DE69106247T2

DE69106247T2 - Verfahren zur An-Bord-Feststellung der Degradierung eines Kraftfahrzeugkatalysators.

Info

Publication number: DE69106247T2
Application number: DE69106247T
Authority: DE
Inventors: Douglas Ray Hamburg
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1990-06-11
Filing date: 1991-05-24
Publication date: 1995-05-04
Anticipated expiration: 2011-05-25
Also published as: US5077970A; EP0466311B1; CA2068053A1; EP0466311A1; DE69106247D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bordüberwachung des Wirkungsverlustes eines Kraftfahrzeug-Katalysators.
Eine der wichtigsten Neuerungen der 70er Jahre war die Einführung der Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (A/F) der Motoren im geschlossenen Regelkreis. Solche Regelsysteme analysieren den Sauerstoffgehalt der Abgase und wenden das Analyseergebnis zur Abänderung des A/F an, um dieses so mit einem erwünschten schmalen Band (A/F-Fenster) in Einklang zu bringen, in welchem der Wirkungsgrad des katalytischen Wandlers seinen Maximalwert erreicht. Die entsprechende Sonde wird stromoberhalb, jedoch in der Nähe des Katalysators angeordnet, und ein mit Hintergrundinformationen gefütterter A/F-Vergleichsrechner wird eingesetzt, die A/F-Steuerung auf kontinuierlicher Grundlage derart abzuändern, daß insgesamt eineDurchschnittsregelung des A/F nahe der Stöchiometrie erzielt wird (vgl. US-PS-4,000,614).
Eine solche Rückkopplungsregelung wird durch den Einsatz von zwei Abgassauerstoffsensoren verstärkt, wovon einer stromoberhalb des Katalysators und der andere stromunterhalb des Katalysators angebracht ist (siehe US-Patentschrift 3,939,654). Die von den beiden Sensoren gelieferten Informationen werden integriert mit dem Ziel, das A/F-Verhältnis genauer innerhalb des gewünschten Fensters zu halten. Leider führen die Abgassauerstoffsensoren bei Stöchiometrie eine Umschaltfunktion aus (d.h. beim Übergang von fett auf mager bzw. von mager auf fett), und aufgrund der Verzögerung zwischen den Sensorsignalen kommt es zu erheblichem Pendeln und schlechtem Ansprechverhalten des Rückkopplungs-Regelsystems für den Motor. In dem bisherigen Stand der Technik wurde daher auf äußerst komplizierte Rücksprung-Algorithmen zurückgegriffen, um den Signalverzug zwischen den beiden Sensoren auszugleichen (siehe US-Patentschrift 4,761,950). Trotzdem hat der Einsatz von dem Katalysator vor- und nachgeschalteten Abgassauerstoffsensoren nicht zu den idealen Wirkungsgradwerten für den Katalysator geführt, und konnte auch die Wirkungsverschlechterung des Katalysators nicht verhindern.
Es ist in der Technik erkannt worden, daß die Sensorsignale des stromaufwärtigen und des stromabwärtigen Sensors aufgrund des Sauerstoffspeichervermögens des Katalysators verschieden ausfallen (siehe US-PS 4,622,809; 4,007,589 und GB-PS 2,178,857). Obwohl im bisherigen Stand der Technik diese Erkenntnis gewonnen wurde, konnte kein System bereitgestellt werden, das eine exakte Bestimmung guter und schlechter Katalysatoren erlaubte, selbst in Kenntnis dieser Information. Einer der Gründe für diese Unfähigkeit ist, daß die Speicherung von Sauerstoff nicht nur von den Edelmetallen bewirkt wird (den die Lebensdauer des Katalysators bestimmenden Schlüsselelementen), sondern auch von stabilisierenden Oxidbeschichtungen auf dem Substrat, wie z.B. Ceriumoxid. Tatsächlich können die Oxidbeschichtungen den Hauptteil der Sauerstoffspeicherung ausmachen, wobei diese Oxidbeschichtungen jedoch nicht die wesentliche Entgiftung bei der Umwandlung übernehmen. So kann bei einer Motor-Katalysator-Regelschleife mit integriertem stromaufwärtigem und stromabwärtigem Sauerstoffsensor aufgrund von Überhitzung im Betrieb die Ceriumoxidbeschichtung verdampfen oder durch Phosphor- oder Siliziumverunreinigungen in eine Kristallstruktur verwandelt werden. Die Doppelsensoren zeigen dann einen schlechten Zustand des Katalysators an, wenn in Wirklichkeit die Edelmetalle noch korrekt funktionieren. Diese Anzeige eines "schlechten" Zustandes ergibt sich aus der Fähigkeit, nur große Bruttounterschiede in der Sauerstoffspeicherung festzustellen, wobei diese Unterschiede größtenteils der Funktion des Ceriumoxids zuzuschreiben sind, sowie aus der Tatsache, daß die Edelmetalle Sauerstoff naturbedingt nicht über längere Zeit speichern können, so daß die Sauerstoffspeicherung ein sehr instabiles Maß für die Funktionsfähigkeit ist.
Es ist daher ein Gebersystem erforderlich, das präzise zwischen dem auf den Edelmetallen beruhenden Sauerstoffspeichervermögen des Katalysators und demjenigen der Oxidbeschichtung unterscheiden kann. Ein derartiges System muß das naturgegebene Sauerstoffspeichervermögen der Edelmetalle verstärken bzw. beschleunigen können, so daß dieses leichter erkennbar wird.
Die Erfindung erfüllt diesen Bedarf, indem sie ein Verfahren zur Bordüberwachung der Wirkungsverschlechterung eines Kraftfahrzeug-Katalysators schafft, welcher die Emissionen eines Motors aufnimmt und in einem geschlossenen Regelkreis mit Rückkopplung über eine in die Emissionen eintauchende Luft-Kraftstoff-Kennwert- Sonde angeordnet ist, wobei dieses Verfahren folgende Schritte enthält: (a) die künstliche Modulation der Frequenz und/oder der Amplitude des besagten geschlossenen Regelkreises über eine vorgegebene Burst-Periode (Pulsstoßperiode), ohne Änderung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, (b) Messen des Luft-Kraftstoff-Kennwertes durch einen im wesentlichen unmittelbar stromunterhalb des besagten Katalysators angeordneten unabhängigen Geber, jeweils bei Ereignissen vor und während besagter Burst-Periode; und (c) Ermitteln, ob keine wesentliche Änderung der unabhängig gemessen Luft-Kraftstoff-Kennwerte zwischen den Ereignissen vorliegt, was eine Wirkungsverschlechterung des Katalysators anzeigen würde; (d) wobei die künstlich festgesetzten Werte für die Frequenz und/oder Amplitude in Schritt (a) derart bemessen sind, daß zwischen den Ereignissen der unabhängig gemessenen Luft-Kraftstoff-Kennwerte eine meßbare Änderung eintritt, wenn der Katalysator in gutem Zustand ist.
In der JP-A-02033408 ist vorgeschlagen worden, die Sauerstoffspeicherung dadurch zu messen, daß das A/F-Verhältnis (Luft- Kraftstoff-Verhältnis) in einen Zustand von Kraftstoffüberschuß gezwungen wird, und dann die Zeit gemessen wird, die nötig ist, um den gespeicherten Sauerstoff zu verbrauchen. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß dabei der mittlere A/F-Wert gestört wird und jeder Test eine gewisse Verunreinigung der Atmosphäre verursacht. Außerdem wird der zu messende Zeitraum dadurch ermittelt, daß die Ausgangssignale zweier jeweils oberhalb und unterhalb des Katalysatorwandlers angeordneter Sensoren verglichen werden, und selbst wenn die beiden Signale in zuverlässiger Weise zu einander korreliert werden können, ist der Zeitraum, zusätzlich zu seiner Abhängigkeit von der gespeicherten Sauerstoffmenge, auch von der Motordrehzahl abhängig, da die Laufzeit der Abgase mit der Motordrehzahl schwankt, und damit die Geschwindigkeit, mit welcher der gespeicherte Sauerstoff verbraucht wird. Aus diesen Gründen ist dieses Verfahren für eine Bordüberwachung nicht praktisch anwendbar.
Eine Abwendlung dieses Meßverfahrens kommt in der GB-A- 2,178,857 zum Einsatz, wobei das Verfahren jedoch nur für den Einsatz in Werkstätten gedacht ist. Hier wird die Rückkopplungsschleife von dem Abgassensor her derart verändert, daß eine Verzögerung in das Rückkopplungssignal eingeführt wird, so daß die Kraftstoffversorgung verzögert zur mageren Einstellung zurückkehrt und die fette Einstellung ausreichend lange erhalten bleibt, um den gesamten gespeicherten Sauerstoff zu verbrauchen. Der Anteil an während diesem Betriebsverfahren entweichendem CO und HC bildet eine Aussage über die Wirkungsverschlechterung des Sauerstoffspeichervermögens des Katalysators.
