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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsvorrichtung für einen
Motor sowie einen Motor für
eine Abgasreinigungsvorrichtung und ein verfahren zum steuern eines
Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
von in Motorzylindern erzeugten Abgas im Hinblick auf ein Reduzierungsverfahren
von in einem Katalysator gespeicherten Stickstoffoxiden.
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In
jüngster
Zeit sind Magerverbrennungsmotoren, die mit einem mageren A/F-Verhältnis, das
höher als
ein stöchiometrisches
A/F-Verhältnis
ist, betriebsfähig
sind, bezogen auf die Gesichtspunkte der Verbesserung der Kraftstoffökonomie
und der Reduzierung der Kohlendioxide (CO2),
die von den Motoren emittiert werden, effektiv. Das von den Magerverbrennungsmotoren
erzeugte Abgas hat einen hohen Sauerstoffgehalt, wodurch ein im
Wesentlichen verwendeter Drei-Wege-Katalysator das in dem Abgas vorhandene
NOx nicht ausreichend reduzieren kann. Es ergibt sich eine Forderung,
eine Technologie für das
effektive Entfernen des NOx während
der mageren A/F-Verhältnisbetriebweise
des Motors zu schaffen.
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Das
Patent, Vereinigte Staaten Nr. 5,473,887, zeigt eine Abgasreinigungsvorrichtung, die
einen NOx-Speicherkatalysator verwendet, der in Betrieb ist, um
in dem Abgas, das in den NOx-Speicherkatalysator strömt, vorhandenes
NOx zu speichern, wenn ein A/F-Verhältnis des Abgases mager ist
und das NOx, das in dem Abgas vorhanden ist, zu reduzieren, wenn
das A/F-Verhältnis
des Abgases fett wird. In dieser Vorrichtung speichert der NOx-Speicherkatalysator
das in dem Abgas vorhandene NOx, das von dem Motor während der
mageren A/F-Verhältnisbetriebsweise
emittiert wird, und das NOx, das durch den NOx-Speicherkatalysator
durch zeitweiliges Arbeiten des Motors mit dem fetten A/F-Verhältnis bei
einen vorbestimmten Zeitpunkt reduziert wird.
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Inzwischen
werden, wenn der Motor in dem vollständigen Aufwärmzustand ist, der Drei-Wege-Katalysator
und der NOx-Speicherkatalysator ausreichend erwärmt, um das Abgas effektiv
zu reinigen. Wenn der Motor nicht in dem vollständigen Aufwärmzustand ist, z. B. unmittelbar
nach dem Aufwärmen,
erreichen der Drei-Wege-Katalysator und der NOx-Speicherkatalysator
keinen befriedigend aufgewärmten
Zustand. Dies führt
zu beträchtlichen Schwierigkeiten
beim Reinigen des Abgases. Es sind verschiedene Technologien zum
Aktivieren der Katalysatoren für
einen kürzeren
Zeitraum vorgeschlagen worden. Eine der Technologien ist, den Katalysator
in dem Abgas in der Nähe
einer Abgasöffnung
des Motors anzuordnen. Wenn nämlich
der Katalysator weiter stromauf in dem Abgassystem angeordnet ist, kann
die Wärme
des von dem Motor emittierten Abgases in den Katalysator eingeleitet
werden, ohne auf andere Teile des Abgassystems übertragen zu werden, so dass
der Katalysator für
einen kürzeren Zeitraum
aktiviert werden kann.
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Somit
ist es, um die Reduzierung des NOx durch den NOx-Speicherkatalysator
in dem Magerverbrennungsmotor früh
zu beginnen, wünschenswert,
den NOx-Speicherkatalysator in der Nähe der Öffnung des Motors anzuordnen.
Andererseits hat im Wesentlichen der NOx-Speicherkatalysator einen Wärmewiderstand,
der geringer als der des Drei-Wege-Katalysators ist. In einigen
Fällen
hat der NOx-Speicherkatalysator einen niedrigeren Arbeitstemperaturbereich,
in dem das Speichern und Reduzieren des NOx mit hoher Effektivität erreicht
werden kann, wenn mit einer Temperatur des Abgases in der Nähe des Abgasanschlusses
des Motors verglichen wird. Unter Berücksichtigung dieser Merkmale
des NOx-Speicherkatalysators wird es nicht wünschenswert sein, den NOx-Speicherkatalysator
in der Nähe der
Abgasöffnung
des Motors anzuordnen.
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Das
Paten, Vereinigte Staaten Nr. 5,388,403, zeigt eine derartige Anordnung,
dass der Drei-Wege-Katalysatorstrom auf des Abgassystems angeordnet
ist und der NOx-Speicherkatalysator stromab des Drei-Wege-Katalysators
angeordnet ist. In dieser Anordnung ist das A/F-Verhältnis in
einer Brennkammer des Motorzylinders fett gemacht worden, um eine
stabile Verbrennung während
des Hochfahrens des Motors zu schaffen, und das A/F-Verhältnis des Abgases
ist durch das Einleiten einer Sekundärluft von der stromaufwärtigen Seite
des Drei-Wege-Katalysators mager gemacht worden, um die Aktivierung des
Katalysators zu unterstützen.
Der stromaufwärtige
Katalysator oxidiert Kohlenwasserstoff (HC) und Kohlenmonoxid (CO),
das in dem Abgas vorhanden ist, und der stromabwärtige NOx-Speicherkatalysator speichert
das NOx, das in dem Abgas vorhanden ist. Wenn die Menge des gespeicherten
NOx, gespeichert durch den NOx-Speicherkatalysator einen vorbestimmten
Wert erreicht, wird das A/F-Verhältnis des
Abgases fett gemacht, um das in dem NOx-Speicherkatalysator gespeicherte
NOx zu reduzieren.
