DE69113119T2 - Abgasreinigungssystem für eine Brennkraftmaschine. - Google Patents

Abgasreinigungssystem für eine Brennkraftmaschine.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Abgasreinigungssystem für eine Brennkraftmaschine, die Stickoxide (NOx), Kohlenwasserstoffe (HC) und Kohlenmonoxid (CO) reinigen kann, die im Abgas einer Brennkraftmaschine sowohl beim Motorwarmlauf als auch nach dem Motorwarmlauf enthalten sind.
  • Die Verbrennung bei Mager-Luft-Kraftstoff-Verhältnissen (Mager-Verbrennung) steigert die Kraftstoffeinsparung von Fahrzeug-Verbrennungsmotoren. Jedoch kann bei dem Magerverbrennungsmotor keine NOx-Reduktion mittels eines 3-Wege-Katalysators erwartet werden, so daß eine alternative Einrichtung für die NOx-Reduzierung zu entwickeln ist.
  • Als Katalysator, der NOx selbst bei einem oxidierenden Abgas-Zustand der Magerverbrennungsmotoren reduzieren kann, zeigt die japanische Patentveröffentlichung HEI 1- 130735 einen Zeolith-Katalysator, der Übergangsmetalle trägt, die NOx in Gegenwart von Kohlenwasserstoffen reduzieren können (nachstehend als Mager-NOx-Katalysator bezeichnet).
  • Zudem zeigt die japanische Patentveröffentlichung HEI 1- 139145 eine Katalysatoranordnung, bei der ein Oxidier- Katalysator oder ein 3-Wege-Katalysator stromabwärts von einem Mager-NOx-Katalysator angeordnet ist, der sich in einer Abgasleitung einer Brennkraftmaschine befindet, so daß HC- und CO-Emissionen, die durch den Mager-NOx- Katalysator geströmt sind, ohne gereinigt zu werden, mittels des Oxidier- oder 3-Wege-Katalysators gereinigt werden können.
  • Da jedoch bei der aus dem Stand der Technik bekannten Katalysator-Anordnung der Oxidier- oder 3-Wege- Katalysator relativ weit weg von dem Motor angeordnet ist, und zwar wegen des zwischen dem Motor und dem Oxidier- oder 3-Wege-Katalysators befindlichen Mager-NOx- Katalysators und da die Temperatur des Abgases aufgrund der Magerverbrennung relativ gering ist, kann der Oxidier- oder 3-Wege-Katalysator nicht schnell aufgewärmt werden. Daraus resultierend kann der Oxidier- oder 3- Wege-Katalysator HC- und CO-Emissionen beim Motorwarmlauf nicht effektiv reinigen, obwohl beim Warmlauf eine relativ große Menge an HC- und CO-Emissionen in der Gasströmung vom Motor zum Katalysator enthalten ist.
  • Im Oberbegriff von Anspruch 1 wird jedoch von einem Abgasreinigungssystem ausgegangen, wie es in der Offenlegungsschrift GB 1 334 797 gezeigt ist. In dieser Druckschrift sind zwei Durchlässe im Abgasreinigungssystem vorgesehen, die parallel verbunden sind und durch welche die Motorabgase in Abhängigkeit von dem Wärmezustand des Motors wahlweise strömen. Dabei wird in beiden Durchlässen dieses bekannten Abgasreinigungssystems NOx von den Abgasen entfernt.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Abgasreinigungssystem für eine Brennkraftmaschine zu schaffen, bei der HC- und CO-Emissionen effektiv gereinigt werden können, und zwar selbst dann, wenn der Motor warmläuft sowie nachdem der Motor warmgelaufen ist.
  • Diese Aufgabe ist mittels eines Abgasreinigungssystems für eine Brennkraftmaschine lösbar, wobei der Verbrennungsmotor ein Motor ist, der zur Kraftstoffverbrennung bei Mager-Luft-Kraftstoff- Verhältnissen in der Lage ist und bei stoichiometrischen oder fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnissen betrieben werden kann, während er warmläuft, und bei Mager-Luft- Kraftstoff-Verhältnissen betrieben werden kann, nachdem er warmgelaufen ist; wobei das Abgasreinigungssystem folgendes aufweist:
  • einen Abgaskrümmer und eine Abgasleitung, die mit dem Abgaskrümmer verbunden ist;
  • ein Doppel-Durchlaß-Abschnitt, der in der Abgasleitung vorgesehen ist und stromabwärts vom Abgaskrümmer des Motors angeordnet ist, wobei der Doppel-Durchlaß- Abschnitt einen ersten Durchlaß und einen zweiten Durchlaß aufweist, die parallel zueinander verbunden sind;
  • einen ersten Katalysator, der in dem ersten Durchlaß eingebaut ist, und zwar für die Reduzierung von Stickoxiden, die im Abgas vom Motor enthalten sind;
  • einen zweiten Katalysator, der in dem ersten Durchlaß stromabwärts vom ersten Katalysator eingebaut und entweder aus einem 3-Wege-Katalysator oder einem Oxidier- Katalysator aufgebaut;
  • einen dritten Katalysator, der in den zweiten Durchlaß eingebaut ist und entweder aus einem 3-Wege-Katalysator oder einem Oxidier-Katalysator aufgebaut ist;
  • einem Strömungsschaltventil, um die Strömung des Abgases vom Motor zwischen dem ersten Durchlaß und dem zweiten Durchlaß umzuschalten; und
  • einer Ventilsteuereinrichtung zum Schalten des Strömungsschaltventils in Übereinstimmung mit einem laufenden Betriebszustand des Motors, wobei
  • der erste Katalysator ein Cu/Zeolith-Katalysator ist, der aus einem Kupfer tragenden Zeolith aufgebaut ist, das NOx wahlweise reduziert, das im Abgas vom Motor enthalten ist, und zwar bei oxidierenden Abgaszuständen in Gegenwart von Kohlenwasserstoffen und unter Verwendung der Kohlenwasserstoffe als Reduktionsmittel;
  • daß der dritte Katalysator derart angeordnet ist, daß die Temperatur des durch den zweiten Durchlaß strömenden Abgases nicht durch den vorhergehenden Kontakt beeinflußt ist; und
  • daß die Ventilsteuereinrichtung das Strömungsschaltventil derart schaltet, daß das Abgas durch den zweiten Durchlaß strömt, während der Motor warmläuft und nachdem der Motor warmgelaufen ist und bei stoichiometrischen oder fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnissen betätigt wird, und daß das Abgas durch den ersten Durchlaß strömt, nachdem der Motor warmgelaufen ist und bei Mager-Luft-Kraftstoff- Verhältnissen betrieben wird.