Bei der vorliegenden Erfindung besteht die künstliche Modulation darin, die Sauerstoff-Beaufschlagung des Katalysators während einer kurzen Katalysator-Prüfperiode derart zu verändern, daß die Sauerstoffabsorptionscharakteristik der Edelmetalle in dem Katalysator verstärkt wird. Diese künstliche Modulation kann eine Frequenzänderung mit feststehendem gleichförmigem Anstieg sein, z.B. bis auf das 2-3fache des Grenzwertes der normalen Regelfrequenz der Motorsteuerung, d.h. vorzugsweise 2-4 Hz. Die Frequenzänderung sollte ausreichend groß sein, eine oder mehrere der folgenden Bedingungen zu schaffen: einen guten Umwandlungswirkungsgrad des Katalysators ohne Zunahme der Emissionen und ohne Umwandlungswirkungsverlust; die Emissionswerte sollen beide Seiten eines gewünschten Wandlungsfensters durchlaufen; das Verhältnis von Signal zu Störsignal beträgt mindestens Fünf; und es sollte gewährleistet sein, daß der unabhängige Sensor bei oder im Bereich der Stöchiometrie umschaltet und nicht gesättigt ist. Die Frequenzänderung sollte in ihrer Amplitude ausreichend tief liegen, nur eine geringe oder gar keine Änderung des Motorabtriebsdrehmomentes zu bewirken, und eine ausreichend tiefe Frequenz aufweisen, eine Schwächung der Sensorsignale durch Vermischen der stoßweisen Emissionen im Katalysator zu verhindern.
Alternativ dazu kann die Frequenzänderung variabel sein, z.B. kann die Frequenz zunächst sehr hoch liegen und allmählich auf eine niedrigere Frequenz absinken, die deutlich unter der Regelzyklusfrequenz ("Grenzzyklusfrequenz") während der Abfrageperiode liegt.
Umfaßt die künstliche Modulation auch eine Amplitudenänderung, kann diese über den Abfragezeitraum veränderlich sein, z.B. kann sie von einem Amplitudenpegel bei oder nahe Null allmählich gesteigert werden und auf einen Amplitudenpegel angehoben werden, der deutlich über der Zyklusgrenzamplitude liegt.
Alternativ dazu kann die Amplitudenmodulation auch schrittweises oder mit Unterbrechungen schrittweises Vorgehen während einer solchen allmählichen Änderung der Amplitude umfassen.
Die durch dieses Verfahren zu bestimmende "wesentliche" Änderung kann (i) eine Änderung des Frequenz- und/oder Amplitudenwertes des von dem unabhängigen Sensor gemessenen A/F-Kennwertes sein oder (ii) eine Änderung des Zeitraumes sein, der vergeht, bis der unabhängige Sensor wieder in zyklischen Meßbetrieb zurückkehrt, insbesondere dann, wenn eine allmähliche Änderung des Signals gewünscht wird, mit einem wesentlich unter demjenigen der Regelzyklusfrequenz ("Grenzzyklusfrequenz") liegenden Ursprungssignal.
Es ist wünschenswert, daß (i) der Katalysator ein Dreiwegekatalysator ist, da die CO-, HC- und NOx-Emissionen gleichzeitig reduziert werden müssen; (ii) daß der A/F-Kennwertgeber ein Abgassensor der unstetigen Art ist, aufgrund der erwiesenen Zuverlässigkeit und weiten Verbreitung und Verfügbarkeit dieser Sensorart, wobei er jedoch auch ein Laser-EGO-Sensor sein kann, wie bei einer UEGO-Vorrichtung; und (iii) daß der geschlossene Rückkopplungsregelkreis für die Motorsteuerung ein Proportional-Integral-Steuersystem (P-I-Steuersystem) aufweist, das einen Rückkopplungsregler, einen Rechner und einen Einspritzdüsentreiber umfaßt, wobei der P- I-Regler deshalb erwünscht ist, weil er eine kurze Ansprechzeit in Verbindung mit der Vermeidung von permanenten A/F-Regelabweichungen bietet.
Die Signale zwischen den Sensoren können unabhängige Signale beibehalten, oder sie können integriert werden, so daß sie gleichzeitig eine Überlagerungsrückkopplung und ein Überwachungssignal mit einschließen. Eine solche Integration schließt vorzugsweise zur Durchführung einer solchen Integration eine Verstärkungsregelung und einen langsamen Reglermodifikator mit ein, um somit die durch den P-I-Regler erzwungenen Sprungabweichungen auszuschalten und Funktionssprünge zu vermeiden.
Die Burst-Periode (Pulsstoßperiode) dauert vorzugsweise 18- 20 Sekunden und wird stets dann eingeleitet, wenn der Motorbetrieb wieder im geschlossenen Regelkreis einsetzt. Der Abfragezeitraum ist vorzugsweise darauf beschränkt, nur dann wirksam zu sein, wenn der Motor bei stabilisierter Geschwindigkeit von z.B. 20-50 mph betrieben wird.
Der zu bestimmende Grad der Abwesenheit in Schritt (c) ist vorzugweise ein Betrag von 50 % des Betriebswirkungsgrades des frischen Katalysators, wobei der Wirkungsgrad als Quotient der Ausgabewerte angesehen werden kann, dargestellt als eine Funktion des Umwandlungs-Wirkungsgrades. Alternativ dazu kann die Abwesenheit als ein mittlerer Prozentanteil des Umwandlungs-Wirkungsgrades zwischen einem schlechten und einem guten Katalysator festgelegt werden, um so den Grad der Abnutzung auszudrücken.
Die Erfindung wird nun beispielartig unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert; dabei zeigen:
Figur 1: ein Blockdiagramm der wesentlichen Schritte des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung;
Figur 2: ein schematisches Diagramm der Elemente des Gerätes zur Ausführung des Verfahrens nach Figur 1;
Figur 3: eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Sauerstoffsensors (EGO);
Figur 4: ein Graph der typischen Ausgangscharakteristik des EGO-Sensors aus Figur 3;
Figur 5: eine kombinierte graphische Darstellung der Sensorsignale eines frischen und eines gealterten Katalysators bei Einsatz herkömmlicher Steuerungen;
Figur 6: eine kombinierte graphische Darstellung der Signalabweichungen der in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Geber, welche die Unterschiede zwischen einem guten und einem schlechten Katalysator veranschaulichen;
Figur 7: eine kombinierte graphische Darstellung der Veränderung des Umwandlungs-Wirkungsgrades eines typischen Dreiwege- Katalysators sowie der Veränderung der EGO-Sensor-Ausgangsspannung als Funktion des A/F-Verhältnisses;
Figur 8: eine kombinierte Darstellung der Signalschwankungen während einer Abfrageperiode, unter Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens mit variabler Frequenzänderung, und zwar für einen guten Katalysator und für einen schlechten Katalysator;
Figur 9: eine graphische Darstellung der Dauer des Modulations-Durchbruches in Abhängigkeit von der Sauerstoffspeicherung;
Figur 10: eine kombinierte graphische Darstellung der Sensorsignalschwankungen während einer Abfrageperiode mit Amplitudenmodulation, wobei jeweils das Signal für einen guten und für einen schlechten Katalysator gezeigt wird;
Figur 11: eine kombinierte graphische Darstellung des Zustandes der Signale aus Figur 10, wie sie von den verschiedenen Elementen des Gerätesystems gemessen werden, und zwar für einen guten Katalysator, einen teilweise verschliessenen Katalysator und einen schlechten Katalysator; und
die Figuren 12-13 sind graphische Darstellungen der Signalschwankungen während der Abfrageperiode bei einer Amplitudenmodulation, die jeweils schrittweise und unterbrochen schrittweise Modulationsarten beinhaltet.
Bei der Erfindung kommt zum ersten Mal auf einzigartige Weise eine pulsstoßartige Modulation des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Motors zum Einsatz, um ein Borddiagnosesystem zu betreiben, das katalytische Wandler im Abgassystem prüft. Das Diagnosesystem verwendet ein Prüfprogramm, wie es in dem Blockdiagramm in Figur 1 dargelegt ist. Das Prüfverfahren beinhaltet folgendes: (a) künstliche Modulation der Frequenz und/oder Amplitude einer geschlossenen Rückkopplungs-Regelschleife zwischen einem Motor- und einem A/F-Kennwertgeber in dem Abgassystem des Motors, mit dazwischengeschaltetem Katalysator; (b) Messen eines A/F- Kennwertes mittels eines unmittelbar stromunterhalb des Katalysators in dem Abgassystem angeordneten unabhängigen Sensors, und zwar jeweils bei Ereignissen vor und während der künstlichen Modulation; (c) Bestimmen, ob keine wesentliche Änderung der unabhängig gemessenen Kennwerte von einem Ereignis auf das andere vorliegt, was einen Wirkungsverlust des Katalysators anzeigen würde.

