DE69816579T2

DE69816579T2 - Brennkraftmaschine mit NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung

Info

Publication number: DE69816579T2
Application number: DE69816579T
Authority: DE
Inventors: Makoto Toyota-shi Suzuki
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1997-12-19
Filing date: 1998-12-03
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2018-12-04
Also published as: DE69816579D1; EP0924399A3; EP0924399B1; EP0924399A2; US6253545B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Brennkraftmaschine mit einem NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung, besonders eine Brennkraftmaschine mit einem NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung, welcher in dem im Abgassystem einer Brennkraftmaschine angeordneten, als Abgasreinigungsvorrichtung dienenden katalytischen Konverter integriert ist und als Ternärkatalysator zum Reinigen des bei sauerstoffreicher, d. h. magerer Atmosphäre erzeugten Abgases von Stickoxid mit einem Reduktionsmittel verwendet wird.
Stand der Technik
In einer Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung, zum Beispiel einer nach dem Direkteinspritzenverfahren mit einem Magergemisch betriebenen Maschine, einer Dieselmaschine oder einer ähnlichen Maschine, in deren Abgassystem eine sauerstoffreiche Atmosphäre herrscht und nur geringe Mengen an Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoff vorhanden sind, wird gewöhnlich eine sogenannter NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung zum Reinigen des im Abgas enthaltenen Stickoxids mit Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxid als Reduktionsmittel verwendet.
Bei dem in der Anmeldung zum japanischen Offenlegungspatent 6-117225 offenbarten NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung wird als Reduktionsmittel der im Abgas enthaltene Kohlenwasserstoff verwendet. Gemäß der in dieser Publikation offenbarten Technologie wird der Kohlenwasserstoff teilweise oxidiert, um aktive Produkte zu erzeugen, welche mit Stickoxid eine Reaktion eingehen und dieses durch Reduktion reinigen.
Der als Reduktionsmittel dienende Kohlenwasserstoff ist Hauptbestandteil des Kraftstoffs und Leichtöls, welche in einer Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung als Brennstoffe verwendet werden. Um den NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung genügend Kohlenwasserstoff zuzuführen, kann während der Normalverbrennung in der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung zusätzlicher Brennstoff in deren Zylinder eingespritzt werden. Dieser zusätzliche Brennstoff könnte aber zu einer unvollständigen Verbrennung und demzufolge zum Ausstoßen von Abgas mit dem in diesem als Rohgas enthaltenen Kohlenwasserstoff ins Abgassystem führen. Gemäß der genannten Publikation wird der zusätzliche Brennstoff zu einem anderen Zeitpunkt als dem während des Einlaßkompressionshubs eingestellten normalen Zeitpunkt eingespritzt. Das Brennstoffnormaleinspritzen wird als Haupteinspritzen und das letztgenannte als Zusatzeinspritzen bezeichnet. Das Zusatzeinspritzen erfolgt entweder während des gleichen Einlaßkompressionshubs, jedoch zu einem anderen Zeitpunkt als dem für das Haupteinspritzen üblichen, oder zusätzlich zum Haupteinspritzen während des Auslaßhubs. Zum Zusatzeinspritzen wird auch die für das Haupteinspritzen verwendete Brennstoffeinspritzvorrichtung verwendet.
Da gemäß dieser Technologie für das Haupteinspritzen und das Zusatzeinspritzen nur eine einzige Einspritzvorrichtung verwendet wird, unterliegt diese einer großen Beanspruchung und verschleißt deshalb schneller.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer mit einem NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung ausgerüsteten Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung, bei welcher das Zusatzeinspritzen zur Zuführung von Kohlenwasserstoff als Reduktionsmittel eliminiert wird, um das genannte Verschleißproblem zu lösen.
Diese Aufgabe erfüllt eine mit einem NOx-Katalysator ausgerüstete Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung gemäß der vorliegenden Erfindung, welche die nachfolgend beschriebenen Konstruktionsmerkmale aufweist.
Unter einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung zwei wesentliche Vorrichtungen auf, einen im Abgassystem angeordneten NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung, welcher bei Verwendung eines Reduktionsmittels in einer sauerstoffreichen Atmosphäre zum Reinigen des im Abgas enthaltenen Stickoxid dient, und eine im Einlaßsystem angeordnete CO₂-Konzentrationserhöhungorrichtung zur Erhöhung der Kohlendioxidkonzentration der angesaugten Luft.
Die hier beschriebene „Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung, in deren Abgassystem ein NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung angeordnet ist, welcher bei Verwendung eines Reduktionsmittels in einer sauerstoffreichen Atmosphäre zum Reinigen des im Abgas enthaltenen Stickoxid dient" ist z. B. eine Magerverbrennungs-Kraftstoffdirekteinspritz-Maschine oder eine Dieselmaschine. Bei dieser Art Maschine ist hinsichtlich des Gemischs aus Luft und Brennstoff in deren Zylindern die Luftmenge weitaus größer als die Brennstoffmenge. Demzufolge enthält das Abgas der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung gemäß der vorliegenden Erfindung eine größere Sauerstoffmenge als das Abgas einer bei einem relativ fetten Luft/Brennstoff-Verhältnis betriebenen anderen Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung, aber nur geringe Mengen an Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxid. Der NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung ist als Selektionsreduktionskatalysator oder als Absorptionsreduktionskatalysator klassifiziert. Beim Selektionsreduktionskatalysator wird durch Zuführen von Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxid als Reduktionsmittel das Stickoxid selektiv reduziert und gereinigt. Im Absorptionsreduktions-Typ läuft ein intermittierender Prozeß ab, in welchem zuerst in einer mageren Atmosphäre vom Katalysator Stickoxid absorbiert und dann nach erfolgter Sättigung des Katalysators mit Stickoxid bei Zufuhr entsprechender Mengen an Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxid als Reduktionsmittel das im Katalysator absorbierte Stickoxid gleichzeitig reduziert und gereinigt wird.
Als „CO₂-Konzentratzionserhöhungsvorrichtung" kann eine Vorrichtung verwendet werden, welche von den in der Ansaugluft vorhandenen Konzentrationen verschiedener Komponenten nur die Kohlendioxidkonzentration erhöht. Die Erhöhung der Kohlendioxidkonzentration kann entweder durch Einleiten von zusätzlichem Kohlendioxid ins Ansaugsystem oder durch Verringerung der Mengen der in diesem vorhandenen anderen Komponenten erfolgen.
Als Vorrichtung zur Erhöhung der Kohlendioxidkonzentration im Ansaugsystem kommt zum Beispiel die im Dokument EP732485A offenbarte nicht in Frage, weil diese als Abgasrückführvorrichtung (AR-Vorrichtung) bezeichnete Vorrichtung gerade erzeugtes, Kohlendioxid enthaltenes Abgas aus dem Auslaßkanal der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung in das Ansaugsystem leitet. Mit anderen Worten, als Vorrichtung zur Erhöhung der Kohlendioxidkonzentration im Ansaugsystem wird eine Vorrichtung ins Auge gefaßt, welche diesem CO₂ in einer höheren Konzentration zuführt als es die AR-Vorrichtung vermag. Der Grund für diese Beschränkung besteht darin, daß die Kohlendioxidkonzentration in dem von der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung erzeugten und von der AR-Vorrichtung in deren Ansaugsystem zurückgeführten Abgas von der in der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung stattfinden Verbrennung abhängig und demzufolge schwierig zu regeln ist.
Bei der mit dem NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung bestückten Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung gemäß der vorliegenden Erfindung erhöht die CO₂-Konzentrationserhöhungsvorrichtung die Konzentration des in der Ansaugluft enthaltenen Kohlendioxids, so daß Reaktionen zur Umwandlung von Kohlenwasserstoff in Kohlenmonoxid und von Kohlenmonoxid in Kohlendioxid kaum stattfinden. Extrem ausgedrückt, wenn das Kohlendioxid in gesättigtem Zustand vorliegt, können die zur Erzeugung von Kohlendioxid erforderlichen Oxidationsreaktionen zwischen Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxid nur unter großen Schwierigkeiten ablaufen, so daß das Abgas einer Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung große Mengen Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxid in einem freien Zustand enthält.
Bei der mit einem NOx-Katalysator bestückten Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung gemäß der vorliegenden Erfindung sind in dem von dieser erzeugten Abgas Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxid als einfache Substanzen in großen Mengen enthalten. Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxid werden vom NOx-Katalysator effektiv zum Reinigen des Stickoxids verwendet.
Da Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxid als Reduktionsmittel verwendet werden können, besteht keine Notwendigkeit, durch Zusatzeinspritzen Kohlenwasserstoff zuzuführen, wie es gemäß dem Stand der Technik der Fall ist. Da das Zusatzeinspritzen nicht konzipiert ist und die Erzeugung von Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxid problemlos geregelt werden kann, ist die durch das Zusatzeinspritzen auftretende übermäßige Belastung nicht zu verzeichnen und dadurch ein Ausfall derselben kaum zu erwarten.
Unter einem zweiten Aspekt gesehen ist die für die Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung bereitgestellte CO₂-Konzentrationserhöhungsvorrichtung vorzugsweise eine CO₂-Zugabevorrichtung zum Einbringen von Kohlendioxid in das Ansaugsystem der Brennkraftmaschine.
Unter einem dritten Aspekt gesehen ist die für die Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung bereitgestellte CO₂-Zugabevorrichtung vorzugsweise eine Verbrennungsvorrichtung, welche vom Körper der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung separat angeordnet ist und das emittierte Verbrennungsgas in das Ansaugsystem der Verbrennungskraftmaschine mit Innenverbrennung leitet.