  • In einer Warmlaufdauer des Motors strömt das Abgas durch den dritten Katalysator des 3-Wege- oder Oxidier- Katalysators, so daß HC- und CO-Emissionen wirkungsvoll gereinigt werden, selbst wenn das Abgas eine große Menge an HC- und CO-Emissionen während einer solchen Dauer enthält. Nachdem der Motor warmgelaufen ist, strömt das Abgas durch den ersten Katalysator des Mager-NOx- Katalysators, bei den NOx gereinigt wird, und anschließend durch den zweiten Katalysator des 3-Wege- oder Oxidier-Katalysators, bei dem die verbleibenden HC- und CO-Emissionen durch den Mager-NOx-Katalysator geströmt sind, ohne gereinigt zu werden, gereinigt werden. Da der zweite Katalysator zu diesem Zeitpunkt ausreichend warmgelaufen ist, ist die Reinigungsfähigkeit des zweiten Katalysators ebenso hoch.
  • Die vorhergehende und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden ausführlichen Beschreibungen der bevorzguten Ausführungsbeispiele der Erfindung in bezug auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlicher und leichter verständlich. Es zeigen:
  • Fig. 1 ein Systemdiagramm eines Abgasreinigungssystems einer Brennkraftmaschine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 2 ein schematisches Systemdiagramm eines Abgasreinigungssystems einer Brennkraftmaschine gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 3 eine Querschnittsansicht eines Katalysatorabschnitts des Systems aus Fig. 2 entlang der Linie 3-3;
  • Fig. 4 eine Querschnittsansicht des Katalysatorabschnittes aus Fig. 3 entlang der Linie 4-4;
  • Fig. 5 eine Querschnittsansicht eines Katalysatorabschnitts eines Abgasreinigungssystems einer Brennkraftmaschine gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 6 eine Querschnittsansicht des Katalysatorabschnittes aus Fig. 5 entlang der Linie 6-6;
  • Fig. 7 ein Fließbild zur EGR-Steuerung;
  • Fig. 8 ein Fließbild zur Kraftstoffeinspritzsteuerung;
  • Fig. 9 ein Fließbild zur Steuerung eines Strömungsschaltventils;
  • Fig. 10 ein Systemdiagramm eines Abgasreinigungssystems einer Brennkraftmaschine gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 11 einen Graphen, der die Beziehung zwischen der NOx-Reinigungsrate und einem Aussschmelz-Verhältnis von Kupferionen in kondensiertes Wasser auf einem Mager-NOx- Katalysator zeigt; und
  • Fig. 12 ein Fließbild zur Steuerung der Sekundärluft- Einführung.
  • Fig. 1 zeigt eine Anordnung eines Abgasreinigungssystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gemäß Fig. 1 ist ein Doppeldurchlaßabschnitt 6 in einer Abgasleitung 24 einer Brennkraftmaschine 2 vorgesehen, der zur Kraftstoffverbrennung zur Mager-Luft-Kraftstoff- Verhältnissen geeignet ist. Der Doppeldurchlaßabschnitt 6 ist stromabwärts von dem Abgaskrümmer 4 des Motors und in dessen Nähe angeordnet. Der Doppeldurchlaßabschnitt 6 hat einen ersten Durchlaß 6a und einen zweiten Durchlaß 6b, die parallel zueinander verbunden sind. Im ersten Ausführungsbeispiel sind der erste Durchlaß 6a und der zweite Durchlaß 6b voneinander getrennt, und zwar bei Längszwischenabschnitten der ersten und zweiten Durchlässe 6a und 6b.
  • Im ersten Durchlaß 6a ist ein aus einem Mager-NOx- Katalysator aufgebauter erster Katalysator 10 eingebaut und stromabwärts vom ersten Katalysator 10 ferner ein zweiter aus einem 3-Wege- oder einem Oxidier-Katalysator aufgebauter zweiter Katalysator 12 eingebaut. Bei diesem Beispiel ist ein Mager-NOx-Katalysator als Katalysator definiert, der aus Zeolith aufgebaut ist, das zumindest ein Metall trägt, das aus der aus Übergangsmetallen und Edelmetallen bestehenden Gruppe ausgewählt ist, um im Motorabgas enthaltene Stickstoffe bei Oxidierzuständen und in Gegenwart von Kohlenwasserstoffen zu reduzieren. Im zweiten Durchlaß 6b ist ein dritter Katalysator 8 eingebaut, der entweder aus einem 3-Wege- oder einem Oxidier-Katalysator aufgebaut ist.
