DE112008000369B4

DE112008000369B4 - Abgasreinigungsvorrichtung für Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE112008000369B4
Application number: DE112008000369.6T
Authority: DE
Inventors: Takahiko Fujiwara; Masaaki Kawai
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-02-21
Filing date: 2008-02-20
Publication date: 2014-09-11
Anticipated expiration: 2028-02-21
Also published as: JP4710846B2; WO2008102793A1; US20100011749A1; DE112008000369T5; CN101617106B; JP2008202523A; CN101617106A; US8240131B2

Abstract

Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor (10), der als Grundsteuerung für ein Luft/Kraftstoffverhältnis eine Steuerung verwendet, die ein stöchiometrisches Luft/Kraftstoffverhältnis liefert, wobei die Vorrichtung aufweist: einen Teilchenfilter (20), der in einer Abgasleitung des Verbrennungsmotors (10) angeordnet ist und der Feinteilchenmaterial, das im Abgas enthalten ist, einfängt; einen stromaufwärtsseitigen Dreiwegekatalysator (18), der in der Abgasleitung stromaufwärts vom Teilchenfilter (20) angeordnet ist; einen stromabwärtsseitigen Dreiwegekatalysator (22), der in der Abgasleitung stromabwärts vom Teilchenfilter (20) angeordnet ist und der eine Sauerstoff-Speicherkapazität aufweist; einen O2-Nebensensor (24), der in der Abgasleitung stromabwärts vorn stromabwärtsseitigen Dreiwegekatalysator (22) angeordnet ist, um Informationen über ein Luft/Kraftstoffverhältnis des Abgases zu erhalten; und eine elektronische Steuereinheit (30), die als Rückkopplungsmittel dient, um eine Kraftstoff-Einspritzmenge auf der Basis der Ausgaben vom O2-Nebensensor (24) zu korrigieren; wobei der stromaufwärtsseitige Dreiwegekatalysator (18) keine Sauerstoff-Speicherkapazität aufweist oder eine geringere Sauerstoff-Speicherkapazität aufweist als der stromabwärtsseitige Dreiwegekatalysator (22); und wobei der stromabwärtsseitige Dreiwegekatalysator (22) ein Katalysator ist, dem eine Sauerstoffmenge zugeführt wird, die vom Rückkopplungsmittel (30) eingestellt wird.

Description

Gebiet der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsvorrichtung für die Reinigung von Abgas, das aus einem Verbrennungsmotor ausgestoßen wird.
Technischer Hintergrund
Eine Vorrichtung für die Reinigung von Abgas, die einen Ruß- bzw. Kohlenstofffänger und einen Dreiwegekatalysator aufweist, die hintereinander an einem Auspuffauslass angeordnet sind, wird beispielsweise in der veröffentlichten japanischen Gebrauchsmusteranmeldung Nr. JP H04-34 426 U (Patentdokument 1) offenbart. Der Kohlenstofffänger weist eine Katalysatorschicht auf, um Ruß bzw. Kohlenstoff zu entfernen, und der Dreiwegekatalysator weist eine Dreiwegekatalysatorschicht auf, um Stickoxid NOx, Kohlenwasserstoff HC und Kohlenmonoxid CO zu oxidieren und zu reduzieren. Eine solche herkömmliche Technik kann ternäre Komponenten (NOx, HC, CO) und Feinteilchenmaterial PM, das hauptsächlich Ruß bzw. Kohlenstoff enthält, beseitigen.
Außer dem oben genannten Dokument kennt der Anmelder die folgenden Dokumente, die als Stand der Technik für die vorliegende Erfindung relevant sind.
[Patentdokument 2] Veröffentlichte japanische Gebrauchsmusteranmeldung Nr. JP S64-3 017 U
[Patentdokument 3] Veröffentlichte japanische Patentanmeldung Nr. JP S60-43 113 A
[Patentdokument 4] DE 103 21 105 A1
[Patentdokument 5] JP 2004-019624 A
[Patentdokument 6] JP 2003-314257 A
[Patentdokument 7] EP 1 036 927 A2
Offenbarung der Erfindung
Problemstellung
In einer Abgasreinigungsvorrichtung, die in einer Abgasleitung eines Verbrennungsmotors installiert ist, ist es sehr wichtig, dass durch die Aufwärmleistung eines Katalysators der Ausstoß bzw. die Emission von Abgasen verringert wird, beispielsweise während eines Kaltstarts. Bei den oben genannten herkömmlichen Abgasreinigungsvorrichtungen wurde jedoch nicht darauf geachtet, eine gute Ausgewogenheit zwischen der Verringerung des Abgasausstoßes durch die Sicherstellung der Aufwärmleistung des Katalysators und der Entfernung des Feinteilchenmaterials PM zu erreichen. In dieser Hirnsicht muss die herkömmliche Technik weiter verbessert werden, um eine Abgasreinigungsvorrichtung zu verwirklichen, der es gelingt, eine gute Ausgewogenheit zwischen der Verringerung des Abgasausstoßes und der Entfernung von Feinteilchenmaterial PM zu erreichen.
Die vorliegende Erfindung soll das genannte Problem lösen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, der es gelingt, eine gute Ausgewogenheit zwischen der Verringerung des Abgasausstoßes und der Entfernung von Feinteilchenmaterial PM zu erreichen.
Problemlösung
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1, wobei diese Vorrichtung aufweist:
einen Teilchenfilter, der in einer Abgasleitung des Verbrennungsmotors angeordnet ist und der Feinteilehenmaterial, das im Abgas enthalten sind, einfängt; einen stromaufwärtsseitigen Dreiwegekatalysator, der in der Abgasleitung stromaufwärts vom Teilchenfilter angeordnet ist; und einen stromabwärtsseitigen Dreiwegekatalysator, der in der Abgasleitung stromabwärts vom Teilchenfilter angeordnet ist und der eine Sauerstoff-Speicherkapazität aufweist; wobei der stromaufwärtsseitige Dreiwegekatalysator keine Sauerstoff-Speicherkapazität aufweist oder eine kleinere Sauerstoff-Speicherkapazität aufweist als der stromabwärtsseitige Dreiwegekatalysator.
Die Abgasreinigungsvorrichtung umfasst ferner einen O₂-Nebensensor, der in der Abgasleitung stromabwärts vom stromabwärtsseitigen Dreiwegekatalysator angeordnet ist, um Informationen über ein Luft/Kraftstoffverhältnis des Abgases zu erhalten; und eine elektronische Steuereinheit, die als ein Rückkopplungsmittel dient, um eine Kraftstoff-Einspritzmenge auf der Basis der Ausgaben vom O₂-Nebensensor zu korrigieren; wobei der stromabwärtsseitige Dreiwegekatalysator ein Katalysator ist, der mit einer Sauerstoffmenge beliefert wird, die vom Rückkopplungsmittel eingestellt wird.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor ferner auf: einen stromaufwärtsseitigen A/F-Hauptsensor, der in der Abgasleitung stromaufwärts vorn stromaufwärtsseitigen Dreiwegekatalysator angeordnet ist, um Informationen über ein Luft/Kraftstoffverhältnis des Abgases zu erhalten; wobei das Rückkopplungsmitteleine Haupt-Rückkopplungssteuerung ausführt, um auf der Basis der Ausgaben vom stromaufwärtsseitigen A/F-Hauptsensor eine Kraftstoff-Einspritzmenge derart zu korrigieren, dass ein Luft/Kraftstoffverhältnis des Abgases, das stromaufwärts vom stromaufwärtsseitigen Dreiwegekatalysator vorliegt, mit einem Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis übereinstimmt, und eine Neben-Rückkopplungssteuerung ausführt, um Inhalte, die von der Haupt-Rückkopplungssteuerung korrigiert wurden, auf Basis der Ausgaben vom O₂-Nebensensor zu modifizieren.
