DE4231575C2

DE4231575C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE4231575C2
Application number: DE4231575A
Authority: DE
Inventors: Osamu Kuroda; Hisao Yamashita; Akio Honji; Noriko Watanabe; Toshio Ogawa; Hiroshi Miyadera; Takeshi Atago
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-09-20
Filing date: 1992-09-21
Publication date: 2003-04-24
Anticipated expiration: 2012-09-22
Also published as: DE4231575A1; JP2601072B2; JPH0579320A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, die insbesondere eine effek tive Verminderung schädlicher Bestandteile des in der Anfangsstartphase der Brennkraftmaschine emittierten Abgases ermöglichen.

Das Abgas einer Brennkraftmaschine enthält schädliche Bestandteile, wie z. B. Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffe (HC) und Stickoxide (NOx). Diese schädlichen Be standteile haben als Luftverunreinigungen einen nachtei ligen Einfluß auf den menschlichen Körper und behindern das Pflanzenwachstum.

Um die Menge dieser im Abgas enthaltenen schädlichen Be standteile zu reduzieren, wurden Untersuchungen zur Reini gung des Brennkraftmaschinenabgases durch einen im Abgassystem vorgesehenen katalytischen Abgaskonverter mit einem Drei-Wege-Katalysator durchgeführt.

Obwohl die Menge der schädlichen Bestandteile im Abgas durch einen Katalysator im Abgassystem reduziert werden kann, entfaltet sich das Reinigungsvermögen erst nachdem der Katalysator auf eine Temperatur angehoben wurde, bei der er aktiv wird. Bis der Katalysator auf eine Aktivierungs temperatur aufgeheizt ist, ist das Abgasreinigungsvermögen des Katalysators sehr gering, so daß die kaum abgebauten schädlichen Bestandteile an die Atmosphäre abgegeben werden.

Die Temperatur, bei der der Abgaskatalysator aktiv wird, hängt von der Zusammensetzung des Katalysators ab und beträgt üblicherweise 250 bis 400°C, wie dies in der JP 54-16018 A beschrieben ist.

Eine Zeitdauer von näherungsweise 2 Minuten oder länger ist ab dem Start einer Brennkraftmaschine erforderlich, damit das Katalysatorgas auf 250 bis 400°C erhitzt wird. In einigen Druckschriften, z. B. der JP 54-79319 A ist die hierfür benötigte Zeit mit 3 bis 5 Minuten ange geben.

Für ein System zur Verminderung der schädlichen Bestand teile im Brennkraftmaschinenabgas mit einem im Abgassystem angeordneten Reinigungskatalysator ist daher von wesentli cher Bedeutung, wie die für einige Minuten nach dem Brenn kraftmaschinenstart bis zur Erhitzung des Katalysators auf eine Aktivtemperatur abgegebenen Schadstoffkomponenten im Abgas effektiv vermindert werden können.

In der EP 0 422 432 A1 ist ein Verfahren zur Abgasnachbe handlung an einer Brennkraftmaschine offenbart, bei dem ein Nachbrenner zur Verbrennung von im Abgas enthaltenen Kohlenwasserstoffen einem Abgaskatalysator (insbesondere einem 3-Wege-Katalysator) vorgeschaltet ist, der Abgas fetten Gemisches von der Brennkraftmaschine und zusätzlich die zur Verbrennung erforderliche Frischluft erhält. Der Frischluftstrom wird vom Ansaugtrakt der Brennkraftmaschi ne stromab eines Luftmassenmessers abgezweigt. Dem ver bleibenden Rest-Ansaugluftstrom wird Brennstoff in einer solchen Menge zugeführt, daß sich für den im Luftmassen messer bestimmten Ansaugluftstrom ein stöchiometrisches oder überstöchiometrisches Gemisch ergibt. Die Brennkraft maschine wird zumindest in der Aufheizphase des Katalysa tors mit fetterem Gemisch betrieben, da vom Ansaugluft strom ein Teilstrom in Form des für den Nachbrenner be stimmten Frischluftstroms abgezweigt wird, nachdem die Größe des Ansaugluftstromes bestimmt wurde.

In der DE 41 06 249 A1 ist eine Einrichtung zur katalyti schen Reinigung der Abgase einer Brennkraftmaschine be schrieben, bei der in einer ersten einer Brennraumgruppe zugeordneten Abgasleitung eine Heizeinrichtung und ein er ster Katalysator angeordnet sind. In einer zweiten einer weiteren Brennraumgruppe zugeordneten Abgasleitung ist ein zweiter Katalysator angeordnet. Mittels geeigneter Ventile und Umgehungsleitungen kann der Weg des Abgases durch die Anordnung der Katalysatoren beeinflußt werden, so daß die beiden Katalysatoren entweder seriell oder parallel betrieben werden. Die Temperaturen der Katalysatoranordnun gen (teils eingangsseitig, teils ausgangsseitig) werden mittels Sensoren erfaßt und temperaturabhängige Schaltvor gänge derart ausgelöst, daß bei einem Kaltstart zunächst eine Serienschaltung der drei Einrichtungen vorliegt, bei der die von der Heizung vorgewärmten Abgase in dem ersten Katalysator durch dessen oxidierende Arbeitsweise infolge eines Luftüberschusses weiter verbrannt werden und damit eine beschleunigte Aufheizung des zweiten Katalysators er folgt. Die Verbrennung, d. h. Oxidation, wird durch eine Sekundärluftzufuhr vor den Katalysatoren unterstützt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine zu schaffen, bei der die Temperatur eines Abgasreinigungs katalysators im Abgassystem der Brennkraftmaschine unmit telbar nach dem Start der Brennkraftmaschine auf eine Ka talysator-Aktivierungstemperatur angehoben werden kann.

