DE10011612A1 - Emissionsregelvorrichtung für einen Verbrennungsmotor - Google Patents

Emissionsregelvorrichtung für einen Verbrennungsmotor

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Abstract

Ein NOx-Absorptions-Reduktions-Katalysator (3), der NOx aus dem Abgas absorbiert, wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis des Abgases auf der mageren Seite liegt, und der NOx freisetzt und eine Reduktion von NOx bewirkt, wenn die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas abnimmt, ist in einer Abgasleitung (2) eines magerverbrennenden Verbrennungsmotors (1) vorgesehen. Ein selektiver Urea-Reduktions-Katalysator (4), der eine selektive Reduktion infolge der Zufügung von Urea bewirkt, ist ebenso vorgesehen. Die zwei Katalysatoren reinigen die Emissionen komplementär zueinander im wesentlichen über den gesamten Betriebsbereich des Verbrennungsmotors.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Emissionsregelvorrichtung für einen Verbrennungsmotor und insbesondere auf eine Vorrichtung zur wesentlichen Beseitigung von NOx und dergleichen aus dem Abgas, das aus einem Magerverbrennungsmotor ausgestoßen wird.
Eine Emissionsregelvorrichtung für einen Magerverbrennungsmotor wird beispielsweise in dem japanischen Patent Nr. 2605580 beschrieben.
Die Emissionsregelvorrichtung, die in dem japanischen Patent beschrieben wird, hat in einem Abgasstrang ein Absorptionsmittel, das NOx absorbiert, wenn das Luft- Kraftstoffverhältnis des Abgases, das einströmt, auf der mageren Seite des theoretischen Luft-Kraftstoffverhältnisses liegt, und dass das absorbierte NOx freisetzt, wenn die Sauerstoffkonzentration im einströmenden Abgas abnimmt. Um die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas zu verringern führt die Vorrichtung eine angefettete Impulsregelung durch, bei der Kraftstoff in den Verbrennungsmotor eingespritzt wird, um unverbranntes Gas zu erzeugen (Reduktionsmittel). Das bedeutet, dass aufgrund der angefetteten Impulsregelung ein Reduktionsmittel zum Verringern von NOx über den Verbrennungsmotor an das NOx-Absorptionsmittel geliefert wird.
Hinsichtlich einer Emissionsregelvorrichtung, die ein Reduktionsmittel von einem Verbrennungsmotor liefert, ist es wünschenswert, dass, wenn der Verbrennungsmotor ein Magermotor ist, der Verbrennungsmotor in einem mager verbrennenden Zustand betrieben wird, sogar bei hohen Drehzahlen und hohen Belastungen. Jedoch ist es in einem solchen Betriebszustand unmöglich, das Reduktionsmittel durch den angefetteten Impuls an das NOx-Absorptionsmittel (NOx-Katalysator) zu liefern.
Um ein kraftstoffreiches Luft-Kraftstoffverhältnis zu erzielen ist es notwendig, die Menge der Ansaugluft durch Reduzieren einer Drosselklappenöffnung zu verringern. Wenn jedoch ein solcher kraftstoffreicher Zustand hergestellt wird, wenn der Verbrennungsmotor bei einer hohen Drehzahl und einer hohen Last in der Magerverbrennungsbetriebsart arbeitet, wird die Verbrennung von Kraftstoff behindert, so dass Rauch erzeugt wird.
Um dieses Problem zu lösen kann die magere Kraftstoffverbrennung aufgegeben werden und stattdessen kann das stöchiometrische Luft-Kraftstoffverhältnis (theoretisches Luft-Kraftstoffverhältnis) eingestellt werden. Diese Lösung entfernt sich jedoch von der Verbesserung des sparsamen Umganges mit Kraftstoff, der durch die magere Verbrennung erzielt wurde, d. h. durch Anpassen eines mager verbrennenden Verbrennungsmotors.
Es kann ferner vorstellbar sein, einen selektiven Reduktionskatalysator vorzusehen, der HCs oder H als Reduktionsmittel verwendet. Jedoch erzielt der selektive Reduktionskatalysator, der HCs oder H als Reduktionsmittel verwendet in einem hohen Drehzahlbereich und einem hohen Lastzustand nur eine niedrige NOx-Beseitigungsrate.
Daher war es schwierig, NOx über den gesamten Verbrennungsmotorbetriebsbereich ausreichend zu entfernen.
Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Emissionsregelvorrichtung für einen Verbrennungsmotor zu schaffen, die in der Lage ist, NOx über einen möglichst breiten Betriebsbereich im Vergleich zum Stand der Technik im wesentlichen zu beseitigen.
Erfindungsgemäß ist eine Emissionsregelvorrichtung für einen Verbrennungsmotor dadurch gekennzeichnet, dass sie eine NOx- Absorptions-Reduktions-Katalysatorvorrichtung aufweist, die in einem Abgasstrang eines Magerverbrennungsmotors vorgesehen ist, wobei die NOx-Absorptions-Reduktions- Katalysatorvorrichtung NOx absorbiert, wenn ein Luft- Kraftstoffverhältnis eines Abgases von dem Verbrennungsmotor auf der mageren Seite eines theoretischen Luft- Kraftstoffverhältnisses liegt, und wobei die NOx-Absorptions- Reduktions-Katalysatorvorrichtung NOx freisetzt und eine Reduzierung von NOx hervorruft, wenn eine Sauerstoffkonzentration im Abgas abnimmt, und gekennzeichnet durch eine selektive Ammoniakverbindungs-Reduktions- Katalysatorvorrichtung, die eine selektive Reduktion infolge der Hinzufügung einer Ammoniakverbindung hervorruft.
Der Verbrennungsmotor, auf den die Erfindung angewandt wird, ist ein mager verbrennender Diesel- oder Benzinmotor-, der eine Direkteinspritzung in den Zylinder enthält.
Während des Betriebes des Verbrennungsmotors in einem mageren Verbrennungszustand wird die NOx-Absorptions-Reduktions- Katalysatorvorrichtung unfähig, NOx zu beseitigen, weil NOx, das in einem NOx-Absorptionsmittel absorbiert ist, nicht freigesetzt wird, und deshalb wird das NOx im Absorptionsmittel nicht reduziert. Jedoch dient der selektive Ammoniakverbindungs-Reduktions-Katalysator während einem Betriebszustand des Verbrennungsmotors im Hochlastbereich dazu, NOx im wesentlichen zu beseitigen. Deshalb erweitert die Emissionsregelvorrichtung der Erfindung den Betriebsbereich, bei dem NOx beseitigt wird, im Vergleich zu einer Vorrichtung, die einen NOx-Absorptions-Reduktions-Katalysator und sonst keinen anderen Katalysator verwendet.
Obwohl die Vorrichtung der Erfindung dazu gedacht ist, typischerweise in einer Konstruktion verkörpert zu werden, in der ein Reduktionsmittel über den Verbrennungsmotor an den NOx-Absorptions-Reduktions-Katalysator geliefert wird, ist die Erfindung ferner auf eine Vorrichtung einer Bauart anwendbar, bei der ein Reduktionsmittel in einen Abgasstrang geliefert wird, der mit einem Verbrennungsmotor verbunden ist, ohne, dass irgendein Problem dabei auftritt.