Bei der Abgasreinigungsvorrichtung hat der stromabwärtsseitige Dreiwegekatalysator ein größeres Volumen als der stromaufwärtsseitige Dreiwegekatalysator.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Länge des stromaufwärtsseitigen Dreiwegekatalysators 20 bis 50 mm beträgt.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 5, wobei die Vorrichtung aufweist:
einen Teilchenfilter mit integriertem Katalysator, der in einer Abgasleitung des Verbrennungsmotors angeordnet ist und der die Aufgabe hat, Feinteilchen, die im Abgas enthalten sind, einzufangen, und der eine Dreiwegekatalysator-Funktion hat; undeinen stromabwärtsseitigen Dreiwegekatalysator, der in der Abgasleitung stromabwärts von dem Teilchenfilter mit integriertem Katalysator angeordnet ist und der eine Sauerstoff-Speicherkapazität aufweist; wobei der Teilchenfilter mit integriertem Katalysator keine Sauerstoff-Speicherkapazität hat oder eine geringere Sauerstoff-Speicherkapazität hat als der stromabwärtsseitige Dreiwegekatalysator.
Die Abgasreinigungsvorrichtung weist dabei ferner auf einen O₂-Nebensensor, der in der Abgasleitung stromabwärts vom stromabwärtsseitigen Dreiwegekatalysator angeordnet ist, um Informationen über ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases zu erhalten; und eine elektronische Steuereinheit, die als Rückkopplungsmittel dient, um eine Kraftstoff-Einspritzmenge auf der Basis der Ausgaben vom O₂-Nebensensor zu korrigieren; wobei der stromabwärtsseitige Dreiwegekatalysator ein Katalysator ist, dem eine Sauerstoffmenge zugeführt wird, die vom Rückkopplungsmittel eingestellt wird, und wobei der stromabwärtsseitige Dreiwegekatalysator ein größeres Volumen aufweist als ein Abschnitt in dem Teilchenfilter mit integriertem Katalysator, der eine Dreiwegekatalysator-Funktion aufweist.
Die Abgasreinigungsvorrichtung hat ferner: einen stromaufwärtsseitigen A/F-Hauptsensor, der in der Abgasleitung stromaufwärts von dem Teilchenfilter mit integriertem Katalysator angeordnet ist, um Informationen über ein Luft/Kraftstoffverhältnis des Abgases zu erhalten; wobei das Rückkopplungsmittel eine Haupt-Rückkopplungssteuerung ausführt, um auf der Basis der Ausgaben vom stromaufwärtsseitigen A/F-Hauptsensor eine Kraftstoff-Einspritzmenge derart zu korrigieren, dass ein Luft/Kraftstoffverhältnis des Abgases, das stromaufwärts von dem Teilchenfilter mit integriertem Katalysator vorliegt, mit einem Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis übereinstimmt, und eine Neben-Rückkopplungssteuerung ausführt, um Inhalte, die von der Haupt-Rückkopplungssteuerung korrigiert wurden, auf der Basis der Ausgaben vom O₂-Nebensensor zu modifizieren.
Vorteile der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Aufwärmleistung des stromaufwärtsseitigen Dreiwegekatalysators beim Starten ausreichend sichergestellt werden, indem der stromaufwärtsseitige Dreiwegekatalysator so weit oben im Abgasstrom wie möglich angeordnet wird. Außerdem kann der Teilchenfilter in eine Umgebung gebracht werden, wo der Teilchenfilter dem Abgas ausgesetzt ist, dessen Temperatur hoch ist, indem der PM-Filter in Strömungsrichtung oben hinter dem stromaufwärtsseitigen Dreiwegekatalysator angeordnet wird. Ferner kann eine Umgebung geschaffen werden, welche die Lieferung von Sauerstoff zum Teilchenfilter leicht macht, da darauf geachtet wird, die Sauerstoff-Speicherkapazität des stromaufwärtsseitigen Dreiwegekatalysators, der stromaufwärts vom Teilchenfilter angeordnet ist, im Vergleich zu der des stromabwärtsseitigen Dreiwegekatalysators zu verringern. Somit kann Feinteilchenmaterial PM, das vom Filter abgefangen wird, erfolgreich entfernt werden. Ferner kann eine ausreichende Fähigkeit, ternäre Komponenten (insbesondere NOx) zu reduzieren, sichergestellt werden, indem der stromabwärtsseitige Dreiwegekatalysator, der eine Sauerstoff-Speicherkapazität aufweist, stromabwärts vorn Teilchenfilter installiert wird. Auf diese Weise gelingt es der vorliegenden Erfindung, eine gute Ausgewogenheit zwischen der Verringerung des Abgasausstoßes und der Entfernung von Feinteilchenmaterial PM zu erreichen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Teilchenfilter stromaufwärts vom stromabwärtsseitigen Dreiwegekatalysator angeordnet, bei dem es sich um einen Katalysator handelt, der eine Sauerstoff-Speicherkapazität aufweist und dem eine Sauerstoffmenge zugeführt wird, die unter Verwendung des Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensors eingestellt wird. Dadurch kann der Abgasausstoß (insbesondere von NOx) verringert werden, während eine Umgebung geschaffen wird, die eine größere Menge an Sauerstoff zum Teilchenfilter liefern kann (d. h. während eine Umgebung geschaffen wird, die in der Lage ist, Feinteilchenmaterial PM besser zu entfernen), auch wenn die Sauerstoffmenge, die dem stromabwärtsseitigen Dreiwegekatalysator zugeführt wird, wie oben beschrieben eingestellt wird. Auf diese Weise gelingt es der vorliegenden Erfindung besser, eine gute Ausgewogenheit zwischen dem Abgasausstoß und der Entfernung von Feinteilchenmaterial PM zu erreichen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung gelingt es in einer Situation, wo die Haupt-Rückkopplungssteuerung, die den stromaufwärtsseitigen Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor nutzt, und die Neben-Rückkopplungssteuerung, die den (stromabwärtsseitigen) Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor nutzt, durchgeführt werden, besser, eine gute Ausgewogenheit zwischen der Verringerung des Abgasausstoßes und der Entfernung von Feinteilchenmaterial PM zu erreichen, weil der stromaufwärtsseitige Dreiwegekatalysator, der Teilchenfilter und der stromabwärtsseitige Dreiwegekatalysator gemäß dem ersten oder dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung berücksichtigt werden.
Ferner ist es mit der vorliegenden Erfindung möglich, eine ausreichende Speicherkapazität für verfügbaren Sauerstoff für die ordnungsgemäße Beseitigung von NOx sicherzustellen und eine Menge an ausgestoßenem NOx erfolgreich zu verringern, wodurch eine sehr gute Ausgewogenheit zwischen der Verringerung des Abgasausstoßes und der Entfernung von Feinteilchenmaterial PM erreicht wird.
