DE102004026823A1 - Abgasreinigungsvorrichtung für Verbrennungsmotor - Google Patents

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Abstract

Durch die vorliegende Erfindung wird eine Abgasreinigungsvorrichtung bereitgestellt, mit: einem in einem Auslaßkanal (20) angeordneten NOx-Speicherkatalysator (22) zum Adsorbieren von NOx in einem mageren Betrieb und zum Freisetzen und Reduzieren des adsorbierten NOx in einem fetten Betrieb, einer in einem Einlaßkanal (8) angeordneten Drosselklappe (10) zum Einstellen eines Ansaugluftvolumens, einem Betriebszustanderfassungselement (38) zum Erfassen des Betriebszustands des Verbrennungsmotors und einem NOx-Reinigungssteuerungselement (40), das eine virtuelle Kraftstoffeinspritzmenge gemäß dem erfaßten Betriebszustand bestimmt, wenn das durch den NOx-Speicherkatalysator adsorbierte NOx freigesetzt und reduziert wird, einen Ansaugluftvolumen-Sollwert für den Einlaßkanal gemäß der virtuellen Kraftstoffeinspritzmenge bestimmt und die Drosselklappenstellung gemäß dem Ansaugluftvolumen-Sollwert steuert.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasreinigungs- oder -entgiftungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor und insbesondere eine Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, die auf die Freisetzung und Reduktion von NOx anwendbar ist, das durch einen NOx-Speicherkatalysator adsorbiert wird.
  • Im allgemeinen adsorbiert ein NOx-Speicherkatalysator NOx (Stickoxid) im Abgas, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis mager ist, und gibt das adsorbierte NOx frei und reduziert es, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Abgas fett ist (NOx-Reinigung).
  • Insbesondere adsorbiert der NOx-Speicherkatalysator NOx als Nitrat im Abgas im Fall eines übermäßigen Sauerstoffgehalts (Oxidationsatmosphäre) und reduziert das adsorbierte NOx zu Stickstoff im Fall eines übermäßigen Kohlenmonoxidgehalts im Abgas (Reduktionsatmosphäre).
  • Daher muß der NOx-Speicherkatalysator in Abhängigkeit von der adsorbierten NOx-Menge regelmäßig einer NOx-Reinigung unterzogen werden. Hierfür wird ein fetter Spike-Betrieb derart ausgeführt, daß das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Abgas vom kraftstoffarmen oder mageren auf einen stöchiometrischen Bereich (theoretisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis) oder kraftstoffreichen bzw. fetten Bereich umgeschaltet wird, indem Reduktionsmittel, wie beispielsweise HC, CO, usw. zugeführt werden. Dadurch wird der NOx-Speicherkatalysator regeneriert, und das Abgas kann geeignet gereinigt werden.
  • In einem Verbrennungsmotor kann keine effektive NOx-Reinigungswirkung erzielt werden, wenn die Abgastemperatur niedrig ist. Als eine Maßnahme zum Lösen dieses Problems ist z.B. in der JP-A-06-212961 eine Abgasreinigungsvorrichtung für einen Dieselmotor vorgeschlagen worden.
  • Gemäß dieser Vorrichtung wird eine Nacheinspritzung derart ausgeführt, daß außer einer Hauptkraftstoffeinspritzung in der Nähe des oberen Totpunktes eines Verdichtungshubs, die ausgeführt wird, um das Ausgangsdrehmoment des Motors zu erhalten, auch in einem Expansions- bzw. Arbeits- oder Auslaßhub Kraftstoff eingespritzt wird. Dadurch kann das vorstehend erwähnte Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Abgas realisiert werden, und das Abgas kann ausreichend gereinigt werden.
  • Weil zusätzlich zur Haupteinspritzung Kraftstoff auch in einer Nacheinspritzung zum Einstellen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses im Abgas eingespritzt wird, wird die Kraftstoffeffizienz direkt vermindert. In einem bekannten Verfahren wird, um dieses Problem zu handhaben, das gemessene Luftvolumen durch Regeln einer Einlaßbegrenzungseinrichtung oder des zurückgeführten (EGR) Abgases begrenzt, wodurch die Kraftstoffmenge bei der Nacheinspritzung reduziert werden kann.
  • Bei der Einlaßbegrenzungsregelung wird die Stellung einer Drosselklappe in einem Einlaßkanal verändert, um das dem Zylinder zugeführte gemessene Luftvolumen zu verändern. Der Verbrennungsvorgang erfolgt unter Verwendung der zugeführten Luft und des Kraftstoffs, wobei der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt verzögert wird. Die durch diese Verbrennung verursachte Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses im Abgas wird durch einen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor in einem Abgaskanal erfaßt. Der erfaßte Wert wird zurückgekoppelt, um die Drosselklappenstellung zu steuern.
  • Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Abgas gemäß der Drosselklappenstellung des Drosselklappenventils rückkopplungsgesteuert wird, ist die Stabilität des gemessenen Luftvolumens jedoch schlecht, und zum Nachsteuern auf einen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sollwert basierend auf dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Abgas wird eine lange Zeitdauer benötigt.