  • Ein Strömungsschaltventil 14 zum Schalten der Abgasströmung zwischen den ersten Durchlaß 6a und dem zweiten Durchlaß 6b ist bei einem stromaufwärtigen Seitenverbindungsabschnitt des ersten Durchlasses 6a und des zweiten Durchlasses 6b eingebaut. Das Strömungsschaltventil 14 ist mit einem Ventilglied gekoppelt, welches mit einem Mikrocomputer (Ventilsteuereinrichtung) zur Steuerung der Schaltbetätigung des Strömungsschaltventils 14 elektrisch verbunden ist und mit diesem betätigt wird. Der Computer hat ein Eingabe-/Ausgabe-Interface, eine CPU für die Durchführung von Berechnungen, einen ROM, der verschiedene Programme speichert, einschließlich der Routinen aus Fig. 7, 8, 9 und 12 und einen RAM. Der Computer steuert das Strömungsschaltventil 14 derart, daß das Strömungsschaltventil 14 das Abgas durch den zweiten Durchlaß 6b strömen läßt, während der Motor warmläuft, und das Abgas durch den ersten Durchlaß 6a strömt, nachdem der Motor warmgelaufen ist.
  • Ein Motorumlaufsystem 16 ist zudem derart vorgesehen, daß ein Anteil des Abgases zu einem Eingabekrümmer 18 des Motors umläuft. Ein vierter Katalysator 22, der aus einem 3-Wege-Katalysator aufgebaut ist, kann in einem Abschnitt der Abgasleitung stromabwärts vom Doppeldurchlaßabschnitt 6 eingebaut werden.
  • Die Fig. 2 bis 6 zeigen Anordnungen des Abgasreinigungssystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel und einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Da das zweite und das dritte Ausführungsbeispiel sich vom ersten Ausführungsbeispiel lediglich in den Aufbauten ihrer Doppeldurchlaßabschnitte unterscheiden, werden Erklärungen der Abschnitte des zweiten Ausführungsbeispiels und des dritten Ausführungsbeispiels mit den gleichen Aufbauten wie die des ersten Ausführungsbeispiels weggelassen und die gleichen Bezugszeichen verwendet, wobei lediglich die unterschiedlichen Abschnitte nachstehend erklärt werden.
  • Im zweiten Ausführungsbeispiel der Fig. 2 bis 4 ist ein Doppeldurchlaßabschnitt 26, der dem Doppeldurchlaßabschnitt 6 des ersten Ausführungsbeispiels entspricht, stromabwärts von dem Abgaskrümmer 4 des Motors 2 und in dessen Nähe vorgesehen. Der Doppeldurchlaßabschnitt 26 hat einen ersten Durchlaß 26a und einen zweiten Durchlaß 26b, die parallel zueinander verbunden sind. Der erste Durchlaß 26a und der zweite Durchlaß 26b berühren einander, wobei der zweite Durchlaß 26b den ersten Durchlaß 26a umgibt. Im ersten Durchlaß 26a ist der aus einem Mager-NOx-Katalysator aufgebaute erste Katalysator 10 eingebaut, wobei stromabwärts vom ersten Katalysator 10 der zweite Katalysator 12 eingebaut ist, der entweder aus einem 3-Wege- oder Oxidier- Katalysator aufgebaut ist. Im zweiten Durchlaß 26b ist der dritte Katalysator 8 eingebaut, der entweder aus einem 3-Wege- oder Oxidier-Katalysator aufgebaut ist.
  • Im dritten Ausführungsbeispiel aus den Fig. 5 und 6 ist ein Doppeldurchlaßabschnitt 36, der dem Doppeldurchlaßabschnitt 6 des ersten Ausführungsbeispiels entspricht stromabwärts von dem Abgaskrümmer 4 des Motors 2 und in dessen Nähe vorgesehen. Der Doppeldurchlaßabschnitt 36 hat einen ersten Durchlaß 36a und einen zweiten Durchlaß 36b, die parallel zueinander verbunden sind. Der erste Durchlaß 36a und der zweite Durchlaß 36b berühren einander, wobei der erste Durchlaß 36a dem zweiten Durchlaß 36b umgibt. Im ersten Durchlaß 36a ist der aus einem Mager-NOx-Katalysator aufgebaut erste Katalysator 10 eingebaut, wobei stromabwärts vom ersten Katalysator 10 der zweite Katalysator 12 eingebaut ist, der aus einem 3-Wege- oder Oxidier-Katalysator aufgebaut ist. Im zweiten Durchlaß 36b ist der dritte Katalysator 8 eingebaut, der entweder aus einem 3-Wege- oder Oxidier-Katalysator aufgebaut ist.
  • Da der erste Durchlaß und der zweite Durchlaß im zweiten Ausführungsbeispiel und im dritten Ausführungsbeispiel einander berühren, sind die Doppeldurchlaßabschnitte 26 und 36 des zweiten und dritten Ausführungsbeispiels in der Abmessung kompakter als der Doppeldurchlaß 6 des ersten Ausführungsbeispiels.
  • Fig. 10 zeigt eine Anordnung eines Abgasreinigungssystem gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Da sich das vierte Ausführungsbeispiel vom ersten Ausführungsbeispiel lediglich im Aufbau der Sekundärlufteinführungsvorrichtung unterscheidet, wird die Erklärung der Abschnitte des vierten Ausführungsbeispieles mit den gleichen Aufbauten wie die des ersten Ausführungsbeispiels weggelassen und werden diese mit gleichen Bezugszeichen definiert, wobei lediglich die unterschieldichen Abschnitte nachstehend erklärt werden.
  • Im vierten Ausführungsbiespiel ist eine Sekundärlufteinführungsöffnung 20 im ersten Durchlaß 6a des Doppeldurchlaßabschnittes 6 stromaufwärts vom ersten Katalysator 10 vorgesehen, der aus einem Mager-NOx- Katalysator aufgebaut ist. Sekundärluft wird für eine vorbestimmte Zeitdauer eingeführt, nachdem der Motor gestoppt worden ist, und zwar durch die Sekundärlufteinführungsöffnung 20, so daß kein Wasser am ersten Katalysator 10 aus einem Mager-NOx-Katalysator von im Abgas enthaltenem Dampf kondensieren kann.
