DE102013210120B4

DE102013210120B4 - Abgasreinigungssystem eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102013210120B4
Application number: DE102013210120.1A
Authority: DE
Inventors: Hideki Matsunaga; Yuji Yasui; Naohiro Sato; Masafumi Sakota; Eiji Hashimoto
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2012-05-31
Filing date: 2013-05-29
Publication date: 2014-05-15
Anticipated expiration: 2033-05-30
Also published as: US8978367B2; DE102013210120A1; JP2013249779A; US20130318949A1; JP5843699B2

Abstract

Abgasreinigungssystem (2) eines Verbrennungsmotors (1), umfassend: einen Selektive-Reduktion-Katalysator (33), welcher in einem Abgasdurchgang (11) eines Verbrennungsmotors (1) bereitgestellt ist und eine Funktion aufweist, NOx in Anwesenheit von NH3 zu reduzieren und eines oder beide von NO2 und einer NO2-Verbindung im Abgas zu absorbieren; eine Reduktionsmittelzufuhrvorrichtung (4), welche NH3 oder dessen Vorläufersubstanz dem Selektive-Reduktion-Katalysator (33) zuführt; einen stromaufwärtigen Katalysator (31), welcher an der stromaufwärtigen Seite des Selektive-Reduktion-Katalysators (33) in dem Abgasdurchgang (11) bereitgestellt ist und eine Drei-Wege-Reinigungsfunktion hat; eine NOx-Korrelationswert-Berechnungseinheit (61), welche den Wert des NOx-Korrelationsparameters berechnet, welcher in Antwort auf die NOx-Ausstoßmenge des Motors (1) zunimmt; eine Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelungs-/Steuerungseinheit (61), welche das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Luft-Kraftstoff-Mischung zu einem Stöchiometrieverhältnis regelt/steuert, wenn der Wert des NOx-Korrelationsparameters größer als der Stöchiometrie-Bestimmungsschwellwert ist; eine NO2-Speichermengenschätzeinheit (61), welche die NO2-Speichermenge berechnet, welche der NO2-Menge und der Menge einer NO2-Verbindung entspricht, die in dem Selektive-Reduktion-Katalysator (33) absorbiert sind; und eine Schwellwert-Einstelleinheit (61), welche den Stöchiometrie-Bestimmungsschwellwert auf einen kleinen Wert einstellt, wenn die NO2-Speichermenge zunimmt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abgasreinigungssystem eines Verbrennungsmotors. Die Erfindung betrifft genauer gesagt ein Abgasreinigungssystem, welches einen Selektive-Reduktion-Katalysator zum Reduzieren von NOx in Anwesenheit von NH₃ umfasst.
Als eines von NOx in Abgasen reinigenden Abgasreinigungssystemen ist bisher eine Konfiguration vorgeschlagen worden, in welcher ein Abgasdurchgang mit einem Selektive-Reduktion-Katalysator versehen ist, welcher NOx in Abgasen durch ein Reduktionsmittel, wie etwa Ammoniak (NH₃), selektiv reduziert (siehe beispielsweise JP 2008-303842 A , Patentdokument 1). Beispielsweise wird in einem Abgasreinigungssystem von einem Harnstoffzusatz-Typ Harnstoff-Wasser als eine Vorläufersubstanz von NH₃ von der stromaufwärtigen Seite eines Selektive-Reduktion-Katalysators zugeführt, wobei NH₃ aus dem Harnstoff-Wasser durch Wärmezersetzung oder hydrolytische Zersetzung unter Verwendung der Wärme des Abgases erzeugt wird und NOx daher in dem Abgas selektiv durch das NH₃ reduziert wird. Zusätzlich zu einem derartigen System vom Harnstoffzusatz-Typ ist beispielsweise ebenso ein System vorgeschlagen worden, welches NH₃ durch Erhitzen einer NH₃-Verbindung, wie etwa Ammoniumcarbid, erzeugt und NH₃ direkt einem Subjekt zufügt.
Der Selektive-Reduktion-Katalysator wird in vielen Fällen in einem Abgasreinigungssystem eines Motors, wie etwa eines Benzinmotors vom Magerverbrennungstyp oder eines Dieselmotors verwendet, welcher basierend auf einer mageren Verbrennung betrieben wird, in welcher das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Luft-Kraftstoff-Mischung eingestellt wird, um magerer als ein Stöchiometrieverhältnis zu sein, um eine hohe NOx-Reinigungsleistungsfähigkeit in Anwesenheit eines Abgases eines mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses aufzuweisen, welches eine große Sauerstoffmenge enthält. In einem Beschleunigungsbetrieb, in welchem eine NOx-Ausstoßmenge zunimmt, tritt jedoch der Fall auf, dass NOx nicht ausreichend nur durch den Selektive-Reduktion-Katalysator gereinigt werden kann. Daher wird, wie bei dem in JP 2009-293585 A (Patentdokument 2) offenbarten System, angenommen, dass NOx unter Verwendung einer Drei-Wege-Reinigungsreaktion in einem Drei-Wege-Katalysator, welcher an der stromaufwärtigen Seite des Selektive-Reduktion-Katalysators bereitgestellt ist, während des Beschleunigungsbetriebs gereinigt wird. Gemäß dem Abgasreinigungssystem von Patentdokument 2 wird in dem System, in welchem der Drei-Wege-Katalysator an der stromaufwärtigen Seite des NOx-Absorptions-Reduktions-Katalysators bereitgestellt ist, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Luft-Kraftstoff-Mischung von der mageren Seite zu dem Stöchiometrieverhältnis geändert, um die Drei-Wege-Reinigungsreaktion in dem Drei-Wege-Katalysator während des Beschleunigungsbetriebs zu verwenden.
Im Übrigen findet in dem Selektive-Reduktion-Katalysator eine NOx-Reduktionsreaktion unter Verwendung von NH₃ als Reduktionsmittel statt. Jedoch findet, selbst wenn eine ausreichende NH₃-Menge vorhanden ist, eine Reaktion, welche lediglich NO reduziert, nicht in der Stöchiometrieatmosphäre statt, in welcher Sauerstoff im Wesentlichen nicht vorhanden ist. Ferner wird, da NO ein Hauptelement in dem von einem Verbrennungsmotor nach der Aufwärmzeit ausgestoßenen NOx ist, das NO₂ des in den Selektive-Reduktion-Katalysator strömenden Abgases hauptsächlich durch eine Oxidationsreaktion von NO in dem Drei-Wege-Katalysator an der stromaufwärtigen Seite erzeugt. Dementsprechend strömen in dem System, in welchem der Drei-Wege-Katalysator an der stromaufwärtigen Seite des Selektive-Reduktion-Katalysators bereitgestellt ist, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Luft-Kraftstoff-Mischung auf das Stöchiometrieverhältnis eingestellt ist, sowohl der Sauerstoff als auch das NO₂ im Wesentlichen nicht in den Selektive-Reduktion-Katalysator. Aus diesem Grund ist zu befürchten, dass sich die NOx-Reinigungsrate in dem Selektive-Reduktion-Katalysator verschlechtern kann.
Die Erfindung ist angesichts der obigen Umstände verwirklicht worden und es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Abgasreinigungssystem bereitzustellen, welches in der Lage ist, ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu dem Stöchiometrieverhältnis zu einem angemessenen Zeitpunkt zu regeln/steuern, so dass sich eine NOx-Reinigungsrate in einem Selektive-Reduktion-Katalysator nicht verschlechtert.
Ein Abgasreinigungssystem eines Verbrennungsmotors (beispielsweise eines später beschriebenen Motors 1) der Erfindung umfasst: einen Selektive-Reduktion-Katalysator (beispielsweise einen später beschriebenen SCR-Katalysator eines stromabwärtigen Fahrzeugkatalysators 33), welcher in einem Abgasdurchgang (beispielsweise in einem später beschriebenen Abgasdurchgang 11) eines Verbrennungsmotors bereitgestellt ist und eine Funktion aufweist, NOx in Anwesenheit von NH₃ zu reduzieren und eines oder beide von NO₂ und einer NO₂-Verbindung in einem Abgas zu absorbieren; eine Reduktionsmittel-Zufuhrvorrichtung (beispielsweise eine später beschriebene Harnstoff-Wasser-Zufuhrvorrichtung 4), welche NH₃ oder dessen Vorläufersubstanz dem Selektive-Reduktion-Katalysator zuführt; einen stromaufwärtigen Katalysator (beispielsweise einen stromaufwärtigen Katalysator eines später beschriebenen stromaufwärtigen Fahrzeugkatalysators 31), welcher an der stromaufwärtigen Seite des Selektive-Reduktion-Katalysators in dem Abgasdurchgang bereitgestellt ist und eine Drei-Wege-Reinigungsfunktion hat; eine NOx-Korrelationswert-Berechnungseinheit (beispielsweise eine bei der Ausführung von Schritt S4 in 3 und eine später beschriebene Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelungs-/Steuerungseinheit 61), welche den Wert des NOx-Korrelationsparameters berechnet, welcher in Antwort auf die NOx-Ausstoßmenge des Motors zunimmt; eine Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelungs-/Steuerungseinheit (beispielsweise die später beschriebene Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelungs-/Steuerungseinheit 61), welche das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Luft-Kraftstoff-Mischung zu dem Stöchiometrieverhältnis regelt/steuert, wenn ein Wert des NOx-Korrelationsparameters größer als der Stöchiometrie-Bestimmungsschwellwert ist; eine NO₂-Speichermengenschätzeinheit (beispielsweise eine bei der Ausführung von Schritt S2 in 3 beteiligte Einheit und die später beschriebene Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelungs-/Steuerungseinheit 61), welche die NO₂-Speichermenge berechnet, welche der NO₂-Menge und der Menge einer NO₂-Verbindung entspricht, die in dem Selektive-Reduktion-Katalysator absorbiert sind; und eine Schwellwert-Einstelleinheit (beispielsweise eine bei der Ausführung von Schritt S5 in 3 beteiligte Einheit und die später beschriebene Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelungs-/Steuerungseinheit 61), welche den Stöchiometrie-Bestimmungsschwellwert auf einen kleinen Wert einstellt, wenn die NO₂-Speichermenge zunimmt.
