DE60104028T2

DE60104028T2 - Emissionsmindernde Abgasreinigungsanlage und Verfahren zur Einstellung des Kraftstoffeinspritzzeitpunktes

Info

Publication number: DE60104028T2
Application number: DE60104028T
Authority: DE
Inventors: Motoshi Aki-gun Kataoka; Tomomi Aki-gun Watanabe; Hiroshi Aki-gun Hayashibara; Tomoaki Aki-gun Saito; Terunori Aki-gun Kondou
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2000-02-23
Filing date: 2001-02-22
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2021-02-23
Also published as: DE60104028D1; EP1128051B1; JP4568991B2; JP2002195074A; EP1128051A2; EP1128051A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft emissionsmindernde Abgasreinigungsanlagen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 für eine Brennkraftmaschine, die in ein Kraftfahrzeug oder ähnliches eingebaut ist, sowie ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 14 zur Einstellung des Kraftstoffeinspritzzeitpunkts.
BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK
Die ungeprüfte japanische Patentschrift Nr. 9-317524 offenbart ein dem Stand der Technik entsprechendes Beispiel eines Stickoxidkatalysators für eine Brennkraftmaschine. Dieser Stickoxidkatalysator umfaßt einen Abgaskatalysator mit einer ersten Katalysatoreinheit, die vorne in einer Abgasleitung angeordnet ist, und einer zweiten Katalysatoreinheit, die dahinter angeordnet ist und mit der ersten Katalysatoreinheit in Reihe geschaltet ist, und der Motor weist eine erste Zylindergruppe auf, die vor der ersten Katalysatoreinheit mit der Abgasleitung verbunden ist, und eine zweite Zylindergruppe, die zwischen der ersten Katalysatoreinheit und der zweiten Katalysatoreinheit mit der Abgasleitung verbunden ist, wobei an ein Einspritzaggregat für jeden Zylinder ein Primärkraftstoffeinspritzungsbefehl zum Erzeugen von Motorleistung und ein Sekundärkraftstoffeinspritzungsbefehl zum Zuführen von Kohlenwasserstoffen (HC) gesendet wird, um die Menge des Kraftstoffs, der durch die Sekundärkraftstoffeinspritzung zugeführt wird, der Temperatur der ersten und zweiten Katalysatoreinheit entsprechend zu regeln, die von einem Katalysatortemperaturfühler erkannt wird, und dadurch die Stickoxid (NOx)-Umwandlungsrate zu maximieren und zugleich die Überhitzung der einzelnen Katalysatoreinheiten zu verhindern.
Die ungeprüfte japanische Patentschrift Nr. 8-261052 offenbart ein anderes Beispiel eines NOx-Katalysators nach dem Stand der Technik für eine Brennkraftmaschine, umfassend Einspritzaggregate, die für die einzelnen Zylinder vorgesehen sind, einen Abgaskatalysator, der in einer Abgasleitung vorgesehen ist, um NOx zu reduzieren, und einen Kraftstoffeinspritzungsregler zum Aktivie ren der Einspritzaggregate, wobei der Kraftstoffeinspritzungsregler Primärkraftstoffeinspritzungsbefehle an die Einspritzaggregate sendet, um in der Nähe des oberen Totpunkts im Verdichtungshub Kraftstoff zur Erzeugung von Motorleistung einzuspritzen, sowie Sekundärkraftstoffeinspritzungsbefehle, um während des Expansions- oder Auspuffhubs Kraftstoff einzuspritzen, um den Abgaskatalysator mit HC zu versorgen, derart, daß die Zahl der Sekundärkraftstoffeinspritzungsbefehle kleiner ist als die Zahl der Primärkraftstoffeinspritzungsbefehle, um dadurch eine zufriedenstelle NOx-Umwandlungsrate zu erreichen.
In den obigen Beispielen, die ausgelegt sind, um die NOx-Umwandlungsrate zu erhöhen und zugleich die Überhitzung der Katalysatoreinheiten (Abgaskatalysatoren) zu vermeiden, indem die Sekundäreinspritzung zusätzlich zur Primäreinspritzung durchgeführt wird, was den Betriebsbedingungen des Motors entsprechend erfolgt, um dadurch die HC-Menge im Abgas zu erhöhen, ist es möglich, NOx zu reduzieren, indem sie mit Reduktionsmitteln einschließlich HC zur Reaktion gebracht werden. Doch die NOx-Katalysatoren in diesen Beispielen des Stands der Technik weisen ein Problem auf, daß sie NOx nicht wirksam reduzieren können oder wirksam verhindern können, daß Ruß, der aus einem Aggregat aus Kohlepartikeln besteht, die in den Brennräumen des Motors erzeugt werden, an die Atmosphäre abgegeben werden, wenn die Katalysatoren noch kalt oder inaktiv sind oder wenn ihre Temperatur einen bestimmten Wert übersteigt.
Obwohl die Sekundärkraftstoffeinspritzung in den Beispielen aus dem Stand der Technik neben der Primärkraftstoffeinspritzung durchgeführt wird, um die Erwärmung der NOx-Katalysatoren zu beschleunigen, oder um auf der Basis einer Temperaturanstiegsrate der NOx-Katalysatoren eine Beurteilung über den Abbau ihrer Katalysatoren durchzuführen, weisen sie ein Problem auf, daß Ruß, der in den Brennräumen erzeugt wird, in die Abgasleitung strömt und die Rußmenge, die an die Atmosphäre abgegeben wird, zunimmt, wenn der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt ungeeignet ist.
Eine emissionsmindernde Abgasreinigungsanlage nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist aus der Patentschrift Nr. EP 0 826 B69 bekannt. Dieses Bezugsdokument aus dem Stand der Technik offenbart ein abgaserwärmendes System für eine Brennkraftmaschine, wobei eine Primärkraftstoffeinspritzung und eine Sekundärkraftstoffeinspritzung durchgeführt wird.
Um die Abgastemperatur zur Aktivierung des NOx-reinigenden Katalysators zu erhöhen, wird die Primärkraftstoffeinspritzung in einer Zeitperiode von einem Ansaughub bis zu einem Expansionshub durchgeführt, und danach wird die Sekundärkraftstoffeinspritzung an einem Zeitpunkt durchgeführt, der möglichst der letzte Abschnitt einer Zeitperiode ist, während welcher eine durch die Primärkraftstoffeinspritzung erzeugte Flamme bestehen bleibt.
Ferner offenbart die Patentschrift Nr. FR 2 782 124 eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung und mit einem Turbolader. Um die Erwärmungseigenschaften des Katalysators zu verbessern, wird eine Primärkraftstoffeinspritzung in einer Zeitperiode vom Ansaughub bis zu einem Expansionshub durchgeführt, und danach wird eine Sekundärkraftstoffeinspritzung auf solche Weise durchgeführt, daß der Zeitpunkt der Sekundärkraftstoffeinspritzung so angepaßt wird, daß eine Temperatur in einem Zylinder ein bestimmtes Niveau erreicht. Die Kraftstoffeinspritzungsmodi, die von diesen Patentschriften offenbart werden, können das Abgas jedoch nicht ausreichend genug reinigen, um zu verhindern, daß Roh-NOx und Ruß aus dem Motor austreten und an die Atmosphäre abgegeben werden.
Angesichts dieses Stands der Technik ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Bereitstellung einer verbesserten emissionsmindernden Abgasreinigungsanlage und eines verbesserten Verfahrens zur Einstellung des Kraftstoffeinspritzzeitpunkts, die es ermöglichen, Abgase wirkungsvoller zu reinigen.
Diese Aufgabe wird durch eine emissionsmindernde Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1 erreicht. Ferner wird diese Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 14 erreicht. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
Erfindungsgemäß umfaßt die obige emissionsmindernde Abgasreinigungsanlage einen Turbolader, der vom Abgas angetrieben wird, um den Motor mit vorverdichteter Ansaugluft zu versorgen, wobei der Sekundärkraftstoffeinspritz zeitpunkt in Bezug auf den Endzeitpunkt der Diffusionsverbrennung korrigiert wird, der aufgrund einer Vorverdichtungswirkung des Turboladers variiert.
In diesem Aufbau nimmt der Abgasdruck zu, wenn die Sekundärkraftstoffeinspritzung an einem spezifischen Zeitpunkt nach der Primärkraftstoffeinspritzung durchgeführt wird, und weil die Ansaugluftmenge aufgrund der Vorverdichtungswirkung des Turboladers zunimmt, wird die Verbrennung des Kohlerückstands, der im Brennraum verbleibt, beschleunigt, und die Erzeugung von Ruß wird auf effektive Weise unterdrückt.
Wenn der Endzeitpunkt der Diffusionsverbrennung aufgrund der Zunahme der Ansaugluftmenge vorgeschoben wurde, die durch die Vorverdichtungswirkung des Turboladers verursacht wurde, wird der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt so korrigiert, daß der Kraftstoff, der durch die Sekundäreinspritzung zugeführt wird, etwa am Endzeitpunkt der Diffusionsverbrennung verbrennt, der wegen der Vorverdichtungswirkung des Turboladers dazu tendiert, zu variieren.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung umfaßt die emissionsmindernde Abgasreinigungsanlage für eine Brennkraftmaschine ein Einspritzaggregat, um Kraftstoff in einen Brennraum einzuspritzen, eine Verbrennungssteuerung, um die Verbrennungsbedingungen des Kraftstoffs zu steuern, der vom Einspritzaggregat eingespritzt wird, einen NOx-Katalysator, der in einer Abgasleitung des Motors vorgesehen ist, um mindestens NOx umzuwandeln, einen Reduktionsmittelzusetzer, um die Menge des Reduktionsmittels im Abgas zu erhöhen, indem er das Einspritzaggregat dazu veranlaßt, den Kraftstoff an einem spezifischen Zeitpunkt während einer Periode von einem Expansionshub durch einen Auspuffhub hindurch einzuspritzen, und einen Aktivierungszustandsdetektor, um zu beurteilen, ob der NOx-Katalysator in seinem aktivierten Zustand ist, wobei der vom Reduktionsmittelzusetzer eingestellte Kraftstoffeinspritzzeitpunkt im Vergleich zu einem Fall, in dem der NOx-Katalysator im aktivierten Zustand ist, vorgeschoben wird, wenn der Aktivierungszustandsdetektor beurteilt, daß der NOx-Katalysator in seinem deaktivierten Zustand ist.
Da der Reduktionsmittelzusetzer in diesem Aufbau einen Regelvorgang durchführt, um den Einspritzzeitpunkt im Vergleich zu einem Fall, in dem der NOx-Katalysator im aktivierten Zustand ist, vorzuschieben, wenn beurteilt wird, daß der NOx-Katalysator in seinem deaktivierten Zustand ist, wird die NOx-Menge, die aus dem Brennraum austritt, reduziert, wodurch die NOx-Emissionen an die Atmosphäre unterdrückt werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung enthält der NOx-Katalysator einen NOx-reduzierenden Katalysator, der das Abgas reinigt, indem er die darin enthaltenen NOx durch eine Reaktion zwischen den NOx und dem Reduktionsmittel reduziert, die unter sauerstoffreichen Bedingungen auftritt, in denen die Sauerstoffkonzentration hoch ist.
In diesem Aufbau führt der Reduktionsmittelzusetzer einen Regelvorgang durch, um den Einspritzzeitpunkt im Vergleich zu dem Fall, in dem der NOx-Katalysator im aktivierten Zustand ist, vorzuschieben, wenn beurteilt wird, daß der NOx-Katalysator, der die NOx aufgrund einer Reaktion zwischen den NOx und dem Reduktionsmittel reduziert, in seinem deaktivierten Zustand ist. Dadurch wird die NOx-Menge, die aus dem Brennraum austritt, verringert, und insbesondere die NOx-Emissionen an die Atmosphäre werden unterdrückt.
Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfaßt der Reduktionsmittelzusetzer einen Sekundäreinspritzungsregler, der das Einspritzaggregat steuert, um die Sekundärkraftstoffeinspritzung an einem spezifischen Zeitpunkt nach der Primäreinspritzung des Kraftstoffs aus dem Einspritzaggregat während der Periode vom Expansionshub durch den Auspuffhub hindurch den Betriebsbedingungen des Motors entsprechend durchzuführen, wobei der Sekundäreinspritzungsregler den Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt innerhalb einer Periode vom Punkt der Primärkraftstoffeinspritzung bis zu einem Kurbelwinkel von 60° nach dem oberen Totpunkt im Verdichtungshub vorschiebt, wenn der Aktivierungszustandsdetektor beurteilt, daß der NOx-reduzierende Katalysator im deaktivierten Zustand ist.
In diesem Aufbau schiebt der Reduktionsmittelzusetzer, der den Sekundäreinspritzungsregler umfaßt, den Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt innerhalb der Periode vom Punkt der Primärkraftstoffeinspritzung bis zu einem Kurbelwinkel von 60° nach dem oberen Totpunkt im Verdichtungshub vor, wenn beurteilt wird, daß der NOx-reduzierende Katalysator im deaktivierten Zustand ist. Dadurch wird die NOx-Menge, die aus dem Brennraum austritt, wirkungsvoll verringert, und die NOx-Emissionen an die Atmosphäre werden unterdrückt.
Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung führt der Sekundäreinspritzungsregler die Sekundärkraftstoffeinspritzung in Zeitabständen durch, die länger sind als die Periode eines einzelnen Verbrennungszyklus, wenn der Aktivierungszustandsdetektor beurteilt, daß der NOx-reduzierende Katalysator im deaktivierten Zustand ist.
In diesem Aufbau schiebt der Reduktionsmittelzusetzer, der den Sekundäreinspritzungsregler umfaßt, den Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt innerhalb der Periode vom Punkt der Primärkraftstoffeinspritzung bis zu einem Kurbelwinkel von 60° nach dem oberen Totpunkt im Verdichtungshub vor, wobei die Häufigkeit der Sekundäreinspritzung reduziert wird, indem die Einspritzdauer der Sekundärkraftstoffeinspritzung länger gemacht wird als die Periode eines einzigen Verbrennungszyklus, wenn beurteilt wird, daß der NOx-reduzierende Katalysator im deaktivierten Zustand ist. Dieser Ansatz trägt dazu bei, die NOx-Menge, die aus dem Brennraum austritt, noch wirkungsvoller zu verringern.
Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung erkennt der Aktivierungszustandsdetektor die Temperatur des NOx-reduzierenden Katalysators und beurteilt, daß der NOx-reduzierende Katalysator im deaktivierten Zustand ist, wenn die erkannte Temperatur größer oder gleich einer bestimmten Bezugstemperatur ist.
In diesem Ansatz wird der Sekundäreinspritzzeitpunkt auf einen spezifischen Punkt vorgeschoben und die Häufigkeit der Sekundäreinspritzungen wird reduziert, wenn der Aktivierungszustandsdetektor beurteilt, daß der NOx-reduzierende Katalysator im deaktivierten Zustand ist, wenn seine Temperatur größer oder gleich der Bezugstemperatur wird, wodurch die NOx-Menge, die aus dem Brennraum austritt, auf verringert wird und die NOx-Emissionen an die Atmosphäre unterdrückt werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein erster NOx-reduzierender Katalysator in der Abgasleitung vorgesehen, und ein zweiter NOx-reduzierender Katalysator, der aktiviert wird, wenn der erste NOx-reduzierende Katalysator in seinem deaktivierten Zustand ist, ist hinter dem ersten NOx-reduzierenden Katalysator vorgesehen.
In dieser Ausführungsform der Erfindung wird der Sekundäreinspritzzeitpunkt auf einen spezifischen Punkt vorgeschoben und die Häufigkeit der Sekundäreinspritzungen wird reduziert, wenn der Aktivierungszustandsdetektor beurteilt, daß der NOx-reduzierende Katalysator im deaktivierten Zustand ist, wenn seine Temperatur größer oder gleich der Bezugstemperatur wird. Dadurch wird gewährleistet, daß eine ausreichende Menge an Reduktionsmittel den ersten NOx-Katalysator durchläuft und dem zweiten NOx-Katalysator zugeführt wird, und der zweite NOx-Katalysator die NOx mit dem Reduktionsmittel wirkungsvoll reduzieren kann.
In jeder der obigen Ausführungsformen der Erfindung kann der NOx-Katalysator durch Aufbringen von katalytischem Metall auf Zeolith hergestellt werden.
Diesem Aufbau entsprechend können die NOx im Abgas selbst dann auf effektive Weise mit dem Reduktionsmittel reduziert werden, das in Poren innerhalb des Zeoliths eingeschossen ist, welches ein poröses Material ist, wenn die NOx-Umwandlungsrate des NOx-Katalysators mit dem NOx-reduzierenden Katalysator niedrig ist.
Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfaßt die emissionsmindernde Abgasreinigungsanlage für eine Brennkraftmaschine ein Einspritzaggregat, um Kraftstoff in einen Brennraum einzuspritzen, einen Primäreinspritzungsregler, um den Modus der Primärkraftstoffeinspritzung aus dem Einspritzaggregat den Betriebsbedingungen des Motors entsprechend zu steuern, und einen Sekundäreinspritzungsregler, um das Einspritzaggregat so zu steuern, daß es die Sekundärkraftstoffeinspritzung an einem spezifischen Zeitpunkt während einer Periode vom Punkt der Primärkraftstoffeinspritzung durch einen Expansionshub hindurch durchführt, und einen NOx-Katalysator, der in einer Abgasleitung des Motors vorgesehen ist, um mindestens NOx umzuwandeln, wobei die Sekundärkraftstoffeinspritzung an einem spezifischen Zeitpunkt nach der Primärkraftstoffeinspritzung während einer Periode zwischen Kurbelwinkeln von 30° und 60° nach dem oberen Totpunkt im Verdichtungshub durchgeführt wird, wenn der Motor unter Betriebsbedingungen ist, in denen die NOx-Menge, die an der Austrittsseite des NOx-Katalysators abgegeben wird, groß ist.
In diesem Aufbau wird die Sekundärkraftstoffeinspritzung während der Periode zwischen Kurbelwinkeln von 30° und 60° nach dem oberen Totpunkt im Verdichtungshub durchgeführt, wenn die NOx-Menge, die an der Austrittsseite des NOx-Katalysators abgegeben wird, groß ist, wodurch die Menge an Roh-NOx, die aus dem Brennraum in die Abgasleitung austritt, verringert wird. Infolgedessen werden NOx-Emissionen an die Atmosphäre selbst dann unterdrückt, wenn der NOx-Katalysator in seinem deaktivierten Zustand ist.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfaßt eine emissionsmindernde Abgasreinigungsanlage für eine Brennkraftmaschine ein Einspritzaggregat, um Kraftstoff in einen Brennraum einzuspritzen, einen Primäreinspritzungsregler, um den Modus der Primärkraftstoffeinspritzung zu steuern, die vom Einspritzaggregat an einem spezifischen Zeitpunkt während einer Periode von einem Ansaughub bis zu einem frühen Abschnitt des Expansionshubs den Motorbetriebsbedingungen entsprechend durchgeführt wird, und einen Sekundäreinspritzungsregler, um das Einspritzaggregat so zu steuern, daß es die Sekundärkraftstoffeinspritzung an einem spezifischen Zeitpunkt während einer Periode vom Punkt der Primärkraftstoffeinspritzung durch den Expansionshub hindurch durchführt, wobei der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt vom Sekundäreinspritzungsregler in Bezug auf den Endzeitpunkt der Diffusionsverbrennung eingestellt wird, der durch die Primärkraftstoffeinspritzung im Brennraum auftritt.
Da der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt in diesem Aufbau in Bezug auf den Endzeitpunkt der Diffusionsverbrennung eingestellt wird, der durch die Primärkraftstoffeinspritzung im Brennraum auftritt, wird die Kohle zusammen mit dem Kraftstoff verbrannt, der durch die Sekundäreinspritzung eingespritzt wird, unter Bedingungen, in denen die Kohle und der im Brennraum vorhandene Sauerstoff vorgemischt sind.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfaßt die obige emissionsmindernde Abgasreinigungsanlage ferner einen Verbrennungszustandsdiskriminator, um den Zustand der Diffusionsverbrennung zu unterscheiden, die durch die Primärkraftstoffeinspritzung im Brennraum auftritt, wobei der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt in Bezug auf den Endzeitpunkt der Diffusionsverbrennung eingestellt wird, der vom Verbrennungszustandsdiskriminator bestimmt wird.
In diesem Aufbau wird der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt in Bezug auf den Endzeitpunkt der Diffusionsverbrennung eingestellt, der vom Verbrennungszustandsdiskriminator bestimmt wird, auf der Basis eines Meßsignals von einem Drucksensor zum Erkennen des Drucks im Brennraum, eines Meßsignals von einem Temperatursensor zum Erkennen der Temperatur im Brennraum, eines Meßsignals von einem Verbrennungslichtsensor zum Erkennen eines hellen Lichts, das bei der Diffusionsverbrennung entsteht, oder eines Meßsignals von einem Sensor zum Erkennen der Menge an hochreaktivem elektrisch geladenen Wasserstoff und HC, die im Brennraum vorhanden sind. Diesem Ansatz entsprechend wird die Sekundärkraftstoffeinspritzung hinsichtlich der aktuellen Motorbetriebsbedingungen an einem optimalen Zeitpunkt durchgeführt, und die Menge der Rußemissionen wird auf effektive Weise reduziert.
Nach einer anderen Ausführungsform umfaßt die obige emissionsmindernde Abgasreinigungsanlage zudem einen Abgasrückführer, um einen Teil des Abgases zu einer Ansaugleitung rückzuführen, und einen Abgasrückführungsregler, um einen Rückkopplungsregelvorgang so durchzuführen, daß das Abgasrückführungsverhältnis, das vom Abgasrückführer bestimmt wird, einem Sollwert entspricht.
Wenn in diesem Aufbau aufgrund der Sekundärkraftstoffeinspritzung, die an einem spezifischen Zeitpunkt nach der Primärkraftstoffeinspritzung durchgeführt wird, der Abgasdruck steigt, und aufgrund der Vorverdichtungswirkung des Turboladers die Ansaugluftmenge zunimmt, führt der Abgasrückführungsregler den Rückkopplungsregelvorgang durch, um die Menge des Abgases, die zur Ansaugleitung rückgeführt wird, entsprechend zu erhöhen. Dadurch wird die Menge an Roh-NOx, die aus dem Brennraum austreten, wirkungsvoller reduziert.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfaßt die obige emissionsmindernde Abgasreinigungsanlage ferner einen NOx-Katalysator, der in der Abgasleitung der Brennkraftmaschine angeordnet ist, um mindestens NOx umzuwandeln, wobei der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt in Bezug auf den Endzeitpunkt der Diffusionsverbrennung eingestellt wird, die im Brennraum durch die Primärkraftstoffeinspritzung erfolgt, wenn der NOx-Katalysator in seinem deaktivierten Zustand ist.
In diesem Aufbau wird der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt in Bezug auf den Endzeitpunkt der Diffusionsverbrennung eingestellt, die im Brennraum durch die Primärkraftstoffeinspritzung erfolgt, wenn der NOx-Katalysator, der in der Abgasleitung der Brennkraftmaschine vorgesehen ist, im deaktivierten Zustand ist. Dadurch wird eine die Roh-NOx-Menge reduzierende Wirkung durch Erhöhung der Menge an hochreaktivem elektrisch geladenen Wasserstoff und HC im Brennraum und gleichzeitig eine die Rußmenge verringernde Wirkung durch beschleunigte Verbrennung des Kohlerückstands erreicht.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt so eingestellt, daß gewährleistet wird, daß dem NOx-Katalysator eine ausreichende Menge an Reduktionsmittel zugeführt wird, wenn der NOx-Katalysator in seinem aktivierten Zustand ist, und der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt wird in Bezug auf den Endzeitpunkt der Diffusionsverbrennung eingestellt, die durch die Primärkraftstoffeinspritzung im Brennraum durch Vorschieben des Primärkraftstoffeinspritzzeitpunkts auftritt, wenn der NOx-Katalysator in seinem deaktivierten Zustand ist.
In diesem Aufbau wird gewährleistet, daß dem NOx-Katalysator eine ausreichende Menge an Reduktionsmittel zugeführt wird, wenn der NOx-Katalysator in seinem aktivierten Zustand ist, so daß NOx-Emissionen an die Atmosphäre durch die NOx-umwandelnde Funktion des NOx-Katalysators unterdrückt werden. Und der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt wird so eingestellt, daß der Kraftstoff, der durch die Sekundärkraftstoffeinspritzung zugeführt wird, etwa am Endzeitpunkt der Diffusionsverbrennung verbrennt, wenn der NOx-Katalysator in seinem deaktivierten Zustand ist, so daß die Menge an Roh-NOx, die aus dem Brennraum in die Abgasleitung austritt, auf effektive Weise reduziert werden kann.
In jeder der obigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Kraftstoffmenge, die durch die Sekundäreinspritzung zugeführt wird, bevorzugt auf zwischen 0,2% und 50% der Gesamtmenge des eingespritzten Kraftstoffs geregelt sein.
Wenn die Sekundäreinspritzung innerhalb eines Bereichs von 0,2% bis 50% der Gesamtmenge des eingespritzten Kraftstoffs eingestellt ist, ist es möglich, die Rußemissionsmenge zu verringern, ohne daß der Kraftstoffverbrauch erhöht wird.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Einstellung des Kraftstoffeinspritzzeitpunkts in einem Motor, umfassend ein Einspritzaggregat, um Kraftstoff in einen Brennraum einzuspritzen, einen Primäreinspritzungsregler, um den Modus der Primärkraftstoffeinspritzung zu steuern, die vom Einspritzaggregat an einem spezifischen Zeitpunkt während einer Periode von einem Ansaughub bis zu einem frühen Abschnitt des Expansionshubs den Motorbetriebsbedingungen entsprechend durchgeführt wird, und einen Sekundäreinspritzungsregler, um das Einspritzaggregat so zu steuern, daß es an einem spezifischen Zeitpunkt während einer Periode vom Punkt der Primärkraftstoffeinspritzung durch den Expansionshub hindurch eine Sekundärkraftstoffeinspritzung durchführt, den Schritt des Einstellens des Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkts, mit Hilfe eines Sekundäreinspritzungsreglers, in Bezug auf den Endzeitpunkt der Diffusionsverbrennung, der durch die Primärkraftstoffeinspritzung im Brennraum auftritt.
Da in diesem Verfahren der Erfindung der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt in Bezug auf den Endzeitpunkt der Diffusionsverbrennung eingestellt wird, der durch die Primärkraftstoffeinspritzung im Brennraum auftritt, wird die Sekundärkraftstoffeinspritzung unter Bedingungen durchgeführt, in denen Kohle und Sauerstoff im Brennraum vorgemischt sind und zusammen mit dem Kraftstoff verbrannt werden. Dadurch kann die Erzeugung von Ruß, der aus einen Aggregat aus Kohlepartikeln besteht, wirksam unterdrückt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein allgemeines Konfigurationsdiagramm, das eine emissionsmindernde Abgasreinigungsanlage für eine Brennkraftmaschine nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
2 ist ein Flußdiagramm, das einen Abgasrückführungsregelvorgang zeigt;
3 ist eine graphische Darstellung eines Abbilds, das zur Einstellung eines Basisabgasrückführungsverhältnisses verwendet wird;
4 ist eine graphische Darstellung eines Abbilds, das zur Einstellung einer Sollfrischluftmenge verwendet wird;
5 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Rauchmenge und dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis zeigt;
6 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der NOx-Umwandlungsrate und der Katalysatortemperatur zeigt;
7 ist ein Flußdiagramm, das eine erste Hälfte eines Regelvorgangs zeigt, der von der emissionsmindernden Abgasreinigungsanlage der ersten Ausführungsform durchgeführt wird;
8 ist ein Flußdiagramm, das eine zweite Hälfte des Regelvorgangs zeigt, der von der emissionsmindernden Abgasreinigungsanlage der ersten Ausführungsform durchgeführt wird;
9 ist ein Graph, der ein Beispiel der Beziehung zwischen dem Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt und der Roh-NOx-Menge zeigt;
10 ist ein Graph, der Änderungen in der Roh-NOx-Menge zeigt, die beobachtet wurden, wenn die Häufigkeit der Sekundäreinspritzung verringert wurde;
11 ist ein Graph, der Änderungen in der Roh-NOx-Menge zeigt, die beobachtet wurden, wenn die Häufigkeit der Sekundäreinspritzung weiter reduziert wurde;
12 ist ein allgemeines Konfigurationsdiagramm, das eine emissionsmindernde Abgasreinigungsanlage für eine Brennkraftmaschine nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
13 ist ein Graph, der Änderungen der HC-Konzentration im Abgas zeigt, das einen NOx-reduzierenden Katalysator durchlaufen hat;
14 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der NOx-Umwandlungsrate und der Katalysatortemperatur zeigt;
15 ist ein allgemeines Konfigurationsdiagramm, das eine emissionsmindernde Abgasreinigungsanlage für eine Brennkraftmaschine nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
16 ist ein Flußdiagramm, das einen Regelvorgang zeigt, der in der emissionsmindernden Abgasreinigungsanlage der dritten Ausführungsform durchgeführt wird;
17A-17C sind Graphen, die Änderungen der Wärme-abgaberate in einem Brennraum zeigen;
18A-18C sind Graphen, die die Beziehung zwischen dem Sekundäreinspritzzeitpunkt und der erzeugten Rußmenge zeigen;
19A-19C sind Graphen, die die Beziehung zwischen dem Verhältnis der Kraftstoffmenge, die bei der Sekundäreinspritzung eingespritzt wird, zur Gesamtmenge des eingespritzten Kraftstoffs und der erzeugten Rußmenge zeigen.
20A-20C sind Graphen, die die Beziehung zwischen dem Sekundäreinspritzzeitpunkt und der erzeugten Menge an HC zeigen;
21A-21C sind Graphen, die die Beziehung zwischen dem Sekundäreinspritzzeitpunkt und dem Kraftstoffverbrauch zeigen;
22A-22C sind Graphen, die die Beziehung zwischen dem Sekundäreinspritzzeitpunkt und der NOx-Emissionsmenge zeigen; und
23A-23C sind Graphen, die die Beziehung zwischen dem Verhältnis der Kraftstoffmenge, die bei der Sekundäreinspritzung eingespritzt wird, zur Gesamtmenge des eingespritzten Kraftstoffs und dem Kraftstoffverbrauch zeigen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
1 zeigt eine emissionsmindernde Abgasreinigungsanlage für einen Dieselmotor, der in ein Kraftfahrzeug eingebaut ist, nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Ein Motorkörper 1 weist eine Vielzahl von Zylindern 2 auf (von denen nur einer dargestellt ist), und ein Kolben 3 ist in jedem Zylinder 2 eingepaßt, um darin auf solche Weise einen Brennraum 4 zu formen, daß der Kolben 3 sich im jeweiligen Zylinder hin- und herbewegen kann. Ein Einspritzaggregat 5 ist etwa im Zentrum des Oberteils des Brennraums 4 angeordnet, um mit einer spezifischen Zeitsteuerung Kraftstoff direkt in den Brennraum 4 einzuspritzen. Ferner ist in einem Kühlwassermantel (nicht gezeigt) des Motorkörpers 1 ein Wassertemperatursensor 18 zum Erkennen der Temperatur des Motorkühlwassers vorgesehen.
Die Einspritzaggregate 5 der einzelnen Zylinder 2 sind mit einer Common Rail 6 verbunden, die Hochdruckkraftstoff enthält. Die Common Rail 6 ist mit einem Drucksensor 6a zum Erkennen ihres inneren Kraftstoffdrucks (Common Rail-Druck) versehen, und eine Hochdruckkraftstoffpumpe 8, die von einer Kurbelwelle 7 angetrieben wird, ist mit der Common-Rail 6 verbunden. Die Hochdruckkraftstoffpumpe 8 hält den Kraftstoffdruck im Inneren der Common Rail 6, der vom Drucksensor 6a erkannt wird, auf 20 MPa oder mehr, wenn der Motor – im Leerlauf ist, und unter anderen Motorbetriebsbedingungen zum Beispiel auf 50 MPa oder mehr, indem sie den Kraftstoffversorgungsdruck regelt.
Die Kurbelwelle 7 ist mit einem Kurbelwellensensor 9 zum Erkennen des Rotationswinkels der Kurbelwelle 7 versehen. Der Kurbelwellensensor 9 besteht aus einer Meßplatte, die an einem Endabschnitt der Kurbelwelle 7 angeordnet ist, und einem elektromagnetischen Aufnehmer, der dem Außenumfang der Meßplatte gegenüberliegend angeordnet ist. Der elektromagnetische Aufnehmer erkennt den Durchgang von Vorsprüngen, die auf dem Außenumfang der Meßplatte geformt sind, und gibt ein Impulssignal aus.
Ein hinteres Ende einer Ansaugleitung 10, die mit dem Motorkörper 1 verbunden ist, zweigt an einem Ausgleichsbehälter, der nicht dargestellt ist, zu den einzelnen Zylindern 2 ab, und verzweigte Kanäle der Ansaugleitung 10 sind mit den Brennräumen 4 der einzelnen Zylinder 2 durch deren Einlaßkanäle verbunden. Der Ausgleichsbehälter ist mit einem Ansaugluftdrucksensor 10a versehen, um den Druck der Ansaugluft zu erkennen, die den Zylindern 2 zugeführt wird.
