DE10142397A1 - Gerät zum Reinigen des Abgases einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Gerät zum Reinigen des Abgases einer Brennkraftmaschine

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Abstract

Ein Gerät zum Reinigen des Abgases einer Brennkraftmaschine stellt einen verbesserten Reinigungswirkungsgrad selbst im Zustand mit magerer Betriebsart zur Verfügung, ohne den Kraftstoffverbrauch zu erhöhen. Das Gerät weist einen elektrochemischen Katalysator (5) auf, der in dem Auspuffsystem (3) der Brennkraftmaschine (1) vorgesehen ist, wobei der elektrochemische Katalysator (5) eine Elektronen leitende Substanz und eine Ionen leitende Substanz aufweist, durch das Leiten von Ionen und Elektronen eine Oxidationsreaktion und eine Reduktionsreaktion gefördert werden, und so elektrochemisch das Abgas (G) in dem Auspuffsystem gereinigt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gerät zum Reinigen des Abgases einer Brennkraftmaschine (mit innerer Verbrennung), welches einen verbesserten Reinigungswirkungsgrad für NOx aufweist, selbst in einem mageren Betriebszustand, ohne den Kraftstoffverbrauch zu verschlechtern, infolge der Verwendung eines elektro-chemischen Katalysators als Katalysator zum Reinigen schädlicher Gase (NOx).
Das Auspuffrohr einer Brennkraftmaschine ist normalerweise mit einem Gerät zum Reinigen des Abgases versehen, um schädliche Bestandteile (NOx, HC, CO, usw.) unschädlich zu machen oder zu reinigen, die in dem Abgas enthalten sind.
Der bislang in breitem Ausmaß eingesetzte Dreiwege- Katalysator arbeitet so, dass er gleichzeitig mit NOx (Stickoxiden), die beim Betrieb mit stöchiometrischem Luft- Kraftstoffverhältnis erzeugt werden, HC (Kohlenwasserstoffen), welche die unverbrannten Kraftstoffkomponenten darstellen, und CO (Kohlenmonoxid) reagiert, das einen Bestandteil darstellt, der durch unvollständige Verbrennung erzeugt wird, um das Ausmaß der Emission von NOx, HC und CO zu verringern.
Zwar arbeitet der Dreiwege-Katalysator ordnungsgemäß, wenn die Brennkraftmaschine in der stöchiometrischen Betriebsart (Rückkopplung des Luft-Kraftstoffverhältnisses) betrieben wird, jedoch nicht in der mageren Betriebsart (Überschuss an O2) oder in der fetten Betriebsart (Mangel an O2).
Seit einigen Jahren wird insbesondere der Betrieb in der mageren Betriebsart in weitem Ausmaß eingesetzt, um den Kraftstoffverbrauch zu verringern, wodurch es erforderlich wurde, das Abgas wirksam unter Bedingungen mit Magerbetrieb zu reinigen.
Um die Abgase unter Bedingungen mit Magerbetrieb zu reinigen, wurde daher vorgeschlagen, einen NOx-Occlusionskatalysator stromabwärts des Dreiwege-Katalysators vorzusehen, um NOx zu absorbieren, das nicht vollständig durch den Dreiwege- Katalysator reduziert wurde.
NOx, das von dem NOx-Occlusionskatalysator während des Magerbetriebszustands absorbiert wurde, muss jedoch mit Reduziermitteln (HC, CO) reduziert werden. Aus diesem Grund muss der Brennkraftmaschinen-Betriebszustand nach dem Absorbieren von NOx zwangsweise von der mageren Betriebsart in die fette Betriebsart umgestellt werden, was zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch führt.
Weiterhin wurde zum Reinigen von NOx in der Magerbetriebsart . vorgeschlagen, einen selektiven NOx-Reinigungskatalysator (einen selektiv reduzierenden Katalysator) zusätzlich zur Verwendung des Dreiwege-Katalysators vorzusehen.
Der selektiv reduzierende Katalysator ist zwar dazu geeignet, NOx in der mageren Betriebsart zu reinigen, jedoch ist sein Reinigungswirkungsgrad in der fetten Betriebsart gering, so dass eine erhebliche Menge an Reduziermittel zum Reinigen von NOx erforderlich ist, und keine Funktion zum Adsorbieren des Reduziermittels vorgesehen ist, um das Reduziermittel zu adsorbieren.
Wenn der selektiv reduzierende Katalysator stromabwärts des Dreiwege-Katalysators vorgesehen ist, fließt daher kein NOx- Reduziermittel nach stromabwärts des Dreiwege-Katalysators in der mageren Betriebsart. Infolge des fehlenden Reduziermittels arbeitet daher der selektiv reduzierende Katalysator nicht ordnungsgemäß, und wird es schwierig, das Ausmaß der Emission von NOx zu verringern.
Weiterhin wird es erforderlich, ein Gerät (Gerät zur Zufuhr zerstäubten Brennstoffgases) vorzusehen, um ein Reduziermittel (HC) für NOx dem selektiv reduzierenden Katalysator in der mageren Atmosphäre zuzuführen. Da der selektiv reduzierende Katalysator keine Funktion zum Adsorbieren des Reduziermittels aufweist, muss das Reduziermittel für NOx kontinuierlich zugeführt werden, wozu eine erhebliche Menge an Kraftstoff erforderlich ist, und der Kraftstoffverbrauch steigt.
Selbst wenn ein Adsorptionsteil für das Reduziermittel zusätzlich bei dem selektiv reduzierenden Katalysator vorgesehen wird, reagiert der Hauptanteil des Reduziermittels, das adsorbiert wird, mit Sauerstoff in der Luft. Daher wird nur das Reduziermittel, das nicht reagiert hat, für die Reinigen von NOx verwendet; daher wird nur ein kleiner Anteil des Reduziermittels benutzt.
Wenn der selektiv reduzierende Katalysator andererseits stromaufwärts des Dreiwege-Katalysators vorgesehen wird, so wird die Funktion des Reinigens von NOx durch den selektiv reduzierenden Katalysator in der mageren Betriebsart beibehalten. Unmittelbar nach dem Anlassen der Brennkraftmaschine (fette Betriebsart) wird jedoch ein verlängerter Zeitraum benötigt, bis der Dreiwege-Katalysator an der stromabwärtigen Seite die Aktivierungstemperatur erreicht. Daher arbeitet der Dreiwege-Katalysator nicht ausreichend, und wird es schwierig, das Ausmaß der Emissionen von HC und CO zu verringern.
Um die gesetzlichen Anforderungen an Abgase zu erfüllen, die in den vergangenen Jahren immer strenger geworden sind, muss darüber hinaus die Aktivierung des Dreiwege-Katalysators sofort nach dem Anlassen beschleunigt werden, und daher muss der Dreiwege-Katalysator unmittelbar unter der Brennkraftmaschine angeordnet werden.
Aus diesem Grund wird der selektiv reduzierende Katalysator notwendigerweise stromabwärts des Dreiwege-Katalysators vorgesehen, und kann es geschehen, dass die Reduziermittel (HC, CO) für NOx, die für den selektiv reduzierenden Katalysator erforderlich sind, unter Bedingungen mit magerem Betrieb nicht in ausreichendem Maße zugeführt werden.
