DE69804371T2

DE69804371T2 - Abgasreinigungseinrichtung für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE69804371T2
Application number: DE69804371T
Authority: DE
Inventors: Takaaki Itou; Yukio Kinugasa; Koichi Takeuchi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1997-05-12
Filing date: 1998-05-11
Publication date: 2002-10-10
Anticipated expiration: 2018-05-12
Also published as: JP3456408B2; EP0878609A3; DE69804371D1; EP0878609A2; JPH1130117A; KR100306533B1; EP0878609B1; KR19980086949A; US6109024A

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Abgasreinigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung, die NOx (Stickoxide) aus dem Abgas eines Magermixmotors mit hoher Effizienz beseitigen kann.

2. Beschreibung der einschlägigen Technik

Eine Abgasreinigungsvorrichtung, die einen Dreiwegereduktions- und Oxidationskatalysator (der nachfolgend als ein Dreiwegekatalysator bezeichnet wird) anwendet, ist im allgemeinen bekannt zum Beseitigen von HC (Kohlenwasserstoffe), CO (Kohlenmonoxid) und NOx (Stickoxide) aus dem Abgas einer Brennkraftmaschine (in dieser Beschreibung bezeichnet der Ausdruck NOxStickoxide wie beispielsweise NO, NO&sub2;, N&sub2;O und N&sub2;O&sub4; im allgemeinen). Der Dreiwegekatalysator kann HC und CO oxidieren und NOx aus dem Abgas reduzieren, wenn das Abgas ein stöchiometrisches Luftkraftstoffverhältnis hat. Der Dreiwegekatalysator kann gleichzeitig diese schädlichen Bestandteile aus dem Abgas beseitigen, wenn das Luftkraftstoffverhältnis des Abgases das stöchiometrische Luftkraftstoffverhältnis ist.
Die Fähigkeit des Dreiwegekatalysators für die Reduktion der NOx wird jedoch niedriger, wenn das Luftkraftstoffverhältnis des Abgases mager wird (das heißt wenn das Luftkraftstoffverhältnis höher als das stöchiometrische Luftkraftstoffverhältnis wird). Deshalb ist es schwierig, NOx aus dem Abgas eines Magermixmotors zu beseitigen, der insgesamt bei einem mageren Luftkraftstoffverhältnis betrieben wird, unter Verwendung eines Dreiwegekatalysators.
Um dieses Problem zu lösen, offenbart die Offenlegungsschrift der ungeprüften Japanischen Patentanmeldung (Kokai) mit der Nr. 4-365920 eine Abgasreinigungsvorrichtung unter Anwendung einer Denitrierreaktion.
Wenn das Luftkraftstoffverhältnis des Abgases niedriger als das stöchiometrische Luftkraftstoffverhältnis ist (das heißt wenn das Luftkraftstoffverhältnis des Abgases fett ist), wandelt der Dreiwegekatalysator einen Teil der NOx aus dem Abgas zu NH&sub3; um, während die meisten NOx aus dem Abgas reduziert werden und zu N&sub2; umgewandelt werden. Die Vorrichtung in der Offenlegungsschrift '920 erzeugt NH&sub3; aus NOx aus dem Abgas unter Verwendung eines Dreiwegekatalysators und führt eine Reaktion der erzeugten NH&sub3; mit NOx in dem Abgas herbei, um fax zu N&sub2; zu reduzieren und H&sub2;O durch eine Denitrierreaktion.
In der Offenlegungsschrift '920 wird eine Mehrzylinderbrennkraftmaschine verwendet und eine Gruppe an Zylindern des Motors wird mit einem fetten Luftkraftstoffverhältnis betrieben, während andere Zylinder mit einem mageren Luftkraftstoffverhältnis betrieben werden, und das Betriebsluftkraftstoffverhältnis des Motors wird insgesamt bei einem mageren Luftkraftstoffverhältnis gehalten. Des weiteren ist ein Dreiwegekatalysator mit einer hohen Fähigkeit zum Umwandeln der NOx zu NH&sub3; in einem Abgaskanal angeordnet, der mit den Zylindern mit dem fetten Luftkraftstoffverhältnis verbunden ist (das heißt die Zylinder, die mit einem fetten Luftkraftstoffverhältnis betrieben werden). Nachdem es durch den Dreiwegekatalysator hindurchströmt, mischt sich das Abgas aus den Zylindern mit dem fetten Luftkraftstoffverhältnis mit dem Abgas aus den Zylindern mit dem mageren Luftkraftstoffverhältnis. Wenn das Abgas von den Zylindern mit dem fetten Luftkraftstoffverhältnis durch den Dreiwegekatalysator hindurch strömt, wird ein Teil der NOx aus dem Abgas zu NH&sub3; umgewandelt. Somit enthält das Abgas stromabwärts des Dreiwegekatalysators eine relativ große Menge an NH&sub3;. Andererseits enthält das Abgas aus den Zylindern mit dem mageren Luftkraftstoffverhältnis eine relativ große Menge an NOx. Durch Mischen des Abgases von dem Dreiwegekatalysator und des Abgases von den Zylindern mit dem mageren Luftkraftstoffverhältnis reagiert deshalb das NH&sub3; aus dem Abgas von dem Dreiwegekatalysator mit dem NOx aus dem Abgas von dem Zylinder mit dem mageren Luftkraftstoffverhältnis und NH&sub3; und NOx erzeugen N&sub2; und H&sub2;O durch eine Denitrierreaktion. Somit werden gemäß der Vorrichtung der Offenlegungsschrift '920 die NOx aus dem Abgas beseitigt.
In der Vorrichtung der Offenlegungsschrift '920 ist es erforderlich, dass die Menge der durch den Dreiwegekatalysator erzeugten NH&sub3; ausreichend ist zum Reduzieren aller NOx aus dem Abgas von den Zylindern mit dem mageren Luftkraftstoffverhältnis. Beispielsweise ist der größte Teil der NOx aus dem von dem Motor abgegebenen Abgas aus NO (Stickstoffmonoxid) und NO&sub2; (Stickstoffdioxid)-Bestandteilen zusammengesetzt. Diese NO- und NO&sub2;-Bestandteile reagieren mit NH&sub3; und erzeugen N&sub2; und H&sub2;O durch die folgenden Denitrierreaktionen.
4NH&sub3; + 4NO + O&sub2; → 4N&sub2; + 6H&sub2;O
8NH&sub3; + 6NO&sub2; → 7N&sub2; + 12H&sub2;O
Deshalb ist bei der Vorrichtung der Offenlegungsschrift '920 eine Menge NH&sub3; erforderlich, die eine Gesamtanzahl von Molen von NO und 4/3 der Gesamtmole von NO&sub2; ausgleicht, um alle NOx aus dem Abgas der Zylinder mit dem mageren Luftkraftstoffverhältnis zu beseitigen. Wenn das Abgas andere NOx-Bestandteile wie beispielsweise N&sub2;O&sub4;, N&sub2;O enthält, ist die Menge NH&sub3; stöchiometrisch zu der Menge dieser Bestandteile erforderlich zusätzlich zu der vorstehend angemerkten NH&sub3;-Menge.
Die Menge der in den Zylindern des Motors erzeugten NOx wird jedoch maximal, wenn die Zylinder bei einem mageren Luftkraftstoffverhältnis (beispielsweise einem Luftüberschussverhältnis von ungefähr 1,2) betrieben werden und vermindert sich rapide, wenn die Zylinder bei einem fetten Luftkraftstoffverhältnis betrieben werden. Da die Vorrichtung der Offenlegungsschrift '920 NOx aus dem Abgas des Zylinders mit dem fetten Luftkraftstoffverhältnis umwandelt, um NH&sub3; zu erzeugen, ist die Menge der erzeugten NH&sub3; durch die Menge der NOx begrenzt, die in den Zylindern mit dem fetten Luftkraftstoffverhältnis erzeugt wird. Deshalb ist bei der Vorrichtung der Offenlegungsschrift '920 die Menge der durch den Dreiwegekatalysator erzeugten NH&sub3; unzureichend, um alle NOx aus dem Abgas von den Zylindern mit dem mageren Luftkraftstoffverhältnis zu beseitigen und ein Teil der NOx aus dem Abgas von dem Zylinder mit dem mageren Luftkraftstoffverhältnis wird ohne Reduktion in die Atmosphäre freigegeben.
Des weiteren wird bei der Vorrichtung der Offenlegungsschrift '920 eine Gruppe der Zylinder mit einem mageren Luftkraftstoffverhältnis betrieben, während andere Zylinder des Motors mit einem fetten Luftkraftstoffverhältnis betrieben werden. Dies verursacht eine Differenz des abgegebenen Drehmoments der Zylinder und verursacht Schwankungen des abgegebenen Drehmoments des Motors.
Das Dokument EP-A-0 510 498 offenbart ein Abgasreinigungsgerät für eine Brennkraftmaschine mit einer NH&sub3;- Umwandlungseinrichtung, die in einem Abgaskanal angeordnet ist, durch den das Abgas hindurch strömt nachdem das Luftkraftstoffverhältnis eingestellt ist zum Erzeugen von NH&sub3; durch Umwandeln zumindest eines Teils des Abgases zu NH&sub3;. Darüber hinaus ist eine Reinigungseinrichtung offenbart, die in einem Abgaskanal angeordnet ist, in den das Abgas aus der NH&sub3;- Umwandlungseinrichtung einströmt und zum Reinigen sowohl der NOx als auch der NH&sub3; aus dem Abgas durch eine Reaktion von NOx mit NH&sub3; in dem Abgas. Gemäß diesem System werden die NOx bei einem ersten Zustand zu NH&sub3; umgewandelt und die erzeugten NH&sub3; werden bei einem zweiten Zustand verwendet zum Reduzieren von Abgasarten wie NOx. Bei einer derartigen Vorrichtung, die für die Abgasreinigung eines Magermixmotors verwendet wird, ist die Reinigung der NOx unbefriedigend aufgrund der Verknappung der NH&sub3;, die bei dem ersten Zustand durch den Katalysator erzeugt werden.
Das Dokument WO 96/03572 offenbart eine Abgasreinigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, die mit einer Direkteinspritzung versehen ist und bei mageren Luftkraftstoffverhältnissen betreibbar ist. Eine ABgasluftkraftstoffverhältniseinstelleinrichtung ist vorgesehen zum Einstellen des Luftkraftstoffverhältnisses des Abgases mit dem mageren Luftkraftstoffverhältnis, das durch die Verbrennung mit dem mageren Luftkraftstoffverhältnis in dem Zylinder erzeugt wird, zu einem fetten Luftkraftstoffverhältnis durch Einspritzen von Kraftstoff in den Zylinder hinein von dem Direktzylindereinspritzventil während einem Auslasshub des Zylinders. Durch diese zusätzliche Kraftstoffeinspritzung soll ein sogenannter Denox-Katalysator aktiviert werden. Der einzige Zweck der erwähnten zusätzlichen Nacheinspritzung ist die Zufuhr unverbrannter Kohlenwasserstoffe zu dem Denox-Katalysator. Bei einem Denox-Katalysator sind die NH&sub3; jedoch nicht relevant und demgemäß erwähnt das Dokument nicht NH&sub3; und auch nicht die Reduktion von NOx mittels NH&sub3;.

Zusammenfassung der Erfindung

Angesichts der Probleme der einschlägigen Technik, wie sie vorstehend angeführt sind, besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Schaffung einer Abgasreinigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, die NOx aus dem Abgas eines Magermixmotors beseitigen kann mit hoher Effizienz durch Erzeugen einer ausreichenden Menge an NH&sub3; und Beseitigen der NOx aus dem Abgas durch eine Reaktion der erzeugten NH&sub3; mit dem NOx in dem Abgas und ohne Verursachen von Schwankungen des abgegebenen Drehmoments des Motors.
Diese Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Abgasreinigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine gelöst, wobei der Motor mit einem Direktzylindereinspritzventil versehen ist zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in seinen Zylinder hinein und in der Lage ist, mit einer Verbrennung in dem Zylinder mit einem mageren Luftkraftstoffverhältnis betrieben zu werden. Die Abgasreinigungsvorrichtung hat eine Abgasluftkraftstoffverhältniseinstelleinrichtung zum Einstellen des Luftkraftstoffverhältnisses des Abgases mit dem mageren Luftkraftstoffverhältnis, das erzeugt wird durch die Verbrennung mit dem mageren Luftkraftstoffverhältnis in dem Zylinder, zu einem fetten Luftkraftstoffverhältnis durch Einspritzen von Kraftstoff in den Zylinder hinein von dem Direktzylindereinspritzventil während einem Expansionshub oder einem Auslasshub des Zylinders, eine NH&sub3;-Umwandlungseinrichtung, die in einem Abgaskanal angeordnet ist, durch den das Abgas hindurchströmt nachdem sein Luftkraftstoffverhältnis eingestellt ist und zum Erzeugen von NH&sub3; durch Umwandeln zumindest eines Teils der in dem Abgas enthaltenen NOx zu NH&sub3; und eine Reinigungseinrichtung, die in einem Abgaskanal angeordnet ist, indem das Abgas von der NH&sub3;-Umwandlungseinrichtung einströmt und zum Reinigen sowohl der NOx als auch der NH&sub3; aus dem Abgas durch eine Reaktion der NOx mit NH&sub3; in dem Abgas.
Bei der vorliegenden Erfindung wird die Verbrennung in dem Zylinder des Motors mit einem mageren Luftkraftstoffverhältnis durchgeführt. Deshalb ist die Menge der durch die Verbrennung in dem Zylinder erzeugten NOx größer als die Menge derselben, wenn der Zylinder bei einem fetten Luftkraftstoffverhältnis betrieben wird. Deshalb wird Abgas mit einem mageren Luftkraftstoffverhältnis und mit einer relativ großen Menge an NOx in dem Zylinder gebildet. Die Abgasluftkraftstoffverhältniseinstelleinrichtung fügt Kraftstoff zu diesem Abgas mit dem mageren Luftkraftstoffverhältnis hinzu durch Einspritzen von Kraftstoff in den Zylinder hinein während dem Expansionshub oder dem Auslasshub unter Verwendung des Direktzylindereinspritzventils. Da Kraftstoff zu dem Abgas hinzugefügt wird, ändert sich das Luftkraftstoffverhältnis des Abgases zu einem fetten Luftkraftstoffverhältnis. Da des weiteren die Menge der NOx, die durch die Verbrennung mit dem mageren Luftkraftstoffverhältnis erzeugt wird, sich nicht ändert durch die Kraftstoffeinspritzung während dem Expansions- oder dem Auslasshub, enthält das Abgas noch eine relativ große Menge an NOx selbst nachdem die Kraftstoffeinspritzung während dem Expansions- oder Auslasshub durchgeführt wird. Somit wird das Abgas mit einem fetten Luftkraftstoffverhältnis, das eine relativ große Menge an NOx enthält, in dem Zylinder gebildet durch die Direktzylinderkraftstoffeinspritzung während dem Expansions- oder Auslasshub. Es ist verständlich, dass die NOx-Menge, die in diesem Abgas mit dem fetten Luftkraftstoffverhältnis enthalten ist, größer als die NOx-Menge ist, die in dem Abgas enthalten ist, das durch eine Verbrennung mit einem fetten Luftkraftstoffverhältnis gebildet wird.
Dieses Abgas mit einem fetten Luftkraftstoffverhältnis, das eine relativ große Menge an NOx enthält, wird zu der NH&sub3;- Umwandlungseinrichtung zugeführt, wie beispielsweise einem Dreiwegekatalysator oder einem NOx-Absorptions- Reduktionskatalysator. Da die Menge der NOx in dem Abgas groß ist, wird eine große Menge an NH&sub3; durch die NH&sub3;- Umwandlungseinrichtung erzeugt und zu der Reinigungseinrichtung zugeführt. Deshalb wird eine ausreichende Menge an NH&sub3; für die Reduktion der NOx aus dem Abgas zu der Reinigungseinrichtung zugeführt.
Da des weiteren der in den Zylinder eingespritzte Kraftstoff während dem Expansionshub oder dem Auslasshub kein abgegebenes Drehmoment des Zylinders erzeugt, wird das Motorabgabedrehmoment nicht beeinflusst durch die Kraftstoffeinspritzung während dem Expansionshub oder dem Auslasshub. Deshalb werden erfindungsgemäß die NOx aus dem Abgas mit hoher Effizienz gereinigt ohne dass Schwankungen des abgegebenen Drehmoments des Motors verursacht werden.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die vorliegende Erfindung ist besser verständlich durch die Beschreibung, wie sie nachfolgend angeführt ist, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.
Fig. 1 stellt auf schematische Weise die allgemeine Konfiguration eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Abgasreinigungsvorrichtung dar.
Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht des Zylinders zum Darstellen des Direktzylindereinspritzventils.
Fig. 3 zeigt einen Verlauf typischer Änderungen der Gesamtumwandlungseffizienz der NOx und der Erzeugungsrate der NH&sub3; eines Dreiwegekatalysators in Übereinstimmung mit der Änderung des Überschussluftverhältnisses des Abgases.
Fig. 4 zeigt einen Verlauf typischer Änderungen der Menge der NOx, die in dem Zylinder erzeugt werden, und der Menge der NH&sub3;, die durch einen Dreiwegekatalysator erzeugt wird in Übereinstimmung mit den Änderungen des Überschussluftverhältnisses der Verbrennung in dem Zylinder und in dem Abgas.
Fig. 5 zeigt einen Verlauf der Änderung der Menge der NH&sub3;, die durch den Dreiwegekatalysator in Übereinstimmung mit der Änderung der Überschussluftverhältnisse der Verbrennung in dem Zylinder und dem Abgas erzeugt wird.
Fig. 6 zeigt ein Ablaufdiagramm zum Erläutern des Abgasreinigungsvorgangs des Ausführungsbeispiels von Fig. 1.
Fig. 7 zeigt ein Ablaufdiagramm zum Erläutern des KRaftstoffeinspritzsteuervorgangs, der bei dem Abgasreinigungsvorgang von Fig. 6 durchgeführt wird.
Fig. 8 stellt auf schematische Weise die allgemeine Konfiguration eines anderen Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Abgasreinigungsvorrichtung dar.
Fig. 9 stellt auf schematische Weise die allgemeine Konfiguration eines anderen Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Abgasreinigungsvorrichtung dar.
Fig. 10 stellt auf schematische Weise die allgemeine Konfiguration eines anderen Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Abgasreinigungsvorrichtung dar.
Fig. 11 zeigt ein Ablaufdiagramm zum Erläutern des Abgasreinigungsvorgangs des Ausführungsbeispiels von Fig. 10.
Fig. 12 stellt auf schematische Weise die allgemeine Konfiguration eines anderen Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Abgasreinigungsvorrichtung dar.
Fig. 13 zeigt ein Ablaufdiagramm zum Erläutern des Abgasreinigungsvorgangs des Ausführungsbeispiels von Fig. 12.
Fig. 14 zeigt ein Ablaufdiagramm zum Erläutern des Kraftstoffeinspritzsteuervorgangs, der bei dem Abgasreinigungsvorgang von Fig. 12 durchgeführt wird.
Fig. 15 stellt auf schematische Weise die allgemeine Konfiguration eines anderen Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Abgasreinigungsvorrichtung dar.
Fig. 16 stellt auf schematische Weise die allgemeine Konfiguration eines anderen Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Abgasreinigungsvorrichtung dar.
Fig. 17 zeigt ein Ablaufdiagramm zum Erläutern des Abgasreinigungsvorgangs des Ausführungsbeispiels von Fig. 16.
Fig. 18 zeigt ein Ablaufdiagramm zum Erläutern des Kraftstoffeinspritzsteuervorgangs, der bei dem Abgasreinigungsvorgang von Fig. 16 durchgeführt wird.
Fig. 19 stellt auf schematische Weise die allgemeine Konfiguration eines anderen Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Abgasreinigungsvorrichtung dar.
Fig. 20 zeigt ein Ablaufdiagramm zum Erläutern des Abgasreinigungsvorgangs des Ausführungsbeispiels von Fig. 19.
Fig. 21 und 22 zeigen Ablaufdiagramme zum Erläutern des Kraftstoffeinspritzsteuervorgangs, der bei dem Abgasreinigungsvorgang von Fig. 19 durchgeführt wird.
Fig. 23 stellt auf schematische Weise die allgemeine Konfiguration eines anderen Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Abgasreinigungsvorrichtung dar.
Fig. 24 stellt auf schematische Weise die allgemeine Konfiguration eines anderen Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Abgasreinigungsvorrichtung dar.
Fig. 25 stellt auf schematische Weise die allgemeine Konfiguration eines anderen Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Abgasreinigungsvorrichtung dar.
Fig. 26 stellt auf schematische Weise die allgemeine Konfiguration eines anderen Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Abgasreinigungsvorrichtung dar.
Fig. 27 stellt auf schematische Weise die allgemeine Konfiguration eines anderen Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Abgasreinigungsvorrichtung dar.
Fig. 28 zeigt ein Ablaufdiagramm zum Erläutern des Abgasreinigungsvorgangs des Ausführungsbeispiels von Fig. 23.
Und Fig. 29 zeigt ein Diagramm zum Erläutern der Änderungen der Mengen der NOx, die in den NOx-Absorptions- Reduktionskatalysatoren absorbiert werden während dem Abgasreinigungsvorgang von Fig. 28.

Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung detailliert erläutert unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. In den beigefügten Zeichnungen bezeichnen dieselben Bezugszeichen ähnliche Elemente. In den nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispielen zeigen die Figurern 1, 8 bis 10 und 23 bis 26 die Ausführungsbeispiele, wobei das gesamte Abgas aus den Zylindern durch die NH&sub3;- Umwandlungseinrichtung hindurchströmt, und die Fig. 12, 15, 16, 19 und 27 zeigen die Ausführungsbeispiele, wobei nur das Abgas von bestimmten Zylindern durch die NH&sub3;- Umwandlungseinrichtung hindurchströmt und das Abgas nach dem Durchtritt durch die NH&sub3;-Umwandlungseinrichtung sich mit dem Abgas von den anderen Zylindern mischt.
Des weiteren wird bei den Ausführungsbeispielen von Fig. 1, 8 bis 10, 12, 15, 16 und 19 ein Dreiwegekatalysator als die NH&sub3;- Umwandlungseinrichtung verwendet. Bei diesen Ausführungsbeispielen repräsentieren die Fig. 1, 8, 12 und 15 den Fall, wobei sowohl ein NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator als auch ein NH&sub3;-Absorptions-Denitrierkatalysator als die Reinigungseinrichtung verwendet werden. Im Gegensatz hierzu wird nur der NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator in Fig. 10 verwendet und nur der NH&sub3;-Absorptions-Denitrierkatalysator wird in den Fig. 10, 16 und 17 als die Reinigungseinrichtung verwendet.
Des weiteren wird bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 23 bis 27 der NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator als die NH&sub3;- Umwandlungseinrichtung verwendet. Die NOx-Absorptions- Reduktionskatalysatoren bei diesen Ausführungsbeispielen werden nämlich als die NH&sub3;-Umwandlungseinrichtung sowie als die Reinigungseinrichtung verwendet.
Der Dreiwegekatalysator, der NOx-Absorptions- Reduktionskatalysator und der NH&sub3;-Adsorptions- Denitrierkatalysator werden später detailliert erläutert.
Nachfolgend werden die jeweiligen Ausführungsbeispiele erläutert.
Fig. 1 zeigt die allgemeine Konfiguration eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung bei der Anwendung auf einen Fahrzeugmotor. In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine Mehrzylinderbrennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Motor 1 ein 4-Zylindermotor mit Zylindern Nr. 1 bis Nr. 4. Wie später erläutert wird, ist jeder der Zylinder mit einem Direktzylindereinspritzventil (71 bis 74 in Fig. 1) versehen, das Kraftstoff direkt in den Zylinder hinein einspritzt und mit einem mageren Luftkraftstoffverhältnis während dem Normalbetrieb des Motors betrieben wird. Während dem Normalbetrieb des Motors wird nämlich die Verbrennung der Zylinder des Motors mit einem mageren Luftkraftstoffverhältnis durchgeführt.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, strömt das Abgas aus den Zylindern Nr. 1 bis Nr. 4 in einen gemeinsamen Abgaskanal 4 hinein über einen Abgaskrümmer 133. In dem Abgaskanal 4 sind ein Dreiwegekatalysator 5, der als die NH&sub3;-Umwandlungseinrichtung bei diesem Ausführungsbeispiel wirkt, und ein NOx-Absorptions- Reduktionskatalysator 7 und ein NH&sub3;-Adsorptions- Denitrierkatalysator 9, die beide als Reinigungseinrichtungen wirken, in dieser Reihenfolge von dem stromaufwärtigen Ende aus angeordnet.
Das Bezugszeichen 30 in Fig. 1 bezeichnet einen Steuerschaltkreis des Motors 1. Der Steuerschaltkreis 30 kann beispielsweise aus einem Mikrocomputer einer herkömmlichen Art bestehen, der einen ROM (Read Only Memory = Nur Lese Speicher), einen RAM (Random Access Memory = Flüchtiger Zugriffspeicher), eine CPU (Mikroprozessor) aufweist. Der Steuerschaltkreis 30 führt eine Grundsteuerung des Motors durch, wie beispielsweise eine Kraftstoffeinspritzsteuerung und eine Zündzeitpunktsteuerung.
Das Bezugszeichen 21 in Fig. 1 ist ein Ansaugkrümmer, der den Ansauganschluss der jeweiligen Zylinder mit einem gemeinsamen Ansaugluftkanal 2 verbindet. Das Direktzylindereinspritzventil spritzt, wie in Fig. 2 gezeigt ist, Kraftstoff direkt in den Zylinder hinein ein ansprechend auf ein Kraftstoffeinspritzsignal von dem Steuerschaltkreis 30. Bei diesem Ausführungsbeispiel spritzt das Direktzylindereinspritzventil von jedem Zylinder Kraftstoff während dem Ansaughub oder dem Kompressionshub des Zylinders ein, um eine Verbrennung des Luftkraftstoffgemisches mit einem mageren Luftkraftstoffverhältnis in dem Zylinder zu veranlassen. Diese Kraftstoffeinspritzung, die während dem Ansaughub oder dem Kompressionshub durchgeführt wird, um die Verbrennung in dem Zylinder zu veranlassen, wird nachfolgend als die Primärkraftstoffeinspritzung bezeichnet.
Wenn es als die ABgasluftkraftstoffverhältniseinstelleinrichtung wirkt, spritzt das Direktzylindereinspritzventil des weiteren Kraftstoff während dem Expansionshub (vorzugsweise während der letzten Hälfte desselben) oder dem Auslasshub des Zylinders Kraftstoff ein zusätzlich zu der Primärkraftstoffeinspritzung. Durch Durchführen der Kraftstoffeinspritzung während dem Expansionshub oder dem Auslasshub wird Kraftstoff weiter zu dem Verbrennungsgas hinzugefügt, das durch die Verbrennung mit dem mageren Luftkraftstoffverhältnis in dem Zylinder erzeugt wird, und dadurch wird das Luftkraftstoffverhältnis des Abgases, das den Zylinder verlässt, auf ein fettes Luftkraftstoffverhältnis eingestellt. Diese Kraftstoffeinspritzung, die während dem Expansionshub oder dem Auslasshub durchgeführt wird, um das Luftkraftstoffverhältnis des Abgases auf ein fettes Luftkraftstoffverhältnis einzustellen, wird nachfolgend als die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung bezeichnet. Der Kraftstoff, der durch die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung eingespritzt wird, verbrennt nicht in dem Zylinder, sondern wird durch die Wärme des Verbrennungsgases in dem Zylinder verdampft und gleichförmig mit dem Verbrennungsgas in dem Zylinder vermischt. Deshalb wird ein gleichförmiges Gemisch des Abgases und des verdampften Kraftstoffs von dem Zylinder abgegeben. Da der Kraftstoff, der durch die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung eingespritzt wird, nicht in dem Zylinder verbrennt, trägt er nicht zum Erzeugen des abgegebenen Drehmoments des Zylinders bei. Deshalb bleibt das abgegebene Drehmoment der jeweiligen Zylinder dasselbe, selbst wenn die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung durchgeführt wird. Selbst wenn die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung nur in dem besonderen Zylinder oder den besonderen Zylindern des Motors durchgeführt wird, treten Schwankungen des abgegebenen Drehmoments des Motors des weiteren nicht auf.
Gewöhnlich enthalten Kraftstoffe wie beispielsweise Benzin oder Diesel eine große Menge an Kohlenwasserstoffen mit relativ großen Molekulargewichten. Wenn derartiger Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt wird durch die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung, tritt eine Spaltung der schweren Kohlenwasserstoffe auf aufgrund einer hohen Temperatur und eines hohen Drucks in dem Zylinder und Kohlenwasserstoffe mit kleineren Molekulargewichten werden erzeugt. Diese Kohlenwasserstoffe mit den kleineren Molekulargewichten erzeugen auf einfache Weise CO und H&sub2; in dem Abgas durch Wassergasreaktionen. Wenn eine zusätzliche Kraftstoffeinspritzung durchgeführt wird, enthält deshalb das Abgas, das die Zylinder verlässt, relativ große Mengen an CO, H&sub2; und aktive leichte Kohlenwasserstoffe.
Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Primärkraftstoffeinspritzung während dem Ansaughub des Zylinders durchgeführt werden, um ein gleichförmiges Luftkraftstoffgemisch mit einem mageren Luftkraftstoffverhältnis in dem Zylinder zu bilden. Dabei tritt eine Verbrennung mit einem mageren Luftkraftstoffverhältnis eines gleichförmigen Luftkraftstoffgemisches in dem Zylinder auf. Alternativ kann die Primärkraftstoffeinspritzung während der Periode von der letzten Hälfte des Ansaughubs zu der ersten Hälfte des Kompressionshubs durchgeführt werden, um ein brennbares Luftkraftstoffgemisch nahe der Zündkerze zu schichten. Dabei tritt eine geschichtete Ladungsverbrennung mit einem mageren Luftkraftstoffverhältnis in dem Zylinder auf.
Als nächstes wird der Dreiwegekatalysator 5 bei diesem Ausführungsbeispiel erläutert.
Der Dreiwegekatalysator 5 verwendet beispielsweise ein Honigwabensubstrat, das aus Kordierit hergestellt ist, und eine dünne Aluminiumschicht, die als ein Träger für den Katalysator wirkt, ist auf die Oberfläche des Substrat geschichtet. Auf diesem Träger sind Edelmetalle wie beispielsweise Platin Pt, Rhodium Rh und Palladium Pd angebracht. Der Dreiwegekatalysator 5 wandelt HC, CO, NOx aus dem Abgas mit hoher Effizienz um, wenn das Luftkraftstoffverhältnis des Abgases das stöchiometrische Luftkraftstoffverhältnis ist (das heißt Überschussluftverhältnis λ = 1,0). Die Umwandlungsraten von HC und CO werden höher als die des stöchiometrischen Luftkraftstoffverhältnisses, wenn das Luftkraftstoffverhältnis mager wird (λ > 1,0). Umgekehrt wird die Umwandlungsrate der NOx höher als die des stöchiometrischen Luftkraftstoffverhältnisses, wenn das Luftkraftstoffverhältnis fett wird (λ < 1,0).
Wie vorstehend angeführt ist, bestehen die meisten NOx in dem Abgas von dem Motor 1 aus NO. Wenn λ < 1,0 ist (das heißt wenn das Luftkraftstoffverhältnis des Abgases fett ist), wird ein Teil dieser NO durch den Dreiwegekatalysator 5 durch folgende Reduktionsreaktionen umgewandelt:
2CO + 2NO → N&sub2; + 2CO&sub2;, und
2H&sub2; + 2NO → N&sub2; + 2H&sub2;O.
Ein restlicher Teil der NO wird zu NH&sub3; umgewandelt durch folgende Reaktion:
5H&sub2; + 2NO → 2NH&sub3; + 2H&sub2;O.
Die Umwandlungsrate von NO zu NH&sub3; wird höher, wenn sich die Menge des in dem Dreiwegekatalysator enthaltenen Rhodiums Rh erhöht. Des weiteren zeigt Palladium Pd als eine katalytische Komponente eine relativ hohe Umwandlungsrate von NO zu NH&sub3; und zeigt auch eine hohe Oxidationsfähigkeit für HC und CO.
Da bei diesem Ausführungsbeispiel NH&sub3; zum Reduzieren der NOx an dem Denitrierkatalysator 9 verwendet wird stromabwärts des Dreiwegekatalysators 5, werden vorzugsweise in dem Dreiwegekatalysator 5 soviel NH&sub3; wie möglich erzeugt. Deshalb trägt der Dreiwegekatalysator 5 bei diesem Ausführungsbeispiel eine relativ große Menge an Rhodium Rh oder Palladium Pd.
Fig. 3 zeigt die Änderungen der gesamten Umwandlungsrate von NOx (das heißt das Verhältnis der Menge der NOx, die zu N&sub2; und NH&sub3; umgewandelt werden, zu der Menge der NOx, die in den Katalysator einströmen) und die Erzeugungsrate von NH&sub3; (das heißt das Verhältnis der Menge der NOx, die zu NH&sub3; umgewandelt werden, zu der Menge der NOx, die in den Katalysator einströmen) des Dreiwegekatalysators 5 in Übereinstimmung mit der Änderung des Luftkraftstoffverhältnisses des Abgases. Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, vermindert sich die gesamte Umwandlungsrate der NOx (die durchgezogene Linie in Fig. 3) schnell, wenn das Luftkraftstoffverhältnis des Abgases größer wird als das stöchiometrische Luftkraftstoffverhältnis (λ = 1,0). Wenn das in den Dreiwegekatalysator 5 einströmende Abgas mager wird (λ > 1,0), erhöht sich deshalb die Menge der NOx schnell, die durch den Dreiwegekatalysator 5 hindurch treten ohne zu N&sub2; und NH&sub3; umgewandelt zu werden.
Wenn das Luftkraftstoffverhältnis fett wird, erhöht sich folglich die gesamte Umwandlungsrate der NOx und wird fast 100%, wenn das Überschussluftverhältnis λ des Abgases kleiner als etwa 0,95 ist. Wenn das Überschussluftverhältnis des Abgases kleiner als 0,95 ist, werden deshalb alle NOx in dem Abgas, das in den Katalysator 5 einströmt, zu N&sub2; und NH&sub3; umgewandelt und das aus dem Katalysator 5 ausströmende Abgas enthält keine NOx.
Die Erzeugungsrate der NH&sub3; (die gestrichelte Linie in Fig. 3) ist fast gleich Null, wenn das Luftkraftstoffverhältnis höher als das stöchiometrische Luftkraftstoffverhältnis wird. Jedoch in dem Bereich λ < 1,0 erhöht sich die Erzeugungsrate der NH&sub3;, wenn sich das Überschussluftverhältnis λ vermindert und wird im wesentlichen konstant in dem Bereich von λ ≤ 0,95. Wenn das Überschussluftverhältnis des Abgases sich in dem Bereich λ ≤ 0,95 befindet, werden deshalb alle NOx zu N&sub2; und NH&sub3; umgewandelt und des weiteren wird die Erzeugungsrate der NH&sub3; maximal.
Als nächstes wird der NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator 7 bei diesem Ausführungsbeispiel erläutert.
Der NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator 7 bei diesem Ausführungsbeispiel verwendet beispielsweise Aluminium als einen Träger und auf diesem Träger Edelmetalle, wie beispielsweise Platin Pt und zumindest eine Substanz, die ausgewählt ist aus Alkalimetallen, wie beispielsweise Kalium K, Natrium Na, Lithium Li und Cesium Cs; Alkalierdmetalle, wie beispielsweise Barium Ba und Kalzium Ca; und seltene Erdemetalle, wie beispielsweise Lanthan La und Yttrium Y werden getragen. Der NOx-Absorptions- Reduktionskatalysator 7 absorbiert NOx aus dem Abgas in der Gestalt von Salpetersäureionen, wenn das Luftkraftstoffverhältnis des Abgases mager ist (das heißt wenn das Überschussluftverhältnis λ größer als 1,0 ist), und gibt die absorbierten NOx frei, wenn das Überschussluftverhältnis λ des in den NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator einströmenden Abgases kleiner als 1,0 wird (das heißt das Luftkraftstoffverhältnis wird fett). Angesichts des Falls, wobei Platin Pt und Barium Ba auf dem Nox-Absorptions-Reduktionskatalysator 7 getragen werden, wenn die Konzentration der O&sub2; in dem Sauerstoff sich erhöht, das heißt wenn das Überschussluftverhältnis λ des Abgases größer als 1,0 wird, wird nämlich Sauerstoff O&sub2; in dem Abgas auf der Oberfläche des Platins Pt in der Gestalt von O&sub2;&supmin; oder O²&supmin; abgelagert. Die NO in dem Abgas reagieren mit O&sub2;&supmin; oder O²&supmin; an der Oberfläche des Platins Pt und werden zu NO&sub2; durch die Reaktion 2NO + O&sub2; → 2NO&sub2;. Dann werden NO&sub2; in dem Abgas und die NO&sub2;, die an dem Platin Pt erzeugt werden, weiter an der Oberfläche des Platins Pt oxidiert und in den Katalysator hinein absorbiert, während sie an dem Bariumoxid BaO anhaften und in dem Katalysator in der Gestalt von Salpetersäureionen NO&sub3;&supmin; diffundieren. Somit werden NOx aus dem Abgas durch den NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator 7 absorbiert, wenn das Überschussluftverhältnis λ des Abgases größer als 1,0 ist.
Wenn andererseits die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas niedrig wird, das heißt wenn das Überschussluftverhältnis λ des Abgases zu λ ≤ 1,0 wird, wird die Erzeugung der NO&sub2; an der Oberfläche des Platins Pt gesenkt und die Reaktion schreitet in der umgekehrten Richtung fort (NO&sub3;&supmin; → NO&sub2;), und somit werden Salpetersäureionen NO&sub3;&supmin; in dem Katalysator freigegeben in der Gestalt von NO&sub2; von dem NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator 7.
Wenn dabei eine Reduktionssubstanz, wie beispielsweise NH&sub3;, CO, H&sub2;, oder eine Substanz, wie beispielsweise HC, CO&sub2; in dem Abgas existiert, werden freigegebene NOx an dem Platin Pt durch diese Komponenten reduziert.
Wie vorstehend erläutert ist, wenn die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung durchgeführt wird, enthält das Abgas, das die Zylinder des Motors 1 verlässt, eine große Menge an HC, CO und CO&sub2; sowie H&sub2;, die durch die Wassergasreaktionen erzeugt werden. Des weiteren reagiert bei diesem Zustand ein Teil der NOx in dem Abgas mit H&sub2; und CO in dem Abgas bei dem Dreiwegekatalysator 5 und erzeugt NH&sub3; in dem Abgas. Wenn die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung durchgeführt wird, werden deshalb die NOx, die von dem NOx-Absorptions- Reduktionskatalysator 7 freigegeben werden, zu N&sub2; reduziert durch HC, CO, H&sub2; und NH&sub3; in dem Abgas. Da insbesondere die Reduktionsfähigkeit der NH&sub3; groß ist, werden NOx reduziert mit hoher Effizienz, wenn die Konzentration der NH&sub3; in dem Abgas höher wird.
Außerdem wandelt der NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator auch NOx aus dem Abgas zu NH&sub3; um durch einen Mechanismus, der genau derselbe wie der des Dreiwegekatalysators ist. Deshalb kann ein NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator verwendet werden als die NH&sub3;-Umwandlungseinrichtung anstelle des Dreiwegekatalysators.
Ausführungsbeispiele, wobei der NOx-Absorptions- Reduktionskatalysator als die NH&sub3;-Umwandlungseinrichtung verwendet wird, werden später erläutert.
Als nächstes wird der NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 bei diesem Ausführungsbeispiel erläutert.
Der NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysator bei den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung verwendet beispielsweise ein Honigwabensubstrat, das aus Kordierit hergestellt ist, und eine Aluminiumschicht, die als ein Träger für den Katalysator wirkt, ist auf die Zellenoberfläche des Honigwabensubstrats geschichtet. Auf diesem Träger wird zumindest eine Substanz, die ausgewählt ist aus Elementen, die zu der vierten Periode oder der achten Gruppe der Periodentabelle der Elemente gehören, wie beispielsweise Kupfer Cu, Chrom Cr, Vanadium V, Titan Ti, Eisen Fe, Nickel Ni, Kobald Co, Platin Pt, Palladium Pd, Rhodium Rh und Iridium Ir als ein Katalysator getragen. Des weiteren ist bei diesem Ausführungsbeispiel eine NH&sub3;-Adsorptionssubstanz, die später erläutert wird, auch an dem Substrat des NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysators 9 angebracht, um den Katalysator 9 mit einer NH&sub3;-Adsorptionsfähigkeit zu versehen.
Der NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysator kann alle NH&sub3; aus dem Abgas umwandeln, das in den Katalysator einströmt, zu N&sub2;, vorausgesetzt, dass sich das Abgas in einer oxidierenden Atmosphäre befindet (das heißt λ > 1,0) und die Temperatur des Katalysators sich innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs befindet, wie sie durch die als der Katalysator verwendete Substanz bestimmt ist. Wenn nämlich die Temperatur des NH&sub3;- Adsorptions-Denitrierkatalysators 9 sich in dem bestimmten Temperaturbereich befindet, und das Überschussluftverhältnis λ des Abgases, das in den Katalysator einströmt, größer als 1,0 ist, treten in dem NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysator die folgenden Denitrierreaktionen auf:
8NH&sub3; + 6NO&sub2; → 12H&sub2;O + 7N&sub2;
4NH&sub3; + 4NO + O&sub2; → 6H&sub2;O + 4N&sub2;
zusätzlich zu den Oxidationsreaktionen:
4NH&sub2; + 7O&sub2; → 4NO&sub2; + 6H&sub2;O
4NH&sub3; + 5O&sub2; → 4NO + 6H&sub2;O
Aufgrund dieser Denitrierreaktionen werden die NOx- Bestandteile, die durch die Oxidationsreaktionen erzeugt werden, sofort zu N&sub2;-Bestandteilen umgewandelt. Infolge dessen werden durch diese aufeinanderfolgenden Reaktionen alle NH&sub3;, die in den NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 einströmen, zu N&sub2; umgewandelt.
Wenn des weiteren das Abgas NOx enthält zusätzlich zu NH&sub3;, werden NOx durch die vorstehend erläuterten Denitrierreaktionen zu N&sub2; reduziert. Wenn dabei die Menge der NH&sub3; in dem Abgas größer als die Menge ist, die erforderlich ist zum Reduzieren aller NOx, die in dem Abgas enthalten sind, wird ein Überschuss an NH&sub3; zu N&sub2; umgewandelt durch die vorstehend erläuterten aufeinanderfolgenden Oxidier- und Denitrierreaktionen und tritt nicht durch den NH&sub3;- Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 hindurch. Wenn des weiteren HC und CO in dem Abgas enthalten sind zusätzlich zu NH&sub3;, werden HC und CO oxidiert durch den NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 und treten nicht durch den NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysator hindurch, vorausgesetzt, dass das Überschussluftverhältnis λ des Abgases größer als 1,0 ist.
Der besondere Temperaturbereich, der vorstehend erläutert ist, ändert sich in Übereinstimmung mit der Substanz, die als der Katalysator verwendet wird. Der besondere Temperaturbereich des NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysators ist im allgemeinen niedriger als der Temperaturbereich, in dem andere Katalysatoren, wie beispielsweise der Dreiwegekatalysator verwendet werden.