Ein Luftmengenmesser 11 zum Erkennen der Durchflußmenge der Ansaugluft, die in den Motorkörper 1 eingezogen wird, ein Vorverdichter 12, der von einer weiter unten beschriebenen Turbine 21 angetrieben wird, um die Ansaugluft zu verdichten, ein Zwischenkühler 13, um die vom Vorverdichter 12 verdichtete Ansaugluft zu kühlen, und eine Ansaugdrosselklappe 14 zum Ändern der Fläche des Ansaugluftstroms sind dieser Reihenfolge nach von ihrer vorderen Seite aus in der Ansaugleitung 10 vorgesehen.
Die Ansaugdrosselklappe 14 besteht aus einem Klappenventil, dessen Ventilelement (Scheibe) partiell ausgeschnitten ist und selbst in einem voll geschlossenen Zustand einen Durchlaß von Ansaugluft gestattet. Wie bei einem weiter unten beschriebenen Abgasrückführungsventil 24 (nachstehend AGR-Ventil genannt) wird die Öffnung der Ansaugdrosselklappe 14 geändert, wenn ein Unterdruck, der auf ein Membranstellglied 15 ausgeübt wird, durch ein unterdrucksteuerndes Magnetventil 16 reguliert wird. Die Ansaugdrosselklappe 14 ist mit einem Sensor zum Erkennen seiner Öffnung verbunden.
Ein vorderes Ende einer Abgasleitung 20, die mit dem Motorkörper 1 verbunden ist, zweigt zu den einzelnen Zylindern 2 ab, und verzweigte Kanäle der Abgasleitung 20 sind mit den Brennräumen 4 der einzelnen Zylinder durch deren Auslaßkanäle verbunden. Die Turbine 21, die von einen Abgasstrom gedreht wird, ein NOx-Katalysator 22, der aus einem NOx-reduzierenden Katalysator zum Reinigen des Abgases besteht, indem er mindestens die darin enthaltenen NOx reduziert, und ein NOx-Sensor 19 zum Erkennen der NOx-Konzentration im Abgas, das den NOx-Katalysator 22 durchlaufen hat, sind dieser Reihenfolge nach von ihrer vorderen Seite aus in der Abgasleitung 20 angeordnet.
Der aus dem NOx-reduzierenden Katalysator bestehende NOx-Katalysator 22 umfaßt einen Cordierit-Träger mit einer Wabenstruktur, in welcher eine Anzahl von Durchgangslöchern hergestellt sind, die in Richtung des Abgasstroms parallel zueinander verlaufen, mit zwei Katalysatorschichten, die die um die einzelnen Durchgangslöcher herum geformt sind. Das heißt, die Katalysator schichten werden geformt, indem Platin (Pt) und Rhodium (Rh) zum Beispiel auf MFI-Zeolith (ZSM5) aufgetragen werden, welches ein poröses Material ist, das als Träger dient.
Der NOx-Katalysator 22 ist so aufgebaut, daß er NOx im Abgas umwandelt, indem er sie mit Reduktionsmitteln zur Reaktion bringt, wenn ein Luft-Kraftstoff-Gemisch in den Brennräumen 4 mager ist und die Sauerstoffkonzentration im Abgas hoch ist, wie wenn die Sauerstoffkonzentration zum Beispiel 4% oder mehr beträgt. Es ist aber anzumerken, daß der NOx-Katalysator 22 dieser Ausführungsform selbst dann eine Funktion als Dreiwegekatalysator aufweist, wenn die Sauerstoffkonzentration niedrig ist.
Der Luftmengenmesser 11, der in der Ansaugleitung 10 vorgesehen ist, und die Turbine 21, die in der Abgasleitung 20 vorgesehen ist, bilden zusammen einen Turbolader 25, der aus einem Turbolader mit variabler Geometrie (VGT) besteht. Dieser Turbolader 25 ist so aufgebaut, daß er die Düsenquerschnittsfläche der Abgasleitung 20 variiert. Der Turbolader 25 ist mit einem Membranstellglied 30 versehen, um die Düsenquerschnittsfläche zu verändern, und mit einem Magnetventil 31, um einen Unterdruck zu regeln, der auf das Membranstellglied 30 ausgeübt wird.
Eine Abgasrückführungsleitung (nachstehend AGR-Leitung genannt) 23, um einen Teil des Abgases rückzuführen, ist vor der Turbine 21 mit der Abgasleitung 20 verbunden. Ein hinteres Ende der AGR-Leitung 23 ist hinter der Ansaugdrosselklappe 14 mit der Ansaugleitung 10 verbunden. Das obige vakuumbetriebene AGR-Ventil 24, dessen Öffnung regulierbar ist, ist in der AGR-Leitung 23 in der Nähe ihres hinteren Endes vorgesehen. Das AGR-Ventil 24 und die AGR-Leitung 23 bilden zusammen die Abgasrückführungsanlage 33.
Ein nicht dargestelltes Ventilelement des AGR-Ventils 24 wird durch eine Feder in eine Schließrichtung vorgespannt und durch ein Membranstellglied 24a in eine Öffnungsrichtung vorgespannt, wodurch das AGR-Ventil 24 die Öffnung der AGR-Leitung 23 linear anpaßt. Das heißt, eine Vakuumleitung 27 ist an einem Ende mit dem Membranstellglied 24a und am anderen Ende über ein unterdrucksteuerndes Magnetventil 28 mit einer Vakuumpumpe (Unterdruckquelle) 29 verbunden. Ein Unterdruck zum betreiben des AGR-Ventils 24 wird reguliert, indem das Magnetventil 28 die Vakuumleitung 27 öffnet oder sperrt, wodurch die Öffnung und Schließung des AGR-Ventils 24 bewirkt wird. Das AGR-Ventil 24 ist mit einem Hubsensor 26 zum Erkennen der Position seines Ventilelements verbunden.
Der Betrieb der Einspritzaggregate 5, der Hochdruckkraftstoffpumpe 8, der Ansaugdrosselklappe 14, des AGR-Ventils 24 und des Turboladers 25 wird durch Steuersignale gesteuert, die von einem elektronischen Steuergerät (nachstehend ECU genannt) 35 ausgegeben werden, das weiter unten beschrieben wird. Ausgangssignale des Drucksensors 6a, des Kurbelwinkelsensors 9, des Luftmengenmessers 11, des Kühlwassertemperatursensors 18 und eines Gaspedalsensors 32, der die Betätigungsmenge (Durchtrittsweite) eines Bremspedals erkennt, das von einem Fahrer betätigt wird, werden in das ECU 35 eingegeben.
Das ECU 35 umfaßt eine Verbrennungssteuerung 36 zum Steuern der Verbrennungsbedingungen des Kraftstoffs, um die benötigte Motorleistung zu erhalten, einen Aktivierungszustandsdetektor 37, um zu bestimmen, ob der NOx-Katalysator 22 bereits in einem aktivierten Zustand ist, einen Reduktionsmittelzusetzer 38, um die Menge solcher Reduktionsmittel wie HC, die dem NOx-Katalysator 22 zugeführt werden, zu erhöhen, und einen Abgasrückführungsregler 39 um die rückgeführte Abgasmenge zu steuern, indem das AGR-Ventil 24 den Motorbetriebsbedingungen entsprechend betrieben wird.
Ein Abgasrückführungsregelvorgang, der vom Abgasrückführungsregler 39 ausgeführt wird, wird nun Bezug nehmend auf ein in 2 gezeigtes Flußdiagramm beschrieben. Nach dem Start des Regelvorgangs im Flußdiagramm werden die Daten, die von den einzelnen Sensoren erkannt werden, in das ECU 35 eingegeben (Schritt S1). Der Abgasrückführungsregler 39 liest dann und auf der Basis der vom Gaspedalsensor 32 erkannten Gaspedalbetätigungsmenge und der anhand des Ausgangssignals vom Kurbelwellensensor 9 bestimmten Drehzahl ein vordefiniertes Abbild aus stellt den Motorbetriebsbedingungen entsprechend ein Basisabgasrückführungsverhältnis EGRb ein (Schritt S2). Hier bezieht sich Abgasrückführungsverhältnis auf das Verhältnis der Abgasmenge, die durch die AGR-Leitung 23 zur Ansaugleitung 10 rückgeführt wird, zur Gesamtmenge der Ansaugluft.
Das Abbild, das zur Einstellung des Basisabgasrückführungsverhältnisses EGRb verwendet wird, ist ein Abbild der Abgasrückführungsverhältnisse, die abhängig von der Gaspedalstellung und der Motordrehzahl empirisch erhalten wurden, wie in 3 gezeigt, wobei das Basisabgasrückführungsverhältnis EGRb unter niedrigen Lastbedingungen, wenn die Betätigungsmenge des Gaspedals klein ist, größere Werte annimmt. Das Abbild ist derart, daß das Basisabgasrückführungsverhältnis EGRb in einem Leerlaufbereich des Motors, der durch die Schraffierung in 3 angezeigt ist, kleinere Werte annimmt als unter mittleren Motorlastbedingungen.
Nach dem obigen Schritt S2 liest der Abgasrückführungsregler 39 auf der Basis einer Betätigungsmenge des Gaspedals und der Motordrehzahl ein vordefiniertes Abbild aus und stellt eine Sollfrischluftmenge q ein (Schritt S3). Die Frischluftmenge ist ein Wert, der erhalten wird, indem die Mengen des rückgeführten Abgases und des Blowby-Gases von der Gesamtmenge des Ansauggases, das in die Brennräume 4 eingeleitet wird, subtrahiert werden, und wird auf der Basis des Ausgangssignals vom Luftmengenmesser 11 erhalten. Die Frischluftmenge steht in enger Beziehung zur Menge des rückgeführten Abgases. Als allgemeine Tendenz ist die Frischluftmenge um so kleiner, je größer die Menge des rückgeführten Abgases ist.
Das Abbild, das zum Einstellen der Sollfrischluftmenge q verwendet wird, ist ein Abbild der Sollfrischluftmengen, die abhängig von der Gaspedalbetätigungsmenge und der Motordrehzahl empirisch erhalten wurden, wie in 3 gezeigt, in welcher die Sollfrischluftmenge q um so größer ist, je größer die Betätigungsmenge des Gaspedals ist, und die Sollfrischluftmenge q um so größer ist, je höher die Motordrehzahl ist. Das Abbild ist derart, daß die Sollfrischluftmenge q im Leerlaufbereich des Motors, der durch die Schraffierung in 4 angezeigt ist, größere Werte annimmt als unter mittleren Motorlastbedingungen.
In einem Dieselmotor mit Direkteinspritzung ist es möglich, die Erzeugung von NOx durch Erhöhung des Abgasrückführungsverhältnisses zu unterdrücken. Eine Zunahme im Abgasrückführungsverhältnis hat eine Abnahme des durchschnittlichen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses (fetteres Luft-Kraftstoff-Gemisch) in den Brennräumen 4 zur Folge. Die Rauchmenge (Rußmenge) weist die Tendenz auf, schnell zuzunehmen, wenn sich das durchschnittliche Luft/Kraftstoff-Verhältnis dem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis nähert, wie in 5 dargestellt. Daher sind die Abbilder, die in den obigen Schritten S2 und S3 zur Einstellung des Basisabgasrückführungsverhältnises EGRb und der Sollfrischluftmenge q verwendet werden, derart, daß das durchschnittliche Luft/Kraftstoff-Verhältnis in den Brennräumen 4 auf einen möglichst kleinen Wert innerhalb eines Bereichs eingestellt wird, in dem die Rauchmenge nicht schnell zunimmt, wie zum Beispiel durch A/F*1 in 5 angezeigt.
Im Leerlaufbereich wird in den jeweiligen Abbildern (2 und 3) das Basisabgasrückführungsverhältnis EGRb auf einen kleineren Wert eingestellt, und die Sollfrischluftmenge q wird auf einen größeren Wert eingestellt, wodurch das Luft/Kraftstoff-Verhältnis im Brennraum 4 viel höher wird als A/F*1 (magereres Gemisch), wie durch A/F*2 in 5 angezeigt. Das heißt, wenn der Motor im Leerlauf ist, wird die Öffnung des AGR-Ventils 24 relativ klein gemacht, und wenn der Motor aus diesem Zustand zu einer Beschleunigungsphase übergeht, wird das AGR-Ventil 24 sofort geschlossen, so daß die Frischluftmenge, die in die Brennräume 4 eingeleitet wird, schnell erhöht werden kann. Dies trägt dazu bei, die Beschleunigungsleistung des Motors zu verbessern und verhindert, daß das Luft/Kraftstoff-Verhältnis während des Übergangs zur Beschleunigungsphase vorübergehend zu klein wird (ein fettes Gemisch erzeugt), um schließlich eine Zunahme der Rauchmenge während eines frühen Stadiums der Beschleunigung zu verhindern.
Nach dem obigen Schritt S3 liest der Abgasrückführungsregler 39 aus einem vordefinierten Abbild einen Rückkopplungskorrekturwert EGRf/b für das Abgasrückführungsverhältnis aus und stellt ihn auf der Basis einer Abweichung der Frischluftmenge ein, die erhalten wird, indem die Sollfrischluftmenge q von der Istfrischluftmenge subtrahiert wird, welche auf der Basis des Ausgangssignals des Luftmengenmessers 11 bestimmt wird (Schritt S4). Der Rückkopplungskorrekturwert EGRf/b wird so gesetzt, daß er einen negativen Wert annimmt, wenn die Sollfrischluftmenge q größer als die Istfrischluftmenge ist, und einen positiven Wert, wenn die Sollfrischluftmenge q kleiner ist als die Istfrischluftmenge. In beiden Fällen ist der Absolutwert des Rückkopplungskorrekturwerts EGRf/b um so größer, je größer die Abweichung der Frischluftmenge ist. Im obigen Abbild ist eine tote Zone in einem Bereich vorgesehen, in dem die Sollfrischluftmenge q nahe an der Istfrischluftmenge liegt.
Als nächstes wird der Rückkopplungskorrekturwert EGRf/b, der im obigen Schritt S2 gesetzt wurde, zum Basisabgasrückführungsverhältnis EGRb addiert, das im obigen Schritt S3 eingestellt wurde, um ein Sollabgasrückführungsverhältnis EGRt zu erhalten (Schritt S5). Dann gibt der Abgasrückführungsregler 39 ein dem Sollabgasrückführungsverhältnis EGRt entsprechendes Steuersignal an das Magnetventil 28 aus, um dadurch das AGR-Ventil 24 zu betreiben (Schritt S6) und beendet den Abgasrückführungsregelvorgang von 2.
In niedrigen Motorlastbereichen wird das Abgasrückführungsverhältnis grundsätzlich auf einen relativ großen Wert eingestellt, indem der oben beschriebene Abgasrückführungsregelvorgang ausgeführt wird, wodurch eine ausreichende Abgasrückführungsmenge gewährleistet wird und die vom Motor erzeugte NOx-Menge verringert wird. Mit zunehmender Motorlast wird das Abgasrückführungsverhältnis andrerseits auf progressiv kleinere Werte eingestellt, so daß die Frischluftmenge allmählich zunimmt, wodurch eine den Motorlastbedingungen entsprechende ausreichende Motorleistung erhalten wird. Wenn der Motor im Leerlauf ist, wird die Öffnung des AGR-Ventils 24 zudem relativ klein gemacht, wodurch eine vorübergehende Zunahme der Rauchmenge während des Übergangs zur Beschleunigungsphase verhindert wird.
Die Verbrennungssteuerung 36, die im ECU 35 vorgesehen ist, steuert die Menge und den Zeitpunkt der Primärkraftstoffeinspritzung aus den Einspritzaggregaten 5, den Common Rail-Druck oder Kraftstoffeinspritzdruck, der von der Hochdruckkraftstoffpumpe 8 reguliert wird, sowie die Ansaugluftmenge, die von der Ansaugdrosselklappe 14 den Motorbetriebsbedingungen entsprechend reguliert wird, um dadurch die Kraftstoffverbrennungsbedingungen so zu steuern, daß die benötigte Motorleistung erhalten wird.
Der Aktivierungszustandsdetektor 37 liest auf der Basis der Motordrehzahl, die aus dem Ausgangssignal vom Kurbelwinkelsensor 9 bestimmt wird, und der der Motorlast, die aus dem Ausgangssignal vom Gaspedalsensor 32 bestimmt wird, aus einem vordefinierten Abbild einen dem Motorbetriebszustand entsprechenden Schätzwert für die Temperatur des NOx-Katalysators 22 aus, oder schätzt die Temperatur des NOx-Katalysators 22 auf der Basis des Motorbetriebszustand und der Abgastemperatur, die von einem Abgastemperaturfühler (nicht gezeigt) erkannt wird, und beurteilt, ob der NOx-Katalysator 22 bereits in seinem aktivierten Zustand ist.
Das heißt, es wird beurteilt, daß der NOx-Katalysator 22 in seinem aktivierten Zustand ist, wenn die Temperatur des NOx-Katalysators 22 in einen Temperaturbereich R fällt, der in 6 gezeigt wird, wo die NOx-Umwandlungsrate größer oder gleich einem bestimmten Wert α ist, während beurteilt wird, daß der NOx-Katalysator 22 in seinem deaktivierten Zustand ist, wenn die Katalysatortemperatur höher oder niedriger als der Temperaturbereich R ist. Ein entsprechendes Beurteilungssignal wird an den Reduktionsmittelzusetzer 38 ausgegeben.