Steuergerät

Ein Gerät zur Durchführung des oben beschriebenen Planes ist schematisch in Figur 2 dargestellt. Es kann ein herkömmlicher geschlossener Rückkopplungs-Regelkreis 10 eingesetzt werden, mit einem herkömmlichen EGO-Sensor (Abgassauerstoffsensor) 12, der im Abgasstrom 16 eines Motors 11 angeordnet ist, wobei das Signal des EGO-Sensors 12 an einen Rückkopplungsregler 13 angeschlossen ist, der wiederum Steuerinformationen an einen Bordcomputer oder eine Kraftstoff-Rechnervorrichtung 14 liefert. Die Vorrichtung 14 übermittelt ein Modulationssignal an einen Kraftstoff-Einspritz-Treiber 15, wobei das Modulationssignal den Impulslängen-Wandler des Einspritzdüsentreibers steuert. Es sind mehrere Einspritzdüsentreiber vorgesehen, um jeden der Brennräume des Motors zu versorgen, wobei alle diese Treiber Kraftstoffimpulse erhalten müssen, so daß die Verbrennung innerhalb des Motors in Verbindung mit der dem Motor zugeführten Einlaßluft 17 ausgeführt werden kann. Dieses komplizierte geschlossene Rückkopplungsregelsystem ist komplett in Figur 2 dargestellt, und der Weg der Rückkopplung ist durch die entsprechenden Pfeile dargestellt. Zur Verstärkung der Rückkopplungsschleife können außerdem angleichbare Tafeln (18) (19) vorgesehen sein, um eine genauere Berechnung des A/F (Luft-Kraftstoff-Verhältnisses) unter dynamischen Bedingungen zu gewährleisten, unter welchen das Rückkopplungssystem nicht schnell genug ansprechen kann. Der Verstärkungsfaktor des Rükkopplungssignales ist hier als Stärke des Rückkopplungssignals definiert, und wird dadurch erstellt, daß die Beiwerte der proportionalen und integralen Ausdrücke in dem P-I-Steueralgorithmus entsprechend korrigiert werden. Ein Verstärkungsfaktor muß in einem solchen System vorgesehen werden, um die Amplitude der Grenzzyklusschwankung während der Testperiode im wesentlichen auf Null abzusenken, so daß diese die künstliche Modulation nicht überdeckt. Ein typisches geschlossenes Rückkopplungsregelsystem, wie es ausführlich in Figur 2 dargestellt ist, wird in den folgenden Bezugswerken im einzelnen näher erläutert: "A Closed Loop A/F Control Model for Internal Combustion Engines" (Modell zur Luft-Kraftstoff-Steuerung im geschlossenen Regelkreis für Brennkraftmaschinen), Douglas R.Hamburg und Michael A.Shulman, SAE-Aufsatz # 800826, Juni 1980; und"Adaptive A/F Control Applied to Single Point Injection System for SI Engines" (Adaptive Luft-Kraftstoff-Steuerung, angewendet auf ein Einpunkt- Einspritzsystem für SI-Motoren), Thomas A.Huls, SAE-Aufsatz # 841297, 1984.
Die Erfindung fügt zu einem derartigen Rückkopplungsregler 10 einen unabhängigen EGO-Sensor 20 hinzu, der in den aus dem Katalysatorwandler 21 austretenden Abgasstrom 24 eingeschaltet ist. Der EGO-Sensor (Abgassauerstoffsensor) ist unmittelbar stromabwärts des Katalysators angeordnet. Der Katalysator kann ein Dreiwegekatalysator, ein Oxidationskatalysator oder ein mit einem Reduktionskatalysator gekoppelter Oxidationskatalysator sein, solange der besagte Katalysator die Entgiftung von Kraftfahrzeugemissionen bewirkt. Das von dem Sensor 20 abgegebene Signal wird vorzugsweise über (i) einen "langsamen" Rückkopplungsregler 22 und (ii) ein Bord-Meldesystem 23 geleitet, das den Fahrzeugführer infromiert. Der langsame Rückkopplungsregler 22 wird mit einbezogen, um eine genauere Kontrolle des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zu erzielen. Diese zusätzliche Regelung ist deshalb erforderlich, weil das Ausgangssignal des dem Katalysator nachgeschalteten EGO-Sensors im Zentrum seines Umschaltebereiches gehalten werden muß, und sie wird nicht immer von dem Haupt-Rückkopplungsregler geboten, die ein "schneller" Reglertyp ist. Das Meldesystem 23 kann vorzugsweise einen ersten Schwellendetektor 23a mit einem eigenen Ein/Aus-Schalter aufweisen, dessen Signal dann, wenn es den Schwellenwert überschreitet, an einen zeitgebundenen unstetigen Fensterdetektor 23 weitergeleitet wird, wobei, wenn das Signal innerhalb des zeitbestimmten Fensters liegt, das verbleibende Signal weiter an den Störungsanzeiger 23c geleitet wird. Das von dem EGO-Sensor 20 ausgehende Signal kann mittels des langsamen Rückkopplungsreglers 22 dem Rückkdpplungssystem 10 überlagert werden, wobei der Rückkopplungsregler noch eine zusätzliche Verstärkungsregelvorrichtung 25 steuern kann, um zu gewährleisten, daß der Mittelwert des Abgas- A/F (Luft-Kraftstoff-Verhältnisses) innerhalb des Katalysatorfensters liegt.
Der A/F-Modulationsimpulsstoß ("Burst") wird von einem Generator 26 erzeugt, der unter Verwendung eines programmierbaren Taktgebers im Motorsteuercomputer gebildet ist. (Der mit dem Generator 26 verbundene Taktgeber 27 ist einfach der interne Taktgeber des Motorsteuercomputers.) Die gewünschte Modulationswellenform wird dadurch erzeugt, daß der programmierbare Taktgeber im Steuercomputer in regelmäßigen Abständen mit einem geeigneten Unterbrechungsbefehl adressiert wird. Auf diese Weise wird bei Empfang einer Unterbrechungsanfrage der momentan ausgeführte Programmcode des Computers unterbrochen, und ein separater (als interrupt handler, d.h. Unterbrechungsverwaltung bezeichneter) Code wird nun ausgeführt. Der Unterbrechungsverwaltungscode ist in einem Speicher an einer Stelle abgelegt, die von der Unterbrechungshardware in dem programmierbaren Taktgeber adressiert werden kann. Die Aufgabe des Unterbrechungsverwaltungscodes ist es, eine gewünschte Ausgangswellenform während des laufenden Unterbrechungsintervalls zu erzeugen. Es sei hier angemerkt, daß "Ausgang" hier auf einen Speicherplatz Bezug nimmt, der den Wert der Ausgabevariablen enthält. Nach Abarbeitung des Unterbrechungsverwaltungscodes kehrt die Steuerung zum Hauptprogramm zurück.
Als Beispiel für die Arbeitsweise dieses Systems sei angenommen, daß eine Rechteckwelle mit einer Frequenz von 1 Hz und einer Amplitude von 2 Einheiten (von +1 bis -1) erzeugt werden soll. In diesem Falle erhält der programmierbare Taktgeber den Befehl, das Hauptprogramm in halbsekündigen Intervallen zu unterbrechen. Das Unterbrechungsverwaltungsprogramm schaltet dann den Wert der Ausgabevariablen jeweils zwischen +1 und -1 hin und her. Erweiterungen dieser allgemeinen Methode zur Erzeugung komplizierterer Wellenformen dürften dem Fachmann bekannt sein. Beispiele von Unterbrechungsprogrammen sind in zahlreichen Lehrbüchern zu finden, einschließlich Microcomputer Architecture and Programming (Mikrocomputeraufbau und -Programmierung), von John F.Wakerly, hrsg. von John Wiley & Sons, 1981.
Das Ausgabesignal eines solchen Generators wird an den Basis-Kraftstoffrechner 14 weitergeleitet, um dort den Beiwert k während einer Abfrageperiode abzuändern, die von dem Taktgeber 27 für den Generator bestimmt wird. Der abgeänderte Rechenwert für die Kraftstoffmasse (Mf) wird eingesetzt, die Impulslänge für den Wandler jedes Einspritzdüsentreibers zu ändern. Es ergibt sich daraus, daß die kurz nacheinander abgegebenen Kraftstoffstöße einen kontinuierlichen Strom gemischter Verbrennungsgase (Abgasstrom 16) bilden, in dem geringfügige Variationen über den Querschnitt des Stromes vorliegen, welche sich aus konstruktionsbedingten Abgas- Unregelmäßigkeiten im Motorsystem ergeben.
Der erste EGO-Sensor 12 ist ein unstetiger Geber mit einem Spannungssignal, das ständig grenzzyklusartig zwischen fett und mager hin und her schaltet, je nachdem, wie die Ungleichmäßigkeiten im Abgasstrom um den Stöchiometriepunkt herum festgestellt werden. Dieses Pendelsignal erscheint typisch in der in Figur 5 dargestellten Weise. Unstetige Spannungsgeber sind in der Industrie weit verbreitet und werden hier als EGO (exhaust gas oxygen, d.h. Abgassauerstoff)-Sensoren, als HEGO (heated exhaust gas oxygen, d.h. beheizte Abgassauerstoff)-Sensoren, als elektrochemische Zellen, Lambda-Sonden oder Kraftstoffzellen bezeichnet. Diese Sensoren bzw. Sonden messen in Wirklichkeit den Sauerstoff-Partialdruck in dem von dem Motor erzeugten Abgas; die Konzentration am Motorausgang wird dabei zum A/F-Verhältnis des Motors in Beziehung gesetzt. Wird aus dem Motor austretender Sauerstoff mit einem Gasanalysegerät gemessen, besteht noch keine eindeutige Beziehung zwischen der Sauerstoffkonzentration und dem A/F-Verhältnis, besonders bei A/F-Verhältnissen nahe dem Stöchiometrieverhältnis. Durch den Einsatz von katalytischem Material in dem Sensor wird eine ausgeglichene Detektion des Sauerstoffs gefördert. Allerdings ist die Raumgeschwindigkeit an einer kleinen Sensorelektrode so groß, daß im reellen Motorbetrieb nur sehr wenig Ausgleich stattfindet. Der Sensor schaltet, wie es die Nernst'sche Gleichung voraussagt, bei Stöchiometrie nur bei völlig gleichförmigem, stabilisiertem Betrieb bei hoher Temperatur um. Leider sind diese Bedingungen im reellen Motorbetrieb nie oder nur sehr selten gegeben, wie zahlreiche SAE- Aufsätze und Patentsschriften bestätigen.
Der am weitesten verbreitete herkömmliche EGO-Sensor für stöchiometrische A/F-Regelung enthält Zirkoniumoxid (ZrO&sub2;), welches Sauerstoffionen leitet. Dieses System wird als Nernst'sche elektrochemische Zelle bezeichnet. Das Prinzip dieser Sauerstoffsonde ist in Figur 3 dargestellt. Gegenüberliegende Oberflächen einer Zirkoniumoxidwand werden jeweils dem Sauerstoff-Partialdruck PO&sub2; der Luft und dem Sauerstoff-Partialdruck PO&sub2;' des Abgases ausgesetzt. Zwischen den an gegenüberliegenden Oberflächen der Wand angebrachten Platinelektroden wird eine elektromotorische Kraft (emf) erzeugt. Der Sauerstoffsensor verwendet also Zirkoniumoxid als spannungserzeugende Zelle. Wenn der Sensor dem Abgasstrom ausgesetzt wird, ergibt sich eine in Figur 4 dargestellte Ausgangsspannung. Der Wert dieser Spannung erfährt im Stöchiometriepunkt eine derart scharfe Änderung, daß der Sensor nur das stöchiometrische Verhältnis anzeigen kann.
Der plötzliche Umschlag ist in gewissem Sinne eine sehr unstetige Umschaltung von fett auf mager oder von mager auf fett, und dies gibt dem Sensor seinen Namen als "Umschalt-" oder unstetiger Sensor. Andere EGO-Sensortypen können eine Begrenzungsvorrichtung verwenden, die aus Titanoxid mit einem von dem Sauerstoff-Partialdruck abhängigen elektrischen Widerstand bestehen. Da der Widerstand von Titanoxid exponentiell von der Temperatur abhängt, erfordert dieser Sensor ein Heizelement oder Heißleiter für den Temperaturausgleich.