Die vorliegende Erfindung macht es möglich, die Aufwärmleistung des stromaufwärtsseitigen Dreiwegekatalysators sicherzustellen. Ferner macht es die vorliegende Erfindung möglich, dem Teilchenfilter, der stromabwärts vom stromaufwärtsseitigen Dreiwegekatalysator angeordnet ist, eine noch mehr ausreichende Sauerstoffmenge zuzuführen, wenn der stromaufwärtsseitige Dreiwegekatalysator eine Sauerstoff-Speicherkapazität aufweist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann dadurch, dass der Teilchenfilter mit integriertem Katalysator, der die Dreiwegekatalysator-Funktion aufweist, so weit oben wie möglich im Abgasstrom installiert wird, eine ausreichende Aufwärmleistung des Dreiwegekatalysators des Teilchenfilters mit integriertem Katalysator beim Starten sichergestellt werden, und der Teilchenfilter kann in eine Umgebung gebracht werden, wo der Teilchenfilter dem Abgas ausgesetzt ist, dessen Temperatur hoch ist. Ferner kann eine Umgebung geschaffen werden, wo die Sauerstoffzufuhr zum Teilchenfilter erleichtert ist, da darauf geachtet wird, die Sauerstoff-Speicherkapazität des Dreiwegekatalysators, der in dem Teilchenfilter mit integriertem Katalysator vorgesehen ist, im Vergleich zu der des stromabwärtsseitigen Dreiwegekatalysators zu verringern. Somit gelingt es, Feinteilchenmaterial PM zu entfernen. Ferner kann eine ausreichende Fähigkeit, ternäre Komponenten (insbesondere NOx) zu reduzieren, sichergestellt werden, indem der stromabwärtsseitige Dreiwegekatalysator mit der Sauerstoff-Speicherkapazität stromabwärts vom Teilchenfilter mit integriertem Katalysator angeordnet wird. Auf diese Weise gelingt es der vorliegenden Erfindung, eine gute Ausgewogenheit zwischen der Verringerung des Abgasausstoßes und der Entfernung von Feinteilchenmaterial PM zu erreichen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Teilchenfilter mit integriertem Katalysator stromaufwärts vom stromabwärtsseitigen Dreiwegekatalysator angeordnet, bei dem es sich um einen Katalysator handelt, der eine Sauerstoff-Speicherkapazität aufweist und dem eine Sauerstoffmenge zugeführt wird, die unter Verwendung des Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensors eingestellt wird. Dadurch kann der Abgasausstoß (insbesondere von NOx) verringert werden, während eine Umgebung geschaffen wird, die in der Lage ist, eine größere Sauerstoffmenge zum Teilchenfilter mit integriertem Katalysator zu liefern (d. h. während eine Umgebung geschaffen wird, die in der Lage ist, Feinteilchenmaterial PM besser zu entfernen), auch wenn die Sauerstoffmenge, die dem stromabwärtsseitigen Dreiwegekatalysator zugeführt wird, eingestellt wird wie oben beschrieben. Auf diese Weise gelingt es der vorliegenden Erfindung noch besser, eine gute Ausgewogenheit zwischen der Verringerung des Abgasausstoßes und der Entfernung des Feinteilchenmaterials PM zu erreichen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann in einer Situation, wo die Haupt-Rückkopplungssteuerung, die den stromaufwärtsseitigen Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor nutzt, und die Neben-Rückkopplungssteuerung, die den (stromabwärtsseitigen) Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor nutzt, durchgeführt werden, eine noch bessere Ausgewogenheit zwischen der Verringerung des Abgasausstoßes und der Entfernung des Feinteilchenmaterials PM erreicht werden, weil der Teilchenfilter mit integriertem Katalysator und der stromabwärtsseitige Dreiwegekatalysator, die zwischen diesen Sensoren angeordnet sind, gemäß dem sechsten oder dem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung berücksichtigt werden.
Die vorliegende Erfindung macht es möglich, eine ausreichende Speicherkapazität für verfügbaren Sauerstoff für die Beseitigung von NOx auf angemessene Weise sicherzustellen und die Menge an ausgestoßenem NOx zu verringern, wodurch eine sehr gute Ausgewogenheit zwischen der Verringerung des Abgasausstoßes und der Entfernung des Feinteilchenmaterials PM erreicht wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Teilchenfilter dadurch, dass er stromaufwärts vom Dreiwegekatalysator installiert wird, in eine Umgebung gebracht werden, wo der Teilchenfilter dem Abgas ausgesetzt ist, dessen Temperatur hoch ist. Somit kann Feinteilchenmaterial PM erfolgreich entfernt werden. Außerdem wird gemäß der vorliegenden Erfindung der Teilchenfilter stromaufwärts vom stromabwärtsseitigen Dreiwegekatalysator angeordnet, bei dem es sich um einen Katalysator handelt, der eine Sauerstoff-Speicherkapazität aufweist und dem eine Sauerstoffmenge zugeführt wird, die unter Verwendung des Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensors eingestellt wird. Dadurch kann der Abgasausstoß (insbesondere von NOx) verringert werden, während eine Umgebung geschaffen wird, die in der Lage ist, dem Teilchenfilter eine größere Sauerstoffmenge zuzuführen (d. h. während eine Umgebung geschaffen wird, die in der Lage ist, Feinteilchenmaterial PM besser zu entfernen), auch wenn die Sauerstoffmenge, die dem stromabwärtsseitigen Dreiwegekatalysator zugeführt wird, wie oben beschrieben eingestellt wird. Auf diese Weise gelingt es der vorliegenden Erfindung, eine gute Ausgewogenheit zwischen der Verringerung des Abgasausstoßes und der Entfernung des Feinteilchenmaterials PM zu erreichen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann in einer Situation, wo die Haupt-Rückkopplungssteuerung, die den stromaufwärtsseitigen Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor nutzt, und die Neben-Rückkopplungssteuerung, die den (stromabwärtsseitigen) Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor nutzt, durchgeführt werden, eine noch bessere Ausgewogenheit zwischen der Verringerung des Abgasausstoßes und der Entfernung der Feinteilchen PM erreicht werden, da der Teilchenfilter mit integriertem Katalysator und der Dreiwegekatalysator, die zwischen diesen beiden Sensoren angeordnet sind, gemäß dem zehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung berücksichtigt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 ist eine Skizze, die eine Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
2 ist eine Skizze, die eine Aufwärmleistung nach dem Starten in Abhängigkeit von der Länge eines stromaufwärtsseitigen Dreiwegekatalysators darstellt.
3 ist eine Skizze, die ein Kapazitätsverhältnis zwischen dem stromaufwärtsseitigen Dreiwegekatalysator und einem stromabwärtsseitigen Dreiwegekatalysator in Abhängigkeit von der Höhe eines NOx-Ausstoßes darstellt.
4 ist eine Skizze, die ein Verhalten verschiedener Komponenten (Sauerstoff O2, THC, CO, NOx) darstellt, die in dem Abgas enthalten sind, das aus einem Dreiwegekatalysator strömt, wenn ein Luft/Kraftstoffverhältnis des Abgases abwechselnd zwischen fett und mager umgeschaltet wird.