Die „Verbrennungsvorrichtung" ist vorzugsweise eine Verbrennungsheizvorrichtung, in welcher der gleiche Brennstoff wie in der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung verbrannt wird. Eine solche Heizvorrichtung wird bevorzugt, weil diese ein Abgas mit einer hohen Kohlendioxidkonzentration erzeugt. Zu einer solchen Heizvorrichtung gehören eine Brennkammer, ein Luftzuführkanal zum Zuführen von Verbrennungsluft zur Brennkammer durch einen der im Ansaugsystem der Brennkraftmaschine vorhandenen Ansaugkanäle und ein Abgaskanal zum Einleiten des verbrannten Gases in den Ansaugkanal.
Die Verbrennungsvorrichtung ist separat vom Körper der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung angeordnet, das heißt, diese Vorrichtung führt separat von der in den Zylindern der Brennkraftmaschine stattfindenden Verbrennung eine Verbrennung durch, wobei das emittierte Verbrennungsgas durch den Abgaskanal in den Ansaugkanal geleitet wird. Im Gegensatz dazu ist die AR-Vorrichtung integraler Bestandteil der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung und weder von der Verbrennungsvorrichtung noch von der CO₂-Konzentrationserhöhungsvorrichtung umgeben. Die beschriebene Verbrennungsvorrichtung sollte vorzugsweise bei einem geringeren Druck als dem bei der Verbrennung in den Zylindern der Brennkraftmaschine herrschenden betrieben werden. Als „geringer Druck" ist zum Beispiel der Atmosphärendruck anzusehen. Bei dem geringen Atmosphärendruck verdampft der Kraftstoff leichter als bei dem in den Zylindern der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung herrschenden hohen Druck. Das heißt, der Brennstoff kann bei einem Luft/Brennstoff-Verhältnis nahe einem theoretischen Wert verbrannt werden, so daß die Kohlendioxidmenge steigt. Mit anderen Worten, der Brennstoff verbrennt entsprechend den theoretischen Erkenntnissen, so daß das in dieser Verbrennungsvorrichtung erzeugte Abgas eine große Kohlendioxidmenge enthält.
Unter einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung gemäß dem dritten Aspekt außerdem eine Vorrichtung zum Verringern der Menge der durch das Ansaugsystem strömenden Luft aufweisen, wenn vom NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung das Stickoxid gereinigt werden soll. Die CO₂-Zugabevorrichtung sollte Kohlendioxid vorzugsweise in die ins Ansaugsystem gesaugte, von der Luftmengenreduziervorrichtung mengenmäßig reduzierte Luft leiten.
Der „Zeitpunkt, wann vom NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung das Stickoxid gereinigt werden soll" ist definiert als Zeitpunkt, zu welchem die spezifische Bedingung für das Reinigen des Stickoxids vorliegen, wobei als „spezifische Bedingung" zum Beispiel die vollständige Aktivierung des NOx-Katalysators für Magergemischverbrennung angesehen wird. Die vollständige Aktivierung des Katalysators ist erreicht, wenn dieser auf eine entsprechende Temperatur gebracht wurde. Wenn der Katalysator die zum Reinigen des Stickoxids erforderliche Aktivierungstemperatur noch nicht erreicht hat, kann dieser die gewünschte Funktion nicht erfüllen.
Wenn gemäß der vorliegenden Erfindung das Stickoxid vom NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung gereinigt werden soll, wird die Luftmengenreduziervorrichtung zugeschaltet, um die ins Ansaugsystem zu saugende Luftmenge zu verringern. Daraufhin leitet die CO₂-Zugabevorrichtung Kohlendioxid in die angesaugte, mengenmäßig verringerte Luft, so daß die in die Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung strömende Luft stark mit Kohlendioxid angereichert ist. Wie bereits erwähnt, liefert die CO₂-Zugabevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung das Kohlendioxid in relativ hoher Konzentration. Wenn in die Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung stark CO₂-haltige Luft gesaugt wird, sind Reaktionen zur Umwandlung von Kohlenwasserstoff in Kohlenmonoxid und zur Umwandlung von Kohlenmonoxid in Kohlendioxid kaum zu erwarten. Wenn Kohlendioxid im gesättigten Zustand vorliegt, kann die zur Erzeugung von Kohlendioxid erforderliche Oxidationsreaktion zwischen Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxid nur unter schwierigen Bedingungen ablaufen. Daraus kann abgeleitet werden, daß Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxid im freien Zustand in großen Mengen im Abgas enthalten sind.
Demzufolge strömt gemäß der vorliegenden Erfindung Abgas, welches große Mengen an Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxid als Reduktionsmittel in Form einfacher Substanzen enthält, durch den im Abgassystem angeordneten NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung, so daß das Stickoxids äußerst effektiv gereinigt werden kann. Da gemäß der vorliegenden Erfindung die Luftmengenreduziervorrichtung die Menge der anzusaugenden Luft verringert, wird in der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung eine fixierte Verbrennungswärme erzeugt und somit der angesaugten Luft mehr Wärmeenergie zugeführt. Dadurch steigt die Abgastemperatur, so daß der NOx-Katalysator seine Aktivierungstemperatur schneller erreicht.
Anders als beim Stand der Technik ist gemäß der vorliegenden Erfindung Zusatzeinspritzen zur Erhöhung der Kohlenwasserstoffkonzentration im Abgas nicht erforderlich. Wie bereits beschrieben, wird gemäß dem Stand der Technik die Brennstoffeinspritzvorrichtung durch das Zusatzeinspritzen stark belastet, doch da gemäß der vorliegenden Erfindung das Zusatzeinspritzen entfällt, kann mit einer längeren Lebensdauer der Brennstoffeinspritzvorrichtung gerechnet werden.
Unter einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung ist bei der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung gemäß dem vierten Aspekt die Luftmengenreduziervorrichtung vorzugsweise mit einem Luftmengenregelventil ausgerüstet, um den im Ansaugsystem vorhandenen Ansaugkanal zu öffnen bzw. zu schließen und dadurch die Menge der durch diesen strömenden Luft zu regeln.
Das „Luftmengenregelventil" ist zum Beispiel mit einer Steuereinheit ausgerüstet, welche von einem Druckregulierventil gesteuert wird. Als „Ventilsteuereinheit" kann z. B. ein mit einer Membran bestücktes Betätigungsglied und als Druckregu lierventil z. B. ein Vakuumschaltventil verwendet werden. Das Druckregulierventil kann vorzugsweise von einer CPU (Zentralverarbeitungseinheit) als Zentraleinheit eines Computers, d. h. von einer ECU (elektronische Steuereinheit) gesteuert werden.
Unter einem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung sollte die bei der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung gemäß dem dritten Aspekt verwendete Verbrennungsvorrichtung vorzugsweise so betrieben werden, daß die Verbrennung in dieser unter einem geringeren Druck als in den Zylindern der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung stattfindet.
Unter einem siebenten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die in der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung gemäß dem sechsten Aspekt verwendete Verbrennungsvorrichtung in Betrieb genommen werden, wenn vom NOx-Katalysator Stickoxid gereinigt werden soll.
Der „Zeitpunkt zum Reinigen des Stickoxids durch den NOx-Katalysator" ist der Zeitpunkt, zu welchem die Verbrennungsvorrichtung in Betrieb genommen wird und die spezifische Bedingung zum Reinigen des Stickoxids gegeben ist. In diesem Fall wird als „spezifische Bedingung" der Zeitpunkt angesehen, zu welchem der Katalysator vollständig aktiviert ist. Im Falle der Selektionsreduktion beim Folgeverfahren ist nach dem Starten der Maschine der Katalysator noch nicht aktiviert und kann demzufolge seine Funktion nicht erfüllen, doch bereits nach kurzer Zeit wird die Aktivierung erreicht und dadurch die Katalysatorwirkung gewährleistet. Das heißt, im Falle der Selektionsreduktion stimmt der Zeitpunkt, zu welchem das Reinigen des Stickoxids durch den NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung erforderlich wird, mit dem Zeitpunkt überein, zu welchem der Katalysator aktiviert ist und seine Funktion erfüllen kann. Im Falle der Absorptionsreduktion beim intermittierenden Verfahren stimmt der Zeitpunkt, zu welchem das Reinigen des Stickoxids durch den NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung erforderlich wird, mit dem Zeitpunkt überein, zu welchem der Katalysator große Mengen Stickoxid absorbiert hat und mit Stickoxid gesättigt ist.
Unter einem achten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die in der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung gemäß dem fünften Aspekt verwendete Verbrennungsvorrichtung betrieben werden, wenn die Maschine sich in einem bestimmten Betriebszustand befindet und Brennstoff verbrennt und die auf die Maschine bezogenen Elemente mit dem erzeugten Abgas erwärmt werden sollen.
Der „Zeitpunkt, zu welchem die Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung sich in dem genannten vorbestimmten Betriebszustand befindet", ist (1) der Zeitpunkt in der Mitte des Maschinenbetriebs unter kalten oder sehr kalten Bedingungen, (2) der Zeitpunkt nach dem Starten der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung bei kalten oder sehr kalten Bedingungen, (3) der Zeitpunkt, zu welchem die exotherme Wärmemenge der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung z. B. durch wenig Brennstoffverbrauch gering ist, und (4) der Zeitpunkt, zu welchem infolge der geringen exthermen Wärmemenge der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung die vom Kühlwasser aufgenommene Wärmemenge gering ist und die Kühlwassertemperatur unter einem vorbestimmten Wert liegt. Kalt bezieht sich auf eine Außenlufttemperatur von etwa –10°C bis etwa 15°C und sehr kalt auf eine Außenlufttemperatur von etwa unter –10 °C. Als vorbestimmte Kühlwassertemperatur sind zum Beispiel 60°C anzusehen. Anzumerken ist, daß diese Temperatur oder dieser Temperaturbereich aufgeteilt werden könnte, und zwar in einen Anteil, wenn die Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung sich in dem genannten vorbestimmten Zustand befindet, und einen Anteil, wenn Stickoxid vom NOx-Katalysator gereinigt werden soll. Genauer ausgedrückt, die Verbrennungsvorrichtung und auch der NOx-Katalysator können bei einer bestimmten Temperatur oder in einem bestimmten Temperaturbereich ihre Funktion erfüllen.