Beispielsweise beträgt der besondere Temperaturbereich in etwa 100ºC bis 400ºC, wenn die Substanz, wie beispielsweise Platin Pt, Palladium Pd, Rhodium Rh als der Katalysator verwendet werden. Insbesondere wenn Platin Pt verwendet wird, ist ein Temperaturbereich von 100ºC bis 300ºC zu bevorzugen und ein Temperaturbereich von 150ºC bis 250ºC ist am meisten zu bevorzugen. Wenn Palladium Pd und Rhodium Rh verwendet werden, ist ein Temperaturbereich von 150ºC bis 400ºC zu bevorzugen und ein Temperaturbereich von 150ºC bis 300ºC ist am meisten zu bevorzugen. Wenn des weiteren Substanzen, wie beispielsweise Kupfer Cu, Chrom Cr und Eisen verwendet werden, beträgt der besondere Temperaturbereich in etwa 150ºC bis 650ºC und ein Temperaturbereich von 150ºC bis 500ºC ist zu bevorzugen.
Wenn die Temperatur des NH&sub3;-Adsorptions- Denitrierkatalysators sich oberhalb des besonderen Temperaturbereichs befindet, werden die Oxidationsreaktionen dominant in dem Katalysator und die Menge der NH&sub3;, die durch den Katalysator oxidiert werden, erhöht sich. Somit treten die Denitrierreaktionen kaum in dem Katalysator auf aufgrund der Verknappung der NH&sub3; in dem Abgas und die durch die Oxidationsreaktionen erzeugten NOx strömen aus dem NH&sub3;- Adsorptions-Denitrierkatalysator aus ohne durch die Denitrierreaktionen reduziert zu werden.
Wenn andererseits die Temperatur des NH&sub3;-Adsorptions- Denitrierkatalysators sich unterhalb des besonderen Temperaturbereichs befindet, treten die Oxidationsreaktionen aufgrund der niedrigen Temperatur kaum auf. Dies veranlasst die NH&sub3; in dem Abgas zum Hindurchtreten durch den NH&sub3;-Adsorptions- Denitrierkatalysator ohne oxidiert zu werden aufgrund der Verknappung der durch die Oxidationsreaktionen erzeugten NOx.
Bei den nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispielen ist der NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 in dem Abgaskanal 4 bei der Position angeordnet, bei der die Temperatur des Katalysators 9 innerhalb den spezifischen Temperaturbereich fällt, wie vorstehend erläutert ist, während dem Betrieb des Motors 1. Die Temperatur des NH&sub3;-Adsorptions- Denitrierkatalysators 9 kann in dem besonderen Temperaturbereich gesteuert werden durch Vorsehen eines Kühlwassermantels oder von Kühlrippen an dem NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysator 9.
Als nächstes wird die NH&sub3;-Adsorptionssubstanz erläutert, die an dem Substrat des Katalysators 9 angebracht ist. Es ist in der Technik bekannt, dass eine sauere anorganische Substanz (die Broensted Säuren umfasst, wie beispielsweise Zeolit, Silizium SiO&sub2;, Silizium-Aluminium SiO&sub2;-Al&sub2;O&sub3; und Titanoxid TiO&sub2; sowie Lewis Säuren einschließlich Oxide von Übergangsmetallen, wie beispielsweise Kupfer Cu, Kobalt Co, Nickel N&sub1; und Eisen Fe) NH&sub3; adsorbieren und insbesondere wenn die Temperatur niedrig ist, adsorbieren die Substanzen eine große Menge an NH&sub3;. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden eine oder mehrere dieser sauren anorganischen Substanzen auf dem Substrat des NH&sub3;-Adsorptions- Denitrierkatalysators 9 getragen oder das Substrat selbst kann gebildet sein durch ein poröses Material, das aus sauren anorganischen Substanzen hergestellt ist. Wenn die Konzentration der NH&sub3; in dem Abgas hoch ist, werden die NH&sub3; in dem Abgas durch die sauren anorganischen Substanzen des NH&sub3;- Adsorptionsdenitrierkatalysators 9 adsorbiert, wenn des weiteren die Konzentration der NH&sub3; in dem Abgas niedrig wird, werden die NH&sub3; freigegeben, die in der sauren anorganischen Substanz adsorbiert sind. Deshalb ist der NH&sub3;-Adsorptions- Denitrierkatalysator 9 in der Lage, NOx durch die Denitrierreaktionen zu reduzieren, selbst wenn NH&sub3; nicht in dem Abgas existieren, unter Verwendung der NH&sub3;, die er adsorbiert hat, wenn die NH&sub3;-Konzentration hoch war.
Als ein NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 können andere Arten eines Katalysators verwendet werden. Beispielsweise ein Katalysator, der beispielsweise Zeolit ZSM-5 als ein Substrat verwendet, mit Metallen, wie beispielsweise Kupfer Cu, Eisen Fe oder Platin Pt, das daran angebracht ist durch ein Ionenaustauschverfahren (ein Kupfer-Zeolitkatalysator, ein Eisen- Zeolitkatalysator, ein Platin-Zeolitkatalysator jeweils) kann als der NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysator verwendet werden. Alternativ kann ein Substrat, das aus einem Zeolit wie beispielsweise Mordenit hergestellt ist und ein Edelmetall, wie beispielsweise Platin Pt und/oder andere daran angebrachte Metalle (beispielsweise ein Platin-Mordenit-Katalysator oder ein Platin-Kupfer-Mordenit-Katalysator) auch als der NH&sub3;-Adsorptions- Denitrierkatalysator verwendet werden. Diese Zeolit-NH&sub3;- Adsorptions-Denitrierkatalysatoren fangen NH&sub3;, HC und CO- Bestandteile aus dem Abgas in den Poren des porösen Zeolits und reduzieren wahlweise NOx aus dem Abgas unter Verwendung dieser gefangenen Bestandteile (sowie NH&sub3;, HC, CO aus dem Abgas) selbst in einer oxidierenden Atmosphäre.
Als nächstes wird der Abgasreinigungsvorgang des Ausführungsbeispiels von Fig. 1 erläutert.
Bei der nachfolgenden Erläuterung bedeutet der Ausdruck "ein Luftkraftstoffverhältnis der Verbrennung" (oder "ein Überschussluftverhältnis der Verbrennung") ein Luftkraftstoffverhältnis (ein Überschussluftverhältnis) des Luftkraftstoffgemisches in dem gesamten Zylinder, wenn die Verbrennung des gleichförmigen Luftkraftstoffgemisches, wie vorstehend erläutert ist, in dem Zylinder stattfindet und ein Luftkraftstoffverhältnis (ein Überschussluftverhältnis) des geschichteten Luftkraftstoffgemisches, wenn die geschichtete Ladungsverbrennung in dem Zylinder stattfindet.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 werden alle Zylinder Nr. 1 bis Nr. 4 bei einem mageren Luftkraftstoffverhältnis während dem normalen Betrieb betrieben. Dabei ist das Überschussluftverhältnis der Verbrennung in den jeweiligen Zylindern auf einen Wert eingerichtet, bei dem die Menge der NOx, die durch die Verbrennung erzeugt wird, so klein wie möglich wird (beispielsweise λ &sim; 1,4). Des weiteren wird die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung nicht während dem normalen Betrieb durchgeführt. Deshalb hat das Abgas, das die Zylinder während dem normalen Betrieb verlässt, ein mageres Luftkraftstoffverhältnis und enthält eine relativ kleine Menge an NOx. Dieses Abgas mit dem mageren Luftkraftstoffverhältnis strömt in den Dreiwegekatalysator 5 ein während dem normalen Betrieb. Da jedoch die Umwandlungseffizienz der NOx schnell abfällt, wenn das Luftkraftstoffverhältnis des Abgases mager ist, wie in Fig. 3 erläutert ist, tritt ein großer Teil der NOx in dem Abgas durch den Dreiwegekatalysator 5 hindurch ohne reduziert zu werden und strömt in den NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator 7 ein. Da der NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator 7 NOx absorbiert, wenn das Abgas sich bei einem mageren Luftkraftstoffverhältnis befindet, werden die NOx, die durch den Dreiwegekatalysator 5 ohne reduziert zu werden hindurch treten, in dem NOx-Absorptions- Reduktionskatalysator 7 absorbiert.
Die durch die Verbrennung mit dem mageren Luftkraftstoffverhältnis in dem Zylinder während dem normalen Betrieb erzeugten NOx werden nämlich zeitweilig in dem NOx- Absorptions-Reduktionskatalysator 7 gespeichert. Wenn der normale Betrieb des Motors sich für eine lange Zeit fortsetzt, erhöht sich deshalb die Menge der NOx, die in dem NOx-Absorptions- Reduktionskatalysator 7 absorbiert wird, und dies kann verursachen, dass der NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator mit absorbierten NOx gesättigt wird. Um dieses Problem zu verhindern, wird die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung an allen Zylindern für eine kurze Periode durchgeführt, wenn die Menge der NOx sich erhöht, die in dem NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator 7 absorbiert ist. Durch Durchführen der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung wird das Luftkraftstoffverhältnis des Abgases von den Zylindern zu einem fetten Luftkraftstoffverhältnis verschoben und ein Teil der NOx in dem Abgas wird zu NH&sub3; umgewandelt an dem Dreiwegekatalysator 5. Wenn die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung begonnen wird, strömt somit ein Abgas mit einem fetten Luftkraftstoffverhältnis, das eine relativ große Menge an NH&sub3; enthält, in den NOx-Absorptions- Reduktionskatalysator 7 ein und dadurch werden die NOx freigegeben, die in dem NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator 7 absorbiert sind, aufgrund des Abgases mit dem fetten Luftkraftstoffverhältnis, und durch NH&sub3;, HC und CO in dem Abgas reduziert.
Wie vorstehend erläutert ist, werden die NOx, die in dem NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator 7 absorbiert sind, freigegeben und reduziert durch Verschieben des Luftkraftstoffverhältnis des Abgases zu einem fetten Luftkraftstoffverhältnis durch Durchführen der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung auf periodische Weise für eine kurze Zeit während dem normalen Betrieb. In dieser Beschreibung wird der Betrieb zum Verschieben des Luftkraftstoffverhältnisses des Abgases zu einem fetten Luftkraftstoffverhältnis, um eine Freigabe der absorbierten NOx aus dem NOx-Absorptions- Reduktionskatalysator 7 zu veranlassen, als ein "Fettspitzenbetrieb" bezeichnet.
Um alle NOx zu reduzieren, die von dem NOx-Absorptions- Reduktionskatalysator 7 freigegeben werden, ist eine große Menge an NH&sub3; während dem Fettspitzenbetrieb erforderlich. Deshalb ist das Luftkraftstoffverhältnis der Verbrennung in dem Zylinder während dem Fettspitzenbetrieb auf einen Wert eingerichtet, bei dem die Menge der NOx, die durch die Verbrennung erzeugt werden, maximal wird (beispielsweise bei dem Überschussluftverhältnis λ &sim; 1,4), um die Menge der NOx zu erhöhen, die zu dem Dreiwegekatalysator 5 zugeführt werden und dort zu NH&sub3; umgewandelt werden. Des weiteren ist die Menge der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung auf eine derartige Weise eingerichtet, dass das Luftkraftstoffverhältnis des Abgases nach der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung ein Wert wird, bei dem die Umwandlungsrate der NOx zu NH&sub3; durch den Dreiwegekatalysator 5 maximal wird (beispielsweise bei dem Überschussluftverhältnis λ &sim; 0,95).
Als nächstes wird die Funktion des NH&sub3;-Adsorptions- Denitrierkatalysators 9 bei diesem Ausführungsbeispiel erläutert. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine relativ große Menge an NH&sub3; bei dem Dreiwegekatalysator 5 während dem Fettspitzenbetrieb erzeugt. Deshalb tritt in einigen Fällen ein Überschuss an NH&sub3;, die nicht für die Reduktion von NOx an dem NOx-Absorptions- Reduktionskatalysator 7 verwendet wird, durch den NOx- ABsorptions-Reduktionskatalysator 7 hindurch. Dieser Überschuss der NH&sub3; wird durch den NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 adsorbiert und vorläufig darin gespeichert. Andererseits tritt auch eine kleine Menge an NOx durch den NOx-Adsorptions- Reduktionskatalysator 7 hindurch während dem normalen Betrieb und strömt in den NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 ein. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die NOx, die durch den NOx- Absorptions-Reduktionskatalysator während dem normalen Betrieb hindurch treten, durch den NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 reduziert unter Verwendung der NH&sub3;, die darin adsorbiert und gespeichert sind während dem Fettspitzenbetrieb. Deshalb wird bei diesem Ausführungsbeispiel die gesamte Umwandlungseffizienz der NOx durch den NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 verbessert, der in dem Abgaskanal stromabwärts des NOx-Absorptions- Reduktionskatalysators 7 angeordnet ist.
Wie vorstehend erläutert ist, erhöht sich die Menge der NH&sub3;, die durch den Dreiwegekatalysator 5 erzeugt wird, stark durch Durchführen der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung. Der Grund, warum die Menge der NH&sub3;-Erzeugung sich erhöht aufgrund der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung, wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 4 und 5 erläutert.
In Fig. 4 repräsentiert die gestrichelte Linie die Änderung der Menge (die Konzentration) der NOx, die durch die Verbrennung in dem Zylinder in Übereinstimmung mit der Änderung des Überschussluftverhältnisses λ der Verbrennung erzeugt wird. Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, erhöht sich die Menge der NOx- Erzeugung, wenn das Überschussluftverhältnis λ groß wird in dem Bereich, bei dem λ relativ klein ist. Die Menge der NOx-Erzeugung in dem Abgas erreicht ihren maximalen Wert bei λ &sim; 1,2 und in dem Bereich von λ ≥ 1,2 vermindert sich die NOx-Erzeugung, wenn sich λ erhöht. Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1, da das Überschussluftverhältnis des in den Dreiwegekatalysator 5 einströmenden Abgases dasselbe wie das Überschussluftverhältnis der Verbrennung in dem Zylinder ist, wenn die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung nicht durchgeführt wird, ändert sich die Menge der NOx in dem Abgas, das in den Dreiwegekatalysator 5 einströmt, in Übereinstimmung mit dem Überschussluftverhältnis λ, wie durch die gestrichelte Linie in Fig. 4 gezeigt ist, wenn die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung nicht durchgeführt wird. Wie vorstehend erläutert ist, ändert sich die Erzeugungsrate der NH&sub3; durch den Dreiwegekatalysator 5 (das heißt das Verhältnis der Menge der NOx, die zu NH&sub3; umgewandelt wird, zu der Menge der NOx, die in den Katalysator 5 einströmt) in Übereinstimmung mit dem Überschussluftverhältnis des Abgases, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Da die Menge der NH&sub3;, die tatsächlich bei dem Dreiwegekatalysator 5 erzeugt wird, durch das Produkt der Menge der NOx in dem Abgas (die gestrichelte Linie in Fig. 4) und die Erzeugungsrate der NH&sub3; (die gestrichelte Linie in Fig. 3) gegeben ist, ändert sich die Menge der NH&sub3;, die tatsächlich bei dem Dreiwegekatalysator erzeugt wird, in Übereinstimmung mit dem Überschussluftverhältnis λ der Verbrennung, wie durch die durchgezogene Linie in Fig. 4 gezeigt ist. Wie nämlich aus der durchgezogenen Linie in Fig. 4 ersichtlich ist, wenn das Überschussluftverhältnis λ der Verbrennung größer als 1,0 ist, werden NH&sub3; überhaupt nicht erzeugt, obwohl die Menge der NOx relativ groß ist, die durch die Verbrennung erzeugt wird. Wenn im Gegensatz hierzu λ der Verbrennung kleiner als 1,0 ist, obwohl die Erzeugungsrate der NH&sub3; des Dreiwegekatalysators sich erhöht, wird die Menge der NOx, die tatsächlich durch den Dreiwegekatalysator 5 erzeugt wird, relativ klein, da die Menge der NOx, die durch die Verbrennung erzeugt wird, klein wird in dem Bereich von λ. Obwohl des weiteren die Erzeugungsrate der NH&sub3; maximal wird, wenn das Überschussluftverhältnis λ kleiner als ungefähr 0,95 wird, da die Menge der NOx in dem Abgas sich weiter vermindert, vermindert sich die Menge der NH&sub3;-Erzeugung, wenn das Überschussluftverhältnis λ der Verbrennung sich vermindert. Wie des weiteren aus der durchgezogenen Linie von Fig. 4 ersichtlich ist, obwohl die Menge der NH&sub3;, die durch den Dreiwegekatalysator erzeugt wird, maximal wird bei λ &sim; 0,95, ist die Menge der tatsächlich erzeugten NH&sub3; klein selbst bei λ &sim; 0,95.
Wenn das Überschussluftverhältnis der Verbrennung in dem Zylinder und das Überschussluftverhältnis des Abgases, das in den Dreiwegekatalysator 5 einströmt, dasselbe ist, muss somit das Übeschussluftverhältnis der Verbrennung bei dem Wert kleiner als 1,0 eingerichtet werden, um NH&sub3; bei dem Dreiwegekatalysator 5 zu erzeugen. Dies verursacht die Verminderung der in dem Zylinder erzeugten NOx-Menge und die Menge der NH&sub3;, die tatsächlich bei dem Dreiwegekatalysator 5 erzeugt wird, vermindert sich auch aufgrund der Abnahme des Rohmaterials (NOx) in dem Abgas, das für die Erzeugung der NH&sub3; verwendet wird.
Fig. 5 zeigt einen ähnlichen Verlauf wie Fig. 4, wobei die Menge der NH&sub3; gezeigt ist, die durch den Dreiwegekatalysator 5 erzeugt wird, wenn die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung durchgeführt wird. Durch Durchführen der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung kann das Überschussluftverhältnis des in den Dreiwegekatalysator 5 einströmenden Abgases unabhängig von dem Überschussluftverhältnis der Verbrennung in den Zylinder geändert werden. Deshalb kann das Überschussluftverhältnis des in den Dreiwegekatalysator 5 einströmenden Abgases auf 0,95 eingerichtet werden, wobei die Erzeugungsrate der NH&sub3; maximal wird, während das Überschussluftverhältnis der Verbrennung in dem Zylinder bei 1,2 fixiert wird, wobei die durch die Verbrennung erzeugte NOx-Menge maximal wird. Die durchgezogene Linie in Fig. 5 repräsentiert die Menge der NH&sub3;, die bei dem Dreiwegekatalysator 5 erzeugt wird, wenn das Überschussluftverhältnis der Verbrennung in dem Zylinder bei λ = 1,2 fixiert ist. Dabei ändert sich die bei dem Katalysator 5 erzeugte NH&sub3;-Menge auf die Weise ähnlich der durchgezogenen Linie von Fig. 3 und wenn das Überschussluftverhältnis des in den Katalysator 5 einströmenden Abgases niedriger als ungefähr 0,95 wird, wird eine große Menge an NH&sub3; durch den Dreiwegekatalysator 5 erzeugt.
Wenn des weiteren die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung durchgeführt wird, erhöht sich die Menge der Kohlenwasserstoffe mit dem kleineren Molekulargewicht aufgrund der Spaltung von Kraftstoff, der durch die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung eingespritzt wird. Leichte Kohlenwasserstoffe mit einem kleineren Molekulargewicht haben höhere Aktivitäten im Vergleich mit schwereren Kohlenwasserstoffen und erzeugen leicht CO und H&sub2; durch Wassergasreaktionen an dem Dreiwegekatalysator. Wie vorstehend erläutert ist, sind CO und H&sub2; erforderlich zum Umwandeln von NOx zu NH&sub3;. Da die Menge der CO und H&sub2; sich auch erhöht aufgrund der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung, erhöht sich deshalb die Menge der NH&sub3;, die bei dem Dreiwegekatalysator erzeugt wird, weiter aufgrund der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung. Des weiteren sind die leichten Kohlenwasserstoffe, CO und H&sub2; in dem Abgas sehr fähig beim Reduzieren von NOx durch sie selbst an dem NOx-Absorptions- Reduktionskatalysator und NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysator. Deshalb werden leichte Kohlennwasserstoffe, CO und H&sub2;, die durch die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung erzeugt werden, angewandt zum Reduzieren von NOx bei dem NOx-Absorptions- Reduktionskatalysator und dem NH&sub3;-Adsorptions- Denitrierkatalysator, selbst wenn diese Komponenten nicht zu NH&sub3; umgewandelt werden bei dem Dreiwegekatalysator.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 ist das Überschussluftverhältnis der Verbrennung in den Zylindern bei λ &sim; 1,2 eingerichtet während dem Fettspitzenbetrieb und das Überschussluftverhältnis des in den Dreiwegekatalysator 5 einströmenden Abgases ist eingestellt bei λ &sim; 0,95 durch die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung, um die Menge der NH&sub3; zu erhöhen, die bei dem Dreiwegekatalysator 5 erzeugt wird, auf das Maximum.
Fig. 6 zeigt ein Ablaufdiagramm zum Erläutern des Abgasreinigungsvorgangs des vorliegenden Ausführungsbeispiels. Dieser Betrieb wird durch eine Routine durchgeführt, die durch den Steuerschaltkreis 30 bei vorgegebenen Intervallen ausgeführt wird.
In Fig. 6 bestimmt der Betrieb, ob der Wert einer mageren Betriebsmarke FL bei 1 eingerichtet ist. Der Wert der mageren Betriebsmarke FL repräsentiert, ob der Fettspitzenbetrieb (und die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung) durchgeführt werden sollte und FL = 1 bedeutet, dass der Fettspitzenbetrieb nicht durchgeführt werden sollte. Wenn FL = 1 beim Schritt 601 gilt, bedeutet dies, dass das Abgas mit dem Überschussluftverhältnis, dasselbe wie das der Verbrennung in den Zylindern, in den Dreiwegekatalysator 5 einströmt. Der Wert der Marke FL wird bei den Schritten 609 und 617 eingerichtet, wie später erläutert wird.
