgassensor 5 (der sich stromaufseitig vom Hilfskatalysator 8 befindet und im folgenden als "Sensor vor Katalysator" bezeichnet wird) und von einem Abgassensor 6 (der sich stromabseitig vom Hilfskatalysator 8 befindet und im folgenden als "Sensor nach Katalysator" bezeichnet wird) in einem Abgassystem sowie ein Erfassungssignal von einem Katalysatortempera­ tursensor 10. Dem Motor 13 wird durch eine Ansaugleitung 14 Luft zugeführt, während Abgas vom Motor durch eine Abgasleitung 15 ausgestoßen wird.

Die Steuereinheit 12 bestimmt eine Durchflußmenge des dem Motor 13 zuzuführenden Kraftstoffs auf der Grundlage eines Signals vom Luftdurchflußmengensensor 1 (das die vom Motor angesaugte Luftmenge Qa angibt), eines Signals vom Drosselklappensensor 2 (das den Öffnungsgrad TH einer Drosselklappe angibt), eines Signals vom Wassertempera­ tursensor 4 (das die Motorkühlwassertemperatur Tw an­ gibt), eines Signals vom vorkatalytischen Sensor 5 (das das Luft-/Kraftstoffverhältnissignal Gf angibt) und eines Signals vom Drehzahlsensor 11 (das die Motordrehzahl N angibt). Die Steuereinheit 12 gibt ein Kraftstoffzufuhr­ signal, das der bestimmten Kraftstoffdurchflußmenge entspricht, an eine Einspritzeinrichtung 3 aus.

Das Abgas vom Motor 13 wird durch den Hilfskatalysator 8 (dem Schnellaktivierungskatalysator 8A und dem Vorkataly­ sator 8B) sowie den Hauptkatalysator 9 gereinigt.

Der Schnellaktivierungskatalysator 8A besitzt eine Kata­ lysatorzusammensetzung ähnlich derjenigen des Vorkataly­ sators 8B und derjenigen des Hauptkatalysators 9 (z. B. ein Dreiwegekatalysator). Der Katalysator 8A besitzt eine geringe Wärmekapazität und ist in der Nähe des Motors 13 installiert, so daß er so schnell wie möglich erwärmt wird und die Aktivierung selbst dann beschleunigt wird, wenn der Motor aus dem abgekühlten Zustand heraus angelassen wird, wodurch die Reinigung des Abgases be­ schleunigt wird.

Der Schnellaktivierungskatalysator 8A kann durch einen Strom oder eine Hochfrequenzwelle oder durch Verwenden eines Oxidationsreaktion-Beschleunigungskatalysators in einer frühen Stufe erwärmt werden. Der Vorkatalysator 8B ist ein Katalysator, der den Reinigungswirkungsgrad des Katalysators sicherstellt und die vom Schnellaktivie­ rungskatalysator 8A nicht entfernten schädlichen Abgase reinigt. Da der Schnellaktivierungskatalysator 8A im Vergleich zum Hauptkatalysator 9 eine geringere Größe besitzt, wird er im allgemeinen vergleichsweise schnell erwärmt. Der Hauptkatalysator 9 beseitigt die schädlichen Abgase, die vom Schnellaktivierungskatalysator 8A und vom Vorkatalysator 8B nicht entfernt werden.

Der vor dem Hauptkatalysator 9 installierte Hilfskataly­ sator 8 ist aus dem Schnellaktivierungskatalysator 8A und dem Vorkatalysator 8B aufgebaut. Insbesondere kann der Schnellaktivierungskatalysator 8A den Ausstoß schädlicher Abgase bei kaltem Motor stark reduzieren, so daß die strenge Abgasvorschrift ULEV in Nordamerika erfüllt werden kann. Es wird darauf hingewiesen, daß es schwierig ist, mit der Kombination lediglich des Vorkatalysator 8B und des Hauptkatalysator 9 diese Abgasvorschrift ULEV zu erfüllen.

