DE102013109129A1

DE102013109129A1 - NOx-verarbeitende Vorrichtung für einen Motor, die einen Ozonerzeuger aufweist

Info

Publication number: DE102013109129A1
Application number: DE201310109129
Authority: DE
Inventors: Masumi Kinugawa; Shigeto Yahata; Yuuki Tarusawa; Keiji Noda
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2012-08-30
Filing date: 2013-08-23
Publication date: 2014-03-06
Also published as: JP5761139B2; JP2014047669A

Abstract

Eine NOx-verarbeitende Vorrichtung (3) weist einen Ozonerzeuger (6) auf, der Ozon erzeugt und das Ozon einem Ozonzuführungsgang (31) zuführt, der mit einem Abgasgang (2a) des Motors (1) verbunden ist, der mit einem Turbolader (15) versehen ist. Der Ozonerzeuger (6) erzeugt ein Entladungsplasma in einem Entladungsraum (63). Das Entladungsplasma erzeugt das Ozon aus Sauerstoff in der Luft, die durch den Entladungsraum (63) strömt. Stickoxide (NOx) im Abgas werden zu Salpetersäure oder einem Vorläufer von Salpetersäure umgewandelt, um aus dem Abgas entfernt zu werden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Verarbeitungsvorrichtung, die Stickoxide (NOx) in Auspuffgasen absorbiert und abtrennt. Insbesondere betrifft die vorliegende Offenbarung eine NOx-verarbeitende Vorrichtung, die einen Ozonerzeuger aufweist und die, sogar unmittelbar nachdem ein Motor in kaltem Zustand gestartet wurde, eine hohe NOx-Absorptions- und Abtrennleistung aufweist.
HINTERGRUND
Herkömmlicher Weise entfernt eine NOx-verarbeitende Vorrichtung für einen Motor NOx aus den ausgestoßenen Auspuffgasen mittels eines Katalysators, der eine NOx-reduzierende Behandlung ausübt. Als Katalysator sind ein NOx-Speicher-Reduktions-Katalysator, ein NOx-Absorptions-Reduktions-Katalysator und ein selektiver Reduktions-Katalysator bekannt. In diesen Katalysatoren ist der Katalysator nicht zum Entfernen von NOx aktiviert, wenn die Umgebungstemperatur niedriger liegt als die Betriebstemperatur (nicht weniger als 200°C).
Ferner werden im NOx-Speicher-Reduktions-Katalysator und im NOx-Absorptions-Reduktions-Katalysator Edelmetalle wie Platin verwendet, was ihre Kosten erhöht. Andererseits ist, obgleich der selektive Reduktions-Katalysator unedle Metalle verwendet, eine Einspritzvorrichtung zum Einspritzen von Harnstoffwasser in das Abgas notwendig. Um eine Abgabe von Ammoniak in die Atmosphäre zu verhindern, ist ferner ein Ammoniak-Entfernungs-Katalysator erforderlich.
Die JP-2001-187316 A ( USP-6,136,284 ) offenbart ein Verfahren zum Entfernen von NOx aus Abgas. In diesem Verfahren wird ein von einem Ozonerzeuger erzeugtes Ozongas einem Ozonabsorber zugeführt und ein Stickoxidgas wird einem Reaktorgang zugeführt. Ein verwirbelter Gasstrom, der die Stickoxide umfasst wird dem Ozonabsorber zugeführt, um das Ozon zu desorbieren. Der verwirbelte Gasstrom, der das Ozon umfasst, wird dem Reaktorgang zugeführt, wodurch die Stickoxide aus dem Gasstrom entfernt werden. In einem Reaktorgang reagieren Stickoxide mit dem Ozon und werden zu N₂O₅ umgewandelt. Wenn die Luft Feuchtigkeit enthält wird auch Salpetersäure erzeugt. Der Gasstrom, der N₂O₅ und Salpetersäure umfasst wird ferner einer Nassreinigungsvorrichtung zugeführt und von einer Wasserlösung absorbiert.
In dem obigen Verfahren wird hochkonzentriertes Ozon dem Abgas zugeführt. Ein Ozonabsorber, der Struktursorptionsmaterialien wie ein Kieselgel umfasst, führt somit abwechselnd einen Absorptionsvorgang des Ozons und einen Desorptionsvorgang des Ozons aus.
Allerdings nimmt in dem obigen Verfahren die Vorrichtung zum Entfernen von NOx große Ausmaße an. Das Verfahren ist somit für einen Motor für ein Fahrzeug nicht geeignet. Außerdem ist es bei dem obigen Verfahren schwierig, eine Ozonzufuhrstömungsrate schnell zu verändern. Das Verfahren ist somit nicht geeignet für einen Motor für ein Fahrzeug bei dem die Abgasströmungsrate sich signifikant verändert und bei dem sich auch die NOx-Konzentration signifikant verändert.
ZUSAMMENFASSUNG
Es ist ein Ziel der vorliegenden Offenbarung, eine NOx-verarbeitende Vorrichtung für einen Motor bereitzustellen, die in der Lage ist, Stickoxide (NOx), sogar unmittelbar nachdem ein Motor kalt gestartet wird, zu entfernen, ohne teure Katalysatoren wie Edelmetalle zu verwenden. Ferner ist die NOx-verarbeitende Vorrichtung in der Lage, Ozon einer Veränderung der NOx-Strömungsrate in dem Abgas entsprechend schnell zuzuführen und sie ist in der Lage, mittels eines Ozonerzeugers hochkonzentriertes Ozon zuzuführen.
Nach der vorliegenden Offenbarung weist eine NOx-verarbeitende Vorrichtung einen Ozonerzeuger auf, der Ozon erzeugt und das Ozon einem Ozonzuführungsgang zuführt, der mit dem Auspuff des Motors, der mit einem Turbolader versehen ist, in Verbindung steht. Der Ozonerzeuger weist einen Luftströmungsgang auf, der mit einem Zuluftgang des Motors auf so verbunden ist, dass ein Teil der komprimierten Zuluft in den Luftströmungsgang eingebracht wird. Der Ozonerzeuger erzeugt in einem Entladungsraum, der zwischen dem Luftströmungsgang und dem Ozonzuführungsgang definiert ist, ein Entladungsplasma. Das Entladungsplasma erzeugt aus Sauerstoff in der Luft, die durch den Entladungsraum strömt, das Ozon. Eine Steuervorrichtung steuert die Ozonströmungsrate, die von dem Ozonerzeuger erzeugt wird, entsprechend eines Betriebszustandes des Motors. Die Stickoxide im Abgas werden zu Salpetersäure oder einem Vorläufer von Salpetersäure umgewandelt, um aus dem Auspuffgas entfernt zu werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die obigen und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung, die unter Bezug auf die begleitenden Figuren vorgenommen wird, deutlicher offenbart werden. In den Figuren ist:
1 ein Diagramm, das schematisch eine gesamte Struktur einer NOx-verarbeitenden Vorrichtung nach einer ersten Ausführungsform darstellt;
2 ist eine Teilansicht des Ozonerzeugers nach der ersten Ausführungsform;
3 stellt eine schematisch Wellenformen des Hochspannungspulses dar, wenn seine Frequenz hoch ist und wenn seine Frequenz niedrig ist;
4 ist ein Flussdiagramm, das ein Steuerprogramm darstellt, das in der Steuervorrichtung nach der ersten Ausführungsform gespeichert ist;
5 ist ein Diagramm, das einen Zusammenhang zwischen einer Motordrehzahl, einer Einspritzmenge und einer Stickstoffmonoxid(NO)-Konzentration im Abgas darstellt;
6 ist ein Diagramm, das einen Zusammenhang zwischen einer Zuluftströmungsrate, einer Abgastemperatur und einer Umwandlungsrate von NO zu NO₂ darstellt;
7 ist ein Diagramm, das einen Zusammenhang zwischen einer Zuluftströmungsrate „Ga”, einer Abgastemperatur „Te” und einem Abgasdruck „Pe” darstellt;
8 ist ein Diagramm, das einen Zusammenhang zwischen einer Luftfeuchtigkeit, einer Hochspannungsfrequenz, die an eine Entladungseinheit angelegt wird, und einer Ozonkonzentration darstellt;
9 ist ein Diagramm, das einen Zusammenhang zwischen einem Feuchtigkeitskoeffizienten, einer Luftfeuchtigkeit und einer Ozonkonzentration darstellt;
10 ist ein Diagramm, das einen Zusammenhang zwischen einer Ozonkonzentration und einer angelegten Frequenz darstellt;
11 ist ein Diagramm, das schematisch eine Gesamtstruktur einer NOx-verarbeitenden Vorrichtung nach einer zweiten Ausführungsform darstellt;
12 ist eine Teilansicht eines Erzeugers sauerstoffangereicherter Luft;
13 ist ein Eigenschaftsdiagramm, das eine Sauerstoffkonzentration einer Luft darstellt, die eine sauerstoffdurchlässige Membran durchdrungen hat;
14 ist ein Flussdiagramm, das ein Steuerprogramm darstellt, das in einer Steuervorrichtung nach einer zweiten Ausführungsform gespeichert ist; und
15 ist eine Graph, der einen Zusammenhang zwischen einer Sauerstoffkonzentration und einem Sauerstoffanreicherungskoeffizienten darstellt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
[Erste Ausführungsform]