In der Erfindung wird, wenn der Wert des in Antwort auf die NOx-Ausstoßmenge zunehmenden NOx-Korrelationsparameters größer als der Stöchiometrie-Bestimmungsschwellwert ist, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Luft-Kraftstoff-Mischung zu dem Stöchiometrieverhältnis geregelt/gesteuert, um NOx durch die Drei-Wege-Reinigungsreaktion des stromaufwärtigen Katalysators zu reinigen. Hier nimmt die Menge des Sauerstoffs und des NO₂, welche neu in den Selektive-Reduktion-Katalysator strömen, ab, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Luft-Kraftstoff-Mischung zu dem Stöchiometrieverhältnis geregelt/gesteuert wird. Jedoch findet, selbst wenn der Selektive-Reduktion-Katalysator die Stöchiometrieatmosphäre annimmt, eine schnelle SCR-Reaktion unter Verwendung des bisher absorbierten NO₂ oder einer bisher absorbierten NO₂-Verbindung statt. Aus diesem Grund ist es möglich, eine ernsthafte Verschlechterung der NOx-Reinigungsrate des Selektive-Reduktion-Katalysators zu unterdrücken. Das heißt, dass gemäß der Erfindung, selbst wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu dem Stöchiometrieverhältnis geregelt/gesteuert wird, NOx sowohl von dem stromaufwärtigen Katalysator als auch von dem Selektive-Reduktion-Katalysator gereinigt werden kann. Ferner ist es möglich, die NOx-Reinigungsrate in der Stöchiometrieatmosphäre zu verbessern, wenn die NO₂-Speichermenge des Selektive-Reduktion-Katalysators zunimmt. Aus diesem Grund wird in der Erfindung das Luft-Kraftstoff-Verhältnis aktiv zu dem Stöchiometrieverhältnis durch Einstellen des Stöchiometrie-Bestimmungsschwellwerts auf einen kleinen Wert geändert, wenn die NO₂-Speichermenge zunimmt. Daher kann gemäß der Erfindung das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu dem Stöchiometrieverhältnis zu einem angemessenen Zeitpunkt geregelt/gesteuert werden, so dass sich die NOx-Reinigungsrate des Selektive-Reduktion-Katalysators nicht verschlechtert.
Darüber hinaus weist die NO₂-Verbindung, welche im Wesentlichen die gleiche Funktion wie die des NO₂ hat und in dem Selektive-Reduktion-Katalysator absorbiert wird, auf diese Weise insbesondere beispielsweise Ammoniumnitrat (NH₄NO₃) als eine Verbindung von NO₂ und NH₃ auf. Das Ammoniumnitrat wird aus NO₂ und NH₃ hergestellt (Herstellungsformel 2NO₂ + 2NH₃ → NH₄NO₃ + N₂ + H₂O). Darüber hinaus wird das Ammoniumnitrat durch die Reaktion mit NO zersetzt (Reaktionsformel: NH₄NO₃ + NO → NO₂ + N₂ + 2H₂O). Der tatsächliche Selektive-Reduktion-Katalysator kann nicht nur NO₂, sondern auch eine NO₂-Verbindung absorbieren, diese Elemente haben jedoch im Wesentlichen die gleiche Funktion. Daher wird in der nachfolgenden Beschreibung die Absorption von NO₂ und einer NO₂-Verbindung in dem Selektive-Reduktion-Katalysator im Allgemeinen als die Absorption von NO₂ ohne eine klare Unterscheidung von NO₂ und einer NO₂-Verbindung betrachtet. Das heißt, dass die in dem Selektive-Reduktion-Katalysator absorbierte NO₂-Verbindung im Allgemeinen als NO₂ betrachtet wird.
In diesem Fall kann die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelungs-/Steuerungseinheit vorzugsweise das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Luft-Kraftstoff-Mischung bei einem Wert, welcher magerer als das Stöchiometrieverhältnis ist, geregelt/gesteuert werden, so dass eine NOx-Reduktionsreaktion fortlaufend in dem Selektive-Reduktion-Katalysator stattfindet, wenn der Wert des NOx-Korrelationsparameters der Stöchiometrie-Bestimmungsschwellwert ist oder kleiner als dieser ist.
In der Erfindung wird, wenn der Wert des NOx-Korrelationsparameters dem Stöchiometrie-Bestimmungsschwellwert entspricht oder kleiner als dieser ist und das NOx lediglich durch die NOx-Reduktionsreaktion in dem Selektive-Reduktion-Katalysator, ohne die Drei-Wege-Reinigungsreaktion in dem stromaufwärtigen Katalysator zu verwenden, ausreichend gereinigt werden kann, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Luft-Kraftstoff-Mischung bei einem Wert geregelt/gesteuert, welcher magerer als das Stöchiometrieverhältnis ist. Daher ist es möglich, die Verschlechterung der Kraftstoffeffizienz aufgrund der Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zu dem Stöchiometrieverhältnis mehr als notwendig zu unterdrücken.
In diesem Fall kann das Abgasreinigungssystem ferner vorzugsweise eine Temperaturerfassungseinheit (beispielsweise einen später beschriebenen Abgastemperatursensor 36 und eine später beschriebene ECU 6) umfassen, welche die Temperatur des Selektive-Reduktion-Katalysators erfasst, wobei, wenn die Temperatur des Selektive-Reduktion-Katalysators kleiner als dessen Aktivierungstemperatur ist, die Schwellwert-Einstelleinheit den Stöchiometrie-Bestimmungsschwellwert auf einen kleinen Wert verglichen mit dem Fall einstellen kann, dass die Temperatur des Selektive-Reduktion-Katalysators höher als dessen Aktivierungstemperatur ist.
Wenn die Temperatur des Selektive-Reduktion-Katalysators niedriger als die Aktivierungstemperatur ist, verschlechtert sich die NOx-Reinigungsleistungsfähigkeit verglichen mit dem Fall, dass die Temperatur des Selektive-Reduktion-Katalysators höher als die Aktivierungstemperatur ist. In der Erfindung wird, wenn die Temperatur des Selektive-Reduktion-Katalysators tiefer als dessen Aktivierungstemperatur ist, der Stöchiometrie-Bestimmungsschwellwert auf einen kleinen Wert verglichen mit dem Fall eingestellt, dass die Temperatur des Selektive-Reduktion-Katalysators höher als dessen Aktivierungstemperatur ist, so dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis aktiv zu dem Stöchiometrieverhältnis geändert wird. Daher ist es möglich, die NOx-Reinigungsleistungsfähigkeit des gesamten Systems zu verbessern, indem bewirkt wird, dass die Drei-Wege-Reinigungsreaktion des stromaufwärtigen Katalysators zu einem angemessenen Zeitpunkt stattfindet.
In diesem Fall kann der Abgasdurchgang mit einem Filter (beispielsweise mit einem später beschriebenen Abgasreinigungsfilter 32) versehen sein, welcher Feinstaub in dem Abgas einfängt, und die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelungs-/Steuerungseinheit kann vorzugsweise die Zeit verkürzen, in der das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Luft-Kraftstoff-Mischung bei dem Stöchiometrieverhältnis gehalten wird, wenn die abgelagerte Feinstaubmenge des Filters zunimmt.
Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu dem Stöchiometrieverhältnis geregelt/gesteuert wird, wird mehr Feinstaub abgelagert verglichen mit dem Fall einer Regelung/Steuerung zu der mageren Seite. Daher kann in der Erfindung, da die Zeit, in welcher das Luft-Kraftstoff-Verhältnis bei dem Stöchiometrieverhältnis gehalten wird, verkürzt wird, wenn die abgelagerte Feinstaubmenge zunimmt, die zulässige Ablagerungskapazität des Filters sichergestellt werden und die überhöhte Temperatur des Filters kann verhindert werden.
In diesem Fall kann die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelungs-/Steuerungseinheit vorzugsweise die Regelung/Steuerung zu dem Stöchiometrieverhältnis des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in dem Fall verhindern, dass die abgelagerte Feinstaubmenge des Filters größer als eine Ablagerungsmengen-Obergrenze ist, welche eingestellt wird, um die überhöhte Temperatur des Filters zu verhindern, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Luft-Kraftstoff-Mischung zu dem Stöchiometrieverhältnis geregelt/gesteuert wird.
Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu dem Stöchiometrieverhältnis geregelt/gesteuert wird, während der Feinstaub übermäßig in dem Filter abgelagert wird, tritt der Fall auf, dass der Feinstaub verbrennt und die Temperatur des Filters eine überhöhte Temperatur erreicht. Gemäß der Erfindung ist es möglich, da das Luft-Kraftstoff-Verhältnis nicht zu dem Stöchiometrieverhältnis geregelt/gesteuert wird, wenn die abgelagerte Menge größer als die Ablagerungsmengen-Obergrenze ist, die überhöhte Temperatur des Filters zu verhindern.
1 ist eine schematische Darstellung, welche Konfigurationen eines Motors und dessen Abgasreinigungssystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
2 ist eine Darstellung, welche schematisch ein SCR-Katalysator-Modell veranschaulicht, welches nach der Reinigung von NOx und der Absorption von NO₂ eines SCR-Katalysators modelliert ist.
3 ist ein Flussdiagramm, welches eine Prozedur einer Änderung des Betriebsmodus des Motors von einem mageren Betriebsmodus zu einem stöchiometrischen Betriebsmodus veranschaulicht.
4 ist ein Blockdiagramm, welches die NO₂-Speichermenge eines SCR-Katalysators aus einer NO-Einströmmenge und einer NO₂-Einströmmenge bezüglich des SCR-Katalysators berechnet.
5 ist eine Darstellung, welche ein Beispiel einer Karte zum Bestimmen einer NO₂-Absorptionseffizienz veranschaulicht.
6 ist eine Darstellung, welche ein Beispiel einer Karte zum Bestimmen einer transienten NOx-Reinigungsrate veranschaulicht.
7 ist ein Blockdiagramm, das das Einstellen eines Stöchiometrie-Bestimmungsschwellwerts betrifft.
