DE4411942C2 - Abgasemissionssteuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor - Google Patents

Abgasemissionssteuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor

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Description

Hintergrund der Erfindung 1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Abgasemissionssteuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor, insbesondere für einen Verbrennungsmotor, bei welchem ein NOX-Katalysator zum Reduzieren von Stickoxiden in einem Abgassystem verwendet wird.
Die ältere Anmeldung DE 44 02 850 A1 beschreibt ein System zur Überwachung und Steuerung von Verbrennungsmotoren und deren Abgasemissionen unter Verwendung von Gassensoren. Stromabwärts von dem Verbrennungsmotor ist ein NOX- Katalysator vorgesehen, wobei jeweils vor und nach diesem Katalysator ein NOX-Sensor angeordnet ist. Mittels eines Sauerstoffsensors in Form einer λ-Sonde wird das Vorliegen eines fetten oder mageren Luft/Kraftstoff-Gemisches erfaßt.
Die DE 42 15 942 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Überwachung der Abgaskonzentration, wobei die Konzentrationen von NOX und HC (Kohlenwasserstoffe) an der stromaufwärts gelegenen Seite eines Katalysators auf ein bestimmtes Verhältnis gesteuert werden. Als Sollwert für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis wird hier ein mageres Verhältnis vorgegeben. Damit werden gleichzeitig die Anforderungen sowohl hinsichtlich der Abgasreinigung als auch des Kraftstoffverbrauchs auf hohem Niveau erfüllt.
Die JP 3-242415 A beschreibt eine Abgasemissionssteuervorrichgtung für eine Brennkraftmaschine, bei der ein NOX-Katalysator, ein 3-Wege-Katalysator, ein Sauerstoffsensor, ein Abgastemperatursensor, die beide stromaufwärts des NOX-Katalysators angeordnet sind, und ein stromabwärts des NOX-Katalysators zwischen diesem und dem 3- Wege-Katalysator angeordneter HC-Sensor verwendet wird. Kraftstoffdämpfe von einem Kraftstofftank werden über eine KW-Zufuhrvorrichtung in einen Abgasweg zwischen dem NOX- Katalysator und dem Zylinder der Brennkraftmaschine zugeführt. Die KW-Zufuhrvorrichtung wird auf Grundlage der Sensorsignale unter Berücksichtigung der Abgas- und damit der Katalysatortemperatur so gesteuert, daß ausreichend Kohlenwasserstoffe im Abgas vorhanden sind, um den NOX- Katalysator mit hohem Wirkungsgrad betreiben zu können.
Nachstehend wird das allgemein relevante Fachgebiet bezüglich der Verwendung eines 3-Wege-Katalysators und der erforderlichen Luft/Kraftstoff-Verhältnisse diskutiert.
2. Beschreibung des relevanten Fachgebietes
Eine Abgasemissionssteuervorrichtung, bei der ein ternärer Katalysator in einem Auspuffrohr angeordnet ist, ist zum Reinigen eines aus einem Verbrennungsmotor ausgestoßenen Abgases verwendet worden. Ein Beispiel der Abgasemissionssteuervorrichtung ist in der Japanischen Patentveröffentlichung nach Prüfung JP-2-55611 B offenbart. Um das Abgas unter Verwendung des ternären Katalysators wirksam zu reinigen, muß die Verbrennung mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis von 14,7 (theoretisches Luft- Kraftstoff-Verhältnis) verlaufen. Um das theoretische Luft- Kraftstoff-Verhältnis zu erzielen, sind zu diesem Zweck verschiedene Arten von Regelungen mit Rückkopplung verwendet worden, die einen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor verwenden.
