DE60200714T2 - Abgasemissionsreinigungssystem für eine Diesel Brennkraftmaschine - Google Patents

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Description

  • Technischer Hintergrund
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abgasreinigungssystem für einen Dieselmotor, das Partikel (im folgenden mit PM bezeichnet) und NOx (Stickstoffoxid) im Abgas eines Motors, wie z. B. eines Dieselmotors, reinigt.
  • Was den Ausstoß von PM betrifft, die von einem Dieselmotor ausgestoßen werden, wurde ein Grenzwert zusammen mit denen für NOx, CO (Kohlenstoffmonoxid), nichtverbrannten Kohlenwasserstoffen und dergleichen Jahr für Jahr verschärft, und es wurde eine Technik entwickelt, durch die diese PM mit einem Filter gesammelt werden, der „Dieselpartikelfilter" (im folgenden als DPF bezeichnet) genannt wird, um die Menge an PM, die ausgestoßen wird, zu reduzieren.
  • Es gibt für den DPF für das direkte Sammeln dieser PM einen monolithischen Wabenfilter vom Wandflußtyp aus Keramik, einen Fasertypfilter, der durch Bringen einer Keramik oder eines Metalls in einer Faserform erhalten wird, und dergleichen. Eine Abgasreinigungsvorrichtung unter Verwendung dieser DPFs ist in einem Auspuffrohr eines Motors angeordnet, um das Abgas, das von dem Motor erzeugt wird, zu reinigen.
  • In diesem DPF entwickelt sich eine Verstopfung, wenn PM gesammelt wird und der Auspuffgasdruck (Auspuffdruck) erhöht wird, und es ist daher notwendig, die PM, die durch diesen DPF gesammelt wurden, zu entfernen, und verschiedene Verfahren und Systeme wurden entwickelt.
  • Unter diesen gibt es ein System für das Verbrennen und Entfernen von PM durch Heizen des Filters mit einem elektrischen Heizer oder einem Brenner und ein System für das inverse Spülen mit in der entgegengesetzten Richtung strömende Luft. In dem Fall dieser Systeme gibt es jedoch, da die Energie für das Heizen von der Außenseite geliefert wird, um PM zu verbrennen, ein Problem des sich verschlechternden Treibstoffverbrauchs und ein Problem, daß es schwierig ist, die Regeneration zu steuern.
  • Ebenso, wenn irgendeines dieser Systeme angepaßt wird, wird die Struktur in der Mehrzahl der Fälle derart angeordnet, daß es zwei Leitungen von Abgaskanälen gibt, die jeweils einen Filter haben, und das Sammeln der PM und die Regeneration des Filters werden alternierend in jedem Abgaskanal wiederholt. Aus diesem Grund wird das System groß und die Kosten neigen ebenso dazu, erhöht zu werden.
  • Um diesen Problemen Herr zu werden, wurde ein DPF-System vom sich kontinuierlich regenerierenden Typ vorgeschlagen, indem die Regenerationstemperatur des Filters abgesenkt wird, um die Energiemenge, die von außen zugeführt wird, zu reduzieren, und die Abgaswärme von dem Motor wird verwendet, um das Filter zu regenerieren. In diesem Zusammenhang werden ein Filter vom Wandflußtyp und ein Katalysator kombiniert. Dieser Filter ist derart konstruiert, daß eine Mehrzahl von Abgaskanälen (Zellen), deren Umfang mit einer porösen Wand ummantelt ist, ausgebildet werden, und eine innere Seite und eine äußere Seite dieser Abgaskanäle sind in einer Zikckzack-Form abgedichtet.
  • In diesem System wird, da die Regeneration des Filters und die PM-Sammlung im wesentlichen kontinuierlich durchgeführt wird und ein Abgaskanal eine Leitung des Systems wird, die Steuerung der Regeneration ebenso vereinfacht. Das System hat die folgenden drei Typen.
  • Erster Typ ist ein DPF-System vom Stickstoffdioxid-Regenerationstyp und ist aus einem Oxidationskatalysator auf der aufstromigen Seite und einem Filter vom „Wall-Flow"-Typ auf der abstromigen Seite zusammengesetzt. Durch die Verwendung dieses Oxidationskatalysators, wie z. B. Platin, wird NO (Stickstoffmonoxid) in dem Auspuffgas oxidiert. Durch die Verwendung von NO2 (Stickstoffdioxid), der durch diese Oxidierung erzeugt wird, wird PM, das von dem Filter gesammelt wird, in CO2 (Kohlendioxid) oxidiert, um die PM zu entfernen. Die Oxidation von PM aufgrund dieses NO2 hat eine niedrigere Energiebarriere als die Oxidation von PM aufgrund von O2 (Sauerstoff) und wird bei niedriger Temperatur durchgeführt. Aus diesem Grund wird die thermische Energie in dem Auspuffgas verwendet, wodurch PM oxidiert und entfernt werden kann, während PM kontinuierlich gesammelt wird, um den Filter zu regenerieren.
  • Ein zweiter Typ ist ebenso ein DPF-System, das als integriertes Modell Stickstoffdioxid erzeugt, und ist eine Verbesserung des ersten Systems. Dieses System wird gebildet durch Beschichten einer Wandfläche des „Wall-Flow"-Typ-Filters mit dem Oxidationskatalysator. Diese Wandoberfläche führt sowohl die Oxidation von NO in dem Auspuffgas als auch die Oxidation von PM aufgrund von NO2 durch. Dadurch wird das System vereinfacht.
  • Somit wird ein drittes DPF-System mit einem PM-Oxidationskatalysator gebildet durch einen wertvollen Metalloxidationskatalysator, wie z. B. Platin, und einen Filter vom „Wall-Flow"-Typ mit dem PM-Oxidationskatalysator, der durch Beschichten der Wandfläche mit dem PM-Oxidationskatalysator erhalten wird. Diese Wandfläche oxidiert PM bei niedriger Temperatur. Dieser PM-Oxidationskatalysator ist ein Katalysator für das direkte Oxidieren von PM durch Aktivieren von O2 im Auspuffgas und wird gebildet aus Cerdioxid oder dergleichen.