Der Reduktionsmittelzusetzer 38 ist im wesentlichen ein Sekundäreinspritzungsregler, der einen Regelvorgang zur Durchführung einer Sekundäreinspritzung ausführt, um den Kraftstoff an einem spezifischen Zeitpunkt während einer Periode von und einschließlich eines Expansionshubs, aber nach der Primäreinspritzung einzuspritzen, die von der Verbrennungssteuerung 36 durch einen Auspuffhub hindurch ausgeführt wird. Der Reduktionsmittelzusetzer 38 erhöht die Menge an Reduktionsmitteln wie z.B. HC oder Kohlenmonoxid (CO) und regelt den Sekundäreinspritzzeitpunkt abhängig davon, ob der NOx-Katalysator 22 bereits in seinem aktivierten Zustand ist.
Das heißt, wenn vom Aktivierungszustandsdetektor 37 beurteilt wird, daß der NOx-Katalysator 22 in seinem aktivierten Zustand ist, wird die Sekundärkraftstoffeinspritzung an einem spezifischen Zeitpunkt während einer Periode zwischen Kurbelwinkeln (CA) von 60° und 180° nach dem oberen Totpunkt (TDC) in einem Verdichtungshub durchgeführt, z.B. bei 90° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC. Die Sekundärkraftstoffeinspritzung wird in jedem aufeinanderfolgenden Verbrennungszyklus durchgeführt, um die Menge an Reduktionsmitteln wie HC und CO zu erhöhen, die aus den Brennräumen 4 in die Abgasleitung 20 abgegeben werden. Die Kraftstoffmenge, die durch die Sekundäreinspritzung zugeführt wird, ist auf etwa 0,5% bis 4% der Kraftstoffmenge eingestellt, die durch die Primäreinspritzung zugeführt wird.
Andernfalls, wenn vom Aktivierungszustandsdetektor 37 beurteilt wird, daß der NOx-Katalysator 22 in seinem deaktivierten Zustand ist, wird der Sekundäreinspritzzeitpunkt im Vergleich zu dem Fall, in dem der NOx-Katalysator 22 in seinem aktivierten Zustand ist, so vorgeschoben, daß die Sekundäreinspritzung des Kraftstoffs an einem spezifischen Zeitpunkt während einer Periode vom Punkt der Primärkraftstoffeinspritzung bis 60° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC durchgeführt wird, z.B. an einem spezifischen Zeitpunkt während einer Periode von 40° bis 50° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC, auf 45°(CA) nach dem Verdichtungshub-TDC zentrierend. In diesem Fall wird die Sekundärkraftstoffeinspritzung nicht in jedem aufeinanderfolgenden Verbrennungszyklus durchgeführt, sondern in Zeitabständen, die länger sind als die Periode des einzelnen Verbrennungszyklus. Das heißt, die Häufigkeit der Sekundärkraftstoffeinspritzung wird zum Beispiel auf einmal in jedem 25. Verbrennungszyklus reduziert. Die Kraftstoffmenge, die durch die Sekundäreinspritzung während einer gegebenen Zeitperiode eingespritzt wird, entspricht daher in diesem Fall der Gesamtmenge des Kraftstoffs, der durch die reduzierte Anzahl von Sekundäreinspritzungen eingespritzt wird.
Ein Regelvorgang, der in der erfindungsgemäßen emissionsmindernden Abgasreinigungsanlage durchgeführt wird, wird nun Bezug nehmend auf ein Flußdiagramm in 7 und 8 beschrieben. Nach dem Start des Regelvorgangs des Flußdiagramms werden die von den einzelnen Sensoren erkannten Daten in das ECU 35 eingegeben (Schritt S11). Dann werden die Primärkraftstoffeinspritzmenge Qb und die Primärkraftstoffeinspritzzeit Ib, die dem Motorbetriebszustand entsprechen, aus einem vordefinierten Abbild ausgelesen und eingestellt (Schritt S12).
Als nächstes wird eine Beurteilung durchgeführt, um zu bestimmen, ob der Motor in seinem Bereitschaftszustand ist (Schritt S13). Wenn das Beurteilungsergebnis in Schritt S13 verneinend ist, wird ein Verbrennungszyklus-Zählwert N auf 0 zurückgesetzt (Schritt S14). Wenn das Beurteilungsergebnis in Schritt S13 bejahend ist, wodurch bestätigt wird, daß der Motor in seinem Bereitschaftszustand ist, wird der Verbrennungszyklus-Zählwert N um 1 inkrementiert (Schritt S15), und eine weitere Beurteilung wird durchgeführt, um zu bestimmen, ob der Zählwert N gleich 25 ist (Schritt S16).
Wenn das Beurteilungsergebnis in Schritt S16 bejahend ist, wodurch bestätigt wird, daß der Zählwert N gleich 25 ist, wird der Zählwert N auf 0 zurückgesetzt (Schritt S17). In diesem Fall beurteilt der Aktivierungszustandsdetektor 37, ob der NOx-Katalysator 22 eine spezifische Temperatur erreicht oder überstiegen hat, bei der der NOx-Katalysator 22 in seinem aktivierten Zustand ist (Schritt S18), und die Sekundärkraftstoffeinspritzmenge Qp und der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt Ip, die diesem Beurteilungsergebnis entsprechen, werden eingestellt (Schritt S19).
Das heißt, wenn im obigen Schritt S18 beurteilt wird, daß der NOx-Katalysator 22 in seinem aktivierten Zustand ist, werden die Sekundärkraftstoffeinspritzmenge Qp und der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt Ip so eingestellt, daß die Sekundärkraftstoffeinspritzung in jedem aufeinanderfolgenden Verbrennungszyklus an einem spezifischen Zeitpunkt während der Periode zwischen 60° und 180° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC durchgeführt wird, z.B. bei 90° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC.
Andernfalls, wenn im obigen Schritt S18 beurteilt wird, daß der NOx-Katalysator 22 in seinem deaktivierten Zustand ist, werden die Sekundärkraftstoffeinspritzmenge Qp und der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt Ip so eingestellt, daß die Sekundärkraftstoffeinspritzung an einem spezifischen Zeitpunkt während der Periode vom Punkt der Primärkraftstoffeinspritzung bis 60° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC durchgeführt wird, z.B. bei 45° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC, in Zeitabständen, die länger sind als die Periode des einzelnen Verbrennungszyklus (zum Beispiel in jedem 25. Verbrennungszyklus).
Dann wird eine Beurteilung durchgeführt, um zu bestimmen, ob der aktuelle Zeitpunkt der Primärkraftstoffeinspritzzeitpunkt Ib ist (Schritt S20). Wenn das Beurteilungsergebnis in Schritt S20 bejahend ist, wird die die Primärkraftstoffeinspritzung ausgeführt (Schritt S21). Ferner wird eine Beurteilung durchgeführt, um zu bestimmen, ob die Sekundärkraftstoffeinspritzmenge Qp auf 0 eingestellt ist (Schritt S22). Wenn das Beurteilungsergebnis in Schritt S22 bejahend ist, wird der Regelvorgang von 7 und 8 beendet, ohne daß die Sekundärkraftstoffeinspritzung durchgeführt wird.
Wenn das Beurteilungsergebnis in Schritt S22 verneinend ist, was bestätigt, daß die Sekundärkraftstoffeinspritzmenge Qp auf einen spezifischen Wert eingestellt ist, wird eine Beurteilung durchgeführt, um zu bestimmen, ob der aktuelle Zeitpunkt der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt Ip ist (Schritt S23). Wenn das Beurteilungsergebnis in Schritt S22 bejahend ist, wird die die Sekundärkraftstoffeinspritzung ausgeführt (Schritt S24).
Wie so weit beschrieben, umfaßt die emissionsmindernde Abgasreinigungsanlage der vorliegenden Ausführungsform den NOx-Katalysator 22, der aus dem NOx-reduzierenden Katalysator besteht, der in der Abgasleitung 20 angeordnet ist, um mindestens NOx umzuwandeln, indem sie unter sauerstoffreichen Bedingungen, in denen die Sauerstoffkonzentration hoch ist, mit Reduktionsmitteln zur Reaktion gebracht werden, den Reduktionsmittelzusetzer 38, um die Menge an Reduktionsmitteln, die dem NOx-Katalysator 22 zugeführt werden, zu erhöhen, indem das Einspritzaggregat 5 dazu veranlaßt wird, die Sekundärkraftstoffeinspritzung an einem spezifischen Zeitpunkt während der Periode vom Expansionshub durch den Auspuffhub hindurch einzuspritzen, und einen Aktivierungszustandsdetektor 37, um zu beurteilen, ob der NOx-Katalysator 22 in seinem aktivierten Zustand ist, wobei der vom Magnetventil 28 gesteuerte Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt im Vergleich zu einem Fall, in dem der NOx-Katalysator 22 in seinem aktivierten Zustand ist, vorgeschoben wird, wenn der Aktivierungszustandsdetektor 37 beurteilt, daß der NOx-Katalysator 22 in seinem deaktivierten Zustand ist. Dieser Aufbau ermöglicht es, das Abgas auf effektive Weise zu reinigen, indem die NOx-Menge, die an die Atmosphäre abgegeben wird, unabhängig davon reduziert wird, ob die Temperatur des NOx-Katalysator 22 niedriger oder höher als seine Aktivierungstemperatur ist.
Es ist bekannt, daß der NOx-Katalysator 22, der NOx umwandelt, indem er sie unter sauerstoffreichen Bedingungen mit Reduktionsmitteln zur Reaktion bringt, eine maximale NOx-Umwandlungsrate entfaltet, wenn die Katalysatortemperatur einen bestimmten Wert erreicht, und mit einer Abnahme in der NOx-Umwandlungsrate inaktiv wird, wenn die Katalysatortemperatur unter den Punkt der maximalen NOx-Umwandlungsrate abfällt oder über diesen hinausgeht, wie in 6 gezeigt.
Wenn beurteilt wird, daß der NOx-Katalysator 22 in seinem deaktivierten Zustand ist, kann die NOx-Menge, die aus dem Motor austritt, verringert werden, indem der Zeitpunkt der Sekundärkraftstoffeinspritzung aus dem Einspritzaggregat 5, die nach der Primärkraftstoffeinspritzung den Betriebsbedingungen des Motors entsprechend durchgeführt wird, im Vergleich zu dem Fall, in dem der NOx-Katalysator 22 im aktivierten Zustand ist, vorgeschoben wird. Dadurch ist es möglich, die NOx-Menge, die an die Atmosphäre abge geben wird, selbst dann auf effektive Weise zu verringern, wenn der NOx-Katalysator 22 im deaktivieren Zustand ist.
Es wurde ein Versuch mit der emissionsmindernden Abgasreinigungsanlage dieser Ausführungsform und dem Motor angestellt, der geregelt wurde, um bei etwa 1500 U/min unter Hochlastbedingungen zu laufen. In diesem Versuch wurde die Sekundärkraftstoffeinspritzung in jedem aufeinanderfolgenden Verbrennungszyklus durchgeführt, wobei der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt Ip in inkrementellen Schritten von 120° bis 30° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC vorgeschoben wurde, und wenn vom Start der Sekundärkraftstoffeinspritzung an 30 Sekunden abgelaufen waren, wurde ein Durchschnittswert der aus den Brennräumen 4 austretenden NOx-Menge (nachstehend Roh-NOx-Menge genannt) gemessen. 9 zeigt die Daten, die bei diesem Versuch erhalten wurden. Aus 9 ist zu ersehen, daß die Roh-NOx-Menge, die austritt, wenn die Sekundärkraftstoffeinspritzung bei 120° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC durchgeführt wird, etwa der Roh-NOx-Menge entspricht, die austritt, wenn die Sekundärkraftstoffeinspritzung nicht durchgeführt wird, welche durch eine Linie β in 9 dargestellt wird, wogegen die Roh-NOx-Menge graduell abnimmt, wenn der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt Ip progressiv vorgeschoben wird.
Wenn die Sekundärkraftstoffeinspritzung dementsprechend in jedem 5. Verbrennungszyklus (in Abständen von etwa 0,4 Sekunden) und in jedem 25. Verbrennungszyklus (in Abständen von etwa 2,0 Sekunden) bei vorgeschobenem Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt Ip durchgeführt wurde, wurden jeweils Daten wie in 10 und 11 gezeigt erhalten. Aus 10 und 11 ist auch zu ersehen, daß die Roh-NOx-Menge selbst dann durch Vorschieben des Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkts Ip verringert werden kann, wenn die Häufigkeit der Sekundärkraftstoffeinspritzung verringert wird.
Es hat sich ergeben, daß eine die Roh-NOx-Menge senkende Wirkung wirkungsvoll erhalten wird, wenn der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt Ip innerhalb der Periode vom Punkt der Primärkraftstoffeinspritzung, wo der Kraftstoff in der Nähe des Verdichtungshub-TDC bis zu 60° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC eingestellt wird, und insbesondere, daß die aus den Brennräumen 4 austretende Roh-NOx-Menge erheblich reduziert werden kann, wenn der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt Ip nahe an 45° (CA) nach dem Verdich tungs-hub-TDC eingestellt wird, z.B. innerhalb einer Periode von etwa 40° bis 50° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC, und die Sekundärkraftstoffeinspritzung in jedem 25. Verbrennungszyklus (in Abständen von etwa 2,0 Sekunden) durchgeführt wird, wie in 11 gezeigt.
Es wird angenommen, daß der Grund, weshalb die aus den Brennräumen 4 austretende Roh-NOx-Menge reduziert werden kann, indem der vom Reduktionsmittelzusetzer 38, der im wesentlichen aus dem Sekundäreinspritzungsregler besteht, gesteuerte Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt Ip zum Beispiel auf die Periode vom Punkt der Primärkraftstoffeinspritzung bis zu 60° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC vorgeschoben wird, darin besteht, daß der Einfluß der Kraftstoffdruckschwankungen innerhalb der Common Rail 6, die durch Durchführung der Sekundärkraftstoffeinspritzung in einer frühen Periode nach der Primärkraftstoffeinspritzung erzeugt wird, eine Wirkung auf die Primärkraftstoffeinspritzung aufweist, die eine Abnahme der Kraftstoffmenge zur Folge hat, die durch die Primärkraftstoffeinspritzung zugeführt wird. Es wird auch angenommen, daß die Roh-NOx-Menge abnimmt, weil eine große Menge an Inertgasen wie z.B. Kohlendioxid (CO₂), die durch Nachverbrennung erzeugt werden, durch die AGR-Leitung 23 in die Ansaugleitung 10 zurückströmt. Die Inertgase werden in großen Mengen rückgeführt, weil die Nachverbrennung des Kraftstoffs, der durch die Sekundäreinspritzung zugeführt wird, leicht auftritt, wenn der Sekundäreinspritzzeitpunkt Ip vorgeschoben wird.
Wenn die Sekundärkraftstoffeinspritzung in Zeitintervallen durchgeführt wird, die länger sind als die Periode des einzelnen Verbrennungszyklus, wie z.B. in jedem 5. Verbrennungszyklus (in Abständen von etwa 0,4 Sekunden) oder in jedem 25. Verbrennungszyklus (in Abständen von etwa 2,0 Sekunden), bevorzugt in jedem 10. Verbrennungszyklus (in Abständen von etwa 0,8 Sekunden) bis zu jedem 25. Verbrennungszyklus (in Abständen von etwa 2,0 Sekunden), und die Kraftstoffmenge, die in einem Zyklus der Sekundäreinspritzung zugeführt wird, auf 0,2% bis 7%, bevorzugt auf 0,2% bis 5% der Kraftstoffmenge eingestellt ist, die durch die Primäreinspritzung zugeführt wird, wenn der NOx-Katalysator 22 in seinem deaktivierten Zustand ist, kann die Roh-NOx- Menge, die aus den Brennräumen 4 austritt, wirkungsvoller reduziert werden, wie in 10 und 11 gezeigt. Daher weist die emissionsmindernde Abgasreinigungsanlage der Ausführungsform den Vorteil auf, daß sie die NOx-Menge, die an die Atmosphäre abgegeben wird, wirkungsvoller reduzieren kann.
12 ist ein allgemeines Konfigurationsdiagramm, das eine emissionsmindernde Abgasreinigungsanlage nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt, umfassend einen ersten NOx-Katalysator 22a, der in der Abgasleitung 20 vorgesehen ist, und einen zweiten NOx-Katalysator 22b, der hinter dem ersten NOx-Katalysator 22a angeordnet ist und aktiv wird, wenn der erste NOx-Katalysator 22a in seinem deaktivierten Zustand ist. In 12 werden Elemente, die den in 1 gezeigten entsprechen, durch gleiche Bezugszeichen angezeigt.