8 ist eine Darstellung, welche ein Beispiel einer Karte zum Bestimmen eines Basiswerts des Stöchiometrie-Bestimmungsschwellwerts veranschaulicht.
9 ist eine Darstellung, welche ein Beispiel einer Karte zum Bestimmen eines Werts eines Korrektur-Koeffizienten des Stöchiometrie-Bestimmungsschwellwerts veranschaulicht.
10 ist eine Darstellung, welche ein Beispiel einer Karte zum Bestimmen einer stöchiometrischen Zeitdauer veranschaulicht.
Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung durch Bezugnahme auf die Figuren beschrieben.
1 ist eine schematische Darstellung, welche Konfigurationen eines Verbrennungsmotors (nachfolgend als „Motor” bezeichnet) 1 und dessen Abgasreinigungssystems 2 der Ausführungsform veranschaulicht. Der Motor 1 wird basierend auf einer sogenannten mageren Verbrennung betrieben, in welcher das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Luft-Kraftstoff-Mischung magerer als das Stöchiometrieverhältnis in einem stationären Betriebszustand ist. Der Motor ist genauer gesagt ein Dieselmotor, ein Benzinmotor mit magerer Verbrennung oder dergleichen.
Das Abgasreinigungssystem 2 umfasst eine Katalysator-Reinigungsvorrichtung 3, welche in einem sich von einer Abgasöffnung des Motors 1 erstreckenden Abgasdurchgang 11 bereitgestellt ist, und eine elektronische Regelungs-/Steuerungseinheit (nachfolgend als „ECU” bezeichnet) 6, welche den Motor 1 und die Katalysator-Reinigungsvorrichtung 3 regelt/steuert.
Der Motor 1 ist mit Kraftstoffeinspritzventilen versehen, welche Kraftstoff in die jeweiligen Zylinder (nicht dargestellt) einspritzen. Ein Aktuator, welcher die Kraftstoffeinspritzventile antreibt, ist elektromagnetisch mit der ECU 6 verbunden. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Luft-Kraftstoff-Mischung des Motors 1 wird durch Einstellen der Menge von frischer in den Zylinder eingeführter Luft, der Menge des in den Zylinder durch eine Abgasrezirkulationsvorrichtung (nicht dargestellt) eingeführten EGR-Gases, einer Kraftstoffeinspritzmenge von dem Kraftstoffeinspritzventil und dergleichen geregelt/gesteuert.
Die Katalysator-Reinigungsvorrichtung 3 umfasst einen stromaufwärtigen Fahrzeugkatalysator 31, einen Abgasreinigungsfilter 32, einen stromabwärtigen Fahrzeugkatalysator 33 und eine Harnstoff-Wasser-Zufuhrvorrichtung 4. Der stromaufwärtige Fahrzeugkatalysator 31 ist unmittelbar unterhalb des Motors 1 in dem Abgasdurchgang 11 bereitgestellt. Der stromabwärtige Fahrzeugkatalysator 33 ist an der stromabwärtigen Seite des stromaufwärtigen Fahrzeugkatalysators 31 in dem Abgasdurchgang 11 bereitgestellt. Der Abgasreinigungsfilter 32 ist zwischen dem stromaufwärtigen Fahrzeugkatalysator 31 und dem stromabwärtigen Fahrzeugkatalysator 33 in dem Abgasdurchgang 11 bereitgestellt. Der stromaufwärtige Fahrzeugkatalysator 31 und der stromabwärtige Fahrzeugkatalysator 33 sind mit einem Katalysator ausgestattet, welcher eine Reaktion zum Reinigen von in dem Abgas des Motors 1 enthaltenen Elementen, wie etwa CO, HC und NOx, unterstützt.
Ein Katalysator, welcher wenigstens eine Drei-Wege-Reinigungsfunktion aufweist, wird als der stromaufwärtige Katalysator verwendet, welcher in dem stromaufwärtigen Fahrzeugkatalysator 31 bereitgestellt ist. Die Drei-Wege-Reinigungsfunktion weist eine Funktion zum Bewirken einer Drei-Wege-Reinigungsreaktion auf, das heißt einer Reaktion, in welcher Oxidationen von HC und CO und eine Reduktion von NOx zur selben Zeit in der Stöchiometrieatmosphäre durchgeführt werden. Ein Oxidationskatalysator oder ein Drei-Wege-Katalysator können als ein Beispiel eines Katalysators verwendet werden, welcher eine derartige Drei-Wege-Reinigungsfunktion aufweist. Ein Oxidationskatalysator oder ein Drei-Wege-Katalysator wird als stromaufwärtiger Katalysator wünschenswerterweise verwendet.
Der Oxidationskatalysator (DOC) reinigt hocheffizient HC, CO und NOx durch die Drei-Wege-Reinigungsreaktion in der Stöchiometrieatmosphäre. Der Oxidationskatalysator reinigt HC, CO und NOx und erzeugt NH₃ in der fetten Atmosphäre. Der Oxidationskatalysator reinigt ferner in der mageren Atmosphäre HC und CO durch Oxidation und oxidiert einen Teil des NO in dem Abgas zu NO₂, so dass die NOx-Reinigungsrate in dem später beschriebenen stromabwärtigen Fahrzeugkatalysator 33 verbessert wird. Der Drei-Wege-Katalysator (TWC) entspricht einem Katalysator, in welchem ein Sauerstoffabsorptions-/-emissionsmaterial dem Oxidationskatalysator zugesetzt ist. Der Drei-Wege-Katalysator und der Oxidationskatalysator haben im Wesentlichen die gleiche Reinigungsfunktion. Verglichen mit dem Oxidationskatalysator weist der Drei-Wege-Katalysator jedoch den Vorteil auf, dass ein Drei-Wege-Reinigungsfenster aufgrund des darin bereitgestellten Sauerstoffabsorptions-/-emissionsmaterials breiter ist.
Der Abgasreinigungsfilter 32 fängt den Feinstaub in dem Abgas ein. Um den abgelagerten Feinstaub durch Verbrennung bei einer niedrigeren Temperatur zu entfernen, ist es wünschenswert, dass der Abgasreinigungsfilter 32 den vorangehend beschriebenen Oxidationskatalysator trägt.
Der stromabwärtige Fahrzeugkatalysator 33 weist einen Selektive-Reduktion-Katalysator (nachfolgend als „SCR-Katalysator” bezeichnet) auf, welcher NOx in Anwesenheit von NH₃ reduziert.
In dem stromabwärtigen Fahrzeugkatalysator 33 können eine schnelle SCR-Reaktion (siehe nachfolgende Formel 1), eine Standard-SCR-Reaktion (siehe nachfolgende Formel 2) und eine langsame SCR-Reaktion (siehe nachfolgende Formel 3) in Anwesenheit von NH₃ stattfinden. NO + NO₂ + 2NH₃ → 2N₂ + 3H₂O (1) 4NO + 4NH₃ + O₂ → 4N₂ + 6H₂O (2) 6NO₂ + 8NH₃ → 7N₂ + 12H₂O (3)
Die schnelle SCR-Reaktion ist eine Reaktion, in welcher NO und NO₂ in dem Abgas durch NH₃ zur selben Zeit reduziert werden und die Reaktionsgeschwindigkeit ist die schnellste unter den drei Arten von Reaktionen. Dementsprechend findet die schnelle SCR-Reaktion hauptsächlich statt, wenn die Verhältnisse von NO und NO₂ in dem in den stromabwärtigen Fahrzeugkatalysator 33 strömenden Abgas gleich werden, das heißt, dass das NO₂-NOx-Verhältnis einen optimalen Wert von ungefähr 0,5 annimmt. Aus diesem Grund wird die NOx-Reinigungsrate unter Verwendung des stromabwärtigen Fahrzeugkatalysators 33 die höchste. Da jedoch von dem Motor 1 abgegebenes NOx eine große Menge von NO umfasst, besteht, hauptsächlich um die schnelle SCR-Reaktion in dem stromabwärtigen Fahrzeugkatalysator 33 zu bewirken, die Notwendigkeit, einen Teil des NO in dem Abgas zu NO₂ in dem stromaufwärtigen Fahrzeugkatalysator 31 oder dem Abgasreinigungsfilter 32 zu oxidieren. Dementsprechend wird die Menge oder die Zusammensetzung des Katalysators des stromaufwärtigen Fahrzeugkatalysators 31 oder des Abgasreinigungsfilters 32 derart eingestellt, dass das Verhältnis von NO zu NO₂ des in den stromabwärtigen Fahrzeugkatalysator 33 strömenden Abgases während des später beschriebenen mageren Betriebs im Wesentlichen 1:1 wird.
Die langsame SCR-Reaktion ist eine Reaktion, in welcher lediglich NO₂ im Abgas durch NH₃ reduziert wird, und deren Reaktionsgeschwindigkeit ist langsamer als die der schnellen SCR-Reaktion. Wenn das Verhältnis von NO₂ bezüglich NO in dem in den stromabwärtigen Fahrzeugkatalysator 33 strömenden Abgas zunimmt, wird NO₂, dessen Menge durch die schnelle SCR-Reaktion übermäßig zunimmt, durch die langsame SCR-Reaktion verringert.
Die Standard-SCR-Reaktion ist eine Reaktion, in welcher lediglich NO im Abgas durch NH₃ reduziert wird, und deren Reaktionsgeschwindigkeit ist langsamer als die der langsamen SCR-Reaktion. Wie in der vorangehend beschriebenen Formel (2) veranschaulicht, wird O₂ lediglich in der Standard-SCR-Reaktion benötigt. Dementsprechend findet, wenn das Innere des stromabwärtigen Fahrzeugkatalysators 33 eine Stöchiometrieatmosphäre oder eine fette Atmosphäre annimmt, welche im Wesentlichen keinen Sauerstoff enthält, die Standard-SCR-Reaktion im Wesentlichen nicht statt.
