DE4215942C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung von NOx und HC im Abgassystem einer Brennkraftmaschine - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung von NOx und HC im Abgassystem einer BrennkraftmaschineInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Kon
zentration von NOx und HC im Abgassystem einer Brennkraft
maschine, bei dem die Abgaskomponenten NOx und HC mittels
eines im Abgasstrom angeordneten Katalysators entfernt wer
den und bei dem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des der
Brennkraftmaschine zugeführten Gemisches auf der Basis der
ermittelten NOx- und HC-Konzentrationen gesteuert wird.
Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Steue
rung der Konzentration von NOx und HC im Abgassystem einer
Brennkraftmaschine, die einen im Abgassystem der Brenn
kraftmaschine angeordneten Katalysator zum Entfernen von
NOx und HC aus dem Abgas und eine Einrichtung zur Steuerung
des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des der Brennkraftmaschi
ne zugeführten Gemisches auf der Basis der ermittelten NOx-
und HC-Konzentrationen aufweist.
Aus der JP-A-58-5931 ist es bekannt, die im Abgas einer
Brennkraftmaschine enthaltenen Kohlenwasserstoff-Mengen zu
messen und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des der Brenn
kraftmaschine zugeführten Gemisches so zu steuern, daß die
Kohlenwasserstoff-Konzentration im Abgas einen vorgegebenen
Wert nicht überschreitet.
Aus der EP 03 10 120 A2 ist eine Vorrichtung zur Steuerung
des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in einer Brennkraftma
schine bekannt, die einen 3-Wege-Katalysator, einen Detek
tor zum Erfassen der stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Zu
sammensetzung und eine Steuereinheit zum Einstellen eines
gewünschten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses im Gemisch auf
weist. Wenn ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhält
nis vorliegt, können NOx- und HC-Komponenten im Abgas ent
fernt werden, wobei zur wirksamen Umwandlung der NOx-Kompo
nente das der Brennkraftmaschine zugeführte Gemisch aufge
fettet und zur wirksameren Entfernung der HC-Komponente das
Gemisch abgemagert wird. Zum Entfernen beider Komponenten
werden diese Änderungen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
in Folge wiederholt.
In dem Fachaufsatz von W. Held u. a. "Catalytic NOx Reduc
tion in Net Oxidizing Exhaust Gas", SAE-Papers, 1990, Nr.
900 496, sind verschiedene Möglichkeiten zur NOx-Reduktion
in Magermotoren und in Dieselmaschinen beschrieben. Insbe
sondere wird in dieser Druckschrift darauf hingewiesen, daß
die Reduktion von NOx von dem Verhältnis zwischen HC-
Emissionen und NOx-Emissionen bestimmt wird. Darüberhinaus
ist es u. a. aus dieser Druckschrift bekannt, daß Kupferio
nenaustausch-Zeolithe Stickstoffe in oxidierender Atmosphä
re reduzieren können und aus diesem Grunde als Katalysator
in Brennkraftmaschinen eingesetzt werden können.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Effektivität der Abschei
dung von Stickoxiden (NOx) und Kohlenwasserstoffen (HC)
auch bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen einer Brenn
kraftmaschine zu verbessern.
Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig durch die in den Patent
ansprüchen 1 bzw. 3 angegebenen Maßnahmen sowie durch eine
Vorrichtung mit den in den Patentansprüchen 11 und 12 ange
gebenen Merkmalen gelöst.
Durch die Erfindung können die NOx- und HC-Komponenten
gleichzeitig aus dem Abgas entfernt werden, wenn das
NOx/HC-Verhältnis einen vorgegebenen Wert erreicht. Da die
NOx-Reinigung ungeachtet des Betriebszustandes der Brenn
kraftmaschine mit hohem Wirkungsgrad erfolgt, ergibt sich
neben einer effektiven Abgasreinigung gleichzeitig auch ein
verringerter Kraftstoffverbrauch.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden im fol
genden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch eine erfindungsgemäß ausgebildete
Vorrichtung im Abgassystem einer Brennkraftma
schine;
Fig. 2, 3 das Prinzip der HC- und NOx-Reduktion an
einem Katalysator;
Fig. 4, 5 Diagramme der Reduktions-Charakteristik ei
nes Katalysators;
Fig. 6 einen Konzentrations-Meßfühler im Axialschnitt;
Fig. 7 den vergrößerten Meßteil des Meßfühlers nach
Fig. 6 im Schnitt VII-VII;
Fig. 8 ein Diagramm der Transmissions-Charakteristik
eines Filters in einem Fühler nach Fig. 6;
Fig. 9 ein Diagramm der Charakteristik eines Konzen
trationsfühlers nach Fig. 6;
Fig. 10 eine Schaltung zur Bestimmung des NOx-HC-Ver
hältnisses;
Fig. 11 im Diagramm die Abhängigkeit der HC- und NOx-
Komponenten vom Luft-Kraftstoff-Verhältnis im
Gemisch;
Fig. 12 schematisch die Zonen erhöhter HC-Konzentra
tion in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine;
Fig. 13 eine HC-Kennlinie während eines Ausstoßhubs;
Fig. 14 schematisch eine Vorrichtung zum Ausgleich von
HC-Konzentrationsschwankungen im Abgas;
Fig. 15A, 15B schematisch eine weitere HC-Ausgleichs
vorrichtung;
Fig. 16, 17 ein Diagramm der HC-Anteile im Abgas wäh
rend der Warmlaufphase;
Fig. 18 ein Diagramm des Temperaturverlaufs eines Ka
talysators;
Fig. 19 schematisch eine Vorrichtung zur Temperatur
steuerung eines Katalysators;
Fig. 20, 21 Flußdiagramme der Temperatursteuerung des
Katalysators;
Fig. 22 schematisch eine weitere Vorrichtung gemäß der
Erfindung;
Fig. 23, 24 Diagramme der NOx- und HC-Konzentrationen
in Abhängigkeit von der Sekundärluftmenge;
Fig. 25 ein Flußdiagramm zur Einstellung des NOx/HC-
Verhältnisses über die Steuerung der Sekundär
luftmenge;
Fig. 26 eine Tabelle des NOx/HC-Verhältnisses bei sich
änderndem Drehmoment und Drehzahl der Brenn
kraftmaschine;
Fig. 27 schematisch die Korrektur des NOx/HC-Verhält
nisses mit Hilfe einer Tabelle nach Fig. 26;
Fig. 28 ein Diagramm der Änderungen der HC-Komponente
in Abhängigkeit von der Verstellung des Zünd
zeitpunktes des jeweiligen Zylinders;
Fig. 29 den Druckverlauf in einem Zylinder bei unter