Bei dem herkömmlichen, voranstehend geschilderten Gerät zum Reinigen des Abgases einer Brennkraftmaschine ist daher die Verwendung nur des Dreiwege-Katalysators allein nicht dazu ausreichend, NOx in ausreichendem Ausmaß im Zustand mit Magerbetrieb zu reinigen. Wenn der NOx-Occlusionskatalysator zusätzlich eingesetzt wird, muss der Zustand mit fettem Betrieb wiederholt vorgesehen werden, um NOx zu reduzieren, das absorbiert wird, wodurch der Kraftstoffverbrauch ansteigt.
Wenn andererseits der selektiv reduzierende Katalysator stromabwärts des Dreiwege-Katalysators vorgesehen wird, so wird es erforderlich, ein Gerät zum Zuführen eines Reduziermittels vorzusehen, da der selektiv reduzierende Katalysator einen schlechten Reinigungswirkungsgrad aufweist, was ebenfalls den Kraftstoffverbrauch erhöht.
Wenn der selektiv reduzierende Katalysator stromaufwärts des Dreiwege-Katalysators vorgesehen wird, ist ein verlängerter Zeitraum erforderlich, bis der Dreiwege-Katalysator die Aktivierungstemperatur erreicht. Beim Anlassen kann daher der Dreiwege-Katalysator keine Reinigungswirkung entfalten.
Die vorliegende Erfindung wurde zur Lösung der voranstehend 4 geschilderten Probleme entwickelt, und ihr Ziel besteht in der Bereitstellung eines Geräts zum Reinigen des Abgases einer Brennkraftmaschine, welches einen verbesserten Reinigungswirkungsgrad selbst im Zustand mit magerem Betrieb aufweist, ohne den Kraftstoffverbrauch zu erhöhen, infolge der Verwendung eines elektro-chemischen, Katalysators stromabwärts des Dreiwege-Katalysators.
Ein Gerät zum Reinigen des Abgases einer Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung weist einen elektrochemischen Katalysator auf, der im Auspuffsystem der Brennkraftmaschine vorgesehen ist, wobei der elektrochemische Katalysator eine Elektronen leitende Substanz und eine Ionen leitende Substanz aufweist, wobei die Oxidationsreaktion und die Reduktionsreaktion durch das Leiten von Ionen und Elektronen gefördert werden, um so elektrochemisch das Abgas in dem Auspuffsystem zu reinigen.
Bei dem Gerät zum Reinigen des Abgases einer Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung enthält der elektrochemische Katalysator zumindest entweder ein NOx- Occlusionsteil oder ein HC-Adsorptionsteil.
Bei dem Gerät zum Reinigen des Abgases einer Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung ist weiterhin ein Reduziermittelzufuhrgerät in dem Auspuffsystem der Brennkraftmaschine vorgesehen, unmittelbar stromaufwärts des elektrochemischen Katalysators, um ein Reduziermittel für NOx in das Auspuffsystem einzubringen.
Bei dem Gerät zum Reinigen des Abgases einer Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung führt das Reduziermittelzufuhrgerät ein zerstäubtes Gas aus Kraftstoff von dem Kraftstofftank als das Reduziermittel für NOx zu.
Bei dem Gerät zum Reinigen des Abgases einer Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung weist das Reduziermittelzufuhrgerät auf:
einen Behälter (Kanister) zum Adsorbieren des zerstäubten Kraftstoffgases; und
ein Reduziermittelzufuhrsteuerventil zum Zuführen des zerstäubten Kraftstoffgases, das durch den Behälter adsorbiert wird, zum Auspuffsystem der Brennkraftmaschine als das Reduziermittel für NOx; wobei
die Zeit der Öffnung des Reduziermittelzufuhrsteuerventils in Abhängigkeit von der Menge des Reduziermittels für NOx gesteuert wird, die von dem elektrochemischen Katalysator benötigt wird.
Bei dem Gerät zum Reinigen des Abgases einer Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung führt das Reduziermittelzufuhrgerät den Kraftstoff in dem Kraftstofftank als das Reduziermittel für NOx zu.
Bei dem Gerät zum Reinigen des Abgases einer Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung weist das Reduziermittelzufuhrgerät auf:
eine Kraftstoffpumpe zum Zuführen des Kraftstoffs in dem Kraftstofftank, während dessen Druck eingestellt wird, so dass er einen vorbestimmten Wert annimmt; und
einen Reduziermittelzufuhrinjektor zum Zuführen des Kraftstoffs von der Kraftstoffpumpe als das Reduziermittel für NOx in das Auspuffsystem der Brennkraftmaschine; wobei
die Zeit des Antriebs des Reduziermittelzufuhrinjektors in Abhängigkeit von der Menge an Reduziermittel für NOx gesteuert wird, die von dem elektrochemischen Katalysator benötigt wird.
Bei dem Gerät zum Reinigen des Abgases einer Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung führt das Reduziermittelzufuhrgerät den Kraftstoff zu, nachdem er als das Reduziermittel für NOx reformiert würde.
Bei dem Gerät zum Reinigen des Abgases einer Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung weist das Reduziermittelzufuhrgerät auf:
eine Kraftstoffpumpe zum Zuführen des Kraftstoffs in dem Kraftstofftank, während dessen Druck so eingestellt wird, dass er einen vorbestimmten Wert annimmt;
ein Kraftstoffreformiergerät zum Reformieren des von der Kraftstoffpumpe zugeführten Kraftstoffes in H2; und
ein Zufuhrmengensteuergerät zum Zuführen von H2 als das Reduziermittel für NOx in das Auspuffsystem der Brennkraftmaschine; wobei
die Zufuhrmenge des Reduziermittels für NOx durch das Zufuhrmengensteuergerät in Abhängigkeit von der Menge des Reduziermittels für NOx gesteuert wird, die von dem elektrochemischen Katalysator benötigt wird.
Weiterhin weist ein Gerät zum Reinigen des Abgases einer Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung auf:
eine Abgasmengenschätzvorrichtung zum Schätzen der Menge an Abgas, welches NOx, HC und CO enthält, und in das Auspuffsystem der Brennkraftmaschine ausgestoßen wird;
eine Beurteilungsvorrichtung für den Zustand des elektrochemischen Katalysators zum Beurteilen des aktiven Zustands des elektrochemischen Katalysators auf der Grundlage der Temperaturdaten des elektrochemischen Katalysators; und
eine Reduziermittelzufuhr-Beurteilungsvorrichtung zum Schätzen des Reaktionszustands des elektrochemischen Katalysators mit dem NOx in Abhängigkeit von dem aktiven Zustand des elektrochemischen Katalysators, dessen Reaktionsrate und der Speicherung des Abgases durch den elektrochemischen Katalysator, und zur Beurteilung, ob das Reduziermittel für NOx zugeführt werden muss, auf der Grundlage der Werte, die von der Abgasmengenschätzvorrichtung geschätzt werden;
wobei dann, wenn beurteilt wird, dass das Reduziermittel für NOx zugeführt werden muss, die Reduziermittelzufuhr- Beurteilungsvorrichtung das Reduziermittelzufuhrgerät betreibt.
Bei dem Gerät zum Reinigen des Abgases einer Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Sensorvorrichtung bereitgestellt, um zumindest einen Betriebszustand der Brennkraftmaschine festzustellen, unter den Betriebszuständen der Drehzahl der Brennkraftmaschine, deren Belastungsbedingungen und deren Kühlwassertemperatur, wobei die Abgasmengen-Schätzvorrichtung die Menge an Abgas in Abhängigkeit von dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine schätzt.