  • 4 zeigt ein Zeitdiagramm zum Darstellen der NOx-Reinigungssteuerung in einer herkömmlichen Abgasreinigungsvorrichtung.
  • Zunächst ist zu einem Zeitpunkt (0 s), zu dem die NOx-Reinigung beginnt, ein EGR-Ventil geschlossen, und der Durchfluß durch die Drosselklappe wird auf einen höheren Wert geregelt. Daraufhin wird der Haupteinspritzzeitpunkt verzögert, und die Haupteinspritzungskraftstoffmenge wird auf einen höheren Wert festgelegt. Dadurch wird die Kraftstoffeinspritzmenge erhöht, um zu verhindern, daß das Drehmoment durch den erhöhten Durchfluß durch die Drosselklappe und den verzögerten Einspritzzeitpunkt abnimmt. Wie in 4 dargestellt ist, kann das gemessene Luftvolumen jedoch durch verschiedenartige Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors beeinflußt werden, so daß das Ansprechverhalten der Regelung unzureichend und instabil wird, was insbesondere zu einer wesentlichen wiederholten Variation der NOx-Reinigungssteuerung führt.
  • Außerdem wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ) im Abgas durch das instabile gemessene Luftvolumen beeinflußt, und die zum Erreichen des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sollwertes (λ-Sollwert) erforderliche Zeit ist lang und instabil, wie in 4 dargestellt ist. Wie anhand dieser Zeichnung ersichtlich ist, erfolgt der Übergang des Verhältnisses λ beim Übergang vom λ-Sollwert zur Seite niedriger λ-Werte wesentlich verzögert.
  • In diesem Fall kann die Stabilität der Regelung des gemessenen Luftvolumens zwangsweise erforderlich sein. Wenn dies herbeigeführt wird, ist jedoch die Genauigkeit des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses im Abgas möglicherweise unzureichend.
  • Wenn die Einlaßbegrenzungssteuerung auf diese Weise für das herkömmliche System ausgeführt wird, kann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Abgas für den fetten Spike-Betrieb nicht glatt geschaltet werden, obwohl die Kraftstoffmenge in der Nacheinspritzung vermindert werden kann.
  • Zum Steuern der EGR-Gaszufuhr muß dagegen die Tatsache berücksichtigt werden, daß möglicherweise eine hohe HC-Konzentration in eine EGR-Leitung gelangt und die Funktionen des EGR-Ventils, einer EGR-Kühlvorrichtung, usw. beeinträchtigt. Daher wird die Zuverlässigkeit des Verbrennungsmotors vermindert, wenn die EGR-Gaszufuhrsteuerung gemäß dem Stand der Technik ausgeführt wird.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorstehend erwähnten Probleme des Stands der Technik zu lösen und eine Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor bereitzustellen, die in der Lage ist, einen NOx-Speicherkatalysator schnell und geeignet zu regenerieren.
  • Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen definierten Merkmale gelöst.
    •
  • Um die vorstehende Aufgabe zu lösen, weist eine Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1 auf: einen Einlaßkanal und einen Auslaßkanal, die mit einem Zylinder eines Verbrennungsmotors kommunizieen, einen im Auslaßkanal angeordneten NOx-Speicherkatalysator zum Adsorbieren von NOx im Abgas in einem mageren Betrieb und zum Freisetzen und Reduzieren des adsorbierten NOx in einem fetten Betrieb, eine im Einlaßkanal angeordnete Einlaßbegrenzungseinrichtung zum Regeln eines Ansaugluftvolumens, eine Betriebszustanderfassungseinrichtung zum Erfassen des Betriebszustands des Verbrennungsmotors und eine NOx-Reinigungssteuerungseinrichtung zum Bestimmen einer virtuellen Kraftstoffeinspritzmenge gemäß dem durch die Betriebszustanderfassungseinrichtung erfaßten Betriebszustand, wenn das durch den NOx-Speicherkatalysator adsorbierte NOx freigesetzt und reduziert wird, zum Festsetzen eines Ansaugluftvolumen-Sollwertes für den Einlaßkanal gemäß der virtuellen Kraftstoffeinspritzmenge und zum Steuern der Einlaßbegrenzungseinrichtung gemäß dem Ansaugluftvolumen-Sollwert.
  • Daher setzt die NOx-Reinigungssteuerungseinrichtung in der Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 den Ansaugluftvolumen-Sollwert unter Verwen dung der virtuellen Kraftstoffeinspritzmenge basierend auf dem Betriebszustand des Verbrennungsmotors fest, ohne daß der Kraftstoffeinspritzmengen-Istwert darin direkt berücksichtigt wird. D.h., während einer Rückkopplungssteuerung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Abgases basierend auf der Drosselklappenstellung des Drosselklappenventils wird die Kraftstoffeinspritzmenge durch die Rückkopplungssteuerung momentan geändert, und das gemessene Luftvolumen wird durch diese Änderung beeinflußt. Gemäß der erfindungsgemäßen Abgasreinigungsvorrichtung wird der Einfluß der momentanen Änderung der Kraftstoffeinspritzmenge durch die Verwendung der virtuellen Kraftstoffeinspritzmenge eliminiert. Dadurch wird die Steuerung der einzelnen Zustände, einschließlich des gemessenen Luftvolumens, stabilisiert, so daß das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Abgas für eine fette Spike-Verbrennung glatt (engl. smooth) geändert werden kann. Dadurch kann der NOx-Speicherkatalysator schnell regeneriert werden, und das Abgas kann zufriedenstellend gereinigt werden.