schiedlichen Zündzeitpunkten;
Fig. 30 die Einstellung des NOx/HC-Verhältnisses durch
Zündzeitpunkt-Verstellung;
Fig. 31 schematisch eine weitere Vorrichtung gemäß der
Erfindung;
Fig. 32 ein Diagramm der HC- und NOx-Konzentrationen
in Abhängigkeit von der Abgas-Rückführung;
Fig. 33 ein Flußdiagramm der Steuerung des NOx/HC-Ver
hältnisses mittels der Abgas-Rückführung;
Fig. 34 schematisch eine weitere Vorrichtung gemäß der
Erfindung;
Fig. 35 ein Diagramm der NOx- und HC-Konzentrationen
in Abhängigkeit von der Sekundärluftmenge;
Fig. 36, 37 Flußdiagramme für die Steuerung der NOx-
und HC-Konzentrationen mittels Sekundärluft;
Fig. 38 schematisch eine weitere Vorrichtung gemäß
der Erfindung mit einem Regelventil für die
Sekundärluft;
Fig. 39 ein Diagramm der Änderung der Abgastemperatur
mit dem Zündzeitpunkt;
Fig. 40 die Steuerung der Temperatur eines Katalysa
tors durch Verstellen des Zündzeitpunkts;
Fig. 41 schematisch eine weitere Vorrichtung gemäß
der Erfindung;
Fig. 42 ein Einspritzventil einer Brennkraftmaschine
im Axialschnitt;
Fig. 43 schematisch die Kraftstoffeinspritzung in ei
nen Zylinder gemäß einem weiteren Ausführungs
beispiel der Erfindung;
Fig. 44-47 Diagramme der NOx- und HC-Konzentrationen
während eines Auslaßhubes;
Fig. 48 schematisch eine weitere Vorrichtung gemäß der
Erfindung;
Fig. 49-53 schematisch verschiedene Zustände der Ge
mischverteilung in einem Zylinder bei einem
weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 54 die Kraftstoffeinspritzung in vier Zylinder
einer Brennkraftmaschine während des Saughu
bes;
Fig. 55 die NOx- und HC-Konzentrationen in Abhängig
keit vom Luft-Kraftstoff-Verhältnis mit
Grenzwerten;
Fig. 56 ein Flußdiagramm der Steuerung des NOx/HC-Ver
hältnisses entsprechend unterschiedlicher Vor
gaben des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses;
Fig. 57, 58 Änderungen der HC-Konzentration in Abhän
gigkeit vom Kurbelwinkel;
Fig. 59 die Öffnungsperioden eines Auslaßventils und
eines Einlaßventils konventionell und gemäß
der Erfindung;
Fig. 60 schematisch eine weitere erfindungsgemäße Mög
lichkeit zur Abgasreinigung;
Fig. 61 schematisch eine verstellbare Nockenwelle zur
Ventilsteuerung.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist ein Katalysator 1
zur NOx-Reduktion im Abgasrohr 2 einer Brennkraftmaschine 3
angeordnet. Dieser Katalysator 1 arbeitet mit gutem Wirkungs
grad nur in einem begrenzten Temperaturbereich, der mittels
eines Heiz/Kühl-Systems 4 eingehalten wird. Das von einem
Steuerteil 5 gesteuerte Heiz/Kühl-System 4 enthält eine Heiz
einheit zum Aufheizen des Katalysators 1 während der Warmlauf
phase sowie eine Kühleinheit zum Kühlen des Katalysators 1
nach Erreichen seiner Betriebstemperatur. Die Temperatur des
Katalysators 1 wird von einem Temperaturfühler 6 erfaßt,
dessen Ausgangssignal dem Steuerteil 5 zugeführt wird.
Der Katalysator 1 kann sowohl NOx als auch HC am besten
verringern, wenn die Konzentrationen von NOx und HC im Ab
gas in einer vorbestimmten Beziehung stehen. Bei der Vor
richtung nach Fig. 1 werden die Konzentrationen von NOx und
HC im Abgas stromauf des Katalysators auf ein bestimmtes
Verhältnis gesteuert. Zu diesem Zweck ist ein Sensor 7
stromauf des Katalysators 1 im Abgasstrom angeordnet, der
die NOx- und die HC-Konzentrationen im Abgas erfaßt.
Die NOx- und HC-Konzentrationen im Abgas können auch aus
dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F-Verhältnis) und den Be
triebsbedingungen in der Brennkraftmaschine, wie Drehzahl,
Drehmoment und Temperatur, geschätzt werden. In diesem Fall
kann der Sensor 7 zur Messung des Luft-Kraftstoff-Verhält
nisses ausgelegt sein.
Der HC-Anteil im Abgas einer Brennkraftmaschine ändert sich
ständig mit dem Betrieb des Auslaßventils, so daß das opti
male Verhältnis zwischen NOx und HC nicht konstant einge
halten werden kann. Zur Vergleichmäßigung dieser zyklischen
Änderungen der HC-Konzentrationen ist im Abgasrohr ein Aus
gleichselement 8 (vgl. Fig. 14, 15) angeordnet. Die HC-Kon
zentrationen im Abgas können auch durch eine verbesserte
Vergasung der Kraftstoffteilchen in den Einspritzventilen 9
vergleichmäßigt werden.
Die Fig. 2, 3 zeigen das Prinzip der NOx-Reduktion an einem
NOx-Reduktionskatalysator, der NOx auch in einer oxidieren
den Atmosphäre, d. h. in Anwesenheit von Sauerstoff, redu
zieren kann. Nach Fig. 2 reagiert HC zuerst explosiv mit
Sauerstoff an einer Katalysatorfläche, wodurch Sauerstoff
von dieser Katalysatorfläche entfernt wird. Gemäß Fig. 3
wird danach NOx an der Katalysatorfläche selektiv adsor
biert und reduziert, wodurch NOx und HC gleichzeitig ent
fernt werden. In der nächstfolgenden Phase wird der angela
gerte Sauerstoff wiederum durch Reaktion mit HC von der Ka
talysatorfläche entfernt. Nach diesem Prinzip kann somit HC
und auch NOx auch in einer oxidierenden Atmosphäre entfernt
werden.
Die Fig. 4 zeigt im Diagramm die Beziehung zwischen einem
NOx/HC-Verhältnis und dem Reduktions-Wirkungsgrad des Kata
lysators 1. Bei kleinem NOx/HC-Verhältnis und großer Menge
an HC wird der gesamte NOx-Anteil reduziert, während Antei
le an HC verbleiben und nicht oxidiert werden. Andererseits
verbleibt im Abgas ein NOx-Anteil, wenn das NOx/HC-Verhält
nis und auch die NOx-Konzentration groß sind. Damit sowohl
NOx als auch HC gleichzeitig aus dem Abgas entfernt werden,
sollte somit das NOx/HC-Verhältnis in einem optimalen Be
reich liegen, welcher experimentell auf 1,2 bis 0,7 ermit
telt wurde. Die erfindungsgemäße Vorrichtung regelt die
Konzentrationen von NOx und/oder HC im Abgas so, daß dieser
optimale Bereich eingehalten wird.
Nach Fig. 5 ändert sich der Reduktions-Wirkungsgrad für NOx
eines Katalysators 1 mit seiner Temperatur. Wenn die Kata
lysatortemperatur unter oder über einem vorbestimmten Be
reich liegt, nimmt der Reduktions-Wirkungsgrad ab. Durch
das kombinierte Heiz-Kühl-System 4 wird die Temperatur des
Katalysators 1 im Bereich seines optimalen Wirkungsgrades
gehalten.
