DE19652275A1

DE19652275A1 - Verbrennungsabgasreinigungssystem und Verfahren mittels Brennstoffeinspritzvorrichtungen mit hohem SAC-Volumen

Info

Publication number: DE19652275A1
Application number: DE19652275A
Authority: DE
Inventors: William H Lane; Daniel J Learned; Randy N Peterson; Aaron L Smith
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1995-12-15
Filing date: 1996-12-16
Publication date: 1997-06-19
Also published as: US5787708A; JPH09177640A

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht allgemein auf die Rei nigung von Verbrennungsabgas und insbesonderes auf die Behandlung eines Abgasstromes eines Motors zum Entfernen von NOx aus dem Gasstrom.

Ausgangspunkt

Hauptsächlich infolge von gesetzlichen Bestimmungen wur den Motorhersteller dazu gezwungen, die Menge an schädli chen Verbindungen in Verbrennungsabgasen zu reduzieren. Um effektiv die NOx-Konzentrationen in dem Abgasstrom von magerverbrennenden Motoren zu reduzieren - einschließlich von Diesel und bestimmten funkengezündeten Motoren - ist es bei der derzeitigen Technologie von NOx-Katalysatoren notwendig, daß eine ausreichende Konzentration von Koh lenwasserstoff- (HC) Spezien vorhanden sind. Mit anderen Worten bei Verbrennungsabgasreinigungssystemen mit einer Sauerstoffumgebung über einer 3%-igen Konzentration, muß eine Reduktionsagens irgendeines Typs, normalerweise eine Kohlenwasserstoffverbindung, in das Abgas eingeführt wer den, um akzeptable Reduktionsniveaus der NOx-Verbindungen über ein Katalysatorbett hinweg zu erreichen. Unter schiedliche Mittel zum Addieren des HC in den Abgasstrom wurden entwickelt, und zwar einschließlich dem Hinzufügen von HC-Injektoren bzw. Einspritzvorrichtungen, um konti nuierlich oder periodisch HC in den Abgasstrom zu inji zieren sowie die Verwendung einer Nacheinspritzung von Dieselbrennstoff von der Motorbrennstoffeinspritzvorrich tung. Unglücklicherweise erhöhen diese HC Einführverfah ren die Komplexität des Systems und die Kosten oder sie erlauben keine optimale Verdampfung bzw. Zerstäubung des HC.

Die vorliegende Erfindung offenbart eine gewollte bauli che bzw. Designveränderung der Motorbrennstoffeinspritz vorrichtung, um die Konzentration von HC in dem Abgas strom zu erhöhen, ohne irgendeine zusätzliche Einspritz ausrüstung oder ein Steuersystem.

Die Erfindung

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Emissionsreinigungssystem für einen Verbrennungsmotor of fenbart. Das System umfaßt eine Brennstoffeinspritzvor richtung, die innerhalb eines Motorzylinders angeordnet ist. Die Einspritzvorrichtung weist einen Düsenteil auf, der mindestens eine Einspritzzumeßöffnung definiert. Der Düsenteil umfaßt auch ein Rückschlagventil, das bewegbar ist zwischen einer offenen Position, wo das Rückschlag ventil von einem Rückschlagventilsitz beabstandet ist, um eine Strömungsmittelverbindung mit den Einspritzzumeßöff nungen zu ermöglichen und einer geschlossenen Position, wo das Rückschlagventil mit dem Rückschlagventilsitz in Eingriff steht und dadurch die Strömungsmittelverbindung mit den Einspritzzumeßöffnungen blockiert. Der Düsenteil umfaßt ferner eine Brennstoffkammer, die zwischen dem Rückschlagventilsitz und den Einspritzzumeßöffnungen po sitioniert ist. Die Brennstoffkammer ist so bemessen, daß sie eine vorgewählte Brennstoffmenge zu dem Motorzylinder hinzufügt, wenn das Rückschlagventil in seiner geschlos senen Position ist.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Reduzieren von Emissionen eines Verbrennungsmotors offenbart. Das Verfahren zeigt die folgenden Schritte auf: Positionieren einer Einspritzvor richtung in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors, wo bei die Einspritzvorrichtung ein Rückschlagventil auf weist zum Steuern der Brennstoffeinspritzung in den Zy linder und ein Brennstoffvolumen stromabwärts bezüglich des Rückschlagventils; Öffnen des Rückschlagventils, und zwar im wesentlichen während des Kompressionshubs, um ei ne Hauptbrennstoffeinspritzung einzuleiten, und dann Schließen des Rückschlagventils während des Kompressions hubs, um die Hauptbrennstoffeinspritzung zu beenden. Brennstoff wird dann von dem stromabwärts gelegenen Brennstoffvolumen in den Zylinder des Verbrennungsmotors abgelassen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Verbrennungs abgasreinigungssystems gemäß dem bevorzugten Aus führungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine teilweise Querschnittansicht einer Brennstoffeinpritzvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfin dung, die in einem beispielhaften Zylinder eines Verbrennungsmotors installiert ist;