Zu den „maschinenbezogenen Elementen" zählen das Maschinenkühlwasser oder die Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung selbst, in deren Ansaugsystem das von der Verbrennungsvorrichtung emittierte Verbrennungsgas geleitet wird.
Bei der mit dem NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung ausgerüsteten Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Verbrennungsgas, welches die Verbrennungsvorrichtung emittiert, in das Ansaugsystem der unter dem vorbestimmten Zustand arbeitenden Maschine geleitet, wobei die Verbrennungswärme des Verbrennungsgases auf die angesaugte Luft übertragen wird. Das heißt, die maschinenbezogen Elemente werden mit der von der Verbrennungsvorrichtung erzeugte Verbrennungswärme erwärmt, so daß die Maschine schneller auf Betriebstemperatur gebracht werden und die Leistung der Fahrzeuginnenraumheizvorrichtung verbessert wird. Da die Innenraumheizvorrichtung normalerweise als Verbrennungsvorrichtung in der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung angeordnet ist, kann diese auch als Vorrichtung zur Erhöhung der Kohlendioxidkonzentration verwendet werden.
Das von der Fahrzeuginnenraumheizvorrichtung erzeugte Verbrennungsgas enthält kaum Rauch, d. h. keinen Kohlenstoff, sondern Kohlendioxid in hoher Konzentration. Wenn das von der Fahrzeuginnenraumheizvorrichtung erzeugte Verbrennungs gas in die Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung geleitet wird, ist weniger Reibverschleiß und Korrosion als bei Verwendung der bisher bekannten AR-Vorrichtung zu verzeichnen und demzufolge eine längere Lebensdauer zu erwarten.
Das Kohlendioxid selbst hemmt das Entstehen von Rauch. Der Grund dafür ist darin zu suchen, daß von dem bei der thermischen Dissoziation des Kohlendioxids freiwerdenden Sauerstoff der Ruß erneut verbrannt wird (CO₂ → 2CO – 0₂ bei einer Temperatur der atmosphärischen Luft von 144°C) und der Kohlenstoff vom Kohlendioxid oxidiert wird (CO₂ + C → 2CO). Der Rauchentwicklungshemmeffekt kann eintreten, wenn die Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung bei hoher Last betrieben wird.
Bei einer Brennstoffniedrigverbrauchmaschine wie z. B. einer Dieselmaschine, einer mit einem mageren Gemisch betriebenen Kraftstoffdirekteinspritzmaschine oder einer ähnlichen Maschine ist wegen der geringen Menge an verbranntem Brennstoff der Wärmeverlust infolge der Wärmeübertragung auf das Kühlwasser gering. Somit besteht die Tendenz einer Verschlechterung der Erwärmungscharakteristik selbst bei normaler Temperatur. Die Erwärmungscharakteristik kann aber merklich verbessert werden, wenn die Inbetriebnahme der Fahrzeuginnenraumheizvorrichtung sich erforderlich macht. Das heißt, daß beim Warmfahren der Maschine die Emission stark erhöht wird. Da die Wärme des von der Verbrennungsvorrichtung erzeugten Abgases sich in der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung ansammelt, wird von deren Kühlwasser Wärme aufgenommen und dadurch die Temperaturerhöhung der Maschine beschleunigt, so daß bei einem mit einer Fahrzeuginnenraumheizvorrichtung ausgerüsteten Fahrzeug die Heizleistung verstärkt wird.
Da der Abgasauslaßkanal der Verbrennungsheizvorrichtung an den Ansaugkanal der Maschine angeschlossen ist, werden bei Inbetriebnahme der Verbrennungsheizvorrichtung die im Verbrennungsgas enthaltenen unverbrannten Komponenten in der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung nachverbrannt und können bei Eintritt in das Abgassystem der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung von dem in diesem angeordneten NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung gereinigt werden.
Unter einem neunten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird bei der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung gemäß dem vierten Aspekt die Verbrennungsvorrichtung vorzugsweise dann in Betrieb genommen, wenn die Maschine im vorbestimmten Betriebszustand arbeitet und Brennstoff verbrennt und die maschinenbezogen Elemente durch die Wärme der bei der Verbrennung emittierten Verbrennungsgase erwärmt werden, und das Luft/Brennstoff-Verhältnis zu dem Zeitpunkt verändert, wenn die Maschine im vorbestimmten Betriebszustand arbeitet und das Stickoxid vom NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung gereinigt werden muß.
Der „Zeitpunkt, zu welchem die Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung im vorbestimmten Betriebszustand arbeitet" ist unter dem siebenten Aspekt der vorliegenden Erfindung definiert.
Wenn die mit dem NOx-Katalysator ausgerüstete Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung gemäß der vorliegenden Erfindung im vorbestimmten Betriebszustand arbeitet, wird die Verbrennungsvorrichtung separat von der Maschine betrieben, um die Wärme der bei der Verbrennung erzeugten Verbrennungsgase zum Erwärmen der maschinenbezogen Elemente zu nutzen. Wenn die Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung im vorbestimmten Betriebszustand bei einer etwas unter der in einer kalten Jah reszeit herrschenden Temperatur arbeitet, wird das heiße Verbrennungsgas der Verbrennungsvorrichtung in das Ansaugsystem geleitet und mit der angesaugten Frischluft gemischt und dadurch der Maschine ein vorgewärmtes Luft/Brennstoff-Gemisch zugeführt. Durch diese Verfahrensweise kann das Warmfahren der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung beschleunigt werden. Die Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung ist außerdem über den Kühlwasserkanal mit der in diesem angeordneten Verbrennungsvorrichtung an die zum Beheizen des Fahrzeuginnenraums dienende Heizvorrichtung angeschlossen. Bei dieser Anordnung nimmt das durch den Kühlwasserkanal strömenden Kühlwasser Verbrennungsgaswärme auf und dient somit als Heizmedium, dessen Wärme an die Fahrzeuginnenraumheizvorrichtung abgegeben werden kann. Das trägt zur Leistungserhöhung der Fahrzeuginnenraumheizvorrichtung bei.
Das Luft/Brennstoff-Verhältnis sollte verändert werden, wenn die Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung im vorbestimmten Betriebszustand arbeitet und das Stickoxids im NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung gereinigt werden muß. Bei Verwendung der Verbrennungsvorrichtung als Heizvorrichtung zur Leistungserhöhung des Fahrzeuginnenraumheizvorrichtung und zum Beschleunigen der Erwärmung der Maschine wird das Luft/Brennstoff-Verhältnis für die Verbrennungsvorrichtung entsprechend mager eingestellt. Mager bedeutet ein Grenzbereich, in welchem eine unvollständige Verbrennung nicht stattfinden kann. Wenn das Reinigen des Stickoxids im NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung erforderlich wird, sollte das Luft/Brennstoff-Verhältnis entsprechend fett eingestellt werden. Fett bezieht sich aber auf einen Grenzbereich, in welchem kein Rauch erzeugt wird.
Bei einer solchen Anordnung kann eine einzige Verbrennungsvorrichtung als Heizvorrichtung und auch als CO₂-Zugabevor richtung verwendet werden, wenn diese unter bestimmten Bedingungen ihre Funktionen erfüllt. Wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis mager eingestellt und bei Verwendung der Verbrennungsvorrichtung als Heizvorrichtung trotzdem ausreichend Wärme von dieser erzeugt wird, ist mit einem geringen Brennstoffverbrauch zu rechnen. Wenn die Verbrennungsvorrichtung als CO₂-Zugabevorrichtung dienen soll, muß das Luft/Brennstoff-Verhältnis so eingestellt werden, daß diese ausreichend CO₂ erzeugt. Das erforderliche Luft/Brennstoff-Verhältnis ist somit davon abhängig, ob die Verbrennungsvorrichtung als Heizvorrichtung oder als CO₂-Zugabevorrichtung verwendet wird.
Die für die genannten Zwecke verwendete Verbrennungsvorrichtung emittiert unter Normalbedingungen nahezu rauchfreies, d. h. keinen Kohlenstoff, aber Kohlendioxid in hoher Konzentration enthaltendes Verbrennungsgas. Im Gegensatz zu einer mit der bisher bekannten AR-Vorrichtung bestückten Brennkraftmaschine ist bei der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung gemäß der vorliegenden Erfindung weniger Reibverschleiß und Korrosion zu verzeichnen, so daß eine längere Lebensdauer erwartet werden kann.
Um die AR-Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik betreiben zu können, muß die Kühlwassertemperatur z. B. „60°C" oder mehr betragen. Im Gegensatz dazu kann gemäß der vorliegenden Erfindung Stickoxid auch dann verringert werden, wenn die Kühlwassertemperatur unter der als kalt definierten Temperatur liegt.
Unter einem zehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der in der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung gemäß dem ersten Aspekt verwendete NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung ein Absorptionsreduktionskatalysator sein.
Unter einem elften Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der in der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung gemäß dem ersten Aspekt verwendete NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung ein Selektionsreduktionskatalysator.
Unter einem zwölften Aspekt der vorliegenden Erfindung sollte bei der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung gemäß dem achten Aspekt bei erforderlicher Reinigung des Stickoxids im NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung das Luft/Brennstoff-Verhältnis für die Verbrennungsvorrichtung fett eingestellt werden.
Bei einem fetten Luft/Brennstoff-Verhältnis muß das in der Verbrennungsvorrichtung verwendete Luft-Brennstoff-Gemisch eine große Brennstoffmenge enthalten, so daß auch größere Mengen an Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxid als Reduktionsmittel vorhanden sind und demzufolge das Reinigen von Stickoxid im NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung erleichtert wird.
