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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Erfindungsgebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ganz allgemein Abgasemissions-Steuersysteme
eines Verbrennungsmotors und insbesondere die Abgasemissions-Steuersysteme
eines Typs, der sich für
einen Dieselmotor eignet.
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2. Beschreibung des einschlägigen Stands
der Technik
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Ein
Abgasemissions-Steuersystem für
einen Dieselmotor wird in der Laid-open Japanese Patent Application
(Offengelegte Japanische Patentanmeldung) (Tokkaihei) 7-189654 beschrieben.
Zum Zurückhalten
von Teilchen (PM: Teilchenmaterial) in Abgas aus dem Dieselmotor
besitzt das bekannte Steuersystem einen Diesel-Teilchenfilter (DPF)
mit einem Katalysator, der in einem vom Motor abgehenden Abgaskanal
installiert ist. Während
des Betriebs des Motors wird ein Differentialdruck zwischen Positionen vor
und hinter dem Diesel-Teilchenfilter überwacht, und wenn der Differentialdruck
ein bestimmtes Maß übersteigt,
wird ein Drosselventil des Motors so gesteuert, daß ein Überschuß-Luftverhältnis des
Abgases verringert wird. Dadurch wird die Temperatur des Abgases
erhöht,
so daß die
im Filter verbliebenen Teilchen verbrannt werden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Nach
Untersuchung des erwähnten
bekannten Steuersystems sind von den Anmeldern folgende Tatsachen
enthüllt
worden, die dem bekannten Steuersystem latent innewohnen und die
auftreten, wenn der Dieselmotor im Kaltbetrieb läuft. Das heißt, beim Kaltbetrieb
weisen das Kühlwasser
und die Zylinderwände
des Motors eine niedrige Temperatur auf, und daher kann der Kraftstoff
für den
Motor nicht ausreichend verdampfen. Wenn also zum Zwecke der Erhöhung der
Abgastemperatur eine Verringerung des Überschuß-Luftverhältnisses (das heißt, eine
Anreicherung des Luft-Kraftstoff-Gemischs) vorgenommen wird, während der
Motor noch kalt ist, dann wird das Abgas aus dem Motor im Vergleich
zu einem Fall, in dem der Motor ausreichend erwärmt ist, gezwungenermaßen einen
großen
Anteil an Kohlenwasserstoff (HC) enthalten. Weiterhin weist während eines
solchen Kaltbetriebs des Motors eine Filterschicht des Diesel-Teilchenfilters
(DPF) eine niedrige Temperatur auf, und folglich wird bis zu dem
Zeitpunkt, an dem die Filterschicht eine Temperatur hat, die für eine normale
Oxidationsfunktion des Filters ausreicht, unvermeidlich eine große Menge
an Kohlenwasserstoff (HC) in die Außenluft freigesetzt, ohne gereinigt
zu werden. Diese Erscheinungen lassen sich bei Betrachtung der Laufzeitdiagramme
der 5A, 5B, 5C, 5D und 5E,
die verschiedene Daten in Abhängigkeit
von der verstrichenen Zeit zeigen, gut erkennen.
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Um
die erwähnten
unerwünschten
Erscheinungen zu vermeiden, läßt sich
ein Verfahren vorstellen, bei dem eine Erhöhung der Abgastemperatur vorgenommen
wird, während
die aus dem Motor ausgestoßene
Menge an Kohlenwasserstoff (HC) gesteuert wird, bis der Diesel-Teilchenfilter
(DPF) seine ausreichende Oxidationsfunktion erreicht hat. Wenn jedoch
das Überschuß-Luftverhältnis nur
geringfügig verringert
wird, wird die Erhöhung
der Abgastemperatur ebenfalls gering sein. In diesem Fall wird die Zeit,
die benötigt
wird, bis der Diesel-Teilchenfilter (DPF) seine zufriedenstellende
Oxidationsfunktion erreicht hat, verlängert. Folglich ist auch bei
diesem Verfahren eine zufriedenstellende Verringerung des an die
Außenluft
abgegebenen Kohlenwasserstoffs (HC) nicht zu erwarten. Dieses Verfahren
läßt sich bei
Betrachtung der Laufzeitdiagramme der 6A, 6B, 6C, 6D und 6E,
die verschiedene Daten in Abhängigkeit
von der verstrichenen Zeit zeigen, gut verstehen. Zum Vergleich
werden auch die Daten im Falle des Steuersystems der Laid-open Japanese
Patent Application 7-189654 durch dünnere Linien in den Laufzeitdiagrammen dargestellt.
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Obwohl
sich die obige Beschreibung auf die unerwünschte Erscheinung bezieht,
die auftritt, wenn bei Kaltbetrieb des Motors das Überschuß-Luftverhältnis verringert
wird, um die Abgastemperatur zu erhöhen und so den Diesel-Teilchenfilter
(DPF) zu reaktivieren, das heißt,
die in dem Filter befindlichen Teilchen (PM) zu entfernen, würde auch
eine ähnliche
unerwünschte
Erscheinung in einem Fall auftreten, in dem bei Kaltbetrieb des
Motors die Abgastemperatur erhöht
wird, um einen katalytischen NOx-Auffang-Konverter zu reaktivieren, das heißt, um aus dem
Katalysator des Konverters das Katalysatorgift S zu entfernen.