Bei dem Gerät zum Reinigen des Abgases einer Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung werden ein erster und ein zweiter Dreiwege-Katalysator in dem Auspuffsystem der Brennkraftmaschine vorgesehen, wobei der erste Dreiwege-Katalysator stromaufwärts des elektrochemischen Katalysators angeordnet ist, und der zweite Dreiwege-Katalysator stromabwärts des elektrochemischen Katalysators.
Bei dem Gerät zum Reinigen des Abgases einer Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Brennkraftmaschine bei ihrem Betrieb mit magerer Betriebsart gesteuert oder geregelt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen sich weitere Vorteile und Merkmale ergeben. Es zeigt:
Fig. 1 als Blockschaltbild den Aufbau einer Ausführungsform 1 gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ein Zeitablaufdiagramm zur Erläuterung einer Änderung des Luft-Kraftstoffverhältnisses und einer Änderung der Menge der Abgaskomponenten unmittelbar nach dem Anlassen der Brennkraftmaschine;
Fig. 3 ein Flussdiagramm zur Erläuterung des Betriebsablaufs bei der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Reduziermittelzufuhrgeräts gemäß einer Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 eine schematische Darstellung des Aufbaus des Reduziermittelzufuhrgeräts gemäß einer Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 6 eine schematische Darstellung des Aufbaus des Reduziermittelzufuhrgeräts gemäß einer Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung.
Ausführungsform 1
Unter Bezugsnahme auf die Zeichnungen wird nachstehend eine Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung im einzelnen beschrieben. Fig. 1 zeigt als Blockschaltbild den Aufbau der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung. In Fig. 1 ist eine Brennkraftmaschine 1 oder Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung mit einem Ansaugrohr 2 zum Ansaugen der Luft und einem Auspuffrohr 3 zum Ausstoßen des Abgases nach der Verbrennung versehen.
Obwohl nicht dargestellt, ist das Ansaugrohr 2 mit einer Drosselklappe zur Einstellung der Ansaugluftmenge Qa und mit Injektoren zum Einspritzen des Kraftstoffs versehen. Die Brennkraftmaschine 1 weist Brennkammern auf, in welchen die Mischung verdichtet wird, Zündkerzen zum Zünden der Mischung in den Brennkammern, und eine Kurbelwelle zur Übertragung der erzeugten Leistung an die Antriebsräder eines Fahrzeugs.
Verschiedene Sensorvorrichtungen (Kurbelwinkelsensor, Drehsensor, Luftflusssensor, Zylinderinnendrucksensor, Kühlwassertemperatursensor, Luft-Kraftstoffverhältnissensor, Katalysatortemperatursensor und ähnliche Sensoren) sind um die Brennkraftmaschine 1, den Dreiwege-Katalysator 4 und den elektrochemischen Katalysator 5 herum vorgesehen, um die Daten in bezug auf den Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1 zu sammeln. Die Sensordaten werden einer elektronischen Steuereinheit (ECU) zugeführt, die nicht dargestellt ist.
Unmittelbar unter dem Auspuffrohr 3 ist der Dreiwege- Katalysator 4 zum Reinigen des Abgases G vorgesehen, insbesondere zum Zeitpunkt des Anlassens. Stromabwärts des Dreiwege-Katalysators 4 ist der elektrochemische Katalysator 5 vorgesehen, um NOx zu reinigen, das in dem Abgas G enthalten ist.
Der elektrochemische Katalysator 5 enthält zumindest entweder ein Occlusionsteil für NOx oder ein Adsorptionsteil für HC, sowie eine Elektronen leitende Substanz und eine Ionen leitende Substanz, fördert die Oxidationsreaktion und die Reduktionsreaktion infolge der Leitung von Ionen und Elektronen, und reinigt elektrochemisch das Abgas in dem Auspuffsystem.
Stromabwärts des elektrochemischen Katalysators 5 ist ein weiterer Dreiwege-Katalysator 6 vorgesehen, um in großen Mengen die drei Bestandteile, nämlich NOx, HC und CO in dem Abgas G in dem Betriebszustand mit einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnis zu reinigen (stöchiometrische Betriebsart).
Ein Reduziermittelzufuhrgerät 7 ist zwischen dem Dreiwege- Katalysator 4 und dem elektrochemischen Katalysator 5 unmittelbar stromaufwärts des elektrochemischen Katalysators 5 angeordnet. In Reaktion auf einen Steuerbefehl von der Reduziermittelzufuhr-Beurteilungsvorrichtung 10 (die nachstehend genauer erläutert wird), führt das Reduziermittelzufuhrgerät 7 das Reduziermittel, das zum Reinigen von NOx erforderlich ist, von stromaufwärts des elektrochemischen Katalysators 5 aus zu.
Die Abgasmengen-Schätzvorrichtung 8 schätzt oder bestimmt die Mengen der Bestandteile (NOx-Emissionsmenge GNOx, HC- Emissionsmenge GHC, CO-Emissionsmenge GCO) in den Abgasen G (NOx, HC, CO), die in das Auspuffrohr 3 ausgestoßen werden, abhängig von den Betriebszuständen der Brennkraftmaschine 1.
Die Daten in bezug auf Betriebsbedingungen, welche die Abgasmengen-Schätzvorrichtung 8 zur Schätzung oder Bestimmung der Mengen der Abgase verwendet, umfassen zumindest die Daten eines Sensors, beispielsweise die Brennkraftmaschinendrehzahl Ne, den Zylinderinnendruck Pe, der den Belastungszustand repräsentiert, die Ansaugluftmenge Qa, und die Kühlwassertemperatur Tw.
Die Beurteilungsvorrichtung 9 für den Zustand des elektrochemischen Katalysators beurteilt den aktiven Zustand H des elektrochemischen Katalysators auf der Grundlage der Temperaturdaten (Katalysatortemperatur Tcat und Aktivierungstemperatur Trect) des elektrochemischen Katalysators 5.
Die Reduziermittelzufuhr-Beurteilungsvorrichtung 10 schätzt oder bestimmt den Reaktionszustand des elektrochemischen Katalysators 5 in bezug auf NOx auf der Grundlage des aktiven Zustands H, der Reaktionsrate und des Abgasspeicherzustands des elektrochemischen Katalysators 5, und beurteilt, ob die Zufuhr des Reduziermittels HC für NOx erforderlich ist, auf der Grundlage der Werte GNOx, GHC und GCO, die von der Abgasmengen-Schätzvorrichtung 8 geschätzt oder bestimmt, wurden.
Auf der Grundlage des aktiven Zustands H des elektrochemischen Katalysators 5 schätzt oder bestimmt hierbei die Reduziermittelzufuhr-Beurteilungsvorrichtung 10 den Speicherzustand in bezug auf NOx und HC des elektrochemischen Katalysators 5 sowie die NOx- Reinigungsreaktionsrate (Reaktionszustand) des elektrochemischen Katalysators 5 aus der Occlusions- und Adsorptionsleistung (maximale adsorbierte Menge SNOx an NOx, und maximal adsorbierte Menge SHC an HC) des elektrochemischen Katalysators 5.
Auf der Grundlage des aktiven Zustands H es elektrochemischen Katalysators 5 und der bestimmten bzw. geschätzten Werte (NOx-Emissionsmenge GNOx, HC-Emissionsmenge GHC und CO- Emissionsmenge GCO) für die Abgasmengen beurteilt darüber hinaus die Reduziermittelzufuhr-Beurteilungsvorrichtung 10, ob es erforderlich ist, das Reduziermittel HC zum Reinigen von NOx zuzuführen.