In dieser zweiten Ausführungsform, in welcher der erste NOx-Katalysator 22a, der eine relativ niedrige Aktivierungstemperatur aufweist, vor dem zweiten NOx-Katalysator 22b angeordnet ist, der eine relativ hohe Aktivierungstemperatur aufweist, wird vorzugsweise der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt vorgeschoben und die Sekundärkraftstoffeinspritzung in längeren Zeitintervallen durchgeführt als die Periode eines einzelnen Verbrennungszyklus, z.B. in jedem 25. Verbrennungszyklus (in Abständen von etwa 2,0 Sekunden), wenn der Aktivierungszustandsdetektor 37 erkannt hat, daß die Temperatur des ersten NOx-Katalysator 22a auf der vorderen Seite höher ist als eine Bezugstemperatur, bei welcher er im aktivierten Zustand ist.
Es wurden Versuche mit der emissionsmindernden Abgasreinigungsanlage der zweiten Ausführungsform angestellt. Diese umschlossen einen ersten Versuch A, bei dem die Sekundärkraftstoffeinspritzung in jedem aufeinanderfolgenden Verbrennungszyklus am Punkt von 90° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC durchgeführt wurde, einen zweiten Versuch B, bei dem die Sekundärkraftstoffeinspritzung in jedem 25. Verbrennungszyklus am Punkt von 90° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC durchgeführt wurde, und einen dritten Versuch C, bei dem die Sekundärkraftstoffeinspritzung in jedem 25. Verbrennungszyklus am Punkt von 45° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC durchgeführt wurde. In diesen Versuchen wurde die HC-Menge hinter dem NOx-reduzierenden Katalysator gemessen, und Daten wie in 13 gezeigt wurden erhalten.
Die in 13 gezeigten Daten ergaben, daß die HC-Menge hinter dem NOx-reduzierenden Katalysator im dritten Versuch C, bei dem die Sekundärkraftstoffeinspritzung in jedem 25. Verbrennungszyklus am Punkt von 45° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC durchgeführt wurde, im Vergleich zum ersten und zweiten Versuch A, B erheblich höher war. Es wird angenommen, daß diese Zunahme in der HC-Menge darauf zurückzuführen ist, daß in der Abgasleitung 20 erhebliche Druckschwankungen auftreten, wenn die Nachverbrennung des Kraftstoffs beschleunigt wird, indem der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt auf einen spezifischen Zeitpunkt während der Periode von der Primärkraftstoffeinspritzung bis 60° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC vorgeschoben wird, z.B. auf 45° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC, und die Kraftstoffmenge, die durch ein Zyklus der Sekundärkraftstoffeinspritzung zugeführt wird, erhöht wird, indem die Sekundärkraftstoffeinspritzung in längeren Zeitintervallen als die Periode des einzelnen Verbrennungszyklus durchgeführt wird, was zur Folge hat, daß an Punkten mit hohem Abgasdruck große Mengen an HC zur hinter dem NOx-reduzierenden Katalysator liegenden Seite strömt.
In einem Motor, bei dem der zweite NOx-Katalysator 22b mit einer hohen Aktivierungstemperatur hinter dem ersten NOx-Katalysator 22a vorgesehen ist, ist es daher möglich, große Mengen an HC und anderen Bestandteilen zur hinter dem ersten NOx-Katalysator 22a liegenden Seite strömen zu lassen, wenn der erste NOx-Katalysator 22a im deaktivierten Zustand ist und seine Temperatur die Aktivierungstemperatur übersteigt, und diese Bestandteile dem zweiten NOx-Katalysator 22b zuzuführen, indem der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt zum Beispiel innerhalb eines Temperaturbereichs T3, der in 14 gezeigt wird, auf einen spezifischen Zeitpunkt während der Periode vom Punkt der Primärkraftstoffeinspritzung bis 60° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC vorgeschoben wird, und die Sekundärkraftstoffeinspritzung in längeren Zeitintervallen als die Periode des einzelnen Verbrennungszyklus durchgeführt wird. Da der zweite NOx-Katalysator 22b NOx mit Hilfe von HC und anderen Bestandteilen reduziert, ist es möglich, die NOx-Menge, die an die Atmosphäre abgegeben wird, auf effektive Weise zu reduzieren.
In einem Temperaturbereich T1 andrerseits, in dem der erste NOx-Katalysator 22a im deaktivierten Zustand ist und seine Temperatur niedriger als seine Aktivierungstemperatur ist, wird der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt auf einen spezifischen Zeitpunkt vorgeschoben, und die Sekundärkraftstoffeinspritzung wird in jedem aufeinanderfolgenden Verbrennungszyklus oder in längeren Zeitintervallen als die Periode des einzelnen Verbrennungszyklus durchgeführt. Und in einem Temperaturbereich T2, in welchem der erste NOx-Katalysator 22a im aktivierten Zustand ist, wird die Sekundärkraftstoffein spritzung während einer Periode vom Punkt der Primärkraftstoffeinspritzung bis 90° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC in jedem aufeinanderfolgenden Verbrennungszyklus auf normale Weise durchgeführt, wodurch HC und andere Bestandteile, die als Reduktionsmittel wirken, dem ersten NOx-Katalysator 22a zugeführt werden. Alternativ dazu kann zwischen dem Temperaturbereich T2, in dem der erste NOx-Katalysator 22a in seinem aktivierten Zustand ist, und dem Temperaturbereich T3, in dem der zweite NOx-Katalysator 22b im aktivierten Zustand ist, ein ungeregelter Temperaturbereich vorgesehen werden, in dem die Sekundärkraftstoffeinspritzung nicht durchgeführt wird.
Die obigen emissionsmindernden Abgasreinigungsanlagen der ersten und zweiten Ausführungsform sind so aufgebaut, daß sie die Menge an Reduktionsmitteln im Abgas erhöhen, indem sie die Sekundärkraftstoffeinspritzung an einem spezifischen Zeitpunkt während der Periode vom Expansionshub durch den Auspuffhub hindurch durchführen. Dieser Aufbau kann so modifiziert werden, daß die Menge an Reduktionsmitteln erhöht wird, indem der Zeitpunkt der Primärkraftstoffeinspritzung, der den Motorlastbedingungen entsprechend eingestellt wird, verzögert wird, und die Roh-NOx-Menge reduziert wird, indem der Verzögerungsbetrag der Primärkraftstoffeinspritzung verringert wird, um den Primärkraftstoffeinspritzzeitpunkt im Vergleich zu seiner Einstellung unter Normalbedingungen vorzuschieben, wenn der Aktivierungszustandsdetektor 37 beurteilt, daß der NOx-Katalysator 22 in seinem deaktivierten Zustand ist.
Dies bedeutet, daß die Menge an Reduktionsmitteln im Abgas erhöht werden kann, indem der Primärkraftstoffeinspritzzeitpunkt, der den Motorlastbedingungen entsprechend eingestellt wird, verzögert wird und dadurch die Menge an unverbrannten Kraftstoffbestandteilen wie z.B. HC und CO, die aus den Brennräumen 4 austreten, erhöht werden kann. In diesem Fall ist es vorzuziehen, wenn vor der Primärkraftstoffeinspritzung, zum Beispiel während einer ersten Hälfte des Ansaughubs, eine Voreinspritzung einer kleinen Menge an Kraftstoff durchgeführt wird, um die Verschlechterung der Entzündlichkeit des Kraftstoffs zu verhindern.
Wenn der Aktivierungszustandsdetektor 37 bestimmt, daß der NOx-Katalysator 22 in seinem deaktivierten Zustand ist, ist es möglich, die Roh-NOx-Menge zu verringern, indem der Primärkraftstoffeinspritzzeitpunkt im Vergleich zu seiner Einstellung unter Normalbedingungen vorgeschoben wird, das heißt, indem der Verzögerungsbetrag des Primärkraftstoffeinspritzzeitpunkts verringert wird, und zum Beispiel die Menge der Inertgase erhöht wird, die durch die AGR-Leitung 23 zur Ansaugleitung 10 rückgeführt wird. Daher ist es auch in diesem modifizierten Aufbau möglich, die NOx-Menge, die an die Atmosphäre abgegeben wird, zu verringern.
Da der NOx-Katalysator 22 (erster und zweiter NOx-Katalysator 22a und 22b), der hergestellt wird, indem ein katalytisches Metall einschließlich Platin auf ein Zeolith wie z.B. ein MFI-Zeolith, welches ein poröses Material ist, aufgetragen wird, in der Abgasleitung 20 der obigen ersten und zweiten Ausführungsform vorgesehen ist, liegt ein Vorteil vor, daß die NOx im Abgas mit Hilfe von Reduktionsmitteln wie z.B. HC, die in Poren innerhalb des Zeoliths eingeschlossen sind, selbst dann wirkungsvoll verringert werden können, wenn der NOx-reduzierende Katalysator während des normalen Motorbetriebs unter sauerstoffreichen Bedingungen ist, oder wenn der NOx-reduzierende Katalysator wegen einer niedrigen Katalysatortemperatur im deaktivierten Zustand ist.
Auch wenn die obige erste und zweite Ausführungsform Beispiele behandelt haben, in denen der NOx-Katalysator 22 (erster und zweiter NOx-Katalysator 22a, 22b), der aus dem NOx-reduzierenden Katalysator besteht, in der Abgasleitung 20 angeordnet ist, ist die vorliegende Erfindung auch auf einen Motor mit einem NOx-Katalysator anwendbar, der zum Beispiel aus einem NOx-einfangenden Katalysator besteht, der ein Erdalkalimetall wie z.B. Barium (Ba) und ein Edelmetall wie z.B. Platin (Pt) enthält, der unter sauerstoffreichen Bedingungen NOx absorbiert und unter reduktionsmittelreichen Bedingungen NOx freisetzt. Diese Alternative ist darin vorteilhaft, daß die NOx-Emission an die Atmosphäre auf effektive Weise verhindert werden kann, wenn die Temperatur des NOx-einfangenden Katalysators höher ist als eine spezifische hohe Temperatur oder niedriger ist als eine spezifische niedrige Temperatur, die eine Verschlechterung seiner NOx-einfangenden Leistung zur Folge hat.
15 ist ein allgemeines Konfigurationsdiagramm, das eine emissionsmindernde Abgasreinigungsanlage nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt. In einem Dieselmotor, der Einspritzaggregate 5 aufweist, um Kraftstoff in die einzelnen Brennräume 4 einzuspritzen, ist ein Primäreinspritzungsregler 40 vorgesehen, um Kraftstoff in die einzelnen Brennräume 4 einzuspritzen, ein Primäreinspritzungsregler 40, um den Modus der Primärkraft stoffeinspritzung aus den Einspritzaggregaten 5 den Betriebsbedingungen des Motors entsprechend durchzuführen, einen Sekundäreinspritzungsregler 41, um die Einspritzaggregate 5 so zu steuern, daß die Sekundärkraftstoffeinspritzung an einem spezifischen Zeitpunkt während einer Periode vom Punkt der Primärkraftstoffeinspritzung durch einen Expansionshub hindurch durchgeführt wird, und einen NOx-Katalysator 22, bestehend zum Beispiel aus einem NOx-reduzierenden Katalysator oder aus einem NOx-einfangenden Katalysator, der in einer Abgasleitung 20 des Motors vorgesehen ist, um die Menge der an die Atmosphäre abgegebenen NOx zu verringern, wobei die emissionsmindernde Abgasreinigungsanlage der dritten Ausführungsform so aufgebaut ist, daß die NOx-Emissionen an die Atmosphäre verringert werden, indem die Sekundärkraftstoffeinspritzung an einem spezifischen Zeitpunkt nach der Primärkraftstoffeinspritzung während einer Periode zwischen Kurbelwinkeln von 30° und 60° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC durchgeführt wird, wenn der Motor unter Betriebsbedingungen ist, in denen die Roh-NOx-Menge, die aus den Brennräumen 4 austritt, groß ist, wie z.B. wenn der Motor unter mittleren oder höheren Last- und Drehzahlbedingungen ist, oder wenn der NOx-Katalysator 22 in seinem deaktivierten Zustand ist.
Im Dieselmotor, der in 15 gezeigt wird, ist es auch möglich, die Rußmenge zu reduzieren, die durch die Primärkraftstoffeinspritzung erzeugt wird, indem die Sekundärkraftstoffeinspritzung an einem spezifischen Zeitpunkt nach der Primärkraftstoffeinspritzung durchgeführt wird. Wenn der Motor unter solchen Betriebsbedingungen ist, daß die Rußmenge, die aus den Brennräumen 4 austritt, dazu neigt, groß zu sein, wie wenn der Motor unter mittleren bis höheren Lastbedingungen oder unter mittleren bis höheren Drehzahlbedingungen mit einer Motordrehzahl von 2000 U/min oder darüber ist, oder wenn der Motor mit einem Dieselpartikelfilter (DPF) versehen ist, der in der Abgasleitung 20 installiert ist, seine Filterleistung aber aufgrund der niedrigen Temperatur (300 °C oder weniger) noch gering ist, ist es möglich, die Rußmenge zu verringern, indem die Sekundärkraftstoffeinspritzung an einem spezifischen Zeitpunkt während einer Periode durchgeführt wird, die in Bezug auf den Zeitpunkt eingestellt wird, an dem die Diffusionsverbrennung des durch die Primärkraftstoffeinspritzung zugeführten Kraftstoffs endet (zwischen 30° und 60° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC, wenn die Motordrehzahl 1500 U/min oder mehr beträgt).
Die obige Primärkraftstoffeinspritzung bezieht sich auf die Kraftstoffeinspritzung, bei der die Kraftstoffmenge, die der benötigten Motorleitung oder mehr entspricht, an einem spezifischen Zeitpunkt vom Ansaughub durch einen frühen Abschnitt des Expansionshubs hindurch eingespritzt wird. Die Sekundärkraftstoffeinspritzung wird durchgeführt, um die Rußmenge zu reduzieren, die auftritt, wenn die Gesamtheit oder ein Teil des Kraftstoffs, der durch die Primärkraftstoffeinspritzung zugeführt wird, durch Diffusionsverbrennung verbrannt wird. Wenn die Primärkraftstoffeinspritzung während einer Periode von der Nachbarschaft des Verdichtungshub-TDC durch den frühen Abschnitt des Expansionshubs hindurch durchgeführt wird, wird der Kraftstoff unter niedrigen Lastbedingungen hauptsächlich durch Vormischverbrennung verbrannt, und unter anderen Bedingungen als niedrigen Lastbedingungen sowohl durch Vormischverbrennung als auch durch Diffusionsverbrennung.
Wenn die Primärkraftstoffeinspritzung während einer Periode vom Ansaughub bis zu einem Punkt vor dem Verdichtungshub-TDC durchgeführt wird, wird der Kraftstoff hauptsächlich durch Vormischverbrennung verbrannt, die keinen Ruß erzeugt. Wenn der Kraftstoff, der an den Wandflächen der Brennräume 4 haftet, sich aber in der Nähe des Verdichtungshub-TDC entzündet, tritt die Diffusionsverbrennung auf, die Ruß erzeugt. Selbst in solchen Fällen ist es möglich, die Rußmenge durch Durchführung der Sekundärkraftstoffeinspritzung zu verringern.
Obwohl die Primärkraftstoffeinspritzung, die in der vorstehenden Erörterung beschrieben wurde, nur einmal durchgeführt wird, kann sie auch in zwei oder mehr Zyklen aufgeteilt sein, einschließlich eines ersten Primärkraftstoffeinspritzzyklus, der an einem spezifischen Zeitpunkt während der Periode vom Ansaughub bis zu einem Punkt vor dem Verdichtungshub-TDC durchgeführt wird, und eines zweiten Primärkraftstoffeinspritzzyklus, der an einem spezifischen Zeitpunkt während der Periode von der Nähe des Verdichtungshub-TDC durch den frühen Abschnitt des Expansionshubs hindurch durchgeführt wird.
Der Aufbau und die Arbeitsweise der emissionsmindernden Abgasreinigungsanlage der dritten Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf 16 bis 23 spezifischer beschrieben. Bezug nehmend auf das Flußdiagramm in 16, werden die von den einzelnen Sensoren erkannten Daten in das ECU 35 eingegeben (Schritt S31). Dann werden die Primärkraftstoffeinspritzmenge Qb und der Primärkraftstoffeinspritzzeitpunkt Ib, die dem benötigten Motordrehmoment entsprechen, aus einem vordefinierten Abbild ausgelesen und eingestellt (Schritt 32), und eine Beurteilung wird durchgeführt, um zu bestimmen, ob der Motor in seinem Bereitschaftszustand ist (Schritt S33).