Die Emissionsregelvorrichtung kann ferner eine Betriebszustands-Erfassungsvorrichtung zur Erfassung eines Betriebszustandes des Verbrennungsmotors aufweisen, und eine Umschaltvorrichtung zum Ändern der Strömungsrichtung des Abgases entweder zu der NOx-Absorptions-Reduktions- Katalysatorvorrichtung oder der selektiven Ammoniakverbindungs-Katalysatorvorrichtung in Abhängigkeit von dem Betriebszustand des Verbrennungsmotors, der durch die Betriebszustands-Erfassungsvorrichtung erfasst wurde.
Wenn beispielsweise der Betriebszustand des Verbrennungsmotors, der durch die Betriebszustands- Erfassungsvorrichtung erfasst wird, ein Zustand ist, der unterhalb einer vorbestimmten hohen Drehzahl und einer vorbestimmten hohen Last liegt, wird der NOx-Absorptions- Reduktions-Katalysator ausgewählt, und wenn der erfasste Betriebszustand des Verbrennungsmotors einen Zustand mit der vorbestimmten hohen Drehzahl und der vorbestimmten hohen Belastung überschreitet, wird die selektive Ammoniakverbindungs-Reduktions-Katalysatorvorrichtung ausgewählt.
Der Betriebszustand, der erfasst werden soll, liegt in einem Betriebsbereich, bei dem der NOx-Absorptions-Reduktions- Katalysator nicht in der Lage ist, die Reduktion durchzuführen. In der Erfindung wird dann, wenn sich der Verbrennungsmotor in einem vorbestimmten hochlastigen und hochdrehzahligen Betriebszustand befindet, erwogen, dass die Reduktion undurchführbar ist und die Emissionsregelung wird durchgeführt, indem die selektive Ammoniakverbindungs- Reduktions-Katalysatorvorrichtung verwendet wird. Um den vorstehend erwähnten Betriebszustand zu erfassen, ist es deshalb möglich, Parameter zu verwenden, die direkt oder indirekt den undurchführbaren Reduktionsbereich des NOx- Absorptions-Reduktions-Katalysators anzeigen, wie beispielsweise die Motordrehzahl und/oder die Motorlast, oder die Luftansaugmenge, oder den Grad der Drosselklappenöffnung oder dergleichen.
Der NOx-Absorptions-Reduktions-Katalysator und der selektive Ammoniakverbindungs-Reduktions-Katalysator können in dem Abgasstrang in Serie angeordnet werden.
Bei dieser Anordnung ist es möglich, den selektiven Ammoniakverbindungs-Reduktions-Katalysator stromabwärts von dem NOx-Absorptions-Reduktions-Katalysator im Abgasstrang anzuordnen. Es ist auch möglich, den Selektiven Ammoniakverbindungs-Reduktions-Katalysator stromaufwärts des NOx-Absorptions-Reduktions-Katalysator im Abgasstrang anzuordnen.
Zusammen mit der seriellen Anordnung der Katalysatoren kann eine Bypass-Passage vorgesehen werden, die einen stromaufwärtigen Katalysator umgeht und das Abgas zum stromabwärtigen Katalysator leitet. Die Strömungsrichtung des Abgases wird durch eine Umschaltvorrichtung verändert, die die Bypass-Passage öffnet und schließt.
Der NOx-Absorptions-Reduktions-Katalysator und der selektive Ammoniakverbindungs-Reduktions-Katalysator können ferner parallel im Abgasstrang angeordnet werden.
Wenn die Katalysatoren parallel angeordnet, sind, kann ferner die Emissionsregelvorrichtung eine Konstruktion haben, bei der sich der Abgasstrang in einen ersten Abgasstrang und einen zweiten Abgasstrang gabelt, wobei der NOx-Absorptions- Reduktions-Katalysator im ersten Abgasstrang angeordnet ist, und der selektive Ammoniakverbindungs-Reduktions-Katalysator im zweiten Abgasstrang angeordnet ist, wobei ein Umschaltventil als Umschaltvorrichtung am Verzweigungspunkt zwischen dem ersten Abgasstrang und dem zweiten Abgasstrang angeordnet ist. In Abhängigkeit vom Betriebszustand wird wenigstens einer der ersten und zweiten Abgasstränge durch das Umschaltventil ausgewählt.
Die oben beschriebene Konstruktion ermöglicht es dem NOx- Absorptions-Reduktions-Katalysator und dem selektiven Ammoniakverbindungs-Reduktions-Katalysator komplementär zueinander in Abhängigkeit vom Betriebszustand zu funktionieren. Deshalb ist die Emissionsregelvorrichtung in der Lage, eine Emissionsregelung über einen breitest möglichen Betriebsbereich durchzuführen, im Vergleich zu einer Vorrichtung, die nur eine der Emissionsregelkatalysatoren verwendet.
Die Emissionsregelvorrichtung kann ferner eine hinzugefügte Ammoniakverbindungsmengenbestimmungsvorrichtung enthalten, um eine Menge der Ammoniakverbindung abzuschätzen, die dem selektiven Ammoniakverbindungs-Reduktions-Katalysator zugegeben werden muss, auf der Basis einer Menge an NOx, das im Abgas, das in den selektiven Ammoniakverbindungs- Reduktions-Katalysator strömt, und einer Ansaugluftmenge, die in den Verbrennungsmotor eingesaugt wird. Deshalb wird es möglich, eine Menge an Ammoniakverbindung, die hinzugefügt werden soll, einfach zu bestimmen.
Die Emissionsregelvorrichtung kann ferner eine Ammoniakverbindungserfassungsvorrichtung enthalten, um eine Ammoniakverbindung, die aus dem selektiven Ammoniakverbindungs-Reduktions-Katalysator entlassen wird, zu erfassen, und eine Regelvorrichtung zur Korrektur einer Menge der Ammoniakverbindung, die in einer geeigneten Menge zugefügt werden soll, auf der Basis einer Menge der Ammoniakverbindung, die durch die Ammoniakverbindungserfassungsvorrichtung erfasst wurde. Deshalb wird es möglich, die Regelung der Ammoniakverbindungsmenge, die zugefügt werden soll, genauer zu regeln, und deshalb die Emissionsregelung effektiver durchzuführen.
Beispiele der Ammoniakverbindung, d. h., eines Reduktionsmittels, das zusammen mit dem selektiven Ammoniakverbindungs-Reduktions-Katalysator verwendet wird, enthalten Urea, Ammoniumcarbamat und dergleichen.
Die vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Konstruktionen können im wesentlichen in irgendeiner Art und Weise miteinander kombiniert werden.
Die vorstehende Aufgabe und Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen offensichtlich, wobei gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um gleiche Elemente darzustellen.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispieles der Emissionsregelvorrichtung für einen Verbrennungsmotor der Erfindung.
Fig. 2A ist ein Diagramm, das eine NOx-Absorption und - Freisetzung zeigt, die durch den NOx-Absorptions-Reduktions- Katalysator durchgeführt werden, wobei sich das Luft- Kraftstoffverhältnis des einströmenden Abgases auf der mageren Seite des stöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnisses befindet.
Fig. 2B ist ein Diagramm, das die NOx-Absorption und - Freisetzung zeigt, die durch den NOx-Absorptions-Reduktions- Katalysator durchgeführt werden, wobei das Luft- Kraftstoffverhältnis des einströmenden Abgases auf dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnis oder auf der fetten Seite davon liegt.
Fig. 3 ist ein Diagramm, das schematisch die Konzentrationen von unverbrannten HCs, CO und Sauerstoff im Abgas zeigt, das von dem Verbrennungsmotor ausgestoßen wird.