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Daher
ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Abgasemissions-Steuersystem
eines Dieselmotors zu liefern, das die Abgastemperatur erhöhen kann,
ohne die Qualität
des Abgases aus dem Motor zu der Zeit zu verringern, zu der sich
bei Kaltbetrieb des Motors eine Reaktivierung des Diesel-Teilchenfilters
(DPF) und/oder eine Reaktivierung des katalytischen NOx-Auffang-Konverters
erforderlich macht.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Abgasemissions-Steuersystem
eines Dieselmotors bereitgestellt, das folgende Komponenten aufweist:
eine Abgasreinigungsvorrichtung, die in einem Abgaskanal angeordnet
ist, der vom Motor abgeht, wobei die Abgasreinigungsvorrichtung
zumindest eine von zwei Funktionen hat, dabei besteht die eine Funktion
darin, Teilchen (PM) aus dem Abgas aufzufangen, das durch den Abgaskanal
strömt,
und die andere Funktion besteht darin, Stickoxide (NOx) in dem Abgas
aufzufangen, wenn das Abgas ein höheres Überschuß-Luftverhältnis aufweist, und die aufgefangenen
Stickoxide (NOx) zu reduzieren, um sie zu reinigen, wenn das Abgas
ein niedrigeres Überschuß-Luftverhältnis aufweist;
einen 3-Wege-Katalysator, der in dem Abgaskanal in Strömungsrichtung
vor der Abgasreinigungsvorrichtung angeordnet ist, wobei der Katalysator
Kohlenwasserstoff (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxide (NOx)
in dem Abgas reinigt, wenn das Überschuß-Luftverhältnis des
Abgases ungefähr
1 (eins) beträgt;
ein Kohlenwasserstoff-Adsorptions-/Freigabeteil, das in dem Abgaskanal
in Strömungsrichtung vor
dem 3-Wege-Katalysator angeordnet ist, wobei das Adsorptions-/Freigabeteil
Kohlenwasserstoff im Abgas selektiv an sich adsorbiert und den adsorbierten
Kohlenwasserstoff in Übereinstimmung
mit einer Temperatur eines Katalysatorbetts des 3-Wege-Katalysators
in das Abgas freisetzt; sowie eine Steuereinheit, die so beschaffen
ist, daß sie
bei erforderlicher Reaktivierung der Abgasreinigungsvorrichtung bei
Kaltbetrieb des Motors folgendes ausführt: Verringerung des Überschuß-Luftverhältnisses
des Abgases, wenn die Temperatur des Katalysatorbetts des 3-Wege-Katalysators
niedriger als eine erste vorbestimmte Temperatur oder ihr gleich
ist; Erhöhung
des Überschuß-Luftverhältnisses
des Abgases, wenn die Temperatur des Katalysatorbetts des 3-Wege-Katalysators
höher als
die erste vorbestimmte Temperatur, aber niedriger als eine zweite
vorbestimmte Temperatur oder ihr gleich ist; und Verringerung des Überschuß-Luftverhältnisses
des Abgases, bis die Temperatur der Abgasreinigungsvorrichtung gleich
einer dritten vorbestimmten Temperatur wird, wenn die Temperatur
des Katalysatorbetts des 3-Wege-Katalysators
höher als
die zweite vorbestimmte Temperatur ist.
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Nach
einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren
der Steuerung eines Abgasemissions-Steuersystems eines Dieselmotors
bereitgestellt, wobei das Steuersystem folgendes umfaßt: eine
Abgasreinigungsvorrichtung, die in einem Abgaskanal angeordnet ist,
der vom Motor abgeht, wobei die Abgasreinigungsvorrichtung zumindest
eine von zwei Funktionen hat, dabei besteht die eine Funktion darin,
Teilchen (PM) aus dem Abgas aufzufangen, das in dem Abgaskanal strömt, und
die andere Funktion besteht darin, Stickoxide (NOx) in dem Abgas
aufzufangen, wenn das Abgas ein höheres Überschuß-Luftverhältnis aufweist, und die aufgefangenen
Stickoxide (NOx) zu reduzieren, um dieselben zu reinigen, wenn das
Abgas ein niedrigeres Überschuß-Luftverhältnis aufweist;
einen 3-Wege-Katalysator, der in dem Abgaskanal in Strömungsrichtung
vor der Abgasreinigungsvorrichtung angeordnet ist, wobei der Katalysator
Kohlenwasserstoff (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxide (NOx)
in dem Abgas reinigt, wenn das Überschuß-Luftverhältnis des
Abgases ungefähr
1 (eins) beträgt;
und ein Kohlenwasserstoff-Adsorptions-/Freigabeteil, das in dem
Abgaskanal in Strömungsrichtung
vor dem 3-Wege-Katalysator angeordnet ist, wobei das Adsorptions-/Freigabeteil
Kohlenwasserstoff im Abgas selektiv an sich adsorbiert und den adsorbierten
Kohlenwasserstoff in Übereinstimmung
mit einer Temperatur eines Katalysatorbetts des 3-Wege-Katalysators
in das Abgas freisetzt. Das Verfahren umfaßt, bei erforderlicher Reaktivierung
der Abgasreinigungsvorrichtung bei Kaltbetrieb des Motors: die Verringerung
des Überschuß-Luftverhältnisses
des Abgases, wenn die Temperatur des Katalysatorbetts des 3-Wege-Katalysators
niedriger als eine erste vorbestimmte Temperatur oder ihr gleich
ist; die Erhöhung
des Überschuß-Luftverhältnisses
des Abgases, wenn die Temperatur des Katalysatorbetts des 3-Wege-Katalysators
höher als
die erste vorbestimmte Temperatur, aber niedriger als eine zweite
vorbestimmte Temperatur oder ihr gleich ist; und die Verringerung
des Überschuß-Luftverhältnisses
des Abgases, bis die Temperatur der Abgasreinigungsvorrichtung gleich einer
dritten vorbestimmten Temperatur wird, wenn die Temperatur des Katalysatorbetts
des 3-Wege-Katalysators
höher als
die zweite vorbestimmte Temperatur ist.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Blockdiagramm eines Abgasemissions-Steuersystems eines Dieselmotors,
das die vorliegende Erfindung darstellt;
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2 ist
ein Flußdiagramm,
das programmierte Arbeitsschritte zeigt, die von einer Steuereinheit
zur Steuerung der Temperaturerhöhung
einer Abgasreinigungsvorrichtung ausgeführt werden;
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3 ist
eine graphische Darstellung, die das HC-Reinigungsverhalten eines
3-Wege-Katalysators
zeigt, der eine HC-Adsorptionsfunktion besitzt;
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4 ist
ein Laufzeitdiagramm, das die Wirkungsweise eines Drosselventils
und die eines EGR-(Abgasrückführungs-)Ventils
in bezug auf das Überschuß-Luftverhältnis zeigt;
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die 5A bis 5E sind
Laufzeitdiagramme, die verschiedene Daten zeigen, die im Falle eines
ersten Verfahrens eines einschlägigen
Stands der Technik geliefert werden;
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die 6A bis 6E sind
Laufzeitdiagramme, die verschiedene Daten zeigen, die im Falle eines
zweiten Verfahrens des einschlägigen
Stands der Technik geliefert werden; und
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die 7A bis 7E sind
Laufzeitdiagramme, die verschiedene Daten zeigen, die in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung geliefert werden.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Im
folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen
detailliert beschrieben.