Falls festgestellt wird, dass das Reduziermittel für NOx zugeführt werden muss, berechnet die Reduziermittelzufuhr- Beurteilungsvorrichtung 10 die erforderliche Reduziermittelzufuhrmenge, und betreibt das Reduziermittelzufuhrgerät 7 in Abhängigkeit von der erforderlichen Zufuhrmenge.
Die Abgasmengen-Schätzvorrichtung 8, die Beurteilungsvorrichtung 9 für den Zustand des elektrochemischen Katalysators, und die Reduziermittelzufuhr- Beurteilungsvorrichtung 10 werden durch ECUs gebildet, welche Mikrocomputer sind, wie die Brennkraftmaschinen- Steuervorrichtung.
Konkret wird nachstehend das Prinzip der Oxidations/Reduktionsreaktion auf der Grundlage der Wanderung von Ionen in dem elektrochemischen Katalysator 5 durch einen Feststoffelektrolyten und der Wanderung von Elektronen durch die Elektronen leitende Substanz beschrieben.
Bei dem elektrochemischen Katalysator 5 ist die Oberfläche eines Edelmetalls, welches selektiv NOx absorbiert, mit der Oberfläche eines Edelmetalls verbunden, welches selektiv die Reduziermittel (HC, CO) für NOx adsorbiert, über den Feststoffelektrolyten und die Elektronen leitende Substanz.
Ionen und Elektronen werden über diese Edelmetalle geleitet, um die Oxidations/Reduktionsreaktion zu fördern.
Zum Triggern der elektrochemischen Reaktion müssen NOx und das Reduzieremittel HC für NOx selektiv durch die Oberflächen getrennter Edelmetalle absorbiert (occludiert) und adsorbiert werden. Hierzu ist es erforderlich, sowohl das NOx- Occlusionsteil als auch das HC-Adsorptionsteil zur Verfügung zu stellen.
Nunmehr werden nachstehend die Eigenschäften des elektrochemischen Katalysators 5 beschrieben, wobei Unterschiede gegenüber dem voranstehend geschilderten NOx- Occlusionskatalysator und dem selektiv NOx reduzierenden Katalysator in bezug auf Steuerung und Leistung verdeutlicht werden.
Wird der elektrochemische Katalysator mit dem NOx- Occlusionskatalysator verglichen, so weist der elektrochemische Katalysator 5 eine NOx-Reinigungsleistung auf, die höher ist als jene des NOx-Occlusionskatalysators, und zwar in einer sauerstoffreichen Atmosphäre (magere Betriebsart).
Anders als der NOx-Occlusionskatalysator muss daher der elektrochemische Katalysator 5 nicht das NOx in einem Zustand mit magerem Luft-Kraftstoffverhältnis absorbieren (occludieren), und muss nicht das NOx im fetten Zustand frei geben, um das NOx durch zu reinigen. Daher muss das Luft- Kraftstoffverhältnis nicht stark zur fetten Seite verschoben werden.
Anders als beim Reinigen von NOx mit dem NOx- Occlusionskatalysator ist es daher bei dem elektrochemischen Katalysator 5 nicht erforderlich, das Luft- Kraftstoffverhältnis häufig auf die fette Seite zu verschieben, und kann daher eine Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs unterdrückt werden.
Vergleicht man den elektrochemischen Katalysator 5 mit dem selektiv reduzierenden Katalysator, so weist der elektrochemische Katalysator 5 einen Reinigungswirkungsgrad auf, der höher ist als jener des selektiv reduzierenden Katalysators, und ermöglicht es, zusätzlich eine Reduziermittel-Adsorptionsfunktion zur Verfügung zu stellen. Daher muss das Reduziermittel nur in geringer Menge in einer mageren Atmosphäre zugeführt werden, und wird der Kraftstoffverbrauch nicht erhöht.
Im Falle des elektrochemischen Katalysators 5 kann das Reduziermittel für NOx durch die Leitung von Elektronen und Ionen selbst auf jenen Katalysatoroberflächen zugeführt werden, die nicht dieselben sind. Daher kann NOx in ausreichendem Ausmaß selbst durch ein reduzierendes Gas reduziert werden, das eine Konzentration aufweist, die niedriger ist als jene, die bei dem selektiv reduzierenden Katalysator benötigt wird.
Daher arbeitet der elektrochemische Katalysator 5 selbst dann ausreichend, wenn er stromabwärts des Dreiwege-Katalysators angeordnet ist, und ist ein Reduziermittelzufuhrgerät 7 mit einfacher Konstruktion ausreichend.
Nunmehr wird der konkrete Betriebsablauf bei der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung gemäß Fig. 1 beschrieben, in bezug auf die Verarbeitung zum Reinigen von NOx, dessen Menge in Abhängigkeit vom Betriebszustand unmittelbar nach dem Anlassen der Brennkraftmaschine 1 variiert, unter Bezugsnahme auf Fig. 2.
Fig. 2 ist ein Zeitablaufdiagramm, das die Änderung des Luft- Kraftstoffverhältnisses und die Änderung der Emissionsmenge von Abgasbestandteilen unmittelbar nach dem Anlassen der Brennkraftmaschine 1 erläutert.
In Fig. 2 ist auf der Ordinate die Änderung der Konzentrationen CNOx und CHC (CCO) der Bestandteile des Abgases (NOx, HC, CO) in Abhängigkeit von der Zeit aufgetragen, sowie die Änderung des Luft- Kraftstoffverhältnisses A/F der Brennkraftmaschine 1 (Gewichtsverhältnis der Ansaugluftmenge Qa und der Kraftstoffmenge, die der Brennkraftmaschine 1 zugeführt wird) in Abhängigkeit von der Zeit.
Die NOx-Emissionskonzentration CNOx nimmt zu, wenn die Brennkraftmaschine 1 warm wird (da die Verbrennungstemperatur ansteigt), wogegen die HC-Emissionskonzentration CHC und die CO-Emissionskonzentration CCO annähernd dasselbe Verhalten zeigen, also sofort nach dem Anlassen stark ansteigen, und dann abnehmen.
In dem Anlassbereich (Betriebszustand unmittelbar nach dem Anlassen) in Fig. 2 wird der Betrieb in einer Betriebsart mit fettem Luft-Kraftstoffverhältnis durchgeführt, damit das Fahrverhalten nicht beeinträchtigt wird, und eine stabile Verbrennung erzielt wird, und die Anlassleistung der Brennkraftmaschine 1 aufrecht erhalten bleibt.
Im Anlassbereich sind daher die HC- und CO- Emissionskonzentrationen CHC bzw. CCO im Abgas hoch, und ist die NOx-Emissionskonzentration CNOx niedrig.
Bei einem Temperaturzustand in dem Anlassbereich, bei welchem die Temperatur des elektrochemischen Katalysators 5 noch nicht auf die Aktivierungstemperatur Trect angestiegen ist, bei welcher die NOx-Reinigungsreaktion auftritt, adsorbiert das HC-Adsorptionsteil, das dem elektrochemischen Katalysator 5 hinzugefügt wurde, nur HC, und findet keine elektrochemische Reaktion zum Reinigen von NOx statt.
Allerdings ist im Anlassbereich, wie aus Fig. 2 deutlich wird, die Menge an NOx-Emission sehr gering, und tritt daher kein besonderes Problem auf.