Unter dem Druck einer zunehmenden Anforderung zur Verminderung des Kraftstoffverbrauchs sind viele Arten von Maßnahmen zur Kraftstoffverbrauchsminderung entwickelt worden. Eine Maßnahme zur Erhöhung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, die bei der Kraftstoffverbrauchsminderung am wirksamsten wäre, konnte nicht verwendet werden, weil sie den Wirkungsgrad der Reinigungswirkung des ternären Katalysators verschlechtert. Vor kurzem ist der zur Reduktion von Stickoxiden geeignete Katalysator (als "NOX-Katalysator" bezeichnet) untersucht worden. Die Ergebnisse der Untersuchung sind im "JOURNAL OF CAR TECHNOLOGY", 1991 Nr. 11, S. 34 bis 40 beschrieben.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Abgasemissionssteuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor bereitzustellen, die einen geringen Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors und gleichzeitig eine effiziente Reinigung der NOX-Gase in dem Abgas sicherstellen kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Abgasemissionssteuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Verbesserungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine Abgasemissionssteuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor vorgesehen, bei der ein NOX-Katalysator, ein Breitband-Luft- Kraftstoff-Verhältnis-Sensor und ein NOX-Gassensor in einem Abgasweg eines Verbrennungsmotors angeordnet sind, und bei der ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines vom Motor angesaugten Kraftstoff-Luftgemischs ansprechend auf die Ausgangssignale vom Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor und vom NOX-Gassensor rückgekoppelt geregelt wird.
Bei diesem Aspekt der Erfindung wird mit Hilfe des im Abgasweg angeordneten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors eine in einem Abgas enthaltene Sauerstoffmenge ermittelt. Die ermittelten Daten werden rückgekoppelt, um das Luft- Kraftstoff-Verhältnis zu regeln, so daß die Verbrennung im Verbrennungsmotor in einem Magerzustand verläuft. Eine Menge an NOX-Gas im Abgas wird vom NOX-Gassensor ermittelt. Die ermittelten Daten werden rückgekoppelt, um einen Soll-Wert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses entsprechend einer Menge an NOX- Gas nach dem Reinigungsvorgang zu regeln.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist eine Abgasemissionssteuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor vorgesehen, bei der ein NOX-Katalysator und ein NOX-Gassensor in einem Abgasweg eines Verbrennungsmotors angeordnet sind, und es ist ein Weg vorgesehen, um mit Hilfe eines Elektromagnetventils verdampftes Gas aus einer Patrone, die aus einem Kraftstofftank verdampftes Gas absorbiert, in einen Bereich in Strömungsrichtung vor dem NOX-Katalysator im Abgasweg zu injizieren, wobei das Elektromagnetventil ansprechend auf das Ausgangssignal vom NOX-Gassensor geregelt wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist außerdem eine Abgasemissionssteuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor vorgesehen, bei der ein NOX-Katalysator und ein NOX-Gassensor in einem Abgasweg eines Verbrennungsmotors angeordnet sind, und es ist ein Weg vorgesehen, um mit Hilfe eines Elektromagnetventils Kraftstoff aus einem Kraftstofftank in einen Bereich in Strömungsrichtung vor dem NOX-Katalysator im Abgasweg zu injizieren, wobei das Elektromagnetventil ansprechend auf das Ausgangssignal vom NOX-Gassensor geregelt wird.
Bei der Erfindung wird das verdampfte Gas aus der Patrone oder der Kraftstoff aus dem Kraftstofftank ansprechend auf die NOX-Mengen-Daten vom NOX-Gassensor in den Bereich in Strömungsrichtung vor dem NOX-Katalysator im Auspuffrohr injiziert.
KURZE BESCHREIBUNGEN DER ZEICHNUNGEN
Fig. 1 ist ein System-Schaubild, das eine Abgasemissionssteuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2 ist ein System-Schaubild, das eine Abgasemissionssteuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
Fig. 3 ist eine vergrößerte Ansicht, die einen maßgeblichen Teil einer Abgasemissionssteuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform Erste Ausführungsform
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Fig. 1 ist ein System-Schaubild, das eine Abgasemissionssteuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor gemäß einer Ausführungsform zeigt.