Die Erfindung sieht eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschien mit einem Kraftstoffeinspritzventil und einem Luftmengeneinstellventil in einem Luftansaugsystem sowie einem in einem Abgassystem angeordneten Abgasreini gungskatalysator vor. Die Vorrichtung weist Mittel auf, in die die Temperatur des im Abgassystem angeordneten Abgas reinigungskatalysators zur Steuerung des Kraftstoffein spritzventils und des Luftmengeneinstellventils im Luftan saugsystem eingegeben wird, um das Gemisch fetter zu ma chen als durch das stöchiometrische Luft-Kraftstoff- Verhältnis bestimmt, wenn die Eingangstemperatur geringer als ein vorgegebener Wert ist.

Der vorgegebene Temperaturwert des Abgasreinigungskataly sators ist eine Temperatur, bei der der Katalysator aktiv wird. Wenn die Temperatur des Abgasreinigungskatalysators in dem Brennkraftmaschinenabgassystem geringer ist als die Aktivierungstemperatur des Katalysators, wird die Menge des zugeführten Kraftstoffs erhöht oder die Menge der Ansaugluft verringert, um das Gemisch fetter zu ma chen als durch das stöchiometrische Luft-Kraftstoff- Verhältnis bestimmt, um die Bestandteile im Abgas so zu ändern, daß die Katalysatortemperatur schnell angehoben werden kann.

Die Bestandteile in dem Abgas der Brennkraftmaschine wer den spezifisch mit dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis geändert. Wenn die Brennkraftmaschine unter einer Bedingung betrie ben wird, in der das Gemisch fetter ist als durch das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis bestimmt, werden viel Kohlenmonoxid und relativ viele Kohlenwasser stoffe erzeugt. Es ist festzuhalten, daß bis zu 10% Kohlenmonoxid und mehr im Abgas enthalten ist, was erheblich höher ist als die Konzentration der Kohlenwasserstoffe.

Wenn die Brennkraftmaschine bei einem Luft-Kraftstoff- Verhältnis A/F von 14,7 (wobei A und F jeweils Luft und Kraftstoffmassen bezeichnen) betrieben wird, ist die Kohlenmonoxidmenge geringer als 1%.

Kohlenmonoxid wird bei einer beträchtlich geringeren Tempe ratur als Kohlenwasserstoff verbrannt. Wenn dem Brennkraft maschinenansaugsystem demgemäß ein Gemisch zugeführt wird, welches fetter ist als durch das stöchiometrische Luft- Kraftstoff-Verhältnis bestimmt, kann Kohlenmonoxid mit einem Katalysator verbrannt werden, sogar wenn die Tempe ratur des Abgases gering ist. Die Temperatur des Kataly sators kann durch die infolge dieser Verbrennung erzeugte Wärme angehoben werden.

Wenn die Brennkraftmaschine unter einer Bedingung betrie ben wird, in der das Gemisch fetter ist, als durch das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis bestimmt, würde beträchtlich mehr Kohlenwasserstoff erzeugt werden. Die Menge der erzeugten Wärme pro Masseneinheit des Kohlen wasserstoffes ist 5 mal so hoch wie die des Kohlenmonoxids.

Wenn das Gemisch fetter gemacht wird als durch das stöchio metrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis bestimmt, wird eine katalytische Verbrennung des Kohlenwasserstoffs zusätzlich zur katalytischen Verbrennung des Kohlenmonoxids durchge führt, so daß die Temperatur des Katalysators schnell angehoben werden kann.

Dies hat zur Folge, daß schädliche Bestandteile im Abgas sogar in der Anfangsphase des Brennkraftmaschinenstartes durch schnelle Erhöhung der Katalysatortemperatur effektiv beseitigt werden können.

Weiterhin ist eine Vor richtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoffeinspritzventil und einem Luftmengeneinstell ventil in einem Luftansaugsystem und einem in einem Abgassystem angeordneten katalytischen Abgasreinigungs system vorgesehen. Die Vorrichtung enthält Mittel, an die die Temperatur des im Abgassystem angeordneten Abgasreinigungskatalysators zum Vergleich der Eingangs temperatur mit einem vorgegebenen Temperaturwert einge geben wird, Mittel zur Erzeugung eines Signals, um ein Gemisch fetter zu machen als durch das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis bestimmt, wenn die Temperatur des Abgasreinigungskatalysators geringer ist als der vor gegebene Temperaturwert, und Steuermittel zum Öffnen oder Schließen des Kraftstoffeinspritzventils und des Luft mengeneinstellventils im Luftansaugsystem in Abhängigkeit vom genannten Signal.

Weiterhin ist eine Vor richtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoffeinspritzventil und einem Luftmengeneinstell ventil in einem Luftansaugsystem und einem in einem Abgassystem angeordneten Abgasreinigungskatalysator vorgesehen. Die Vorrichtung enthält Mittel zur Eingabe der Temperatur eines Katalysators in dem im Abgassystem angeordneten Abgasreinigungskatalysator, Mittel zur Spei cherung eines vorgegebenen Temperaturwerts des Abgasreini gungskatalysators, Mittel zum Vergleich der Katalysator temperatur im Abgasreinigungskatalysator von den Eingabe mitteln mit dem vorgegebenen Temperaturwert von den Speicher mitteln, Mittel für die Erzeugung eines Signals, zur An fettung eines Gemisches gegenüber dem durch das stöchio metrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis bestimmten Wert, wenn die Temperatur des Abgasreinigungskatalysators geringer als der vorgegebene Temperaturwert ist, und Steuermittel zum Öffnen oder Schließen des Kraftstoffeinspritzventils und des Luftmengeneinstellventils im Luftansaugsystem in Abhängigkeit vom genannten Signal.

Wenn die Temperatur des Abgasreinigungskatalysators ge ringer ist als ein vorgegebener Wert, ist es vorteilhaft, das Kraftstoffeinspritzventil und das Luftmengeneinstellven til in dem Luftansaugsystem so zu öffnen oder zu schließen, daß das Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F (A und F bezeichnen jeweils Luft- und Kraftstoffmassen) nicht geringer als 10 und nicht höher als 13 ist.

