DE102008043355A1

DE102008043355A1 - Abgasreinigungsgerät für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102008043355A1
Application number: DE102008043355A
Authority: DE
Inventors: Tatsuya Nishio-shi Fujita; Masatoshi Kariya-shi Maruyama
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2007-11-08
Filing date: 2008-10-31
Publication date: 2009-05-14
Also published as: JP2009115032A; US20090120073A1

Abstract

Eine Abgasleitung (22) ist mit einem Oxidationskatalysator (41), einem SCR-Katalysator (ammoniak-selektiven Reduktionskatalysator) (42) und einem Ammoniaküberschusskatalysator (43) vorgesehen. In der Abgasleitung (22) ist ein Harnstoffwasserzugabeventil (44) zwischen dem Oxidationskatalysator (41) und dem SCR-Katalysator (42) vorgesehen. Ein NOx-Sensor (47), der die NOx-Menge in einem Abgas erfasst, ist stromabwärtig des SCR-Katalysators (42) vorgesehen. Eine ECU (50) steuert das Harnstoffwasserzugabeventil (44), um das Harnstoffwasser zu dem Abgas zuzugeben. Während das Harnstoffwasser zu dem Abgas zugegeben wird, erhält die ECU (50) fortlaufend eine NOx-Sensorausgabe und berechnet einen Zugabemengenanweisungswert, bei dem die NOx-Sensorausgabe minimal wird.

Description

Gebiet der Erfindung
Die folgende Erfindung bezieht sich auf ein Abgasreinigungssystem für eine Brennkraftmaschine, das bevorzugt bei einem Abgasreinigungssystem einer selektiven katalytischen Reduktionsbauart (SCR Bauart) angewandt wird, das ein Ammoniakreduktionsmittel wie zum Beispiel eine wässrige Harnstofflösung (Harnstoffwasser) verwendet.
Hintergrund der Erfindung
Ein Harnstoffsystem mit selektiver katalytischer Reduktion (Harnstoff-SCR-System) ist als ein Abgasreinigungsgerät ausgebildet, das Stickstoffoxide (NOx) in einem Abgas reinigt, das von einer Brennkraftmaschine insbesondere von einer Dieselmaschine ausgestoßen wird. Das Harnstoff-SCR-System hat nachstehenden Aufbau.
In dem Harnstoff-SCR-System ist ein NOx Reduktionskatalysator der selektiven katalytischen Reduktionsbauart (SCR Katalysator) in einer Abgasleitung vorgesehen, die mit einem Maschinenkörper verbunden ist, und ist ein Harnstoffwasserzugabeventil (UWA Ventil) stromaufwärtig des SCR Katalysators vorgesehen, um ein Harnstoffwasser in die Abgasleitung zuzugeben. Das Abgas und das Harnstoffwasser werden zu dem NOx Reduktionskatalysator zugeführt, so dass das Abgas durch eine Reduktionsreaktion von NOx an dem NOx Reduktionskatalysator gereinigt wird. Beim Abbauen von NOx wir das Harnstoffwasser durch eine Abgaswärme hydrolisiert, um Ammoniak (NH₃) zu erzeugen, und wird das NOx wahlweise durch Ammoniak an dem NOx Reduktionskatalysator reduziert, wodurch das Abgas gereinigt wird.
Ein NOx Sensor ist stromabwärtig des NOx Reduktionskatalysators vorgesehen, so dass eine NOx Konzentration erfasst wird. Auf der Grundlage einer Ausgabe des NOx Sensors wird ein NOx Reinigungsverhältnis berechnet. In dem in JP-2003-314256 A gezeigten Abgasreinigungsgerät sind NOx Sensoren jeweils stromaufwärtig und stromabwärtig des NOx Reduktionskatalysators vorgesehen. Auf der Grundlage jeder Ausgabe der NOx Sensoren wird das NOx Reinigungsverhältnis berechnet. Außerdem wird, während die Maschine stabil betrieben wird, eine Zufuhrbedingung des Reduktionsmittels umgeschaltet, um eine Differenz in dem NOx Reinigungsverhältnis zwischen einem Fall, in dem das Reduktionsmittel zugeführt wird, und einem Fall zu berechnen, in dem kein Reduktionsmittel zugeführt wird. Auf der Grundlage der Differenz des NOx Reinigungsverhältnisses werden eine adsorbierte Ammoniakmenge und die zugegebene Reduktionsmittelmenge berechnet.
Im Allgemeinen hat der NOx Sensor ein Sensorelement, das aus einem Festkörperelektrolyt und einem Paar Elektroden besteht, und Ammoniak (NH₃) sowie NOx erfasst. Wenn für den NOx Reduktionskatalysator überschüssiges Ammoniak stromabwärtig des Katalysators ausgestoßen wird (wenn ein Ammoniaküberschuss erzeugt wird), verändert sich die Ausgabe des NOx Sensors gemäß einer ausgestoßenen Menge an Ammoniak. In einem derartigen Fall ist es möglich, dass das NOx Reinigungsverhältnis auf der Grundlage der NOx Sensorausgabe fehlerhaft berechnet wird. Wenn sich die Genauigkeit des NOx Reinigungsverhältnisses verschlechtert, verschlechtert sich auch die Genauigkeit der adsorbierten Ammoniakmenge und der zugegebenen Reduktionsmittelmenge, wodurch sich eine Verringerung des NOx Reinigungsverhältnisses und eine Erhöhung der Ammoniakuberschussmenge ergeben können.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorlegende Erfindung ist im Anbetracht der vorstehenden Probleme gemacht und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Abgasreinigungsgerät für eine Brennkraftmaschine bereitzustellen, das eine NOx Menge stromabwärtig des NOx Reduktionskatalysators korrekt erfassen kann, so dass das NOx Reinigungsverhältnis geeignet berechnet werden kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung hat ein Abgasreinigungsgerät für eine Brennkraftmaschine einen NOx Reduktionskatalysator (zum Beispiel einen ammoniakselektiven Reduktionskatalysator), der in einer Abgasleitung vorgesehen ist. Ein Reduktionsmittel (zum Beispiel ein Ammoniakreduktionsmittel wie zum Beispiel eine wässrige Harnstofflösung) wird zu dem Abgas zugegeben und eine NOx Reinigung wird in dem NOx Reduktionskatalysator ausgeführt. Eine NOx Menge stromabwärtig des NOx Reduktionskatalysators wird durch eine NOx Sensor erfasst. Ein NOx Reinigungsverhältnis wird auf der Grundlage der erfassten NOx Menge berechnet.
Eine Zugabemengensteuerungseinrichtung steuert eine Zugabemenge des Reduktionsmittels durch die Reduktionsmittelzugabeeinrichtung. Während das Reduktionsmittel zu dem Abgas zugegen wird, wird eine NOx Sensorausgabe fortlaufend erhalten und wird ein Zugabemengenanweisungswert, bei dem die NOx Sensorausgabe minimal wird, berechnet.
Der NOx Sensor erfasst das Reduktionsmittel sowie NOx in dem Abgas, das für den NOx Reduktionskatalysator überschüssig wird. Wenn die Harnstoffwasserzugabemenge erhöht wird, verschlechtert sich allmählich eine NOx Konzentration stromabwärtig des NOx Reduktionskatalysators. Außerdem erhöht sich, wenn das Reduktionsmittel erhöht wird, die Ammoniakkonzentration (eine Ammoniaküberschussmenge). In diesem Fall ist, wie in 4C gezeigt ist, die NOx Sensorausgabelinie nach unten gewölbt in Bezug auf die Reduktionsmittelzugabemenge (Harnstoffwasserzugabemenge). Wenn die NOx Sensorausgabe minimal ist, sind die NOx Konzentration und die Ammoniakkonzentration stromabwärtig des NOx Reduktionskatalysators gering und ist das NOx Reinigungsverhältnis maximal.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Zugabemenge des Reduktionsmittel verschiedenartig verändert, wird die NOx Sensorausgabe in Bezug auf jede Zugabemenge des Reduktionsmittel erhalten und wird ein Zugabemengenanweisungswert gemäß der Zugabemenge des Reduktionsmittels berechnet, bei der die NOx Sensorausgabe minimal wird.
Dadurch wird die überschüssige Menge des Reduktionsmittels (Ammoniaküberschussmenge) reduziert und wird das NOx Reinigungsverhältnis maximal. Als Ergebnis wird die NOx Menge stromabwärtig des NOx Reduktionskatalysators korrekt erfasst, so dass das NOx Reinigungsverhältnis genau berechnet werden kann.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung kann die Zugabemenge des Reduktionsmittels zumindest zu einer Erhöhungsseite oder Verringerungsseite relativ zu dem Zugabemengenanweisungswert als eine Referenz variiert werden. Gemäß dieser Gestaltung kann genau erfasst werden, ob der Zugabemengenanweisungswert optimal ist und ob die Zugabemenge die NOx Sensorausgabe minimiert.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung werden zumindest drei Schritte von Reduktionsmittelzugaben ausgeführt, während die Zugabemenge des Reduktionsmittels mit einer vorbestimmen Variationsbreite variiert wird. Des Weiteren wird die Reduktionsmittelzugabe nochmals ausgeführt, während die Variationsbreite klein wird, und zwar in einem Fall, in dem die Sensorausgabe in Bezug auf eine mittlere Menge eines Reduktionsmittels aus den zumindest drei Schritten von Reduktionsmittelzugaben minimal wird.