Bei Anordnung des Schnellaktivierungskatalysators 8A wie oben beschrieben ist eine Diagnose der Schnellaktivierung erforderlich, um die strenge Abgasvorschrift zu erfüllen.

Um im vorliegenden Beispiel den Schnellaktivierungskata­ lysator 8A und den Vorkatalysator 8B zu diagnostizieren, sind in der Abgasleitung stromaufseitig bzw. stromabsei­ tig vom Hilfskatalysator 8 (vor dem Schnellaktivierungs­ katalysator 8A und hinter dem Vorkatalysator 8B) Abgas­ sensoren 5 bzw. 6 angeordnet. Der Schnellaktivierungska­ talysator 8A wird in Verbindung mit dem Verschlechte­ rungsmodus A in Fig. 3 diagnostiziert, während der Vorka­ talysator 8B in Verbindung mit dem Verschlechterungsmodus B in Fig. 3 diagnostiziert wird.

Da der Hauptkatalysator 9 entfernt vom Motor angeordnet ist, ist er oftmals einem gereinigten Abgas mit verhält­ nismäßig niedriger Temperatur ausgesetzt und wird daher kaum verschlechtert.

Nun werden mit Bezug auf Fig. 3 die Verschlechterungsmodi A und B eines Katalysators beschrieben.

Bei fortschreitender Verschlechterung sinkt das Sauer­ stoffspeichervermögen des Katalysators ab, so daß die Anstiegscharakteristik der Abgasreinigungsrate in Abhän­ gigkeit von der Katalysatortemperatur Tcat zur Seite hoher Temperatur verschoben wird (Verschlechterungsmodus A) oder die Gesamtreinigungsrate der Stationärzustands­ charakteristik nach dem Anstieg absinkt (Verschlech­ terungsmodus B).

Fig. 4 zeigt Phänomene, die aus einem Signal vom Sensor 6 nach Katalysator erhalten werden können. Je höher die Abgasreinigungsrate (je höher das Sauerstoffspeicherver­ mögen) ist, desto niedriger ist die Konzentration unver­ brannter Kohlenwasserstoffe (HC-Konzentration) hinter dem Katalysator und desto niedriger ist der Signal- Korrelationskoeffizient zwischen dem Sensor 5 vor Kataly­ sator und dem Sensor 6 nach Katalysator. Ferner wird die Signalantwort des Sensors 6 nach Katalysator verzögert. Somit kann durch Überwachen dieser Größen die Abgasreini­ gungsrate berechnet werden.

Nun wird beispielhaft der Fall beschrieben, in dem die Abgasreinigungsrate aus dem Korrelationskoeffizienten zwischen den Ausgangssignalen Gf und Gr des Abgassensors 5 vor Katalysator bzw. des Abgassensors 6 nach Katalysa­ tor berechnet wird.

Wie in Fig. 5 gezeigt ist, wird für das Luft- /Kraftstoffverhältnis des Motors in Übereinstimmung mit einem Ausgangssignal Gf des Abgassensors 5 vor Katalysa­ tor eine Rückkopplungsregelung ausgeführt. Wegen der Rückkopplungsregelung für das Luft-/Kraftstoffverhältnis führt die dem Motor zugeführte Kraftstoffmenge wiederholt ein Überschwingen und ein Unterschwingen um einen Soll­ wert aus, anschließend schwankt das Signal Gf vom Abgas­ sensor 5 vor Katalysator periodisch.