Wenn die Temperatur des im Abgassystem angeordneten Abgas reinigungskatalysators höher ist als der vorgegebene Wert, ist es vorteilhaft, das Kraftstoffeinspritzventil und das Luftmengeneinstellventil im Luftansaugsystem so zu öffnen oder zu schließen, daß das Luft-Kraftstoff-Verhältnis gleich dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist oder diesem näherungsweise entspricht. Beide der oben genannten Steuerungen können durch Verwendung eines Mikrocomputers durchgeführt werden.

Die Erfindung ist bei einer Brennkraftmaschine verwendbar, die ein Kraftstoffeinspritzventil und ein Luftmengenein stellventil im Luftansaugsystem aufweist, sowie einen Verbrennungskatalysator und einen Drei-Wege-Katalysator im Abgassystem hat. In diesem Fall ist es vorteilhaft, den Verbrennungskatalysator vor dem Drei-Wege-Katalysator anzuordnen. Durch Anfetten des Gemisches gegenüber dem durch das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis bestimmten Wert arbeitet der Verbrennungskatalysator wirkungsvoll so, daß die Temperatur des Abgasreinigungs katalysators durch die von dem Verbrennungskatalysator erzeugte Wärme schnell angehoben werden kann.

Die Erfindung ist auch bei einer Brennkraftmaschine ver wendbar, die ein Kraftstoffeinspritzventil und ein Luft mengeneinstellventil im Luftansaugsystem aufweist, sowie einen Verbrennungskatalysator und einen Abgasreinigungs katalysator im Abgassystem und Luftzufuhreinrichtungen an der Vorstufe des Verbrennungskatalysators hat. Da die Sauerstoffkonzentration im Abgas gering ist, wenn die Brennkraftmaschine unter einer Bedingung betrieben wird, in der das Gemisch fetter ist als durch das Luft-Kraftstoff- Gemisch bestimmt, kann der Sauerstoff nicht ausreichen, wenn Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoff im Abgas mit dem Katalysator verbrannt wird. Das Problem des nicht ausreichenden Sauerstoffs wird dadurch gelöst, daß dem Abgassystem Luft zugeführt wird, wenn die Brennkraftmaschine unter einer Bedingung betrieben wird, in der das Gemisch fetter ist als durch das stöchiometrische Luft-Kraftstoff- Verhältnis bestimmt. Eine derartige Steuerung der Luft kann auch von der Steuereinrichtung der Erfindung durch geführt werden.

Ein System zur Abgasreinigung mit einer Brennkraftmaschinen steuerung gemäß der Erfindung wird nun im folgenden be schrieben.

Ein derartiges System zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine hat in einem Luftansaugsystem ein Kraftstoffeinspritzventil und ein Luftmengeneinstell ventil, z. B. eine Drosselklappe, sowie einen vorgeschal teten Katalysator mit einem Verbrennungskatalysator und einem Abgasreinigungs-Hauptkatalysator in einem Abgas system und weist Mittel zur Erfassung der Temperatur des Abgasreinigungs-Hauptkatalysators und Mittel (Steuerungs einheit) zum Öffnen oder Schließen des Kraftstoffein spritzventils und des Luftmengeneinstellventils auf, so daß in einem Zeitraum ab dem Start der Brennkraftmaschine bis der Abgasreinigungs-Hauptkatalysator auf eine Tempe ratur erhitzt ist, bei der der Katalysator aktiv wird, das Gemisch fetter ist als durch das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis bestimmt.

Es ist vorteilhaft, das Kraftstoffeinspritzventil und das Luftmengeneinstellventil so zu öffnen oder zu schließen, daß das Gemisch für einen Zeitraum ab dem Start der Brenn kraftmaschine bis der Abgasreinigungs-Hauptkatalysator auf eine Temperatur erhitzt ist, bei der der Katalysator aktiv wird, fetter wird als durch das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis bestimmt, und daß das Luft- Kraftstoff-Verhältnis gleich dem stöchiometrischen Luft- Kraftstoff-Verhältnis gemacht oder diesem angenähert wird, wenn die Temperatur des Abgasreinigungs-Hauptkatalysators eine Temperatur erreicht, bei der der Katalysator aktiv wird.

Es ist möglich, daß das Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F (wobei A und F jeweils Luft- und Kraftstoffmassen bezeichnen) bei einem Betrieb mit fettem Gemisch nicht geringer als 10 und nicht höher als 13 ist. Es ist ins besondere möglich, ein fetteres Gemisch unter solch einer Bedingung zuzuführen, daß die CO-Konzentration des Abgases nicht geringer als 3 und nicht höher als 14 ist.

Es ist vorteilhaft, den Abgasreinigungs-Hauptkatalysator z. B. unter dem Fahrzeugboden und den vorgeschalteten Katalysator mit einem Verbrennungskatalysator möglichst nahe an der Brennkraftmaschine anzuordnen. Die Temperatur des Abgases wird beim Durchfluß durch die Abgasleitung verringert. Wenn der vorgeschaltete Katalysator möglichst nahe an der Brennkraftmaschine angeordnet ist, kann das Abgas den Katalysatoren zugeführt werden, während die Temperatur des Abgases nicht verringert wird. Dadurch kann die Oxidationsfähigkeit von CO und HC gesteigert werden.

Es ist vorteilhaft, Mittel für die Zuführung eines Oxi dationsmittels, z. B. Luft, in der Abgasleitung stromauf wärts des vorgeschalteten Katalysators vorzusehen.

Die Sauerstoffkonzentration im Abgas ist bei einer Verbrennung im fetten Bereich im allgemeinen gering. Durch Zuführung eines Sauerstoff enthaltenden Gases, z. B. Luft, an der Vorstufe des vorgeschalteten Kata lysators, kann die Verbrennung von CO und HC in dem vorgeschalteten Katalysator effektiv durchgeführt werden.

