DE102016206279B4 - Abgasreinigungsvorrichtung für brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Abgasreinigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine (1) mit:einem Katalysator (3) zur selektiven katalytischen NOx-Reduktion mit einem Katalysatorsubstrat (33) und auf dem Katalysatorsubstrat (33) angeordneten Katalysatorschichten (31, 32), die hergestellt sind aus Katalysatorpartikeln mit der Eigenschaft des selektiven Reduzierens von NOx mit einem von Ammoniak abgeleiteten Reduktionsmittel, wobei die Katalysatorschichten (31, 32) mindestens eine erste Katalysatorschicht (31) mit einer Fähigkeit zum Reduzieren von NOx und eine zweite Katalysatorschicht (32) mit einer Oxidationsfähigkeit, die näher zu dem Katalysatorsubstrat (33) angeordnet ist als die erste Katalysatorschicht (31), einschließen;Zugabemittel (5) zum Zugeben einer spezifischen Zugabemenge an Reduktionsmittel zum Reduzieren von NOx zu dem in den Katalysator (3) zur selektiven katalytischen NOx-Reduktion strömenden Abgas; undSteuermittel (ECU) zum Steuern der Zugabe des Reduktionsmittels durch das Zugabemittel (5) basierend auf der Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases derart, dass die Konzentration des Reduktionsmittels in einer in dem einströmenden Abgas gebildeten Reduktionsmittelatmosphäre in einem Reduktionsmittelzugabezeitraum gleich einer spezifischen Konzentration wird, die bestimmt wird auf Basis der Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases und bei der angenommen wird, dass das Reduktionsmittel nicht die zweite Katalysatorschicht (32) erreicht, wenn die Temperatur des Katalysators (3) zur selektiven katalytischen NOx-Reduktion eine spezifische Temperatur übersteigt, bei der die Reduktion von NOx durch die erste Katalysatorschicht (31) ausgeführt wird.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine.
  • Stand der Technik
  • Es existieren Brennkraftmaschinen, die mit einem Katalysator zur selektiven katalytischen NOx-Reduktion (welcher nachfolgend manchmal der Einfachheit halber als „NOx-Katalysator“ bezeichnet wird) in einem Abgaskanal zur Verringerung von NOx im Abgas bereitgestellt werden. Ein typischer NOx-Katalysator umfasst zumindest eine Art an aktiver Komponente wie Fe oder Cu mit der Funktion eines selektiven Reduzierens von NOx, die durch lonenaustausch in Mikroporen des Zeoliths geträgert ist.
  • Mit dem NOx-Katalysator wird unter Zufuhr eines Reduktionsmittels wie Ammoniak NOx im Abgas selektiv reduziert. Wenn die Katalysatortemperatur des NOx-Katalysators niedrig ist, besteht die Tendenz, dass kein zufriedenstellender Wirkungsgrad der NOx-Entfernung erreicht wird. Als eine Gegenmaßnahme offenbart die Patentliteratur 1 einen NOx-Katalysator, der in einer Zweilagenstruktur aufgebaut ist, die eine untere Katalysatorschicht und eine obere Katalysatorschicht einschließt, wobei die untere Katalysatorschicht eine durch ein Edelmetall ausgeübte Oxidationsfähigkeit aufweist und die obere Katalysatorschicht keine Oxidationsfähigkeit aufweist, sondern lediglich eine Reduktionsfähigkeit aufweist. Die Patentliteratur 1 beschreibt eine Oxidation von NO (Stickstoffmonoxid) zu NO2 durch die untere Katalysatorschicht und die Verwendung des resultierenden NO2 zur Reduktion von NOx mit Ammoniak durch die obere Katalysatorschicht.
  • Eine Abgasreinigungsvorrichtung mit einem NOx-Katalysator der eine Zweilagenstruktur aufweist wird zudem in der Patentliteratur 3 offenbart. Der NOx-Katalysator umfasst eine erste Katalysatorschicht zum Einfangen des NOx im Abgas, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases mager ist, und eine zweite Katalysatorschicht zum Halten des zugeführten NH3 und zum Reduzieren des NOx mit dem NH3 als einem Reduktionsmittel.
  • Liste der zitierten Patentliteratur
    • PTL 1: JP 2008- 279 334 A bzw. EP 1 992 409 A1
    • PTL 2: JP 2014- 5 742 A
    • PTL 3: JP 2011- 38 405 A
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • Im oben beschriebenen Stand der Technik ist der NOx-Katalysator in einer Zweilagenstruktur aufgebaut, welche eine untere Katalysatorschicht und eine obere Katalysatorschicht einschließt. NO (Stickstoffmonoxid) im Abgas wird durch die Oxidationsfähigkeit der unteren Katalysatorschicht zu NO2 oxidiert, und das resultierende NO2 wird zur Reduktion von NOx durch die obere Katalysatorschicht verwendet. Wenn die Temperatur des NOx-Katalysators ansteigt und die Oxidationsfähigkeit von dessen unterer Katalysatorschicht hoch wird, kann Ammoniak, welches als Reduktionsmittel zur Reduktion von NOx dient, unerwünschterweise oxidiert werden, was zu einer Erhöhung der Menge an erzeugtem NOx (einschließlich NO2) führt. Es besteht dann die Möglichkeit, dass die NOx-Entfernungsrate mit dem NOx-Katalysator verschlechtert ist.
  • Für den NOx-Katalysator mit der oben beschriebenen Zweilagenstruktur ist es schwierig, als ein NOx-Katalysator ein zufriedenstellendes NOx-Entfernungsvermögen auszuüben, sofern ein Reduktionsmittel zum Reduzieren von NOx nicht in einer geeigneten Weise zugeführt wird, die geeignet ist für die Fähigkeiten der jeweiligen Schichten wie der NOx-Reduktionsfähigkeit und der Oxidationsfähigkeit. Die Zufuhr von Reduktionsmittel zu dem NOx-Katalysator ist in großem Maße mit einer Diffusion von Abgas in dem NOx-Katalysator verknüpft. Das Ausmaß einer Diffusion des Abgases, welches das Reduktionsmittel enthält, in jeder der Schichten des NOx-Katalysators hängt in großem Maße von der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases ab. Es ist daher schwierig, dem NOx-Katalysator die Ausübung einer zufriedenstellenden Reduktionsfähigkeit durch lediglich Zugeben eines Reduktionsmittels für eine NOx-Reduktion zu dem Abgas zu ermöglichen, um das Reduktionsmittel dem NOx-Katalysator zuzugeben, ohne den Effekt der Strömungsgeschwindigkeit auf den NOx-Katalysator zu berücksichtigen.
  • Die vorliegende Erfindung wurde angesichts des oben beschriebenen Problems gemacht, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Technologie bereitzustellen, die es dem NOx-Katalysator ermöglicht, seine NOx-Reduktionsfähigkeit bei jeglicher Strömungsgeschwindigkeit des in den NOx-Katalysator strömenden Abgases auszuüben.
  • Lösung des Problems
  • Zur Lösung des obigen Problems wird bei der vorliegenden Erfindung, wenn ein Reduktionsmittel einem einströmenden Abgas zugegeben wird, das in einen Katalysator zur selektiven katalytischen NOx-Reduktion strömt, der eine erste Katalysatorschicht mit einer Fähigkeit zur Reduktion von NOx und eine zweite Katalysatorschicht mit einer Oxidationsfähigkeit aufweist, die Konzentration des Reduktionsmittels in der Reduktionsmittelatmosphäre während des Zugabezeitraums unter Berücksichtigung der Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases angepasst. Die Konzentration des Reduktionsmittels (Reduktionsmittelkonzentration) in der Reduktionsmittelatmosphäre ist definiert als der Anteil des zugegebenen Reduktionsmittels in der durch die Zugabe des Reduktionsmittels in dem Abgas gebildeten Reduktionsmittelatmosphäre (d. h. das Abgas, welches das Reduktionsmittel enthält) pro Zeiteinheit. Somit kann die Reduktionsmittelkonzentration berechnet werden durch Teilen der Menge des pro Zeiteinheit zugegebenen Reduktionsmittels durch die Abgasströmungsmenge pro Zeiteinheit. Eine Steuerung der Reduktionsmittelkonzentration in der Reduktionsmittelatmosphäre während des Reduktionsmittelzugabezeitraums ändert das Ausmaß der Diffusion des zugegebenen Reduktionsmittels in dem Katalysator zur selektiven katalytischen NOx-Reduktion. Daher kann ein Steuern der Reduktionsmittelkonzentration einen Bereitstellungszustand für das Reduktionsmittel in dem Katalysator zur selektiven katalytischen NOx-Reduktion erzeugen, der es ermöglicht, dass dieser seine Fähigkeit zur Reduktion von NOx angemessen ausübt.
  • Im Speziellen umfasst eine Abgasreinigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung: einen Katalysator zur selektiven katalytischen NOx-Reduktion mit einem Katalysatorsubstrat und auf dem Katalysatorsubstrat angeordneten Katalysatorschichten, die aus Katalysatorpartikeln mit der Eigenschaft des selektiven Reduzierens von NOx mit einem von Ammoniak abgeleiteten Reduktionsmittel hergestellt sind, wobei die Katalysatorschichten mindestens eine erste Katalysatorschicht mit einer Fähigkeit von Reduzieren von NOx und eine zweite Katalysatorschicht mit einer Oxidationsfähigkeit, die näher zu dem Katalysatorsubstrat angeordnet ist als die erste Katalysatorschicht, einschließen; Zugabemittel zum Zugeben einer spezifischen Zugabemenge an Reduktionsmittel zum Reduzieren von NOx zu dem in den Katalysator zur selektiven katalytischen NOx-Reduktion einströmenden Abgas; und Steuermittel zum Steuern der Zugabe des Reduktionsmittels durch das Zugabemittel basierend auf der Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases derart, dass die Konzentration des Reduktionsmittels in einer in dem einströmenden Abgas gebildeten Reduktionsmittelatmosphäre in einem Reduktionsmittelzugabezeitraum gleich einer spezifischen Konzentration wird, die bestimmt wird auf Basis der Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases und bei der angenommen wird, dass das Reduktionsmittel nicht die zweite Katalysatorschicht erreicht, wenn die Temperatur des Katalysators zur selektiven katalytischen NOx-Reduktion eine spezifische Temperatur übersteigt, bei der die Reduktion von NOx durch die erste Katalysatorschicht ausgeführt wird.
  • Der Katalysator zur selektiven katalytischen NOx-Reduktion (NOx-Katalysator), der in der Abgasreinigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist aufgebaut aus einem Katalysatorsubstrat und einer Vielzahl an auf dem Katalysatorsubstrat angeordneten Katalysatorschichten, welche zumindest die zuvor erwähnte erste Katalysatorschicht und die zuvor erwähnte zweite Katalysatorschicht einschließen. Die vorliegende Erfindung schließt nicht aus, dass auch eine oder mehrere Katalysatorschichten in dem zuvor erwähnten NOx-Katalysator enthalten sind, die von der ersten Katalysatorschicht und der zweiten Katalysatorschicht verschieden sind. Da die zweite Katalysatorschicht auf der Katalysatorsubstratseite der ersten Katalysatorschicht angeordnet ist, strömt das Abgas von außerhalb des NOx-Katalysators zuerst in die erste Katalysatorschicht und strömt dann in die zweite Katalysatorschicht. Da die zweite Katalysatorschicht unter der ersten Katalysatorschicht angeordnet ist, wenn das Katalysatorsubstrat als die Basis angesehen wird, wird manchmal in dieser Beschreibung die Position der zweiten Katalysatorschicht in Bezug auf die erste Katalysatorschicht als „untere“ und demgegenüber die Position der ersten Katalysatorschicht in Bezug auf die zweite Katalysatorschicht als „obere“ bezeichnet.
  • Während die erste Katalysatorschicht eine Katalysatorschicht mit einer Fähigkeit zum Reduzieren von NOx ist, ist die zweite Katalysatorschicht eine Katalysatorschicht mit einer Oxidationsfähigkeit. Die zweite Katalysatorschicht kann eine Schicht sein, die eine Fähigkeit zum Reduzieren von NOx aufweist und in Abhängigkeit von der Katalysatortemperatur ferner eine Oxidationsfähigkeit ausübt. Der NOx-Katalysator mit der ersten Katalysatorschicht und der zweiten Katalysatorschicht kann NOx im Abgas entfernen durch Reduktion mittels zumindest der ersten Katalysatorschicht. Da sie eine Oxidationsfähigkeit aufweist, kann die zweite Katalysatorschicht NO (Stickstoffmonoxid) in dem Abgas zu NO2 oxidieren, um dieses der ersten Katalysatorschicht zuzuführen, wodurch eine Reduktion von NOx durch die erste Katalysatorschicht unterstützt wird. Der NOx-Katalysator kann durch seinen Aufbau als ein Katalysator ausgestaltet sein, der am stromabwärts liegenden Ende des Abgaskanals angeordnet ist, um die Emission von Ammoniak nach außen zu vermeiden oder zu verringern.
  • Um eine Reduktion von NOx in dem NOx-Katalysator zu ermöglichen, ist es notwendig, dass die Temperatur des NOx-Katalysators eine spezifische Temperatur erreicht, bei der eine Reduktion von NOx durch die erste Katalysatorschicht durchgeführt wird. Wenn die Temperatur des NOx-Katalysators die spezifische Temperatur erreicht, erreicht auch die Temperatur der zweiten Katalysatorschicht im Wesentlichen die spezifische Temperatur. In diesem Zustand ist die von der zweiten Katalysatorschicht ausgeübte Oxidationsfähigkeit nicht vernachlässigbar. Wenn daher zur Reduktion von NOx in dem NOx-Katalysator dem Abgas durch das Zugabemittel das Reduktionsmittel zugegeben wird, wird, wenn von dem Reduktionsmittel erzeugtes Ammoniak die zweite Katalysatorschicht erreicht, durch die Oxidationsfähigkeit der zweiten Katalysatorschicht NOx erzeugt. In Abhängigkeit von der Menge an auf diese Weise erzeugtem NOx kann die Reduktion von NOx durch die erste Katalysatorschicht unzureichend sein, was in manchen Fällen zu einer Abnahme der NOx-Reduktionsrate des NOx-Katalysators führt. Um die Effizienz der NOx-Reduktion durch den NOx-Katalysator zu verbessern, ist es bevorzugt, dass das von dem Reduktionsmittel erzeugte Ammoniak dem NOx-Katalysator derart zugeführt wird, dass es nicht die zweite Katalysatorschicht erreicht.