Künstliche Modulation

Die Modulation kann eine Frequenz- und/oder eine Amplitudenänderung sein. Eine Frequenzmodulation stimuliert die Sauerstoff- Speicherkapazität eines wirksamen Katalysators über eine kurze Abfrageperiode hin. Somit dient eine Messung der Amplitudenänderung des Signals des nachgeschalteten Sensors 20 als Grundlage für eine Aussage über die Wirksamkeit des Katalysators. Wie Figur 6 zeigt, erscheint bei einem guten Katalysator ein Sensorsignalmuster wie es Graph 30 für den stromaufwärtigen Sensor 12 und Graph 31 für den stromabwärtigen Sensor 20 zeigt. Die erhebliche Amplitudenverringerung während eines einsekündigen Pulsstoßes (bzw. höherfrequenten Modulation) zeigt eine Erhöhung der Sauerstoffspeicherung durch die Katalysatorstoffe an (d.h. durch die Edelmetallbeschichtungen darauf). Bei einem schlechten Katalysator erhält man kaum oder gar keine Änderung der Amplitude des Signals von Sensor 20 (Graph 33) im Vergleich zu dem Signal des Sensors 12 (Graph 34).
Die Größe der Frequenzmodulation sollte mehrere Auflagen erfüllen, einschließlich: (a) die Amplitude muß groß genug sein, um das Signal am stromabwärtigen Sensor bei einem neuen Katalysator noch erkennen zu können; (b) die Frequenz muß hoch genug liegen, einen guten Wandlungs-Wirkungsgrad im katalytischen Wandler 21 zu bewirken; (c) die Amplitude muß groß genug sein, ein gutes Signal- Störsignal-Verhältnis zu erzeugen, vorzugweise ein Verhältnis von ca. 5:1 oder höher; (d) die Amplitude muß groß genug sein, beide Seiten des gewünschten Regelfensters für das A/F-Verhältnis zu durchlaufen (wobei das Fenster hierin den A/F-Bereich bedeutet, in welchem ein guter Katalysator eine hohe Wandlerwirkung sowohl für CO als auch für HC und NOx gewährleistet); (e) die Amplitude soll ausreichend hoch sein, den stromabwärtigen Sensor 20 zwischen seinem mageren und seinem fetten Zustand sättigungsfrei umzuschalten. Die Frequenzmodulation sollte in ähnlicher Weise ein Signal aufweisen, das (a) in seiner Amplitude nicht zu hoch liegt, so daß Schwankungen der Drehmomentabgabe des Motors auf ein Minimum reduziert werden, und (b) in seiner Frequenz nicht zu hoch liegt, um das Modulationssignal durch in dem Katalysator auftretende Mischung nicht abzuschwächen.
Die Modulationsperiode sollte ausreichend lang sein, eine Beobachtung oder Erkennung einer Signaländerung am stromabwärtigen Sensor zu erlauben, sie sollte jedoch nicht länger als notwendig sein, um den normalen Motorbetrieb nicht zu beeinträchtigen, und sollte daher auf einen Zeitraum von etwa 15-20 Sekunden eingestellt sein. Die Abfrageperiode wird nur dann ausgelöst, wenn sich der Motor im Betriebszustand im geschlossenen Regelkreis befindet, und vorzugsweise nur dann, wenn der Motorbetrieb in einem stabilen Bereich bei einer Geschwindigkeit von etwa 20-50 mph liegt.
Zur Erzielung einer solchen Frequenzänderung bzw. eines solchen Pulsstoßes kann ein Modulationsgenerator 26 unter Anwendung herkömmlicher Programmiertechniken im Motorsteuercomputer integriert werden. So könnte insbesondere die Frequenz des internen Taktgebers (über das Programm) so aufgeteilt werden, daß die gewünschte Modulationsfrequenz erreicht wird, und die Amplitude des sich daraus ergebenden Signals könnte (ebenfalls über das Programm) derart geregelt werden, daß sich die gewünschte Modulationsamplitude ergibt. Im Betrieb würde dann die Generatorfunktion von dem Motorsteuercomputer jeweils derart ein- und ausgeblendet, daß ein Modulationssignal nur dann erzeugt wird, wenn der Computer festgestellt hat, daß eine Prüfung des Katalysators durchzuführen ist. Wenn der A/F-Modulationsgenerator ausgeschaltet ist, wird sein Ausgangssignal gleich 1,0 gesetzt, so daß es den Kraftstoffstrom zum Motor hin nicht beeinträchtigt. Ist der Modulationsgenerator eingeschaltet, schwingt sein Signalausgang um einen Wert von 1,0, und zwar mit einer Amplitude und einer Frequenz, die von dem Motorsteuercomputer bestimmt wird, und der Kraftstoffstrom zum Motor hin wird dementsprechend um den berechneten Basiswert herum moduliert. Um zu vermeiden, daß die normalen Regelzyklus-Schwankungen des A/F-Verhältnisses das Modulationssignal überdecken, wird der Verstärkungsfaktor des A/F-Rückkopplungsreglers während der Abfrageperiode wesentlich reduziert, solange der A/F-Modulationsgenerator eingeschaltet ist.
Eine typische Frequenz, die den obengenannten Anforderungen gerecht wird, liegt gewöhnlich im Bereich von 2-4 Hz, und die Modulation bewirkt die Erzeugung eines gleichförmigen festen Anstieges in der Frequenz der A/F-Impulse.
Von den Gesetzgebern werden zur Zeit neue Richtlinien für Borddiagnosesysteme ausgearbeitet, welche eine Erkennung erfordern können, wenn die Kohlenwasserstoff-Umwandlungswirkung des Katalysators beim Betrieb im geschlossenen Regelkreis des Motors unter 50 % oder weniger abfällt. Im frequenzmodulierten Betrieb der vorliegenden Erfindung kann das Ausgangssignal eines stromunterhalb des Katalysators gelegenen EGO-Sensors als Funktion des Katalysatorwirkungsgrades angesehen werden, so daß dieses Ausgangssignal anzeigt, ob der Wirkungsgrad des Katalysatorwandlers unter einen bestimmten Wert von z.B. 50 % gefallen ist. Dazu muß folgendes ausgeführt werden. Der Ausgang des dem Katalysator nachgeschalteten EGO-Sensors wird überwacht, wenn das frequenzmodulierte Abfragesignal an den Motor gesendet wird. Zeigt der geprüfte Katalysator eine gute Leistung (z.B. 50 % oder mehr), weist er ein bestimmtes Sauerstoffspeichervolumen auf, das dem Katalysator-Edelmetall zugeordnet ist, und hindert somit den stromabwärtigen EGO-Sensor daran, ein Ausgangssignal mit Modulationsfrequenz abzugeben. Ist der geprüfte Katalysator schlecht, weist er keine nennenswerte Sauerstoffspeicherkapazität auf, und der stromabwärtige Sensor erzeugt ein Ausgangssignal mit Modulationsfrequenz. Auf diese Weise kann die Erfindung durch geeignete Wahl der Modulationsfrequenz (und -Amplitude) anzeigen, ob das Sauerstoffspeichervermögen des Edelmetalls im Katalysator ausreichend hoch ist, daß der Katalysator noch als gut gelten kann oder schon als schlecht bezeichnet werden muß.