Der SCR-Katalysator weist eine Funktion auf, NOx in dem Abgas durch aus dem Harnstoff-Wasser hergestelltes NH₃ zu reduzieren und weist ebenso eine Funktion auf, eine vorgegebene Menge des hergestellten NH₃ zu absorbieren. In der nachfolgenden Beschreibung ist die in dem SCR-Katalysator gespeicherte NH₃-Menge als eine NH₃-Speichermenge definiert, und die NH₃-Menge, welche in dem SCR-Katalysator gespeichert werden kann, ist als die maximale NH₃-Speicherkapazität definiert. Auf diese Weise wird das in dem SCR-Katalysator gespeicherte NH₃ ebenso angemessen für die Reduktion von NOx in dem Abgas verbraucht. Aus diesem Grund hat der SCR-Katalysator die Eigenschaft, dass die NOx-Reinigungsrate höher wird, wenn die NH₃-Speichermenge zunimmt.
Darüber hinaus umfasst der SCR-Katalysator Zeolith und weist ebenso eine Funktion auf, NO₂, eine NO₂-Verbindung und HC in dem Abgas zu absorbieren und eine vorbestimmte Menge davon zu speichern. In der nachfolgenden Beschreibung wird die NO₂-Menge und die Menge einer NO₂-Verbindung, welche in dem SCR-Katalysator gespeichert werden, als eine NO₂-Speichermenge definiert und die NO₂-Menge und die Menge einer NO₂-Verbindung, welche in dem SCR-Katalysator gespeichert werden können, ist als maximale NO₂-Speichermenge definiert.
In dem SCR-Katalysator mit einer derartigen NO₂-Absorptionsfunktion wird, wenn die Menge von NO₂ in dem einströmenden Abgas übermäßig zunimmt (das NO₂-NOx-Verhältnis ist größer als 0,5), nicht durch die schnelle SCR-Reaktion reduziertes NO₂ absorbiert. Auf diese Weise wird dann in dem SCR-Katalysator gespeichertes NO₂ freigesetzt und durch die schnelle SCR-Reaktion zusammen mit zusätzlichem NO reduziert, wenn die NO-Menge in dem in den SCR-Katalysator einströmenden Abgas übermäßig zunimmt (das NO₂-NOx-Verhältnis ist kleiner als 0,5). Das heißt, dass, selbst wenn das NO₂-NOx-Verhältnis des einströmenden Abgases sich von einem optimalen Wert ändert, so dass NO₂ oder NO übermäßig zunimmt, der SCR-Katalysator mit der NO₂-Absorptionsfunktion NO₂ absorbiert oder freisetzt, so dass das NO₂-NOx-Verhältnis bei dem optimalen Wert gehalten wird.
2 ist eine Darstellung, welche schematisch ein SCR-Katalysator-Modell veranschaulicht, welches nach der Reinigung von NOx und der Absorption von NO₂ durch den SCR-Katalysator modelliert ist.
Wie vorangehend beschrieben, findet in dem in Anwesenheit von NH₃ bereitgestellten SCR-Katalysator die NOx-Reduktionsreaktion durch drei Arten von Reaktionen statt, das heißt durch die schnelle Reaktion, die langsame Reaktion und die Standardreaktion, deren Reaktionsgeschwindigkeiten voneinander verschieden sind. Darüber hinaus verändert sich, da der SCR-Katalysator die Fähigkeit aufweist, NO₂ in dem Abgas zu absorbieren, so dass eine vorgegebene Menge davon gespeichert wird, die in dem SCR-Katalysator stattfindende Reaktion stark in Antwort auf die NO₂-Speichermenge und das NO₂-NOx-Verhältnis des in den SCR-Katalysator einströmenden Abgases. In der nachfolgenden Beschreibung wird die Reaktion, welche mittels des SCR-Katalysators bezüglich des einströmenden NO und NO₂ stattfindet, separat beschrieben durch:

(1) einen Zustand, in welchem die NO₂-Speichermenge 0 oder ungefähr 0 beträgt,
(2) einen Zustand, in welchem die NO₂-Speichermenge der maximalen NO₂-Speicherkapazität oder ungefähr diesem Wert entspricht, und
(3) einen Zustand, in dem eine angemessene NO₂-Menge gespeichert ist, wobei die NO₂-Speichermenge ausreichend größer als 0 und ausreichend kleiner als die maximale NO₂-Speicherkapazität ist.

(1) Zustand einer NO₂-Speichermenge von 0 oder von ungefähr diesem Wert
Wenn die NO₂-Speichermenge gleich 0 oder ungefähr gleich diesem Wert ist und NO₂ im Wesentlichen nicht in dem SCR-Katalysator gespeichert ist, ist es möglich zu erwähnen, dass der SCR-Katalysator eine verfügbare NO₂-Absorptionsfunktionsfähigkeit aufweist, jedoch keine verfügbare NO₂-Freisetzungsfunktionsfähigkeit aufweist.
In einem derartigen Zustand bewirkt, wenn das Abgas, in welchem NO₂ übermäßig vorhanden ist (NO₂-NOx-Verhältnis größer 0,5), in den Katalysator strömt, der SCR-Katalysator die schnelle SCR-Reaktion, um NO und NO₂ zu reduzieren, um gleich der NO-Menge in dem Abgas zur selben Zeit zu sein. Darüber hinaus ist, da die überschüssiges NO₂ reduzierende Reaktion die langsame SCR-Reaktion ist, in welcher die Reaktionsgeschwindigkeit relativ langsam ist, die stationäre NOx-(insbesondere NO₂-)Reinigungsrate niedrig. Jedoch ist, da die NO₂-Absorptionsfunktionsfähigkeit verfügbar ist und unreduziertes NO₂ in dem SCR-Katalysator absorbiert werden kann, die transiente NOx-Reinigungsrate hoch, während NO₂ absorbiert werden kann.
Das heißt, dass in diesem Fall die NOx-Reinigungsrate hoch gehalten wird, während die NO₂-Speichermenge zunimmt.
Indes bewirkt der SCR-Katalysator die schnelle SCR-Reaktion, wenn das Abgas, in welchem NO übermäßig vorhanden ist (NO₂-NOx-Verhältnis kleiner 0,5), in den Katalysator strömt, um NO₂ und NO zu reduzieren, um gleich der NO₂-Menge in dem Abgas zur gleichen Zeit zu sein. Darüber hinaus ist, da die Reaktion, welche überschüssiges NO reduziert, hier die Standard-SCR-Reaktion ist, deren Reaktionsgeschwindigkeit relativ langsam ist, die stationäre NOx-(insbesondere NO-)Reinigungsrate niedrig. Darüber hinaus ist, da die NO₂-Freisetzungsfunktionsfähigkeit nicht der verfügbaren entspricht und die Menge des überschüssigen NO und die Menge des von dem SCR-Katalysator freigesetzten NO₂ abnehmen, wenn die schnelle SCR-Reaktion stattfindet, die transiente NOx-Reinigungsrate auch niedrig.
(2) Zustand, in dem die NO₂-Speichermenge der maximalen NO₂-Speicherkapazität oder ungefähr diesem Wert entspricht
Wenn die NO₂-Speichermenge der maximalen NO₂-Speicherkapazität oder ungefähr diesem Wert entspricht und NO₂ in dem SCR-Katalysator bei nahezu der Grenzmenge gespeichert ist, ist es möglich zu erwähnen, dass der SCR-Katalysator eine verfügbare NO₂-Freisetzungsfunktionsfähigkeit aufweist, jedoch keine verfügbare NO₂-Absorptionsfunktionsfähigkeit aufweist.
In einem derartigen Zustand bewirkt der SCR-Katalysator die schnelle SCR-Reaktion, wenn das Abgas, in welchem NO₂ übermäßig vorhanden ist, in den Katalysator strömt, um NO und NO₂ zu reduzieren, um gleich der NO-Menge in dem Abgas zur selben Zeit zu sein. Darüber hinaus ist, da die Reaktion, welche überschüssiges NO₂ reduziert, hier die langsame SCR-Reaktion ist, deren Reaktionsgeschwindigkeit relativ langsam ist, die stationäre NOx-(insbesondere NO₂-)Reinigungsrate niedrig. Darüber hinaus ist, da die NO₂-Absorptionsfunktionsfähigkeit nicht der verfügbaren Fähigkeit entspricht und das unreduzierte NO₂ nicht in dem SCR-Katalysator absorbiert werden kann, die transiente NOx-Reinigungsrate niedrig.
Indes bewirkt der SCR-Katalysator die schnelle SCR-Reaktion, wenn das Abgas, in welchem NO übermäßig vorhanden ist, in den Katalysator strömt, um NO₂ und NO zu reduzieren, um gleich der NO₂-Menge in dem Abgas zur gleichen Zeit zu sein. Darüber hinaus ist, da die Reaktion, welche überschüssiges NO reduziert, hier die Standard-SCR-Reaktion ist, deren Reaktionsgeschwindigkeit relativ langsam ist, die stationäre NOx-(insbesondere NO-)Reinigungsrate niedrig. Jedoch ist, da die NO₂-Freisetzungsfunktionsfähigkeit verfügbar ist, das Verhältnis, in welchem das überschüssige NO zusammen mit dem von dem SCR-Katalysator durch die schnelle SCR-Reaktion freigesetzten NO₂ reduziert wird, höher als das Verhältnis, in welchem NO durch die Standard-SCR-Reaktion alleine reduziert wird. Aus diesem Grund ist die transiente NOx-Reinigungsrate hoch, während NO₂ freigesetzt werden kann. Das heißt, dass in diesem Fall die NOx-Reinigungsrate hoch gehalten wird, während die NO₂-Speichermenge abnimmt.
(3) Zustand, in dem NO₂ angemessen absorbiert ist
Wenn NO₂ angemessen in dem SCR-Katalysator absorbiert ist, ist es möglich zu erwähnen, dass der SCR-Katalysator sowohl eine verfügbare NO₂-Absorptionsfunktionsfähigkeit als auch eine verfügbare NO₂-Freisetzungsfunktionsfähigkeit aufweist.