Das Ausgangssignal Gr vom Abgassensor 6 nach Katalysator schwankt zunächst im wesentlichen mit der gleichen Si­ gnalform wie das Ausgangssignal Gf des Abgassensors 5 vor Katalysator. Bei steigender Katalysatortemperatur nimmt jedoch die Katalysatorreinigungsrate zu, so daß die Schwankung klein wird. Der Grund hierfür besteht darin, daß bei zunehmender Reinigungsrate die Sauerstoffspei­ cherwirkung des Katalysators zunimmt und das Ansprechver­ halten eines Signals Gr des Abgassensors 6 nach Katalysa­ tor klein wird. Daher kann die Reinigungsratencharakteri­ stik von Fig. 3 anhand der Beziehung zwischen dem Korre­ lationskoeffizienten zwischen dem Abgassensorsignal Gf vor Katalysator und dem Abgassensorsignal Gr nach Kataly­ sator und der Katalysatortemperatur Tcat ermittelt wer­ den.

Die Reinigungsratencharakteristik (Anstiegscharakteri­ stik) und die Stationärzustandscharakteristik eines neuen Hilfskatalysators 8 (der einen Schnellaktivierungskataly­ sator 8A und einen Vorkatalysator 8B enthält) werden im voraus ermittelt (Fig. 3) und als Referenz-Anstiegs­ charakteristik bzw. als Referenz-Stationärzustandscharak­ teristik in der Steuereinheit 12 gespeichert.

Die Anstiegscharakteristik und die Stationärzustandscha­ rakteristik des Hilfskatalysators 8, die sich zeitlich verändern, werden anhand der Beziehung zwischen dem Korrelationskoeffizienten zwischen den Signalen Gf und Gr des Abgassensors vor Katalysator bzw. des Abgassensors nach Katalysator und der Katalysatortemperatur Tcat berechnet, wobei die berechneten Werte (Überwachungs­ werte) gespeichert werden. Ein Vergleich dieser Überwa­ chungscharakteristiken (sowohl der Anstiegscharakteristik als auch der Stationärzustandscharakteristik des zu überwachenden Hilfskatalysators 8) mit den Referenzcha­ rakteristiken zeigt, ob es sich bei der Verschlechterung um den Verschlechterungsmodus A oder um den Verschlechte­ rungsmodus B handelt.

Beim Verschlechterungsmodus A wird die Verschlechterung des Katalysators 8 hauptsächlich durch die Verschlechte­ rung des Schnellaktivierungskatalysators 8A hervorgeru­ fen, während die Verschlechterung des Katalysators 8 im Verschlechterungsmodus B hauptsächlich durch die Ver­ schlechterung des Vorkatalysators 8B hervorgerufen wird.

Im vorliegenden Beispiel wird die Diagnose der Ver­ schlechterungsmodi A und B unter Verwendung der Steuer­ einheit 12 folgendermaßen ausgeführt:

Die Steuereinheit 12 enthält einen Funktionsabschnitt, der eine Katalysatordiagnoseeinrichtung 20 (Fig. 2) bildet. Die Katalysator-Diagnoseeinrichtung umfaßt eine Abgasreinigungsraten-Erfassungsfunktion, eine Katalysa­ torverschlechterungsmodus-Unterscheidungsfunktion und eine Katalysatordiagnose-/Alarmsignal-Erzeugungsfunktion.

Die Katalysator-Diagnoseeinrichtung 20 empfängt das Signal Gf vom Abgassensor vor Katalysator, das Signal Gr vom Abgassensor nach Katalysator sowie das Katalysator­ temperatursignal Tcat und ermittelt die Abgasreinigungs­ ratencharakteristik des Katalysators, die in Fig. 3 gezeigt ist, anhand der Änderung von Tcat und der Korre­ lationsdaten zwischen Gf und Gr.

Dann wird anhand der ermittelten Abgasreinigungsratencha­ rakteristik beurteilt, ob eine Verschlechterung der Anstiegscharakteristik des Schnellaktivierungskatalysa­ tors 8A (Verschlechterungsmodus A) und/oder eine Ver­ schlechterung der Stationärzustandscharakteristik des Vorkatalysators 8B (Verschlechterungsmodus B) vorliegt.