Wenn dann die Brennkraftmaschine 1 warm wird und das Luft- Kraftstoffverhältnis mager wird, bis zu einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnis (stöchiometrische Betriebsart), gelangt der elektrochemische Katalysator 5 in den aktiven Bereich und wird aktiv.
In dem aktiven Bereich, in welchem die Brennkraftmaschine 1 warm geworden ist, wird die NOx-Emissionskonzentration CNOx hoch, wird das HC, das in dem Anlassbereich gespeichert wurde, als Reduziermittel verwendet, und wird die Reaktion zum Reinigen von NOx durch Reduktion durchgeführt.
Wenn der Betriebszustand in dem aktiven Bereich weiter andauert, wird das gespeicherte Reduziermittel HC vollständig für die Reaktion zum Reinigen des NOx verbraucht, und reichen die Emissionsmengen GHC und GCO für HC bzw. CO, die von der Brennkraftmaschine 1 abgegeben werden, nicht zum Reinigen des NOx aus. Daher wird das Reduziermittelzufuhrgerät 7 in Betrieb gesetzt, um zusätzlich Reduziermittel für NOx, beispielsweise HC, dem elektrochemischen Katalysator 5 zuzuführen.
Wenn die Brennkraftmaschine, nachdem sie warm geworden ist, in einen mageren Betriebsbereich nach Ablauf einer Zeit t gelangt, wird das NOx, das von der Brennkraftmaschine 1 abgegeben wird, durch das NOx-Occlusionsteil, das dem elektrochemischen Katalysator 5 hinzugefügt wurde, absorbiert (occludiert), und wird elektrochemisch reduziert und gereinigt, mit den Reduziermitteln (HC, CO) für NOx, die in dem Abgas enthalten sind.
Auf dieselbe Art und Weise wie im Falle des aktiven Bereichs wird darüber hinaus dann, wenn die Emissionsmengen GHC und GCO des Reduziermittels (HC, CO) für NOx, die von der Brennkraftmaschine 1 abgegeben werden, nicht dazu ausreichen, das NOx selbst in dem mageren Betriebsbereich zu reinigen, das Reduziermittelzufuhrgerät 7 so betrieben, dass es zusätzlich das Reduziermittel für NOx, etwa HC, dem elektrochemischen Katalysator 5 zuführt.
Es werden insbesondere die folgenden Vorteile erzielt, wenn das Auspuffrohr 3 der Brennkraftmaschine 1 mit den Dreiwege- Katalysatoren 4, 6 sowie dem elektrochemischen Katalysator 5 exklusiv zum Reinigen von NOx versehen wird, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist.
Der elektrochemische Katalysator 5 reduziert das NOx auf Grundlage eines elektrochemischen Reinigungsmechanismus, und kann das NOx im mageren Betriebszustand reinigen (reduzieren), wobei HC und CO wirksam als Reduziermittel für NOx verwendet werden. Daher muss die Mager/Fett- Steueroperation nicht wiederholt ausgeführt werden, anders als in einem Fall, wenn der NOx-Occlusignskatalysator verwendet wird, und wird der Kraftstoffverbrauch nicht erhöht.
Wenn der elektrochemische Katalysator 5 verwendet wird, ist darüber hinaus das Reduziermittelzufuhrgerät 7 erforderlich, ebenso wie bei Verwendung des selektiv reduzierenden Katalysators. Infolge eines hohen Reinigungswirkungsgrades muss jedoch das Reduziermittel für NOx nur in kleinen Mengen zugeführt werden, ohne den Kraftstoffverbrauch zu erhöhen.
Nachstehend wird der Betriebsablauf beider Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung, die in Fig. 1 dargestellt ist, mit weiteren Einzelheiten unter Bezugnahme auf Fig. 3 geschildert.
Fig. 3 ist ein Flussdiagramm, welches die Steueroperationen des Reduziermittelzufuhrgerätes 7 für den Betrieb des elektrochemischen Katalysators 5 erläutert, und verdeutlicht eine Verarbeitungsprozedur, die von der Abgasmengenschätzvorrichtung 8, der Beurteilungsvorrichtung 9 für den Zustand des elektrochemischen Katalysators, und der Reduziermittelzufuhr-Beurteilungsvorrichtung 10 durchgeführt wird.
Hierbei wird, damit die Beschreibung nicht unnötig kompliziert wird, anhand von Fig. 3 ein Fall erläutert, in welchem nur die Leistung des HC-Adsorptionsteils zum Adsorbieren des Reduziermittels HC (unverbrannter Kraftstoff) für NOx berücksichtigt wird, unter den Abgasabsorptionsteilen, die dem elektrochemischen Katalysator 5 hinzugefügt wurden.
In Fig. 3 empfängt zuerst die Abgasmengen-Schätzvorrichtung 8 in der ECU eine Brennkraftmaschinendrehzahl Ne, einen mittleren effektiven Zylinderinnendruck Pe, eine Kühlwassertemperatur Tw, und eine Ansaugluftmenge Qa, als Betriebszustände der Brennkraftmaschine 1 (Schritt 101).
Die Abgasmengen-Schätzvorrichtung 8 holt sich dann und bearbeitet die NOx-Emissionskonzentration CNOx, die HC- Emissionskonzentration CHC, und die CO-Emissionskonzentration CCO, aus den Eingangsdaten, welche die Betriebsbedingungen repräsentieren, beispielsweise mittels Rückgriff auf ein Abgaskonzentrations-Kennfeld (Schritt 102).
Auf der Grundlage der Ansaugluftmenge Qa werden darüber hinaus die Emissionskonzentrationen in Emissionsgasflussraten (Massen) umgewandelt, um die NOx-Emissionsmenge GNOx, die HC- Emissionsmenge GHC, und die CO-Emissionsmenge GCO abzuschätzen oder zu bestimmen (Schritt 103).
Die Beurteilungsvorrichtung für den Zustand des elektrochemischen Katalysators 9 und die Reduziermittelzufuhr-Beurteilungsvorrichtung 10 in der ECU empfangen die Daten, welche die Reinigungsleistung des elektrochemischen Katalysators 5 repräsentieren, um den aktiven Zustand H des elektrochemischen Katalysators 5 zu beurteilen, und den Reaktionszustand bezüglich der Reinigung abzuschätzen (Schritt 104).
Die Beurteilungsvorrichtung 9 für den Zustand des elektrochemischen Katalysators empfängt hierbei die Temperaturdaten (Katalysatortemperatur Tcat, Aktivierungstemperatur Trect) des elektrochemischen Katalysators 5.
Die Reduziermittelzufuhr-Beurteilungsvorrichtung 10 empfängt die Abgasfreigabetemperaturen (NOx-Freigabetemperatur TNOx des NOx-Occlusionsteils, HC-Freigabetemperatur THCS des SHC- Adsorptionsteils) und die maximalen Adsorptionsmengen (maximale NOx-Occlusionsmenge SNOx des NOx-Occlusionsteils, maximale HC-Adsorptionsmenge SHC des HC-Adsorptionsteils) der Abgasabsorptionsteile in dem elektrochemischen Katalysator 5, und empfängt darüber hinaus einen Umwandlungskoeffizienten Crect, einen Reaktionsratenkoeffizienten f (Tcat), und eine Freigaberate Gev.
Dann vergleicht die Beurteilungsvorrichtung 9 für den Zustand des elektrochemischen Katalysators die Katalysatortemperatur Tcat mit der Aktivierungstemperatur Trect, und beurteilt, ob die Katalysatortemperatur Tcat die Aktivierungstemperatur Trect erreicht hat (also ob der elektrochemische Katalysator 5 aktiv ist) (Schritt 105).