Das heißt, es ist möglich, dass der am besten geeignete Zugabemengenanweisungswert zwischen der maximalen Zugabemenge und der minimalen Zugabemenge vorliegt, bei dem die NOx Sensorausgabe minimal wird. In einem derartigen Fall wird die Reduktionsmittelzugabe nochmals ausgeführt, während die Variationsbreite verkleinert wird, wodurch der optimale Wert des Zugabemengenanweisungswerts genau erhalten werden kann.
Gemäß einen weiteren Gesichtspunkt der Erfindung kann es auf der Grundlage einer Differenz zwischen der NOx Sensorausgabe, bevor sich die Reduktionsmittelzugabemenge verändert, und der NOx Sensorausgabe, nachdem sich die Reduktionsmittelzugabemenge verändert hat, abgeschätzt werden, ob die Reduktionsmittelzugabemenge, bei der die NOx Sensorausgabe minimal ist, an einer Erhöhungsseite oder einer Verringerungsseite liegt. Auf der Grundlage dieses abgeschätzten Ergebnisses kann die Reduktionsmittelzugabemenge erhöht oder verringert werden. Zum Beispiel wird, wenn die NOx Sensorausgabe aufgrund der Variation der Reduktionsmittelzugabemenge erhöht wird, eine Erhöhungs-/Verringerungsrichtung der Reduktionsmittelzugabemenge umgekehrt. Alternativ wird, wenn die NOx Sensorausgabe aufgrund der Variation der Reduktionsmittelzugabemenge verringert wird, die Reduktionsmittelzugabemenge in derselben Erhöhungs-/Verringerungsrichtung variiert.
Gemäß dieser Gestaltung wird die Reduktionsmittelzugabemenge nur in einer Richtung variiert, in der die minimale Sensorausgabe vorliegt. Somit kann der Erhöhungs-/Verringerungsprozess der Reduktionsmittelzugabemenge vereinfacht werden.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung kann eine Variationsbreite der Reduktionsmittelzugabemenge auf der Grundlage des Ausgabewerts des NOx Sensors variiert werden. Zum Beispiel erhöht sich, wenn sich die NOx Sensorausgabe erhöht, die Variationsbreite der Reduktionsmittelzugabemenge. Wenn die NOx Sensorausgabe relativ groß ist, ist auch das Variationsverhältnis der NOx Sensorausgabe in Bezug auf eine Variation der Reduktionsmittelzugabemenge relativ groß. Wenn die NOx Sensorausgabe relativ klein ist, ist auch das Variationsverhältnis der NOx Sensorausgabe relativ klein. Somit ist es wünschenswert, die Variationsbreite der Reduktionsmittelzugabemenge auf der Grundlage des Ausgabewerts des NOx Sensors festzulegen.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung ist es wünschenswert, das der Zugabemengenanweisungswert nicht neu berechnet wird, wenn eine Differenz zwischen einem minimalen Wert der Sensorausgabe und einem maximalen Wert der Sensorausgabe, die aufgrund einer Variation der Zugabemenge des Reduktionsmittels erhalten werden, innerhalb eines bestimmten Werts liegt. Das heißt, in der Umgebung, bei der die NOx Sensorausgabe minimal ist, variiert die NOx Sensorausgabe kaum, selbst wenn die Reduktionsmittelzugabemenge variiert wird. Infolgedessen kann eine unnotwendige Berechnung (Aktualisierung) des Zugabemengenanweisungswerts vermieden werden.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung ist eine Zeitdauer, während der die Reduktionsmittelzugabemenge verringert wird, länger als eine Zeitdauer, während der die Reduktionsmittelzugabemenge erhöht wird. Das heißt, beim Vergleich eines Falls, bei dem die Harnstoffwasserzugabemenge erhöht wird, mit einem Fall, bei dem die Harnstoffwasserzugabemenge verringert wird, unterscheidet sich eine Ansprechgeschwindigkeit des NOx Sensors. Die Ansprechgeschwindigkeit ist in dem letzteren Fall gering. Dies basiert darauf, dass die Reduktionsmittelverbrauchsgeschwindigkeit in dem NOx Reduktionskatalysators geringer als die Reduktionsmitteladsorptionsgeschwindigkeit (Ammoniakadsorptionsgeschwindigkeit) in dem NOx Reduktionskatalysators ist. Gemäß der vorstehenden Gestaltung kann die NOx Sensorausgabe selbst in beiden Fällen geeignet erhalten werden, bei denen die Reduktionsmittelzugabemenge erhöht oder verringert wird.
Der Zugabemengenanweisungswert, bei dem die NOx Sensorausgabe minimal ist, verändert sich nicht sukzessiv. Wenn der Maschinenantriebszustand stabil ist, ist der Zugabemengenanweisungswert ein konstanter Wert. Somit ist es wünschenswert, den Zugabemengenanweisungswert in einem Backupspeicher als einen Lernwert zu speichern, und den Lernwert zu aktualisieren, falls es erforderlich ist. Dadurch kann, da der Zugabemengenanweisungswert mit einer minimalen Häufigkeit berechnet werden kann, eine Berechnungslast zum Berechnen des Zugabemengenanweisungswerts reduziert werden. Zum Beispiel kann, jedes Mal wenn eine ECU mit Energie beaufschlagt wird, der Zugabemengenanweisungswert nur einmal berechnet werden.
Die Charakteristik der NOx Sensorausgabe in Bezug auf die Reduktionsmittelzugabemenge verändert sich gemäß dem Maschinenantriebszustand. Somit ist es wünschenswert, dass der Zugabemengenanweisungswert in dem Speicher zusammen mit einem Antriebszustand der Brennkraftmaschine zu einem Zeitpunkt einer Steuerung der Zugabemenge des Reduktionsmittels gespeichert wird. Dadurch kann, selbst wenn sich der Antriebszustand der Maschine verändert, ein geeigneter Zugabemengenanweisungswert bereitgestellt werden.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung hat ein Abgasreinigungsgerät einen Oxidationskatalysator (zum Beispiel einen Ammoniaküberschusskatalysator), der stromabwärtig des NOx Reduktionskatalysators angeordnet ist, zum Reinigen des Reduktionsmittels und eine Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen, ob der Oxidationskatalysator aktiv ist. Wenn die Bestimmungseinrichtung bestimmt, dass der Oxidationskatalysator nicht aktiv ist, führt die Anweisungswertberechnungseinrichtung eine Berechnung des Zugabemengenanweisungswerts aus.
Das heißt, wenn der Oxidationskatalysator stromabwärtig des NOx Reduktionskatalysators nicht aktiv ist und wenn das Reduktionsmittel stromabwärtig des NOx Reduktionskatalysators ausgestoßen wird, kann das Reduktionsmittel nicht geeignet gereinigt werden. Gemäß der vorstehenden Gestaltung wird, wenn der Oxidationskatalysator nicht aktiv ist, der Zugabemengenanweisungswert berechnet, so dass verhindert werden kann, dass das Reduktionsmittel stromabwärtig des NOx Reduktionskatalysators ausgestoßen wird und das Reduktionsmittel in die Atmosphäre ausgestoßen wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der nachstehenden Beschreibung in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen besser sichtlich, in denen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind.
1 ist eine Konstruktionsansicht, die schematisch ein Maschinensteuerungssystem in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
2A bis 2C sind Zeitdiagramme zum Erläutern von Ventilöffnungsanweisungsimpulsen;
3 ist eine Schnittansicht, die ein Sensorelement eines NOx Sensors zeigt;
4A bis 4C sind Diagramme, die eine NOx Konzentration, NH₃ Konzentration bzw. eine NOx Sensorausgabe stromabwärtig eines Katalysators in Bezug auf eine Harnstoffwasserzugabemenge zeigen;
5 ist ein Ablaufschaubild, das einen Harnstoffwasserzugabemengensteuerungsprozess zeigt;
6 ist ein Ablaufschaubild, das einen Erhöhungs-/Verringerungsprozess einer Harnstoffwasserzugabemenge zeigt;
7 ist ein Diagramm, das eine Charakteristik einer NOx Sensorausgabe zeigt;
8A und 8B sind Zeitdiagramme, die einen Übergang der NOx Sensorausgabe in einem Fall zeigen, in dem sich die Harnstoffwasserzugabemenge verringert;
9A und 9B sind Diagramme, die schematisch die NOx Sensorausgabe zeigen;
10A und 10B sind Diagramme, die schematisch die NOx Sensorausgabe zeigen; und
11A und 11B sind Diagramme, die schematisch die NOx Sensorausgabe zeigen.