Schließlich werden die Verschlechterung der Anstiegscha­ rakteristik des Schnellaktivierungskatalysators 8A (Verschlechterungsmodus A) und die Stationärzustandscha­ rakteristik des Vorkatalysators 8B (Verschlechterungs­ modus B) mit den entsprechenden Referenzcharakteristiken verglichen. Falls der Verschlechterungsbetrag ΔA des Verschlechterungsmodus A (z. B. der Verschiebungsbetrag ΔTcat zur Seite hoher Temperatur in Fig. 3) über einem vorgegebenen Wert liegt, wird geurteilt, daß der Schnell­ aktivierungskatalysator 8A verschlechtert ist, während dann, wenn der Verschlechterungsbetrag ΔB des Verschlech­ terungsmodus B über einem vorgegebenen Wert liegt, beur­ teilt wird, daß der Vorkatalysator 8B verschlechtert ist. Die Steuereinheit 12 speichert die Ergebnisse der Beur­ teilungen und erzeugt ein Alarmsignal, falls der Kataly­ sator 8A und/oder 8B durch einen neuen Katalysator er­ setzt werden muß. So kann bei Verwendung der beiden Abgassensoren 5 und 6 erfindungsgemäß unterschieden werden, ob der Schnellaktivierungskatalysator 8A und/oder der Vorkatalysator 8B fehlerhaft arbeiten, so daß die Ersetzung lediglich des fehlerhaften Katalysators möglich ist.

Statt der Katalysatortemperatur Tcat kann die Temperatur verwendet werden, die anhand der angesaugten Luftmenge Qa, der Kraftstoffzufuhrmenge und/oder der seit dem Anlassen des Motors verstrichenen Zeit geschätzt wird. Wenn der Schnellaktivierungskatalysator 8A mit elektri­ schem Strom oder mit einer Hochfrequenzwelle erhitzt wird, kann die Temperatur anhand des Integrals über die Leistung oder die Energie geschätzt werden. Statt des geschätzten Werts können Daten für die Ermittlung des geschätzten Werts direkt verwendet werden.

Im folgenden wird mit Bezug auf die Flußdiagramme der Fig. 6 und 7 der Prozeß der Katalysatordiagnose gemäß dieser Ausführungsform beschrieben. Dieser Prozeß wird periodisch wiederholt.

Zunächst liest die Steuereinheit 12 im Schritt 100 die Ansaugluftmenge Qa, die in den Motor gesaugt werden soll, die Motorkühlwassertemperatur TW, das Signal Gf des Sensors vor Katalysator, das Signal Gr des Sensors nach Katalysator, die Katalysatortemperatur Tcat und die Motordrehzahl N. Im Schritt 101 wird in Übereinstimmung mit dem Signal Gf des Sensors vor Katalysator die Luft- /Kraftstoffverhältnisregelung ausgeführt.

Wenn im Schritt 102 festgestellt wird, daß sich der Katalysator (hier der aus dem Schnellaktivierungskataly­ sator 8A und dem Vorkatalysator 8B aufgebaute Hilfskata­ lysator 8) im kalten Zustand befindet, d. h. wenn die Katalysatortemperatur Tcat niedriger als Tcold ist (Tcold ist ein Kriterium für den Kaltbetrieb), geht die Steuer­ prozedur weiter zum Schritt 103. Im Schritt 103 wird der Korrelationskoeffizient zwischen den Signalen Gf und Gr vom Sensor 5 vor Katalysator bzw. vom Sensor 6 nach Katalysator berechnet.

Im Schritt 104 wird auf der Grundlage des Korrelations­ koeffizienten zwischen Gf und Gr und der Charakteristik von Fig. 4 die Abgasreinigungsrate berechnet. Im Schritt 105 wird festgestellt, ob der Hilfskatalysator 8 über einen vorgegebenen Wert erwärmt ist. Wenn dies der Fall ist, d. h. wenn die Katalysatortemperatur Tcat höher als Thot ist (Thot ist ein Kriterium für den Warmbetrieb), wird die Beziehung zwischen der Abgasreinigungsrate und der Katalysatortemperatur (Abgasreinigungsratencharakte­ ristik von Fig. 3) im Schritt 106 ermittelt. Der Ver­ schlechterungsbetrag ΔA des Verschlechterungsmodus A (ΔA entspricht dem Verschiebungsbetrag ΔTcat zur Seite höhe­ rer Temperatur) und der Verschlechterungsbetrag ΔB des Verschlechterungsmodus B werden berechnet.

