DE60115775T2

DE60115775T2 - Abgasemissionssteuerungssystem und Verfahren für Verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE60115775T2
Application number: DE60115775T
Authority: DE
Inventors: Masaaki Toyota-shi Aichi-ken Kobayashi; Souichi Toyota-shi Aichi-ken Matsushita; Yukihiro Toyota-shi Aichi-ken Tsukasaki; Hiroki Toyota-shi Aichi-ken Matsuoka; Kotaro Toyota-shi Aichi-ken Hayashi; Shinobu Toyota-shi Aichi-ken Ishiyama; Yasuhiko Toyota-shi Aichi-ken Ohtsubo; Naofumi Toyota-shi Aichi-ken Magarida; Daisuke Toyota-shi Aichi-ken Shibata; Akihiko Toyota-shi Aichi-ken Negami; Tomihisa Toyota-shi Aichi-ken Oda; Yasuo Toyota-shi Aichi-ken Harada; Tomoyuki Toyota-shi Aichi-ken Ono
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-07-24
Filing date: 2001-07-16
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2021-07-17
Also published as: JP2002038943A; EP1176298B1; EP1176298A2; EP1176298A3; DE60115775D1; KR20020008745A; JP3514218B2; KR100437521B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abgasemissionssteuerungssystem und ein Verfahren zur Steuerung der Abgasemission einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung.
2. Stand der Technik
In bekannten Abgasemissionssteuerungssystemen zum Reinigen des von Brennkraftmaschinen mit innerer Verbrennung, zum Beispiel von Dieselmotoren und Benzinmotoren emittierten Abgases wird ein katalytischer Konverter einschließlich eines Katalysator für magere NO_x-Werte, eines Dreiwege-Katalysator und/oder eines Rußpartikelfilters verwendet.
Der genannte NO_x-Katalysator ist in der Lage, die aus der Brennkraftmaschinen mit innerer Verbrennung wie Dieselmotoren und Benzinmotoren emittierten Abgase zu reinigen. Zu dieser Art Katalysatoren zählen der selektiv reduzierende NO_x-Katalysator und der NO_x-Absorption/Reduktions-Katalysator. Zu einem solchen NO_x-Absorption/Reduktions-Katalysator (nachfolgend nur NO_x-Katalysator genannt) gehören (a) ein Trägerelement zum Beispiel aus Tonerde (Al₂O₃), (b) wenigstens ein Alkalimetall wie Kalium (K), Natrium (Na), Lithium (Li) und Cäsium (Cs), ein Erdalkalimetall wie Barium (Ba) und Kalzium (Ca), ein Seltenerdmetall wie Lanthan (La) und Yttrium (Y) und (c) wenigsten ein Edelmetall wie Platin (Pt), mit welchen das Trägerelement beschichtet ist.
Der NO_x-Katalysator ist in der Lage, Stickoxide (NO_x) zu adsorbieren, wenn das in diesen eintretende Abgas brennstoffarm ist, das adsorbierte NO_x freizusetzen, wenn die Sauerstoffkonzentration des Abgases unter einen vorbestimmten Grenzwert sinkt, und somit das NO_x zu N₂ zu reduzieren. Mit anderen Worten, der NO_x-Katalysator hat die Aufgabe, NO_x zu adsorbieren und zu reduzieren.
Bei Brennkraftmaschinen mit innerer Verbrennung, welche mit einem mageren Luft/Brennstoff-Gemisch betrieben werden, ist das bei Normalbetrieb emittierte Abgas brennstoffarm, d.h. das Luft/Brennstoff-Verhältnis des Abgases ist größer als der stöchiometrische Wert. Demzufolge wird von dem in einem Abgassteuerungssystem für die Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung verwendeten NO_x-Katalysator das im Abgas vorhandene NO_x adsorbiert. Der NO_x-Katalysator hat jedoch nur eine begrenzte NO_x- Adsorptionskapazität und ist schließlich gesättigt oder nicht mehr in der Lage, NO_x kontinuierlich zu adsorbieren, so daß dieses ungereinigt in die Atmosphäre gelangt. Um das zu verhindern, muß der NO_x-Katalysator regeneriert und dessen Adsorptionsfähigkeit wiederhergestellt werden. Das heißt, das im NO_x-Katalysator adsorbierte NO_x muß wieder freigesetzt werden. Zur Wiederherstellung der NO_x-Adsorptionsfähigkeit des NO_x-Katalysators durch Freisetzen des adsorbierten NO_x wird das in den NO_x-Katalysator strömende Abgas mit Brennstoff angereichert, um dessen Sauerstoffkonzentration stark zu reduzieren. Das Anreichern des Abgases mit Brennstoff erfolgt zu einem bestimmten Zeitpunkt vor Erreichen des NO_x-Sättigungsgrades des Katalysators. Außerdem wird der HC-Gehalt des Abgases erhöht, um das im NO_x-Katalysator adsorbierte NO_x freizusetzen und zu N₂ zu redu zieren und dadurch die NO_x-Adsorptionsfähigkeit des NO_x-Katalysators wiederherzustellen.
Bei einem Abgasemissionssteuerungssystem, welches mit einem NO_x-Katalysator für magere Verbrennung ausgerüstet ist, muß zum Entfernen des NO_x das Luft/Brennstoff-Verhältnis des Abgases intermittierend auf den stöchiometrischen Wert oder einen fetten Wert geregelt werden.
Das bei der Brennstoffverbrennung aus der Maschine emittierte Abgas enthält auch Schwefeloxide (an entsprechender Stelle nachfolgend „SO_x" genannt), weil der Brennstoff eine Schwefelkomponente enthält. Von einem NO_x-Adsorption/Reduktions-Katalysator wird SO_x auf die gleiche Weise wie NO_x adsorbiert. Die NO_x-Beseitigungskapazität oder NO_x-Beseitigungseffizienz des NO_x-Katalysators wird um die in diesem adsorbierte Menge an SO_x verringert. Das heißt, ein NO_x-Adsorption/Reduktions-Katalysator leidet an der sogenannten S-Vergiftung", welche dessen NO_x-Beseitigungsfunktion beeinträchtigt. Auch ein solcher Katalysator muß regeneriert werden. Die Regenerierung eines durch SO_x vergifteten NO_x-Katalysators wird als S-Entgiftung bezeichnet.
Zur Durchführung der S-Entgiftung wird das in den NO_x-Katalysator strömende Abgas stöchiometrisch gemacht oder mit Brennstoff angereichert und die Temperatur des NO_x-Katalysators auf etwa 600–650°C erhöht. Die Temperaturerhöhung des NO_x-Katalysators macht sich erforderlich, weil SO_x schwieriger freizusetzen ist als NO_x.
Bei einer Dieselmaschine ist im Abgaskanal im allgemeinen ein Partikelfilter angeordnet, um die im Abgas enthaltenen Partikel wie Ruß aufzufangen oder zu sammeln. Um ein Verstopfen oder Verschmutzen des Partikelfilters zu verhindern, müssen die in diesem aufgefangenen Partikel verbrannt werden. Die Behandlung des Partikelfilters zur vollständigen Beseitigung der in diesem aufgefangenen Partikel wird „Partikelfilterregenerierung" genannt. Es gibt auch eine Technologie, bei welcher der Partikelfilter mit einem Katalysator, zum Beispiel einem Dreiwege-Katalysator oder einem NO_x-Katalysator für magere Verbrennung ausgerüstet ist, um schädliche Komponenten wie Kohlenwasserstoff (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxide (NO_x) im Abgas und gleichzeitig Fremdpartikel einschließlich Ruß zu beseitigen. Auch in diesem Fall wird aus dem gleichen Grund wie oben beschrieben das Luft/Brennstoff-Verhältnis des Abgases auf einen kleineren Wert als üblich, auf den stöchiometrischen Wert oder auf einen fetteren Wert gebracht.
Bei dem mit einem NO_x-Katalysator ausgerüsteten Partikelfilter können die in diesem aufgefangenen Partikel erst bei einer Temperatur von etwa 500°C gezündet und verbrannt werden, während unverbrannte Partikel im Filter bleiben. Da die Abgastemperatur einer Dieselmaschine im allgemeinen unter 500°C liegt, muß zum Verbrennen und Beseitigen der Partikel die Filtertemperatur erhöht werden.
Wegen der niedrigen Temperatur des bei magerer Verbrennung aus der Maschine emittierten Abgases ist es jedoch schwierig, die Katalysatortemperatur zu erhöhen, um diesen einer S-Entgiftung zu unterziehen oder die im Partikelfilter aufgefangenen Partikel zu verbrennen. Es ist eine Technologie bekannt, bei welcher durch Einspritzen von Brennstoff in den Abgaskanal die Katalysatortemperatur erhöht wird.