Wenn im Schritt 105 festgestellt wird, dass gilt Tcat < Trect (als NEIN) im Schritt 105, so wurde der elektrochemische Katalysator 5 noch nicht aktiviert, und daher setzt die Beurteilungsvorrichtung 9 für den Zustand des elektrochemischen Katalysators den Signalpegel des aktiven Zustands H auf den Pegel "L". Wird festgestellt, dass gilt Tcat ≧ Trect (als JA), so wurde der elektrochemische Katalysator 5 aktiviert, und wird der Signalpegel des aktiven Zustands H auf den Pegel "H" gesetzt.
Ist das Ergebnis der Abfrage im Schritt 150 NEIN (der aktive Zustand H, der von der Beurteilungsvorrichtung 9 für den Zustand des elektrochemischen Katalysators ausgegeben wird, liegt auf dem Pegel L), dann vergleicht die Reduziermittelzufuhr-Beurteilungsvorrichtung 10 die Katalysatortemperatur Tcat mit der Freigabetemperatur THCS (< Trect) des HC-Adsorptionsteils, und stellt fest, ob die Katalysatortemperatur Tcat höher ist als die Freigabetemperatur THCS (Schritt 106).
Wenn im Schritt 106 festgestellt wird, dass gilt Tcat < THCS (also JA), so befindet sich das HC-Adsorptionsteil in dem elektrochemischen Katalysator 5 in einem Zustand, in welchem es HC abgibt. Daher führt die Reduziermittelzufuhr- Beurteilungsvorrichtung 10 die Verarbeitung des Freigabeoperationsschritts 117 (der nachstehend genauer erläutert wird) durch, um die Verarbeitungsroutine von Fig. 3 zu verlassen.
Falls im Schritt 106 festgestellt wird, dass gilt Tcat ≦ THCS (also NEIN), so befindet sich das HC-Adsorptionsteil in einem Zustand, in welchem es HC adsorbiert. Daher addiert die Reduziermittelzufuhr-Beurteilungsvorrichtung 10 die HC- Emissionsmenge GHC, welche dieses Mal geschätzt wurde, zur HC-Menge GSGC, die bis zum vorigen Mal adsorbiert wurde, und aktualisiert den sich aus der Addition ergebenden Wert als die HC-Adsorptionsmenge GSHC, die zu diesem Zeitpunkt geschätzt wird (Schritt 107).
Dann stellt die Reduziermittelzufuhr-Beurteilungsvorrichtung 10 fest, ob die HC-Adsorptionsmenge GSHC, die im Schritt 107 aktualisiert wurde, eine maximale HC-Adsorptionsmenge SHC überschritten hat (Schritt 108). Falls festgestellt wird, dass gilt GSHC ≦ SHC (also NEIN), verlässt das Programm die Verarbeitungsroutine von Fig. 3.
Wenn im Schritt 108 festgestellt wird, dass gilt GSHC < SHC (also JA), so begrenzt die Reduziermittelzufuhr- Beurteilungsvorrichtung 10 die HC-Adsorptionsmenge GSHC auf die maximale HC-Adsorptionsmenge (Schritt 109), um die Verarbeitungsroutine von Fig. 3 zu verlassen.
Ist das Ergebnis der Abfrage im Schritt 105 JA (der aktive Zustand H befindet sich auf dem Pegel H), so bedeutet dies andererseits, das der elektrochemische Katalysator 5 aktiviert wurde, und dann berechnet die Reduziermittelzufuhr- Beurteilungsvorrichtung 10 die Menge R an Reduziermittel, die zum Reduzieren des NOx in dem elektrochemischen Katalysator 5 benötigt wird, in Abhängigkeit von der NOx-Emissionsmenge GNOx in dem Abgas, und zwar auf Grundlage folgender Formel (2) (Schritt 11)
R = GNOx.Crect.f(Tcat) (1)
wobei Crect ein Umwandlungskoeffizient ist, der dazu dient, die Menge an Reduziermittel festzustellen, die zum Reinigen von NOx erforderlich ist, und f (Tcat) ein Reaktionsratenkoeffizient ist, der als Funktion der Katalysatortemperatur Tcat ausgedrückt wird.
Bei dem elektrochemischen Katalysator 5 findet die Reduktions/Reinigungsreaktion nicht nur auf derselben Katalysatoroberfläche statt, sondern auch zwischen den voneinander entfernten Katalysatoroberflächen, und daher wird der Umwandlungskoeffizient Crect kleiner als bei dem üblichen Oberflächenreaktionskatalysator. Die erforderliche Menge R an Reduziermittel, die aus der Formel (1) ermittelt wird, kann daher verringert werden, so dass sie kleiner wird als dann, wenn ein üblicher Katalysator verwendet wird.
Als nächstes beurteilt die Reduziermittelzufuhr- Beurteilungsvorrichtung 10, ob die erforderliche Menge R an Reduziermittel größer als die HC-Emissionsmenge GHC und die CO-Emissionsmenge GCO in dem Abgas ist (ob eine zu geringe Menge an Abgas vorhanden ist) (Schritt 112).
Wenn im Schritt 112 festgestellt wird, dass gilt R ≦ GHC + GCO (also NEIN), kann die Reinigung mittels Reduktion allein mit der Abgasmenge erzielt werden. Daher führt die Reduziermittelzufuhr-Beurteilungsvorrichtung 10 die Verarbeitung des Freigabeoperationsschritts 117 durch (die nachstehend noch genauer erläutert wird), um die Verarbeitungsroutine von Fig. 3 zu verlassen.
Wenn im Schritt 112 festgestellt wird, dass gilt R < GHC + GCO (also JA), so kann die Reinigung mittels Reduktion nicht nur mit der Abgasmenge erzielt werden. Daher beurteilt die Reduziermittelzufuhr-Beurteilungsvorrichtung 10, ob die HC- Adsorptionsmenge GSHC vorhanden ist (Schritt 113).
Wenn im Schritt 113 festgestellt wird, dass gilt GSHC = 0 (also NEIN), dann ist kein HC vorhanden, welches freigegeben werden könnte, und führt die Reduziermittelzufuhr- Beurteilungsvorrichtung 10 die Verarbeitung des Freigabeoperationsschritts 117 durch (der nachstehend genauer erläutert wird), um die Verarbeitungsroutine von Fig. 3 zu verlassen.
Wenn im Schritt 113 festgestellt wird, dass gilt GSHC < 0 (also JA), dann ist HC vorhanden, das freigegeben werden kann, und daher stellt die Reduziermittelzufuhr- Beurteilungsvorrichtung 10 fest, ob die erforderliche Menge R an Reduziermittel größer ist als die Menge an Reduziermittel für NOx, nachdem HC freigegeben wurde (ob immer noch zu wenig Reduziermittel vorhanden ist, obwohl es zur Freigabe von HC hinzugefügt wird) (Schritt 114).
Daher wird ein Wert, der dadurch erhalten wird, dass HC, das von der HC-Adsorptionsmenge GSHC freigegeben wird, zur Abgasmenge addiert wird, mit der erforderlichen Menge R an Reduziermittel verglichen, um festzustellen, ob die folgende Bedingung (2) erfüllt ist
R < GHC + GCO + Gev.Δt (2)
wobei Δt ein Betriebszeitraum ist, und Gev die Rate an HC ist, die von dem HC-Adsorptionsteil pro Zeiteinheit Δt freigegeben wird.