Mit Bezug auf 1 und 2 wird nach der ersten Ausführungsform die NOx-verarbeitende Vorrichtung beschrieben, die einen Ozonerzeuger aufweist. In 1 ist der Motor 1 ein Dieselmotor, der mit einem Turbolader 15 versehen ist. Die NOx-verarbeitende Vorrichtung 3 entfernt NOx im Abgas, das von dem Motor 1 abgegeben wird. Eine Abgasleitung 2, die einen Abgasgang definiert, ist mit einem DPF (Diesel-Partikel-Filter) 21 ausgestattet. Ein Abgas kühlender Bereich 22 und ein NOx-absorbierender Bereich 5 sind stromabwärts des DPF 21 angeordnet. Ein Ozonzuführungsgang 61 ist zwischen dem Abgas kühlenden Bereich 22 und dem NOx-absorbierenden Bereich 5 mit einer Abgasleitung 2a verbunden. Der Ozonzuführungsgang 61 ist mit einem Ozonerzeuger 6 verbunden.
Der Motor 1 nimmt durch eine Zuluftöffnung 16 Frischluft auf. Die Frischluft wird durch den Kompressor 14 des Turboladers 15 unter Druck gesetzt und durch einen Zwischenkühler 19 gekühlt, der in der Zuluftleitung 18 bereitgestellt ist. Die gekühlte Luft wird in einen Zuluftkrümmer 10 eingebracht und dann durch die jeweiligen Anschlüsse des Motors 1 in einen Brennraum eingebracht. Die Treibstoff-Luftmischung wird im Brennraum des Motors 1 verbrannt. Die Verbrennungsenergie wird als eine Rotationsenergie auf eine Motorausgangswelle 11 übertragen.
Das Abgas strömt aus dem Brennraum in einen Abgaskrümmer 12. Dann treibt das Abgas eine Turbine 13 des Turboladers 15 an. Schließlich wird das Abgas in die Abgasleitung 2 ausgestoßen. Das Abgas durchläuft den DPF 21, wobei partikuläre Materialien (PM) im Abgas durch den DPF 21 entfernt werden. Zeitgleich werden auch Kohlenwasserstoffe (HC) und Kohlenstoffmonoxid (CO) durch einen Oxidationskatalysator herausgereinigt, der auf eine Oberfläche des DPF 21 geschichtet ist. Daraufhin strömt das Abgas durch den Abgas kühlenden Bereich 22. Die Abgastemperatur sinkt auf 100°C bis 180°C.
Der DPF 21 ist ein gut bekannter Wall-Flow-Filter, der aus Keramik hergestellt ist. Der Abgas kühlende Bereich 22 ist ein Abgaswärmewiedergewinnungssystem nach dem Rankin-Cycle-System. Zum Beispiel verdampft die Wärmeenergie, die durch Abkühlen des Abgases erhalten wird, ein Kühlmittel. Das unter hohem Druck stehende Kühlmittel versetzt eine Gasturbine in Rotation, um einen elektrischen Generator anzutreiben. Dadurch wird die Wärmeenergie in elektrische Energie umgewandelt, die in eine Batterie geladen wird.
Das abgekühlte Abgas wird in die NOx-verarbeitende Vorrichtung 3 eingebracht. Das Abgas strömt durch die Abgasleitung 2a und den NOx-absorbierenden Bereich 5. Das im Abgas enthaltene NOx reagiert mit dem Ozon, das vom Ozonerzeuger 6 zugeführt wird. Dann wird das NOx von der NOx-absorbierenden Lösung im NOx-absorbierenden Bereich 5 absorbiert. Wie oben werden partikuläre Materialien (PM), Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenstoffmonoxid (CO) und Stickoxide (NOx) aus dem Abgas entfernt. Das gereinigte Abgas wird durch eine Abgasöffnung 23 in die Atmosphäre ausgestoßen.
Der Ozonerzeuger 6 erzeugt durch Verwenden eines Entladungsplasmas Ozon aus der Luft. Der Ozonerzeuger 6 definiert einen Gang, der einen Entladungsraum aufweist, in dem das Ozon erzeugt wird. Ein Ende des Ganges ist mit dem Ozonzuführungsgang 61 verbunden. Das andere Ende des Ganges ist mit einem Luftströmungsgang 62 verbunden, der von der Zuluftleitung 18 abzweigt. Der Luftströmungsgang 62 zweigt von der Zuluftleitung 16 stromaufwärts der Zuluftdrossel 17 ab, um die Luft einzubringen, die durch den Kompressor 14 unter Druck gesetzt und durch den Zwischenkühler 19 gekühlt wurde. Der Luftströmungsgang 62 weist eine Verengung 38 auf. Ein Gebläse 39 ist stromabwärts der Verengung 38 angeordnet. Der Luftströmungsgang 62 ist mit dem Ozonerzeuger 6 verbunden. Dadurch wird die unter Druck stehende Luft in den Ozongenerator 6 eingebracht, so dass, sogar wenn die Motorlast hoch ist und NOx mit hoher Konzentration vom Motor 1 ausgestoßen wird, dem Abgas ausreichend Ozon zugeführt werden kann. Das Gebläse 39 wird durch einen Elektromotor angetrieben. Sogar wenn die Motordrehzahl niedrig ist und kein Ladedruck erzeugt wird, erzeugt das Gebläse 39 einen Fluidstrom vom Ozonzuführungsgang 61 zur Abgasleitung 2a, so dass das erzeugte Ozon in das Abgas eingebracht wird.
In der Abgasleitung 2a reagiert das Ozon (O₃), das vom Ozonzuführungsgang 61 zugeführt wird, mit NOx (NO, NO₂) im Abgas und wird nach den folgenden Reaktionsformeln (a) bis (c) zu N₂O₅ umgewandelt, was ein Vorläufer von Salpetersäure ist. Ferner reagiert das erzeugte N₂O₅, wie in der folgenden Reaktionsformel (d) dargestellt, wiederum mit Feuchtigkeit (H₂O) im Abgas, um zu HNO₃ umgewandelt zu werden. NO + O₃ → NO₂ + O₂ (a) NO₂ + O₃ → NO₃ + O₂ (b) NO₂ + NO₃ → N₂O₅ (c) N₂O₅ + H₂O → 2HNO₃ (d)
HNO₃, was ein Reaktionsprodukt ist, wird durch die NOx-absorbierende Lösung in NOx-absorbierenden Bereich 5 absorbiert. Die NOx-absorbierende Lösung ist z. B. Wasser oder eine alkalische wässrige Lösung. Alternativ kann die NOx-absorbierende Lösung eine ionische Flüssigkeit sein, die HNO₃ chemisch absorbiert. In diesem Fall wird die ionische Flüssigkeit in einem Speicherbereich (nicht dargestellt) gespeichert. Die ionische Flüssigkeit wird durch einen Einlass 51 in den NOx-absorbierenden Bereich eingebracht, um HNO₃ zu absorbieren. Dann wird die ionische Flüssigkeit durch einen Auslass 52 ausgestoßen.
Wie in 1 dargestellt ist ein Zuluftströmungsratensensor 45 stromabwärts der Zuluftöffnung 16 angeordnet. Darüber hinaus ist ein Drosselpositionssensor 44, der einen Drosselöffnungswinkel der Zuluftdrossel 17 erfasst, angeordnet. Ein Zuluftunterdrucksensor 40 ist am Zuluftkrümmer 10 angeordnet. Ein Motordrehzahlsensor 41 ist in der Nähe der Motorausgangswelle 11 angeordnet. Ein Abgastemperatursensor 42, der eine Abgastemperatur erfasst, ist stromabwärts des DPF 21 angeordnet. Darüber hinaus ist ein Feuchtigkeitssensor 43 ausgestaltet, der direkt oder indirekt die Feuchtigkeit der Umgebungsluft erfasst. Jeder der obigen Sensoren überträgt sein Ausgangssignal an eine Steuervorrichtung 4.
Die Steuervorrichtung 4 weist einen Mikroprozessor auf. Die Steuervorrichtung 4 ist elektrisch mit dem Gebläse 64, dem Ozonerzeuger 6, dem Abgas-Abkühlungsbereich 22 und dem NOx-absorbierenden Bereich 5 verbunden.
In der vorliegenden Ausführungsform führt die NOx-verarbeitende Vorrichtung 3 das Ozon, das durch den Ozonerzeuger 6 erzeugt wird, direkt, ohne Speichern, in die Abgasleitung 2a zu. Da die Reaktion von NOx zu N₂O₅ und HNO₃ einfach bei Raumtemperatur auftritt, kann das NOx im Abgas unabhängig von der Abgastemperatur entfernt werden. Daher kann die NOx-verarbeitende Vorrichtung 3 funktionieren, sogar wenn die Abgastemperatur niedrig ist.
AUSLEGUNG DES OZONERZEUGERS
2 ist eine Sektionsansicht des Ozonerzeugers 6 nach der vorliegenden Ausführungsform. Der Ozonerzeuger 6 definiert einen U-förmigen Ozongang 60. Der Ozongang 60 wird von einem ersten Ozongang 60a, einem zweiten Ozongang 60b und einem verbindenden Gang 60c gebildet. Der erste Ozongang 60a weist einen Lufteinlass 602 auf und der zweite Ozongang 60b weist einen Luftauslass 601 auf. Der Lufteinlass 602 ist mit dem Luftströmungsgang 62 verbunden und der Luftauslass 601 ist mit dem Ozonzuführungsgang 61 verbunden.
Der Ozongang 60 ist zwischen der Wand des ersten Ganges 603 und der Wand des zweiten Ganges 604 definiert. Entlang der Wand des zweiten Ganges 604 sind eine erste Gleitfunkenentladungseinheit 3a und eine zweite Gleitfunkenentladungseinheit 3b bereitgestellt. Jede der ersten Gleitfunkenentladungseinheit 3a und der zweiten Gleitfunkenentladungseinheit 3b weist eine Entladungselektrode 32 an einem keramischen Körper 30 und eine Induktionselektrode 31 indem keramischen Körper 30 auf.
In der ersten Gleitfunkenentladungseinheit 3a und der zweiten Gleitfunkenentladungseinheit 3b besteht die Entladungselektrode 32 an dem keramischen Körper 30 aus mehreren Drähten, die elektrisch miteinander verbunden sind.