Gemäß der im japanischen Dokument JP-A-11-229855 offenbarten Technologie wird während des Expansionshubs zusätzlicher Brennstoff eingespritzt (in eine Brennkammer), welcher aber die Maschinenleistung nicht wesentlich beeinflußt. Durch das Verbrennen dieses zusätzlichen Brennstoffs wird das Luft/Brennstoff-Verhältnis des Abgases fett, somit dem NO_x-Katalysator HC und CO zugeführt und dessen Temperatur ausreichend erhöht, um das in diesem adsorbierte SO_x freizusetzen.
Bei der in diesem Dokument offenbarten Technologie wird die S-Entgiftung durchgeführt, ohne den Betriebszustand der Maschine in Betracht zu ziehen. In Abhängigkeit vom Betriebszustand der Maschine kann die Geschwindigkeit der Temperaturerhöhung des NO_x-Katalysators jedoch zu gering sein, so daß zum Erwärmen des NO_x mehr Brennstoff verbraucht und demzufolge die Brennstoffeffizienz verschlechtert wird. Das heißt, daß die S-Entgiftung nicht zum entsprechenden Zeitpunkt durchgeführt werden kann und somit eine Verzögerung des Entgiftens eintritt.
Wenn zur Durchführung der S-Entgiftung das Luft/Brennstoff-Verhältnis fetter eingestellt wird, ohne den Betriebszustand der Maschine überhaupt in Betracht zu ziehen, zum Beispiel bei Normalbetrieb einer Dieselmaschine, kann die Brennstoffökonomie sich verschlechtern und Rauch oder Fehlzündungen entstehen, welche den Maschinenbetriebszustand beeinträchtigen. Wenn das Einspritzen von zusätzlichem Brennstoff während des Abbremsen erfolgt, wird durch die Brennstoffverbrennung die Maschinenleistung erhöht, so daß der Fahrzeugführer unangemessenes Abbremsen empfindet.
Es ist auch eine Technologie bekannt, bei welcher durch ein elektronisch gesteuertes Drosselventil die Luftansaugmenge verringert und dadurch das Luft/Brennstoff-Verhältnis in etwa auf den stöchiometrischen Wert gebracht wird. Das Steuern des Motors zum Öffnen und Schließen des Drosselventils erfolgt über einen relativ großen Bereich, so daß eine Feinsteuerung des Drosselventilöffnungsgrades schwierig ist. Wenn versucht wird, ein Luft-Brennstoff-Gemisch mit nahezu stöchiometrischem Luft/Brennstoff-Verhältnis bei reduzierter Luftansaugmenge zu verbrennen, kann die tatsächliche Frischluftmenge innerhalb des Motorsteuerbereichs zum Öffnen des Drosselventils stark variieren und dem zufolge das Luft/Brennstoff-Verhältnis vom stöchiometrischen Wert abweichen. Das heißt, daß große Schwierigkeiten bestehen, die Maschine bei etwa stöchiometrischem Luft/Brennstoff-Verhältnis zu betreiben. Auch im noch früher veröffentlichten europäischen Dokument EP 1108876 gemäß Artikel 54 (3) EPC ist eine Technologie zur Temperaturerhöhung eines Katalysators unter Beachtung der Maschinenlast und Maschinendrehzahl in Abhängigkeit von Brennstoffeinspritzmustern offenbart. In dieser Offenbarung wird jedoch keine Aussage über eine Erhöhung der Brennstoffmenge beim Haupteinspritzvorgang getroffen. Auch über das Einspritzen von zusätzlichem Brennstoff in den Abgaskanal ist nichts offenbart.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Abgasemissionssteuerungssystems für eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung, welches bei Auswahl einer geeigneten Steuerung in Übereinstimmung mit dem Maschinenbetriebszustand eine schnelle Temperaturerhöhung des Katalysators ermöglicht.
Ein Abgasemissionssteuerungssystem für eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung ist mit einem im Abgaskanal angeordneten Katalysator zum Reinigen des in diesen strömenden Abgases, einer Vorrichtung zum Erfassen den Betriebszustandes der Maschine, einer Vorrichtung zur Temperaturerhöhung des Katalysators auf verschiedene Weise und einer Vorrichtung zum Auswählen des geeigneten Modus für die Tempera turerhöhung des Katalysators auf der Grundlage des erfaßten Betriebszustandes ausgerüstet. Wenn die Maschine im Schwachlastbereich arbeitet, wird die Temperatur des Katalysators nach einem ersten Modus erhöht, und zwar durch Erhöhung der Brennstoffmenge im Haupteinspritzvorgang, um das Luft/Brennstoff-Verhältnis nahezu auf den stöchiometrischen Wert zu bringen, sowie durch Einspritzen von Brennstoff in den Abgaskanal der Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung. Wenn die Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung im mittleren Lastbereich arbeitet, wird die Temperatur des Katalysators nach einem zweiten Modus erhöht, und zwar durch Einspritzen von Brennstoff in den Abgaskanal der Maschine nach dem Haupteinspritzvorgang. Wenn die Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung im Starklastbereich arbeitet, wird die Temperatur des Katalysators nach einem dritten Modus erhöht, und zwar durch Einspritzen von Brennstoff in den Abgaskanal. Bei einem Abgasemissionssteuerungssystem für eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung wird die Vorrichtung zur Erhöhung der Katalysatortemperatur aktiviert, wenn zur S-Entgiftung des Katalysators dessen Temperatur erhöht werden soll und die Maschine sich im Beschleunigungszustand oder in einem Beharrungszustand befindet.
Ein Abgasemissionssteuerungssystem für eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung ist mit einer Vorrichtung zur S-Entgiftung ausgerüstet, wobei das S-Entgiften auf die Weise erfolgt, daß der Maschine eine geringere Frischluftmenge zugeführt wird, um das Luft/Brennstoff-Verhältnis dem stöchiometrischen Wert anzunähern, und in den Abgaskanal Brennstoff eingespritzt wird, um das Luft/Brennstoff-Verhältnis des durch den Katalysator strömenden Abgases fetter zu machen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung erfaßt ein Detektor den Betriebzustand der Maschine. In Übereinstimmung mit dem erfaßten Betriebszustand der Maschine wird eine Vorrichtung zum Auswählen des Temperaturerhöhungsmodus aktiviert, um die Temperatur des Katalysators schon zu einem frühen Zeitpunkt zu erhöhen. Zum Aufheizen des Katalysators wird auch im Falle einer geringen Luftansaugmenge keine übermäßige Brennstoffmenge zugeführt, so daß die Brennstoffeffizienz verbessert werden kann.
Als Element zur Verringerung der Frischluftmenge kann zum Beispiel ein Ansaugdrosselventil, ein Ausstoßdrosselventil oder ein ähnliches Element verwendet werden. Das Reduzieren der Frischluftmenge kann gleichzeitig mit der Brennstoffzufuhr durchgeführt werden. Auf diese Weise kann das Luft/Brennstoff-Verhältnis mit der geringst möglichen Brennstoffmenge auf einen fetten Wert gebracht werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt den allgemeinen Aufbau einer mit einem Abgasemissionssteuerungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung ausgerüsteten Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung.
2 zeigt im Flußplan das vom Abgasemissionssteuerungssystem für die Maschine durchgeführte Steuerungsprogramm.
3 zeigt in Diagrammform das Steuern der Katalysatortemperatur in Abhängigkeit vom Maschinenbetriebszustand.
Die 4A und 4B zeigen einen Partikelfilter.
Die 5A und 5B zeigen das Oxidieren eines Partikels.
Die 6A, 6B und 6C zeigen das Ablagern des Partikels auf dem Partikelfilter.
7 zeigt in Diagrammform die Beziehung zwischen der durch Oxidation erreichbaren Partikelmengenverringerung und der Partikelfiltertemperatur.
Die 8A und 8B zeigen den NO_x-Reinigungsvorgang.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend wird anhand der beiliegenden Zeichnungen eine Ausführungsform des Abgasemissionssteuerungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
1 zeigt schematisch den Aufbau einer Fahrzeugdieselmaschine, auf welche die vorliegende Erfindung übertragen wird.
In 1 kennzeichnet das Bezugszeichen 1 die Maschine, das Bezugszeichen 2 den Ansaugkanal, das Bezugszeichen 3 und das Bezugszeichen 5 jeweils einen Abgaskanal, das Bezugszeichen 4 einen Partikelfilter, das Bezugszeichen 8 ein Ventil zum Einspritzen von Brennstoff als Reduktionsmittel, das Bezugszeichen 10 eine Brennstoffpumpe und das Bezugszeichen 11 eine elektronische Steuereinheit (nachfolgend ECU genannt) zum Steuern der Maschine. Der Partikelfilter 4 trägt einen NO_x-Adsorption/Reduktions-Katalysator.