  • Nachfolgend wird die Steuerung für das EGR, die Steuerung für die Kraftstoffeinspritzung, die Steuerung für das Schalten der Schaltventile 14 und die Steuerung für die Einführung von Sekundärluft in dieser Reihenfolge erklärt.
  • Fig. 7 zeigt eine Routine zur EGR-Steuerung. Die EGR- Menge beeinflußt einen Kraftstoffeinspritzmengen- Änderungsfaktor KLEAN (der nachstehend beschrieben ist), der seinerseits ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis, eine NOx- Menge, HC- und CO-Emissionen und einen Schaltzeitpunkt des Strömungsschaltventils 14 beeinflußt. Die Routine aus Fig. 7 beginnt nach Intervallen vorbestimmter Zeitdauern. Bei Schritt 10 wird bestimmt, ob die aktuelle Abgastemperatur größer als eine vorbestimmte Temperatur ist oder nicht, beispielsweise 450ºC. Wenn die aktuelle Abgastemperatur niedriger als die vorbestimmte Temperatur festgelegt wird. Geht die Routine zu Schritt 106, bei der das Flag XEGR auf "0" gesetzt wird, und kehrt dann zurück, da EGR nicht bei niedrigen Temperaturen, einschließlich beim Motorstart und bei Leerlauf-Zuständen durchgeführt werden soll. Wenn die aktuelle Abgastemperatur größer als die vorbestimmte Temperatur festgelegt ist, geht die Routine zu Schritt 102.
  • Bei Schritt 102 wird ein Öffnungsgrad eines EGR-Ventils (nicht gezeigt) auf der Grundlage eines Einlaß-Druck(PM)- Drehzahl(NE)-Diagramms bestimmt, das bei Schritt 102 gezeigt ist. Der Öffnungsgrad des EGR-Ventils ist bei hohen Motorlasten (bei hohen Einlaßdrücken) und bei geringen Motorlasten (bei niedrigen Einlaßdrücken) Null, da bei derart hohen und niedrigen Belastungen kein EGR erforderlich ist. EGR wird bei mittleren Motorbelastungen (schraffierter Abschnitt im bei Schritt 102 gezeigten Diagramm) durchgeführt, wobei der Öffnungsgrad des EGR- Ventils bei einem Mittelabschnitt des schraffierten Abschnittes groß ist.
  • Bei Schritt 103 wird der bei Schritt 102 erhaltene Öffnungsgrad einem Schrittmotor (nicht gezeigt) für das Öffnen und Schließen des EGR-Ventils der EGR-Vorrichtung 16 zugeführt. Anschließend wird bei Schritt 104 bestimmt, ob das EGR im "EIN"-Zustand ist oder nicht. Wenn bestimmt ist, daß das EGR im "EIN"-Zustand ist, geht die Routine zu Schritt 105, bei dem das EGR-Flag XEGR auf "1" gesetzt wird. Wenn bestimmt ist, daß das EGR bei Schritt 104 im "AUS"-Zustand ist, geht die Routine zu Schritt 106, bei dem der EGR-Flag XEGR auf "0" gesetzt wird. Das EGR-Flag XEGR wird in der Routine aus Fig. 8 verwendet.
  • Fig. 8 zeigt eine Routine zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung, und insbesondere eine Routine zur Berechnung einer optimalen Krafteinspritzmenge und zur Durchführung der Einspritzung. Diese Routine beginnt in Intervallen bestimmter Kurbelwinkeln, beispielsweise bei jedem 360º-Kurbelwinkel. Bei Schritt 201 wird eine Basis- Kraftstoffeinspritzmenge TP auf der Grundlage eines Einlaßdruck(PM)-Motordrehzahl(NE)-Diagramms (nicht gezeigt, aber bekannt) berechnet. Anschließend wird bei Schritt 202 bestimmt, ob der aktuelle Motorbetriebszustand ein Mager-Betriebszustand ist oder nicht, bei dem der Motor bei Mager-Luft-/Kraftstoff- Verhältnissen betrieben werden kann, und zwar beispielsweise durch Bestimmen, ob die aktuelle Motorkühlwassertemperatur THW größer als eine vorbestimmte Temperatur TWO ist oder nicht. Wenn der aktuelle Motorbetriebszustand als Mager-Betriebszustand ermittelt wird, geht die Routine zu Schritt 204. Wenn im Gegensatz dazu der aktuelle Motorbetriebszustand nicht als Mager-Betriebszustand ermittelt wird, geht die Routine zu Schritt 203, bei dem ein Kraftstoffeinspritzmengen-Modifikationsfaktor KLEAN auf 1,0 gesetzt wird, und geht anschließend zu Schritt 211. Hierbei entspricht der Faktor KLEAN von 1,0 dem stoichiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis.
  • Im Falle, daß der aktuelle Motorbetriebszustand bei Schritt 202 ein Mager-Betriebszustand ist und daher die Routine zu Schritt 204 geht, wird bestimmt, ob EGR durchgeführt wird oder nicht, und zwar anhand des EGR- Flags XEGR. Wenn EGR durchgeführt wird (d.h. XEGR = "1") geht die Routine zu den Schritten 205 bis 207, bei denen ein Kraftstoffeinspritzmengen-Modifikationsebenfaktor PMLEAN berechnet wird. Wenn im Gegensatz dazu EGR "AUS" ist (d.h. XEGR = "0"), geht die Routine zu Schritt 208, bei dem ein weiterer Kraftstoffeinspritzmengen- Modifikationsnebenfaktor PMLEAN berechnet wird.