Wenn FL = 1 beim Schritt 601 gilt, führt der Betrieb die Schritte 603 und 605 durch, um die Menge FNOx der in dem NOx- Absorptions-Reduktionskatalysator 7 absorbierten und gespeicherten NOx zu berechnen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Menge der durch den Motor 1 pro Zeiteinheit (ANOx) erzeugten NOx-Menge tatsächlich gemessen im Voraus durch Betreiben des tatsächlichen Motors bei verschiedenen Motorlastbedingungen (beispielsweise Luftansaugmenge Q, Motordrehzahl N), und die gemessenen Mengen der erzeugten NOx werden in dem ROM der ECU 30 gespeichert in der Gestalt einer numerischen Tabelle unter Verwendung der Motorluftansaugmenge Q und der Drehzahl N als Parameter. Beim Schritt 603 wird die Menge der NOx (ANOx), die durch den Motor pro Zeiteinheit erzeugt wird, aus dieser numerischen Tabelle auf der Grundlage von Q und N bestimmt. Die Zeiteinheit, die zu messen von ANOx verwendet wird, ist beispielsweise bei derselben Zeit eingerichtet wie das Intervall der Ausführung der Routine zum Durchführen des Betriebs von Fig. 6. Beim Schritt 605 wird die Menge FNOx der in dem NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator gespeicherten NOx erhalten durch Akkumulieren der Werte von ANOx. Die Menge der in dem NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator pro Zeiteinheit absorbierten NOx ist proportional zu der Menge der NOx, die in den Katalysator pro Zeiteinheit einströmt (das heißt ANOx). Da FNOx der Integralwert von ANOx ist, repräsentiert der Wert FNOx die Menge der NOx, die in dem NOx-Absorptions- Reduktionskatalysator gespeichert ist.
Nach dem Berechnen der Menge FNOx bestimmt der Betrieb, ob die Menge FNOx, das heißt die Menge der in dem NOx-Absorptions- Reduktionskatalysator 7 gespeicherten NOx einen vorgegebenen Wert FNOx&sub0; erreicht. Der Wert FNOx&sub0; entspricht einer Menge der absorbierten NOx, bei der die Fähigkeit des NOx-Absorptions- Reduktionskatalysators zum Absorbieren der NOx in dem Abgas die Verminderung beginnt und ist bei diesem Ausführungsbeispiel bei einem Wert in etwa bei 70% der maximalen Menge der NOx eingerichtet, die der NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator speichern kann (das heißt ungefähr 70% der Sättigungsmenge). Wenn FNOx < FNOx&sub0; beim Schritt 607 gilt, da der NOx-Absorptions- Reduktionskatalysator noch eine ausreichende Kapazität für die Absorption von NOx in dem Abgas hat, wird der Betrieb sofort beendet, das heißt der Betrieb mit dem mageren Luftkraftstoffverhältnis des Motors wird fortgesetzt.
Wenn jedoch beim Schritt 607 FNOx ≥ FNOx&sub0; gilt, da die Fähigkeit des NOx-Absorptions-Reduktionskatalysators abzunehmen beginnt aufgrund der Erhöhung der absorbierten NOx, führt der Betrieb den Schritt 609 durch, um den Wert der Magerbetriebsmarke FL auf 0 zurückzusetzen, und den Schritt 611, um den Wert eines Zählers CT zu ermitteln, der die Länge der Periode zum Durchführen des Fettspitzenbetriebs repräsentiert.
Der Wert des Zählers CT, das heißt die Länge der Periode zum Durchführen des Fettspitzenbetriebs muss auf eine derartige Weise ermittelt werden, dass die Gesamtmenge der NH&sub3;, HC unc CO, die durch die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung während dem Fettspitzenbetrieb erzeugt wird, ausreichend groß ist zum Reduzieren der NOx-Menge, die in dem NOx-Absorptions- Reduktionskatalysator 7 gespeichert ist. Obwohl die Menge der NOx beim Beginn des Fettspitzenbetriebs ein fixer Wert ist (beispielsweise ungefähr 70% der Sättigungsmenge), ändert sich die Menge der NOx und HC, CO, die durch den Motor pro Zeiteinheit erzeugt wird, in Abhängigkeit von dem Betriebszustand (Luftansaugmenge Q und Motordrehzahl N) des Motors während dem Fettspitzenbetrieb. Deshalb ändert sich die Menge der NH&sub3;, die bei dem Dreiwegekatalysator 5 pro Zeiteinheit erzeugt wird, auch in Abhängigkeit von dem Betriebszustand des Motors. Deshalb wird bei diesem Ausführungsbeispiel die Menge der Periode zum Durchführen des Fettspitzenbetriebs geändert in Übereinstimmung mit dem Betriebszustand des Motors, so dass eine ausreichende Menge an NH&sub3; zum Reduzieren aller NOx, die in dem NOx- Absorptions-Reduktionskatalysator 7 gespeichert sind, während dem Fettspitzenbetrieb erzeugt wird. Wenn beispielsweise die Menge der NOx, die durch den Motor pro Zeiteinheit erzeugt wird, klein ist, muss die Länge der Periode zum Durchführen des Fettspitzenbetriebs (die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung) länger eingerichtet werden, und wenn die Menge der NOx, die durch den Motor pro Zeiteinheit erzeugt wird, groß ist, muss die Länge der Periode bei diesem Ausführungsbeispiel kürzer eingerichtet werden.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Menge der NH&sub3;, die zum Reduzieren der Menge der NOx in Übereinstimmung mit dem Wert FNOx erforderlich ist, im voraus gemessen und die zum Erzeugen dieser Menge an NH&sub3; erforderliche Zeit an der NH&sub3;- Umwandlungseinrichtung wird durch den Betrieb des Motors bei verschiedenen Lastzuständen gemessen. Die gemessene Zeit, die erforderlich ist zum Erzeugen der erforderlichen Menge der NH&sub3; zum Reduzieren der Menge der NOx in Übereinstimmung mit dem Wert FNOx&sub0; wird in dem ROM des Steuerschaltkreises 30 in der Gestalt einer numerischen Tabelle unter Verwendung von Q und N als Parameter gespeichert. Die erforderliche Zeit CT wird ermittelt aus Q und N bei dem Schritt 611 unter Verwendung dieser numerischen Tabelle.
Wenn der Wert der Magerbetriebsmarke FL bei 0 eingerichtet ist (Schritt 609), wird der Schritt 613 nach dem Schritt 601 durchgeführt, wenn der Betrieb als nächstes durchgeführt wird. Bei den Schritten 613 bis 619 wird der Wert des Zählers CT um Δt vermindert jedes Mal, wenn der Betrieb bei dem Schritt 615 durchgeführt wird (Δt ist das Intervall des Ausführens des Betriebs). Wenn die Zeit CT verstrichen ist, das heißt wenn der Wert CT geringer als 0 wird beim Schritt 613, wird der Wert der Magerbetriebsmarke FL auf 1 eingerichtet beim Schritt 617. Des weiteren wird der Zähler FNOx, der die Menge der NOx repräsentiert, die in dem NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator 7 gespeichert ist, auf 0 zurückgesetzt beim Schritt 619. Durch den Betrieb in Fig. 6 wird der Fettspitzenbetrieb für eine Zeitperiode CT durchgeführt, die durch den Motorbetriebszustand bestimmt ist. Während dem Fettspitzenbetrieb wird die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung durchgeführt zum Einstellen des Luftkraftstoffverhältnisses des Abgases auf ein fettes Luftkraftstoffverhältnis. Deshalb strömt das Abgas mit einem fetten Luftkraftstoffverhältnis, das eine große Menge an NOx enthält, in dem Dreiwegekatalysator 5 hinein und dadurch wird eine große Menge an NH&sub3; bei dem Dreiwegekatalysator 5 erzeugt. Deshalb wird das Abgas, das in den Dreiwegekatalysator 5 einströmt und eine große Menge an NH&sub3; enthält, zu dem NOx- Absorptions-Reduktionskatalysator 7 zugeführt und die von dem NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator 7 freigegebenen NOx werden durch Reaktion mit NH&sub3; in dem Abgas reduziert.
Wenn die vorgegebene Zeit CT verstrichen ist, wird die Magerbetriebsmarke FL auf 1 eingerichtet (Schritt 617) und der Betrieb mit dem mageren Luftkraftstoffverhältnis des Motors wird wieder aufgenommen. Somit beginnt der NOx-Absorptions- Reduktionskatalysator 7 nach der Freigabe und Reduktion aller absorbierten NOx wieder die Absorption der NOx aus dem Abgas.
Fig. 7 zeigt ein Ablaufdiagramm zum Erläutern des KRaftstoffeinspritzsteuervorgangs des vorliegenden Ausführungsbeispiels. Dieser Vorgang wird durch eine Routine durchgeführt, die durch den Steuerschaltkreis 30 bei einem vorgegebenen Drehwinkel der Kurbelwelle des Motors 1 ausgeführt wird.
Beim Schritt 701 in Fig. 7 bestimmt der Vorgang, ob der Wert der Magerbetriebsmarke FL auf 1 eingerichtet ist. Die Kraftstoffeinspritzung wird bei den Schritten 703 bis 715 in Übereinstimmung mit dem Wert der Marke FL durchgeführt.
Wenn beim Schritt 701 FL = 1 gilt, das heißt wenn der Fettspitzenbetrieb nicht durchgeführt wird, wird das Überschussluftverhältnis λB der Verbrennung der jeweiligen Zylinder auf λLL beim Schritt 703 eingerichtet. λLL ist ein Überschussluftverhältnis der Verbrennung, bei dem die Menge der NOx, die durch die Verbrennung erzeugt wird, klein wird, und bei diesem Ausführungsbeispiel ist λLL auf ungefähr 1,4 eingerichtet. Wenn FL ≠ 1 beim Schritt 701 gilt, das heißt wenn der Fettspitzenbetrieb durchgeführt wird, wird λB der jeweiligen Zylinder auf einen Wert λL eingerichtet, bei dem die Menge der NOx maximal wird, die durch die Verbrennung erzeugt wird (λL &sim; 1,2.
Wenn das Überschussluftverhältnis λB der jeweiligen Zylinder bei jedem der Schritte 703 und 705 eingerichtet ist, wird die zum Einrichten des Überschussluftverhältnisses der Verbrennung bei λB erforderliche Kraftstoffeinspritzmenge durch den (nicht gezeigten) Kraftstoffeinspritzmengenberechnungsvorgang berechnet, der durch den Steuerschaltkreis 30 durchgeführt wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die erforderliche Kraftstoffeinspritzmenge auf der Grundlage beispielsweise einer Luftansaugmenge pro Umdrehung des Motors (Q/N) berechnet.
Dann beim Schritt 707 bestimmt der Betrieb, ob die Primärkraftstoffeinspritzzeitgebung von einem der Zylinder gekommen ist. Wenn die Primärkraftstoffeinspritzzeitgebung eines beliebigen Zylinders gekommen ist, wird die Primärkraftstoffeinspritzung bei diesem Zylinder durchgeführt. Somit wird die Verbrennung mit dem Überschussluftverhältnis λB in dem Zylinder durchgeführt. Wenn die Primärkraftstoffeinspritzzeitgebung von einem beliebigen Zylinder nicht gekommen ist, führt der Betrieb den Schritt 711 aus, um zu ermitteln, ob eine zusätzliche Kraftstoffeinspritzung erforderlich ist, auf der Grundlage des Werts der Marke FL. Wenn FL ≠ 1 beim Schritt 711 gilt, da dies bedeutet, dass die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung erforderlich ist, schreitet der Betrieb zum Schritt 713 fort, um zu ermitteln, ob die Zeitgebung für die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung eines beliebigen Zylinders gekommen ist. Wenn die Zeitgebung für die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung eines beliebigen Zylinders gekommen ist, wird die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung bei diesem Zylinder beim Schritt 715 durchgeführt. Die Menge der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung wird durch den Betrieb bestimmt, der durch den (nicht gezeigten) Steuerschaltkreis 30 durchgeführt wird, so dass das Überschussluftverhältnis des Abgases, das den Zylinder verlässt, den Wert λA erhält, bei dem die Erzeugungsrate der NH&sub3; durch den Dreiwegekatalysator 5 maximal wird (beispielsweise λA = 0,95).
Wie vorstehend erläutert ist, wird bei den Betrieben der Fig. 6 und 7 die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung in den jeweiligen Zylindern jedesmal durchgeführt, wenn die Menge der NOx, die in dem NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator 7 absorbiert ist, einen vorgegebenen Wert erreicht, um NOx aus dem NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator freizugeben und dieselben zu reduzieren. Die Länge der Periode zum Durchführen der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung wird bestimmt in Übereinstimmung mit dem Betriebszustand des Motors, wie beispielsweise der Menge der NOx, die durch den Motor pro Zeiteinheit erzeugt wird.
Obwohl die Gesamtmenge der NH&sub3;, die durch den Dreiwegekatalysator 5 erzeugt wird, das heißt die Gesamtmenge der NH&sub3;, die zu dem NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator 7 zugeführt wird, desweiteren durch Einstellen der Länge der Periode zum Durchführen der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung gesteuert wird, kann die Gesamtmenge der NH&sub3;, die zu dem NOx-Absorptions- Reduktionskatalysator zugeführt wird, gesteuert werden durch Einstellen des Luftkraftstoffverhältnisses des Abgases, das in den Dreiwegekatalysator 5 einströmt. Wie nämlich aus Fig. 5 ersichtlich ist, kann die Erzeugungsrate der NH&sub3; des Dreiwegekatalysators 5 geändert werden zwischen 0 und seinem Maximalwert durch Ändern des Überschussluftverhältnisses des Abgases innerhalb dem Bereich λ = 0,95 bis 1,0. Deshalb kann die Gesamtmenge der durch den Dreiwegekatalysator erzeugten NH&sub3; gesteuert werden durch Einstellen des Überschussluftverhältnisses des Abgases, das in den Dreiwegekatalysator einströmt, innerhalb des Bereichs λ = 0,95 bis 1,0. Da die Menge der NH&sub3;, die durch den Dreiwegekatalysator 5 pro Zeiteinheit erzeugt wird, sich in Übereinstimmung mit dem Überschussluftverhältnis des Abgases ändert, kann die Gesamtmenge der NH&sub3;, die durch den Dreiwegekatalysator 5 erzeugt wird, eingestellt werden durch Ändern des Überschussluftverhältnisses des Abgases ohne Ändern der Länge der Periode zum Durchführen der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung. Dabei wird beispielsweise der Wert CT auf eine Konstante bei dem Schritt 611 in Fig. 6 eingerichtet. Des weiteren berechnet der Betrieb die erforderliche Erzeugungsrate der NH&sub3; auf der Grundlage der Menge der NH&sub3;, die erforderlich ist zum Reduzieren der Menge der NOx, die in dem NOx-Absorptions- Reduktionskatalysator absorbiert wird, und der fixen Zeit CT. Die zusätzliche Kraftstoffeinspritzmenge wird auf eine derartige Weise bestimmt, dass das Überschussluftverhältnis λA des in den Dreiwegekatalysator 5 einströmenden Abgases einen Wert erhält, der die erforderliche Erzeugungsrate von NH&sub3; ergibt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind der Dreiwegekatalysator 5, der NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator 7 und der NH&sub3;- Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 in dem Abgaskanal 4 in dieser Reihenfolge von dem stromaufwärtigen Ende aus angeordnet. Bei dieser Anordnung reinigt der NOx-Absorptions- Reduktionskatalysator 7 hauptsächlich NOx in dem Abgas und der NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 reinigt nur eine kleine Menge der NOx, die durch den NOx-Absorptions- Reduktionskatalysator 7 hindurch tritt. Die Positionen des NOx- Absorptions-Reduktionskatalysators 7 und des NH&sub3;-Adsorptions- Denitrierkatalysators 9 können jedoch ausgetauscht werden. Der Dreiwegekatalysator 5, der NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 und der NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator 7 können nämlich in dem Abgaskanal 4 in dieser Reihenfolge von dem stromaufwärtigen Ende aus angeordnet werden, wie in Fig. 8 gezeigt ist. Dabei reinigt der NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysator 7 hauptsächlich NOx in dem Abgas. Während dem normalen Betrieb (das heißt wenn der Fettspitzenbetrieb nicht durchgeführt wird), da das Luftkraftstoffverhältnis des in den Dreiwegekatalysator 5 einströmenden Abgases mager ist, werden NH&sub3; nicht bei dem Dreiwegekatalysator 5 erzeugt. Deshalb reinigt der NH&sub3;- Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 NOx in dem Abgas während dem Normalbetrieb unter Verwendung von NH&sub3;, das darin adsorbiert und gespeichert ist. Somit vermindert sich die Menge der NH&sub3;, die in dem NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 gespeichert ist, während dem normalen Betrieb des Motors. Des weiteren absorbiert der NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator 7 die NOx, die durch den NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 ohne reduziert zu werden hindurchtreten während dem normalen Betrieb. Somit wird die Menge der in dem NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator 7 absorbierten NOx graduell erhöht während dem normalen Betrieb. Deshalb wird dabei der Fettspitzenbetrieb durchgeführt, wenn die Menge der in dem NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 gespeicherten NH&sub3; sich auf einen vorgegebenen Wert vermindert. Wenn der Fettspitzenbetrieb durchgeführt wird, werden NH&sub3; bei dem Dreiwegekatalysator erzeugt und das Abgas mit einem fetten Luftkraftstoffverhältnis, das NH&sub3; enthält, strömt in den NH&sub3;- Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 ein. Dies veranlasst eine Adsorption von NH&sub3; aus dem Abgas in dem NH&sub3;-Adsorptions- Denitrierkatalysator 9. Deshalb strömt ein Abgas mit einem fetten Luftkraftstoffverhältnis, das einen Überschuss an NH&sub3; enthält, in den stromabwärtigen NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator 7 ein, die NOx, die in dem NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator 7 absorbiert sind, werden freigegeben und durch das Abgas mit dem fetten Luftkraftstoffverhältnis reduziert, das NH&sub3; enthält. Die Details des Abgasreinigungsvorgangs des Ausführungsbeispiels von Fig. 8 werden später unter Verwendung von Fig. 11 erläutert.
Fig. 9 zeigt eine ähnliche Zeichnung wie Fig. 1, die die allgemeine Konfiguration eines anderen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Anordnung von Fig. 9 ist von der von Fig. 1 darin unterschiedlich, dass der NH&sub3;-Adsorptions- Denitrierkatalysator 9 aus Fig. 1 in Fig. 9 beseitigt ist. Es sind nämlich nur der Dreiwegekatalysator 5 und der NOx- Absorptions-Reduktionskatalysator 7 in dem Abgaskanal 4 von dem stromaufwärtigen Ende in dieser Reihenfolge in Fig. 9 angeordnet. Da der NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 nur als eine Hilfseinrichtung wirkt zum Reinigen der NOx in dem Abgas, sinkt die Effizienz zum Reinigen der NOx nicht sehr stark, selbst wenn der NH&sub3;- Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 beseitigt wird. Deshalb kann unter Verwendung nur des Dreiwegekatalysators 5 und des NOx- Absorptions-Reduktionskatalysators 7, wie in Fig. 9 gezeigt ist, die Abgasreinigungsvorrichtung stark vereinfacht werden. Der Abgasreinigungsvorgang des Ausführungsbeispiels von Fig. 9 ist derselbe wie jener von Fig. 6 und 7.
Als nächstes wird ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 10 erläutert. Wie aus Fig. 10 ersichtlich ist, ist der NOx-Absorptions- Reduktionskatalysator 7 nicht bei diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen und nur der Dreiwegekatalysator 5 und der NH&sub3;- Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 sind in dem Abgaskanal 4 in dieser Reihenfolge von dem stromaufwärtigen Ende aus angeordnet.
Wie vorstehend erläutert ist, kann der NH&sub3;-Adsorptions- Denitrierkatalysator 9 NOx in dem Abgas reduzieren durch eine Reaktion von NOx mit NH&sub3;. Da des weiteren der NH&sub3;-Adsorptions- Denitrierkatalysator NH&sub3; in dem Abgas adsorbieren und speichern kann, das nicht verwendet wird zum Reduzieren der NOx, ist der NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysator auch in der Lage, NOx unter Verwendung von NH&sub3; zu reduzieren, die daran adsorbiert und gespeichert sind, selbst wenn NH&sub3; nicht in dem Abgas enthalten sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Fettspitzenbetrieb zum Erzeugen der NH&sub3; bei dem Dreiwegekatalysator 5 durchgeführt und zum Veranlassen der Adsorption und Speicherung von NH&sub3; in dem NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysator 9. Der NH&sub3;-Adsorptions- Denitrierkatalysator 9 vermindert NOx in dem Abgas mit dem mageren Luftkraftstoffverhältnis während dem normalen Betrieb unter Verwendung der darin gespeicherten NH&sub3;. Deshalb werden die in dem NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 gespeicherten NH&sub3; verwendet zum Reduzieren der NOx in dem Abgas und vermindern sich während dem normalen Betrieb. Deshalb ist es notwendig, die NH&sub3; in dem Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 zu erneuern, bevor die gesamten gespeicherten NH&sub3; aufgebraucht werden.
Bei dem Abgasreinigungsbetrieb des vorliegenden Ausführungsbeispiels schätzt der Betrieb die Menge der in dem NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 gespeicherten NH&sub3; während dem normalen Betrieb des Motors. Wenn die Menge der in dem NH&sub3;- Adsorptions-Denitrierkatalysator gespeicherten NH&sub3; sich auf den vorgegebenen Wert vermindert, führt der Betrieb den Fettspitzenbetrieb durch, um die NH&sub3; in dem NH&sub3;-Adsorptions- Denitrierkatalysator zu erneuern. Somit tritt eine Verknappung der NH&sub3; gemäß diesem Ausführungsbeispiel nicht auf, die für die Reduktion der NOx in dem Abgas erforderlich sind.
Fig. 11 zeigt ein Ablaufdiagramm zum Erläutern des Abgasreinigungsvorgangs des vorliegenden Ausführungsbeispiels. Dieser Vorgang wird durchgeführt durch eine Routine, die durch den Steuerschaltkreis 30 bei vorgegebenen Intervallen ausgeführt wird.
Bei dem Betrieb von Fig. 11 schätzt der Betrieb die Menge der NH&sub3; (INH&sub3;), die in dem NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 gespeichert ist, auf der Grundlage der Menge der NOx, die durch den Motor pro Zeiteinheit erzeugt wird (ANOx). Wenn des weiteren INH&sub3; sich auf eine untere Grenze I&sub0; vermindert, führt der Betrieb den Fettspitzenbetrieb durch, um die Menge der NH&sub3; zu erhöhen, die in dem NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysator gespeichert sind, auf einen Wert IFUL nahe der Sättigungsmenge.