In dem in Strömungsrichtung gesehen hinter dem Filter 4 sich erstreckenden Abgaskanal 5 ist ein Sensor 16 zum Erfassen des Luft/Brennstoff-Verhältnisses des aus dem Filter 4 strömenden Abgases angeordnet. Im Luftansaugkanal 2 sind ein Luftströmungsmesser 6 zum Messen der zulässigen Luftmenge für die Maschine 1 und ein elektronisches Drosselventil 17 zum Einstellen der Luftansaugmenge angeordnet.
Die ERCU 11 ist ein Digitalcomputer einschließlich eines ROM, eines RAM, einer CPU (Zentralverarbeitungseinheit oder Mikroprozessor), eines Eingangskanal und eines Ausgangskanal, welche über einen Zweirichtungsbus miteinander gekoppelt sind.
Der Sensor 16 sendet ein dem erfaßten Luft/Brennstoff-Verhältnis entsprechendes Signal und der Luftstromesser 6 ein der Frischluftmenge entsprechendes Signal an die ECU 11. Auf der Grundlage des vom Luftströmungsmesser 6 gesendeten Signals berechnet die ECU 11 die Luftansaugmenge.
An die ECU 11 sind außerdem ein Kurbelwinkelsensor 15 zur Erzeugung eines Impulses bei jeder Kurbelwellenumdrehung und ein Beschleunigeröffnungsgradsensor 18 zur Erzeugung eines dem Betätigungsweg des Beschleunigerpedals entsprechenden Signals angeschlossen.
<Filteraufbau>
4A zeigt die Vorderansicht und 4B die Längsschnittansicht eines Partikelfilters 4. Wie aus diesen beiden Figuren hervor geht, hat der Filter 4 Honigwabenform und zahlreiche parallel zueinander sich erstreckende Abgaskanäle 50, 51. Der Abgaskanal 50, in welchen das Abgas strömt, ist am hinteren Ende durch einen Stopfen 52 verschlossen. Der Abgaskanal 51, durch welchen das in diesen eingetretene Abgas austritt, ist am vorderen Ende durch einen Stopfen 53 verschlossen. In 4A sind die Stopfen 53 durch die Schraffur zu erkennen. Die Abgaskanäle 50, 51 sind abwechselnd angeordnet und nur durch eine dünne Wand 54 voneinander getrennt. Mit anderen Worten, jeder Abgaskanal 50 ist von vier Abgaskanälen 51 und jeder Abgaskanal 51 von vier Abgaskanälen 50 umgeben.
Der Filter 4 ist aus einem porösen Material wie Kordierit gefertigt. Das Abgas strömt in die Abgaskanäle 50 und strömt durch die Trennwände 54 in die benachbarten Abgaskanäle 51, in 4A durch Pfeile angedeutet.
Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist auf jeder peripheren Wandfläche der Abgaskanäle 50, 51, d.h. auf beiden Flächen jeder Trennwand 54 eine Stützschicht aus Tonerde zum Beispiel mit winzigen Poren abgelagert. Dies Stützschicht wiederum ist mit einem Edelmetall, einem Aktivsauerstofffreisetzungsmittel und einem NO_x-Adsorptionsmittel beschichtet. Das Aktivsauerstofffreisetzungsmittel adsorbiert und speichert Überschußsauerstoff in der diesen umgebenden Atmosphäre und gibt den adsorbierten Sauerstoff wieder ab, wenn der Sauerstoffgehalt der dieses umgebenden Atmosphäre abnimmt. Das NO_x-Adsorptionsmittel adsorbiert NO_x, wenn das in den Filter 4 strömende Gas brennstoffarm ist, und setzt das adsorbierte NO_x wieder frei, wenn die Sauerstoffkonzentration des Abgases abnimmt.
In diesem Fall ist das „Luft/Brennstoff-Verhältnis des in das NO_x-Adsorptionsmittel strömenden Abgases" das Verhältnis aus der Gesamtmenge der in den Ansaugkanal 2, in die Brennkammern (nicht dargestellt) und in den vor dem NO_x-Adsorptionsmittel sich erstreckenden Abgaskanalabschnitt gelangenden Luft und der Gesamtmenge des diesen Abschnitten und den Brennkammern zugeführten Brennstoffs.
Der Edelmetallkatalysator kann aus Platin (Pt) gefertigt werden. Als Aktivsauerstofffreisetzungsmittel kann wenigstens eines der Alkalimetalle wie Kalium (K), Natrium (Na), Lithium (Li), Zäsium (Cs), Rubidium (Rb), eines der Erdalkalimetalle wie Barium (Ba), Kalzium (Ca) und Strontium (Sr), eines der Seltenerdmetalle wie Lanthan (La) und Yttrium (Y) und eines der Übergangsmetalle verwendet werden.
Als Aktivsauerstofffreisetzungsmittel wird vorzugsweise ein Alkalimetall oder ein Erdalkalimetall wie Kalium (K), Lithium (Li), Zäsium (Cs), Rubidium (Rb), Barium (Ba) und Strontium (Sr) verwendet, weil diese eine höhere Ionisiertendenz zeigen als Kalzium (Ca).
Als NO_x-Adsorptionsmittel kann wenigstens eines der Alkalimetalle wie Kalium (K), Natrium (Na), Lithium (Li), Zäsium (Cs) und Rubidium (Rb), eines der Erdalkalimetall wie Barium (Ba), Kalzium (Ca) und Strontium (Sr) und eines der Seltenerdmetalle wie Lanthan (La) und Yttrium (Y) verwendet werden.
In diesem Fall wird als NO_x-Adsorptionsmittel vorzugsweise wenigstens eines der Alkalimetalle oder Erdalkalimetalle wie Kalium (K), Lithium (Li), Zäsium (Cs), Rubidium (Rb), Barium (Ba) und Strontium (Sr) verwendet, weil diese eine höhere Ionisiertendenz zeigen als Kalzium (Ca).
Wie zu erkennen ist, sind die Metalle, welche als Aktivsauerstofffreisetzungsmittel verwendet werden, im wesentlichen identisch den als NO_x-Adsorptionsmittel verwendeten Metallen. Für das Aktivsauerstofffreisetzungsmittel und das NO_x-Adsorptionsmittel können unterschiedliche Metalle verwendet werden, doch es besteht auch die Möglichkeit, für beide das gleiche Metall zu verwenden. Wenn für das Aktivsauerstofffreisetzungsmittel und das NO_x-Adsorptionsmittel das gleiche Metall verwendet wird, ist zu erwarten, daß dieses sowohl Sauerstoff freisetzt als auch NO_x adsorbiert. Ein diese beiden Aufgaben erfüllendes Metall wird nachfolgend „Aktivsauerstofffreisetzungs-/NO_x-Adsorptions-Mittel" genannt.
Bei dieser Ausführungsform weist der Filter ein Tonerdestützgerüst auf, welches mit Platin (Pt) als Edelmetall und Kalium (K) als Aktivsauerstofffreisetzungs-/NO_x-Adsorptions-Mittel beschichtet ist.
Wie bereits erwähnt, erfüllt Kalium (K) als Aktivsauerstofffreisetzungs-/NO_x-Adsorptions-Mittel beide Funktionen, d.h., es setzt Sauerstoff frei und adsorbiert NO_x. Beim Abgasemissionssteuerungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung werden das Freisetzen von aktivem Sauerstoff und das Adsorbieren von NO_x dazu genutzt, die im Abgas enthaltenen Fremdstoffe schnell zu oxidieren und das im Abgas ebenfalls enthaltene NO_x zu adsorbieren und auf diese Weise beide Schadstoffe zu entfernen.
Nachfolgend wird der Mechanismus der beim Abgasemissionssteuerungssystem auf der genannten Grundlage ablaufenden Reinigung beschrieben.
<Kontinuierliche Partikeloxidation im Filter: Freisetzen von Aktivsauerstoff>
Zum Entfernen der im Abgas enthaltenen Partikel wird der in 1 mit dem Bezugszeichen 4 gekennzeichnete Filter verwendet und die Sauerstofffreisetzungsfunktion des Aktivsauerstofffreisetzungs-/NO_x-Adsorptions-Mittels genutzt. Für das Entfernen der im Abgas enthaltenen Fremdstoffe nach dem gleichen Mechanismus kann auch ein anderes Element aus den Gruppen Alkalimetalle, Alkalierdmetalle, Seltenerdmetalle und Umwandlungsmetalle verwendet werden.