  • In diesem dritten System wird in einer Tieftemperaturoxidationsregion (350°C bis etwa 450°C) PM mit NO2 oxidiert durch die Verwendung einer Reaktion, in der NO des Oxidationskatalysators in NO2 oxidiert wird. In einem Oxidationsbereich mittlerer Temperatur (400°C bis etwa 600°C) wird durch die Verwendung von dem PM-Oxidationskatalysator O2 in dem Abgas aktiviert, um PM zu oxidieren durch die Verwendung einer Reaktion, in der PM direkt oxidiert wird. In einem Oxidationsbereich hoher Temperatur (etwa 600°C oder höher), einer Temperatur, die höher als die, die PM mit O2 im Abgas verbrennt, wird PM mit O2 im Abgas oxidiert.
  • In diesen DPF-Systemen vom sich kontinuierlich regenerierenden Typ kann, durch die Verwendung der Oxidationsreaktion von PM aufgrund des Katalysators und NO2 die Temperatur, bei der PM oxidiert werden kann, abgesenkt werden.
  • Auf der anderen Seite variiert in dem Auspuffgas von dem Dieselmotor die Abgastemperatur, wie in 8 gezeigt, abhängig von der Belastung und der Drehzahl des Motors. Aus diesem Grunde ist der DPF nicht immer in einem optimalen Temperaturzustand. Wenn die Abgastemperatur in dem Bereich niedriger Temperatur ist, verringert sich die Aktivität des Katalysators, und die PM können nicht ausreichend oxidiert werden. Folglich gibt es ein Problem darin, daß es schwierig ist, eine ausgezeichnete PM-Reinigungsleistung über dem gesamten Motorarbeitsbereich zu haben.
  • Als eine der Maßnahmen gegen dieses Problem gibt es eine Abgas-Emissionsreinigungseinrichtung für einen Dieselmotor, die von dem gegenwärtigen Erfinder in der japanischen Patentanmeldung No. 155894/2001 vorgeschlagen wurde.
  • Wie in 5 gezeigt ist, ist diese Abgasemissionsreinigungseinrichtung ausgestattet mit: einem DPF 12A eines ersten kontinuierlich regenerierenden Typs in einer Abgasleitung 9 des Motors, einer Bypassleitung 101 auf der aufstromigen Seite dieses ersten DPF 12A, ein zweiter DPF 13A vom sich kontinuierlich regenerierenden Typ, der in dieser Bypasspassage 101 bereitgestellt wird, und eine Einrichtung zum Erhöhen der Abgastemperatur. Diese Einrichtung zum Erhöhen der Abgastemperatur verwendet ein Saugdrosselventil (Ansaugklappe) 22, einen Abgaseinführungsmechanismus und ein Abgasdrosselventil (Abgasverschlußklappe) 23. In einem Motorbetriebszustand während des Leerlaufs oder dergleichen, in dem die Abgastemperatur gering ist, wird die Abgastemperatur auf 300°C oder höher erhöht und es wird veranlaßt, daß das Abgas in die Bypassleitung 101 strömt, um das Abgas durch die Verwendung eines zweiten DPF vom kontinuierlich regenerierenden Typ 13A verhandelt wird.
  • In dieser Abgasemissionsreinigungseinrichtung wird ein zweiter DPF 13A vom kontinuierlich regenerierenden Typ, der aus dem Oxidationskatalysator 131 und dem DPF 132 besteht, die in 6 gezeigt sind, an einer Position in der Nähe eines Abgasverteilers bzw. -krümmers angeordnet, wie in 5 gezeigt ist. Diese Anordnung verursacht, daß Abgas, dessen Temperatur durch die Einrichtung zum Erhöhen der Abgastemperatur erhöht wurde, selbst in dem Betriebszustand mit niedriger Abgastemperatur durch das zweite DPF vom kontinuierlich regenerierenden Typ 13A geleitet wird, bevor dessen Temperatur nicht erniedrigt wird.
  • Mit der Steuerung eines Umsteuerventils 102 wird, wenn die Abgastemperatur innerhalb eines vorbestimmten Tieftemperaturbereiches ist, veranlaßt, daß das Abgas durch einen zweiten DPF 13A vom sich kontinuierlich regenerierenden Typ in der Nähe eines Abgasverteilers geleitet wird, und, wenn die Abgastemperatur innerhalb eines vorbestimmten Hochtemperaturbereiches ist, wird veranlaßt, daß das Abgas durch den ersten sich kontinuierlich regenerierenden DPF 12A geleitet wird. Dadurch wird in dem gesamten Betriebsbereich des Motors die Temperatur des Abgases, das durch jedes DPF 122, 132 geleitet wird, auf 300°C oder höher eingestellt.
  • Die Temperatur des Abgases, das durch jede dieser DPFs 12A und 13A geleitet wird, wird bei hoher Temperatur gehalten, wodurch die Aktivität des Oxidationskatalysators 121, 131 beibehalten wird und eine Reaktion für das Oxidieren von NO in NO2 oder dergleichen sichergestellt wird. Dadurch wird in dem breiten Arbeitsbereich des Motors PM, das durch die DPF 122, 132 gesammelt wird, zuverlässig kontinuierlich oxidiert, um die PM effizient und zuverlässig zu reinigen.
  • In dieser Hinsicht, da dieses zweite DPF vom kontinuierlich regenerierenden Typ 13A eingesetzt wird, wenn die Abgastemperatur niedrig ist, und in einem Betriebszustand dieses Motors der Betriebszustand bei vergleichsweise niedriger Last in vielen Fällen ist, ist die Abgasströmgeschwindigkeit selbst gering und die Menge von PM im Abgas ist ebenso vergleichsweise gering. Aus diesem Grund kann die Kapazität des zweiten DPF vom sich kontinuierlich regenerierenden Typ 13A auf eine kleinere Kapazität eingestellt werden als die erste DPF vom sich kontinuierlich regenerierenden Typ 12A, die in dem Abgaskanal angeordnet ist.
  • Diese Abgasreinigungseinrichtung hat jedoch ein Problem, daß es nicht möglich ist, NOx, das in dem Abgas enthalten ist, und NOx, das durch eine Oxidationsreaktion in dem DPF vom sich kontinuierlich regenerierenden Typ erzeugt wird, ausreichend zu reinigen, da NOx-Katalysator 14 für das Reinigen von NOx nur hinter dem ersten DPF vom sich kontinuierlich regenerierenden Typ 12A bereitgestellt wird.