Fig. 4 ist ein Diagramm, das Emissionsregelbereiche der Katalysatoren im Verhältnis zur Motordrehzahl und Motorlast darstellt.
Fig. 5 ist ein Diagramm, das ein Verhältnis zwischen der Abgastemperatur und der Emissionsregelrate zeigt.
Fig. 6 stellt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung dar.
Fig. 7 stellt ein drittes Ausführungsbeispiel dar.
Fig. 8 stellt ein viertes Ausführungsbeispiel dar.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung detailliert unter Bezugnahme auf die dazugehörigen Zeichnungen beschrieben. Die Ausführungsbeispiele verwenden Urea als eine Ammoniakverbindung.
Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 5 beschrieben.
Gemäß Fig. 1 sind ein NOx-Absorptions-Reduktions-Katalysator 3 und ein selektiver Urea-Reduktions-Katalysator 4, d. h. ein selektiver Ammoniakverbindungs-Reduktions-Katalysator, in Serie in einem Abgasrohr 2 eines direkt einspritzenden mager verbrennenden Benzinmotors 1 angeordnet.
Hinsichtlich des Verbrennungsmotors 1 wird eine Kraftstoffeinspritzdauer TAU nach der folgenden Gleichung berechnet:

TAU = TP . K
In der obigen Gleichung stellt TP eine Basiskraftstoffeinspritzdauer dar und K stellt einen Korrekturkoeffizienten dar. Die Basiskraftstoffeinspritzdauer TP ist eine Kraftstoffeinspritzdauer, die benötigt wird, um das theoretische Luft-Kraftstoffverhältnis in dem Gemisch, das in den Zylinder geliefert wird, zu erzielen. Die Basiskraftstoffeinspritzdauer TP wird vorher durch Experimente bestimmt und wird in einem ROM als eine Funktion der Motorlast Q/N (Menge an Ansaugluft Q/Motordrehzahl N) und der Motordrehzahl N in Gestalt einer Tabelle vorab gespeichert.
Der Korrekturkoeffizient K ist ein Koeffizient zur Steuerung des Luft-Kraftstoffverhältnisses des Gemisches, das in den Zylinder des Verbrennungsmotors geliefert wird. Wenn K = 1,0, dann wird das Luft-Kraftstoffverhältnis des Gemisches, das in den Zylinder des Verbrennungsmotors geliefert wird, gleich dem theoretischen Luft-Kraftstoffverhältnis. Wenn K < 1,0, wird das Luft-Kraftstoffverhältnis des Gemisches, das in den Zylinder des Verbrennungsmotors geliefert wird, größer als das theoretische Luft-Kraftstoffverhältnis, d. h., das Gemisch wird mager. Wenn K < 1,0 wird, wird das Luft-Kraftstoffverhältnis des Gemisches, das in den Zylinder des Verbrennungsmotors geliefert wird, geringer als das theoretische Luft- Kraftstoffverhältnis, d. h., das Gemisch wird fett.
In dem Verbrennungsmotor 1 wird der Korrekturkoeffizient K auf einen Wert eingestellt, der niedriger als 1,0 ist, um eine magere Luft-Kraftstoffverhältnissteuerung in einem niedrigen bis mittleren Motorlastbetriebsbereich durchzuführen. In einem Hochlastbetriebsbereich des Motors, während der Aufwärmphase des Verbrennungsmotors nach dem Starten, während einer Beschleunigung oder während einer konstanten Geschwindigkeit des Fahrzeuges von beispielsweise 120 km/h oder mehr, wird der Korrekturkoeffizient K auf 1,0 eingestellt, um einen stöchiometrischen Betrieb durchzuführen. In einem Volllastbetriebsbereich des Verbrennungsmotors wird der Korrekturkoeffizient K auf einen Wert größer als 1,0 eingestellt, um eine fette Luft-Kraftstoffverhältnissteuerung durchzuführen.
Normalerweise wird der Verbrennungsmotor am häufigsten bei niedrigen bis mittleren Belastungen betrieben, so dass größtenteils während des Betriebes des Verbrennungsmotors der Korrekturkoeffizient K auf weniger als 1,0 eingestellt wird und deshalb ein mageres Kraftstoffgemisch verbrannt wird.
Der NOx-Absorptions-Reduktions-Katalysator 3 hat einen Träger, beispielsweise einen Aluminiumträger, der mit einem Edelmetall wie beispielsweise Platin Pt oder dergleichen und mit wenigstens einem Element aus der Gruppe von beispielsweise Alkalimetallen, wie beispielsweise Potassium (K), Natrium (Na), Lithium (Li), Cäsium (Cs) und dergleichen, aus alkalischen Erden, wie beispielsweise Barium (Ba), Kalzium (Ca) und dergleichen und aus seltenen Erden wie beispielsweise Lanthan (La), Yttrium (Yi) und dergleichen ausgewählt ist. Im nachfolgenden wird das Verhältnis zwischen der Luft und dem Kraftstoff (Kohlenwasserstoffen), das in die Ansaugpassage des Verbrennungsmotors 1 und in einen Abschnitt des Abgasstranges stromaufwärts des NOx-Absorptions-Reduktions-Katalysator 3 geliefert wird, als das Luft-Kraftstoffverhältnis des Abgases bezeichnet, das in den NOx-Absorptions-Reduktions-Katalysator 3 einströmt. Wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis des einströmenden Abgases auf der mageren Seite des theoretischen Luft-Kraftstoffverhältnisses liegt, absorbiert der NOx- Absorptions-Reduktions-Katalysator 3 das NOx. Wenn die Sauerstoffkonzentration in dem einströmenden Abgas abnimmt, setzt der NOx-Absorptions-Reduktions-Katalysator 3 das absorbierte NOx frei.
In einem Fall, in dem kein Kraftstoff (Kohlenwasserstoffe) oder keine Luft in den Abschnitt des Abgasstranges stromaufwärts des NOx-Absorptions-Reduktions-Katalysators 3 geliefert wird, gleicht sich das Luft-Kraftstoffverhältnis des einströmenden Abgases an das Luft-Kraftstoffverhältnis des Gemisches, das in die Verbrennungskammer geliefert wird, an. In diesem Fall absorbiert deshalb der NOx-Absorptions- Reduktions-Katalysator 3 das NOx, wenn das Luft- Kraftstoffverhältnis des Gemisches, das in die Verbrennungskammer geliefert wird, auf der mageren Seite des theoretischen Luft-Kraftstoffverhältnisses liegt, und der NOx- Absorptions-Reduktions-Katalysator 3 setzt das absorbierte NOx frei, wenn die Sauerstoffkonzentration in dem Gemisch, das an die Verbrennungskammer geliefert wird, abnimmt.
Es wird erwogen, dass die Absorption und Reduktion des NOx, die durch den NOx-Absorptions-Reduktions-Katalysator 3 hervorgerufen werden, durch einen Mechanismus auftritt, wie er in den Fig. 2A und 2B dargestellt ist. Obwohl der Mechanismus im Falle einer Katalysatorvorrichtung dargestellt ist, bei der ein Träger mit Platin (Pt) oder Barium (Ba) beschickt ist, trifft der gleich Mechanismus im wesentlichen auf einen Katalysator zu, der ein anderes Edelmetall als Platin oder ein alkalisches Metall, eine alkalische Erde, oder eine seltene Erde enthält.