In dieser Figur bezeichnet das Bezugszeichen 1 einen Verbrennungsmotor, 2 ein Ansaugrohr und 3 ein im Ansaugrohr 2 installiertes Kraftstoffeinspritzventil, um Kraftstoff in den Verbrennungsmotor 1 einzuspritzen. Das Bezugszeichen 4 bezeichnet einen Luftfilter, um in das Ansaugrohr 2 zugeführte Luft zu reinigen. Ein Luftströmungssensor 5 ermittelt eine durch den Luftfilter 4 zum Verbrennungsmotor 1 gesaugte Luftmenge. Ein im Ansaugrohr 2 installiertes Drosselventil 6 reguliert eine zum Verbrennungsmotor 1 gesaugte Luftmenge. Ein Zylinder 7 ist innerhalb des Verbrennungsmotors 1 angeordnet. Ein Abgasweg 8 gibt ein Abgas vom Verbrennungsmotor 1 nach außen ab. Ein im mittleren Bereich des Abgaswegs 8 angeordneter NOX-Katalysator 9 arbeitet so, daß er Stickoxide reduziert. Ein Breitband-Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 10 ist in Strömungsrichtung vor dem NOX-Katalysator 9 im Abgasweg 8 angeordnet. Ein in Strömungsrichtung hinter dem NOX-Katalysator 9 angeordneter NOX-Gassensor 11 arbeitet so, daß er eine NOX-Gasmenge ermittelt. Ein Kraftstofftank ist mit dem Bezugszeichen 13 bezeichnet. Eine Kraftstoffpumpe 14 führt dem Kraftstoffeinspritzventil 3 Kraftstoff aus dem Kraftstofftank 13 zu. Ein Kraftstoffdruckregler 15 reguliert einen Kraftstoffdruck auf einen voreingestellten Wert. Eine Betriebssteuereinheit 20, die einen Mikrocomputer enthält, regelt verschiedene Arten von Stellgliedern entsprechend den von diesen Sensoren erhaltenen Daten.
Der Betrieb der derart aufgebauten Abgasemissionssteuervorrichtung wird nun beschrieben. Der Verbrennungsmotor 1 wird mit Hilfe eines nicht dargestellten Anlassers gestartet. Ein Kraftstoff-Luftgemisch aus Luft, die durch das Ansaugrohr 2 vom Luftfilter 4 angesaugt wird, und Kraftstoff, der aus dem Kraftstoff-Einspritzventil 3 eingespritzt wird, strömt in den Zylinder 7 des Verbrennungsmotors 1. Das Kraftstoff-Luftgemisch-Gas wird nach einer Verdichtung von einer Zündkerze gezündet, so daß es verbrennt. Der Verbrennungsmotor 1 arbeitet als Leistungsquelle. Nachdem das Gemisch-Gas verbrannt ist, wird das Abgas in das Auslaßventil 8 ausgestoßen, wo es durch seine reduzierende Wirkung gereinigt wird, und wird dann durch einen nicht dargestellten Schalldämpfer nach außen abgegeben. Kraftstoff, der von der Kraftstoffpumpe 14 aus dem Kraftstofftank 13 angesaugt und vom Kraftstoffdruckregler 15 druckgeregelt wird, wird dem Einspritzventil 3 zugeführt.
Ein vorgesehenes Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Kraftstoff- Luftgemisch-Gases erhält man in einer solchen Weise, daß eine in den Zylinder 7 einströmende Luftmenge mit dem Luftströmungssensor 5 gemessen wird, daß ein vom Sensor stammendes Signal der Betriebssteuereinheit 20 zugeführt wird, und daß die Betriebssteuereinheit 20 die Ein- und Auszeit des Einspritzventils 3 so regelt, daß ein voreingestelltes Luft- Kraftstoff-Verhältnis erzielt wird. Der im Abgasweg 8 angeordnete Luft-Kraftstoff-Sensor 10 ermittelt eine im Abgas enthaltene Menge an Sauerstoff und führt ein für die ermittelte Sauerstoffmenge kennzeichnendes Signal zur Betriebssteuereinheit 20 zurück. Bei Empfang des Signals vom Sensor 10 regelt die Betriebssteuereinheit 20 das Luft- Kraftstoff-Verhältnis weiter derart, daß ein genauerer voreingestellter Wert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses erzielt wird. Um einen wirksamen Reinigungsvorgang durch den NOX-Katalysator 9 sicherzustellen, wird in diesem Fall das Luft-Kraftstoff-Verhältnis so geregelt, daß die Verbrennung im Verbrennungsmotor in einem Magerzustand verläuft.
Ebenfalls bei der ersten Ausführungsform ermittelt der NOX- Gassensor 11 eine nach dem Hindurchtreten durch den NOX- Katalysator 9 im Abgas enthaltene NOX-Gasmenge und führt das vom NOX-Gassensor stammende Signal zur Betriebssteuereinheit 20 zurück. Ansprechend auf dieses Signal regelt die Betriebssteuereinheit 20 den angestrebten Wert des Luft- Kraftstoff-Verhältnisses entsprechend der Menge des NOX-Gases nach dessen Reinigung. Die derart aufgebaute Abgasemissionssteuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor unter Verwendung des NOX-Katalysators liefert einen Ausstoß eines gut gereinigten Abgases, während gleichzeitig ein geringer Kraftstoffverbrauch verwirklicht wird.