  • Gemäß Anspruch 2 bestimmt die NOx-Reinigungssteuerungseinrichtung eine Haupteinspritzungskraftstoffmenge, die bezüglich des oberen Totpunktes eines Verdichtungshubs des Zylinders mit einer vorgegebenen Verzögerung eingespritzt wird, gemäß dem durch die Betriebszustanderfassungseinrichtung erfaßten Betriebszustand und einer Kraftstoffmenge, die während. einer der Haupteinspritzung vorangehenden Voreinspritzung eingespritzt wird, addiert die Haupteinspritzungskraftstoffmenge und die Voreinspritzungskraftstoffmenge, um die virtuelle Kraftstoffeinspritzmenge zu erhalten, bestimmt den Ansaugluftvolumen-Sollwert für den Einlaßkanal gemäß der virtuellen Kraftstoffeinspritzmenge und steuert die Einlaßbegrenzugseinrichtung gemäß dem Ansaugluftvolumen-Sollwert.
  • Die virtuelle Kraftstoffeinspritzmenge wird im voraus unter Berücksichtigung der Kraftstoffeinspritzmenge, die während der der Haupteinspritzung vorangehenden Voreinspritzung eingespritzt wird, sowie der Haupteinspritzungskraftstoffmenge festgesetzt. Dadurch kann die Stabilität des festgesetzten Ansaugluftvolumen-Sollwertes und der Haupteinspritzungskraftstoffmenge sicher verbessert werden. Außerdem kann verhindert werden, daß die Kraftstoffeffizienz abnimmt, weil zunächst die Voreinspritzung zum Einspritzen einer kleinen Kraftstoffeinspritzmenge ausgeführt wird, ohne daß eine Nacheinspritzung erfolgt.
  • Gemäß Patentanspruch 3 setzt die NOx-Reinigungssteuerungseinrichtung außerdem den Ansaugluftvolumen-Sollwert für den Einlaßkanal gemäß der virtuellen Kraftstoffeinspritzmenge und einem vorgegebenen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sollwert fest.
  • Daher wird der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sollwert auf der Basis des Ansaugluftvolumen-Sollwertes und der virtuellen Kraftstoffeinspritzmenge bestimmt, und das gemessene Luftvolumen wird durch die momentane Änderung der Kraftstoffeinspritzmenge nicht beeinflußt.
  • Gemäß Anspruch 4 weist die Betriebszustanderfassungseinrichtung ferner eine Ansaugluftvolumenerfassungseinrichtung zum Erfassen eines Ansaugluftvolumen-Istwertes auf, und die NOx-Reinigungssteuerungseinrichtung setzt den Ansaugluftvolumen-Sollwert für den Einlaßkanal gemäß der virtuellen Kraftstoffeinspritzmenge und einem vorgegebenen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sollwert fest, setzt einen Drosselklappenstellungs-Basiswert der Einlaßbegrenzungseinrichtung gemäß dem durch die Betriebszustanderfassungseinrichtung erfaßten Betriebszustand fest und führt basierend auf dem durch die Ansaugluftvolumenerfassungseinrichtung erfaßten Ansaugluftvolumen-Istwert und dem Ansaugluftvolumen-Sollwert eine Rückkopplungssteuerung bezüglich des Drosselklappenstellungs-Basiswertes aus.
  • Dadurch wird der Drosselklappenstellungs-Basiswert der Einlaßbegrenzungseinrichtung derart festgesetzt, daß der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sollwert erhalten wird, der auf dem Ansaugluftvolumen-Sollwert und der virtuellen Kraftstoffeinspritzmenge basiert, so daß das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases durch das instabile gemessene Luftvolumen nicht beeinflußt wird.
  • Gemäß Anspruch 5 weist die Betriebszustanderfassungseinrichtung ferner eine Ansaugluftvolumenerfassungseinrichtung zum Erfassen eines Ansaugluftvolumen-Istwertes auf, und die NOx-Reinigungssteuerungseinrichtung setzt einen Kraftstoffeinspritzmengen-Istwert für den in den Zylinder einzuspritzenden Kraftstoff gemäß dem durch die Ansaugluftvolumenerfassungseinrichtung erfaßten Ansaugluftvolumen-Istwert und einem vorgegebenen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sollwert fest.
  • Daher wird der Kraftstoffeinspritzmengen-Istwert basierend auf einem stabilen Ansaugluftvolumen-Istwert erhalten, so daß er entsprechend verbessert ist.
  • Gemäß Anspruch 6 besteht der Kraftstoffeinspritzmengen-Istwert außerdem aus der Haupteinspritzungskraftstoffmenge, die bezüglich des oberen Totpunkts eines Verdichtungshubs des Zylinders mit einer vorgegebenen Verzögerung eingespritzt wird, und einer Voreinspritzungskraftstoffmenge, die früher eingespritzt wird als die Haupteinspritzungskraftstoffmenge, und die NOx-Reinigungssteuerungseinrichtung setzt die Haupteinspritzungskraftstoffmenge basierend auf dem Kraftstoffeinspritzmengen-Istwert und der Voreinspritzungskraftstoffmenge fest, die gemäß dem durch die Betriebszustanderfassungseinrichutng erfaßten Betriebszustand erhalten wird.