Ausführliche Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Nachstehend ist ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. In diesem Ausführungsbeispiel wird eine Dieselmaschine mit mehreren Zylindern gesteuert. Eine elektronische Steuereinheit (ECU) führt verschiedene Arten von Steuerungen an der Maschine aus. Die Dieselmaschine hat ein Kraftstoffeinspritzsystem mit einer Common Rail und ein Harnstoff-SCR-System. Bezogen auf 1 ist das System nachstehend schematisch erläutert.
Die Maschine 10 hat einen Maschinenkörper 11, der einen Kolben 12, ein Einlassventil 13 und ein Auslassventil 14 hat. Eine hin- und hergehende Bewegung des Kolbens 12 dreht eine Kurbelwelle 15. Ein Kraftstoffinjektor 16 ist an einem Zylinderkopf für jeden Zylinder vorgesehen. Der Kraftstoffinjektor 16 spritzt einen Kraftstoff direkt in eine Brennkammer 17 ein, und der Kraftstoff wird in der Brennkammer 17 verbrannt.
Die Kurbelwelle 15 ist mit einem Kurbelwinkelsensor 18 versehen, der eine Drehung der Kurbelwelle 15 erfasst. An einem Zylinderblock ist ein Kühlmitteltemperatursensor 19 vorgesehen, der eine Kühlmitteltemperatur erfasst.
Ein Kraftstoffzufuhrsystem ist nachstehend kurz beschrieben. Das Kraftstoffzufuhrsystem ist mit einer Hochdruckpumpe und einer Common Rail vorgesehen. Die Hochdruckpumpe pumpt den Kraftstoff in den Kraftstofftank und führt den Kraftstoff zu der Common Rail zu. Der 10 bis 200 MPa hohe Hochdruckkraftstoff wird in der Common Rail gespeichert und wird zu dem Kraftstoffinjektor 16 jedes Zylinders zugeführt. Der Kraftstoffdruck in der Common Rail wird gemäß dem Maschinenantriebszustand geeignet eingestellt.
Eine Einlassleitung (mit einem Krümmerabschnitt) 21 ist mit einem Einlassanschluss der Maschine 11 verbunden. Eine Abgasleitung (mit einem Krümmerabschnitt) 22 ist mit einem Auslassanschluss der Maschine 11 verbunden. Die Einlassleitung 21 ist mit einem Drosselklappenstellglied 23 vorgesehen, das eine elektrisch angetriebene Drosselklappe aufweist. Die Einlassleitung 21 und die Abgasleitung 22 sind miteinander durch eine AGR Leitung 24 verbunden. Die AGR Leitung 24 ist mit einem AGR Ventil 25 und einem AGR Kühler 26 vorgesehen. Ein Luftfilter 27 ist an einem stromaufwärtig gelegenen Abschnitt der Einlassleitung 21 vorgesehen.
Dieses Kraftstoffzufuhrsystem ist mit einem Turbolader 30 vorgesehen. Der Turbolader 30 ist mit einem Einlassverdichter 31 vorgesehen, der in der Einlassleitung 21 angeordnet ist, und einer Abgasturbine 32 vorgesehen, die in der Abgasleitung 22 angeordnet ist. Die Abgasturbine 32 wird durch das Abgas gedreht, das durch die Abgasleitung 22 strömt. Diese Drehung wird über eine Welle 33 zu dem Einlassverdichter hin übertragen. Der Einlassverdichter 31 verdichtet die Einlassluft, die durch die Einlassleitung 21 strömt. Die verdichtete Luft wird durch einen Zwischenkühler 34 gekühlt und zu einem stromabwärtigen Abschnitt der Einlassleitung 21 zugeführt.
Die Einlassleitung 21 ist mit verschiedenen Arten von Sensoren wie zum Beispiel einem Luftströmungsmesser, einem Einlassluftdrucksensor, einem Einlasslufttemperatursensor und dergleichen vorgesehen.
Das Abgasreinigungssystem ist nahestehend beschrieben. Die Abgasleitung 22 ist mit einem Oxidationskatalysator 41, einem SCR Katalysator (ein ammoniak-selektiver Reduktionskatalysator) 42 und einem Ammoniaküberschusskatalysator 43 vorgesehen. Der SCR Katalysator 42 korrespondiert zu dem NOx Reduktionskatalysator. Zwischen dem Oxidationskatalysator 41 und dem SCR Katalysator 42 ist ein Harnstoffwasserzugabeventil (UWA Ventil) 44 in der Abgasleitung 22 vorgesehen, um das Harnstoffwasser als das Reduktionsmittel in die Abgasleitung 22 zuzuführen. Das UWA Ventil 44 hat im Wesentlichen dieselbe Struktur wie ein bekannter Kraftstoffinjektor und spritzt das Harnstoffwasser von seiner Einspritzöffnung bei einem Empfang eines Einspritzanweisungssignals ein. Ein Harnstoffwassertank (nicht gezeigt) speichert das Harnstoffwasser. Das Harnstoffwasser wird fortlaufend zu dem UWA Ventil 44 durch eine Harnstoffwasserzufuhrpumpe (nicht gezeigt) zugeführt, während die Maschine im Betrieb ist.
Wenn das Harnstoffwasser in die Abgasleitung 22 eingespritzt wird, strömen das Abgas und das Harnstoffwasser in den SCR Katalysator 42, in dem die Reduktionsreaktion von NOx ausgeführt wird, um das Abgas zu reinigen.
Insbesondere wird das eingespritzte Harnstoffwasser hydrolisiert, um Ammoniak (NH₃) zu erzeugen, wie in der nachstehenden chemischen Gleichung beschrieben ist. (NH₂)2CO + H₂O → 2NH₃ + CO₂ (1)
Wenn das Abgas durch den SCR Katalysator 42 strömt, wird NOx in dem Abgas selektiv reduziert, wie in den nachstehenden chemischen Gleichungen beschrieben ist. 4NO + 4NH₃ + O₂ → 4N₂ + 6H₂O (2) 6NO₂ + 8NH₃ → 7N₂ + 12H₂O (3) NO + NO₂ + 2NH₃ → 2N₂ + 3H₂O (4)
Nicht reagierendes Ammoniak wird mit dem Abgas zu einem stromabwärtigen Abschnitt ausgestoßen. Nicht reagierendes Ammoniak wird durch den Ammoniaküberschusskatalysator 43 entfernt, der stromabwärtig des SCR Katalysators 42 angeordnet ist.
Ein Sauerstoffkonzentrationssensor 45 und ein Abgastemperatursensor 46 sind in der Abgasleitung 22 zwischen einem Oxidationskatalysator 45 und dem SCR Katalysator 46 vorgesehen, um die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas und die Abgastemperatur zu erfassen. Ein NOx Sensor 47, der eine NOx Konzentration in dem Abgas erfasst, ist stromabwärtig des SCR Katalysators 42 angeordnet. Auf der Grundlage einer Ausgabe des NOx Sensors wird das NOx Reinigungsverhältnis des SCR Katalysators 42 berechnet.
Die Abgasleitung 22 ist mit einem Dieselpartikelfilter (DPF: nicht gezeigt) vorgesehen, der Partikelteile (PM) in dem Abgas einfängt.
Die ECU 50 hat einen Mikrorechner, der aus einer CPU, einem ROM und einem RAM und dergleichen besteht. Die ECU 50 empfängt erfasste Signale von den vorstehenden Sensoren, einem Raildrucksensor, der einen Kraftstoffdruck in der Common Rail erfasst, einem Beschleunigersensor, der Beschleunigerbetätigungsausmaß erfasst, und dergleichen. Die ECU 50 führt eine Kraftstoffeinspritzsteuerung, ein Kraftstoffdrucksteuerung (Raildrucksteuerung) und dergleichen auf der Grundlage der Maschinendrehzahl, des Beschleunigerbetätigungsausmaßes und dergleichen aus. Der Kraftstoffeinspritzbetrieb des Kraftstoffinjektors 16 und der Kraftstoffpumpbetrieb der Hochdruckpumpe werden gesteuert. Außerdem steuert die ECU 50 das Drosselklappenstellglied 23 und das AGR Ventil 25 auf der Grundlage des derzeitigen Maschinenantriebszustands.
Die ECU 50 hat ein EEPROM 51 als einen Backupspeicher. Das EEPROM 51 speichert einen variierenden Lernwert und Diagnosedaten. Ein Bereitschafts-RAM kann als der Backupspeicher anstelle des EEPROM verwendet werden.
Die ECU 50 berechnet die NOx Menge stromabwärtig des SCR Katalysators 42 und das NOx Reinigungsverhältnis auf der Grundlage der Ausgabe des NOx Sensors 47. Des Weiteren steuert die ECU 50 eine Harnstoffwasserzugabemenge auf der Grundlage des NOx Reinigungsverhältnisses. Das NOx Reinigungsverhältnis (X1) wird auf der Grundlage einer NOx Ausstoßmenge (Y1) von der Maschine und einer NOx Menge (Y2) stromabwärtig des SCR Katalysators berechnet. Die NOx Ausstoßmenge (Y1) wird unter Verwendung von Kennfeldern oder Formeln gemäß dem derzeitigen Maschinenantriebszustand (Maschinendrehzahl, Kraftstoffeinspritzmenge) berechnet. Die NOx Menge (Y2) wird auf der Grundlage der Ausgabe des NOx Sensors 47 berechnet.