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In
der herkömmlich
vorgeschlagenen Anordnung, die den stromaufwärtigen Drei-Wege-Katalysator und den stromabwärtigen NOx-Speicherkatalysator
enthält,
wird das Abgas, das das für
die Reduzierung des NOx, gespeichert durch den NOx-Speicherkatalysator,
fette A/F-Verhältnis
enthält,
zuerst in den Drei-Wege-Katalysator eingeleitet. Das HC und das
CO, das in dem Abgas vorhanden ist, reagiert mit dem Sauerstoff,
der in dem Drei-Wege-Katalysator gespeichert ist. Das A/F-Verhältnis des
Abgases er reicht nicht das fette Verhältnis an einem Auslassanschluss
des Drei-Wege-Katalysators bis eine Gesamtmenge des Sauerstoffs
in dem Drei-Wege-Katalysator für
die Reaktion mit dem HC und dem CO in dem Abgas verbraucht ist.
Das NOx, das in dem Abgas vorhanden ist, das in den NOx-Speicherkatalysator
strömt,
kann nämlich
nicht durch den NOx-Speicherkatalysator reduziert werden, bis die
Reaktion der Gesamtmenge des Sauerstoffs abgeschlossen ist. Es wird
demzufolge erforderlich, dem Abgassystem mit dem Abgas ein voll-fettes
A/F-Verhältnis
zuzuführen,
das eine ausreichende Menge des Reduktionsmittels enthält, d. h.,
HC und CO, um in der Reaktion mit dem Sauerstoff in dem Drei-Wege-Katalysator
verbraucht zu werden. Dies führt
zu einer Verminderung in der Kraftstoffökonomie.
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Der
Drei-Wege-Katalysator wirkt wegen seiner Sauerstoff-Speichereigenschaften,
um den in dem Abgas, das darin strömt, vorhandenen Sauerstoff
zu speichern, wenn das Abgas mager ist, und um HC und CO, die in
dem darin strömenden
Abgas vorhanden sind, durch den gespeicherten Sauerstoff zu oxidieren,
wenn das Abgas fett ist. Um die Sauerstoffspeichereigenschaften
des Drei-Wege-Katalysators zu vermindern, um das A/F-Verhältnis des
Abgases, das in dem NOx-Speicherkatalysator strömt, fett zu machen, können sogenannte
Zer, d. h., Zeroxide (CeO2), die im Wesentlichen
durch den Drei-Wege-Katalysator getragen werden, davon entfernt
werden. Wenn jedoch die Sauerstoffspeichereigenschaften des Drei-Wege-Katalysators
vermindert werden, dann wird unerwünscht veranlasst, die Sauerstoffrate des
HC und CO, die in dem Abgas vorhanden sind, bei dem fetten A/F-Verhältnis zu
vermindern. Außerdem
können
die Speichereigenschaften des Drei-Wege-Katalysators nicht auf Null
vermindert werden, sogar dann nicht, wenn das Zer aus dem Drei-Wege-Katalysator
entfernt wird. Dies kommt daher, weil die Katalysatorbauteile, die
anders als die Zer sind, eine bestimmte Menge des Sauerstoffs, der in
dem Abgas vorhanden ist, speichert.
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Aus
dem Stand der Technik-Dokument
EP 0 878 609 A2 ist eine Abgasreinigungsvorrichtung
für eine
Brennkraftmaschine bekannt. Die Vorrichtung ist für einen
Mehrfachzylinder-Direkteinspritzungsmotor, ausgerüstet mit
vier Zylindern, vorgesehen, wobei die Zylinderanzahl 1 und 4 mit
einem ersten Verzweigungsabgaskanal verbunden sind und die Zylindernummern
2 und 3 mit einem zweiten Verzweigungsabgaskanal verbunden sind.
Die ersten und zweiten Verzweigungsabgaskanäle werden miteinander und stromab
derselben zusammengeführt,
um einen gemeinsamen Abgaskanal zu bilden. In jedem der Verzweigungsabgaskanäle ist ein
NOx-absorbierender Reduzierungskatalysator angeordnet. Innerhalb
des gemeinsamen Abgaskanals ist ein weiterer NOx-absorbierender
Reduzierungskatalysator vorgesehen. Mit dieser Anordnung werden
alle Zylin der des Motors bei einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis während des
Normalbetriebs betätigt.
Wenn die NOx-Menge in dem stromabwärtigen NOx-absorbierenden Reduzierungskatalysator
auf einen vorbestimmten Wert erhöht
wird, wird ein fette-Spitze-Betrieb in allen Zylindern während des
Reduzierungsverfahrens für
das Reduzieren der in dem Katalysator gespeicherten Oxide ausgeführt.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Abgasreinigungsvorrichtung
für einen
Motor und ein Verfahren zum Steuern eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
von Abgas, das von den Motorzylindern erzeugt wird, zu schaffen,
wobei die Abgasreinigung, insbesondere die Reduzierung des gespeicherten NOx,
verbessert wird.
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Entsprechend
des Vorrichtungsaspektes der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe
durch eine Abgasreinigungsvorrichtung für einen Motor entsprechend
des unabhängigen
Anspruchs 1 gelöst.
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Überdies
wird diese Aufgabe entsprechend des Verfahrensaspektes der vorliegenden
Erfindung auch durch ein Verfahren zum Steuern des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
von Abgas, das in den Motorzylindern erzeugt wird, entsprechend
des unabhängigen Anspruches
19 gelöst.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
sind in den abhängigen
Ansprüchen
niedergelegt.
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Nachstehend
wird die vorliegende Erfindung veranschaulicht und mittels der bevorzugten
Ausführungsbeispiele
in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
erläutert.