Wenn das Beurteilungsergebnis in Schritt S33 bejahend ist, beurteilt der Aktivierungszustandsdetektor 37, der im ECU 35 vorsehen ist, ob der NOx-Katalysator 22 eine bestimmte Temperatur oder darüber erreicht hat, bei welcher der NOx-Katalysator 22 in seinem aktivierten Zustand ist (Schritt S34). Wenn das Beurteilungsergebnis in Schritt S34 bejahend ist, wird eine Beurteilung durchgeführt, um zu bestimmen, ob der Motor unter mittleren oder höheren Lastbedingungen ist (Schritt S35). Wenn das Beurteilungsergebnis in Schritt S35 verneinend ist, wird eine weitere Beurteilung durchgeführt, um zu bestimmen, ob die Motordrehzahl (U/min) unter mittleren oder höheren Drehzahlbedingungen ist (Schritt S36).
Wenn das Beurteilungsergebnis in Schritt S34 verneinend ist, was bestätigt, daß der NOx-Katalysator 22 in seinem deaktivierten Zustand ist, wenn das das Beurteilungsergebnis in Schritt S35 bejahend ist, was bestätigt, daß der Motor unter mittleren bis höheren Lastbedingungen ist, oder wenn das Beurteilungsergebnis in Schritt S36 bejahend ist, was bestätigt, daß der Motor unter mittleren bis höheren Drehzahlbedingungen ist, werden die Sekundärkraftstoffeinspritzmenge Qp und der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt Ip, die dem Motorbetriebszustand entsprechen, aus einem vordefinierten Abbild ausgelesen und eingestellt (Schritt S37), wodurch der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt auf einen spezifischen Zeitpunkt nach der Primärkraftstoffeinspritzung während der Periode von 30° bis 60° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC eingestellt wird und der Fluß zu Schritt S38 übergeht, in welchem die Kraftstoffeinspritzung ausgeführt wird.
Wenn die emissionsmindernde Abgasreinigungsanlage so aufgebaut ist, daß die Sekundärkraftstoffeinspritzung nach der Primärkraftstoffeinspritzung zum Beispiel während der Periode von 30° bis 60° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC durchgeführt wird, tritt die Verbrennung des Kraftstoffs, der durch die Sekundäreinspritzung zugeführt wird, auf, wenn die Diffusionsverbrennung, die nach der Vormischverbrennung des Kraftstoffs auftritt, der den Brennräumen 4 durch die Primäreinspritzung zugeführt wird, beendet ist. Dadurch wird die Vermischung des Rußes und des Sauerstoffs, die am Ende der Diffusionsverbrennung in den Brennräumen 4 vorhanden sind, beschleunigt, und die Verbrennung durch die Sekundärkraftstoffeinspritzung beginnt in einem leicht entzündbaren Zustand, wodurch die Rußerzeugung unterdrückt werden kann.
Nun wird der Endzeitpunkt der Diffusionsverbrennung im einzelnen beschrieben. Der Endzeitpunkt der Diffusionsverbrennung wird auf der Basis der Wärmeabgaberate berechnet. Laut „Lectures on Internal-Combustion Engines" (verfaßt von Fujiwo Nagao und herausgegeben von Yokendo CO., Ltd.), wird die Wärmeabgaberate durch folgende Gleichung (1) ausgedrückt: dQ/dθ = A/(K(θ) – 1) × [V(θ)·(dP(θ)/dθ) + K(θ)·P(θ)·(dV(θ)/dθ)] (1)wobei A das mechanische Wärmeäquivalent, K(θ) das Verhältnis der spezifischen Wärmen, V(θ) das Hubvolumen, P(θ) der Druck in einem Zylinder, und B der Kurbelwinkel ist.
Laut einem Handbuch des Verbrennungsanalysators CB566, der von Ono Sokki Co., Ltd., hergestellt wird, wird das Verhältnis der spezifischen Wärmen K(θ) durch folgende Gleichungen (2) – (5) erhalten: K(θ) = Cp/Cv (2) Cp = ap + b(T(θ)/100) + c(T(θ)/100)2 + d(100/T(θ)) (3) Cv = Cp – (A·Ro)/M (4) T(θ) = (P(θ)·V(θ))/29,27·G (5)wobei Cp die isobare spezifische Wärme, Cv die isochore spezifische Wärme, Ro eine Gaskonstante, M das Molekulargewicht von Luft, T(θ) die Gastemperatur, G das Gasgewicht ist und ap, b, c und d andere Konstanten sind.
Aus den obigen Gleichungen (2)–(5) wird die Wärmeabgaberate dQ/dθ von Gleichung (1) als Funktion f(P(θ)), V(θ)) des Zylinderdrucks P(θ) und des Hubvolumens V(θ) ausgedrückt. Da das Hubvolumen V(θ) durch die folgende Gleichung (6) mit dem Durchmesser B und dem Hubweg S ausgedrückt wird, kann die Wärmeabgaberate dQ/dθ wie in Gleichung (7) gezeigt geschrieben werden: V(θ) = (π·B2S/8)·(1 – cos θ) (6) dQ/dθ = [f(P(θ + Δθ), V(θ + Δθ)) – f(P(θ), V(θ))]/Δθ (7)
Wenn Zylinderdruckdaten für jeden Kurbelwinkel verfügbar sind, ist es daher möglich, anhand dieser Daten die Wärmeabgaberate zu berechnen. 17A-17C sind eine graphische Darstellung der Wärmeabgaberate, die auf diese Weise erhalten wurde. Die Wärmeabgaberate nimmt zuerst aufgrund der Verbrennung, die durch die Primärkraftstoffeinspritzung bewirkt wird, einen großen positiven Wert an und fällt nach dem Ende der Diffusionsverbrennung auf null ab. Daher kann der Endzeitpunkt der Diffusionsverbrennung anhand des Zeitpunkts t1 erhalten werden, an dem die Wärmeabgaberate annähernd null wird.
Unter Berücksichtigung der Zündverzögerungszeit (z.B. etwa 0,4 bis 0,7 ms), die den Betriebsbedingungen des Motors entsprechend vordefinierten ist, der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt um so viel wie die Zündverzögerungszeit vom Zeitpunkt t1 vorgeschoben, an dem die Wärmeabgaberate annähernd null wird, so daß die Verbrennung aufgrund der Sekundärkraftstoffeinspritzung in der Nähe des Zeitpunkts t1 gestartet werden kann, der wie oben in der vorliegenden Ausführungsform beschrieben berechnet wurde.
Auch wenn die oben erwähnte Zündverzögerungszeit mit dem Verdrängungsvolumen des Motors und dem Kraftstoffeinspritzdruck variiert, beträgt sie etwa 0,4 bis 0,7 ms, wenn das Verdrängungsvolumen 1000 bis 3000 cm³ und der Kraftstoffeinspritzdruck 50 bis 200 MPa beträgt. Die obige Zündverzögerungszeit ist länger als die Zündverzögerungszeit (0,1 bis 0,3 ms), die auftritt, wenn die Primärkraftstoffeinspritzung am Verdichtungshub-TDC durchgeführt wird. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Sekundärkraftstoffeinspritzung durchgeführt wird, wenn die Temperatur in den Zylindern 2 relativ niedrig ist.
Das ECU 35 speichert den Ausgabezeitpunkt eines Einspritzsteuersignals an jedes Einspritzaggregat 5, wobei der Ausgabezeitpunkt unter Berücksichtigung der obigen Zündverzögerungszeit sowie der Totzeit (Steuerverzögerungzeit) vom Zeitpunkt an, an dem Signal zum Öffnen/Schließen des Einspritzaggregats ausgegeben wird, bis zu dem Zeitpunkt, an dem die Kraftstoffeinspritzung tatsächlich beginnt, bestimmt wird.
Angenommen, daß der Motor unter mittleren Last- und Drehzahlbedingungen ist, wobei die Motordrehzahl auf 2000 U/min geregelt ist und der mittlere Arbeitsdruck Pe zum Beispiel auf 0,57 MPa geregelt ist, wurde die Wärmeabgaberate in den Brennräumen 4, die erhalten wird, wenn die Primärkraftstoffeinspritzung am Verdichtungshub-TDC durchgeführt wird, auf der Basis der Druckänderungen in den Zylindern 2 und ihrer Volumenänderungen thermodynamisch berechnet und graphisch dargestellt. Wie aus 17B zu ersehen, hat sich ergeben, daß eine Wärmeabgabe Y durch die Vormischverbrennung des durch die Primärkraftstoffeinspritzung zugeführten Kraftstoffs nach einer Verzögerungszeit Tm von etwa 0,1 ms vom Primärkraftstoffeinspritzzeitpunkt t0 an auftritt, sowie eine Wärmeabgabe K etwa desselben Niveaus durch Diffusionsverbrennung, und daß die Diffusionsverbrennung an einem Zeitpunkt t1 endet, der um etwa 0,6 ms vom Punkt von 35° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC verzögert ist.
Wenn die Sekundärkraftstoffeinspritzung an einem Zeitpunkt tf durchgeführt wird, der etwa dem Punkt von 35°(CA) nach dem Verdichtungshub-TDC entspricht, ist es daher möglich, den Kraftstoff, der durch die Sekundärkraftstoffeinspritzung zugeführt wird, am Endzeitpunkt t1 der Diffusionsverbrennung zu verbrennen. Dies bedeutet wiederum, daß der Kraftstoff, der durch die Sekundärkraftstoffeinspritzung am Zeitpunkt tf eingespritzt wird, am Zeitpunkt t1 zu verbrennen beginnt, wenn eine Zündverzögerungszeit Tf von etwa 0,6 ms abgelaufen ist, was eine Zunahme der Wärmeabgabemenge N zur Folge hat.
Wenn demgegenüber der Motor unter hohen Last- und Drehzahlbedingungen ist, wobei zum Beispiel die Motordrehzahl auf 2500 U/min geregelt ist und der mittlere Arbeitsdruck Pe auf 0,9 MPa geregelt ist, wird die Wärmeabgabe K durch Diffusionsverbrennung im Vergleich zur obigen Wärmeabgabe K durch Vormischverbrennung erheblich länger fortgesetzt, und die Diffusionsverbrennung tendiert dazu, an einem späteren Zeitpunkt t1 zu enden, der um etwa 0,7 ms vom Punkt von 47° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC verzögert ist, wie in 17C gezeigt. Wenn die Sekundärkraftstoffeinspritzung an einem Zeitpunkt tf durchgeführt wird, der etwa dem Punkt von 47° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC entspricht, ist es deshalb möglich, den Kraftstoff zu verbrennen, der am Endzeitpunkt t1 der Diffusionsverbrennung durch die Sekun därkraftstoffeinspritzung zugeführt wurde, wie durch eine unterbrochene Linie N in 17C angezeigt.
Ferner, wenn der Motor unter niedrigen Last- und Drehzahlbedingungen ist, wobei zum Beispiel die Motordrehzahl auf 1500 U/min geregelt ist und der mittlere Arbeitsdruck Pe auf 0,3 MPa geregelt ist, ist es schwierig, anhand der Form der Wärmeabgabe zwischen Vormischverbrennung und Diffusionsverbrennung zu unterscheiden, wie in 17A gezeigt. Doch die Diffusionsverbrennung endet und die Wärmeabgabe wird an einem relativ frühen Zeitpunkt t1 null, der um etwa 0,5 ms vom Punkt von 30° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC verzögert ist. Wenn die Sekundärkraftstoffeinspritzung am Zeitpunkt tf durchgeführt wird, der etwa dem Punkt von 30° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC entspricht, ist es daher möglich, den Kraftstoff, der durch die Sekundärkraftstoffeinspritzung zugeführt wird, am Endzeitpunkt t1 der Diffusionsverbrennung zu verbrennen, wie in 17A durch eine unterbrochene Linie N angezeigt.
Nun wird eine die Rußmenge verringernde Wirkung durch Einstellung des Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkts in Bezug auf den Endzeitpunkt der Diffusionsverbrennung beschrieben. Während der Motor unter niedrigen Last- und Drehzahlbedingungen betrieben wurde, wobei die Motordrehzahl auf 1500 U/min und der mittlere Arbeitsdruck Pe auf 0,3 MPa geregelt war, wurde der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt auf verschiedene Weise variiert, und die erzeugte Rußmenge wurde in den einzelnen Einstellungen gemessen. Dieser Versuch hat ergeben, daß die erzeugte Rußmenge erheblich reduziert wird, wenn der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt auf einem Punkt nach der Primärkraftstoffeinspritzung und später als der Punkt von 30° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC eingestellt wird, der als der Zeitpunkt tf angenommen wird, der um so viel wie die Zündverzögerungszeit vom Endzeitpunkt t1 der Diffusionsverbrennung vorgeschoben ist, wie in 18A gezeigt.
Als nächstes wurde, während der Motor unter mittleren Last- und Drehzahlbedingungen betrieben wurde, wobei die Motordrehzahl auf 2000 U/min und der mittlere Arbeitsdruck Pe auf 0,57 MPa geregelt war, der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt auf verschiedene Weise variiert, und die erzeugte Rußmenge wurde in den einzelnen Einstellungen gemessen. Dieser Versuch hat ergeben, daß die erzeugte Rußmenge erheblich reduziert wird, wenn der Sekundärkraft stoffeinspritzzeitpunkt auf einem Punkt nach der Primärkraftstoffeinspritzung und später als der Punkt von 35° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC eingestellt wird, der als der Zeitpunkt tf angenommen wird, der um so viel wie die Zündverzögerungszeit vom Endzeitpunkt t1 der Diffusionsverbrennung vorgeschoben ist, wie in 18B gezeigt.
Ferner, während der Motor unter hohen Last- und Drehzahlbedingungen betrieben wurde, wobei die Motordrehzahl auf 2500 U/min und der mittlere Arbeitsdruck Pe auf 0,9 MPa geregelt war, wurde der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt auf verschiedene Weise variiert, und die erzeugte Rußmenge wurde in den einzelnen Einstellungen gemessen. Dieser Versuch hat ergeben, daß die erzeugte Rußmenge erheblich reduziert wird, wenn der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt auf einem Punkt nach der Primärkraftstoffeinspritzung und später als der Punkt von 47° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC eingestellt wird, der als der Zeitpunkt tf angenommen wird, der um so viel wie die Zündverzögerungszeit vom Endzeitpunkt t1 der Diffusionsverbrennung vorgeschoben ist, wie in 18C gezeigt. In den einzelnen Versuchen, die oben erwähnt wurden, wurde die Motorlast konstant gehalten, und das Verhältnis der Kraftstoffmenge, die durch die Sekundärkraftstoffeinspritzung zugeführt wird, zur Gesamtmenge des eingespritzten Kraftstoffs war auf 20% eingestellt.
In diesen Versuchen nicht wurde die Sekundärkraftstoffeinspritzung durchgeführt, wenn der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt dem Punkt von 0° (CA) entsprach, weshalb 18A-18C in diesem Fall Daten zeigen, die erhalten wurden, wenn nur die Primärkraftstoffeinspritzung durchgeführt wurde.
Dann, während der Motor unter niedrigen Last- und Drehzahlbedingungen betrieben wurde, wobei die Motordrehzahl auf 1500 U/min und der mittlere Arbeitsdruck Pe auf 0,3 MPa geregelt war, wurde die Sekundärkraftstoffeinspritzung am Punkt von 30° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC durchgeführt, der als der Zeitpunkt tf angenommen wird, der um so viel wie die Zündverzögerungszeit vom Endzeitpunkt t1 der Diffusionsverbrennung vorgeschoben ist, und die erzeugte Rußmenge wurde gemessen, wobei das Verhältnis (P/T) der Kraftstoffmenge, die durch die Sekundäreinspritzung zugeführt wird, zur Gesamtmenge des eingespritzten Kraftstoffs auf verschiedene Weise innerhalb eines Bereichs von 10% bis 45% variiert wurde. In diesem Versuch nahm die erzeugte Rußmenge mit einer Zunahme im Verhältnis (P/T) der von der Sekundäreinspritzung zugeführten Kraftstoffmenge ab, wie in 19A durch eine durchgezogene Linie angezeigt. Wenn im Gegensatz dazu die Sekundärkraftstoffeinspritzung am Punkt von 8°(CA) nach dem Verdichtungshub-TDC durchgeführt wird, was als früher als der Zeitpunkt tf angenommen wird, nimmt die erzeugte Rußmenge mit einer Zunahme im Verhältnis (P/T) der durch die Sekundäreinspritzung zugeführten Kraftstoffmenge ab, wie durch eine unterbrochene Linie in 19A angezeigt.
Während der Motor auch unter mittleren Last- und Drehzahlbedingungen betrieben wurde, wobei die Motordrehzahl auf 2000 U/min und der mittlere Arbeitsdruck Pe auf 0,57 MPa geregelt war, wurde die Sekundärkraftstoffeinspritzung am Punkt von 35° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC durchgeführt, der als der Zeitpunkt tf angenommen wird, der um so viel wie die Zündverzögerungszeit vom Endzeitpunkt t1 der durch die Primärkraftstoffeinspritzung verursachten Diffusionsverbrennung vorgeschoben ist, und am Punkt von 20° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC, von dem angenommen wird, daß er früher als der Zeitpunkt tf ist. Ferner, während der Motor unter hohen Last- und Drehzahlbedingungen betrieben wurde, wobei die Motordrehzahl auf 2500 U/min und der mittlere Arbeitsdruck Pe auf 0,9 MPa geregelt war, wurde die Sekundärkraftstoffeinspritzung am Punkt von 48° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC durchgeführt, der als der Zeitpunkt tf angenommen wird, der um so viel wie die Zündverzögerungszeit vom Endzeitpunkt t1 der durch die Primärkraftstoffeinspritzung verursachten Diffusionsverbrennung vorgeschoben ist, und am Punkt von 20° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC, von dem angenommen wird, daß er früher als der Zeitpunkt tf ist. Die Rußmenge wurde in den einzelnen Versuchen gemessen, wobei Daten erhalten wurden, die mit denen vergleichbar waren, die im Versuch unter niedrigen Last- und Drehzahlbedingungen erhalten wurden, wie in 19B und 18C gezeigt.