Fig. 3 eine vergrößerte Teilquerschnittsansicht einer Brennstoffeinspritzvorrichtungsspitze mit einem vergrößerten SAC-Volumen gemäß der vorliegenden Erfindung.

Die beste Art die Erfindung auszuführen

Gemäß Fig. 1 ist ein Abgasreinigungssystem 10 gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin dung gezeigt, und zwar in Verwendung mit einem Verbren nungsmotor 12. Derzeitig findet die Erfindung ihren be sten Anwendungsbereich in Beziehung zu magerverbrennenden Dieselmotoren, jedoch ist die vorliegende Erfindung bei allen Verbrennungsmotoren anwendbar. Abgas tritt über ei nen Abgasdurchlaß 14 aus dem Motor 12 aus, und zwar auf seinem Weg zu dem Katalysator 16 und tritt schlußendlich aus dem Auslaß 18 aus. Der Katalysator 16 umfaßt einen NOx-Katalysator 20 (Katalysator zum Entfernen von NOx), wie zum Beispiel Zeolit ZSM5 oder einen auf Edelmetall basierenden Katalysator oder eine Kombination beider. Bei vielen Anwendungen kann es wünschenswert sein, einen Oxi dationskatalysator eines bekannten Typs stromabwärts be züglich des NOx-Katalysators anzuschließen. In dem bevor zugten Ausführungsbeispiel für einen magerverbrennenden Dieselmotor kann der Einschluß eines dritten Katalysators 24 zwischen dem NOx-Katalysator 20 und dem Oxidationska talysator 22 effektiv die Reduzierung unerwünschter Stickstoffverbindungen erhöhen, die in dem Abgas vorhan den sind, nachdem dieses durch den NOx-Katalysator 20 ge strömt ist.

Zusätzliches HC tritt in das System ein durch die Brenn stoffeinspritzvorrichtung 26 des Motors, die an dem Mo torzylinderkopf 28 angebracht ist, und zum Einspritzen von Brennstoff in den Motorzylinder 30 positioniert ist. Die Einspritzvorrichtung 26 kann irgendeines herkömmli chen Aufbaus sein, einschließlich einer elektronisch ge steuerten Einheitseinspritzvorrichtung, einer hydraulisch betätigten elektronisch gesteuerten Einheitseinspritzvor richtung, einer mechanisch betätigten Einspritzvorrich tung oder einer Einspritzvorrichtung, die mit einer Pumpe und einem Leitungsbrennstoffsystem gekoppelt ist, wobei die Einspritzvorrichtung nicht auf diese Bauarten be schränkt ist.

