DE60213025T2

DE60213025T2 - Abgasreinigung für einem Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE60213025T2
Application number: DE60213025T
Authority: DE
Inventors: Toshikazu Chigasaki-shi Shiino; Isamu Yokosuka-shi Hotta; Hirofumi Yokosuka-shi Tsuchida
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-05-11
Filing date: 2002-04-19
Publication date: 2006-11-09
Anticipated expiration: 2022-04-20
Also published as: EP1256700A1; DE60213025D1; EP1256700B1; JP2002332835A; JP3726705B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Technik zur Reinigung des Abgases einer Kraftmaschine mit innerer Verbrennung, die beispielsweise in einem Fahrzeug verwendet wird, und insbesondere eine Vorrichtung und/oder ein Verfahren, geeignet für die Entfernung von NOx aus dem Abgas, umfassend eine NOx-Falle für das Festhalten und Freisetzen von NOx und einen NOx reduzierenden Katalysator für die Reduktion von NOx mit einem Reduktionsmittel im Abgas und einem Reduktorzufuhrabschnitt für das Zuführen des Reduktionsmittels zum NOx-Reduktionskatalysator.
Für Motoren mit magerer Verbrennung ist eine Nachbehandlungs-Vorrichtung, die eine NOx-Falle (Katalysator) enthält, wirksam. Diese Vorrichtung bindet (adsorbiert oder absorbiert) vorübergehend NOx und gibt das gebundene NOx frei (oder desorbiert es) unter vorgegebenen Bedingungen (wie beschrieben in der US – PS 5.473.887, entsprechend der JP – PS 2.600.492). Die NOx-Falle enthält z.B. mindestens eine Substanz, ausgewählt aus Alkalimetallen, Erdalkalimetallen und seltenen Erdmetallen und mindestens einem Edelmetall, aufgebracht auf einen Träger. Die NOx-Falle oder der NOx-Fallen-Katalysator dieses Typs ist in der Lage, NOx zu binden im Fall, dass das einströmende Abgas mager ist, und NOx abzugeben, falls das einströmende Abgas fett oder stöchiometrisch ist. Ein solcher Katalysator ist inaktiv und daher unzureichend bei der katalytischen Umwandlung im Zustand niederer Temperatur nach dem Starten des Verbrennungsmotors.
Weiterhin offenbart die FR – PS 2.790.789 ein Gerät zur Überwachung der Emissionen, das einen ersten NOx-Reduktions-/Absorptions-Katalysator in der Auspuffleitung eines Verbrennungsmotors enthält und einen zweiten selektiven Reduktionskatalysator. Der erste Katalysator absorbiert NOx, wenn das Luft/Treibstoff-Verhältnis magerer ist als das theoretische Verhältnis, und gibt NOx frei, wenn der Sauerstoffgehalt im Abgas abnimmt. Eine reduzierende Ammoniak-Komponente wird zugesetzt zum Aufspüren von NOx, das vom NOx-Absorptionskatalysator abgegeben wird durch einen NOx erkennenden Sensor stromabwärts der NOx-Falle, um eine gezielte NOx-Reduktion durch einen zweiten selektiven Reduktionskatalysator zu ermöglichen.
Die DE – PS 19.933.736 beschreibt eine Anordnung zur Reinigung des Abgases eines Verbrennungsmotors, umfassend ein Katalysatorsystem, wobei der Abgasstrom aus einer NOx-Menge besteht, einem Oxidationskatalysator und einem NOx-Reduktionskatalysator. Das Reduktionsmittel zum Reduzieren des NOx wird dem NOx-Reduktionskatalysator stromaufwärts des NOx-Katalysators zugeführt und durch einen Temperaturfühler gesteuert, der stromaufwärts der NOx-Falle angebracht ist, um eine ausreichende Temperatur zum Verdampfen des Reduktionsmittels sicherzustellen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und/oder ein Verfahren zur wirksameren und zuverlässigeren Entfernung von NOx zur Verfügung zu stellen.
Im Hinblick auf die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung wird die obige Aufgabe gelöst durch eine Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, umfassend eine NOx-Falle zum Festhalten und Freisetzen von NOx, einen NOx reduzierenden Katalysator zur Reduktion von NOx mit einem Reduktionsmittel im Abgas und einen Reduktorzufuhr-Abschnitt für die Zufuhr des Reduktionsmittels zum NOx-Reduktionskatalysator, wobei die NOx-Falle eine Komponente zur Bindung von NOx bei niederen Temperaturen – niedriger als oder gleich 200°C – und zur Abgabe von NOx bei höheren Temperaturen umfasst und wobei die Abgasreinigungsvorrichtung zusätzlich einen NOx-Abgabe-Überwachungsabschnittumfasst zur Überwachung, ob die NOx-Abgabebedingung in der NOx-Falle erfüllt ist, wobei der NOx-Abgabe-Überwachungsabschnitt in der NOx-Falle einen Temperaturfühler enthält zur Erfassung der Temperatur in der NOx-Falle und wobei der Reduktorzufuhr-Abschnitt so eingestellt ist, dass er das Reduktionsmittel zuführt, wenn die NOx-Abgabebedingung erfüllt ist.
Im Hinblick auf das Verfahren der vorliegenden Erfindung wird die obige Aufgabe gelöst durch ein Abgasreinigungsverfahren für einen Verbrennungsmotor, der ausgerüstet ist mit einer Auspuffeinrichtung, die eine NOx-Falle und einen NOx reduzierenden Katalysator umfasst, enthaltend einen Reduktionsmittel-Zufuhrschritt, der dem NOx reduzierenden Katalysator ein Reduktionsmittel zuführt, wobei das Abgasreinigungsverfahren weiterhin einen Überwachungsschritt umfasst zur Überwachung, ob die NOx-Abgabebedingung erfüllt ist, und wobei der NOx-Abgabe-Überwachungsabschnitt in der NOx-Falle einen Temperaturfühler für die Erfassung der Temperatur der NOx-Falle enthält für die NOx-Falle eines Typs zur Bindung von NOx bei niederen Temperaturen, niedriger als oder gleich 200°C und zur Abgabe von NOx bei höheren Temperaturen; und wobei im Reduktionsmittelzufuhrschritt das Reduktionsmittel zugeführt wird, wenn die NOx-Abgabe erfüllt ist.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen niedergelegt.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand einiger Ausführungsformen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen genauer erklärt, wobei:
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 eine schematische Ansicht ist, die eine Abgasreinigungsvorrichtung nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist ein Fließbild, das den Steuerungsvorgang zeigt, der durch die Vorrichtung der 1 ausgeführt wird zur Abschätzung der NOx-Abgabebedingung und zur Regelung der Reduktorzufuhr.
