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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft ein Abgasreinigungssystem zum Reduzieren und
Reinigen von NOx in bzw. aus einem Abgas eines Verbrennungsmotors sowie
zum Sammeln von teilchenförmigem
Material in einem Abgas und Entfernen desselben durch Verbrennen.
Ebenso betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung eines
solchen Systems. Konkreter betrifft die Erfindung ein Abgasreinigungssystem
und ein Verfahren zum Steuern des Systems, wobei ein direkt reduzierender
NOx-Katalysator aufstromig angeordnet ist, um NOx zu reinigen, und
ein DPF mit einem Oxidationskatalysator abstromig angeordnet ist, um
PM zu reinigen.
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Ausführliche
Beschreibung des verwandten Standes der Technik
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Hinsichtlich
eines Abgasreinigungssystems zum Reinigen von teilchenförmigem Material
(im folgenden bezeichnet als PM) und NOx (Stickoxiden) aus Abgas
eines Auto-Verbrennungsmotors, wie eines Dieselmotors, wurden verschiedene
Studien und Vorschläge
vorgelegt. Im Hinblick auf PM wurde ein als DPF (Dieselpartikelfilter:
im folgenden bezeichnet als DPF) bezeichneter Filter entwickelt,
und hinsichtlich NOx wurden des weiteren ein NOx-Reduktionskatalysator
und ein Drei-Wege-Katalysator oder dergleichen entwickelt.
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Dieser
DPF beinhaltet einen DPF mit einem Oxidationskatalysator, wobei
die Filteroberfläche
mit einem Oxidationskatalysator, wie Platin (Pt), beschichtet ist,
um PM zu sammeln, oder einen DPF mit PM-Oxidationskatalysator, wobei
die Filteroberfläche mit
einem PM-Oxidationskatalysator, wie Platin, und einem PM-Oxidationskatalysator,
wie Ceroxid (CeO2), beschichtet ist.
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Der
DPF mit Oxidationskatalysator macht sich die Tatsache zunutze, daß die Energiebarriere bei
der Oxidation von PM durch NO2 niedriger
ist als die der Oxidation von PM durch O2,
und sie nutzt darüber
hinaus die Tatsache aus, daß die
Oxidation von PM durch NO2 bei einer niedrigeren
Temperatur durchgeführt
werden kann. Durch den Oxidationskatalysator wird NO in dem Abgas
zu NO2 oxidiert. Das eingesammelte PM wird
durch das erzeugte NO2 oxidiert und gereinigt.
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Darüber hinaus
weist der DPF mit PM-Oxidationskatalysator einen Katalysator, wie
Ceroxid, auf. Im Oxidationsbereich mit niedriger Temperatur (ungefähr 350°C bis 450°C) wird NO
durch den Oxidationskatalysator zu NO2 oxidiert,
und PM wird durch dieses NO2 oxidiert. Im
Oxidationsbereich mit mittlerer Temperatur (ungefähr 400°C bis 600°C) wird O2 in dem Abgas durch den PM-Oxidationskatalysator
aktiviert, und PM wird durch das aktivierte O2 direkt
oxidiert. Im Oxidationsbereich mit hoher Temperatur (ungefähr 600°C oder höher), die
nicht niedriger ist als die Temperatur, bei der PM mit O2 in dem Abgas verbrennt, wird PM durch O2 in dem Abgas oxidiert.
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Weiterhin
gibt es einige DPF, die anstelle einer Beschichtung des Filters
mit dem Oxidationskatalysator mit einem aufstromig von dem Filter
angeordneten Oxidationskatalysator, wie Platin oder dergleichen,
ausgestattet sind. Bei diesen DPF wird NO in dem Abgas durch den
aufstromig angeordneten Oxidationskatalysator oxidiert, und das
in abstromiger Richtung gesammelte PM wird durch das erzeugte NO2 zu CO2 oxidiert.
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In
dem DPF mit Oxidationskatalysator und dem DPF mit einem aufstromig
davon angeordneten Oxidationskatalysator wird PM gesammelt und mittels
Oxidation von PM durch den Ka talysator und Oxidation von PM durch
NO2 oxidiert, und dadurch wird die Temperatur
reduziert, so daß PM
oxidiert werden kann.
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Selbst
bei DPF mit Oxidationskatalysator und DPF mit einem aufstromig davon
angeordneten Oxidationskatalysator ist es jedoch erforderlich, die Abgastemperatur
auf etwa 350°C
zu erhöhen.
Im Motorbetriebszustand von Leerlauf und bei geringer Last ist die
Abgastemperatur zu niedrig, um die Katalysatoren zu aktivieren,
so daß die
oben genannte Reaktion nicht abläuft,
sondern PM sich in dem DPF ansammelt, ohne daß eine Oxidation stattfindet.
Aus diesem Grund wird ein DPF-Regenerationsvorgang durchgeführt. Der
Vorgang wird durchgeführt
durch Erhöhen
der Abgastemperatur, um die Temperatur von PM auf eine Temperatur
zu erhöhen,
die nicht niedriger ist als die PM-Verbrennungstemperatur. Die Erhöhung der
Abgastemperatur erfolgt mittels einer Verzögerung des Zeitpunkts der Einspritzung,
einer mehrstufigen Einspritzung usw., oder durch Verbrennen des
Kraftstoffs, der dem Oxidationskatalysator durch Nacheinspritzung
oder Einspritzung in eine Abgasleitung zugeführt wird. Bei dem Vorgang der DPF-Regeneration
ist es notwendig, daß die
Sauerstoffkonzentration des Abgases relativ hoch ist, und die Temperatur
des gesammelten PM muß in
einer Oxidationsatmosphäre
auf die PM-Verbrennungstemperatur erhöht werden.
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Hinsichtlich
Katalysatoren zum Reinigen von NOx gibt es einen NOx-Einschlüsse reduzie
renden Katalysator, der für
ein Abgasreinigungssystem für einen
Verbrennungsmotor verwendet wird, wie in der offengelegten
japanischen Patentveröffentlichung
Nr. 2000-274279 und anderen vorgeschlagen wird. Dieser
NOx-Einschlüsse
reduzierende Katalysator ist mit einem Edelmetallkatalysator, wie
Platin, und einem Erdalkalimetall, wie Barium (Ba), auf einem Katalysatorträger ausgestaltet.
NO in Abgas wird durch die katalytische Wirkung des Edelmetallkatalysators in
einer Atmosphäre
mit hoher Sauerstoffkonzentration zu NO
2 oxidiert,
breitet sich in dem Katalysator in Form von Stickstoffionen NO
3 – aus und wird in Form eines
Nitrats eingeschlossen.
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Wenn
das Luft/Kraftstoff-Verhältnis
fett wird und die Sauerstoffkonzentration abnimmt, verändert sich
das Stickstoffion (NO3 –)
zu der Form NO2 und wird ausgestoßen, und
NO2 wird durch die katalytische Wirkung
durch Reduktionsmittel, wie unverbrannten Kohlenwasserstoff (HC),
CO und H2, in dem Abgas zu N2 reduziert.
Diese katalytische Wirkung kann verhindern, daß NOx in die Umgebungsluft
ausgestoßen
wird.
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Zu
diesem Zweck bewirkt das in der offengelegten
japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2000-274279 beschriebene
Abgasreinigungssystem, daß der
NOx-Einschlüsse
reduzierende Katalysator NOx einfängt bzw. einschließt, wenn
das Luft/Kraftstoff-Verhältnis
des einströmenden
Abgases mager ist. Wenn die NOx-Einschlußkapazität nahezu gesättigt ist,
führt das
System eine Regenerationsoperation mit dem Katalysator durch, um
das Luft/Kraftstoff-Verhältnis
des Abgases auf das theoretische Luft/Kraftstoff-Verhältnis oder
in den fetten Zustand zu bringen, und bringt dadurch den Katalysator
dazu, das eingeschlossene NOx auszustoßen, indem die Sauerstoffkonzentration
des einströmenden
Abgases reduziert wird. Der Katalysator reduziert das ausgestoßene NOx
und reinigt somit das NOx.