Im allgemeinen wird ein solches Prüfprogramm der Katalysator-Wirkung stets dann ausgeführt, wenn der Motor nach dem Anlassen zum ersten Mal in einen Betrieb im geschlossenen Regelkreis eintritt, sofern die Drosselklappe nicht geschlossen ist und das Fahrzeug bei gleichbleibender Geschwindigkeit betrieben wird. Ändern sich die Betriebsbedingungen des Motors unerwartet während des Abfrageintervalls, wird der Prozeß abgebrochen und dann wiederholt, wenn sich die Betriebsbedingungen des Motors wieder stabilisieren. Hierzu ist folgendes auszuführen. Die im Motorsteuercomputer vorliegenden Werte für Motordrehzahl und Luftdurchsatz werden während des Abfrageintervalls überwacht. Ändert sich einer dieser Werte, oder aber die Änderungsrate eines dieser Werte, über eine im Computer einprogrammierte Grenze hinaus, wird der A/F-Modulationsgenerator abgeschaltet, und der Test wird gestoppt. Der Abfrageprozeß wird erneut gestartet, sobald die Motorbetriebsbedingungen sich wieder stabilisieren.
Der A/F-Modulations-Impulsstoß ("Burst") sollte keinen Verlust an Umwandlungswirkung des Katalysators während der Abfrageperiode mit sich bringen und sollte daher auch keine Zunahme der Abgasemissionen verursachen. Dies wird dadurch gewährleistet, daß die Modulationsamplitude und -Frequenz so gewählt werden, daß sie das Leistungsvermögen eines guten Katalysators nicht wesentlich überschreiten. Außerdem wird, sobald das Sauerstoffspeichervermögen des Katalysators überschritten ist, was aus dem Ausgangssignal des stromabwärtigen EGO-Sensors ersichtlich ist, das Abfrageverfahren abgeschlossen, so daß die Motorbetriebsbedingungen wieder in den Normalzustand zurückkehren können.
Das A/F-Modulationssignal sollte ein zusätzlicher Impuls zu demjenigen der Schwingungsamplitude des Grenzzyklus (Regelzyklus) sein, wenn auch die Amplitude der Grenzzyklusschwingung während der Abfrageperiode soweit reduziert werden sollte, daß sie das künstlich erzeugte A/F-Modulationssignal nicht überdeckt. In einigen Extremfällen kann in Betracht gezogen werden, die Amplitude der normalen Regelzyklusschwingung im geschlossen Regelkreis als Abfragesignal einzusetzen. Da jedoch die Grenzzyklusamplitude relativ klein ist und die Umschaltpunkte des stromaufwärtigen und des stromabwärtigen EGO-Sensors aller Wahrscheinlichkeit nach unterschiedlich sind, kann der stromabwärtige Sensor im mageren oder fetten Zustand verharren, je nach dem momentanen mittleren A/F- Wert, und kann so bei der Anzeige eines schadhaften Katalysators versagen. Der Einsatz von Signalstößen mit großer Amplitude trägt daher dazu bei, dieses potentielle Problem zu vermeiden.
Ein Überlagern der Rückkopplung im geschlossenen Regelkreis durch die Rückführsignale des zweiten Sensors hat mehrere Vorteile, wenn eine künstliche Frequenzmodulation vorgenommen wird. Die dem Dreiwegekatalysator vor- und nachgeschalteten Sensoren können aufgrund der im Katalysator hervorgerufenen Abgasausgleichseffekte unterschiedliche A/F-Umschaltpunkte aufweisen. Wie Figur 4b zeigt, besteht ein naturbedingter Zeitverzug zwischen den Messungen ein und derselben Gase durch den ersten und den zweiten EGO-Sensor. In einem A/F-Rückkopplungssystem ist der A/F-Wert für den geschlossenen Regelkreis, der entsteht, wenn der EGO-Sensor dem Katalysator nachgeschaltet ist, genauer (bezogen auf seine Anordnung im Mittelpunkt des Katalysatorfensters) als bei einem EGO-Sensor, der dem Katalysator vorgeschaltet ist. Der Nachteil eines dem Katalysator nachgeschalteten EGO-Sensors für die Rückkopplung ist jedoch, daß sich die Gesamtansprechzeit des A/F-Regelsystems aufgrund der durch den Katalysator herbeigeführten Verzögerung verschlechtert. Daher wird, wenn nur ein EGO-Sensor verwendet wird, dieser Sensor vor dem Katalysator angeordnet, um so die schnellstmögliche Korrekturzeit für eine beliebige A/F-Abweichung zu erzielen. Dies verursacht einen Fehler in der A/F-Regelung, der nun durch irgendeine Maßnahme kompensiert werden muß, z.B. durch Zuschlag eines "Vorhaltewertes" zu dem Sensorausgangssignal. Eine bessere Kompensation bei Einsatz zweier EGO-Sensoren besteht darin, daß der stromaufwärtige EGO- Sensor die rasch ansprechende Rückkopplungskorrektur übernimmt, während der dem Katalysator nachgeschaltete EGO-Sensor den genauen A/F-Mittelwert liefert. Zur Kombinierung dieser Effekte wird das Ausgangssignal des stromaufwärtigen EGO-Sensors durch einen elektronischen Hochpaßfilter geschickt, und das Ausgangssignal des stromabwärtigen Katalysatorsensors wird durch einen elektronischen Tiefpaßfilter geschickt. Die Filterausgänge werden dann in der Weise miteinander kombiniert, daß ein einziges A/F-Rückkopplungssignal für den Motor-Rückkopplungsregler geliefert wird. Dieses "zusammengesetzte" Rückkopplungssignal weist sowohl die passenden hohen als auch tiefen Frequenzkomponenten auf und ergibt damit eine kurze Ansprechzeit zusammen mit dem "richtigen" A/F-Wert.
Es ist jedoch bei dem Einsatz des kombinierten EGO-Sensors in einem Überlagerungsschaltkreis erforderlich, den Mittelwert des A/F-Rückkopplungsreglers mit Hilfe des stromabwärtigen EGO-Sensors einzustellen. Der Ausgang des stromabwärtigen EGO-Sensors muß in der Mitte seines eigenen Bereiches liegen, so daß er auf die künstlich erzeugte A/F-Modulation ansprechen kann. Läge der Ausgang des stromabwärtigen EGO-Sensors nicht in der Mitte seines Bereiches, sondern wäre gesättigt und läge entweder an der "oberen" oder an der "unteren" Grenze, wäre nicht sichergestellt, daß er richtig auf die künstlich erzeugte A/F-Modulation anspricht, und es käme zu einem Anzeigefehler.
Das System kann auch ohne Überlagerung des Rückkopplungssignals für den Motor durch das Signal des stromabwärtigen Sensors betrieben werden, wenn eine künstliche Frequenzmodulation angewendet wird. Zu diesem Zweck wird, wie in Figur 8 dargestellt, die künstliche Frequenzmodulation des A/F-Reglers zu Beginn der Abfrageperiode bei einer hohen Frequenz eingeleitet und allmählich bis auf eine Frequenz unter der normalen Grenzzyklusfrequenz des geschlossenen Rückkopplungsregelsystems am Ende der Abfrageperiode reduziert. Der stromabwärtige EGO-Sensor überwacht nur den Ausgang des Katalysators und greift nicht über das herkömmliche Rückkopplungssystem in die Motorsteuerung ein. Dies bietet gewisse Vorteile. Die Möglichkeit eines Betriebes nur bei Einsatz des stromabwärtigen EGO-Sensors ist wichtig unter dem Gesichtspunkt der Zuverlässigkeit/Ausdauer. Dies beruht darauf, daß stromabwärts eines Katalysators angeordnete EGO-Sensoren nicht in gleicher Weise wie stromoberhalb des Katalysators angeordnete EGO-Sensoren verschleissen bzw. altern. Oberhalb des Katalysators angeordnete Sensoren verschleißen deshalb, weil sie den pulsierend ausströmenden Rohabgasen des Motors ausgesetzt sind, wohingegen dem Katalysator nachgeschaltete Sensoren durch die Entgiftungtätigkeit des Katalysators "geschützt" werden.