Die Brennstoffeinspritzvorrichtung 26 umfaßt einen Düsen teil 32 mit einer Spitze 34 und mindestens einer Brenn stoffeinspritzzumeßöffnung 36 darinnen definiert. Der Dü senteil umfaßt ferner ein Nadelrückschlagventil 38, ein Rückschlagventilsitz 40 und eine Vorspannfeder 42. Das Rückschlagventil ist bewegbar zwischen einer ersten Posi tion in der das Rückschlagelement 43 in abdichtendem Kon takt mit dem Rückschlagventilsitz 40 ist, um dadurch eine Strömungsmittelverbindung zu den Einspritzzumeßöffnungen 36 zu blockieren und einer zweiten oder offenen Position, in der das Rückschlagelement 43 von dem Rückschlagventil sitz 40 beabstandet ist, um eine Strömungsmittelverbin dung zu den Einspritzzumeßöffnungen 36 zu ermöglichen. Die Vorspannfeder 42 wirkt auf das Rückschlagelement 43, um das Rückschlagelement 43 zu seiner geschlossenen Posi tion vorzuspannen.

Die Düsenspitze 34 umfaßt ferner einen Brennstoffraum oder ein SAC-Volumen 44, das in Strömungsmittelverbindung mit den Einspritzzumeßöffnungen 36 steht und zwischen dem Rückschlagventilsitz 40 und dem Einspritzzumeßöffnungen 36 positioniert ist. Es wurde in der Technik übereinge stimmt, daß es zum Minimieren von Motorabgasemissionen wünschenswert ist, ein scharfes Ende der Brennstoffein spritzung zu haben. Daher wurde das SAC-Volumen der Ein spritzvorrichtungen des Standes der Technik minimiert, um zu verhindern, daß zusätzlicher Brennstoff nach dem Schließen des Rückschlagventils 38 in das System ein tritt. Bei der vorliegenden Erfindung ist das SAC-Volumen 44 gegenüber Brennstoffeinspritzvorrichtungen des Standes der Technik vergrößert, damit zusätzlicher Brennstoff in das Abgassystem eintritt, und zwar nach der Hauptbrenn stoffeinspritzung.

Das SAC-Volumen ist so bemessen, daß es eine optimale Menge an Brennstoff enthält, und zwar zur Verdampfung von der Einspritzvorrichtungsspitze 34 während des Expansi onshubs oder zur Zerstäubung von den Einspritzzumeßöff nungen 36 während des Ausstoßhubs des Motors. Die optima le Menge hängt ab von der Abgastemperatur und dem Be triebszustand des Motors 12. Der Begriff optimale Menge beschreibt die Brennstoffmenge, die die größte Gesamt-NOx-Reduzierung für eine bestimmte Abgastemperatur und einen bestimmten Betriebszustand erzeugt, ohne in erheb licher Weise die eingespritzte HC-Menge zu erhöhen, und dadurch Partikelemissionen und den spezifischen Brenn stoffverbrauch zu erhöhen. Obwohl es bekannt ist, daß der NOx-Gehalt des Abgases eine strenge Funktion des Motorbe triebszustandes ist, kann die Beziehung der zwei Varia blen sich zwischen Motorkonfigurationen verändern und sehr unvorhersagbar sein. Ferner sind die chemischen Re aktionen, die eine NOx-Reduzierung zur Folge haben, emp findlich bezüglich der Abgastemperatur, aber diese Bezie hung ist auch nicht-linear und nicht in befriedigender Weise vorhersagbar mit heutigen Modeliertechniken. Infol gedessen werden bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung empirische Daten für eine vor gegebene Motorkonfiguration erhalten und die empirisch abgeleitete optimale Menge wird verwendet, um die Größe des SAC-Volumens zu bestimmen. Das SAC-Volumen kann auf einer der zwei Wege bemessen werden. Zunächst kann das SAC-Volumen so bemessen sein, daß es die maximale Reduk tion von NOx-Emissionen bei einem bestimmten Motorzustand erreicht, wie zum Beispiel einem Hochlastzustand, der ei nem Zustand entspricht, wo eine hohe Menge an NOx erzeugt wird. Das zweite und bevorzugte Verfahren ist die Bestim mung der optimalen Menge über einen Bereich von Motorbe triebszuständen hinweg und das Bemessen des SAC-Volumens zu maximieren der NOx-Reduzierung über das größte Segment des Betriebsbereichs hinweg. Bei diesem Verfahren kann die maximal erhaltbare NOx-Reduzierung nicht bei jedem Zustand erreicht werden, aber die Gesamt-NOx-Signatur für den Motor wird reduziert. Es wäre möglich, die Größe des SAC-Volumens zu erhöhen, um eine maximale NOx-Reduzierung während aller Motorzustände zu erreichen, dies würde je doch notwendig machen, daß eine übermäßige HC-Menge wäh rend Betriebszuständen hinzugefügt wird, bei denen nur eine geringe Menge NOx erzeugt wird. Dieses übermäßige Hinzufügen von Brennstoff würde einen erheblichen Brenn stoffverbrauch zur Folge haben, und würde auch einen An stieg der Partikelemissionen erzeugen.