Wenn das Abgas merklich mager wird, nimmt die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas beträchtlich zu, so dass sich Sauerstoff (O2) auf den Oberflächen von Platin (Pt) in der Gestalt von O2 - oder O2- ablagert, wie in Fig. 2A dargestellt ist. Stickoxide No, die in dem Abgas enthalten sind, reagieren mit O2 - oder O2- auf den Oberflächen von Platin (Pt), um NO2 zu erzeugen (2NO + O2 → 2NO2).
Solange die NOx-Absorptionskapazität des NOx-Absorptions- Reduktions-Katalysators 3 nicht gesättigt ist, wird NO2, das wie vorstehend beschrieben erzeugt wurde, in dem Katalysator absorbiert, während auf dem Platin (Pt) eine Oxidation stattfindet, und es bindet sich zu Bariumoxid (BaO) und anschließend diffundiert es in der Gestalt von Nitrationen (NO3 -) in den NOx-Absorptions-Reduktions-Katalysator 3. Auf diese Art und Weise wird NOx in dem NOx-Absorptions- Reduktions-Katalysator 3 absorbiert.
Wenn jedoch die Sauerstoffkonzentration im Abgas abnimmt verringert sich ferner die Produktion von NO2, so dass durch eine Reaktion, die in die entgegengesetzte Richtung zu jener vorstehend beschriebenen verläuft, Nitrationen (NO3 -) von dem NOx-Absorptions-Reduktions-Katalysator 3 in der Gestalt von NO2 oder NOx freigesetzt werden.
D. h., NOx wird von dem NOx-Absorptions-Reduktions-Katalysator 3 freigesetzt, wenn die Sauerstoffkonzentration im Abgas abnimmt. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, nimmt die Sauerstoffkonzentration beim einströmenden Abgas ab, wenn der Grad der Magerkeit des Abgases, das in den NOx-Absorptions- Reduktions-Katalysator 3 strömt, abnimmt. D. h., dass durch Verringern der Magerkeit des einströmenden Abgases NOx von dem NOx-Absorptions-Reduktions-Katalysator 3 freigesetzt wird, sogar wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis des einströmenden Abgases auf der mageren Seite des theoretischen Luft- Kraftstoffverhältnisses liegt.
Wenn sich das Luft-Kraftstoffverhältnis des Gemisches, das in die Verbrennungskammer geliefert wird, zum stöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnis oder zur fetten Seite davon ändert und wenn sich dementsprechend das Luft-Kraftstoffverhältnis des Abgases zum stöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnis oder zur fetten Seite davon verändert, werden große Mengen von unverbrannten HCs und CO aus dem Verbrennungsmotor ausgestoßen, wie in Fig. 3 gezeigt ist. In diesem Fall oxidieren unverbrannte HCs und CO unmittelbar durch die Reaktionen mit O2 - oder O2- auf dem Platin (Pt).
Des weiteren wird die Sauerstoffkonzentration im Abgas sehr niedrig, wenn sich das Luft-Kraftstoffverhältnis des Abgases, das in den NOx-Absorptions-Reduktions-Katalysator 3 einströmt, zum stöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnis oder zur fetten Seite davon verschiebt, so dass der NOx-Absorptions- Reduktions-Katalysator 3 NO2 oder NO freisetzt. Das auf diese Weise freigesetzte NO2 oder NO wird durch die Reaktionen mit unverbrannten HCs und CO reduziert, wie in Fig. 2B dargestellt ist. Wenn auf diese Weise NO2 oder NO auf Platin (Pt) beseitigt wird, setzt der Katalysator NO2 oder NO sukzessive frei. Deshalb setzt der NOx-Absorptions-Reduktions-Katalysator 3 NOx in einer kurzen Zeit frei, indem das Luft-Kraftstoffverhältnis des Abgases, das in den NOx-Absorptions-Reduktions-Katalysator 3 hineinströmt, zur fetten Seite des theoretischen Luft- Kraftstoffverhältnisses hin geändert wird. Wenn unverbrannte HCs und CO übrig bleiben, nachdem das O2 - oder O2- auf dem Platin (Pt) verbraucht ist, werden NOx, das von dem NOx- Absorptions-Reduktions-Katalysator 3 freigesetzt wurde, und NOx, das von dem Verbrennungsmotor 1 ausgestoßen wird, durch die übriggebliebenen unverbrannten HCs und CO reduziert.
Deshalb wird das in dem NOx-Absorptions-Reduktions-Katalysator 3 absorbierte NOx in einer kurzen Zeit freigesetzt, indem das Luft-Kraftstoffverhältnis des Abgases, das in den NOx- Absorptions-Reduktions-Katalysator 3 einströmt, zur fetten Seite hin verschoben wird. Des weiteren wird das auf diese Weise freigesetzte NOx reduziert, so dass die Emission von NOx in die Atmosphäre verhindert wird.
Ferner kann NOx, das von dem NOx-Absorptions-Reduktions- Katalysator 3 freigesetzt wurde, auch durch Verschieben des Luft-Kraftstoffverhältnisses des Abgases, das in den Katalysator 3 einströmt, auf das theoretische Luft- Kraftstoffverhältnis reduziert werden, da der NOx-Absorptions- Reduktions-Katalysator 3 ebenso die Funktion eines Reduktionskatalysators hat. Wenn jedoch das Luft- Kraftstoffverhältnis des einströmenden Abgases zum theoretischen Luft-Kraftstoffverhältnis verschoben wird, setzt der NOx-Absorptions-Reduktions-Katalysator 3 das NOx nur allmählich frei, so dass es eine lange Zeit erfordert, um die gesamte Menge des in dem NOx-Absorptions-Reduktions- Katalysator 3 absorbierten NOx freizusetzen.
Durch Verringern der Magerkeit des in den NOx-Absorptions- Reduktions-Katalysator 3 einströmenden Abgases wird NOx von dem NOx-Absorptions-Reduktions-Katalysator 3 freigesetzt, sogar wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis des darin einströmenden Abgases auf der mageren Seite des theoretischen Luft-Kraftstoffverhältnisses liegt. Deshalb kann NOx von dem NOx-Absorptions-Reduktions-Katalysator 3 freigesetzt werden, indem lediglich die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas, das in den Katalysator 3 einströmt, verringert wird.
Der selektive Urea-Reduktions-Katalysator 4 wird durch Hinzufügung von Urea zu einem NOx-Katalysator für eine selektive Reduktion gebildet. Ein Beispiel des hier erwähnten NOx-Katalysators ist ein Zeolitkatalysator, der ein Oxid eines Übergangselementes der vierten, fünften oder sechsten Periode und/oder eines Oxides einer seltenen Erde enthält. Ein bevorzugteres Beispiel ist ein Katalysator, bei dem Al2O3 mit Ti und V geladen ist.
Wenn eine wässrige Lösung des Urea dem Katalysator hinzugefügt wird, werden Oxide von Stickstoff im Abgas bei einer vorbestimmten Abgastemperatur gemäß der folgenden Reaktionsgleichungen reduziert:
(NH2)2CO + H2O → 2NH3 x + CO2
4NH3 x + 4NO + O2 → 4N2 6H2O
Um zu bewirken, dass der NOx-Absorptions-Reduktions- Katalysator 3 und der selektive Urea-Reduktions-Katalysator 4 komplementär zueinander funktionieren, verwendet diese Ausführungsbeispiel einen NOx-Sensor 5 und ein Urea-Zufüge- Steuerungsventil 6, die in einem Abschnitt des Abgasstranges 2 vorgesehen sind, der sich stromabwärts des NOx-Absorptions- Reduktions-Katalysators 3 und stromaufwärts des selektiven Urea-Reduktions-Katalysators 4 befindet. Der NOx-Sensor 5 ist unmittelbar stromabwärts von dem NOx-Absorptions-Reduktions- Katalysator 3 und stromaufwärts von dem Urea-Zufüge- Steuerungsventil 6 angeordnet. Ferner ist ein Katalysator- Einströmungsgastemperatursensor 7 unmittelbar stromaufwärts von dem selektiven Urea-Reduktions-Katalysator 4 angeordnet und ein Ammoniaksensor 8 ist stromabwärts von dem selektiven Urea-Reduktions-Katalysator 4 angeordnet.