In den Zeichnungen, wobei:
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1 ein
schematisches Diagramm ist, das eine Brennkraftmaschine veranschaulicht,
das einen Teil einer Vorrichtung entsprechend der Ausführungsbeispiele
zeigt;
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2 ein
erstes Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung veranschaulicht, das in der Vorrichtung verwendete
Katalysatoren zeigt;
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3 ein
Ablaufdiagramm eines Programms ist, ausgeführt für eine fette-Spitze-Steuerung in dem ersten
Ausführungsbeispiel;
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4 ein
Ablaufdiagramm eines Programms ist, ausgeführt zum Bestimmen einer Basis-Kraftstoffeinspritzmenge
während
der fette-Spitze-Steuerung;
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5 ein
Ablaufdiagramm eines Programms ist, ausgeführt zum Bestimmen einer zusätzlichen Kraftstoffeinspritzmenge
während
der fette-Spitze-Steuerung;
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6 ein
zweites Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung zeigt;
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7 ein
drittes Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung zeigt;
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8 ein
viertes Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung zeigt; und
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9 ein
fünftes
Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung zeigt.
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Nunmehr
werden in Bezug auf die 1 bis 5 ein erstes
Ausführungsbeispiel
einer Abgasreinigungsvorrichtung und eine Brennkraftmaschine, die
die Abgasreinigungsvorrichtung enthält, erläutert. Die Brennkraftmaschine
ist von einem In-Zylinder-Direkteinspritzungstyp.
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Wie
in der 1 dargestellt, enthält der Motor 10 einen
Motorzylinder 12. Während
in der 1 für
eine einfache Dachstellung nur ein Motorzylinder 12 gezeigt
ist, enthält
der Motor 10 eine Mehrzahl von Motorzylindern. In diesem
Ausführungsbeispiel
ist der Motor 10 von dem Vierzylindertyp-Reihenmotor, was
später
erläutert
wird. Ein Kraftstoffeinspritzer 14 ist angeordnet, um den
Kraftstoff in eine Brennkammer 16 jedes Motorzylinders 12 einzuspritzen.
Eine Zündkerze 18 ist
an einem obersten zentralen Teil der Brennkammer 16 angeordnet.
Ein Einlassluftkanal 22 ist mit einer Einlassöffnung 20 verbunden,
um in die Brennkammer 16 zu öffnen. Ein Drosselventil 24 ist
in dem Einlassluftkanal 22 angeordnet. Ein Luftströmungsmesser 26 und
ein Einlassluftfilter 28 sind in dem Einlassluftkanal 22 stromauf
des Drosselventils 24 angeordnet. Der Luftstrommesser 26 ist vorgesehen,
eine Einlassluftmenge Q, die in den Motor 10 eingeleitet
wird, zu messen und ein Ausgangssignal, das die Einlassluftmenge
Q anzeigt, zu erzeugen. Ein Kurbelwinkelsensor 32 ist zum
Erfassen eines Drehwinkels einer Kurbelwelle 34 des Motors 10 und
zum Erzeugen eines Ausgangssignals, das denselben anzeigt, vorgesehen.
Ein Motordrehzahlsensor 35 ist zum Erfassen einer Motordrehzahl
Ne und zum Erzeugen eines dieselbe anzeigenden Ausgangssignals vorgesehen.
Der Luftströmungsmesser 26,
der Kurbelwinkelsensor 32 und der Motordrehzahlsensor 35 sowie
die Kraftstoffeinspritzung 14 und die Zündkerze 18 sind mit
einer Steuerung 30 verbunden. Die Steuerung 30 nimmt
verschiedene Ausgangssignale, erzeugt von dem Luftströmungsmesser 26,
dem Kurbelwinkelsensor 32 und dem Motordrehzahlsensor 35 und
dergleichen, auf.
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Die
Steuerung 30 führt
die Programme, die in den 3 bis 5 dargestellt
sind, auf der Grundlage der aufgenommenen Ausgangssignale aus und betätigt die
Kraftstoffeinspritzung 14 und die Zündkerze 18, um eine
Kraftstoffeinspritzmenge, einen Einspritzzeitpunkt und einen Zündzeitpunkt
zu steuern.
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Die
Steuerung 30 wird gebildet durch einen Mikrorechner, der
eine Mikrorechnereinheit (MPU) enthält, Eingangsanschlüsse, Ausgangsanschlüsse, Nur-Lesespeicher
(ROM) zum Speichern des Steuerprogramms, wahlfreie Zugangsspeicher
(RAM) zur zeitweiligen Datenspeicherung, die auch für die Zeitgeber
verwendet werden können,
einen Speicher, um die gelernten Werte zu bewahren, und einen herkömmlichen
Daten-Bus.
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2 veranschaulicht
ein Abgassystem, das mit einer Abgasöffnung 36 von jedem
Zylinder des Vierzylinder-Reihenmotors 10 verbunden ist.
Wie in der 2 dargestellt, enthält der Motor
vier Zylinder, die in eine erste Zylindergruppe, die einen Motorzylinder
#1 enthält,
und eine zweite Zylindergruppe, die die Motorzylinder #2, #3 und
#4 enthält,
geteilt sind. Ein erster Abgaskanal 38 ist mit dem Motorzylinder #1
verbunden. Ein erster vorderer Katalysator 40, gebildet
durch einen Drei-Wege-Katalysator, ist innerhalb des ersten Abgaskanals 38 angeordnet.
Der Ausdruck hierin verwendete Ausdruck „vorderer" bedeutet die „stromaufwärtige" Seite im Verhältnis zu einer Abgasströmung aus
jedem Motorzylinder. Der erste vordere Zylinder 40 hat
eine volumetrische Kapazität,
die in der Lage ist, einer Einzelströmung des Abgases, erzeugt von
dem Abgaszylinder #1, zu gestatten, durch den ersten vorderen Katalysator 40 hindurchzugehen.