Den obigen Versuchsdaten ist zu entnehmen, daß der oben beschriebenen emissionsmindernden Abgasreinigungsanlage und dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Einstellung des Einspritzzeitpunkts entsprechend, in denen der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt in Bezug auf den Endzeitpunkt der Diffusionsverbrennung eingestellt wird, die durch die Primärkraftstoffeinspritzung in den Brennräumen 4 bewirkt wird, und der durch die Sekundäreinspritzung zugeführte Kraftstoff am oder leicht vor oder nach dem Endzeitpunkt der Diffusionsverbrennung entzündet wird, die Rußmenge, die aus den Brenn räumen 4 in die Abgasleitung 20 austritt, verringert werden kann, wenn der Kohlerückstand (Ruß) auf effektive Weise verbrannt wird, indem die Sekundärkraftstoffeinspritzung unter Bedingungen ausgeführt wird, in welchen die Kohle und der Sauerstoff, die in den Brennräumen 4 vorhanden sind, am Ende der Diffusionsverbrennung ausreichend vermischt sind.
Da der Endzeitpunkt der Diffusionsverbrennung abhängig von der Motordrehzahl und Motorlast oder dergleichen variiert, sollte der Zeitpunkt t1, an dem die Wärmeabgaberate aufgrund der Diffusionsverbrennung null wird, bevorzugt auf der Basis von Versuchsdaten abgebildet werden, die unter verschiedenen Motorbetriebsbedingungen erhalten wurden, wie z.B. in 17A-17C gezeigt, so daß der Zeitpunkt t1 aus einem Abbild ausgelesen werden kann.
Als Alternative kann ein Verbrennungszustandsdiskriminator vorgesehen werden, um den Zustand der Diffusionsverbrennung auf der Basis eines Meßsignals von einem Temperatursensor zum Erkennen der Temperatur in den Brennräumen 4, eines Meßsignals von einem Verbrennungslichtsensor oder eines Meßsignals von einem Sensor zum Erkennen der Menge an hochreaktivem elektrisch geladenen Wasserstoff und HC, die in den Brennräumen vorhanden ist, zu unterscheiden, wobei der Verbrennungszustandsdiskriminator den Endzeitpunkt der Diffusionsverbrennung bestimmt, indem er beurteilt, ob die Temperatur in den Brennräumen 4 nach der Primärkraftstoffeinspritzung auf oder unter eine bestimmte Temperatur abgefallen ist, ob das durch die Verbrennung erzeugte Kraftstoffverbrennungslicht aufgehört hat, oder ob die Menge an Wasserstoff oder HC stark abgenommen hat, und der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt für einen nachfolgenden Verbrennungszyklus wird in Bezug auf den so bestimmten Endzeitpunkt der Diffusionsverbrennung eingestellt. In einer anderen Alternative kann der Endzeitpunkt der Diffusionsverbrennung bestimmt werden, indem ein Differential eines Werts berechnet wird, der erhalten wird, indem eine Temperaturänderung, die durch adiabatische Ausdehnung erzeugt wird, von der Temperatur in den Zylindern 2 subtrahiert wird, die von einem Temperatursensor erkannt wird, und ein Zeitpunkt bestimmt wird, an dem das Differential sich von einem negativen Wert in null verwandelt.
Wenn, wie soweit beschrieben, der Startzeitpunkt der Sekundärkraftstoffeinspritzung den jeweiligen Motorbetriebsbedingungen entsprechend in Bezug auf den Endzeitpunkt der Diffusionsverbrennung eingestellt wird, der auf der Basis der Motorbetriebsbedingungen so bestimmt wird, daß die Verbrennung, die durch die Sekundärkraftstoffeinspritzung bewirkt wird, in der Nähe (±5° in Kurbelwinkel ausgedrückt) des Endzeitpunkts der Diffusionsverbrennung beginnt, oder vorzugsweise direkt nach dem Endzeitpunkt der Diffusionsverbrennung, wird die Sekundärkraftstoffeinspritzung hinsichtlich der Motorbetriebsbedingungen mit optimaler Zeitsteuerung durchgeführt, wodurch es möglich ist, die Rußemissionsmenge auf effektive Weise zu verringern.
Eine die NOx-Emissionen reduzierende Wirkung nach der dritten Ausführungsform der Erfindung wird nun beschrieben. Während der Motor unter niedrigen Last- und Drehzahlbedingungen betrieben wurde, wobei die Motordrehzahl auf 1500 U/min und der mittlere Arbeitsdruck Pe auf 0,3 MPa geregelt war, wurde der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt auf verschiedene Weise innerhalb eines Bereichs von 2,5° bis 50° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC variiert, und die erzeugte Menge an HC wurde in den einzelnen Einstellungen gemessen. Dieser Versuch hat ergeben, daß die erzeugte Menge an HC deutlich zunimmt, wenn der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt auf einem Punkt nach der Primärkraftstoffeinspritzung und später als der Punkt von 30° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC eingestellt wird.
Als nächstes wurde, während der Motor unter mittleren Last- und Drehzahlbedingungen betrieben wurde, wobei die Drehzahl auf 2000 U/min und der mittlere Arbeitsdruck Pe auf 0,57 MPa geregelt war, der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt auf verschiedene Weise variiert, und die erzeugte Menge an HC wurde in den einzelnen Einstellungen gemessen. Dieser Versuch hat ergeben, daß die erzeugte Menge an HC deutlich zunimmt, wenn der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt auf einem Punkt nach der Primärkraftstoffeinspritzung und später als der Punkt von 35° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC eingestellt ist, wie in 20B gezeigt.
Ferner, während der Motor unter hohen Last- und Drehzahlbedingungen betrieben wurde, wobei die Motordrehzahl auf 2500 U/min und der mittlere Arbeitsdruck Pe auf 0,9 MPa geregelt war, wurde der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt auf verschiedene Weise variiert, und die erzeugte Menge an HC wurde in den einzelnen Einstellungen gemessen. Dieser Versuch hat ergeben, daß die erzeugte Menge an HC deutlich zunimmt, wenn der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt auf einem Punkt nach der Primärkraftstoffeinspritzung und später als der Punkt von 45° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC eingestellt ist, wie in 20C gezeigt. In den einzelnen Versuchen, die oben erwähnt wurden, wurde die Motorlast konstant gehalten und das Verhältnis der Kraftstoffmenge, die durch die Sekundärkraftstoffeinspritzung zugeführt wird, zur Gesamtmenge des eingespritzten Kraftstoffs war auf 20% eingestellt.
In diesen Versuchen wurde die Sekundärkraftstoffeinspritzung nicht durchgeführt, wenn der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt dem Punkt von 0° (CA) entsprach, weshalb 20A-20C in diesem Fall Daten zeigen, die erhalten wurden, wenn nur die Primärkraftstoffeinspritzung durchgeführt wurde.
Den obigen Versuchsdaten ist zu entnehmen, daß die Menge an Roh-NOx, die aus den Brennräumen 4 in die Abgasleitung 20 austritt, durch Erhöhung der erzeugten HC-Menge reduziert werden kann, wodurch die Menge an hochreaktivem Wasserstoff und HC erhöht wird, die als Reduktionsmittel wirken, wenn der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt an einem Zeitpunkt nach der Primärkraftstoffeinspritzung und später als der Punkt von 30° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC ausgeführt wird.
Ferner, während der Motor wie oben beschrieben unter niedrigen Last- und Drehzahlbedingungen, mittleren Last- und Drehzahlbedingungen, und hohen Last- und Drehzahlbedingungen betrieben wurde, wurde der Kraftstoffverbrauch gemessen, wenn der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt auf verschiedene Weise innerhalb eines Bereichs von 2° bis 50° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC variiert wurde, und wenn die Sekundärkraftstoffeinspritzung nicht ausgeführt wurde. Aus diesen Versuchen hat sich ergeben, daß der Kraftstoffverbrauch um so mehr zunimmt, je mehr der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt verzögert wird, wie in 21A-21C gezeigt. Dies deshalb, weil der Kraftstoff, der durch die Sekundärkraftstoffeinspritzung zugeführt wird, bei einer Vergrößerung der Verzögerung des Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkts weniger zur Erhöhung der Motorleistung beiträgt. Um eine Zunahme des Kraftstoffverbrauchs zu verhindern, wird der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt bevorzugt auf einen Punkt nach der Primärkraftstoffeinspritzung, aber nicht später als der Punkt von 60° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC eingestellt.
Wenn der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt auf einen spezifischen Zeitpunkt nach der Primärkraftstoffeinspritzung und innerhalb der Periode von 30° bis 60° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC eingestellt wird, wird daher die vorteilhafte Wirkung erreicht, daß das Abgas gereinigt werden kann, wodurch NOx-Emissionen an die Atmosphäre wirkungsvoll verhindert werden, ohne daß der Kraftstoffverbrauch erhöht wird.
Das heißt, während der Motor wie oben beschrieben unter niedrigen Last- und Drehzahlbedingungen, mittleren Last- und Drehzahlbedingungen, und hohen Last- und Drehzahlbedingungen betrieben wurde, wurde die NOx-Menge gemessen, die an die Atmosphäre abgegeben wurde, wobei der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt auf verschiedene Weise variiert wurde. Diese Versuche haben ergeben, daß das Abgas gereinigt werden kann, wobei NOx-Emissionen an die Atmosphäre auf effektive Weise verhindert werden, ohne daß der Kraftstoffverbrauch erhöht wird, wenn der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt so eingestellt wird, daß die Sekundärkraftstoffeinspritzung an einem spezifischen Zeitpunkt nach der Primärkraftstoffeinspritzung und innerhalb der Periode von 30° bis 60° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC ausgeführt wird, wie in 22A-22C gezeigt. In diesen Versuchen wurde die Abgasrückführungsrate konstantgehalten. Dies deshalb, weil die Roh-NOx-Menge durch eine Wirkung der Abgasrückführung variiert, die durch einen Anstieg im Abgasdruck verursacht wird, und es schwierig wird, die Roh-NOx-reduzierende Wirkung der Sekundärkraftstoffeinspritzung zu ermitteln, wenn der Abgasrückführungsregler 39 den Abgasrückführungsregelvorgang gleichzeitig mit der Sekundärkraftstoffeinspritzung ausführt.
Als Alternative zur oben beschriebenen dritten Ausführungsform, in welcher der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt dem Kurbelwinkel (CA) entsprechend eingestellt wird, kann der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt der Zeitsteuerung durch einen Zeitgeber entsprechend eingestellt werden. In dieser Alternative ist es möglich, NOx-Emissionen an die Atmosphäre auf effektive Weise ohne Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs zu verhindern, indem die Sekundärkraftstoffeinspritzung an einem spezifischen Zeitpunkt nach der Primärkraftstoffeinspritzung und innerhalb einer Periode von 1,2 ms bis 4 ms (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC ausgeführt wird.
Wie aus der obigen Erörterung hervorgeht, ist es möglich, sowohl die erzeugte Rußmenge als auch die erzeugte Menge an NOx-Emissionen zu reduzieren und den Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt auf kraftstoffeinsparende Weise in Bezug auf den Endzeitpunkt der Diffusionsverbrennung einzustellen, die nach der Primärkraftstoffeinspritzung auftritt. Wenn die Motordrehzahl zum Beispiel 1500 U/Min beträgt und die Motorlast gering ist, wird der Endzeitpunkt der Diffusionsverbrennung auf einen Punkt eingestellt, der um etwa 0,5 ms vom Punkt von 30° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC verzögert ist. Um in diesem Fall sowohl die erzeugte Rußmenge als auch die erzeugte NOx-Emissionsmenge zu reduzieren, sollte der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt auf den Punkt von etwa 30° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC eingestellt werden, z.B. zwischen 27° und 35° (CA), wobei der Punkt von 30° (CA) der optimale Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt ist.
Wenn die Motordrehzahl 2000 U/Min beträgt und die Motorlast auf einem mittleren Niveau ist, ist der Endzeitpunkt der Diffusionsverbrennung ein Punkt, der um etwa 0,6 ms vom Punkt von 35° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC verzögert ist. Daher sollte der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt auf den Punkt von etwa 35° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC eingestellt werden, z.B. zwischen 33° und 40° (CA), wobei der Punkt von 35° (CA) der optimale Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt ist. Und wenn die Motordrehzahl 2500 U/Min beträgt und die Motorlast hoch ist, ist der Endzeitpunkt der Diffusionsverbrennung ein Punkt, der um etwa 0,7 ms vom Punkt von 47° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC verzögert ist. Dementsprechend sollte der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt auf den Punkt von etwa 47° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC eingestellt werden, z.B. zwischen 45° und 48° (CA), wobei der Punkt von 47° (CA) der optimale Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt ist.
In dem Dieselmotor, der mit dem abgasbetriebenen Turbolader 25 versehen ist, um den Motor mit vorverdichteter Ansaugluft zu versorgen, nimmt der Abgasdruck zu und die Vorverdichtungswirkung des Turboladers 25 wird erhöht, wenn eine spezifische Kraftstoffmenge durch die Sekundärkraftstoffeinspritzung nach der Primärkraftstoffeinspritzung zugeführt wird, wie oben erwähnt. Da die Frischluftmenge, die in die Brennräume 4 eingeleitet wird, dadurch zunimmt, wird eine vorteilhafte Wirkung erreicht, daß die Verbrennung des Kohlerückstands, der in den Brennräumen 4 zurückbleibt, beschleunigt wird und die Rußerzeugung auf effektive Weise unterdrückt wird. Da der Endzeitpunkt der Diffusionsverbrennung des Kraftstoffs, der durch die Primärkraftstoffeinspritzung zugeführt wird, dazu tendiert, vorgeschoben zu werden, wenn die Frischluftmenge wegen der Vorverdichtungswirkung des Turboladers 25 zunimmt, ist es darüber hinaus möglich, die Rußmenge, die in die Abgasleitung 20 austritt, zusätzlich zu reduzieren, indem der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt dem Endzeitpunkt der Diffusionsverbrennung entsprechend angepaßt wird und dadurch die Rußerzeugung auf effektive Weise verringert wird.
Wenn der Dieselmotor, der den Turbolader 25 aufweist, mit der Abgasrückführungsanlage 33 versehen ist, um einen Teil des Abgases zur Ansaugleitung 10 rückzuführen, und ein Rückkopplungsregelvorgang so durchgeführt wird, daß das Abgasrückführungsverhältnis, das vom im ECU 35 vorgesehenen Abgasrückführungsregler 39 bestimmt wird, einem Sollwert entspricht, wird die zur Ansaugleitung 10 rückgeführte Abgasmenge erhöht, wenn die Ansaugluftmenge durch die Vorverdichtungswirkung des Turboladers 25 zunimmt. Dadurch wird eine vorteilhafte Wirkung erzeugt, daß die Menge an Roh-NOx, die aus den Brennräumen 4 in die Abgasleitung 20 austritt, wirkungsvoller verringert wird.
Wenn in einer Situation, in welcher der NOx-Katalysator 22, der aus dem NOx-reduzierenden Katalysator besteht, der in der Abgasleitung 20 angeordnet ist, in seinem deaktivierten Zustand ist, der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt in Bezug auf den Endzeitpunkt der Diffusionsverbrennung eingestellt wird, der durch die Primärkraftstoffeinspritzung in den Brennräumen 4 verursacht wird, liegt zudem ein Vorteil vor, das die obige Wirkung der Reduktion der Roh-NOx-Menge durch Erhöhung der Menge an hochreaktivem Wasserstoff in den Brennräumen 4 und die Wirkung der Reduktion der Rußemissionsmenge durch beschleunigte Verbrennung des Kohlerückstands gleichzeitig erhalten wird.