Der NOx-Sensor 5, das Urea-Zufüge-Steuerungsventil 6, der Katalysator-Einströmungsgastemperatursensor 7 und der Ammoniaksensor 8 werden elektrisch mit einer Steuereinheit (ECU) 9 verbunden, die durch einen Computer gebildet wird. Ein Motordrehzahlsensor zur Erfassung der Drehzahl des Verbrennungsmotors 1 ist ebenso vorgesehen und mit der Steuerungseinheit (ECU) 9 verbunden.
Auf der Basis der Information dieser Sensoren und dergleichen werden die Zustände der Katalysatoren und deshalb der Betrieb des Verbrennungsmotors 1 erfasst. Eine Betriebszustandserfassungsvorrichtung 10 zur Erfassung des Betriebszustandes des Verbrennungsmotors 1 auf der Basis der von den Sensoren und dergleichen eingegebenen Daten, wird in dem Computer der Steuereinheit (ECU) 9 realisiert. Ferner wird eine Urea-Zufügemengensteuerungsvorrichtung 11 zur Ausgabe einer Urea-Zufüge-Anweisung an das Urea-Zufüge- Steuerungsventil 6 in Abhängigkeit von dem erfassten Betriebszustand und unter Steuerung der Menge des zugefügten Ureas im Computer der Steuereinheit (ECU) 9 realisiert. Ein Reduktionsmittelindikator 12, der dann, wenn Urea durch die Urea-Zufügemengensteuerungsvorrichtung 11 zugefügt wird, einem Fahrer anzeigt, dass Urea zugefügt wird, ist in einer Anzeigetafel oder dergleichen 13 vorgesehen.
Der NOx-Sensor 5 erfasst die Konzentration von NOx im Abgas, das von dem NOx-Absorptions-Reduktions-Katalysator 3 ausgegeben wird, d. h., die NOx-Konzentration im Abgas, das in den selektiven Urea-Reduktions-Katalysator 4 strömt. Die Urea- Zufügemengensteuerungsvorrichtung 11 enthält eine Urea- Zufügemengen-Bestimmungsvorrichtung zur Bestimmung einer Menge an NOx, das von dem Verbrennungsmotor 1 abgegeben wird, auf der Basis der durch den NOx-Sensor 5 erfassten NOx- Konzentration und der Luftmenge, die durch einen Luftströmungsmesser (nicht gezeigt) erfasst wird und dazu bestimmt ist, auf der Grundlage der erfassten NOx-Menge eine Menge an Urea abzuschätzen, die dem selektiven Urea- Reduktions-Katalysator 4 zugefügt werden muss. Die Urea- Zufügemengen-Steuerungsvorrichtung 11 gibt eine Anweisung aus, eine Menge an Urea in Abhängigkeit von dem durch die Urea- Zufügemengen-Bestimmungsvorrichtung abgeschätzten Wert zuzufügen.
Um die Menge an Urea abzuschätzen ist es vorteilhaft, diese als Tabelle in einem ROM vorab zu speichern, die ein vorbestimmtes Verhältnis zwischen der erfassten Menge an NOx und der Menge an Urea, die zugefügt werden soll, darstellt.
Statt der Verwendung des NOx-Sensors 5 ist es ferner möglich, einen Gaspedalherabdrückungsgrad zu verwenden (der deshalb durch die Kraftstoffeinspritzmenge ersetzt werden kann), die Motordrehzahl und die Menge an EGR (Abgasrückführung), die durch eine EGR-Steuervorrichtung vorgesehen ist, um die Menge an NOx abzuschätzen. Die Menge an in den Verbrennungsmotor 1 angesaugter Luft kann ferner auf der Grundlage des Ausmaßes der Drosselklappenöffnung bestimmt werden, anstelle der Erfassung durch den Luftströmungsmesser.
Der Katalysator-Einströmungsgastemperatursensor 7 dient als eine Katalysatortemperaturerfassungsvorrichtung zur Erfassung der Temperatur des Abgases, das in den selektiven Urea- Reduktions-Katalysator 4 einströmt. Auf der Grundlage der erfassten Abgastemperatur kann ein Aktivierungszustand des selektiven Urea-Reduktions-Katalysators 4 bestimmt werden.
Wenn die Temperatur des in den Katalysator 4 einströmenden Abgases relativ niedrig ist, ist die Abgassteuerungsfähigkeit des Katalysators 4 niedrig, so dass die Menge an zugefügtem Urea durch die Urea-Zufügemengen-Steuerungsvorrichtung 11 verringert wird. Ein Verhältnis zwischen der Temperatur des Abgases, das in den Katalysator 4 einströmt, und der Menge an zugefügtem Urea ist als eine Tabelle in dem ROM vorab eingespeichert.
Der Ammoniaksensor 8 wird zur Korrektur der Menge an Urea, die zugefügt werden soll, verwendet. D. h., wenn Ammoniak durch den Ammoniaksensor 8 erfasst wird, der stromabwärts des selektiven Urea-Reduktions-Katalysators 4 angeordnet ist, bedeutet die Erfassung, dass die Menge an zugefügtem Urea zu groß ist im Vergleich zur Menge an NOx. Deshalb ist eine Rückkopplungssteuerungsvorrichtung vorgesehen, um die Menge an Ammoniak, die durch den Ammoniaksensor 8 erfasst wurde, zurück zur Urea-Zufügemengen-Steuerungsvorrichtung 11 zu führen und dadurch die Menge an Urea, die zugefügt werden soll auf eine geeigneten Sollwert zu korrigieren. Die Rückkopplungssteuerungsvorrichtung wird als ein Abschnitt der Urea-Zufügemengen-Steuerungsvorrichtung 11 im Computer der Steuereinheit (ECU) 9 realisiert.
Nachstehend wird eine Emissionssteuerung gemäß dem Ausführungsbeispiel beschrieben.
Als Ergebnis der Kraftstoffverbrennung im Zylinder während dem Betrieb des Verbrennungsmotors 1 wird Abgas aus dem Verbrennungsmotor 1 ausgestoßen und strömt durch die Abgasleitung 2 sequentiell über den NOx-Absorptions- Reduktions-Katalysator 3 und den selektiven Urea-Reduktions- Katalysator 4 und strömt anschließend durch den nicht gezeigten Schalldämpfer. Somit wird Abgas in die Atmosphäre abgegeben.
Dieses Ausführungsbeispiel reinigt die Emissionen über einen breitest möglichen Betriebsbereich des Verbrennungsmotors durch den selektiven Urea-Reduktions-Katalysator 4, der in einem Hochlast- und Hochdrehzahlbereich funktioniert, der hinter dem Emissionssteuerbereich des NOx-Absorptions- Reduktions-Katalysators 3 liegt.