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Obwohl
bei diesem Regenerationsvorgang das ausgestoßene NOx durch den Edelmetallkatalysator
reduziert werden muß,
wird innerhalb kurzer Zeit eine große Menge an NOx ausgestoßen; dadurch
wird es schwierig, die gesamte Menge an NOx durch Inkontaktbringen
mit den Reduktionsmitteln und dem Edelmetallkatalysator zu N2 zu reduzieren, selbst wenn eine geeignete
Menge an Reduktionsmitteln zugeführt
wird. Dadurch tritt ein Teil des NOx aus und es besteht ein Problem
dahingehend, daß die
Reduktion von NOx eingeschränkt
werden muß.
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Des
weiteren stellt die Schwefelvergiftung ein weiteres Problem dar;
es ist schwierig, über
einen Zeitraum von mehreren Stunden eine hohe NOx-Reinigungsrate
bzw. -geschwindigkeit aufrechtzuerhalten, da sich die katalytische
Funktion aufgrund von Schwefel, der in einem Kraftstoff für einen
Dieselmotor enthalten ist, verschlechtert.
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Um
Schwefel zu reinigen und so eine Erholung bzw. Regeneration aus
dem durch die Schwefelvergiftung verursachten verschlechterten Zustand
zu bewirken, ist es notwendig, die Katalysatortemperatur auf bis
zu 650°C
oder darüber
zu erhöhen,
und um die Katalysatortemperatur in einem Dieselmotor auf 650°C oder darüber zu erhöhen, ist
es erforderlich, die Abgastemperatur auf 600°C oder darüber zu erhöhen. Selbst wenn die Steuerung
zur Erhöhung der
Abgastemperatur, wie eine Einlaßdrosselung, und
eine fette Verbrennung durchgeführt
werden, ist es dennoch schwierig, die Katalysatortemperatur lediglich
durch die Motorsteuerung auf einen Wert von bis zu 650°C zu erhöhen.
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Neben
dem NOx-Einschlüsse
reduzierenden Katalysator gibt es einen Katalysator für die direkte Reduktion
von NOx (im folgenden bezeichnet als direkt reduzierender NOx-Katalysator),
beschrieben in der
Patentanmeldung
Nr. 19992481 , angemeldet in der Republik Finnland, und
Nr.
20000617 , angemeldet
in der Republik Finnland.
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Dieser
direkt reduzierende NOx-Katalysator, wie er in den 7 und 8 gezeigt
ist, trägt
ein Metall M, wie Rhodium (Rh) und Palladium (Pd), als Katalysatorkomponenten
auf einem Träger
T, wie a ^-Typ-Zeolit. In einer Atmosphäre mit hoher Sauerstoffkonzentration,
wie in dem Abgas eines Verbrennungsmotors, wie eines Dieselmotors,
dessen Luft/Kraftstoff-Verhältnis
in einem mageren Zustand ist, tritt der Katalysator mit NOx in Kontakt
und reduziert es zu N2, und diese Katalysatorkomponente
wird dann selbst zu einem Metalloxid MOx, wie Rhodiumoxid, oxi diert.
Da das Metall M die Fähigkeit
zur Reduktion von NOx verliert, wenn es vollständig oxidiert wurde, ist es
erforderlich, das Metall zu regenerieren.
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Wie
in 8 gezeigt, wird diese Regeneration durchgeführt durch
Zurückreduzieren
des Metalloxids MOx, wie Rhodiumoxid, zu dem Metall, indem das Metalloxid
in einer reduzierenden Atmosphäre, wobei
die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas auf nahezu null Prozent
abgesenkt wird, so daß das Luft/Kraftstoff-Verhältnis dem
theoretischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis oder einem fetten Zustand entspricht,
mit Reduktionsmitteln, wie unverbranntem HC, CO und Wasserstoff
H2, in Kontakt gebracht wird.
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Darüber hinaus
hat dieser direkt reduzierende NOx-Katalysator im Vergleich zu anderen
Katalysatoren den Vorteil, daß die
Reaktion, bei der das Metalloxid MOx reduziert wird, selbst bei
niedrigeren Temperaturen (beispielsweise bei 200°C oder höher) schnell abläuft, und
das Problem der Schwefelvergiftung ist nicht so schwerwiegend.
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Des
weiteren ist der direkt reduzierende NOx-Katalysator so angeordnet,
daß die
Oxidations-Reduktions-Reaktion, insbesondere die Reaktion, bei der
NOx in einem fetten Zustand reduziert wird, durch Mischen mit Cer
(Ce), was die Oxidationswirkung des Metalls M verringert und dazu
beiträgt,
daß die
Fähigkeit
zur Reduktion von NOx erhalten bleibt, sowie durch Bereitstellen
eines Drei-Wege-Katalysators in der unteren Schicht gefordert wird. Darüber hinaus
wird Eisen (Fe) zu dem Katalysatorträger zugegeben, um die Geschwindigkeit
der Reinigung von NOx zu verbessern.
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Obwohl
dieser Katalysatortyp weniger einer Schwefelvergiftung unterliegt
als ein NOx-Einschlüsse reduzierender
Katalysator, verschlechtert er sich durch allmähliche Vergiftung mit Schwefel
aus dem Kraftstoff. Das heißt,
da der Schwefel in dem Abgas von dem zu dem Katalysatorträger zugegebenen
Eisen in Form von SO2 absorbiert wird, kommt
es aufgrund dieses Eisens zu einer primären Schwefelvergiftung, was
eine Verbesserung der NOx-Reinigungsleistung hemmt. Weiterhin tritt
eine sekundäre Schwefelvergiftung
auf, wenn von dem Eisen freigesetztes SO2 in
einer Oxidationsatmosphäre,
die kein Reduktionsmittel enthält,
bei einer konstanten Temperatur zu SO3 umgewandelt
wird. Da sich das SO3 des weiteren mit Cer
verbindet, kann das Cer folglich weniger dazu beitragen, daß die Fähigkeit
zur Reduktion von NOx erhalten bleibt, und dadurch wird die NOx-Reinigungsgeschwindigkeit
verringert.
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In
dem direkt reduzierenden NOx-Katalysator beträgt die Katalysatortemperatur
(Schwefelreinigungstemperatur), die erforderlich ist, damit sich
der Katalysator von der Katalysatorverschlechterung durch Schwefelvergiftung
erholt bzw. regeneriert, etwa 400°C.
Diese Temperatur ist relativ niedrig im Vergleich zu der Temperatur,
die erforderlich ist, um den NOx-Einschlüsse reduzierenden Katalysator
zu regenerieren, so daß sich
diese Temperatur unter normalen Fahrbedingungen leicht erzielen
läßt.
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Wenn
die Verschlechterung des direkt reduzierenden NOx-Katalysators durch
die Schwefelvergiftung voranschreitet, nimmt die NOx-Reinigungsgeschwindigkeit
aufgrund einer Verschlechterung der Fähigkeit zur Reduktion von NOx
zu N2 selbst in einer Atmosphäre mit hoher Sauerstoffkonzentration
und in einem fetten Zustand eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
ab. Zusätzlich
ist, da die NOx-Reduktionsfähigkeit
bald ihren unteren Grenzwert erreicht, eine häufige Durchführung des
Regenerationsvorgangs durch fette Verbrennung erforderlich, und
die Kraftstoffverbrauchsrate verschlechtert sich.
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In
dem direkt reduzierenden NOx-Katalysator ist daher der Regenerationsvorgang
für eine durch
Schwefel verursachte Verschlechterung durch Reinigen von Schwefel
zusätzlich
zu dem Regenerationsvorgang, bei dem das oxidierte Metall MOx zu dem
Metall zurückreduziert
wird, indem es in einer reduzierenden Atmosphäre mit Reduktionsmitteln in Kontakt
gebracht wird, erforderlich. Der Regenerationsvorgang wird wie folgt
durchgeführt:
das Voranschreiten der durch die Schwefelvergiftung verursachten
Verschlechterung wird überwacht,
und wenn die Verschlechterung ein gewisses Niveau erreicht hat,
wird der Schwefel entfernt, indem die Temperatur des Katalysators
auf etwa 400°C
erhöht
wird, eine Temperatur, die nicht niedriger ist als die Temperatur zum
Reinigen von Schwefel. Dieser Regenerationsvorgang wird unter der
Bedingung einer niedrigen Sauerstoffkonzentration durchgeführt, um
eine sekundäre
Schwefelvergiftung zu vermeiden.