Die 3A, 3B und 3C sind Diagramme, die die Beziehungen zwischen der jeweiligen Katalysatortemperatur Tc, der Strömungsgeschwindigkeit des Abgasstroms durch den Katalysator und der Menge des festgehaltenen NOx in der NOx-Falle zeigen.
4 ist eine schematische Ansicht, die eine Abgasreinigungsvorrichtung nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
5 ist ein Fließbild, das den Steuerungsvorgang zeigt, der durch die Vorrichtung der 4 ausgeführt wird zur Berechnung der Reduktormenge, die zur Reduktion des abgegebenen NOx benötigt wird.
Die 6A, 6B und 6C sind Diagramme, die die Abhängigkeiten zwischen der jeweiligen NOx-Konzentration in Bezug auf das Paar Motorgeschwindigkeit und Belastung, das Luft/Treibstoff-Verhältnis A/F, und die Motorkühlmittel-Temperatur Tw zeigen.
Die 7A, 7B und 7C sind Diagramme, die die Beziehungen der jeweiligen NOx-Fallen-Geschwindigkeiten in Abhängigkeit von der Katalysatortemperatur Tc, der Strömungsgeschwindigkeit des Abgasstroms durch den Katalysator und der Menge des NOx, die im Katalysator eingefangen wird, darstellen.
Die 8 und 9 zeigen ein Fließbild des Steuerungsvorgangs, der durch die Vorrichtung der 4 ausgeführt wird, für die Berechnung des Sollverhältnisses Luft/Treibstoff und der Sollmenge an Frischluft.
Die 10 und 11 zeigen ein Fließbild eines Motorsteuerungsvorgangs, der durch eine Motorabgas-Steuerungsvorrichtung nach einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird.
12 ist eine Ansicht, die den Mehrschichtaufbau mit einer Schicht einer NOx-Falle (Katalysator) und einer Edelmetallkatalysator-Schicht zeigt, wie sie in der zweiten Ausführungsform angewendet wird.
1 zeigt eine Abgasreinigungsvorrichtung nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Der Katalysator einer NOx-Falle enthält nach einem Beispiel mindestens eine Substanz, die aus Alkalimetallen, Erdalkalimetallen und seltenen Erdmetallen ausgewählt ist, und wenigstens ein Edelmetall, aufgebracht auf einen Träger. Wenn die Temperatur des Abgases niedrig ist, wie beim Betrieb unmittelbar nach einem Kaltstart des Motors, ist der Katalysator der NOx-Falle jedoch inaktiv und unzureichend in der Wirkung der Abgasreinigung. Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben nach einem Katalysator gesucht, der bei niedrigeren Temperaturen aktiviert werden kann. Im besonderen ist ein Katalysator aus Zeolith oder ein Katalysator, der Zeolith enthält, in der Lage, NOx in Gegenwart von Sauerstoff bei niedrigeren Temperaturen (niedriger als oder gleich 200°C beispielsweise) festzuhalten. Die NOx-Falle oder der Katalysator der NOx-Falle dieses Typs gibt NOx aus der Falle frei, wenn die Temperatur des Katalysators höher wird oder wenn die Durchflussmenge des Abgasstroms durch den Katalysator steigt wie in den 3A und 3B gezeigt. Die in 1 dargestellte Abgasreinigungsvorrichtung ist ausgelegt, das vom Katalysator eines solchen Typs abgegebene NOx wirksam und zuverlässig zu reduzieren und zu reinigen.
Im Ansaugrohr 6 eines Motors 1 ist, wie in 1 gezeigt, ein Luftfilter 2, ein Luft-Durchflussmesser (oder Luftstromsensor) 3, eine Drosselklappe 4 und eine Mischkammer 5 vorgesehen. Der Luftdurchflussmesser 3 misst die Lufteinlassmenge. Der Öffnungsgrad der Drosselklappe 4 wird gesteuert, um die Lufteinlassmenge zu regeln.
In jedem Zylinder des Motors 1 ist eine Kraftstoff-Einspritzdüse 10 zum Einspritzen des Kraftstoffs in die Verbrennungskammer 7 vorgesehen und eine Zündkerze 11 für die Funkenzündung. Der Kraftstoff wird durch die Einspritzdüse 10 in die Luft eingespritzt, die durch das Einlassventil 8 eingeführt wird, um ein Luft-Kraftstoff-Gemisch zu bilden und das Luft-Kraftstoff-Gemisch wird im Verbrennungsraum 7 verdichtet und durch den Funken der Zündkerze 11 gezündet.
Das Abgas des Motors 1 wird aus dem Verbrennungsraum 7 durch das Auslassventil 12 in das Auspuffrohr 13 abgeführt. Eine EGR-("Exhaust Gas Recycling")-Leitung 14 ist mit dem Auspuffrohr 13 verbunden und dafür vorgesehen, einen Teil des Abgases zur Mischkammer 5 auf der Einlassseite zurückzuführen. Ein EGR-Ventil 15 ist an der EGR-Leitung 14 angebracht und für die Regelung der auf die Einlassseite zurückgeführten Abgasmenge (EGR-Menge) konstruiert.
Ein Sensor (17) für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis ist in der Sammelleitung 16 angebracht und stromabwärts mit dem Abgasrohr 13 verbunden, um das Abluft/Kraftstoff-Verhältnis zu erfassen.