Bei dem in 1 schematisch dargestellten Aufbau einer Dieselmaschine läuft die Brennstoffverbrennung bei Luftüberschuß ab. Demzufolge ist im Abgas auch eine große Luftmenge enthalten und dadurch das Luft/Brennstoff-Verhältnis des Ab gases mager. Da während der Brennstoffverbrennung in der Brennkammer bei hoher Temperatur NO_x erzeugt wird, gelangt dieses ins Abgas. Da der Brennstoff Schwefel (S) enthält, geht dieser mit dem in der Brennkammer vorhandenen Sauerstoff eine chemische Reaktion ein, bei welcher SO₂ erzeugt wird, welches ebenfalls ins Abgas gelangt. Das Abgas, welches Überschußsauerstoff, NO_x und SO₂ enthält, strömt in den Abgaskanal 50 des Filters 4.
5A zeigt vergrößert die Oberfläche der auf der Innenseite des Abgaskanals 50 erzeugten Stützschicht und 5B vergrößert die Innenfläche einer Pore in der Trennwand 54. In diesen beiden Figuren kennzeichnet das Bezugszeichen 60 einen Partikel aus Platin (Pt) und das Bezugszeichen 61 das Kalium (K) enthaltende Aktivsauerstofffreisetzungs-/NO_x-Adsorptions-Mittel.
Wenn das Überschußsauerstoff enthaltende Abgas in den Abgaskanal 50 des Filters 4 strömt, wird Sauerstoff O₂ in Form von O₂ ^– oder O^2– auf der Oberfläche des Platinpartikels abgelagert. Das auf der Oberfläche des Platins abgelagerte O₂ ^– oder O^2– geht mit dem im Abgas enthaltenen NO eine Reaktion ein, bei welcher NO₂ erzeugt wird (2NO + O₂ → 2NO₂). Ein Teil dieses NO₂ wird auf dem Platin weiter oxidiert, vom Agens 61 adsorbiert und bindet sich an das Kalium (K). Wie aus 5A hervor geht, diffundiert das weiter oxidierte NO₂ in Form eines Nitrations NO₃ ^– ein, wobei ein Teil davon mit dem Kalium eine Reaktion eingeht, bei welcher Kaliumnitrat KNO₃ erzeugt wird.
Wie bereits erwähnt, ist im Abgas auch SO₂ enthalten, welches auf gleiche Weise wie das NO in das Agens 61 adsorbiert wird. Das heißt, daß Sauerstoff O₂ in Form von O₂ ^– oder O^2– auf der Oberfläche des Platins abgelagert wird, welches mit dem SO₂ eine Reaktion eingeht, so daß SO₃ entsteht.
Ein Teil des auf diese Weise erzeugten SO₃ wird auf der Oberfläche des Platins Pt weiter oxidiert, vom Agens 61 adsorbiert und bindet sich an das Kalium. Das SO₃ diffundiert in Form eines Sulfations SO₄ ^2– und geht mit dem Kalium eine Reaktion ein, bei welcher K₂SO₄ erzeugt wird. Das heißt, daß im Agens 61 Kaliumnitrat KNO₃ und Kaliumsulfat K₂SO₄ erzeugt werden.
In der Brennkammer werden auch Partikel, hauptsächlich Kohlenstoffpartikel erzeugt, welche ins Abgas gelangen. Wenn das Kohlenstoff enthaltende Abgas durch den Kanal 50 im Filter 4 oder von diesem in den Abgaskanal 51 strömt, werden die Partikel mit der Oberfläche der Stützschicht, zum Beispiel mit der Oberfläche des Agens 61 in Berührung gebracht und auf dieser abgelagert, wie 5B zeigt.
Durch das Ablagern der Partikel auf der Oberfläche des Agens 61 sinkt die Sauerstoffkonzentration an der Berührungsfläche zwischen dem Partikel 62 und dem Agens 61. Mit sinkender Sauerstoffkonzentration ergibt sich eine Differenz in der Sauerstoffkonzentration zwischen der Innenseite des Agens 61, an welcher die Sauerstoffkonzentration relativ hoch ist, und der Berührungsfläche, an welcher die Sauerstoffkonzentration gering ist, so daß der im Agens 61 enthaltene Sauerstoff wahrscheinlich zur Berührungsfläche wandert. Dadurch zerfällt das erzeugte und im Agens 61 gespeicherte Kaliumnitrat KNO₃ in Kalium (K), Sauerstoff O und Stockstoffmonoxid NO. Der Sauerstoff O wandert zur Berührungsfläche zwischen dem Partikel 62 und dem Agens 61, während das Stickstoffmonoxid NO aus dem Agens 61 freigesetzt wird. Das auf diese Weise freigesetzte NO wird an der Ausströmseite auf dem Platin oxidiert und vom Agens 61 erneut adsorbiert.
Währenddessen zerfällt das erzeugte und im Agens 61 gespeicherte Kaliumsulfat K₂SO₄ in Kalium K, Sauerstoff O und SO₂. Der Sauerstoff wandert zur Berührungsfläche zwischen den Partikeln 62 und dem Agens 61. Das SO₄ wird aus dem Agens 61 freigesetzt, auf der Oberfläche des Platins an der Austrittsseite oxidiert und vom Agens 61 erneut adsorbiert.
Der zur Berührungsfläche zwischen den Partikeln 62 und dem Agens 61 wandernde Sauerstoff wird bei Zerfall einer Verbindung wie Kaliumnitrat KNO₃ und Kaliumsulfat K₂SO₄ freigesetzt. Dieser Sauerstoff hat eine große Energie und eine sehr hohe Aktivierungsfähigkeit. Mit anderen Worten, der auf diese Weise freigesetzte und zur Berührungsfläche zwischen den Partikeln 62 und dem Agens 61 wandernde Sauerstoff ist ein aktiver Sauerstoff.
Von diesem aktiven Sauerstoff werden die Partikel 62 innerhalb kurzer Zeit ohne Erzeugung einer leuchtenden Flamme oxidiert und vollständig entfernt. Dadurch werden auf dem Filter 4 keine Partikel 62 abgelagert.
Wenn die auf dem Filter 4 in Schichten abgelagerten Partikel auf herkömmliche Weise verbrannt werden, glüht der Filter 4 und die Partikel verbrennen sichtbar. Um das Verbrennen unter Flamme beizubehalten, muß der Filter 4 auf einer hohen Temperatur gehalten werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Partikel 62 aber ohne Erzeugung einer leuchtenden Flamme oxidiert, so daß die Oberfläche des Filters 4 nicht glüht. Genauer ausgedrückt, im Gegensatz zu einem herkömmlichen System können bei einem System gemäß der vorliegenden Erfindung die Partikel 62 bei einer relativ niedrigen Temperatur oxidiert und entfernt werden.
Da die Partikel bei einer relativ niedrigen Temperatur oxidiert und entfernt werden und somit nur eine mäßige Temperaturerhöhung des Filters 4 eintritt, besteht im wesentlichen keine Gefahr, daß dieser beschädigt wird. Da auf dem Filter 4 keine Partikel abgelagert werden, ist kaum zu erwarten, daß die beim Verbrennen der Partikel erzeugte Asche koaguliert und den Filter verstopft.
Ein Verstopfen des Filters 4 wird hauptsächlich von Kalziumsulfat CaSO₄ verursacht. Da der Brennstoff oder das Schmiermittel Kalzium Ca enthält, gelangt dieses auch in die Abgase. Das Kalzium wird in Gegenwart von SO₃ zu Kalziumsulfat CaSO₄ umgewandelt. Das erzeugte CaSO₄ liegt in fester Form vor, wird selbst bei einer hohen Temperatur nicht aufgespaltet und verstopft demzufolge die Poren des Filters 4 Wenn in einem solchen Fall als Agens 61 ein Alkalimetall oder ein Erdalkalimetall, zum Beispiel Kalium (K) verwendet wird, welches mehr als Kalzium (Ca) zum Ionisieren neigt, geht das in das Agens 61 diffundierende SO₃ eine Reaktion mit Kalium (K) ein, bei welcher Kaliumsulfat K₂SO₄ erzeugt wird. Das im Abgas enthaltene Kalzium (Ca), welches keine Reaktion mit SO₃ eingeht, gelangt durch die Trennwand 54 in den Abgaskanal 51 des Filters 4, so daß dieser nicht verstopft. Deshalb sollte als Agens 61 vorzugsweise ein Alkalimetall oder ein Erdalkalimetall wie Kalium (K), Lithium (Li), Zäsium (Cs) oder Barium (Ba) verwendet werden, da diese Metalle mehr zum Ionisieren neigen als Kalzium (Ca).