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In 1 wird
schematisch ein Abgasemissions-Steuersystem der vorliegenden Erfindung
dargestellt, das bei einem Dieselmotor 1 eingesetzt wird.
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Der
Dieselmotor 1 weist einen Lufteintrittskanal 2 auf,
an dem ein Strömungsmesser
für Luft 3,
ein Kompressorteil eines Turboladers 4 und ein Drosselventil 5 angebracht
oder mit ihm verbunden sind. Das Drosselventil 5 ist mit
einem elektrischer Auslöser ausgerüstet und
wird von diesem betrieben. Frischluft, die durch diese Komponenten 3, 4 und 5 strömt, wird
durch einen Ansaugverteiler 6 in jeden einzelnen Zylinder
(oder Verbrennungsraum) geleitet. Von einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe
(nicht gezeigt) verdichteter Kraftstoff wird zu einer gemeinsamen
Schiene 7 geleitet und direkt durch ein entsprechendes
Kraftstoffeinspritzventil 8 in einen jeden Verbrennungsraum
eingespritzt. Luft und Kraftstoff, die auf diese Weise in jeden
Verbrennungsraum eingeleitet wurden, werden vermischt und mit Hilfe
einer Kompressions-Selbstzündung
verbrannt.
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Der
Dieselmotor 1 weist weiterhin ein Auspuffsammelrohr 9 auf,
von dem ein Abgaskanal 10 abgeht. Das auf diese Weise in
jedem Verbrennungsraum erzeugte Abgas wird durch das Auspuffsammelrohr 9 in
den Abgaskanal 10 geleitet. Um eine Abgasrückführung zu
erreichen, wird ein Teil des Abgases in Abgaskanal 10,
wie dargestellt, durch einen EGR-Kanal 11 und ein EGR-Ventil 12 in
den Lufteintrittskanal 2 zurückgeführt. EGR-Ventil 12 ist
mit einem elektrischer Auslöser
ausgerüstet
und wird von diesem betrieben.
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An
dem Abgaskanal 10 sind der Reihe nach ein Turbinenteil
von Turbolader 4, ein 3-Wege-Katalysator 13 mit
HC-Adsorptionsfunktion, ein katalytischer NOx-Auffang-Konverter 14 und
ein Diesel-Teilchenfilter (DPF) 15 angebracht oder mit
ihm verbunden.
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Zur
leichteren Beschreibung wird von nun an der 3-Wege-Katalysator 13 mit
HC-Adsorptionsfunktion als „3-Wege-Katalysator
(Typ HC-Adsorption)" bezeichnet.
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Obwohl
sowohl der katalytische NOx-Auffang-Konverter 14 als auch
der Diesel-Teilchenfilter (DPF) 15 an
dem Abgaskanal 10 angebracht sind, kann es sein, daß in der
vorliegenden Erfindung nur einer von ihnen verwendet wird.
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Wenn
das Abgas aus dem Dieselmotor 1 das Überschuß-Luftverhältnis „λ" von etwa 1 aufweist (das heißt, das
Abgas weist ein stöchiometrisches Luft-/Kraftstoff-Verhältnis auf),
dann reinigt der 3-Wege-Katalysator (Typ HC-Adsorption) 13 wirksam
Kohlenwasserstoff (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxid (NOx) im
Abgas.
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Der
3-Wege-Katalysator (Typ HC-Adsorption) 13 hat ein HC-Adsorptionsteil,
das HC im Abgas adsorbiert und den adsorbierten HC in Übereinstimmung
mit der Temperatur des HC-Adsorptionsteils in das Abgas freisetzt.
Wenn also die Temperatur des Abgases sehr niedrig ist und somit
der 3-Wege-Katalysator (Typ HC-Adsorption) 13 kein zufriedenstellendes
HC-Reinigungsverhalten zeigen kann, adsorbiert das HC-Adsorptionsmittel
HC im Abgas.
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Wenn
das Abgas ein höheres Überschuß-Luftverhältnis „λ" aufweist (das heißt, das
Abgas weist ein magereres Luft-/Kraftstoff-Verhältnis auf), dann fängt der
katalytische NOx-Auffang-Konverter 14 NOx im Abgas auf,
wenn dagegen das Abgas ein niedrigeres Überschuß-Luftverhältnis „λ" aufweist (das heißt, das Abgas weist ein stöchiometrisches
oder reicheres Luft-/Kraftstoff-Verhältnis auf), dann setzt der
katalytische NOx-Auffang-Konverter 14 das aufgefangene
NOx daraus frei.
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Der
Diesel-Teilchenfilter (DPF) 15 wirkt so, daß er Teilchen
im Abgas aus dem Dieselmotor 1 auffängt.
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Wie
in 1 gezeigt, ist in der vorliegenden Erfindung mindestens
eine der Komponenten Diesel-Teilchenfilter (DPF) 15 und
katalytischer NOx-Auffang-Konverter 14 an dem Abgaskanal 10 angeschlossen,
und der 3-Wege-Katalysator (Typ HC-Adsorption) 13 ist an
einem in bezug auf die Komponenten 14 und 15 stromauf
liegenden Abschnitt des Abgaskanals 10 angeschlossen. In
dem beschriebenen Ausführungsbeispiel
ist der 3-Wege-Katalysator 13 so aufgebaut, daß der HC-Adsorptionsmittel-Abschnitt
einstückig
daran angebracht ist. Wenn es jedoch erwünscht ist, kann der HC-Adsorptionsmittel-Abschnitt
von dem 3-Wege-Katalysator 13 getrennt werden. In diesem
Fall wird der HC-Adsorptionsmittel-Abschnitt an einer in Strömungsrichtung
vor dem Katalysator 13 liegenden Position angebracht.