In der ersten Gleitfunkenentladungseinheit 3a sind die Entladungselektrode 32 und die Induktionselektrode 31 durch Zuleitungen 33a und 33b mit einer ersten Hochspannungstransformatoranordnung 34 verbunden. Auf ähnliche Weise ist die zweite Gleitfunkenentladungseinheit 3b durch die Zuleitungen 33a und 33b mit einer zweiten Hochspannungstransformatoranordnung 36 verbunden. Diese Zuleitungen 33a und 33b durchdringen die Wand des zweiten Ganges 604 und sind elektrisch gegenüber dem Ozonerzeuger 6 durch ein isolierendes Bauteil 35 isoliert. Aufgrund des Steuersignals von der Steuervorrichtung 4 steuert eine untergeordnete Steuervorrichtung 37 die Frequenz des Hochspannungspulses, den die ersten und zweiten Hochspannungstransformatoranordnungen 34, 36 erzeugen.
In der vorliegenden Ausführungsform strömt die Luft vom Lufteinlass 602 in den Ozonerzeuger 6 und strömt durch den ersten Ozongang 60a, der durch die Wand des ersten Ganges 603 und die ersten Gleitfunkenentladungseinheit 3a definiert ist. Daraufhin strömt die Luft durch den Verbindungsgang 60c und den zweiten Ozongang 60b, der zwischen der Wand des ersten Ganges 603 und der zweiten Gleitfunkenentladungseinheit 3b definiert ist. Daraufhin strömt die Luft aus dem Luftauslass 601 aus. Wenn ein Hochspannungspuls zwischen der Entladungselektrode 32 und der Induktionselektrode 31 angelegt wird, wird um die Entladungselektrode 32 am keramischen Körper 30 ein Gleitfunkenentladungsplasma erzeugt. Dadurch wird eine Gleitfunkenentladungszone 63 als Entladungsraum erzeugt, wie in 2 dargestellt. Auch wenn 2 die Gleitfunkenentladungszone 63 nur im Hinblick auf eine Entladungselektrode 32 darstellt, wird die Gleitfunkenentladungszone 63 an allen Entladungselektroden 32 erzeugt. In der Gleitfunkenentladungszone 63 wird Sauerstoff (O₂) in der Luft angeregt und Ozon (O₃) erzeugt.
3 stellt schematisch eine Wellenform 45 des Hochspannungspulses dar, wenn seine Frequenz hoch ist und eine Wellenform 46 des Hochspannungspulses, wenn seine Frequenz niedrig ist. Die Frequenz des Hochspannungspulses wird kontinuierlich gesteuert. Eine Zeitbreite des Hochspannungspulses ist konstant. Wenn die Frequenz niedriger ist wird der Stromverbrauch geringer. Wenn die Frequenz höher ist wird der Stromverbrauch größer. Eine Veränderung der Frequenz ist äquivalent zu einer Veränderung des Stromverbrauchs.
Wenn die Frequenz des Hochspannungspulses angehoben wird, wird die Ozonkonzentration erhöht. Wenn die Frequenz vermindert wird, wird die Ozonkonzentration gesenkt. Daher steuert die untergeordnete Steuervorrichtung 37 die ersten und zweiten Hochspannungstransformatoranordnungen 34, 36 so, dass die Ozonkonzentration zur NOx-Strömungsrate im Abgas passt.
Der Ozonerzeuger 6 ist ferner mit der zweiten Gleitfunkenentladungseinheit 3b und der zweiten Hochspannungstransformatoranordnung 36 versehen, um Ozon mit hoher Konzentration effizient erzeugen zu können. Die ersten und zweiten Hochspannungstransformatoranordnungen 34, 36 werden unabhängig gesteuert. Wenn das Ozon mit niedriger Konzentration erzeugt wird, werden die erste Gleitfunkenentladungseinheit 3a und die erste Hochspannungstransformatoranordnung 34 betrieben. Wenn das Ozon mit hoher Konzentration erzeugt wird, werden die erste und die zweite Gleitfunkenentladungseinheit 3a, 3b und die erste und die zweite Hochspannungstransformatoranordnung 34, 36 zur gleichen Zeit betrieben.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die erste Gleitfunkenentladungseinheit 3a entlang des Ozonganges 60 stromaufwärts und die zweite Gleitfunkenentladungseinheit 3b stromabwärts angeordnet. Die Luft strömt durch die erste Gleitfunkenentladungseinheit 3a und strömt daraufhin durch die zweite Gleitfunkenentladungseinheit 3b. Daher kann das Ozon mit hoher Konzentration erzeugt werden. Die benötigte Ozonmenge kann, entsprechend des Betriebszustandes des Motors 1, effizient erzeugt werden.
In der vorliegenden Ausführungsform weist der Ozonerzeuger 6 zwei Gleitfunkenentladungseinheiten 3a und 3b auf, die symmetrisch angeordnet sind. Allerdings können drei oder mehr Gleitfunkenentladungseinheiten bereitgestellt werden. Ferner kann die Elektrodenfläche jeder Gleitfunkenentladungseinheit verändert werden. Die Gesamtelektrodenfläche einer Gleitfunkenentladungseinheit wird auf geeignete Weise so eingerichtet, dass eine benötigte Ozonzufuhrströmungsrate erzeugt werden kann.
STEUERUNG DER OZONSTRÖMUNGSRATE
Ein Steuerverfahren einer Ozonzufuhrströmungsrate, welches die in 1 und 2 dargestellt NOx-verarbeitende Vorrichtung verwendet, wird im Folgenden beschrieben.
4 ist ein Flussdiagramm, das ein Steuerprogramm darstellt, das in der Steuervorrichtung 4 gespeichert ist. In Schritt 101 liest die Steuervorrichtung 4 die Motordrehzahl, die durch den Motordrehzahlsensor 41 erfasst wird, und die Treibstoffeinspritzmenge, die eine gegenwärtige Motorlast repräsentiert. In Schritt 102 erhält die Steuervorrichtung 4 die Stickstoffmonoxid(NO)-Konzentration des Abgases, das vom Motor 1 ausgestoßen wird, auf Basis der Motordrehzahl und der Treibstoffeinspritzmenge aus einer Karte, die in 5 dargestellt ist. Wie in 5 dargestellt, ist im Allgemeinen die NO-Konzentration niedrig, wenn die Motorlast und die Motordrehzahl niedrig sind. Wenn die Motorlast und die Motordrehzahl höher werden, wird die NO-Konzentration höher.
In Schritt 103 liest die Steuervorrichtung 4 die derzeitige Zuluftströmungsrate, die durch den Zuluftströmungsratensensor 45 erfasst wird, und die Abgastemperatur stromabwärts des DPF 21, die durch den Abgastemperatursensor 42 erfasst wird. In Schritt 104 erhält die Steuervorrichtung 4 eine Umwandlungsrate von NO im Abgas, das den DPF 21 durchlaufen hat, um durch eine katalytische Reaktion zu NO₂ umgewandelt zu werden, auf Basis einer Zuluftströmungsrate und der Abgastemperatur aus einer Karte, die in 6 dargestellt ist. Wie in 6 dargestellt, wird im Allgemeinen die NO₂-Umwandlungsrate höher, wenn die Zuluftströmungsrate niedriger ist und die Abgastemperatur höher ist.
In Schritt 105 werden nach den folgenden Formeln die NO-Strömungsrate und die NO₂-Strömungsrate, die in die NOx-verarbeitende Vorrichtung 3 strömen, berechnet. Wenn die Zuluftströmungsrate signifikant größer ist als die Treibstoffflussrate kann angenommen werden, dass die Abgasströmungsrate im Wesentlichen der Zuluftströmungsrate entspricht. (NO-Strömungsrate) = (Zuluftströmungsrate) × (100 – (NO₂-Umwandlungsrate)) × (ausgestoßene NO-Konzentration)/10⁸ (NO₂-Strömungsrate) = (Zuluftströmungsrate) × (NO₂-Umwandlungsrate) × (ausgestoßene NO-Konzentration)/10⁸
Das Verfahren geht daraufhin zu Schritt 106 über, bei dem eine Zielozonströmungsrate berechnet wird. Die Reaktionen bei der aus Ozon (O₃), NO, NO₂ und H₂O HNO₃ erzeugt wird, werden durch die folgenden Reaktionsformeln (a) bis (d) dargestellt, die bereits oben erwähnt wurden. NO + O₃ → NO₂ + O₂ (a) NO₂ + O₃ → NO₃ + O₂ (b) NO₂ + NO₃ → N₂O₅ (c) N₂O₅ + H₂O → 2HNO₃ (d)
Anhand der obigen Reaktionsformeln wird offenbar, dass 1,5 mol O₃ notwendig sind, um 1 Mol HNO₃ aus 1 mol NO zu erzeugen. Ferner wird offenbar, dass 0,5 mol O₃ notwendig sind, um 1 mol HNO₃ aus 1 mol NO₂ zu erzeugen.
Ozon (O₃) ist eine schädliche Substanz. Um eine Abgabe von O₃ mit dem Abgas in die Atmosphäre zu verhindern, ist es bevorzugt, O₃ in einem chemischen Äquivalent zu erzeugen und zuzuführen, das ausreichend ist, um mit NO und NO₂ im Abgas zu reagieren. Von diesem Gesichtspunkt her wird die Zielozonströmungsrate berechnet. (Ziel-O₃-Strömungsrate) = 1,5 × (O₃-Molekulargewicht/NO-Molekulargewicht) × (NO-Strömungsrate) + 0,5 × O₃-Molekulargewicht/NO₂-Molekulargewicht × (NO₂-Strömungsrate)
Das Verfahren geht dann zu Schritt 107 über bei dem die Luftströmungsrate „Goz”, die in den Ozonerzeuger 6 strömt, berechnet wird. Wenn angenommen wird, dass der Ozonerzeuger 6 eine einfache feste Verengung ist, wird die Luftströmungsrate „Goz” durch die folgende Formel (1) dargestellt. Goz = Coz × Aoz × {2gγ(Poz – Pe)}^1/2 (1)