  • Das Ausmaß der Diffusion von Ammoniak in dem NOx-Katalysator ist nicht immer konstant, sondern ist in großem Maße abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases, das in den NOx-Katalysator strömt. Im Speziellen ist, wenn die Konzentration des Reduktionsmittels in der Reduktionsmittelatmosphäre, welche durch die Zugabe des Reduktionsmittels durch das Zugabemittel zu dem Abgas gebildet wird, gleich ist, der Zeitraum, über den die Reduktionsmittelatmosphäre im NOx-Katalysator verbleibt, umso länger, je geringer die Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases ist, und ist es umso wahrscheinlicher, dass die Reduktionsmittelatmosphäre die zweite Schicht erreicht, die in dem NOx-Katalysator als die untere Schicht angeordnet ist. Das Ammoniak in der Reduktionsmittelatmosphäre, welche die zweite Katalysatorschicht erreicht, wird durch die Oxidationsfähigkeit der zweiten Katalysatorschicht zu NOx umgewandelt.
  • Wenn in der Abgasreinigungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung die Temperatur des Katalysators zur selektiven katalytischen NOx-Reduktion eine spezifische Temperatur übersteigt, bei welcher eine Reduktion von NOx durch die erste Katalysatorschicht ausgeführt wird, steuert das Steuermittel die Zugabe des Reduktionsmittels durch das Zugabemittel basierend auf der Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases derart, dass die Konzentration des Reduktionsmittels in der in dem einströmenden Abgas gebildeten Reduktionsmittelatmosphäre in dem Reduktionsmittelzugabezeitraum gleich einer spezifischen Konzentration wird, die bestimmt wird auf Basis der Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases und bei der angenommen wird, dass das Reduktionsmittel nicht die zweite Katalysatorschicht erreicht. Auf diese Weise wird die zuvor erwähnte Beziehung zwischen dem Ausmaß der Diffusion der Reduktionsmittelatmosphäre in dem NOx-Katalysator und der Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases berücksichtigt und wird, wenn die Temperatur des NOx-Katalysators die spezifische Temperatur übersteigt, die Zugabe des Reduktionsmittels durch das Zugabemittel auf Basis der Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases derart gesteuert, dass die Konzentration des Reduktionsmittels in der Reduktionsmittelatmosphäre gleich der spezifischen Konzentration wird. In der Abgasreinigungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Reduktionsmittelatmosphäre ausgebildet durch Zugeben einer spezifischen Zugabemenge an Reduktionsmittel durch das Zugabemittel. Die spezifische Zugabemenge ist die Menge an Reduktionsmittel, die in dem Reduktionsmittelzugabezeitraum zugegeben wird, d. h. die Menge an Reduktionsmittel, die in dem Reduktionsmittelzugabezeitraum zur Reduktion von NOx durch den NOx-Katalysator zugegeben wird. Die spezifische Zugabemenge wird bestimmt unter Berücksichtigung von Bedingungen betreffend die Reduktion von NOx durch den NOx-Katalysator, wie der Menge an in dem NOx-Katalysator adsorbiertem Ammoniak und der NOx-Konzentration im Abgas.
  • Wenn wie oben die Temperatur des NOx-Katalysators die spezifische Temperatur übersteigt, wird die Konzentration des Reduktionsmittels in der durch die Zugabe des Reduktionsmittels gebildeten Reduktionsmittelatmosphäre gleich der spezifischen Konzentration gemacht. Somit ist es möglich, das Ausmaß der Diffusion der Reduktionsmittelatmosphäre im NOx-Katalysator derart zu steuern, dass verhindert wird, dass in der Reduktionsmittelatmosphäre enthaltenes Ammoniak die zweite Katalysatorschicht erreicht, wie auch immer die Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases zu dem Zeitpunkt ist, bei dem das Reduktionsmittel durch das Zugabemittel zugegeben wird. Als Folge davon kann die Bildung von NOx durch die zweite Katalysatorschicht verhindert werden, während wirksam die Reduktion von NOx durch die erste Katalysatorschicht unterstützt wird, und kann daher der NOx-Katalysator seine NOx-Reduktionsfähigkeit bei jeglicher Abgasströmungsgeschwindigkeit ausüben. Die spezifische Konzentration kann entweder ein fester Wert sein oder kann ein variabler Wert sein, welcher in Abhängigkeit von der Abgasströmungsgeschwindigkeit variiert wird.
  • Wenn in der oben beschriebenen Abgasreinigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine die Temperatur des Katalysators zur selektiven katalytischen NOx-Reduktion die spezifische Temperatur übersteigt, kann das Steuermittel die Zugabe des Reduktionsmittels durch das Zugabemittel basierend auf der Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases derart steuern, dass die Konzentration des Reduktionsmittels in der in dem einströmenden Abgas gebildeten Reduktionsmittelatmosphäre gleich der spezifischen Konzentration wird, welche niedriger festgesetzt wird, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases gering ist, als vergleichsweise wenn die Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases hoch ist, vorausgesetzt, dass die spezifische Zugabemenge dieselbe ist, d. h. vorausgesetzt, dass die in dem Reduktionsmittelzugabezeitraum zugegebene spezifische Zugabemenge dieselbe ist. Mit anderen Worten, wenn die Abgasströmungsgeschwindigkeit gering ist (oder im „Zustand geringer Strömungsgeschwindigkeit“), kann das Steuermittel die Zugabe des Reduktionsmittels derart steuern, dass eine Reduktionsmittelatmosphäre mit der zuvor erwähnten spezifischen Konzentration ausgebildet wird, welche geringer festgesetzt wird, wenn die Abgasströmungsgeschwindigkeit gering ist, als vergleichsweise wenn die Abgasströmungsgeschwindigkeit hoch ist (oder im „Zustand hoher Strömungsgeschwindigkeit“) in dem in den NOx-Katalysator strömenden Abgas, ohne dass die Menge des dem Abgas zugegebenen Reduktionsmittels verändert wird.
  • Wie oben, bildet das Steuermittel im Zustand geringer Strömungsgeschwindigkeit eine Reduktionsmittelatmosphäre mit einer Konzentration, die geringer ist als die im Zustand hoher Strömungsgeschwindigkeit. Da die Konzentration des Reduktionsmittels in dieser Reduktionsmittelatmosphäre relativ gering ist, ist das in der Reduktionsmittelatmosphäre enthaltene Ammoniak nicht in der Lage, die zweite Katalysatorschicht, welche auf der Katalysatorsubstratseite (oder unteren Seite) angeordnet ist, zu erreichen, auch wenn die Reduktionsmittelatmosphäre bei geringer Strömungsgeschwindigkeit von der ersten Katalysatorschichtseite aus in den NOx-Katalysator eintritt. Folglich ist es im Zustand geringer Geschwindigkeit unwahrscheinlich, dass das Reduktionsmittel die zweite Katalysatorschicht erreicht. Daher kann der Wirkungsgrad der NOx-Reduktion des NOx-Katalysators hoch gehalten werden, wie auch immer die Abgasströmungsgeschwindigkeit ist. Bei der Ausbildung dieser Reduktionsmittelatmosphäre wird die Menge des Reduktionsmittels weder erhöht noch verringert und kann daher eine geeignete Menge an Reduktionsmittel der ersten Katalysatorschicht zur Reduktion von NOx zugeführt werden.
  • Da in der oben beschriebenen Abgasreinigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine die spezifische Zugabemenge an Reduktionsmittel dem Abgas durch das Zugabemittel zugegeben wird, kann die Reduktionsmittelkonzentration in der Reduktionsmittelatmosphäre sich im Verlauf der Zeit ändern, so dass sie schließlich die spezifische Konzentration erreicht, und kann der Unterschied zwischen dem höchsten Wert und dem niedrigsten Wert der Reduktionsmittelkonzentration in der Reduktionsmittelatmosphäre in dem Fall, bei dem die Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases gering ist, kleiner sein als der Unterschied zwischen dem höchsten Wert und dem niedrigsten Wert der Reduktionsmittelkonzentration in der Reduktionsmittelatmosphäre in dem Fall, bei dem die Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases hoch ist. Indem der Unterschied zwischen dem höchsten Wert und dem niedrigsten Wert der Reduktionsmittelkonzentration in der Reduktionsmittelatmosphäre im Zustand geringer Strömungsgeschwindigkeit verringert wird, wird die Konzentration der in dem Abgas gebildeten Reduktionsmittelatmosphäre verringert. Folglich ist es möglich, den Wirkungsgrad der NOx-Reduktion des NOx-Katalysators zu verbessern, wie auch immer die Abgasströmungsrate ist.
  • In dem Fall, bei dem die Reduktionsmittelkonzentration in der Reduktionsmittelatmosphäre sich im Verlauf der Zeit ändert, um schließlich die spezifische Konzentration zu erreichen, wenn die spezifische Zugabemenge an Reduktionsmittel dem Abgas durch das Zugabemittel zugegeben wird, kann der Spitzenwert der Reduktionsmittelkonzentration in der Reduktionsmittelatmosphäre in dem Fall, bei dem die Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases gering ist, geringer sein als der Spitzenwert der Reduktionsmittelkonzentration in der Reduktionsmittelatmosphäre in dem Fall, bei dem die Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases hoch ist. Indem im Zustand geringer Strömungsgeschwindigkeit der Spitzenwert der Reduktionsmittelkonzentration in der Reduktionsmittelatmosphäre verringert wird, wird die Konzentration der in dem Abgas gebildeten Reduktionsmittelatmosphäre verringert, wodurch verhindert werden kann, dass das Reduktionsmittel die zweite Katalysatorschicht erreicht.
  • In der oben beschriebenen Abgasreinigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine kann die erste Katalysatorschicht eine Katalysatorschicht sein, die bei hohen Temperaturen eine hohe NOx-Reduktionsfähigkeit aufweist (welche nachfolgend manchmal als die „Hochtemperaturkatalysatorschicht“ bezeichnet wird), und kann die zweite Katalysatorschicht eine Katalysatorschicht sein, die bei niedrigen Temperaturen eine hohe NOx-Reduktionsfähigkeit aufweist (welche manchmal als die „Niedertemperaturkatalysatorschicht“ bezeichnet wird). Die zweite Katalysatorschicht besitzt eine höhere Fähigkeit zur Oxidation des Reduktionsmittels, wenn die Temperatur des Katalysators zur selektiven katalytischen NOx-Reduktion höher ist als die spezifische Temperatur, als vergleichsweise wenn die Temperatur des Katalysators zur selektiven katalytischen NOx-Reduktion nicht höher ist als die spezifische Temperatur. In dem Fall, bei dem der NOx-Katalysator eine Vielzahl an Katalysatorschichten einschließt, welche eine NOx-Reduktionsfähigkeit wie oben besitzen, ist es möglich, den Wirkungsgrad der NOx-Reduktion des NOx-Katalysators zu verbessern durch das wie oben beschriebene Anpassen der Reduktionsmittelkonzentration in der Reduktionsmittelatmosphäre an die spezifische Konzentration auf Basis der Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases, wie auch immer die Abgasströmungsgeschwindigkeit ist.
  • In der oben beschriebenen Abgasreinigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine kann die Niedertemperaturkatalysatorschicht Katalysatorpartikel enthalten, die hergestellt werden durch lonenaustausch von kristallinem Zeolith mit Cu, und kann die Hochtemperaturkatalysatorschicht Katalysatorpartikel enthalten, die hergestellt werden durch lonenaustausch von kristallinem Zeolith mit Fe. Alternativ dazu kann die Niedertemperaturkatalysatorschicht Katalysatorpartikel enthalten, die aus SnMnCeOx bestehen, welches ein Manganoxid ist. In diesem Fall kann die Hochtemperaturkatalysatorschicht Katalysatorpartikel enthalten, die auf vergleichbare Weise durch lonenaustausch von kristallinem Zeolith mit Fe hergestellt werden. In dem obigen Fall werden Sn und Ce zugegeben, um die Dauerhaftigkeit des NOx-Katalysators zu verbessern. Daher bezeichnet der Begriff „Manganoxid“ im Kontext der vorliegenden Erfindung Manganoxide, denen eine oder mehrere von Sn und Ce verschiedene Komponenten zugegeben werden zum Zweck der Verbesserung der Dauerhaftigkeit oder zu anderen Zwecken, und Manganoxide, denen keine anderen Komponenten zugegeben werden. Die vorliegende Erfindung schließt Niedertemperaturkatalysatorschichten und Hochtemperaturkatalysatorschichten, die Katalysatorpartikel enthalten, die von den oben erwähnten verschieden sind, nicht aus.
  • Die zuvor beschriebene Abgasreinigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine kann ferner ein Bestimmungsmittel zum Bestimmen, ob das Reduktionsmittel die zweite Katalysatorschicht erreicht oder nicht, wenn die Temperatur des Katalysators zur selektiven katalytischen NOx-Reduktion höher ist als die spezifische Temperatur, und ein Mittel zur Berechnung der Konzentrationsverringerung zum Berechnen einer Verringerungsmenge um die die Konzentration des Reduktionsmittels in dem einströmenden Abgas durch das Steuermittel zu verringern ist, wenn durch das Bestimmungsmittel festgestellt wird, dass das Reduktionsmittel die zweite Katalysatorschicht erreichen wird, umfassen. In diesem Fall steuert das Steuermittel die Zugabe des Reduktionsmittels durch das Zugabemittel gemäß der Verringerungsmenge der Konzentration des Reduktionsmittels, die durch das Mittel zur Berechnung der Konzentrationsverringerung berechnet wurde, um die Konzentration des Reduktionsmittels in dem einströmenden Abgas gleich der spezifischen Konzentration zu machen.
  • Mit dem obigen Merkmal wird die Reduktionsmittelatmosphäre mit einer spezifischen Konzentration, welche relativ gering ist, durch das Steuermittel in dem Fall ausgebildet, bei dem durch das Bestimmungsmittel bestimmt wird, dass das Reduktionsmittel die Niedertemperaturkatalysatorschicht erreichen wird. Die Bestimmung durch das Bestimmungsmittel kann durchgeführt werden auf Basis eines Parameters, der mit dem Ausmaß der Diffusion der Reduktionsmittelatmosphäre in dem NOx-Katalysator korreliert, wie der Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases. Da die Reduktionsmittelatmosphäre mit einer spezifischen Konzentration gebildet wird durch das Steuermittel gemäß der Verringerungsmenge der Reduktionsmittelkonzentration, die berechnet wird durch das Mittel zur Berechnung der Konzentrationsverringerung, kann die auf diese Weise gebildete Reduktionsmittelatmosphäre eine spezifische Konzentration aufweisen, welche verhindert, dass das Reduktionsmittel die zweite Katalysatorschicht erreicht. Die Verringerungsmenge der Reduktionsmittelkonzentration kann berechnet werden unter Berücksichtigung des Parameters, der mit dem Ausmaß der Diffusion der Reduktionsmittelatmosphäre in dem NOx-Katalysator korreliert, welcher bei der Bestimmung mittels des Bestimmungsmittels verwendet wird.