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Der
Strömungsmesser
für Luft 3 ermittelt
die Menge der Ansaugluft „Qa", die in dem Lufteintrittskanal 2 strömt. Ein
Motordrehzahl-Sensor 21 bzw. ein Gaspedal-Sensor 22 sind
vorgesehen, um eine Motordrehzahl „Ne" bzw. einen Gaspedal-Öffnungs grad „APO" zu
ermitteln. Des weiteren ist ein Wassertemperatur-Sensor 23 zur
Ermittlung der Temperatur „TW" des Motorkühlwassers
vorhanden.
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Mit
der Nummer 20 wird eine Steuereinheit bezeichnet, der von
dem Gaspedal-Sensor 22,
dem Strömungsmesser
für Luft 3,
dem Wassertemperatur-Sensor 23 und dem Motordrehzahl-Sensor 21 Informationssignale
zugeleitet werden, wie dargestellt. Die Steuereinheit 20 ist
ein Mikrocomputer, der im allgemeinen aus einer CPU (Zentraleinheit),
einem RAM (Arbeitsspeicher), einem ROM (Festwertspeicher) sowie
Eingabe- und Ausgabeschnittstellen besteht.
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Wie
gezeigt wird, haben der 3-Wege-Katalysator (Typ HC-Adsorption) 13,
der katalytische NOx-Auffang-Konverter 14 und der Diesel-Teilchenfilter
(DPF) 15 jeweils einen Temperatursensor 24, 25 bzw. 26 zur
Ermittlung der Temperatur ihrer Katalysatorbetten und Filterschichten.
Diese Temperatursensoren 24, 25 und 26 können vom
Typ Thermoelement sein. Weiterhin ist ein Abgasdruck-Sensor 27 vorhanden,
der den Abgasdruck ermittelt, der in Strömungsrichtung unmittelbar vor
dem Diesel-Teilchenfilter (DPF) 15 herrscht. Informationssignale
von den Temperatursensoren 24, 25 und 26 sowie
vom Abgasdruck-Sensor 27 werden ebenfalls, wie dargestellt, an
die Steuereinheit 20 weitergeleitet.
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Aufgrund
der Verarbeitung der verschiedenen Informationssignale gibt Steuereinheit 20 verschiedene
Befehlssignale an die elektrischen Auslöser der Kraftstoffeinspritzventile 8,
des Drosselventils 5 und des EGR-Ventils 12 aus.
Das heißt,
an die elektrischen Auslöser
der Kraftstoffeinspritzventile 8 wird ein Kraftstoffeinspritz-Befehlssignal
gegeben, das eine Kraftstoff-Einspritzmenge und eine Kraftstoff-Einspritzverstellung
enthält,
die von jedem Kraftstoffeinspritzventil 8 benötigt werden.
Dem elektrischen Auslöser
des Drosselventils 5 wird ein Befehlssignal Öffnungsgrad
zugeleitet, das einen vom Drosselventil 5 benötigten Öffnungsgrad
darstellt, und dem elektrischen Auslöser des EGR-Ventils 12 wird
ein Befehlssignal Öffnungsgrad
zugeleitet, das einen vom EGR-Ventil 12 benötigten Öffnungsgrad darstellt.
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Infolge
des Einsatzes des katalytischen NOx-Auffang-Konverters 14 und/oder
des Diesel-Teilchenfilters (DPF) 15 macht es sich erforderlich,
sie zu reaktivieren. Das heißt,
daß im
Falle des katalytischen NOx-Auffang-Konverters 14 die Reaktivierung
durch Entfernen von Katalysatorgift S aus dem Katalysator bewirkt
wird, und im Falle des Diesel-Teilchenfilters (DPF) 15 erfolgt
die Reaktivierung, indem die angesammelten Teilchen (PM) aus dem Filter
entfernt werden.
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Im
Falle des katalytischen NOx-Auffang-Konverters 14 erfolgt
die Beurteilung des Zeitpunkts, zu dem die Reaktivierung durchgeführt werden
soll, auf der Grundlage des Zeitraums, über den der Konverter 14 praktisch
gearbeitet hat. Das heißt, wenn
seit einer vorhergehenden Reaktivierung des Konverters 14 eine
vorgegebene Zeitspanne vergangen ist, wird festgestellt, daß der Konverter 14 eine weitere
Reaktivierung nötig
hat.
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Im
Falle des Diesel-Teilchenfilters (DPF) 15 erfolgt die Beurteilung
des Zeitpunkts, zu dem die Reaktivierung durchgeführt werden
soll, auf der Grundlage eines Ausgangssignals des Abgasdruck-Sensors 27.
Mit anderen Worten, wenn der Abgasdruck einen Schwellenwert überschreitet,
der in Übereinstimmung
mit einem Betriebszustand des Dieselmotors 1 ermittelt
wird, wird festgestellt, daß der
Filter 15 eine weitere Reaktivierung nötig hat.
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Die
Reaktivierung des katalytischen NOx-Auffang-Konverters 14 und
die des Diesel-Teilchenfilters (DPF) 15 werden wie folgt
ausgeführt.
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Im
Falle des katalytischen NOx-Auffang-Konverters 14 wird
nach Feststellung der Notwendigkeit einer Reaktivierung das Überschuß-Luftverhältnis „λ" verringert. Durch
diese Vorgehensweise wird die Katalysatortemperatur des Konverters 14 auf
ein drittes vorbestimmtes Niveau erhöht (nämlich etwa 600°C). Danach
wird die Temperatur eine bestimmte Zeit auf diesem Niveau gehalten,
um Katalysatorgift S aus dem Katalysator freizusetzen.
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Dagegen
wird im Falle des Diesel-Teilchenfilters (DPF) 15 nach
Feststellung der Notwendigkeit einer Reaktivierung das Überschuß-Luftverhältnis „λ" verringert. Durch
diese Vorgehensweise wird die Temperatur des Filters 15 auf
das dritte vorbestimmte Niveau (nämlich etwa 600°C) erhöht. Danach
wird das Überschuß-Luftverhältnis „λ" zur Reaktivierung des
Filters 15 erhöht,
während
die erhöhte
Temperatur über
eine bestimmte Zeit beibehalten wird.