  • Bei Schritt 205 wird ein Druckzuwachs PT des Einlaßdrucks PM aufgrund der Durchführung von EGR berechnet. Der Druckzuwachs PT hängt vom Öffnungsgrad des EGR-Ventils und der Motordrehzahl NE ab. Insbesonder ändert sich PM im Verhältnis zum Öffnungsgrad des EGR-Ventils und im umgekehrten Verhältnis zur Motordrehzahl NE. Für die genauere Berechnung von PT kann ein vorbestimmtes Diagramm verwendet werden. Anschließend wird bei Schritt 206 eine Einlaßdruckkomponente PM' eines neu eingesaugten Einlaßgases (ohne EGR-Gas) mittels der folgenden Gleichung berechnet:
  • PM' = PM - PT
  • wobei PM der mittels eines Drucksensors (nicht gezeigt) ermittelten Einlaßdruckes ist und PT ein Zuwachs des Einlaßdruckes aufgrund der EGR-Durchführung ist.
  • Anschließend wird bei Schritt 207 der Kraftstoffeinspritzungsmengen-Modifikationsnebenfaktor PMLEAN auf der Grundlage der vorhergehend erhaltenen Einlaßdruckkomponente PM' unter Verwendung eines PMLEAN- PM'-Diagramms berechnet, das bei Schritt 207 gezeigt ist.
  • Wenn EGR im "AUS"-Zustand ist und daher die Routine zu Schritt 208 geht, wird PMLEAN auf der Grundlage des ermittelten Einlaßdruckes PM unter Verwendung eines PMLEAN-PM-Diagramms berechnet, das bei Schritt 208 gezeigt ist.
  • Wie aus dem Vergleich zwischen dem Diagramm von Schritt 207 und dem Diagramm von Schritt 208 wird PMLEAN für einen EGR-"EIN"-Zustand (PMLEAN von Schritt 207) größer voreingestellt als PMLEAN für einen EGR-"AUS"-Zustand (PMLEAN von Schritt 208), so daß das Luft-Kraftstoff- Verhältnis des Einlaßluft-/Kraftstoff-Gemisches derart gesteuert wird, daß es im EGR-"EIN"-Zustand relativ fett ist.
  • Anschließend wird bei Schritt 209 der Kraftstoffeinspritzmengen-Modifikationsnebenfaktor NELEAN auf der Grundlage des bei Schritt 209 gezeigten Diagramms der aktuellen Motordrehzahl NE unter Verwendung von NELEAN gegenüber der NE berechnet.
  • Anschließend wird bei Schritt 210 ein Kraftstoffeinspritzmengen-Modifikationsfaktor KLEAN mittels der folgenden Gleichung berechnet:
  • KLEAN = PMLEAN x NELEAN
  • Anschließend wird bei Schritt 211 eine endgültige Kraftstoffeinspritzmenge TAU mittels der folgenden Gleichung berechnet:
  • TAU = TP x KLEAN x A + B
  • wobei A und B Modikations-Faktoren sind, die basierend auf weiteren Motorbetriebsparametern bestimmt sind.
  • Anschließend wird bei Schritt 212 der Kraftstoffeinspritzbetrag TAU festgelegt und die Kraftstoffeinspritzung durchgeführt, und zwar für eine Kraftstoffeinspritzzeitdauer entsprechend des Betrags TAU.
  • Der vorhergehend beschriebene Kraftstoffeinspritz- Modifikationsfaktor KLEAN wird zudem für die Schaltsteuerung des Strömungsschaltventils 14 gemäß einer Routine aus Fig. 9 verwendet.
  • Fig. 9 zeigt eine Routine zur Schaltsteuerung des Strömungsschaltventils 14. Die Routine aus Fig. 9 beginnt bei Intervallen vorbestimmter Zeitdauer. Bei Schritt 301 werden die aktuelle Motorkühlwassertemperatur TW und der aktuelle Kraftstoffeinspritzmengen-Modifikationsfaktor KLEAN in den Computer eingegeben.
  • Anschließend wird bei Schritt 302 bestimmt, ob das aktuelle TW kleiner ist als eine vorbestimmte Temperatur TWO oder nicht. Wenn TW kleiner als TWO ermittelt wird, wird angenommen, daß sich der aktuelle Motorbetriebszustand in einem Warmlaufzustand befindet und geht die Routine zu Schritt 303 und anschließend den Schritten 304 und 305. Wenn bei Schritt 302 bestimmt wird, daß TW nicht kleiner als TWO ist, wird angenommen, daß der aktuelle Motorbetriebszustand ein Warmlaufzustand ist, wobei die Routine zu Schritt 306 geht.
  • Hinsichtlich eines Bypass-Flags FB1, das bei Schritt 303 gezeigt ist, entspricht das Setzen von FB1 auf "1" (Bypass "EIN") einem Zustand, bei dem das Abgas den ersten Katalysator 10 aus einem Mager-NOx-Katalysator umströmt, und durch den dritten Katalysator 8 aus einem 3-Wege- oder Oxidier-Katalysators strömt, wobei das Setzen von FB1 "0" (Bypass "AUS") einem Zustand entspricht, bei dem das Abgas durch den ersten Katalysator des Mager-NOx-Katalysators strömt.
  • Wenn die Routine zu Schritt 303 geht und ermittelt wird, daß FB1 nicht "0" ist, kehrt die Routine ohne Durchführung eines Vorganges zurück. Wenn ermittelt wird, daß bei Schritt 303 FB1 "0" ist und daher der Abgasstrom durch den Mager-NOx-Katalysator strömt, geht die Routine zu Schritt 304, bei dem das Strömungsschaltventil 14 auf "EIN" geschaltet wird, so daß das Abgas durch den dritten Katalysator 8 des Oxidier- oder 3-Wege-Katalysators. Dann geht die Routine zu Schritt 305, bei dem das Bypass-Flag FB1 auf "1" gesetzt wird.