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Diese
Reinigung von Schwefel ist jedoch dahingehend mit einem Problem
behaftet, daß im
Falle eines kurzzeitigen Wechsels in den fetten Zustand beim Fahren,
um eine niedrige Sauerstoffkonzentration in dem Abgas zu erzeugen,
eine große
Menge an HC, CO, bei denen es sich um unverbrannte Komponenten handelt,
in dem Abgas erzeugt und nach außen ausgestoßen bzw.
abgegeben wird, was aus dem Blickpunkt der Abgasreinigung unerwünscht ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung wurde ausgearbeitet, um die oben genannten
Probleme zu lösen, und
die Ziele der Erfindung bestehen darin, ein Abgasreinigungssystem,
welches in der Lage ist, PM, das sich in dem DPF auf der abstromigen
Seite angesammelt hat, zu verbrennen und zu entfernen, indem HC
und CO verwendet werden, die erzeugt werden, wenn der Vorgang zur
Regeneration des direkt reduzierenden NOx-Katalysators auf der aufstromigen Seite
von einer Katalysatorverschlechterung aufgrund einer Schwefelvergiftung
durchgeführt
wird, und ein Verfahren zur Steuerung des Systems bereitzustellen.
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Ein
NOx-Reinigungssystem, mit dem die obigen Ziele erreicht werden können, besteht
aus einem Abgasreinigungssystem mit einem direkt reduzierenden NOx-Katalysator
zum Reinigen von NOx in einem Abgas, und einem DPF mit Katalysator
zum Reinigen von PM in dem Abgas, die in einer Abgasleitung in der
Reihenfolge in Richtung von einer aufstromigen Seite zu einer abstromigen
Seite angeordnet sind, und das System beinhaltet weiterhin ein Luftzufuhrsystem
zum Zuführen
von Luft zwischen dem direkt reduzierenden NOx-Katalysator und dem
DPF mit Katalysator während
eines Vorgangs zum Regenerieren des direkt reduzierenden NOx-Katalysators von
einer durch Schwefelvergiftung verursachten Katalysatorverschlechterung,
wo bei die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas im wesentlichen auf
Null gebracht wird und die Abgastemperatur erhöht wird.
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Dieser
direkt reduzierende NOx-Katalysator ist ein Katalysator, dessen
Komponenten NOx (Stickoxide) zu N2 (Stickstoff)
reduzieren. Des weiteren werden diese Katalysatorkomponenten oxidiert, wenn
die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas hoch ist, und die Katalysatorkomponenten
werden reduziert, wenn die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas abnimmt.
Der direkt reduzierende NOx-Katalysator kann aus einigen speziellen
Metallen, wie Rhodium (Rh) und Palladium, die auf einem Katalysatorträger, wie a ^-Typ-Zeolit,
getragen sind, zusammengesetzt sein.
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Weiterhin
kann dieser Katalysator aus Cer (Ce) bestehen, um die oxidative
Wirkung der die Katalysatorkomponenten bildenden Metalle zu verringern
und zu bewirken, daß sie
zur Erhaltung der NOx-Reduktionsfähigkeit beitragen. Er kann
auch mit einem Drei-Wege-Katalysator ausgestaltet sein, der Platin
oder dergleichen in der unteren Schicht enthält, um die Oxidations-Reduktions-Reaktion,
insbesondere die Reaktion, bei der unter fetten Bedingungen ausgestoßenes NOx
reduziert wird, zu beschleunigen. Darüber hinaus kann Eisen zu dem
Katalysatorträger
zugegeben werden, um die Geschwindigkeit der Reinigung von NOx zu
verbessern.
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Dieser
Vorgang zum Regenerieren des direkt reduzierenden NOx-Katalysators
von einer Katalysatorverschlechterung ist ein Vorgang, bei dem die Sauerstoffkonzentration
in einem Abgas im wesentlichen auf Null gebracht wird, um eine sekundäre Schwefelvergiftung
des direkt reduzierenden NOx-Katalysators zu vermeiden, und bei
dem die Abgastemperatur erhöht
wird und damit die Katalysatortemperatur auf die Schwefelreinigungstemperatur (etwa
400°C) oder
darüber
hinaus erhöht
wird, bei der Schwefel erschöpft
wird. Dieser Vorgang kann durch die Steuerung des kurzzeitigen Wechsels
in den fetten Zustand (rich spike control), wie die Steuerung der
Luftaufnahme durch eine Einlaßdrosselung,
eine Steuerung der Kraftstoffeinspritzung durch verzögerte Einspritzung
und eine AGR-Steuerung, durchgeführt
werden.
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Darüber hinaus
ist in dem oben genannten NOx-Reinigungssystem das Luftzufuhrsystem
so angeordnet, daß ein
Teil der Luft, die von dem Kompressor eines Turboladers aufgeladen
wurde, an einer Position zwischen dem direkt reduzierenden NOx-Katalysator
und dem DPF mit Katalysator zugeführt wird. Bei dieser Anordnung
kann die Luft durch ein vergleichsweise einfaches System zugeführt werden.
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Weiterhin
können
neben dem DPF mit Katalysator in dem obigen NOx-Reinigungssystem
verschiedene Arten von DPF mit Oxidationskatalysator verwendet werden.
Das heißt,
es können
ein DPF mit Katalysator, der mit einem auf Wall-Flow- bzw. Wandstrom-Wandoberflächen getragenen
Oxidationskatalysator ausgestattet ist, ein DPF mit Katalysator,
der mit einem Oxidationskatalysator und einem auf den Wandstrom-Wandoberflächen getragenen
PM-Oxidationskatalysator ausgestattet ist, verwendet werden. Zusätzlich kann
anstelle des DPF mit Katalysator auch ein DPF mit einem vorne angeordneten
Oxidationskatalysator verwendet werden.
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Ein
Verfahren zum Steuern des NOx-Reinigungssystems, mit dem die obigen
Ziele erreicht werden, in einem Abgasreinigungssystem mit einem
direkt reduzierenden NOx-Katalysator zum Reinigen von NOx in einem
Abgas und einem DPF mit Katalysator zum Reinigen von PM in dem Abgas,
die in einer Abgasleitung in der Reihenfolge in Richtung von einer
aufstromigen Seite zu einer abstromigen Seite angeordnet sind, ist
dadurch gekennzeichnet, daß während eines
Betriebs zum Regenerieren des direkt reduzierenden NOx-Katalysators
von einer Katalysatorverschlechterung aufgrund von Schwefelvergiftung
Luft zwischen dem direkt reduzierenden NOx-Katalysator und dem DPF mit Katalysator
zugeführt
wird, wobei die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas im wesentlichen
auf Null gebracht wird und die Abgastemperatur erhöht wird.
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Dementsprechend
wird bei Verwendung des direkt reduzierenden NOx-Katalysators beim
Reinigen von Schwefel, um den direkt reduzierenden NOx-Katalysator
von einer Katalysatorverschlechterung zu regenerieren, eine große Menge
an unverbrannten Komponenten HC, CO ausgestoßen bzw. freigesetzt, da das
Abgas durch kurzzeitigen Betrieb im fetten Zustand in einen Zustand
mit niedriger Sauerstoffkonzentration gebracht wird, um eine sekundäre Schwefelvergiftung
zu vermeiden. Gleichzeitig wird die Abgastemperatur durch den kurzzeitigen
Betrieb im fetten Zustand erhöht;
auf der abstromigen Seite des direkt reduzierenden NOx-Katalysators wird
die Abgastemperatur normalerweise auf 400°C oder darüber erhöht.
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Zu
diesem Zeitpunkt wird Luft an der abstromigen Seite des direkt reduzierenden
NOx-Katalysators
zugeführt,
dann werden HC und CO, die durch den kurzzeitigen Betrieb im fetten
Zustand erzeugt wurden, durch den Oxidationskatalysator des DPF mit
Katalysator auf der abstromigen Seite oxidiert. Durch die Oxidation
von HC und CO steigt die Temperatur des in dem DPF gesammelten PM
an, und dieser wird mit dem in der zugeführten Luft enthaltenen O2 verbrannt, um ihn zu eliminieren. So wird
der DPF regeneriert.
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Das
Abgasreinigungssystem und das Verfahren zur Steuerung des Systems
gemäß der vorliegenden
Erfindung werden mit dem Luftzufuhrsystem ausgestattet, indem der
direkt reduzierende NOx-Katalysator auf der aufstromigen Seite und
der DPF mit Katalysator auf der abstromigen Seite (oder der DPF mit
einem vorne angeordneten Oxidationskatalysator) kombiniert werden.