Wenn im Schritt 114 festgestellt wird, dass gilt: R ≦ GHC + GCO + Gev.Δt, (also NEIN), so ist die Reinigung mittels Reduktion nur mit der Abgasmenge und der freigegebenen Menge an HC möglich, und führt die Reduziermittelzufuhr- Beurteilungsvorrichtung 10 die Verarbeitung des Freigabeoperationsschritts 117 durch (der nachstehend genauer erläutert wird), um die Verarbeitungsroutine von Fig. 3 zu verlassen.
Wenn im Schritt 114 festgestellt wird, dass gilt: R < GHC + GCO + Gev.Δt (also JA), so ist die Reinigung mittels Reduktion immer noch nicht möglich, obwohl die Menge an freigegebenem HC der Abgasmenge hinzugefügt wurde. Daher ermittelt die Reduziermittelzufuhr-Beurteilungsvorrichtung 10 eine zusätzliche HC-Zufuhrmenge PHC, die das Reduziermittelzufuhrgerät 7 zuführen soll (Schritt 115), auf Grundlage der folgenden Formel (3) (Schritt 115)
PHC = R - (GHC + GCO + Gev. Δt) (3)
Dann betreibt die Reduziermittelzufuhr- Beurteilungsvorrichtung 10 das Reduziermittelzufuhrgerät 7 in Abhängigkeit von der zusätzlichen HC-Zufuhrmenge PHC, damit die zusätzliche HC-Zufuhrmenge PHC von stromaufwärts des elektrochemischen Katalysators 5 aus zugeführt wird, und so der Mangel an Reduziermittel kompensiert wird (Schritt 116).
Daher wird das NOx in dem Abgas von der Brennkraftmaschine 1 durch Reduktion gereinigt, weder zu stark noch zu schwach, unabhängig von der NOx-Emissionsmenge GNOx.
Schließlich wird die Menge an HC ( = Gev.Δt), die freigegeben und als Reduziermittel für NOx verbraucht wird, von der HC-Adsorptionsmenge GSHC in dem elektrochemischen Katalysator 5 subtrahiert, um die HC-Adsorptionsmenge GSHC zu aktualisieren (Schritt 117), und um die Routine von Fig. 3 zu verlassen.
Ausführungsform 2
Die voranstehend geschilderte Ausführungsform 1 befasste sich nicht speziell mit dem konkreten Aufbau des Reduziermittelzufuhrgerätes 7. Es ist jedoch ebenfalls möglich, zerstäubtes Gas aus Kraftstoff aus dem Kraftstofftank dem Auspuffsystem als Reduziermittel für NOx zuzuführen.
Fig. 4 zeigt schematisch den Aufbau des Umfangs des Reduziermittelzufuhrgerätes 7 gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung, wobei das zerstäubte Kraftstoffgas als Reduziermittel für NOx verwendet wird. Dieselben Abschnitte wie jene, die voranstehend bereits beschrieben wurden, werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, jedoch nicht erneut im einzelnen erläutert.
In Fig. 4 ist das Auspuffrohr 3 der Brennkraftmaschine 1 mit einer Reduziermittelzufuhröffnung 70 versehen, die sich unmittelbar stromaufwärts des elektrochemischen Katalysators 15 befindet.
Der Kraftstofftank 71 ist mit einem Behälter 72 versehen, der dazu dient, den Hauptbestandteil HC des Kraftstoffs (Benzin) zu adsorbieren.
Der Behälter 72 steht mit der Reduziermittelzufuhröffnung 70 über ein Reduziermittelzufuhrsteuerventil 73 in Verbindung, damit der zerstäubte Kraftstoff HC von dem Kraftstofftank 71 als das Reduziermittel für NOx in das Auspuffrohr 3 eingegeben wird, gesteuert durch das Reduziermittelzufuhrsteuerventil 73.
Die Zufuhrmenge des Reduziermittels HC für NOx wird dadurch eingestellt, dass die Zeit gesteuert wird, während derer das Reduziermittelzufuhrsteuerventil 73 geöffnet ist, abhängig von der zusätzlichen HC-Zufuhrmenge PHC (vergleiche den Schritt 115 in Fig. 3).
Ausführungsform 3
Bei der voranstehend geschilderten Ausführungsform 2 wurde das zerstäubte Gas HC des Kraftstoffs aus dem Kraftstofftank 71 als das Reduziermittel für NOx verwendet. Allerdings kann auch der Kraftstoff selbst in dem Kraftstofftank 71 als Reduziermittel für NOx verwendet werden.
Fig. 5 zeigt schematisch den Aufbau des Umfangs des Reduziermittelzufuhrgeräts 7 gemäß Ausführungsform 3 der Erfindung, bei welcher der Kraftstoff selbst als das Reduziermittel für NOx verwendet wird. Dieselben Abschnitte wie jene, die voranstehend beschrieben wurden, sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, werden jedoch nicht erneut im einzelnen beschrieben.
In Fig. 5 ist eine Kraftstoffpumpe 74 an einem oberen Teil des Kraftstofftanks 71 (oder darinnen) angebracht, um Kraftstoff zuzuführen, der so eingestellt ist, dass er einen vorbestimmten Druck aufweist.
Ein Reduziermittelzufuhrinjektor 75 steht in Verbindung mit der Kraftstoffpumpe 74, und ist so in dem Auspuffrohr 3 vorgesehen, dass er sich unmittelbar stromaufwärts des elektrochemischen Katalysators 5 befindet.
Der Reduziermittelzufuhrinjektor 75 führt als Reduziermittel für NOx den Kraftstoff HC zu, dessen Druck eingestellt ist, und zwar von stromaufwärts des elektrochemischen Katalysators 5 aus.
Wenn das Reduziermittelzufuhrgerät 7 sowie in Fig. 5 dargestellt ausgebildet ist, wird die Zufuhrmenge an Reduziermittel dadurch eingestellt, dass die Zeit gesteuert wird, in welcher der Reduziermittelzufuhrinjektor 75 in Betrieb ist, und zwar in Abhängigkeit von der zusätzlichen HC-Zufuhrmenge PHC (vgl. den Schritt 115 in Fig. 3).
Ausführungsform 4
Bei der voranstehend geschilderten Ausführungsform 3 wurde der Kraftstoff selbst im Kraftstofftank 71 als Reduziermittel für NOx verwendet. Allerdings ist es ebenfalls möglich, den Kraftstoff HC durch Reformieren (Reforming) in H2 umzuwandeln, und dieses als Reduziermittel für NOx zu verwenden.
Fig. 6 zeigt schematisch den Aufbau des Umfangs des Reduziermittelzufuhrgeräts 7 gemäß Ausführungsform 4 der Erfindung, die reformierten Kraftstoff äls Reduziermittel für NOx verwendet. Dieselben Abschnitte wie jene, die voranstehend beschrieben wurden, werden mit denselben Bezugszeichen oder dadurch bezeichnet, dass an die Bezugszeichen ein "A" angehängt wird, werden jedoch nicht erneut im einzelnen erläutert.
In Fig. 6 führt eine Kraftstoffpumpe 74A, die an einem oberen Teil des Kraftstofftanks 71 (oder darinnen) vorgesehen ist, den auf einen vorbestimmten Druck eingestellten Kraftstoff einem Kraftstoffreformiergerät 76 zu.