Es ist möglich, daß die Menge der zugeführten Luft (Sauerstoff) äquivalent zur stöchiometrischen Sauerstoff verbrauchsmenge des Abgases oder nur geringfügig höher ist. In diesem Fall kann sowohl die Verbrennung in dem vorgeschalteten Katalysator, als auch im Abgasreinigungs- Hauptkatalysator in hervorragender Weise durchgeführt werden.

Es ist möglich, daß der vorgeschaltete Katalysator ein Verbrennungskatalysator ist, der eine Aktivität in der Oxidation von CO und HC aufweist. Es ist insbeson dere möglich, als Katalysator-Aktivierungskomponente mindestens ein Metall oder Metalloxid aus der Gruppe VIII und Ib der Periodentafel, der Seltenen Erdmetalle, Zink und Zinn zu verwenden.

Es ist vorteilhaft, als Abgasreinigungs-Hauptkatalysator einen Drei-Wege-Katalysator zu verwenden, der eine Oxi dationsaktivierung von CO und HC und eine Reduktionsakti vierung von NOx aufweist.

Es ist möglich, daß eine keramische Wabenstruktur aus Cordierit, Mullit, Aluminiumtitanat, etc. als Träger für den vorgeschalteten Katalysator verwendet wird, um die vorstehend genannten Katalysator-Aktivierungskomponen ten zu tragen. Alternativ dazu ist es vorteilhaft, daß ein keramisches Wabengeflecht, das ein Träger ist, mit einer porösen Trägersubstanz, wie z. B. Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Titandioxid beschichtet ist, um darauf die Katalysator-Aktivierungskomponenten aufzunehmen.

Bei dem Abgasreinigungssystem gemäß der Erfindung ist es wesentlich, die durch die Verbrennung mit dem vorge schalteten Katalysator erzeugte Wärme zum Aufheizen des vorgeschalteten Katalysators selbst für die Aktivierung zu verwenden. Dies kann erreicht werden durch Senkung der Wärmeleitfähigkeit der Katalysatorträgersubstanz und des Trägers und durch Steigerung des Temperaturgradienten zwischen dem Katalysator und der Trägersubstanz oder dem Träger. Die oben genannten Keramiken haben eine geringe Wärmeleitfähigkeit, so daß die Temperatur des Katalysa tors schnell angehoben werden kann. Ein wabenartiger Kör per aus einem elektrisch leitfähigen Metall oder einer Legierung, wie z. B. rostfreier Stahl, kann als Träger für den vorgeschalteten Katalysator verwendet werden.

Ein schnelles Aufheizen des Katalysators kann auch da durch erreicht werden, daß die spezifische Wärme der Trägersubstanz oder des Trägers des Katalysators geringer gemacht wird. Der wabenförmige Körper aus Metall, wie z. B. rostfreiem Stahl, wird als Träger für den Katalysa tor verwendet, so daß die spezifische Wärme des Materials gesenkt wird und die Herstellung einer dünnen Platte dieses Materials ermöglicht wird. Dies hat zur Folge, daß die Wärmekapazität geringer gemacht werden kann und so ein schnellerer Temperaturanstieg ermöglicht wird.

Es ist ferner möglich, den vorgeschalteten Katalysator dadurch zu erhitzen, daß ein elektrischer Strom durch ihn hindurchgeführt wird.

Die Temperaturerhöhung kann dadurch schneller erfolgen, daß ein elektrischer Strom durch das Trägermaterial oder den Träger des Katalysators geleitet wird, um den Kataly sator durch Joule'sche Wärme zu erhitzen. Eine Temperatur erhöhung des vorgeschalteten Katalysators kann dadurch schneller erfolgen, daß ein elektrischer Strom durch den Katalysator am Beginn des Temperaturanstiegs des Kata lysators geleitet wird, um die Verbrennung von CO zu för dern.

Die Erfindung sieht ferner ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine vor, bei dem die Brennkraftmaschine durch Zufuhr von Kraftstoff und Luft im stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis angetrieben wird und ein Abgas mit einem Abgasreinigungskatalysator gereinigt wird. Die Brennkraftmaschine wird unter einer Bedingung betrieben, in der das Gemisch für einen Zeitraum ab Starten der Brenn kraftmaschine bis wenigstens der Abgasreinigungskatalysator auf eine Aktivierungstemperatur erhitzt ist, fetter ist als durch das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis bestimmt.

Es ist ferner ein System zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine vorgesehen, in dem die Brennkraftma schine unter einer Bedingung gestartet wird, in der das Gemisch fetter ist als durch das stöchiometrische Luft- Kraftstoff-Verhältnis bestimmt, und das Abgas mit einem Verbrennungskatalysator katalytisch verbrannt und dann einem Abgasreinigungskatalysator zugeführt wird. Wenn die Temperatur des Abgasreinigungskatalysators auf eine Temperatur angehoben ist, bei der der Katalysator aktiv wird, wird die Zufuhr des fetten Gemisches gestoppt und das Abgas wird ohne Durchlaufen des Verbrennungskatalysa tors direkt dem Abgasreinigungskatalysator zugeführt.

Ein Fahrzeug gemäß der Erfindung umfaßt einen Abgasreini gungskatalysator in einer Abgasleitung einer Brennkraft maschine und Mittel, durch die der Brennkraftmaschine für einen bestimmten Zeitraum ab Starten der Brennkraft maschine bis der Abgasreinigungskatalysator auf eine Aktivierungstemperatur erhitzt ist ein Gemisch zugeführt wird, das fetter ist als durch das stöchiometrische Luft- Kraftstoff-Verhältnis bestimmt. In der Abgasleitung ist stromaufwärts des Abgasreinigungskatalysators ein Verbrennungskatalysator zur katalytischen Verbrennung des Abgases angeordnet, welches von der mit dem fetten Gemisch betriebenen Brennkraftmaschine emittiert wird.

Die Erfindung wird vorzugsweise bei einem Fahrzeug mit Benzin- oder Dieselmotor verwendet.