Bei HC-Einspritzsystemen, die in der Technik bekannt sind, ist die Frequenz der Einspritzvorrichtung als ein Kompromiß zwischen optimaler Umwandlungseffizienz und Einspritzvorrichtungsleben ausgewählt. Eine höhere Ein spritzfrequenz verbessert die Umwandlungseffizienz, aber die erhöhte Anzahl von Einpritzvorrichtungszyklen hat ei ne kürzere Einspritzvorrichtungslebenszeit zur Folge. Die vorliegende Erfindung besitzt den zusätzlichen Vorteil, daß sie in der Lage ist, zusätzliches HC nach jeder Zün dung des Zylinders hinzuzufügen, um dadurch die Umwand lungsfrequenz des NOx-Katalysators zu maximieren. Die vorliegende Erfindung besitzt auch den Vorteil, daß das zusätzliche HC in den Motorzylinder hinzugefügt wird, wo die Abgastemperatur und der Druck höher sind, was eine bessere Verdampfung bzw. Zerstäubung ermöglicht, was die Systemeffizienz erhöht.

Die Zeit, während des Motorzyklus, zu der das zusätzliche HC zu dem System hinzugefügt wird, verändert sich mit den Motorbetriebszuständen. Abhängig, ob der Motor unter Hochlastzuständen oder im Leerlauf arbeitet, könnte be stimmen, ob der Brennstoff von der Einspritzvorrichtungs spitze 34 verdampft infolge der hohen Temperaturen inner halb des Zylinders oder statt dessen, daß der zusätzliche Brennstoff durch die Einspritzzumeßöffnungen zerstäubt wird, während des Ausstoßhubs, wenn die Geschwindigkeiten innerhalb des Motorzylinders hoch sind und die Temperatur innerhalb des Zylinders niedriger sind. Es ist auch mög lich, die Spitze 34 der Einspritzvorrichtung 26 zu verän dern, um den Brennstoff innerhalb des SAC-Volumens 44 zu halten, so daß der Brennstoff in den Motorzylinder zer stäubt wird während des Ausstoßhubs, um zu erlauben, daß der Brennstoff rascher während des Ausstoßhubs zerstäubt oder verdampft wird.

Es sei bemerkt, daß nur die bevorzugten Ausführungsbei spiele gezeigt und beschrieben wurden, und daß viele an dere unterschiedliche Ausführungsbeispiele in den geplan ten Umfang der vorliegenden Erfindung fallen. Zum Bei spiel umfaßt das bevorzugte Ausführungsbeispiel einen Verbrennungsmotor mit 4-Zyklen; die vorliegende Erfindung ist jedoch in gleicher Weise anwendbar bei Motoren mit nur 2-Zyklen. In jedem Fall sind die oberen Ausführungs beispiele nur als Beispiele der vorliegenden Erfindung zu verstehen und der volle Umfang der Erfindung wird nur durch die folgenden Ansprüche definiert.