Ein verzeigungsförmiger
zweiter Abgaskanal 42, der drei Verzweigungen hat, ist
mit den Motorzylindern #2, #3 und #4 durch die drei Verzeigungen
verbunden. Ein zweiter vorderer Katalysator 44, gebildet
durch einen Drei-Wege-Katalysator, ist innerhalb des zweiten Abgaskanales 42 angeordnet.
Der zweite vordere Katalysator 44 hat eine volumetrische
Kapazität,
die größer als
die des ersten vorderen Katalysators 40 ist, um eine kombinierte Strömung des
Abgases von dem drei Motorzylindern #2, #3 und #4 durch den zweiten
vorderen Zylinder 44 zu gestatten.
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Der
erste vordere Katalysator 40 hat eine Sauerstoffspeichereigenschaft,
d. h., eine Sauerstoffeigenschaft, die geringer als die des zweiten
vorderen Katalysators 44 ist. Insbesondere enthält der erste
vordere Katalysator 40 eine extrem kleine Menge einer Hilfs-Katalysatorkomponente,
z. B. ein sogenanntes Zer, d. h., Zeroxid (CeO2),
das zum Erhöhen der
Oxidationseigenschaft dient. Der erste Abgaskanal 38 und
der zweite Abgaskanal 42 vereinen sich stromab des ersten
und zweiten vorderen Katalysators 40 und 44, um
einen gemeinsamen Abgaskanal 46 zu bilden. Ein hinterer
Katalysator 48 ist innerhalb des gemeinsamen Abgaskanals 46 angeordnet.
Der hierin verwendete Ausdruck „hinterer" bedeutet die „stromabwärtige" Seite im Verhältnis zu der Abgasströmung jedes
Motorzylinders.
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Der
hintere Katalysator 48 wird durch einen NOx-Speicherkatalysator
gebildet, der z. B. einen wabenförmigen
Träger, überzogen
mit Aluminium, enthält.
Zumindest ein Element, das aus alkalischen Metallen ausgewählt wird,
z. B. Kalium (K), Natrium (Na), Lithium (Li) oder Zäsium (Cs);
alkalische Erdmetalle, z. B. Barium (Ba) und Calcium (Ca); und seltene
Erdmetalle, z. B. Lanthan (La) oder Yttrium (Y) und Edelmetalle,
z. B. Platin (Pt) werden auf dem Träger getragen. Der NOx-Speicherkatalysator 48 ist in
Betrieb, um NOx, das in dem darin strömenden Abgas enthalten ist,
mit z. B. Bariumoxid (BaO) zu kombinieren und das NOx in der Form
von Nitrationen (NO3 –)
zu speichern, wenn ein A/F-Verhältnis
des darin strömenden
Abgases in bezug auf das stöchiometrische
A/F-Verhältnis
mager ist. Der NOx-Speicherkatalysator 48 ist auch in Betrieb,
um das gespeicherte NO3 – durch
ein Reduzierungsmittel, d. h. unverbranntes HC und CO, das in dem
darin strömenden Abgas
vorhanden ist, zu reduzieren und NO2 zu
erzeugen und freizusetzen, wenn das A/F-Verhältnis des darin strömenden Abgases
in bezug auf das stöchiometrische
A/F-Verhältnis
fett ist. Wenn sich der Motorbetrieb mit dem mageren A/F-Verhältnis fortsetzt
und der NOx-Speicherkatalysator 48 mit dem NO3 – durch
die Reaktion zwischen BaO und NOx gesättigt ist, kann kein NOx länger durch
den NOx-Speicherkatalysator 48 gespeichert
werden. Zu dieser Zeit wird das A/F-Verhältnis des Abgases, das in den NOx-Speicherkatalysator 48 strömt, gedrängt sich nach
fett zu verschieben, um das gespeicherte NO3 – zu
reduzieren und das NO2 freizugeben. Diese
zeitweilige Steuerung des A/F-Verhältnisses des Abgases auf die
fette Seite zum Reduzieren des durch den NOx-Speicherkatalysator 48 gespeicherten
NOx wird nachstehend als eine fette-Spitze-Steuerung bezeichnet.
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Die
Steuerung 30 ist programmiert, um die Kraftstoffeinspritzung
zum Bilden eines A/F-Verhältnisses
des Abgases, das in den ersten vorderen Katalysator 40 strömt, im Verhältnis zu
dem stöchiometrischen
A/F-Verhältnis
fett zu machen und ein A/F-Verhältnis des
Abgases, das in den zweiten vorderen Katalysator 44 strömt, stöchiometrisch
oder mager im Verhältnis
zu dem stöchiometrischen A/F-Verhältnis zu
machen, wenn die Steuerung 30 bestimmt, dass es erforderlich
ist, den hinteren NOx-Speicherkatalysator 48 der fette-Spitze-Steuerung
zu unterwerfen.
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In
Bezug auf die 3 bis 5 werden nachstehend
besonders die Betriebsweisen der Steuerung 30 erläutert.
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In
der 3 ist ein fette-Spitze-Steuerungs-Bestimmungsprogramm
gezeigt, das durch die Steuerung 30 in Intervallen von
0,1 s ausgeführt
wird. In dem Block S11 wird eine Befragung vorgenommen, ob oder
nicht ein fette-Spitze-Zeichen FLGSNO „0 (Null)" ist. Das auf Null („0") FLGSNO festgelegte Zeichen zeigt,
dass eine Menge von gespeicherten NOx geringer als ein vorbestimmter
Wert ist und die fette-Spitze-Steuerung gehemmt wird. Der vorbestimmte
Wert kann ungefähr
eine Hälfte
einer gesättigten
Menge des NOx sein, die eine maximale Menge des NOx ist, das in
der Lage ist durch den NOx-Speicherkatalysator 48 gespeichert
zu werden. Das auf „1" festgelegte Zeichen
FLGSNO zeigt, dass die Menge des gespeicherten NOx, gespeichert durch
den hinteren NOx-Speicherkatalysator 48, nicht geringer
als der vorbestimmte Wert ist und das gespeicherte NOx muss durch
die fette-Spitze-Steuerung reduziert werden.