5 ist eine Skizze, die eine Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
6 ist eine Skizze, die eine Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungsmotor
12: Abgaskrümmer
14: Abgasrohr
16: linearer A/F-Hauptsensor
18: stromaufwärtsseitiger Dreiwegekatalysator
20: Teilchenfilter (PM-Filter)
22: stromabwärtsseitiger Dreiwegekatalysator
24: O2-Nebensensor
30: Elektronische Steuereinheit (ECU)
40: PM-Filter mit integriertem Katalysator
50: Dreiwegekatalysator

Beste Weise zur Durchführung der Erfindung
Erste Ausführungsform
1 ist eine Skizze, die eine Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Wie in 1 dargestellt, ist die Abgasreinigungsvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform in einer Abgasleitung eines Verbrennungsmotors 10 angeordnet. Es wird hier davon ausgegangen, dass der Verbrennungsmotor 10 der vorliegenden Ausführungsform ein fremdgezündeter Verbrennungsmotor ist, der Benzin als Kraftstoff verwendet.
Die Abgasleitung des Verbrennungsmotors 10 weist einen Abgaskrümmer 12, der mit den einzelnen Zylindern des Verbrennungsmotors verbunden ist, und ein Abgasrohr 14 auf, das mit dem Abgaskrümmer 12 verbunden ist. Das Abgas, das aus sämtlichen Zylindern ausgelassen wird, wird vom Abgaskrümmer 12 gesammelt und über den Abgaskrümmer 12 in das Abgasrohr 14 ausgelassen. Ein linearer A/F-Hauptsensor 16 (nachstehend einfach mit „A/F-Sensor” 16 abgekürzt) ist im Abgaskrümmer 12 angeordnet, um ein Abgas-Luft/Kraftstoffverhältnis an seinem Standort zu erfassen. Der A/F-Sensor 16 ist ein Sensor, dessen Ausgabe im Allgemeinen linear ist in Bezug auf das Luft/Kraftstoffverhältnis des Abgases.
Ein stromaufwärtsseitiger Dreiwegekatalysator 18, der in der Lage ist, ternäre Komponenten (NOx, HC, CO), die im Abgas enthalten sind, zu beseitigen, ist stromabwärts vom A/F-Sensor 16 angeordnet und andererseits unmittelbar unterhalb des Abgaskrümmers 12 im Abgasrohr 14 angeordnet. Der stromaufwärtsseitige Dreiwegekatalysator 18 ist als Dreiwegekatalysator ohne Sauerstoff speichernde/abgebende Materialien (im Folgenden einfach als „OSC(Oxygen Storage Capacity)-Materialien bezeichnet), wie Cer, ausgelegt. Das heißt, der stromaufwärtsseitige Dreiwegekatalysator 18 ist als Dreiwegekatalysator ohne Sauerstoff-Speicherkapazität ausgelegt. Der stromaufwärtsseitige Dreiwegekatalysator 18 ist so ausgelegt, dass seine Länge (die Länge in der Richtung des Abgasstroms) 20 bis 50 mm erreicht.
Ein Teilchenfilter 20 (im Folgenden einfach als PM-Filter bezeichnet), der in der Lage ist, im Abgas enthaltenes Feinteilchenmaterial PM einzufangen und zu entfernen, ist stromabwärts vom stromaufwärtsseitigen Dreiwegekatalysator 18 angeordnet. Vom PM-Filter 20 gefangenes PM wird verbrannt und entfernt, wenn der PM-Filter 20 in eine Hochtemperaturumgebung gebracht wird. Der PM-Filter 20 ist so ausgelegt, dass seine Kapazität bzw. sein Volumen 0,1- bis 0,5-mal größer wird als ein Verdrängungsvolumen des Verbrennungsmotors 10. Der PM-Filter ist mit einem Edelmetall auf Pt-Basis überzogen. Dadurch, dass der PM-Filter 20 auf diese Weise mit Edelmetall belegt ist, kann eine PM-Verbrennungstemperatur im Vergleich zu einer Situation, wo kein Edelmetall aufgetragen ist, um etwa 50 Grad gesenkt werden. Dadurch ist es möglich, PM in einem Zustand zu verbrennen und zu entfernen, wo die Bodentemperatur des PM-Filters 20 im Vergleich zu der Situation, wo kein Edelmetall aufgebracht ist, relativ niedrig ist (ungefähr 550 Grad C).
Ein stromabwärtsseitiger Dreiwegekatalysator 22, der in der Lage ist, die oben genannten im Abgas enthaltenen ternären Komponenten zu beseitigen, ist stromabwärts vom PM-Filter 20 angeordnet. Anders als der stromaufwärtsseitige Dreiwegekatalysator 18 ist der stromabwärtsseitige Dreiwegekatalysator 22 als Dreiwegekatalysator ausgelegt, der OSC-Materialien, wie Cer, enthält. Das heißt, der stromabwärtsseitige Dreiwegekatalysator 22 ist als Dreiwegekatalysator ausgelegt, der eine Sauerstoff-Speicherkapazität aufweist. Der stromabwärtsseitige Dreiwegekatalysator 22 ist so ausgelegt, dass seine Kapazität bzw. sein Volumen 1,5- bis 2,5-mal höher ist wie die/das des stromaufwärtsseitigen Dreiwegekatalysators 18.
Ein O2-Nebensensor ist stromabwärts vom stromabwärtsseitigen Dreiwegekatalysator 22 angeordnet, um ansprechend darauf, ob ein Luft/Kraftstoffverhältnis an seinem Standort fett oder mager ist, ein Signal auszugeben.
Das System der vorliegenden Erfindung weist eine elektronische Steuereinheit (ECU) auf. Verschiedene (nicht dargestellte) Sensoren, ebenso wie der A/F-Sensor 16 und der O2-Nebensensor 24, die oben genannte wurden, sind mit der ECU 30 verbunden, um den Verbrennungsmotor 10 zu steuern. Außerdem sind verschiedene Stellglieder (nicht dargestellt), wie eine Drosselklappe, ein Kraftstoff-Einspritzventil, eine Zündkerze und dergleichen, mit der ECU 30 verbunden.
Das oben beschriebene System des Verbrennungsmotors 10, das die Abgasreinigungsvorrichtung für die vorliegende Ausführungsform aufweist, führt eine Haupt-Rückkopplungssteuerung auf der Basis der Ausgabe vom stromaufwärtsseitigen A/F-Sensor 16 durch und führt eine Neben-Rückkopplungssteuerung auf der Basis der Ausgabe vom stromabwärtsseitigen O2-Nebensensor 24 durch. Bei der Haupt-Rückkopplungssteuerung wird eine Kraftstoff-Einspritzmenge so gesteuert, dass das Luft/Kraftstoffverhältnis des Abgases, das in den stromaufwärtsseitigen Dreiwegekatalysator 18 strömt, mit einem Regelungsziel-Luft/Kraftstoffverhältnis übereinstimmt. Bei der Neben-Rückkopplungssteuerung wird der Inhalt der Haupt-Rückkopplungssteuerung so korrigiert, dass das Luft/Kraftstoffverhältnis des Abgases, das stromabwärts vom stromabwärtsseitigen Dreiwegekatalysator 22 ausströmt, dem stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnis gleich wird. Durch die Ausführung dieser Rückkopplungssteuerungen (insbesondere der Rückkopplungssteuerung unter Verwendung des stromabwärtsseitigen O2-Nebensensors) kann die ECU 30 die Sauerstoffmenge, die dem stromabwärtsseitigen Dreiwegekatalysator 22 zugeführt wird, einstellen.