  • Dadurch wird auch die Haupteinspritzungskraftstoffmenge basierend auf dem stabilen Ansaugluftvolumen-Istwert erhalten, so daß sie entsprechend verbessert werden kann.
  • Gemäß Anspruch 7 weist die Betriebszustanderfassungseinrichtung ferner eine stromaufwärtsseitig vom NOx-Speicherkatalysator im Auslaßkanal angeordnete Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungseinrichtung zum Erfassen eines Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Istwertes auf, und die NOx-Reinigungsteuerungseinrichtung führt bezüglich der Haupteinspritzungskraftstoffmenge eine Rückkopplungssteuerung basierend auf dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sollwert und dem durch die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungseinrichtung erfaßten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Istwert aus.
  • Wenn die Haupteinspritzungskraftstoffmenge auf diese Weise rückkopplungsgesteuert wird, kann ein präzises stabiles Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Abgas erhalten werden.
  • Gemäß Anspruch 8 weist der Verbrennungsmotor ferner einen EGR-Kanal auf, der intern mit dem Einlaßkanal und dem Auslaßkanal verbunden ist, und die NOx-Reinigungssteuerungseinrichtung unterbricht den Rückfluß des Abgases über den EGR-Kanal, wenn durch den NOx-Speicherkatalysator adsorbiertes NOx freigesetzt und reduziert wird.
  • Dadurch wird verhindert, daß eine EGR-Leitung durch HC kontaminiert wird, so daß ihre Funktion gewährleistet wird und die Zuverlässigkeit des Verbrennungsmotors verbessert werden kann.
  • Nachstehend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben; es zeigen:
  • 1 eine Konfiguration eines Motors, auf den eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor anwendbar ist;
  • 2 ein Blockdiagramm zum Darstellen einer NOx-Reinigungssteuerung der Abgasreinigungsvorrichtung von 1;
  • 3 ein Zeitdiagramm zum Darstellen der NOx-Reinigungssteuerung der Abgasreinigungsvorrichtung von 1; und
  • 4 ein Zeitdiagramm zum Darstellen der NOx-Reinigungssteuerung einer herkömmlichen Abgasreinigungsvorrichtung.
  • 1 zeigt eine Konfiguration eines Motorsystems. Dieses System weist einen Mehrzylinder-Dieselmotor (nachstehend als Motor bezeichnet) 1 auf, auf den eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor angewendet wird. Die Konstruktion der erfindungsgemäßen Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor wird nachstehend unter Bezug auf 1 beschrieben.
  • Wie in 1 dargestellt ist, sind eine Kraftstoffzufuhrleitung 16, ein Einlaßkanal 8 und ein Auslaßkanal 20 mit jedem Zylinder 2 des Motors 1 verbunden. Die Leitung 16 weist eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung auf. Über den Einlaßkanal 8 kann einer Verbrennungskammer 4 Luft zugeführt werden, wenn ein Einlaßventil 6 öffnet. Über den Auslaßkanal 20 kann Abgas von der Verbrennungskammer 4 abgeleitet werden, wenn ein Auslaßventil 18 öffnet.
  • Ein Kompressor oder Vorverdichter 14 ist stromaufwärtsseitig vom Einlaßkanal 8 angeordnet, und eine Drosselklappe (Einlaßbegrenzungseinrichtung) 10 ist stromabwärtsseitig vom Kompressor 14 angeordnet. Die Drosselklappe 10 ist eine sogenannte Drive-by-wire-Drosselklappe, die mit einer elektronischen Steuereinheit (ECU) 36 elektrisch verbunden ist. Die Stellung der Drosselklappe 10 wird in Abhängigkeit vom Motorbetriebszustand geändert.
  • Andererseits ist ein NOx-Speicherkatalysator 22 stromabwärtsseitig mit dem Auslaßkanal 20 verbunden. Der Katalysator 22 adsorbiert NOx im Abgas, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Abgas mager ist, und setzt adsorbiertes NOx frei und reduziert es, wenn bei einem fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis HC und CO im Abgas vorhanden sind. Der Katalysator hat eine herkömmliche Struktur.
  • Außerdem zweigt ein Abgasrückleitungskanal (EGR-Kanal) 24 vom Auslaßkanal 20 ab. Das distale Ende des Kanals 24 ist stromabwärtsseitig von der Position der Drosselklappe 10 mit dem Einlaßkanal 8 verbunden. Der EGR-Kanal 24 weist eine EGR-Kühleinrichtung 26 und ein EGR-Ventil 28 auf. In der Kühleinrichtung 26 wird EGR-Gas gekühlt. Das Ventil 28 ist mit der ECU 36 elektrisch verbunden und stellt die Durchflußöffnungsfläche des EGR-Kanals 24 ein.