  • Wenn ermittelt wird, daß die Motorkühlwassertemperatur TW größer als die vorbestimmte Temperatur TWO bei Schritt 302 ist, wird angenommen, daß der Motorbetriebszustand bereits in einem Warmlaufzustand ist, wobei die Routine zu Schritt 306 geht. Bei Schritt 306 wird bestimmt, ob der Kraftstoffeinspritzmengen-Modifikationsfaktor KLEAN größer als 1,0 ist oder nicht. Wenn bestimmt wird, daß KLEAN bei Schritt 306 größer als 1,0 ist, wird angenommen, daß sich das aktuelle Luft-Kraftstoff- Verhältnis in einem fetten oder stoichiometrischen Zustand befindet. Daher wird das Strömungsschaltventil 14 gemäß den Schritten 303 bis 305 gesteuert, so daß das Abgas durch den dritten Katalysator 8 aus einen 3-Wege- oder Oxidier-Katalysator strömt.
  • Wenn ermittelt wird, daß KLEAN bei Schritt 306 nicht größer als 1,0 ist, wird angenommen, daß der Motor bei Mager-Luft-Kraftstoff-Verhältnissen betrieben wird, wobei der erste Katalysator des Mager-NOx-Katalysators effektiv NOx reinigen kann und die Routine zu Schritt 307 geht.
  • Bei Schritt 307 wird ermittelt, ob das Bypass-Flag FB1 "0" ist oder nicht. Wenn ermittelt wird, daß FB1 "0" ist, kehrt die Routine ohne Durchführung jeglichen Vorganges zurück, da das Abgas durch den ersten Katalysator 10 eines Mager-NOx-Katalysators strömt. Wenn bestimmt wird, daß FB1 bei Schritt 307 nicht "0" ist, geht die Routine zu Schritt 308, bei dem das Strömungsschaltventil 14 auf "AUS" geschaltet wird, so daß das Abgas durch den ersten Katalysator 10 des Mager-NOx-Katalysators strömt. Anschließend geht die Routine zu Schritt 309, bei dem das Bypass-Flag FB1 auf "0" gesetzt wird.
  • Aufgrund der Steuerung des Strömungsschaltventils 14 gemäß der Routine aus Fig. 9 (Ventilsteuereinrichtung) strömt das Abgas durch den dritten Katalysator 8 eines 3- Wege- oder Oxidier-Katalysators, sofern der Motor warmgelaufen ist (TW ist kleiner als TWO) und sofern das Drosselventil vollständig geöffnet ist (KLEAN ist größer oder gleich 1,0), selbst wenn der Motor in einem Warmlaufzustand ist. Im Gegensatz dazu strömt Abgas durch den ersten Katalysator 10 aus einem Mager-NOx-Katalysator und durch den zweiten Katalysator 12, nachdem der Motor warmgelaufen ist (TW ist größer oder gleich TWO), wobei das Drosselventil nicht vollständig geöffnet ist (KLEAN ist kleiner als 1,0).
  • Die vorhergehend beschriebenen Steuer-Strukturen sind im ersten bis dritten Ausführungsbeispiel einsetzbar.
  • Fig. 12 zeigt eine Steuerroutine für die Zufuhr von Sekundärluft, welche lediglich im vierten Ausführungsbeispiel aus Fig. 10 anwendbar ist.
  • Die Routine aus Fig. 12 ist eine Routine für die Steuerung der Zufuhr von Sekundärluft, um zu verhindern, daß im Abgas enthaltener und nach dem Stoppen des Motors in der Abgasleitung verbleibender Dampf kondensiert, so daß Wasser erzeugt wird, welches sich auf dem ersten Katalysator 10 aus einem NOx-Katalysator sammelt. Wenn sich Wasser auf dem Mager-NOx-Katalysator sammelt, lösen sich Kupferionen, die vom Zeolith des Mager-NOx- Katalysators getragen werden, im kondensierten Wasser, um die NOx-Reinigungsrate des Mager-NOx-Katalysators gemäß Fig. 11 zu vermindern. Bei diesem Beispiel wird das Übergangsmetall, beispielsweise Kupfer in Form von Ionen, durch das Zeolith des Mager-NOx-Katalysators getragen.
  • Die Routine auf Fig. 12 beginnt bei Intervallen vorbestimmter Zeitdauern. Bei Schritt 401 wird bestimmt, ob die mittels eines Temperatursensors (nicht gezeigt) bestimmte aktuelle Umgebungstemperatur TO kleiner als die Taupunkttemperatur TOC von Wasserdampf ist. Wenn bestimmt wird, daß die Umgebungstemperatur größer als die Taupunkttemperatur ist, kehrt die Routine ohne Durchführung jeglichen Vorganges zurück, da der Dampf nicht auf dem Mager-NOx-Katalysator kondensiert ist.
  • Wenn bestimmt wird, daß die Umgebungstemperatur TO bei Schritt 401 kleiner als die TAU. Temperatur TOC ist, geht die Routine zu Schritt 402, bei der bestimmt wird, ob ein Zündschlüssel auf "AUS" geschaltet ist oder nicht. Wenn bei Schritt 402 bestimmt wird, daß der Zündschlüssel nicht auf "AUS" geschaltet ist, kehrt die Routine ohne Durchführung jeglichen Vorganges zurück. Wenn im Gegensatz dazu bestimmt wird, daß der Zündschlüssel aus "AUS" gedreht ist, geht die Routine zu Schritt 403, bei der die Zufuhr von Sekundärluft auf "EIN" geschaltet wird, so daß Sekundärluft durch die Sekundärlufeinführungsöffnung 20 zu einem Abschnitt des ersten Durchlasses zugeführt wird, der stromaufwärts von dem Mager-NOx-Katalysator angeordnet ist. Für eine fortlaufende Zufuhr von Sekundärluft für eine Zeitdauer, geht die Routine zu Schritt 404, bei der ein Zeitnehmner beginnt zu zählen, und anschließend zu Schritt 405, bei dem bestimmt wird, ob die genommene Zeit (t) eine vorbestimmte Zeit (te) überschreitet. Die Routine wird wiederholt durchgeführt, so daß die Zufuhr von Sekundärluft fortgesetzt wird, bis die größer werdende Zeit (t) die vorbestimmte Zeit (te) überschreitet.