Unter einem dreizehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung sollte bei der Brennkraftmaschine gemäß dem achten Aspekt der Brennstoffeinspritzzeitpunkt verzögert werden, wenn das Reinigen des Stickoxids im NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung sich mit dem in der Verbrennungsvorrichtung erzeugten Verbrennungsgas erforderlich macht. Normalerweise wird der Einspritzzeitpunkt so eingestellt, daß eine optimale Brennstoffeffektivität zu verzeichnen ist. Bei einem verzögerten Einspritzzeitpunkt wird auch die Verbrennung verzögert. Das könnte dazu führen, daß der zu verbrennende Brennstoff unverbrannt bleibt. Dadurch steigen die Mengen an Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxid, so daß das Reinigen von Stickoxid im NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung erleichtert wird.
Unter einem vierzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung sollte der bei der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung gemäß dem dreizehnten Aspekt verwendete NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung ein Absorptionsreduktionskatalysator sein.
Diese und weitere Aufgaben sowie Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung der Konstruktionsmerkmale und Vorgänge in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen, in welchen gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind, und aus den Ansprüchen besser zu erkennen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Wie bereits erwähnt, sind die Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen deutlicher zu erkennen.
1 zeigt schematisch den Aufbau einer mit einem NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung ausgerüsteten Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt schematisch die Verbrennungsheizvorrichtung der in 1 dargestellten Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
3 zeigt im Flußplan einen Teil des Programms zur Steuerung der Verbrennungsheizvorrichtung der in 1 dargestellten Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
4 zeigt im Flußplan einen weiteren Teil des Programms zur Steuerung der Verbrennungsheizvorrichtung der in 1 dargestellten Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
5 zeigt graphisch den Unterschied zwischen der gemäß dem Stand der Technik und der gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erzeugten Stickstoffdioxidmenge.
6 zeigt graphisch den Unterschied zwischen der gemäß dem Stand der Technik und der gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erzeugten Kohlenwasserstoffmenge.
7 zeigt graphisch den Unterschied zwischen der gemäß dem Stand der Technik und der gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erzeugten Kohlenmonoxidmenge.
8 zeigt im Flußplan die Steuerung der Verbrennungsheizvorrichtung während dem Reinigen des Stickoxids bei verzögertem Einspritzzeitpunkt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend werden in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben.
<Allgemeine Beschreibung der Maschine>
Die als wassergekühlte Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung klassifizierte Maschine 1 ist aus mehreren Elementen bzw. Vorrichtungen zusammengesetzt, z. B. aus einem Block 3 mit einem Wassermantel, in welchem Kühlwasser zirkuliert, einer Ansaugvorrichtung 5 zur Versorgung der Zylinder des Blockes 3 mit der zur Verbrennung erforderlichen Luft, einer Ausstoßvorrichtung 7 zum Ausstoßen des bei der Verbrennung eines Luft-Brennstoff-Gemischs aus der durch die Ansaugvor richtung 5 angesaugten Luft und des von einer nicht dargestellten Einspritzvorrichtung eingespritzten Brennstoffs in den Zylindern erzeugten Abgases und einer Fahrzeuginnenraumheizvorrichtung 9 zum Erwärmen des Fahrzeuginnenraums. Die Maschine 1 ist entweder eine Dieselmaschine oder eine mit einem mageren Gemisch betriebene Benzindirekteinspritzmaschine.
<Luftansaugvorrichtung 5>
Die Luftansaugvorrichtung 5 erstreckt sich von einem Luftreiniger 13 zum Reinigen der den Zylindern zuzuführenden Luft bis zu einem nicht dargestellten Einlaßkanal des Blocks 3. Im Kanal zwischen dem Luftreiniger 13 und der Einlaßöffnung sind mehrere Elemente angeordnet, die Ansaugvorrichtung 5, zu welcher der Kompressor 15a eines Turboladers 15, eine Verbrennungsheizvorrichtung 17, in welcher die Verbrennung bei einem geringeren Druck stattfindet als in den nicht dargestellten Zylindern des Blocks 3, ein Zwischenkühler 19, eine Luftansaugmengenreduziervorrichtung 20 zur Verringerung der vom Ansaugsystem angesaugten Luftmenge und ein Einlaßverteiler 21. Ein als Ansaugkanal dienendes und mit mehreren Anschlüssen versehenes Ansaugrohr 23 ist Bestandteil des gesamten Ansaugsystems.
<Ansaugrohr 23>
Das Ansaugrohr 23 wird vom Kompressor 15a als Grenzelement grob in zwei Verbindungsrohre unterteilt, in das vor diesem sich erstreckende drucklose Verbindungsrohr 25 und das hinter diesem sich erstreckende Verbindungsrohr 27, durch welches die von der Ansaugvorrichtung 5 angesaugte und zum Kompressor 15a geleitete, von diesem komprimierte Ansaugluft der Maschine zugeführt wird.
<Verbindungsrohr 25>
Das Verbindungsrohr 25 führt als Hauptrohr 29, von welchem ein Rohr 31 für die Heizvorrichtung abzweigt, vom Luftreiniger 13 direkt zum Kompressor 15a.
<Außentemperatursensor 32>
Der Außentemperatursensor 32 ist hinter dem Luftreiniger 13 im Hauptrohr 29 installiert. Vom Außentemperatursensor 32 wird die Temperatur der von außen angesaugten, durch den Luftreiniger 13 ins Hauptrohr 29 geleiteten und als Frischluft sowohl für die Verbrennungsvorrichtung 17 als auch für die Maschine 1 dienenden Luft A gemessen.
<Abzweigrohr 31 für die Heizvorrichtung>
Das Abzweigrohr 31 ist unterteilt in einen zur Heizvorrichtung 17 führenden und diese aus dem Hauptrohr 29 mit Frischluft a1 versorgenden Abschnitt 33 und einen von der Heizvorrichtung 17 zum Hauptrohr 29 führenden und in diesen Verbrennungsgas a2 von der Heizvorrichtung 17 leitenden Abschnitt 35. Unter Normalbedingungen enthält das in der Verbrennungsheizvorrichtung erzeugte Verbrennungsgas keine Rauchpartikel, d. h. keinen reinen Kohlenstoff, wie es bei der Verbrennungsheizvorrichtung 17 gemäß dieser Ausführungsform der Fall ist. Demzufolge kann das von der Verbrennungsheizvorrichtung 17 emittierte Verbrennungsgas a2 problemlos für die Brennkraftmaschine in die für diese angesaugte Luft geleitet werden. Das in der Verbrennungsheizvorrichtung 17 unter normalem Atmosphärendruck erzeugte Verbrennungsgas a2 enthält eine große Menge Kohlendioxid und Wärme.
Im Verbrennungsgasabschnitt 35 sind nahe der Verbrennungsheizvorrichtung 17 ein Sensor 36 zum Erfassen der Verbrennungsgastemperatur und ein Sensor 37 zum Erfassen der Kohlendioxidkonzentration im Verbrennungsgas angeordnet.
Der Verbrennungsgastemperatursensor 36 erfaßt die Temperatur des in der Verbrennungsheizvorrichtung 17 erzeugten Verbrennungsgases und der CO₂-Sensor 37 die Kohlendioxidkonzentration in diesem vor dessen Eintritt in das Hauptrohr 29. Mit dem Einleiten des von der Verbrennungsheizvorrichtung 17 emittierten Verbrennungsgases durch den Rohrabschnitt 35 ins Hauptrohr 29 wird der in diesem strömenden Luft Kohlendioxid beigemischt. Die Verbrennungsheizvorrichtung 17 wird auch als CO₂-Zugabevorrichtung bezeichnet.
Die Punkte, an welchen der Rohrabschnitt 33 und der Rohrabschnitt 35 vom Hauptrohr 29 abzeigen, sind mit dem Bezugszeichen c1 bzw, c2 gekennzeichnet. Die über den Luftreiniger 13 von außen angesaugte Luft (Frischluft) A wird am Abzweigpunkt c1 in die durch das Abzweigrohr 31 zur Verbrennungsheizvorrichtung strömende Luft a1 und die ohne Verzweigung durch das Hauptrohr 29 zum Abzweigpunkt c2 strömende Luft a1' unterteilt. Mit anderen Worten, die am Abzweigpunkt c1 abgezweigte Luft a1 strömt durch den Rohrabschnitt 33 in die Verbrennungsheizvorrichtung 17, verbrennt in dieser Brennstoff und strömt als Verbrennungsgas a2 durch den Rohrabschnitt 35 zum Abzweigpunkt c2 des Hauptrohrs 29 zurück. An diesem Punkt c2 vermischt das Verbrennungsgas a2 sich mit der Luft a1 zu einem Verbrennungsgas-Luft-Gemisch a3.
Da das in der Verbrennungsheizvorrichtung unter normalem Atmosphärendruck erzeugte und ins Hauptrohr 29 strömende Verbrennungsgas a2 eine große Menge Kohlendioxid enthält, gelangt dieses durch das Vermischen des Verbrennungsgases a2 mit der Luft a1' zum Verbrennungsgas-Luft-Gemisch a3 in dieses und somit zum Maschinenblock 3. Die in der Verbrennungsheizvorrichtung stattfindende Verbrennung wird von der als CPU dienenden ECU geregelt. Mit anderen Worten, von der ECU wird das Luft/Brennstoff-Verhältnis für die Verbrennungs heizvorrichtung so eingestellt, daß die gewünschte Kohlendioxidkonzentration entsteht.
<Verbindungsrohr 27>
Wie 1 zeigt, verbindet das bei dieser Ausführungsform L-förmig konfigurierte Verbindungsrohr 27 den Kompressor 15a mit dem Einlaßverteiler 21. Im Verbindungsrohr 27 ist nahe dem Einlaßverteiler 21, welcher als integralen Bestandteil eine Vorrichtung 20 zum Reduzieren der Luftansaugmenge aufweist, ein Zwischenkühler 19 angeordnet.