Zweite Ausführungsform
Fig. 2 ist ein System-Schaubild, das eine Abgasemissionssteuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. In der Figur sind die mit den Bezugszeichen 1 bis 11, 13 bis 15 und 20 bezeichneten Bauteile dieselben wie diejenigen bei dem Aufbau der Fig. 1. Eine Patrone 16, die aus dem Kraftstofftank 13 verdampften Kraftstoff absorbiert, spricht auf einen Befehl von der Betriebssteuereinheit 20 an, so daß das verdampfte Gas über ein erstes Magnetventil 17 in das Ansaugrohr 2 zugeführt wird (Reinluftzufuhrsystem). Bei dieser Ausführungsform wird das verdampfte Gas aus der Patrone 16 über eine Druckpumpe 19 und ein zweiten Magnetventil 18 auch einem Bereich in Strömungsrichtung vor dem NOX-Katalysator 9 innerhalb des Abgaswegs 8 zugeführt. Bei dem Aufbau, wie oben erwähnt, ist ein Vorgang, bei dem der Verbrennungsmotor 1 unter Erzeugung einer dynamischen Leistung arbeitet und ein Abgas abgibt, derselbe, wie derjenige bei der ersten Ausführungsform.
Wenn ein Zeolith-Material, insbesondere Kupfer-Ionenaustausch- ZSM-5-Zeolith (Cu-ZSM-5) für den NOX-Katalysator verwendet wird, läuft die selektive NO-Reduktion in Zusammenwirken mit einem Kohlenwasserstoff-Reduktionsmittel und O2 bei einer niedrigen Temperatur von 523 bis 673 K wirkungsvoll ab. Weiter wird empirisch bestätigt, daß die Reaktion sogar unter der Bedingung, daß SO2 vorhanden ist, konstant abläuft. Es wird weiter bestätigt, daß ein Vorhandensein von KW (Kohlenwasserstoffen) im Abgas den Wirkungsgrad der Reinigungswirkung durch den NOX-Katalysator verbessert. Wenn der Verbrennungsmotor 1 das Kraftstoff-Luftgemisch mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines Magerzustands verbrennt, wobei Luft im Überschuß vorhanden ist, werden nur NOX- Bestandteile erzeugt, während KW- und CO-Bestandteile nahezu nicht existent sind. Bei dieser Ausführungsform wird das zweite Magnetventil 18 ansprechend auf die vom NOX-Gassensor 11 stammenden NOX-Mengen-Daten betätigt, um das verdampfte Gas, das eine erforderliche Menge an KW enthält, mit Hilfe der Druckpumpe 19 aus der Patrone 16, die das aus dem Kraftstofftank 13 verdampfte Gas absorbiert, in den Abgasweg 8 zuzuführen. Als Folge davon ist der KW- Bestandteil im Abgas vorhanden, wodurch der Wirkungsgrad der Reinigungswirkung des NOX-Katalysators verbessert wird.
Dritte Ausführungsform
Bei der zweiten Ausführungsform wird das verdampfte Gas aus der Patrone 16 einem Bereich in Strömungsrichtung vor dem NOX- Katalysator 9 zugeführt. Dieselben Wirkungen kann man auf eine solche Weise erzielen, daß ansprechend auf die Ermittlung der NOX-Gasmenge mittels des NOX-Gassensor 11 Kraftstoff aus dem Kraftstofftank 13 unmittelbar dem Abgasweg 8 zugeführt wird.
Vierte Ausführungsform
Bei dem in Fig. 3 dargestellten Aufbau ist der NOX-Gassensor 11 in Strömungsrichtung vor dem NOX-Katalysator 9 angeordnet. Der Sensor ermittelt eine NO als Hauptbestandteil enthaltende NOX- Gasmenge, die aus dem Zylinder 7 ausgestoßen und noch nicht gereinigt worden ist, und übermittelt der Betriebssteuereinheit 20 ein NOX-Mengen-Signal. Die Anwendung dieses Systems auf die erste bis vierte Ausführungsform führt zu ähnlichen Wirkungen.