[Vorteile der Abgasreinigungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform]
In der oben beschriebenen Abgasreinigungsvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform werden die folgenden drei Punkte berücksichtigt, nämlich die Verbesserung einer Aufwärmleistung eines Dreiwegekatalysators (eines stromaufwärtsseitigen Dreiwegekatalysators 18), die PM-Entfernung und die Unterdrückung eines NOx-Ausstoßes. Dadurch ist es möglich, gleichzeitig die ternären Komponenten (NOx, HC, CO), die im Abgas enthalten sind, und PM zu entfernen. Im Folgenden wird jede dieser Überlegungen ausführlich beschrieben.
(1) Überlegung im Hinblick auf die Verbesserung der Aufwärmleistung eines Dreiwegekatalysators (eines stromaufwärtsseitigen Dreiwegekatalysators)
In dem Verbrennungsmotor 10, bei dem es sich um einen Benzinmotor handelt, ist während eines Kaltstarts eine Verringerung der Abgasemission (insbesondere von HC) nötig. In der oben beschriebenen vorliegenden Ausführungsform ist der stromaufwärtsseitige Dreiwegekatalysator 18 stromaufwärts vom PM-Filter 20 angeordnet. Durch dieses Design wird Wärmeenergie des Abgases, das aus dem Zylinder ausgestoßen wird, zuerst direkt an den stromaufwärtsseitigen Dreiwegekatalysator 18 abgegeben, wodurch eine ausreichende Aufwärmleistung des stromaufwärtsseitigen Dreiwegekatalysators 18 sichergestellt wird.
2 ist eine Skizze, die die Aufwärmleistung nach dem Start in Abhängigkeit von der Länge des stromaufwärtsseitigen Dreiwegekatalysators zeigt. 2 zeigt, dass die Aufwärmleistung beim Starten schlechter ist, wenn die Länge des stromaufwärtsseitigen Dreiwegekatalysators 18 kürzer wird als 20 mm. Der Grund dafür ist, dass keine ausreichende katalytische Reaktion im Katalysator ablaufen kann, wenn die Länge des Katalysators nicht ausreicht, und dass keine ausreichende Reaktionswärme zum Aufwärmen des Katalysators erhalten werden kann. In der oben beschriebenen vorliegenden Ausführungsform ist der stromaufwärtsseitige Dreiwegekatalysator 18 so ausgelegt, dass seine Länge 20 bis 50 mm wird. Was dies betrifft, so tragen die obigen Gestaltungen auch zur Verbesserung der Aufwärmleistung des stromaufwärtsseitigen Dreiwegekatalysators 18 bei.
(2) Überlegung im Hinblick auf die Entfernung von PM (Überlegung im Hinblick auf die Fähigkeit, Sauerstoff zum PM-Filter 20 zu liefern)
Damit der PM-Filter 20 erstens so weit stromaufwärts wie möglich angeordnet werden kann, wird der PM-Filter 20 in der oben beschriebenen vorliegenden Ausführungsform näher an der Brennkammer des Verbrennungsmotors 10 hinter dem stromaufwärtsseitigen Dreiwegekatalysator 18, der sich am weitesten stromaufwärts befindet, angeordnet. Wie oben beschrieben, kann PM, das vom PM-Filter 20 gefangen wird, unter einer Bedingung, wo dessen Bodentemperatur mindestens 550 Grad C beträgt, verbrannt und entfernt werden. Gemäß diesem Design des PM-Filters 20 kann der PM-Filter 20 dem Abgas ausgesetzt werden, dessen Temperatur so hoch wie möglich ist. Dadurch ist es möglich, eine Umgebung zu schaffen, die in der Lage ist, PM kontinuierlich zu verbrennen und zu entfernen. Infolgedessen können Schwankungen des Druckverlusts innerhalb des Abgasrohrs 14, die auf die Ansammlung von PM zurückgehen, unterdrückt werden.
Damit PM verbrannt und entfernt werden kann, indem der PM-Filter 20 in die Hochtemperaturumgebung gebracht wird, muss in der Atmosphäre des PM-Filters 20 Sauerstoff vorhanden sein. Anders als beim Dieselmotor, der im Allgemeinen in einem Zustand betrieben wird, wo Luft im Überschuss vorliegt, wird in dem Verbrennungsmotor 10, bei dem es sich um einen Benzinmotor handelt, der im Allgemeinen in einem Zustand betrieben wird, in dem das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf das stöchiometrische Verhältnis gesteuert wird, praktisch sämtlicher Sauerstoff durch die Verbrennung verbraucht. Aus diesem Grund entsteht eine Situation, in der in dem Abgas, das aus dem Zylinder ausgestoßen wird, kaum Sauerstoff vorhanden ist. Um in einem solchen Benzinmotor PM erfolgreich entfernen zu können, ist es daher wichtig, eine Umgebung zu erzeugen, die in der Lage ist, dem PM-Filter 20 Sauerstoff zuzuführen.
Um eine Umgebung zu schaffen, die in der Lage ist, dem PM-Filter 20 eine größere Sauerstoffmenge zuzuführen, wird in der vorliegenden Ausführungsform erstens der stromaufwärtsseitige Dreiwegekatalysator 18 ohne OSC-Materialien stromaufwärts vom PM-Filter 20 angeordnet, wie oben beschrieben, und der stromabwärtsseitige Dreiwegekatalysator 22 mit OSC-Materialien wird stromabwärts vorn PM-Filter 20 angeordnet. Dadurch wird die Zufuhr von Sauerstoff zum PM-Filter 20 erleichtert.
Um eine Umgebung zu schaffen, die in der Lage ist, dem PM-Filter 20 eine größere Sauerstoffmenge zuzuführen, wird in der vorliegenden Ausführungsform ferner der PM-Filter 20 stromaufwärts vom stromabwärtsseitigen Dreiwegekatalysator 22, an dem eine Sauerstoffzufuhrmenge gemäß den Ausgaben vom stromabwärts vom stromabwärtsseitigen Dreiwegekatalysator 22 angeordneten O2-Nebensensor 24 eingestellt wird, (und vom O2-Nebensensor 24) angeordnet. Bei der Rückkopplungssteuerung, die den O2-Nebensensor 24 nutzt, werden Rückkopplungssteuerungen der Kraftstoff-Einspritzmenge derart durchgeführt, dass das Luft/Kraftstoffverhältnis des Abgases mager wird, wenn die Ausgaben vom O2-Nebensensor 24 auf einen fetten Ausgabezustand umgekehrt werden, und dass das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases fett wird, wenn die Ausgaben vom O2-Nebensensor 24 auf einen mageren Ausgabezustand umgekehrt werden. Wenn ein PM-Filter stromabwärts von einem Dreiwegekatalysator angeordnet ist, der die OSC-Materialien enthält, wie vom stromabwärtsseitigen Dreiwegekatalysator 18, strömt aus diesem Grund während eines Zeitraums, in dem die Sauerstoff-Speicherkapazität des Dreiwegekatalysators, der die OSC-Materialien aufweist, ausreicht, kein Sauerstoff in die stromabwärtige Seite des Dreiwegekatalysators, auch wenn eine Bedingung (d. h. eine Bedingung, die eine große Sauerstoffmenge enthält) gebildet wird, wo das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das aus dem Zylinder ausgestoßen wird, einen Wert unter dem stöchiometrischen Wert aufweist.