Eine Reduktorzufuhr-Einrichtung 21 ist stromabwärts vom Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 17 angeordnet. Die Reduktorzufuhr-Einrichtung 21 ist ein Gerät für die Zufuhr eines oder mehrerer Reduktionsmittel, wie Kohlenwasserstoffe, in das Auspuffrohr der Abgasvorrichtung.
Der erste und der zweite Abgasreinigungs-Katalysator 18 und 20 sind im Auspuffrohr stromabwärts vom Redaktorzufuhrgerät 21 vorgesehen. Der erste Katalysator 18 ist eine NOx-Falle mit, in dieser Ausführungsform, einem Zeolith-Katalysator, der Zeolith enthält (z.B. Zeolith β, Zeolith A, Zeolith Y, Zeolith X, ZSM-5, Mordenit und Ferrierit). Der zweite Katalysator 20 ist stromabwärts vom Zeolith-Katalysator 18 angeordnet. Der zweite Katalysator 20 ist gemäß dieser Ausführungsform ein Edelmetall-Katalysator, der mindestens ein Edelmetall (wie Platin, Palladium und/oder Rhodium) enthält.
Im Zeolith-Katalysator 18 ist ein Temperaturfühler 19 vorgesehen zur Erfassung der Temperatur des Zeolith-Katalysators 18 (oder der Temperatur des Abgases).
Eine Motor-Steuereinheit (ECU: "Engine Control Unit") 22 empfängt Signale vom Luft-Durchflussmesser 3, vom Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 17 und vom Temperaturfühler 19. Die ECU 22 erhält weiterhin Signale von einem Kurbelwinkel-Sensor, einem Fühler für die Temperatur des Motor-Kühlmittels und einem Sensor für die Öffnung des Gashebels. In Abstimmung mit den auf diese Weise gesammelten Informationen steuert die ECU 22 (den Grad der) Öffnung der Drosselklappe, die Kraftstoff-Einspritzungsmenge, den Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung, den Zündzeitpunkt, die EGR-Menge (oder Durchflussrate) und die Zufuhr des Reduktionsmittels. Die ECU 22 dient zur Steuerung eines Motorregelungssystems.
Die 2 zeigt einen Vorgang, der von der ECU 22 zur Abschätzung der NOx-Desorption oder -Abgabe aus dem Zeolith-Katalysator 18 ausgeführt wird und zur Steuerung der Zufuhr des Reduktionsmittels, um das aus dem Zeolith-Katalysator 18 abgegebene NOx zu reduzieren und zu reinigen.
Die ECU 22 erfasst die Temperatur Tc des Zeolith-Katalysators 18 beim Schritt S1 und vergleicht beim Schritt S2 die Katalysator-Temperatur Tc mit der Solltemperatur TcL. Diese Temperatur TcL ist in diesem Beispiel ein konstanter Wert für die Erkennung der NOx-Abgabe aus dem Zeolith-Katalysator 18. Die Temperatur TcL wird gleichgesetzt mit der Temperatur, ab welcher die Desorption oder Abgabe des im Zeolith-Katalysator 18 festgehaltenen NOx beginnt. Die Temperatur, bei welcher der Zeolith-Katalysator beginnt, NOx freizusetzen, wird experimentell bestimmt, und die Solltemperatur TcL wird der experimentell ermittelten Temperatur gleichgesetzt. Die 3A zeigt die experimentell bestätigte Beziehung zwischen der Abgaberate) von NOx aus dem Zeolith-Katalysator und der Katalysatortemperatur Tc. Die NOx-Abgabe beginnt bei der Temperatur TcL.
Wenn die Temperatur Tc des Zeolith-Katalysators 18 höher als oder gleich der vorher bestimmten Solltemperatur TcL ist, nimmt die ECU 22 an, dass der Katalysator 18 sich im Zustand der NOx-Abgabe befindet und schaltet von Schritt S2 weiter zu Schritt S3, um zu prüfen, ob die angesammelte Reduktorzufuhr-Menge tFn größer als die vorherbestimmte Menge tFn1 ist. Die angesammelte Reduktorzufuhr-Menge tFn ist die Menge, die bei einem (unmittelbar vorhergehenden) Probelauf in Schritt 5 ermittelt wurde. Die vorbestimmte Menge tFn1 ist eine Konstante, die die obere Grenze der Menge des Reduktionsmittels definiert, die dem Abgassystem zugeführt wird. In diesem Beispiel wird die vorbestimmte Menge tFn1 der Menge gleichgesetzt, die nötig und ausreichend ist, das NOx, das der Zeolith-Katalysator 23 festhalten kann, quantitativ zu reduzieren. Wenn die angesammelte Reduktorzufuhrmenge tFn kleiner als oder gleich der vorbestimmten Menge tFn1 ist, schaltet die ECU 22 weiter zu Schritt S4.
Bei Schritt S4 berechnet die ECU 22 die Reduktor-Sollmenge dFn. Ein Weg, die Reduktor-Sollmenge dFn zu bestimmen, ist es, die Reduktor-Sollmenge dFn als vorher festgelegten konstanten Wert anzusetzen. Alternativ ist es möglich, die NOx-Abgabemenge aus der Katalysator-Temperatur Tc abzuschätzen aus der Beziehung zwischen der Temperatur des Zeolith-Katalysators Tc und der NOx-Abgaberate, wie sie in 3A gezeigt ist, und eine Datentabelle der benötigten Reduktormenge für die Reduktion der geschätzten NOx-Abgabemenge zu erstellen. In diesem Fall wird die Reduktor-Sollmenge dFn aus der Katalysator-Temperatur Tc, die in Schritt S1 erhalten wurde, durch Abruf aus der Datentabelle bestimmt.