Ein System zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung umfaßt eine Bypassleitung für eine Abgasleitung, die von der Brennkraftmaschine zum Abgas reinigungs-Hauptkatalysator führt, wobei die Bypasslei tung den aus einem Verbrennungskatalysator bestehenden vorgeschalteten Katalysator enthalten kann.

Der vorgeschaltete Katalysator wird im wesentlichen über flüssig, nachdem er eine kurze Zeitdauer (ungefähr 2 Minu ten) unmittelbar nach dem Start im Einsatz war. Wenn das Abgas durch den vorgeschalteten Katalysator geleitet wird, auch nachdem dieser überflüssig geworden ist, wird der Druckverlust gesteigert. Wenn der vorgeschaltete Kataly sator lange einer hohen Temperatur ausgesetzt ist, kann dadurch eine Schädigung des Katalysators verursacht werden. In dem von der Brennkraftmaschine zum Hauptkatalysator führenden Abgaskanal ist ein Bypass vorgesehen, in dem der vorgeschaltete Katalysator angeordnet ist. Eine Ver brennung mit fettem Gemisch wird nur für eine Zeitdauer durchgeführt, in der der Hauptkatalysator noch nicht eine Arbeitstemperatur unmittelbar nach dem Start der Brenn kraftmaschine erreicht hat. Das Abgas wird durch den vorgeschalteten Katalysator im Bypass in den Hauptkata lysator eingeleitet. Dadurch können die oben genannten Probleme gelöst werden.

In vorteilhafter Weise ist in dem Abgaskanal zwischen der Brennkraftmaschine und dem vorgeschalteten Katalysa tor eine Entfeuchtungseinrichtung, vorzugsweise ein Kühl- Entfeuchter, vorgesehen. Wenn die Temperatur des vorge schalteten Katalysators nicht höher ist als der Taupunkt des Abgases, ist es vorteilhaft, das Abgas mit der Ent feuchtungseinrichtung zu entfeuchten. Dies kann beispielsweise durch Abkühlen des Abgases auf eine Temperatur, die gleich oder geringer als die Temperatur des vorge schalteten Katalysators ist, und dann durch Zufuhr des entfeuchteten Abgases an den vorgeschalteten Katalysator erfolgen.

Das Abgas einer Brennkraftmaschine enthält gewöhnlich eine große Menge von Wasserdampf. Wenn das den Wasser dampf enthaltende Abgas an den eine geringe Temperatur aufweisenden vorgeschalteten Katalysator zugeführt wird, genauer eine Temperatur, die nicht höher ist als der Taupunkt des Abgases, kondensiert das im Abgas enthaltene Wasser auf dem Katalysator oder in den Poren des Kataly sators. Dieses Phänomen kann nicht nur die Wirkungsweise des Katalysators verringern, sondern auch den Katalysator schädigen und wird den Druckverlust steigern. Sobald die Kondensation auftritt, ist eine Umwandlungswärme zur Ver dampfung des Kondensats erforderlich. Es ist daher viel Wärme erforderlich, um die Temperatur des Kondensats an zuheben und dafür wird eine lange Zeit benötigt. Die Kon densation des Wasserdampfes auf dem vorgeschalteten Kataly sator kann durch Entfeuchtung des Abgases verhindert werden. Dies kann beispielsweise durch Abkühlung des Abgases auf eine Temperatur, die gleich oder geringer ist wie die Temperatur des vorgeschalteten Katalysators und dann durch Zuführung des abgekühlten entfeuchteten Abgases an den vor geschalteten Katalysator, erfolgen. Bei dem Abgasreinigungs system, bei dem ein Bypass in einem von der Brennkraftma schine zum Hauptkatalysator führenden Abgaskanal angeordnet und ein Verbrennungskatalysator im Bypass vorgesehen ist, ist es vorteilhaft, wenn die Bypassleitung eine Abgas entfeuchtungseinrichtung aufweist. Wenn die Temperatur des vorgeschalteten Katalysators nicht höher als der Tau punkt des verbrannten Abgases ist, wird das Abgas durch die Entfeuchtungseinrichtung im Bypass entfeuchtet und dann dem Hauptkatalysator zugeführt. Wenn die Temperatur des vorgeschalteten Katalysators nicht niedriger als der Taupunkt des Abgases ist, wird das Abgas direkt dem vor geschalteten Katalysator zugeführt.

Wenn die Temperatur des vorgeschalteten Katalysators nicht niedriger als der Taupunkt des Abgases ist, besteht keine Möglichkeit der Kondensation von Wasser. Entfeuchtung des Abgases ist unter dieser Bedingung nicht erforderlich. Daher ist in dem von der Brennkraftmaschine zum Hauptkata lysator führenden Abgaskanal ein Bypass vorgesehen und in der Bypassleitung ist eine Einrichtung zur Entfeuchtung des Abgases enthalten. Wenn die Temperatur des vorgeschal teten Katalysators nicht höher als der Taupunkt des verbrannten Abgases ist, wird das Abgas durch die Ent feuchtungseinrichtung im Bypass entfeuchtet und dann dem Hauptkatalysator zugeführt. Wenn die Temperatur des vorgeschalteten Katalysators nicht niedriger als der Taupunkt des Abgases ist, wird das Abgas direkt dem Hauptkatalysator zugeführt. Auf diese Weise kann die Kondensation des Wassers im vorgeschalteten Katalysator und die damit verbundenen Probleme ohne Einleitung einer unnötigen Entwässerung verhindert werden.

Die Zufuhr eines Gemisches, das fetter ist als durch das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Gemisch bestimmt, ist in der JP-61-58912 A offenbart. Jedoch ist keine Gegenmaßnahme für das in der anfänglichen Startphase der Brennkraftmaschine emittierte Abgas berücksichtigt.

Weitere Vorteile und Besonderheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbei spielen anhand der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Systems zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine;

Fig. 2 ein Schaubild, das die typische Beziehung zwischen dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis und der Abgaszusammensetzung in einem Benzinmotor zeigt;

Fig. 3 eine schematische Ansicht einer Aus führung eines Systems zur Reinigung des Ab gases einer Brennkraftmaschine;

Fig. 4 eine schematische Ansicht eines weiteren Systems zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine; und

Fig. 5 ein Blockdiagramm, welches den detaillierten Aufbau einer Steuerungseinheit gemäß Fig. 1 zeigt.