  • Nachdem Luft von einem Luftreiniger oder -filter über den Kompressor 14 in den Einlaßkanal 8 gelangt und durch die Drosselklappe 10 geregelt worden ist, wird sie in die Verbrennungskammer 4 jedes Zylinders 2 eingeleitet. Durch Verbrennen des von der Kraftstoffzufuhrleitung 16 zugeführten Kraftstoffs werden eine Kurbelwelle 34 und ein Schwung rad 35 betätigt. Wenn der Verbrennungsvorgang beendet ist, wird das Abgas in den Auslaßkanal 20 ausgegeben und dem NOx-Speicherkatalysator 22 zugeführt.
  • Im Auslaßkanal 20 ist an einer geeigneten Position stromaufwärtsseitig vom NOx-Speicherkatalysator 22 ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 30 angeordnet. Der Sensor 30 ist mit der ECU 36 elektrisch verbunden und erfaßt ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder λ im Abgas gemäß einer Ausgangsspannung.
  • Verschiedene Sensoren zum Erfassen verschiedener Betriebszustände des Motors 1 sind mit der Eingangsseite der ECU 36 elektrisch verbunden. Die Sensoren weisen außer dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 30 einen Luftdurchflußmengensensor (Ansaugluftvolumenerfassungseinrichtung) 29, einen Beschleunigungspedalstellungssensor 31, einen Kurbelwinkelsensor 32, einen EGR-Sensor 33, einen Drosselklappensensor 37 usw. auf. Der Luftdurchflußmengensensor 29 erfaßt ein gemessenes Luftvolumen. Der Beschleunigungspedalstellungssensor 31 erfaßt den Betätigungsgrad eines Beschleunigungs- oder Fahrpedals. Der Kurbelwinkelsensor 32 erfaßt die Drehzahl des Motors 1. Der EGR-Sensor 33 erfaßt den Öffnungsgrad des EGR-Kanals 24. Der Drosselklappensensor 37 erfaßt den Grad der Einlaßbegrenzung. Andererseits sind verschiedene Aktuatoren oder Stellglieder mit der Ausgangseite der ECU 36 verbunden. Insbesondere sind die Kraftstoffzufuhrleitung 16, die Drosselklappe 10, das EGR-Ventil 28 usw. elektrisch verbunden.
  • Die ECU 36 weist ein Betriebszustanderfassungselement (Betriebszustanderfassungseinrichtung) 38 und ein NOx-Reinigungssteuerungselement (NOx-Reinigungssteuerungseinrichtung) 40 auf. Die ECU 36 veranlaßt den NOx-Speicherkatalysator 22, NOx im Abgas in einer Oxidationsatmosphäre zu adsorbieren. Wenn bestimmt wird, daß ein vorgegebener NOx-Reinigungsvorgang ausgeführt wird, schließt die ECU 36 zunächst das EGR-Ventil 28 und beginnt dann den Einspritzzeitpunkt und die Kraftstoffeinspritzmenge zu ändern und das Luftvolumen zu steuern, wodurch ein fetter Spike-Verbrennungsvorgang ausgeführt wird. Dadurch richtet die ECU 36 einen Zustand mit niedrigem λ-Wert im Motor ein und setzt das adsorbierte NOx in einer Reduktionsatmosphäre frei und reduziert es, um den NOx-Speicherkatalysator 22 zu regenerieren.
  • Daher schließt das Steuerelement 40 der vorliegenden Ausführungsform zunächst das EGR-Ventil 28, um die EGR-Gaszufuhr zu unterbrechen. Wenn die EGR-Gaszufuhr unterbrochen ist, kann verhindert werden, daß eine EGR-Leitung, die aus der EGR-Kühleinrichtung 26, dem EGR-Ventil 28 usw. besteht, durch HC oder ähnliche Substanzen kontaminiert wird.
  • Nachdem das EGR-Ventil 28 geschlossen ist, veranlaßt das Steuerelement 40 die Drosselklappe 10, die Ansaugluftdurchflußmenge stärker zu begrenzen, um das gemessene Luftvolumen zu vermindern und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Abgas von einem mageren auf einen stöchiometrischen oder fetten Zustand einzustellen. Die Kraftstoffeinspritzung weist einen Haupteinspritzvorgang zum Erhalten des Ausgangsdrehmoments des Motors 1 und einen Voreinspritzvorgang zum Stabilisieren des Verbrennungsvorgangs auf. Insbesondere ist der Haupteinspritzzeitpunkt bezüglich des oberen Totpunkts des Verdichtungshubs um eine vorgegebene Zeitdauer verzögert. Die Kraftstoffeinspritzmenge wird im Haupteinspritzvorgang erhöht, um eine Erhöhung der begrenzten Ansaugluftdurchflußmenge und eine mit der Verzögerung verbundene Abnahme des Drehmoments zu verhindern. Andererseits wird der Voreinspritzzeitpunkt so eingestellt, daß er früher auftritt als der Haupteinspritzzeitpunkt. Die Voreinspritzungskraftstoffmenge ist sehr klein.
  • 2 zeigt ein Blockdiagramm zum Darstellen der NOx-Reinigungssteuerung.