<Luftmengenreduziervorrichtung 20>
Die Luftmengenreduziervorrichtung 20 ist an einem nicht dargestellten Einlaßkanal des Einlaßverteilers 21 angeordnet und mit einem nicht dargestellten Mengenreduzierventil ausgerüstet. Das Mengenreduzierventil ist mit einem Betätigungselement versehen, welches von einem Vakuumschaltventil (VSV) betätigt wird. Zur Vereinfachung wurde die genannten Elemente zu einer Einheit zusammengefaßt und sind in Form der Luftmengenreduziervorrichtung 20 dargestellt. Das VSV wird von der CPU der ECU 46 gesteuert.
<Abgassystem 7>
Das Abgassystem 7 erstreckt sich von einem am Maschinenblock 3 vorhandenen, nicht dargestellten Auslaßkanal über einen Abgasverteiler 38, ein Verbindungsrohr 42, die Turbine 15b eines Turboladers 15 und einen katalytischen Konverter 39 bis zum Schalldämpfer 41. Das durch das Abgassystem 7 der Brennkraftmaschine 1 strömende Abgas ist mit dem Bezugszeichen a4 gekennzeichnet.
<Katalytischer Konverter 39>
Der katalytische Konverter 39 ist mit dem NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung als Ternärkatalysator ausgerü stet und dient zum Reinigen des im Abgas enthaltenen Stickoxids mit einem Reduktionsmittel besonders in eine sauerstoffreichen Atmosphäre, d. h. bei einer mageren Atmosphäre im Abgassystem. Der NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung ist als Selektionsreduktionskatalysator oder als Absorptionsreduktionskatalysator klassifiziert, wobei hier der letztgenannte verwendet wird.
<Verbrennungsheizvorrichtung 17>
Der Aufbau der Verbrennungsheizvorrichtung 17 ist in 2 schematisch dargestellt.
Die Verbrennungsheizvorrichtung 17 ist über einen Kühlwasserkanal 17a an den Wassermantel des Maschinenblocks 3 angeschlossen. Das Kühlwasser (in 2 mit einem gestrichelten Pfeil gekennzeichnet) strömt durch den Kühlwasserkanal 17a, welcher sich um die in der Verbrennungsheizvorrichtung 17 angeordnete Brennkammer 17d erstreckt, und nimmt dabei die in der Brennkammer erzeugte Wärme auf. Dieser Vorgang wird nachfolgend detailliert beschrieben.
<Brennkammer 17d>
Die Brennkammer 17d setzt sich zusammen aus einem Verbrennungszylinder 17b zur Erzeugung einer Flamme und einer zylindrischen Trennwand 17c, welche das Austreten der Flamme aus der Kammer verhindert, wobei die eigentliche Brennkammer 17d sich innerhalb der Trennwand 17c befindet. Die Trennwand 17c wiederum ist von der Außenwand 43a der Verbrennungsheizvorrichtung 17 umgeben, wobei zwischen beiden ein Spalt gebildet wird. Dieser Spalt zwischen der Innenfläche der Außenwand 43a und der Außenfläche der Trennwand 17c dient als Kühlwasserkanal 17a.
Die Brennkammer 17d ist mit einem Anschlußstutzen 17d1 und einem Anschlußstutzen 17d2 versehen, an welche der Luftzuführkanal 33 bzw. der Verbrennungsgasausstoßkanal 35 angeschlossen sind. Die aus dem Luftzuführkanal 33 zugeführte Luft a1 strömt durch den Anschlußstutzen 17d1 in die Brennkammer 17d, verbrennt in dieser den eingeleiteten Brennstoff und gelangt als Luft a2 durch den Anschlußstutzen 17d und den Verbrennungsgasausstoßkanal 35 zum Hauptrohr 29. Mit anderen Worten, die Brennkammer 17d dient als Luftkanal, welcher die Umwandlung der Luft a1 in die bei der Verbrennung in der Verbrennungsheizvorrichtung erzeugte Luft a2 ermöglicht.
Die bei der Verbrennung in der Verbrennungsheizvorrichtung 17 erzeugte Luft a2, genauer ausgedrückt, das erzeugte heiße Abgas strömt durch den Verbrennungsgasausstoßkanal 35 zum Hauptrohr 29 zurück, gibt dabei die Wärme über die Trennwand 17c an das durch den Kühlwasserkanal 17a strömende Kühlwasser ab und erwärmt dieses wie bereits erwähnt. Das heißt, die Brennkammer 17 dient auch als Wärmetauscher.
<Verbrennungszylinder 17b>
Der Verbrennungszylinder 17b ist über ein Brennstoffzuführrohr 17e an eine nicht dargestellte Brennstoffpumpe angeschlossen. Der von der Pumpe zugeführte Brennstoff wird in der Verbrennungsheizvorrichtung 17 verdampft und in dieser Form von einer nicht dargestellten Zündquelle gezündet.
Der Luftzuführkanal 33 und der Verbrennungsgasausstoßkanal 35 sind nur an die Verbrennungsheizvorrichtung 17 angeschlossen und demzufolge Bestandteile derselben.
<Kühlwasserzirkulation>
Nachfolgend wird die Zirkulation des Kühlwassers im Kühlwasserkanal 17a beschrieben.
Der Kühlwasserkanal 17a ist über einen Anschlußstutzen 17a1 und eine Schlauchleitung W1 an den Wassermantel des Maschinenkörpers 3 und über einen Anschlußstutzen 17a2 und eine Schlauchleitung W2 an die Fahrzeuginnenraumheizeinheit 9 angeschlossen.
Mit anderen Worten, die Verbrennungsheizvorrichtung 17 ist über die Schlauchleitungen W1, W2 sowohl an den Wassermantel als auch an die Fahrzeuginnenraumheizeinheit 9 angeschlossen. Die Fahrzeuginnenraumheizeinheit 9 ist über eine Schlauchleitung W3 auch an den Maschinenblock 3 angeschlossen.
Das im Wassermantel des Maschinenblocks 3 vorhandene Kühlwasser strömt in einer ersten Strömungsfolge (1) durch die Schlauchleitung W1 und den Anschlußstutzen 17a1 zur Verbrennungsheizvorrichtung 17 und wird in dieser erwärmt. In einer zweiten Strömungsfolge (2) strömt das erwärmte Kühlwasser durch den Anschlußstutzen 17a2 und die Schlauchleitung W2 zur Fahrzeuginnenraumheizeinheit 9. In einer dritten Strömungsfolge (3) strömt das Kühlwasser, dessen Temperatur durch den Wärmeaustausch in der Innenraumheizeinheit 9 gesenkt wurde, durch die Schlauchleitung W3 zurück zum Wassermantel der Maschine. Im Wassermantel ist ein Sensor 44 zum Erfassen der Kühlwassertemperatur angeordnet.
Das heißt, das Kühlwasser strömt im Kreislauf vom Maschinenblock 3 durch die Schlauchleitung W1, die Verbrennungsheizvorrichtung 17, die Schlauchleitung W2, die Innenraumheiz einheit 9 und die Schlauchleitung W3 zurück zum Maschinenblock 3.
Außerdem ist innerhalb des Verbrennungskammerblocks 43 ein Kühlventilator 45 angeordnet.
<Elektrischer Anschluß der ECU 46>
An die ECU 46 sind die Luftmengenreduziervorrichtung 20, der Außentemperatursensor 32, der Verbrennungsgastemperatursensor 36, der CO₂-Sensor 37, der Wassertemperatursensor 44, ein Drehzahlsensor 59, ein Kühlventilator 45 und die Brennstoffpumpe angeschlossen. Wenn die CPU aus den entsprechenden Meßwerten der Sensoren 32, 36, 37, 44 und 59 ermittelt, daß die Reinigung des Stickoxids im NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung erforderlich ist, werden von dieser die Verbrennungsbedingungen in der Verbrennungsheizvorrichtung 17 so geregelt, daß Kraft, Größe und Temperatur der Flammen optimale Werte erreichen. Von der CPU werden auch die Temperatur des aus der Verbrennungsheizvorrichtung emittierten Abgases und die in diesem enthaltene Kohlendioxidmenge geregelt. Das heißt, die CPU regelt das Luft/Brennstoff-Verhältnis in der Verbrennungsheizvorrichtung 17. Diese Regelung wird anhand des als Flußplan dargestellten Programms detailliert beschrieben. Der „Zeitpunkt zum Reinigung des Stickoxids im NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung 39" ist gekommen, wenn die zum Reinigen erforderlichen Bedingungen gegeben sind und der Katalysator zum Reinigen von absorbiertem NOx aktiviert ist (z. B. nach einer bestimmten Betriebszeit). Der NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung 39 ist aktiviert, wenn dessen Temperatur einen vorbestimmten Wert erreicht. Das heißt, der NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung 39 erfüllt seine Funktion als Element zum Reinigen des Stickoxids nur in einem bestimmten Temperaturbereich.
Die CPU steuert außerdem das Betätigungselement und das VSV der Luftmengenreduziervorrichtung 20 in Obereinstimmung mit den Meßwerten der Sensoren 32, 36, 37, 44 und 59 das Öffnen und Schließen des Luftmengenregelventils. Als „Öffnen und Schließen des Luftmengenregelventils" wurde in dieser Spezifikation zur Vereinfachung die Arbeitsweise der Luftmengenreduziervorrichtung 20 herangezogen. Auch die Steuerung der Luftmengenreduziervorrichtung 20 wird anhand des als Flußplan dargestellten Programms detailliert beschrieben.
<Luftströmungsmesser 70>
Der Luftströmungsmesser 70 ist zwischen den Verzweigungspunkten C1 und C2 im Hauptrohr 29 angeordnet. Bei dieser Ausführungsform wird als Luftströmungsmesser 70 ein Hitzdraht- oder Hitzfilm-Strömungsmesser verwendet, weil zwischen dessen Eintrittsseite und Austrittsseite eine geringe Druckdifferenz zu verzeichnen ist.