Wie in Fig. 1 gezeigt, ist im Abgaskanal 11 einer Brenn kraftmaschine 1 ein vorgeschalteter Katalysator 2 und ein Hauptkatalysator 3 angeordnet. Ein Luftmengeneinstell ventil (Drosselklappe) 8 und ein Kraftstoffeinspritzventil 9 sind im Einlaßkanal 4 der Brennkraftmaschine 1 vorge sehen. Die Öffnung des Luftmengeneinstellventils 8 und des Kraftstoffeinspritzventils 9 wird durch eine Steuereinheit (Steuerkasten) 10 gesteuert. Eine Sekundärluft- Zufuhrleitung 6 ist an der Vorstufe des vorgeschalteten Katalysators 2 des Abgaskanals 11 vorgesehen. Die Sekundär luft-Zufuhrleitung 6 weist eine Luftpumpe 5 auf. An der Endstufe des Hauptkatalysators 3 ist ein Temperatursensor 7 zur Erfassung der Temperatur des Hauptkatalysators und/oder des Abgases vorgesehen. Die erfaßte Temperatur wird der Steuerungseinheit 10 eingegeben, wo die Steuerungseinheit 10 durch Vergleich der erfaßten Temperatur mit einem vor gegebenen Wert bestimmt, ob ein Betrieb mit fettem Gemisch fortgesetzt wird oder nicht.

Der detaillierte Aufbau der in Fig. 1 gezeigten Steuerungseinheit 10 ist in Fig. 5 gezeigt. Ein Signal des Temperatursensors 7 im Hauptkatalysator 3 wird durch eine Eingangsschaltung in eine zum Vergleich mit dem vorgegebenen Wert der Katalysatortemperatur ge eignete Form umgewandelt und dann einem Vergleicher einer Vergleichereinheit zugeführt, in der sie mit der vorge gebenen Katalysatortemperatur verglichen wird, die vorher in einer Speichereinheit gespeichert wurde. Wenn die Tem peratur des Hauptkatalysators 3 niedriger als der vorge gebene Wert ist, erzeugt ein Signalgenerator oder eine Signalerzeugungseinheit ein Signal, das das Kraftstoff einspritzventil 9 und die Drosselklappe 8 einstellt, um das Gemisch fetter zu machen als durch das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis bestimmt und erzeugt ein Signal, das die Luftpumpe 5 einschaltet. Diese Signale werden in der Ausgangsschaltung in die für die jeweiligen Aus gangsobjekte geeigneten Formen umgewandelt und werden dem Kraftstoffeinspritzventil 9, der Drosselklappe 8 und der Luftpumpe 5 zugeführt.

Wenn die Temperatur des Hauptkatalysators 3 höher ist als der vorgegebene Wert, erzeugt die Signalerzeugungs einrichtung ein Signal, welches das Kraftstoffeinspritz ventil 9 und die Drosselklappe 8 einstellt, um das Luft- Kraftstoff-Verhältnis gleich oder näherungsweise dem stö chiometrischen Verhältnis zu machen, und ein Signal, das die Luftpumpe ausschaltet. Die Signale werden in den Ausgangsschaltungen in für die jeweiligen Ausgangsobjekte geeignete Formen umgewandelt und werden dem Kraftstoff einspritzventil 9, der Drosselklappe 8 und der Luftpumpe zugeführt.

Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen dem Luft-Kraftstoff- Verhältnis und der Abgaszusammensetzung in einem Benzin motor.

In Fig. 3 ist eine schematische Ansicht einer Ausführung eines Systems zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung gezeigt. In einem Abgaskanal der Brennkraftmaschine ist eine Bypassleitung 20 vorgesehen. In der Bypassleitung befindet sich ein vor geschalteter Katalysator 2. Ventile 12 und 21 sind vorge sehen, um den Fluß des Abgases zu ändern. Die Temperatur des Hauptkatalysators und/oder des Abgases am Ausgang des Hauptkatalysators 3 wird durch einen Temperatursensor 7 erfaßt. Das Signal vom Sensor 7, das die Temperatur des Hauptkatalysators und/oder des Abgases bezeichnet, wird an eine Steuereinheit 10 eingegeben. Wenn die er faßte Temperatur gleich oder niedriger als die Aktivie rungstemperatur des Hauptkatalysators 3 ist, wird das Ventil 21 geschlossen und das Ventil 12 geöffnet, so daß das Abgas in den vorgeschalteten Katalysator 2 der Bypassleitung 20 eingeleitet wird. Gleichzeitig damit wird ein Luftmengeneinstellventil 8 und ein Kraftstoffeinspritz ventil 9 so gesteuert, daß eine Verbrennung bei fettem Gemisch durchgeführt wird. Wenn die Temperatur des Ab gases nicht niedriger ist als die Temperatur des Haupt katalysators 3, werden die Ventile 21 und 12 entsprechend geöffnet und geschlossen, um das Abgas direkt in den Haupt katalysator 3 einzuleiten. Gleichzeitig damit, wird ein Ventil 8 zur Einstellung der Ansaugluftmenge und ein Kraft stoffeinspritzventil 9 so gesteuert, daß eine Verbrennung unter einer Bedingung eines stöchiometrischen Luft-Kraft stoff-Verhältnisses und näherungsweise dazu durchgeführt wird. Signale zum Öffnen und Schließen der Ventile 12 und 21 werden ebenso von der Steuereinheit 10 ausgegeben.