Bei Schritt S5 aktualisiert die ECU 22 die angesammelte Reduktorzufuhr-Menge tFn durch Bestimmung eines neuen Wertes tFn(+1) gemäß der folgenden Gleichung: tFn(+1) = tFn + dFn
Bei dem auf Schritt S5 folgenden Schritt S6 wird das Reduktionsmittel in einer Menge, die gleich der Reduktor-Sollmenge dFn ist, aus einem Reduktor-Zuführgerät 21 in das Auspuffrohr eingebracht.
Der Schritt S7 wird vom Schritt S2 aus erreicht, wenn die Zeolith-Katalysator- Temperatur Tc niedriger als die vorgegebene Temperatur TcL ist und die ECU daher annimmt, dass der Zeolith-Katalysator 18 noch nicht im Zustand der NOx-Abgabe ist. Der Schritt S7 wird auch vom Schritt S3 aus erreicht, wenn die angesammelte Reduktor-Zufuhrmenge tFn größer als die vorgegebene Menge tFn1 ist und daher anzunehmen ist, dass das Reduktionsmittel in einer notwendigen und ausreichenden Menge für die NOx-Abgabemenge zugeführt wird. Die ECU 22 löscht die Reduktor-Sollmenge dFn auf Null (dFn = 0) im Schritt S7 und setzt dann im nächsten Schritt S8 die angesammelte Reduktor-Zufuhrmenge neu auf Null (tFn = 0) fest. In diesem Fall führt das System die Zufuhr von Reduktionsmittel nicht aus.
Auf diese Weise kann die Abgasreinigungs-Vorrichtung gemäß dieser Ausführungsform die Abgabe oder Desorption von NOx aus dem Zeolith-Katalysator 18 mit einem einfachen Aufbau ermitteln oder abschätzen und das Reduktionsmittel in abgestimmter Menge zum Zeitpunkt der NOx-Abgabe zuführen. Daher kann diese Vorrichtung das freigesetzte NOx im Zeolith-Katalysator und im Edelmetall-Katalysator reduzieren und beseitigen und dadurch die Emission von NOx in die Atmosphäre verhindern.
Die 4 stellt eine Abgasreinigungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung dar. Das Katalysatorsystem der 4 enthält nur einen Katalysator und es ist kein Reduktor-Zufuhrgerät vorhanden. In anderer Hinsicht ist die Vorrichtung der 4 im wesentlichen identisch mit der Vorrichtung der 1 (wie durch dieselben Bezugszeichen angezeigt wird). Ein Abgasreinigungskatalysator 23, der in dieser zweiten Ausführungsform angewendet wird, enthält sowohl mindestens ein Edelmetall wie auch Zeolith. In diesem Beispiel ist der Abgasreinigungskatalysator 23 aufgebaut aus einer inneren Schicht 111b mit der gleichen Zusammensetzung wie der in der ersten Ausführungsform verwendete Zeolith-Katalysator 18 und einer Oberflächenschicht 111c mit der gleichen Zusammensetzung wie der Edelmetallkatalysator 19 in der ersten Ausführungsform, wie in 12 gezeigt. Die innere und die Oberflächen-Schicht sind auf einen Signalträger 111a aufgebracht. Wahlweise kann ein Katalysator verwendet werden, der Edelmetallpulver, eingemischt in Zeolith enthält.
Bei dieser Anordnung kann der Edelmetall enthaltende Katalysator an einer Stelle weiter stromaufwärts angebracht werden, die höheren Temperaturen ausgesetzt ist. Deshalb kann diese Anordnung die Aktivierung des Katalysators erleichtern und die Wirksamkeit der Abgasreinigung verbessern. Außerdem ist dieses Katalysatorsystem vorteilhaft in Bezug auf Kompaktheit und Kosten, im Vergleich zum Katalysatorsystem mit zwei getrennten Katalysatoren.
Anstatt ein Reduktor-Zuführgerät vorzusehen, führt die Abgasreinigungsvorrichtung der zweiten Ausführungsform das Reduktionsmittel durch Erhöhung der eingespritzten Treibstoffmenge aus der Treibstoffeinspritzdüse 10, durch angereicherte Einspritzung einer erhöhten Menge oder durch zusätzliche Einspritzung zu.
5 zeigt einen Steuervorgang gemäß der zweiten Ausführungsform zur Abschätzung der NOx-Abgabemenge und Berechnung der Reduktor-Zufuhrmenge für die Reduktion und Reinigung des abgegebenen NOx.
Beim Schritt S11 liest die ECU 22 das Sollverhältnis Kraftstoff/Luft TFBYA, die Drehzahl des Motors NE, die Ansaugmenge der Luft Qa, die Kühlwassertemperatur Tw und die Katalysatortemperatur Tc' des Abgasreinigungs-Katalysators 23. Das Sollverhältnis Kraftstoff/Luft TFBYA ist der reziproke Wert des Luftüberschussfaktors (λ). Die Bedingung TFBYA = 1 bedeutet das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis und die Bedingung TFBYA < 1 bedeutet eine magere Bedingung.
Beim Schritt S12 schätzt die ECU 22 die NOx-Ausstoßmenge Vn auf folgende Weise ab: Die NOx-Ausstoßmenge Vn ist die NOx-Menge, die vom Motor 1 ausgestoßen wird. Die NOx-Konzentration im Abgas ist abhängig von den Arbeitsbedingungen des Motors (Motordrehzahl Ne, Belastung, Luft/Kraftstoff-Verhältnis A/F, und Kühlwasser-Temperatur Tw), wie in den 6A–6C dargestellt. Deshalb werden, gemäß einem Abschätzungsverfahren, diese Beziehungen in Form von Datentabellen gespeichert und die Abschätzung wird ausgeführt durch Abrufen aus den Datentabellen in Abstimmung mit den laufenden Werten der Motorbetriebsbedingungen, die im Schritt S11 erhalten werden.
In einem anderen Abschätzungsverfahren ist ein NOx-Sensor stromaufwärts vom Katalysator 23 vorgesehen, um die NOx-Konzentration im Abgas direkt zu erfassen, und die NOx-Ausstoßmenge wird durch Multiplikation aus der erfassten NOx-Konzentration und der Lufteinlassmenge Qa berechnet.