  • Mit anderen Worten, für den Haupt-NOx-Katalysator, der gegenwärtig verwendet wird, gibt es einen SCR-Katalysator (selektiver Kontaktkatalysator) und einen NOx-Absorberreduktionskatalysator und einer von beiden hat eine Region, die eine hohe Reinigungsgeschwindigkeit bei einer Temperatur von 280° oder höher erfordert, wie in den 3 und 7 gezeigt ist. Aus diesem Grund, wenn irgendeiner dieser Katalysatoren eingesetzt wird, da in dem Motorbetriebszustand während des Leerlaufs und bei einem Betrieb mit niedriger Last, die Temperatur des Abgases für das Strömen durch diesen NOx-Katalysator zwischen 100 bis 200°C beträgt, verringert sich die Katalysatoraktivität, die Reinigungsgeschwindigkeit von NOx liegt zwischen 0 bis 25% und NOx kann nicht ausreichend verringert werden.
  • Kurze Zusammenfassung der Erfindung
  • Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Abgasreinigungssystem für einen Dieselmotor bereitzustellen, der in der Lage ist, effizient nicht nur PM, sondern ebenso NOx zu reinigen, selbst in einem Motorbetriebszustand mit niedriger Abgastemperatur, wie z. B. in einem Leerlaufbetrieb und in einem Betrieb mit niedriger Last, und eine ausgezeichnete Gasreinigungsleistung in einem weiten Betriebsbereich des Motors zeigt.
  • Um das oben beschriebene Ziel zu erreichen, wird eine Abgasreinigungseinrichtung für einen Dieselmotor gemäß der vorliegenden Erfindung bereitgestellt, die aufweist:
    eine erste Abgasreinigungseinrichtung, die in einer Abgasleitung eines Motors angeordnet ist, mit einem ersten Dieselpartikelfilter vom kontinuierlich regenerierenden Typ und einem ersten SCR-Katalysator,
    eine Bypassleitung, die neben einer Abgasleitung an der aufstromigen Seite der ersten Abgasreinigungseinrichtung plaziert ist,
    eine zweite Abgasreinigungseinrichtung, die in der Bypassabgasleitung angeordnet ist, mit einem zweiten Dieselpartikelfilter vom sich kontinuierlich regenerierenden Typ und einem zweiten SCR-Katalysator,
    eine Zuführungseinrichtung für ein Reduktionsmittel für die NOx-Reinigung, die aufstromig eines Abzweigabschnittes der Bypassabgasleitung angeordnet ist,
    eine Abgastemperaturbereichserfassungseinrichtung für das Erfassen eines Abgastemperaturbereichs des Motors,
    eine Abgastemperaturerhöhungseinrichtung für das Erhöhen der Abgastemperatur mittels einer Kombination eines Einlaßdrosselventils und eines Abgaseinführmechanismus für das Öffnen einer Abgasleitung eines Zylinders während eines Ansaugstoßes,
    eine Kanalschalteinrichtung für das Steuern des Flusses bzw. des Stromes des Abgases zu der Bypassabgasleitung und
    eine Steuereinrichtung für das Steuern der Abgastemperaturerhöhungseinrichtung und der Kanalschalteinrichtung in Übereinstimmung mit einem Abgastemperaturbereich, der durch die Abgastemperaturbereichserfassungseinrichtung erfaßt wurde, wobei
    die Steuereinrichtung derart konstruiert ist, daß, wenn die Abgastemperaturbereichserfassungseinrichtung erfaßt, daß die Abgastemperatur innerhalb eines vorbestimmten Tieftemperaturbereiches ist, die Abgastemperaturerhöhungseinrichtung die Abgastemperatur erhöht und die Kanalschalteinrichtung den Kanal in solch einer Art und Weise schaltet, daß das Abgas durch die Bypassabgasleitung strömt und nachdem sie veranlaßt hat, daß das Abgas durch die zweite Abgasemissionsreinigungseinrichtung hindurchtritt, veranlaßt, daß das Abgas durch die erste Abgasreinigungseinrichtung tritt.
  • Für dieses erste und zweite DPF vom kontinuierlich regenerierenden Typ kann ein DPF vom Stickstoffdioxid regenerierenden Typ eingesetzt werden, das aus einem Oxidationskatalysator auf der aufstromigen Seite und einem Wandflußtypfilter auf der abstromigen Seite besteht, es kann ein DPF-System vom integrierten Typ, das Stickstoffdioxid regeneriert, eingesetzt werden, das aus einem Filter vom „Wall-Flow"-Typ besteht, mit einem Katalysator, der durch das Beschichten der Wandoberfläche mit einem Oxidationskatalysator erhalten wird, es kann ein DPF-System mit einem PM-Oxidationskatalysator eingesetzt werden, der aus einem wertvollen Metalloxidationskatalysator, wie z. B. Platin, und einem Filter vom „Wall-Flow"-Typ mit einem PM-Oxidationskatalysator, der durch Beschichten der Wandoberfläche mit einem PM-Oxidationskatalysator erhalten wurde, besteht, oder es können ähnliche Filter eingesetzt werden.
  • Als ein NOx-Katalysator für das Verringern von NOx wird der SCR-Katalysator eingesetzt. Wie in 3 gezeigt ist, ist die Reinigungsgeschwindigkeit für NOx dieses SCR-Katalysators sehr hoch.
  • Ebenso wird die Kanalschalteinrichtung gebildet durch ein Regelventil, das in einer Abgasleitung bereitgestellt wird, die parallel zu der Bypassabgasleitung verläuft. Oder die Kanalschalteinrichtung kann gebildet werden durch ein Kanalschaltventil, das in einem abgelenkten Teil von der Abgasleitung der Bypassabgasleitung oder in einem Verbindungsteil zu der Abgasleitung bereitgestellt wird, gebildet sein.