Coz:: äquivalenter Verengungsflusskoeffizient des Ozonerzeugers 6
Aoz:: äquivalente Verengungsquerschnittsfläche des Ozonerzeugers 6
g:: Schwerkraftbeschleunigung
γ:: spezifisches Gewicht von Luft
Poz:: Druck stromaufwärts des Ozonerzeugers 6
Pe:: Abgastemperatur

γ = γo × (Poz/Po) × (Ta/To)

γo:: spezifisches Gewicht von Luft im Normalzustand
Po:: Normalzustandsdruck
Ta:: Lufttemperatur
To:: Normalzustandstemperatur

„Ta” wird durch einen Lufttemperatursensor (nicht dargestellt) erhalten.
Der Abgasdruck „Pe” wird als eine Funktion der Zuluftströmungsrate „Ga” und der Abgastemperatur „Te” ausgedrückt, was durch eine Karte in 7 dargestellt wird. Wie in 7 dargestellt, wird der Abgasdruck „Pe” im Wesentlichen höher, wenn die Zuluftströmungsrate „Ga” größer ist und die Abgastemperatur „Te” höher ist.
Der Druck stromaufwärts „Poz” und die Luftströmungsrate „Goz” können nach der Formel (1) und den folgenden Formeln (2), (3) und (4) erhalten werden. Gor = Cor × Aor × {2gγ'(Pi – Poz)}^1/2 γ' = γo × (Pi/Po) × (Ta/To) (2)

Gor:: Strömungsrate, welche die Verengung 38 durchströmt
Cor:: Strömungskoeffizient der Verengung 38
Aor:: Querschnittsfläche der Verengung 38
Pi:: Druck stromaufwärts der Zuluftdrossel 17