  • Die Abgasreinigungsvorrichtung mit dem oben beschriebenen Mittel zur Berechnung der Konzentrationsverringerung kann ferner ein Mittel zur Berechnung der Konzentrationserhöhung umfassen zum Berechnen einer Erhöhungsmenge, um welche die Konzentration des Reduktionsmittels in dem einströmenden Abgas erhöht werden kann durch das Steuermittel innerhalb der Grenzen, bei denen nicht bewirkt wird, dass das Reduktionsmittel die zweite Katalysatorschicht erreicht, wenn durch das Bestimmungsmittel festgestellt wird, dass das Reduktionsmittel die zweite Katalysatorschicht nicht erreichen wird. In diesem Fall steuert das Steuermittel die Zugabe des Reduktionsmittels durch das Zugabemittel gemäß der Erhöhungsmenge der Konzentration des Reduktionsmittels, die durch das Mittel zur Berechnung der Konzentrationserhöhung berechnet wurde. Wenn das Reduktionsmittel dem NOx-Katalysator zugeführt wird, ist das Reduktionsmittel umso mehr in der Lage, dem tiefen Teil der ersten Katalysatorschicht zugeführt zu werden, und ist umso mehr zu erwarten, dass NOx in der ersten Katalysatorschicht wirksamer reduziert wird, desto höher die Reduktionsmittelkonzentration in der Reduktionsmittelatmosphäre ist. Je höher die Reduktionsmittelkonzentration ist, desto mehr ist demgegenüber die Reduktionsmittelatmosphäre in der Lage, die zweite Katalysatorschicht zu erreichen. Wenn angesichts des Obigen festgestellt wird, dass das Reduktionsmittel die zweite Katalysatorschicht nicht erreichen wird, ist das Steuermittel so ausgelegt, dass es die Reduktionsmittelkonzentration entsprechend der Erhöhungsmenge erhöht, die berechnet wurde durch das Mittel zur Berechnung der Konzentrationserhöhung innerhalb der Grenzen, bei denen nicht bewirkt wird, dass das Reduktionsmittel die zweite Katalysatorschicht erreicht. Somit kann eine Reduktion von NOx in der ersten Katalysatorschicht wirksam erreicht werden, während eine Oxidation des Reduktionsmittels durch die zweite Katalysatorschicht verhindert oder kontrolliert wird. Die zuvor erwähnte Erhöhungsmenge der Reduktionsmittelkonzentration kann berechnet werden unter Berücksichtigung des Parameters, der mit dem Ausmaß der Diffusion der Reduktionsmittelatmosphäre in dem NOx-Katalysator korreliert, welcher bei der Bestimmung durch das Bestimmungsmittel verwendet wird.
  • Wenn in der zuvor beschriebenen Abgasreinigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine die spezifische Zugabemenge an Reduktionsmittel dem Abgas zugegeben wird, kann das Steuermittel die Konzentration des Reduktionsmittels in dem einströmenden Abgas verringern durch Verringern der Menge an Reduktionsmittel, die durch das Zugabemittel pro Zeiteinheit zugegeben wird, und Erhöhen einer Zuführventilöffnungszeit des Zugabemittels. Alternativ dazu kann die spezifische Zugabemenge an Reduktionsmittel dem Abgas auf eine Weise zugegeben werden, bei der die Zugabe des Reduktionsmittels und ein Aussetzen der Zugabe sich abwechseln, und kann das Steuermittel die Konzentration des Reduktionsmittels in dem einströmenden Abgas verringern, indem das Intervall zwischen aufeinanderfolgenden Zugaben des Reduktionsmittels verlängert wird. In jedem Fall kann die Abgasreinigungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verhindern, dass das Reduktionsmittel die zweite Katalysatorschicht erreicht, durch Steuern der Zugabe des Reduktionsmittels durch das Steuermittel unter der Bedingung, dass die spezifische Zugabemenge nicht verändert wird, wie auch immer die Abgasströmungsgeschwindigkeit ist.
  • Vorteilhafte Effekte der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, dass der NOx-Katalysator seine NOx-Reduktionsfähigkeit bei jeder Strömungsgeschwindigkeit des in den NOx-Katalysator strömenden Abgases ausübt.
  • Figurenliste
    • 1A ist eine Abbildung, die eine Abgasreinigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine zeigt, welche einen Katalysator zur selektiven katalytischen NOx-Reduktion verwendet, der zwei Katalysatorschichten umfasst.
    • 1 B ist eine Abbildung, die den Aufbau des Katalysators zur selektiven katalytischen NOx-Reduktion aufzeigt, der in der in 1A gezeigten Abgasreinigungsvorrichtung verwendet wird.
    • 2 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen der Katalysatortemperatur und der Fähigkeit der selektiven Reduktion von NOx für Cu und Fe als aktive Komponenten in dem Katalysator zur selektiven katalytischen NOx-Reduktion aufzeigt.
    • 3 veranschaulicht die Beziehung zwischen einem ersten Modus der Zugabe einer Harnstofflösung, die in der Abgasreinigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird, und dem Zustand der Diffusion von Ammoniak als Reduktionsmittel, das mit dem Katalysator zur selektiven katalytischen NOx-Reduktion verwendet wird.
    • 4A ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Zuführventilöffnungszeit bei der Zugabe einer Harnstofflösung, welche in der Abgasreinigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird, und der Strömungsgeschwindigkeit des in den Katalysator zur selektiven katalytischen NOx-Reduktion strömenden Abgases aufzeigt.
    • 4B ist ein Graph, der die zeitliche Änderung der Reduktionsmittelkonzentration in der Reduktionsmittelatmosphäre, die in dem in den Katalysator zur selektiven katalytischen NOx-Reduktion strömenden Abgas gebildet ist, in einem Fall aufzeigt, bei dem die Zugabe einer Harnstofflösung gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird.
    • 5 ist ein Ablaufdiagramm einer Steuerung der NOx-Entfernung, die in der Abgasreinigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird.
    • 6 ist ein erstes Diagramm, das eine Kennlinie, die bei der in 5 gezeigten Steuerung der NOx-Entfernung verwendet wird zum Bestimmen, ob Ammoniak die zweite Katalysatorschicht erreichen wird oder nicht, und eine Kennlinie, die bei der in 5 gezeigten Steuerung der NOx-Entfernung verwendet wird zum Bestimmen einer Zuführventilöffnungszeit zum Verhindern, dass Ammoniak die zweite Katalysatorschicht erreicht, zeigt.
    • 7 ist ein zweites Diagramm, das eine Kennlinie, die bei der in 5 gezeigten Steuerung der NOx-Entfernung verwendet wird zum Bestimmen, ob Ammoniak die zweite Katalysatorschicht erreichen wird oder nicht, und eine Kennlinie, die bei der in 5 gezeigten Steuerung der NOx-Entfernung verwendet wird zum Bestimmen einer Zuführventilöffnungszeit zum Verhindern, dass Ammoniak die zweite Katalysatorschicht erreicht, zeigt.
    • 8A ist ein Diagramm, das schematisch einen zweiten Modus der Zugabe einer Harnstofflösung aufzeigt, die in der Abgasreinigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird.
    • 8B ist ein Diagramm, das schematisch einen dritten Modus der Zugabe einer Harnstofflösung aufzeigt, die in der Abgasreinigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird.
    • 8C ist ein Diagramm, das schematisch einen vierten Modus der Zugabe einer Harnstofflösung aufzeigt, die in der Abgasreinigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird.
    • 8D ist ein Diagramm, das schematisch einen fünften Modus der Zugabe einer Harnstofflösung aufzeigt, die in der Abgasreinigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird.
    • 9 ist eine Abbildung, die einen weiteren Katalysator zur selektiven katalytischen NOx-Reduktion aufzeigt, der zwei Katalysatorschichten umfasst und der in der Abgasreinigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
  • Beschreibung von Beispielen
  • Im Folgenden werden unter Bezug auf die Zeichnungen spezifische Beispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Abmessungen, Materialien, Formen, relative Anordnungen und andere Merkmale der Komponenten, die in Zusammenhang mit den Beispielen beschrieben werden, sind nicht dazu gedacht, den technischen Umfang der vorliegenden Erfindung auf diese einzuschränken, insofern dies nicht anderweitig angegeben wird.
  • Erstes Beispiel
  • Unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen wird ein Beispiel eines Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion von NOx (welcher nachfolgend manchmal der Einfachheit halber als „NOx-Katalysator“ bezeichnet wird) gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. 1A zeigt eine Abgasreinigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine 1, die mit einem NOx-Katalysator 3 bereitgestellt wird. Die in 1A gezeigte Brennkraftmaschine 1 ist ein Dieselmotor zum Antrieb eines Fahrzeugs. Die Brennkraftmaschine 1 ist nicht auf einen Dieselmotor beschränkt, sondern kann auch ein anderer Motortyp wie ein Benzinmotor sein. In 1A sind einige Komponenten der Brennkraftmaschine 1 wie beispielsweise eine EGR-Vorrichtung für ein Rückführen eines Teils des in dem Abgaskanal 2 strömenden Abgases zu dem Einlasssystem nicht gezeigt.
  • In der Abgasleitung 2 der Brennkraftmaschine 1 ist ein NOx-Katalysator 3 vorgesehen, der unter Verwendung von Ammoniak als einem Reduktionsmittel selektiv NOx im Abgas reduziert. Um Ammoniak herzustellen, das als ein Reduktionsmittel in dem NOx-Katalysator 3 fungiert, wird eine Harnstofflösung (wässrige Harnstofflösung als ein Vorläufer von Ammoniak in einem Harnstofftank 4 gelagert. Die Harnstofflösung wird dem Abgas mittels eines Zuführventils 5 zugegeben, welches stromaufwärts des NOx-Katalysators 3 angeordnet ist. Die durch das Zuführventil 5 zugegebene Harnstofflösung wird durch die Hitzewirkung des Abgases hydrolysiert, um Ammoniak zu erzeugen. Das auf diese Weise erzeugte Ammoniak strömt in den NOx-Katalysator 3 und wird von dem NOx-Katalysator 3 adsorbiert. Folglich findet eine Reduktionsreaktion des adsorbierten Ammoniaks und des NOx im Abgas statt. Somit wird NOx durch Reduktion entfernt. In diesem Beispiel wird, wie oben beschrieben, Harnstofflösung durch ein Zuführventil 5 zugegeben. Alternativ dazu kann direkt Ammoniak oder eine Ammoniaklösung in das Abgas zugegeben werden. Darüber hinaus kann stromabwärts des NOx-Katalysators 3 ein ASC-Katalysator vorgesehen sein. Der ASC-Katalysator ist ein Oxidationskatalysator, welcher ausgelegt ist, um Ammoniak zu oxidieren, das durch den NOx-Katalysator 3 hindurchgeht.
  • Der NOx-Katalysator 3 wird hergestellt durch Aufbringen einer Katalysatorpartikel enthaltenden Aufschlämmung auf ein Katalysatorsubstrat 33 und indem dieses danach getrocknet und gesintert wird. Im Speziellen weist, wie in 1 B gezeigt, der NOx-Katalysator 3 eine erste Katalysatorschicht 31 und eine zweite Katalysatorschicht 32 auf. Die zweite Katalysatorschicht 32 ist angrenzend zu dem Katalysatorsubstrat 33 angeordnet, und die erste Katalysatorschicht 31 ist nahe dem Abgasstrom in dem Abgaskanal 2 angeordnet. Somit ist die zweite Katalysatorschicht 32 zwischen der ersten Katalysatorschicht 31 und dem Katalysatorsubstrat 33 angeordnet und tritt NOx im Abgas in die erste Katalysatorschicht 31 ein und diffundiert durch diese hindurch, um die zweite Katalysatorschicht 32 zu erreichen. Die oben beschriebene mehrlagige Beschichtungsstruktur des NOx-Katalysators, die hergestellt wird durch Beschichten eines Katalysatorsubstrats mit einer Vielzahl an Katalysatorschichten, ist bereits bekannt, und die Einzelheiten dessen Herstellungsverfahrens werden in dieser Beschreibung nicht beschrieben.
  • Wir werden nun die Katalysatorpartikel beschreiben, welche die erste Katalysatorschicht 31 bilden. Die Katalysatorpartikel werden hergestellt durch ein teilweises lonenaustauschen von kristallinem Zeolith mit Fe (Eisen), welches eine aktive Komponente mit der Eigenschaft eines selektiven Reduzierens von NOx im Abgas ist. Die Katalysatorpartikel werden mittels eines Bindemittels gebunden, um die erste Katalysatorschicht 31 auszubilden. Das Abgas strömt als solches in die erste Katalysatorschicht 31, und das NOx im Abgas diffundiert in Mikroporen des Zeoliths in der ersten Katalysatorschicht 31 zusammen mit Ammoniak als Reduktionsmittel, so dass eine Reduktionsreaktion von NOx stattfindet.