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Wie
oben beschrieben, wird zum Einleiten der Reaktivierung des katalytischen
NOx-Auffang-Konverters 14 und/oder des Diesel-Teilchenfilters
(DPF) 15 die Erhöhung
der Temperatur des Katalysators 14 und/oder des Filters 15 bewirkt,
indem das Überschuß-Luftverhältnis „λ" verringert wird.
Der Grund dafür
ist eine bestimmte Wechselbeziehung, die zwischen der Abgastemperatur
und dem Überschuß-Luftverhältnis „λ" besteht. Das heißt, die
Abgastemperatur steigt, wenn das Überschuß-Luftverhältnis „λ" kleiner wird.
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Dementsprechend
wird bei normalem Betrieb ein Zielwert des Überschuß-Luftverhältnis „λ" (das heißt, das Ziel-Überschuß-Luftverhältnis) in Übereinstimmung
mit einem Betriebszustand des Dieselmotors 1 bestimmt.
Dagegen wird bei der Steuerung zur Erhöhung der Abgastemperatur das Überschuß-Luftverhältnis „λ" auf einen Wert festgelegt
(in der vorliegenden Erfindung etwa 1), der niedriger ist als das
beim normalen Betrieb bestimmte Ziel-Überschuß-Luftverhältnis.
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In 2 ist
ein Flußdiagramm
dargestellt, das programmierte Arbeitsschritte zur Steuerung der Temperaturerhöhung des
katalytischen NOx-Auffang-Konverters 14 und/oder des Diesel-Teilchenfilters
(DPF) 15 auf das dritte vorbestimmte Niveau (nämlich etwa
600°C) zeigt.
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Wie
sich im Laufe der weiteren Beschreibung zeigen wird, werden nach
Feststellung der Notwendigkeit einer Reaktivierung des Konverters 14 oder des
Filters (DPF) 15 die programmierten Arbeitsschritte des
Flußdiagramms
wiederholt, bis die erforderliche Temperaturerhöhung vollendet ist.
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In
Schritt S1 werden die Temperatur „T3-way" des 3-Wege-Katalysators (Typ HC-Adsorption) 13,
die Temperatur „Tnox" des katalytischen NOx-Auffang-Konverters 14 und/oder
die Temperatur „Tdpf" des Diesel-Teilchenfilters
(DPF) 15 eingelesen. Genauer gesagt: Die Temperatur eines
Katalysatorbetts oder einer Filterschicht einer solchen Komponente 13, 14 und/oder 15 wird
ermittelt und eingelesen. Dann wird in Schritt S2 eine Beurteilung vorgenommen,
ob die Temperatur „T3-way" des 3-Wege-Katalysators
(Typ HC-Adsorption) 13 höher ist als eine erste vorbestimmte
Temperatur „#TBED1", bei der es sich
um die Oxidations-Aktivierungstemperatur des Katalysators 13 handelt,
oder nicht. Bei JA, das heißt,
wenn die Temperatur „T3-way" des Katalysators 13 höher ist
als die erste vorbestimmte Temperatur „#TBED1", geht die Abarbeitung zu Schritt S3 über. Dagegen
geht bei NEIN, das heißt,
wenn die Temperatur „T3-way" des Katalysators 13 niedriger
als die erste vorbestimmte Temperatur „#TBED1" oder ihr gleich ist, die Abarbeitung zu
Schritt S5 weiter.
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Wie
in der graphischen Darstellung in 3 zu sehen,
ist die erste vorbestimmte Temperatur „#TBED1" eine Temperatur, die es ermöglicht,
daß der
3-Wege-Katalysator 13 eine HC-Reinigungsrate aufweist,
die höher
als eine vorgegebene Rate (z. B. 50%) ist, wenn das Überschuß-Luftverhältnis „λ" des in den Katalysator 13 eingeleiteten
Abgases relativ hoch ist (das heißt, das Überschuß-Luftverhältnis λ ist der Zielwert, der in Übereinstimmung
mit dem Betriebszustand des Motors 1 bestimmt wird), und
die es ermöglicht,
daß der
3-Wege-Katalysator 13 die HC-Reinigungsrate aufweist (im
darge stellten Beispiel 0%), die niedriger als die vorgegebene Rate (nämlich 50%)
ist, wenn das Überschuß-Luftverhältnis „λ" des in den Katalysator 13 eingeleiteten
Abgases relativ niedrig ist (das heißt, λ ist etwa 1). Somit kann die
erste vorbestimmte Temperatur „#TBED1" als „eine Oxidations-Aktivierungstemperatur" des 3-Wege-Katalysators
(Typ HC-Adsorption) 13 bezeichnet werden.
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Wie
in der graphischen Darstellung in 3 zu sehen
ist, hängt
das Abgas-Reinigungsverhalten des 3-Wege-Katalysators 13 hauptsächlich sowohl von
der Temperatur des Katalysatorbetts des Katalysators 13 als
auch vom Überschuß-Luftverhältnis „λ" des in den Katalysator 13 eingeleiteten
Abgases ab, und die HC-Reinigungsfunktion des 3-Wege-Reinigungsverhaltens
kann bei einer relativ niedrigen Temperatur erwartet werden, wenn
das Überschuß-Luftverhältnis „λ" des Abgases erhöht wird.
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Betrachtet
man nun wieder das Flußdiagramm
in 2, so wird in Schritt S3 eine Beurteilung vorgenommen,
ob die Temperatur „T3-way" des 3-Wege-Katalysators
(Typ HC-Adsorption) 13 höher ist als eine zweite vorbestimmte
Temperatur „#TBED2", die höher als
die erste vorbestimmte Temperatur „#TBED1" ist und das 3-Wege-Reinigungsverhalten
des Katalysators 13 gewährleistet,
oder nicht. Bei JA, das heißt,
wenn die Temperatur „T3-way" des Katalysators 13 höher ist
als die zweite vorbestimmte Temperatur „#TBED2", geht die Abarbeitung zu Schritt S4 über. Dagegen
geht bei NEIN, das heißt,
wenn die Temperatur „T3-way" des Katalysators 13 niedriger
als die zweite vorbestimmte Temperatur „#TBED2" oder ihr gleich ist, die Abarbeitung zu
Schritt S6 weiter.