Das Gebläse 39 im Luftströmungsgang 62 ist zum Zuführen der Luft, die Ozon umfasst, vom Ozonerzeuger 6 zur Abgasleitung 2a gegen den Abgasdruck, wenn der Kompressor 14 nicht betrieben wird. Wenn der Kompressor 14 den Ladedruck erzeugt, wird das Gebläse 39 nicht betrieben. Daher kann eine Druckveränderungsgleichung zwischen der Verengung 38 und dem Ozonerzeuger 6 wie folgt ausgedrückt werden: (dPoz/dt) × (Voz/R/Ta) = Gor – Goz (3)

Voz:: Volumen zwischen der Verengung 38 und dem Ozonerzeuger 6
R:: Gaskonstante

Wenn angenommen wird, dass die Strömungsrate „Gor” die aus der Verengung 38 strömt, signifikant kleiner ist als die Zuluftströmungsrate „Ga” und die Strömungsrate, die durch die Zuluftdrossel 17 strömt, kann die folgende Veränderungsgleichung des Drucks „Pi” zwischen dem Kompressor 14 und der Zuluftdrossel 17 abgeleitet werden. (dPi/dt) × (Vi/R/Ta) = Ga – Cth × Ath × {2gγ''(Pi – Ps)}^1/2 γ'' = γo × (Pi/Po) × (Ta/To) (4)

Pi:: Druck stromaufwärts der Zuluftdrossel 17
Ps:: Zuluftdruck
Vi:: Volumen zwischen dem Kompressor 14 und der Zuluftdrossel 17
Cth:: Strömungskoeffizient der Zuluftdrossel 17
Ath:: Querschnittsfläche der Zuluftdrossel 17