Fig. 6, 7 zeigen einen Meßfühler zum Erfassen der Konzentra
tion von zwei Gaskomponenten im Abgasstrom auf der Basis
einer absorbierenden Luftmenge. Der Meßfühler hat ein licht
emittierendes Element 10, das Licht in bestimmten Wellenlän
gen aussendet, und Empfängerelemente 11, welche auf das
Licht je einer vorbestimmten Wellenlänge ansprechen, wenn
das Abgas einen Kanal 13 durchströmt. Ein Detektierkreis 12
ist im Inneren des Meßfühlers angeordnet. Das Abgas wird
durch Öffnungen 15 in einem Schutzrohr 14 zum Meßfühler ge
leitet. Wie aus Fig. 7 ersichtlich, wird das Licht aus dem
Element 10 von mehreren Elementen 11a, 11b empfangen. Opti
sche Filter 16a, 16b sind vor den Elementen 11a, 11b ange
ordnet, welche nur Licht einer gewünschten Wellenlänge
durchlassen und deren Absorptions-Charakteristiken den Ab
sorptions-Wellenlängen von NOx und HC zugeordnet sind. Wenn
- wie in Fig. 8 gezeigt - λ1 die charakteristische Absorp
tionswellenlänge von NOx und λ2 die charakteristische Ab
sorptionswellenlänge von HC ist, dann wird Licht jeder die
ser Wellenlängen von dem Abgas absorbiert und die in den
Empfängerelementen 11a, 11b erfaßte Lichtmenge in jeder die
ser Wellenlängen λ1, λ2 verringert sich abrupt. Somit können
die Konzentrationen von NOx und HC aus den Ausgangssignalen
der Empfängerelemente 11a, 11b ermittelt werden.
Fig. 9 zeigt die Charakteristik dieses Meßfühlers, und zwar
die Beziehung zwischen den NOx- und HC-Mengen und dem Aus
gangswert der Erfassung, wobei dieser Ausgangswert mit zu
nehmenden Mengen von NOx und HC abnimmt.
Mit der Schaltung nach Fig. 2 wird das NOx/HC-Verhältnis
bestimmt, indem der erfaßte Wert für NOx durch den erfaßten
Wert für HC dividiert wird. Die den NOx- und HC-Konzentra
tionen entsprechenden Ausgangssignale der Empfängerelemente
11a und 11b werden in Verstärkern 17a, 17b verstärkt und
danach einem Dividierglied 18 zugeführt, dessen Ausgangs
signal das NOx/HC-Verhältnis angibt. Dieses Signal wird ei
nem Mikrocomputer im Steuerteil 5 zugeführt.
Anhand Fig. 11 wird eine Beziehung zwischen dem Luft-Kraft
stoff-Verhältnis (A/F-Verhältnis) und der NOx- bzw. HC-Kon
zentration beschrieben. Bei Verwendung von konventionellen
3-Wege-Katalysatoren wird als Sollwert ein stöchiometri
sches A/F-Verhältnis von 14,7 (a) vorgegeben. Da der erfin
dungsgemäß eingesetzte Katalysator NOx auch bei magerem
A/F-Verhältnis direkt reduzieren kann, wird als Sollwert
für ein größeres A/F-Verhältnis (b), d. h. ein abgemagertes
Gemisch, vorgegeben. Die Vorrichtung kann das A/F-Verhält
nis (b) in einem mageren Bereich steuern, wobei das NOx/HC-
Verhältnis einen hohen Reduktions-Wirkungsgrad des Kataly
sators ermöglicht. Der Soll-Wert des A/F-Verhältnisses wird
kleiner als ein magerer Verbrennungswert (c) vorgegeben.
Wenn mehrere A/F-Verhältnisse vorhanden sind, bei denen ein
NOx/HC-Verhältnis mit hohem Reduktions-Wirkungsgrad vor
liegt, wird das A/F-Verhältnis wahlweise auf den höchsten
dieser Werte eingestellt.
Wie in Fig. 12 schraffiert gezeigt, können sich flüssige
Kraftstoffschichten an einem Zylinderkopf 1, 21 und einem
Kolbenkopf 22 im Zylinderbrennraum 20 ablagern, die dann
weitgehend unverbrannt in das Abgasrohr ausgestoßen werden.
Nach Fig. 13 wird eine relativ große, am Zylinderkopf 21
abgelagerte Kraftstoffmenge zu Beginn eines Auslaßhubes bei
(a) ausgestoßen, während der am Kolbenkopf 22 abgesetzte
Kraftstoff am Ende des Auslaßhubes bei (b) ausgetrieben
wird. Die Menge an ausgestoßenem HC ändert sich somit wäh
rend des Auslaßhubes erheblich. Durch diese Änderungen der
HC-Konzentration stromauf des Katalysators 1 verändert sich
zwangsläufig auch das NOx/HC-Verhältnis beträchtlich, was
den Reinigungs-Wirkungsgrad des Katalysators vermindert.
Diese Änderungen in der HC-Konzentration können durch eine
an der Aufstromseite des Katalysators angeordnete Einrich
tung nach Fig. 14 begrenzt werden, die ein im Abgasrohr an
geordnetes Wabenrohr (23) enthält, in welchem HC abgeschie
den wird.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 15A ist ein Laby
rinth- oder Zickzack-Kanal 24 zur Umlenkung des Abgasstro
mes im Abgasrohr vorgesehen, in welchem die HC-Konzentra
tion durch Auftreffen auf die Umlenkelemente vergleichmäßigt
wird. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 15B ist
ein Adsorptionsmaterial 25, z. B. ein Kupferionenaustausch-
Zeolith od. dgl., im Abgasrohr angeordnet. Dieses Material
adsorbiert HC bei niedrigeren Abgastemperaturen, bei denen
eine relativ große HC-Menge im Abgasstrom enthalten ist,
während es bei höherer Temperatur, bei der nur eine gerin
gere HC-Menge vorliegt, HC allmählich desorbiert oder frei
setzt. Dadurch kann die HC-Menge im Abgas vergleichmäßigt
werden.
Fig. 16 zeigt die hohe HC-Konzentration im Abgas unmittel
bar nach dem Anlassen einer Brennkraftmaschine bei geringer
Abgastemperatur. Da zu diesem Zeitpunkt die NOx-Menge im
Abgas gering ist, erreicht das NOx/HC-Verhältnis keinen op
timalen Wert und der Reduktions-Wirkungsgrad eines NOx-Re
duktionskatalysators ist entsprechend klein.
Fig. 17 zeigt die Auswirkung bei Verwendung eines Adsorp
tionsmaterials 25, von dem das HC nach dem Anlassen der
Brennkraftmaschine adsorbiert wird. Somit kann das NOx/HC-
Verhältnis in einem optimalen Bereich gehalten werden.
Fig. 19 zeigt eine Vorrichtung zur Temperatursteuerung für
einen im Abgasrohr 2 angeordneten Katalysator 1, dessen me
tallischer Träger ein Katalysatormaterial, z. B. ein Kupferio
nenaustausch-Zeolithmaterial trägt. Nach dem Anlassen der
Brennkraftmaschine wird der Katalysator durch einen Strom aus
einer Stromquelle 30 elektrisch auf eine optimale Betriebs
temperatur aufgeheizt. Im Vollastbetrieb der Brennkraftma
schine wird der heiße Katalysator durch zirkulierendes Kühl
wasser 31 gekühlt und auf seiner optimalen Betriebstempe
ratur gehalten. Die Steuerung der Kühlwasserzirkulation er
folgt durch ein in einer Kühlwasserleitung angeordnetes Ma
gnetventil 32, das vom Temperaturfühler 6 gesteuert wird.