Während der Betriebszustand des Verbrennungsmotors nicht in einem vorbestimmten Hochlast- und Hochdrehzahlbereich liegt, wird die Emissionssteuerung durch wiederholtes Bewirken der Absorption und Reduktion von NOx in dem NOx-Absorptions- Reduktions-Katalysator 3 gemäß dem oben beschriebenen Prinzip durchgeführt. D. h., wenn NOx von dem NOx-Absorptions- Reduktions-Katalysator 3 freigesetzt wird, wird das Luft- Kraftstoffverhältnis des Abgases zur fetten Seite hin verschoben, so dass NOx, das freigesetzt wird, durch den NOx- Absorptions-Reduktions-Katalysator 3 reduziert wird.
Wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis auf der fetten Seite eingestellt ist, indem beispielsweise die Drosselklappenöffnung reduziert wird, um die Menge an Ansaugluft zu verringern, wenn der Betrieb des Verbrennungsmotors 1 im vorbestimmten Hochlast- und Hochdrehzahlbereich liegt, entlässt die auf diese Weise verringerte Menge an Ansaugluft (Sauerstoffmenge) etwas unverbrannten Kraftstoff, so dass ein im allgemeinen als Rauch bezeichneter Qualm erzeugt wird. Deshalb kann die Reduktion von NOx im vorbestimmten Hochlast- und Hochdrehzahlbetriebsbereich nicht im NOx-Absorptions- Reduktions-Katalysator 3 durchgeführt werden.
In Reaktion auf die Betriebszustandserfassungsvorrichtung 10, die feststellt, dass sich der Motor 1 in dem vorstehend beschriebenen Betriebszustand befindet, gibt die Urea- Zufügemengen-Steuerungsvorrichtung 11 eine Ureazufügeanweisung an das Ureazufügesteuerventil 6 aus, so dass die wässrige Lösung des Urea von dem Ureazufügesteuerventil 6 eingespritzt wird. Deshalb wird die Emissionssteuerung gemäß dem oben beschriebenen Prinzip durchgeführt.
Inzwischen wird die Konzentration an aus dem NOx-Absorptions- Reduktions-Katalysator 3 ausströmenden, nicht durch ihn behandelten, NOx durch den NOx-Sensor 5 erfasst. Infolge der Eingabe des durch den NOx-Sensor 5 erfassten Wertes bestimmt die Urea-Zufügemengensteuerungsvorrichtung 11 der Steuereinheit (ECU) 9 die Menge an NOx, das von dem Verbrennungsmotor 1 auf der Grundlage der NOx-Konzentration und der Menge an in den Verbrennungsmotor 1 angesaugten Luft ausgestoßen wurde. Auf der Basis der somit bestimmten Menge an NOx schätzt die Urea-Zufügemengen-Steuervorrichtung 11 eine Menge an Urea ab, die dem selektiven Urea-Reduktions- Katalysator 4 zugefügt werden soll, indem die Urea- Zufügemengen-Bestimmungsvorrichtung verwendet wird. Die Urea- Zufügemengen-Steuervorrichtung 11 weist dann das Ureazufügesteuerventil 6 an, eine Menge an Urea in Abhängigkeit von dem abgeschätzten Wert zuzufügen.
Des weiteren wird die Temperatur des in den NOx-Sensor 5 einströmenden Gases durch den Katalysatoreinströmungsgastemperatursensor 7 gemessen. In Abhängigkeit von der Größe der erfassten Einströmungsgastemperatur ändert die Urea-Zufügemengen- Steuervorrichtung 11 der Steuereinheit (ECU) 9 die Menge an Urea, das zugefügt werden soll.
Des weiteren wird die Ammoniakkonzentration in dem Gas, das aus dem selektiven Urea-Reduktions-Katalysator 4 strömt, durch den Ammoniaksensor 8 erfasst. Auf der Basis des durch den Ammoniaksensor 8 erfassten Wertes korrigiert die Rückkopplungssteuervorrichtung der Urea-Zufügemengen- Steuervorrichtung 11 die Menge an Kraftstoff, der zugefügt werden soll, in einer solchen Richtung, dass die Ammoniakkonzentration in dem Abgas, das aus dem selektiven Urea-Reduktions-Katalysator 4 herausströmt, abnehmen wird.
In der vorstehend beschriebenen Art und Weise wird die Emissionssteuerung durch den NOx-Absorptions-Reduktions- Katalysator 3 und den selektiven Urea-Reduktions-Katalysator 4 durchgeführt. Das Komplementärverhältnis zwischen dem NOx- Absorptions-Reduktions-Katalysator 3 und dem selektiven Urea- Reduktions-Katalysator 4 ist in Fig. 4 gezeigt. In Fig. 4 zeigt "A" einen Bereich an, in dem der NOx-Absorptions- Reduktions-Katalysator 3 in der Lage ist, eine Emissionssteuerung durchzuführen, und "B" zeigt einen Bereich an, in dem der selektive Urea-Reduktions-Katalysator 4 in der Lage ist, eine Emissionssteuerung durchzuführen.
Fig. 5 zeigt Verhältnisse zwischen der Abgastemperatur und der Steuerungsrate in dem NOx-Absorptions-Reduktions-Katalysator 3 und dem selektiven Urea-Reduktions-Katalysator 4. In Fig. 5 bezeichnet "A" einen Bereich, in dem der NOx-Absorptions- Reduktions-Katalysator 3 in der Lage ist eine Emissionssteuerung durchzuführen, und "B" zeigt einen Bereich in dem der selektive Urea-Reduktions-Katalysator 4 in der Lage ist, eine Emissionssteuerung durchzuführen. Wie anhand von Fig. 5 verstanden werden kann, funktioniert der NOx- Absorptions-Reduktions-Katalysator 3 in einem relativ niedrigen Abgastemperaturbereich und der selektive Urea- Reduktions-Katalysator 4 funktioniert in einem relativ hohen Abgastemperaturbereich.
In diesem Ausführungsbeispiel kann das Positionsverhältnis zwischen dem NOx-Absorptions-Reduktions-Katalysator 3 und dem selektiven Urea-Reduktions-Katalysator 4 umgekehrt werden.
Ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel wird unter Bezugnahme auf Fig. 6 beschrieben.
Das Ausführungsbeispiel, das in Fig. 6 gezeigt ist, hat eine Startkatalysatorvorrichtung 21, zusätzlich zu einer Konstruktion, wie sie in Verbindung mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde. Die Startkatalysatorvorrichtung 21 ist ein NOx-Katalysator, der in einem Abschnitt einer Abgasleitung 2 vorgesehen ist, der so nah wie möglich am Verbrennungsmotor liegt. Die Startkatalysatorvorrichtung 21 ist in der Lage, NOx im wesentlichen von dem Abgas des Verbrennungsmotors zu entfernen, bevor der NOx-Absorptions-Reduktions-Katalysator 3 nach dem Start des Verbrennungsmotors aufgewärmt ist. Da die Startkatalysatorvorrichtung 21 in einem am Verbrennungsmotor benachbarten Abschnitt der Abgasleitung 2 angeordnet ist, die sich stromaufwärts eines NOx-Absorptions-Reduktions- Katalysators 3 erstreckt, wird die Startkatalysatorvorrichtung 21 durch das Abgas schnell auf einen Steuertemperaturbereich erhitzt, nachdem der Motor gestartet wurde.
Nachfolgend wird ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 7 beschrieben.