In dem oben genannten System und dem Verfahren wird durch die Zufuhr
von Luft zwischen dem direkt reduzierenden NOx-Katalysator und dem
DPF mit Katalysator (oder dem DPF mit vorne angeordnetem Oxidationskatalysator)
zum Zeitpunkt der Schwefelreinigung verhindert, daß unverbrannter
HC und CO, die durch die Schwefelreinigung für den direkt reduzierenden
NOx-Katalysator erzeugt
wurden, nach außen
austreten bzw. abgegeben werden. Zusätzlich kann das in dem DPF
mit Katalysator angesammelte PM zur gleichen Zeit verbrannt und
eliminiert werden.
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Das
heißt,
der direkt reduzierende NOx-Katalysator wird als Katalysator zum
Reinigen von NOx ausgewählt,
und der DPF mit Katalysator und der DPF mit vorne angeordnetem Oxidationskatalysator werden
als DPF zum Reinigen von PM ausgewählt, und diese werden in der
Abgasleitung in der Reihenfolge von der aufstromigen Seite angeordnet.
Da das Luftzufuhrsystem weiterhin dafür bereitgestellt wird, Luft
zwischen diesen zuzuführen,
wenn der Vorgang der Regeneration von einer Katalysatorverschlechterung
durch Reinigen von Schwefel durchgeführt wird, können unverbrannter HC und CO,
die durch den kurzzeitigen Betrieb im fetten Zustand für die Schwefelreinigung
erzeugt wurden, durch die zugeführte Luft
oxidiert und gereinigt werden.
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Gleichzeitig
kann die Wärme,
die durch die Oxidation von unverbranntem HC und CO erzeugt wird,
die Temperatur des gesammelten und in dem DPF mit Katalysator oder
dem DPF mit vorne angeordnetem Oxidationskatalysator angesammelten
PM auf die Temperatur, bei der PM erneut verbrannt wird, oder darüber hinaus
erhöhen.
Das PM mit erhöhter Temperatur
kann auch mit der zugeführten
Luft verbrannt und eliminiert werden.
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Da
der Vorgang zum Regenerieren des DPF zum Reinigen von PM auch zur
selben Zeit durchgeführt
werden kann, zu der der Vorgang zum Regenerieren des direkt reduzierenden
NOx-Katalysators von
einer Katalysatorverschlechterung zum Reinigen von NOx durchgeführt wird,
kann die Steuerung der DPF-Regeneration weniger häufig durchgeführt werden,
und ein Anstieg des Kraftstoffverbrauchs aufgrund der DPF-Regenerationsoperation
kann verhindert werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Darstellung, die eine Ausgestaltung eines Motors zeigt, der
mit einem Abgasreinigungssystem gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist.
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2 ist
eine Darstellung, die eine Ausgestaltung einer Vorrichtung zum Steuern
des Abgasreinigungssystems gemäß einer
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt.
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3 ist
ein Flußdiagramm,
welches ein Beispiel des Steuerungsablaufs des Abgasreinigungssystems
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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4 ist
ein Flußdiagramm,
welches ein Beispiel des Steuerungsablaufs der Katalysatorregeneration
aus 3 zeigt.
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5 ist
ein Flußdiagramm,
welches ein Beispiel des Steuerungsablaufs des Regenerationsvorgangs
aus einer Katalysatorverschlechterung aus 3 zeigt.
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6 ist
ein Flußdiagramm,
welches ein Beispiel des Steuerungsablaufs für eine DPF-Regeneration zeigt.
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7 ist
eine schematische Ansicht, die die Reaktion des direkt reduzierenden
NOx-Katalysators im
Zustand mit hoher Sauerstoffkonzentration zeigt.
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8 ist
eine schematische Ansicht, die die Reaktion des direkt reduzierenden
NOx-Katalysators im
Zustand mit niedriger Sauerstoffkonzentration zeigt.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Im
folgenden werden Ausführungsformen des
Abgasreinigungssystems und des Verfahrens zu dessen Steuerung gemäß der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
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Zuerst
wird das Abgasreinigungssystem erläutert. Wie in 1 gezeigt,
beinhaltet ein Abgasreinigungssystem 10 einen direkt reduzierenden NOx-Katalysator 3 und
einen DPF 4 mit Katalysator, die in einer Abgasleitung 2 eines
Motorhauptkörpers 1 in
der Reihenfolge in Richtung von einer aufstromigen Seite zu einer
abstromigen Seite angeordnet sind, und es beinhaltet des weiteren
ein Luftzufuhrsystem 5 mit einem Luftzufuhranschluß 5a zwischen dem
direkt reduzierenden NOx-Katalysator 3 und dem DPF 4 mit
Katalysator.
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Wie
in den 7 und 8 gezeigt, wird der direkt reduzierende
NOx-Katalysator 3 gebildet, indem er mit einem speziellen
Metall M, wie Rhodium (Rh) und Palladium (Pd), auf einem Katalysatorträger, wie a ^-Typ-Zeolit,
ausgestattet wird. Weiterhin wird Cer (Ce) zugemischt, was zu einer
Verringerung der Oxidationswirkung des Metalls M und zur Aufrechterhaltung
der NOx-Reduktionsfähigkeit
beiträgt. Darüber hinaus
ist ein Drei-Wege-Katalysator mit Platin oder dergleichen in der
unteren Schicht angeordnet, um so die Oxidations-Reduktions-Reaktion, insbesondere
die Reaktion, bei der NOx in einem fetten Zustand reduziert wird,
zu beschleunigen, und weiterhin wird Eisen (Fe) zu dem Katalysatorträger zugegeben,
um die Geschwindigkeit der Reinigung von NOx zu steigern.
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Wie
in 7 gezeigt, besitzt in einer Atmosphäre mit hoher
Sauerstoffkonzentration, wie in dem Abgas eines Verbrennungsmotors,
wie eines Dieselmotors, mit magerem Luft/Kraftstoff-Verhältnis, der direkt
reduzierende NOx-Katalysator 3 die Eigenschaft, daß er mit
dem NOx in Kontakt tritt und NOx zu N2 reduziert,
und auch das Metall M selbst wird zu MOx, wie Rhodiumoxid (RhOx),
oxidiert. Zusätzlich tritt
im Falle einer reduzierenden Atmosphäre mit niedriger Sauerstoffkonzentration,
wie z.B. einer Sauerstoffkonzentration von etwa null Prozent, im Abgas,
bei der das Luft/Kraftstoff-Verhältnis
dem theoretischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis oder einem fetten Zustand
entspricht, wie in 8 gezeigt, das oxidierte Metall
MOx mit den Reduktionsmitteln, wie unverbranntem HC, CO und H2, in Kontakt und wird zu dem ursprünglichen
Metall M, wie Rhodium, zurückreduziert.
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Der
DPF 4 mit Katalysator besteht aus einem Wabenfilter, bezeichnet
als Wandstromtypfilter, der gebildet wird, indem die Einlaß- und Auslaßseiten
der Gruppe von Gasleitungen (Zellen) abwechselnd verschlossen werden.
Die Gasleitungen sind parallel durch poröse Wände aus porösem Cordierit oder Siliciumcarbid
unterteilt. Der DPF 4 mit Katalysator kann auch aus einem
Gewebefilter bestehen, bei dem Keramikfasern um ein rostfreies Rohr
mit vielen Löchern
herum laminiert sind.
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Im
Falle eines DPF mit Oxidationskatalysator wird der Filter gebildet,
indem ein Oxidationskatalysator, wie Platin (Pt), auf die Wandoberflächen des Filters
aufgebracht wird. Im Falle eines DPF mit PM-Oxidationskatalysator
wird der Filter gebildet, indem ein Oxidationskatalysator, wie Platin,
und ein PM-Oxidationskatalysator, wie Ceroxid (CeO2),
auf die Wandoberflächen
des Filters aufgebracht werden.
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Mit
diesen DPF 4 mit Katalysator können unverbrannter HC und CO
in einer oxidierenden Atmosphäre
bei 190°C–200°C verbrannt
werden.