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Falls
in dem Block S11 die Befragung zustimmend ist (FLGSNO = 0), wird
angezeigt, dass die fette-Spitze-Steuerung gehemmt ist, wobei das
Verfahren zu dem Block S12 geht. In dem Block S12 wird eine von
dem Motor pro Zeiteinheit, von z. B. 0,1 Sekunden in diesem Ausführungsbeispiel,
erzeugte Menge von NOx durch Aufsuchen eines vorbestimmten Planes
erhalten. Der vorbestimmte Plan ist in der Steuerung 30 gespeichert,
der die NOx-Menge zeigt, die von dem Motor pro Zeiteinheit erzeugt
wird, was einer Motorbelastung, z. B. einer Basis-Kraftstoffeinspritzmenge
Tp und der Motordrehzahl Ne entspricht. Die Basis-Kraftstoffeinspritzmenge
Tp wird durch die folgende Formel repräsentiert: TP
= k × Q/Newobei
k eine Konstante ist.
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Dann
geht der Ablauf zu dem Block S13, bei dem eine Summe SNO der NOx-Menge, gespeichert durch
den hinteren NOx-Speicherkatalysator 48 während des
Magerverhältnisbetriebs,
durch Addieren der momentanen NOx-Menge NO, erhalten in dem Block
S12, zu einer vorherigen Summe SIGNO der NOx-Menge, die vorher bei
dem vorherigen Ausführen
dieses Programms berechnet wird, aktualisiert wird. Als nächstes wird
in dem Block S14 die Summe SNO des gespeicherten NOx mit einem oberen Grenzwert
SLSNO verglichen, d. h., dem oben beschriebenen Wert. Falls die
Summe SNO des gespeicherten NOx die obere Grenze SLSNO überschreitet, geht
dann das Verfahren zu dem Block S15. In dem Block S15 wird das fette-Spitze-Zeichen
FLGSNO auf „1" gesetzt und zu derselben
Zeit wird eine Zeit RSTM, die von dem Moment der fette-Spitze-Steuerung
ausgeführt
wird, auf „0" zurückgesetzt.
Die verstrichene Zeit RSTM wird durch einen Zeitgeber gemessen.
Falls in dem Block S14 die Summe SNO des gespeicherten NOx nicht
größer als
die obere Grenze SLSNO ist, wird es bestimmt, dass der hintere NOx-Speicherkatalysator 48 noch
für das
Speichern von NOx in betrieb ist und der magere A/F-Verhältnisbetrieb
fortgesetzt wird. Der magere A/F-Verhältnisbetrieb
wird durch Ausführen
eines Kraftstoffeinspritz-Steuerprogramms, nicht gezeigt, ausgeführt, um
die Kraftstoffeinspritzmenge, die für das magere A/F-Verhältnis bei
dem Motorzylinder während
des Zeitraums zwischen dem Einlass-und den Verdichtungshub erforderlich
ist, zu schaffen.
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In
dem Block S11, wenn die Befragung negativ ist (FLGSNO = 1), wird
es bestimmt, dass die fette-Spitze-Steuerung gestattet wird. Das
Verfahren geht zu dem Block S16. In dem Block 16 wird eine Befragung
vorgenommen, ob oder nicht die verstrichene Zeit RSTM nicht geringer
als ein vorbestimmter wert SLTM ist. Falls in dem Block 16 die
Befragung negativ ist, was anzeigt, dass die verstrichene Zeit RSTM
geringer als der vorbestimmte Wert SLTM ist, geht das Verfahren
zu dem Block S17. In dem Block S17 wird die verstrichene Zeit RSTM
aufsummiert und aktualisiert. In diesem Ausführungsbeispiel wird die momentan
verstrichene Zeit RSTM durch Addieren von 0,1 zu der vorher verstrichenen
Zeit RSTM aktualisiert, weil dieser Ablauf aller 0.1 Sekunden ausgeführt wird.
Falls die Befragung in dem Block 16 zustimmend ist, geht
das Verfahren zu dem Block S18. In dem Block S18 wird das fette-Spitze-Zeichen
FLGSNO auf „0" festgelegt und die
Summe SNO des gespeicherten NOx wird auf „0" zurückgesetzt.
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Die 4 zeigt
eine Programm, das ausgeführt
wird, um die Basis-Kraftstoffeinspritzmenge Tp zu bestimmen, die
für das
Erzeugen des stöchiometrische
A/F-Verhältnisses
eines Luft-Kraftstoff-Gemischs innerhalb jedes Motorzylinders #1–#4 erforderlich
ist, während
die fette-Spitze-Steuerung ausgeführt wird. Die Basis-Kraftstoffeinspritzmenge
Tp ist eine Kraftstoffmenge, die durch die Kraftstoffeinspritzung 14 in
die Brennkammer 16 des Motorzylinders #1–#4 bei
einem Einlasshub eingespritzt wird, während die fette-Spitze-Steuerung
gestattet ist. bei dem Block S21 wird eine Befragung vorgenommen, ob
oder nicht das fette-Spitze-Zeichen FLGSNO auf „1" festgelegt ist. Falls die Befragung
negativ ist, was anzeigt, dass die fette-Spitze-Steuerung gehemmt ist,
geht das Verfahren zu dem Ende. Falls die Befragung zustimmend ist,
was anzeigt, dass die fette-Spitze-Steuerung gestattet ist, geht
der Vorgang zu dem Block S22 und dann zu dem Block S23. In dem Block
S22 wird die Basis-Kraftstoffeinspritzmenge Tp unter Verwendung
der oben beschriebenen Gleichung Tp = k × Q/Ne berechnet. In dem Block S23
wird ein optionaler Zündzeitpunkt
durch Aufsuchen eines Planes, der in der Steuerung 30 gespeichert
ist, festgelegt. Der Plan verwendet die Motordrehzahl Ne und die
Motorbelastung Tp als Parameter. Die in dem Block S22 erhaltene
Basis-Kraftstoffeinspritzmenge Tp soll durch die Zündkerze 18 zu
einem optionalen Zündzeitpunkt,
der in dem Block S23 bestimmt wird, gezündet werden.
