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HINTERGRUNG DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Abgasemissionssteuerungssystem für eine Brennkraftmaschine mit
Innenverbrennung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Ein Abgasemissionssteuerungssystem
zum Reinigen des von einer Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung
ausgestoßenen
Abgases ist im allgemeinen in der Auspuffanlage dieser Maschine
angeordnet. Wenn das von der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung
ausgestoßene
Abgas durch dieses Abgasemissionssteuerungssystem strömt, werden
in dessen Einströmabschnitt
allmählich
Verbrennungsprodukte abgelagert. Die Klassifikation der Ablagerungen
wird in Abhängigkeit
von der Zusammensetzung des Abgases und von der Konstruktion des Abgasemissionsteuerungssystems
oder des Abgasreinigungssystems klassifiziert, wobei eine Ablagerung
zum Beispiel ein Oxid, ein Sulfid, ein Nitrat oder ein Sulfat sein
kann. Eine solche Ablagerung kann die Reinigungsleistung des Abgasemissionssteuerungssystems
verschlechtern und auch den Strömungswiderstand
vergrößern und
muß demzufolge in
bestimmten Zeitabständen
entfernt werden.
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So kann z. B. das Abgasemissionssteuerungssystem
zum Entfernen von NOx aus dem von einer
Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung bei einem mageren Luft/Brennstoff-Verhältnis ausgestoßenen Abgas
mit einem NOx-Speicher/Reduktions-Ka talysator
bestückt
sein. Ein solcher NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator
absorbiert NOx im Falle eines mageren Luft/-Brennstoff-Verhältnisses,
desorbiert das in diesem abgelagerte NOx bei
sinkender Sauerstoffkonzentration im einströmenden Abgas und reduziert
dieses zu N2. Der NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator
ist in der Auspuffanlage angeordnet und absorbiert das bei magerem
Luft/Brennstoff-Verhältnis
im Abgas vorhandene Stickstoffoxid (NOx).
Nach erfolgter Absorption des NOx im NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator wird das
der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung zugeführte Gemisch
mit Brennstoff angereichert und dadurch das im Katalysator absorbierte
NOx desorbiert. Mit einer im Abgas enthaltenen
unverbrannten Verbindung wie HC oder CO wird das desorbierte NOx zu N2 reduziert.
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Allgemein ausgedrückt, der Brennstoff für die Brennkraftmaschine
mit Innenverbrennung enthält Schwefel,
welcher beim Verbrennungsvorgang in Schwefeloxid (SOx)
umgewandelt wird. Das im Abgas enthaltene SOx wird
auf gleiche Weise wie das NOx im NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator absorbiert.
Wenn der NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator
in der Auspuffanlage einer Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung
angeordnet ist, absorbiert dieser sowohl SOx als
auch NOx.
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Das im NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator
absorbierte SOx erzeugt nach und nach Zeit
stabiles Sulfat. Dadurch kann SOx nur unter
Schwierigkeiten gelöst
und desorbiert werden und wird bei der Desorption, Reduktion und
beim Herausspülen
von NOx aus dem Speicher/Reduktions-Katalysator
(nachfolgend NOx-Desorptions/Reduktions-Vorgang genannt)
in diesem leicht akkumuliert. Wenn im NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator
die SOx-Akkumulation zunimmt, verschlechtert
sich dessen NOx-Absorptionsvermögen, so
daß dieser
einer sogenannten SOx-Vergiftung, welcher
eine Verringerung der NOx-Reinigungsgeschwindigkeit
einhergeht. In diesem Fall muß das
im Kataly sator absorbierte SOx in bestimmten
Zeitabständen
desorbiert werden, um über
einen langen Zeitraum eine hohe NOx-Reinigungsgeschwindigkeit
des NOx-Speicher/Reduktions-Katalysators
zu gewährleisten.
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Es konnte nachgewiesen werden, daß zum Desorbieren
des im NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator
asorbierten SOx dieser bei einer höheren Temperatur
als beim reinen NOx-Desorptions/Reduktions-Prozeß betrieben
werden muß und
ein hohes Luft/Brennstoff-Verhältnis
des einströmenden
Abgases erforderlich ist.
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Beim NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator ist
an dessen Eintrittsseite eine höhere
SOx-Konzentration als an dessen Austrittsseite
zu verzeichnen. Wenn nun zum Desorbieren des im NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator
absorbierten SOx das Abgas mit hohem Luft/Brennstoff-Verhältnis in
die gleiche Richtung wie bei der NOx-Adsorption
durch den NOx-Speicher/-Reduktions-Katalysator strömt, wird
das an dessen Eintrittsseite absorbierte SOx zwar
desorbiert, gelangt aber zu dessen Austrittseite und wird dort erneut
adsorbiert. Das heißt,
daß SOx nicht aus dem NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator ausgetragen
werden kann.
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Bei der in der Anmeldung zum japanischen Offenlegungspatent
7-259542 offenbarten Technologie wird zum Desorbieren des im NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator absorbierten
SOx die Strömungsrichtung des Abgases mit
hohem Luft/Brennstoff-Verhältnis umgekehrt,
so daß das
Abgas nun in entgegengesetzter Richtung durch den NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator
strömt.
In diesem Fall ist der Weg für
das desorbierte SOx innerhalb des NOx-Speicher/Reduktions-Katalysators kürzer, so daß dieses
sofort aus dem Katalysator ausgestoßen und nicht erneut von diesem
adsorbiert wird.