Im Schritt S13 schätzt die ECU 22 die in der Falle gefangene NOx-Menge dtn, welche die NOx-Menge ist, die vom Katalysator 23 festgehalten wird, in der folgenden Weise ab: Die 7A, 7B und 7C zeigen die durch Versuche bestätigten Abhängigkeiten der NOx-Aufnahmerate in Bezug auf die Katalysator-Temperatur Tc, die Durchflussrate des Abgases, das durch den Katalysator 23 strömt, und die NOx-Menge, die bereits im Katalysator 23 festgehalten wird. Diese Beziehungen werden in Form von Datentabellen abgespeichert und die Abschätzung wird ausgeführt in Abstimmung mit den Daten, die bei Schritt S11 erhalten wurden und der festgehaltenen NOx-Gesamtmenge tn, die im vorhergehenden Durchlauf im Schritt S16 bestimmt wurde, durch Abrufen aus den Datentabellen.
Eine andere Methode setzt stromaufwärts und stromabwärts NOx-Sensoren ein, die jeweils auf der stromaufwärtigen Seite und der stromabwärtigen Seite des Katalysators 23 vorgesehen sind (oder auf der stromaufwärtigen Seite und der stromabwärtigen Seite des Zeolith-Katalysators, wenn der Zeolith-Katalysator vom Edelmetall-Katalysator getrennt ist). Die festgehaltene NOx-Menge wird bestimmt durch Multiplizieren der Differenz zwischen der NOx-Konzentration auf der stromaufwärtigen Seite, erfasst durch den stromaufwärtigen NOx-Sensor und der NOx-Konzentration auf der stromabwärtigen Seite, erfasst durch den stromabwärtigen NOx-Sensor, mit der Lufteinlassmenge Qa.
Im Schritt S14 berechnet die ECU 22 die festgehaltene NOx-Gesamtmenge tn' (= tn + dtn) durch Addieren der festgehaltenen NOx-Menge dtn, bestimmt im Schritt S13, zu der integrierten festgehaltenen NOx-Menge tn, die im vorherigen Durchgang bestimmt wurde. Die festgehaltene NOx-Gesamtmenge tn' ist die Gesamtmenge des NOx, die im Katalysator 23 festgehalten wurde.
Im Schritt S15 schätzt die ECU 22 die NOx-Abgabemenge ddn, welche die aus dem Katalysator 23 desorbierte oder abgegebene NOx-Menge darstellt, in der folgenden Weise ab: Die NOx-Abgabemenge ddn verändert sich in Abhängig keit von der Katalysatortemperatur Tc', der Durchflussrate des Abgases, das durch den Katalysator 23 strömt, und der festgehaltenen NOx-Menge dtn, wie in den 3A, 3B und 3C gezeigt. Unter Verwendung dieser Beziehungen in Form von Datentabellen wird die Abschätzung durch Abruf aus diesen Tabellen in Abstimmung mit den in Schritt S11 abgelesenen Werten durchgeführt und der Wert in Schritt S13 abgeschätzt. Es ist möglich, die NOx-Abgabemenge ddn unter Verwendung nur irgendeines der oben genannten Parameter durch Abruf aus der Tabelle abzuschätzen. Jedoch kann die Benutzung von zwei oder mehr Parametern die Genauigkeit der Abschätzung verbessern.
Im Schritt S16 berechnet die ECU 22 die gesamte festgehaltene NOx-Restmenge tn(+1) (= tn' – ddn) durch Subtrahieren der NOx-Abgabemenge ddn, abgeschätzt im Schritt S15, von der festgehaltenen NOx-Gesamtmenge tn', bestimmt im Schritt S14. Die festgehaltene NOx-Gesamtrestmenge tn(+1) ist die NOx-Menge, die nach der Desorption oder Abgabe noch festgehalten wird.
Im Schritt S17 berechnet die ECU 22 die benötigte Reduktormenge dFn, die für die Reduktion des abgegebenen NOx erforderlich ist, auf folgende Weise: Die gesamte NOx-Menge im Abgas auf der stromabwärtigen Seite des Katalysators 23 wird beschrieben durch ddn (NOx-Abgabemenge) + Vn (NOx-Ausstoßmenge) – dtn (in der Falle festgehaltene NOx-Menge). Daher wird die benötigte Reduktormenge dFn bestimmt durch Multiplizieren dieser Menge mit einer Konstanten C zur Umrechnung der Einheiten:
dFn = C x (ddn + Vn – dtn). Auf diese Weise errechnet das System die Reduktormenge, die für die Reduktion des abgegebenen NOx erforderlich ist.
Die Abgasreinigungsvonichtung der zweiten Ausführungsform führt eine zusätzliche Kraftstoffmenge durch die Kraftstoff-Einspritzdüse 10 als Reduktionsmittel zu, ohne Verwendung irgendeiner besonderen Einrichtung für die Zufuhr von Reduktionsmittel. In diesem Beispiel bestimmt das System die zusätzlich einzuspritzende Kraftstoffmenge zur Kraftstoffgrundmenge in Abstimmung mit dem Sollverhältnis Kraftstoff/Luft TFBYA, das im folgenden Steuerungsvorgang festgesetzt wird, und die Lufteinlassmenge Qa für die zusätzliche Kraftstoffmenge (die benötigte Reduktormenge dFn) zur Reduktion des abgegebenen NOx, und führt die Kraftstoffeinspritzung in der so bestimmten Menge aus. Es ist auch möglich, die zusätzliche Kraftstoffmenge, entsprechend der erforderlichen Reduktormenge dFn, zusammen mit der eingespritzten Kraftstoff-Grundmenge als einzigen Einspritzvorgang auszuführen oder alternativ als zusätzliche Einspritzung beim Expansionstakt oder beim Auspufftakt beispielsweise.
Die 8 und 9 zeigen den Steuerungsablauf für die Bestimmung des Sollverhältnisses Kraftstoff/Luft TFBYA und für die Regelung der Lufteinlassmenge Qa.