In Fig. 11 beim Schritt 1101 bestimmt der Betrieb, ob die Magerbetriebsmarke FL auf 1 eingerichtet ist. Wenn FL = 1 gilt, dann setzt der Betrieb den Betrieb des Motors mit dem mageren Luftkraftstoffverhältnis fort und berechnet ANOx (die Menge der durch den Motor pro Zeiteinheit erzeugten NOx) auf der Grundlage der Luftansaugmenge Q und der Motordrehzahl N bei dem Schritt 1103. Die Schritte 1101 und 1103 sind dieselben Betriebe wie die Schritte 601 und 603 in Fig. 6. Beim Schritt 1105 wird INH&sub3; berechnet (die Menge der NH&sub3;, die in dem NH&sub3;-Adsorptions- Denitrierkatalysator 9 gespeichert ist) durch INH&sub3; = INH&sub3; - K · ANOx. Während dem Betrieb mit dem mageren Luftkraftstoffverhältnis reduziert der NH&sub3;-Adsorptions- Denitrierkatalysator 9 NOx in dem Abgas unter Verwendung von in dem Katalysator 9 gespeicherten NH&sub3;. Deshalb ist die Abnahme der NH&sub3;, die in dem NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 gehalten sind, pro Zeiteinheit proportional zu der Menge der NOx, die durch den Motor pro Zeiteinheit erzeugt werden. Wenn die Menge ANOx der NOx durch den Motor pro Zeiteinheit erzeugt wird, vermindert sich somit die Menge der NOx, die in dem NH&sub3;- Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 gehalten (gespeichert) ist um K · ANOx pro Zeiteinheit (K ist eine Konstante). Deshalb wird die Menge der NOx, die in dem NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 gehalten wird, erhalten durch Subtraktion (K · ANOx) von dem Wert INH&sub3; beim Schritt 1105.
Beim Schritt 1107 bestimmt der Betrieb, ob die Menge INH&sub3;, die beim Schritt 1105 berechnet wird, sich auf einen vorgegebenen Wert I&sub0; vermindert. Der Wert I&sub0; ist beispielsweise bei 20 bis 30% der Maximalmenge der NH&sub3; eingerichtet, die der NH&sub3;-Adsorptions- Denitrierkatalysator halten kann (das heißt 20 bis 30% der Sättigungsmenge). Wenn INH&sub3; größer I&sub0; gilt beim Schritt 1107, setzt der Betrieb den Betrieb des Motors 1 mit dem mageren Luftkraftstoffverhältnis fort. Wenn jedoch INH&sub3; ≤ I&sub0; beim Schritt 1107 gilt, führt der Betrieb den Fettspitzenbetrieb des Motors durch, um NH&sub3; zu dem NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 zuzuführen.
Dabei ist die Magerbetriebsmarke FL auf 0 eingerichtet beim Schritt 1109 und die Länge CTH der Periode zum Durchführen der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung wird beim Schritt 1111 bestimmt in Übereinstimmung mit der Luftansaugmenge Q und der Drehzahl N des Motors 1. Wie in Fig. 6 erläutert ist, ändert sich die Menge der NH&sub3;, die durch den Dreiwegekatalysator 5 pro Zeiteinheit erzeugt wird, während dem Fettspitzenbetrieb in Übereinstimmung mit dem Motorbetriebszustand (das heißt die Menge der NOx, die durch den Motor pro Zeiteinheit erzeugt wird). Des weiteren ist es bei diesem Ausführungsbeispiel notwendig, die Menge der NOx zuzuführen, die ausreichend ist zum Erhöhen der NH&sub3;, die in dem NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 gespeichert ist, von der unteren Grenze I&sub0; auf den Maximalwert IFUL während dem Fettspitzenbetrieb. Deshalb wird die Länge CTH der Periode zum Durchführen der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung auf der Grundlage der Menge der NOx bestimmt, die durch den Motor pro Zeiteinheit erzeugt wird. Die Periode CTH ist die Zeit, die ausreichend ist zum Erhöhen der Menge der NH&sub3;, die in dem NH&sub3;- Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 gespeichert ist, von I&sub0; nach IFUL. Der Wert von CTH wird vorher gemessen durch Betreiben des tatsächlichen Motors bei verschiedenen Zuständen der Luftansaugmenge und der Drehzahl N und in dem ROM des Steuerschaltkreises 30 gespeichert in der Gestalt einer numerischen Tabelle unter Verwendung von Q und N als Parameter. Beim Schritt 1111 wird CTH bestimmt von der Luftansaugmenge Q und der Drehzahl N auf der Grundlage der numerischen Tabelle.
Wenn die Magerbetriebsmarke FL auf 0 eingerichtet ist beim Schritt 1109, wird der Schritt 1113 ausgeführt nach dem Schritt 1101, wenn der Betrieb als nächstes durchgeführt wird, und die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung wird für die Periode CTH durchgeführt. Wenn die Zeit CTH verstrichen ist (Schritt 1113), wird die Magerbetriebsmarke FL auf 1 eingerichtet (Schritt 1117), um die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung zu beenden, und der Wert des Zählers INH&sub3;, der die Menge der NH&sub3; repräsentiert, die in dem NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 gespeichert ist, wird auf IFUL eingerichtet (Schritt 1119). Der KRaftstoffeinspritzsteuerbetrieb von Fig. 7 wird auch bei diesem Ausführungsbeispiel durchgeführt, um die Primärkraftstoffeinspritzung und/oder die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung gemäß dem Wert der Magerbetriebsmarke FL durchzuführen.
Wie vorstehend erläutert ist, wird bei den Betrieben der Fig. 11 und 7 die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung der jeweiligen Zylinder durchgeführt, wenn die Menge der in dem NH&sub3;- Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 gespeicherten NH&sub3; sich auf einen vorgegebenen Wert vermindert und die Menge der NH&sub3; in dem NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 auf einen Wert nahe der Sättigungsmenge erhöht. Des weiteren wird die Periode zum Durchführen der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung in Übereinstimmung mit dem Motorbetriebszustand bestimmt, wie beispielsweise die Menge der NOx, die durch den Motor pro Zeiteinheit erzeugt wird.
Wie des weiteren vorstehend erläutert ist, werden die Betriebe der Fig. 11 und 7 auch bei dem Ausführungsbeispiel in Fig. 8 durchgeführt. Die Menge der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung anstelle der Länge CTH der Periode zum Durchführen der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung kann auch in Übereinstimmung mit dem Motorbetriebszustand bei dem Ausführungsbeispiel in Fig. 10 eingestellt werden.
Als nächstes werden unterschiedliche Ausführungsbeispiele von den Ausführungsbeispielen von Fig. 1 und 8 bis 10 unter Verwendung von Fig. 12 bis 22 erläutert. Bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 und 8 bis 10 strömt das Abgas aller Zylinder durch den Dreiwegekatalysator 5 hindurch, der als die NH&sub3;-Umwandlungseinrichtung wirkt. Bei den nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispielen strömt jedoch nur das Abgas von einigen der Zylinder durch die NH&sub3;-Umwandlungseinrichtung hindurch.
Zunächst wird das Ausführungsbeispiel von Fig. 12 erläutert.
Wie aus Fig. 12 ersichtlich ist, ist der Zylinder Nr. 1 des Motors 1 direkt mit einem Dreiwegekatalysator 5 verbunden über einen Abgaskanal 143, und die Zylinder Nr. 2 bis Nr. 4 sind mit einem NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator 7 über einen Abgaskrümmer 131 verbunden. Der Dreiwegekatalysator 5 und der NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator 7 sind mit einem gemeinsamen Abgaskanal 4 über Abgaskanäle 142 und 141 stromabwärts davon jeweils verbunden. Ein NH&sub3;-Adsorptions- Denitrierkatalysator 9 ist in dem gemeinsamen Abgaskanal 4 angeordnet. Die durch den Dreiwegekatalysator 5 erzeugten NH&sub3; werden nämlich nur zu dem NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 bei diesem Ausführungsbeispiel zugeführt. Des weiteren wird die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung an dem Zylinder Nr. 1 während dem normalen Betrieb durchgeführt sowie während dem Fettspitzenbetrieb des Motors bei diesem Ausführungsbeispiel.
Die Abgasreinigungsvorrichtung dieses Ausführungsbeispiels wird nun erläutert.
Bei dem normalen Betrieb werden die Zylinder Nr. 2 bis Nr. 4 bei einem Überschussluftverhältnis betrieben, bei dem die Menge der durch die Verbrennung erzeugten NOx minimal ist (beispielsweise Überschussluftverhältnis von ungefähr 1,4). Deshalb ist das Luftkraftstoffverhältnis des in den NOx- Absorptions-Reduktionskatalysator 7 einströmenden Abgases von den Zylindern Nr. 2 bis Nr. 4 mager während dem normalen Betrieb. Somit werden die NOx, die in den Zylindern Nr. 2 bis Nr. 4 während dem normalen Betrieb erzeugt werden, durch den NOx- Absorptions-Reduktionskatalysator 7 absorbiert und aus dem Abgas beseitigt.
Andererseits wird der Zylinder Nr. 1 immer mit einem Überschussluftverhältnis betrieben, bei dem die Menge der durch die Verbrennung erzeugten NOx maximal wird (beispielsweise Überschussluftverhältnis von ungefähr 1,2) bei diesem Ausführungsbeispiel. Des weiteren wird die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung immer an dem Zylinder Nr. 1 durchgeführt, um das Überschussluftverhältnis des Abgases von dem Zylinder Nr. 1 bei einem Wert einzustellen, bei dem die Erzeugungsrate der NH&sub3; durch den Dreiwegekatalysator 5 maximal wird (beispielsweise das Überschussluftverhältnis von ungefähr 0,95). Somit wird ein Teil der NOx in dem Abgas von dem Zylinder Nr. 1 bei dem Dreiwegekatalysator 5 reduziert und ein Teil des verbleibenden Teils der NOx wird zu NH&sub3; umgewandelt. Eine relativ große Menge an NH&sub3; wird nämlich bei dem Dreiwegekatalysator 5 erzeugt.
Das Abgas von dem NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator 7 und das Abgas von dem Dreiwegekatalysator 5 strömt in den gemeinsamen Abgaskanal 4 hinein über die Abgaskanäle 141 und 142 und mischt sich miteinander in dem Kanal 4. Das Abgas von dem NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator 7 hat ein mageres Luftkraftstoffverhältnis (ein Überschussluftverhältnis von ungefähr 1,4) und enthält eine sehr kleine Menge an NOx, die durch den NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator 7 hindurch tritt. Das Abgas von dem Dreiwegekatalysator 5 hat ein fettes Luftkraftstoffverhältnis (ein Überschussluftverhältnis von ungefähr 0,95) und enthält eine große Menge an NH&sub3;. Wenn diese Abgase sich miteinander mischen, wird ein Abgas gebildet mit einem mageren Luftkraftstoffverhältnis (ein Überschussluftverhältnis von ungefähr 1,3), das eine sehr kleine Menge an NOx und eine große Menge an NH&sub3; enthält. Wenn dieses Abgas in den NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 in dem gemeinsamen Abgaskanal 4 einströmt, werden alle NOx aus dem Abgas reduziert durch eine Reaktion mit NH&sub3; bei dem NH&sub3;-Adsorptions- Denitrierkatalysator und ein Teil der überschüssigen NRg (das heißt NH&sub3;, die nicht für die Reduktion der NOx verwendet werden) wird adsorbiert durch den NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysator 9. Da des weiteren das Luftkraftstoffverhältnis des in den NH&sub3;- Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 einströmenden Abgases mager ist, wird der verbleibende Teil der NH&sub3; gereinigt an dem NH&sub3;- Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 und dadurch enthält das Abgas, das durch den NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 hindurch strömt, keine NOx oder NH&sub3;.
Wenn jedoch der normale Betrieb für eine gewisse Periode fortgesetzt wird, erhöht sich die Menge der NOx, die in dem NOx- Absorptions-Reduktionskatalysator 7 absorbiert wird. Wenn die Menge der NOx, die in dem NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator 7 absorbiert wird, sich auf einen vorgegebenen Wert erhöht, wird ein Fettspitzenbetrieb durchgeführt ähnlich dem bei den vorangegangenen Ausführungsbeispielen bei den Zylindern Nr. 2 bis Nr. 4, um NOx aus dem NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator 7 freizugeben.
Fig. 13 zeigt ein Ablaufdiagramm zum Erläutern des Abgasreinigungsvorgangs bei diesem Ausführungsbeispiel. Dieser Betrieb wird durch eine Routine durchgeführt, die durch den Steuerschaltkreis 30 bei vorgegebenen Intervallen ausgeführt wird.
Das Ablaufdiagramm in Fig. 13 ist im wesentlichen dasselbe wie das Ablaufdiagramm von Fig. 6. In Fig. 13 ist FL2 bei den Schritten 1301, 1309 und 1317 eine Marke, die repräsentiert, ob der Fettspitzenbetrieb für die Zylinder Nr. 2 bis Nr. 4 erforderlich ist, und FL2 = 1 bedeutet, dass der Fettspitzenbetrieb nicht erforderlich ist. Des weiteren ist CT2 bei den Schritten 1311 und 1313 ein Zähler zum Ermitteln der Länge der Periode zum Durchführen des Fettspitzenbetriebs. Ähnlich vom CT in Fig. 6 wird der Wert vom CT2 in Übereinstimmung mit dem Motorbetriebszustand beim Schritt 1311 bestimmt. Der Wert von CT2 entspricht der Zeit, die ausreichend ist zum Reduzieren der NOx der Menge FNOx&sub0;, die in dem NOx-Absorptions- Reduktionskatalysator 7 absorbiert ist, und ähnlich CT wird er auf der Grundlage eines Versuchs bestimmt. Die Werte von CT werden in dem ROM des Steuerschaltkreises 30 gespeichert in der Gestalt einer numerischen Tabelle unter Verwendung der Luftansaugmenge Q und der Drehzahl N des Motors als Parameter. Bei dem Betrieb von Fig. 13 wird der Fettspitzenbetrieb bei den Zylindern Nr. 2 bis Nr. 4 durchgeführt für eine Periode CT2, die durch den Motorbetriebszustand jedes Mal bestimmt wird, wenn die Menge der in dem NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator 7 absorbierten NOx den Wert FNOx&sub0; erreicht. Somit werden die NOx freigegeben und reduziert jedes Mal, wenn die Menge der NOx in dem NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator 7 den Wert FNOx&sub0; erreicht.
Fig. 14 zeigt ein Ablaufdiagramm ähnlich von Fig. 7, die den Kraftstoffeinspritzsteuervorgang bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel erläutert. Dieser Vorgang wird durch eine Routine durchgeführt, die durch den Steuerschaltkreis 30 bei einem vorgegebenen Drehwinkel der Kurbelwelle des Motors 1 ausgeführt wird.
In Fig. 14 beim Schritt 1401 wird das Überschussluftverhältnis λ1B der Verbrennung (das Überschussluftverhältnis des Luftkraftstoffgemisches, das durch die Primärkraftstoffeinspritzung erhalten wird) in dem Zylinder Nr. 1 bei λL eingerichtet und das Überschussluftverhältnis λ1A des Abgases, das den Zylinder Nr. 1 verlässt (das Überschussluftverhältnis des Abgases nach der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung) wird jeweils bei λR eingerichtet. λL ist ein Überschussluftverhältnis, wobei die Menge der NOx, die durch die Verbrennung erzeugt wird, maximal wird (beispielsweise λL &sim; 1,2), und λR ist ein Überschussluftverhältnis, wobei die Menge der NH&sub3;, die durch den Dreiwegekatalysator 5 erzeugt wird, maximal wird (beispielsweise λR &sim; 0,95). Des weiteren werden beim Schritt 1401 die Überschussluftverhältnisse λ2B und λ2A der Zylinder Nr. 2 bis 4 bei λLL und λRR jeweils eingerichtet. λ2B ist das Überschussluftverhältnis der Verbrennung der Zylinder Nr. 2 bis Nr. 4 und λLL ist ein Überschussluftverhältnis, bei dem die durch die Verbrennung erzeugten NOx minimal werden (beispielsweise λLL &sim; 1,4). λ2A ist das Überschussluftverhältnis des Abgases, das die Zylinder Nr. 2 bis Nr. 4 verlässt, und λRR ist ein Überschussluftverhältnis, das erforderlich ist zum Freigeben von NOx aus dem NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator 7. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird λRR bei einem geeigneten Wert niedriger als 1,0 eingerichtet (λRR < 1,0).
Nach dem Einrichten der Überschussluftverhältnisse der Zylinder beim Schritt 1401 bestimmt der Betrieb, ob es die Primärkraftstoffeinspritzzeitgebung des Zylinders Nr. 1 ist (Schritt 1403), und ob es die Zeitgebung für die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung des Zylinders Nr. 1 ist (Schritt 1407). Wenn es die Zeitgebung für die Primärkraftstoffeinspritzung oder für die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung des Zylinders Nr. 1 ist, werden die Primärkraftstoffeinspritzung und die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung bei den Schritten 1405 und 1409 jeweils durchgeführt. Durch Ausführen der Schritte 1403 bis 1409 wird die Primärkraftstoffeinspritzung der Zylinder Nr. 1 durchgeführt, so dass das Überschussluftverhältnis der Verbrennung des Zylinders Nr. 1 immer bei λL gehalten wird und die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung des Zylinders Nr. 1 durchgeführt wird, so dass das Überschussluftverhältnis des Abgases, das den Zylinder Nr. 1 verlässt, immer bei 0,95 gehalten wird.
Bei den Schritten 1411 bis 1419 werden die Primärkraftstoffeinspritzung und die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung der Zylinder Nr. 2 bis Nr. 4 auf ähnliche Weise wie bei den Schritten 1403 bis 1409 durchgeführt. Die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung der Zylinder Nr. 2 bis Nr. 4 wird jedoch nur durchgeführt, wenn die Marke FL2 bei 0 eingerichtet ist. Durch Ausführen der Schritte 1411 bis 1419 wird das Überschussluftverhältnis der Verbrennung der Zylinder Nr. 2 bis Nr. 4 immer bei λLL gehalten, wobei die Menge der NOx, die durch die Verbrennung erzeugt werden, klein wird, und wenn der Fettspitzenbetrieb durchgeführt wird, wird das Überschussluftverhältnis des Abgases, das die Zylinder Nr. 2 bis Nr. 4 Verlässt, bei λRR eingestellt durch die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung.
Obwohl der NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator 7 in dem Abgaskanal 141 bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 12 angeordnet ist, kann der NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator 7 in dem gemeinsamen Abgaskanal 4 stromaufwärts des NH&sub3;-Adsorptions- Denitrierkatalysators 9 angeordnet sein. Derselbe Abgasreinigungsbetrieb wie jener von Fig. 13 und 14 kann auch in diesem Fall durchgeführt werden.
Als nächstes wird ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 15 erläutert.
Das Ausführungsbeispiel von Fig. 15 ist ähnlich dem Ausführungsbeispiel von Fig. 12, außer dass der NOx-Absorptions- Reduktionskatalysator 7 in dem gemeinsamen Abgaskanal 4 stromabwärts des NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysators 9 angeordnet ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel reinigt nämlich der NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 hauptsächlich NOx in dem Abgas und der NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator 7 stromabwärts des NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysators 9 reinigt nur eine kleine Menge der NOx, die durch den NH&sub3;-Adsorptions- Denitrierkatalysator 9 ohne reduziert zu werden hindurchtritt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung des Zylinders Nr. 1 immer durchgeführt, um eine große Menge an NH&sub3; bei dem Dreiwegekatalysator 5 zu erzeugen. Das durch den Dreiwegekatalysator 5 hindurchströmende Abgas mischt sich mit einem Abgas mit magerem Luftkraftstoffverhältnis von den Zylindern Nr. 2 bis Nr. 4 und bildet ein Abgas mit einem mageren Luftkraftstoffverhältnis als ein Ganzes. Wenn dieses Abgas mit einem mageren Luftkraftstoffverhältnis, das NH&sub3; enthält, in den NH&sub3;-Adsorptions- Denitrierkatalysator 9 einströmt, reagiert das NOx in dem Abgas mit NH&sub3; an dem NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 und wird zu N&sub2; reduziert. Dabei kann eine sehr kleine Menge an NOx durch den NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 hindurchtreten ohne reduziert zu werden. Selbst wenn NOx durch den NH&sub3;-Adsorptions- Denitrierkatalysator 9 hindurch treten, werden jedoch die NOx, die durch den Katalysator 9 hindurchtreten, absorbiert durch den NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator 7 stromabwärts des Katalysators 9 und aus dem Abgas beseitigt. Auf ähnliche Weise wie bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 12 wird der Fettspitzenbetrieb an den Zylindern Nr. 2 bis Nr. 4 durchgeführt, wenn die Menge der in dem NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator 7 absorbierten NOx einen vorgegebenen Wert bei diesem Ausführungsbeispiel erreicht, um zu verhindern, dass der NOx- Absorptions-Reduktionskatalysator 7 mit den absorbierten NOx gesättigt wird.
Da der Abgasreinigungsbetrieb bei diesem Ausführungsbeispiel derselbe wie jener von Fig. 13 und 14 ist, wird eine detaillierte Erläuterung weggelassen. Jedoch repräsentiert ANOx bei den Schritten 1303 und 1305 in Fig. 13 die Menge der NOx, die durch den NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 ohne reduziert zu werden hindurch treten und in den NOx-Absorptions- Reduktionskatalysator 7 pro Zeiteinheit einströmen anstelle der gesamten Menge der NOx, die durch den Motor pro Zeiteinheit erzeugt wird. Deshalb sind die Werte von ANOx bei diesem Ausführungsbeispiel viel kleiner als die Werte, die bei dem in Fig. 12 gezeigten Ausführungsbeispiel verwendet werden. Die Werte von ANOx sind vorzugsweise auf der Grundlage eines Versuchs auch bei diesem Ausführungsbeispiel bestimmt.