In einem derartigen Zustand bewirkt der SCR-Katalysator die schnelle SCR-Reaktion, wenn das Abgas, in welchem NO₂ übermäßig vorhanden ist, in den Katalysator strömt, um NO und NO₂ zu reduzieren, um gleich der NO-Menge in dem Abgas zur gleichen Zeit zu sein. Darüber hinaus ist, da die überschüssiges NO₂ reduzierende Reaktion hier die langsame SCR-Reaktion ist, deren Reaktionsgeschwindigkeit relativ langsam ist, die stationäre NOx-(insbesondere NO₂-)Reinigungsrate niedrig. Jedoch ist, da die NO₂-Absorptionsfunktionsfähigkeit verfügbar ist und daher unreduziertes NO₂ in dem SCR-Katalysator absorbiert werden kann, die transiente NOx-Reinigungsrate hoch, während NO₂ absorbiert werden kann. Das heißt, dass in diesem Fall die NOx-Reinigungsrate hoch gehalten wird, während die NO₂-Speichermenge zunimmt.
Indes bewirkt der SCR-Katalysator die schnelle SCR-Reaktion, wenn das Abgas, in welchem NO übermäßig vorhanden ist, in den Katalysator strömt, um NO₂ und NO zu reduzieren, um gleich der NO₂-Menge in dem Abgas zur gleichen Zeit zu sein. Darüber hinaus ist, da die übermäßiges NO reduzierernde Reaktion hier die Standard-SCR-Reaktion ist, deren Reaktionsgeschwindigkeit relativ langsam ist, die stationäre NOx-(insbesondere NO-)Reinigungsrate niedrig. Jedoch ist, da die NO₂-Freisetzungsfunktionsfähigkeit verfügbar ist, das Verhältnis, in welchem das überschüssige NO zusammen mit dem von dem SCR-Katalysator freigesetzten NO₂ durch die schnelle SCR-Reaktion reduziert wird, höher als das Verhältnis, in welchem NO durch die Standard-SCR-Reaktion alleine reduziert wird. Aus diesem Grund ist die transiente NOx-Reinigungsrate hoch, während NO₂ freigesetzt werden kann. Das heißt, dass in diesem Fall die NOx-Reinigungsrate hoch gehalten wird, während die NO₂-Speichermenge abnimmt.
Wie vorangehend beschrieben, verändert sich die NOx-Reinigungscharakteristik des SCR-Katalysators in Antwort auf die NO₂-Speichermenge. Hier wird eine Reaktion untersucht werden, welche von dem SCR-Katalysator bewirkt wird, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Luft-Kraftstoff-Mischung zu dem Stöchiometrieverhältnis geregelt/gesteuert wird. Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Luft-Kraftstoff-Mischung zu dem Stöchiometrieverhältnis geregelt/gesteuert wird, findet eine Reaktion, welche NO in dem Abgas zu NO₂ in dem stromaufwärtigen Fahrzeugkatalysator und dem Abgasreinigungsfilter oxidiert, nicht statt, da das Abgas im Wesentlichen keinen Sauerstoff enthält. Dementsprechend strömt das eine übermäßig große NO-Menge und eine kleine Sauerstoffmenge enthaltende Abgas in den SCR-Katalysator. Wie in (2) beschrieben, findet, wenn die NO₂-Speichermenge des SCR-Katalysators groß ist, die schnelle SCR-Reaktion unter Verwendung des gespeicherten NO₂ statt. Aus diesem Grund ist es möglich zu erwähnen, dass die NOx-Reinigungsleistungsfähigkeit des SCR-Katalysators, welcher sich in der Stöchiometrieatmosphäre befindet, höher ist, wenn die NO₂-Speichermenge zunimmt.
Wieder Bezug nehmend auf 1 umfasst die Harnstoff-Wasser-Zufuhrvorrichtung 4 einen Harnstoff-Wasser-Tank 41 und einen Harnstoff-Wasser-Einspritzer 42. Der Harnstoff-Wasser-Tank 41 speichert Harnstoff-Wasser als eine Vorläufersubstanz des Reduktionsmittels (NH₃) in dem SCR-Katalysator. Der Harnstoff-Wasser-Tank 41 ist mit dem Harnstoff-Wasser-Einspritzer 42 durch einen Harnstoff-Wasser-Zufuhrpfad 43 und eine Harnstoff-Wasser-Pumpe (nicht dargestellt) verbunden. Wenn der Harnstoff-Wasser-Einspritzer 42 von einem Aktuator (nicht dargestellt) angetrieben wird, wird der Harnstoff-Wasser-Einspritzer geöffnet oder geschlossen, um das von dem Harnstoff-Wasser-Tank 41 zugeführte Harnstoff-Wasser in Richtung der stromaufwärtigen Seite des stromabwärtigen Fahrzeugkatalysators 33 innerhalb des Abgasdurchgangs 11 einzuspritzen. Das Harnstoff-Wasser, welches von dem Einspritzer 42 eingespritzt wird, durchläuft eine hydrolytische Zersetzung durch NH₃ in dem Abgas oder dem stromabwärtigen Fahrzeugkatalysator 33 und wird für die Reduktion von NOx verbraucht. Der Aktuator des Harnstoff-Wasser-Einspritzers 42 ist elektromagnetisch mit der ECU 6 verbunden. Die ECU 6 bestimmt die Harnstoff-Wasser-Einspritzmenge durch die später beschriebene Harnstoff-Wasser-Einspritz-Regelung/Steuerung und treibt den Harnstoff-Wasser-Einspritzer 42 an, so dass diese Harnstoff-Wasser-Menge eingespritzt wird.
Die ECU 6 ist mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 35, einem Abgastemperatursensor 36, einem NH₃-Sensor 37, einem Gaspedalöffnungsgradsensor 38 und dergleichen als Sensoren zum Detektieren der Zustände des Abgasreinigungssystems 2 und des Motors 1 verbunden.
Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 35 detektiert das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (die Sauerstoffkonzentration) des zwischen dem stromaufwärtigen Fahrzeugkatalysator 31 und dem Abgasreinigungsfilter 32 in dem Abgasdurchgang 11 zirkulierenden Abgases und überträgt ein Signal, welches im Wesentlichen linear zu dem Detektionswert ist, an die ECU 6. Ein linearer Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor (LAF-Sensor) zum Ausgeben eines linearen Signals von dem fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu dem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird als der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 35 verwendet.
Der Abgastemperatursensor 36 detektiert die Temperatur des zwischen dem Abgasreinigungsfilter 32 und dem stromabwärtigen Fahrzeugkatalysator 33 in dem Abgasdurchgang 11 zirkulierenden Abgases und überträgt ein Signal, welches im Wesentlichen linear zu dem Detektionswert ist, an die ECU 6. Die ECU 6 berechnet (erfasst) die Temperatur des Abgasreinigungsfilters 32 oder die Temperatur des SCR-Katalysators des stromabwärtigen Fahrzeugkatalysators 33 durch einen Prozess (nicht dargestellt) basierend auf der Ausgabe des Abgastemperatursensors 36.
Der NH₃-Sensor 37 ist an der stromabwärtigen Seite des stromabwärtigen Fahrzeugkatalysators 33, welcher mit dem SCR-Katalysator in dem Abgasdurchgang 11 bereitgestellt ist, bereitgestellt. Der NH₃-Sensor 37 detektiert die NH₃-Konzentration in dem Abgas an der stromabwärtigen Seite des stromabwärtigen Fahrzeugkatalysators 33 und überträgt ein Signal, welches im Wesentlichen linear zu dem Detektionswert ist, an die ECU 6.
Der Gaspedalöffnungsgradsensor 38 detektiert den Betätigungsbetrag des Gaspedals und überträgt ein Signal, welches im Wesentlichen linear zu dem Detektionswert ist, an die ECU 6. Der Wert des angeforderten Drehmoments des Motors 1 wird durch einen Prozess (nicht dargestellt) in der ECU 6 basierend auf der Ausgabe des Gaspedalöffnungsgradsensors 38 berechnet.
Die ECU 6 umfasst einen Eingabeschaltkreis, welcher eine Funktion aufweist, Wellenformen von Eingangssignalen von unterschiedlichen Sensoren anzupassen, das Spannungsniveau auf ein vorgegebenes Niveau zu korrigieren und den analogen Signalwert in einen digitalen Signalwert umzuwandeln, eine zentrale Verarbeitungseinheit (nachfolgend als „CPU” bezeichnet), einen Speicherschaltkreis, welcher ein Berechnungsergebnis und unterschiedliche Berechnungsprogramme, welche von der CPU ausgeführt werden, speichert, und einen Ausgabeschaltkreis, welcher ein Regelungs-/Steuerungssignal an das Kraftstoffeinspritzventil des Motors 1, den Harnstoff-Wasser-Einspritzer 42 der Harnstoff-Wasser-Zufuhrvorrichtung 4 und dergleichen ausgibt.
Die ECU 6 ist ausgestattet mit Regelungs-/Steuerungsblöcken der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelungs-/Steuerungseinheit 61, welche bei der Ausführung der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelung-/Steuerung des Motors 1 beteiligt ist, der Harnstoff-Wasser-Regelungs-/Steuerungseinheit 62, welche bei der Ausführung der Harnstoff-Wasser-Einspritz-Regelung/Steuerung unter Verwendung der Harnstoff-Wasser-Zufuhrvorrichtung 4 beteiligt ist, und dergleichen.
Die Harnstoff-Wasser-Regelungs-/Steuerungseinheit 62 regelt/steuert die Harnstoff-Wasser-Einspritzmenge von dem Harnstoff-Wasser-Einspritzer 42 basierend auf der Ausgabe des NH₃-Sensors 37, so dass eine zum Reduzieren von NOx erforderliche NH₃-Menge dem stromabwärtigen Fahrzeugkatalysator 33 zugeführt wird und überschüssiges NH₃ nicht von dem stromabwärtigen Fahrzeugkatalysator 33 freigesetzt wird. Genauer gesagt, bestimmt die Harnstoff-Wasser-Regelungs-/Steuerungseinheit 62 die Harnstoff-Wasser-Einspritzmenge basierend auf der Ausgabe des NH₃-Sensors 37, so dass die NH₃-Speichermenge ungefähr bei der maximalen Speicherkapazität gehalten wird, während die NH₃-Speichermenge des SCR-Katalysators und die maximale NH₃-Speicherkapazität geschätzt werden. Darüber hinaus wird, da der detaillierte Algorithmus der vorangehend beschriebenen Harnstoff-Wasser-Einspritz-Regelung/Steuerung insbesondere in beispielsweise der von dem vorliegenden Anmelder vorgeschlagenen WO 2009-128169 A1 beschrieben ist, jede weitere detaillierte Beschreibung hier nicht wiederholt werden.