Im Schritt 107 wird festgestellt, ob sich die Anstiegs­ charakteristik um mehr als einen Wert α zur Seite höherer Temperatur verschoben hat (d. h. ΔA < α). Wenn dies der Fall ist, wird im Schritt 108 entschieden, daß der Schnellaktivierungskatalysator 8A einer Verschlechterung in einem Ausmaß unterworfen ist, die seine Ersetzung erforderlich macht (Katalysator ist fehlerhaft), wobei das Entscheidungsergebnis (NG-Entscheidung) gespeichert wird und ein Alarm ausgegeben wird. Andernfalls wird im Schritt 109 entschieden, daß der Schnellaktivierungskata­ lysator 8A normal arbeitet, wobei das Entscheidungsergeb­ nis (OK-Entscheidung) gespeichert wird.

Dann wird im Schritt 110 festgestellt, ob der Verschlech­ terungsbetrag ΔB im Verschlechterungsmodus B größer als ein vorgegebener Wert β ist. Falls ΔB < β, wird im Schritt 111 entschieden, daß der Vorkatalysator 8B ver­ schlechtert ist, wobei das Entscheidungsergebnis (NG- Entscheidung) gespeichert wird und ein Alarm ausgegeben wird. Andernfalls wird im Schritt 112 entschieden, daß der Vorkatalysator 8B normal arbeitet, wobei das Ent­ scheidungsergebnis (OK-Entscheidung) gespeichert wird. Schließlich wird im Schritt 113 ein Katalysatordiagnose­ abschluß-Merker gesetzt, woraufhin ein Diagnosezyklus abgeschlossen ist. Falls im Schritt 102 festgestellt wird, daß der Katalysator momentan erwärmt wird, geht die Steuerprozedur weiter zum Schritt 114. Im Schritt 114 wird geprüft, ob der Katalysatordiagnoseabschluß-Merker gesetzt ist. Wenn der Merker gesetzt ist, ist der Prozeß beendet. Wenn der Merker nicht gesetzt ist, geht der Prozeß weiter zum Schritt 103, in dem die Abgasreini­ gungsrate berechnet wird.

Die Diagnose der Verschlechterung im Schritt 108 kann übrigens alternativ folgendermaßen erfolgen: die Kataly­ satortemperatur Tcat0, die als repräsentativer Punkt einer Referenz-Anstiegscharakteristik dient (z. B. der Anstiegscharakteristik der Abgasreinigungsrate eines neuen Katalysators) sowie die Abgasreinigungsrate C bei dieser Temperatur werden gesetzt. Die Reinigungsrate C wird mit der Abgasreinigungsrate C' bei Tcat0 des über­ wachten Katalysators verglichen. Es wird festgestellt, daß der Schnellaktivierungskatalysator 8A verschlechtert ist, wenn die Rate C' mindestens um einen vorgegebenen Wert unterhalb der Rate C liegt oder wenn der Gradient θ' der überwachten Anstiegsrate mindestens um einen vorgege­ benen Wert niedriger als der Gradient θ der Referenz-An­ stiegscharakteristik ist.

Die entsprechenden Diagnoseergebnisse, die den Ver­ schlechterungsmodi A und B entsprechen, werden in ver­ schiedenen, unterscheidbaren Codes gespeichert. Ferner wird in der Steuereinheit 12 eine Charakteristik einer Referenzreinigungsrate in Abhängigkeit von der Temperatur eines neuen Katalysators, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist, gespeichert. Dadurch ist der Vergleich mit dem überwach­ ten Wert der Reinigungsrate möglich.