Die Anwendung einer allmählich abnehmenden Frequenzmodulation in dieser Ausführungsform bewirkt ein Pendeln des A/F-Verhältnisses des Motors um die Stöchiometrie mit einer Frequenz, die während der Testperiode des Katalysators über einen geeigneten Wertebereich abnimmt. So kann die Modulationsfrequenz z.B. in acht Schritten von je einem Zyklus reduziert werden, wovon jeder einen Frequenzbereich von 2 Hz bis 0,25 Hz abdeckt. Die tatsächlichen Frequenzschritte können 2 Hz, 1 Hz, 0,67 Hz, 0,5 Hz, 0,48 Hz, 0,33 Hz, 0,29 Hz und 0,25 Hz betragen, wobei dann die Gesamtzeit für eine komplette "Abtastung" etwa 18 Sekunden betragen würde. Es ist wünschenswert, die Amplitude der Modulation während des Katalysatortests im wesentlichen konstant zu halten, wobei sie auf etwa die gleiche Amplitude eingestellt werden kann, wie die normale Grenzzyklusschwingung, welche bei etwa ± 0,5 A/F liegt. Um jedoch die Genauigkeit des Tests zu erhöhen, kann es vorteilhaft sein, die Amplitude größer als in Figur 8 dargestellt einzustellen. Auch hier sollte die besondere A/F-Modulationscharakteristik so gewählt werden, daß sie die Katalysatorfunktion angemessen und ohne abzulehnende Änderungen der Drehmomentabgabe des Motors oder der Abgasemissionen ermitteln kann.
Wenn eine solche schrittweise Frequenzmodulation angewendet wird, schaltet der Ausgang des stromunterhalb des Katalysators angeordneten EGO-Sensors um, sobald die eingesetzte A/F-Frequenz einen Pegel erreicht, der die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators übersteigt. Dies ist in Figur 8 dargestellt, welche die gewonnene Ausgangsspannung über der Zeit für einen dem Katalysator nachgeschalteten EGO-Sensor zeigt, wenn das frequenzmodulierte A/F- Signal am Motor angelegt wird. Ist der Katalysator in dem System "gut", d.h. solange er ein erhebliches Sauerstoffspeichervermögen aufweist, ist an dem stromabwärtigen EGO-Sensor kein Modulationsdurchbruch zu erkennen, bis die A/F-Modulationsfrequenz einen bestimmten niedrigen Wert erreicht hat. Ist der Katalysator schadhaft (und weist somit nur eine sehr geringe Speicherkapazität auf), erkennt der stromabwärtige EGO-Sensor den Modulationsdurchbruch schon bei einer wesentlich höheren Frequenz. Da die A/F-Modulationsfrequenz ungefähr linear mit der Zeit reduziert wird, kann die Sauerstoffspeicherung im Katalysator einfach dadurch bestimmt werden, daß man die Zeit mißt, die von dem Beginn des Testzyklus an verstreicht, bis der EGO-Sensor umschaltet. In Figur 9 ist die erforderliche Zeit bis zum Erscheinen des Modulationsdurchbruches als Funktion der Sauerstoffspeicherung im Katalysator veranschaulicht. Damit das erfindungsgemäße Verfahren in dieser Betriebsart korrekt funktionieren kann, muß der Mittelwert der A/F-Modulation im Zentrum des Katalysatorfensters gehalten werden, was jedoch für ein gut konstruiertes A/F-Rückkopplungsregelsystem keine Schwierigkeit sein dürfte. Um Fehlinformationen des EGO-Sensors zu vermeiden, werden von dem stromabwärtigen EGO-Sensor gemeldete Modulationsdurchbrüche solange ignoriert, bis die Sensorausgangsspannung über mehrere Zyklen hinweg zwischen ihrem normalen "hohen" Grenzwert und dem "niedrigen" Grenzwert umgeschaltet hat, nachdem die ursprüngliche Durchbruch festgestellt wurde. "Durchbruch" bedeutet hier, daß die Sauerstoffspeicherkapazität des Katalysators überschritten ist und der Katalysator für die Modulationssignale durchgängig geworden ist.
Der Einsatz der stromabwärtigen EGO-Sonde ist in dieser Ausführungsform nur zur Erkennung und Überwachung des Ausganges des Katalysators erforderlich. Der stromaufwärtige EGO-Sensor bleibt natürlich Bestandteil des Grundaufbaus des A/F-Rückkopplungs- Regelsystems, so daß die auf den Motor angewandte A/F-Modulation genau gesteuert wird und bekannt ist.
Zur Erläuterung des Einsatzes einer Amplitudenmodulation sei Bezug genommen auf die Figuren 10-12. In Figur 10 wird die A/F- Amplitudenmodulation dadurch erzeugt, daß das normale A/F-Verhältnis des Grenzzyklus (Regelzyklus) bis auf einen erheblich niedrigeren Betrag reduziert wird, und die Modulation dann allmählich angehoben bzw. gesteigert wird, bis auf ein Niveau, das gegen Ende der Abfrage- oder Testperiode den normalen Grenzzykluswert um ein Wesentliches übersteigt. Dadurch wird bewirkt, daß die A/F-Amplitude von einem Wert von etwa Null (bzw. einem sehr kleinen Wert) bis auf eine sehr große Amplitude gesteigert wird, wie z.B auf das Drei- oder Vierfache des A/F-Spitzenabstandes, und zwar in einem Zeitraum von 10-20 Sekunden. Die Frequenz der Modulation würde in einem Bereich von ca. 0,5-2 Hz liegen und könnte der Einfachheit halber die Grenzzyklusfrequenz des A/F-Rückkopplungsreglers sein. Auch hier sollte die Modulation so gewählt werden, daß der Katalysator gut und ohne Erzeugung unerwünschter Schwankungen der Motordrehmomentabgabe oder der Abgasemissionen überwacht werden kann. Die bei der Anwendung einer solchen progressiven Amplitudenmodulation entstehende Wellenform ist im oberen Teil der Figur 10 dargestellt, und zwar als diejenige Kurve, die am stromaufwärtigen EGO-Sensor entsteht, der jedoch nicht mit dem Sensor 2 verbunden ist. Der stromabwärtige Sensor schaltet um, wenn die angelegte A/F- Amplitude ein Niveau erreicht, das die Sauerstoffspeicherkapazität des Katalysators übersteigt. Ist der Katalysator in dem System "gut", d.h. solange er eine deutliche Sauerstoffspeicherkapazität aufweist, müssen größere A/F-Amplituden am Motor angelegt werden, um einen Modulationsdurchbruch zu verursachen, der von dem stromabwärtigen EGO-Sensor erkannt werden kann. Andererseits erkennt der untere EGO-Sensor, wenn der Katalysator schadhaft ist, einen Modulationsdurchbruch bereits bei einer wesentlich niedrigeren A/F-Amplitude. Da die so modulierte A/F-Amplitude erfindungsgemäß allmählich in Abhängigkeit von der Zeit gesteigert wird, kann das Sauerstoffspeichervermögen des Katalysators ganz einfach dadurch bestimmt werden, daß der Zeitraum gemessen wird, der erforderlich ist, bis der EGO-Sensor mit der Umschaltung beginnt, und zwar von dem Zeitpunkt ab, an dem die progressive A/F-Modulation eingeleitet wurde.