Dieses Kühlwasser kann in einem Kühler 33 mit einem Gebläse
34 gekühlt werden.
Gemäß dem Flußdiagramm nach Fig. 20 wird zur Steuerung der
Abgaskonzentration stromauf des Katalysators 1 im Schritt
200 von Fühlern der Betriebszustand der Brennkraftmaschine,
z. B. die Drehzahl N, die Saugluftmenge Qa, die Abgastempe
ratur Te u. dgl. bestimmt. Im Schritt 201 wird ein Luft-
Kraftstoff-Soll-Verhältnis A/F auf der Grundlage dieses Be
triebszustandes vorgegeben. Wenn das Luft-Kraftstoff-Ver
hältnis dieses Soll-Verhältnis erreicht, wird im Schritt
202 der vom Fühler gemessene Istwert der Abgaskonzentra
tion ausgelesen. Im Schritt 203 wird diese Ist-Konzentra
tion mit einer Soll-Konzentration verglichen, die einen op
timalen Reduktions-Wirkungsgrad ergibt. Falls diese Werte
nicht übereinstimmen, wird im Schritt 204 das Luft-Kraft
stoff-Soll-Verhältnis modifiziert. Zur Steuerung der Kata
lysator-Temperatur wird nach dem Flußdiagramm in Fig. 21 im
Schritt 210 die vom Meßfühler 6 erfaßte Katalysator-Tempe
ratur ausgelesen. Wenn im Schritt 211 diese Ist-Temperatur
mit der Soll-Temperatur übereinstimmt, ändert der Steuerab
lauf. Wenn jedoch im Schritt 211 der Istwert vom Sollwert
abweicht, wird im Schritt 212 abgefragt, ob der Istwert
größer oder kleiner als der Sollwert ist. Wenn der Istwert
den Sollwert übersteigt, beginnt im Schritt 213 der Kühlbe
trieb. Wenn jedoch der Istwert kleiner als der Sollwert
ist, beginnt im Schritt 214 die Aufheizung des Katalysa
tors. Ein Ausführungsbeispiel zur Durchführung dieser
Steuerung ist in Fig. 19 gezeigt. Bei dem Ausführungsbei
spiel nach Fig. 22 sind ein Oxidationskatalysator 40 und
ein Sekundärluft-Steuerventil 41 stromauf eines NOx-Reduk
tionskatalysators 1 angeordnet. Die HC-Konzentration im Ab
gas wird so gesteuert, daß das NOx/HC-Verhältnis im Opti
malbereich liegt. Der Oxidationskatalysator 40 oxidiert das
HC in Anwesenheit von Luft, wobei durch Steuerung der Se
kundärluftmenge die HC-Konzentration stromauf des Katalysa
tors 1 auf dem Optimalwert gehalten wird.
Die Fig. 23 und 24 zeigen die NOx- und HC-Konzentrationen
an der Aufstromseite A und der Abstromseite B des Oxida
tionskatalysators 40 in Fig. 22. Dabei ist auf der Abszisse
die Sekundärluftmenge Qa2 und auf der Ordinate jeweils eine
relative Konzentration der Komponenten NOx und HC im Abgas
aufgetragen. Der für die Oxidation verwendete Sauerstoff
ist in der Sekundärluft enthalten. Obwohl die Sekundärluft
menge erhöht wird, ändern sich NOx und HC stromauf vom Oxi
dationskatalysator 40 nicht. Mit steigender Sekundärluft
menge ändert sich nur die HC-Konzentration an der Abstrom
seite B des Oxidationskatalysators 40. Selbstverständlich
ändert sich auch der Sauerstoffanteil in der Sekundärluft.
Somit kann die HC-Konzentration durch Ändern der Sekundär
luftmenge geregelt werden.
In Fig. 24 ist der Bereich (a) der anzusteuernde Sollwert,
in dem das NOx/HC-Verhältnis einen Optimalwert erreicht.
Das Regelventil 41 wird von dem Mikrocomputer in der Steu
ereinheit 5 so gesteuert, daß die dem Bereich (a) entspre
chende Sekundärluftmenge erhalten wird.
Die Steuerung erfolgt auf der Basis eines Signals vom Füh
ler 7 für die HC-Konzentration im Abgas. Die einzuleitende
Sekundärluftmenge Qa2 wird nach Maßgabe der vom Fühler 7
gemessenen HC-Menge bestimmt, und das Regelventil 41 wird
entsprechend dieser Menge gesteuert. Der Fühler 7 kann zwi
schen dem Oxidationskatalysator 40 und dem Katalysator 1
angeordnet sein. In diesem Fall wird das Regelventil 41 ge
steuert und gleichzeitig wird geprüft, ob das NOx/HC-Ver
hältnis einen Optimalwert erreicht, d. h. dieser Vorgang
wird mit Rückführungsregelung durchgeführt. Die vorgenannte
Steuerung kann auch bei fettem oder magerem Luft-Kraft
stoff-Gemisch erfolgen.
Fig. 25 ist ein Flußdiagramm für eine Variante, bei der der
Fühler 7 zwischen dem Oxidationskatalysator 40 und dem NOx-
Reduktionskatalysator 1 angeordnet ist. In Schritt 250 er
folgt die Vorgabe eines Luft-Kraftstoff-Soll-Verhältnisses,
und in Schritt 251 wird das NOx/HC-Verhältnis im Abgas ge
messen. Wenn der Meßwert größer als ein vorbestimmter Wert
ist, wird in Schritt 253 die Sekundärluftmenge verringert
und die HC-Konzentration erhöht. Wenn der Meßwert den vor
bestimmten Wert unterschreitet, wird in Schritt 254 die Se
kundärluftmenge erhöht. Ferner kann, wie noch erläutert
wird, anstelle der Erfassung des NOx/HC-Verhältnisses in
Schritt 251 dieses Verhältnis aus einem Betriebszustand er
mittelt werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 26 zum Schätzen des
NOx/HC-Verhältnisses sind repräsentative Werte des NOx/HC-
Verhältnisses in Zuordnung zur Drehzahl N und dem Drehmo
ment bzw. der Last in einer Tabelle gespeichert. Nach
Fig. 27 kann ein Konzentrationsverhältnis-Istwert erhalten
werden, indem der gespeicherte Verhältniswert mit einem
Korrekturfaktor multipliziert wird, der die Abgastemperatur
berücksichtigt. Der Korrekturfaktor beträgt 1,0 bei einer
Abgastemperatur von 400°C. Der Faktor wird mit ansteigen
der Temperatur über 400°C bis auf 1,5 erhöht und bei ab
sinkender Temperatur unter 400°C auf 0,5 verringert.