  • Für die Abgastemperaturbereichserfassungseinrichtung kann eine Einrichtung für das Erfassen der Abgastemperaturregion auf Basis solcher Tabellendaten eingesetzt werden, wie in 4 exemplarisch gezeigt, die im vorhinein aus der Belastung und der Anzahl von Umdrehungen des Motors eingestellt wurden, eine Einrichtung für das direkte Messen der Temperatur des Abgases durch die Verwendung eines Temperatursensors, der in der Abgasleitung oder dergleichen angeordnet ist.
  • Gemäß eines Abgasreinigungssystems für einen Dieselmotor mit dieser Struktur können die folgenden Effekte gezeigt werden.
  • Wenn die Abgastemperatur außerhalb des Bereichs der Tieftemperaturregion ist, strömt das Hochtemperaturabgas durch die erste Abgasreinigungseinrichtung, um einen Oxidationskatalysator, einen PM-Oxidationskatalysator und den ersten SCR-Katalysator des ersten DPF vom kontinuierlich regenerierenden Typ zu aktivieren. Als Folge hiervon werden PM und NOx mit einer hohen Reinigungsgeschwindigkeit durch die erste Abgasreinigungseinrichtung gereinigt.
  • Ebenso wenn die Abgastemperatur innerhalb der Tieftemperaturregion liegt, erhöht die Abgastemperaturerhöhungseinrichtung die Abgastemperatur und die Kanalschalteinrichtung leitet das Abgas in die Bypassabgasleitung. Das Abgas, das somit in der Temperatur erhöht wurde, wird somit durch die zweite Abgasreinigungseinrichtung geleitet. Diese zweite Abgasreinigungseinrichtung ist auf der aufstromigen Seite angeordnet, und es ist schwieriger, das Abgas zu kühlen als die erste Abgasreinigungseinrichtung. Daher aktiviert das auf hohe Temperatur erwärmte Abgas den Oxidationskatalysator, den PM-Oxidationskatalysator und den zweiten SCR-Katalysator des zweiten DPF vom kontinuierlich regenerierenden Typ. Im Ergebnis wird PM und NOx mit einer hohen Reinigungsgeschwindigkeit durch die zweite Abgasreinigungseinrichtung gereinigt.
  • Mit anderen Worten, wenn die Abgastemperatur innerhalb des Hochtemperaturbereichs ist, kann PM und NOx effizient gereinigt werden durch die Verwendung des ersten DPF vom kontinuierlich regenerierenden Typ und durch Verwendung des ersten. SCR-Katalysators, der in der Abgasleitung bereitgestellt wird. Ebenso kann, in einem Motorbetriebszustand, in dem die Abgastemperatur während des Leerlaufs, während eines Betriebs mit niedriger Last oder dergleichen gering ist und die Menge des Abgases ebenso gering ist, PM und NOx effizient gereinigt werden durch die Verwendung des zweiten DPFs vom kontinuierlich regenerierenden Typ mit kleiner Kapazität und des zweiten SCR-Katalysators mit kleiner Kapazität, die in der Bypassabgasleitung in der Nähe des Abgasverteilers angeordnet sind.
  • Dem Abgasreinigungssystem für den Dieselmotor wird der vorbestimmte Tieftemperaturbereich charakterisiert durch eine Abgastemperatur von 300°C oder geringer.
  • Ebenso in dem Abgasreinigungssystem für den Dieselmotor wird die zweite Abgasreinigungseinrichtung in der Nähe des Abgasverteilers oder innerhalb des Abgasverteilers bereitgestellt. Diese Struktur ermöglicht, daß dem Abgas, bevor sich die Temperatur erniedrigt, in die zweite Abgasreinigungseinrichtung strömt.
  • Ebenso in dem Abgasreinigungssystem für den Dieselmotor wird der vorbestimmte Tieftemperaturbereich in einen ersten Tieftemperaturbereich und einen zweiten Tieftemperaturbereich, der niedriger als der erste Tieftemperaturbereich ist, unterteilt, und die Struktur wird angeordnet, so daß, wenn die Abgastemperaturbereichserfassungseinrichtung erfaßt, daß die Abgastemperatur innerhalb des ersten Tieftemperaturbereichs ist, die Abgastemperaturerhöhungseinrichtung derart steuert, daß ein Einlaßdrosselventil zurückgedrosselt wird und daß, wenn die Abgastemperaturbereichserfassungseinrichtung erfaßt, daß die Abgastemperatur innerhalb des zweiten Tieftemperaturbereichs ist, die Abgastemperaturerhöhungseinrichtung derart steuert, daß das Einlaßdrosselventil zurückgedrosselt wird und derart steuert, um das Abgas während eines Einlaßhubs in den Zylinder einzuführen.
  • Diese Struktur ermöglicht es, daß Abgas bei einer Abgastemperatur, die für die Aktivierung von jedem Katalysator mit mehr Vorsicht und Aufmerksamkeit auf Details zugeführt wird.
  • Ebenso wird in dem Abgasreinigungssystem für den Dieselmotor die Struktur derart angeordnet, daß, wenn sie die Zurückdrosselung des Einlaßdrosselungsventils steuert, die Abgastemperaturerhöhungseinrichtung ebenso die Rückdrosselung eines Abgasdrosselventils steuert. Diese Struktur wird es ermöglichen, daß die Abgastemperatur weiter erhöht wird.
  • Im allgemeinen Motorbetriebszustand kann daher die Reinigungsgeschwindigkeit nicht nur für PM, sondern ebenso für NOx stark verbessert werden. Insbesondere, da die Abgasleitung abhängig von dem Motorbetriebszustand so geschaltet wird, daß die Temperatur des SCR-Katalysators, durch die das Abgas geleitet wird, zu jeder Zeit bei 300°C oder höher gehalten wird, ist es möglich, die Geschwindigkeit der NOx-Reinigung zu verbessern und theoretisch wird es möglich sein, NOx zu 100% zu entfernen.