Infolgedessen ist es schwierig, ausreichend Zeit zu gewährleisten, wenn der PM-Filter, der stromabwärts vom Dreiwegekatalysator angeordnet ist, dem sauerstoffhaltigen Abgas (der mageren Atmosphäre) ausgesetzt wird. Im Gegensatz dazu wird gemäß der Anordnungsreihenfolge der vorliegenden Ausführungsform der PM-Filter stromaufwärts vom Dreiwegekatalysator 22 angeordnet, bei dem es sich um einen Katalysator handelt, der OSC-Materialien aufweist und an den die Rückkopplungssteuerung unter Verwendung des O2-Nebensensors 24 angelegt wird. Daher kann die Umgebung geschaffen werden, die in der Lage ist, dem PM-Filter 20 eine größere Sauerstoffmenge zuzuführen, auch wenn diese Rückkopplungssteuerung durchgeführt wird (ferner selbst dann, wenn die Haupt-Rückkopplungssteuerung unter Verwendung des A/F-Sensors 16 und die Neben-Rückkopplungssteuerung unter Verwendung des O2-Nebensensors durchgeführt wird).
Wie oben beschrieben, kann bei der Ausgestaltung der vorliegenden Ausführungsform durch Installieren des PM-Filters 20 an einer Stelle, an der der PM-Filter 20 dem Abgas ausgesetzt ist, dessen Temperatur so hoch wie möglich ist, und durch Erzeugen der oben beschriebenen Umgebung für die Sauerstoffzufuhr PM auch dann erfolgreich entfernt werden, wenn der Benzinmotor verwendet wird, in dem es schwierig ist, ausreichend Sauerstoff sicherzustellen, weil das Luft/Kraftstoff-Verhältnis im Wesentlichen auf das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis gesteuert wird.
(3) Überlegungen im Hinblick auf eine Unterdrückung der NOx-Emission
In der oben beschriebenen vorliegenden Ausführungsform sind der PM-Filter 20, der stromabwärtsseitige Dreiwegekatalysator 22, der OSC-Materialien aufweist und in dem die zugeführte Sauerstoffmenge unter Verwendung des O2-Nebensensors 24 gesteuert wird, und der O2-Nebensensor 24 in dieser Reihenfolge von der Oberseite des Abgasstroms her angeordnet. Dadurch gelingt es, eine gute Ausgewogenheit zwischen der Aufrechterhaltung der Umgebung für die Zufuhr von Sauerstoff zum PM-Filter 20 und der Verringerung der Abgasemission (insbesondere von NOx) zu erreichen.
3 ist eine Skizze, die ein Kapazitätsverhältnis zwischen dem stromaufwärtsseitigen Dreiwegekatalysator 18 und dem stromabwärtsseitigen Dreiwegekatalysator 22 in Abhängigkeit von der Menge der NOx-Emission darstellt. Dabei geht 3 davon aus, dass die Menge der NOx-Emission, wenn das Kapazitätsverhältnis zwischen dem stromaufwärtsseitigen Dreiwegekatalysator 18 und dem stromabwärtsseitigen Dreiwegekatalysator 22 eins-zu-eins ist, 100 ist, und stellt eine Beziehung zwischen dem Kapazitätsverhältnis und der Menge der NOx-Emission (ein relatives Verhältnis) dar.
3 zeigt, dass die Menge der NOx-Emission im Vergleich zu dem Fall, dass das Kapazitätsverhältnis eins-zu-eins ist, verringert ist, wenn die Kapazität bzw. das Volumen des stromabwärtsseitigen Dreiwegekatalysators 22 größer ist als die/das des stromaufwärtsseitigen Dreiwegekatalysators 18. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Kapazität bzw. das Volumen des stromabwärtsseitigen Dreiwegekatalysators 22 so eingestellt, dass sie/es 1,5- bis 2,5-mal größer wird als die/das des stromaufwärtsseitigen Dreiwegekatalysators 18. Daher gelingt es, die Menge der NOx-Emission zu verringern. Außerdem benötigt eine NOx-Reduktionsreaktion, die in den Dreiwegekatalysatoren 18, 22 abläuft, eine längere Reaktionszeit als eine Oxidationsreaktion. Daher kann der stromabwärtsseitige Dreiwegekatalysator 22, der das genannte Kapazitätsverhältnis aufweist, eine ausreichende Speicherkapazität für verfügbaren Sauerstoff sicherstellen, um NOx ordnungsgemäß zu beseitigen, und kann die Menge der NOx-Emission unterdrücken.
(4) Andere Vorteile
Die Sauerstoff-Speicherkapazität, die durch Aufnahme der OSC-Materialien in den Dreiwegekatalysator erhalten wird, kann als Index genommen werden, der einen Verschlechterungsgrad des Dreiwegekatalysators anzeigt. Gemäß den Ausgestaltungen der vorliegenden Ausführungsform ist es durch Aufnehmen der OSC-Materialien in den stromabwärtsseitigen Dreiwegekatalysator 22 auch möglich, eine Erfassungsleistung (OBD-Erfassungsleistung) für die Verschlechterung des Katalysators unter Verwendung der Sauerstoff-Speicherkapazität sicherzustellen.
(5) Zusammenfassung
Die oben beschriebene Abgasreinigungsvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform kann eine gute Ausgewogenheit zwischen der Sicherstellung der Aufwärmleistung des Dreiwegekatalysators (des stromaufwärtsseitigen Dreiwegekatalysators 18) beim Starten, der Entfernung von PM und der Verringerung der Abgasemission, wie von NOx, erreichen, auch wenn der Benzinmotor verwendet wird, in dem die Sicherstellung von Sauerstoff im Abgasrohr 14 schwierig ist.
In der oben beschriebenen ersten Ausführungsform enthält der stromaufwärtsseitige Dreiwegekatalysator 18 keine OSC-Materialien (d. h. der stromaufwärtsseitige Dreiwegekatalysator 18 weist keine Sauerstoff-Speicherkapazität auf). In der vorliegenden Erfindung ist jedoch eine Überlegung im Hinblick auf die Sauerstoff-Speicherkapazität, die dem stromaufwärtsseitigen Dreiwegekatalysator und dem stromabwärtsseitigen Dreiwegekatalysator verliehen wird, um die Zufuhr von Sauerstoff zum PM-Filter 20 sicherzustellen, nicht auf die obige Methode beschränkt. Genauer kann der stromaufwärtsseitige Dreiwegekatalysator eine geringere Menge an OSC-Materialien aufweisen als der stromabwärtsseitige Dreiwegekatalysator, solange die Sauerstoff-Speicherkapazität des stromaufwärtsseitigen Dreiwegekatalysators kleiner ist als diejenige des stromabwärtsseitigen Dreiwegekatalysators.