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Darüber hinaus
besteht das Luftzufuhrsystem 5 aus dem Lufteinlaßanschluß 5a,
der genau vor dem DPF 4 mit Katalysator angeordnet ist,
einer Luftzufuhrleitung 5c, durch die ein Luft einlaß 5b auf
der abstromigen Seite eines Kompressors 6a eines Turboladers 6 mit
dem Luftzufuhranschluß 5a verbunden
wird, und einem Luftzufuhrventil 5d, welches in der Luftzufuhrleitung 5c angeordnet
ist.
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Eine
Vorrichtung 21 für
die Erfassung der Fahrsituation, die einen Drehmomentsensor und
einen Geschwindigkeitssensor erfaßt, zum Erfassen der Fahrzustände des
Motors, hauptsächlich
des Drehmoments Q und der Motorgeschwindigkeit Ne, ist vorgesehen.
Darüber
hinaus ist ein Sensor 22 für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis zum
Erfassen eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
Af an der aufstromigen Seite des direkt reduzierenden NOx-Katalysators 3 in der
Abgasleitung 2 angeordnet, ein Sensor 23 für die Katalysatortemperatur
zum Erfassen der Katalysatortemperatur Tcat ist in dem direkt reduzierenden NOx-Katalysator 3 angeordnet,
und ein NOx-Sensor 24 zum Erfassen einer NOx-Konzentration
ist auf der abstromigen Seite angeordnet. Temperatursensoren 25, 26 zum
Erfassen der Abgastemperaturen sind an der aufstromigen Seite des
direkt reduzierenden NOx-Katalysators 3 bzw. auf der abstromigen
Seite des DPF 4 angeordnet.
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Das
Abgasreinigungssystem beinhaltet weiterhin eine Steuerung 50,
die als Motorsteuereinheit (ECU) bezeichnet wird, zum Durchführen einer
allgemeinen Steuerung für
den Motor, wie einer Steuerung der Kraftstoffeinspritzung, indem
Drehmoment (Last) Q, Motorgeschwindigkeit Ne oder dergleichen, die
von der Vorrichtung 21 zum Erfassen der Fahrsituation oder
dergleichen als Eingabedaten erhalten werden, aufgenommen werden.
Die Steuerung 50 ist mit einer Vorrichtung 200 zum
Steuern des Abgasreinigungssystems zur Durchführung der Steuerung der Katalysatorregeneration,
der Steuerung der Regeneration von der Katalysatorverschlechterung,
der Steuerung der DPF-Regeneration usw. des direkt reduzierenden
NOx-Katalysators 3 ausgestattet.
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Darüber hinaus
sind in einer Lufteinlaßleitung 7 eine
Luftreinigungsvorrichtung 31, ein Kompressor 6a des
Turboladers 6, ein Zwischenkühler 32 und ein Einlaßdrosselventil 33 angeordnet.
Als AGR-Vorrichtung 40 sind weiterhin eine AGR-Leitung 41,
welche ein AGR-Ventil 42 und einen AGR-Kühler 43 beinhaltet,
und eine Kühlwasserleitung 44 vorgesehen.
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Wie
in 2 gezeigt, besteht die Vorrichtung 200 zur
Steuerung des Abgasreinigungssystems aus einer Vorrichtung 210 für die Katalysatorregeneration,
bestehend aus einer Vorrichtung 211 für die Feststellung bzw. Bestimmung
des Zeitpunkts der Katalysatorregeneration und einer Vorrichtung 212 zur Steuerung
der Katalysatorregeneration, einer Vorrichtung 220 für die Regeneration
von der Katalysatorverschlechterung, bestehend aus einer Vorrichtung 221 zur
Feststellung bzw. Beurteilung des Zeitpunkts der Schwefelreinigung
und einer Vorrichtung 222 zur Steuerung der Schwefelreinigung,
und einer Vorrichtung zur Regeneration des DPF, bestehend aus einer
Vorrichtung 231 zur Feststellung des Zeitpunkts der DPF-Regeneration
und einer Vorrichtung 232 zur Steuerung der DPF-Regeneration.
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Die
Vorrichtung 210 für
die Katalysatorregeneration ist eine Vorrichtung zum Regenerieren
des direkt reduzierenden NOx-Katalysators 3, der in einem
normalen Fahrzustand mit hoher Sauerstoffkonzentration in einem
mageren Zustand des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses des Abgases mit NOx
in Kontakt gebracht wurde, NOx zu N2 reduziert
hat und zu einem Metalloxid MOx oxidiert wurde. Die Vorrichtung 211 zur
Feststellung des Zeitpunkts der Katalysatorregeneration bestimmt
den Zeitpunkt der Durchführung
dieser Katalysatorregeneration bzw. stellt ihn fest. Wenn sie feststellt,
daß der
Zeitpunkt für
die Katalysatorregeneration gekommen ist, erzeugt die Vorrichtung 212 zur
Steuerung der Katalysatorregeneration ein Abgas mit einer Sauerstoffkonzentration
von null Prozent und einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis, welches dem theoretischen
Luft/Kraftstoff-Verhältnis oder
einem fetten Zustand entspricht, um das oxidierte Metall MOx mit
Reduktionsmitteln, wie unverbranntem HC, CO, H2,
in einer Oxidationsatmosphäre
in Kontakt zu bringen, und bringt das oxidierte Metall MOx wieder
in den ursprünglichen
Zustand des Metalls M zurück.
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Hier
bedeutet der normale Fahrzustand einen Motorbetrieb mit einem Drehmoment
und bei einer Geschwindigkeit, die für den Motor zu der Zeit, während der
die Vorgänge,
wie die Regeneration des direkt reduzierenden NOx-Katalysators 3,
die Regeneration von der Katalysatorverschlechterung, die Regeneration
des DPF 4 mit Katalysator, nicht ausgeführt werden, erforderlich sind.
Im normalen Betrieb wird NOx in dem Abgas durch den direkt reduzierenden
NOx-Katalysator 3 direkt zu N2 reduziert und
gereinigt, und PM in dem Abgas wird durch Sammeln, Verbrennen und
Eliminieren in dem DPF 4 mit Katalysator gereinigt.
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Die
Vorrichtung 211 zur Feststellung des Zeitpunkts der Katalysatorregeneration
stellt fest bzw. entscheidet auf Basis der NOx-Konzentration Cnox
in dem Abgas an der abstromigen Seite des direkt reduzierenden NOx-Katalysators 3 beim
Reduzieren von NOx, einer verstrichenen Zeit in einem Zustand mit
hoher Sauerstoffkonzentration oder einer geschätzten Berechnungsmenge an NOx,
die beim Reduzieren von NOx durch den direkt reduzierenden NOx-Katalysator
reduziert werden soll, ob es Zeit ist, den Katalysator zu regenerieren
oder nicht.
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Des
weiteren ist die Vorrichtung 212 zur Steuerung der Katalysatorregeneration
eine Vorrichtung zum Absenken der Sauerstoffkonzentration in dem
Abgas, d.h. eine Vorrichtung für
die Durchführung
eines kurzzeitigen Betriebs im fetten Zustand bei einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis Af
von 14,7 oder weniger. Der kurzzeitige Betrieb im fetten Zustand wird
durch irgendeine oder eine Kombination der folgenden Steuerungen
durchgeführt:
eine Steuerung der Kraftstoffeinspritzung zum Steuern der Einspritzung
von Kraftstoff, der der Verbrennungskammer des Verbrennungsmotors
zugeführt
werden soll, eine Steuerung der Aufnahmemenge zum Steuern der Menge
an aufgenommener Luft, oder eine AGR-Steuerung zum Steuern der Menge
an AGR-Gas in der AGR-Vorrichtung. Dementsprechend wird der erfaßte Wert
Af, der von der obigen Steuerung des Sensors 22 für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis erhalten
wurde, rückkopplungsgesteuert,
so daß der
Wert Af innerhalb eines zuvor bestimmten festgelegten Bereichs liegt.
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Die
Steuerung der Kraftstoffeinspritzung beinhaltet eine Steuerung des
Zeitpunkts der Haupteinspritzung, um den Zeitpunkt der Haupteinspritzung des
Kraftstoffs, der in die Verbrennungskammer des Motors eingespritzt
werden soll, zu variieren, eine Nacheinspritzsteuerung für die Durchführung einer Nacheinspritzung
nach der Haupteinspritzung oder dergleichen. Die Steuerung der Luftaufnahmemenge beinhaltet
eine Einlaßdrosselventilsteuerung
zum Steuern der Öffnung
des Einlaßdrosselventils 33, eine
Steuerung der Turbolader-Aufnahmemenge zum Steuern einer Steuerung
der Aufnahmemenge zum Steuern einer Aufnahmemenge aus dem Kompressor 6a des
Turboladers 6 oder dergleichen.