„Cth × Ath” kann als eine Funktion des Drosselöffnungswinkels berechnet werden, den der Drosselpositionssensor 44 erfasst. Der Zuluftströmungsratensensor 45 und der Zuluftdrucksensor 40 erfassen die Zuluftströmungsrate „Ga” und den Zuluftdruck „Ps”. Daher können „Pi” aus der obigen Formel (4), und „Poz” und „Goz” aus den obigen Formeln (1) bis (3) erhalten werden.
Basierend auf den obigen Formeln (1) bis (4) wird ein Übertragungsfunktionsmodell etabliert, indem die Zuluftströmungsrate „Ga” der Zuluftdruck „Ps”, der Drosselöffnungswinkel und die Abgastemperaturen „Te” eingegeben werden, um die Luftströmungsrate „Goz” zu erhalten. Die Lufttransferverzögerung kann simuliert werden und die Luftströmungsrate „Goz” kann sogar im Übergangsbetrieb korrekt eingeschätzt werden. Wenn der Kompressor 14 nicht den Ladedruck erzeugt und das Gebläse 39 beim Motorleerlauf betrieben wird, ist das obige Verfahren zum Erhalten der Luftströmungsrate „Goz” nicht erforderlich. In einem solchen Fall kann angenommen werden, dass das Gebläse 39 die Luftströmungsrate „Goz” erzeugt, die in den Ozonerzeuger 6 strömt. Wie oben wird die Luftströmungsrate „Goz” erhalten und daraufhin geht das Verfahren zu Schritt 108 über.
In Schritt 108 wird die Zielozonströmungsrate, die in Schritt 106 erhalten wurde, durch die Luftströmungsrate „Goz” geteilt, um die Ozonkonzentration zu erhalten.
Daraufhin geht das Verfahren zu Schritt 109 über. In Schritt 109 wird die Ozonkonzentration entsprechend der derzeitigen Feuchtigkeit korrigiert, die durch den Feuchtigkeitssensor 43 erfasst wird.
8 stellt einen Zusammenhang zwischen der Feuchtigkeit der Frequenz und der Ozonkonzentration dar, wenn die erste Gleitfunkenentladungseinheit 3a das Ozon erzeugt. Wie in 8 dargestellt, ist die Ozonkonzentration stärker vermindert, wenn die Feuchtigkeit ansteigt. Um die Zielozonkonzentration bei jeglicher Feuchtigkeit korrekt zu erzeugen, wird eine dreidimensionale Karte, die in 9 dargestellt ist, basierend auf dem Zusammenhang definiert, der in 8 dargestellt ist. Die dreidimensionale Karte stellt einen Zusammenhang zwischen dem Feuchtigkeitskoeffizienten, der Feuchtigkeit und der Ozonkonzentration dar. Aus dieser Karte kann der Feuchtigkeitskoeffizient erhalten werden. Die Ozonkonzentration wird mit dem Feuchtigkeitskoeffizienten multipliziert, um die korrigierte Ozonkonzentration zu erhalten.
Das Verfahren geht daraufhin zu Schritt 110 über, bei dem ermittelt wird, ob die korrigierte Ozonkonzentration größer ist oder gleich wie ein vorbestimmter Bestimmungswert. Wenn die Ozonkonzentration größer oder gleich ist wie der vorbestimmte Bestimmungswert (Schritt 110: JA), geht das Verfahren zu Schritt 111 über.
Der Bestimmungswert ist ein Referenzwert zum Bestimmen, ob die ersten und die zweiten Gleitfunkenentladungseinheiten 3a und 3b zur gleichen Zeit betrieben werden. Der Bestimmungswert wird in einem Ozonkonzentrationsbereich festgelegt, der von den ersten Gleitfunkenentladungseinheiten 3a erzeugt wird, der in einer Karte „B” in 10 dargestellt ist. Wenn die korrigierte Ozonkonzentration größer oder gleich ist als der Bestimmungswert wird die entsprechende Frequenz basierend auf einer Karte „A” in 10 definiert. Die Karte „A” zeigt einen Zusammenhang zwischen der Frequenz und der Ozonkonzentration zu einem Zeitpunkt von 0% Luftfeuchtigkeit wenn die ersten und zweiten Gleitfunkenentladungseinheiten 3a und 3b zur gleichen Zeit betrieben werden. Wie in 10 dargestellt, wird der obige Zusammenhang entsprechend der Strömungsrate verändert, die durch die ersten und die zweiten Gleitfunkenentladungseinheiten 3a und 3b strömt. Es ist somit bevorzugt, dass die Karte „A” eine dreidimensionale Karte ist, die einen Zusammenhang zwischen der korrigierten Ozonkonzentration, der Strömungsrate und der Frequenz darstellt. Das Verfahren geht daraufhin zu Schritt 112 über, bei dem die erste und die zweite Hochvolttransformatoranordnung 34 und 36 mit der erhaltenen Frequenz betrieben werden und der bestimmte Hochspannungspuls an die ersten und die zweiten Gleitfunkenentladungseinheiten 3a und 3b angelegt wird, um Ozon zu erzeugen.
Wenn die korrigierte Ozonkonzentration geringer ist als der vorbestimmte Wert in Schritt 110 geht das Verfahren zu Schritt 113 über. In Schritt 113 wird die der korrigierten Ozonkonzentration entsprechende Frequenz basierend auf der Karte „B” in 10 definiert. Die Karte „B” zeigt einen Zusammenhang zwischen der Frequenz und der Ozonkonzentration zum Zeitpunkt von 0% Luftfeuchtigkeit wenn die erste Gleitfunkenentladungseinheit 3a betrieben wird. Da der Zusammenhang entsprechend der Strömungsrate verändert wird, die durch die erste Gleitfunkenentladungseinheit 3a strömt, ist es bevorzugt, dass die Karte „B” eine dreidimensionale Karte ist, die einen Zusammenhang zwischen der korrigierten Ozonkonzentration, der Strömungsrate und der Frequenz darstellt. Das Verfahren geht daraufhin zu Schritt 114 über, bei dem die erste Hochspannungstransformatoranordnung 34 mit der erhaltenen Frequenz betrieben wird und der bestimmte Hochspannungspuls an die erste Gleitfunkenentladungseinheit 3a angelegt wird, um Ozon zu erzeugen. Daraufhin wird die Datenverarbeitung einmal gestoppt. Diese Datenverarbeitung wird entsprechend einer vorbestimmten Regel wiederholt und die Ozonkonzentration wird gesteuert.
Wenn Hochspannung an die ersten und zweiten Gleitfunkenentladungseinheiten 3a und 3b angelegt wird, erzeugt der Ozonerzeuger 6 schnell Ozon. Die Antwortverzögerung ist extrem kurz. Basierend auf den Eigenschaften, wenn die Luftströmungsrate groß ist und ihre Antwortverzögerung lang ist, wird ein Transferfunktionsmodell erzeugt, um die Antwortverzögerung korrekt zu erhalten. Daraufhin wird die Zielozonströmungsrate durch die Luftströmungsrate geteilt, um die Ozonkonzentration zu erhalten. Der Ozonerzeuger 6 wird betrieben, um die Ozonkonzentration zu erzeugen, wobei die Zielozonströmungsrate zugeführt werden kann, ohne durch die Antwortverzögerung beeinflusst zu sein. Alternativ kann die Frequenz durch Verwendung einer dreidimensionalen Karte erhalten werden, die einen Zusammenhang zwischen der Zielozonströmungsrate, der Luftströmungsrate und der Frequenz angibt.
Darüber hinaus können die ersten und die zweiten Gleitfunkenentladungseinheiten 3a und 3b, die unabhängig steuerbar sind, in Serie auf einer Linie entlang des Ozonganges 60 angeordnet sein. Somit kann durch Variieren der Frequenz des Hochspannungspulses, der eine konstante Zeitbreite aufweist und ferner durch mit Strom versorgen und/oder nicht mit Strom versorgen der jeweils ersten und zweiten Gleitfunkenentladungseinheiten 3a und 3b der Ozonerzeuger 6 das Ozon erzeugen, dessen Konzentration in einem weiten Bereich liegt.
Darüber hinaus wird, da der Luftströmungsgang 32 die Luft stromaufwärts der Zuluftdrossel 17 in den Ozonerzeuger 6 einbringt, die unter Druck stehende Luft in den Ozonerzeuger 6 eingebracht, wodurch Ozon mit höherer Konzentration erzeugt werden kann. Daher kann die NOx-verarbeitende Vorrichtung 3, die mit dem Ozonerzeuger 6 der vorliegenden Ausführungsform versehen ist, direkt die ausreichende Menge an Ozon erzeugen und durch den Ozonzuführungsgang 31 dem Abgas zuführen, um die NOx-Menge zu reduzieren.
In der vorliegenden Ausführungsform wird die Ozonkonzentration durch Variieren der Frequenz des Hochspannungspulses, der an die ersten und zweiten Gleitfunkenentladungseinheiten 3a und 3b angelegt wird, angepasst. Allerdings ist das Verfahren zum Anpassen der Ozonkonzentration nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel wird die Ozonkonzentration durch Verändern der elektrischen Spannung des Hochspannungspulses, die zusätzlich zur Frequenz variabel ist, angepasst.
[Zweite Ausführungsform]
11 stellt eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung dar. In der zweiten Ausführungsform sind die gleichen Teile und Komponenten wie diese in der ersten Ausführungsform mit den gleichen Referenzzeichen bezeichnet und die gleichen Beschreibungen werden nicht wiederholt. Die NOx-verarbeitende Vorrichtung 3 weist den Ozonzuführungsgang 61 auf, der zwischen dem Abgas-Abkühlungsmittelbereich 22 und dem NOx-absorbierenden Bereich 5 mit der Abgasleitung 2a verbunden ist. Die Luft, die Ozon umfasst, wird in die Abgasleitung 2a eingebracht. Im Luftströmungsgang 62 sind ein feuchtigkeitsentfernender Bereich 9 und ein Erzeuger sauerstoffangereicherter Luft 8 angeordnet. Der Feuchtigkeitsabtrennungsfilter 91 des feuchtigkeitsentfernenden Bereichs 9 ist mit einem Gang 65 zum Zurückführen der abgetrennten Feuchtigkeit mit der Zuluftleitung 18 stromabwärts des Zuluftströmungsratensensors 45 verbunden. Der Erzeuger sauerstoffangereicherter Luft 8 ist mit einem Gang 65 verbunden, durch den sauerstoffarme Luft zum Zuluftkrümmer 10 zurückgeführt wird.
Eine Vakuumpumpe 66 ist stromaufwärts des Ozonerzeugers 6 angeordnet. Ein Gang 64 zweigt vom Gang 83 zwischen dem Erzeuger sauerstoffangereicherter Luft 8 und der Vakuumpumpe 66 ab. Ein Drucksensor 67, der einen Eingangsdruck der Vakuumpumpe 66 erfasst, ist an einem Ende des Ganges 64 bereitgestellt. Der Drucksensor 67 überträgt die erfassten Signale an die Steuervorrichtung 4. Die Steuervorrichtung 4 steuert den Betrieb der Vakuumpumpe 66. Die Auslegungen, abgesehen von dem oben erklärten Luftströmungsgang 62, sind gleich wie die der ersten Ausführungsform, die in 1 dargestellt sind.
Der feuchtigkeitsentfernende Bereich 9 begrenzt einen Abfall der Produktionseffizienz des Ozons aufgrund von Feuchtigkeit, die in den Ozonerzeuger strömt. Der Feuchtigkeitsabtrennungsfilter 91 ist ein gut bekannter Feuchtigkeits-(Feuchtigkeitsdampf-)Abtrennungsfilm, durch den Feuchtigkeit einfach durchdringt und Luft kaum durchdringt. Der Feuchtigkeitsabtrennungsfilter 91 trennt die Feuchtigkeit von der Luft, die aus dem Luftströmungsgang 62 in den Ozonerzeuger 6 strömt. Die durch den Feuchtigkeitstransmissionsfilm abgetrennte Feuchtigkeit wird stromabwärts des Zuluftströmungsratensensors 45 unter Verwendung des vom Kompressor 14 erzeugten Ladedrucks durch den Gang 92 zurückgeführt.
12 ist eine Sektionsansicht des Erzeugers sauerstoffangereicherter Luft 8. Der Erzeuger sauerstoffangereicherter Luft hat eine Gehäuseabdeckung 81 und eine Gehäusebasis 80. Diese Gehäuseteile 80, 81 stehen einander gegenüber, um einen Innenraum zu umgrenzen. Ein dichtendes Bauteil 82 ist an den gegenüberstehenden Anteilen angeordnet, um den inneren Raum gegenüber dem äußeren Raum abzudichten. Im Innenraum des Erzeugers sauerstoffangereicherter Luft 8 sind drei sauerstoffpermeable Membranelemente 70 in einer Auf- und Ab-Richtung laminiert, wie in 12. Es sollte zur Kenntnis genommen werden, dass 12 nur das zentrale sauerstoffpermeable Membranelement 70 zeigt. Die anderen zwei Elemente 70 sind durch gepunktete Linien angedeutet.
Das sauerstoffpermeable Membranelement 70 besteht aus einer Elementgehäusebasis 71 einer Elementgehäuseabdeckung 72 und einer sauerstoffpermeablen Membran 73. Die sauerstoffpermeable Membran 73 begrenzt einen oberen Raum in der Elementgehäuseabdeckung 72 und einen unteren Raum in der Elementgehäusebasis 71. Die Elementgehäusebasis 71 weist einen zylindrischen vorspringenden Bereich 76 auf, der in ein Durchgangsloch 75 der Gehäusebasis 80 eingefügt ist. Insbesondere ist das Durchgangsloch in einer Wand ausgebildet, die den Innenraum der Gehäusebasis 80 in einen rechten Raum und einen linken Raum abgrenzt. Ein Dichtungselement 77 ist zwischen dem vorspringenden Bereich 76 und dem Durchgangsloch 75 angeordnet.
Wie in 12 dargestellt, ist ein Luftgang zwischen einer linken Endwand und der Gehäuseabdeckung 81 und dem sauerstoffpermeablen Membranelement 70 definiert. Die Gehäuseabdeckung weist einen Lufteinlass 78 an ihrer oberen Endoberfläche auf. Der Lufteinlass 78 steht mit dem Luftgang in Verbindung. Auf ähnliche Weise weist die Gehäusebasis 80 einen Luftgang zwischen der Wand und einer rechten Endwand auf. Die Gehäusebasis 80 weist einen Luftauslass 79 an ihrer unteren Endoberfläche auf. Der Luftauslass 79 steht mit dem Luftgang in Verbindung.
Die trockene Luft, die den Feuchtigkeitsabtrennungsfilter 91 durchdrungen hat, strömt aus dem Lufteinlass 78 in den Erzeuger sauerstoffangereicherter Luft 8 zu jedem sauerstoffpermeablen Membranelement 70. Die trockene Luft strömt in die Elementgehäuseabdeckung 72 und strömt von links nach rechts in den oberen Raum. Die strömende Luft wird mit der sauerstoffpermeablen Membran 73 in Kontakt gebracht, so dass ein Teil des in der Luft enthaltenen Sauerstoffs die sauerstoffpermeable Membran 73 durchdringt und in den unteren Raum strömt.
Der untere Raum, der von der sauerstoffpermeablen Membran begrenzt wird, steht mit der Vakuumpumpe 66 in Verbindung. Der Druck im unteren Raum wird durch die Vakuumpumpe 66 ein Unterdruck. Die Luft, die den oberen Raum durchlaufen hat enthält wenig Sauerstoff. Das heißt, die Luft, die die sauerstoffpermeable Membran 73 passiert hat ist sauerstoffarme Luft. Die sauerstoffarme Luft strömt von der Elementgehäuseabdeckung 72 zu einem Ausgang sauerstoffarmer Luft 85, der an einer oberen Oberfläche des Basisgehäuses 80 gebildet ist. Daraufhin strömt die sauerstoffarme Luft durch den Gang 65, der in 11 dargestellt ist, zum Zuluftkrümmer 10. Die sauerstoffangereicherte Luft, welche die sauerstoffpermeable Membran durchdrungen hat, strömt nach rechts in den unteren Raum. Daraufhin strömt die sauerstoffangereicherte Luft durch einen Gang 74, der vom vorspringenden Bereich 76 definiert wird, zu einem Ausgang sauerstoffangereicherter Luft 79. Daraufhin strömt die sauerstoffangereicherte Luft durch den Gang 83 und wird durch die Vakuumpumpe 66 in den Ozonerzeuger 6 gesaugt.
13 ist ein Eigenschaftsdiagramm, welches die Sauerstoffkonzentration der Luft darstellt, die die sauerstoffpermeable Membran 73 durchdrungen hat. Ein Trennfaktor gibt ein Verhältnis der Massengeschwindigkeiten von Sauerstoff und Stickstoff an. Im Fall eines Trennfaktors von „5” beträgt die Durchdringungsgeschwindigkeit von Sauerstoff das fünffache der Geschwindigkeit von Stickstoff. Die horizontale Achse von 13 ist eine logarithmische Achse, welche das Druckverhältnis des Sauerstoffpartialdrucks stromabwärts und des Sauerstoffpartialdrucks stromaufwärts in Bezug auf die die sauerstoffpermeable Membran 73 darstellt. Die vertikale Achse stellt die Sauerstoffkonzentration der sauerstoffangereicherten Luft dar, die stromabwärts der sauerstoffpermeablen Membran 73 erzeugt wird. Wenn das Druckverhältnis „0,1” beträgt wird die Sauerstoffkonzentration der sauerstoffangereicherten Luft auf 53% angehoben während die Sauerstoffkonzentration der Luft stromaufwärts 21% beträgt. Die sauerstoffpermeable Membran 73 ist bevorzugt aus Polymerharzmaterialien für die Membranstruktur hergestellt.
STEUERUNG DER OZONSTRÖMUNGSRATE
Ein Steuerverfahren einer Ozonzufuhrströmungsrate, welches die NOx-verarbeitende Vorrichtung verwendet, die in 11 und 12 dargestellt ist, wird im Folgenden beschrieben.
14 ist ein Flussdiagramm, das ein Steuerprogramm nach der zweiten Ausführungsform darstellt, das in der Steuervorrichtung 4 gespeichert ist. Die Datenverarbeitung in den Schritten 201 bis 206 ist gleich wie die in den Schritten 101 bis 105 in 4.
In Schritt 207 wird auf Basis des Zuluftdruckes „Ps”, der Zuluftströmungsrate „Ga” und des Drosselöffnungswinkels, der durch den Drosselpositionssensor 44 erfasst wird, ein Eingangsdruck „Pi” des Erzeugers sauerstoffangereicherter Luft 8 erhalten. Der Eingangsdruck „Pi” kann nach der obigen Formel (4) berechnet werden.
Daraufhin wird in Schritt 208 die Sauerstoffkonzentration der sauerstoffangereicherten Luft auf Basis des Eingangsdruckes „Pi” und des Ausgangsdruckes „Pv” des Erzeugers sauerstoffangereicherter Luft 8 erhalten. Im Allgemeinen können die Mol% y_A von „A”-Gas im Fall eines Zwei-Komponenten Gases aus „A”-Gas und „B”-Gas nach dem Durchdringen durch die folgende Formel dargestellt werden. y_A = 50[C – {C² – 4(x_A/100)α_AB/γ/(α_AB – 1)}^0.5] C = [1 + {(x_A/100) + γ}(α_AB – 1)]/γ/(α_AB – 1)