Die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelungs-/Steuerungseinheit 61 regelt/steuert das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Luft-Kraftstoff-Mischung des Motors 1 in einer derartigen Weise, dass ein geeigneter Betriebsmodus des Motors 1 bestimmt wird und die neue Luftmenge, die EGR-Menge, die Kraftstoffeinspritzmenge und dergleichen gemäß dem für jeden Betriebsmodus bestimmten Algorithmus eingestellt werden. Zwei Moden, d. h. ein magerer Betriebsmodus und ein stöchiometrischer Betriebsmodus, werden als Betriebsmodus eingestellt.
In dem mageren Betriebsmodus bewirkt die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelungs-/Steuerungseinheit 61 die Oxidationsreaktion von CO und HC in dem stromaufwärtigen Fahrzeugkatalysator 31 und dem Abgasreinigungsfilter 32 und regelt/steuert das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Luft-Kraftstoff-Mischung bei einem Wert, welcher magerer als das Stöchiometrieverhältnis ist, so dass die NOx-Reduktionsreaktion fortlaufend in dem SCR-Katalysator des stromabwärtigen Fahrzeugkatalysators 33 stattfindet.
In dem stöchiometrischen Betriebsmodus regelt/steuert die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelungs-/Steuerungseinheit 61 das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Luft-Kraftstoff-Mischung zu dem Stöchiometrieverhältnis basierend auf der Ausgabe des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 35, um die Drei-Wege-Reinigungsreaktion des stromaufwärtigen Fahrzeugkatalysators 31 zu bewirken.
Die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelungs-/Steuerungseinheit 61 ändert den Betriebsmodus des Motors 1 in den mageren Betriebsmodus im Falle des stationären Betriebsmodus und ändert den Betriebsmodus von dem mageren Betriebsmodus in den stöchiometrischen Betriebsmodus im Falle des Beschleunigungsbetriebszustands, in welchem die NOx-Ausstoßmenge zunimmt.
3 ist ein Flussdiagramm, welches eine Änderungsprozedur eines Betriebsmodus des Motors von einem mageren Betriebsmodus in einen stöchiometrischen Betriebsmodus darstellt. Dieser Prozess wird in einem vorgegebenen Regelungs-/Steuerungszyklus in dem mageren Betriebsmodus durch die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelungs-/Steuerungseinheit 61 ausgeführt. In diesem Prozess berechnet die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelungs-/Steuerungseinheit einen Wert des in Antwort auf die NOx-Ausstoßmenge zunehmenden NOx-Korrelationsparameters und bestimmt, ob der Betriebsmodus von dem mageren Betriebsmodus in den stöchiometrischen Betriebsmodus basierend auf dem Vergleich zwischen dem Wert des NOx-Korrelationsparameters und dem Stöchiometrie-Bestimmungsschwellwert geändert werden soll.
Im Schritt S1 berechnet die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelungs-/Steuerungseinheit die Temperatur des SCR-Katalysators des stromabwärtigen Fahrzeugkatalysators basierend auf der Ausgabe des Abgastemperatursensors und die gegenwärtige Routine schreitet zum Schritt S2 fort.
Im Schritt S2 berechnet die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelungs-/Steuerungseinheit die NO₂-Speichermenge, und die gegenwärtige Routine schreitet zum Schritt S3 fort. Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 4 bis 6 eine Prozedur zum Berechnen der NO₂-Speichermenge beschrieben werden.
4 ist ein Blockdiagramm, welches die NO₂-Speichermenge des SCR-Katalysators aus der in den SCR-Katalysator einströmenden NO-Menge und NO₂-Menge berechnet. Das in 4 gezeigte Blockdiagramm setzt das durch Bezugnahme auf 2 beschriebene SCR-Katalysator-Modell um und umfasst eine stationäre Entweichungsmengenberechnungseinheit 610, eine NO₂-Speichermodellberechnungseinheit 615 und eine NO + Absorption-NO₂-Reinigungsmodellberechnungseinheit 616. Die in den SCR-Katalysator einströmende NO-Menge und die NO₂-Menge werden hier unter Berücksichtigung der NOx-Reinigungseffizienz und der NO-Oxidationseffizienz des stromaufwärtigen Fahrzeugkatalysators 31 und des Abgasreinigungsfilters 32 bezüglich der NO-Menge und der NO₂-Menge unmittelbar unterhalb des Motors, welche basierend auf dem Betriebszustand des Motors geschätzt werden, berechnet.
Die stationäre Entweichungsmengenberechnungseinheit 610 berechnet die stationäre NO-Entweichungsmenge und die stationäre NO₂-Entweichungsmenge, welche der NO-Menge und der NO₂-Menge entsprechen, welche von dem SCR-Katalysator freigesetzt werden, wenn das Abgas der geschätzten NO-Einströmmenge und der geschätzten NO₂-Einströmmenge fortlaufend dem SCR-Katalysator zugeführt werden. Das heißt, dass die stationäre NO-Entweichungsmenge und die stationäre NO₂-Entweichungsmenge den jeweiligen Entweichungsmengen unter der Annahme entsprechen, dass der SCR-Katalysator nicht die NO₂-Absorptionsfunktion und die NO₂-Freisetzungsfunktion hat.
Eine stationäre NO + NO₂-Reinigungsmodellberechnungseinheit 611 berechnet basierend auf einer vorgegebenen Karte unter der Annahme, dass nur die schnelle SCR-Reaktion in dem SCR-Katalysator stattfindet, die NO-Menge und NO₂-Menge, welche aus den in den Katalysator strömenden NO und NO₂ nicht reduziert und freigesetzt werden.
Eine stationäre NO-Reinigungsmodellberechnungseinheit 612 berechnet die NO-Menge, welche aus dem in den Katalysator strömenden NO nicht reduziert und freigesetzt wird, basierend auf einer vorgegebenen Karte unter der Annahme, dass nur die Standard-SCR-Reaktion in dem SCR-Katalysator stattfindet.
Eine stationäre NO₂-Reinigungsmodellberechnungseinheit 613 berechnet die NO₂-Menge, welche aus dem in den Katalysator strömenden NO₂ nicht reduziert und freigesetzt wird, basierend auf einer vorgegebenen Karte unter der Annahme, dass nur die langsame SCR-Reaktion in dem SCR-Katalysator stattfindet.
Unter der Annahme, dass die schnelle SCR-Reaktion in allen Elementen stattfindet, deren Gehalt in dem in den Katalysator strömenden NO und NO₂ klein ist, teilt die stationäre Entweichungsmengenberechnungseinheit 610 die geschätzte NO-Einströmmenge und die geschätzte NO₂-Einströmmenge in ein Verhältnis (welches dem NO und dem NO₂ äquivalent ist), welches der schnellen SCR-Reaktion unterworfen wird, in ein Verhältnis (zusätzliches NO), welches der Standard-SCR-Reaktion unterworfen wird, und in ein Verhältnis (zusätzliches NO₂), welches der langsamen SCR-Reaktion unterworfen wird, und gibt die jeweiligen Ergebnisse in die stationären Reinigungsmodellberechnungseinheiten 611, 612 und 613 ein. Darüber hinaus wird unter der Annahme, dass die schnelle SCR-Reaktion in allen Elementen, deren Gehalt in dem in den Katalysator einströmenden NO und NO₂ klein ist, jedes von dem zusätzlichen NO und NO₂ gleich 0.
Die stationäre Entweichungsmengenberechnungseinheit 610 stellt dann die Summe der NO-Entweichungsmengen, welche von den stationären Reinigungsmodellberechnungseinheiten 611 und 612 berechnet werden, als eine stationäre NO-Entweichungsmenge ein und stellt die Summe der von den Modellberechnungseinheiten 611 und 613 berechneten NO₂-Entweichungsmengen als eine stationäre NO₂-Entweichungsmenge ein. Die NO₂-Speichermodellberechnungseinheit 615 berechnet die NO₂-Speichermenge, welche der NO₂-Speichermenge des SCR-Katalysators entspricht, und die NO + Absorption-NO₂-Reinigungsmodellberechnungseinheit 616 berechnet die NO₂-Verbrauchsmenge, welche der NO₂-Menge entspricht, welche durch die schnelle SCR-Reaktion zusammen mit dem in den SCR-Katalysator einströmenden NO aus dem in den SCR-Katalysator gespeicherten NO₂ verbraucht wird.
Die NO₂-Speichermodellberechnungseinheit 615 stellt die NO₂-Menge (die neue NO₂-Absorptionsmenge), welche neu in dem SCR-Katalysator aus der von der stationären Entweichungsmengenberechnungseinheit 610 geschätzten stationären NO₂-Entweichungsmenge als einen positiven Wert ein, stellt die NO₂-Verbrauchsmenge, welche von der NO + Absorption-NO₂-Reinigungsmodellberechnungseinheit 616 geschätzt wird, als einen negativen Wert ein und stellt die Integration der neuen NO₂-Absorptionsmenge und die NO₂-Verbrauchsmenge als die NO₂-Speichermenge ein.
Hier wird die neue NO₂-Absorptionsmenge durch Multiplizieren der stationären NO₂-Entweichungsmenge mit der NO₂-Absorptionseffizienz berechnet, welche durch Suchen in der Karte bestimmt wird (siehe 5). Ferner wird die NO₂-Entweichungsmenge durch Subtrahieren der neuen NO₂-Absorptionsmenge von der stationären NO₂-Entweichungsmenge berechnet.
5 ist eine Darstellung, welche ein Beispiel einer Karte zum Bestimmen einer NO₂-Absorptionseffizienz veranschaulicht.