Wenn der stromaufwärtsseitige Dreiwegekatalysator die OSC-Materialien enthält wie oben beschrieben, trägt die Einstellung der Länge des stromaufwärtsseitigen Dreiwegekatalysators auf 20 bis 50 mm (auf höchstens 50 mm), wie im Falle der oben beschriebenen ersten Ausführungsform, aus folgendem Grund dazu bei, die Umgebung zu schaffen, die in der Lage ist, die Sauerstoffzufuhr zum PM-Filter 20 zu gewährleisten. 4 ist eine Skizze, die ein Verhalten verschiedener Komponenten (Sauerstoff O2, THC, CO, NOx) zeigt, die im Abgas enthalten sind, das aus dem Dreiwegekatalysator strömt, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases abwechselnd zwischen fett und mager gewechselt wird. Dabei zeigt 4(B) Untersuchungsergebnisse, die vorliegen, wenn Laborversuche mit drei Arten von Dreiwegekatalysatoren durchgeführt werden, deren Längen 20 mm, 53 mm bzw. 85 mm sind, wie in 4(A) dargestellt. In 4(B) wird die Wellenform, die dem Katalysator entspricht, der 20 mm lang ist, von einer durchgezogenen Linie gezeigt; die Wellenform, die dem Katalysator entspricht, der 53 mm lang ist, wird von einer dünnen unterbrochenen Linie gezeigt; und die Wellenform, die dem Katalysator entspricht, der 85 mm lang ist, wird von einer dicken durchbrochenen Linie gezeigt.
Die in 4(B) dargestellten Untersuchungsergebnisse zeigen, dass unter einer Bedingung, wo der Dreiwegekatalysator einer fetten Atmosphäre (einer Sauerstoff-Mangelbedingung) ausgesetzt wird, Sauerstoff, der vom Dreiwegekatalysator unter einer vorhergehenden, im Vergleich zur genannten fetten Atmosphäre mageren Atmosphäre gespeichert wurde, aufgrund einer Reaktion zwischen HC und CO verschwindet, wenn die Länge des Katalysators größer wird als 50 mm. Daher ist im Hinblick auf die Unterdrückung des genannten Sauerstoffverbrauchs die Einstellung der Länge des stromaufwärtsseitigen Dreiwegekatalysators auf 20 bis 50 mm (auf höchstens etwa 50 mm) wirksam, um die Umgebung zu schaffen, die in der Lage ist, dem PM-Filter 20, der stromabwärts vom stromaufwärtsseitigen Dreiwegekatalysator vorgesehen ist, eine größere Sauerstoffmenge zuzuführen.
Dabei entspricht in der oben beschriebenen ersten Ausführungsform der O2-Nebensensor 24 dem „Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor” gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung. Außerdem wird das „Rückkopplungsmittel” gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung implementiert, wenn die ECU 30 die Haupt-Rückkopplungssteuerung und die Neben-Rückkopplungssteuerung durchführt.
Ferner entspricht der lineare A/F-Sensor 16 dem „stromaufwärtsseitigen Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor” gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung. Außerdem wird das „Haupt-Rückkopplungsmittel” gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung implementiert, wenn die ECU 30 die Haupt-Rückkopplungssteuerung unter Verwendung der Ausgaben des linearen A/F-Hauptsensors 16 durchführt; und das „Neben-Rückkopplungsmittel” gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird implementiert, wen die ECU 30 die Neben-Rückkopplungssteuerung unter Verwendung der Ausgaben vom O2-Nebensensor 24 durchführt.
Zweite Ausführungsform
Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezug auf 5 beschrieben.
5 ist eine Skizze, die eine Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Was die Elemente in 5 betrifft, die denen von 1 gleichen, so wird ihre Beschreibung weggelassen oder abgekürzt, wobei sie die gleichen Bezugszahlen erhalten.
Die in 5 dargestellte Abgasreinigungsvorrichtung ist ebenso aufgebaut wie diejenige der oben beschriebenen ersten Ausführungsform, außer dass die Bauteile, die dem stromaufwärtsseitigen Dreiwegekatalysator 18 und dem PM-Filter 20 der ersten Ausführungsform entsprechen, eine Einheit bilden und als PM-Filter 40 mit integriertem Katalysator ausgebildet sind, der eine Dreiwegekatalysator-Funktion und eine Funktion als PM-Filter aufweist. Genauer wird der PM-Filter 40 mit integriertem Katalysator durch Auflegen des Dreiwegekatalysators auf den PM-Filter 20 gebildet.
Das heißt, in der vorliegenden Ausführungsform sind der PM-Filter 40 mit integriertem Katalysator und der stromabwärtsseitige Dreiwegekatalysator 22 in dieser Reihenfolge von der Oberseite des Abgasstroms gesehen angeordnet. Außerdem wird die dem stromabwärtsseitigen Dreiwegekatalysator 22 zugeführte Sauerstoffmenge unter Verwendung des O2-Nebensensors 24, der stromabwärts vom stromabwärtsseitigen Dreiwegekatalysator 22 angeordnet ist, eingestellt. Ferner, weist der stromabwärtsseitige Dreiwegekatalysator 22 ein höheres Volumen auf als ein Abschnitt mit Dreiwegekatalysator-Funktion in dem Teilchenfilter 40 mit integriertem Katalysator. Dabei kann der PM-Filter 40 mit integriertem Katalysator, wie im Falle der oben im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform beschriebenen modifizierten Ausführungsform, eine kleinere Menge an OSC-Materialien aufweisen als der stromabwärtsseitige Dreiwegekatalysator 22.
Die Ausgestaltungen der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform können die gleichen Vorteile bieten wie die der oben beschriebenen ersten Ausführungsform.
Dritte Ausführungsform
Nun wird eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 6 beschrieben.
6 ist eine Skizze, die eine Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Was die Elemente von 6 betrifft, die denen von 1 gleich sind, so wird ihre Beschreibung weggelassen oder verkürzt, und sie erhalten die gleichen Bezugszeichen.
Die in 6 dargestellte Abgasreinigungsvorrichtung weist die gleichen Ausgestaltungen auf wie die der oben beschriebenen ersten Ausführungsform, abgesehen davon, dass kein stromaufwärtsseitiger Dreiwegekatalysator 18 ohne OSC-Materialien stromaufwärts vom PM-Filter 20 vorgesehen ist. Genauer sind in der vorliegenden Ausführungsform der PM-Filter 20 und ein Dreiwegekatalysator 50 mit OSC-Materialien (d. h. mit Sauerstoff-Speicherkapazität) in dieser Reihenfolge von der Oberseite des Abgasstroms aus angeordnet. Außerdem wird die dem Dreiwegekatalysator 50 zugeführte Sauerstoffmenge unter Verwendung des O2-Nebensensors 24, der stromabwärts vom Dreiwegekatalysator 50 angeordnet ist, eingestellt.
Gemäß den Ausgestaltungen der oben beschriebenen dritten Ausführungsform kann der PM-Filter 20 durch Installieren des PM-Filters 20 stromaufwärts vom Dreiwegekatalysator 50 dem Abgas ausgesetzt werden, dessen Temperatur so hoch wie möglich ist. Ferner wird gemäß den Ausgestaltungen der vorliegenden Ausführungsform der PM-Filter 20 stromaufwärts vom Dreiwegekatalysator 50 angeordnet, bei dem es sich um den Katalysator handelt, der OSC-Materialien enthält, und auf den die Rückkopplungssteuerung unter Verwendung des O2-Nebensensors 24 angewendet wird. Daher kann aus den oben beschriebenen Gründen die Umgebung erzeugt werden, die in der Lage ist, dem PM-Filter 20 eine größere Sauerstoffmenge zuzuführen, auch wenn die oben beschriebene Rückkopplungssteuerung durchgeführt wird.