  • Kurze Beschreibung der Figuren
  • 1 ist eine Ansicht, die die Struktur eines Abgasreinigungssystems für einen Dieselmotor gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,
  • 2 ist eine vergrößerte Ansicht, die eine zweite Abgasreinigungseinrichtung von 1 zeigt,
  • 3 ist eine Ansicht, die die Merkmale eines SCR-Katalysators zeigt,
  • 4 ist eine Ansicht, die ein Beispiel einer Abgasbereichsabbildung zeigt, die verwendet wird gemäß der vorliegenden Erfindung von der Abgastemperaturbereichserfassungseinrichtung,
  • 5 ist eine Ansicht, die die Struktur eines Abgasreinigungssystems für einen Dieselmotor gemäß des Standes der Technik zeigt,
  • 6 ist eine vergrößerte Ansicht, die den zweiten DPF vom kontinuierlich regenerierenden Typ von 5 zeigt,
  • 7 ist eine Ansicht, die die Merkmale eines NOx-Absorberreduktionskatalysators zeigt, und
  • 8 ist eine Ansicht, die ein Beispiel der Beziehung zwischen der Anzahl der Umdrehungen und einer Last und der Abgastemperatur in einem Dieselmotor zeigt.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Unter Bezug auf die Figuren wird die Beschreibung eines Abgasreinigungssystems für einen Dieselmotor gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gegeben.
  • Wie in 1 gezeigt, wird in einem Dieselmotor, in dem dieses Abgasreinigungssystem eingesetzt wird, ein Einlaßrohr 5, das mit einem Einlaßverteiler 3 verbunden ist, der in einem Motorblock 2 bereitgestellt wird, mit einem Luftfilter 6, einem Verdichter 82 eines Turboladers 8 und einem Einlaßdrosselventil 22 ausgestattet. Ebenso wird ein Abgasrohr 7, das mit einem Abgasverteiler 4 zu verbinden ist, mit einer Abgasturbine 81 des Turboladers 8, einem Gasdrosselventil 23 und einer ersten Abgasreinigungseinrichtung 12 ausgestattet. Somit wird für EGR ein EGR-Rohr 9, ausgestattet mit einem EGR-Ventil 11 für das Verbinden des Abgasrohrs 7 und des Einlaßrohrs 5, bereitgestellt.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird mit dem Abgasrohr 7 an der aufstromigen Seite dieser ersten Abgasreinigungseinrichtung 12 eine Bypassgasleitung 101 mit einer zweiten Abgasreinigungseinrichtung 13 parallel ausgestattet. Weiterhin wird ein Kanalschaltventil 102 in der Abgasleitung 7 zwischen einem abgeteilten Teil von dem Abgasrohr 7 und der Bypassabgasleitung 101 und einem Verbindungsteil dem Abgasrohr 7 bereitgestellt.
  • Diese erste Abgasreinigungseinrichtung 12 ist aus einem DPF vom kontinuierlich regenerierenden Typ 12A, das aus einem ersten Oxidationskatalysator 121 und einem ersten DPF 122 besteht, und einem zweiten SCR-Katalysator 12B zusammengesetzt. Die zweite Abgasreinigungseinrichtung 13 ist ebenso ähnlich, wie in 2, aus einem zweiten DPF vom kontinuierlichen Typ 13A, das aus einem zweiten Oxidationskatalysator 131 und einem zweiten DPF 132 besteht, und einem zweiten SCR-Katalysator 13B, zusammengesetzt.
  • Der erste Oxidationskatalysator 121 und der zweite Oxidationskatalysator 131 werden gebildet durch Ausbilden einer Zwischenschicht mit aktivem Aluminiumoxid oder dergleichen, aufgetragen auf der Oberfläche beispielsweise eines Wabenträgers, hergestellt aus Cordirit oder feuerfestem Stahl, um zu veranlassen, daß diese Beschichtungsschicht eine katalytische Aktivierungskomponente trägt, hergestellt aus wertvollem Metall, wie z. B. Platin, Vanadium oder Rhodium. Diese Oxidationskatalysatoren 121, 131 oxidieren NO im Abgas, um NO2 zu erzeugen und Oxideren nicht verbrannter Kohlenwasserstoffe und CO im Abgas, um H2O und CO2 zu erzeugen.
  • Das erste DPF 122 und das zweite DPF 132 werden durch ein Wabenfilter genannt beispielsweise „Wandflußtyp" bzw. „wall flow type" oder ein Fasertypfilter oder dergleichen gebildet. Dieses Wabenfilter wird beispielsweise aus porösem Cordirit oder Siliziumcarbid mit einer Vielzahl von Abgasdurchgängen (Zellen) gebildet, die parallel ausgebildet sind und wird gebildet durch Abdichten der Einlaßseite und der Auslaßseite in einer Zickzack-Form und dessen Umfang mit einer porösen Wandfläche umschlossen ist. Der Fasertypfilter wird ebenso durch das Wickeln einer keramischen Faser um ein mit rostfreiem Stahl perforiertes Rohr zu stapeln, gebildet.
  • Der erste SCR-Katalysator 12B und der zweite SCR-Katalysator 13B sind Katalysatoren, die ebenso „selektive Kontaktreduktionskatalysatoren" genannt werden, und reduzieren NOx mit Ammoniak, das erzeugt wird aus flüssigem Harnstoff, Ammoniakwasser oder flüssigem Ammoniak. Diese SCR-Katalysatoren werden gebildet mit Aluminiumoxid, Titan oder dergleichen als Träger, der in einer Pelletform oder in einer Wabenform gebildet ist, und mit Platin, Vanadiumoxid, Eisenoxid, Kupferoxid, Manganoxid, Chromoxid, Molybdänoxid oder dergleichen als aktives Glied. Diese SCR-Katalysatoren haben solche exzellenten NOx-Reinigungsmerkmale, wie in 3 gezeigt ist.
  • Als ein Katalysator für das Reinigen von NOx wird dieser SCR-Katalysator anstelle des NOx-Absorderreduktionskatalysators eingesetzt mit solch einer Reinigungscharakteristik, wie in 7 gezeigt ist, wodurch die NOx-Reinigungsleistung beachtlich verbessert werden kann.
  • Da jedoch das Abgas nur dann in die zweite Abgasreinigungseinrichtung 13 strömt, wenn die Abgasmenge vergleichsweise klein ist mit einer Abgastemperatur, die innerhalb des Tieftemperaturbereichs ist, wird diese zweite Abgasreinigungseinrichtung 13 mit einer kleineren Kapazität als die Kapazität der ersten Abgasreinigungseinrichtung 12 gebildet.