Fig. 28 zeigt ein Verfahren zum Ändern der HC-Menge in Ab
hängigkeit vom Zündzeitpunkt anstatt durch den Oxidations
katalysator 40 nach Fig. 22. Wenn sich der Zündzeitpunkt
dem oberen Totpunkt OT nähert, wird die ausgestoßene HC-
Menge geringer. Bei einer Zündzeitpunktverzögerung (Pfeil)
zur Kurve (a) in Fig. 29 wird die Verbrennung auch nach dem
OT fortgesetzt und HC im Brennraum verbrannt, wodurch die
HC-Konzentration im Abgas abnimmt. Somit kann die HC-Kon
zentration auch durch Verstellung des Zündzeitpunkts und
das NOx/HC-Verhältnis auf einen Optimalwert gesteuert wer
den. Nach dem in Fig. 30 gezeigten Ablaufdiagramm wird im
Schritt 300 das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Gemischs mit
einem Sollwert vorgegeben, und in Schritt 301 wird das ent
sprechende NOx/HC-Verhältnis gemessen. Wenn in Schritt 302
der Meßwert einen vorbestimmten Wert übersteigt, wird im
Schritt 303 die HC-Konzentration durch Vorverstellen des
Zündzeitpunkts erhöht, wodurch das NOx/HC-Verhältnis klei
ner wird. Wenn der Wert einen vorbestimmten Wert unter
schreitet, wird im Schritt 304 die HC-Konzentration durch
Verzögerung des Zündzeitpunkts verringert, so daß das
NOx/HC-Verhältnis ansteigt. Die in Schritt 301 durchgeführ
te Messung des NOx/HC-Verhältnisses kann durch den oben be
schriebenen Schätz-Vorgang ersetzt werden.
Die Steuerung des NOx/HC-Verhältnisses kann auch mittels
einer Vorrichtung nach Fig. 31 erfolgen, welche die NOx-
Konzentration des Abgases in einem stromauf des NOx-Reduk
tionskatalysators 1 angeordneten Abgasrohr steuert. Über
eine Leitung 51 wird Abgas aus dem Abgasrohr 2 in das An
saugrohr 50 über ein Regelventil 51 zurückgeführt. Nach
Fig. 32 sinkt die NOx-Konzentration im Abgas mit zunehmen
der rückgeführter Abgasmenge, so daß die NOx-Menge durch
Vergrößerung der rückgeführten Abgasmenge bis zu einem Wert
(a) gesteuert werden kann, bei dem die Verbrennung schlech
ter wird und HC anzusteigen beginnt. Das Regelventil 51
kann von dem Abgasfühler 7 so gesteuert werden, daß das
NOx/HC-Verhältnis einen optimalen Wert erreicht.
Gemäß dem Flußdiagramm nach Fig. 33 wird im Schritt 330 ein
Luft-Kraftstoff-Soll-Verhältnis eingestellt und im Schritt
331 wird das NOx/HC-Verhältnis gemessen. Wenn im Schritt
332 der Meßwert größer als der vorbestimmte Wert ist, wird
im Schritt 333 die rückgeführte Abgasmenge (EGR-Menge) er
höht. Wenn dagegen der Meßwert kleiner ist als der genannte
Wert, wird in Schritt 334 die EGR-Menge verringert.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 34 zur Steuerung von
NOx und HC ist ein Konzentrations-Fühler 50 an der Abstrom
seite eines NOx-Reduktionskatalysators 1 angeordnet. Die
Konzentrationen von NOx und HC werden durch ein Regelventil
41 für die Sekundärluftmenge auf der Basis der Meßwerte des
Fühlers 50 gesteuert. Die Steuerung kann aber auch durch
Verstellen des Zündzeitpunkts oder durch die Abgasrückfüh
rung erfolgen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Ge
nauigkeit verbessert, da eine zu steuernde Menge durch Er
fassen eines Resultats der Reinigungswirkung eines Kataly
sators 2 bestimmt wird.
Fig. 35 zeigt eine Beziehung an einem Punkt A von Fig. 34
zwischen einer Sekundärluftmenge Qa2 und einer Abgaskonzen
tration. Wenn Qa2 einen optimalen Wert hat, erreichen NOx
bzw. HC einen Minimalwert. Die zu steuernde Menge wird von
einem Mikrocomputer im Steuerteil 5 auf der Basis des Meß
werts vom Fühler 50 bestimmt, um einen solchen optimalen
Zustand zu realisieren.
Gemäß dem Flußdiagramm nach Fig. 36 wird im Schritt 360 ein
Luft-Kraftstoff-Soll-Verhältnis vorgegeben, und im Schritt
361 werden die Konzentrationen von NOx und HC vom Fühler 50
gemessen. Wenn im Schritt 362 beide kleiner als jeweils
vorbestimmte Werte festgestellt werden, endet der Ablauf.
Wenn festgestellt wird, daß sie nicht kleiner sind, wird in
Schritt 363 die Sekundärluftmenge Qa2 gemäß dem Flußdia
gramm nach Fig. 37 verstellt. Wenn im Schritt 370 die NOx-
Konzentration kleiner als ein vorbestimmter Wert und die
HC-Konzentration größer als ihr vorbestimmter Wert ist,
wird im Schritt 371 die Sekundärluftmenge Qa2 erhöht und
nur die HC-Konzentration verringert. Wenn im Schritt 372
die NOx-Konzentration größer als ihr vorbestimmter Wert und
die HC-Konzentration kleiner als ihr vorbestimmter Wert
ist, wird die Sekundärluftmenge Qa2 verringert und die HC-
Konzentration erhöht, und dadurch erreicht das NOx/HC-Ver
hältnis einen optimalen Wert.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 38 ist ein Fühler 50
an der Abstromseite eines NOx-Reduktionskatalysators 1 an
geordnet. Ein Regelventil 41 für die Sekundärluft wird auf
der Basis der Signale des Fühlers 50 gesteuert. Bei diesem
Ausführungsbeispiel wird aber kein Oxidationskatalysator
verwendet. Die Wirkung bei diesem Ausführungsbeispiel ist
zwar geringer als diejenige mit Oxidationskatalysator, weil
HC nur durch Einleiten von Sekundärluft in das Abgasrohr 2
oxidiert wird. Ein Reinigungseffekt kann aber selbst mit
einem so einfachen Verfahren erzielt werden. Der Steuerab
lauf ist der gleiche wie in den Fig. 36 und 37.
Fig. 39 zeigt ein weiteres Verfahren der Steuerung der Tem
peratur eines Katalysators 1, bei welchem die Abgastempera
tur durch Verstellen des Zündzeitpunkts geändert und da
durch die Temperatur des Katalysators indirekt gesteuert
wird. Fig. 39 zeigt die Beziehung zwischen dem Zündzeit
punkt und der Abgastemperatur. Mit Spätverstellung des
Zündzeitpunkts steigt die Abgastemperatur, weil die Ver
brennung länger dauert, wenn der Zündzeitpunkt verzögert
ist, wie in Fig. 28 und 29 dargestellt ist.