  • In diesem Beispiel wird Fe in der ersten Katalysatorschicht 31 des NOx-Katalysators 3 als eine aktive Komponente verwendet, welche die wie oben beschriebene Eigenschaft des selektiven Reduzierens von NOx besitzt. Der durch lonenaustauschen des kristallinen Zeoliths mit Fe erzeugte NOx-Katalysator (welcher nachfolgend als „Fe-ausgetauschter NOx-Katalysator“ bezeichnet wird) neigt dazu, dass er ein hohes NOx-Entfernungsvermögen bei relativ hohen Temperaturen (z. B. in dem Temperaturbereich oberhalb 400 °C) aufweist, wie dies durch die Linie L1 in 2 aufgezeigt ist. Demgegenüber ist die aktive Komponente mit der Eigenschaft eines selektiven Reduzierens von NOx, die in der zweiten Katalysatorschicht 32 des NOx-Katalysators 3 verwendet wird, Cu, welches eine weitere aktive Komponente mit der Eigenschaft eines selektiven Reduzierens von NOx ist. Der durch lonenaustauschen von kristallinem Zeolith mit Cu hergestellte NOx-Katalysator (welcher nachfolgend als „Cu-ausgetauschter NOx-Katalysator“ bezeichnet wird) besitzt die Neigung, dass er ein hohes NOx-Entfernungsvermögen bei relativ niedrigen Temperaturen (z. B. im Temperaturbereich zwischen 230°C und 400°C) aufweist, wie dies durch die Linie L2 in 2 aufgezeigt wird. Es ist bekannt, dass der Cu-ausgetauschte NOx-Katalysator eine höhere Oxidationsfähigkeit als der Fe-ausgetauschte NOx-Katalysator aufweist. Daher zeigt der Cu-ausgetauschte NOx-Katalysator bei hohen Temperaturen eine hohe Selektivität für eine Reaktion von Sauerstoff und dem Reduktionsmittel auf, so dass er dazu neigt, Ammoniak, welches als Reduktionsmittel zum Reduzieren von NOx fungieren soll, zu oxidieren, um NOx zu erzeugen, und wird die NOx-Entfernungsrate verschlechtert.
  • Wie oben entspricht die erste Katalysatorschicht 31 der ersten Katalysatorschicht gemäß der vorliegenden Erfindung und entspricht die zweite Katalysatorschicht 32, welche die Fähigkeit zum Oxidieren von Ammoniak besitzt, der zweiten Katalysatorschicht gemäß der vorliegenden Erfindung. Da der NOx-Katalysator 3 die erste Katalysatorschicht 31 und die zweite Katalysatorschicht 32 aufweist, welche wie in 1 B gezeigt eine über der anderen angeordnet sind, kann der NOx-Katalysator NOx durch dessen Reduktion über einen relativ großen Temperaturbereich des NOx-Katalysators 3 entfernen. Wenn im Speziellen die Temperatur des NOx-Katalysators 3 sich in einem Niedertemperaturentfernungsbereich T2 befindet, ist davon auszugehen, dass NOx hauptsächlich unter Verwendung der NOx-Reduktionsfähigkeit der zweiten Katalysatorschicht 32 entfernt wird. Wenn die Temperatur des NOx-Katalysators 3 sich in einem Hochtemperaturentfernungsbereich T3 befindet, ist davon auszugehen, dass NOx hauptsächlich unter Verwendung der NOx-Reduktionsfähigkeit der ersten Katalysatorschicht 31 entfernt wird. Da die erste Katalysatorschicht 31 oberhalb der zweiten Katalysatorschicht 32 angeordnet ist, ist es, wenn die Temperatur des NOx-Katalysators 3 sich in dem Hochtemperaturentfernungsbereich T3 befindet, bevorzugt, dass Ammoniak in dem Abgas so weit als möglich durch die erste Katalysatorschicht 31 verbraucht wird, um so zu verhindern, dass Ammoniak die zweite Katalysatorschicht 32 erreicht, wodurch eine Umwandlung von Ammoniak zu NOx vermieden wird. Dies wird später ausführlicher beschrieben.
  • In dem Bereich T1 der Temperatur des NOx-Katalysators 3 unterhalb des Niedertemperaturentfernungsbereichs T2 ist der NOx-Katalysator 3 nicht in ausreichendem Maße aktiv und kann keine Entfernung von NOx durch Reduktion erwartet werden. Dieser Bereich T1 wird als der inaktive Bereich bezeichnet. In dem Temperaturbereich T4 oberhalb des Hochtemperaturentfernungsbereichs T3 verschlechtert sich die NOx-Entfernungsrate der ersten Katalysatorschicht 31 aufgrund der hohen Temperatur. Dieser Temperaturbereich T4 wird daher als der Bereich überhöhter Temperatur bezeichnet. In dem inaktiven Bereich T1 und dem Bereich überhöhter Temperatur T4 kann keine Entfernung von NOx durch Reduktion mittels des NOx-Katalysators 3 erwartet werden und wird daher die Zugabe von Harnstofflösung durch das Zuführventil 5 grundsätzlich ausgesetzt.
  • Stromaufwärts des NOx-Katalysators 3 ist ein NOx-Sensor 10 vorgesehen, der die NOx-Konzentration in dem in den NOx-Katalysator 3 strömenden Abgas misst. Ein weiterer NOx-Sensor 11, der die NOx-Konzentration in dem aus dem NOx-Katalysator 3 strömenden Abgas misst, ist stromabwärts des NOx-Katalysators 3 vorgesehen. Darüber hinaus ist stromabwärts des NOx-Katalysators 3 ein Temperatursensor 14 vorgesehen, der die Temperatur des aus dem NOx-Katalysator 3 strömenden Abgases misst. Die Brennkraftmaschine 1 ist mit einer elektronischen Steuereinheit (ECU) 20 ausgestattet, welche eine Einheit ist, die den Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1 und die Abgasreinigungsvorrichtung steuert. Die ECU 20 ist elektrisch mit verschiedenen Sensoren verbunden wie den NOx-Sensoren 10, 11 und dem oben beschriebenen Temperatursensor 14, einem Kurbelwellenwinkelsensor 21, einem Gaspedalöffnungsgradsensor 22 und einem in dem Einlasskanal 25 der Brennkraftmaschine 1 vorgesehenen Luftmassenmesser 26. Die Messwerte der Sensoren werden in die ECU 20 eingespeist. Die ECU 20 kann somit Parameter betreffend den Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1 erkennen, wie die Ansaugluftmenge basierend auf dem Messwert des Luftmassenmessers 26, die Abgasströmungsrate berechnet auf Basis der Ansaugluftmenge, die Motorgeschwindigkeit basierend auf dem Messwert des Kurbelwellenwinkelsensors 21 und die Motorlast basierend auf dem Messwert des Gaspedalöffnungsgradsensors 22.
  • In diesem Beispiel kann die Konzentration an NOx in dem in den NOx-Katalysator 3 strömenden Abgas durch den NOx-Sensor 10 gemessen werden. Alternativ dazu kann sie basierend auf dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1 abgeschätzt werden, da die Konzentration an NOx in dem von der Brennkraftmaschine 1 ausgestoßenen Abgas (das heißt, das Abgas in einem Zustand vor einer Reinigung durch den NOx-Katalysator 3 oder das in den NOx-Katalysator 3 strömende Abgas) eine Korrelation mit dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1 aufweist.
  • Die ECU 20 sendet einen Befehl zu dem Zuführventil 5 unter Berücksichtigung der auf diese Weise gemessenen oder abgeschätzten NOx-Konzentration im Abgas, so dass eine Menge an Harnstofflösung, die zur Entfernung von NOx durch Reduktion benötigt wird, dem Abgas zugegeben wird. Beispielsweise kann die durch das Zuführventil 5 zuzugebende Menge an Harnstofflösung auf eine derartige Weise bestimmt werden, dass die tatsächliche NOx-Entfernungsrate mit dem NOx-Katalysator 3, die durch die folgende Gleichung (1) bestimmt wird, innerhalb eines vorbestimmten Bereichs gehalten wird, der geeignet festgelegt wird, um die Anforderungen hinsichtlich der Abgasreinigung zu erfüllen. Alternativ dazu kann die Menge an durch das Zuführventil 5 zuzugebender Harnstofflösung bestimmt werden auf Basis der abgeschätzten Menge an im NOx-Katalysator adsorbiertem Ammoniak. ( NOx-Entfernungsrate ) = 1 − ( Messwert des NOx-Sensors 11 ) / ( Messwert des NOx-Sensors 10 )
    Figure DE102016206279B4_0001
  • In dem NOx-Katalysator 3 ist wie oben beschrieben die erste Katalysatorschicht 31 mit einer relativ hohen NOx-Reduktionsfähigkeit bei hohen Temperaturen oberhalb angeordnet. Wenn die Temperatur des NOx-Katalysators 3 sich in dem Hochtemperaturentfernungsbereich T3 befindet, in welchem die Entfernung von NOx durch die erste Katalysatorschicht 31 ausgeführt wird, weist die unterhalb der ersten Katalysatorschicht 31 platzierte zweite Katalysatorschicht 32 eine hohe Fähigkeit zur Oxidation von Ammoniak auf. Wenn angesichts dessen die Temperatur des NOx-Katalysators 3 sich in dem Hochtemperaturentfernungsbereich T3 befindet, ist es zur Erhöhung des Wirkungsgrads der NOx-Reduktion des NOx-Katalysators 3 notwendig, 1 eine Zufuhr von Ammoniak zu der zweiten Katalysatorschicht 32 zu verhindern oder zu kontrollieren während Ammoniak als Reduktionsmittel der ersten Katalysatorschicht 3 zugeführt wird. Um einen angemessenen Wirkungsgrad der NOx-Reduktion des NOx-Katalysators 3 sicherzustellen, ist es somit notwendig, die Diffusion der Reduktionsmittelatmosphäre in dem NOx-Katalysator mit einer Vielzahl an Katalysatorschichten geeignet zu steuern.
  • Der NOx-Katalysator 3 ist derart angeordnet, dass das im Abgaskanal 2 strömende Abgas in diesen hineinströmt. Die durch die Zugabe der Harnstofflösung zu dem Abgas mittels des Zuführventils 5 gebildete Reduktionsmittelatmosphäre fließt zusammen mit dem Abgas in den NOx-Katalysator 3. Die Diffusion der Reduktionsmittelatmosphäre in dem NOx-Katalysator 3 ist daher in großem Maße beeinflusst durch die Strömungsgeschwindigkeit des in den NOx-Katalysator 3 strömenden Abgases (welches nachfolgend der Einfachheit halber als „einströmendes Abgas“ bezeichnet wird). Insbesondere wenn die Konzentration des Reduktionsmittels (d. h. die Konzentration an Ammoniak) in der Reduktionsmittelatmosphäre dieselbe ist, ist das Reduktionsmittel umso weniger dazu geneigt, im NOx-Katalysator 3 in der Laminierrichtung der Katalysatorschichten zu diffundieren, und ist das Reduktionsmittel umso mehr dazu geneigt, in der Richtung des Abgasstroms zu diffundieren, je höher die Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases ist. Mit anderen Worten, wenn die Konzentration des Reduktionsmittels in der Reduktionsmittelatmosphäre dieselbe ist, ist das Reduktionsmittel umso mehr dazu geneigt, im NOx-Katalysator 3 in der Laminierrichtung der Katalysatorschichten zu diffundieren, und ist das Reduktionsmittel umso weniger dazu geneigt, in der Richtung des Abgasstroms zu diffundieren, je geringer die Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases ist.
  • Angesichts des Obigen ist die Abgasreinigungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung derart ausgelegt, dass der Modus der Zugabe der Harnstofflösung durch das Zuführventil 5 gesteuert wird unter Berücksichtigung der Strömungsgeschwindigkeit des in den NOx-Katalysator 3 einströmenden Abgases, um eine geeignete Diffusion der Reduktionsmittelatmosphäre in dem NOx-Katalysator 3 zu erreichen, wenn die Temperatur des NOx-Katalysators 3 sich in dem Hochtemperaturentfernungsbereich T3 befindet. Im Folgenden wird unter Bezug auf 3 kurz die Zugabe von Harnstofflösung in dem Fall beschrieben, bei dem die Temperatur des NOx-Katalysators 3 sich in dem Hochtemperaturentfernungsbereich T3 befindet. Der obere Graph (a) in 3 zeigt schematisch eine Beziehung zwischen der Zuführventilöffnungszeit des Zuführventils 5 (d. h. die Zeitdauer, während der das Zuführventil 5 offen ist, um Harnstofflösung in das Abgas einzuspritzen) und der Konzentration an Ammoniak in der in dem Abgas durch die Zugabe der Harnstofflösung gebildeten Reduktionsmittelatmosphäre (d. h. die in den NOx-Katalysator 3 strömende Reduktionsmittelatmosphäre) in dem Fall, bei dem eine spezifische Menge an Harnstofflösung durch das Zuführventil 5 zugegeben wird, um NOx durch Reduktion zu entfernen. Diese Beziehung wird nachfolgend als „Konzentrationsbeziehung“ bezeichnet. Die Zugabe von Harnstofflösung im Verlauf der Zuführventilöffnungszeit wird in einem vorbestimmten Zugabezeitraum wiederholt durchgeführt. Dies bedeutet, dass der vorbestimmte Zugabezeitraum zusätzlich zu der zuvor erwähnten Zuführventilöffnungszeit, während der eine Zugabe an Harnstofflösung durchgeführt wird, einen Zeitraum einschließt, während dessen eine Zugabe von Harnstofflösung nicht durchgeführt wird (siehe die später erwähnte 4B). Das untere Diagramm (b) in 3 veranschaulicht schematisch Zustände der Diffusion des Reduktionsmittels (Ammoniak) in dem NOx-Katalysator 3. Die Konzentration an Ammoniak in der Reduktionsmittelatmosphäre wird berechnet durch Teilen der Menge an pro Zeiteinheit erzeugtem Ammoniak durch die Abgasströmungsrate pro Zeiteinheit.
  • In dem oberen Graphen (a) in 3 bezeichnen L3 und L4 Konzentrationsbeziehungen in dem Fall, bei dem dem Abgas durch das Zuführventil 5 dieselbe spezifische Zugabemenge an Harnstofflösung zugegeben wird. Im Speziellen bezeichnet L3 eine Konzentrationsbeziehung gemäß einem Standarddiffusionsmodell und bezeichnet L4 eine Konzentrationsbeziehung gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Standarddiffusionsmodell ist ein übliches Modell der Diffusion, welches die Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases nicht berücksichtigt. In diesem Standarddiffusionsmodell wird angenommen, dass die Reduktionsmittelatmosphäre von der Seite der oberen Schicht des NOx-Katalysators 3 allmählich zu der Seite der unteren Schicht diffundiert. Obwohl die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases in dem Standardmodell nicht berücksichtigt wird, kann die tatsächliche Diffusion der Reduktionsmittelatmosphäre in dem NOx-Katalysator 3 in großem Maße durch die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases beeinflusst werden. Wenn beispielsweise die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases relativ gering ist, neigt das Reduktionsmittel dazu, im NOx-Katalysator 3 wie oben beschrieben in der Laminierrichtung der Katalysatorschichten zu diffundieren, und neigt das Reduktionsmittel dazu, in übermäßigem Maße in der Laminierrichtung zu diffundieren, wie durch einen schraffierten Bereich R1 in 3B dargestellt. In einigen Fällen erreicht ein Teil der Reduktionsmittelatmosphäre die zweite Katalysatorschicht 32, um der Oxidationsfähigkeit der zweiten Katalysatorschicht 32 ausgesetzt zu sein. Wie oben wird in dem Standarddiffusionsmodell die Zuführventilöffnungszeit Δf1 bei der Zugabe des Reduktionsmittels bestimmt auf Basis von Parametern, welche keinen Bezug zu der Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases aufweisen, welche das Ausmaß der Diffusion der Reduktionsmittelatmosphäre beeinflusst.