Mit steigender Temperatur des Filters 4 werden das Agens 61 und das Platin (Pt) weiter aktiviert. Demzufolge kann durch eine Temperaturerhöhung des Filters 4 pro Zeiteinheit mehr aktivier Sauerstoff O aus dem Agens 61 freigesetzt werden. Demzufolge können durch eine Temperaturerhöhung des Filters 4 pro Zeiteinheit mehr Partikel oxidiert und entfernt werden, ohne daß dabei eine leuchtende Flamme entsteht.
In dem in 7 dargestellten Diagramm repräsentiert die Kurve die Partikelmenge G, welche pro Zeiteinheit ohne Erzeugung einer leuchtenden Flamme oxidiert und entfernt werden kann. In diesem Diagramm ist auf der Abszisse die Temperatur TF des Filters 4 aufgetragen. Wenn die Menge „M" der pro Zeiteinheit aus der Brennkammer ausgestoßenen Partikel geringer ist als die Menge „G" im Bereich „I" dieses Diagramms, werden alle ausgestoßenen Partikel mit dem Filter 4 in Berührung gebracht und ohne Erzeugung einer leuchtenden Flamme sofort auf diesem oxidiert.
Wenn die Menge M aber größer ist als die Menge G im Bereich „II" dieses Diagramms, reicht die Menge an aktivem Sauerstoff nicht aus, um alle Partikel zu oxidieren. Die 6A bis 6C zeigen das Oxidieren eines Partikels bei unzureichender Menge an aktivem Sauerstoff.
Wie aus 6A hervor geht, wird bei unzureichender Menge an aktivem Sauerstoff nur ein Teil des auf dem Agens 61 abgelagerten Partikels 62 oxidiert. Der nicht ausreichend oxidierte Rest des Partikel bleibt auf der Stützschicht liegen. Wenn immer weniger aktiver Sauerstoff verfügbar ist, sammeln die von den zahlreichen Partikeln nicht oxidierten Reste sich auf der Stützschicht. Der auf der Oberfläche der Stützschicht liegen bleibende Partikelrest ist in 6B mit dem Bezugszeichen 63 gekennzeichnet.
Dieser Partikelrest 63 wird allmählich zu einem Kohlenstofftyp umgewandelt, welcher kaum oxidiert und mit großer Wahr scheinlichkeit auf der Stützschicht verbleibt. Durch die auf der Stützschicht verbleibenden Partikelreste 63 wird die Leistung des Platins (Pt) zum Oxidieren von NO und SO₂ und die des Agens 61 zum Freisetzen von aktivem Sauerstoff eingeschränkt oder ganz abgebaut. Wie aus 6C hervor geht, werden weitere Partikel übereinander abgelagert. Diese übereinander abgelagerten Partikel können wegen der nicht beseitigten Partikelreste 63 mit dem Agens 61 nicht in Berührung kommen und demzufolge vom aktivem Sauerstoff nicht oxidiert werden. Wenn die Menge M ständig größer ist als die Menge G, werden mehr und mehr Partikel auf dem Filter 4 abgelagert.
Wie bereits erwähnt, können im Bereich I des in 4 dargestellten Diagramms Partikel ohne Erzeugung einer leuchtenden Flamme innerhalb kurzer Zeit auf dem Filter 4 oxidiert werden. Dagegen werden im Bereich II Partikel übereinander auf dem Filter 4 abgelagert. Um ein Anhäufen von Partikeln auf dem Filter 4 zu verhindern, sollte die Menge M immer kleiner sein als die Menge G, d.h. die Steuerung im Bereich I erfolgen.
In der Praxis ist es jedoch fast unmöglich, bei allen Betriebszuständen der Maschine die Steuerung so durchzuführen, daß die Menge M unter der Menge G bleibt. So hat zum Beispiel beim Starten der Maschine der Filter 4 eine niedrige Temperatur, so daß die Menge M größer ist als die Menge G. Wenn unmittelbar nach dem Starten der Maschine die Menge M größer wird als die Menge G, beginnen die nicht oxidierten Partikelreste sich auf dem Filter 4 abzulagern.
Wie bereits erwähnt, wird in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Maschine die Menge M größer als die Menge G. Dadurch werden auf dem Filter 4 Partikel schichtweise abgelagert.
Durch vorübergehendes Einstellen des Luft/Brennstoff-Verhältnisses eines Teils oder der gesamten Menge des erzeugten Abgases auf einen fetten Wert können die auf dem Filter 4 abgelagerten Partikel ohne Erzeugung einer leuchtenden Flamme oxidiert werden. Bei Einstellung eines fetten Luft/Brennstoff-Verhältnisses des Abgases, d.h. bei einer geringeren Sauerstoffkonzentration in diesem, wird vom Agens 61 aktiver Sauerstoff freigesetzt, welcher die abgelagerten Partikel ohne Erzeugung einer leuchtenden Flamme innerhalb kurzer Zeit oxidiert.
Im vorhergehenden Abschnitt wurde der Mechanismus zum Entfernen der Partikel aus dem Abgas durch den vom Agens 61 freigesetzten Sauerstoff erläutert.
<Entfernen von NO_x durch Verwendung das Aktivsauerstofffreisetzungs-/NO_x-Adsorptions-Mittel>
Nachfolgend wird der Mechanismus zum Entfernen von NO_x durch die NO_x-Adsorptionsfunktion des Agens 61 beschrieben. Das Adsorbieren von NO_x kann durch Verwendung eines anderen Metalls aus den Gruppen Alkalimetalle, Erdalkalimetalle und Seltenerdmetalle nach dem gleichen Mechanismus ablaufen.
Es wird angenommen, daß das Entfernen von NO_x durch das Aktivsauerstofffreisetzungs-/NO_x-Adsorptions-Mittel auf die in den 8A und 8B dargestellte Weise abläuft. In diesen Figuren kennzeichnet das Bezugszeichen 60 einen Platinpartikel und das Bezugszeichen 61 das Kalium (K) enthaltende Aktivsauerstofffreisetzungs-/NO_x-Adsorptions-Mittel.
Wenn das in den Abgaskanal strömende Abgas sehr mager wird, steigt die Sauerstoffkonzentration in diesem stark an. Dadurch wird Sauerstoff O₂ in Form von O₂ ^– oder O^2– auf der Oberfläche des Platins (Pt) abgelagert, wie aus 8A hervor geht. Das im Abgas enthaltene NO geht mit dem auf der Platinoberfläche abgelagerten O₂ ^– oder O^2– eine Reaktion ein, bei welcher NO₂ erzeugt wird (2NO + O₂ → 2NO₂).
Das auf diese Weise erzeugte NO₂ wird auf dem Platin (Pt) oxidiert und vom Agens 61 adsorbiert. Das adsorbierte NO₂ wird mit Kalium (K) kombiniert und diffundiert in Form eines Nitrations NO₃ ^– in das Agens 61, wie ebenfalls aus 8A hervor geht. Auf diese Weise wird das NO_x vom Agens 61 adsorbiert.
Die NO_x-Erzeugung auf dem Platin (Pt) wird nur bei einer hohen Sauerstoffkonzentration im Abgas fortgesetzt. Das NO_x wird vom Agens 61 adsorbiert, wobei so lange Nitrationen NO₃ ^– erzeugt werden, bis das Agens 61 mit NO_x gesättigt ist.
Wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis des Abgases stöchiometrisch oder fett wird, sinkt die Sauerstoffkonzentration im Abgas. Da dadurch weniger NO₂ erzeugt wird, läuft die Reaktion umgekehrt ab (NO₃ ^– → NO₂). Dadurch wird das im Agens 61 enthaltende Nitration NO₃ ^– in Form von NO₂ oder NO von diesem freigesetzt. Das heißt, daß mit sinkender Sauerstoffkonzentration im Abgas das NO_x aus dem Aktivsauerstofffreisetzungs-/NO_x-Adsorptions-Mittel 61 freigesetzt wird.
In diesem Fall gehen HC und CO, welche im Abgas enthalten sind, mit dem O₂ ^– oder O^2– eine Reaktion ein und werden oxidiert. Bei sinkender Sauerstoffkonzentration im einströmenden Abgas werden vom Agens 61 entweder NO₂ oder NO freigesetzt, welches mit dem nicht verbrannten HC und CO eine Reaktion eingeht und zu N₂ umgewandelt wird, wie aus 8B hervor geht.