Wie man aus der vorangehenden Beschreibung sieht, verbrennt der Verbrennungsmotor das Kraftstoff-Luftgemisch mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Magerzustand. Der NOX- Katalysator der Luft-Kraftstoff-Sensor und der NOX-Gassensor sind im Abgasweg installiert. Das Luft-Kraftstoff- Verhältnis wird entsprechend den Ausgangssignalen des Luft- Kraftstoff-Sensors und des NOX-Gassensors geregelt.
Dementsprechend arbeitet die Abgasemissionssteuervorrichtung der ersten Ausführungsform so, daß sie für eine Abgabe eines gut gereinigten Abgases sorgt, während gleichzeitig ein geringer Kraftstoffverbrauch verwirklicht wird.
Außerdem wird ein Kraftstoffgas oder Flüssigkraftstoff, welche den KW-Bestandteil enthalten, einem Bereich in Strömungsrichtung vor dem im Abgasweg angeordneten NOX- Katalysator zugeführt. Dementsprechend verbessert die Abgasemissionssteuervorrichtung der ersten Erfindung den Wirkungsgrad der Reinigungswirkung durch den NOX-Katalysator und liefert einen Ausstoß eines gut gereinigten Abgases, während gleichzeitig ein geringer Kraftstoffverbrauch verwirklicht wird.

Claims (5)

1. Abgasemissionssteuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor, umfassend:
  • a) einen in einem Abgasweg (8) des Verbrennungsmotors (1) angeordneten NOX-Katalysator (9) zum Reduzieren von in einem Abgas des Verbrennungsmotors enthaltenen Stickoxiden (NOX);
  • b) einen im Abgasweg (8) angeordneten Luft-Kraftstoff- Verhältnissensor (10) zur Ermittlung einer in dem Abgas enthaltenen Sauerstoffmenge (O2); und
  • c) einen im Abgasweg (8) angeordneten NOX-Gassensor (11) zur Ermittlung einer im Abgas enthaltenen NOX- Gasmenge;
  • d) eine KW-Zufuhrvorrichtung (16, 17, 18, 19), um einen Kohlenwasserstoff(KW)-Bestandteil in Strömungsrichtung vor dem NOX-Katalysator (9) in den Abgasweg (8) zuzuführen;
  • e) eine Regeleinrichtung (20)
    • 1. zum Regeln eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines in den Verbrennungsmotor (1) gesaugten Kraftstoff-Luftgemisch-Gases ansprechend auf Ermittlungssignale vom Luft-Kraftstoff- Verhältnis-Sensor (10), so daß die Verbrennung in dem Verbrennungsmotor (1) in einem Magerzustand verläuft; und
    • 2. zur Regelung der KW-Zufuhrvorrichtung (16-19) zur Zuführung des Kohlenwasserstoff (KW)- Bestandteils in den Abgasweg (8) entsprechend der vom NOX-Gassensor (11) festgestellten NOX- Gasmenge, so daß der Wirkungsgrad des NOX- Katalysators verbessert wird.
2. Abgasemissionssteuervorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (16-19) zur Zuführung von Kraftstoff eines Kraftstofftanks (13) unmittelbar in den Abgasweg (8) in Abhängigkeit von der vom NOX-Gassensor (11) ermittelten NOX-Gasmenge.
3. Abgasemissionssteuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor (10) in Strömungsrichtung vor dem NOX-Katalysator (9) angeordnet ist, und der NOX-Gassensor (11) in Strömungsrichtung hinter dem NOX-Katalysator (9) angeordnet ist.
4. Abgasemissionssteuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor (10) und der NOX- Gassensor (11) in Strömungsrichtung vor dem NOX- Katalysator (9) angeordnet sind.
5. Abgasemissionssteuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die KW-Zufuhrvorrichtung (16-19) eine Patrone (16) zum Absorbieren von aus einem Kraftstofftank (13) verdampften Kraftstoffgas, sowie einen Weg zum Injizieren des verdampften Kraftstoffgases aus der Patrone (16) in einen Bereich in Strömungsrichtung vor dem NOX-Katalysator (9) im Abgasweg mit Hilfe eines Magnetventils (18) umfaßt, das ansprechend auf das Ausgangssignal vom NOX-Gassensor geregelt wird.
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