<Programm zur Steuerung der Verbrennungsheizvorrichtung>
Nachfolgend wird in Verbindung mit den 3 und 4 die Steuerung der Verbrennungsheizvorrichtung 17 beschrieben. Anzumerken ist, daß wegen des Platzbedarf dieses Steuerungsprogramm auf die 3 und 4 verteilt werden mußte. Demzufolge entspricht das Bezugszeichen (1) am Ende von 3 dem Bezugszeichen (1) am Beginn von 4 und ist als Fortsetzungszeichen anzusehen.
Das in diesen Figuren dargestellte Steuerprogramm ist Teil des nicht dargestellten Steuerprogramms für die Maschine 1 und in die Schritte S101–S114 unterteilt, auf welche nachfolgend detailliert eingegangen wird. Dieses Programm ist in einem ROM der ECU 46 gespeichert. Alle nachfolgend beschriebenen Abläufe werden von der CPU der ECU 46 gesteuert. Für alle Schritte wird das Symbol S verwendet, z. B. S101 für den Schritt 101.
Wenn nach dem Starten der Maschine 1 die Steuerung gemäß diesem Programm erfolgt, wird zuerst in S101 ermittelt, ob die Maschine 1 sich in dem Betriebszustand befindet, welcher die Inbetriebnahme der Verbrennungsheizvorrichtung 17 erfordert. Grundlage dafür ist, ob die vom Wassertemperatursensor 44 gemessene Kühlwassertemperatur T_HW geringer ist als eine vorbestimmte Temperatur T1. Wenn das der Fall ist, wird in S102 von der CPU der Wert des Ausführungsflags F1 auf „1" gesetzt, worauf der Ablauf dann zu S103 übergeht. Das Zuschalten der Verbrennungsheizvorrichtung 17 könnte erfolgen, wenn die Maschine 1 in kalter oder sehr kalter Umgebung betrieben wird, nach dem Starten der Maschine, oder wenn die exotherme Wärmemenge der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung selbst gering und demzufolge die vom Kühlwasser aufgenommene Wärmemenge gering ist. In diesen Fällen ist die Kühlwassertemperatur T_HW ebenfalls gering und beträgt etwa 60°C.
Wenn in S101 ermittelt wird, daß die Kühlwassertemperatur T_HW über 60°C liegt, ist das ein Anzeichen dafür, daß die Maschine 1 sich in einem Betriebszustand befindet, welcher ein Betreiben der Verbrennungsheizvorrichtung 17 nicht erforderlich macht. In diesem Fall wird von der CPU der Wert des Ausführungsflags F1 auf „0" gesetzt, worauf der Ablauf zu S103 übergeht.
In S103 wird ermittelt, ob der NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung 39 schon aktiviert ist. Die Beurteilung, ob die Aktivierung des Katalysators 39 erfolgt ist, d. h., ob dieser seine Aktivierungstemperatur erreicht hat, ist abhängig davon, ob nach dem Starten der Maschine 1 die von einer nicht dargestellten Einspritzvorrichtung eingespritzte Brennstoffmenge einen vorgegebenen Wert erreicht hat. Wenn die CPU die Aktivierung bestätigt, geht der Ablauf zu S104 über. Wenn das nicht der Fall ist, geht der Ablauf zu S109 über. Die Brennstoffeinspritzmenge ergibt sich aus der Anzahl der von der CPU an die Einspritzvorrichtung gegebenen Einspritzkommandos, und wenn diese Anzahl eine vorgegebene Größe erreicht hat, ist der NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung 39 aktiviert.
In S104 wird von der CPU ermittelt, ob die Maschine 1 bei einer vorgegebenen geringen Drehzahl im Niedriglastbereich betrieben wird. Wenn das der Fall ist, geht der Ablauf zu S105 über, wenn nicht, erfolgt der Übergang zu Schritt S109. Auf die Beurteilung, ob die Maschine 1 bei einer geringen Drehzahl im Niedriglastbereich betrieben wird, wird nachfolgend näher eingegangen. Wenn die Maschine 1 bei einer niedrigen Drehzahl im Niedriglastbereich betrieben wird, ist nur eine kleine Brennstoffeinspritzmenge erforderlich. Selbst wenn die Luftmengenreduziervorrichtung 20 die anzusaugende Luftmenge reduziert, wird das Luft/Brennstoff-Verhältnis für die Verbrennung in der Brennkammer des Maschinenblocks 3 nicht fett, so daß die Rauchemission unterbunden wird. Wenn die Maschine 1 aber mit einer hohen Drehzahl im Starklastbereich betrieben wird, ist eine große Brennstoffeinspritzmenge erforderlich. Wenn die Luftmengenreduziervorrichtung 20 die anzusaugende Luftmenge reduziert, wird das Luft/Brennstoff-Verhältnis für die Verbrennung in der Brennkammer des Maschinenblocks 3 fett, so daß die Rauchemission nicht unterbunden werden kann.
In S105 wird von der CPU geprüft, ob die Bedingungen zur Durchführung des Reduktionsprozesses im NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung 39 gegeben sind. Wenn das der Fall ist, geht der Ablauf zu S106 über, wenn nicht, erfolgt der Übergang zu S109. Die Beurteilung, ob die Bedingungen zur Durchführung des Reduktionsprozesses im NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung 39 vorliegen, ergibt sich aus dem Aktivierungszustand des Katalysators zum Zeitpunkt der erforderlichen Stickoxidreduzierung. Der Katalysator ist aktiviert, wenn nach dem Starten der Maschine 1 die von der Einspritzvorrichtung eingespritzte Brennstoffmenge den vorbestimmten Wert erreicht hat. Das Beurteilungsverfahren ist das gleiche wir das in S103 praktizierte.
In S106 wird von der CPU der Wert des Ausführungsflags F2 auf „1" eingestellt, worauf der Ablauf zu S107 übergeht. Wenn in den Schritten 103, 104 und 105 eine verneinte Aussage kommt, setzt die CPU den Wert des Ausführungsflags F2 auf „0", während bei positiver Aussage der Ablauf zu S110 übergeht.
In S110 wird von der CPU geprüft, ob das Ausführungsflag F2 auf „1" gesetzt wurde. Wenn das der Fall ist, geht der Ablauf zu S111 über, wenn nicht, d. h. bei F2 gleich „0", erfolgt der Übergang zu S112.
In S111 wird die Drehzahl der Brennstoffpumpe und die des Kühlventilators 45 so eingestellt, daß ein reiches Luft/ Brennstoff-Verhältnis für die Verbrennungsheizvorrichtung 17 sich einstellt, worauf der Programmablauf beendet wird.
Wenn der Betriebszustand der Maschine 1 den Einsatz der Verbrennungsheizvorrichtung 17 nicht mehr erforderlich macht, wird diese in Schritt S114 abgeschaltet und danach der Programmablauf gestoppt.
Bei der beschriebenen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Brennkraftmaschine mit dem NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung ausgerüstet.
<Betreiben und Effekt dieser Ausführungsform>
Nachfolgend wird das Betreiben und der Effekt der mit dem NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung 39 ausgerüsteten Brennkraftmaschine 1 mit Innenverbrennung beschrieben.
Gemäß dieser Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung strömt das von der Verbrennungsheizvorrichtung 17 emittierte Verbrennungsgas a2 durch den Ausstoßkanal 35 ins Ansaugrohr 23 und erhöht in diesem die Kohlendioxidkonzentration der angesaugten Frischluft. Dadurch können bei der in den Zylindern des Maschinenblocks 3 stattfindenden Verbrennung kaum Übergangsrektion von Kohlenwasserstoff zu Kohlenmonoxid und von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid auftreten.
Wenn im Extremfall das Kohlendioxid im gesättigten Zustand in den Zylindern vorhanden ist, kann die chemische Reaktion zwischen Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxid zur Erezeugung von Kohlenmonoxid nur unter schwierigen Bedingungen ablaufen, so daß Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxid als NOx reduzierende Mittel in einem freien Zustand verfügbar sind und die gewünschten Eigenschaften haben. Dadurch kann die Reinigung des Stickoxids effektiv durchgeführt werden.
Wenn zur erforderlichen Reinigung des Stickoxids im NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung 39 die Luftmengenreduziervorrichtung 20 betätigt wird, strömt eine geringere Luftmenge durch das Luftansaugsystem. Daraufhin wird von der als CO₂-Zugabecorrichtung dienenden Verbrennungsheizvorrichtung 17 der nun in geringerer Menge angesaugten Luft Kohlendioxid zugemischt, so daß die in den Maschinenblock 3 gelan gende Luft eine viel höhere Kohlendioxidkonzentration aufweist. Diese hohe Kohlendioxidkonzentration bewirkt, daß Übergangsreaktionen von Kohlenwasserstoff zu Kohlenmonoxid und von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid in den Zylindern des Maschinenblocks 3 noch weniger wahrscheinlich auftreten. Wenn im Extremfall das Kohlendioxid im gesättigten Zustand vorliegt, finden Oxidationsreaktionen von Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxid zur Erzeugung von Kohlendioxid nur unter schwierigen Bedingungen statt. Das heißt, daß viel größere Mengen Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxid im freien Zustand im Abgas vorhanden sein können.
Demzufolge strömt bei der mit dem NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung ausgerüsteten Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung 1 das von dieser emittierte Abgas, welches große Mengen Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoff als Reduktionsmittel in Form einfacher Substanzen enthält, in den in deren Abgassystem angeordneten NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung, so daß Stickoxid sehr effektiv gereinigt werden kann. Außerdem wird von der Luftmengenreduziervorrichtung 20 die angesaugte Luftmenge reduziert. Wenn bei einer vorgegebenen konstanten Verbrennungswärme in der Maschine 1 die Luftmenge reduziert wird, nimmt die mengenmäßig verringerte Luft eine größere Wärmemenge auf. Dadurch steigt die Abgastemperatur und somit die Temperatur des Abgaswärme absorbierenden NOx-Katalysators, so daß dessen Aktivierung beschleunigt wird.