Genauer ausgedrückt, die im Abgas enthaltenen Verbindungen HC und CO reagieren sofort mit Sauerstoff in Form von O₂-oder O^2– auf dem Platin (Pt) und werden oxidiert. Selbst wenn nach dem Verbrauch des O₂ ^– oder O^2– Reste von HC und CO auf dem Platin verbleiben, dienen diese dazu, das aus dem Agens 61 freigesetzte und das von der Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung emittierte NO_x zu N₂ zu reduzieren.
Wenn auf der Oberfläche des Platins kein NO₂ oder NO mehr vorhanden ist, wird vom Agens 61 kontinuierlich NO₂ oder NO freigesetzt, um dieses zu N₂ zu reduzieren. Wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis des Abgases auf den stöchiometrischen Wert oder einen fetten Wert gebracht wird, setzt das Agens 61 NO_x frei, um dieses innerhalb kurzer Zeit zu N₂ zu reduzieren.
Wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis des Abgases auf einen mageren Wert gebracht wird, adsorbiert das Agens 61 NO_x auf die beschriebene Weise, dagegen wird bei stöchiometrischem oder einem fetten Luft/Brennstoff-Verhältnis des Abgases vom Agens 61 NO_x freigesetzt und dieses innerhalb kurzer Zeit zu N₂ reduziert. Dadurch kann das Entweichen von NO_x in die Atmosphäre verhindert werden.
Wenn die Dieselmaschine normal arbeitet, wird der Brennstoff bei einem Luft/Brennstoff-Verhältnis verbrannt, welches weit magerer ist als der stöchiometrische Wert (L/F = 14,6). Demzufolge hat das in den Filter, d.h. in das Aktivsauerstofffreisetzungs-/NO_x-Adsorptions-Mittel strömende Abgas ein höheres Luft/Brennstoff-Verhältnis oder wird mager. Vom Agens 61 wird das im Abgas enthaltene NO_x adsorbiert und im wesentlichen kein NO_x freigesetzt.
Bei einer Dieselmaschine wird in einer bestimmten Taktfolge vor dem Eintreten der NO_x-Sättigung des Agens 61 dem Abgas ein Reduktionsmittel zugesetzt, um dessen Sauerstoffkonzentration zu verringern und das vom Agens 61 adsorbierte NO_x freizusetzen und zu N₂ zu reduzieren.
Bei dieser Ausführungsform wird von der ECU 11 auf der Grundlage der vorherigen Daten zum Betriebszustand der Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung die im Agens 61 adsorbierte NO_x-Menge geschätzt. Wenn die geschätzte NO_x-Menge einen vorbestimmten Wert erreicht, wird von der ECU 11 das Luft/Brennstoff-Verhältnis des Abgases kurzzeitig auf einen fetten Wert gebracht, um die Sauerstoffkonzentration im Abgas zu verringern, und das Zuführen des Reduktionsmittels in das Abgas veranlaßt. Das kurzeitige Steuern des Luft/Brennstoff-Verhältnisses auf einen fetten Wert wird im allgemeinen „fette Spitze" genannt.
Bei dieser Ausführungsform wird die fette Spitze durch Einspritzen von Brennstoff in den vor dem Filter 4 liegenden Abgaskanalabschnitt erzeugt.
Das Einspritzen von Brennstoff zur Erzeugung der fetten Spitze erfolgt in einer bestimmten Taktfolge vor dem Eintreten der NO_x-Sättigung des Agens 61, um das im Abgas enthaltene NO_x kontinuierlich zu entfernen und nicht in die Atmosphäre gelangen zu lassen.
Im vorhergehenden Abschnitt wurde der Mechanismus der NO_x-Beseitigung durch das Agens 61 beschrieben.
Wenn das Agens 61 verwendet wird und das Luft/Brennstoff-Verhältnis des in den Filter 4 strömenden Abgases mager ist, adsorbiert das Agens 61 das im Abgas enthaltene NO_x. Wenn die im Abgas ebenfalls enthaltenen Partikel sich auf dem Agens 61 ablagern, können sie von dem aus dem Agens 61 freigesetzten aktiven Sauerstoff innerhalb kurzer Zeit oxidiert und beseitigt werden. Dadurch kann verhindert werden, daß sowohl die Partikel als auch NO_x, welche im Abgas enthalten sind, in die Atmosphäre gelangen.
Wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis des in den Filter 4 strömenden Abgases auf einen fetten Wert eingestellt wird, setzt das Agens 61 NO_x frei. Das freigesetzte NO_x wird von den nicht verbrannten Verbindungen HC, CO reduziert. Dadurch kann verhindert werden, daß NO_x in die Atmosphäre gelangt. Wenn dann Partikel sich auf dem Filter 4 ablagern, werden diese von dem aus dem Agens 61 freigesetzten aktiven Sauerstoff oxidiert und entfernt.
Der im Brennstoff enthaltene Schwefel gelangt in Form von Schwefeloxiden wie SO₂ oder SO₃ (nachfolgend „SO_x" genannt, wenn zutreffend) in das von der Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung emittierte Abgas. Vom NO_x-Katalysator wird das im Abgas enthaltene SO_x nach dem gleichen Mechanismus wie das NO_x adsorbiert. Mit anderen Worten, der im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung angeordnete NO_x-Katalysator dient dazu, sowohl NO_x als auch SO_x zu adsorbieren.
Mit fortschreitender Zeit wird aus dem im NO_x-Katalysator adsorbierten SO_x ein stabiles Sulfat. Deshalb ist es schwierig, das adsorbierte SO_x unter den gleichen Bedingungen aus dem NO_x-Katalysator freizusetzen und zu reduzieren, wie das bei NO_x der Fall ist. Demzufolge wird im NO_x-Katalysator wahrscheinlich mehr SO_x angesammelt als aus diesem freigesetzt. Mit zunehmender Adsorption von SO_x im NO_x-Katalysator sinkt dessen Aufnahmefähigkeit für NO_x, so daß das im Abgas enthaltene NO_x nicht in ausreichender Menge beseitigt werden kann. Dieses Phänomen wird „S-Vergiftung" genannt. Um die Fähigkeit des NO_x-Katalysators zum Entfernen von NO_x über einen langen Zeitraum zu erhalten und diesen einer S-Entgiftung zu unterziehen, muß das von diesem adsorbierte SO_x zu einem bestimmten Zeitpunkt freigesetzt werden.
Dieses S-Entgiften erfolgt durch Erwärmen des NO_x-Katalysators auf eine bestimmte Temperatur (z.B. auf 600–650°C), welche höher ist als zum Freisetzen und Reduzieren von NO_x erforderlich, und durch Einstellen des Luft/Brennstoff-Verhältnisses des Abgases auf den stöchiometrischen oder einen fetten Wert. Dadurch zerfällt das im NO_x-Katalysator adsorbierte Sulfat in SO₃, welches von den im Abgas enthaltenen unverbrannten Verbindungen HC, CO zu SO₂ reduziert wird. Das auf diese Weise erhaltene SO₂ gelangt in die Atmosphäre.
Nachfolgend wird anhand des in 2 im Flußplan dargestellten Programms das Einspritzen von zusätzlichem Brennstoff gemäß dieser Ausführungsform beschrieben.
<Schritt 101>
In Schritt 101 wird ermittelt, ob mit dem S-Entgiften begonnen wurde.
Aus einer im Rom der ECU 11 vorher gespeicherten, aus der Maschinenlast (repräsentiert durch ein vom Beschleunigerstellungssensor 18 gesendetes Signal) und der Maschinendrehzahl (repräsentiert durch die vom Kurbelwinkelsensor 15 gesendeten Signale) erstellten numerischen Datentafel wird die vom NO_x-Adsorptionsmittel pro Zeiteinheit adsorbierte Menge an SO_x berechnet. Danach wird bestimmt, ob die berechnete Menge an adsorbiertem SO_x gleich oder größer ist als ein vorbestimmter Wert. Außerdem wird auf der Grundlage der vom Kurbelwinkelsensor 15 erfaßten Maschinendrehzahl bestimmt, ob das Fahrzeug sich im Beschleunigungszustand oder in einem Beharrungszustand befindet. Wenn die berechnete Menge an adsorbiertem SO_x gleich oder größer ist als der vorbestimmte Wert, geht der Ablauf zu Schritt 102 über, wenn diese kleiner ist als der vorbestimmte Wert, wird das Steuerprogramm beendet.
Auch wenn ermittelt wird, daß das Fahrzeug sich im Beschleunigungszustand oder in einem Beharrungszustand befindet, geht der Ablauf zu Schritt 102 über. Wenn das Fahrzeug sich in einem anderen Zustand als dem Beschleunigungszustand oder dem Beharrungszustand, d.h., im Abbremszustand oder im Leerlaufzustand befindet, wird das Steuerprogramm beendet.