  • Im Betriebszustanderfassungselement 38 werden verschiedene Signale vom Luftdurchflußmengensensor 29, vom Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 30, vom Beschleunigungspedalstellungssensor 31 und vom Kurbelwinkelsensor 32 erfaßt und einer vorgegebenen Umwandlungsverarbeitung unterzogen. Dadurch werden ein gemessener Luftvolumen-Istwert, ein gemes sener λ-Istwert, ein Beschleunigungspedalstellungs-Istwert und ein Motordrehzahl-Istwert einzeln erfaßt und dem NOx-Reinigungssteuerungselement 40 zugeführt.
  • Das Steuerelement 40 weist einen Luftvolumenbestimmungsabschnitt 401 und einen Haupteinspritzungskraftstoffmengenbestimmungsabschnitt 402 auf. Im Luftvolumenbestimmungsabschnitt 401 wird eine virtuelle Kraftstoffeinspritzmenge oder ein virtueller Q-Gesamtwert gemäß einem Ausgangssignal des Erfassungselements 38 erhalten. Basierend auf dem virtuellen Q-Gesamtwert werden ein Luftvolumen-Sollwert und ein Drosselklappenstellungs-Endwert festgesetzt. Im Haupteinspritzungskraftstoffmengenbestimmungsabschnitt 402 wird außerdem eine Haupteinspritzungskraftstoffmenge oder ein Haupteinspritzungs-Q-Endwert gemäß dem gemessenen Luftvolumen bestimmt, das basierend auf dem Drosselklappenstellungs-Endwert erhalten wird.
  • D.h., in einen Speicher der ECU 36 werden verschiedenartige Kennfelddaten bezüglich des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sollwertes, eines Kraftstoffeinspritzmengen-Basiswertes, eines Drosselklappenstellungs-Basiswertes usw. geladen. Im Steuerelement 40 werden zunächst Basiswerte gemäß dem Ausgangssignal vom Erfassungselement 38 und von vom Speicher der ECU 36 ausgelesenen Kennfelddaten erhalten. Beispielsweise wird ein Kraftstoffeinspritzmengen-Basiswert oder Q-Basiswert basierend auf dem Beschleunigungspedalstellungs-Istwert und ähnlichen Parametern erhalten. Der Motordrehzahl-Istwert und der Q-Basiswert werden verwendet, um Basiswerte zu erhalten, z.B. den Drosselklappenstellungs-Basiswert, einen Haupteinspritzungskraftstoffmengen-Basiswert (Haupteinspritzungs-Q-Basiswert) und einen der Voreinspritzungskraftstoffmenge entsprechenden Voreinspritzungskraftstoffmengen-Basiswert (Voreinspritzungs-Q-Basiswert). Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sollwert oder λ-Sollwert wird auf einen stöchiometrischen oder fetten Wert gesetzt.
  • Im Luftvolumenbestimmungsabschnitt 401 wird der virtuelle Q-Gesamtwert durch Addieren des Voreinspritzungs-Q-Basiswertes zum Haupteinspritzungs-Q-Basiswert erhalten. Der Luftvolumen-Sollwert wird gemäß dem virtuellen Q-Gesamtwert und dem λ-Sollwert erhalten. Außerdem wird eine Rückkopplungssteuerungsvariable basierend auf dem Luftvolumen-Sollwert und dem gemessenen Luftvolumen erhalten, und der Drosselklappenstellungs-Basiswert wird rückkopplungsgesteuert, um den Drosselklappenstellungs-Endwert zu bestimmen. Der vom Luftvolumenbestimmungsabschnitt 401 erhaltene Drosselklappenstellungs-Endwert wird der Drosselklappe 10 zugeführt.
  • Im Haupteinspritzungskraftstoffmengenbestimmungsabschnitt 402 wird ein Kraftstoffeinspritzmengen-Sollwert (Gesamt-Q-Sollwert), der einem auf der Rückkopplungssteuerung basierenden Luftvolumen-Istwert entspricht, gemäß dem auf dem Drosselklappenstellungs-Endwert und dem λ-Sollwert basierenden gemessenen Luftvolumen erhalten. Diese Verarbeitung wird ausgeführt, weil die Drosselklappe 10 auf den Drosselklappenstellungs-Endwert eingestellt ist. Der Gesamt-Q-Sollwert entspricht dem Kraftstoffeinspritzmengen-Istwert. Dann wird eine dem Voreinspritzungs-Q-Basiswert entsprechende Kraftstoffeinspritzmenge vom Gesamt-Q-Sollwert subtrahiert, und der erhaltene Wert wird als Kraftstoffeinspritzmengen-Sollwert (Haupteinspritzungs-Q-Sollwert) für die Haupteinspritzungskraftstoffmenge verwendet. Basierend auf einer Abweichung zwischen dem λ-Sollwert und dem gemessenen λ-Wert wird die Rückkopplungssteuerungsvariable bestimmt, um den λ-Sollwert zu realisieren, und der Haupteinspritzungs-Q-Sollwert wird rückkopplungsgesteuert, um den Haupteinspritzungs-Q-Endwert zu bestimmen. Die Kraftstoffmenge, die dem vom Haupteinspritzungskraftstoffmengenbestimmungsabschnitt 402 erhaltenen Haupteinspritzungs-Q-Endwert entspricht, wird der Kraftstoffzufuhrleitung 16 zugeführt. Der Haupteinspritzungs-Q-Endwert entspricht der Haupteinspritzungskraftstoffmenge. Außerdem wird die Steuerung eines normalen Dieselmotors wiederaufgenommen, nachdem eine vorgegebene Reinigungszeit für den Katalysator 22 verstrichen ist.