  • Wenn die größer werdende Zeit (t) schließlich die vorbestimmte Zeit (te) überschreitet, geht die Routine zu Schritt 406, bei dem die Zufuhr von Sekundärluft auf "AUS" geschaltet wird und stoppt. Anschließend wird bei Schritt 407 der Zeitnehmer auf "AUS" geschaltet und die genommene Zeit (t) gelöscht.
  • Aufgrund der vorhergehend beschriebenen Steuerung wird die Sekundärluft für eine vorbestimmte Zeitdauer dem ersten Katalysator aus einem Mager-NOx-Katalysator zugeführt, so daß die Wasserkondensation verhindert wird.
  • Zudem wird, obwohl Dampf dazu neigt, unmittelbar nach Motorstart in kalten Zuständen zu kondensieren, aufgrund der Steuerung aus Fig. 9 Abgas während des Warmlaufens des Motors am Mager-NOx-Katalysator vorbeigeleitet, so daß eine Wasserkondensation verhindert wird.
  • Die Arbeitsweise und Vorteile des Abgasreinigungssystems der Erfindung werden nachstehend erklärt.
  • Da im ersten bis dritten Ausführungsbeispiel das Strömungsschaltventil 14 derart gesteuert wird, daß das Gas während des Warmlaufens des Motors durch den dritten Katalysator 8 aus einem Oxidier- oder 3-Wege-Katalysator strömt und da der dritte Katalysator 8 in der Nähe des Abgaskrümmers 4 angeordnet ist, wird der dritte Katalysator 8 schnell aufgewärmt, so daß HC- und CO- Emissionen wirkungsvoll gereinigt werden. Zudem wird das Strömungsschaltventil 14 derart gesteuert, daß das Abgas, nachdem der Motor warmgelaufen ist, durch den ersten Katalysator 10 des Mager-NOx-Katalysators strömt, wobei ein Anteil der HC- und CO-Emissionen mittels des Mager- NOx-Katalysators gereinigt wird und der verbleibende Abschnitt der HC- und CO-Emissionen, die nicht mittels des Mager-NOx-Katalsysators gereinigt werden, mittels des zweiten Katalysators 12 gereinigt werden, der stromabwärts von dem ersten Katalysator 10 angeordnet ist.
  • Im Falle, daß der erste Durchlaß und der zweite Durchlaß derart angeordnet sind, daß sie einander berühren, wie im zweiten und dritten Ausführungsbeispiel gezeigt, kann ein katalytischer Wandler, der den ersten bis dritten Katalysator einschließt, kompakt ausgelegt werden und eine gute Warmlauf-Charakteristik eines Katalysators erhalten werden, der durch den anderen Katalysator umgeben ist.
  • Ferner ist im Falle das Sekundärluft zu einem Abschnitt des ersten Durchlasses stromaufwärts von dem Mager-NOx- Katalysator für eine vorbestimmte Zeitdauer zugeführt wird, wie im vierten Ausführungsbeispiel gezeigt, die Dampfkondensations am Mager-NOx-Katalysator und eine Katalysatorbeeinträchtigung aufgrund des kondensierten Wassers vermieden werden.
  • Ein Abgasreinigungssystem für eine Brennkraftmaschine hat einen Doppeldurchlaßabschnitt (6, 26, 36) mit einem ersten Durchlaß (6a, 26a, 36a) und einem zweiten Durchlaß (6b, 26b, 36b), die parallel zueinander verbunden sind. Im ersten Durchlaß (6a, 26a, 36a) ist ein erster Katalysator (10), der aus einem Mager-NOx-Katalysator aufgebaut ist, angeordnet und ferner ein zweiter Katalysator (12), der aus einem Oxidier-Katalysator oder einem 3-Wege-Katalysator aufgebaut ist, stromabwärts vom ersten Katalysator (10) angeordnet. Im zweiten Durchlaß (6b, 26b, 36b) ist ein dritter Katalysator (8) angeordnet, der aus einem Oxidier- oder 3-Wege- Katalysator aufgebaut ist. Ein Strömungsschaltventil (14) ist derart vorgesehen, daß es die Strömung des Abgases zwischen dem ersten Durchlaß (6a, 26a, 36a) und dem zweiten Durchlaß (6b, 26b, 36b) schaltet. Das Strömungsschaltventil (14) wird derart geschaltet, daß das Abgas durch den dritten Katalysator (8) strömt, sofern der Motor warmgelaufen ist und durch den ersten Katalysator (10) und den zweiten Katalysator (12) strömt, nachdem der Motor warmgelaufen worden ist.