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Betrachtet
man noch einmal die graphische Darstellung in 3,
so ist die zweite vorbestimmte Temperatur „#TBED2" eine Temperatur, die es allen drei
Komponenten des 3-Wege-Katalysators 13 ermöglicht,
jeweils Reinigungsraten zu zeigen, die höher als vorgegebene Raten sind,
wenn das Überschuß-Luftverhältnis „λ" des in den Katalysator 13 eingeleiteten
Abgases relativ niedrig ist. Demgemäß kann die zweite vorbestimmte
Temperatur „#TBED2" als „eine 3-Wege-Katalysator-Aktivierungstemperatur" des 3-Wege-Katalysators
(Typ HC-Adsorption) 13 bezeichnet werden.
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Betrachtet
man nun wieder das Flußdiagramm
in 2, so wird in Schritt S4 eine Beurteilung vorgenommen,
ob die Temperatur „Tnox" des katalytischen
NOx-Auffang-Konverters 14 oder
die Temperatur „Tdpf" des Diesel-Teilchenfilters
(DPF) 15 höher
ist als eine dritte vorbestimmte Temperatur „#TBED3", z. B. 600°C, die die Reaktivierung des Konverters 14 oder
des Filters 15 gewährleistet,
oder nicht.
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Das
bedeutet, im Falle der Reaktivierung des katalytischen NOx-Auffang-Konverters 14 wird
eine Beurteilung vorgenommen, ob die Temperatur „Tnox" des Katalysa torbetts des Konverters 14 höher ist
als die dritte vorbestimmte Temperatur „#TBED3" oder nicht. Dagegen wird im Falle der
Reaktivierung des Diesel-Teilchenfilters (DPF) 15 eine
Beurteilung vorgenommen, ob die Temperatur „Tdpf" der Filterschicht des Filters 15 höher ist
als die dritte vorbestimmte Temperatur „#TBED3" oder nicht. Daher kann die dritte vorbestimmte
Temperatur „#TBED3" als die „Reaktivierungs-Gewährleistungstemperatur" des Konverters 14 oder
des Filters 15 bezeichnet werden. Bei JA im Schritt S4,
das heißt,
wenn die Temperatur „Tnox" oder „Tdpf" höher ist
als die dritte vorbestimmte Temperatur „#TBED3", geht die Abarbeitung zu Schritt S7 über. Dagegen
geht bei NEIN im Schritt S4, das heißt, wenn die Temperatur „Tnox" oder „Tdpf" niedriger als die
dritte vorbestimmte Temperatur „#TBED3" oder ihr gleich ist, die Abarbeitung zu
Schritt S5 weiter.
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Bei
NEIN im Schritt S2, das heißt,
wenn die Temperatur „T3-way" des 3-Wege-Katalysators (Typ HC-Adsorption) 13 niedriger
als die erste vorbestimmte Temperatur „#TBED1", das heißt die Oxidations-Aktivierungstemperatur
des Katalysators 13, oder ihr gleich ist, geht die Abarbeitung
zu Schritt S5 über.
Bei diesem Schritt S5 wird das Überschuß-Luftverhältnis „λ" durch Betätigen des
Drosselventils 5 und/oder des EGR-Ventils 12 auf etwa 1 verringert. Das
heißt,
das Überschuß-Luftverhältnis „λ" wird, wie in der
graphischen Darstellung in 4 zu sehen
ist, durch Verringern des Öffnungsgrads
von Drosselventil 5 oder durch Erhöhung des Öffnungsgrads von EGR-Ventil 12 oder
indem beides bewirkt wird, auf etwa 1 verringert.
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Bei
erneuter Betrachtung des Flußdiagramms
in 2 ist zu sehen, daß bei NEIN in Schritt S3, das
heißt,
wenn die Temperatur „T3-way" des 3-Wege-Katalysators
(Typ HC-Adsorption) 13 niedriger als die zweite vorbestimmte
Temperatur „#TBED2" oder ihr gleich
ist, die Abarbeitung zu Schritt S6 übergeht. In diesem Schritt
S6 wird das Überschuß-Luftverhältnis „λ" erhöht, indem
das Drosselventil 5 und/oder das EGR-Ventil 12 auf
umgekehrte Art im Vergleich zur Vorgehensweise in Schritt S5 betätigt werden.
Dadurch weist das Abgas ein magereres Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf.
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In
Schritt S6 muß nur
das Überschuß-Luftverhältnis „λ" erhöht werden.
Also wird das Überschuß-Luftverhältnis „λ" eigentlich auf das
Ziel-Überschuß-Luftverhältnis eingeregelt,
das bei der normalen Betriebsart im Unterschied zur Betriebsart
mit Erhöhung
der Abgastemperatur eingestellt und in Übereinstimmung mit einem Betriebszustand
des Motors 1 bestimmt wird. Tatsächlich weist in einem derartigen
Fall das Abgas seine beste Qualität bei dem Ziel-Überschuß-Luftverhältnis auf.
Bei NEIN im Schritt S4, das heißt,
wenn die Temperatur „Tnox" des katalytischen
NOx-Auffang-Konverters 14 oder die Temperatur „Tdpf" des Diesel-Teilchenfilters (DPF) 15 niedriger
als die dritte vorbestimmte Temperatur „#TBED3" oder ihr gleich ist, geht die Abarbeitung
zu Schritt S5 über,
der oben beschrieben worden ist. Das heißt, im Schritt S5 wird das Überschuß-Luftverhältnis „λ" auf etwa 1 verringert.
Dagegen geht bei JA im Schritt S4, das heißt, wenn die Temperatur „Tnox" des katalytischen
NOx-Auffang-Konverters 14 oder die Temperatur „Tdpf" des Diesel-Teilchenfilters
(DPF) 15 höher
ist als die dritte vorbestimmte Temperatur „#TBED3", die Abarbeitung zu Schritt S7 über, und
die Steuerung zur Temperaturerhöhung
ist beendet. Danach unterliegt der katalytische NOx-Auffang-Konverter 14 und/oder
der Diesel-Teilchenfilter (DPF) 15 der Steuerug zur Reaktivierung.