  • 3 zeigt ein Zeitdiagramm zum Darstellen der NOx-Reinigungssteuerung.
  • Zunächst wird das EGR-Ventil 28 zu einem Zeitpunkt (0 s) geschlossen, wenn der NOx-Reinigungsvorgang beginnt. Wenn die Drosselklappendurchflußmenge der Drosselklappe 10 in Antwort auf ein Ausgangssignal vom Luftvolumenbestimmungsabschnitt 401 auf einen höheren Wert geregelt wird, wird anschließend der Haupteinspritzzeitpunkt verzögert, und die Haupteinspritzungskraftstoffmenge wird in Antwort auf ein Ausgangssignal vom Kraftseinspritzungskraftstoffmengenbestimmungsabschnitt 401 erhöht.
  • Weil die Stellung der Drosselklappe 10 gemäß dem virtuellen Q-Gesamtwert festgelegt wird, wird das gemessene Luftvolumen durch verschiedene Betriebszustände des Motors 1 weniger beeinflußt. Dadurch wird bei der NOx-Reinigungssteuerung ein geeignetes Ansprechverhalten der Steuerung erhalten und im wesentlichen stabil gehalten, wie in 3 dargestellt ist.
  • Weil das gemessene Luftvolumen stabil ist, wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ) im Abgas nach Beginn der NOx-Reinigung innerhalb einer Zeitdauer von weniger als einer Sekunde dem λ-Sollwert gleichen, wie in 3 dargestellt ist. Außerdem wird dieser λ-Wert beim Übergang vom λ-Sollwert zur Seite niedrigerer λ-Werte nur geringfügig verzögert erhalten. 3 zeigt, daß die zum Erreichen des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sollwertes erforderliche Zeitdauer sehr kurz und stabil ist.
  • Erfindungsgemäß wird, wie vorstehend beschrieben wurde, eine Einlaßbegrenzung ausgeführt, um eine Verminderung der Kraftstoffeffizienz durch den Reinigungsvorgang gemäß der NOx-Reinigungssteuerung zu vemeiden. Die Durchflußmenge (beim Drosselklappenstellungs-Endwert) durch die Drosselklappe 10 wird basierend auf dem virtuellen Q-Gesamtwert, der im voraus unter Berücksichtgung des Haupteinspritzungs-Q-Basiswertes und des Voreinspritzung-Q-Basiswertes berechnet wurde, einer Rechenverarbeitung und einer Rückkopplungssteu erung unterzogen. Es wird verhindert, daß er durch eine durch die Rückkopplungssteuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses im Abgas verursachte momentane Änderung der Kraftstoffeinspritzmenge beeinflußt wird. Daher kann erfindungsgemäß, im Gegensatz zu einer auf der Drosselklappenstellung basierenden herkömmlichen Rückkopplungssteuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses im Abgas, die Stabilität der Steuerung verschiedener Zustände, z.B. des gemessenen Luftvolumens, gewährleistet werden, und der λ-Sollert kann im fetten Spike-Verbrennungsvorgang mit höherer Effizienz nachgesteuert werden. Dadurch kann der NOx-Speicherkatalysator 22 schnell regeneriert werden, und es kann verhindert werden, daß die Krafstoffeffizienz abnimmt.
  • Der Haupteinspritzung-Q-Endwert für die über die Kraftstoffzufuhrleitung 16 zugeführte Kraftstoffmenge wird basierend auf dem Drosselklappenstellungs-Endwert, dem λ-Sollwert und dem gemessenen λ-Wert erhalten, so daß das Ansprechverhalten verbessert wird. Dadurch kann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ) im Abgas für den fetten Spike-Verbrennungsvorgang glatt geändert werden. Dies dient auch zum Beschleunigen der Regenerierung des NOx-Speicherkatalysators 22 und zum Verhindern einer Abnahme der Kraftstoffeffizienz.
  • Obwohl vorzugsweise ein Dieselmotor als Motor verwendet wird, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Die Erfindung kann auf beliebige Motorsysteme angewendet werden, die einen NOx-Speicherkatalysator in ihrem Auslaßkanal aufweisen und einen fetten Betrieb ausführen können.