Im Schritt S21 ruft die ECU 22 die Öffnung des Gaspedals Aps ab, die Motordrehzahl Ne, die Lufteinlassmenge Qa, die Motor-Kühlwassertemperatur Tw, die Katalysator-Temperatur Tc' und die erforderliche Reduktormenge dFn.
Im Schritt S22 bestimmt die ECU 22 das Soll-Drehmoment TTC in Abstimmung mit der Gaspedal-Öffnung Aps, die im Schritt 21 erhalten wurde, durch Abruf aus der Tabelle, die im Schritt S22 der 8 gezeigt ist.
Im Schritt S23 bestimmt die ECU 22 den Wert des Verbrennungsmerkmals FCmb durch Aussuchen aus dem in Schritt S23 der 8 dargestellten Schaubild, in Abstimmung mit der im Schritt S21 erhaltenen Motordrehzahl Ne und dem Soll-Drehmoment TTC. In diesem Beispiel ist das Verbrennungsmerkmal FCmb 0, 1 oder 2. Das Motorsystem arbeitet mit magerer Verbrennung bei Wechselbelastung im Bereich von FCmb = 0, mit homogen magerer Verbrennung im Bereich von FCmb = 1 und mit stöchiometrischer Verbrennung beim stöchiometrischen Verhältnis im Bereich von FCmb = 2.
Im Schritt S24 prüft die ECU 22, ob für die Reduktion des abgegebenen NOx eine Zufuhr von Reduktionsmittel benötigt wird oder nicht durch nachprüfen, ob die erforderliche Reduktormenge dFn gleich Null ist oder nicht. Wenn die notwendige Reduktormenge dFn gleich Null ist, schaltet die ECU 22 weiter zu Schritt S25.
Im Schritt S25 überprüft die ECU 22, ob die Motor-Kühlertemperatur Tw höher als oder gleich ist einer vorbestimmten Temperatur TwL. Wenn sie es ist (Tw ≥ TwL), schaltet die ECU 22 weiter zu Schritt S27 in 9.
Wenn die benötigte Reduktormenge dFn nicht gleich Null ist und das Katalysatorsystem also im Zustand der Desorption oder Abgabe von NOx ist, dann schaltet die ECU 22 von Schritt S24 weiter auf Schritt 26 und setzt das Verbrennungsmerkmal FCmb auf 2, um die Arbeitsweise des Motors auf die stöchiometrische Verbrennung bei stöchiometrischem Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu bringen.
Der Schritt S26 wird auch vom Schritt S25 aus erreicht, wenn die Motor-Kühlertemperatur Tw niedriger als die vorgegebene Temperatur TwL ist und die magere Verbrennung daher als unangemessen für die Stabilität angesehen wird. Wenn die Motor-Kühlertemperatur niedrig ist, verhindert dieses System eine magere Verbrennung und führt stattdessen eine stöchiometrische Verbrennung aus durch Einstellen des Verbrennungsmerkmals FCmb auf 2 bei Schritt S26.
Im Schritt S27 prüft die ECU 22, ob das Verbrennungsmerkmal FCmb gleich 2 ist oder nicht. Wenn das Verbrennungsmerkmal FCmb nicht gleich 2 ist (FCmb ≠ 2), was eine magere Verbrennung anzeigt, dann schaltet die ECU 22 weiter zum Schritt S28 und die ECU 22 bestimmt das Sollverhältnis Kraftstoff/Luft TFBYA in Abstimmung mit der Motordrehzahl Ne und dem Solldrehmoment TTC durch Auswählen im Schritt S28 des in 9 dargestellten Schaubilds.
Wenn das Verbrennungsmerkmal FCmb gleich 2 ist (FCmb = 2), was die stöchiometrische Verbrennung anzeigt, dann schaltet die ECU 22 vom Schritt S27 auf Schritt S29 und bringt das Sollverhältnis Kraftstoff/Luft TFBYA auf Eins.
Im Schritt S30 bestimmt die ECU 22 den Wirkungsgrad des Motors ITA in Abstimmung mit der Motordrehzahl Ne und dem Sollverhältnis Kraftstoff/Luft TFBYA durch Aussuchen aus dem in Schritt S30 der 9 gezeigten Schaubild.
Im Schritt S31 bestimmt die ECU 22 die Frischluft-Sollmenge Q in Abstimmung mit dem Motorwirkungsgrad ITA, dem Soll-Drehmoment TTC und dem Kraftstoff/Luft-Sollverhältnis TFBYA, gemäß der folgenden Gleichung: Q = TTC/TFBYA/ITA.
Dann steuert die ECU 22 die Lufteinlassmenge Qa durch Regeln der Drosselventilöffnung in Abstimmung mit der errechneten Sollmenge der Frischluft Q und die Kraftstoff-Einspritzdüse wird betätigt, um Kraftstoff in der Grundmenge der Kraftstoffeinspritzung, die in Abstimmung mit dem Sollverhältnis Kraftstoff/Luft TFBYA und der Lufteinlassmenge Qa bestimmt wird, und einer zusätzlichen Kraftstoffeinspritzmenge, entsprechend der erforderlichen Reduktormenge dFn, einzuspritzen.
Durch Einstellen des Kraftstoff/Luft Sollverhältnisses TFBYA auf das stöchiometrische Verhältnis zum Zeitpunkt der Zufuhr des Reduktionsmittels für die Reduktion des abgegebenen NOx kann die Abgasreinigungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform die Kraftstoffmenge (Reduktionsmittel), die durch den im Abgas verbliebenen Sauerstoff verbraucht wird und nicht als Reduktionsmittel verwendet wird, verringern und somit der Verschlechterung der wirtschaftlichen Kraftstoffnutzung entgegenwirken. Wahlweise kann das Sollverhältnis Kraftstoff/Luft TFBYA im Zeitpunkt der Reduktionsmittel-Zufuhr im fetten Bereich anstatt im stöchiometrischen Verhältnis eingestellt werden.