  • Diese zweite Abgasreinigungseinrichtung 13 wird innerhalb des Abgasverteilers 4 oder in der Nähe von diesem bereitgestellt. Diese Struktur veranlaßt, daß das Abgas, bevor sich die Temperatur verringert, in die zweite Abgasreinigungseinrichtung 13 strömt.
  • Ebenso wird ein Harnstoffinjektor (Injektor für das Liefern von Reduktionsmittel) 31 für das Liefern von Harnstoff (Reduktionsmittel) als ein Reduktionsmittel für das Reinigen von NOx aufstromig des abgezweigten Teiles des Bypassabgaskanals 101 angeordnet. Ebenso wird ein Harnstofftank (Reduktionsmitteltank) 32 und ein Harnstoffführungsrohr (Reduktionsmittelzuführungsrohr) 33 für das Verbinden dieser bereitgestellt. Zusätzlich wird ein Solenoid dieses Harnstoffinjektors 31 durch die Steuereinrichtung 10 gesteuert, um den Harnstoff zu injizieren und die Injektionsmenge einzustellen. Diese Einrichtungen bilden eine Reduktionsmittelzuführungseinrichtung für das Reinigen von NOx.
  • Ebenso werden bereitgestellt die Abgastemperaturbereichserfassungseinrichtungen für das Erfassen des Abgastemperaturbereichs des Motors, die Abgastemperaturerhöhungseinrichtung für das Erhöhen der Abgastemperatur und die Kanalschalteinrichtung für das Steuern des Flusses des Abgases zu der Bypassabgasleitung. Weiterhin wird die Steuereinrichtung für das Steuern dieser Abgastemperaturbereichserfassungseinrichtung, der Abgastemperaturanstiegseinrichtung und der Kanalschalteinrichtung innerhalb der Steuereinrichtung 10 bereitgestellt.
  • Diese Abgastemperaturbereichserfassungseinrichtung wird gebildet durch Mittel für das Beurteilen des Abgastemperaturbereichs über die Verwendung von solch einer Abgastemperaturbereichsabbildung, wie exemplarisch in 4 dargestellt, aus der Belastung und der Anzahl der Umdrehungen des Motors basierend auf vorbestimmten Abbildungsdaten.
  • Die Belastung bzw. Last wird erfaßt mit Hilfe eines Beschleunigungssensors 16, der eine Motorbelastungserfassungeinrichtung ist, und die Anzahl von Umdrehungen wird mit Hilfe eines Motorgeschwindigkeitserfassungssensors 15 erfaßt, der ein Drehzahlmesser ist. In dieser Hinsicht können stattdessen angepaßte Einrichtungen vorhanden sein für das direkte Messen der Temperatur des Abgases durch die Verwendung eines Temperatursensors (nicht gezeigt), der in der Abgasleitung 7 bereitgestellt ist.
  • Ebenso wird die Abgastemperaturerhöhungseinrichtung mit Hilfe einer Kombination aus einem Einlaßdrosselventil 22 und einem Abgaseinfügungsmechanismus für das Öffnen einer Abgasleitung eines Zylinders während eines Ansaugtaktes gebildet. In dieser Hinsicht kann die Abgastemperaturerhöhungseinrichtung derart konstruiert sein, daß sie ein Abgasdrosselventil 23 hinzufügt, um in der Lage zu sein, die Temperatur weiter zu erhöhen, wenn sich die Notwendigkeit ergibt.
  • Dieser Abgaseinfügungsmechanismus ist ein Abgasnocken, der das Abgasventil erhöht oder erniedrigt, um das Öffnen und Schließen des Abgasloches durchzuführen, der gebildet wird durch Anpassen eines Nockenprofils, durch das das Abgasventil während des Auslaßhubs geöffnet wird. Oder dieser Abgaseinführungsmechanismus wird gebildet durch Anpassen einer Abgaseinführungsleitung, durch die das Innere der Abgasleitung desselben Zylinders mit dem Inneren des Zylinders in Verbindung steht, um durch Anpassen eines Abgaseinführungsventils, das in dieser Abgaseinführungsleitung angeordnet ist, für das Öffnen des Inneren der Abgasleitung innerhalb desselben Zylinders gegenüber dem Zylinder während des Einlaßtaktes.
  • Ebenso wird die Kanalschalteinrichtung gebildet durch das Kanalschaltventil 102 und dergleichen. In diesem Kanalschaltventil 102 wird, während ein Blick auf den Betriebszustand des Motors durch die Verwendung der Abgastemperaturbereichserfassungseinrichtung geworfen wird, die Ventilöffnung gesteuert durch eine Steuereinrichtung 10 genannt „ECM" für das Steuern des Betriebs des Motors.
  • In dieser Hinsicht wird, um EGR durchzuführen, eine EGR-Passage 9 bereitgestellt, so daß sie aufstromig des Kanalschaltventils 102 von dem Abgasrohr 7 abzweigt und abstromig des Einlaßdrosselventils 22 mit dem Abgasrohr 7 verschmilzt.
  • In dem Abgasreinigungssystem mit der oben beschriebenen Struktur wird die Steuerung wie folgt durchgeführt.
  • Wenn beim Betrieb des Motors die Abgastemperaturbereichserfassungseinrichtung von der Belastung und der Drehzahl des Motors erfaßt, daß die Abgastemperatur innerhalb eines geeigneten Temperaturbereichs Z1 liegt, der höher als eine erste vorbestimmte Temperaturlinie L1 und niedriger als eine dritte vorbestimmte Temperaturlinie L3 ist, öffnet die Kanalschalteinrichtung das Kanalschaltventil 102, um zu veranlassen, daß das Abgas direkt in die erste Abgasreinigungseinrichtung 12 strömt. Zu diesem Zeitpunkt werden sowohl das Einlaßdrosselventil 22 als auch das Auslaßdrosselventil 23 völlig geöffnet. Ebenso wird die Ventilöffnung des EGR-Ventils eingestellt und gesteuert, so daß eine EGR-Menge erhalten wird, die für den entsprechenden Betriebszustand geeignet ist, oder wird vollständig geöffnet. Diese erste vorbestimmte Temperaturlinie L1 ist eine Linie, an der die Abgastemperatur 250°C oder vorzugsweise 300°C überschreitet.