Als nächstes wird ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 16 erläutert.
Das Ausführungsbeispiel in Fig. 16 hat eine ähnliche Anordnung wie das von Fig. 15, außer dass der NOx-Absorptions- Reduktionskatalysator 7 in Fig. 15 weggelassen ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel kann einer der folgenden zwei Arten von Abgasreinigungsvorgängen durchgeführt werden.
Die erste Art des Abgasreinigungsvorgangs führt immer die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung des Zylinders Nr. 1 durch, um NH&sub3; bei dem Dreiwegekatalysator 5 zu erzeugen, und betreibt die Zylinder Nr. 2 bis Nr. 4 bei dem Überschussluftverhältnis, wobei die Menge der NOx klein wird, die durch die Verbrennung erzeugt wird. Bei der ersten Art des Abgasreinigungsvorgangs wird somit das Abgas mit dem mageren Luftkraftstoffverhältnis, das sowohl NOx als auch NH&sub3; enthält, immer zu dem NH&sub3;-Adsorptions- Denitrierkatalysator 9 zugeführt und die NOx werden bei dem NH&sub3;- Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 durch eine Reaktion mit NH&sub3; reduziert. Dabei wird die Primärkraftstoffeinspritzmenge des Zylinderns Nr. 1 bei einem Wert eingerichtet, so dass das Überschussluftverhältnis der Verbrennung ein Wert wird, wobei die Menge der NOx maximal wird, die durch die Verbrennung erzeugt wird (das heißt λ &sim; 1,2), und die Menge der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung des Zylinders Nr. 1 wird bei einem Wert eingerichtet, so dass das Überschussluftverhältnis des Abgases, das den Zylinder Nr. 1 verlässt, ein Wert wird, wobei die Menge der NH&sub3;, die durch den Dreiwegekatalysator 5 erzeugt wird, maximal wird (das heißt λ &sim; 0,95). Der Fettspitzenbetrieb wird nicht bei den Zylindern Nr. 2 bis Nr. 4 durchgeführt.
Im Gegensatz zu dem Vorstehenden werden bei der zweiten Art des Abgasreinigungsbetriebs alle Zylinder mit einem mageren Luftkraftstoffverhältnis während dem normalen Betrieb des Motors betrieben und die NOx in dem Abgas werden bei dem NH&sub3;- Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 unter Verwendung der darin gespeicherten NH&sub3; gereinigt. Wenn des weiteren die Menge der in dem NH3-Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 gespeicherten NH&sub3; sich auf einen vorgegebenen Wert vermindert, wird der Fettspitzenbetrieb des Zylinders Nr. 1 durchgeführt, um den NH&sub3;- Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 mit NH&sub3; aufzufüllen bzw. zu ergänzen.
Fig. 17 zeigt ein Ablaufdiagramm zum Erläutern des Abgasreinigungsbetriebs der zweiten Art. Dieser Betrieb wird durch eine Routine durchgeführt, die durch den Steuerschaltkreis 30 bei vorgegebenen Intervallen ausgeführt wird.
Bei diesem Betrieb wird die Menge INH&sub3; der in dem NH&sub3;- Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 gehaltenen NH&sub3; berechnet durch dasselbe Verfahren wie das, das in Fig. 11 erläutert ist (Sehritte 1703 bis 1705). Wenn dann die Menge INH&sub3; sich auf einen vorgegebenen Wert I&sub0; vermindert, richtet der Betrieb eine Magerbetriebsmarke FL1 auf 0 ein. FL1 ist eine Magerbetriebsmarke des Zylinders Nr. 1. Des weiteren führt der Betrieb die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung des Zylinders Nr. 1 für eine vorgegebene Periode CTG durch, um die Menge der NH&sub3; in dem Katalysator 9 auf einen Wert IFUL zu erhöhen (Schritte 1707 bis 1719). IFUL ist, wie vorstehend erläutert ist, der Wert nahe der Sättigungsmenge der NH&sub3; des NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysator 9.
Fig. 18 zeigt ein Ablaufdiagramm zum Erläutern des Kraftstoffeinspritzsteuerbetriebs des vorliegenden Ausführungsbeispiels. Dieser Betrieb wird durch eine Routine durchgeführt, die durch den Steuerschaltkreis 30 bei einem vorgegebenen Drehwinkel der Kurbelwelle des Motors ausgeführt wird. Bei diesem Betrieb ist das Überschussluftverhältnis λ2B der Verbrennung der Zylinder Nr. 2 bis Nr. 4 immer bei λLL eingerichtet (λLL &sim; 1,4), wobei die Menge der durch die Verbrennung erzeugten NOx minimal wird (Schritt 1801). Das Überschussluftverhältnis λ1B der Verbrennung des Zylinders Nr. 1 ist in Übereinstimmung mit dem Wert der Magerbetriebsmarke FL1 bestimmt. Wenn nämlich FL1 = 1 beim Schritt 1803 gilt, das heißt wenn der Fettspitzenbetrieb nicht erforderlich ist, wird λ1B bei λLL beim Schritt 1805 eingerichtet, und wenn FL1 = 0 gilt, das heißt wenn der Fettspitzenbetrieb erforderlich ist, wird λ1B bei λL eingerichtet (λL &sim; 1,2), wobei die Menge der durch die Verbrennung erzeugten NOx maximal wird (Schritt 1807). Des weiteren bestimmt der Betrieb beim Schritt 1809, ob es die Zeitgebung für die Primärkraftstoffeinspritzung von einem der Zylinder ist. Wenn es die Zeitgebung ist, wird die Primärkraftstoffeinspritzung an dem entsprechenden Zylinder beim Schritt 1811 durchgeführt. Wenn es nicht die Zeitgebung beim Schritt 1809 ist, bestimmt der Betrieb, ob die Marke FL1 beim Schritt 1813 auf 1 eingerichtet ist, und wenn FL1 = 1 gilt, wird die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung des Zylinders Nr. 1 bei der Zeitgebung für die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung des Zylinders Nr. 1 durchgeführt (Schritte 1815 und 1817).
Durch die Betriebe der Fig. 17 und 18 wird der Fettspitzenbetrieb des Zylinders Nr. 1 durchgeführt, wenn die Menge der in dem NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 gehaltenen NH&sub3; sich auf einen vorgegebenen Wert vermindert, und dadurch wird die Menge der NH&sub3; in dem Katalysator 9 erhöht auf einen Wert IFUL nahe der Sättigungsmenge durch den Fettspitzenbetrieb.
Als nächstes wird ein anderes Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf Fig. 19 erläutert. Ähnlich dem Ausführungsbeispiel von Fig. 16 führt das Ausführungsbeispiel von Fig. 19 den Abgasreinigungsbetrieb unter Verwendung nur des Dreiwegekatalysators 5 und des NH&sub3;-Adsorptions- Denitrierkatalysators 9 durch. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann jedoch das Abgas von dem Zylinder Nr. 2 entweder zu dem Abgaskanal 143 (die Seite des Dreiwegekatalysators 5) oder dem Abgaskanal 141 geleitet werden in Übereinstimmung mit der Menge der NH&sub3;, die in dem NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 gehalten ist.
In Fig. 19 ist nämlich der Auslassanschluss des Zylinders Nr. 9 direkt mit dem Abgaskanal 143 verbunden und der Auslassanschluss des Zylinders Nr. 2 ist mit einem Abgaskanal 171 verbunden. Der Abgaskanal 171 des Zylinders Nr. 2 divergiert in Zweigabgaskanäle 172 und 173. Der Zweigabgaskanal 172 ist mit dem Abgaskanal 141 verbunden und der Zweigabgaskanal 173 ist mit dem Abgaskanal 143 stromaufwärts des Dreiwegekatalysators 5 verbunden. Ein Schaltventil 175 ist an dem Abgaskanal 171 bei einem Punkt vorgesehen, bei dem die Zweigkanäle 172 und 173 divergieren bzw. abzweigen. Das Schaltventil 175 ist mit einem geeigneten Stellglied 175a versehen, wie beispielsweise einem elektromagnetischen Stellglied oder einem Unterdruckstellglied und nimmt eine erste Position ein, bei der der Abgaskanal 171 mit dem Abgasreinigungskatalysator 172 verbunden ist (das heißt die Position der Seite der Zylinder Nr. 3 und 4), und eine zweite Position, bei der der Abgaskanal 171 mit dem Abgaskanal 173 verbunden ist (die Position der Seite des Dreiwegekatalysators 5) ansprechend auf ein Steuersignal von dem Steuerschaltkreis 30. Deshalb kann das Abgas von dem Zylinder Nr. 2 entweder zu dem Dreiwegekatalysator 5 oder dem Abgaskanal 141 geleitet werden. Somit kann die Menge der NOx, die zu dem Dreiwegekatalysator 5 zugeführt wird, geändert werden durch Schalten der Strömung des Abgases zwischen der Seite des Dreiwegekatalysators und der Seite der Zylinder Nr. 3 und 4. Deshalb kann die Menge der NH&sub3;, die bei dem Dreiwegekatalysator 5 erzeugt wird, in Übereinstimmung mit dem Betriebszustand des Motors geändert werden.
Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Überschussluftverhältnisse der Verbrennung der Zylinder Nr. 3 und 4 (λ3B, λ4B Jeweils) bei λLL eingerichtet (λLL &sim; 1,4), wobei die Menge der durch die Verbrennung erzeugten NOx minimal wird, und die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung nicht durchgeführt wird an den Zylindern Nr. 3 und Nr. 4. Die Menge der in dem NH&sub3;- Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 gehaltenen NH&sub3; wird bei diesem Ausführungsbeispiel durch Schalten des Ventils 175 gesteuert. Wenn nämlich die Menge der in dem NH3-Adsorptions- Denitrierkatalysator 9 gehaltenen NH&sub3; kleiner als eine vorgegebene untere Grenze I&sub1; wird, wird das Schaltventil 175 zu der Position der Seite des Dreiwegekatalysators geschaltet, um die Abgase von den Zylindern Nr. 1 und Nr. 2 zu dem Dreiwegekatalysator 5 zuzuführen. Dabei werden die Überschussluftverhältnisse der Primärkraftstoffeinspritzungen der Zylinder Nr. 1 und Nr. 2 (λ1B, λ2B jeweils) bei λL eingerichtet (λL &sim; 1,2), wobei die Menge der durch die Verbrennung erzeugten NOx maximal wird. Des weiteren wird die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung an den Zylinder Nr. 1 und Nr. 2 durchgeführt, um das Überschussluftverhältnis des Abgases einzustellen, das diese Zylinder verlässt, auf λR (λR &sim; 0,95), wobei die Menge der bei dem Dreiwegekatalysator 5 erzeugten NH&sub3; maximal wird. Deshalb werden die durch die Zylinder Nr. 1 und Nr. 2 erzeugten NOx zu NH&sub3; umgewandelt bei dem Dreiwegekatalysator 5 und die Menge der durch den Dreiwegekatalysator 5 erzeugten NH&sub3; erhöht sich. Diese große Menge der NH&sub3; wird zu dem NH&sub3;- Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 zugeführt, der stromabwärts des Dreiwegekatalysators 5 angeordnet ist, und die Menge der durch den NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 adsorbierten NH&sub3; erhöht sich in kurzer Zeit.
Wenn die Menge der in dem NH&sub3;-Adsorptions- Denitrierkatalysator 9 gehaltenen NOx größer als die untere Grenze I&sub1; ist, aber kleiner als eine obere Grenze IFUL nahe der Sättigungsmenge, wird das Schaltventil 175 zu der Position der Seite der Zylinder Nr. 3 und Nr. 4 geschaltet, um das Abgas nur von Zylinder Nr. 1 zu dem Dreiwegekatalysator 5 zuzuführen. Dabei ist das Überschussluftverhältnis λ2B des Zylinders Nr. 2 bei λLL eingerichtet und die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung des Zylinders Nr. 2 wird beendet. Da nur NOx aus dem Abgas von Zylinder Nr. 1 umgewandelt werden zu NH&sub3; bei dem Dreiwegekatalysator 5, wird deshalb die Menge der NH&sub3; kleiner, die zu dem NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 zugeführt wird, und dadurch erhöht sich die Menge der NH&sub3; langsam (oder vermindert sich), die in dem NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 gehalten ist.
Wenn des weiteren die Menge der NH&sub3;, die in dem NH&sub3; - Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 gehalten ist, sich auf die obere Grenze IFUL erhöht, wird die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung des Zylinders Nr. 1 beendet und das Überschussluftverhältnis λ1B der Primärkraftstoffeinspritzung des Zylinders Nr. 1 wird auf λLL eingerichtet, wobei die Menge der NOx minimal wird, die durch die Verbrennung erzeugt wird. Da dabei kein NH&sub3; bei dem Dreiwegekatalysator 5 erzeugt wird, vermindert sich die Menge der NH&sub3;, die in dem NH&sub3; -Adsorptions- Denitrierkatalysator 9 gehalten ist, in einer relativ kurzen Zeit.
Fig. 20 zeigt ein Ablaufdiagramm zum Erläutern des Abgasreinigungsbetriebs des vorliegenden Ausführungsbeispiels. Dieser Betrieb wird durch eine Routine durchgeführt, die durch den Steuerschaltkreis 30 bei vorgegebenen Intervallen ausgeführt wird.
In Fig. 20 beim Schritt 2001 bestimmt der Betrieb, ob die Menge INH&sub3; der NH&sub3;, die in dem NH&sub3; -Adsorptions- Denitrierkatalysator 9 gehalten ist, den vorgegebenen Wert IFUL erreicht (der nahe der Sättigungsmenge von NH&sub3; liegt). Wenn die Menge INH&sub3; den Wert IFUL erreicht, das heißt wenn INH&sub3; ≥ IFUL beim Schritt 2001 gilt, richtet der Betrieb den Wert einer Marke FR auf 0 ein beim Schritt 2003 und berechnet die Menge BNOx, die durch den Motor pro Zeiteinheit erzeugt werden, auf der Grundlage des Motorbetriebszustands (der Luftansaugmenge Q und der Drehzahl N des Motors). Wie später erläutert wird, wenn der Wert der Marke FR auf 0 eingerichtet ist, wird das Überschussluftverhältnis der Primärkraftstoffeinspritzung aller Zylinder Nr. 1 bis Nr. 4 bei λLL eingerichtet und die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung der Zylinder Nr. 1 und Nr. 2 wird angehalten durch den Kraftstoffeinspritzsteuerbetrieb, der durch den Steuerschaltkreis 30 separat durchgeführt wird.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Wert BNOx unterschiedlich von ANOx bei den vorangegangenen Ausführungsbeispielen darin, dass er die Menge der NOx repräsentiert, die durch einen Zylinder pro Zeiteinheit erzeugt werden, und vorher durch einen Versuch erhalten wird. Die Werte von BNOx werden in dem ROM des Steuerschaltkreises 30 in der Gestalt einer numerischen Tabelle unter Verwendung von Q und N als Parameter gespeichert.
Beim Schritt 2007 wird die Menge INH&sub3; von NH&sub3;, die in dem NH&sub3; -Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 gespeichert sind, durch INH&sub3; = INH&sub3; - K · 4 · BNOx berechnet. Da nämlich NH&sub3; in dem NH&sub3;- Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 verwendet werden für die Reduktion der NOx, die durch vier Zylinder erzeugt werden, vermindert sich die Menge der NOx in dem NH&sub3;-Adsorptions- Denitrierkatalysator 9 pro Zeiteinheit (K · 4 · BNOx).
Wenn INH&sub3; < IFUL beim Schritt 2001 gilt, schreitet der Betrieb zum Schritt 2009 vor, um zu bestimmen, ob die Menge INH&sub3; kleiner als die untere Grenze 11 ist. Wenn INH&sub3; > I&sub1; beim Schritt 2009 gilt, richtet der Betrieb den Wert der Marke FR auf 1 ein beim Schritt 2011 und schaltet das Schaltventil 175 zu der Position der Seite von Nr. 3 und Nr. 4 beim Schritt 2013. Durch diesen Betrieb wird nur das Abgas von dem Zylinder Nr. 1 zu dem Dreiwegekatalysator 5 zugeführt. Beim Schritt 2015 berechnet der Betrieb die Menge BNOx der NOx, die von einem Zylinder der Zylinder Nr. 2 bis Nr. 4 erzeugt werden. Des weiteren berechnet der Betrieb die Menge BNH&sub3; der NH&sub3;, die durch den Dreiwegekatalysator 5 pro Zeiteinheit erzeugt werden auf der Grundlage des Betriebszustands (Luftansaugmenge Q und Drehzahl N) des Motors 1. Wenn der Wert der Marke FR auf 1 eingerichtet ist, wird das Überschussluftverhältnis λ1B der Primärkraftstoffeinspritzung des Zylinders Nr. 1 auf λL eingerichtet und die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung wird bei dem Zylinder Nr. 1 durchgeführt. Dabei wird das Überschussluftverhältnis der Primärkraftstoffeinspritzung des Zylinders Nr. 2 auf λLL eingerichtet, das heißt das Überschussluftverhältnis ist dasselbe wie das der Zylinder Nr. 3 und Nr. 4 und die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung des Zylinders Nr. 2 wird angehalten. Des weiteren wird beim Schritt 2019 die Menge INH&sub3; durch INH&sub3; = INH&sub3; + BNH&sub3; - K · 3 · BNOx berechnet. Dabei erhöht sich nämlich die Menge INH&sub3; durch die Menge BNH&sub3; der NH&sub3;, die durch den Dreiwegekatalysator 5 erzeugt werden, und vermindert sich durch die Menge (K · 3 · BNOx), die erforderlich ist zum Reduzieren der NOx, die durch die drei Zylinder erzeugt werden.
Wenn beim Schritt 2009 INH&sub3; ≤ I&sub1; gilt, richtet der Betrieb den Wert der Marke FR auf 2 ein beim Schritt 2021 und schaltet das Schaltventil 175 zu der Seite des Dreiwegekatalysators 5. Somit werden die Abgase beider Zylinder Nr. 1 und Nr. 2 dem Dreiwegekatalysator 5 zugeführt. Wenn des weiteren der Wert der Marke FR auf 2 eingerichtet ist, wird das Überschussluftverhältnis λ2B des Zylinders Nr. 2 auf λL eingerichtet und die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung wird auch an dem Zylinder Nr. 2 durchgeführt.
Des weiteren wird die Menge INH&sub3; bei den Schritten 2025 bis 2029 berechnet auf eine ähnliche Weise wie bei den Schritten 2015 bis 2019. Dabei wird jedoch INH&sub3; durch INH&sub3; = INH&sub3; + 2 · BNH&sub3; - K · 2 · BNOx berechnet. Die Menge INH&sub3; erhöht sich nämlich durch die Menge der NH&sub3;, die aus dem NOx erzeugt werden, das durch die beiden Zylinder (Zylinder Nr. 1 und Nr. 2) zugeführt wird, und vermindert sich um die Menge, die erforderlich ist zum Reduzieren der NOx, die in dem Abgas von den beiden Zylindern enthalten sind (Zylinder Nr. 3 und Nr. 4).
Fig. 21 und 22 zeigt ein Ablaufdiagramm zum Erläutern des Kraftstoffeinspritzsteuervorgangs bei diesem Ausführungsbeispiel. Dieser Vorgang wird durch eine Routine durchgeführt, die durch den Steuerschaltkreis 30 bei einem vorgegebenen Drehwinkel der Kurbelwelle ausgeführt wird.
In Fig. 21 repräsentieren die Schritte 2101 bis 2125 den Steuervorgang der Primärkraftstoffeinspritzung der jeweiligen Zylinder. Die Mengen der Kraftstoffeinspritzung der Zylinder Nr. 3 und Nr. 4 werden nämlich bei dem Schritt 2101 eingerichtet, so dass die Überschussluftverhältnisse λ3B und λ4B der Verbrennung der Zylinder Nr. 3 und Nr. 4 gleich λLL werden, und die Primärkraftstoffeinspritzungen der Zylinder Nr. 3 und Nr. 4 werden bei den Schritten 2103 und 2105 bei der Kraftstoffeinspritzzeitgebung dieser Zylinder durchgeführt.
Das Überschussluftverhältnis λ1B der Primärkraftstoffeinspritzung des Zylinders Nr. 1 wird in Übereinstimmung damit eingerichtet, ob der Wert der Marke FR gleich 0 ist, und die Primärkraftstoffeinspritzung des Zylinders Nr. 1 wird bei den Schritten 2107 bis 2115 bei der Kraftstoffeinspritzzeitgebung durchgeführt. Das Überschussluftverhältnis λ1B des Zylinders Nr. 1 wird auf λL eingerichtet, wenn der Wert von FR gleich 1 oder 2 beträgt (Schritt 2109), und auf λLL, wenn der Wert von FR gleich 0 ist (Schritt 2111).
Des weiteren wird das Überschussluftverhältnis λ2B der Primärkraftstoffeinspritzung des Zylinders Nr. 2 in Übereinstimmung damit eingerichtet, ob der Wert der Marke FR gleich 1 ist, und die Primärkraftstoffeinspritzung des Zylinders Nr. 2 wird durchgeführt bei der Kraftstoffeinspritzzeitgebung bei den Schritten 2117 bis 2125. Das Überschussluftverhältnis λ2B des Zylinders Nr. 2 wird auf λLL eingerichtet, wenn der Wert von FR gleich 1 beträgt (Schritt 2119), und auf λL, wenn der Wert von FR gleich 2 beträgt (Schritt 2121).
Nach dem Einrichten der Überschussluftverhältnisse der jeweiligen Zylinder werden die zusätzlichen Kraftstoffeinspritzungen der Zylinder Nr. 1 und Nr. 2 bei den Schritten 2127 bis 2141 durchgeführt. Es wird nämlich bestimmt, ob der Wert der Marke FR gleich 0 ist beim Schritt 2127, und wenn FR = 0 gilt, da die zusätzlichen Kraftstoffeinspritzungen nicht erforderlich sind für die Zylinder Nr. 1 und Nr. 2, wird der Betrieb sofort beendet. Wenn andererseits FR ≠ 0 gilt beim Schritt 2127 (das heißt wenn FR gleich 1 oder 2 ist), da die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung für den Zylinder Nr. 1 erforderlich ist, wird die Menge der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung des Zylinders Nr. 1 beim Schritt 2129 auf eine derartige Weise bestimmt, dass das Überschussluftverhältnis λ1A des Abgases, das den Zylinder Nr. 1 verlässt, gleich λR wird. Die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung wird dann durchgeführt bei der Zeitgebung der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung (Schritte 2131 und 2133). Des weiteren bestimmt der Betrieb, ob der Wert der Marke FR gleich 1 ist bei dem Schritt 2135, und wenn FR = 1 gilt (das heißt wenn die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung nicht erforderlich ist für den Zylinder Nr. 2), wird der Betrieb sofort beendet. Wenn FR ≠ 1 gilt beim Schritt 2135 (das heißt wenn FR = 2 gilt), da dies bedeutet, dass die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung für den Zylinder Nr. 2 erforderlich ist, richtet der Betrieb die Menge der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung beim Schritt 2137 ein, so dass das Überschussluftverhältnis λ2B des Abgases, das den Zylinder Nr. 2 verlässt, gleich λR wird, und führt die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung des Zylinders Nr. 2 bei den Schritten 2139 und 2141 durch.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, da die Menge der NH&sub3;, die bei dem Dreiwegekatalysator 5 erzeugt wird, auf eine derartige Weise gesteuert wird, dass die Menge der NH&sub3;, die in dem NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 gehalten wird, immer innerhalb einem vorgegebenem Bereich gehalten wird, tritt die Verknappung der NH&sub3; an dem Katalysator 9 oder dessen Sättigung mit dem NH&sub3;-Bestimmungsbetrieb nicht auf. Deshalb werden die NOx aus dem Abgas mit hoher Effizienz bei diesem Ausführungsbeispiel gereinigt.