Die ECU 50 sendet periodisch ein Ventilöffnungsanweisungssignal zu dem UWA Ventil 44, so dass ein Antriebsabschnitt (Solenoidabschnitt) des UWA Ventils 44 mit Energie beaufschlagt wird. Wenn das Solenoid mit Energie beaufschlagt wird, um das UWA Ventil 44 zu öffnen, wird das Harnstoffwasser von dem UWA 44 eingespritzt. Ein Ausgabekreis (eine Ausgabefrequenz) des Ventilöffnungsanweisungssignals ist eingestellt, so dass die Harnstoffwasserzugabemenge erhöht oder verringert wird. 2A zeigt ein Basisventilöffnungsanweisungssignal an dem UWA Ventil 44. Wenn das Ausgabeintervall des Ventilöffnungsanweisungssignals länger als das Intervall des Basisventilöffnungsanweisungssignals ist, wie in 2B gezeigt ist, wird die Harnstoffwasserzugabemenge verringert. Wenn das Ausgabeintervall des Ventilöffnungsanweisungssignals kürzer ist, wie in 2C gezeigt ist, wird die Harnstoffwasserzugabemenge erhöht. Das UWA Ventil 44 kann vorübergehend geschlossen werden, um die Harnstoffwasserzugabemenge zu verringern.
Bezogen auf 3 ist nachstehend eine Gestaltung des NOx Sensors 47 beschrieben. 3 ist eine Schnittansicht, die ein Sensorelement 60 des NOx Sensors 47 zeigt. Das Sensorelement 60 hat eine Pumpenzelle, eine Sensorzelle und eine Monitorzelle, die geschichtet angeordnet sind. Da die Monitorzelle eine Funktion zum Abgeben von Sauerstoff in das Gas wie die Pumpenzelle hat, kann die Monitorzelle auch als eine Hilfspumpenzelle oder eine zweite Pumpenzelle bezeichnet werden.
In dem Sensorelement 60 sind Festkörperelektrolytschichten 61, 62, die aus einem sauerstoffionen-leitfähigen Material wie zum Beispiel aus Zirkonoxid hergestellt sind, durch einen Abstandhalter 63 übereinander geschichtet, der aus einem isolierenden Material wie zum Beispiel aus Aluminiumoxid hergestellt ist. Die obere Festkörperelektrolytschicht 61 ist mit einem Abgaseinlass 61a versehen, durch den das Abgas in eine erste Kammer 64 eingebracht wird. Die erste Kammer 64 ist durch einen Drosselabschnitt 65 mit einer zweiten Kammer 66 verbunden. Ein poröse Diffusionsschicht 67 ist an einer oberen Fläche der oberen Festkörperelektrolytschicht 61 angeordnet, um das Abgas mit einem bestimmten Diffusionswiderstand einzubringen oder auszustoßen, und eine Isolierungsschicht 69 ist ferner an der oberen Fläche der oberen Festkörperelektrolytschicht 61 angeordnet, um einen Atmosphärendurchgang 69 zu definieren.
Eine Isolationsschicht 71 ist an einer unteren Fläche der unteren Festkörperelektrolytschicht 62 angeordnet, um einen Atmosphärendurchgang 72 zu definieren.
Die untere Festkörperelektrolytschicht 62 ist mit einer Pumpenzelle 81 vorgesehen, die zu der ersten Kammer 64 zugewandt ist. Die Pumpenzelle 81 bringt den Sauerstoff in die erste Kammer 64 ein oder stößt diesen aus dieser aus, um eine Restsauerstoffkonzentration in der ersten Kammer 64 auf einen bestimmten Wert einzustellen. Die Pumpenzelle 81 ist mit einem Paar Elektroden 82, 83 an ihrer oberen Fläche und ihrer unteren Fläche vorgesehen. Die obere Elektrode 82 in der ersten Kammer 84 ist eine NOx inaktive Elektrode. Wenn eine bestimmte Spannung zwischen den Elektroden 82, 83 angelegt wird, baut die Pumpenzelle 81 Sauerstoff in der ersten Kammer 64 ab, so dass der abgebaute Sauerstoff von der unteren Elektrode 83 in den Atmosphärendurchgang 72 ausgestoßen wird.
Die obere Festkörperelektrolytschicht 61 ist mit einer Monitorzelle 84 und einer Sensorzelle 85 versehen, die zu der zweiten Kammer 66 zugewandt sind. Nachdem der abgebaute Sauerstoff durch die Pumpenzelle 81 ausgestoßen wird, erzeugt die Monitorzelle 84 einen elektrischen Strom gemäß der Restsauerstoffkonzentration oder erzeugt eine elektrische Leistung gemäß der angelegten elektrischen Spannung. Die Sensorzelle 85 erfasst eine NOx Konzentration des Gases in der zweiten Kammer 66.
Die Monitorzelle 84 und Sensorzelle 85 sind benachbart ausgerichtet und haben ein Paar Elektroden 86, 87 in der zweiten Kammer 66 und eine gemeinsame Elektrode 88 in dem Atmosphärendurchgang 88. Das heißt, die Monitorzelle besteht aus der oberen Festkörperelektrolytschicht 61, der Elektrode 86 und der gemeinsamen Elektrode 88 und die Sensorzelle 85 besteht aus der oberen Festkörperelektrolytschicht 61, der Elektrode 87 und der gemeinsamen Elektrode 88. Die Elektrode 86 der Monitorzelle 84 ist aus einem Edelmetall wie zum Beispiel Au-Pt hergestellt, das inaktiv zu NOx ist. Die Elektrode 87 der Sensorzelle 85 ist aus einem Edelmetall wie zum Beispiel Pt, Rh hergestellt, das aktiv zu NOx ist. Obwohl 3 zeigt, dass die Monitorzelle 84 und der Sensorzelle 85 in einem Abgasstrom in Serie geschaltet ausgerichtet sind, sind die Monitorzelle 84 und die Sensorzelle 85 tatsächlich parallel geschaltet angeordnet.
Ein Heizelement 73 ist in der Isolationsschicht 71 zum Heizen des gesamten Sensorelements 60 angeordnet. Das Heizelement 73 empfängt einen Strom von einer Batterie und erzeugt eine Heizenergie, um das gesamte Sensorelement einschließlich der Pumpenzelle 81, der Monitorzelle 84 und der Sensorzelle 85 zu aktivieren.
In dem vorstehend beschriebenen Sensorelement 60 wird das Abgas durch die poröse Diffusionsschicht 67 und den Abgaseinlass 61a in die erste Kammer 64 eingebracht. Wenn das Abgas durch die Pumpenzelle 81 strömt und eine Pumpenzellenspannung zwischen den Pumpenzellenelektroden 82, 83 angelegt wird, tritt der Abbau von Sauerstoff auf, so dass der Sauerstoff durch die Pumpenzelle 81 gemäß der Sauerstoffkonzentration in der ersten Kammer 64 eingebracht oder ausgestoßen wird. Da die Elektrode 82 in der ersten Kammer 64 nicht aktiv zu NOx ist, wird NOx in der Pumpenzelle 81 nicht abgebaut, sondern es wird nur Sauerstoff in der Pumpenzelle 81 abgebaut, der von der Elektrode 83 in den Atmosphärendurchgang 72 ausgestoßen werden soll. Infolgedessen hält die Pumpenzelle 81 das Innere der ersten Kammer 64 auf eine bestimmte, niedrige Sauerstoffkonzentration.
Das Gas, das durch die Pumpenzelle 81 hindurchtritt, strömt in die zweite Kammer 66 und die Monitorzelle 84 erzeugt Ausgaben gemäß der Restsauerstoffkonzentration in dem Gas. Die Ausgabe der Monitorzelle 84 wird als ein Monitorzellenstrom durch Anlegen einer bestimmten Monitorzellenspannung zwischen den Monitorzellenelektroden 86, 88 erfasst. Außerdem wird, wenn eine bestimmte Sensorzellenspannung zwischen den Sensorzellenelektroden 87, 88 angelegt wird, NOx reduziert und wird Sauerstoff erzeugt. Der erzeugte Sauerstoff wird von der Elektrode 88 in den Atmosphärendurchgang 68 ausgestoßen. Zu diesem Zeitpunkt wird eine NOx Konzentration in dem Abgas auf der Grundlage des elektrischen Stroms erfasst, der durch die Sensorzelle 85 fließt. Dieser elektrische Strom wird als ein Sensorzellenstrom bezeichnet.
Wenn das Harnstoffwasser durch das UWA Ventil 44 eingespritzt wird, wird das NOx Reinigungsverhältnis des SCR Katalysators 42 auf der Grundlage der Ausgabe des NOx Sensors 47 berechnet. In einem derartigen Fall gibt, da der NOx Sensor Ammoniak (NH₃) sowie NOx in dem Abgas erfasst und wenn das überschüssige Ammoniak stromabwärtig des SCR Katalysators 42 aufgrund des Ammoniaküberschusses vorliegt, der NOx Sensor sein erfasstes Signal fehlerhaft aufgrund der Ammoniakerfassung aus. Infolgedessen wird das NOx Reinigungsverhältnis fehlerhaft berechnet, so dass die Harnstoffwasserzugabemenge nicht genau gesteuert werden kann.