Wie in 5 veranschaulicht, nimmt die NO₂-Absorptionseffizienz, welche dem Verhältnis aus dem in dem SCR-Katalysator absorbierten NO₂ zu dem einströmenden NO₂ entspricht, ab, wenn die NO₂-Speichermenge zunimmt. Das heißt, dass sich die NO₂-Absorptionsfunktion des SCR-Katalysators verschlechtert, wenn die NO₂-Speichermenge zunimmt. Darüber hinaus ist die maximale NO₂-Speicherkapazität, welche dem oberen Grenzwert der NO₂-Speichermenge entspricht, als die NO₂-Speichermenge definiert, bei welcher die NO₂-Absorptionseffizienz in der in 5 gezeigten Karte ungefähr 0 wird.
Wieder Bezug nehmend auf 4 berechnet die NO + Absorption-NO₂-Reinigungsmodell-Berechnungseinheit 616 die NO-Menge (die NO-Reduktionsmenge), welche zusammen mit dem in dem SCR-Katalysator gespeicherten NO₂ aus der von der stationären Entweichungsmengenberechnungseinheit 610 geschätzten stationären NO-Entweichungsmenge reduziert wird, d. h. die NO-Menge, welche nicht reduziert wird und direkt freigesetzt wird, unter der Annahme, dass der SCR-Katalysator nicht die NO-Freisetzungsfunktion aufweist.
Hier wird die NO-Reduktionsmenge durch Multiplizieren der stationären NO-Entweichungsmenge mit der transienten NO-Reinigungsrate berechnet, welche durch Suchen in einer Karte bestimmt wird (siehe 6). Darüber hinaus wird die NO-Entweichungsmenge durch Subtrahieren der NO-Reduktionsmenge von der stationären NO-Entweichungsmenge berechnet und die NO₂-Verbrauchsmenge wird als die NO₂-Menge berechnet, welche zusammen mit dem NO der NO-Reduktionsmenge durch die schnelle SCR-Reaktion reduziert wird.
6 ist eine Darstellung, welche ein Beispiel einer Karte zum Bestimmen der transienten NOx-Reinigungsrate veranschaulicht.
Die transiente NO-Reinigungsrate, welche dem Verhältnis des NO, welches zusammen mit dem von dem SCR-Katalysator freigesetzten NO₂ reduziert wird, zu dem einströmenden NO entspricht, nimmt ab, wenn die NO₂-Speichermenge abnimmt. Das heißt, dass sich die NO₂-Freisetzungsfunktion des SCR-Katalysators verschlechtert, wenn die NO₂-Speichermenge zunimmt.
Wieder Bezug nehmend auf 3 berechnet die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelungs-/Steuerungseinheit im Schritt S3 die abgelagerte Feinstaubmenge des Abgasreinigungsfilters und die gegenwärtige Routine schreitet zum Schritt S4 fort. Hier wird die abgelagerte Feinstaubmenge durch ein bekanntes Verfahren, wie etwa durch eine auf der Integration der Kraftstoffeinspritzmenge basierenden Schätzung oder durch eine auf einem differenziellen Drucksensor (nicht dargestellt) basierenden Schätzung, berechnet.
Im Schritt S4 berechnet die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelungs-/Steuerungseinheit den Wert des NOx-Korrelationsparameters und die gegenwärtige Routine schreitet zum Schritt S5 fort. Beispielsweise wird das angeforderte Drehmoment des Motors als NOx-Korrelationsparameter verwendet. Ein Parameter, welcher im Verhältnis zu der NOx-Ausstoßmenge des Motors zunimmt, wird als ein anderer NOx-Korrelationsparameter verwendet und ein Beispiel dieses Parameters umfasst den mittleren effektiven Druck, welcher aus der Ausgabe des internen Zylinderdrucksensors (nicht dargestellt) berechnet wird, den geschätzten Wert der NOx-Ausstoßmenge oder dergleichen.
Im Schritt S5 stellt die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelungs-/Steuerungseinheit den Stöchiometrie-Bestimmungsschwellwert ein und die gegenwärtige Routine schreitet zum Schritt S6 fort. Nachfolgend wird durch Bezugnahme auf die 7 bis 9 eine Prozedur zum Einstellen eines Stöchiometrie-Bestimmungsschwellwerts beschrieben werden.
7 ist ein Blockdiagramm, welches beim Einstellen des Stöchiometrie-Bestimmungsschwellwerts beteiligt ist. Wie in 7 veranschaulicht, wird der Stöchiometrie-Bestimmungsschwellwert durch Multiplizieren des Wertes des Korrektur-Koeffizienten, welcher durch Suchen in einer vorgegebenen Karte (siehe 9) in einer Korrektur-Koeffizient-Berechnungseinheit 618 berechnet wird, mit dem Basiswert, welcher durch Suchen in einer vorgegebenen Karte (siehe 8) in einer Basiswert-Berechnungseinheit 617 berechnet wird, bestimmt.
8 ist eine Darstellung, welche ein Beispiel einer Karte zum Bestimmen des Basiswerts des Stöchiometrie-Bestimmungsschwellwerts veranschaulicht. Genauer gesagt ist 8 eine Karte zum Bestimmen des Basiswerts unter Verwendung der im Schritt S1 berechneten SCR-Katalysator-Temperatur als Eingabeparameter.
Wie im unteren Bereich von 8 veranschaulicht, verschlechtert sich, wenn die Temperatur des SCR-Katalysators tiefer als die Aktivierungstemperatur ist, die NOx-Reinigungsrate, im Gegensatz zu dem Fall, dass die Temperatur des SCR-Katalysators höher als die Aktivierungstemperatur ist. Das heißt, dass, wenn die SCR-Katalysator-Temperatur tiefer als die Aktivierungstemperatur ist, es in vielen Fällen wünschenswert ist, NOx unter Verwendung der Drei-Wege-Reinigungsreaktion des stromaufwärtigen Katalysators zu reinigen, im Gegensatz zu dem Fall, dass der SCR-Katalysator hauptsächlich verwendet wird, um NOx zu reinigen. Das heißt, dass, wenn die SCR-Katalysator-Temperatur tiefer als die Aktivierungstemperatur ist, es wünschenswert ist, einfach den mageren Betriebsmodus in den stöchiometrischen Betriebsmodus zu ändern, im Gegensatz zu dem Fall, dass die SCR-Katalysator-Temperatur höher als die Aktivierungstemperatur ist. Unter Berücksichtigung der Temperaturcharakteristik des SCR-Katalysators wird, wie in 8 veranschaulicht, der Basiswert des Stöchiometrie-Bestimmungsschwellwerts auf einen kleinen Wert eingestellt, wenn die SCR-Katalysator-Temperatur tiefer als die Aktivierungstemperatur ist, im Gegensatz zu dem Fall, dass die SCR-Katalysator-Temperatur höher als die Aktivierungstemperatur ist.
9 ist eine Darstellung, welche ein Beispiel einer Karte zum Bestimmen des Werts des Korrektur-Koeffizienten des Stöchiometrie-Bestimmungsschwellwerts veranschaulicht. Genauer gesagt ist 9 eine Karte zum Bestimmen des Werts des Korrektur-Koeffizienten unter Verwendung der NO₂-Speichermenge als Eingabeparameter. Wie vorangehend beschrieben, nimmt, wenn die NO₂-Speichermenge zunimmt, die NOx-Reinigungsrate des SCR-Katalysators in der stöchiometrischen Atmosphäre zu. Unter Berücksichtigung der NO₂-Absorptionscharakteristik des SCR-Katalysators wird, wie in 9 veranschaulicht, der Korrektur-Koeffizient auf einen kleinen Wert eingestellt, wenn die NO₂-Speichermenge zunimmt.
Wieder Bezug nehmend auf 3 bestimmt die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelungs-/Steuerungseinheit im Schritt S6, ob die Bedingung für eine Änderung des mageren Betriebsmodus in den stöchiometrischen Betriebsmodus erfüllt ist. Genauer gesagt vergleicht die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelungs-/Steuerungseinheit den im Schritt S4 berechneten NOx-Korrelationsparameter mit dem im Schritt S5 eingestellten Stöchiometrie-Bestimmungsschwellwert, bestimmt, dass die Änderungsbedingung erfüllt ist, wenn der Wert des NOx-Korrelationsparameters größer als der Stöchiometrie-Bestimmungsschwellwert ist und die gegenwärtige Routine schreitet zum nächsten Schritt S7 fort. Dieser Prozess endet dann, wenn der Wert des NOx-Korrelationsparameters der Stöchiometrie-Bestimmungsschwellwert ist oder kleiner als dieser wird, anstatt den Betriebsmodus von dem mageren Betriebsmodus zu ändern.
Im Schritt S7 bestimmt die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelungs-/Steuerungseinheit, ob die im Schritt S3 berechnete abgelagerte Feinstaubmenge größer als eine vorgegebene Ablagerungsmengen-Obergrenze ist. Da die Temperatur des Abgases zunimmt, wenn der Betriebsmodus von dem mageren Betriebsmodus in den stöchiometrischen Betriebsmodus geändert wird, tritt der Fall ein, dass der in dem Abgasreinigungsfilter abgelagerte Feinstaub verbrannt wird. Dementsprechend tritt der Fall ein, dass die Temperatur des Abgasreinigungsfilters übermäßig zunehmen kann, wenn der Betriebsmodus von dem stöchiometrischen Betriebsmodus geändert wird, während der Feinstaub übermäßig in dem Abgasreinigungsfilter abgelagert wird. Die Ablagerungsmengen-Obergrenze wird auf einen Wert eingestellt, bei welchem die Temperatur des Filters nicht die überhöhte Temperatur erreicht, wenn der stöchiometrische Betriebsmodus ausgewählt ist. Dementsprechend bestimmt im Schritt S7, wenn die abgelagerte Menge größer als die Ablagerungsmengen-Obergrenze ist, die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelungs-/Steuerungseinheit, dass die Temperatur des Filters die überhöhte Temperatur erreichen kann und beendet diesen Prozess anstatt zum nächsten Schritt S8 fortzuschreiten, um die Änderung des Betriebsmodus zu verhindern. Darüber hinaus schreitet die gegenwärtige Routine zum nächsten Schritt S8 fort, wenn die abgelagerte Menge der Ablagerungsmengen-Obergrenze entspricht oder kleiner als diese ist.