  • Wenn in der vorliegenden Erfindung die Temperatur des NOx-Katalysators 3 sich in dem Hochtemperaturentfernungsbereich T3 befindet, wird die Zugabe der Harnstofflösung zum Vermeiden, dass Ammoniak die zweite Katalysatorschicht 32 erreicht, durchgeführt. Mit der Maßgabe, dass die Reduktionsmittelatmosphäre dazu neigt, in der Laminierrichtung der Katalysatorschichten zu diffundieren, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases relativ gering ist, wird die Zugabe an Harnstofflösung bei einer verringerten Reduktionsmittelkonzentration in der Reduktionsmittelatmosphäre durchgeführt, so dass die Reduktionsmittelatmosphäre nicht die zweite Katalysatorschicht 32 erreicht. Im Speziellen wird eine Zugabe an Harnstofflösung bei einem verringerten Einspritzdruck des Zuführventils 5 durchgeführt, so dass dieselbe Menge an Harnstofflösung dem Abgas zugegeben wird während einer Zuführventilöffnungszeit Δf2, die länger ist als die Zuführventilöffnungszeit Δf1 in dem Fall, bei dem das Standarddiffusionsmodell angewendet wird. Die Zuführventilöffnungszeit Δf2 wird in diesem Fall bestimmt unter Berücksichtigung der Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases. Demgemäß ist die Konzentration an Ammoniak in der Reduktionsmittelatmosphäre in dem in den NOx-Katalysator 3 strömenden Abgas geringer als die Konzentration an Ammoniak in dem Fall, bei dem das Standarddiffusionsmodell verwendet wird, wie dies durch L4 im Graphen (a) in 3 gezeigt wird. Wenn somit gemäß der vorliegenden Erfindung die Temperatur des NOx-Katalysators 3 in dem Hochtemperaturentfernungsbereich T3 liegt und die Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases derart ist, dass die Reduktionsmittelatmosphäre die zweite Katalysatorschicht 32 erreichen kann, wird eine Reduktionsmittelatmosphäre in dem einströmenden Abgas gebildet, in welcher Ammoniak bei einer geringen Konzentration verteilt ist. Als Folge davon ist, wie in 3 im Diagramm (b) durch den schraffierten Bereich R2 dargestellt, das dem NOx-Katalysator 3 zugeführte Ammoniak weniger dazu in der Lage, im NOx-Katalysator 3 in der Laminierrichtung der Katalysatorschichten zu diffundieren als in dem durch die Fläche R1 dargestellten Fall, und neigt das Ammoniak demgemäß dazu, in der Richtung des Abgasstroms zu diffundieren. Auch wenn die Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases gering ist, wird es auf diese Weise möglich, zu verhindern, dass die Reduktionsmittelatmosphäre die zweite Katalysatorschicht 32 erreicht, und das Reduktionsmittel auf effiziente Weise für die NOx-Reduktionsreaktion durch die erste Katalysatorschicht 31 zuzuführen. Das Modell der Diffusion von Ammoniak in dem NOx-Katalysator 3 gemäß der vorliegenden Erfindung, welches die Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases berücksichtigt, wird als das die Strömungsgeschwindigkeit berücksichtigende Diffusionsmodell bezeichnet.
  • Wenn die Zugabe an Harnstofflösung auf Basis des Standarddiffusionsmodells durchgeführt wird, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases relativ hoch ist, neigt die Reduktionsmittelatmosphäre nicht dazu, in der Laminierrichtung der Katalysatorschichten zu diffundieren, sondern diffundiert in der Richtung des Abgasstroms, wie dies in 3 im Diagramm (b) durch einen schraffierten Bereich R3 dargestellt wird. Angesichts dessen kann in der vorliegenden Erfindung, die auf dem die Strömungsgeschwindigkeit berücksichtigenden Diffusionsmodell basiert, eine Zugabe von Harnstofflösung zur Erhöhung der Reduktionsmittelkonzentration in der Reduktionsmittelatmosphäre durchgeführt werden, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases relativ hoch ist, solange wie die Reduktionsmittelatmosphäre nicht die zweite Katalysatorschicht 32 erreicht. Wenn die Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases hoch ist, nimmt das Ausmaß der Diffusion der Reduktionsmittelatmosphäre in dem NOx-Katalysator 3 zu, während die Reduktionsmittelatmosphäre dazu neigt, an einem Erreichen der zweiten Katalysatorschicht 32 gehindert zu sein. Demgemäß wird die Konzentration an Ammoniak an der Stelle der Ammoniakadsorption gering, was es schwierig macht, die NOx-Reduktionsreaktion zu verstärken. In solchen Fällen wird die Zuführventilöffnungszeit für die Zugabe derselben Menge an Harnstofflösung zu dem Abgas bis zu einem Ausmaß verkürzt, welches es nicht zulässt, dass das Reduktionsmittel die zweite Katalysatorschicht 32 erreicht, als bei der Festsetzung der Zuführventilöffnungszeit in dem Fall, bei dem das Standarddiffusionsmodell verwendet wird, wodurch die Reduktionsmittelkonzentration in der Reduktionsmittelatmosphäre erhöht wird. Auf diese Weise kann bewirkt werden, dass die Reduktionsmittelatmosphäre, welche ansonsten auf die in 3 in dem Diagramm (b) durch den schraffierten Bereich R3 dargestellte Weise diffundieren kann, auf die Weise diffundiert, wie sie durch den schraffierten Bereich R2 dargestellt ist.
  • Wir werden nun unter Bezug auf 4A kurz die Zugabe an Harnstofflösung unter Berücksichtigung der Strömungsgeschwindigkeit des in den Oxidationskatalysator 3 strömenden Abgases beschreiben. Der obere Graph (a) und der untere Graph (b) in 4A zeigen eine Beziehung zwischen der Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases mit der Zuführventilöffnungszeit des Zuführventils 5 bzw. eine Beziehung zwischen der Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases und der Ammoniakkonzentration in der Reduktionsmittelatmosphäre in dem Fall, bei dem eine spezifische Menge an Harnstofflösung durch das Zuführventil 5 zugegeben wird, wie bei 3. In den Graphen (a) und b) stellen die Linien L5 die Beziehungen in dem Fall dar, bei dem das Standarddiffusionsmodell verwendet wird, und stellen die Linien L6 Beziehungen dar in dem Fall, bei dem die vorliegende Erfindung angewendet wird.
  • In dem Fall, bei dem das Standarddiffusionsmodell verwendet wird, wird die Zuführventilöffnungszeit wie oben beschrieben durch ein vorbestimmtes Verfahren bestimmt, welches die Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases nicht berücksichtigt. In der im Graphen (a) in 4A gezeigten Beziehung ist daher die Zuführventilöffnungszeit unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases konstant. Die Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases und die Reduktionsmittelkonzentration wiesen die durch die Linie L5 im Graphen (b) in 4A dargestellten Beziehung auf, da das zugegebene Reduktionsmittel umso mehr verdünnt wird, desto höher die Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases ist.
  • In dem Fall, bei dem die vorliegende Erfindung angewendet wird, wird wie oben beschrieben (siehe Graphen (a) in 4A), wenn die Temperatur des NOx-Katalysators 3 in dem Hochtemperaturentfernungsbereich T3 liegt, die Zuführventilöffnungszeit länger festgesetzt als die Zuführventilöffnungszeit festgesetzt wird in dem Fall, bei dem das Standarddiffusionsmodell verwendet wird, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases relativ gering ist, und wird kürzer festgesetzt als die Zuführventilöffnungszeit festgesetzt wird in dem Fall, bei dem das Standarddiffusionsmodell verwendet wird, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases relativ hoch ist. Wie im Graphen (b) in 4A aufgezeigt, ist demgemäß die Ammoniakkonzentration in der in dem Abgas gebildeten Reduktionsmittelatmosphäre geringer als die in dem Fall, bei dem das Standarddiffusionsmodell verwendet wird, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases relativ gering ist, und ist höher als die in dem Fall, bei dem das Standarddiffusionsmodell verwendet wird, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases relativ hoch ist. Im Graphen (b) in 4A stellen die Linien L6 und L6` eine Beziehung in dem Fall dar, bei dem die vorliegende Erfindung angewendet wird. In dem Fall der durch die Linie L6 dargestellten Beziehung nimmt die Reduktionsmittelkonzentration mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases ab, wie in dem Fall der durch die Linie L5 dargestellten Beziehung. In dem Fall der durch die Linie L6' dargestellten Beziehung nimmt die Reduktionsmittelkonzentration mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases zu. Obwohl die durch die Linien L6 und L6' dargestellten Beziehungen unterschiedliche Tendenzen aufzeigen, zeigen sie dieselbe Tendenz in Bezug auf die wie oben beschriebene durch L5 dargestellte Beziehung. Somit basieren die durch die Linien L6 und L6' dargestellten Beziehungen beide auf der vorliegenden Erfindung.
  • Wenn die Temperatur des NOx-Katalysators 3 in dem Niedertemperaturentfernungsbereich T2 liegt, wird die Zuführventilöffnungszeit basierend auf dem Standarddiffusionsmodell festgesetzt.
  • Wir werden nun speziell die zeitliche Änderung der Ammoniakkonzentration in den Fällen beschreiben, bei denen die Zugabe an Reduktionsmittel wie durch die Linie L6 oder L6' in 4A durchgeführt wird (d. h. die Zugabe an Reduktionsmittel gemäß der vorliegenden Erfindung). 4B zeigt die zeitliche Änderung der Ammoniakkonzentration in der in dem Abgas gebildeten Reduktionsmittelatmosphäre in dem Fall, bei dem die Zugabe an Reduktionsmittel gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird. Im Speziellen zeigt der obere Graph (a) die zeitliche Änderung der Ammoniakkonzentration in einem Fall, bei dem die Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases relativ gering ist (Zustand geringer Strömungsgeschwindigkeit), und zeigt der untere Graph (b) die zeitliche Änderung der Ammoniakkonzentration in einem Fall, bei dem die Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases relativ hoch ist (Zustand hoher Strömungsgeschwindigkeit). In dem Zustand geringer Strömungsgeschwindigkeit wird die Zuführventilöffnungszeit relativ länger festgesetzt, wie dies durch die Linie L6 oder L6' in 4A aufgezeigt ist, wenn die Menge an zugegebenem Reduktionsmittel dieselbe spezifische Zugabemenge ist. Dies macht die Größenordnung der Änderung der Ammoniakkonzentration in der Reduktionsmittelatmosphäre (d. h. den Unterschied zwischen dem Spitzenwert d1 der Konzentration und dem untersten Wert d0 der Konzentration) geringer als die Größenordnung der Änderung der Ammoniakkonzentration in dem Zustand hoher Strömungsgeschwindigkeit (d. h. den Unterschied zwischen dem Spitzenwert d3 der Konzentration und dem untersten Wert d2 der Konzentration). Darüber hinaus ist der Spitzenwert d1 der Konzentration in dem Zustand geringer Strömungsgeschwindigkeit geringer als der Spitzenwert der Konzentration in dem Zustand hoher Strömungsgeschwindigkeit. Der Grund, weswegen die zeitliche Änderung der Ammoniakkonzentration in der Reduktionsmittelatmosphäre in dem Abgas zwischen den Zustand niedriger Strömungsgeschwindigkeit und dem Zustand hoher Strömungsgeschwindigkeit verschieden ist, während dieselbe spezifische Zugabemenge an Harnstofflösung zugegeben wird, ist darin begründet, dass in der vorliegenden Erfindung, wie oben beschrieben, die Zugabe an Reduktionsmittel unter Berücksichtigung der Änderung des Ausmaßes der Ammoniakdiffusion im NOx-Katalysator 3 in Abhängigkeit von der Abgasströmungsgeschwindigkeit durchgeführt wird.
  • Wenn wie oben beschrieben die vorliegende Erfindung angewendet wird unter der Voraussetzung, dass dieselbe spezifische Zugabemenge an Harnstofflösung zugegeben wird, wird die Zuführventilöffnungszeit verlängert, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases gering ist, als wenn die Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases hoch ist. Folglich wird die Konzentration an Ammoniak in der dem NOx-Katalysator 3 zugeführten Reduktionsmittelatmosphäre verringert, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases gering ist, so dass die Konzentration an Ammoniak auf eine spezifische Konzentration eingestellt wird, welche nicht bewirkt, dass die Reduktionsmittelatmosphäre die zweite Katalysatorschicht 32 erreicht. Folglich kann das Ausmaß der Diffusion von Ammoniak in dem NOx-Katalysator 3 wie durch die Fläche R2 im Diagramm (b) in 3 aufgezeigt gesteuert werden. Somit kann sowohl eine wirksame Reduktion von NOx durch die erste Katalysatorschicht 31 als auch eine Verhinderung der Oxidation von Ammoniak durch die zweite Katalysatorschicht 32 erreicht werden.
  • Unter Berücksichtigung des Obigen werden wir unter Bezug auf 5 einen Steuerungsprozess zur Entfernung von NOx (NOx-Entfernungssteuerung) beschreiben, der in der in 1A gezeigten Abgasreinigungsvorrichtung der Brennkraftmaschine 1 durchgeführt wird. Die NOx-Entfernungssteuerung wird durch ein in der ECU 20 gespeichertes Steuerprogramm wiederholt ausgeführt, um die Zugabe an Harnstofflösung zu dem Abgas, welche zu einem vorbestimmten Zeitpunkt zur Entfernung von NOx durchgeführt wird, zu steuern. Als Erstes wird im Schritt S101 die Katalysatortemperatur Tc des NOx-Katalysators 3 erfasst. Im Speziellen wird die Katalysatortemperatur Tc des NOx-Katalysators 3 unter Verwendung des Messwerts des Temperatursensors 14 abgeschätzt. Die Katalysatortemperatur Tc kann als ein Parameter fungieren, der verwendet wird, um zu bestimmen, welcher wie in 2 gezeigten Katalysatorschicht die im NOx-Katalysator 3 stattfindende NOx-Reduktionsreaktion hauptsächlich zuzuordnen ist. Nach der Vollendung der Abarbeitung des Schritts S101 geht der Ablauf zum Schritt S 102 über.