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Die 5 zeigt
einen Ablauf, der zum Bestimmen einer zusätzlichen Kraftstoffeinspritzmenge RSTi,
erforderlich für
das Erzeugen eines fetten A/F-Verhältnisses des Abgases, erzeugt
von einer des ersten oder der zweiten Zylindergruppen, ausgeführt wird
und die in den hinteren NOx-Speicherkatalysator 48 strömt, während die
fette-Spitze-Steuerung
gestattet ist. Die zusätzliche
Kraftstoffeinspritzmenge RSTi ist eine Menge eines zusätzlichen
Kraftstoffes, der in zumindest einen der Motorzylinder der einen
der ersten oder der zweiten Zylindergruppe in einem Zeitraum von
einem Ausdehnungshub zu einem Auslasshub eingespritzt werden soll.
In diesem Ausführungsbeispiel wird
der Motorzylinder #1, der die erste Zylindergruppe bildet, mit der
zusätzlichen Kraftstoffeinspritzmenge
RSTi versorgt. Die zusätzliche
Kraftstoffeinspritzmenge RSTi wird unvollständig verbrannt oder überhaupt
nicht verbrannt und dem ersten vorderen Katalysator 40 und
dem hinteren Katalysator 48 zugeführt. Durch das Einspritzen
der zusätzlichen
Kraftstoffeinspritzmenge RSTi wird das A/F-Verhältnis des Abgases, das von
dem Motorzylinder #1 erzeugt wird und das in den ersten vorderen Katalysator 40 und
in den hinteren Katalysator 48 strömt, im Verhältnis zu dem stöchiometrischen A/F-Verhältnis fett
gemacht. In dem Block S31 wird eine Befragung vorgenommen, ob oder
nicht das fette-Spitze-Zeichen FLGSNO auf „12 festgelegt ist. Falls
die Befragung negativ ist, was anzeigt, das die fette-Spitze-Steuerung
gehemmt ist, geht das Verfahren zu Ende. falls die Befragung zustimmend
ist, was anzeigt, dass die fette-Spitze – Steuerung gestattet ist,
geht das Verfahren zu dem Block S32. In dem Block S32 wird die zusätzliche
Kraftstoffeinspritzmenge RSTi unter Verwendung der folgenden Formel
(1) berechnet: RSTi
= Anzahl der Motorzylinder × Tp × (stöchiometrisches
A/F-Verhältnis – fette-Spitze-A/F-Verhältnis)/fette-Spitze-A/F-Verhältnis (1)
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Diese
Formel wird in dem Fall verwendet, bei dem jeder Motorzylinder bei
dem stöchiometrischen A/F-Verhältnis betrieben
wird.
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Falls
jeder Motorzylinder bei dem mageren A/F-Verhältnis betrieben wird, wird
die zusätzliche Kraftstoffeinspritzmenge
RSTi unter Verwendung der folgenden Formel (2) berechnet: RSTi = Anzahl der Motorzylinder × Tp × stöchiometrisches
A/F-Verhältnis
(Verbrennungs-A/F-Verhältnis – fette-Spitze-A/F-Verhältnis)/(fette-Spitze-A/F-Verhältnis × Verbrennungs-A/F-Verhältnis) (2)wobei das
Verbrennungs-A/F-Verhältnis
ein A/F-Verhältnis
ist, das in dem mageren Verbrennungsbetrieb verwendet wird.
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Falls
das in jedem Zylinder #1–#4
gebildete A/F-Verhältnis
von dem mageren A/F-Verhältnis
in das stöchiometrische
A/F-Verhältnis
verändert
wird, um die fette-Spitze-Steuerung
auszuführen,
wird eine leichte Drehmomentveränderung
durch die fette-Spitze-Steuerung verursacht werden. Wenn andererseits
das in jedem Zylinder #1–#4
gebildete A/F-Verhältnis
bei dem mageren A/F-Verhältnis
beibehalten wird und der zusätzliche
Kraftstoff in den Zylinder #1 der ersten Zylindergruppe in dem Zeitraum
von dem Ausdehnungshub zu dem Auslasshub eingespritzt wird, wird
die Drehmomentveränderung verhindert.
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Wenn
das fette A/F-Verhältnis
in dem Teil des Motorzylinders (d. h., in dem Motorzylinder #1 in diesem
Ausführungsbeispiel)
während
der fette-Spitze-Steuerung erzeugt wird, kann das NOx, gespeichert
durch den hinteren NOx-Speicherkatalysator 48, aus dem
Abgas, das von dem Motorzylinder #1 erzeugt worden ist, reduziert
werden. Die zusätzliche Kraftstoffeinspritzmenge
RSTi in dem Motorzylinder #1, die für die Reduzierung des durch
den NOx-Speicherkatalysator 48 gespeicherten NOx erforderlich ist,
kann sehr klein sein, was der Kraftstoffersparnis dient. Der Grund
dafür ist,
dass da der erste vordere Katalysator 40, in den das von
dem Motorzylinder #1 erzeugte Abgas strömt, eine sehr kleine volumetrische
Kapazität
und die geringere Sauerstoffspeichereigenschaft hat, wie bereits
oben erwähnt,
eine geringe Kraftstoffmenge durch die Reaktion mit dem Sauerstoff,
gespeichert durch den ersten vorderen Katalysator, verbraucht wird,
so dass eine große Menge
von nicht-oxidierten Kraftstoff in den hinteren Katalysator 48 durchgehen
kann.