Da bei der mit dem NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung ausgerüsteten Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung 1 das bzw. der von der Verbrennungsheizvorrichtung 17 erzeugte Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoff als Reduktionsmittel verwendet werden, ist eine Zufuhr von Kohlenwasserstoff durch eine Hilfseinspritzvorrichtung wie gemäß dem Stand üb lich nicht erforderlich. Dadurch kann der beschriebene negative Effekt, d. h. die höhere Belastung der Brennstoffeinspritzvorrichtung durch das Zusatzeinspritzen abgebaut werden, so daß diese kaum verschleißt.
<Vergleichsdiagramme der erzeugten Stickoxid-, Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxidmengen>
Die 5, 6 und 7 zeigen Diagramme der von der Brennkraftmaschine 1 mit NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung und einer Brennkraftmaschine gemäß dem Stand der Technik erzeugten Stickoxid-, Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxidmenge.
In 5 ist die Stickoxidmenge, in 6 die Kohlenwasserstoffmenge und in 7 die Kohlenmonoxidmenge im Abgas als Funktion des Einspritzzeitpunktes dargestellt. Die durchgehenden Linien beziehen sich auf die Mengen gemäß dem Stand der Technik, die gestrichelten Linien auf die bei einer mit dem NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung ausgerüsteten Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung 1 erzeugten Mengen. Auf der Ordinate ist die erzeugte Menge der jeweiligen Substanz und auf der Abszisse der Brennstoffeinspritzzeitpunkt bei unterschiedlichen Kurbelwinkeln aufgetragen. Die auf der Abszisse aufgetragenen Zahlenwerte entsprechen dem jeweiligen Kurbelwinkel zum oberen Totpunkt, welcher mit „0" gekennzeichnet ist. Die Werte von „0" nach rechts gelten für vorgezogene Einspritzzeitpunkte, die von „0" nach links für verzögerte Einspritzzeitpunkte.
Aus der Linie mit extrem geringer Neigung ist ein äußerst effektives Reinigen von Stickstoffdioxid zu erkennen. Aus den 6 und 7 ist zu erkennen, daß gemäß dem Stand der Technik bei jedem Kurbelwinkel eine größer Menge Kohlenwasserstoff bzw. Kohlenmonoxid als gemäß der vorliegenden Er findung erzeugt wird. Demzufolge können Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxid effektiv als Reduktionsmittel im NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung 39 genutzt werden.
Bei der mit dem NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung ausgerüsteten Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung 1 sind Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxid als einfache Substanzen in größeren Mengen vorhanden. Da Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxid von der Verbrennungsheizvorrichtung 17 erzeugt und als Reduktionsmittel genutzt werden, ist eine Zugabe von Kohlenwasserstoff durch Hilfseinspritzen, wie gemäß dem Stand der Technik üblich, nicht erforderlich.
Wenn die Regelung der von der Verbrennungsheizvorrichtung 17 zu erzeugten Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxidmengen möglich ist, kann der aus dem Zusatzeinspritzen resultierende negative Effekt, d. h. die auf die Brennstoffeinspritzvorrichtung wirkende Belastung verringert werden, so daß diese kaum einem Verschleiß unterliegt. Bei der beschriebenen Anordnung kann auch das Reinigen des Stickoxids entsprechend geregelt werden. Nachfolgend wird anhand einiger Beispiele die Regelung der zu erzeugenden Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxidmengen beschrieben.
Bei der mit dem NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung ausgerüsteten Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung 1 wird das von der Verbrennungsheizvorrichtung emittierte Verbrennungsgas a2 ins Ansaugrohr 23 geleitet und mit der in diesem strömenden Frischluft a1 vermischt, so daß das Luft-Verbrennungsgas-Gemisch a3 entsteht, in welches die vom Verbrennungsgas a2 mitgeführte Wärme absorbiert wurde. Mit anderen Worten, durch Nutzung der von der Verbrennungsheizvorrichtung 17 erzeugten Verbrennungswärme kann das Erwärmen der Maschine beschleunigt und die Leistung der Fahrzeugin nenraumheizeinheit verbessert werden. Da die Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung normalerweise mit der Verbrennungsheizvorrichtung 17 ausgerüstet ist, kann diese auch als CO₂-Zugabevorrichtung (Vorrichtung zur Erhöhung der CO₂-Konzentration) verwendet werden.
Das Luft/Brennstoff-Verhältnis sollte in folgenden Fällen verändert werden, (1) während des Betreibens der Maschine, nach dem Starten der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung in kalter und sehr kalter Umgebung oder dann, wenn die exotherme Wärme der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung gering und folglich die vom Kühlwasser aufgenommene Wärme gering ist, und (2), wenn Stickoxid vom NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung gereinigt werden muß. Wenn die Verbrennungsheizvorrichtung 17 zum Warmlaufen der Maschine und zur Leistungsverbesserung der Fahrzeuginnenraumheizeinheit verwendet wird, kann diese vorzugsweise mit einem mageren Luft/Brennstoff-Gemisch betrieben werden. Das magere Luft-Brennstoff-Gemisch sollte aber in einem Bereich liegen, welcher keine unvollständige Verbrennung ermöglicht.
Wenn im NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung Stickoxid gereinigt werden muß, sollte das Luft/Brennstoff-Verhältnis fett sein. Das fette Luft/Brennstoff-Verhältnis sollte aber in einem Bereich liegen, welcher keine Raucherzeugung ermöglicht.
Bei einer solchen Anordnung kann eine einzige Verbrennungsvorrichtung als Heizvorrichtung und auch als CO₂-Zugabevorrichtung so betrieben werden, daß diese ihre Funktionen ausreichend erfüllt.
Die Verbrennungsheizvorrichtung 17 emittiert fast rauchloses Verbrennungsgas, d. h., das Verbrennungsgas enthält keinen Kohlenstoff, aber viel Kohlendioxid. Wenn dieses Verbrennungsgas in die Zylinder der Maschine 1 gesaugt wird, besteht eine geringere Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Reibverschleiß und Korrosion der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung als bei Verwendung der bisher als NOx-Reduziervorrichtung bekannten AR-Vorrichtung, so daß eine Erhöhung der Lebensdauer erwartet werden kann. Wegen der niedrigen Kühlwassertemperatur kann auch die Stickoxidmenge verringert werden.
Das Kohlendioxid selbst hat rauchhemmende Wirkung, welche auch dann erreicht wird, wenn die Maschine 1 im Starklastbereich betrieben wird.
Weil bei einer Maschine mit geringem Brennstoffverbrauch, z. B. einer Dieselmaschine, einer Magerverbrennungsmaschine mit Direkteinspritzung oder einer ähnlichen Maschinen wenig Brennstoff verbrannt und somit wenig Wärme vom Kühlwasser absorbiert wird, entsteht auch kein großer Wärmeverlust. Das heißt, daß bei einer normalen Temperatur eine schlechte Erwärmungscharakteristik der Maschine 1 zu verzeichnen ist. Die Erwärmungscharakteristik der Maschine kann aber durch Inbetriebnahme der Verbrennungsheizvorrichtung 17 wesentlich verbessert werden. Mit anderen Worten, bei einer erwärmten Maschine ist eine weitaus bessere Emission zu erwarten. Da die Wärme des von der Verbrennungsheizvorrichtung 17 erzeugten Abgases im Maschinenblock 3 akkumuliert wird, nimmt das Kühlwasser mehr Wärme auf, wodurch die Heizleistung der Heizeinheit steigt.
Da der Verbrennungsgasausstoßkanal 35 der Verbrennungsheizvorrichtung 17 mit dem Ansaugrohr 23 verbunden ist, werden beim Betreiben der Verbrennungsheizvorrichtung 17 die im Abgas enthaltenen unverbrannten Komponenten in den Zylindern des Maschinenblocks 3 nachverbrannt und können von dem im Abgassystem der Maschine 1 angeordneten NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung 39 gereinigt werden.
Da der Luftzuführkanal 33 und der Verbrennungsgasausstoßkanal 35 der Verbrennungsheizvorrichtung nicht direkt mit der Atmosphäre in Verbindung stehen, kann eine Geräuschminderung erwartet werden.
<Anwendungsbeispiele>
Nachfolgend wird unter den Punkten (1) und (2) die Steuerung der Stickoxidreinigung durch Regelung der erzeugten Mengen an Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxid beschrieben.
(1) Reinigen von Stickoxid durch Regelung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses in der Verbrennungsheizvorrichtung 17.
Wenn das Reinigen des Stickoxids im NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung erforderlich wird, muß ein fettes Luft/Brennstoff-Verhältnis für die Verbrennungsheizvorrichtung 17 eingestellt werden.
Bei einem fetten Luft/Brennstoff-Verhältnis ist eine große Brennstoffmenge im Luft-Brennstoff-Gemisch der Verbrennungsheizvorrichtung 17 vorhanden, so daß auch große Mengen an Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxid als Reduktionsmittel erzeugt werden. Dadurch wird das Reinigen von Stickoxid im NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung 39 erleichtert. Somit kann Zusatzeinspritzen entfallen.
(2) Reinigen von Stickoxid durch Änderung des Brennstoffeinspritzzeitpunktes.
Wenn während des Betreibens der Verbrennungsheizvorrichtung 17 das Reinigen von Stickoxid im NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung 3 erforderlich wird, sollte gegenüber dem Fall, daß der Reduktionsprozeß nicht stattfindet (Zeit ohne stattfindende Reduktion), der Zeitpunkt des Brennstoffeinspritzens durch die Brennstoffeinspritzvorrichtung mehr verzögert werden. Normalerweise wird der Einspritzzeitpunkt auf einen optimalen Brennstoffverbrauch eingestellt. Bei verzögertem Einspritzzeitpunkt wird auch die Verbrennung verzögert. Bei verzögerter Verbrennung bleibt ein Teil der zu verbrennenden Brennstoffsubstanzen unverbrannt, so daß diese unverbrannten Substanzen ins Abgas gelangen. Dadurch steigen die Mengen an Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxid im Abgas, welche das Reinigen von Stickoxid im NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung erleichtern. Somit kann Zusatzeinspritzen entfallen.