Das heißt, wenn Ammoniak in dem SCR Katalysator 42 überschüssig ist und das überschüssige Ammoniak stromabwärtig des SCR Katalysators 42 ausgestoßen wird, strömt das Ammoniak beinhaltende Gas von der ersten Kammer 64 zu der zweiten Kammer 66 und die chemische Reaktion von Ammoniak tritt in der Sensorzelle 85 auf. Insbesondere tritt eine Oxidationsreaktion in der Sensorzelle 85 auf, wie in der nachstehenden chemischen Gleichung gezeigt ist, und erhöht sich die Ausgabe des NOx Sensors zusammen mit der Oxidationsreaktion. 4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O (5)
4A bis 4C zeigen ein Verhältnis zwischen der Harnstoffwasserzugabemenge und der NOx Konzentration stromabwärtig des Katalysators, ein Verhältnis zwischen der Harnstoffwasserzugabemenge und der NH₃ Konzentration bzw. ein Verhältnis zwischen der Harnstoffwasserzugabemenge und der NOx Sensorausgabe.
Wie in 4A und 4B gezeigt ist, wird, wenn die Harnstoffwasserzugabemenge erhöht wird, NOx durch den SCR Katalysator 42 gereinigt, so dass es sich verringert, und wird eine NH₃ Konzentration erhöht, nachdem das NOx Reinigungsverhältnis gesättigt ist. Wie vorstehend beschrieben ist, da der NOx Sensor Ammoniak sowie NOx erfasst, erhöht sich die Ausgabe des NOx Sensors, wenn sich das NOx und das Ammoniak erhöhen. Das heißt, die NOx Sensorausgabelinie ist in Bezug auf die Harnstoffwasserzugabemenge nach unten gewölbt, wie in 4C gezeigt ist.
In 4C ist die NOx Sensorausgabe ein minimaler Wert, wenn die Harnstoffwasserzugabemenge "A1" beträgt. In einer Region, in der die Harnstoffwasserzugabemenge geringer als "A1" ist und wenn die Harnstoffwasserzugabemenge erhöht wird, erhöht sich das NOx Reinigungsverhältnis und verringert sich die NOx Sensorausgabe. In einer Region, in der die Harnstoffwasserzugabemenge größer als "A1" ist und wenn die Harnstoffwasserzugabemenge verringert wird, verringert sich die NOx Sensorausgabe. Infolgedessen korrespondiert die Harnstoffwasserzugabemenge, bei der die NOx Sensorausgabe minimal ist, zu der Harnstoffwasserzugabemenge, bei der die Ammoniaküberschussmenge klein ist und das NOx Reinigungsverhältnis maximal ist. Durch Steuern der Harnstoffwasserzugabemenge derart, dass die NOx Sensorausgabe minimal wird, wird das NOx Reinigungsverhältnis hoch und wird die Ammoniaküberschussmenge minimal.
Gemäß der Charakteristik, die in 4C gezeigt ist, ist ein Variationsgradient der NOx Sensorausgabe relativ zu der Variation der Harnstoffwasserzugabemenge um den minimalen Wert der NOx Sensorausgabe herum klein. Wenn sich die Harnstoffwasserzugabemenge von dem minimalen Wert entfernt, erhöht sich der Variationsgradient der NOx Sensorausgabe. Einige NOx Sensoren haben keinen Variationsgradienten hinsichtlich deren Ausgabe rund um deren minimalem Wert.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Harnstoffwasserzugabemenge eingestellt und wird die NOx Sensorausgabe für jede Harnstoffwasserzugabemenge erhalten. Ein Zugabemengenanweisungswert wird auf der Grundlage der Harnstoffwasserzugabemenge berechnet, bei der NOx Sensorausgabe minimal ist. Der berechnete Zugabemengenanweisungswert wird als ein Sollwert festgelegt und die Harnstoffwasserzugabemenge wird gesteuert, um mit dem Sollwert übereinzustimmen.
Bezogen auf 5 ist nachstehend ein Harnstoffwassersteuerungsprozess beschrieben. Dieser Prozess wird durch die ECU 50 in einem vorbestimmten Zeitintervall wiederholt ausgeführt.
In einem Schritt S101 bestimmt der Rechner, ob der SCR Katalysator 42 aktiviert ist. Insbesondere bestimmt der Rechner, ob die Abgastemperatur größer als ein bestimmter Wert (zum Beispiel 150°C) ist. Wenn die Antwort JA ist, schreitet der Prozess zu einem Schritt S102 voran.
In den Schritten S102 bis S104 bestimmt der Rechner, ob eine Ausführungsbedingung für die Harnstoffwasserzugabemengensteuerung vorliegt. Insbesondere bestimmt in dem Schritt S102 der Rechner, ob eine Maschinendrehzahlvariation ΔNE zwischen einer vorherigen Maschinendrehzahl und einem derzeitigen Drehzahlwert geringer als ein bestimmter Wert ΔNE0 ist. In dem Schritt S103 bestimmt der Rechner, ob eine Kraftstoffeinspritzmengenvariation ΔQ zwischen einer vorherigen Kraftstoffeinspritzmenge und einer derzeitigen Kraftstoffeinspritzmenge geringer als ein bestimmter Wert ΔQ0 ist. In dem Schritt S104 bestimmt der Rechner, ob das NOx Reinigungsverhältnis geringer als ein bestimmtes Verhältnis "R0" ist. Das heißt, in den Schritten S102 und S103 bestimmt der Rechner, ob der Maschinenantriebszustand stabil ist. In dem Schritt S104 bestimmt der Rechner, ob es notwendig ist, den Zugabemengenanweisungswert zu aktualisieren, und zwar auf der Grundlage des derzeitigen NOx Reinigungsverhältnisses.
Wenn eine Antwort in den Schritten S102 bis S104 NEIN ist, schreitet der Prozess zu einem Schritt S105 voran. Wenn alle Antworten in den Schritten S102 bis S104 JA sind, schreitet der Prozess zu einem Schritt S106 voran. In dem Schritt S105 wird die Harnstoffwasserzugabe auf der Grundlage des derzeitigen Zugabemengenanweisungswerts ausgeführt. Dies korrespondiert zu einem normalen Harnstoffwasserzugabeprozess.
In dem Schritt S106 wird ein Erhöhungs-/Verringerungsprozess der Harnstoffwasserzugabemenge ausgeführt, um den Zugabemengenanweisungswert zu aktualisieren. Bezogen auf 6 ist der Erhöhungs-/Verringerungsprozess der Harnstoffwasserzugabemenge nachstehend ausführlich beschrieben. In dem Erhöhungs-/Verringerungsprozess wird die Harnstoffwasserzugabemenge in der Reihenfolge des Zugabemengenanweisungswerts, eines Zugabemengenerhöhungswerts und eines Zugabemengenverringerungswerts variiert. Die NOx Sensorausgabe wird fortlaufend erhalten. Eine Zeitdauer, in der die Harnstoffwasserzugabemenge auf der Grundlage des Zugabemengenanweisungswerts ausgeführt wird, ist als eine erste Zeitdauer bezeichnet, eine Zeitdauer, in der die Harnstoffwasserzugabe auf der Grundlage des Zugabemengenerhöhungswerts ausgeführt wird, ist als eine zweite Zeitdauer bezeichnet, und eine Zeitdauer, in der die Harnstoffwasserzugabe auf der Grundlage des Zugabemengenverringerungswerts ausgeführt wird, ist als eine dritte Zeitdauer bezeichnet.
In einem Schritt S201 bestimmt der Rechner, ob man sich in der ersten Zeitdauer befindet. Wenn die Antwort JA ist, schreitet der Prozess zu einem Schritt S202 voran, in dem die Harnstoffwasserzugabe auf der Grundlage des Zugabemengenanweisungswerts ausgeführt wird. Dann schreitet der Prozess zu einem Schritt S203 voran, in dem eine NOx Sensorausgabe V1 gespeichert wird.
Wenn die Antwort in dem Schritt S201 NEIN ist, schreitet der Prozess zu einem Schritt S204 voran, in dem der Rechner bestimmt, ob man sich in der zweiten Zeitdauer befindet. Wenn die Antwort in dem Schritt S204 JA ist, schreitet der Prozess zu einem Schritt S205 voran, in dem der Zugabeanweisungswert um einen bestimmten Wert α erhöht wird und die Harnstoffwasserzugabe auf der Grundlage des Zugabemengenerhöhungswerts (Zugabemengenanweisungswerts + α) ausgeführt wird. Dann schreitet der Prozess zu einem Schritt S206 voran, in dem eine NOx Sensorausgabe V2 gespeichert wird.