  • Wenn sie erfaßt, daß die Abgastemperatur innerhalb eines Tieftemperaturbereichs Z2 (erster Tieftemperaturbereich Z21 oder zweiter Tieftemperaturbereich Z22) ist unterhalb einer vorbestimmten Temperaturlinie L1, steuert die Abgastemperaturbereichserfassungseinrichtung derart, daß die Abgastemperatur derart erhöht wird durch Betreiben der Abgastemperaturerhöhungseinrichtung und steuert derart, daß das Kanalschaltventil 102 geöffnet wird mit Hilfe der Kanalschalteinrichtung. Diese Ventilöffnung verursacht somit, daß Abgas durch die Bypassabgasleitung 101 strömt und nachdem sie veranlaßt, daß das Abgas durch die zweite Abgasreinigungseinrichtung 13 geleitet wird, veranlaßt sie, daß es durch die erste Abgasreinigungseinrichtung 12 geleitet wird.
  • Diese Abgastemperaturerhöhungseinrichtung arbeitet, wenn die Abgastemperaturbereichserfassungseinrichtung erfaßt, daß die Abgastemperatur innerhalb des ersten Tieftemperaturbereichs Z21 liegt, der niedriger als die erste vorbestimmte Temperaturlinie L1 und höher als die zweite vorbestimmte Temperaturlinie L2 ist. Somit drosselt der Betrieb dieser Abgastemperaturerhöhungseinrichtung die Ventilöffnung des Einlaßdrosselventils 22 und des Auslaßdrosselventils 23 in Übereinstimmung mit den entsprechenden Ventilöffnungsabbildungen, die im vorhinein eingestellt wurden. In dieser Hinsicht wird das EGR-Ventil 11 geöffnet.
  • Da dieses Drosseln des Einlaßdrosselventils 22 den Zustrom der Einlaßluft und den Druck innerhalb der Einlaßleitung 5 erniedrigt, erhöht sich die EGR-Menge. Da ebenso, wenn das Drosseln des Abgasdrosselventils 23 hinzugefügt wird, sich der Abgasdruck innerhalb der Abgasleitung 7 und der EGR-Leitung 9 erhöht, wird die EGR-Menge weiter erhöht. Da ein Überschußluftverhältnis nahe Eins wird aufgrund des Abfalls der Menge an Einlaßluft und da der Anstieg der Menge des Einschlusses von EGR-Gas die Einlaßtemperatur der Einlaßluft erhöht, wird die Abgastemperatur erhöht.
  • Ebenso, wenn die Abgastemperaturbereichserfassungseinrichtung erfaßt, daß die Abgastemperatur innerhalb des zweiten Tieftemperaturbereichs Z22 liegt, der noch unterhalb des ersten Tieftemperaturbereichs Z21 liegt und niedriger als die zweite vorbestimmte Temperaturleitung L2 ist, führt die Abgastemperaturerhöhungseinrichtung die folgende Operation durch. Sie drosselt die Ventilöffnungen des Einlaßdrosselventils 22 und des Auslaßdrosselventils 23 in Übereinstimmung mit den entsprechenden Ventilöffnungsabbildungen, die im vorhinein eingestellt wurden. Ebenso öffnet die Abgastemperaturerhöhungseinrichtung das EGR-Ventil 11 und betreibt weiterhin den Abgaseinführungsmechanismus, um Hochtemperaturabgas in den Zylinder während des Einlaßhubs einzuführen für das Erhöhen der Abgastemperatur. Wenn das Abgasdrosselventil 23 gedrosselt wird und der Abgasdruck zu dieser Zeit erhöht wird, wird viel Abgas in den Zylinder während des Einlaßhubs eingeführt und daher wird die Abgastemperatur weiter erhöht.
  • In dieser Hinsicht führt die Abgastemperaturbereichserfassungseinrichtung die folgende Operation durch, wenn sie aus der Last und der Drehzahl des Motors erfaßt, daß die Abgastemperatur hoch und innerhalb eines Hochtemperaturbereichs Z3 liegt, der höher als die dritte vorbestimmte Temperaturlinie L3 ist, die höher als die Aktivierungstemperatur des Oxidationskatalysators 121 ist.
  • Die Abgastemperaturbereichserfassungseinrichtung steuert sowohl ein Einlaßdrosselventil 22 und ein Auslaßdrosselventil 23 auf vollständig geöffnet und öffnet das Kanalschaltventil 102 mit Hilfe der Kanalschalteinrichtung. Ebenso wird die Abgastemperatur verringert durch die Verwendung der Abgastemperaturerniedrigungseinrichtung, wie z. B. die Steuerung des Anstiegs in der Menge der Einlaßluft aufgrund eines variablen Turboladers oder des Kühlens des Abgases aufgrund von Kühlwasser.
  • Mit dieser Struktur und Steuerung, wenn die Abgastemperatur innerhalb des Hochtemperaturbereichs Z1, Z3 liegt, reinigt die erste Abgasreinigungseinrichtung 12 das Abgas. In diesem Fall, da das Abgas, das in die erste Abgasreinigungseinrichtung 12 fließt, eine hohe Temperatur hat, nehmen der erste Oxidationskatalysator 121 und der erste SCR-Katalysator 12B einen vergleichsweise hohen Temperaturzustand ein und PM und NOx können effizient in einem verbesserten Zustand der Aktivierung des Katalysators gereinigt werden.
  • Wenn die Abgastemperatur während des Leerlaufs oder während eines Betriebs mit niedriger Last innerhalb des ersten und zweiten Tieftemperaturbereichs Z21 und Z22 ist, wird die Abgastemperaturerhöhungseinrichtung derart betrieben, daß sie das Abgas reinigt. In diesem Fall wird mittels des Drosselns des Einlaßdrosselventils 22 und des Auslaßdrosselventils 23 und mittels des Einführens von Abgas in den Zylinder während des Einlaßhubs durch einen Betrieb des Abgaseinführungsmechanismus die Abgastemperatur erhöht und das in der Temperatur erhöhte Abgas wird durch die zweite Abgasreinigungseinrichtung 13 geleitet, um gereinigt zu werden.