Im Betrieb erstellt der Motorsteuercomputer bei dieser Betriebsart ein Signal für die progressive A/F-Modulation, das dann auf das Kraftstoffdosiersystem des Motors angewandt wird. Der Computer ermittelt dann den Zeitraum, der vergeht, bis bei dem stromunterhalb des Katalysators angeordneten EGO-Sensor die Umschaltung bei Modulationsfrequenz einsetzt. Überschreitet dieser Zeitraum einen zuvor festgelegten Schwellenwert, wird angenommen, daß der Katalysator gut ist, und der Computer zeigt diesen Zustand durch Betätigen der Störungsanzeigelampe an. Ist der Zeitraum bis zum Beginn der Umschaltung des unteren EGO-Sensors kleiner als der festgelegte Schwellenwert, wird angenommen, daß der Katalysator schlecht ist. Ist der Zustand des Katalysators einmal festgestellt, braucht der Test nicht weitergeführt zu werden. Die A/F-Modulation kann daher ausgeschaltet werden, und die normale A/F-Regelung im geschlossenen Regelkreis kann wieder aufgenommen werden. Außerdem ist es wünschenswert, die A/F-Modulation so rasch wie möglich abzuschalten, um unerwünschte potentielle Drehmomentschwankungen des Motors zu vermeiden, die sonst bei größeren A/F-Modulationsamplituden auftreten können.
Ein deutlicher Vorteil einer künstlichen Amplitudenmodulation ist deren Fähigkeit vorauszusagen, wann sich der Katalysator seinem Ausfallpunkt nähert, d.h., sie kann den Verschleißgrad des Katalysators anzeigen. Es sei hier Bezug genommen auf Figur 11, die verschiedene Wellenformen für die gasförmigen Emissionen darstellt, wobei ein Teil der Figur für einen guten Katalysator gilt, der mittlere Teil für einen teilweise verbrauchten Katalysator gilt, und der rechte Teil für einen schlechten Katalysator gilt. Ausgehend von To reduziert der Bordcomputer den Verstärkungsfaktor des Rückkopplungssystems, so daß die Amplitude der Grenzzyklusschwingung für A/F im wesentlichen gleich Null ist. Der Computer "schließt" dabei auch einen Schalter und legt das (in Figur 2 dargestellte) A/F-Modulationssignal "k" an den Basisblock für die Kraftstoffberechnung an. Ebenfalls bei To schaltet der Computer sowohl den (ebenfalls in Figur 2 dargestellten) Schwellenwertgeber als auch den Zeitfenstergeber ein. Der Zeitfenstergeber ermittelt, ob das Ausgangssignal des stromabwärtigen EGO-Sensors in einem vorbestimmten Zeitraum einen besonderen Schwellenwert überschreitet. Dieser Zeitraum ist das Zeitfenster (T) in Figur 11. T entspricht der minimalen Sauerstoffspeicherzeit, die ein guter Katalysator aufweisen sollte. Übersteigt das Ausgangssignal des stromabwärtigen EGO-Sensors den gegebenen Schwellenwert während des Zeitfensterintervalls, muß der Katalysator für schadhaft befunden werden. Der Computer erzeugt dann ein Störungssignal und schließt den Test ab. Übersteigt das Ausgangssignal des stromabwärtigen EGO- Sensors den Schwellenwert während des Zeitfensterintervalls nicht, wird der Katalysator für gut befunden. Der Computer schließt dann den Test ab, ohne noch eine Störungsanzeige auszulösen. Es ist anzumerken, daß im linken Teil der Figur 11 der Durchbruch von einer befriedigenden Amplitude aus für den stromabwärtigen Sensor erst nach einem längeren Zeitraum während der Abfrageperiode auftritt, so daß der Katalysator hier den Test besteht. Dies zeigt sich nicht nur in der Wellenform des stromabwärtigen Sensors, sondern auch völlig eindeutig in bezug auf das Sensorausgangssignal, das keinerlei Schwankungen zeigt. Bei dem teilweise verschlissenen Katalysator dagegen erscheint das Spannungsdurchbruchsignal für den zweiten Sensor auch erst nachdem der Zeitraum für den Katalysator abgelaufen ist, zeigt jedoch, daß der Zeitraum dem Grenzwert relativ nahe kommt, ab welchem der Test nicht mehr bestanden wird. Dies zeigt den Grad der noch verbleibenden Sauerstoffspeicherkapazität des Katalysators an. Im rechten Teil der Figur 11 erscheint das Spannungsdurchbruchsignal für den stromabwärtigen Sensor vor dem Ablaufen des minimalen Zeitraumes, und somit wird befunden, daß der Katalysator den Test nicht bestanden hat.
Eine abgewandelte Form der Amplitudenmodulation ist in den Figuren 12-13 dargestellt. Das A/F-Verhältnis kann in verschiedenen Schritten erhöht werden, wovon sich jeder wie in Figur 12 dargestellt über mehrere Zyklen erstreckt. Der Vorteil der Erzeugung einer schrittweisen Steigerung ist, daß die Abfrage zu einem beliebigen Zeitpunkt unterbrochen werden kann (z.B. wenn die Betriebsbedingungen nicht mehr konstant sind), um dann bequem bei demselben Modulationspegel wieder aufgenommen zu werden, bei dem die Unterbrechung stattgefunden hat. Eine weitere Alternative der Amplitudenmodulation zeigt Figur 13. Das A/F-Verhältnis kann schrittweise erhöht werden, die Schritte können jedoch um Perioden normalen A/F-Grenzzyklusbetriebes von einander getrennt sein. Die so gewonnenen A/F-Modulationssignale weisen eine eigene Sekundärschwingung auf. Der wesentliche Vorteil einer solchen oszillierend zunehmenden Amplitudenmodulation ist, daß sie jeweils zwischen den verschiedenen Modulationsschritten stabilisierende Bereiche schafft, wodurch die Zuverlässigkeit und Genauigkeit des Katalysatortests potentiell verbessert wird. Diese letztere Art der Modulationswellenform ist besonders dann vorteilhaft, wenn der Testzyklus z.B. aufgrund einer vorübergehenden Abweichung der Betriebsbedingungen ins Inkonstante für eine gegebene Zeit innerhalb der Abfrageperiode unterbrochen wird.
Für die vorliegende Erfindung erforderliche A/F-Modulationstestsignale können erzeugt werden, (a) indem man den Motorsteuercomputer "selbständig" die nötige Modulation erzeugen läßt oder (b) einfach den Verstärkungsfaktor für das normale A/F-Rückkopplungssystem während des Testintervalls erhöht. Das autonome Verfahren hat den Vorteil, daß eine Modulationsfrequenz mit einem beliebigen Wert gewählt und so optimiert werden kann, daß sie mit der jeweils verwendeten besonderen Katalysatorformel in Einklang gebracht werden kann. Das Rückkopplungs-Verstärkungsfaktormodell dagegen kann dadurch vorteilhaft sein, daß es sehr einfach zum Einsatz gebracht werden kann, es muß jedoch jede auftretende Grenzzyklusfrequenz akzeptieren.
Die Impulssalve ("Burst") erstreckt sich vorzugsweise über einen Zeitraum von 18-20 Sekunden und wird vorteilhaft immer dann angewandt, wenn die Motorsteuerung in den Betrieb im geschlossenen Regelkreis zurückkehrt, und nur in stabilisierten Betriebsphasen des Motors, z.B. in einem Geschwindigkeitsbereich von 20-50 mph.
Beinhaltet die künstliche Modulation eine Amplitudenänderung, ist es vorzuziehen, die Amplitudenänderung über den Abfragezeitraum variabel zu gestalten und von einer im wesentlichen nahe Null liegenden Amplitude ausgehend bis zum Ende der Abfrageperiode allmählich bis über die Amplitude der Grenzzyklusfrequenz hinaus zu steigern, oder aber die Amplitudenänderung kann stufenweise oder sogar innerhalb dieser abgestuften Ausbildung unterbrochen gestaltet werden.