Als nächstes werden andere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung erläutert. Die vorangegangenen Ausführungsbeispiele der Fig. 1, 8 bis 10, 12, 15, 16 und 19 verwenden den Dreiwegekatalysator 5 als die NH&sub3;- Umwandlungseinrichtung. Bei den nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispielen wird jedoch ein NOx-Absorptions- Reduktionskatalysator anstelle des Dreiwegekatalysators als die NH&sub3;-Umwandlungseinrichtung verwendet.
Wie vorstehend erläutert ist, absorbiert der NOx- Absorptions-Reduktionskatalysator NOx aus dem Abgas, wenn das Luftkraftstoffverhältnis des Abgases mager ist, und gibt die absorbierten NOx frei und reduziert sie, wenn das Luftkraftstoffverhältnis des Abgases fett wird. Es wurde jedoch herausgefunden, dass der NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator auch NOx zu NH&sub3; umwandelt, wenn das Luftkraftstoffverhältnis des Abgases fett ist, durch dieselbe Reaktion wie die des Dreiwegekatalysators, das heißt 5H&sub2; + 2NO → 2NH&sub3; + 2H&sub2;O. Dabei wurde auch herausgefunden, dass sowohl die NOx aus dem Abgas als auch die in dem NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator absorbierten NOx umgewandelt werden zu NH&sub3;. Wenn der NOx- Absorptions-Reduktionskatalysator als die NHx- Umwandlungseinrichtung verwendet wird, da die in dem NOx- Absorptions-Reduktionskatalysator absorbierten NOx zusätzlich zu dem NOx aus dem Abgas verwendet werden können zum Erzeugen der NH&sub3;, wird deshalb die Menge der erzeugten NOx größer im Vergleich mit der Menge der NOx, die durch den Dreiwegekatalysator erzeugt werden, vorausgesetzt dass andere Bedingungen dieselben sind.
Fig. 23 bis 27 zeigen die allgemeinen Konfigurationen der Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Abgasreinigungsvorrichtung, wenn die NOx-Absorptions- Reduktionskatalysatoren als die NH&sub3;-Umwandlungseinrichtung verwendet werden. Fig. 23 bis 26 zeigen die Ausführungsbeispiele, bei denen Abgase von allen Zylindern des Motors durch den NOx- Absorptions-Reduktionskatalysator hindurchströmen, der als die NHx-Umwandlungseinrichtung verwendet wird, während Fig. 27 das Ausführungsbeispiel zeigt, wobei nur das Abgas von dem bestimmten Zylinder durch denselben hindurchströmt. Die Bezugszeichen in Fig. 23 bis 27, die dieselben wie jene von Fig. 1, 8 bis 10, 12, 15, 16 und 19 sind, bezeichnen ähnliche Elemente.
Zunächst wird das Ausführungsbeispiel von Fig. 23 erläutert.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Zylinder Nr. 1 und Nr. 4 mit einem Zweigabgaskanal 4a verbunden durch einen Abgaskrümmer 133a, und die Zylinder Nr. 2 und Nr. 3 sind mit einem anderen Zweigabgaskanal 4b verbunden durch einen Abgaskrümmer 133b. Die Zweigabgaskanäle 4a und 4b vereinigen sich miteinander, um einen gemeinsamen Abgaskanal 4 bei ihrer stromabwärtigen Seite zu bilden. Ein NOx-Absorptions- Reduktionskatalysator ist in jedem der Zweigabgaskanäle 4a und 4b bei diesem Ausführungsbeispiel angeordnet. Da dieser NOx- Absorptions-Reduktionskatalysator als eine NH&sub3;- Umwandlungseinrichtung wirkt, werden diese NOx-Absorptions- Reduktionskatalysatoren mit Bezugszeichen 70a und 70b (oder 70) in Fig. 23 bis 27 bezeichnet, um sie von dem NOx-Absorptions- Reduktionskatalysator zu unterscheiden, der als die Reinigungseinrichtung wirkt. In dem gemeinsamen Abgaskanal 4 sind ein NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator 7, der hauptsächlich als die Reinigungseinrichtung wirkt, und der NH&sub3;-Adsorptions- Denitrierkatalysator 9 in dieser Reihenfolge von dem stromaufwärtigen Ende aus angeordnet.
Bei diesem Ausführungsbeispiel werden alle Zylinder immer mit demselben Überschussluftverhältnis betrieben. Es werden nämlich zwei Gruppen an Zylindern gebildet, und ein Zweigabgaskanal ist mit jeder Gruppe der Zylinder verbunden, um den Abgasrückdruck zu vermindern durch Vermeiden einer Störung der Abgase von den jeweiligen Zylindern, wobei die Konfiguration des Ausführungsbeispiels von Fig. 23 im wesentlichen dasselbe wie das der Fig. 1 ist, da die NH&sub3;-Umwandlungseinrichtung (die NOx- Absorptions-Reduktionskatalysatoren 70a und 70b) in beiden Zweigabgaskanälen 4a und 4b angeordnet sind.
Des weiteren ist der Abgasreinigungsvorgang des vorliegenden Ausführungsbeispiels derselbe wie der Vorgang des Ausführungsbeispiels der Fig. 1, das heißt die Vorgänge von Fig. 6 und 7 werden bei diesem Ausführungsbeispiel durchgeführt. Alle Zylinder des Motors werden nämlich bei einem mageren Luftkraftstoffverhältnis während dem normalen Betrieb betrieben. Bei dem normalen Betrieb absorbieren die NOx-Absorptions- Reduktionskatalysatoren 70a und 70b sowie der stromabwärtige NOx- Absorptions-Reduktionskatalysator 7 NOx aus dem Abgas. Wenn die Menge der NOx, die in dem stromabwärtigen NOx- Reduktionskatalysator 7 absorbiert werden, sich auf einen vorgegebenen Wert erhöht, wird der Fettspitzenbetrieb bei allen Zylindern durchgeführt. Deshalb strömt ein Abgas mit einem fetten Luftkraftstoffverhältnis, das eine relativ große Menge an NOx enthält, in die stromaufwärtigen NOx-Absorptions- Reduktionskatalysatoren 70a, 70b ein, die als die NH&sub3;- Umwandlungseinrichtung wirken. Wenn das Abgas mit dem fetten Luftkraftstoffverhältnis zu den stromaufwärtigen NOx-Absorptions- Reduktionskatalysatoren 70a und 70b zugeführt wird, werden die in den Katalysatoren 70a und 70b absorbierten NOx freigegeben. Diese freigegebenen NOx sowie die in dem Abgas von dem Motor enthaltenen NOx werden zu NH&sub3; umgewandelt bei den stromaufwärtigen NOx-Absorptions-Reduktionskatalysatoren 70a und 70b, und eine große Menge an NH&sub3; wird erzeugt. Somit strömt ein Abgas mit einem fetten Luftkraftstoffverhältnis, das eine große Menge an NH&sub3; enthält, in den stromabwärtigen NOx-Absorptions- Reduktionskatalysator 7 ein und dadurch werden die NOx aus dem Katalysator 7 freigegeben und zu N&sub2; reduziert durch eine Reaktion mit NH&sub3; in dem Abgas.
Bei dem Betrieb von Fig. 6 wird angenommen, dass die stromaufwärtigen NOx-Absorptions-Reduktionskatalysatoren 70a nur die Funktion der NH&sub3;-Umwandlungseinrichtung durchführen, das heißt genau dieselbe Funktion wie der Dreiwegekatalysator 5 von Fig. 1. Deshalb wird die Absorption und Freigabe der NOx durch die NOx-Absorptions-Reduktionskatalysatoren 70a und 70b nicht betrachtet. Da jedoch die stromaufwärtigen NOx-Absorptions- Reduktionskatalysatoren 70a und 70b auch NOx in dem Abgas während dem normalen Betrieb absorbieren, wird die tatsächliche Menge der in dem stromabwärtigen NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator 7 absorbierten NOx kleiner bei diesem Ausführungsbeispiel im Vergleich mit dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1. Deshalb wird es bevorzugt, den Absorptions- und Freigabevorgang der stromaufwärtigen NOx-Absorptions-Reduktionskatalysatoren 70a und 70b zu berücksichtigen. Der Abgasreinigungsvorgang, der den Absorptions- und Freigabevorgang der stromaufwärtigen NOx- Absorptions-Reduktionskatalysatoren berücksichtigt, wird später erläutert (Fig. 28).
Fig. 24 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die NOx- Absorptions-Reduktionskatalysatoren 70a und 70b als die NH&sub3;- Umwandlungseinrichtung verwendet werden, und wobei der NH&sub3; - Adsorptions-Denitrierkatalysator 9 und der stromabwärtige NOx- Absorptions-Reduktionskatalysator 7 in dem Abgaskanal in dieser Reihenfolge von dem stromaufwärtigen Ende aus angeordnet sind. Wie aus Fig. 24 und Fig. 8 ersichtlich ist, ist das Ausführungsbeispiel von Fig. 24 im wesentlichen dasselbe wie das Ausführungsbeispiel von Fig. 8. Da der Abgasreinigungsvorgang des Ausführungsbeispiels von Fig. 24 auch derselbe ist wie der Vorgang des Ausführungsbeispiels von Fig. 8, wird eine detaillierte Erläuterung weggelassen.
Fig. 25 zeigt ein Ausführungsbeispiel, wobei nur der stromabwärtige NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator 7 an dem Abgaskanal 4 stromabwärts der stromaufwärtigen NOx-Absorptions- Reduktionskatalysatoren 70a und 70b vorgesehen ist. Fig. 26 zeigt ein Ausführungsbeispiel, wobei nur der NH&sub3;-Adsorptions- Denitrierkatalysator 9 in dem Abgaskanal 4 stromabwärts der NOx- Absorptions-Reduktionskatalysatoren 70a und 70b angeordnet ist. Die Ausführungsbeispiele von Fig. 25 und 26 sind im wesentlichen dieselben wie die Ausführungsbeispiele von Fig. 9 und 10 jeweils. Die Abgasreinigungsvorgänge der Ausführungsbeispiele von Fig. 25 und 26 sind auch dieselben wie jene der Ausführungsbeispiele von Fig. 9 und 10.
Fig. 27 zeigt ein Ausführungsbeispiel, wobei nur das Abgas von dem besonderen Zylinder zu dem NOx-Absorptions- Reduktionskatalysator 70 zugeführt wird, der als die NH&sub3;- Umwandlungseinrichtung wirkt. Dieses Ausführungsbeispiel ersetzt nur den Dreiwegekatalysator 5 des Ausführungsbeispiels von Fig. 12 mit dem NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator 70 und ist im wesentlichen dasselbe wie das Ausführungsbeispiel von Fig. 12. Der Abgasreinigungsvorgang des Ausführungsbeispiels von Fig. 27 ist auch exakt dergleiche wie der Vorgang des Ausführungsbeispiels von Fig. 12. Obwohl es in den Zeichnungen nicht gezeigt ist, ist es des weiteren möglich, den Dreiwegekatalysator 5 der Ausführungsbeispiele von Fig. 15, 16 und 19 mit dem NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator 7 zu ersetzen, und die Abgasreinigungsvorgänge ändern sich nicht, selbst wenn der Dreiwegekatalysator 5 mit dem NOx-Absorptions- Reduktionskatalysator 7 bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 15, 16 und 19 ersetzt wird.
Als nächstes wird ein anderes Ausführungsbeispiel des Abgasreinigungsvorgangs erläutert, wobei der NOx-Absorptions- Reduktionskatalysator als die NH&sub3;-Umwandlungseinrichtung verwendet wird. Obwohl bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 23 bis 27 die NOx-Absorptions-Reduktionskatalysatoren als die NH&sub3;- Umwandlungseinrichtung verwendet werden, sind die Abgasreinigungsvorgänge exakt dieselben wie die Abgasreinigungsvorgänge, wobei die Dreiwegekatalysatoren als die NH&sub3;-Umwandlungseinrichtung verwendet werden. Obwohl der Dreiwegekatalysator nur das Hindurchtreten von NOx ermöglicht, absorbiert jedoch der NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator NOx aus dem Abgas, wenn das Abgas ein mageres Luftkraftstoffverhältnis hat. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird dieser NOx-Absorptions- und Freigabevorgang wirksam angewandt, selbst obwohl der NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator als die NH&sub3;-Umwandlungseinrichtung verwendet wird.
Fig. 28 zeigt ein Ablaufdiagramm zum Erläutern des Ausführungsbeispiels des Abgasreinigungsvorgangs. Obwohl dieser Abgasreinigungsvorgang bei jedem der Ausführungsbeispiele der Fig. 23 bis 27 durchgeführt werden kann, wird der Fall von Fig. 23 zwecks der Erläuterung betrachtet.
Der Vorgang von Fig. 28 wird durch eine Routine durchgeführt, die durch den Steuerschaltkreis 30 bei vorgegebenen Intervallen ausgeführt wird.
Ähnlich dem Vorgang von Fig. 6 wird bei diesem Vorgang die in dem stromabwärtigen NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator 7 absorbierte NOx-Menge berechnet, und wenn die berechnete NOx- Menge sich auf einen vorgegebenen Wert erhöht, wird der Fettspitzenbetrieb durchgeführt, um NH&sub3; zu erzeugen durch die stromaufwärtigen NOx-Absorptions-Reduktionskatalysatoren 70a und 70b. Da jedoch die stromaufwärtigen NOx-Absorptions- Reduktionskatalysatoren 70a und 70b auch NOx aus dem Abgas während dem normalen Betrieb absorbieren, ist die Menge der NOx aus dem Abgas, das in den stromabwärtigen NOx-Absorptions- Reduktionskatalysator 7 einströmt, sehr klein im Vergleich mit der des Ausführungsbeispiels von Fig. 1. Die stromaufwärtigen NOx-Absorptions-Reduktionskatalysatoren 70a und 70b sind jedoch bei diesem Ausführungsbeispiel relativ klein bemessen und ihre Kapazität für die Absorption von NOx ist relativ klein. Wie gut bekannt ist, wenn die in dem NOx-Absorptions- Reduktionskatalysator absorbierte NOx-Menge sich erhöht, erhöht sich die NOx-Menge graduell, die durch den Katalysator ohne absorbiert zu werden hindurchtritt, wenn sich die Menge der NOx der Sättigungsmenge annähert. Wenn sich die Menge der absorbierten NOx in den NOx-Absorptions-Reduktionskatalysatoren 70a und 70b erhöht und sich der Sättigungsmenge annähert, erhöht sich deshalb die NOx-Menge graduell, die durch den stromabwärtigen NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator 7 absorbiert wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, dass die NOx-Menge, die in dem stromabwärtigen NOx- Absorptions-Reduktionskatalysator 7 absorbiert wird, sich nicht erhöht, wenn die Menge der absorbierten NOx in den stromaufwärtigen NOx-Absorptions-Reduktionskatalysatoren 70a und 70b klein ist, da gedacht wird, dass die NOx aus dem Abgas nicht durch die stromaufwärtigen Katalysatoren 70a und 70b hindurchtreten, wenn die Menge der darin absorbierten NOx klein ist. Des weiteren wird auch davon ausgegangen, dass ein Teil der NOx das Hindurchtreten durch die stromaufwärtigen NOx- Absorptions-Reduktionskatalysatoren 70a und 70b beginnt, wenn die Menge der absorbierten NOx in den stromaufwärtigen Katalysatoren 70a und 70b einen vorgegebenen Wert erreicht und die NOx-Menge, die in dem stromabwärtigen Katalysator 7 absorbiert ist, auch beginnt, sich zu erhöhen. Deshalb ist bei diesem Ausführungsbeispiel die erforderliche Zeit für die Absorption der NOx in dem stromabwärtigen NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator 7 zum Erhöhen des oberen Grenzwerts länger im Vergleich mit der des Ausführungsbeispiels von Fig. 1. Durch Berücksichtigen der NOx-Menge, die durch die stromaufwärtigen NOx-Absorptions- Reduktionskatalysatoren 70a und 70b absorbiert wird, kann deshalb das Intervall zwischen dem Fettspitzenbetrieb des Motors bei diesem Ausführungsbeispiel länger eingerichtet werden.
Das Ablaufdiagramm von Fig. 28 wird kurz erläutert. Das Ablaufdiagramm von Fig. 28 ist ähnlich dem Ablaufdiagramm von Fig. 6, außer dass die Schritte 2821 bis 2825 zu Fig. 6 hinzugefügt werden.
Bei diesem Vorgang wird die Menge ANOx der durch den Motor pro Zeiteinheit erzeugten NOx während dem Betrieb mit dem mageren Luftkraftstoffverhältnis (Schritt 2801) berechnet (Schritt 2803) auf dieselbe Weise wie bei dem Schritt 603 in Fig. 6. Beim Schritt 2805 wird der Wert des Zählers F1NOx um ANOx erhöht. Der Zähler F1NOx repräsentiert die NOx-Menge, die in dem stromaufwärtigen NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator 70a und 70b absorbiert ist. Beim Schritt 2807 bestimmt der Betrieb, ob der Wert des Zählers F1NOx einen vorgegebenen Wert F1NOx&sub0; erreicht. F1NOx&sub0; ist die NOx-Menge, die in den stromaufwärtigen NOx-Absorptions-Reduktionskatalysatoren 70a und 70b absorbiert ist, wobei die NOx aus dem Abgas durch die Katalysatoren 70a und 70b hindurchtreten aufgrund der Erhöhung der darin absorbierten NOx-Menge. Der Wert von F1NOx&sub0; ist auf einen Wert ungefähr derselbe wie FNOx&sub0; in Fig. 6 eingerichtet (beispielsweise ungefähr 70% der Sättigungsmenge). Wenn die Menge F1NOx nicht den Wert F1NOx&sub0; beim Schritt 2807 erreicht, wird der Betrieb sofort beendet. Dabei wird der Wert des Zählers F2NOx nicht erhöht, der die Menge der NOx repräsentiert, die in dem stromabwärtigen NOx- Absorptions-Reduktionskatalysator 7 absorbiert ist.
Wenn der Wert F1NOx den Wert F1NOx&sub0; beim Schritt 2807 erreicht, da dies bedeutet, dass ein Teil der in die stromaufwärtigen NOx-Absorptions-Reduktionskatalysatoren 70a und 70b einströmenden NOx hindurchtritt ohne absorbiert zu werden durch die stromaufwärtigen Katalysatoren 70a und 70b, berechnet der Betrieb die Menge A2NOx der NOx, die durch die stromaufwärtigen Katalysatoren 70a und 70b pro Zeiteinheit hindurchtreten beim Schritt 2811. Der Wert A2NOx wird größer, wenn die Menge der in den NOx-Absorptions-Reduktionskatalysatoren 70a und 70b absorbierten NOx sich der Sättigungsmenge annähert. Des weiteren erhöht sich der Wert A2NOx, wenn die Menge der durch den Motor pro Zeiteinheit erzeugten NOx sich erhöht. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Menge A2NOx im voraus gemessen bei verschiedenen Zuständen der Menge F1NOx der in den NOx- Absorptions-Reduktionskatalysatoren 70a, 70b absorbierten NOx, und der Menge ANOx der durch den Motor pro Zeiteinheit erzeugten NOx. Das Messergebnis wird in dem ROM des Steuerschaltkreises in der Gestalt einer numerischen Tabelle unter Verwendung von F1NOx und ANOx als Parameter gespeichert. Der Wert A2NOx wird aus F1NOx und ANOx unter Verwendung dieser numerischen Tabelle beim Schritt 2821 bestimmt. Da die Menge A2NOx der NOx durch den stromaufwärtigen NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator 70a und 70b hindurchtritt und durch den stromabwärtigen NOx-Absorptions- Reduktionskatalysator 7 absorbiert wird, erhöht sich die Menge der NOx, die in dem stromabwärtigen NOx-Absorptions- Reduktionskatalysator gehalten wird, auf A2NOx pro Zeiteinheit. Deshalb wird der Wert des Zählers F2NOx, der die Menge der NOx, die in dem stromabwärtigen NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator 7 absorbiert ist, repräsentiert, um ANOx beim Schritt 2823 erhöht. Wenn bei diesem Betrieb der Wert von F2NOx einen vorgegebenen Wert F2NOx&sub0; beim Schritt 2825 erreicht, wird der Fettspitzenbetrieb der Zylinder bei den Schritten 2809 und 2811 begonnen.
Der Schritt 2809 (das Zurücksetzen der Marke FL), der Schritt 2811 (das Einrichten der Fettspitzenbetriebsperiode CT) sind genau derselbe Betrieb wie jeweils bei den Schritten 609 und 611 in Fig. 6. Des weiteren sind die Schritte 2813 bis 2819 dieselben Betriebe wie bei den Schritten 613 bis 619. Deshalb wird die detaillierte Erläuterung dieser Schritte hier weggelassen.
Fig. 29 zeigt ein Diagramm zum Darstellen der Änderung der in den stromaufwärtigen Katalysatoren 70a und 70b und dem stromabwärtigen Katalysator 7 absorbierten NOx-Menge während dem Abgasreinigungsvorgang des vorliegenden Ausführungsbeispiels. In Fig. 29 repräsentiert die Kurve A die Menge F1NOx der in den stromaufwärtigen NOx-Absorptions-Reduktionskatalysatoren 70a und 70b absorbierten NOx-Menge, und die Kurve B repräsentiert die Menge F2NOx der in dem stromabwärtigen NOx-Absorptions- Reduktionskatalysator 7 absorbierten NOx. Wie aus der Kurve A von Fig. 29 ersichtlich ist, wenn sich die Menge F1NOx erhöht und den Wert FIHOx&sub0; erreicht (den Zeitpunkt I in Fig. 29), beginnt ein Teil der NOx das Hindurchtreten durch die stromaufwärtigen Katalysatoren 70a und 70b. Deshalb beginnt die Menge F2NOx der in dem stromabwärtigen NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator 7 absorbierten NOx sich zu erhöhen (der Zeitpunkt I in Fig. 29). Die Menge der NOx, die durch die stromaufwärtigen NOx- Absorptions-Reduktionskatalysatoren 70a, 70b hindurch tritt, erhöht sich, wenn sich die Menge F1NOx erhöht, und nachdem die Menge F1NOx die Sättigungsmenge der Katalysatoren 70a, 70b erreicht, treten alle durch den Motor erzeugten NOx durch die stromaufwärtigen Katalysatoren 70a, 70b hindurch und werden durch den stromabwärtigen NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator 7 absorbiert. Deshalb wird die Rate der Erhöhung der Menge F2NOx der in dem stromabwärtigen NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator absorbierten NOx größer, wenn die Zeit verstreicht. Wenn die Menge F2NOx der in dem stromabwärtigen NOx-Absorptions- Reduktionskatalysator 7 absorbierten NOx die Menge F2NOx&sub0; erreicht, wird der Fettspitzenbetrieb durch den in Fig. 28 gezeigten Betrieb durchgeführt (der Zeitpunkt II in Fig. 29), und dadurch werden alle in den stromaufwärtigen Katalysatoren 70a, 70b und dem stromabwärtigen Katalysator 7 absorbierten NOx freigegeben und reduziert. Deshalb werden die Mengen F1NOx und F2NOx gleich 0 nachdem der Fettspitzenbetrieb abgeschlossen ist.
Wie vorstehend erläutert ist, da gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Zeitgebung zum Durchführen des Fettspitzenbetriebs bestimmt wird unter Berücksichtigung der NOx- Absorptionsfähigkeit des stromaufwärtigen NOx-Absorptions- Reduktionskatalysators 70a und 70b (das heißt der NH&sub3;- Umwandlungsrichtung), kann das Intervall zwischen dem Fettspitzenbetrieb länger eingerichtet werden im Vergleich mit dem Fall, wobei der Dreiwegekatalysator als die NH&sub3;- Umwandlungseinrichtung verwendet wird.