Insbesondere, wenn die emissionsmindernde Abgasreinigungsanlage so aufgebaut ist, daß der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt auf einen Zeitpunkt eingestellt wird, an dem gewährleistet ist, daß dem NOx-Katalysator 22 eine ausreichende Menge an Reduktionsmitteln zugeführt wird, oder auf einen spezifischen Zeitpunkt innerhalb der Periode von 60° bis 180° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC, wenn der NOx-Katalysator 22 in seinem aktivierten Zustand ist, und der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt eingestellt wird, indem er in Bezug auf den Endzeitpunkt der Diffusionsverbrennung vorgeschoben wird, wenn der NOx-Katalysator 22 in seinem deaktivierten Zustand ist, werden die vorteilhaften Wirkungen erreicht, daß die NOx-Emissionen an die Atmosphäre durch die NOx-umwandelnde Funktion des NOx-Katalysators 22 unterdrückt werden können, wenn er in seinem aktivierten Zustand ist, und die NOx-Menge, die aus den Brennräumen 4 in die Abgasleitung 20 abgegeben wird, auf effektive Weise reduziert werden kann, indem zum Beispiel die Menge an hochreaktivem Wasserstoff in den Brennräumen 4 erhöht wird, wenn der NOx-Katalysator 22 im deaktivierten Zustand ist.
Die Versuchsdaten, die aus den zuvor erwähnten Versuchen erhalten wurden, in denen die Beziehung zwischen den Kraftstoffmengen untersucht wurde, die durch die Sekundärkraftstoffeinspritzung etwa am Endzeitpunkt der Diffusionsverbrennung eingespritzt wird, zeigen, daß die erzeugte Rußmenge unabhängig davon, ob der Motor unter niedrigen Last- und Drehzahlbedingungen, mittleren Last- und Drehzahlbedingungen oder hohen Last- und Drehzahlbedingungen ist, um so mehr verringert wird, je mehr das Verhältnis (P/T) der Kraftstoffmenge, die durch die Sekundärkraftstoffeinspritzung zugeführt wird, zur Gesamtmenge des eingespritzten Kraftstoffs erhöht wird, wie in 19A-19C durch durchgezogene Linien angezeigt.
Als nächstes wurde, während der Motor unter niedrigen Last- und Drehzahlbedingungen betrieben wurde, das das Verhältnis (P/T) der Kraftstoffmenge, die durch die Sekundärkraftstoffeinspritzung zugeführt wird, zur Gesamtmenge des eingespritzten Kraftstoffs auf verschiedene Weise variiert, und der Kraftstoffverbrauch wurde in den einzelnen Einstellungen gemessen, wobei die Sekundärkraftstoffeinspritzung am Punkt von 8° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC durchgeführt wurde, von dem angenommen wird, daß er früher ist als der Endzeitpunkt der Diffusionsverbrennung. In diesem Versuch hatte eine Erhöhung des Verhältnisses (P/T) der Kraftstoffmenge, die durch die Sekundärkraftstoffeinspritzung zugeführt wird, nahezu keine Änderung im Kraftstoffverbrauch zur Folge, wie in 23A durch eine unterbrochene Linie angezeigt. Wenn demgegenüber die Sekundärkraftstoffeinspritzung am Punkt von 30°(CA) nach dem Verdichtungshub-TDC durchgeführt wurde, der in der Nähe des Endzeitpunkts t1 der Diffusionsverbrennung liegt, die durch die Primärkraftstoffeinspritzung verursacht wird, und der als Zeitpunkt angenommen wird, an dem die durch die Sekundärkraftstoffeinspritzung verursachte Verbrennung beginnt, nahm der Kraftstoffverbrauch mit einer Erhöhung im Verhältnis (P/T) der Kraft stoffmenge, die durch die Sekundärkraftstoffeinspritzung zugeführt wird, deutlich zu, wie durch eine durchgezogene Linie in 23A angezeigt.
Und während der Motor unter mittleren Last- und Drehzahlbedingungen betrieben wurde, wurde das das Verhältnis (P/T) der Kraftstoffmenge, die durch die Sekundärkraftstoffeinspritzung zugeführt wird, zur Gesamtmenge des eingespritzten Kraftstoffs auf verschiedene Weise variiert, und der Kraftstoffverbrauch wurde in den einzelnen Einstellungen gemessen, wobei die Sekundärkraftstoffeinspritzung am Punkt von 35° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC durchgeführt wurde, der in der Nähe des Endzeitpunkts t1 der Diffusionsverbrennung liegt, die durch die Primärkraftstoffeinspritzung verursacht wird, und als ein Zeitpunkt angenommen wird, an dem die durch die Sekundärkraftstoffeinspritzung verursachte Verbrennung beginnt, und an einem Punkt von 20° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC, von dem angenommen wird, daß er früher ist als der Endzeitpunkt der Diffusionsverbrennung. Ferner, während der Motor unter hohen Last- und Drehzahlbedingungen betrieben wurde, wurde das das Verhältnis (P/T) der Kraftstoffmenge, die durch die Sekundärkraftstoffeinspritzung zugeführt wird, zur Gesamtmenge des eingespritzten Kraftstoffs auf verschiedene Weise variiert, und der Kraftstoffverbrauch wurde in den einzelnen Einstellungen gemessen, wobei die Sekundärkraftstoffeinspritzung am Punkt von 48° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC durchgeführt wurde, der in der Nähe des Endzeitpunkts t1 der Diffusionsverbrennung liegt, die durch die Primärkraftstoffeinspritzung verursacht wird, und als ein Zeitpunkt angenommen wird, an dem die durch die Sekundärkraftstoffeinspritzung verursachte Verbrennung beginnt, und an einem Punkt von 20° (CA) nach dem Verdichtungshub-TDC, von dem angenommen wird, daß er früher ist als der Endzeitpunkt der Diffusionsverbrennung. In diesen Versuchen wurden Daten erhalten, die mit den im Versuch unter niedrigen Last- und Drehzahlbedingungen erhaltenen vergleichbar sind, wie in 23B und 23C angezeigt.
Wenn in der oben beschriebenen emissionsmindernden Abgasreinigungsanlage und im erfindungsgemäßen Verfahren zur Einstellung des Kraftstoffeinspritzzeitpunkts, in welchen der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt in Bezug auf den Endzeitpunkt der Diffusionsverbrennung eingestellt wird, die durch die Primärkraftstoffeinspritzung in den Brennräumen 4 verursacht wird, wurde die Kraftstoffmenge, die durch die Sekundärkraftstoffeinspritzung zugeführt wird, auf einen Bereich von 0,2% bis 50% eingestellt, bevorzugt von 15% bis 35%, und der durch die Sekundärkraftstoffeinspritzung zugeführte Kraftstoff am oder leicht vor oder nach dem Endzeitpunkt der Diffusionsverbrennung entzündet wird, ist es daher möglich, die erzeugte Rußmenge auf effektive Weise zu reduzieren, ohne den Kraftstoffverbrauch zu erhöhen.
Auch wenn die vorstehenden Ausführungsformen soweit Bezug nehmend auf Beispiele erläutert wurden, in denen die Sekundärkraftstoffeinspritzung dem Aktivierungszustand des NOx-Katalysators 22 entsprechend geregelt wurde, ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsform beschränkt.
Zum Beispiel kann ein Regelvorgang zur Durchführung der Sekundärkraftstoffeinspritzung unter allen Motorbetriebsbedingungen ausgeführt werden.
Ferner, obwohl die vorstehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen Beispiele behandelt hat, bei denen die Erfindung auf einen Dieselmotor mit Direkteinspritzung angewandt wurde, in welchem der Kraftstoff direkt in die Brennräume 4 eingespritzt wird, ist es auch möglich, die NOx-Emissionen zu verringern, wenn die Erfindung auf einen Dieselmotor mit Direkteinspritzung angewandt wird, der unter Magerverbrennungsbedingungen betrieben wird, in denen ein Luft-Kraftstoff-Gemisch verbrannt wird, dessen Luft/Kraftstoff-Verhältnis höher ist als das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis.

Claims

Emissionsmindernde Abgasreinigungsanlage für einen Motor, wobei diese emissionsmindernde Abgasreinigungsanlage umfaßt: ein Einspritzaggregat (5), um Kraftstoff in einen Brennraum (4) einzuspritzen; einen Primäreinspritzungsregler (40), um den Modus der Primärkraftstoffeinspritzung zu steuern, die vom Einspritzaggregat (5) an einem spezifischen Zeitpunkt während einer Periode von einem Ansaughub bis zu einem frühen Abschnitt des Expansionshubs den Motorbetriebsbedingungen entsprechend durchgeführt wird; und einen Sekundäreinspritzungsregler (41), um das Einspritzaggregat (5) so zu steuern, daß es an einem spezifischen Zeitpunkt während einer Periode vom Punkt der Primärkraftstoffeinspritzung durch den Expansionshub hindurch eine Sekundärkraftstoffeinspritzung durchführt; wobei der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt in Bezug auf einen Endzeitpunkt der Diffusionsverbrennung geregelt wird, der durch die Primärkraftstoffeinspritzung im Brennraum auftritt, dadurch gekennzeichnet, daß ein abgasbetriebener Turbolader (25) vorgesehen ist, um den Motor mit vorverdichteter Ansaugluft zu versorgen; wobei der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt in Bezug auf einen Endzeitpunkt der Diffusionsverbrennung korrigiert wird, der aufgrund einer Vorverdichtungswirkung des Turboladers (25) variiert.
Emissionsmindernde Abgasreinigungsanlage für einen Motor nach Anspruch 1, wobei diese emissionsmindernde Abgasreinigungsanlage außerdem umfaßt: einen Verbrennungszustandsdiskriminator, um den Zustand der Diffusionsverbrennung zu unterscheiden, der durch die Primärkraftstoffeinspritzung im Brennraum (4) auftritt; wobei der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt in Bezug auf einen Endzeitpunkt der Diffusionsverbrennung geregelt wird, der vom Verbrennungszustandsdiskriminator bestimmt wird.
Emissionsmindernde Abgasreinigungsanlage für einen Motor nach Anspruch 1 oder 2, wobei diese emissionsmindernde Abgasreinigungsanlage außerdem umfaßt: einen Abgasrückführer (23, 24), um einen Teil des Abgases zu einer Ansaugleitung rückzuführen; und einen Abgasrückführungsregler (39), um einen Rückkopplungsregelvorgang so durchzuführen, daß das Abgasrückführungsverhältnis, das vom Abgasrückführer bestimmt wird, einem Sollwert entspricht.
Emissionsmindernde Abgasreinigungsanlage für einen Motor nach Anspruch 3, außerdem umfassend einen Aktivierungszustandsdetektor (37), um zu beurteilen, ob der NOx-Katalysator (22) in seinem aktivierten Zustand ist; und wobei diese emissionsmindernde Abgasreinigungsanlage außerdem einen NOx-Katalysator (22) umfaßt, der in einer Abgasleitung (20) des Motors vorgesehen ist, um mindestens NOx umzuwandeln; wobei der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt in Bezug auf einen Endzeitpunkt der Diffusionsverbrennung geregelt wird, die durch die Primärkraftstoffeinspritzung im Brennraum auftritt, wenn vom Aktivierungszustandsdetektor (37) beurteilt wird, daß der NOx-Katalysator (22) in seinem deaktivierten Zustand ist.
Emissionsmindernde Abgasreinigungsanlage für einen Motor nach Anspruch 4, wobei der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt so geregelt wird, daß der NOx-Katalysator (22) mit einer ausreichenden Menge an Reduktionsmittel versorgt wird, wenn der NOx-Katalysator (22) in seinem aktivierten Zustand ist, und der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt in Bezug auf den Endzeitpunkt der Diffusionsverbrennung geregelt wird, die durch Vorschieben des Primärkraftstoffeinspritzzeitpunkts durch die Primärkraftstoffeinspritzung im Brennraum (4) auftritt, wenn der NOx-Katalysator (22) in seinem deaktivierten Zustand ist.
Emissionsmindernde Abgasreinigungsanlage für einen Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Kraftstoffmenge, die durch die Sekundäreinspritzung zugeführt wird, auf zwischen 0,2 % und 50 % der Gesamtmenge des eingespritzten Kraftstoffs geregelt ist.
Emissionsmindernde Abgasreinigungsanlage für einen Motor nach Anspruch 1, außerdem umfassend einen NOx-Katalysator (22), der in einer Abgasleitung (20) des Motors vorgesehen ist, um mindestens NOx umzuwandeln; und wobei die Sekundärkraftstoffeinspritzung an einem spezifischen Zeitpunkt nach der Primärkraftstoffeinspritzung während einer Periode zwischen Kurbelwinkeln von 30° und 60° nach dem oberen Totpunkt im Verdichtungshub durchgeführt wird, wenn der Motor unter Betriebsbedingungen ist, in welchen die NOx-Menge, die an der Austrittsseite des NOx-Katalysators (22) abgegeben wird, groß ist.
Emissionsmindernde Abgasreinigungsanlage für einen Motor nach Anspruch 7, wobei der NOx-Katalysator (22) einen NOx-reduzierenden Katalysator enthält, der das Abgas reinigt, indem er die darin enthaltenen NOx durch eine Reaktion zwischen NOx und dem Reduktionsmittel reduziert, die unter sauerstoffreichen Bedingungen auftritt, in denen die Sauerstoffkonzentration hoch ist.
Emissionsmindernde Abgasreinigungsanlage für einen Motor nach Anspruch 8, außerdem umfassend einen Reduktionsmittelzusetzer, um die Menge des Reduktionsmittels im Abgas zu erhöhen, indem das Einspritzaggregat (5) veranlaßt wird, den Kraftstoff an einem spezifischen Zeitpunkt während einer Periode von einem Expansionshub durch einen Auspuffhub hindurch einzuspritzen, und dieser Reduktionsmittelzusetzer einen Sekundäreinspritzungsregler (41) umfaßt, der das Einspritzaggregat (5) steuert, um die Sekundäreinspritzung an einem spezifischen Zeitpunkt nach der Primäreinspritzung des Kraftstoffs aus dem Einspritz aggregat (5) während der Periode vom Expansionshub durch den Auspuffhub hindurch den Betriebsbedingungen des Motors entsprechend durchzuführen, und wobei der Sekundäreinspritzungsregler (41) den Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt während einer Periode vom Punkt der Primärkraftstoffeinspritzung bis zu einem Kurbelwinkel von 60° nach dem oberen Totpunkt (TDC) im Verdichtungshub vorschiebt, wenn der Aktivierungszustandsdetektor beurteilt, daß der NOx-reduzierende Katalysator im deaktivierten Zustand ist.
Emissionsmindernde Abgasreinigungsanlage für einen Motor nach Anspruch 9, wobei der Sekundäreinspritzungsregler (41) die Sekundärkraftstoffeinspritzung in einem längeren Zeitintervall durchführt als die Periode eines einfachen Verbrennungszyklus, wenn der Aktivierungszustandsdetektor (37) beurteilt, daß der NOx-reduzierende Katalysator im deaktivierten Zustand ist.
Emissionsmindernde Abgasreinigungsanlage für einen Motor nach Anspruch 10, wobei der Aktivierungszustandsdetektor (37) die Temperatur des NOx-reduzierenden Katalysators (22a) erkennt und beurteilt, daß der NOx-reduzierende Katalysator im deaktivierten Zustand ist, wenn die erkannte Temperatur größer oder gleich einer bestimmten Bezugstemperatur ist.
Emissionsmindernde Abgasreinigungsanlage für einen Motor nach Anspruch 11, wobei ein erster NOx-reduzierender Katalysator (22a) in der Abgasleitung (20) vorgesehen ist und ein zweiter NOx-reduzierender Katalysator (22b), der aktiviert wird, wenn der erste NOx-reduzierende Katalysator (22a) in seinem deaktivierten Zustand ist, hinter dem ersten NOx-reduzierenden Katalysator (22a) vorgesehen ist.
Emissionsmindernde Abgasreinigungsanlage für einen Motor nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei der NOx-Katalysator (22) durch Aufbringen von katalytischem Metall auf Zeolithe hergestellt wird.
Verfahren zur Einstellung des Kraftstoffeinspritzzeitpunkts in einem Motor, umfassend ein Einspritzaggregat (5), um Kraftstoff in einen Brennraum (4) einzuspritzen, einen Primäreinspritzungsregler (40), um den Modus der Primärkraftstoffeinspritzung zu steuern, die vom Einspritzaggregat (5) an einem spezifischen Zeitpunkt während einer Periode von einem Ansaughub bis zu einem frühen Abschnitt des Expansionshubs den Motorbetriebsbedingungen entsprechend durchgeführt wird, und einen Sekundäreinspritzungsregler (41), um das Einspritzaggregat (5) so zu steuern, daß es an einem spezifischen Zeitpunkt während einer Periode vom Punkt der Primärkraftstoffeinspritzung durch den Expansionshub hindurch eine Sekundärkraftstoffeinspritzung durchführt, wobei der Sekundäreinspritzungsregler (41) den Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt in Bezug auf einen Endzeitpunkt der Diffusionsverbrennung regelt, der durch die Primärkraftstoffeinspritzung im Brennraum (4) auftritt, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor mit vorverdichteter Ansaugluft aus einem Turbolader (25) versorgt wird, wobei der Sekundärkraftstoffeinspritzzeitpunkt in Bezug auf einen Endzeitpunkt der Diffusionsverbrennung korrigiert wird, der aufgrund einer Vorverdichtungswirkung des Turboladers (25) variiert.