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Die
Vorrichtung 220 zur Regeneration von der Katalysatorverschlechterung
besteht aus der Vorrichtung 221 zur Feststellung des Zeitpunkts
der Schwefelreinigung und der Vorrichtung 222 zur Steuerung
der Schwefelreinigung.
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Die
Vorrichtung 221 zur Feststellung des Zeitpunkts der Schwefelreinigung
ist eine Vorrichtung, die beurteilt bzw. entscheidet, ob eine Schwefelreinigung
durchgeführt
wird oder nicht. Die Vorrichtung 221 schätzt eine
Schwefelmenge X1, die sich auf dem direkt reduzierenden NOx-Katalysator 3 ansammelt,
aus dem Kraftstoffverbrauch und einer Schwefelkonzentration in dem
Kraftstoff, und sie entscheidet über
den Beginn der Steuerung der Schwefelreinigung, wenn die gesamte
Schwefelmenge Xt, die durch Integrieren der abgeschätzten Schwefelmenge
X1 erhalten wird, größer ist
als ein Beurteilungswert X1 für
den Beginn der Schwefelreinigung. Die Vorrichtung 221 entscheidet,
daß die
Steuerung der Schwefelreinigung nicht gestartet wird, wenn der Wert
Xt kleiner ist als der Wert X1.
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Die
Vorrichtung 222 zur Steuerung der Schwefelreinigung ist
eine Vorrichtung zum Durchführen
des kurzzeitigen Betriebs im fetten Zustand, um die Sauerstoffkonzentration
in dem Abgas zu verringern und auch die Katalysatortemperatur Tcat
auf die Temperatur der Schwefelreinigung oder darüber zu erhöhen, indem
sie feststellt, daß eine
Schwefelreinigung erforderlich ist, wenn die gesamte Schwefelmenge
Xt den Grenzwert X1 erreicht, und erhöht dadurch die Katalysatortemperatur
Tcat auf die Schwefelreinigungstemperatur Tr oder darüber und führt den
Vorgang zur Regeneration des direkt reduzierenden NOx-Katalysators
von einer Katalysatorverschlechterung aufgrund einer Schwefelvergiftung durch,
indem Schwefel gereinigt wird, während
eine sekundäre
Schwefelvergiftung im fetten Zustand verhindert wird. Darüber hinaus
kann der kurzzeitige Betrieb im fetten Zustand bei diesem Vorgang
der Schwefelreinigung durch irgendeine von der Steuerung der Kraftstoffeinspritzung,
der Steuerung der Luftaufnahmemenge und der AGR-Steuerung oder eine
Kombination davon als kurzzeitiger Betrieb im fetten Zustand während der
Regenerationsoperation durchgeführt
werden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung beinhaltet die Steuerung 222 der Schwefelreinigung
die Steuerung der DPF-Regeneration. In der Steuerung der DPF-Regeneration
wird ein Teil Aa der aufgeladenen Luft an der abstromigen Seite
des Kompressors 6a des Turboladers 6 der aufstromigen
Seite des DPF 4 mit Katalysator zugeführt, indem das Luftzufuhrventil 5d so
gesteuert wird, daß es
sich öffnet.
Mit dieser Luftzufuhr wird eine große Menge an unverbranntem HC
und CO, die durch den kurzzeitigen Betrieb im fetten Zustand bei
der Steuerung der Schwefelreinigung erzeugt werden, durch den Oxidationskatalysator
des DPF 4 mit Katalysator oxidiert, und weiterhin wird
die Temperatur des von dem DPF 4 mit Katalysator gesammelten
PM durch die Wärme,
die bei der Oxidation von HC und CO erzeugt wird, erhöht, und
PM wird durch Verbrennen mit O2, der durch
die Luftzufuhr zugeführt
wird, entfernt.
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Das
heißt,
bei der Reinigung von Schwefel wird die Abgastemperatur durch einen
kurzzeitigen Betrieb im fetten Zustand erhöht, und die Katalysatortemperatur
Tcat des direkt reduzierenden NOx-Katalysators 3 wird auf
die Schwefelreinigungstemperatur oder darüber (etwa 400°C) erhöht. Durch
die Zufuhr von Luft zu diesem Zeitpunkt werden der unverbrannte
HC und CO, die durch den kurzzeitigen Betrieb im fetten Zustand
erzeugt wurden, durch die katalytische Wirkung des Oxidationskatalysators
des DPF 4 mit Katalysator verbrannt. Die Temperatur des
Abgases, das zu dem in dem DPF 4 mit Katalysator gesammelten
PM strömt,
kann im allgemeinen bis auf etwa 500°C weiter erhöht werden. Dementsprechend kann
der DPF 4 mit Katalysator durch Entfernen des PM mittels
Verbrennen regeneriert werden.
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Weiterhin
ist die Vorrichtung 230 für die DPF-Regeneration eine
Vorrichtung zum Entfernen von PM durch Verbrennen des in dem DPF 4 mit
Katalysator gesammelten PM durch die Regenerationssteuerung mit
der Vorrichtung 232 zur Steuerung der DPF-Regeneration,
wenn die Vorrichtung 231 zur Feststellung des Zeitpunkts
der DPF-Regeneration entscheidet, daß der DPF sich zusetzt bzw.
verstopft und eine Regenerationsoperation in dem DPF 4 mit Katalysator
notwendig ist.
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Die
Vorrichtung 231 zur Feststellung des Zeitpunkts der DPF-Regeneration
ist eine Vorrichtung zum Feststellen des Zeitpunkts der Regeneration
des DPF. Die Vorrichtung 231 berechnet die Gesamtmenge
an PM durch Abschätzen
der Menge an PM, die sich in dem DPF 4 mit Katalysator
angesammelt hat, auf Basis der Betriebsbedingungen des Motors und
mittels deren Integration. Die Vorrichtung 231 entscheidet,
daß der
Zeitpunkt für
die Regeneration des DPF gekommen ist, wenn die Gesamtmenge an PM
einen zuvor festgelegten Beurteilungswert überschreitet oder wenn eine
Differenz zwischen den Drücken
vor und hinter dem DPF 4 mit Katalysator oder ein Verhältnis derselben
den Beurteilungswert überschreitet.
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Die
Vorrichtung 232 zur Steuerung der DPF-Regeneration führt die
Regenerationsoperation für
den DPF 4 mit Katalysator unter Verwendung eines elektronisch
gesteuerten Kraftstoffeinspritzsystems, wie eines Common-Rail-Einspritzsystems,
und durch Erhöhen
der Abgastemperatur mittels einer Verzögerung des Zeitpunkts der Einspritzung,
einer mehrstufigen Einspritzung oder dergleichen und Zuführen eines
Kraftstoffs zu dem Oxidationskatalysator, der auf den Filter aufgebracht
ist, durch die Nacheinspritzung und die Einspritzung in das Abgasrohr und
durch Verbrennen an diesem Filter durch, um die Abgastemperatur
auf die Temperatur der erneuten Verbrennung oder darüber zu erhöhen.
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Diese
Regenerationsoperation wird in einem Zustand mit magerer Verbrennung
oder in einem Zustand, in dem die Sauerstoffkonzentration des in
den DPF 4 mit Katalysator einströmenden Abgases hoch ist, durchgeführt, indem
Luft von dem Luftzufuhrsystem 5 zugeführt wird.
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Als
nächstes
wird nachstehend der Steuerungsablauf für das Abgasreinigungssystem
zum Entfernen von NOx in dem Abgas durch Steuern des obigen Abgasreinigungssystems 10 durch
die Vorrichtung 200 zum Steuern des Abgasreinigungssystems 10 erläutert. Dieser
Steuerungsablauf wird auf Basis der in den 3 bis 5 gezeigten
Flußdiagramme
beispielhaft erläutert.