x_A:: Mol% von „A”-Gas vor dem Durchdringen
α_AB:: Trennfaktor
γ:: Druckverhältnis zwischen stromaufwärts und stromabwärts der Membran

Die Sauerstoffkonzentration vor dem Durchdringen beträgt 21%. Der Trennfaktor α_AB und das Druckverhältnis γ werden in die obige Formel eingesetzt, wodurch die Sauerstoff mol% y_A nach dem Durchdringen berechnet werden. Daraufhin werden die Sauerstoff mol% y_A in eine Sauerstoffkonzentration umgerechnet.
Daraufhin geht das Verfahren zu Schritt 209 über, in dem eine Luftströmungsrate „Goz”, die in den Ozonerzeuger 6 strömt, berechnet wird. Wenn angenommen wird, dass der Ozonerzeuger 6 eine einfache feste Verengung ist, kann die Luftströmungsrate „Goz” durch die folgende Formel (5) ausgedrückt werden. Goz = Coz × Aoz × {2gγe(Poz – Pe)}^1/2 (5)

Coz:: äquivalenter Verengungsströmungskoeffizient des Ozonerzeugers 6
Aoz:: äquivalente Verengungsquerschnittsfläche des Ozonerzeugers 6
g:: Schwerkraftbeschleunigung
γe:: spezifisches Gewicht von Luft
Poz:: Druck stromaufwärts des Ozonerzeugers 6
Pe:: Abgastemperatur

γe = γeo × (Poz/Po) × (Ta/To)

γeo:: spezifisches Gewicht von Luft im Normalzustand
Po:: Normalzustandsdruck
Ta:: Lufttemperatur
To:: Normalzustandstemperatur

„Ta” wird durch einen Lufttemperatursensor (nicht dargestellt) erhalten.
Die Abgastemperatur „Pe” kann als eine Funktion der Zuluftströmungsrate „Ga” und der Abgastemperatur „Te” ausgedrückt werden. Diese Funktion ist als eine Karte gespeichert, die in 7 dargestellt ist.
Der Druck stromaufwärts „Poz” und die Luftströmungsrate „Goz” können nach der Formel (5) und den folgenden Formeln (6) und (7) erhalten werden. Gp = γe × (Pv/Po) × (Ta/To) × Vp × {1 + Cp – Cp(Poz/Pv)^1/κ} × Np (6)