Im Falle der Reaktivierung des Konverters 14 wird das Überschuß-Luftverhältnis „λ" bei etwa 1 gehalten,
während
im Falle der Reaktivierung des Filters 15 das Überschuß-Luftverhältnis „λ" erhöht wird.
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Um
die Merkmale der vorliegenden Erfindung deutlich zu machen, wird
bei der Beschreibung auf einen Vergleich zwischen dem System der
Erfindung und dem bekannten System eingegangen, das in der erwähnten Laid-open
Japanese Patent Application 7-189654 dargelegt wird.
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In
dem bekannten System wird die Temperatur eines Diesel-Teilchenfilters
auf die Reaktivierungs-Gewährleistungstemperatur
erhöht,
indem ein Drosselventil betätigt
wird. Für
diese Temperaturerhöhung
werden zwei Verfahren angewandt. Eines besteht darin, das Drosselventil
schrittweise zu betätigen,
und bei dem anderen wird das Drosselventil stufenlos betätigt. Mittels
dieses ersten bzw. zweiten Verfahrens bei der Steuerung der Temperaturerhöhung wird
das Überschuß-Luftverhältnis schrittweise bzw.
stufenlos verringert.
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Dieses
erste bzw. das zweite Verfahren werden jetzt anhand der Laufzeitdiagramme
in den 5A bis 5E bzw. 6A bis 6E kurz
erörtert.
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Bei
dem ersten Verfahren, das durch die Laufzeitdiagramme in den 5A bis 5E dargestellt
wird, wird das Überschuß-Luftverhältnis schrittweise
gesteuert. Wie es bekannter Stand der Technik ist, wird während des
Kaltbetriebs von Dieselmotoren das Überschuß-Luftverhältnis relativ hoch eingestellt (das
heißt,
ein magereres Luft-Kraftstoff-Verhältnis), verglichen mit dem,
das im warmgelaufenen Zustand eingestellt wird, in dem der Motor
ausreichend erwärmt
oder aufgeheizt ist.
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Wie
in den 5A, 5B und 5C zu sehen
ist, wird die Abgastemperatur erhöht, wenn das Überschuß-Luftverhältnis einen
niedrigen Wert hat. Dadurch wird nicht nur die Erwärmung eines 3-Wege-Katalysators,
sondern auch die Erwärmung eines
Diesel- Teilchenfilters
oder eines katalytischen NOx-Auffang-Konverters im Vergleich zu
einem normalen Betrieb des Motors beschleunigt. Wenn es daher während des
Kaltbetriebs des Motors notwendig wird, eine Reaktivierung des Diesel-Teilchenfilters oder
des katalytischen NOx-Auffang-Konverters durchzuführen, wird
das Überschuß-Luftverhältnis verringert.
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Während des
Vorgangs der Temperaturerhöhung
wird jedoch das Abgas gezwungen, eine größere Menge Kohlenwasserstoff
(HC) zu enthalten. Das bedeutet, daß der Motor wegen der Verringerung
des Überschuß-Luftverhältnisses
gezwungen ist, eine größere Menge
HC zu erzeugen. Diese unerwünschte
Erscheinung läßt sich
bei Betrachtung von 5D gut verstehen. Des weiteren
kann der 3-Wege-Katalysator, da der Motor gezwungen ist, seinen
Betrieb bei einem derartigen niedrigeren Überschuß-Luftverhältnis aufrechtzuhalten, wegen
des Mangels an Sauerstoff im Abgas keine zufriedenstellende Oxidationsfunktion
zeigen. Daher ist der 3-Wege-Katalysator gezwungen, eine bestimmte
Zeit lang eine größere Menge
an HC passieren zu lassen, wie in 5E zu
erkennen ist.
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Bei
dem zweiten Verfahren, das durch die Laufzeitdiagramme in den 6A bis 6E dargestellt
wird, wird das Überschuß-Luftverhältnis stufenlos
gesteuert, wie in 6A zu sehen ist. Es ist zu beachten,
daß die
Datenkurven, die von diesem zweiten Verfahren geliefert werden,
durch fettere Linien dargestellt sind. Zum Vergleich werden auch
die Datenkurven, die von dem oben erwähnten ersten Verfahren geliefert
werden, in den Laufzeitdiagrammen gezeigt; sie sind durch dünnere Linien
dargestellt.
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Bei
dem zweiten Verfahren ist, wie in 6A zu
sehen, das Überschuß-Luftverhältnis total
hoch im Vergleich zu dem Wert, der bei dem obengenannten ersten
Verfahren geliefert wird, bei dem der Motorbetrieb mit einem niedrigeren Überschuß-Luftverhältnis aufrechterhalten
wird. Daher kann bei dem zweiten Verfahren die Menge des vom Motor
ausgestoßenen HC
im Vergleich zum ersten Verfahren verringert werden, wie in 6D zu
erkennen ist. Wegen der Anwendung des höheren Überschuß-Luftverhältnisses wird jedoch die Temperaturerhöhung des
Abgases nicht beschleunigt, und somit wird im Vergleich zu dem Fall
des ersten Verfahrens nicht nur die Erwärmung des 3-Wege-Katalysators,
sondern auch die Erwärmung
des Diesel-Teilchenfilters oder des katalytischen NOx-Auffang-Konverters
verzögert,
wie in den 6B und 6C zu
sehen ist.
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Wie
im Laufe der Beschreibung klar wird, wird die vorliegende Erfindung
dadurch ermöglicht, daß der Temperaturcharakteristik
des 3-Wege-Katalysators (Typ HC-Ad sorption), die in der graphischen Darstellung
in 3 gezeigt wird, Aufmerksamkeit geschenkt wird.