Wenn die Antwort in dem Schritt S204 NEIN ist, kann angenommen werden, dass man sich in der dritten Zeitdauer befindet. Der Prozess schreitet zu einem Schritt S207 voran, in dem der Zugabemengenanweisungswert um den bestimmten Wert α verringert wird und die Harnstoffwasserzugabe auf der Grundlage des Zugabemengenverringerungswerts (Zugabemengenanweisungswert – α) ausgeführt wird. Dann schreitet der Prozess zu einem Schritt S208 voran, in dem eine NOx Sensorausgabe V3 gespeichert wird.
Bezogen auf 5 bestimmt der Rechner in einem Schritt S107, ob der vorstehende Erhöhungs-/Verringerungsprozess abgeschlossen wurde. Wenn der Erhöhungs-/Verringerungsprozess, der in 6 gezeigt ist, abgeschlossen wurde, schreitet der Prozess zu einem Schritt S108 voran. Wenn die Antwort in dem Schritt S107 NEIN ist, endet der Prozess einmal.
In dem Schritt S108 leitet der Rechner eine minimale Sensorausgabe Vmin aus den vorstehenden NOx Sensorausgaben V1 bis V3 her. In einem Schritt S109 leitet der Rechner eine maximale Sensorausgabe Vmax aus den vorstehenden NOx Sensorausgaben V1 bis V3 her.
Dann schreitet der Prozess zu einem Schritt S110 voran, in dem der Rechner bestimmt, ob eine Differenz zwischen der maximalen Sensorausgabe Vmax und der minimalen Sensorausgabe Vmin größer als ein bestimmter Wert V0 ist.
Wenn die Antwort in dem Schritt S110 NEIN ist, bestimmt der Rechner, dass es nicht erforderlich ist, den Zugabemengenanweisungswert zu aktualisieren, und der Prozess endet. Wenn die Antwort in dem Schritt S110 JA ist, schreitet der Prozess zu einem Schritt S111 voran.
In dem Schritt S111 bestimmt der Computer, ob die NOx Sensorausgabe V1 die minimale Sensorausgabe Vmin ist. Wenn die Antwort NEIN ist, schreitet der Prozess zu einem Schritt S112 voran. Wenn die Antwort JA ist, schreitet der Prozess zu einem Schritt S113 voran.
In dem Schritt S112 wird die Harnstoffwasserzugabemenge, die zu der minimalen Sensorausgabe Vmin korrespondiert, in dem EEPROM 51 als der Zugabemengenanweisungswert gespeichert. Zu diesem Zeitpunkt wird entweder der Zugabemengenerhöhungswert oder der Zugabemengenverringerungswert als ein neuer Zugabemengenanweisungswert gespeichert. Dieser neue Zugabemengenanweisungswert korrespondiert zu einem Lernwert. Dadurch wird die Aktualisierung des Zugabemengenanweisungswerts abgeschlossen.
In dem Schritt S113 wird die Variationsbreite des Zugabemengenanweisungswerts verkleinert und wird der Zugabemengenerhöhungs-/Verringerungsprozess erneut ausgeführt. Nachdem der Zugabemengenerhöhungs-/Verringerungsprozess erneut ausgeführt wird, wird der Zugabemengenanweisungswert aktualisiert (Schritte S108 bis S112).
Alternativ wird, wenn die Antwort für mehrere bestimmte Male in dem Schritt S111 wiederholt JA ist, die Variationsbreite verkleinert und wird der Zugabemengenerhöhungs-/Verringerungsprozess erneut ausgeführt. Das heißt, wenn der Harnstoffwassermengenerhöhungs-/Verringerungsprozess und die Abfrage der minimalen Sensorausgabe wiederholt ausgeführt wurden und wenn die NOx Sensorausgabe, die auf dem ursprünglichen Zugabemengenanweisungswert basiert, wiederholt die minimale Sensorausgabe Vmin für die bestimmten Male ist, wird der Erhöhungs-/Verringerungsprozess (der Prozess, der in 6 gezeigt ist) erneut ausgeführt.
Der Zugabemengenanweisungswert, bei dem die NOx Sensorausgabe minimal ist, verändert sich nicht sukzessiv. Wenn der Maschinenantriebszustand stabil ist, ist der Zugabemengenanweisungswert ein konstanter Wert. Somit ist es nicht erforderlich, den Zugabemengenanweisungswert wiederholt zu berechnen, wenn der Maschinenantriebszustand stabil ist. Zum Beispiel kann jedes Mal, wenn die ECU mit Energie beaufschlagt wird, der Zugabemengenanweisungswert nur einmal berechnet werden.
Die Charakteristik der NOx Sensorausgabe in Bezug auf die Harnstoffwasserzugabemenge variiert gemäß dem Maschinenantriebszustand. Insbesondere wird, wenn die Abgasmenge oder die Abgastemperatur gemäß dem Maschinenantriebszustand variiert wird, die Charakteristik der NOx Sensorausgabe variiert. Wie in 7 gezeigt ist, verändert sich die Charakteristik der Sensorausgabe von "L1" zu "L2", wenn sich die Abgasmenge erhöht. Ferner verändert sich, wenn die Abgastemperatur verringert wird, die Charakteristik in derselben Art und Weise. Somit ist es wünschenswert, dass der Zugabemengenanweisungswert mit dem Maschinenantriebszustand gelernt wird. Zum Beispiel werden die Maschinenlast (Beschleunigerbetätigungsausmaß) und die Maschinendrehzahl als Antriebszustandsparameter festgelegt und wird der Zugabemengenanweisungswert in Bezug auf jeden Parameter gelernt.
Alternativ kann der Zugabemengenanweisungswert in Bezug auf die Abgasmenge und die Abgastemperatur gelernt werden.
Der Prozess des Zugabemengenerhöhungs-/Verringerungsprozesses und die Abfrage der minimalen Sensorausgabe sind nachstehend ausführlich beschrieben. 8A und 8B sind Zeitdiagramme, die einen Übergang der NOx Sensorausgabe zeigen, wenn die Harnstoffwasserzugabemenge variiert wird. 9A bis 10B sind Diagramme, die die Charakteristik der NOx Sensorausgabe schematisch zeigen.
8A und 8B zeigen die erste Zeitdauer T1, die zweite Zeitdauer T2 und die dritte Zeitdauer T3. 9A bis 10B korrespondieren zu 4C. In 9A bis 10B sind die Charakteristika der NOx Sensorausgabe in einer V-Form dargestellt, um die NOx Sensorausgabe einfach zu erläutern. In 9A bis 10B stellen die römischen Zahlen I, II, III eine Variationsreihenfolge der Harnstoffwasserzugabemenge dar. Die römische Zahl "I" stellt die Harnstoffwasserzugabe durch den Zugabemengenanweisungswert dar, die Zahl "II" stellt die Harnstoffwasserzugabe durch den Zugabemengenerhöhungswert dar, und die Zahl "III" stellt die Harnstoffwasserzugabe durch den Zugabemengenverringerungswert dar.
Die NOx Sensorausgabe verändert sich gemäß der Harnstoffwasserzugabemenge.
Zum Beispiel sind in einem Fall, der in 9A gezeigt ist, der Zugabemengenanweisungswert, der Zugabemengenerhöhungswert und der Zugabemengenverringerungswert größer als die Harnstoffwasserzugabemenge, die zu der minimalen Sensorausgabe korrespondiert. Die NOx Sensorausgabe V3 ist ein minimaler Wert. Somit wird der Zugabemengenanweisungswert mit der Harnstoffwasserzugabemenge aktualisiert, die zu der NOx Sensorausgabe V3 korrespondiert.
8A ist ein Zeitdiagramm, das den Fall von 9A zeigt. Wie in 8A gezeigt ist, wird ein Ausgabeintervall eines Ventilöffnungsanweisungsimpulses des UWA Ventils 44 variiert, so dass die Harnstoffwasserzugabemenge variiert wird. Zusammen mit der Variation der Harnstoffwasserzugabemenge werden die NOx Sensorausgaben V1, V2, V3 erhalten, und die NOx Sensorausgabe V3 ist die minimale Sensorausgabe Vmin.
Die dritte Zeitdauer T3 ist länger als die zweite Zeitdauer T2. Beim Vergleichen eines Falles, in dem die Harnstoffwasserzugabemenge erhöht wird, mit einem Fall, in dem die Harnstoffwasserzugabemenge verringert wird, unterscheidet sich eine Ansprechgeschwindigkeit des NOx Sensors. Die Ansprechgeschwindigkeit ist in dem letzteren Fall langsam. Dies basiert darauf, dass eine Ammoniakverbrauchsgeschwindigkeit des SCR Katalysators 42 geringer als eine Ammoniakabsorptionsgeschwindigkeit des SCR Katalysators 42 ist. Wie vorstehend beschrieben ist, da sich die Harnstoffwasserzugabezeitdauer zwischen einem Fall, in dem die Harnstoffwassermenge erhöht wird, und einem Fall unterscheidet, in dem die Harnstoffwassermenge verringert wird, wird die Sensorausgabe geeignet erhalten, selbst wenn die Harnstoffwasserzugabemenge erhöht oder verringert wird. Außerdem kann in beiden Fällen eine minimal erforderliche Zeitdauer bestimmt werden.