  • Im Schritt S102 wird eine Menge an Harnstofflösung berechnet, die durch diese Steuerung mittels des Zuführventils 5 zugegeben wird. Die Menge an zuzugebender Harnstofflösung wird beispielsweise derart bestimmt, dass die NOx-Entfernungsrate des NOx-Katalysators 3, die durch die zuvor erwähnte Gleichung 1 bestimmt wurde, in einen vorbestimmten Bereich fällt. Danach wird im Schritt S103 bestimmt, ob der NOx-Katalysator 3 aktiv ist oder nicht. Im Speziellen wird, wenn die Katalysatortemperatur Tc des NOx-Katalysators 3 in dem inaktiven Bereich T1 liegt, der Schritt S103 negativ beantwortet und wird ansonsten der Schritt S103 zustimmend beantwortet. Wenn im Schritt S103 eine zustimmende Feststellung gemacht wird, geht der Ablauf zu dem Schritt S104 über, und wenn eine negative Feststellung gemacht wird, wird dieser Steuerungsprozess beendet.
  • Im Schritt S104 wird bestimmt, ob die Katalysatortemperatur Tc des NOx-Katalysators 3 im Hochtemperaturentfernungsbereich T3 liegt. Wenn im Schritt S104 eine zustimmende Feststellung gemacht wird, geht der Ablauf zu dem Schritt S106 über, und wenn eine negative Feststellung gemacht wird, geht der Ablauf zu dem Schritt S105 über. Im Schritt S105 wird bestimmt, ob die Katalysatortemperatur Tc des NOx-Katalysators 3 im Niedertemperaturentfernungsbereich T2 liegt. Wenn im Schritt S105 eine zustimmende Feststellung gemacht wird, geht der Ablauf zu dem Schritt S113 über, und wenn eine negative Feststellung gemacht wird, geht der Ablauf zu dem Schritt S115 über. Wie ersichtlich ist, ist der Entscheidungsprozess in den Schritten S104 und S105 der Prozess einer Bestimmung, in welchem Bereich von dem Niedertemperaturentfernungsbereich T2, dem Hochtemperaturentfernungsbereich T3 und dem Bereich überhöhter Temperatur T4 die Katalysatortemperatur Tc des NOx-Katalysators 3 liegt.
  • Wir werden nun die Abarbeitung ausgehend vom Schritt S106 (oder die Abarbeitung der Schritte S106 bis S112) beschreiben, welche ausgeführt wird, wenn bestimmt wird, dass die Katalysatortemperatur Tc des NOx-Katalysators 3 im Hochtemperaturentfernungsbereich T3 liegt. Im Schritt S106 wird die Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases (Abgasströmungsgeschwindigkeit) basierend auf dem Messwert des Luftmassenmessers 26 erfasst. Dann wird im Schritt S107 eine vorläufige Ammoniakkonzentration in der in dem einströmenden Abgas gebildeten Reduktionsmittelatmosphäre berechnet auf Basis der im Schritt S106 berechneten Abgasströmungsgeschwindigkeit. Die vorläufige Ammoniakkonzentration ist die Ammoniakkonzentration, die erreicht werden wird, wenn die Zuführventilöffnungszeit des Zuführventils 5 vorläufig auf eine vorläufige Zuführventilöffnungszeit festgesetzt wird, die gemäß dem Standarddiffusionsmodell berechnet wird. Als der Wert der vorläufigen Ammoniakkonzentration wird der in 4B gezeigte Spitzenwert der sich ändernden Konzentration verwendet. Der Grund, weswegen dieser Spitzenwert verwendet wird, ist, dass das Ausmaß der Diffusion der Reduktionsmittelatmosphäre in dem NOx-Katalysator 3 in großem Maße von diesem Spitzenwert abhängig ist. Im Speziellen wird der Zusammenhang der Ammoniakkonzentration, die mit der durch die zuvor erwähnte Zugabemenge an Ammoniaklösung erzeugten Menge an Ammoniak erreicht wird, der aus der Abgasströmungsgeschwindigkeit berechneten Abgasströmungsrate und der vorläufigen Zuführventilöffnungszeit als ein Kennfeld in einem Speicher der ECU 20 gespeichert, und wird die vorläufige Ammoniakkonzentration durch Zugriff auf das Kennfeld berechnet. Nach der Vollendung der Abarbeitung des Schritts S107 geht der Ablauf zu Schritt S108 über.
  • Im Schritt S108 wird bestimmt, ob das Ammoniak, das erzeugt wurde von der durch das Zuführventil 5 dem Abgas zugegebenen Harnstofflösung, die zweite Katalysatorschicht 32, welche die untere Schicht in dem NOx-Katalysator 3 ist, erreichen wird oder nicht. Bei der Durchführung dieser Bestimmung wird die Strömungsgeschwindigkeit berücksichtigt. Mit anderen Worten, die Bestimmung im Schritt S108 wird durchgeführt unter Anwendung des Diffusionsmodells, das die Strömungsgeschwindigkeit berücksichtigt. Im Speziellen wird die Bestimmung im Schritt S108 auf Basis einer in dem oberen Graphen (a) in 6 gezeigten Kennlinie durchgeführt. In der in dem oberen Graphen (a) in 6 gezeigten Kennlinie ist basierend auf der Beziehung zwischen der Abgasströmungsgeschwindigkeit und der Konzentration an Ammoniak dargestellt, ob Ammoniak die untere zweite Katalysatorschicht 32 erreichen wird oder nicht. Diese Kennlinie ist in dem Speicher der ECU 20 gespeichert. Die Kennlinie wird erzeugt unter Berücksichtigung der Tatsache, dass, umso mehr an überschüssigem Ammoniak voraussichtlich in der Laminierrichtung der Katalysatorschichten in dem NOx-Katalysator 3 diffundieren wird, je geringer die Abgasströmungsgeschwindigkeit ist. In der in dem oberen Graphen (a) in 6 gezeigten Kennlinie erstreckt sich daher in dem unteren Teil des Kennfelds ein Bereich, in welchem Ammoniak die untere zweite Schicht 32 nicht erreichen wird, und erstreckt sich in dem oberen Teil ein Bereich, in welchem Ammoniak die untere zweite Schicht 32 erreichen wird.
  • Die Bestimmung im Schritt S108 wird beispielsweise basierend darauf durchgeführt, in welchem Bereich aus den Bereichen in der Kennlinie ein Steuerungspunkt (in 6 im Graphen (a) durch einen ausgefüllten Kreis dargestellt) platziert ist. Dieser Steuerungspunkt wird spezifiziert durch die im Schritt S106 berechnete Abgasströmungsgeschwindigkeit und die im Schritt S107 berechnete vorläufige Ammoniakkonzentration. Wenn im Schritt S108 eine zustimmende Feststellung gemacht wird, geht die Abarbeitung zu dem Schritt S109 über, und wenn eine negative Feststellung gemacht wird, geht die Abarbeitung zu dem Schritt S111 über. In dem im Graphen (a) in 6 veranschaulicht dargestellten Fall ist der Steuerungspunkt in dem Bereich platziert, in dem Ammoniak die untere zweite Katalysatorschicht 32 erreichen wird. Daher wird in dem Entscheidungsschritt S108 eine zustimmende Feststellung gemacht. Der Graph (a) in 7 zeigt dieselbe Kennlinie wie im Graphen (a) in 6. Der im Graphen (a) in 7 gezeigte Steuerungspunkt (dargestellt durch einen ausgefüllten Kreis) ist in dem Bereich platziert, in dem Ammoniak die untere zweite Katalysatorschicht 32 nicht erreichen wird. Daher wird in diesem Fall in dem Entscheidungsschritt S108 eine negative Feststellung gemacht. Eine ausführliche Beschreibung der 7 wird später in Zusammenhang mit den Schritten S111 und S112 gemacht.
  • Im Schritt S109 wird dann gemäß dem Diffusionsmodell unter Berücksichtigung der Strömungsgeschwindigkeit berechnet, um wieviel die Konzentration an Ammoniak in der Reduktionsmittelatmosphäre zu verringern ist, damit verhindert wird, dass Ammoniak die untere zweite Katalysatorschicht 32 erreicht. Im Speziellen wird das Ausmaß der Verringerung der Konzentration auf Basis der im Graphen (a) in 6 gezeigten Kennlinie berechnet. In dem Fall, bei dem der zuvor erwähnte Steuerungspunkt an der Stelle des gefüllten Kreises im Graphen (a) in 6 platziert ist, ist es bei demselben Zustand der Abgasströmungsgeschwindigkeit zum Beispiel notwendig, die Konzentration an Ammoniak um eine Menge ΔX, die in 6 im Graphen (a) durch einen hohlen Pfeil dargestellt wird, auf X1 zu verringern, um den Steuerungspunkt zu dem Bereich zu verschieben, in dem Ammoniak die untere zweite Katalysatorschicht 32 nicht erreichen wird (z. B. die in 6 im Graphen (a) durch einen hohlen Kreis angezeigte Position). Diese Verringerungsmenge der Konzentration an Ammoniak ist die im Schritt S109 berechnete Verringerungsmenge der Konzentration, und die letztendlich erreichte Ammoniakkonzentration X1 ist die im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung erwähnte „spezifische Konzentration“.
  • Im Schritt S109 wird zudem die Zuführventilöffnungszeit für die Zugabe von Harnstofflösung durch das Zuführventil 5 bestimmt, um die zuvor erwähnte Verringerung der Ammoniakkonzentration zu erreichen. Im Speziellen wird die Zuführventilöffnungszeit bestimmt unter Verwendung einer in 6 im Graphen (b) gezeigten Kennlinie. Die im Graphen (b) in 6 gezeigte Kennlinie definiert eine Beziehung zwischen der Zuführventilöffnungszeit, während der eine spezifische Zugabemenge an Harnstofflösung zugegeben wird, und der Ammoniakkonzentration bei einer bestimmten Abgasströmungsgeschwindigkeit. In dem Speicher in der ECU 20 wird eine Kennlinie gespeichert, welche die Beziehung zwischen der Zuführventilöffnungszeit und der Ammoniakkonzentration bei jeder möglichen Abgasströmungsgeschwindigkeit spezifiziert. Der Graph (b) in 6 zeigt eine Kennlinie bei der Abgasströmungsgeschwindigkeit, die den im Graphen (a) in 6 gezeigten Steuerungspunkt spezifiziert. Der gefüllte Kreis im Graphen (b) in 6 entspricht dem gefüllten Kreis, der den Steuerungspunkt im Graphen (a) in 6 darstellt. Die im Graphen (b) in 6 gezeigte Kennlinie stellt die Tendenz dar, bei der die Konzentration an Ammoniak in der resultierenden Reduktionsmittelatmosphäre umso geringer ist, desto länger ist die Zuführventilöffnungszeit ist. Somit wird unter Verwendung der Kennlinie eine Zuführventilöffnungszeit Δf2 bestimmt zum Erreichen der Ammoniakkonzentration X1 nach der wie oben berechneten Verringerung ΔX, welche verhindert, dass Ammoniak die zweite Katalysatorschicht 32 erreicht. Nach der Vollendung der Abarbeitung des Schritts S109 geht der Ablauf zu Schritt S110 über.
  • Im Schritt S110 wird ein Zugabevorgang durchgeführt, bei dem Harnstofflösung durch das Zuführventil 5 gemäß der im Schritt S109 bestimmten Zuführventilöffnungszeit Δf2 zugegeben wird, mit anderen Worten, es wird eine Zugabe von Harnstofflösung basierend auf dem Diffusionsmodell unter Berücksichtigung der Strömungsgeschwindigkeit durchgeführt. Somit wird eine Zugabe von Harnstofflösung durchgeführt, wie sie durch L4 im Graphen (a) in 3 aufgezeigt ist, und wird folglich eine im Diagramm (b) in 3 durch die Fläche R2 aufgezeigte Diffusion von Ammoniak in dem NOx-Katalysator 3 erzielt. Als Folge davon wird, wenn die Temperatur des NOx-Katalysators 3 in dem Hochtemperaturentfernungsbereich T3 liegt, Ammoniak zuverlässig daran gehindert, die zweite Katalysatorschicht 32 zu erreichen, und kann demgemäß die NOx-Entfernungsrate des NOx-Katalysators 3 auf einem zufriedenstellenden Niveau gehalten werden.
  • Wir werden nun die Abarbeitung der Schritte S111 und S112 beschreiben, welche einen Reduktionsmittelzugabevorgang darstellt, der in dem Fall durchgeführt wird, bei dem im Schritt S108 eine negative Feststellung getroffen wurde, mit anderen Worten in dem Fall, bei dem bestimmt wurde, dass eine Reduktionsmittelatmosphäre mit der zuvor erwähnten vorläufigen Ammoniakkonzentration die zweite Katalysatorschicht 32 nicht erreichen wird. Es wird in diesem Fall angenommen, dass Ammoniak die untere zweite Katalysatorschicht 32 nicht erreichen wird. Im Schritt S111 wird berechnet, in welchem Ausmaß eine Erhöhung der Konzentration an Ammoniak in der Reduktionsmittelatmosphäre zulässig ist, um der ersten Katalysatorschicht 31 auf effektive Weise Ammoniak zuzuführen, basierend auf dem Diffusionsmodell unter Berücksichtigung der Strömungsgeschwindigkeit. Mit anderen Worten, es wird berechnet, um wieviel eine Erhöhung der Konzentration an Ammoniak zulässig ist, um dem tiefen Teil der ersten Katalysatorschicht 31 eine größere Menge an Ammoniak zuzuführen, während verhindert wird, dass Ammoniak die zweite Katalysatorschicht 32 erreicht. Im Speziellen wird diese Erhöhungsmenge der Ammoniakkonzentration basierend auf der im Graphen (a) in 7 gezeigten Kennlinie berechnet. In dem Fall, bei dem der zuvor erwähnte Steuerungspunkt an der Position des gefüllten Kreises im Graphen (a) in 7 platziert ist, wird beispielsweise zugelassen, dass die Konzentration an Ammoniak um eine Menge ΔY, welche im Graphen (a) in 7 durch einen hohlen Pfeil dargestellt wird, auf Y1 erhöht wird, um den Steuerungspunkt auf eine Position zu verschieben, die nahe dem Bereich liegt, in dem das Ammoniak die zweite Katalysatorschicht 32 erreichen wird, und in dem Bereich liegt, in dem Ammoniak die zweite Katalysatorschicht 32 nicht erreichen wird (z. B. die im Graphen (a) in 7 durch einen hohlen Kreis angezeigte Position), bei demselben Zustand der Abgasströmungsgeschwindigkeit. Diese Erhöhungsmenge der Ammoniakkonzentration ist die im Schritt S111 berechnete Erhöhungsmenge der Ammoniakkonzentration, und die somit letztendlich erreichte Ammoniakkonzentration Y1 ist die im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung erwähnte „spezifische Konzentration“.