Die benötigte Reduktormenge dFn wird in Abstimmung mit der NOx-Gesamtmenge auf der Grundlage der (vom Zeolith-Katalysator) abgegebenen NOx-Menge ddn, der NOx-Ausstoßmenge Vn und der in der Falle festgehaltenen NOx-Menge dtn bestimmt. Deshalb kann das System NOx entfernen und NOx-Emissionen verhindern durch die Zufuhr von Reduktionsmittel in der Menge, die der erforderlichen Menge dFn entspricht, nicht nur wenn NOx aus dem Katalysator abgegeben wird, sondern auch wenn die festgehaltene NOx-Menge größer wird als die vorherbestimmte Menge und die Leistung des Katalysators 23 in der NOx-Falle nachlässt. Die Systemausführung der 1 kann anstelle des Systems der 4 angewendet werden. In diesem Fall liefert das Reduktor-Zuführgerät 21 das Reduktionsmittel in der Menge, die der benötigten Reduktormenge dFn entspricht.
Die 10 und 11 zeigen den Steuerungsablauf nach einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das System gemäß der dritten Ausführungsform ist ausgelegt, die NOx-Abgabe im Zeitpunkt der Reduktorzufuhr zu veranlassen, obgleich das System in seiner Anordnung im wesentlichen identisch ist mit dem in der 4 dargestellten System und in der Arbeitsweise für die Be rechnung der Reduktormenge der Arbeitsweise der 5. Wahlweise kann stattdessen die Systemanordnung der ersten Ausführungsform angewendet werden.
Die Schritte S41 bis S49 stimmen im wesentlichen mit den Schritten S21 bis S29 im Fließbild der 8 und 9 überein.
Im Schritt S50, der den Schritten S48 und S49 folgt, berechnet die ECU 22 den Zündzeitpunkt ADV. In diesem Beispiel wird der Zündzeitpunkt ADV auf den MBT (Zündzeitpunkt für die beste Ausbeute und die beste Kraftstoffausnutzung) gelegt. Die ECU 22 bestimmt den MBT-Zeitpunkt durch Aussuchen aus dem Schaubild oder durch Berechnung in Abstimmung mit der Motordrehzahl Ne, dem Soll-Drehmoment TTC und dem Soll-Verhältnis Kraftstoff/Luft TFBYA.
Im Schritt S51 prüft die ECU 22, ob die erforderliche Reduktormenge dFn gleich Null ist oder nicht.
Wenn die erforderliche Reduktormenge dFn gleich Null ist, schaltet die ECU 22 weiter zu Schritt 52 und bestimmt den Wirkungsgrad ITA des Motors durch Aussuchen aus dem Schaubild, gezeigt im Schritt S52 der 11, in Abstimmung mit der Motordrehzahl Ne und dem Sollverhältnis Kraftstoff/Luft TFBYA.
Wenn die benötigte Reduktormenge dFn nicht gleich Null ist, schaltet die ECU 22 weiter zu Schritt S53 und bestimmt einen Betrag der Zündverzögerung rADV durch Aussuchen aus dem Schaubild, das im Schritt S53 der 11 gezeigt ist, in Abstimmung mit der Motordrehzahl Ne und dem Soll-Drehmoment TTC.
Im Schritt S54 verzögert die ECU 22 den Zündzeitpunkt durch Verschieben des in Schritt S50 ermittelten Zündzeitpunkts ADV um den Verzögerungsbetrag rADV.
Im Schritt S55 bestimmt die ECU 22 den Motorwirkungsgrad ITA' durch Aussuchen im Schritt S55 aus dem Schaubild der 11 in Abstimmung mit der Motordrehzahl Ne und dem Sollverhältnis Kraftstoff/Luft TFBYA in der gleichen Weise wie in Schritt S52. Der im Schritt S55 berechnete Motorwirkungsgrad ITA' erreicht einen etwas geringeren Wert im Vergleich zu dem in Schritt S52 für die gleichen Werte von Ne und TFBYA berechneten Motorwirkungsgrad ITA. Und zwar, weil der Wirkungsgrad durch die Verzögerung des Zündzeitpunkts leicht abnimmt.
Im Schritt S56 errechnet die ECU 22 die Frischluft-Sollmenge Q in der gleichen Weise wie in Schritt S31 in den Fließbildern der 8 und 9 in Abstimmung mit dem Motorwirkungsgrad ITA (ITA'), dem Sollverhältnis Kraftstoff Luft TFBYA und dem Soll-Drehmoment TTC.
Auf diese Weise führt die Abgasreinigungsvorrichtung der dritten Ausführungsform die Zündverzögerung und die Zunahme der Lufteinlassmenge (die Zunahme der Frischluft-Sollmenge) im Zeitpunkt der Reduktorzufuhr durch. Im Ergebnis steigen die Abgasströmungsrate und die Abgastemperatur (Katalysatortemperatur) und die NOx-Abgabe oder -Desorption aus dem Katalysator 23 wird beschleunigt (siehe 3A und 3B).
Außerdem kann das System der dritten Ausführungsform so eingestellt werden, dass es Reduktionsmittel zuführt, selbst wenn die in der Falle festgehaltene NOx-Menge größer als oder gleich einem vorbestimmten Wert wird (bei dem die NOx-Fallen-Leistung schwächer wird). In diesem Fall kann das System die NOx-Fallen-Leistung auf einem höheren Niveau halten durch Fördern der NOx-Abgabe oder – Desorption und durch Regenerierung des Katalysators, wenn sich die Kapazität des Katalysators 23, NOx aufzunehmen, seiner Grenze nähert.