Nachdem die NOx Sensorausgabe V3 als die minimale Sensorausgabe Vmin erhalten wird, wird ein ähnlicher Zugabemengenerhöhungs-/Verringerungsprozess fortlaufend ausgeführt, um eine minimale Sensorausgabe Vmin abzufragen. In diesem Fall wird, wie in 8B und 9B gezeigt ist, die Harnstoffwasserzugabe durch den vorherig berechneten Zugabemengenanweisungswert (V3 in 9A) als ein derzeitiger Zugabemengenanweisungswert ausgeführt. Nachdem die NOx Sensorausgabe V1' erhalten wird, werden die Harnstoffwasserzugabe durch den Zugabemengenerhöhungswert und die Harnstoffwasserzugabe durch den Zugabemengenverringerungswert ausgeführt. Dann werden die NOx Sensorausgaben V2' und V3' erhalten. Die NOx Sensorausgabe V1' ist eine minimale Sensorausgabe und der Zugabemengenanweisungswert wird nicht aktualisiert. Außerdem korrespondiert in 8B ein Wert von (V2' – V1) zu einer Variationsbreite (Vmax – Vmin). Wenn diese Variationsbreite kleiner als ein bestimmter Wert ist, wird der Zugabemengenanweisungswert nicht aktualisiert.
Wenn der Zugabemengenerhöhungs-/Verringerungsprozess, der in 9A und 9B gezeigt ist, fortlaufend ausgeführt wird, ist es bereits bekannt, dass die NOx Sensorausgabe in einem Fall erhöht wird (V2' > V1'), in dem sich die Zugabemenge erhöht, wie in 9B gezeigt ist. Infolgedessen kann die Harnstoffwasserzugabemenge nur verringert werden.
10A und 10B zeigen einen Fall, in dem der Zugabemengenerhöhungs-/Verringerungsprozess in Bezug auf den derzeitigen Zugabemengenanweisungswert ausgeführt wird und dann der Zugabemengenerhöhungs-/Verringerungsprozess erneut ausgeführt wird, während die Variationsbreite verkleinert ist.
Wie in 10A gezeigt ist, werden in Bezug auf den Zugabemengenanweisungswert, den Zugabemengenerhöhungswert und den Zugabemengenverringerungswert die NOx Sensorausgaben V1 bis V3 entsprechend erhalten. In diesem Fall ist die NOx Sensorausgabe V1 die minimale Sensorausgabe Vmin. Daher ist es möglich, dass ein besser geeigneter Zugabemengenanweisungswert zwischen der maximalen Zugabemenge (Zugabemengenerhöhungswert) und der minimalen Zugabemenge (Zugabemengenverringerungswert) vorliegt, bei dem die NOx Sensorausgabe kleiner wird. Somit wird, wie in 10B gezeigt ist, der Zugabemengenerhöhungs-/Verringerungsprozess erneut ausgeführt, während die Variationsbreite relativ zu dem Zugabemengenanweisungswert verkleinert ist.
In 10B wird, da die NOx Sensorausgabe V3', die minimale Sensorausgabe ist, der Zugabemengenanweisungswert durch die Harnstoffwasserzugabemenge aktualisiert, die zu der NOx Sensorausgabe V3' korrespondiert.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel können die nachstehenden Vorteile erreicht werden.
Die Harnstoffwasserzugabe wird ausgeführt, während die Harnstoffwasserzugabemenge variiert wird, und die NOx Sensorausgabe wird in Bezug auf jede Zugabemenge erhalten. Der Zugabemengenanweisungswert wird auf der Grundlage der Harnstoffwasserzugabemenge berechnet, bei der die Sensorausgabe der minimale Wert ist. Infolgedessen kann die Harnstoffwasserzugabemenge, bei der die Ammoniaküberschussmenge klein ist und das NOx Reinigungsverhältnis maximal ist, als der Zugabemengenanweisungswert festgelegt werden. Als Ergebnis kann die NOx Menge stromabwärtig des SCR Katalysators 42 korrekt erfasst werden, so dass das NOx Reinigungsverhältnis genau berechnet werden kann.
Des Weiteren wird, während die Maschine betrieben wird, die Harnstoffwasserzugabe durch das Harnstoffwasserzugabeventil 44 mit dem Zugabemengenanweisungswert als dem Sollwert ausgeführt, so dass das NOx Reinigungsverhältnis auf einem maximalen Wert gehalten werden kann. Ein Ausstoß von Ammoniak zu der stromabwärtigen Seite des SCR Katalysators 42 wird so gut wie möglich verhindert. Das heißt, das NOx Reinigungsverhältnis kann hoch gehalten werden und der Ammoniaküberschuss kann reduziert werden.
Drei Schritte der Harnstoffwasserzugabe werden ausgeführt, während der Zugabemengenanweisungswert um eine bestimmte Variationsbreite erhöht/verringert wird. Wenn die mittlere Menge der Harnstoffwasserzugabe mit drei Schritten zu der minimalen NOx Sensorausgabe korrespondiert, wird die Variationsbreite verkleinert und wird die Harnstoffwasserzugabemenge erneut variiert. Somit kann der geeignete Zugabemengenanweisungswert korrekt erhalten werden.
Nur wenn das NOx Reinigungsverhältnis relativ gering ist, wird der Zugabemengenanweisungswert aktualisiert. Infolgedessen kann eine nicht erforderliche Berechnung (Aktualisierung) des Zugabemengenanweisungswerts vermieden werden, wenn das NOx Reinigungsverhältnis geeignet ist, und es ist nicht erforderlich, dass der Zugabemengenanweisungswert aktualisiert werden muss.
Wenn die Differenz zwischen der maximalen Sensorausgabe Vmax und der minimalen Sensorausgabe Vmin geringer als der bestimmte Wert V0 ist, wird der Zugabemengenanweisungswert nicht neu berechnet. Somit kann eine nicht erforderliche Berechnung (Aktualisierung) des Zugabemengenanweisungswerts vermieden werden.
Da der Zugabemengenanweisungswert, bei dem die NOx Sensorausgabe minimal ist, in dem EEPROM 51 als der Lernwert gespeichert wird, ist die Charakteristik des NOx Sensors konstant gehalten, um die Harnstoffwasserzugabe bevorzugt auszuführen. Außerdem kann, da der Zugabemengenanweisungswert mit einer minimalen Häufigkeit berechnet werden kann, eine Berechnungslast zum Berechnen des Zugabemengenanweisungswerts reduziert werden.
Des Weiteren kann, da der Zugabemengenanweisungswert in dem EEPROM 51 zusammen mit dem Maschinenantriebszustand gespeichert wird, ein geeigneter Zugabemengenanweisungswert festgelegt werden, selbst wenn der Maschinenantriebszustand verändert wird.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern sie kann zum Beispiel in der nachstehenden Art und Weise ausgeführt sein.

– In dem vorstehenden Ausführungsbeispiel wird, während die Variationsbreite beim Variieren der Harnstoffwasserzugabemenge konstant ist, die Harnstoffwasserzugabemenge von dem Zugabemengenerhöhungswert über den Zugabemengenanweisungswert zu dem Zugabemengenverringerungswert variiert. Diese Reihenfolge kann wie folgt verändert werden. Zum Beispiel kann, wie in 11A gezeigt ist, die Harnstoffwasserzugabemenge nur in einer Erhöhungsrichtung variiert werden. In 11A wird die Harnstoffwasserzugabemenge um eine konstante Menge in der Reihenfolge der römischen Zahlen I bis IV erhöht und wird die NOx Sensorausgabe erhalten. Alternativ kann, wie in 11B gezeigt ist, die Harnstoffwasserzugabemenge erhöht werden, während die Variationsbreite verändert wird. In 11B ist die Variationsmenge relativ groß, wenn die Harnstoffwasserzugabemenge von "I" über "II" zu "III" variiert wird. Dann wird die Variationsbreite verkleinert, wenn die Harnstoffwasserzugabemenge von "III" über "IV" zu "V" variiert wird.
– Die Variationsbreite der Harnstoffwasserzugabemenge kann gemäß der NOx Sensorausgabe festgelegt sein. Zum Beispiel erhöht sich die Variationsbreite der Harnstoffwasserzugabemenge, wenn sich die NOx Sensorausgabe erhöht. Wie in 4 gezeigt ist, wenn die NOx Sensorausgabe relativ groß ist, wird auch das Variationsverhältnis der NOx Sensorausgabe relativ groß. Wenn die NOx Sensorausgabe relativ klein ist, wird auch das Variationsverhältnis der NOx Sensorausgabe relativ klein. Infolgedessen kann durch Festlegen der Variationsbreite der Harnstoffwasserzugabemenge auf der Grundlage der NOx Sensorausgabe die minimale NOx Sensorausgabe geeignet erhalten werden.