Unter Verwendung des Ansprechverhaltens des Signals Gr des Sensors nach Katalysator, der Konzentration unver­ brannter Kohlenwasserstoffe (HC-Konzentration) des Abga­ ses vom Katalysator oder dergleichen anstelle des Korre­ lationskoeffizienten zwischen den Signalen des Sensors vor Katalysator und des Sensors nach Katalysator kann die Abgasreinigungsratencharakteristik aus der Beziehung zwischen dieser Größe und der Katalysatortemperatur ermittelt werden.

Die obigen Erläuterungen sind hauptsächlich für den Hilfskatalysator 8 gegeben worden. Die Diagnose des Katalysators anhand der Anstiegscharakteristik der Abgas­ reinigungsrate ist jedoch ebenso auf den Hauptkatalysator 9 anwendbar, wenn (nicht gezeigte) Abgassensoren verwen­ det werden, die stromaufseitig bzw. stromabseitig vom Hauptkatalysator 9 angeordnet sind. Dann können die gleichen Wirkungen erzielt werden.

Die obenbeschriebene Ausführungsform der Erfindung be­ sitzt die folgenden Vorteile.

• 1. Der Verschlechterungsgrad der Schnellaktivierungs­ funktion des Schnellaktivierungskatalysators 8A kann genau diagnostiziert werden, so daß eine Katalysator­ diagnose möglich ist, die für eine Abgasreinigungs­ vorrichtung geeignet ist, mit der künftige strenge Abgasvorschriften (z. B. die nordamerikanische Abgas­ vorschrift ULEV) erfüllt werden können.
• 2. Da die Diagnose sowohl für den Verschlechterungsmodus A als auch für den Verschlechterungsmodus B, die in Fig. 3 gezeigt sind, ausgeführt wird, werden der Schnellaktivierungskatalysator 8A und der Vorkataly­ sator 8B unabhängig voneinander untersucht, so daß es möglich ist, lediglich das verschlechterte Teil zu ersetzen.
• 3. Die Diagnose dieser Katalysatoren 8A und 8B kann unter Verwendung gemeinsamer Abgassensoren ausgeführt werden.

Gemäß der Erfindung ist selbst in einer Abgasreinigungs­ vorrichtung für Verbrennungsmotoren, die zusätzlich zum Hauptkatalysator mit einem Schnellaktivierungskatalysator (Hilfskatalysator) ausgerüstet ist, um strenge Abgasvor­ schriften zu erfüllen, eine exakte Katalysator- Verschlechterungsdiagnose auch bezüglich der Funktion des Schnellaktivierungskatalysators möglich.

Wenn gemäß der Erfindung der Vorkatalysator und der Schnellaktivierungskatalysator, die einen Hilfskatalysa­ tor bilden, vor dem Hauptkatalysator angeordnet sind, kann zwischen den Verschlechterungen dieser Katalysatoren unterschieden werden, so daß eine geeignete Ersetzung nur eines Katalysators möglich ist.

Claims (6)

1. Abgasreinigungsvorrichtung für Verbrennungsmotoren, mit einem Katalysator (8, 9) für die Reinigung des Abgases eines Verbrennungsmotors, gekennzeichnet durch eine Katalysator-Diagnoseeinrichtung (20), die eine Verschlechterung des Katalysators (8, 9) feststellt, indem sie die Anstiegscharakteristik der Abgasreini­ gungsrate des Katalysators (8, 9) in Abhängigkeit von der Katalysatortemperatur (Tcat) mit einer Referenz- Anstiegscharakteristik vergleicht.

2. Abgasreinigungsvorrichtung für Verbrennungsmotoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ka­ talysator ein zusätzlich zu einem Hauptkatalysator (9) vorgesehener Hilfskatalysator (8) ist, dessen Ak­ tivierung beschleunigt ist.