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Inzwischen
ist die vorliegende Lehre nicht auf das oben vorgestellte Ausführungsbeispiel
begrenzt. Z. B. kann das fette A/F-Verhältnis durch Zuführen eines
Luft-Kraftstoff-Gemischs
mit einem A/F-Verhältnis,
das fetter als das stöchiometrische A/F-Verhältnis ist,
zu dem fette-Spitze-Motorzylinder und die Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemisch
darin, an Stelle des Einspritzens der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzmenge,
wie oben erläutert,
erzeugt werden.
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Außerdem können mit
dieser Anordnung des ersten und des zweiten Drei-Wege-Katalysators 40 und 44 stromauf
des Abgassystems diese Katalysatoren schnell aktiviert werden, um
die Reinigung des Abgases unmittelbar nach dem Motorstarten unter
einer Abkühlbedingung
gestartet werden. Bei der Anordnung des hinteren NOx-Speicherkatalysators 48 stromab
des Abgassystems kann der hintere NOx-Speicherkatalysator 48 an der
Beschädigung durch
Wärme gehindert
werden, und kann die Wärme
für die
effektive Aktivierung des Speichers und für die Reduzierung des NOx angemessen
verwenden.
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Da überdies
die zusätzliche
Kraftstoffeinspritzmenge in zumindest einen der Motorzylinder in dem
Zeitraum von dem Ausdehnungshub zu dem Auslasshub eingespritzt wird
und demzufolge in einer unvollständigen
oder überhaupt
keiner Verbrennung darin ist, können
in den Motorzylindern #1–#4
im Wesentlichen gleiche Drehmomente erzeugt werden. Außerdem kann
die Einspritzung der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzmenge
leicht das beträchtlich
fette A/F-Verhältnis
des Abgases, erzeugt von dem fette-Spitze-Motorzylinder, bei dem z. B. für den Zylinder
#1 die fette-Spitze-Steuerung vorgenommen wird, erzeugen. Dies dient
dem ständigen
Aktivieren des hinteren NOx-Speicherkatalysators 48.
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Zusätzlich kann
der erste vordere Katalysator 40, der die Oxidationseigenschaften
geringer als die des zweiten vorderen Katalysators 44 hat,
die Reduzierung des NOx, gespeichert durch den hinteren NOx-Speicherkatalysator 48,
unterstützen.
Dies dient auch für
das Reduzieren der zusätzlichen
Kraftstoffmenge, die für
das Erzeugen des fetten A/F-Verhältnisses
des Abgases, das in den hinteren Katalysator 48 strömt, erforderlich
ist.
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Bezugnehmend
auf die 6 wird nunmehr ein zweites Ausführungsbeispiel
erläutert.
Das zweite Ausführungsbeispiel
unterscheidet sich in den Zylindergruppen und dem daran verbundenen
Abgassystem von dem ersten Ausführungsbeispiel.
Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Teile und demzufolge werden
die ausführlichen
Erläuterungen
derselben weggelassen.
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Wie
in der 6 gezeigt, ist die erste Gruppe, die die Motorzylinder
#1–#4
enthält,
mit einem ersten Abgaskanal 138 verbunden, und die zweite Gruppe,
die die Motorzylinder #2 und #3 enthält, ist mit einem zweiten Abgaskanal 142 verbunden.
Der erste Abgaskanal 138 und der zweite Abgaskanal 142 haben
jeweils zwei Verzweigungen. Ein erster vorderer Katalysator 140 ist
in dem ersten Kanal 138 angeordnet und ein zweiter vorderer
Katalysator 144 ist in dem zweiten Abgaskanal 142 angeordnet.
Der erste und der zweite vordere Abgaskatalysator 140 und 144 können Drei-Wege-Katalysatoren
sein, die im Wesentlichen dieselbe volumetrische Kapazität haben.
Der erste und der zweite vordere Abgaskatalysator 140 und 144 können von
einem homogenen Typ sein, der dieselben Oxidationseigenschaften
haben. Die Oxidationseigenschaft des ersten vorderen Katalysators 140 kann
geringer als die des zweiten vorderen Katalysators 144 sein.
Beider der Motorzylinder #1 und #4 oder einer der Motorzylinder
#1 oder #4 kann der fette-Spitze-Steuerung zum Reduzieren des gespeicherten
NOx durch den hinteren Katalysator 48 unterworfen werden.
Bei dieser Anordnung werden die durch die Motorzylinder #1, #4 der
ersten Zylindergruppe erzeugten Abgase und die Abgase, erzeugt von
dem Motorzylindern #2 und #3 der zweiten Zylindergruppe, voneinander
isoliert. Demzufolge können
die Abgase vom dazwischen stören
gehindert werden. Die Anordnung dieses Ausführungsbeispiels kann vom Gesichtspunkt
der Motorausgangsleistung effektiver als die des ersten Ausführungsbeispieles
sein. Die zwei Zylindergruppen #1, #4 und #2, #3 kann alternierend
der fette-Spitze-Steuerung unterworfen werden. In solch einem Fall
können
die Oxidationseigenschaften des ersten vorderen Katalysators 140 dieselben
wie jene des zweiten vorderen Katalysators sein.
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Unter
Bezug auf die 7 ist dort ein drittes Ausführungsbeispiel
gezeigt, das eine Modifikation des zweiten Ausführungsbeispieles ist.