Eine Emissionssteuervorrichtung des Ausführungsbeispieles, das in Fig. 7 gezeigt ist, hat eine Bypassleitung 31, die einen stromaufwärts, seitlich angeordneten NOx-Absorptions- Reduktions-Katalysator 3 umgeht und Abgas zu einem stromabwärts angeordneten Katalysator leitet, zusätzlich zu einer Konstruktion, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist. Ein Verzweigungspunkt zwischen der Bypassleitung 31 und einem Abgasrohr 2 ist mit einer Umschaltvorrichtung versehen, d. h., einem Umschaltventil 32, das den Abgasströmungsweg durch Schließen und Öffnen der Bypassleitung 31 ändert.
Das Umschaltventil 32 ist ein elektromagnetisches Ventil, das elektrisch mit einer Steuereinheit (ECU) 9 verbunden und dadurch gesteuert wird. Wenn durch eine Betriebszustandserfassungsvorrichtung 10 festgestellt wird, dass der vorliegende Betriebsbereich eines Verbrennungsmotors ein solcher Bereich ist, in dem der NOx-Absorptions- Reduktions-Katalysator 3 in der Lage ist, zu funktionieren, schließt das Umschaltventil 32 die Bypassleitung 31, so dass das Abgas zu dem NOx-Absorptions-Reduktions-Katalysator 3 strömt. Wenn sie feststellt, dass der Betrieb des Motors zu eine Hochlast- und Hochdrehzahlbereich verschoben wurde, öffnet das Umschaltventil 32 die Bypassleitung 31 und schließt die Abgasleitung, die sich zu dem NOx-Absorptions-Reduktions- Katalysator 3 erstreckt, so dass das Abgas über die Bypassleitung 31 zu dem selektiven Urea-Reduktions-Katalysator 4 strömt.
Deshalb weist die Steuereinheit (ECU) 9 das Umschaltventil 32 an, die Bypassleitung 31 zu schließen, wenn der Betriebszustand des Verbrennungsmotors, der durch die Betriebszustandserfassungsvorrichtung 10 erfasst wurde, nicht der Hochlast- und Hochdrehzahlbereich ist, so dass das Abgas in den NOx-Absorptions-Reduktions-Katalysator 3 strömt. Wenn der Betriebszustand des Verbrennungsmotors, der durch die Betriebszustandserfassungsvorrichtung 10 erfasst wird, im Hochlast- und Hochdrehzahlbereich liegt, weist die Steuereinheit (ECU) 9 das Umschaltventil 32 an, die Bypassleitung 31 zu öffnen und die Abgasleitung zu schließen, die sich zu dem NOx-Absorptions-Reduktions-Katalysator 3 erstreckt, so dass das Abgas über die Bypassleitung 31 unmittelbar zu dem selektiven Urea-Reduktions-Katalysator 4 strömt. In Reaktion auf die Feststellung durch die Betriebszustandserfassungsvorrichtung 10, dass der Betriebszustand des Verbrennungsmotors im Hochlast- und Hochdrehzahlbereich liegt, gibt die Urea-Zufügemengen- Steuervorrichtung 11 eine Ureazufügeanweisung an das Ureazufügesteuerventil 6, so dass eine wässrige Lösung von Urea von dem Ureazufügesteuerventil 6 eingespritzt wird. Auf diese Art und Weise wird eine Emissionssteuerung in Abhängigkeit von dem oben beschriebenen Prinzip durchgeführt.
Als nächstes wird ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 8 beschrieben.
In einer Emissionssteuervorrichtung des Ausführungsbeispieles, das in Fig. 8 gezeigt ist, verzweigt sich eine Abgasleitung in eine erste Abgasleitung 41 und eine zweite Abgasleitung 42, die parallel angeordnet sind. Die erste Abgasleitung 41 ist mit einem NOx-Absorptions-Reduktions-Katalysator 3 versehen. Die zweite Abgasleitung 42 ist mit einem selektiven Urea- Reduktions-Katalysator 4 versehen.
Ein Umschaltventil 32, d. h. eine Umschaltvorrichtung, ist an einem Verzweigungspunkt zwischen der ersten Abgasleitung 41 und der zweiten Abgasleitung 42 angeordnet.
Wie in der in Fig. 1 gezeigten Konstruktion ist ein NOx-Sensor 5 stromaufwärts des selektiven Urea-Reduktions-Katalysators 4 vorgesehen, und ein Katalysatoreinströmungsgastemperatursensor 7 ist unmittelbar stromaufwärts von dem selektiven Urea- Reduktions-Katalysator 4 vorgesehen. Des weiteren ist ein Ammoniaksensor 8 stromabwärts des selektiven Urea-Reduktions- Katalysators 4 vorgesehen, und ein Ureazufügesteuerventil 6 ist unmittelbar stromaufwärts von dem selektiven Urea- Reduktions-Katalysator 4 vorgesehen.
Das Umschaltventil 32 ist ein elektromagnetisches Ventil, das elektrisch mit einer Steuereinheit (ECU) 9 verbunden und dadurch gesteuert wird. Wenn durch die Betriebszustandserfassungsvorrichtung 10 festgestellt wird, dass der vorliegende Betriebsbereich eines Verbrennungsmotors ein solcher Bereich ist, bei dem der NOx-Absorptions- Reduktions-Katalysator 3 in der Lage ist, zu funktionieren, wählt das Umschaltventil 32 die erste Abgasleitung 41 aus, so dass das Abgas zu dem NOx-Absorptions-Reduktions-Katalysator 3 strömt. Der NOx-Absorptions-Reduktions-Katalysator 3 führt eine Emissionssteuerung durch, wie sie oben beschrieben wurde.
Wenn festgestellt wird, dass sich der Betrieb des Verbrennungsmotors zum Hochlast- und Hochgeschwindigkeitsbereich verschoben hat, wählt das Umschaltventil 32 die zweite Abgasleitung 42 aus, so dass das Abgas in den selektiven Urea-Reduktions-Katalysator 4 strömt. Wenn der selektive Urea-Reduktions-Katalysator 4 auf diese Weise ausgewählt wird, gibt die Urea-Zufügemengen- Steuervorrichtung 11 eine Ureazufügeanweisung an das Ureazufügesteuerventil 6 ab, so dass eine wässrige Lösung von Urea von dem Ureazufügesteuerventil 6 eingespritzt wird. Auf diese Art und Weise wird die Emissionssteuerung gemäß dem oben beschriebenen Prinzip durchgeführt.
Obwohl die vorherstehenden Ausführungsbeispiele der Erfindung in Verbindung mit einem Benzinmotor 1 beschrieben wurden, sollte es klar sein, dass die Erfindung ebenso auf einen Dieselmotor anwendbar ist. Im Fall eins Dieselmotors wird die Kraftstoffverbrennung in den Verbrennungskammern in einem mageren (oder hohen) Luft-Kraftstoffverhältnisbereich durchgeführt, der weit von dem stöchiometrischen Luft- Kraftstoffverhältnis entfernt ist. Deshalb wird das Luft- Kraftstoffverhältnis des Abgases, das in den NOx-Absorptions- Reduktions-Katalysator 3 strömt, während eines normalen Betriebszustandes des Dieselmotors sehr mager (oder hoch), so dass NOx durch den Katalysator 3 absorbiert, jedoch kaum davon freigesetzt wird.