<Schritt 102>
Schritt 102 folgt Schritt 101. Wenn in Schritt 101 ermittelt wird, daß mit dem S-Entgiften begonnen wurde, läuft das Steuerprogramm zur Temperaturerhöhung des Filters 4 ab.
In Schritt 102 wird auf der Grundlage des momentanen Betriebszustandes der Maschine und in Überstimmung mit der in 3 dargestellten Temperaturerhöhungs-Steuertafel zum Beispiel der geeignete Temperaturerhöhungsmodus ausgewählt. Der Betriebszustand der Maschine wiederum wird in Übereinstimmung mit der Brennstoffeinspritzmenge Q und der Maschinendrehzahl NE, welche aus dem vom Beschleunigerstellungssensor 18 bzw. aus dem vom Kurbelwinkelsensor 15 gesendeten Signal sich ergibt, bestimmt.
1. Schwachlast
Wenn die Maschine 1 im Schwachlastbereich arbeitet, wird in deren Zylinder eine größere Brennstoffmenge eingespritzt, um das Luft/Brennstoff-Verhältnis von mager (z.B. L/F ≥ 20) auf leicht mager (z.B. L/F = 16–18) zu verringern, und außerdem dem Abgaskanal 3 Brennstoff zugeführt. Beim Verbrennen eines leicht mageren Luft/Brennstoff-Gemischs in den Zylindern wird nur eine geringe Menge Ruß erzeugt. Wenn unter diesen Bedingungen die Maschine im Schwachlastbereich arbeitet, steigt die Abgastemperatur und demzufolge die Temperatur des Filters 4. Wenn außerdem dem Abgaskanal 3 Brennstoff zugeführt wird, wird dieser vom Filter 4 oxidiert, so daß die Temperatur des Katalysators weiter ansteigt.
2. Mittlerer Lastbereich
Wenn die Maschine im mittleren Lastbereich arbeitet, wird zunächst die Hauptmenge an Brennstoff in die Zylinder eingespritzt und verbrannt und dann während des Expansionshubs zusätzlicher Brennstoff eingespritzt (nachfolgend Nacheinspritzen genannt) und auch dem Abgaskanal 3 Brennstoff zugeführt. Wenn nur durch Einspritzen der Hauptbrennstoffmenge das Luft/Brennstoff-Verhältnis verringert wird, können Probleme derart auftreten, daß zum Beispiel Ruß entsteht. Durch die zur Verringerung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses erhöhte Brennstoffeinspritzmenge wird die Maschinenleistung erhöht und eine Drehmomentschwankung verursacht, welche den Betriebszustand der Maschine verschlechtern. Deshalb wird nach dem Brennstoffeinspritzen das Nacheinspritzen während des Expansionshubs z.B. durchgeführt, welches die Maschinenleistung kaum beeinflußt. Der im Nacheinspritzvorgang eingespritzte Brennstoff verbrennt und erhöht dadurch die Abgastemperatur. Der dem Abgaskanal 3 zusätzlich zugeführte Brennstoff wird vom Filter 4 oxidiert, so daß dessen Temperatur steigt.
3. Starklast
Wenn die Maschine im Starklastbereich arbeitet, wird dem Abgaskanal 3 zusätzlich Brennstoff zugeführt. Da im Starklastbereich eine große Brennstoffmenge in den Zylindern ver brannt wird, hat das Abgas bereits eine hohe Temperatur. Demzufolge kann schon durch Zuführen von Brennstoff zum Abgaskanal 3 und durch Oxidieren dieses Brennstoffs im Filter 4 dessen Temperatur ausreichend erhöht werden.
Bei den beschriebenen drei Maschinenlastbereichen ist eine große Sauerstoffmenge zum Verbrennen des dem Abgaskanal 3 am Katalysator zugeführten Brennstoffs erforderlich. Deshalb ist es ratsam, das Luft/Brennstoff-Verhältnis des nach dem Zuführen von Brennstoff zum Abgaskanal 3 durch den Katalysator strömenden Abgases auf einen Wert einzustellen, welcher auf der magereren Seite des stöchiometrischen Wertes liegt.
4. Starklast und hohe Drehzahl
Wenn die Maschine im Starklastbereich und im Hochdrehzahlbereich arbeitet, läuft die Normalverbrennung ab. Das heißt, der Brennstoff verbrennt normal. Im Starklast-Hochdrehzahl-Bereich ist die in den Zylindern verbrannte Brennstoffmenge noch größer als im beschriebenen Starklastbereich. Demzufolge kann die Temperatur des Filters 4 schon bei normaler Brennstoffverbrennung erhöht werden. Wenn unter diesen Bedingungen auch dem Filter 4 noch Brennstoff zugeführt wird, kann dessen Temperatur stark ansteigen und dadurch der Katalysator negativ beeinflußt werden.
<Schritt 103>
In Schritt 103 wir ermittelt, ob die Bedingungen zum Starten der S-Entgiftung gegeben sind.
Mit anderen Worten, es wird ermittelt, ob die Temperatur des erwärmten Katalysators innerhalb des für die S-Entgiftung vorbestimmten geeigneten Bereichs liegt und die Luftansaugmenge gleich oder kleiner ist als ein vorbestimmter Wert.
Wenn die Filtertemperatur nicht in diesem Bereich liegt, wird die S-Entgiftung nicht durchgeführt, so daß der Ablauf zu Schritt 102 zurückkehrt. Wenn die Luftansaugmenge größer ist als der vorbestimmte Wert, kehrt der Ablauf ebenfalls zu Schritt 102 zurück. Mit der S-Entgiftung wird erst begonnen, wenn die Luftansaugmenge gleich oder kleiner ist als der vorbestimmte Wert.
<Schritt 104>
Wenn die Bedingungen zum Starten der S-Entgiftung gegeben sind, wird in Schritt 104 mit deren Durchführung begonnen.
Wenn eine Dieselmaschine im Normalzustand arbeitet, kann das Verbrennen eines fetten Luft/Brennstoff-Gemischs in der Maschine eine Verschlechterung der Brennstoffeffizienz und Ruß oder Fehlzündungen verursachen, so daß der Betriebszustand der Maschine sich verschlechtert. Wenn während einer Drehzahlverringerung Brennstoff eingespritzt wird, verbrennt dieser und erhöht die Maschinenleistung, so daß der Fahrzeugführer nicht das gewünschte Abbremsgefühl verspürt.
Es ist eine Technologie bekannt, bei welcher durch Verwendung eines elektronisch gesteuerten Drosselventils die Luftansaugmenge verringert und dadurch das Luft/Brennstoff-Verhältnis annähernd auf den stöchiometrischen Wert gebracht wird. Da der Antriebsmotor zum Öffnen und Schließen des Drosselventils über einen relativ großen Bereich gesteuert werden muß, ist eine Feinsteuerung des Drosselventils schwierig. Wenn versucht wird, mit einer geringen Luftmenge ein Luft/Brennstoff-Gemisch mit annähernd stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnis zu verbrennen, kann durch den relativ großen Steuerbereich des Motors die durch das Drosselventil angesaugte Luftmenge stark variieren und somit das Luft/Brennstoff-Verhältnis vom stöchiometrischen Wert abwei chen. Mit anderen Worten, das Betreiben der Maschine bei annähernd stöchiometrischem Luft/Brennstoff-Verhältnis ist schwierig.
Deshalb wird das Luft/Brennstoff-Verhältnis im Zylinder der Maschine 1 auf einen leicht mageren Wert (z.B. L/F = 16 bis 18) verringert, um dieses, unabhängig von den Schwankungen in der durch das Drosselventil 17 strömenden Luftmenge, brennstoffarm zu halten. Außerdem wird über das Einspritzventil 8 Brennstoff in den Abgaskanal eingespritzt, um das Luft/Brennstoff-Verhältnis des Abgases brennstoffreich zu machen. Auf diese Weise wird das S-Entgiften gesteuert.
Durch Messen des Luft/Brennstoff-Verhältnisses des Abgases mit dem im Abgaskanal 5 angeordneten Sensor 16 wird die durch das Einspritzventil 8 einzuspritzende Brennstoffmenge rückkopplungsgesteuert, so daß eine exakte S-Entgiftung möglich ist.
<Schritt 105>
In Schritt 105 wird ermittelt, ob die Temperatur des Filters 4 im vorbestimmten Bereich (z.B. 600 bis 700°C) liegt und der Zeitraum der Durchführung der S-Entgiftung kürzer war als vorgegeben.