  • Diese zweite Abgasreinigungseinrichtung 13 kann in einer Position nahe an dem Abgasverteiler angeordnet sein aufgrund ihrer kleinen Kapazität. Aus diesem Grund ist es schwierig, das Abgas zu kühlen, und die Temperatur des zweiten Oxidationskatalysators 131 und des zweiten SCR-Katalysators 13B verringern sich nicht im großen Maße und daher können PM und NOx effizient in einem aktivierten Zustand des Katalysators gereinigt werden.
  • Daher ist es gemäß dieses Abgasreinigungssystems möglich, wenn die Abgastemperatur innerhalb des Hochtemperaturbereichs liegt, mit Hilfe des ersten DPF vom sich kontinuierlich regenerierenden Typ 12A und dem ersten SCR-Katalysator 12B, der in der Abgasleitung bereitgestellt wird, PM und NOx effizient zu reinigen, und in einen Motorbetriebszustand mit niedriger Abgastemperatur, wie z. B. während des Leerlaufs und während eines Betriebs mit niedriger Last, mit Hilfe des zweiten DPF vom sich kontinuierlich regenerierenden Typ 13A und des zweiten SCR-Katalysators 13B, die in der Bypassabgasleitung in der Nähe des Abgasverteilers angeordnet sind, PM und NOx effizient zu reinigen.
  • In dem allgemeinen Betriebszustand des Motors wird es daher möglich, die Geschwindigkeit der NOx-Reinigung deutlich zu verbessern.
  • Insbesondere, da die Abgasleitung so geschaltet werden kann, die Temperatur des SCR-Katalysators, durch die das Abgas mit 300°C oder höher zu jeder Zeit geleitet wird, zu halten, ist es möglich, theoretisch 100% von NOx zu entfernen.
  • In dieser Hinsicht wurde in der oben beschriebenen Ausführungsform die Beschreibung des Stickstoffdioxid regenerierenden Typs eines DPF-Systems als das sich kontinuierlich regenerierende DPF-System beschrieben.

Claims (5)

  1. Abgasemissionsreinigungsvorrichtung für einen Dieselmotor, die aufweist: eine erste Abgasemissionsreinigungseinrichtung (12), die in einer Abgaspassage (7) eines Motors (2) angeordnet ist mit einem ersten Dieselpartikelfilter (12A) vom sich kontinuierlich regenerierenden Typ und einem ersten SCR-Katalysator (12B), eine Bypassabgaspassage (101), die neben einer Abgaspassage (7) an der aufstromigen Seite der ersten Abgasemissionsreinigungseinrichtung (12) plaziert ist, eine zweite Abgasemissionsreinigungseinrichtung (13), die in der Bypassabgaspassage (101) angeordnet ist mit einem zweiten Dieselpartikelfilter (13A) vom kontinuierlich regenerierenden Typ und einem zweiten SCR-Katalysator (13B), eine Zuführungseinrichtung (31) für Reduktionsmittel für die NOx-Reinigung, die aufstromig eines Abzweigabschnittes der Bypassabgaspassage (101) angeordnet ist, eine Abgastemperaturbereichserfassungseinrichtung für für das Erfassen eines Abgastemperaturbereichs des Motors (2), eine Abgastemperaturerhöhungseinrichtung für das Erhöhen der Abgastemperatur mittels einer Kombination eines Einlaßdrosselventils und eines Abgaseinführmechanismus für das Öffnen einer Abgaspassage eines Zylinders während eines Ansaugstoßes, eine Kanalschalteinrichtung für das Steuern des Flusses des Abgases zu der Bypassabgaspassage (101) und eine Steuereinrichtung für das Steuern der Abgastemperaturerhöhungseinrichtung und der Kanalschalteinrichtung entsprechend eines Abgastemperaturbereichs, der durch die Abgastemperaturbereichserfassungseinrichtung erfaßt wurde, wobei die Steuereinrichtung derart konstruiert ist, daß, wenn die Abgastemperaturbereichserfassungseinrichtung erfaßt, daß die Abgastemperatur innerhalb eines vorbestimmten Tieftemperaturbereichs ist, die Abgastemperaturerhöhungseinrichtung die Abgastemperatur erhöht, und die Kanalschalteinrichtung den Kanal in solch einer Art und Weise schaltet, daß das Abgas durch die Bypassabgaspassage (101) strömt und nachdem sie veranlaßt hat, daß das Abgas durch die zweite Abgasemissionsreinigungseinrichtung (13) hindurchtritt, veranlaßt, daß das Abgas durch die erste Abgasemissionsreinigungseinrichtung (12) tritt.
  2. Abgasemissionsreinigungseinrichtung für einen Dieselmotor nach Anspruch 1, wobei der vorbestimmte Tieftemperaturbereich durch eine Abgastemperatur von 300°C oder geringer spezifiziert ist.
  3. Abgasemissionsreinigungseinrichtung für einen Dieselmotor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite Abgasemissionsreinigungseinrichtung (13) in der Nähe eines Abgasverteilers (4) oder innerhalb des Abgasverteilers (4) bereitgestellt wird.
  4. Abgasemissionsreinigungseinrichtung für einen Dieselmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der vorbestimmte Tieftemperaturbereich in einen ersten Tieftemperaturbereich (Z21) und einen zweiten Tieftemperaturbereich (Z22), der niedriger als der erste Tieftemperaturbereich (Z21) ist, unterteilt wird, und wenn die Abgastemperaturbereichserfassungseinrichtung erfaßt, daß die Abgastemperatur innerhalb der ersten Tieftemperaturregion (Z21) liegt, die Abgastemperaturerhöhungseinrichtung steuert, um ein Einlaßdrosselventil (22) zurückzudrosseln, und wenn die Abgastemperaturbereichserfassungseinrichtung erfaßt, daß die Abgastemperatur innerhalb des zweiten Tieftemperaturbereichs (Z22) liegt, die Abgastemperaturerhöhungseinrichtung steuert, um das Einlaßdrosselventil (22) zurückzudrosseln, und steuert, um das Abgas in dem Zylinder während eines Einlaßstoßes einzuführen.
  5. Abgasemissionsreinigungseinrichtung für einen Dieselmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der sie, wenn sie steuert, um das Einlaßdrosselventil (22) zurückzudrosseln, die Abgastemperaturerhöhungseinrichtung ebenso steuert, um ein Abgasdrosselventil (23) zurückzudrosseln.
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