Claims (8)

  1. Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, mit: einem Einlaßkanal (8) und einem Auslaßkanal (20), die mit einem Zylinder (2) eines Verbrennungsmotors kommunizieren; einem im Auslaßkanal angeordneten NOx-Speicherkatalysator (22) zum Adsorbieren von NOx im Abgas in einem mageren Betrieb und zum Freisetzen und Reduzieren des adsorbierten NOx in einem fetten Betrieb; einer im Einlaßkanal angeordneten Einlaßbegrenzungseinrichtung (10) zum Einstellen eines Ansaugluftvolumens; und einer Betriebszustanderfassungseinrichtung (38) zum Erfassen des Betriebszustands des Verbrennungsmotors; gekennzeichnet dadurch, dass die Abgasreinigungsvorrichtung weiter aufweist: eine NOx-Reinigungssteuerungseinrichtung (40) zum Bestimmen einer virtuellen Kraftstoffeinspritzmenge gemäß dem durch die Betriebszustanderfassungseinrichtung erfaßten Betriebszustand, wenn das durch den NOx-Speicherkatalysator adsorbierte NOx freigesetzt und reduziert wird, zum Bestimmen eines Ansaugluftvolumen-Sollwertes für den Einlaßkanal gemäß der virtuellen Kraftstoffeinspritzmenge und zum Steuern der Einlaßbegrenzungseinrichtung gemäß dem Ansaugluftvolumen-Sollwert.
  2. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die NOx-Reinigungssteuerungseinrichtung (40) gemäß dem durch die Betriebszustanderfassungseinrichtung erfaßten Betriebszustand und einer Kraftstoffmenge, die während einer der Haupteinspritzung vorangehenden Voreinspritzung eingespritzt wird, eine Haupteinspritzungskraftstoffmenge bestimmt, die bezüglich des oberen Totpunkts eines Verdichtungshubs eines Zylinders mit einer vorgegebenen Verzögerung eingespritzt wird, die Haupteinspritzungskraftstoffmenge und die Voreinspritzungskraftstoffmenge addiert, um die virtuelle Kraftstoffeinspritzmenge zu erhalten, den Ansaugluftvolumen-Sollwert für den Einlaßkanal gemäß der virtuellen Kraftstoffeinspritzmenge bestimmt und die Einlaßbegrenzungseinrichtung gemäß dem Ansaugluftvolumen-Sollwert steuert.
  3. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die NOx-Reinigungssteuerungseinrichtung (40) den Ansaugluftvolumen-Sollwert für den Einlaßkanal gemäß der virtuellen Kraftstoffeinspritzmenge und einem vorgegebenen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sollwert bestimmt.
  4. Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebszustanderfassungseinrichtung (38) eine Ansaugluftvolumenerfassungseinrichtung (29) zum Erfassen eines Ansaugluftvolumen-Istwertes aufweist und die NOx-Reinigungssteuerungseinrichtung (40) den Ansaugluftvolumen-Sollwert für den Einlaßkanal gemäß der virtuellen Kraftstoffeinspritzmenge und einem vorgegebenen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sollwert bestimmt, einen Drosselklappenstellungs-Basiswert der Einlaßbegrenzungseinrichtung gemäß dem durch die Betriebszustanderfassungseinrichtung erfaßten Betriebszustand bestimmt und den Drosselklappenstellungs-Basiswert der Einlaßbegrenzungseinrichtung basierend auf dem durch die Ansaugluftvolumenerfassungseinrichtung erfaßten Ansaugluftvolumen-Istwert und dem Ansaugluftvolumen-Sollwert einer Rückkopplungssteuerung unterzieht.
  5. Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebszustanderfassungseinrichtung (38) eine Ansaugluftvolumenerfassungseinrichtung (29) zum Erfassen eines Ansaugluftvolumen-Istwertes aufweist und die NOx-Reinigungssteuerungseinrichtung (40) einen Kraftstoffeinspritzmengen-Istwert für einen dem Zylinder zuzuführenden Kraftstoff gemäß dem durch die Ansaugluftvolumenerfassungseinrichtung erfaßten Ansaugluftvolumen-Istwert und einem vorgegebenen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sollwert bestimmt.
  6. Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoffeinspritzmengen-Istwert aus einer Haupteinspritzungskraftstoffmenge, die bezüglich des oberen Totpunktes eines Verdichtungshubs des Zylinders verzögert eingespritzt wird, und einer Voreinspritzungskraftstoffmenge besteht, die früher eingespritzt wird als die Haupteinspritzungskraftstoffmenge, und wobei die NOx-Reinigungssteuerungseinrichtung (40) die Haupteinspritzungskraftstoffmenge auf der Basis des Kraftstoffeinspritzmengen-Istwertes und der gemäß dem durch die Betriebszustanderfasungseinrichtung erfaßten Betriebszustand erhaltenen Voreinspritzungskraftstoffmenge bestimmt.
  7. Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebszustanderfassungseinrichtung (38) eine stromaufwärtsseitig vom NOx-Speicherkatalysator angeordnete Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungseinrichtung (30) zum Erfassen eines Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Istwertes aufweist, und wobei die NOx-Reinigungssteuerungseinrichtung (40) die Haupteinspritzungskraftstoffmenge basierend auf dem Luft-Kraftstoff stoffmenge basierend auf dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sollwert und dem durch die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungseinrichtung erfaßten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Istwert einer Rückkopplungssteuerung unterzieht.
  8. Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor einen EGR-Kanal (24) aufweist, der intern mit dem Einlaßkanal und dem Auslaßkanal verbunden ist; und die NOx-Reinigungssteuerungseinrichtung (40) den Rückfluß des Abgases über den EGR-Kanal unterbricht, wenn das durch den NOx-Speicherkatalysator adsorbierte NOx freigesetzt und reduziert wird.
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