– Auf der der Grundlage einer Differenz zwischen der NOx Sensorausgabe vor einer Veränderung der Harnstoffwasserzugabemenge und der NOx Sensorausgabe nach einer Veränderung der Harnstoffwasserzugabemenge kann abgeschätzt werden, ob die Harnstoffwasserzugabemenge, bei der die NOx Sensorausgabe minimal ist, an einer Erhöhungsseite oder einer Verringerungsseite liegt. Auf Grundlage dieses abgeschätzten Ergebnisses kann die Harnstoffwasserzugabemenge erhöht oder verringert werden. Zum Beispiel wird, wenn die NOx Sensorausgabe aufgrund der Variation der Harnstoffwasserzugabemenge erhöht wird, eine Erhöhungs-/Verringerungsrichtung der Harnstoffwasserzugabemenge umgekehrt. Alternativ wird, wenn die NOx Sensorausgabe aufgrund der Variation der Harnstoffwasserzugabemenge verringert wird, die Harnstoffwasserzugabemenge in derselben Erhöhungs-/Verringerungsrichtung variiert. Gemäß dieser Gestaltung wird die Harnstoffwasserzugabemenge in einer Richtung variiert, in der die minimale Sensorausgabe vorliegt. Somit kann der Erhöhungs-/Verringerungsprozess der Harnstoffwasserzugabemenge vereinfacht werden.
– Wenn es bestimmt ist, dass der Ammoniaküberschusskatalysator 43 nicht aktiv ist, kann der Erhöhungs-/Verringerungsbetrieb der Harnstoffwasserzugabemenge und die Aktualisierung des Harnstoffwasserzugabeanweisungswerts ausgeführt werden. Insbesondere bestimmt die ECU 50 den Zustand des Ammoniaküberschusskatalysators 43 auf der Grundlage der Temperatur des Katalysators 43 oder einer verstrichenen Zeit nach dem Start der Maschine. Wenn es bestimmt ist, dass der Ammoniaküberschusskatalysator 43 nicht aktiv ist, wird der Erhöhungs-/Verringerungsprozess der Harnstoffwasserzugabemenge ausgeführt. In einem derartigen Fall wird der Ausstoß von Ammoniak stromabwärtig des SCR Katalysators 42 verhindert und wird ein Ausstoß von Ammoniak zu der Atmosphäre verhindert.
– In dem vorstehenden Ausführungsbeispiel wird die Harnstoffwasserzugabemenge durch Einstellen des Ausgabeintervalls des Ventilöffnungsanweisungsimpulses an dem UWA Ventil 44 gesteuert. Alternativ kann die Harnstoffwasserzugabemenge durch Einstellen einer Impulslänge des Ventilöffnungsanweisungsimpulses gesteuert werden.
– Der NOx Sensor kann eine Gestaltung aufweisen, die sich von der Gestaltung unterscheidet, die in 3 gezeigt ist. Zum Beispiel kann der NOx Sensor eine Pumpenzelle und eine Sensorzelle außer einer Monitorzelle (zweite Pumpenzelle) haben. Alternativ kann das Sauerstoffpumpen zwischen der Pumpenzelle und der Atmosphäre ausgeführt werden.
– Als eine Reduktionsmittelzugabeeinrichtung kann eine Harnstoffwasserzugabedüse anstelle des UWA Ventils 44 verwendet werden.

Eine Abgasleitung (22) ist mit einem Oxidationskatalysator (41), einem SCR Katalysator (ammoniak-selektiven Reduktionskatalysator) (42) und einem Ammoniaküberschusskatalysator (43) vorgesehen. In der Abgasleitung (22) ist ein Harnstoffwasserzugabeventil (44) zwischen dem Oxidationskatalysator (41) und dem SCR Katalysator (42) vorgesehen. Ein NOx Sensor (47), der die NOx Menge in einem Abgas erfasst, ist stromabwärtig des SCR Katalysators (42) vorgesehen. Eine ECU (50) steuert das Harnstoffwasserzugabeventil (44), um das Harnstoffwasser zu dem Abgas zuzugeben. Während das Harnstoffwasser zu dem Abgas zugegeben wird, erhält die ECU (50) fortlaufend eine NOx Sensorausgabe und berechnet einen Zugabemengenanweisungswert, bei dem die NOx Sensorausgabe minimal wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- JP 2003-314256 A [0004]

Claims

Abgasreinigungsgerät für eine Brennkraftmaschine (10), das einen NOx Reduktionskatalysator (42), der in einer Abgasleitung (22) vorgesehen ist, eine Reduktionsmittelzugabeeinrichtung (44) zum Zugeben eines Reduktionsmittels stromaufwärtig des NOx Reduktionskatalysators und einen NOx Sensor (47) hat, der eine NOx Menge stromabwärtig des NOx Reduktionskatalysators erfasst, wobei das Abgasreinigungsgerät eine Reduktionsmittelzugabe mittels der Reduktionsmittelszugabeeinrichtung (44) gemäß einem Zugabemengenanweisungswert eines Sollwerts ausführt, wobei das Abgasreinigungsgerät Folgendes aufweist: eine Zugabemengesteuerungseinrichtung (50) zum Steuern einer Zugabemenge des Reduktionsmittels, das durch die Reduktionsmittelzugabeeinrichtung (44) zugegeben wird; und eine Anweisungswertberechnungseinrichtung (50) zum Berechnen des Zugabemengenanweisungswerts, bei dem eine Sensorausgabe des NOx Sensors (47) minimal wird, während die Sensorausgabe in Bezug auf jede Zugabemenge des Reduktionsmittels erhalten wird, die durch die Zugabemengesteuerungseinrichtung (50) gesteuert wird.
Abgasreinigungsgerät nach Anspruch 1, wobei die Zugabemengesteuerungseinrichtung (50) eine Zugabemenge des Reduktionsmittels zumindest zu einer Erhöhungsseite oder einer Verringerungsseite relativ zu dem Zugabemengenanweisungswert als eine Referenz variiert.
Abgasreinigungsgerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zugabemengesteuerungseinrichtung (50) zumindest drei Schritte von Reduktionsmittelzugaben ausführt, während die Zugabemenge des Reduktionsmittels mit einer vorbestimmten Variationsbreite variiert wird, und die Zugabemengesteuerungseinrichtung (50) die Reduktionsmittelzugabe erneut ausführt, während die Variationsbreite verkleinert wird, und zwar in einem Fall, in dem die Sensorausgabe in Bezug auf eine mittlere Menge an Reduktionsmittel aus den zumindest drei Schritten von Reduktionsmittelzugaben minimal wird.
Abgasreinigungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das des Weiteren eine Abschätzeinrichtung (50) zum Abschätzen, ob eine Zugabemenge des Reduktionsmittels zum Erhalten eines minimalen Werts der Sensorausgabe an einer Verringerungsseite oder einer Erhöhungsseite liegt, auf der Grundlage der Sensorausgabe vor einem Variieren der Zugabemenge und der Sensorausgabe nach einem Variieren der Zugabemenge hat, wobei die Zugabemengesteuerungseinrichtung (50) die Zugabemenge des Reduktionsmittels auf der Grundlage einer Abschätzung durch die Abschätzeinrichtung (50) erhöht oder verringert.
Abgasreinigungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Zugabemengesteuerungseinrichtung (50) eine Variationsbreite der Zugabemenge des Reduktionsmittels auf der Grundlage des Ausgabewerts des NOx Sensors (47) festlegt.
Abgasreinigungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Anweisungswertberechnungseinrichtung (50) den Zugabemengenanweisungswert nicht neu berechnet, wenn eine Differenz zwischen einem minimalen Wert der Sensorausgabe und einem maximalen Wert der Sensorausgabe, die aufgrund einer Variation der Zugabemenge des Reduktionsmittels erhalten werden, innerhalb eines bestimmten Werts liegt.
Abgasreinigungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Zugabemengesteuerungseinrichtung (50) die Zugabemenge in einem bestimmten Einspritzintervall verringert, das länger als ein anderes Einspritzintervall ist, bei dem die Zugabemenge erhöht wird.
Abgasreinigungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, das des Weiteren eine Lerneinrichtung (50) zum Speichern des Zugabemengenanweisungswerts in einem Backupspeicher (51) als einen Lernwert und zum Aktualisieren des Lernwerts hat, falls es erforderlich ist.
Abgasreinigungsgerät nach Anspruch 8, wobei die Lerneinrichtung (50) den Zugabemengenanweisungswert zusammen mit einem Antriebszustand der Brennkraftmaschine zu einem Zeitpunkt einer Steuerung der Zugabemenge des Reduktionsmittels speichert.
Abgasreinigungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, das des Weiteren Folgendes aufweist: einen stromabwärtig des NOx Reduktionskatalysators (42) angeordneten Oxidationskatalysator (43) zum Reinigen des Reduktionsmittels; und eine Bestimmungseinrichtung (50) zum Bestimmen, ob der Oxidationskatalysator (43) aktiv ist, wobei wenn die Bestimmungseinrichtung (50) bestimmt, dass der Oxidationskatalysator (43) nicht aktiv ist, die Anweisungswertberechnungseinrichtung (50) eine Berechnung des Zugabemengenanweisungswerts ausführt.
Abgasreinigungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der NOx Sensor (47) mit einem Sensorelement (60) versehen ist, das einen Festkörperelektrolyt (61, 62) und eine NOx Erfassungselektrode (86, 87, 88) hat, die an dem Festkörperelektrolyt (61, 62) vorgesehen ist.