Im Schritt S8 bestimmt die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelungs-/Steuerungseinheit die stöchiometrische Zeitdauer, welche der kontinuierlichen Ausführungszeit des stöchiometrischen Betriebsmodus entspricht, durch Suchen in einer vorgegebenen Karte (siehe 10) basierend auf der im Schritt S3 berechneten abgelagerten Feinstaubmenge und die gegenwärtige Routine schreitet zum Schritt S9 fort.
10 ist eine Darstellung, welche ein Beispiel einer Karte zum Bestimmen der stöchiometrischen Zeitdauer veranschaulicht. Genauer gesagt ist 10 eine Karte zum Bestimmen der stöchiometrischen Zeitdauer unter Verwendung der abgelagerten Feinstaubmenge als Eingabeparameter.
In dem stöchiometrischen Betriebsmodus wird mehr Feinstaub im Vergleich zu dem mageren Betriebsmodus ausgestoßen. Dementsprechend wird, wie in 10 veranschaulicht, die stöchiometrische Zeitdauer derart eingestellt, dass sie verkürzt ist, wenn die abgelagerte Menge zunimmt, um die verfügbare Ablagerungskapazität des Abgasreinigungsfilters sicherzustellen.
Wieder Bezug nehmend auf 3 ändert die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelungs-/Steuerungseinheit den Betriebsmodus im Schritt S9 von dem mageren Betriebsmodus in den stöchiometrischen Betriebsmodus. Darüber hinaus ändert, wenn die im Schritt S8 bestimmte stöchiometrische Zeitdauer von dem Zeitpunkt an endet, die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelungs-/Steuerungseinheit den Betriebsmodus von dem stöchiometrischen Betriebsmodus erneut in den mageren Betriebsmodus.
Gemäß dem Abgasreinigungssystem 2 der Ausführungsform können die folgenden Effekte erzielt werden:

(A) Gemäß der Ausführungsform kann NOx sowohl durch den stromaufwärtigen Katalysator als auch durch den SCR-Katalysator gereinigt werden, selbst wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis von der mageren Seite zu dem Stöchiometrieverhältnis geregelt/gesteuert wird. Darüber hinaus kann die NOx-Reinigungsrate in der Stöchiometrieatmosphäre verbessert werden, wenn die NO₂-Speichermenge des SCR-Katalysators zunimmt. Aus diesem Grund wird in der Ausführungsform der Stöchiometrie-Bestimmungsschwellwert auf einen kleinen Wert eingestellt, wenn die NO₂-Speichermenge zunimmt und daher wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis aktiv zu dem Stöchiometrieverhältnis geändert. Daher kann gemäß der Ausführungsform der Betriebsmodus von dem mageren Betriebsmodus in den stöchiometrischen Betriebsmodus zu einem angemessenen Zeitpunkt geändert werden, so dass sich die NOx-Reinigungsrate des SCR-Katalysators nicht verschlechtert.
(B) In der Ausführungsform wird, wenn der Wert des NOx-Korrelationsparameters der Stöchiometrie-Bestimmungsschwellwert ist entspricht oder kleiner als dieser ist und das NOx ausreichend lediglich durch die NOx-Reduktionsreaktion des SCR-Katalysators ohne eine Verwendung der Drei-Wege-Reinigungsreaktion des stromaufwärtigen Katalysators gereinigt werden kann, der magere Betriebsmodus beibehalten, ohne den Betriebsmodus in den stöchiometrischen Betriebsmodus zu ändern. Daher ist es möglich, die Verschlechterung der Kraftstoffeffizienz aufgrund der Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zu dem Stöchiometrieverhältnis mehr als notwendig zu unterdrücken.
(C) In der Ausführungsform wird, wenn die SCR-Katalysator-Temperatur tiefer als die Aktivierungstemperatur ist, der Stöchiometrie-Bestimmungsschwellwert auf einen kleinen Wert verglichen mit dem Fall eingestellt, dass die SCR-Katalysator-Temperatur höher als die Aktivierungstemperatur ist und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird aktiv zu dem Stöchiometrieverhältnis geändert. Dementsprechend kann die NOx-Reinigungsleistungsfähigkeit des gesamten Systems verbessert werden, indem die Drei-Wege-Reinigungsreaktion des stromaufwärtigen Katalysators zu einem angemessenen Zeitpunkt veranlasst wird.
(D) In der Ausführungsform kann, da die stöchiometrische Zeitdauer verkürzt wird, wenn die abgelagerte Feinstaubmenge zunimmt, die verfügbare Ablagerungskapazität des Abgasreinigungsfilters sichergestellt werden und eine überhöhte Temperatur des Abgasreinigungsfilters kann verhindert werden.
(E) Gemäß der Ausführungsform ist es möglich, da der Betriebsmodus nicht auf den stöchiometrischen Betriebsmodus eingestellt wird, wenn die abgelagerte Menge größer als die Ablagerungsmengen-Obergrenze ist, die überhöhte Temperatur des Abgasreinigungsfilters zu verhindern.

Ein Abgasreinigungssystem umfasst: einen SCR-Katalysator, welcher eine Funktion aufweist, NOx zu reduzieren und NO₂ zu absorbieren; einen stromaufwärtigen Katalysator, welcher an der stromaufwärtigen Seite des SCR-Katalysators bereitgestellt ist und welcher eine Drei-Wege-Reinigungsfunktion hat; und eine Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelungs-/Steuerungseinheit, welche das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Luft-Kraftstoff-Mischung regelt/steuert. Die Regelungs-/Steuerungseinheit berechnet die NO₂-Speichermenge des SCR-Katalysators (S2), berechnet einen Wert des NOx-Korrelationsparameters, welcher in Antwort auf die NOx-Ausstoßmenge zunimmt (S4), stellt den Stöchiometrie-Bestimmungsschwellwert auf einen kleinen Wert ein, wenn die NO₂-Speichermenge zunimmt (S5), und ändert den Betriebsmodus des Motors in den stöchiometrischen Betriebsmodus, in welchem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu dem Stöchiometrieverhältnis geregelt/gesteuert wird, wenn der Wert des NOx-Korrelationsparameters größer als der Stöchiometrie-Bestimmungsschwellwert ist (S6, S9).

Claims

Abgasreinigungssystem (2) eines Verbrennungsmotors (1), umfassend: einen Selektive-Reduktion-Katalysator (33), welcher in einem Abgasdurchgang (11) eines Verbrennungsmotors (1) bereitgestellt ist und eine Funktion aufweist, NOx in Anwesenheit von NH₃ zu reduzieren und eines oder beide von NO₂ und einer NO₂-Verbindung im Abgas zu absorbieren; eine Reduktionsmittelzufuhrvorrichtung (4), welche NH₃ oder dessen Vorläufersubstanz dem Selektive-Reduktion-Katalysator (33) zuführt; einen stromaufwärtigen Katalysator (31), welcher an der stromaufwärtigen Seite des Selektive-Reduktion-Katalysators (33) in dem Abgasdurchgang (11) bereitgestellt ist und eine Drei-Wege-Reinigungsfunktion hat; eine NOx-Korrelationswert-Berechnungseinheit (61), welche den Wert des NOx-Korrelationsparameters berechnet, welcher in Antwort auf die NOx-Ausstoßmenge des Motors (1) zunimmt; eine Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelungs-/Steuerungseinheit (61), welche das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Luft-Kraftstoff-Mischung zu einem Stöchiometrieverhältnis regelt/steuert, wenn der Wert des NOx-Korrelationsparameters größer als der Stöchiometrie-Bestimmungsschwellwert ist; eine NO₂-Speichermengenschätzeinheit (61), welche die NO₂-Speichermenge berechnet, welche der NO₂-Menge und der Menge einer NO₂-Verbindung entspricht, die in dem Selektive-Reduktion-Katalysator (33) absorbiert sind; und eine Schwellwert-Einstelleinheit (61), welche den Stöchiometrie-Bestimmungsschwellwert auf einen kleinen Wert einstellt, wenn die NO₂-Speichermenge zunimmt.
Abgasreinigungssystem (2) eines Verbrennungsmotors (1) nach Anspruch 1, wobei die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelungs-/Steuerungseinheit (61) das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Luft-Kraftstoff-Mischung bei einem Wert, welcher magerer als das Stöchiometrieverhältnis ist, regelt/steuert, so dass eine NOx-Reduktionsreaktion fortlaufend in dem Selektive-Reduktion-Katalysator (31) stattfindet, wenn der Wert des NOx-Korrelationsparameters der Stöchiometrie-Bestimmungsschwellwert ist oder kleiner als dieser ist.
Abgasreinigungssystem (2) eines Verbrennungsmotors (1) nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend: eine Temperaturerfassungseinheit (36, 6), welche die Temperatur des Selektive-Reduktion-Katalysators (31) erfasst, wobei, wenn die Temperatur des Selektive-Reduktion-Katalysators (33) niedriger als dessen Aktivierungstemperatur ist, die Schwellwert-Einstelleinheit (61) den Stöchiometrie-Bestimmungsschwellwert auf einen kleinen Wert verglichen mit dem Fall einstellt, dass die Temperatur des Selektive-Reduktion-Katalysators (33) höher als dessen Aktivierungstemperatur ist.
Abgasreinigungssystem (2) eines Verbrennungsmotors (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Abgasdurchgang (11) mit einem Filter (32) versehen ist, welcher Feinstaub in dem Abgas einfängt, und wobei die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelungs-/Steuerungseinheit (61) die Zeit, in welcher das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Luft-Kraftstoff-Mischung bei dem Stöchiometrieverhältnis gehalten wird, verkürzt, wenn die abgelagerte Feinstaubmenge des Filters (32) zunimmt.
Abgasreinigungssystem (2) eines Verbrennungsmotors (1) nach Anspruch 4, wobei die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelungs-/Steuerungseinheit (61) die Regelung/Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zu dem Stöchiometrieverhältnis in dem Fall verhindert, dass die abgelagerte Feinstaubmenge des Filters (32) größer als eine Ablagerungsmengen-Obergrenze ist, welche zum Verhindern der überhöhten Temperatur des Filters (32) eingestellt wird, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Luft-Kraftstoff-Mischung zu dem Stöchiometrieverhältnis geregelt/gesteuert wird.