Industrielle Anwendbarkeit

Bei der direkten Einspritzung des zusätzlichen HC, in die Verbrennungskammer mit der Brennstoffeinspritzvorrichtung 26 wird die Effizienz des Herausziehens von unerwünschten Verunreinigungen durch den Katalysator erheblich erhöht. Dieser Anstieg der Effizienz und Effektivität wird er zeugt durch die erhöhte Frequenz, mit der HC eingespritzt werden kann, was eine optimale Umwandlung zur Folge hat.

Die vorliegende Erfindung eliminiert jegliche zusätzliche Einspritzvorrichtungssteuerausrüstung, da das Motorbrenn stoffsystem verwendet wird und der zusätzliche Brennstoff hinzugefügt wird, ohne Modifizieren des Motornockendesi gns oder der Motorsteuersoftware. Die Verwendung der Brennstoffeinspritzvorrichtung zum Hinzufügen von zusätz lichem HC in das Abgassystem eliminiert jegliche separa ten HC-Einspritzvorrichtungen und die Unterstützungsaus rüstung, die in den meisten NOx-Umwandlungssystemen zu finden ist. Dies reduziert stark die Systemkomplexität und erhöht die Systemverläßlichkeit, da typischerweise die Einspritzvorrichtung in einer heißen, schädlichen bzw. aggressiven Umgebung angeordnet ist, und die Verwen dung eines Flüssigkeitskühlungssystems benötigt oder das Einführen von Luft und das Mischen von Luft mit der NOx-reduzierenden Agens notwendig ist, um eine ausreichende Kühlung vorzusehen, um eine Beschädigung der Ausrüstung bzw. Vorrichtung zu verhindern.

Der Betrieb des Abgasemissionssystems wird nun beschrie ben. Nach der Beendigung der Hauptbrennstoffeinspritzung schließt sich das Rückschlagventil 38 innerhalb der Spit ze 34 der Brennstoffeinpritzvorrichtung 26 zum Blockieren einer Strömungsmittelverbindung zwischen der Brennstoff einspritzvorrichtungsdruckkammer und den Einspritzzu meßöffnungen 36; jedoch wird Brennstoff in dem SAC-Volu men 44 gehalten. Die Veränderung der Einspritzvorrichtung erhöht die Brennstoffmenge, die stromabwärts bezüglich der Zwischenfläche des Rückschlagventils 38 mit dem Rück schlagventilsitz 40 verbleibt. Nachdem sich das Rück schlagventil schließt, wird diese Brennstoffmenge inner halb der Brennstoffeinspritzvorrichtung gehalten infolge der kohäsiven Eigenschaften des Brennstoffs und des hohen Kompressionsdrucks innerhalb des Motorzylinders. Dieser zusätzliche Brennstoff tritt aus den Einspritzzumeßöff nungen aus, und zwar durch eines von zwei Verfahren. Zu erst tritt der Brennstoff aus den Einspritzzumeßöffnungen während des Ausstoßhubs aus, wenn der Druck innerhalb des Motorzylinders auf ein ausreichend niedriges Niveau ab fällt und die Geschwindigkeiten innerhalb des Motorzylin ders ausreichend hoch sind, um den Brennstoff durch die Einspritzzumeßöffnungen zu zerstäuben. Der Brennstoff tritt in die Luft ein, die nachfolgend in die Abgassam melleitung ausgestoßen wird. Dieses Verfahren tritt auf, wo die Temperaturen innerhalb der Einspritzvorrich tungsspitze nicht ausreichend hoch sind, um zu bewirken, daß der Brennstoff verdampft. Der Ausstoßhub ist der Teil des Motorzyklus, wo das Auslaßventil 48 geöffnet ist und der Kolben 50 zum Drücken des Abgases auf dem Motorzylin der heraus wirkt.