Fig. 4 zeigt eine schematische Ansicht eines weiteren Systems zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine. Eine Bypassleitung 20 ist mit einem Abgaskanal 11 der Brennkraftmaschine verbunden und in der Bypassleitung 20 ist eine Entfeuchtungseinrichtung 15 vorgesehen. In dem Kanal 11 und der Bypassleitung 20 sind jeweils Ventile 13 und 14 zur Umleitung des Abgasflusses angeordnet. Ein Temperatursensor 16 ist im vorgeschalteten Katalysator 2 enthalten. Wenn die Temperatur des vorge schalteten Katalysators 2 niedriger ist als der Taupunkt des Abgases, wird das Abgas in den Hauptkatalysator 3 eingeleitet, nachdem es durch die Entfeuchtungseinrich tung 15 des Bypasskanals 20 entfeuchtet wurde. Wenn die Temperatur des vorgeschalteten Katalysators 2 höher ist als der Taupunkt des Abgases, wird das Abgas direkt dem vorgeschalteten Katalysator 2 zugeführt. Das Öffnen und Schließen der Ventile 13 und 14 wird ebenso durch die Steuereinheit 10 durchgeführt. Durch Vergleich der vom Temperatursensor 16 gemessenen Temperatur mit dem Taupunkt des Abgases, der vorher gespeichert wurde, kann die Steuer einheit 10 beispielsweise Signale zum Öffnen oder Schlies sen der Ventile 13 und 14 ausgeben.

Beispiel 1

Der vorgeschaltete Katalysator 2 enthält 0,5 Massen-% Pd, das von einem keramischen (Cordierit) wabenartigen Träger getragen wird, der ein Volumen von 1 Liter, ein Öffnungs verhältnis von 76% aufweist und mit Aluminiumoxid be schichtet ist. Der Hauptkatalysator 2 umfaßt einen waben förmigen Träger, der ein Volumen von 2 Liter hat, die selbe Struktur wie der vorgeschaltete Katalysator 2 auf weist und Pd, Pt und Rh trägt. Abgas eines Benzinmotors wurde durch den vorgeschalteten Katalysator und den Haupt katalysator 2 und 3 geleitet, die in Reihe geschaltet waren. Das Abgas, das 7 Volumen-% CO und 0,35 Volumen-% HC enthält, was durch Verbrennung eines Gemisches bei einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis von 12 erreicht wird, bei dem das Gemisch fetter als das des stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ist, wurde dem vorgeschalte ten Katalysator 2 bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 1000 Liter pro Minute zugeführt. 63 Sekunden nach dem Einlei ten des Abgases wurde am Ausgang des vorgeschalteten Kataly sators eine Abgastemperatur von 300°C erreicht. 135 Sekunden nach der Einleitung des Abgases wurde am Ausgang des Haupt katalysators 7 eine Abgastemperatur von 300°C erreicht.

Vergleichsbeispiel 1

Das Abgas, das 0,9 Volumen-% CO und 0,2 Volumen-% HC enthält, was durch Verbrennung des Gemisches bei einem Luft- Kraftstoff-Verhältnis von 14,5 erreicht wurde, was nahe dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, wurde dem vorgeschalteten Katalysator 2 bei einer Strö mungsgeschwindigkeit von 1000 Liter/Minute zugeführt. An den Ausgängen des vorgeschalteten und des Hauptkata lysators 2 und 3 wurde eine Abgastemperatur von 300°C jeweils 89 und 170 Sekunden nach Einleitung des Abgases erreicht.

Beispiel 2

Der vorgeschaltete und der Hauptkatalysator waren die gleichen wie die in Beispiel 1 verwendeten. Dem Abgas, das bei derselben Verbrennungsbedingung (Luft-Kraftstoff- Verhältnis von 12) erzeugt wurde, wurde vor dem vorge schalteten Katalysator Luft mit 380 Liter/Minute zugefügt. An den Ausgängen des vorgeschalteten und Hauptkatalysators wurde eine Abgastemperatur von 300°C jeweils 40 und 87 Sekunden nach dem Einleiten des Abgases erreicht.

Beispiel 3

Die Zeitdauer, die benötigt wurde, bis die Temperatur des Abgases am Ausgang des vorgeschalteten Katalysators 300°C erreicht, wurde gemessen bei Verwendung unter schiedlicher Katalysatoren unter denselben Bedingungen wie in Beispiel 2. Dabei wurden die in der Tabelle 1 ge zeigten Ergebnisse erzielt. Keramische wabenartige Träger wurden verwendet als Träger für den vorgeschalteten und Hauptkatalysator. Die Träger waren mit Aluminiumoxid be schichtet, um die in der Tabelle 1 gezeigten aktiven kata lytischen Bestandteile zu tragen.

Tabelle 1

Beispiel 4

Vorgeschaltete Katalysatoren mit unterschiedlichen porösen Trägersubstanzen und Trägern, die Pd und Pt trugen, wurden unter derselben Bedingung wie im Beispiel 2 verwendet.

Die Ergebnisse von Tabelle 2 wurden durch Messung der Zeit erreicht, die benötigt wurde, damit die Temperatur des Abgases am Ausgang des vorgeschalteten Katalysators 300°C erreicht.

Beispiel 5

Es wurde ein vorgeschalteter Katalysator mit einer waben artigen Struktur verwendet, die eine Porosität von 50% aufwies, aus einer Platte aus ferritischem rostfreiem Stahl mit einer Dicke von 0,05 mm bestand, und 0,5 Massen-% Pd trug. Die Geschwindigkeit der Temperaturerhöhung des Katalysators wurde gemessen unter derselben Bedingung wie in Beispiel 2. An den Ausgängen des vorgeschalteten und des Hauptkatalysators wurden die Abgastemperaturen von 300°C jeweils nach 36 und 83 Sekunden erreicht.

Beispiel 6

Derselbe Katalysator wie in Beispiel 5 wurde verwendet. Eine Gleichstromleistung von 3 kW wurde durch den Kata lysator geleitet unter derselben Bedingung wie in Bei spiel 3. An den Ausgängen des vorgeschalteten und des Hauptkatalysators wurden die Abgastemperaturen von 300°C nach jeweils 28 und 62 Sekunden erreicht.