Claims

1. Verfahren zur Bordüberwachung der Wirkungsverschlechterung eines Kraftfahrzeug-Katalysators, welcher die Emissionen eines Motors aufnimmt und in einem geschlossenen Regelkreis mit Rückkopplung über eine in die Emissionen eintauchende Luft-Kraftstoff-Kennwert-Sonde angeordnet ist, wobei dieses Verfahren folgende Schritte enthält: (a) die künstliche Modulation der Frequenz und/oder der Amplitude des besagten geschlossenen Regelkreises über eine vorgegebene Burst-Periode (Pulsstoßperiode), ohne Änderung des mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, (b) Messen des Luft-Kraftstoff-Kennwertes durch einen im wesentlichen unmittelbar stromunterhalb des besagten Katalysators angeordneten unabhängigen Geber, jeweils bei Ereignissen vor und während besagter Burst- Periode; und (c) Ermitteln, ob keine wesentliche Änderung der unabhängig gemessen Luft-Kraftstoff-Kennwerte zwischen den Ereignissen vorliegt, was eine Wirkungsverschlechterung des Katalysators anzeigen würde; (d) wobei die künstlich festgesetzten Werte für die Frequenz und/oder Amplitude in Schritt (a) derart bemessen sind, daß zwischen den Ereignissen der unabhängig gemessenen Luft-Kraftstoff-Kennwerte eine meßbare Änderung eintritt, wenn der Katalysator in gutem Zustand ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, in welchem bei der besagten künstlichen Modulation die Sauerstoffbeaufschlagung des Katalysators während einer kurzen Katalysator-Abfrage-Periode derart geändert wird, daß die Sauerstoff-Absorptionscharakteristik des Katalysatorstoffes verstärkt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, in welchem die besagte wesentliche Änderung (i) eine Änderung des Grades der Frequenz und/oder Amplitude des von dem besagten unabhängigen Geber gemessenen Luft- Kraftstoff-Kennwertes ist, oder (ii) eine Änderung des Zeitraumes, bevor der unabhängige Geber wieder in einen zyklischen Meßbetrieb zurückkehrt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, in welchem die besagte künstliche Modulation eine Frequenzänderung beinhaltet.

5. Verfahren nach Anspruch 4, in welchem die besagte Frequenzänderung ein gleichförmiger fester Anstieg ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, in welchem der besagte Frequenzanstieg das 2- bis 3fache der normalen Grenzzyklusfrequenz der besagten Steuerung beträgt.

7. Verfahren nach Anspruch 4, in welchem die besagte Frequenzänderung im Bereich von 2-4 Hz liegt.

8. Verfahren nach Anspruch 4, in welchem die besagte Frequenzänderung ausreichend hoch ist, um einen oder mehrere der folgenden Punkte zu gewährleisten: (a) guten Umwandlungs-Wirkungsgrad des besagten Katalysators, so daß kein Anstieg der Emissionen, aber auch kein Verlust an Umwandlungswirkung entsteht; (b) die Emissionswerte durchlaufen beide Seiten des gewünschten Umwandlungsfensters; (c) das Signal-Störsignal-Verhältnis des unabhängigen Gebers beträgt mindestens 5; (d) der unabhängige Geber wird bei oder im Bereich der Stöchiometrie ohne Sättigung effektiv umgeschaltet.

9. Verfahren nach Anspruch 5, in welchem die besagte künstliche Modulation eine Amplitudenänderung beinhaltet, und diese Amplitudenänderung tief genug liegt, um (a) die Drehmomentschwankungen am Motorausgang zu minimieren, und (b) eine Abschwächung des unabhängigen Gebersignals durch Mischen der modulierten Emissionen im Katalysator zu verhindern.

10. Verfahren nach Anspruch 4, in welchem die besagte Frequenzänderung variierbar ist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, in welchem die besagte variierbare Frequenzänderung von einer über der Grenzzyklusfrequenz liegenden Frequenz in eine unter dieser Grenzzyklenfrequenz der Motorsteuerung liegende Frequenz abgeändert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1, in welchem der besagte Katalysator ein Dreiwegekatalysator ist, und der unabhängige Geber ein Sauerstoffsensor der Umschalter-Art ist.

13. Verfahren nach Anspruch 1, in welchem der besagte unabhängige Geber ein Kohlenwasserstoffsensor ist.

14. Verfahren nach Anspruch 1, in welchem die besagte künstliche Modulation eine Amplitudenänderung beinhaltet.

15. Verfahren nach Anspruch 14, in welchem die besagte Amplitudenänderung über die besagte Burst-Periode variierbar ist.

16. Verfahren nach Anspruch 15, in welchem die besagte variierbare Amplitudenänderung das allmähliche Steigern der besagten Amplitude von einem im wesentlichen nahe Null liegenden Wert auf einen über der Amplitude der Grenzzyklusfrequenz liegenden Amplitudenwert beinhaltet.

17. Verfahren nach Anspruch 15, in welchem die besagte variierbare Amplitudenänderung stufenweise gesteigert wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, in welchem die besagte stufenweise variierbare Amplitudenänderung bei einer oder mehreren dieser Stufen unterbrochen wird.

19. Verfahren nach Anspruch 15, in welchem die Amplitudenmodulation von einer Frequenz begleitet wird, die entweder der Grenzzyklusfrequenz der Steuerung entspricht oder 0,5-2,0 Hz beträgt, und in welchem der besagte Durchbruch so gefiltert wird, daß er nur dann eintritt, wenn (i) die Spannung am Sensorausgang über wenigstens drei Zyklen zwischen einem normalen hohen und einem tiefen Wert umschaltet, und (ii) die Luft-Kraftstoff-Amplitude das Sauerstoff-Speichervermögen des Katalysators übersteigt.

20. Verfahren nach Anspruch 1, in welchem die besagte Burst- Periode im Bereich zwischen 18 und 20 Sekunden liegt.

21. Verfahren nach Anspruch 1, in welchem die besagte Burst- Periode jedesmal dann eingeleitet wird, wenn der Motor beginnt, im geschlossenen Regelkreisbetrieb zu arbeiten.

22. Verfahren nach Anspruch 1, in welchem die besagte Burst- Periode nur dann eintritt, wenn der Motor im geschlossenen Regelkreisbetrieb arbeitet, und der Motor sich in einem stabilen Geschwindigkeitszustand befindet.

23. Verfahren nach Anspruch 22, in welchem die Abfrage- oder Burst-Periode abgebrochen wird, wenn eine wesentliche Änderung in dem stabilen Geschwindigkeitszustand des Motors während dieser Burst-Periode eintritt.

24. Verfahren nach Anspruch 1, in welchem der Grad der Abwesenheit in bezug auf einen Sollwert gemessen wird, so daß somit das Verhältnis der Sensorausgänge zueinander als Funktion des Umwandlungswirkungsgrades gekennzeichnet ist, und besagter Umwandlungswirkungsgrad kleiner als 50 % ist.

25. Verfahren nach Anspruch 1, in welchem Abwesenheitsgrade der besagten wesentlichen Änderung dem Grad der Wirkungsverschlechterung des Katalysators zugeordnet und auf ihn bezogen werden.

26. Verfahren nach Anspruch 1, in welchem keine Systemverbindung zwischen dem unabhängigen Geber und dem Rückkoppelungssensor besteht.

27. Verfahren nach Anspruch 1, in welchem die Signale des besagten unabhängigen Gebers und des Rückkoppelungsgebers unter Einsatz einer Überwachungs-Verstärkungsregelung integriert werden.

28. Verfahren nach Anspruch 1, in welchem die besagte Steuerung einen Proportional-Integral-Rechner und eine Verstärkungseinstellvorrichtung für die besagte verzögerte Steuerung aufweist, wobei der Verstärkungsfaktor des normalen Grenzzyklus von besagter Verstärkungseinstellvorrichtung während besagter Burst-Periode ausgeschaltet wird, um abrupte Stufensprünge im Betrieb der Steuerung zu vermeiden und somit ein Signal von dem unabhängigen Geber zu gewährleisten, das gleich ist dem Durchschnittswert des von dem Rückkoppelungssensor ausgehenden Signals, und um somit Unregelmäßigkeiten im Betrieb zu verhindern.