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Wie
in der 7 dargestellt ist der Motorzylinder #1 mit dem
Abgaskanal 38 verbunden, in dem ein erster vorderer Katalysator 240 angeordnet
ist. Zu dem zweiten Ausführungsbeispiel ähnlich sind
die Motorzylinder #2 und #3 durch die jeweils verzweigten Kanäle mit dem
gemeinsamen Abgaskanal 142 verbunden, in dem der vordere
Katalysa tor 144 angeordnet ist. Der Motorzylinder #4 ist
mit einem separaten Abgaskanal 200 verbunden, in dem ein
separater vorderer Katalysator 244 angeordnet ist. Die
vorderen Katalysatoren 144 und 244 bilden den
zweiten vorderen Katalysator, der parallel zu dem ersten vorderen
Katalysator 240 angeordnet ist. Die Abgaskanäle 38 und 200 führen zusammen,
um einen gemeinsamen Kanalabschnitt 246 an den Auslässen der
vorderen Katalysatoren 240 und 244 zu bilden. Diese
vorderen Katalysatoren können
separat oder durch Teilen eines Katalysators in zwei Katalysatorabschnitte,
die durch eine innere Unterteilung 202 dieselbe volumetrische
Kapazität
haben, gebildet werden. Die vorderen Katalysatoren 240 und 244 haben äquivalente
Oxidationseigenschaften.
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Nebenbei
bemerkt, die volumetrische Gesamtkapazität dieser vorderen Katalysatoren 240 und 244 ist
zu der volumetrischen Kapazität
des vorderen Katalysators gleich. Die Oxidationseigenschaften des
ersten vorderen Katalysators 240 ist demzufolge geringer
als die gesamten Oxidationseigenschaften der vorderen Katalysatoren 144 und 244. Bei
dieser Anordnung kann die Reduzierung von NOx durch Versorgen des
Motorzylinders #1 mit dem Luft-Kraftstoff-Gemisch des fetten A/F-Verhältnisses während der
fette-Spitze-Steuerung ausgeführt
werden. Ähnlich
zu dem zweiten Ausführungsbeispiel kann
die Anordnung dieses Ausführungsbeispieles die
Störung
zwischen den von den separaten Zylindergruppen erzeugten Abgasen
verhindern und kann demzufolge vom Gesichtspunkt der Motorausgangsleistung
effektiver sein.
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In
Bezug auf die 8 wird nachstehend ein viertes
Ausführungsbeispiel
erläutert.
In dem vierten Ausführungsbeispiel
bildet einer der Motorzylinder die erste Zylindergruppe, um mit
dem Luft-Kraftstoff-Gemisch, das ein fetteres A/F-Verhältnis während der
fette-Spitze-Steuerung hat, versorgt zu werden, während die
verbleibenden der Motorzylinder die zweite Zylindergruppe bilden,
die daraufhin nicht mit dem Luft-Kraftstoff-Gemisch, das das fette A/F-Verhältnis hat,
versorgt wird. Der fette-Spitze-Motorzylinder wird periodisch einer
nach dem anderen geschaltet.
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8 zeigt
ein Beispiel, in dem der Motorzylinder #1 zwischen den vier Zylindern
#1–#4
ist, um zuerst mit dem Luft-Kraftstoff-Gemisch versorgt zu werden,
das das fette A/F-Verhältnis
während
der fette-Spitze-Steuerung hat, und periodisch und aufeinanderfolgend
z. B. in der Reihenfolge von #2, #3 und #4 geschaltet werden soll.
Die vorderen Drei-Wege-Katalysatoren 346, 348, 350 und 352 sind
jeweils entsprechend der Motorzylinder #1–#4 angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel
bildet der vordere Katalysator 346 den ersten vorderen
Katalysator und die Drei-Wege-Katalysatoren 348, 350 und 352 bilden
den zweiten vorderen Katalysator. Jeder der vorderen Katalysatoren 346–352 ist
in der Nähe
der Abgasöffnung 36,
gezeigt in der 1 des entsprechenden Motorzylinders
#1–#4
für den
Zweck der frühen
Aktivierung, unmittelbar nach dem Mo torstarten, angeordnet. Die
vorderen Katalysatoren 346–352 haben dieselben
Oxidationseigenschaften. Da außerdem
die Kraftstoffeinspritzer 14 und die vorderen Katalysatoren 346–352 aufeinanderfolgend
bei einer vorbestimmten Häufigkeit
verwendet werden können,
kann die Verschlechterung derselben infolge des fortwährenden
Gebrauchs gleichmäßig begrenzt werden.
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Nunmehr
in Bezug auf die 9 wird ein fünftes Ausführungsbeispiel gezeigt, das
in einem Sechs-Zylindermotor vom V-Typ angewandt wird.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
ist die erste Zylindergruppe auf der linken Zylinderbank 1A platziert
und die zweite Zylindergruppe ist in der rechten Zylinderbank 1b platziert.
Für eine
einfache Darstellung sind die drei Motorzylinder jeder der ersten
und zweiten Zylindergruppe in der 9 nicht
gezeigt. Die drei Zylinder der ersten Zylindergruppe sind mit einem
dreifach-verzweigten ersten Zylinderauslasskanal 438 verbunden
und die drei Motorzylinder der zweiten Zylindergruppe sind mit einem
dreifach-verzweigten zweiten Zylinderauslasskanal 442 verbunden.
Die ersten und zweiten Katalysatoren 140 und 144, ähnlich zu
denen des zweiten Ausführungsbeispieles,
sind in den ersten und zweiten Auslasskanälen 438 und 442 angeordnet.
Die ersten und zweiten vorderen Katalysatoren 140 und 144 können von
einem homogenen Typ sein, der dieselben Oxidationseigenschaften
hat. Andererseits können
die Oxidationseigenschaften von einem der ersten oder zweiten vorderen
Katalysatoren 140 oder 144 geringer als die Oxidationseigenschaften
des anderen sein.