In den veranschaulichten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst die Abgasreinigungsvorrichtung mindestens einen Überwachungsabschnitt für die NOx-Abgabe und einen Reduktorzufuhr-Abschnitt. Der Überwachungsabschnitt für die NOx-Abgabe (19, 22, S2, S15) schätzt die NOx-Abgabebedingung der NOx-Falle (Katalysator) ab durch Abschätzen der Temperatur des NOx-Fallen-Katalysators (oder der Temperatur des Abgases), der Strömungsrate des Abgases, das durch den Katalysator der NOx-Falle strömt und/oder der festgehaltenen NOx-Menge. Der Reduktorzufuhr-Abschnitt (21, 22, S4, S6, S17, 10) führt dem Abgassystem das Reduktionsmittel mit einem besonderen Gerät 21 und/oder einem Kraftstoff-Zuführgerät 10 zu, wenn die NOx-Falle im Zustand der NOx-Abgabe betrachtet wird. Während der Zufuhr des Reduktionsmittels kann das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf das stöchiometrische Verhältnis oder auf ein fettes Verhältnis eingestellt werden.
Diese Anmeldung gründet sich auf der früheren japanischen Patentanmeldung Nr. 2001-141494, in Japan eingereicht am 11. Mai 2001. Der gesamte Inhalt dieser japanischen Patentanmeldung Nr. 2001-141494 wird damit durch Bezugnahme aufgenommen.
Obgleich die Erfindung oben unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Abwandlungen und Veränderungen der oben beschriebenen Ausführungsformen werden dem Fachmann im Lichte der obigen Lehre erscheinen. Der Umfang der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die folgenden Ansprüche definiert.

Claims

Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, umfassend: – eine NOx-Falle (18, 23, 111b) zum Festhalten und Freisetzen von NOx; – einen NOx-Reduktionskatalysator (20, 23, 111c) zur Reduktion von NOx mit einem Reduktionsmittel im Abgas; und – einen Reduktorzufuhr-Abschnitt (21, 22, 10) für die Zufuhr des Reduktionsmittels zum NOx-Reduktionskatalysator; wobei die NOx-Falle eine Komponente (18,23, 111b) zum Binden von NOx bei niederen Temperaturen, niedriger als oder gleich 200°C, und zur Abgabe von NOx bei höheren Temperaturen umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasreinigungsvorrichtung weiterhin einen NOx-Abgabe-Überwachungsabschnitt (19, 22) umfasst, zur Überwachung, ob die NOx-Abgabebedingung in der NOx-Falle erfüllt ist, wobei der NOx-Überwachungsabschnitt in der NOx-Falle (18, 23, 111b) einen Temperaturfühler (19) enthält zur Erfassung der Temperatur in der NOx-Falle (18, 23, 111b); und dass der Reduktorzufuhr-Abschnitt (21, 22, 10) so eingestellt ist, dass er das Reduktionsmittel zuführt, wenn die NOx-Abgabebedingung erfüllt ist.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die NOx-Falle einen Zeolith-Katalysator (18, 23) umfasst, der Zeolith enthält.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Reduktorzufuhr-Abschnitt (21, 22, 10) so angeordnet ist, dass das Reduktionsmittel auf der stromaufwärtigen Seite der NOx-Falle zugeführt wird.
Abgasreinigungsvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der NOx-Reduktionskatalysator einen Edelmetallkatalysator (20, 23, 111c) und eine NOx-Falle (18, 23, 111b) umfasst und der Edelmetallkatalysator (20, 23, 111c) so angeordnet ist, dass das von der NOx-Falle abgegebene NOx durch den Edelmetallkatalysator (20, 23, 111c) reduziert wird.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei sowohl die NOx-Falle (23, 111b) wie auch der Edelmetallkatalysator (23, 111c) in Form von Schichten auf einem einzigen Träger gebildet sind und der Edelmetallkatalysator auf einer Oberflächenschicht gebildet ist.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, in der der Edelmetallkatalysator (20) auf der stromabwärtigen Seite der NOx-Falle (18) angeordnet ist.
Abgasreinigungsvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Abgasreinigungsvorrichtung weiterhin einen Abgabe-Unterstützungsabschnitt (22, S53–S55, 11) umfasst zur Unterstützung der Abgabe von NOx aus der NOx-Falle (18, 23, 111b) durch Änderung der Abgas-Temperatur und/oder der Abgas-Durchflussmenge.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Abgabe-Unterstützungsabschnitt (22, S53–S55, 11) betrieben wird, wenn NOx aus der NOx-Falle (18, 23, 111b) abgegeben wird.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Abgabe-Unterstützungsabschnitt (22, S53–S55, 11) betrieben wird, wenn eine Menge von NOx in der NOx-Falle (18, 23, 111b) gebunden ist die größer als oder gleich einer vorbestimmten Menge ist.
Abgasreinigungsvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Reduktorzufuhr-Abschnitt (21, 22, 10) die benötigte Reduktormenge (dFn) berechnet, welche die Menge des Reduktionsmittels für die Reduktion des NOx darstellt, das von der NOx-Falle abgegeben wird, und die Menge des Reduktionsmittels im Abgas steigert in Übereinstimmung mit der erforderlichen Reduktormenge.
Abgasreinigungsverfahren für einen Motor mit innerer Verbrennung, ausgerüstet mit einer Auspuffeinrichtung, die eine NOx-Falle (18, 23, 111b) und einen NOx reduzierenden Katalysator (20, 23, 111c) enthält, umfassend: einen Reduktionsmittelzufuhr-Schritt (S6) für die Zufuhr des Reduktionsmittels zum NOx-Reduktionskatalysator, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasreinigungsverfahren weiterhin einen Überwachungsschritt (S2, S15) umfasst zur Überwachung, ob die NOx-Abgabebedingung erfüllt ist, wobei der NOx-Abgabe-Überwachungsabschnitt einen Temperaturfühler (19) in der NOx-Falle (18, 23, 111b) zur Erfassung der Temperatur in der NOx-Falle (18, 23, 111b) enthält für die NOx-Falle eines Typs zur Bindung von NOx bei niederer Temperatur, niedriger als oder gleich 200°C, und zur Abgabe von NOx bei höherer Temperatur; und dass beim Zufuhrschritt des Reduktionsmittels das Reduktionsmittel zugeführt wird, wenn die NOx-Abgabebedingung erfüllt ist.