Gp:: Ausstoßströmungsmenge der Vakuumpumpe 66
Pv:: Druck stromabwärts des Erzeugers sauerstoffangereicherter Luft 8
Vp:: Pumpenansaugvolumen pro Umdrehung
Cp:: Pumpen-Cut-Off-Verhältnis
Poz:: Druck stromaufwärts des Ozonerzeugers 6
κ:: Verhältnis der spezifischen Wärme
Np:: Pumpendrehzahl (konstant)

Eine Veränderungsgleichung des Druckes zwischen der Vakuumpumpe 66 und dem Ozonerzeuger 6 kann durch die folgende Formel (7) dargestellt werden. (dPoz/dt) × (Voz/R/Ta) = Gp – Goz (7)

Voz:: Volumen zwischen der Vakuumpumpe 66 und dem Ozonerzeuger 6
R:: Gaskonstante

Daraufhin geht das Verfahren zu Schritt 210 über, bei dem eine Zielozonströmungsrate, die in Schritt 206 berechnet wurde, durch die Strömungsrate sauerstoffangereicherter Luft „Goz” geteilt wird, die in Schritt 209 berechnet wurde, so dass die Ozonkonzentration erhalten wird.
In Schritt 211 wird ein Sauerstoffanreicherungskoeffizient aus der Sauerstoffkonzentration der sauerstoffangereicherten Luft erhalten, um die Ozonkonzentration zu korrigieren. 15 ist ein Graph, der einen Zusammenhang zwischen der Sauerstoffkonzentration und dem Sauerstoffanreicherungskoeffizienten darstellt. Wenn die Sauerstoffkonzentration durch den Erzeuger sauerstoffangereicherter Luft angehoben wird, ist die erzeugte Ozonkonzentration höher, sogar wenn am Ozonerzeuger 6 der gleiche Hochspannungspuls anliegt. Wie in 15 dargestellt, ist der Sauerstoffanreicherungskoeffizient als „1” definiert, wenn die Sauerstoffkonzentration 21% beträgt.
Wenn die Sauerstoffkonzentration nicht weniger als 80% beträgt nimmt die Ozonkonzentration den zweifachen Wert in Relation zu dem Fall an, indem die Sauerstoffkonzentration 21% beträgt. Somit ist der Sauerstoffanreicherungskoeffizient als „0,5” definiert. Die Ozonkonzentration, die in Schritt 210 erhalten wird, wird durch den Sauerstoffanreicherungskoeffizienten korrigiert, so dass die korrigierte Ozonkonzentration erhalten wird.
Daraufhin geht das Verfahren zu Schritt 212 über, indem ermittelt wird, ob die korrigierte Ozonkonzentration größer ist als oder gleich groß wie ein vorbestimmter Wert. Die Datenverarbeitung in den Schritten 213 bis 216 ist gleich, wie die in den Schritten 110 bis 114 in 4.
Wie zuvor dargelegt, kann nach der zweiten Ausführungsform durch Betreiben des feuchtigkeitsentfernenden Bereichs 9 und des Ozonerzeugers 6 Ozon mit hoher Konzentration erzeugt werden. Darüber hinaus führt der Erzeuger sauerstoffangereicherter Luft 8 dem Ozonerzeuger 6 sauerstoffangereicherte Luft zu, wodurch Ozon mit noch höherer Konzentration erzeugt werden kann.
Auch in der zweiten Ausführungsform ist die Antwortverzögerung des Entladungsplasmas, um das Ozon zu erzeugen, extrem kurz. Die Ozonkonzentration wird sofort dem Motorbetriebszustand angepasst. Wenn die Luftströmungsrate groß ist und ihre Antwortverzögerung lang ist, ermittelt das Transferfunktionsmodell korrekt die Antwortverzögerung und die Ozonkonzentration. Daraufhin wird die Ozonkonzentration durch den Sauerstoffanreicherungskoeffizienten korrigiert. Der Ozonerzeuger 6 wird betrieben, um die korrigierte Ozonkonzentration zu erzeugen, wobei die Zielozonströmungsrate zugeführt werden kann, ohne durch die Antwortverzögerung beeinflusst zu sein. NOx kann effizient entfernt werden.
Die zuvor beschriebene NOx-verarbeitende Vorrichtung kann für jede Art von Motor verwendet werden.
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 2001-187316 A [0004]
US 6136284 [0004]

Claims

NOx-verarbeitende Vorrichtung für einen Motor, die einen Ozonerzeuger (6) umfasst, der Ozon erzeugt und das Ozon einem Ozonzuführungsgang (31) zuführt, der mit einem Abgasleitung (2a) eines Motors (1) verbunden ist, der mit einem Turbolader (15) versehen ist, wobei: der Ozonerzeuger (6) einen Luftströmungsgang (32) aufweist, der mit einem Zuluftgang (18) des Motors (1) auf solche Weise verbunden ist, dass ein Teil der unter Druck stehenden Zuluft in den Luftströmungsgang (32) eingebracht wird; der Ozonerzeuger (6) erzeugt ein Entladungsplasma in einem Entladungsraum (63), der zwischen dem Luftströmungsgang (32) und dem Ozonzuführungsgang (31) definiert ist; das Entladungsplasma erzeugt aus Sauerstoff in der Luft, die durch den Entladungsraum strömt, Ozon; und der Ozonerzeuger (6) ist mit einer Steuervorrichtung (4) versehen, die entsprechend des Betriebszustandes des Motors (1) eine Ozonströmungsrate steuert, die durch den Ozonerzeuger (6) erzeugt wird, so dass Stickoxide im Abgas zu Salpetersäure oder einem Vorläufer von Salpetersäure umgewandelt werden, um aus dem Abgas entfernt zu werden.
NOx-verarbeitende Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei: der Ozonerzeuger (6) Hochspannung an eine Entladungseinheit (3a, 3b) anlegt, die den Entladungsraum definiert und das Entladungsplasma erzeugt; und die Steuervorrichtung (4) durch Steigern oder Senken der elektrischen Leistung, die dem Ozonerzeuger (6) zugeführt wird, oder der elektrischen Leistung, die dem Ozonerzeuger (6) und eine Elektrodenfläche der Entladungseinheit (3a, 3b) zugeführt wird, eine Ozonströmungsrate, die vom Ozonerzeuger (6) erzeugt wird, steuert.
NOx-verarbeitende Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei: der Ozonerzeuger (6) entlang eines Durchgangs (16) der in einem Gehäuse (603, 604) definiert ist, mit einer Mehrzahl von Entladungseinheiten (3a, 3b) versehen ist; der Ozonerzeuger (6) mit einer Mehrzahl von Hochspannungstransformatoranordnungen (34, 36) versehen ist, von denen jede elektrisch mit jeder der Entladungseinheiten (3a, 3b) verbunden ist; und die Steuervorrichtung (4) den Betrieb der Hochspannungstransformatoranordnung unabhängig steuert, um eine Hochspannungspulsfrequenz zu erzeugen.
NOx-verarbeitende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner umfassend: einen feuchtigkeitsentfernenden Bereich (9), der in einer Position stromaufwärts des Ozonerzeugers (6) Feuchtigkeit entfernt.
NOx-verarbeitende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner umfassend: einen Erzeuger sauerstoffangereicherter Luft (8), der in einer Position stromaufwärts des Ozonerzeugers (6) sauerstoffangereicherte Luft erzeugt.
NOx-verarbeitende Vorrichtung nach Anspruch 4, ferner umfassend: einen Erzeuger sauerstoffangereicherter Luft (8), der in einer Position zwischen dem feuchtigkeitsentfernenden Bereich (9) und dem Ozonerzeuger (6) sauerstoffangereicherte Luft erzeugt.