Wenn während des Betreibens der Verbrennungsheizvorrichtung 17 das Reinigen von Stickoxid im NOx-Katalysator 39 nicht erforderlich ist, wird gegenüber dem Fall, daß ein Reduktionsvorgang stattfindet (Reduktionsdurchführungszeit), der Brennstoffeinspritzzeitpunkt vorverlegt. Bei vorverlegtem Brennstoffeinspritzzeitpunkt wird die Zeit zum Ausstoßen des Abgases aus der Brennkammer länger, so daß ein Nachverbrennen erwartet werden kann und dieses zur Temperaturerhöhung des Abgassystems führt. Dadurch wird der NOx-Katalysator 39 schneller aktiviert und das Absorbieren von Stickoxid im Katalysator beschleunigt. Wenn der NOx-Katalysator 39 mit absorbiertem Stickoxid gesättigt ist, wird durch Verzögern des Brennstoffeinspritzzeitpunktes Stickoxid im NOx-Katalysator gereinigt.
Nachfolgend wird in Verbindung mit dem in 8 dargestellten Programm die Steuerung der Verbrennungsheizvorrich tung 17 durch Veränderung des Einspritzzeitpunktes im Falle des Reinigens von Stickoxid beschrieben. Als NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung 39 dient ein Absorptionsreduktionskatalysator.
Dieses Programm ist Teil des Programms zur Steuerung der Maschine 1 (nicht dargestellt) und unterteilt in die Schritte 201–206, welche nachfolgend beschrieben werden. Alle Vorgänge werden von der CPU der ECU 46 gesteuert. Das Symbol „S" kennzeichnet den jeweiligen Schritt; so ist z. B. der Schritt 201 abgekürzt durch S201 gekennzeichnet.
Wenn nach dem Starten der Maschine 1 der Steuerungsablauf zu diesem Programm übergeht, wird in S201 von der CPU ermittelt, ob die Verbrennungsheizvorrichtung 17 zugeschaltet ist und bereits arbeitet. Wenn das der Fall ist, geht der Ablauf zu S202 über, wenn nicht, erfolgt der Übergang zu S204.
In S202 wird von der CPU ermittelt, ob die zur Durchführung des Reduktionsvorgangs im Absorptionsreduktionskatalysator erforderlichen Bedingungen gegeben sind, d. h. der Katalysator mit Stickoxid gesättigt ist.
Wenn das der Fall ist, geht der Ablauf zu S203 über, wenn nicht, erfolgt der Übergang zu S206.
In S203 wird der Brennstoffeinspritzzeitpunkt weiter verzögert als im Falle nicht stattfindender Reduktion und danach das Programm beendet.
Wenn in S201 die CPU aber ermittelt, daß die Verbrennungsheizvorrichtung 17 nicht betrieben wird, geht der Ablauf zu S204 über, in welchem wie in S202 die CPU ermittelt, ob bei nicht betriebener Verbrennungsheizvorrichtung 17 die zur Durchführung des Reduktionsvorgangs im Absorptionsreduktionskatalysator erforderlichen Bedingungen gegeben sind, d. h. der Absorptionsreduktionskatalysator mit absorbiertem Stickoxid gesättigt ist. Wenn das der Fall ist, geht der Ablauf zu S205 über, wenn nicht, wird das Programm beendet.
In S205 wird die Verbrennungsheizvorrichtung 17 zugeschaltet.
Wenn in S202 die CPU ermittelt, daß die zur Durchführung des Reduktionsvorgangs im Katalysator erforderlichen Bedingungen nicht gegeben sind, geht der Ablauf zu S206 über, um den Brennstoffeinspritzzeitpunkt weiter vorzuverlegen als bei stattfindender Reduktion, wonach das Programm beendet wird.
Aus dieser Beschreibung sind die vielen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ersichtlich, und mit den als Anlage beigefügten Ansprüchen ist beabsichtigt, alle in den Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung fallenden Merkmale und Vorteile einzubeziehen. Da von Spezialisten auf diesem Gebiet mögliche Modifikationen und Änderungen leicht erkannt werden, ist die Erfindung nicht auf die beschriebenen Konstruktionen und Abläufe beschränkt, so daß solche Modifikationen und Änderungen als zum Geltungsbereich der Erfindung gehörend anzusehen sind.
Zur Maschine, in deren Abgassystem ein NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung angeordnet ist, welcher zum Reinigen des im Abgas enthaltenen Stickoxids mit einem Reduktionsmittel in einer sauerstoffreichen Atmosphäre dient, gehören eine Luftmengenreduziervorrichtung zum Reduzieren der anzusaugenden Luftmenge bei erforderlichem Reinigen von Stickoxid im NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung und eine separat von der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung ange ordnete Verbrennungsheizvorrichtung, welche auch als CO₂-Zugabevorrichtung zur Zugabe von Kohlendioxid zu der von der Luftmengenreduziervorrichtung mengenmäßig reduzierten Frischluft dient. Bei einer solchen Anordnung kann ein Reduktionsmittel wie Kohlenwasserstoff oder eine ähnliche Verbindung auch dann zugeführt werden, wenn das Zusatzeinspritzen wie bei einer mit dem NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung ausgerüsteten herkömmlichen Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung eliminiert wird.

Claims

Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung (1), in deren Abgassystem (7) ein NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung (39) zum Reinigen von Stickoxid im Abgas mit einem Reduktionsmittel bei Sauerstoffüberschuß angeordnet ist und welche eine CO₂-Konzentrationserhöhungsvorrichtung (17) zur Erhöhung der Kohlendioxidkonzentration der vom Ansaugsystem (5) der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung (1) angesaugten Luft aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß als CO₂-Konzentrationserhöhungsvorrichtung (17) eine von der Abgasrückführvorrichtung (AR-Vorrichtung) sich unterscheidende CO₂-Zugabevorrichtung zur Zugabe von Kohlendioxid ins Ansaugsystem (5) zwecks Erhöhung der Kohlendioxidkonzentration in diesem über die des Abgases verwendet wird.
Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung und ausgerüstet mit einem NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung (39) gemäß Anspruch 1, wobei die CO₂-Zugabevorrichtung (17) eine separat vom Block der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung (1) angeordnete Verbrennungsvorrichtung ist und das von der Verbrennungsvorrichtung (17) emittierte Verbrennungsgas ins Ansaugsystem (5) der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung geleitet wird.
Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung und ausgerüstet mit einem NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung (39) gemäß Anspruch 2, welche außerdem eine Frischluftmengenreduziervorrichtung (70) zum Reduzieren der Menge der durch das Ansaugsystem (5) strömenden Frischluft bei erforderlicher Reinigung von Stickoxid im NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung (39) aufweist, wobei die CO₂-Zugabevorrichtung (17) der ins Ansaugsystem (5) gesaugten, von der Frischluftmengenreduziervorrichtung (70) mengenmäßig reduzierten Frischluft Kohlendioxid zugibt.
Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung und ausgerüstet mit dem NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung (39) gemäß Anspruch 3, wobei zur Frischluftmengenreduziervorrichtung (70) ein Luftmengenreduzierventil (70) zum Öffnen und Schließen des einen Teil des Ansaugsystems (5) bildenden Ansaugkanals (23) und somit zum Regeln der durch den Ansaugkanal (23) strömenden Frischluftmenge gehört.
Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung und ausgerüstet mit dem NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung (39) gemäß Anspruch 2, wobei die Verbrennung in der Verbrennungsvorrichtung (17) bei einem geringeren Druck stattfindet als die Verbrennung in den Zylindern der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung (1).
Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung und ausgerüstet mit dem NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung (39) gemäß Anspruch 5, wobei die Verbrennungsvorrichtung (17) bei erforderlichem Reinigen von Stickoxid im NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung (39) zugeschaltet wird.
Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung und ausgerüstet mit dem NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung (39) ge mäß Anspruch 4 bis 6, wobei die Verbrennungsvorrichtung (17) bei einem vorbestimmten Betriebszustand der Brennstoff verbrennenden Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung (1) und zum Erwärmen maschinenbezogener Elemente mit der Wärme des von dieser emittierten Verbrennungsgases in Betrieb genommen wird.
Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung und ausgerüstet mit dem NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung (39) gemäß Anspruch 3, wobei die Verbrennungsvorrichtung (17) bei einem vorbestimmten Betriebszustand der Brennstoff verbrennenden Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung (1) und zum Erwärmen maschinenbezogener Elemente mit der Wärme des von dieser emittierten Verbrennungsgases in Betrieb genommen und bei Erreichen des vorbestimmten Betriebszustandes der Maschine und bei erforderlichem Reinigen des Stickoxids im NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung (39) das Luft/Brennstoff-Verhältnis entsprechend verändert wird.
Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung und ausgerüstet mit dem NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung (39) gemäß Anspruch 1, wobei der NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung (39) ein Absorptionsreduktionskatalysator ist.
Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung und ausgerüstet mit dem NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung (39) gemäß Anspruch 1, wobei der NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung (39) ein Selektionsreduktionskatalysator ist.
Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung und ausgerüstet mit dem NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung (39) gemäß Anspruch 7, wobei zur Durchführung einer erforderlichen Stickoxidreinigung im NOx-Katalysator für Magergemisch verbrennung (39) ein fettes Luft/Brennstoff-Verhältnis in der Verbrennungsvorrichtung (17) eingestellt wird.
Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung und ausgerüstet mit dem NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung (39) gemäß Anspruch 7, wobei während des Betreibens der Verbrennungsvorrichtung (1) zur Durchführung einer erforderlichen Stickoxidreinigung im NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung (39) der Zeitpunkt des Brennstoffeinspritzens durch die Brennstoffeinspritzvorrichtung verzögert wird.
Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung und ausgerüstet mit dem NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung (39) gemäß Anspruch 12, wobei der NOx-Katalysator für Magergemischverbrennung (39) ein Absorptionsreduktionskatalysator ist.