Alternativ könnte die Temperatur innerhalb des SAC-Volu mens ausreichend hoch sein, während des Expansionshubs zu bewirken, daß der Brennstoff verdampft und sich von der Einspritzvorrichtungsspitze 34 verflüchtigt oder ver dampft und in das Abgassystem eintritt, wenn das Abgas ventil geöffnet ist. Der Expansionshub ist der Teil des Motorzyklus, bei dem sowohl die Einlaß- als auch Auslaß ventile 46 bzw. 48 (nicht gezeigt) geschlossen sind und die Zündung des Brennstoffs innerhalb des Motorzylinders einen starken Anstieg des Drucks innerhalb des Zylinders erzeugt, was den Kolben 50 von der oberen Totpunktpositi on zu der unteren Totpunktposition bewegt.

Wenn das Abgasventil geöffnet ist, und der Kolben zum Drücken des Abgases aus dem Motorzylinder wirkt, tritt das Abgas und das zusätzliches HC in den Katalysator 16 ein. In einem Ausführungsbeispiel ist der Katalysator in drei separate Unterkammern aufgeteilt. Die erste Unter kammer umfaßt Substrate, die mit einem von mehreren in der Technik bekannten NOx-Katalysator 20 überzogen sind, die aber vorzugsweise mit einem der folgenden Katalysato ren überzogen sind: Zeolit, wie zum Beispiel ZSM5 oder einem auf Edelmetall basierenden Katalysator oder einer Mischung der beiden. Nachdem der Abgasstrom durch diese erste Unterkammer hindurchgeströmt ist, sind ungefähr 80% oder mehr der NOx-Verbindungen in dem Abgasstrom redu ziert. Infolge der chemischen Reaktionen, die durch das Hinzufügen von HC in das Abgas auftritt und die Reaktion mit dem NOx-Katalysator 20 können jedoch andere unerwün schte Stickstoff enthaltende Verbindungen, wie zum Bei spiel Ammoniak, erzeugt werden.

Das Abgas geht dann durch eine zweite Unterkammer, die einen selektiven katalytischen Reduzierer 24 umfaßt, der insbesondere geeignet ist, zum Reagieren mit und Reduzie ren der unerwünschten Stickstoffverbindungen, die in dem Abgas vorhanden sind. Nach dem Hindurchgehen durch diese zweite Unterkammer sind bis zu 90% der stickstoffenthal tenden Verbindungen zu nicht-toxischen Gasen reduziert. Während die meisten unerwünschten stickstoffenthaltenden Verbindungen aus dem Abgas beim Erreichen dieses Punktes in dem Abgasstrom herausgezogen wurden, sind unakzeptable Niveaus von HC vorhanden, da nur ein Teil des einge spritzten HC beim Reduzieren der NOx-Verbindungen ver braucht wurde.

Die dritte Unterkammer enthält eine Vielzahl von kerami schen Substraten, die mit einem Oxidationskatalysator 22 überzogen sind, um bei der Umwandlung der verbleibenden HCs in dem Abgas zu Kohlendioxid und Wasser zu helfen. Da die meisten unerwünschten stickstoffenthaltenden Verbin dungen vor dem Erreichen des Oxidationskatalysators 22 reduziert wurden, werden nur geringe Teile des Abgases zurück in unerwünschte NOx-Verbindungen umgewandelt beim Hindurchgehen durch den Oxidationskatalysator 22. Somit bleibt mit der Ausnahme des verbleibenden HC der Großteil des Abgases unbeeinflußt durch den Durchgang durch den Oxidationskatalysator, der innerhalb der dritten Unter kammer enthalten ist. Beim Austreten aus allen drei Un terkammern enthält das Abgas akzeptable Niveaus von so wohl NOx als auch HC.