Fig. 40 ist ein Ablaufdiagramm für die Steuerung der Tempe
ratur. Die Temperatur eines Katalysators wird im Schritt
400 ausgelesen, und im Schritt 401 wird, wenn die Tempera
tur als außerhalb eines Sollbereichs liegend und zusätzlich
als größer als der Sollwert in Schritt 402 festgestellt
wird, der Zündzeitpunkt in Schritt 403 vorverstellt und die
Abgastemperatur verringert. Wenn die Katalysatortemperatur
unter dem Sollwert liegt, wird in Schritt 404 der Zündzeit
punkt verzögert, und die Abgastemperatur wird erhöht.
Fig. 41 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel zum Ver
gleichmäßigen der HC-Konzentration im Abgas. Die Vergleich
mäßigung von eingespritzten Kraftstoff-Tröpfchen bewirkt
eine Vergleichmäßigung der HC-Menge. Bei diesem Ausfüh
rungsbeispiel wird ein Einspritzventil zur Kraftstoffverga
sung mit Unterstützung durch einen Luftstrom verwendet, der
von einem Kompressor 61 erzeugt und über eine Luftleitung
62 zum Einspritzventil 60 gefördert wird.
Wenn bei dem Einspritzventil 60 nach Fig. 42 ein Elektroma
gnet (nicht gezeigt) eine Ventilnadel 63 hebt, wird der
Kraftstoff aus einer Kammer 64 durch eine Düse 65 einge
spritzt. Die aus einem Luftkanal 66 eintretende Luft ist
auf den Kraftstoffstrahl gerichtet, so daß der Kraftstoff
durch die kinetische Energie der Luft zu feinen Tröpfchen
von weniger als 100 µm zerteilt. Die feinen Tröpfchen wer
den durch eine Einspritzöffnung 67 in ein Ansaugrohr 68
eingespritzt. Die HC-Ausstoßmenge kann mit Hilfe dieses
Einspritzventils 60 durch die Erzeugung der feinen Kraft
stofftröpfchen vergleichmäßigt werden.
Fig. 43 zeigt einen Kraftstoffzustand, bei dem die feinen
Tröpfchen gemäß diesem Ausführungsbeispiel erzeugt werden.
Bei einem konventionellen Einspritzventil, das relativ grö
ßere Tröpfchen erzeugt, wird an der Innenseite eines An
saugrohrs 68 ein Flüssigkeitsfilm gebildet. Daher ist die
in den Motor eintretende Kraftstoffmenge starken Änderungen
unterworfen. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 42, 43
verdampfen die feinen Tröpfchen sehr rasch und können ohne
weiteres mit dem Luftstrom mitgenommen werden und haften
daher nicht an der Innenseite des Ansaugrohrs 68, und auch
ein Flüssigkeitsfilm wird nicht erzeugt. Infolgedessen wird
auch im Brennraum 69 kein flüssiger Kraftstoff gebildet,
und das Gemisch aus Luft und Kraftstoff wird vergleichmä
ßigt. Daher verbrennt das Gemisch gleichmäßig und nähert
sich der vollständigen Verbrennung, so daß die HC-Menge
vergleichmäßigt werden kann.
Fig. 44 zeigt eine Abgaszusammensetzung beim Verbrennen
größerer Tröpfchen in einer konventionellen Einspritzvor
richtung. Nach Fig. 13 steigt in der konventionellen Vor
richtung die HC-Menge zu Beginn und Ende des Auslaßhubs an,
während die NOx-Menge etwa gleich bleibt. Das NOx/HC-Ver
hältnis ändert sich somit in Abhängigkeit von der Zeit und
kann nicht auf einem Wert gehalten werden, der einen hohen
Reinigungs-Wirkungsgrad erlaubt.
Fig. 45 zeigt die NOx- und HC-Konzentrationen nach der Rei
nigung an der Abstromseite des Katalysators 1. Da sich die
HC-Konzentration während des Auslaßhubs ändert, werden so
wohl NOx als auch HC während des Auslaßhubs reduziert oder
nicht reduziert.
Fig. 46 zeigt die mit dem Ausführungsbeispiel erzielte Aus
wirkung. Da die eingespritzten Kraftstofftröpfchen kleiner
sind, wird die HC-Menge vergleichmäßigt. Aufgrund dieser
Vergleichmäßigung wird das NOx/HC-Verhältnis während des
Auslaßhubs fixiert. Somit wird der Katalysator 1 immer mit
dem Konzentrationsverhältnis von NOx zu HC im Abgas betrie
ben, das den höchsten Reduktions-Wirkungsgrad ergibt.
Die Konzentration von NOx und HC an der Abstromseite des
Katalysators 1 ist in Fig. 47 gezeigt. Es ist ersichtlich,
daß beide Konzentrationen reduziert worden sind. Die Anwen
dung eines Einspritzventils zur Vergasung von Kraftstoff
tröpfchen in Kombination mit einem NOx-Reduktionskatalysa
tor ist also wirksam.
Fig. 48 zeigt ein weiteres Verfahren zur Vergleichmäßigung
von HC. In einem Ansaugrohr 68 ist ein Drallsteuerventil
angeordnet (SCV) 70, das dem Ansaugstrom einen Drall er
teilt. Aufgrund dieses Ventils 70 werden in einem Brennraum
Wirbelströme erzeugt, und der eingeführte Kraftstoff wird
vermischt und vergleichmäßigt. Somit wird eine ähnliche
Wirkung bei der Vergasung von Kraftstofftröpfchen nach
Fig. 41 erzielt. Es wird also die Konzentration von HC im
Abgas vergleichmäßigt, das NOx/HC-Verhältnis wird opti
miert, und der Reinigungs-Wirkungsgrad des Katalysators 1
wird verbessert. Wie bereits gesagt, ist eine Kombination
des Drallsteuerventils 70 mit dem NOx-Reduktionskatalysator
wirksam.
Fig. 49 zeigt eine weitere Möglichkeit zur Vergleichmäßi
gung von HC, bei welcher ein Ansaugrohr 72 zur Erzeugung
von Längswirbelströmen 71 in einem Brennraum 69 ausgebildet
ist. Der vom Ansaugrohr 72 ausgerichtete Kraftstoffstrahl
tritt in den Brennraum steiler als bei einem üblichen An
saugrohr 68 ein, wobei seine Richtung etwa parallel zum
Einlaßventilstößel 73 verläuft. Dieser Längswirbelstrom
kann auch während des Verdichtungshubs aufrechterhalten
werden. Der Kraftstoff im Brennraum 71 wird besser ver
mischt, und das Gemisch wird besser vergleichmäßigt (vgl.
Fig. 50). Da das Gemisch im Brennraum 71 vergleichmäßigt
ist, wird die HC-Ausstoßmenge vergleichmäßigt, und der Re
duktions-Wirkungsgrad des Katalysators 1 wird verbessert.
Das Einspritzventil 74 kann ein Einspritzventil zur Kraft
stoffzerstäubung mittels Luftdurchfluß sein.
Fig. 51 zeigt eine weitere Methode zur Vergleichmäßigung
von HC. Der in den Brennraum 71 eintretende Luftstrom 80
wird während eines Saughubs in gewissem Umfang verwirbelt,
wie Fig. 52 zeigt. Wenn Kraftstoff in den Wirbelstrom wäh
rend dieses Saughubs eingespritzt wird, wird der Kraftstoff
im Brennraum 71 vermischt, und das Gemisch wird vergleich
mäßigt.