Wenn das letztere der Fall ist, kehrt der Ablauf zu Schritt 103 zurück, um die S-Entgiftung fortzusetzen.
Wenn die Temperatur des Filters 4 nicht im vorbestimmten Bereich liegt und diesen stark überschreitet, kann der Filter negativ beeinflußt werden. In diesem Fall wird das Steuerprogramm beendet. Wenn die Temperatur absinkt, ist die S-Entgiftung nicht möglich, so daß das Steuerprogramm ebenfalls beendet wird. Wenn die Temperatur unter den vorbe stimmten Bereich absinkt, ist eine S-Entgiftung nicht möglich. Auch in diesem Fall wird das Steuerprogramm beendet Wenn die S-Entgiftung über den vorbestimmten Zeitraum oder länger als vorgegeben erfolgt, gilt die S-Entgiftung als abgeschlossen, so daß das Steuerprogramm beendet wird.
Bei dem für eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung verwendbaren Abgasemissionssteuerungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung wird aus mehreren möglichen Temperaturerhöhungsmodi der für den Maschinenbetriebszustand geeignete ausgewählt, um die Temperatur des Katalysators schon zu einem frühen Zeitpunkt zu erhöhen.
Ein Abgasemissionssteuerungssystem für eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung (1) ist ausgerüstet mit einem im Abgaskanal (3) dieser Maschine angeordneten Katalysator (4) zum Reinigen des in diesen strömenden Abgases, einer Vorrichtung (15) zum Erfassen des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung (1), einer Vorrichtung zur Erhöhung der Temperatur des Katalysators (4) nach verschiedenen Modi und einer Vorrichtung (11) zum Auswählen eines geeigneten Modus zur Temperaturerhöhung des Katalysators auf der Grundlage des von der Vorrichtung (15) erfaßten Betriebszustandes. Wenn die Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung im Schwachlastbereich arbeitet, wird von der Temperaturerhöhungsvorrichtung nach einem ausgewählten ersten Modus die Katalysatortemperatur erhöht, und zwar durch Vergrößerung der Hauptmenge des in die Maschine einzuspritzenden Brennstoffs, um das Luft/Brennstoff-Verhältnis dem stöchiometrischen Wert anzunähern, und durch Einspritzen von Brennstoff in den Abgaskanal (3). Wenn die Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung im mittleren Lastbereich arbeitet, wird von der Temperaturerhöhungsvorrichtung nach ei nem ausgewählten zweiten Modus die Katalysatortemperatur erhöht, und zwar durch Einspritzen von zusätzlichem Brennstoff in die Maschine nach dem Haupteinspritzvorgang und durch Einspritzen von Brennstoff in den Abgaskanal (3). Wenn die Maschine im Starklastbereich arbeitet, wird von der Temperaturerhöhungsvorrichtung nach einem ausgewählten dritten Modus die Katalysatortemperatur erhöht, und zwar durch Einspritzen von Brennstoff in den Abgaskanal (3).

Claims

Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung (1), welche aufweist: einen Katalysator (4), welcher im Abgaskanal 3 der Maschine angeordnet ist und zum Reinigen des in diesen strömenden Abgases dient, eine Vorrichtung (5) zum Erfassen des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung (1), eine Vorrichtung zum Erhöhen der Temperatur des Katalysators (4) nach verschiedenen Modi und eine Vorrichtung (11) zum Auswählen eines Modus aus den zahlreichen Modi zur Temperaturerhöhung des Katalysators auf der Grundlage des von der Vorrichtung (5) erfaßten Betriebszustandes der Maschine, wobei in dem Fall, daß die Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung (1) im Schwachlastbereich arbeitet, die Temperaturerhöhungsvorrichtung nach einem ausgewählten ersten Modus durch Einspritzen einer größeren Brennstoffmenge im Haupteinspritzvorgang zwecks Einstellens eines annähernd stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnisses und durch Einspritzen von Brennstoff in den Abgaskanal (3) die Katalysatortemperatur erhöht, in dem Fall, daß die Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung (1) im mittleren Lastbereich arbeitet, die Temperaturerhöhungsvorrichtung nach einem ausgewählten zweiten Modus durch zusätzliches Einspritzen von Brennstoff nach dem Haupteinspritzvorgang und Einspritzen von Brennstoff in den Abgaskanal (3) die Katalysatortemperatur erhöht, und in dem Fall, daß die Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung (1) im Starklastbereich arbeitet, die Temperaturerhöhungsvorrichtung nach einem ausgewählten dritten Modus durch Einspritzen von Brennstoff in den Abgaskanal (3) die Katalysatortemperatur erhöht.
Abgasemissionssteuerungssystem für eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung (1) gemäß Anspruch 1, wobei die Temperaturerhöhungsvorrichtung zur Durchführung der Temperaturerhöhung des Katalysators aktiviert wird, wenn dieser der S-Entgiftung unterzogen werden soll und die Maschine sich im Beschleunigungszustand oder in einem Beharrungszustand befindet.
Abgasemissionssteuerungssystem für eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, welches außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung der S-Entgiftung aufweist, wobei von dieser das S-Entgiften durch Verringern der Luftansaugmenge zwecks Einstellens eines annähernd stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnisses und durch Einspritzen von Brennstoff in den Abgaskanal (3) zwecks Einstellens eines fetten Luft/Brennstoffverhältnisses des durch den Katalysator (4) strömenden Abgases durchgeführt wird.
Abgasemissionssteuerungssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei in dem Fall, daß die Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung im Starklastbereich und im Hochdrehzahlbereich arbeitet, die Temperaturerhöhungsvorrichtung nach einem ausgewählten vierten Modus durch normales Verbrennen des im Haupteinspritzvorgang in die Maschine gespritzten Brennstoffs die Katalysatortemperatur erhöht.
Abgasemissionssteuerungssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Einspritzen von Brennstoff in den Abgaskanal (3) während des Expansionshubs erfolgt.
Abgasemissionssteuerungssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Katalysator (4) von einem Partikelfilter getragen wird.
Verfahren zum Steuern der Abgasemission einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung (1), wobei zum Abgasemissionssteuerungssystem ein im Abgaskanal (3) der Brennkraftmaschine (1) angeordneter Katalysator (4) zum Reinigen des in diesen strömenden Abgases gehört und der Steuervorgang folgende Schritte aufweist: Erfassen des Betriebszustandes einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung (1), Erhöhen der Katalysatortemperatur nach einem auf der Grundlage des Betriebszustandes der Maschine ausgewählten Modus, wobei in dem Fall, daß die Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung (1) im Schwachlastbereich arbeitet, die Temperaturerhöhungsvorrichtung nach einem ausgewählten ersten Modus durch Einspritzen einer größeren Brennstoffmenge im Haupteinspritzvorgang zwecks Einstellens eines annähernd stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnisses und durch Einspritzen von Brennstoff in den Abgaskanal (3) die Katalysatortemperatur erhöht, in dem Fall, daß die Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung (1) im mittleren Lastbereich arbeitet, die Temperaturerhöhungsvorrichtung nach einem ausgewählten zweiten Modus durch zusätzliches Einspritzen von Brennstoff nach dem Haupteinspritzvorgang und Einspritzen von Brennstoff in den Abgaskanal (3) die Katalysatortemperatur erhöht, und in dem Fall, daß die Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung (1) im Starklastbereich arbeitet, die Temperaturerhöhungsvorrichtung nach einem ausgewählten dritten Modus durch Einspritzen von Brennstoff in den Abgaskanal (3) die Katalysatortemperatur erhöht.
Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei der Schritt zur Temperaturerhöhung des Katalysators durchgeführt wird, wenn dieser der S-Entgiftung unterzogen werden soll und die Maschine sich im Beschleunigungszustand oder in einem Beharrungszustand befindet.
Verfahren gemäß Anspruch 7 oder 8, welches außerdem einen Schritt zur Durchführung der S-Entgiftung aufweist, wobei das S-Entgiften durch Verringern der Luftansaugmenge zwecks Einstellens eines annähernd stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnisses und durch Einspritzen von Brennstoff in den Abgaskanal (3) zwecks Einstellens eines fetten Luft/Brennstoffverhältnisses des durch den Katalysator (4) strömenden Abgases erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei in dem Fall, daß die Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung (1) im Starklastbereich und im Hochdrehzahlbereich arbeitet, die Temperatur des Katalysators durch normales Verbrennen des im Haupteinspritzvorgang eingespritzten Brennstoffs erhöht wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei das Einspritzen von Brennstoff in den Abgaskanal (3) während des Expansionshubs erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei der Katalysator (4) von einem Partikelfilter getragen wird.