Das Kraftstoffreformiergerät 76 reformiert den zugeführten Kraftstoff HC in H2, und führt dieses als Reduziermittel für NOx der Reduziermittelzufuhröffnung 70 über das Zufuhrmengensteuergerät 77 zu.
Das Zufuhrmengensteuergerät 77 stellt die zugeführte Menge an Reduziermittel H2 für NOx nach dem Reformieren ein, in Abhängigkeit von der zusätzlichen HC-Zufuhrmenge (vgl. den Schritt 115 in Fig. 3).
Bei den voranstehend geschilderten Ausführungsformen 2 bis 4 kann die NOx-Emissionsmenge wirksam im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 mit magerer Betriebsweise verringert werden, wie bei der voranstehend geschilderten Fig. 1.

Claims (13)

1. Gerät zum Reinigen eines Abgases einer Brennkraftmaschine, wobei ein elektrochemischer Katalysator (5) vorgesehen ist, der im Auspuffsystem (3) der Brennkraftmaschine (1) angeordnet ist, und der elektrochemische Katalysator (5) eine Elektronen leitende Substanz und eine Ionen leitende Substanz aufweist, so dass durch die Leitung von Ionen und Elektronen eine Oxidationsreaktion und eine Reduktionsreaktion gefördert werden, um hierdurch elektrochemisch das Abgas (G) in dem Auspuffsystem zu reinigen.
2. Gerät zum Reinigen des Abgases einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrochemische Katalysator (5) zumindest entweder ein NOx-Occlusionsteil oder ein HC-Adsorptionsteil aufweist.
3. Gerät zum Reinigen des Abgases einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reduziermittelzufuhrgerät (7) in dem Auspuffsystem (3) der Brennkraftmaschine (1) unmittelbar stromaufwärts des elektrochemischen Katalysators (5) angebracht ist, um ein Reduziermittel für NOx dem Auspuffsystem (3) zuzuführen.
4. Gerät zum Reinigen eines Abgases einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduziermittelzufuhrgerät (7) zerstäubtes Kraftstoffgas von Kraftstoff aus dem Kraftstofftank (71) als Reduziermittel für NOx zuführt.
5. Gerät zum Reinigen des Abgases einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduziermittelzufuhrgerät (7) aufweist:
einen Behälter (72) zum Adsorbieren des zerstäubten Kraftstoffgases; und
ein Reduziermittelzufuhrsteuerventil (73) zum Zuführen des zerstäubten Kraftstoffgases, dass durch den Behälter adsorbiert wird, zu dem Auspuffsystem der Brennkraftmaschine als Reduziermittel für NOx;
wobei die Zeit der Öffnung des Reduziermittelzufuhrsteuerventils (73) in Abhängigkeit von der Menge an Reduziermittel für NOx gesteuert wird, welche der elektrochemische Katalysator (5) benötigt.
6. Gerät zum Reinigen des Abgases einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduziermittelzufuhrgerät (7) den Kraftstoff in dem Kraftstofftank (71) als Reduziermittel für NOx zuführt.
7. Gummi zum Reinigen des Abgases einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduziermittelzufuhrgerät (7) aufweist:
eine Kraftstoffpumpe (74) zum Zuführen des Kraftstoffs in dem Kraftstofftank (71), wobei der Druck des Kraftstoffs so eingestellt wird, dass er einen vorbestimmten Wert annimmt; und
eine Reduziermittelzufuhrinjektor (75) zum Zuführen des Kraftstoffs von der Kraftstoffpumpe (74) als Reduziermittel für NOx in das Auspuffsystem (3) der Brennkraftmaschine (1);
wobei die Zeit des Betriebs des Reduziermittelzufuhrinjektors in Abhängigkeit von der menge an Reduziermittel für NOx gesteuert wird, welche von dem elektrochemischen Katalysator (5) benötigt wird.
8. Gerät zum Reinigen des Abgases einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduziermittelzufuhrgerät (7) den Kraftstoff zuführt, nachdem er in ein Reduziermittel für NOx reformiert wurde.
9. Gummi zum Reinigen des Abgases einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduziermittelzufuhrgerät (7) aufweist:
eine Kraftstoffpumpe (74A) zum Zuführen des Kraftstoffs in dem Kraftstofftank (71), wobei der Druck des Kraftstoffs so eingestellt wird, dass er einen vorbestimmten Wert annimmt;
ein Kraftstoffreformiergerät (76) zum Reformieren des von der Kraftstoffpumpe (74A) zugeführten Kraftstoffs in H2; und
ein Zufuhrmengensteuergerät (77) zum Zuführen von H2 als Reduziermittel für NOx in das Auspuffsystem (3) der Brennkraftmaschine (1);
wobei die Zufuhrmenge an Reduziermittel für NOx durch das Zuführmengensteuergerät (77) in Abhängigkeit von der Menge an Reduziermittel für NOx gesteuert wird, welche von dem elektrochemischen Katalysator (5) benötigt wird.
10. Gerät zum Reinigen des Abgases einer Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin vorgesehen sind:
eine Abgasmengen-Schätzvorrichtung (8) zum Schätzen der Menge an Abgas, welches NOx, HC und CO enthält, und in das Auspuffsystem (3) der Brennkraftmaschine (1) ausgestoßen wird;
eine Beurteilungsvorrichtung (9) für den Zustand des elektrochemischen Katalysators zur Beurteilung des aktiven Zustands des elektrochemischen Katalysators (5) auf der Grundlage der Temperaturdaten des elektrochemischen Katalysators (5); und
eine Reduziermittelzufuhr-Beurteilungsvorrichtung (10) zur Schätzung des Reaktionszustands mit NOx des elektrochemischen Katalysators (5) in Abhängigkeit von dem aktiven Zustand des elektrochemischen Katalysators (5), dessen Reaktionsrate, und der Speicherung des Abgases durch den elektrochemischen Katalysator (5), und zur Beurteilung, ob das Reduziermittel für NOx zugeführt werden muss, auf der Grundlage der Werte, die von der Abgasmengen-Schätzvorrichtung (8) geschätzt werden;
wobei dann, wenn festgestellt wird, dass Reduziermittel für NOx zugeführt werden muss, die Reduziermittelzufuhr- Beurteilungsvorrichtung (10) das Reduziermittelzufuhrgerät (7) in Betrieb nimmt.
11. Gerät zum Reinigen des Abgases einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sensorvorrichtung vorgesehen ist, um zumindest einen Betriebszustand festzustellen, unter der Drehzahl (Ne) der Brennkraftmaschine (1), deren Belastungszustand (Pe, Qa) und deren Kühlwassertemperatur (Tw), und die Abgasmengen-Schätzvorrichtung (8) die Menge an Abgas (G) in Abhängigkeit von dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine (1) schätzt oder bestimmt.
12. Gerät zum Reinigen des Abgases einer Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster und ein zweiter Dreiwege-Katalysator (4, 6) in dem Auspuffsystem (3) der Brennkraftmaschine (1) vorgesehen sind, wobei der erste Dreiwege-Katalysator (4) stromaufwärts des elektrochemischen Katalysators (5) angebracht ist, und der zweite Dreiwege-Katalysator (6) stromabwärts des elektrochemischen Katalysators (5) angebracht ist.
13. Gerät zum Reinigen des Abgases einer Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) auf ihren Betrieb mit magerer Betriebsart gesteuert wird.
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