Wie Fig. 53 zeigt, wird die Wirbelströmung im späteren Teil
des Saughubs stärker, und der durch die Kraftstoffzumi
schung erzielte Effekt ist stärker. Wenn der Kraftstoff in
der späteren Phase des Saughubs eingespritzt wird, wird er
ferner nicht an der Oberseite des Kolbens 81 abgelagert und
angesammelt, und daher nimmt die HC-Ausstoßmenge in der
zweiten Hälfte des Auslaßhubs nicht zu. Wenn daher der
Kraftstoff beim Saughub eingespritzt wird, wird der Reduk
tions-Wirkungsgrad des NOx-Reduktionskatalysators 1 hoch,
weil die HC-Ausstoßmenge vergleichmäßigt ist. Ferner kann
das Einspritzventil 73 ebenfalls von dem Typ zur Kraft
stoffvergasung mittels Luftdurchfluß sein.
Fig. 54 zeigt die Kraftstoffeinspritzung in jeden von vier
Zylindern. Dabei ist der Saughub mit (a) und die Einsprit
zung beim Saughub mit (b) bezeichnet.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 55 gezeigt.
Wenn dabei eine Vielzahl von Luft-Kraftstoff-Verhältnissen
(a) vorgesehen ist, bei denen das NOx/HC-Verhältnis einen
Optimalwert erreicht, wird das in bezug auf Kraftstoff ma
gerste Luft-Kraftstoff-Verhältnis (b) dieser Verhältnisse
als Sollwert vorgegeben. Wenn jedoch das magerste Luft-
Kraftstoff-Verhältnis größer als ein mageres Luft-Kraft
stoff-Grenzverhältnis (c) ist, wird das magere Luft-Kraft
stoff-Grenzverhältnis als Soll-Verhältnis vorgegeben.
Fig. 56 zeigt das Flußdiagramm der Steuerung. Zuerst wird
die Steuerung in Schritt 560 auf ein Luft-Kraftstoff-Soll-
Verhältnis eingestellt, und in Schritt 561 wird ein NOx/HC-
Verhältnis detektiert. Wenn in Schritt 562 festgestellt
wird, daß dieser Meßwert in einem zulässigen Bereich liegt,
wird in Schritt 563 das Luft-Kraftstoff-Soll-Verhältnis ab
gemagert. Wenn in Schritt 565 festgestellt wird, daß das
magere Luft-Kraftstoff-Verhältnis das magere Luft-Kraft
stoff-Grenzverhältnis unterschreitet, wird in Schritt 567
das Soll-Verhältnis mit dem magereren Wert vorgegeben. Wenn
festgestellt wird, daß das magerere Luft-Kraftstoff-Ver
hältnis das magere Luft-Kraftstoff-Grenzverhältnis über
schreitet, wird das Soll-Verhältnis nicht mit dem magereren
Wert vorgegeben. Wenn in Schritt 563 festgestellt wird, daß
das Luft-Kraftstoff-Soll-Verhältnis außerhalb des zulässi
gen Bereichs liegt, wird das Soll-Verhältnis in Schritt 564
so modifiziert, daß es in dem zulässigen Bereich liegt, und
das Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird in Schritt 566 auf die
sen neuen Luft-Kraftstoff-Sollwert geregelt.
Fig. 57 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einer
Einrichtung zum Vergleichmäßigen der HC-Ausstoßmenge durch
Andern der Ventilsteuerung eines Einlaßventils. Fig. 57
zeigt die HC-Ausstoßmenge bei einem Auslaßhub. Flüssig
keitsfilme setzen sich an der Oberseite eines Kolbens und
eines Zylinderkopfs ab und werden zu Beginn und Ende des
Auslaßhubs abgeführt. Es ist notwendig, die Änderung des
HC-Ausstoßes zu verringern. Im Fall dieses Ausführungsbei
spiels wird die HC-Ausstoßmenge gemäß der Strichlinie ver
gleichmäßigt. Fig. 58 zeigt Steuerzeiten von Auslaß- und
Einlaßventilen, wobei die konventionellen Vorgänge durch
Vollinien bezeichnet sind. Die Betriebszeiten der Auslaß-
und Einlaßventile überlappen einander im OT-Bereich. Wenn
gemäß einem Ausführungsbeispiel die HC-Ausstoßmenge an
steigt, z. B. beim Anlassen bei niedriger Temperatur, wäh
rend des Warmlaufens beim Anfahren und im Leerlauf, wird
der Betrieb des Auslaßventils so gesteuert, daß die Steuer
zeit gemäß der Strichlinie verschoben wird. Durch diesen
Vorgang wird in ein Auslaßrohr abgegebener HC zu einem An
saugrohr rückgeführt (innere Rückführung). Dadurch verrin
gert sich die HC-Menge, die direkt in das Auslaßrohr
strömt, und damit wird die HC-Ausstoßmenge vergleichmäßigt.
Fig. 59 zeigt die Verteilung von HC in einem Zylinder wäh
rend jedes Hubs. Da ein Auslaßventil 91 vor dem Ende eines
Auslaßhubs geschlossen wird, wird HC, der durch Punkte an
gedeutet ist, nahe dem Oberende des Kolbens nicht in das
Auslaßrohr 2 ausgestoßen. Wenn daher ein Einlaßventil 92 zu
Beginn des Saughubs geöffnet wird, wird HC in die Ansaug
leitung 72 rückgeführt (innere Rückführung). Dieser Kohlen
wasserstoff tritt wiederum in den Zylinder 71 beim Saughub
ein und verteilt sich im Zylinder am Ende des Saughubs. In
folgedessen verteilt sich HC im Zylinder 71 und verbrennt
nochmals, und dadurch wird die Gesamtmenge an HC verrin
gert, wie die Strichlinie in Fig. 57 zeigt, und wird da
durch vergleichmäßigt.
Fig. 60 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des in den
Fig. 57-59 beschriebenen Betriebs. Ein Auslaßventil 91 und
ein Einlaßventil 92 werden von Nocken 93b bzw. 93a nach
oben bzw. nach unten bewegt. Die Profile der Nocken ändern
sich durch Antriebseinheiten 94b und 94a. Die Vergleichmä
ßigung des HC-Ausstoßes wird durch den Betrieb des Auslaß
ventils 91 erreicht, das von der Antriebseinheit 94b ge
steuert wird. Dadurch kann der Reinigungs-Wirkungsgrad ei
nes NOx-Reduktionskatalysators verbessert werden, indem die
Ventilsteuerzeit veränderlich gemacht wird. Fig. 61 zeigt
eine Möglichkeit zum Ändern der Form des Nockens. Der Noc
ken hat Profile, die in den Abschnitten (a) und (b) vonein
ander verschieden sind. Die Nockenfläche wird also dadurch
geändert, daß der Nocken 93b mit der Antriebseinheit 94b
nach rechts und links bewegt wird.
Gemäß der Erfindung kann NOx in wirksamer Weise in jedem
Betriebszustand einer Brennkraftmaschine reduziert werden,
so daß die Befolgung der Vorschriften hinsichtlich Abgas
und Kraftstoffverbrauch gleichzeitig auf einem höheren Ni
veau erreicht werden kann.