Claims

1. Abgasreinigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine (1), wobei der Motor (1) mit einem Zylinderdirekteinspritzventil (71 bis 74) versehen ist zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in den Zylinder hinein und eine Verbrennung mit einem mageren Luftkraftstoffverhältnis betreiben kann in dem Zylinder, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist:

eine Abgasluftkraftstoffverhältniseinstelleinrichtung (30) zum Einstellen des Luftkraftstoffverhältnisses des Abgases mit einem mageren Luftkraftstoffverhältnis, das erzeugt wird durch die Verbrennung mit dem mageren Luftkraftstoffverhältnis in dem Zylinder, auf ein fettes Luftkraftstoffverhältnis durch Einspritzen von Kraftstoff in den Zylinder hinein von dem Zylinderdirekteinspritzventil während einem Expansionshub oder einem Auslasshub des Zylinders,

eine NH&sub3;-Umwandlungseinrichtung, die in einem Abgaskanal (4) angeordnet ist, durch den das Abgas nach der Einstellung seines Luftkraftstoffverhältnisses strömt, und zum Erzeugen von NH&sub3; durch Umwandeln zumindest eines Teils der in dem Abgas enthaltenen NOx zu NH&sub3;; und

eine Reinigungseinrichtung, die in einem Abgaskanal angeordnet ist, in den das Abgas von der NH&sub3;- Umwandlungseinrichtung strömt und zum Reinigen sowohl der NOx als auch der NH&sub3; in dem Abgas durch eine Reaktion von NOx mit NH&sub3; in dem Abgas.

2. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Abgasluftkraftstoffverhältniseinstelleinrichtung (30) die Menge der NH&sub3; steuert, die erzeugt werden durch die NH&sub3;- Umwandlungseinrichtung, durch Ändern der Länge der Periode zum Einstellen des Luftkraftstoffverhältnisses des Abgases auf ein fettes Luftkraftstoffverhältnis.

3. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Abgasluftkraftstoffverhältniseinstelleinrichtung (30) die Menge der NH&sub3; steuert, die erzeugt werden durch die NH&sub3;- Umwandlungseinrichtung durch Ändern der Anzahl der Zylinder, in denen die direkte Kraftstoffeinspritzung durchgeführt wird während dem Expansions- oder Auslasshub.

4. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Abgasluftkraftstoffverhältniseinstelleinrichtung (30) die Menge der NH&sub3; steuert, die erzeugt werden durch die NH&sub3;- Umwandlungseinrichtung durch Ändern des Wertes des Luftkraftstoffverhältnisses des Abgases nach der Einstellung.

5. Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Abgasluftkraftstoffverhältniseinstelleinrichtung (30) die Menge der NH&sub3; steuert, die erzeugt werden durch die NH&sub3;- Umwandlungseinrichtung in Übereinstimmung mit dem Betriebszustand des Motors (1).

6. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Reinigungseinrichtung einen NH&sub3;-Adsorptions- Denitrierkatalysator (9) aufweist, der NH&sub3; aus dem Abgas adsorbiert und NOx in dem Abgas reduziert unter Verwendung der NH&sub3;, die adsorbiert sind, oder der NH&sub3; aus dem Abgas.

7. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Reinigungseinrichtung einen NOx-Adsorptions- Reduktionskatalysator (7) aufweist, der NOx aus dem Abgas adsorbiert, wenn das Abgas ein mageres Luftkraftstoffverhältnis hat, und NOx freigibt, die adsorbiert sind und dieselben reduziert, wenn das Luftkraftstoffverhältnis UPS Abgases Pin fettes Luftkraftstoffverhältnis wird.

8. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Reinigungseinrichtung sowohl einen NH&sub3;-Adsorptions- Denitrierkatalysator (9), der NH&sub3; aus dem Abgas adsorbiert und NOx aus dem Abgas reduziert unter Verwendung der adsorbierten NH&sub3; oder der NH&sub3; aus dem Abgas, als auch einen NOx-Absorptions- Reduktionskatalysator (7) aufweist, der NOx aus dem Abgas absorbiert, wenn das Abgas ein mageres Luftkraftstoffverhältnis hat, und absorbierte NOx freigibt und dieselben reduziert, wenn das Luftkraftstoffverhältnis des Abgases ein fettes Luftkraftstoffverhältnis wird.

9. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei der NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator (7) in dem Abgaskanal (4) stromaufwärts des NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysator (9) angeordnet ist.

10. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei der NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator (7) in dem Abgaskanal (4) stromabwärts des NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysators (9) angeordnet ist.

11. Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Reinigungseinrichtung einen NH&sub3;-Adsorptions- Denitrierkatalysator (9) aufweist, der NH&sub3; aus dem Abgas adsorbiert und NOx aus dem Abgas reduziert unter Verwendung der adsorbierten NH&sub3; oder der NH&sub3; aus dem Abgas, und wobei die Abgasluftkraftstoffverhältniseinstelleinrichtung (30) die Menge der NH&sub3; steuert, die erzeugt werden durch die NH&sub3;- Umwandlungseinrichtung in Übereinstimmung mit der Menge der von dem Motor abgegebenen NOx.

12. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Reinigungseinrichtung einen NH&sub3;-Adsorptions- Denitrierkatalysator (9) aufweist, der NH&sub3; aus dem Abgas adsorbiert und NOx aus dem Abgas reduziert unter Verwendung der adsorbierten NH&sub3; oder der NH&sub3; aus dem Abgas, und wobei die Abgasluftkraftstoffverhältniseinstelleinrichtung (30) die Menge der NH&sub3; steuert, die erzeugt werden durch die NH&sub3;- Umwandlungseinrichtung in Übereinstimmung mit der von dem Motor (1) abgegebenen NOx-Menge.

13. Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Reinigungseinrichtung einen NOx-Absorptions- Reduktionskatalysator (7) aufweist, der NOx aus dem Abgas absorbiert, wenn das Abgas ein mageres Luftkraftstoffverhältnis hat, und absorbierte NOx freigibt und dieselben reduziert, wenn das Luftkraftstoffverhältnis des Abgases ein fettes Luftkraftstoffverhältnis wird, und wobei die Abgasluftkraftstoffverhältniseinstelleinrichtung (30) die Menge der NH&sub3; steuert, die erzeugt werden durch die NH&sub3;- Umwandlungseinrichtung, in Übereinstimmung mit der Menge der von dem Motor abgegebenen NOx.

14. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Reinigungseinrichtung einen NOx-Absorptions- Reduktionskatalysator (7) aufweist, der NOx aus dem Abgas absorbiert, wenn das Abgas ein mageres Luftkraftstoffverhältnis hat, und absorbierte NOx freigibt und dieselben reduziert, wenn das Luftkraftstoffverhältnis des Abgases ein fettes Luftkraftstoffverhältnis wird, und wobei die Abgasluftkraftstoffverhältniseinstelleinrichtung (30) die Menge der NH&sub3; steuert, die erzeugt werden durch die NH&sub3;- Umwandlungseinrichtung, in Übereinstimmung mit der Menge der von dem Motor abgegebenen NOx.

15. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Reinigungseinrichtung einen NHg-Adsorptions- Denitrierkatalysator (7) aufweist, der NH&sub3; aus dem Abgas adsorbiert und NOx aus dem Abgas reduziert unter Verwendung der adsorbierten NH&sub3; oder der NH&sub3; aus dem Abgas, und wobei die Abgasluftkraftstoffverhältniseinstelleinrichtung (30) das Abgas bei einem fetten Luftkraftstoffverhältnis einstellt, wenn die Menge der in dem NH&sub3;-Adsorptions-Denitrierkatalysator (9) adsorbieren NH&sub3; kleiner als ein vorgegebener Wert wird.

16. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Reinigungseinrichtung einen NOx-Absorptions- Reduktionskatalysator (7) aufweist, der NOx aus dem Abgas absorbiert, wenn das Abgas ein mageres Luftkraftstoffverhältnis hat, und absorbierte NOx freigibt und dieselben reduziert, wenn das Luftkraftstoffverhältnis des Abgases ein fettes Luftkraftstoffverhältnis wird, und wobei die Abgasluftkraftstoffverhältniseinstelleinrichtung (30) das Abgas bei einem fetten Luftkraftstoffverhältnis einstellt, wenn die Menge der in dem NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator (7) absorbierten NOx größer als ein vorgegebener Wert wird.

17. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die NH&sub3;-Umwanldungseinrichtung einen Dreiwegereduktions- und Oxidationskatalysator (5) aufweist.

18. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die NH&sub3;-Umwandlungseinrichtung einen NOx-Absorptions- Reduktionskatalysator (7) aufweist, der NOx aus dem Abgas absorbiert, wenn das Abgas ein mageres Luftkraftstoffverhältnis hat, und absorbierte NOx freigibt und dieselben reduziert, wenn das Luftkraftstoffverhältnis des Abgases ein fettes Luftkraftstoffverhältnis wird.