Claims (10)

1. Abgasreinigungssystem für eine Brennkraftmaschine, wobei der Verbrennungsmotor (2) ein Motor ist, der zur Kraftstoffverbrennung bei Mager-Luft-Kraftstoff- Verhältnissen in der Lage ist und bei stoichiometrischen oder fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnissen betrieben werden kann, während er warmläuft, und bei Mager-Luft- Kraftstoff-Verhältnissen betrieben werden kann, nachdem er warmgelaufen ist; wobei das Abgasreinigungssystem folgendes aufweist:
einen Abgaskrümmer (4) und eine Abgasleitung (24), die mit dem Abgaskrümmer (4) verbunden ist;
ein Doppel-Durchlaß-Abschnitt (6, 26, 36), der in der Abgasleitung (24) vorgesehen ist und stromabwärts vom Abgaskrümmer (4) des Motors angeordnet ist, wobei der Doppel-Durchlaß-Abschnitt (6, 26, 36) einen ersten Durchlaß (6a, 26a, 36a) und einen zweiten Durchlaß (6b, 26b, 36b) aufweist, die parallel zueinander verbunden sind;
einen ersten Katalysator (10), der in dem ersten Durchlaß (6a, 26a, 36a) eingebaut ist, und zwar für die Reduzierung von Stickoxiden, die im Abgas vom Motor (2) enthalten sind;
einen zweiten Katalysator (12), der in dem ersten Durchlaß (6a, 26a, 36a) stromabwärts vom ersten Katalysator (10) eingebaut und entweder aus einem 3-Wege- Katalysator oder einem Oxidier-Katalysator aufgebaut;
einen dritten Katalysator (8), der in den zweiten Durchlaß (6b, 26b, 36b) eingebaut ist und entweder aus einem 3-Wege-Katalysator oder einem Oxidier-Katalysator aufgebaut ist;
einem Strömungsschaltventil (14), um die Strömung des Abgases vom Motor (2) zwischen dem ersten Durchlaß (6a, 26a, 36a) und dem zweiten Durchlaß (6b, 26b, 36b) umzuschalten; und
einer Ventilsteuereinrichtung zum Schalten des Strömungsschaltventils (14) in Übereinstimmung mit einem laufenden Betriebszustand des Motors (2),
dadurch gekennzeichnet, daß
der erste Katalysator (10) ein Cu/Zeolith-Katalysator ist, der aus einem Kupfer tragenden Zeolith aufgebaut ist, das NOx wahlweise reduziert, das im Abgas vom Motor (2) enthalten ist, und zwar bei oxidierenden Abgaszuständen in Gegenwart von Kohlenwasserstoffen und unter Verwendung der Kohlenwasserstoffe als Reduktionsmittel;
daß der dritte Katalysator (8) derart angeordnet ist, daß die Temperatur des durch den zweiten Durchlaß (6b, 26b, 36b) strömenden Abgases nicht durch den vorhergehenden Kontakt beeinflußt ist; und
daß die Ventilsteuereinrichtung das Strömungsschaltventil (14) derart schaltet, daß das Abgas durch den zweiten Durchlaß (6b, 26b, 36b) strömt, während der Motor (2) warmläuft und nachdem der Motor (2) warmgelaufen ist und bei stoichiometrischen oder fetten Luft-Kraftstoff- Verhältnissen betätigt wird, und daß das Abgas durch den ersten Durchlaß (6a, 26a, 36a) strömt, nachdem der Motor (2) warmgelaufen ist und bei Mager-Luft-Kraftstoff- Verhältnissen betrieben wird.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Durchlaß (6a) und der zweite Durchlaß (6b) des Doppeldurchlaßabschnittes (6) bei Längszwischenabschnitten des ersten Durchlasses (6a) und des zweiten Durchlasses (6b) voneinander beabstandet sind.
3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Durchlaß (26b) den ersten Durchlaß (26a) umgibt, so daß der dritte Katalysator (8) den ersten Katalysator (10) und den zweiten Katalysator (12) umgibt.
4. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Durchlaß (36a) den zweiten Durchlaß (36b) umgibt, so daß der erste Katalysator (10) und der zweite Katalysator (12) den dritten Katalysator (8) umgeben.
5. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen vierten 3-Wege-Katalysator (22), der stromabwärts vom Doppeldurchlaßabschnitt (6, 26, 36) eingebaut ist.
6. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Abgasumlaufsystem und eine EGR-Steuerroutine (101, 102), wobei EGR bei hohen Abgastemperaturen und bei mitteleren Motorbelastungen auf "EIN" gesetzt ist.
7. System nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Kraftstoffeinspritzsteuerroutine (207, 208), wobei ein Kraftstoffeinspritzmengen-Modifikationsfaktor KLEAN ausgewählt worden ist, um bei EGR auf "EIN" größer zu sein als bei EGR auf "AUS".
8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die Ventilsteuereinrichtung eine Strömungsschaltventilsteuerroutine (301 bis 309) aufweist, bei der
(a) wenn eine aktuelle Motorkühlwassertemperatur gleich oder größer als eine vorbestimmte Temperatur ist und der Kraftstoffeinspritzmengen-Modifikationsfaktor kleiner als 1,0 ist, das Strömungsschaltventil (14) geschaltet wird, damit das Abgas durch den ersten Katalysator (10) und den zweiten Katalystor (12) strömt, und
(b) wenn die aktuelle Motorkühlwassertemperatur kleiner als die vorbestimmte Temperatur ist und wenn die aktuelle Motorkühlwassertemperatur gleich oder größer als die vorbestimmte Temperatur ist und der Kraftstoffeinspritzmengen-Modifikationsfaktor gleich oder größer als 1,0 ist, das Strömungsschaltventil (14) geschaltet wird, damit das Abgas durch den dritten Katalysator (8) strömt.
9. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Sekundärlufteinführungsöffnung (20) zur Einführung von Sekundärluft zu einem Abschnitt des ersten Durchlasses stromaufwärts von dem ersten Katalysator (10).
10. System nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine zweite Lufteinführungssteuerroutine (401, 407) für die Steuerung der Sekundärlufteinführung, so daß die Sekundärluftzufuhr durchgeführt wird, und zwar für eine vorbestimmte Zeitdauer nach dem Motorstop, sofern eine Umgebungstemperatur kleiner als eine vorbestimmte Temperatur ist.
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