Wie in dieser Darstellung zu erkennen, weist der 3-Wege-Katalysator
Unterschiede in der Temperaturcharakteristik zwischen dem HC-Reinigungsverhalten,
das bei hohem Überschuß-Luftverhältnis (das
heißt,
magererem Luft-/Kraftstoff-Verhältnis)
erreicht wird, und dem Verhalten auf, das bei niedrigem Überschuß-Luftverhältnis (das
heißt,
reicherem Luft-/Kraftstoff-Verhältnis)
gezeigt wird. Das bedeutet, wenn das Überschuß-Luftverhältnis hoch ist (das heißt, magereres
Luft-/Kraftstoff-Verhältnis), tritt
die praktische Oxidations-Aktivierung des 3-Wege-Katalysators früh ein.
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Im
folgenden werden die Merkmale der vorliegenden Erfindung unter Bezug
auf die Laufzeitdiagramme in den 7A bis 7E beschrieben.
Zu beachten ist, daß die
von der Erfindung gelieferten Datenkurven durch fettere Linien dargestellt
sind. Zum Vergleich werden die von dem erwähnten bekannten ersten Verfahren
gelieferten Datenkurven ebenfalls in den Laufzeitdiagrammen gezeigt,
sie sind als dünnere
Linien dargestellt.
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Wie
in den 7A und 7B zu
sehen, wird während
des Kaltbetriebs von Motor 1, das heißt, bis zu dem Zeitpunkt, an
dem das Katalysatorbett des 3-Wege-Katalysators (Typ HC-Adsorption) 13 die
Oxidations-Aktivierungstemperatur (nämlich #TBED1) aufweist, das Überschuß-Luftverhältnis niedrig,
das heißt
bei etwa 1 gehalten. Bis dahin enthält das Abgas aus dem Motor 1 gezwungenermaßen eine
größere Menge
an HC. Dieser HC wird jedoch vorübergehend
von dem Katalysator des 3-Wege-Katalysators 13 adsorbiert,
und zwar infolge des HC-Adsorptionsverhaltens, das dieser aufweist.
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Sobald
das Katalysatorbett des 3-Wege-Katalysators (Typ HC-Adsorption) 13 die
Oxidations-Aktivierungstemperatur (nämlich #TBED1) erreicht hat, wird
das Überschuß-Luftverhältnis von
der niedrigeren Seite (nämlich
etwa 1) zu einer höheren
Seite (das heißt,
magereren Seite) hin verschoben. Daraufhin verändert sich das Abgas, das in
den 3-Wege-Katalysator 13 eingeleitet wird, und zeigt eine sauerstoffreichere
Zusammensetzung, und gleichzeitig wird der von dem Katalysator des
3-Wege-Katalysators 13 während des Kaltbetriebs adsorbierte Kohlenwasserstoff
verbrannt (oder oxidiert) und damit gereinigt. Infolge der Verbrennung
(das heißt
Oxidation) des Kohlenwasserstoffs, die eine gewisse Wärme erzeugt,
wird die Temperatur des Katalysatorbetts des 3-Wege-Katalysators 13 deutlich
erhöht, wie
in 7B zu erkennen ist. Wie in 7C zu
sehen, hat das Abgas, das aus einem 3-Wege-Katalysator (Typ HC-Adsorption) 13 ausgestoßen wird,
wegen der durch die Oxidation des Kohlenwasserstoffs erzeugten Wärme eine
höhere
Temperatur, und folglich wird das Katalysatorbett des katalytischen NOx-Auffang-Konverters 14 und/oder
die Filterschicht des Diesel-Teilchenfilters (DPF) 15,
die in Strömungsrichtung
nach dem 3-Wege-Katalysator 13 angeordnet sind, ausreichend
erwärmt.
Außerdem
ist in den 7A und 7D zu
sehen, daß das aus
dem Motor 1 ausgestoßene
Abgas, wenn das Überschuß-Luftverhältnis hoch
gehalten wird (das heißt,
magereres Luft-/Kraftstoff-Verhältnis),
einen geringeren Anteil an Kohlenwasserstoff aufweist.
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Wenn
danach das Katalysatorbett von Katalysator 13 die 3-Wege-Katalysator-Aktivierungstemperatur „#TBED2" hat, wird das Überschuß-Luftverhältnis wieder
von der höheren
Seite zur niedrigeren Seite (etwa 1) hin verschoben, wie in den 7A und 7B zu
sehen ist. Während
des Zustands, in dem das Überschuß-Luftverhältnis bei
etwa 1 gehalten wird, weist das Abgas aus Motor 1 die höchste Temperatur
auf, und somit wird die Temperatur des Katalysators von 3-Wege-Katalysator 13 augenblicklich erhöht. Zusätzlich dazu
kann das Abgas (nämlich HC),
da die 3-Wege-Katalysator-Aktivierungstemperatur „#TBED2" während dieses
Zustands erreicht worden ist, von dem 3-Wege-Katalysator ausreichend
gereinigt werden, auch wenn das Überschuß-Luftverhältnis auf
etwa 1 verringert wird, wie 7E zeigt.
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Wie
aus der vorangegangenen Beschreibung hervorgeht, wird in der vorliegenden
Erfindung im Verlauf der Temperaturerhöhung des Katalysators des 3-Wege-Katalysators
(Typ HC-Adsorption) 13 das Überschuß-Luftverhältnis einmal zu dem Zweck erhöht, eine
Oxidation des von dem Katalysator adsorbierten Kohlenwasserstoffs
auszulösen.
Infolge einer gewissen durch die Oxidation des Kohlenwasserstoffs
erzeugten Wärme
erfolgt im Vergleich zu den obengenannten ersten und zweiten Verfahren augenblicklich
eine Temperaturerhöhung
des Katalysators von 3-Wege-Katalysator 13. Außerdem wird, wie 7D zeigt,
infolge der einmaligen Erhöhung des Überschuß-Luftverhältnisses
die Abgasemission aus Motor 1 verbessert.
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Obwohl
die Erfindung oben unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel der Erfindung
beschrieben worden ist, ist die Erfindung nicht auf solch ein Ausführungsbeispiel,
wie es oben beschrieben wurde, beschränkt. Verschiedene Abwandlungen und
Veränderungen
eines derartigen Ausführungsbeispiels
können
von den Fachleuten auf dem Gebiet angesichts der obigen Beschreibung
vorgenommen werden.