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Der
in 3 gezeigte Steuerungsablauf des Abgasreinigungssystems
besteht aus einer Steuerung der Katalysatorregeneration in Schritt
S100, einer Steuerung der Regeneration von der Katalysatorverschlechterung
in Schritt S200 und einer Steuerung der DPF-Regeneration in Schritt
S300. Der Ablauf ist als ein Teil des gesamten Ablaufs zur Steuerung
des gesamten Motors aufgebaut. Er ist in 3 als der
Ablauf gezeigt, der synchron mit dem Motorsteuerungsablauf durchgeführt werden
soll, basierend auf dem Aufruf durch den Hauptsteuerungsablauf des
Motors, der mit Beendigung des Motorbetriebs unterbrochen wird und
zu dem Hauptsteuerungsablauf des Motors zurückkehrt, der zusammen mit dem
Steuerungsablauf endet.
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Wie
in 3 gezeigt, werden, wenn der Steuerungsablauf des
Abgasreinigungssystems startet, die Steuerung der Katalysatorregeneration
in Schritt S100, die Steuerung der Regeneration von der Katalysatorverschlechterung
in Schritt S200 und die Steuerung der DPF-Regeneration in Schritt S300 parallel
ausgeführt,
und falls der Ablauf aufgrund der Beendigung des Motorbetriebs oder
dergleichen beendet werden muß,
erfolgt in jedem Schritt eine Unterbrechung, um die Steuerung zu
beenden, und der Steuerungsablauf kehrt zu dem Ablauf zurück und kehrt
weiterhin zu einem Hauptsteuerungsablauf des Motors (nicht gezeigt)
zurück,
um den gezeigten Ablauf zu beenden.
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Wie
in dem Steuerungsablauf der Katalysatorregeneration in 4 gezeigt,
wird, nachdem die Steuerung der Katalysatorregeneration für eine vorbestimmte
Zeitdauer (beispielsweise eine Zeitdauer, die äquivalent zu einem Zeitintervall
ist, in dem festgestellt bzw. bestimmt wird, ob die Steuerung der
Katalysatorregeneration durchgeführt
wird oder nicht) eine Steuerung des normalen Betriebs durchgeführt hat,
um NOx durch den direkt reduzierenden NOx-Katalysator 3 zu
reinigen, in Schritt S110 festgestellt bzw. bestimmt, ob der direkt
reduzierende NOx-Katalysator 3 im Startzustand für die Regeneration
ist oder nicht. Wenn er im Startzustand für die Regeneration ist, wird
in Schritt S130 die Steuerung der Katalysatorregeneration durchgeführt, ehe
der Ablauf zu Schritt S110 zurückkehrt,
und wenn er nicht im Startzustand für die Regeneration ist, kehrt
der Ablauf direkt zu Schritt S110 zurück, und der Ablauf wiederholt
diese Steuerung. Wenn dieser Steuerungsablauf aufgrund einer Beendigung
des Motorbetriebs oder dergleichen beendet werden muß, erfolgt
die abschließende
Unterbrechung in Schritt S140, und der Steuerungsablauf kehrt zu
der in 3 gezeigten Steuerung zurück.
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In
der Steuerung der Regeneration von der Katalysatorverschlechterung
in Schritt S200 wird, wie in dem Steuerungsablauf der Regeneration
der Katalysatorverschlechterung in 5 gezeigt,
wenn der Ablauf startet, die gesamte Schwefelmenge Xt, die sich
während
des letzten Motorbetriebs auf dem direkt reduzierenden NOx-Katalysator 3 angesammelt hat,
in Schritt S201 aus dem Speicher gelesen.
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In
Schritt S202 wird nach Ausführen
der Steuerung des normalen Betriebs für eine vorbestimmte Zeitdauer
(beispielsweise eine Zeitdauer, die zu einem Zeitintervall äquivalent
ist, in welchem festgestellt wird, ob die Steuerung zur Regeneration
von der Katalysatorverschlechterung ausgeführt werden soll oder nicht)
eine abgeschätzte
Menge Xa an Schwefel, der sich durch den Motorbetrieb angesammelt
hat, in Schritt S202 aus dem Kraftstoffverbrauch und der Schwefelkonzentration
in dem Kraftstoff berechnet, und die abgeschätzte Schwefelmenge Xa wird
zu der gesamten Schwefelmenge Xt addiert, was eine neue gesamte
Schwefelmenge (Xt = Xt + Xa) ergibt.
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Im
nächsten
Schritt S203 wird basierend darauf, ob die gesamte Schwefelmenge
Xt größer ist
als ein vorbestimmter Beurteilungswert X1 für den Start der Reinigung oder
nicht, bestimmt, ob es an der Zeit ist, die Schwefelreinigung zu
starten oder nicht. Wenn die gesamte Schwefelmenge nicht größer ist, wird
bestimmt, daß es
noch nicht an der Zeit ist, die Schwefelreinigung zu starten, und
der Steuerungsablauf kehrt zu Schritt S202 zurück.
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Wenn
durch die Bestimmung bzw. Beurteilung in Schritt S203 festgestellt
wird, daß die
gesamte Schwefelmenge Xt größer ist
als der vorbestimmte Beurteilungswert X1 für den Start der Reinigung, fährt die
Steuerung mit den Schritten S204–S207 fort. Die Steuerung der
Schwefelreinigung in Schritt S204 wird für eine vorbestimmte Zeitdauer
ausgeführt.
in Schritt S205 setzt der Steuerungsablauf, wenn die Abgastemperatur
Tg1 an der Einlaßseite
des direkt reduzierenden NOx-Katalysators höher ist als die vorbestimmte
Beurteilungstemperatur T1 (beispielsweise 400°C), mit Schritt S207 fort, nachdem
in Schritt S206 eine Luftzufuhr vorgenommen wurde. Wenn jedoch die
Abgastemperatur niedriger ist als die vorbestimmte Beurteilungstemperatur
T1, fährt der
Steuerungsablauf mit Schritt S207 fort, ohne eine Luftzufuhr durchzuführen. Darüber hinaus
kann anstelle der Abgastemperatur Tg1 für die Beurteilung in Schritt
S205 auch die Katalysatortemperatur Tcat verwendet werden.
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Die
Steuerung der Schwefelreinigung in Schritt S204 führt den
Vorgang der Regeneration von der Katalysatorverschlechterung nicht
nur durch, indem die Katalysatortemperatur Tcat durch den kurzzeitigen
Betrieb im fetten Zustand auf die Schwefelreinigungstemperatur oder
darüber
hinaus erhöht wird,
sondern auch, indem die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas im
wesentlichen auf Null abgesenkt wird, um die Erzeugung von SO3 zu verhindern und gleichzeitig eine sekundäre Schwefelvergiftung
von Cer zu verhindern.
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Indem
in Schritt S206 Luft zugeführt
wird, werden darüber
hinaus unverbrannter HC und CO, die durch den kurzzeitigen Betrieb
im fetten Zustand während
der Steuerung der Schwefelreinigung erzeugt werden, durch die katalytische
Wirkung des Oxidationskatalysators des DPF 4 mit Katalysator oxidiert
und gereinigt. Der DPF 4 mit Katalysator wird ebenfalls
regeneriert, indem die Temperatur des durch den DPF 4 mit
Katalysator gesammelten PM durch die bei der Oxidation erzeugte
Wärme erhöht wird.
Dann wird das PM durch O2 in der zugeführten Luft
Aa oxidiert.
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Im
nächsten
Schritt S207 berechnet der Steuerungsablauf eine ausgestoßene Schwefelmenge
Xs, die durch die Schwefelreinigung freigesetzt wird, basierend
auf der Abgasmenge und der Katalysatortemperatur Tcat (oder der
Abgastemperatur Tg1) sowie zuvor eingegebenen Aufzeichnungsdaten
des Schwefelausstoßes
durch Subtrahieren der ausgestoßenen
Schwefelmenge Xs von der gesamten Schwefelmenge Xt unter Erhalt
der neuen gesamten Schwefelmenge Xt nach dem Vorgang der Schwefelreinigung
in Schritt S204. Wenn die Beurteilung in Schritt S208 ergibt, daß die gesamte
Schwefelmenge Xt größer ist
als der vorbestimmte zweite Beurteilungswert X2 (der normalerweise
Null ist), kehrt der Steuerungsablauf zu Schritt S204 zurück und setzt
die Steuerung der Schwefelreinigung so lange fort, bis die gesamte
Schwefelmenge Xt dem zweiten Beurteilungswert X2 entspricht oder
kleiner ist. Wenn in Schritt S208 festgestellt wird, daß die gesamte
Schwefelmenge Xt nicht größer ist
als der zweite Beurteilungswert X2, wird festgestellt, daß die Schwefelreinigung
abgeschlossen ist, die Steuerung der Schwefelreinigung wird gestoppt,
und die Steuerung kehrt zum normalen Betrieb zurück. Hier wird die Menge Xt,
wenn die gesamte Schwefelmenge Xt negativ ist, auf Null gesetzt.