  • Im Schritt S111 wird darüber hinaus die Zuführventilöffnungszeit für eine Zugabe von Harnstofflösung durch das Zuführventil 5 bestimmt, um die zuvor erwähnte Erhöhung der Ammoniakkonzentration zu erreichen. Im Speziellen wird die Zuführventilöffnungszeit unter Verwendung einer im Graphen (b) in 7 gezeigten Kennlinie bestimmt. Die im Graphen (b) in 7 gezeigte Kennlinie definiert eine Beziehung zwischen der Zuführventilöffnungszeit, während der eine spezifische Zugabemenge an Harnstofflösung zugegeben wird, und der Ammoniakkonzentration bei einer bestimmten Abgasströmungsgeschwindigkeit. In dem Speicher in der ECU 20 ist eine Kennlinie gespeichert, die die Beziehung zwischen der Zuführventilöffnungszeit und der Ammoniakkonzentration bei jeder möglichen Abgasströmungsgeschwindigkeit spezifiziert. Der Graph (b) in 7 zeigt eine Kennlinie bei der Abgasströmungsgeschwindigkeit, die den im Graphen (a) in 7 gezeigten Steuerungspunkt spezifiziert. Der gefüllte Kreis im Graphen (b) in 7 entspricht dem gefüllten Kreis, der den Steuerungspunkt im Graphen (a) in 7 darstellt. Die im Graphen (b) in 7 gezeigte Kennlinie repräsentiert die Tendenz, dass die Konzentration an Ammoniak in der resultierenden Reduktionsmittelatmosphäre umso höher ist, je kürzer die Zuführventilöffnungszeit ist. Somit wird unter Verwendung der Kennlinie eine Zuführventilöffnungszeit Δf2 berechnet zum Erreichen der Ammoniakkonzentration Y1 nach der wie oben berechneten Erhöhung ΔY, welche verhindert, dass Ammoniak die zweite Katalysatorschicht 32 erreicht. Nach der Vollendung der Abarbeitung des Schritts S111 geht der Ablauf zu dem Schritt S112 über.
  • Im Schritt S112 wird ein Zugabevorgang durchgeführt, in welchem Harnstofflösung durch das Zuführventil 5 gemäß der im Schritt S111 bestimmten Zuführventilöffnungszeit Δf2 zugegeben wird, mit anderen Worten, die Zugabe der Harnstofflösung wird auf Basis des Diffusionsmodells unter Berücksichtigung der Strömungsgeschwindigkeit durchgeführt. Somit wird wie in dem Zugabevorgang im Schritt S110 eine Diffusion von Ammoniak in dem NOx-Katalysator 3 erreicht, wie sie durch die Fläche R2 im Diagramm (b) in 3 aufgezeigt ist. Wenn die Temperatur des NOx-Katalysators 3 in dem Hochtemperaturentfernungsbereich T3 liegt, kann als Folge davon die Konzentration an Ammoniak, das in der ersten Katalysatorschicht diffundiert, so weit als möglich erhöht werden, während zuverlässig verhindert wird, dass Ammoniak die zweite Katalysatorschicht 32 erreicht. Die NOx-Entfernungsrate des NOx-Katalysators 3 kann daher folglich auf einem zufriedenstellenden Niveau gehalten werden.
  • Als Nächstes werden wir die Abarbeitung der Schritte S113 und S114 beschreiben, welche in dem Fall durchgeführt wird, bei dem im Schritt S105 eine zustimmende Feststellung gemacht wird, mit anderen Worten in dem Fall, bei dem die Temperatur des NOx-Katalysators 3 im Niedertemperaturentfernungsbereich T2 liegt. In diesem Fall ist es notwendig, der zweiten Katalysatorschicht 32 Ammoniak zuzuführen. Es ist daher bevorzugt, dass die im Diagramm (b) in 3 durch die Fläche R1 dargestellte Diffusion von Ammoniak herbeigeführt wird. Im Schritt S113 wird daher die Zuführventilöffnungszeit des Zuführventils 5 unter der Prämisse bestimmt, dass bewirkt wird, dass Ammoniak im NOx-Katalysator 3 gemäß dem Standarddiffusionsmodell diffundiert. Die Zuführventilöffnungszeit wird daher auf Basis des Standarddiffusionsmodells bestimmt. Im Schritt S114 wird ein Zugabevorgang auf Basis der auf diese Weise bestimmten Zuführventilöffnungszeit durchgeführt.
  • In dem Fall, bei dem im Schritt S105 eine negative Feststellung gemacht wird, wird die Zugabe von Harnstofflösung durch das Zuführventil 5 unterbunden (die Abarbeitung des Schritts S115). Der Grund hierfür ist, dass, wenn die Temperatur des NOx-Katalysators 3 in dem Bereich überhöhter Temperatur T4 liegt, befürchtet wird, dass das aus der zugegebenen Harnstofflösung erzeugte Ammoniak zu NOx umgewandelt werden kann.
  • Wenn wie oben die Temperatur des NOx-Katalysators 3 im Hochtemperaturentfernungsbereich T3 liegt, kann dieser Steuerungsprozess in angemessenem Ma-ße der ersten Katalysatorschicht 31 Ammoniak zuführen unter Berücksichtigung der Strömungsgeschwindigkeit des in den NOx-Katalysator 3 strömenden Abgases, während verhindert wird, dass Ammoniak die zweite Katalysatorschicht 32 erreicht. Als Folge davon kann die Wirksamkeit der Reduktion von NOx durch den NOx-Katalysator 3 in dem Hochtemperaturzustand vorteilhaft verbessert werden. In der oben beschriebenen NOx-Entfernungssteuerung wird die Abarbeitung des Schritts S111 durchgeführt, wenn die Temperatur des NOx-Katalysators 3 in dem Hochtemperaturentfernungsbereich T3 liegt und in dem Schritt S108 bestimmt wird, dass Ammoniak die zweite Katalysatorschicht 32 nicht erreichen wird. Alternativ dazu kann auf die Abarbeitung des Schritts S111 verzichtet werden. In diesem Fall wird der Zugabevorgang zur Erhöhung der Konzentration an Ammoniak nicht durchgeführt, sondern wird stattdessen der Zugabevorgang gemäß der Zuführventilöffnungszeit zum Erreichen der im Schritt S107 berechneten vorläufigen Ammoniakkonzentration durchgeführt.
  • Erste Modifikation
  • Unter Bezug auf die 8A bis 8D wird ein Modus der Zugabe von Harnstofflösung durch das Zuführventil 5 beschrieben, welcher durchgeführt wird, wenn die Temperatur des NOx-Katalysators 3 im Hochtemperaturentfernungsbereich T3 liegt. Die 8A bis 8D veranschaulichen, wie die Zugabe von Harnstofflösung gesteuert wird, um die Konzentration an Ammoniak in der Reduktionsmittelatmosphäre zu steuern, wenn eine spezifische Zugabemenge an Harnstofflösung durch das Zuführventil 5 zugegeben wird. Während in der oben beschriebenen Ausführungsform bei der Zugabe der Harnstofflösung eine spezifische Zugabemenge an Harnstofflösung durch eine einzelne Einspritzung (oder Zugabe) an Harnstofflösung durch das Zuführventil 5 zugegeben wird, wird die Zugabe an Harnstofflösung, wie sie in den 8A bis 8D veranschaulicht ist, in einem Impulsmodus durchgeführt, bei dem sich eine Einspritzung (oder Zugabe) der Harnstofflösung durch das Zuführventil 5 in das Abgas und ein Aussetzen der Einspritzung abwechseln. Auf diese Weise wird während eines vorbestimmten Zeitraums (Zugabezeitraum) eine spezifische Menge an Harnstofflösung in einer Vielzahl an Zugabeimpulsen zugegeben. Mit anderen Worten, bei der Zugabe der Harnstofflösung im Impulsmodus wird insgesamt eine spezifische Menge an Harnstofflösung zugegeben durch Einspritzen einer Harnstofflösung gemäß der Zuführventilöffnungszeit, welche mit vorbestimmten Intervallen während des Zugabezeitraums wiederholt durchgeführt wird.
  • Als Erstes wird eine wie in 8A gezeigte Zugabe von Harnstofflösung beschrieben. 8A zeigt vier Muster der Zugabe von Harnstofflösung in Impulsen. Bei allen Mustern ist die Gesamtmenge an durch das Zuführventil 5 dem Abgas während des Zugabezeitraums zugegebener Harnstofflösung dieselbe spezifische Zugabemenge. Bei dem unteren Muster in 8A wird die Harnstofflösung dem Abgas durch das Zuführventil 5 in acht Impulsen zugegeben, und die Gesamtmenge an auf diese Weise zugegebener Harnstofflösung summiert sich zu der spezifischen Zugabemenge. In dem zweiten Muster von unten wird eine durch den vierten Impuls P4 in dem unteren Muster zugegebene Menge an Harnstofflösung gleichmäßig auf die ersten bis dritten Impulse P1 bis P3 verteilt. Somit sind in dem zweiten Muster von unten die Impulse P11, P12 und P13 vorhanden. Gleichermaßen wird eine Menge an durch den achten Impuls P8 in dem unteren Muster zugegebener Harnstofflösung gleichmäßig auf die fünften bis siebten Impulse P5 bis P7 verteilt. Somit sind in dem zweiten Muster von unten die Impulse P14, P15 und P16 vorhanden. Der Zeitpunkt der Impulse ist derselbe wie bei dem unteren Muster. In diesem zweiten Muster von unten kann die Konzentration an Ammoniak in der in dem Abgas gebildeten Reduktionsmittelatmosphäre höher gemacht werden als die in dem unteren Muster, obwohl die während des Zugabezeitraums zugegebene Menge an Harnstofflösung dieselbe spezifische Zugabemenge ist.
  • In dem dritten Muster von unten ist die in jedem der Impulse zugegebene Menge an Harnstofflösung dieselbe wie die in dem zweiten Muster von unten, jedoch sind die Intervalle zwischen den ersten bis dritten Impulsen verkürzt und sind auch die Intervalle zwischen den vierten bis sechsten Impulsen verkürzt. Der Zeitpunkt des ersten Impulses P21 und des vierten Impulses P24 ist derselbe wie der in dem zweiten Muster von unten. In diesem dritten Muster von unten kann die Konzentration an Ammoniak in der im Abgas gebildeten Reduktionsmittelatmosphäre noch höher gemacht werden als die in dem zweiten Muster von unten, während die über den Zugabezeitraum zugegebene Menge an Harnstofflösung dieselbe spezifische Zugabemenge ist.
  • In dem obersten Muster ist eine zugegebene Menge an Harnstofflösung durch den dritten Impuls P23 in dem dritten Muster von unten gleichmäßig auf die ersten und zweiten Impulse P21 und P22 verteil, während der Zeitpunkt der Impulse derselbe ist wie bei dem dritten Muster von unten. Somit sind in dem obersten Muster die Impulse P31 und P32 vorhanden. Gleichermaßen ist eine Menge an Harnstofflösung, die in dem dritten Muster von unten durch den sechsten Impuls P26 zugegeben wird, gleichmäßig auf die vierten und fünften Impulse P24 und P25 verteilt. Somit sind in dem obersten Muster die Impulse P33 und P44 vorhanden. Während in dem obersten Muster die während des Zugabezeitraums zugegebene Menge an Harnstofflösung dieselbe spezifische Zugabemenge ist, kann die Konzentration an Ammoniak in der in dem Abgas gebildeten Reduktionsmittelatmosphäre noch höher gemacht werden als die in dem dritten Muster von unten.
  • Wie oben dargelegt, kann auch in den Fällen, bei denen durch das Zuführventil 5 dieselbe spezifische Zugabemenge an Harnstofflösung zugegeben wird, die Konzentration an Ammoniak in der in dem Abgas gebildeten Reduktionsmittelatmosphäre geeignet gesteuert werden durch Steuern der Menge an Harnstofflösung, die durch jeden der Impulse zugegeben wird, und der Impulsintervalle. Daher kann in dem Zugabevorgang, der durchgeführt wird, um zu verhindern, dass Ammoniak die zweite Katalysatorschicht 32 erreicht, wenn die Temperatur des NOx-Katalysator 3 in dem Hochtemperaturentfernungsbereich T3 liegt, eine Reduktionsmittelatmosphäre mit einer gewünschten Ammoniakkonzentration ausgebildet werden durch Steuern der Menge an Harnstofflösung, die durch jeden der Impulse zugegeben wird, und der Impulsintervalle.
  • Als Nächstes werden wir die in 8B gezeigte Zugabe an Harnstofflösung beschreiben. 8B zeigt ebenfalls vier Muster der Zugabe an Harnstofflösung in Impulsen. In dem in 8B gezeigten Fall wird das zweite Muster von unten erzeugt durch Verteilen einer Menge an Harnstofflösung, die durch den vierten Impuls P4 in dem untersten Muster zugegeben wird, auf die Impulse P1 bis P3 und Verteilen einer Menge an Harnstofflösung, die durch den achten Impuls P8 in dem untersten Muster zugegeben wird, auf die Impulse P5 bis P7. In diesem Fall wird die Harnstofflösung nicht gleichmäßig verteilt, sondern derart, dass die durch die Impulse zugegebenen Mengen an Harnstofflösung in der Reihenfolge der Impulse P11, P12 und P13 und in der Reihenfolge der Impulse P14, P15 und P16 ansteigen. Gleichermaßen wird das oberste Muster in 8B erzeugt durch ein Verteilen der Harnstofflösung derart, dass die durch die Impulse zugegebenen Mengen an Harnstofflösung in der Reihenfolge der Impulse P31 und P32 und in der Reihenfolge der Impulse P33 und P34 ansteigen. Abgesehen von dem Obenerwähnten werden die in 8B gezeigten Muster auf dieselbe Weise erzeugt wie die in 8A und wird dies nicht ausführlich beschrieben. Wie in 8B gezeigt, kann auch in Fällen, bei denen dieselbe spezifische Zugabemenge an Harnstofflösung durch das Zuführventil 5 zugegeben wird, die Konzentration an Ammoniak in der in dem Abgas gebildeten Reduktionsmittelatmosphäre geeignet gesteuert werden durch Steuern der durch jeden der Impulse zugegebenen Menge an Harnstofflösung und der Impulsintervalle.