Gemäß der Erfindung können unverbrannte oder nur teilweise verbrannte Kraftstoffbestandteile gereinigt werden, die unmittelbar nach dem Start einer Brennkraftmaschine emittiert werden. Es ist insbesondere ein vorgeschalteter Katalysator vorgesehen. Die Brennkraftmaschine wird unter einer fetten Bedingung gestartet, so daß die Temperatur des vorgeschal teten Katalysators schnell durch die Oxidation des Abgases angehoben wird. Die Temperatur des Hauptkatalysators, der stromabwärts des vorgeschalteten Katalysators angeordnet ist, kann so auf eine Betriebstemperatur angehoben werden. Dies steigert die Abgasreinigungsfähigkeit unmittelbar nach dem Start der Brennkraftmaschine.

Claims

1. Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine mit ei nem Kraftstoffeinspritzventil (9) und einem Luftmen geneinstellventil (8) und einem in einem Abgassystem an geordneten Abgasreinigungskatalysator (3), bei dem fol gende Schritte durchgeführt werden:

A) Erfassen einer Temperatur des Abgasreinigungskataly sators (3) und/oder der Abgase am Ausgang des Abgas reinigungskatalysators (3),
B) Vergleichen der erfaßten Temperatur mit einer Akti vierungstemperatur des Abgasreinigungskatalysators (3),
C) Ansteuern des Kraftstoffeinspritzventils (9) und/oder des Luftmengeneinstellventils (8) so, daß das der Brennkraftmaschine zugeführte Luft/Kraftstoff-Gemisch fetter als ein stöchiometrisches Gemisch wird, wenn die erfaßte Temperatur unter der Aktivierungstempera tur des Abgasreinigungskatalysators (3) liegt,
D) Ansteuern des Kraftstoffeinspritzventils (9) und/oder des Luftmengeneinstellventils (8) so, daß das Luft/ Kraftstoff-Gemisch auf das stöchiometrische Gemisch oder näherungsweise darauf eingestellt wird, wenn der Abgasreinigungskatalysator (3) die Aktivierungstempe ratur erreicht hat,
E) Leiten der Abgase durch einen dem Abgasreinigungska talysator (3) vorgeschalteten Verbrennungskatalysator (2), der die im Abgas enthaltenen Kohlenmonoxide und Kohlenwasserstoffe oxidiert, wobei der Verbrennungs katalysator (2) in einer Bypassleitung (20) vorgesehen ist, die unterhalb der Aktivierungstemperatur des Ab gasreinigungskatalysators (3) zugeschaltet und ober halb derselben abgeschaltet wird, und
F) Zuführen eines Oxidationsmittels stromauf der Kataly satoren (2, 3), wenn die erfaßte Temperatur unter der Aktivierungstemperatur des Abgasreinigungskatalysa tors (3) liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxidationsmittel Sekundärluft enthält, die über eine Sekundärluft-Zufuhrleitung (6) zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasreinigungskatalysator (3) ein 3-Wege- Katalysator ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß eine Entfeuchtungseinrichtung (15) dem Verbren nungskatalysator (2) vorgeschaltet ist, die das Abgas entfeuchtet und bei einer Temperatur des vorgeschalteten Katalysators (2) unterhalb des Taupunktes des Abgases zugeschaltet und bei ei ner Temperatur des vorgeschalteten Katalysators (2) oberhalb desselben abgeschaltet wird.

5. Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoffeinspritzventil (9) und einem Luftmen geneinstellventil (8), einem in einem Abgassystem ange ordneten Abgasreinigungskatalysator (3), einem dem Abgas reinigungskatalysator (3) vorgeschalteten, in einer Bypassleitung (20) angeordneten Verbrennungskatalysator (2), der die im Abgas enthaltenen Kohlenmonoxide und Koh lenwasserstoffe oxidiert, und einer Steuereinheit (10), die

A) eine Temperatur des Abgasreinigungskatalysators (3) und/oder der Abgase am Ausgang des Abgasreinigungska talysators (3) erfaßt,
B) die erfaßte Temperatur mit einer Aktivierungstempera tur des Abgasreinigungskatalysators (3) vergleicht,
C) das Kraftstoffeinspritzventils (9) und/oder das Luft mengeneinstellventil (8) so ansteuert, daß das der Brennkraftmaschine zugeführte Luft/Kraftstoff-Gemisch fetter als ein stöchiometrisches Gemisch eingestellt wird, wenn die erfaßte Temperatur unter der Aktivie rungstemperatur des Abgasreinigungskatalysators (3) liegt,
D) das Kraftstoffeinspritzventil (9) und/oder das Luft mengeneinstellventil (8) so ansteuert, daß das Luft/ Kraftstoff-Gemisch auf das stöchiometrische Gemisch oder näherungsweise darauf eingestellt wird, wenn der Abgasreinigungskatalysator (3) die Aktivierungstempe ratur erreicht hat,
E) die Bypassleitung (20) unterhalb der Aktivierungstem peratur des Abgasreinigungskatalysators (3) zuschal tet und oberhalb derselben abschaltet, und
F) eine Zufuhr eines Oxidationsmittels stromauf der Ka talysatoren (2, 3) bewirkt, wenn die erfaßte Tempera tur unter der Aktivierungstemperatur des Abgasreini gungskatalysators (3) liegt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxidationsmittel Sekundärluft enthält, die über eine Sekun därluft-Zufuhrleitung (6) zuführbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich net, daß der Abgasreinigungskatalysator (3) ein 3-Wege- Katalysator ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß eine Entfeuchtungseinrichtung (15) dem Ver brennungskatalysator (2) vorgeschaltet ist, die das Abgas ent feuchtet und bei einer Temperatur des vorgeschalteten Katalysa tors (2) unterhalb des Taupunktes des Abgases zuschaltbar und bei einer Temperatur des vorgeschalteten Katalysators (2) ober halb desselben abschaltbar ist.

9. Fahrzeug, das eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8 enthält.