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Des
weiteren wird in dem in 5 gezeigten Ablauf der Vorgang
der Schwefelreinigung so programmiert, daß er endet, wenn in den Schritten
S207 und S208 festgestellt wird, daß die gesamte Schwefelmenge
Xt dem zweiten Beurteilungswert X2 entspricht oder kleiner ist.
Die Zeitdauer des Schwefelreinigungsvorgangs kann jedoch aus der
gesamten Schwefelmenge Xt, die wiederum aus dem Kraftstoffverbrauch
und der Schwefelkonzentration in dem Kraftstoff berechnet wird,
aus der Abgastemperatur und der Katalysatortemperatur Tcat (oder
der Abgastemperatur Tg1) zum Zeitpunkt des Beginns des Schwefelreinigungsvorgangs
und aus den zuvor eingegebenen Aufzeichnungsdaten zum Schwefelreinigungsvorgang
berechnet werden, um die Steuerung der Schwefelreinigung während der
Zeitdauer dieses Vorgangs durchzuführen.
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Nach
Beendigung des Schritts S209 kehrt die Steuerung zu Schritt S202
zurück
und wiederholt den Ablauf. Wenn der Steuerungsablauf aufgrund der
Beendigung des Motorbetriebs oder dergleichen beendet werden muß, wird
in Schritt S210 eine abschließende
Unterbrechung erzeugt, und die gesamte Schwefelmenge Xt zum Zeitpunkt
der Beendigung, d.h. die gesamte Schwefelmenge Xt, die in den Schritten
S202 oder S207 berechnet wurde, wird in Schritt S211 in den Speicher
geschrieben, und dann kehrt der Steuerungsablauf zu dem Steuerungsablauf
des NOx-Reinigungssystems in 3 zurück und endet.
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Wie
in dem Steuerungsablauf der DPF-Regeneration in 6 gezeigt,
führt die
Steuerung der DPF-Regeneration in Schritt S300 die Steuerung des normalen
Betriebs durch, um in Schritt S310 für eine vorbestimmte Zeitdauer
(beispielsweise eine Zeitdauer, die zu dem Zeitintervall äquivalent
ist, in welchem festgestellt wird, ob die Steuerung der DPF-Regeneration
ausgeführt
werden soll oder nicht) PM zu sammeln. Danach wird in Schritt S320
festgestellt, ob der DPF 4 mit Katalysator im Startzustand
der DPF-Regeneration ist oder nicht, und wenn er im Startzustand
der DPF-Regeneration ist, führt
der Steuerungsablauf in Schritt S330 die Steuerung der DPF-Regeneration
durch, ehe er zu Schritt S310 zurückkehrt. Wenn er nicht im Startzustand
der DPF-Regeneration ist, kehrt der Steuerungsablauf direkt zu Schritt
S310 zurück,
um diese Steuerung zu wiederholen. Wenn der Steuerungsablauf aufgrund einer
Beendigung des Motorbe triebs oder dergleichen beendet werden muß, wird
in Schritt S340 eine abschließende
Unterbrechung erzeugt, und der Ablauf kehrt zu der Steuerung in 3 zurück.
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Wenn
die Steuerung der Katalysatorregeneration in 4, die Steuerung
der Regeneration von der Katalysatorverschlechterung in 5 und
die Steuerung der DPF-Regeneration in 6 durch eine
abschließende
Unterbrechung zu dem Steuerungsablauf des Abgasreinigungssystems
in 3 zurückkehren,
kehren sie auch zu einem Hauptsteuerungsablauf des Motors (nicht
gezeigt) zurück,
und der Steuerungsablauf des NOx-Reinigungssystems endet gleichzeitig
mit der Beendigung des Hauptsteuerungsablauf des Motors.
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Obwohl
der oben beschriebene Ablauf es nicht zeigt, überlappen die Steuerung der
Katalysatorregeneration, die Steuerung der Katalysatorreinigung
und die Steuerung der DPF-Regeneration einander jeweils, und sie
werden gemäß der zuvor
festgelegten Prioritätsabfolge
nacheinander ausgeführt.
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Entsprechend
diesem Aufbau des Abgasreinigungssystems 10 und des Verfahrens
zu dessen Steuerung sind der direkt reduzierende NOx-Katalysator 3 zum
Reinigen von NOx und der DPF 4 mit Katalysator zum Reinigen
von PM in der Abgasleitung in der Reihenfolge von einer aufstromigen
Seite zu einer abstromigen Seite angeordnet, und das Luftzufuhrsystem 5 ist
so angeordnet, daß es
Luft zwischen ihnen zuführt.
Die Luft wird demnach dem DPF 4 mit Katalysator zu dem
Zeitpunkt zugeführt,
wenn der Vorgang zum Regenerieren des direkt reduzierenden NOx-Katalysators
von einer Katalysatorverschlechterung aufgrund von Schwefelvergiftung
durch die Schwefelreinigung stattfindet, um unverbrannten HC und
CO, die durch den kurzzeitigen Betrieb im fetten Zustand zum Reinigen
von Schwefel erzeugt werden, durch Oxidation zu reinigen, und das
in dem DPF 4 mit Katalysator gesammelte und angesammelte
PM kann mittels Verbrennen durch Erhöhen der Temperatur des PM auf
die Temperatur, bei der PM erneut verbrannt wird, oder darüber durch
die bei dieser Oxidation erzeugte Wärme ebenfalls entfernt werden.
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Weiterhin
wird der DPF mit Katalysator zwar bislang als Beispiel eines DPF
erläutert,
jedoch läßt sich
die vorliegende Erfindung anstelle eines DPF mit Katalysator auch
auf einen DPF-Typ wie einen Oxidationskatalysator anwenden, der
vor dem DPF angeordnet ist.
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Im
Falle des DPF mit vorne angeordnetem Oxidationskatalysator wird
dieser Katalysator gebildet, indem die Wandoberflächen von
Gruppen der Gasleitung (Zellen) mit einem Edelmetallkatalysator beschichtet
werden, wobei Platin oder dergleichen auf Aluminiumoxid, Zeolit,
Siliciumdioxid oder dergleichen abgeschieden wird. Die Leitungen
sind in Form einer Wabenstruktur aus Cordierit, Siliciumcarbid,
nicht rostendem Material oder dergleichen angeordnet und verlaufen
von der aufstromigen Seite bis zur abstromigen Seite hindurch.
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Die
Luft wird an der aufstromigen Seite des Oxidationskatalysators zugeführt. Unverbrannter
HC und CO werden durch den Oxidationskatalysator oxidiert. Die Abgastemperatur
wird dann unter Verwendung der bei dieser Oxidation erzeugten Wärme erhöht. Die
Temperatur des DPF an der abstromigen Seite wird erhöht, indem
die Abgastemperatur erhöht wird.
Dement sprechend wird das durch den DPF gesammelte PM durch O2 in der zugeführten Luft oxidiert. So wird
der DPF regeneriert.
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INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
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Die
vorliegende Erfindung liefert ein Abgasreinigungssystem und ein
Verfahren zur Steuerung desselben, welches in der Lage ist, PM,
das sich an dem DPF an der abstromigen Seite angesammelt hat, unter
Verwendung von HC und CO, die zum Zeitpunkt des Vorgangs zum Regenerieren
des direkt reduzierenden NOx-Katalysators an der aufstromigen Seite
von einer Katalysatorverschlechterung aufgrund einer Schwefelvergiftung
erzeugt werden, zu entfernen.
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Die
vorliegende Erfindung läßt sich
somit auf ein Abgasreinigungssystem anwenden, welches einen NOx-Katalysator
mit einem DPF kombiniert und in der Lage ist, die Abgase von Fahrzeugen
oder dergleichen in effizienter Weise zu reinigen, indem diese Abgasreinigungssysteme
eingebaut werden, und eine Luftverschmutzung zu verhindern.