3. Abgasreinigungsvorrichtung für Verbrennungsmotoren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Katalysator (8, 9) einen Schnellak­ tivierungskatalysator (8A), dessen Aktivierung be­ schleunigt ist, und einen Vorkatalysator (8B) ent­ hält, der die Reinigung nach der Aktivierung sicher­ stellt, wobei Abgassensoren (5, 6) entweder hinter dem Katalysator oder vor und hinter dem Katalysator (8, 9) angeordnet sind, eine Einrichtung (10) vorge­ sehen ist, die die Temperatur (Tcat) des Katalysators (8, 9) erfaßt oder schätzt, die Katalysator-Diagnose­ einrichtung (20) die Anstiegscharakteristik der Ab­ gasreinigungsrate des Katalysators in Abhängigkeit von der Katalysatortemperatur (Tcat) sowie eine Sta­ tionärzustandscharakteristik der Abgasreinigungsrate des Katalysators in Abhängigkeit von der Katalysator­ temperatur (Tcat) nach dem Anstieg auf der Grundlage der Katalysatortemperatur (Tcat) und der Daten von den Abgassensoren (5, 6) ermittelt und feststellt, daß der Schnellaktivierungskatalysator (8A) ver­ schlechtert ist, wenn die Anstiegscharakteristik und die Referenz-Anstiegscharakteristik mindestens um ei­ nen vorgegebenen Wert gegeneinander versetzt sind und die Stationärzustandcharakteristik mit einer Refe­ renz-Stationärzustandcharakteristik vergleicht und feststellt, daß der Vorkatalysator (8B) verschlech­ tert ist, wenn diese Stationärzustandcharakteristiken mindestens um einen vorgegebenen Wert gegeneinander versetzt sind.

4. Abgasreinigungsvorrichtung für Verbrennungsmotoren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Katalysator-Diagnoseeinrichtung (20) so beschaf­ fen ist, daß sie bei Vorliegen der folgenden Bedin­ gungen entscheidet, daß der Katalysator (8, 9) er­ setzt werden soll:

• 1. die Anstiegscharakteristik der Abgasreinigungsra­ te des diagnostizierten Katalysators (8, 9) in Abhängigkeit von der Katalysatortemperatur (Tcat) ist gegenüber der Referenz-Anstiegscharakteristik mindestens um einen vorgegebenen Wert zur Seite hoher Temperatur verschoben,
• 2. die Abgasreinigungsrate C' des diagnostizierten Katalysators (8, 9) bei einer Temperatur Tcat0, welche als repräsentativer Punkt der Referenz- Anstiegscharakteristik dient, ist mindestens um einen vorgegebenen Wert niedriger als eine Refe­ renz-Abgasreinigungsrate C bei der Temperatur Tcat0, oder
• 3. der Gradient (θ') der Anstiegscharakteristik der Abgasreinigungsrate des diagnostizierten Kataly­ sators (8, 9) in Abhängigkeit von der Temperatur (Tcat) ist mindestens um einen vorgegebenen Wert niedriger als der Gradient (θ) der Referenz- Anstiegscharakteristik.

5. Abgasreinigungsvorrichtung für Verbrennungsmotoren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Temperatur (Tcat) des diagnostizierten Katalysa­ tors (8, 9) in Übereinstimmung mit der in den Motor angesaugten Luftmenge (Qa) und/oder der zugeführten Kraftstoffmenge und/oder des integrierten Werts der Leistung oder der Energie, die in den Katalysator (8, 9) eingegeben werden, um dessen Aktivierung zu be­ schleunigen, und/oder der seit dem Anlassen des Mo­ tors verstrichenen Zeit, und/oder der Motordrehzahl (N) und/oder der Last des Motors und/oder der Motor­ kühlwassertemperatur (Tw) geschätzt wird.

6. Abgasreinigungsvorrichtung für Verbrennungsmotoren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeich­ net durch eine Einrichtung zum Ausgeben eines Alarms, wenn eine Verschlechterung des Katalysators (8, 9) erfaßt wird.