  • Als Nächstes werden wir die in 8C gezeigte Zugabe an Harnstofflösung beschreiben. 8C zeigt ebenfalls vier Muster der Zugabe an Harnstofflösung in Impulsen. Die Mengen an Harnstofflösung, die durch die jeweiligen Impulse in den in 8C gezeigten Mustern zugegeben werden, sind dieselben wie die Mengen an Harnstofflösung, die durch die entsprechenden Impulse in den in 8A gezeigten Mustern zugegeben werden, jedoch sind die Zeitpunkte der Impulse verschieden von den Zeitpunkten der in 8A gezeigten Impulse. Im Speziellen werden die Zeitpunkte der Impulse in den in 8C gezeigten Mustern derart angeordnet, dass in jedem Muster alle Impulsintervalle gleich sind. Somit sind in dem zweiten Muster von unten und in dem obersten Muster gleichmäßig verteilte Impulse mit regelmäßigen Intervallen angeordnet. In dem dritten Muster von unten sind die Impulse mit verringerten regelmäßigen Intervallen angeordnet. Wie in 8C gezeigt, kann auch in den Fällen, bei denen dieselbe spezifische Zugabemenge an Harnstofflösung durch das Zuführventil 5 zugegeben wird, die Konzentration an Ammoniak in der in dem Abgas gebildeten Reduktionsmittelatmosphäre geeignet gesteuert werden durch Steuern der durch jeden der Impulse zugegebenen Menge an Harnstofflösung und der Impulsintervalle.
  • Als Nächstes werden wir die in 8D gezeigte Zugabe an Harnstofflösung beschreiben. 8D zeigt ebenfalls vier Muster der Zugabe an Harnstofflösung in Impulsen. Die Mengen an Harnstofflösung, die durch die jeweiligen Impulse in den in 8D gezeigten Mustern zugegeben werden, sind dieselben wie die Mengen an Harnstofflösung, die durch die jeweiligen Impulse in den in 8B gezeigten Mustern zugegeben werden, jedoch sind die Zeitpunkte der Impulse verschieden von den Zeitpunkten in den in 8B gezeigten Mustern. Im Speziellen sind die Zeitpunkte der Impulse in den in 8D gezeigten Mustern derart angeordnet, dass in jedem Muster alle Impulsintervalle gleich sind. Somit sind in dem zweiten Muster von unten und in dem obersten Muster die verteilten Impulse in regelmäßigen Intervallen angeordnet. In dem dritten Muster von unten sind die Impulse in verringerten regelmäßigen Intervallen angeordnet. Wie in 8D gezeigt, kann auch in den Fällen, bei denen dieselbe spezifische Zugabemenge an Harnstofflösung durch das Zuführventil 5 zugegeben wird, die Konzentration an Ammoniak in der in dem Abgas gebildeten Reduktionsmittelatmosphäre geeignet gesteuert werden durch Steuern der durch jeden der Impulse zugegebenen Menge an Harnstofflösung und der Impulsintervalle.
  • Zweite Modifikation
  • Während in den zuvor beschriebenen Beispielen ein Cu-ausgetauschter NOx-Katalysator als in der zweiten Katalysatorschicht 32 enthaltene Katalysatorpartikel verwendet wird, kann der Cu-ausgetauschte Katalysator ersetzt werden durch SnMnCeOx, welches ein Manganoxid ist. Da SnMnCeOx ein bekanntes Material ist, das durch ein bekanntes Präzipitationsverfahren hergestellt werden kann, wird dies hier nicht im Detail beschrieben.
  • Zweites Beispiel
  • Unter Bezug auf 9 wird ein weiterer Aufbau des NOx-Katalysators 3 beschrieben, der gemäß der vorliegenden Erfindung in der Abgasreinigungsvorrichtung für die Brennkraftmaschine 1 verwendet werden kann. Wie bei dem in den oben beschriebenen Ausführungsformen verwendeten NOx-Katalysator 3 weist der in 9 gezeigte NOx-Katalysator 3 eine oberste erste Katalysatorschicht 31 auf. Darüber hinaus weist der in 9 gezeigte NOx-Katalysator 3 anstelle der zweiten Katalysatorschicht 32 eine Oxidationskatalysatorschicht 35 auf, die unterhalb der ersten Katalysatorschicht 31 und auf einem Katalysatorsubstrat 33 angeordnet ist. Wenn bei dem NOx-Katalysator 3 mit dem oben beschriebenen Aufbau die Temperatur des NOx-Katalysators 3 in dem Hochtemperaturentfernungsbereich T3 liegt, wird in dem Abgas enthaltenes NO (Stickstoffmonoxid) durch die Oxidationsfähigkeit der Oxidationskatalysatorschicht 35 zu NO2 oxidiert, wodurch eine Reduktionsreaktion von NOx in der ersten Katalysatorschicht 31 unterstützt werden kann. Alternativ dazu kann dieser NOx-Katalysator mit der ersten Katalysatorschicht 31 und der Oxidationskatalysatorschicht 35 als der zuvor erwähnte ASC-Katalysator verwendet werden, welcher stromabwärts des NOx-Katalysators 3 vorgesehen ist.
  • Auch in dem Fall des NOx-Katalysators, der die Oxidationskatalysatorschicht 35 aufweist, ist es zum Erzielen einer effizienten Reduktion von NOx durch die erste Katalysatorschicht 31, wenn die Temperatur des NOx-Katalysators in dem Hochtemperaturentfernungsbereich T3 liegt, grundsätzlich unerwünscht, dass Ammoniak, welches als ein Reduktionsmittel fungiert, die darunterliegende Oxidationskatalysatorschicht 35 erreicht. Daher kann die oben beschriebene NOx-Entfernungssteuerung auch auf diesen Typ an NOx-Katalysator angewendet werden, um einen Zugabevorgang durchzuführen, der verhindert, dass Ammoniak die untere Schicht erreicht. Dies kann die Effizienz der NOx-Reduktion durch den NOx-Katalysator verbessern.
  • Während die vorliegende Erfindung unter Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurde, ist dies so zu verstehen, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten beispielhaften Ausführungsformen beschränkt ist. Der Umfang der nachfolgenden Ansprüche gewährt eine breitestmögliche Interpretation, um so alle derartigen Modifikationen und äquivalenten Strukturen und Funktionen zu umfassen.
  • Diese Anmeldung beansprucht den Prioritätszeitrang der japanischen Patentanmeldung Nr. 2015-083777, die am 15. April 2015 eingereicht wurde, welches hierdurch durch Verweis in ihrer Gesamtheit mit aufgenommen wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brennkraftmaschine
    2
    Abgaskanal
    3
    NOx-Katalysator
    5
    Zuführventil
    20
    ECU
    31
    erste Katalysatorschicht
    32
    zweite Katalysatorschicht
    33
    Katalysatorsubstrat
    35
    Oxidationskatalysator

Claims (9)

  1. Abgasreinigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine (1) mit: einem Katalysator (3) zur selektiven katalytischen NOx-Reduktion mit einem Katalysatorsubstrat (33) und auf dem Katalysatorsubstrat (33) angeordneten Katalysatorschichten (31, 32), die hergestellt sind aus Katalysatorpartikeln mit der Eigenschaft des selektiven Reduzierens von NOx mit einem von Ammoniak abgeleiteten Reduktionsmittel, wobei die Katalysatorschichten (31, 32) mindestens eine erste Katalysatorschicht (31) mit einer Fähigkeit zum Reduzieren von NOx und eine zweite Katalysatorschicht (32) mit einer Oxidationsfähigkeit, die näher zu dem Katalysatorsubstrat (33) angeordnet ist als die erste Katalysatorschicht (31), einschließen; Zugabemittel (5) zum Zugeben einer spezifischen Zugabemenge an Reduktionsmittel zum Reduzieren von NOx zu dem in den Katalysator (3) zur selektiven katalytischen NOx-Reduktion strömenden Abgas; und Steuermittel (ECU) zum Steuern der Zugabe des Reduktionsmittels durch das Zugabemittel (5) basierend auf der Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases derart, dass die Konzentration des Reduktionsmittels in einer in dem einströmenden Abgas gebildeten Reduktionsmittelatmosphäre in einem Reduktionsmittelzugabezeitraum gleich einer spezifischen Konzentration wird, die bestimmt wird auf Basis der Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases und bei der angenommen wird, dass das Reduktionsmittel nicht die zweite Katalysatorschicht (32) erreicht, wenn die Temperatur des Katalysators (3) zur selektiven katalytischen NOx-Reduktion eine spezifische Temperatur übersteigt, bei der die Reduktion von NOx durch die erste Katalysatorschicht (31) ausgeführt wird.
  2. Abgasreinigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, wobei, wenn die Temperatur des Katalysators (3) zur selektiven katalytischen NOx-Reduktion die spezifische Temperatur übersteigt, das Steuermittel (ECU) die Zugabe des Reduktionsmittels durch das Zugabemittel (5) basierend auf der Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases derart steuert, dass die Konzentration des Reduktionsmittels in der in dem einströmenden Abgas gebildeten Reduktionsmittelatmosphäre gleich der spezifischen Konzentration wird, die geringer festgesetzt wird, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases gering ist, als wenn die Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases hoch ist, vorausgesetzt, dass die spezifische Zugabemenge dieselbe ist.
  3. Abgasreinigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 2, wobei während der Zugabe der spezifischen Zugabemenge an Reduktionsmittel durch das Zugabemittel (5) zu dem Abgas die Reduktionsmittelkonzentration in der Reduktionsmittelatmosphäre sich mit der Zeit ändert, um schließlich die spezifische Konzentration zu erreichen, und der Unterschied zwischen dem höchsten Wert und dem niedrigsten Wert der Reduktionsmittelkonzentration in der Reduktionsmittelatmosphäre in dem Fall, bei dem die Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases gering ist, kleiner ist als der Unterschied zwischen dem höchsten Wert und dem niedrigsten Wert der Reduktionsmittelkonzentration in der Reduktionsmittelatmosphäre in dem Fall, bei dem die Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases hoch ist.
  4. Abgasreinigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 2, wobei während der Zugabe der spezifischen Zugabemenge an Reduktionsmittel durch das Zugabemittel (5) zu dem Abgas die Reduktionsmittelkonzentration in der Reduktionsmittelatmosphäre sich mit der Zeit ändert, um schließlich die spezifische Konzentration zu erreichen, und der Spitzenwert der Reduktionsmittelkonzentration in der Reduktionsmittelatmosphäre in dem Fall, bei dem die Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases gering ist, kleiner ist als der Spitzenwert der Reduktionsmittelkonzentration in der Reduktionsmittelatmosphäre in dem Fall, bei dem die Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abgases hoch ist.
  5. Abgasreinigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die erste Katalysatorschicht (31) eine Katalysatorschicht mit hoher NOx-Reduktionsfähigkeit bei hohen Temperaturen ist, die zweite Katalysatorschicht (32) eine Katalysatorschicht mit hoher NOx-Reduktionsfähigkeit bei niedrigen Temperaturen ist und die zweite Katalysatorschicht (32) eine höhere Fähigkeit zum Oxidieren des Reduktionsmittels aufweist wenn die Temperatur des Katalysators (3) zur selektiven katalytischen NOx-Reduktion höher als die spezifische Temperatur ist als wenn die Temperatur des Katalysators (3) zur selektiven katalytischen NOx- Reduktion nicht höher als die spezifische Temperatur ist.
  6. Abgasreinigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, die ferner umfasst: Bestimmungsmittel zum Bestimmen, ob das Reduktionsmittel die zweite Katalysatorschicht (32) erreichen wird oder nicht, wenn die Temperatur des Katalysators (3) zur selektiven katalytischen NOx- Reduktion höher als die spezifische Temperatur ist; und Mittel zur Berechnung der Konzentrationsverringerung zum Berechnen einer Verringerungsmenge, um die die Konzentration des Reduktionsmittels in dem einströmenden Abgas durch das Steuermittel (ECU) zu verringern ist, wenn durch das Bestimmungsmittel bestimmt wird, dass das Reduktionsmittel die zweite Katalysatorschicht (32) erreichen wird, wobei das Steuermittel (ECU) die Zugabe des Reduktionsmittels durch das Zugabemittel (5) entsprechend der durch das Mittel zur Berechnung der Konzentrationsverringerung berechneten Verringerungsmenge der Konzentration des Reduktionsmittels steuert, um die Konzentration des Reduktionsmittels in dem einströmenden Abgas gleich der spezifischen Konzentration zu machen.
  7. Abgasreinigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 6, die ferner ein Mittel zur Berechnung der Konzentrationserhöhung umfasst zum Berechnen einer Erhöhungsmenge um die die Konzentration des Reduktionsmittels in dem einströmenden Abgas durch das Steuermittel (ECU) innerhalb der Grenzen, die nicht bewirken, dass das Reduktionsmittel die zweite Katalysatorschicht (32) erreicht, erhöht werden kann, wenn durch das Bestimmungsmittel bestimmt wird, dass das Reduktionsmittel die zweite Katalysatorschicht (32) nicht erreichen wird, wobei das Steuermittel (ECU) die Zugabe des Reduktionsmittels durch das Zugabemittel (5) entsprechend der durch das Mittel zur Berechnung der Konzentrationserhöhung berechneten Erhöhungsmenge der Konzentration des Reduktionsmittels steuert.
  8. Abgasreinigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei, wenn die spezifische Zugabemenge an Reduktionsmittel dem Abgas zugegeben wird, das Steuermittel (ECU) die Konzentration des Reduktionsmittels in dem einströmenden Abgas verringert durch Verringern der durch das Zugabemittel (5) pro Zeiteinheit zugegebenen Menge an Reduktionsmittel und Erhöhen einer Zuführventilöffnungszeit des Zugabemittels (5).
  9. Abgasreinigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei die spezifische Zugabemenge an Reduktionsmittel dem Abgas auf eine Weise zugegeben wird, bei der Zugabe des Reduktionsmittels und ein Aussetzen der Zugabe sich abwechseln, und das Steuermittel (ECU) die Konzentration des Reduktionsmittels in dem einströmenden Abgas verringert durch Verlängern des Intervalls zwischen aufeinanderfolgende Zugaben an Reduktionsmittel.
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