Labortests haben gezeigt, daß der Anstieg des SAC-Volu mens sehr effektiv ist beim Erhöhen der Kohlenwasser stoffniveaus in dem Motorabgas auf die erforderlichen Ni veaus, die notwendig sind, für die stickstoffreduzieren den Katalysatoren 20 und 26. Die Größe des SAC-Volumens 44 ist kritisch, um ausreichende Mengen an HC zu errei chen, um die Effektivität des Katalysators 16 beim Redu zieren von NOx zu maximieren, während sie keinen erhebli chen Einfluß auf den spezifischen Brennstoffverbrauch des Motors und die Partikelniveaus in dem Abgas hat. Die fol genden Labordaten zeigen, daß die vorliegende Erfindung erlaubt, daß die erhöhten HC-Niveaus erreicht werden, oh ne einen erheblichen Anstieg des spezifischen Brennstoff verbrauchs des Motors oder der Partikelniveaus.

Emissionensvergleich für Verbrennungsabgas

Weiteres Aspekte, Ziele und Vorteile dieser Erfindung er geben sich aus einer Studie der Zeichnungen, der Offenba rung und der folgenden Ansprüche.

Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor:
Die vorliegende Erfindung ist besonders gut geeignet zum Reinigen von Abgas von relativ großen magerverbrennenden Diselmotoren. Das Emissions- bzw. Abgasreinigungssystem bewirkt das Hinzufügen einer optimalen Brennstoffmenge durch die Brennstoffeinspritzvorrichtung des Motors nach dem Schließen des Nadelrückschlagventils der Brennstoff einspritzvorrichtung durch Vergrößern des SAC-Volumens der Brennstoffeinspritzvorrichtung. Die optimale Menge entspricht einer Menge, die optimale NOx-Reduktionsraten für den gegebenen Motorbetriebszustand und die Abgastem peratur erreicht, wenn das Abgas durch geeignete NOx- und Oxidationskatalysatoren, die stromabwärts bezüglich der Einspritzvorrichtung angeordnet sind, hindurchgeht. Das Emissionsreinigungssystem der vorliegenden Erfindung be sitzt die Fähigkeit, erheblich den NOx-Gehalt des Abgases zu reduzieren, während HC-Emissionen auf akzeptablen Ni veaus beibehalten werden, und das System reduziert erheb lich die Komplexität des Systems.

Claims

1. Emissionsreinigungssystem für einen Verbrennungsmo tor, das folgendes aufweist:
eine Brennstoffeinspritzvorrichtung, die innerhalb eines Motorzylinders angeordnet ist mit einem Düsen teil, der mindestens eine Einspritzzumeßöffnung de finiert, wobei der Düsenteil einen Rückschlagventil sitz und ein Rückschlagventil umfaßt, das bewegbar ist zwischen einer offenen Position, wo das Rück schlagventil von dem Rückschlagventilsitz beabstan det ist, was eine Strömungsmittelverbindung mit den Einspritzzumeßöffnungen erlaubt und einer geschlos senen Position, wo das Rückschlagventil mit dem Rückschlagventilsitz in Eingriff steht, was eine Strömungsmittelverbindung mit der Einspritzzumeßöff nung blockiert;
wobei der Düsenteil ferner eine Brennstoffkammer um faßt, die zwischen dem Rückschlagventilsitz und den Einspritzzumeßöffnungen positioniert ist, wobei die Brennstoffkammer in Strömungsmittelverbindung mit den Einspritzzumeßöffnungen steht und so bemessen ist, daß sie ein vorgewähltes Brennstoffvolumen zu dem Motorzylinder hinzufügt, wenn das Rückschlagven til in der geschlossenen Position ist.

2. Abgasreinigungssystem nach Anspruch 1, wobei das vorgewählte Brennstoffvolumen im wesentlichen wäh rend des Expansionshubs des Motors eingespritzt wird.

3. Abgasreinigungssystem nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffeinspritzvorrichtung einen solchen Aufbau besitzt, daß das vorgewählte Brennstoffvolumen wäh rend des Ausstoßhubs des Motors zerstäubt wird.

4. Abgasreinigungssystem nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffeinspritzvorrichtung einen Aufbau besitzt, bei dem das vorgewählte Brennstoffvolumen während des Expansionshubs des Motors verdampft bzw. ver flüchtigt wird.

5. Abgasreinigungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das vorgewählte Volumen so bemessen ist, daß es im wesentlichen die vorbestimmte optima le Menge über einen Teil des Betriebsbereichs des Motors und über einen Bereich von Abgastemperaturen hinweg hinzufügt.

6. Abgasreinigungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das vorgewählte Volumen so bemessen ist, daß es sicherstellt, daß die optimale Menge zu dem Motorzylinder hinzugefügt wird während Betriebs zuständen des Motors, bei denen eine große Menge an NOx erzeugt wird.

7. Abgasreinigungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die optimale Mengen für eine vorbe stimmte Verbrennungsquelle empirisch vorbestimmt sind.

8. Abgasreinigungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Reinigungssystem ferner einen ersten NOx-Katalysator umfaßt, der stromabwärts be züglich des Motors positioniert ist.

9. Abgasreinigungssystem nach Anspruch 8, wobei das Sy stem ferner einen Oxidationskatalysator aufweist, der stromabwärts bezüglich des ersten NOx-Katalysa tors angeordnet ist.

10. Abgasreinigungssystem nach Anspruch 9, wobei das Sy stem ferner, einen dritten Katalysator aufweist, der die Reduktion bzw. Reduzierung von stickstoffent haltenden Verbindungen fördert, die in dem Abgas stromabwärts bezüglich des ersten NOx-Katalysators vorhanden sind, wobei der Katalysator zwischen dem ersten NOx-Katalysator und dem Oxidationskatalysator angebracht ist.

11. Verfahren zum Reduzieren von Emissionen eines Ver brennungsmotors, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Positionieren einer Einspritzvorrichtung in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors, wobei die Ein spritzvorrichtung ein Rückschlagventil zum Steuern der Brennstoffeinspritzung in dem Motorzylinder und ein Brennstoffvolumen aufweist, das in Strömungsmittelverbindung mit dem Rückschlagventil steht und stromabwärts bezüglich des Rückschlagventils posi tioniert ist;
Öffnen des Rückschlagventils, und zwar im wesentli chen während des Kompressionshubs, um eine Haupt brennstoffeinspritzung einzuleiten;
Schließen des Rückschlagventils während des Kompres sionshubs, um die Hauptbrennstoffeinspritzung zu be enden; und
Verdampfen bzw. Zerstäuben des stromabwärtigen Brennstoffvolumens in den Motorzylinder.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Verfahren fer ner den folgenden Schritt aufweist:
Positionieren eines ersten mit einem NOx-Katalysator beschichteten Substrats stromabwärts bezüglich des Motors.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Verfahren fer ner den folgenden Schritt aufweist:
Positionieren eines zweiten mit einem Oxidationska talysator beschichteten Substrat stromabwärts bezüg lich des ersten Substrats.

14. Verfahrens nach Anspruch 13, wobei das Verfahren ferner den folgenden Schritt aufweist:
Positionieren eines dritten mit einem Katalysator beschichteten Substrats, was die Reduktion bzw. Redu zierung von stickstoffenthaltenden Verbindungen för dert, die in dem Abgas stromabwärts bezüglich des ersten Substrats vorhanden sind, wobei das dritte Substrat zwischen dem ersten Substrat und dem zwei ten Substrat angebracht ist.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei das Verfahren ferner die folgenden Schritte auf weist:
Vorbestimmen einer optimalen Brennstoffmenge, die nach dem Schließen des Rückschlagventils verdampft bzw. zerstäubt wird;
Bemessen des stromabwärtigen Volumens der Einspritz vorrichtung zum Halten der optimalen Menge, wenn das Rückschlagventil geschlossen ist;
Verdampfen bzw. Zerstäuben der optimalen Menge des Brennstoffes in dem Motorzylinder.

16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Verfahren fer ner den folgenden Schritt aufweist:
empirisches Vorbestimmen der optimalen Mengen für eine gegebene Verbrennungsquelle.