Infolgedessen machen es die Ausgestaltungen der vorliegenden Ausführungsform möglich, eine gute Ausgewogenheit zwischen der PM-Entfernung und der Verringerung der Abgasemission (insbesondere von NOx) zu erreichen, auch wenn der Benzinmotor verwendet wird, in dem die Gewährleistung von ausreichend Sauerstoff schwierig ist, da das Luft/Kraftstoff-Verhältnis im Wesentlichen so gesteuert wird, dass es das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis wird. Außerdem kann durch Aufnahme der OSC-Materialien in den Dreiwegekatalysator 50 auch die Erfassungsleistung (OBD-Erfassungsleistung) für die Verschlechterung des Katalysators unter Verwendung der Sauerstoff-Speicherkapazität verbessert werden.
In den oben beschriebenen ersten bis dritten Ausführungsformen werden eine Vielzahl von Katalysatoren und ein Teilchenfilter, wie der stromaufwärtsseitige Dreiwegekatalysator 18, der PM-Filter 20 und der stromabwärtsseitige Dreiwegekatalysator 22, in einem Gehäuse installiert, das am Abgasrohr 14 angeordnet ist. Jedoch muss ein Katalysator und ein Teilchenfilter der vorliegenden Erfindung nicht immer in einem Gehäuse installiert werden, solange die Anordnungsreihenfolge in Bezug auf den Katalysator und den Teilchenfilter der vorliegenden Erfindung eingehalten wird. Beispielsweise können jeder Katalysator und der Teilchenfilter in einem eigenen Gehäuse installiert werden.

Claims

Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor (10), der als Grundsteuerung für ein Luft/Kraftstoffverhältnis eine Steuerung verwendet, die ein stöchiometrisches Luft/Kraftstoffverhältnis liefert, wobei die Vorrichtung aufweist: einen Teilchenfilter (20), der in einer Abgasleitung des Verbrennungsmotors (10) angeordnet ist und der Feinteilchenmaterial, das im Abgas enthalten ist, einfängt; einen stromaufwärtsseitigen Dreiwegekatalysator (18), der in der Abgasleitung stromaufwärts vom Teilchenfilter (20) angeordnet ist; einen stromabwärtsseitigen Dreiwegekatalysator (22), der in der Abgasleitung stromabwärts vom Teilchenfilter (20) angeordnet ist und der eine Sauerstoff-Speicherkapazität aufweist; einen O₂-Nebensensor (24), der in der Abgasleitung stromabwärts vorn stromabwärtsseitigen Dreiwegekatalysator (22) angeordnet ist, um Informationen über ein Luft/Kraftstoffverhältnis des Abgases zu erhalten; und eine elektronische Steuereinheit (30), die als Rückkopplungsmittel dient, um eine Kraftstoff-Einspritzmenge auf der Basis der Ausgaben vom O₂-Nebensensor (24) zu korrigieren; wobei der stromaufwärtsseitige Dreiwegekatalysator (18) keine Sauerstoff-Speicherkapazität aufweist oder eine geringere Sauerstoff-Speicherkapazität aufweist als der stromabwärtsseitige Dreiwegekatalysator (22); und wobei der stromabwärtsseitige Dreiwegekatalysator (22) ein Katalysator ist, dem eine Sauerstoffmenge zugeführt wird, die vom Rückkopplungsmittel (30) eingestellt wird.
Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung ferner aufweist: einen stromaufwärtsseitigen A/F-Hauptsensor (16), der in der Abgasleitung stromaufwärts vom stromaufwärtsseitigen Dreiwegekatalysator (18) angeordnet, ist, um Informationen über ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases zu erhalten; wobei das Rückkopplungsmittel (30) eine Haupt-Rückkopplungssteuerung ausführt, um eine Kraftstoff-Einspritzmenge auf der Basis der Ausgaben vom stromaufwärtsseitigen A/F-Hauptsensor (16) derart zu korrigieren, dass ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das stromaufwärts vom stromaufwärtsseitigen Dreiwegekatalysator (18) vorliegt, mit einem Soll-Luft/Kraftstoff-Verhältnis übereinstimmt, und eine Neben-Rückkopplungssteuerung ausführt, um Inhalte, die von der Haupt-Rückkopplungssteuerung korrigiert wurden, auf der Basis der Ausgaben vom O₂-Nebensensor (24) zu modifizieren.
Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der stromabwärtsseitige Dreiwegekatalysator (22) ein größeres Volumen aufweist als der stromaufwärtsseitige Dreiwegekatalysator (18).
Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Länge des stromaufwärtsseitigen Dreiwegekatalysators (18) 20 bis 50 mm beträgt.
Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor (10), der als Grundsteuerung für ein Luft/Kraftstoffverhältnis eine Steuerung verwendet, die ein stöchiometrisches Luft/Kraftstoffverhältnis liefert, wobei die Vorrichtung aufweist: einen Teilchenfilter (40) mit integriertem Katalysator, der in einer Abgasleitung des Verbrennungsmotors (10) angeordnet ist und der eine Funktion, Feinteilchenmaterial, das im Abgas enthalten ist, einzufangen, und eine Dreiwegekatalysator-Funktion hat; einen stromabwärtsseitigen Dreiwegekatalysator (22), der in der Abgasleitung stromabwärts vom Teilchenfilter (40) mit integriertem Katalysator angeordnet ist und der eine Sauerstoff-Speicherkapazität aufweist; einen O₂-Nebensensor (24), der in der Abgasleitung stromabwärts vom stromabwärtsseitigen Dreiwegekatalysator (22) angeordnet ist, um Informationen über ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu erhalten; und eine elektronische Steuereinheit (30), die als Rückkopplungsmittel dient, um eine Kraftstoff-Einspritzmenge auf der Basis der Ausgaben vom O₂-Nebensensor (24) zu korrigieren; wobei der Teilchenfilter (40) mit integriertem Katalysator keine Sauerstoff-Speicherkapazität aufweist oder eine geringere Sauerstoff-Speicherkapazität aufweist als der stromabwärtsseitige Dreiwegekatalysator (22); und wobei der stromabwärtsseitige Dreiwegekatalysator (22) ein Katalysator ist, dem eine Sauerstoffmenge zugeführt wird, die vom Rückkopplungsmittel (30) eingestellt wird; und wobei der stromabwärtsseitige Dreiwegekatalysator (22) ein größeres Volumen aufweist als ein Abschnitt in dem Teilchenfilter (40) mit integriertem Katalysator, der eine Dreiwegekatalysator-Funktion aufweist.
Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 5, wobei die Vorrichtung ferner aufweist: einen stromaufwärtsseitigen A/F-Hauptsensor (16), der in der Abgasleitung stromaufwärts vom Teilchenfilter (40) mit integriertem Katalysator angeordnet ist, um Informationen über das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases zu erhalten; wobei das Rückkopplungsmittel (30) eine Haupt-Rückkopplungssteuerung ausführt, um eine Kraftstoff-Einspritzmenge auf der Basis der Ausgaben vom stromaufwärtsseitigen A/F-Hauptsensor (16) derart zu korrigieren, dass ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das stromaufwärts vom Teilchenfilter (40) mit integriertem Katalysator vorliegt, mit einem Soll-Luft/Kraftstoff-Verhältnis übereinstimmt, und eine Neben-Rückkopplungssteuerung ausführt, um Inhalte, die von der Haupt-Rückkopplungssteuerung korrigiert wurden, auf der Basis der Ausgaben vom O₂-Nebensensor (24) zu modifizieren.