Deshalb kann bei der Anwendung in einem Dieselmotor eine Abgasrückführvorrichtung (im allgemeinen als EGR-Vorrichtung bezeichnet) als Beispiel verwendet werden, so dass das NOx, das in dem Katalysator absorbiert ist, durch Verschieben des Luft-Kraftstoffverhältnisses des Abgases zum stöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnis oder zur fette Seite davon durch Einführen einer großen Menge an rückgeführtem Abgas in die Verbrennungskammern freigesetzt werden.
Während die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf das beschrieben wurde, was derzeit als bevorzugte Ausführungsformen davon betrachtet wird, sollte klar sein, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen oder Konstruktionen begrenzt ist. Im Gegenteil, die vorliegende Erfindung beabsichtigt, verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen abzudecken. Während die verschiedenen Elemente der offenbarten Erfindung in verschiedenen Kombinationen und Konfigurationen gezeigt sind, die exemplarisch sind, sind zusätzlich andere Kombinationen und Konfigurationen, die mehr, weniger oder nur ein einziges Ausführungsbeispiel enthalten, ebenso im Schutzbereich der vorliegenden Erfindung enthalten.
Ein NOx-Absorptions-Reduktions-Katalysator 3, der NOx aus dem Abgas absorbiert, wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis des Abgases auf der mageren Seite liegt, und der NOx freisetzt und eine Reduktion von NOx bewirkt, wenn die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas abnimmt, ist in einer Abgasleitung 2 eines magerverbrennenden Verbrennungsmotors 1 vorgesehen. Ein selektiver Urea-Reduktions-Katalysator 4, der eine selektive Reduktion infolge der Zufügung von Urea bewirkt, ist ebenso vorgesehen. Die zwei Katalysatoren reinigen die Emissionen komplementär zueinander im wesentlichen über den gesamten Betriebsbereich des Verbrennungsmotors.

Claims (12)

1. Emissionssteuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor, gekennzeichnet durch die folgenden Bauteile:
einen NOx-Absorptions-Reduktions-Katalysator (3), der in einer Abgasleitung (2) eines magerverbrennenden Verbrennungsmotors (1) vorgesehen ist, wobei der NOx- Absorptions-Reduktions-Katalysator (3) NOx absorbiert, wenn ein Luft-Kraftstoffverhältnis eines Abgases von dem Verbrennungsmotor auf einer mageren Seite eines theoretischen Luft-Kraftstoffverhältnisses liegt, und wobei der NOx- Absorptions-Reduktions-Katalysator (3) NOx freigibt und eine Reduktion von NOx hervorruft, wenn eine Sauerstoffkonzentration in dem Abgas abnimmt; und einen selektiven Ammoniakverbindungs-Reduktions- Katalysator (4), der eine selektive Reduktion infolge der Zufügung einer Ammoniakverbindung hervorruft.
2. Emissionssteuervorrichtung gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch die weiteren Bauteile:
eine Betriebszustandserfassungsvorrichtung (10) zur Erfassung eines Betriebszustandes des Verbrennungsmotors (1) und
eine Umschaltvorrichtung (32) zum Umschalten einer Strömungsrichtung des Abgases von entweder dem NOx- Absorptions-Reduktions-Katalysator (3) oder dem selektiven Ammoniakverbindungs-Reduktions-Katalysator (4), in Abhängigkeit von dem Betriebszustand des Verbrennungsmotors (1), der durch die Betriebszustandserfassungsvorrichtung (10) erfasst wurde.
3. Emissionssteuervorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der NOx-Absorptions-Reduktions- Katalysator (3) und der selektive Ammoniakverbindungs- Reduktions-Katalysator (4) in Serie in der Abgasleitung (2) angeordnet sind.
4. Emissionssteuervorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der selektive Ammoniakverbindungs- Reduktions-Katalysator (4) stromabwärts von dem NOx- Absorptions-Reduktions-Katalysator (3) in dem Abgaskanal (2) angeordnet ist.
5. Emissionssteuervorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der selektive Ammoniakverbindungs- Reduktions-Katalysator (4) stromaufwärts von dem NOx- Absorptions-Reduktions-Katalysator (3) in der Abgasleitung (2) angeordnet ist.
6. Emissionssteuervorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der NOx-Absorptions-Reduktions- Katalysator (3) und der selektive Ammoniakverbindungs- Reduktions-Katalysator (4) parallel in der Abgasleitung (2) angeordnet sind.
7. Emissionssteuervorrichtung gemäß Anspruch 3, des weiteren gekennzeichnet durch eine Bypassleitung (31), die einen stromaufwärtsseitig angeordneten Katalysator umgeht und das Abgas zu einem stromabwärtsseitigen Katalysator leitet, wobei die Umschaltvorrichtung (32) die Strömungsrichtung des Abgases durch Öffnen und Schließen der Bypassleitung (31) verändert.
8. Emissionssteuervorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass
sich die Abgasleitung (2) in eine erste Abgasleitung (41) und eine zweite Abgasleitung (42) gabelt, die parallel angeordnet sind;
dass der NOx-Absorptions-Reduktions-Katalysator (3) in der ersten Abgasleitung (41) angeordnet ist, und dass der selektive Ammoniakverbindungs-Reduktions-Katalysator (4) in der zweiten Abgasleitung (42) angeordnet ist; und
dass ein Umschaltventil als Umschaltvorrichtung (32) an einem Verzweigungspunkt zwischen der ersten Abgasleitung (41) und der zweiten Abgasleitung (42) angeordnet ist.
9. Emissionssteuervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, des weiteren gekennzeichnet durch eine zusätzliche Ammoniakverbindungsmengenbestimmungsvorrichtung (11) zur Abschätzung einer Menge der Ammoniakverbindung, die dem selektiven Ammoniakverbindungs-Reduktions-Katalysator (4) zugefügt werden soll, auf der Basis einer Menge an NOx, das in der Abgasströmung vorliegt, die in den selektiven Ammoniakverbindungs-Reduktions-Katalysator (4) strömt, und auf der Basis der Ansaugluft, die in den Verbrennungsmotor (1) eingesaugt wird.
10. Emissionssteuervorrichtung gemäß Anspruch 9, des weiteren gekennzeichnet durch eine
Ammoniakverbindungserfassungsvorrichtung (8), zur Erfassung einer Ammoniakverbindung, die aus dem selektiven Ammoniakverbindungs-Reduktions-Katalysator (4) herausgelassen wurde; und
eine Steuervorrichtung zur Korrektur einer Menge der Ammoniakverbindung, die in einer geeigneten Menge zugefügt werden soll, auf der Basis einer Menge an Ammoniakverbindung, die durch die Ammoniakverbindungserfassungsvorrichtung (8) erfasst wird.
11. Emissionssteuervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, des weiteren gekennzeichnet durch
eine Katalysatortemperaturerfassungsvorrichtung (7) zur Erfassung eines Temperaturzustandes des selektiven Ammoniakverbindungs-Reduktions-Katalysators (4); und
eine Ammoniakverbindungszufügemengensteuervorrichtung (11) zur Änderung einer Ammoniakverbindungszufügemenge, die für den selektiven Ammoniakverbindungs-Reduktions-Katalysator (4) vorgesehen ist, in Abhängigkeit von der erfassten Katalysatortemperatur.
12. Emissionssteuervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, des weiteren gekennzeichnet durch einen dritten Katalysator, der in einem Abschnitt der Abgasleitung (2) vorgesehen ist, die sich stromaufwärts von dem NOx- Absorptions-Reduktions-Katalysator (3) und dem selektiven Ammoniakverbindungs-Reduktions-Katalysator (4) erstreckt.
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