Claims (19)
1. Verfahren zur Steuerung der Konzentration von NOx und
HC im Abgassystem einer Brennkraftmaschine, bei dem
- - die Abgaskomponenten NOx und HC mittels eines im Abgasstrom angeordneten Katalysators entfernt wer den, und
- - das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des der Brenn kraftmaschine zugeführten Gemisches auf der Basis der ermittelten NOx- und HC-Konzentrationen ge steuert wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
- - die Konzentrationen von NOx und HC im Abgas vor der Katalyse aufgrund von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine, wie Drehzahl N, angesaugte Luftmenge Qa, Temperatur T, geschätzt werden,
- - das Verhältnis der NOx- und HC-Konzentration des dem Katalysator zugeführten Abgases aus den ge schätzten Werten fortlaufend bestimmt wird, und
- - die Konzentration mindestens einer dieser Abgas komponenten NOx; HC so verändert wird, daß das NOx/HC-Verhältnis in einem vorgegebenen Bereich bleibt, in welchem der Katalysator mit optimalem Wirkungsgrad arbeitet.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß repräsentative Werte des
NOx/HC-Verhältnisses in Zuordnung zu den Betriebspara
metern der Brennkraftmaschine Drehzahl und Drehmoment
(Last) in einer Tabelle gespeichert sind und die aus
dieser Tabelle abgerufenen Ist-Verhältniswerte um
einen die Abgastemperatur berücksichtigenden Korrek
turfaktor berichtigt werden.
3. Verfahren zur Steuerung der Konzentration von NOx und
HC im Abgassystem einer Brennkraftmaschine, bei dem
- - die Abgaskomponenten NOx und HC mittels eines im Abgasstrom angeordneten Katalysators entfernt werden, und
- - das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des der Brenn kraftmaschine zugeführten Gemisches auf der Basis der ermittelten NOx- und HC-Konzentrationen ge steuert wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
- - die Konzentrationen von NOx und HC im Abgas vor der Katalyse durch einen Meßfühler mittels zweier Senso ren gemessen werden,
- - das Verhältnis der NOx- und HC-Konzentration des dem Katalysator zugeführten Abgases aus den ge messenen Werten fortlaufend bestimmt wird, und
- - die Konzentration mindestens einer dieser Abgas komponenten NOx; HC so verändert wird, daß das NOx/HC-Verhältnis in einem vorgegebenen Bereich bleibt, in welchem der Katalysator mit optimalem Wirkungsgrad arbeitet.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
zur Einhaltung des vorbestimmten NOx-HC-Verhältnisses
Sekundärluft in das unbehandelte Abgas eingeführt
wird, um die HC-Konzentration zu steuern.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
das mit Sekundärluft vermischte Abgas über einen Oxi
dations-Katalysator geleitet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
zur Einhaltung des vorbestimmten NOx/HC-Verhältnisses
der Zündzeitpunkt der Brennkraftmaschine verstellt
wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
zur Einhaltung des vorbestimmten NOx/HC-Verhältnisses
das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des der Brennkraftma
schine zugeführten Gemisches gesteuert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche i bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß
zur Einhaltung des vorbestimmten NOx/HC-Verhältnisses
eine gesteuerte Abgasmenge in das Ansauggemisch der
Brennkraftmaschine rückgeführt wird, um die NOx-Kon
zentration im Abgas zu steuern.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß
zyklische Schwankungen der HC-Konzentration durch
strömungstechnische und katalytische Maßnahmen kompen
siert werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Betriebstemperatur des Katalysators durch Erwär
mung oder Kühlung auf einen vorbestimmten Temperatur
bereich gesteuert wird.
11. Vorrichtung zur Steuerung der Konzentration von NOx
und HC im Abgassystem einer Brennkraftmaschine, beste
hend aus
- - einem im Abgasstrom der Brennkraftmaschine ange ordneten Katalysator (1), der zum Entfernen von NOx und HC aus dem Abgas ausgebildet ist, und
- - einer Einrichtung (5) zur Steuerung des Luft-Kraft stoff-Verhältnisses des der Brennkraftmaschine zugeführten Gemisches auf der Basis der ermittelten NOx- und HC-Konzentrationen, dadurch gekennzeichnet, daß
- - die Steuereinheit (5) elektronische Bauelemente mit mindestens einer Tabelle für NOx/HC-Verhältniswerte bei unterschiedlichen Belastungen und Drehzahlen der Brennkraftmaschine sowie mit einem Multiplizierglied enthält, in dem die in der Tabelle entnommenen NOx/HC-Verhältniswerte mit einem die Abgastemperatur berücksichtigenden Korrekturfaktor multipliziert werden, und
- - Mittel zum Steuern der Konzentration zumindest einer dieser Gaskomponenten NOx; HC vorgesehen sind, um das NOx/HC-Verhältnis in einem vorgegebenen Bereich zu halten, in welchem der Katalysator (1) mit optimalem Wirkungsgrad arbeitet.
12. Vorrichtung zur Steuerung der Konzentration von NOx
und HC im Abgassystem einer Brennkraftmaschine, beste
hend aus
- - einem im Abgasstrom der Brennkraftmaschine ange ordneten Katalysator (1), der zur Abtrennung von NOx und HC ausgebildet ist, und
- - einer Einrichtung zur Steuerung des Luft-Kraft stoff-Verhältnisses des der Brennkraftmaschine zugeführten Gemisches auf der Basis der ermittelten NOx- und HC-Konzentrationen,
dadurch gekennzeichnet, daß
- - ein Meßfühler (7) im Abgasstrom stromauf vom Ka talysator (1) angeordnet ist, der mittels Sensoren (10, 11) die Konzentration von NOx und HC im Abgas erfaßt und in dem eine Schaltungsanordnung (16; 17; 18) zur Bestimmung des NOx/HC-Verhältnisses aus den erfaßten Abgaskonzentrationswerten zugeordnet ist, und
- - Mittel zum Steuern der Konzentration zumindest einer dieser Gaskomponenten NOx; HC vorgesehen sind, um das NOx/HC-Verhältnis in einem vorgegebenen Bereich zu halten, in welchem der Katalysator (1) mit optimalem Wirkungsgrad arbeitet.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Katalysator (1) ein Kupferionenaustausch-Zeolith-
Katalysator ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß
dem Katalysator (1) Heizeinrichtungen (33) und Kühl
einrichtungen (34) zur Einhaltung seiner optimalen Be
triebstemperatur zugeordnet sind.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß
eine Einrichtung (23; 24; 25) zum Ausgleich von Ände
rungen der HC-Konzentration stromauf vom Kondensator
(1) im Abgasstrom angeordnet ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, daß
ein Fühler (50) zum Erfassen wenigstens einer Abgas
komponente stromab vom Kondensator (1) im Abgasstrom
angeordnet ist, und daß die Konzentration in dieser
Abgaskomponente im Abgasstrom stromauf des Katalysa
tors (1) auf der Grundlage der Ausgangssignale dieses
Fühlers (50) steuerbar ist.
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