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Bei der nachfolgend beschriebenen
Konstruktion des Abgasemissionssteuerungssystems für eine Brennkraftmaschine
mit Innenverbrennung wird das in der genannten Publikation offenbarte
Strömungsrichtungsumkehrprinzip
angewendet. Bei dieser Konstruktion ist der an den Eingang des NOx-Speicher/Reduktions-Katalysators angeschlossene
Abgaskanal über
einen Bypass mit dem an dessen Ausgang angeschlossenen Abgaskanal
verbunden. An der Verbindungsstelle zwischen dem einlaßseitigen
Abgaskanal und dem Bypass ist ein erstes Emissionsströmungsumschaltventil
und an der Verbindungsstelle zwischen dem auslaßseitigen Abgaskanal und dem
Bypass ein zweites Emissionsströmungsumschaltventil
angeordnet. Das erste Emissionsströmungsumschaltventil dient dazu,
das Abgas entweder durch den NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator
oder in den Bypass zu leiten. Das zweite Emissionsströmungsumschaltventil
dient dazu, das Abgas entweder durch den NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator
oder den Bypass in den hinter dem Ventil angeordneten Abgaskanal
zu leiten. Vom Abgaszuführrohr
zwischen dem ersten Emissionsströmungsumschaltventil
und dem NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator
führt ein
Abgaskanal mit integrierter Saugpumpe zum genannten Bypass. Am Abgasausstoßrohr zwischen
dem NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator und dem
zweiten Emissionsströmungsumschaltventil
ist eine Vorrichtung zum Zuführen
eines Reduktionsmittels angeordnet.
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Zur Durchführung der NOx-Absorption
werden das erste und das zweite Emissionsströmungsumschaltventil in die
Stellung gebracht, welche den Bypass schließt, um die gesamte Menge des
von der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung erzeugten Abgases
zur Einlaßseite
des NOx-Speicher/Reduktions-Katalysators
und durch diesen bis zur Auslaßseite
zu leiten. Zum Desorbieren von SOx aus dem NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator werden
das erste und das zweite Emissionsströmungsumschaltventil in die
Stellung gebracht, welche den Bypass, damit im wesentlichen die
Gesamtmenge des von der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung
erzeugten Abgases durch den Bypass strömt.
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Gleichzeitig wird das im Abgaszuführrohr zwischen
dem ersten Emissionsströmungsumschaltventil
und dem NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator
vorhandene Abgas mit der Saugpumpe abgesaugt und in den Bypass geleitet,
wodurch das Abgas von der Auslaßseite
des NOx-Speicher/Reduktions-Katalysators
rückwärts durch
diesen zur Einlaßseite
strömt.
Außerdem
wird die genannte Reduktionsmittelzuführvorrichtung zugeschaltet
und Reduktionsmittel in den an der Auslaßseite des NOx-Speicher/-Reduktions-Katalysators
angeschlossene Abgaskanal geleitet. Von dem rückwärts durch den NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator
strömenden, bei
einem fetten Luft/Brennstoff-Verhältnis erzeugten Abgas wird
das SOx aus diesem desorbiert.
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Beim herkömmlichen Abgasemissionssteuerungssystem
mit Strömungsrichtungsumkehr
für eine Brennkraftmaschine
mit Innenverbrennung sind die erwähnte Saugpumpe und mehrere
Emissionsströmungsumschaltventile
erforderlich, welche die Kosten ansteigen lassen und zwangsläufig den
Kontroll- und Wartungsaufwand erhöhen.
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Das SOx-Desorptionsverfahren
mit Strömungsrichtungsumkehr
kann durch die Verkürzung des
Desorptionsweges als Verarbeitungsverfahren zur Verhinderung einer
SOx-Reabsorption angesehen werden. Da bei
diesem Verfahren der Weg des Abgases bis zum NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator
aber größer wird,
unterliegt dieses einem hohen Temperaturverlust. Demzufolge kann
dieses Verfahren hinsichtlich der Temperaturbedingungen nicht gerade
als bestes Verfahren zur Desorption von SOx angesehen
werden.
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Zur Erfüllung dieser Aufgaben wird
unter einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Abgasemissionssystem
für eine
Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung bereitgestellt, welches
folgendes aufweist: ein Abgasreinigungselement, eine mit vier Anschlußstutzen
versehene Strömungsrichtungsumschaltvorrichtung,
welche in Abgasströmungsrichtung
gesehen vor dem Abgasreinigungselement angeordnet ist, einen ersten
Abgaskanal, welcher mit der Brennkraftmaschine und dem ersten Anschlußstutzen
der Strömungsrichtungsumschaltvorrichtung
verbunden ist, einen zweiten Abgaskanal, welcher mit dem zweiten
Anschlußstutzen
der Strömungsrichtungsumschaltvorrichtung
und der Atmosphäre
verbunden ist, einen dritten Abgaskanal, welcher mit einer Seite
des Reinigungselements und mit dem dritten Anschlußstutzen
der Strömungsrichtungsumschaltvorrichtung
verbunden ist, und einen vierten Abgaskanal, welcher mit der anderen
Seite des Abgasreinigungselements und dem vierten Anschlußstutzen
der Strömungsrichtungsumschaltvorrichtung
verbunden ist. Die Strömungsrichtungsumschaltvorrichtung
kann in eine erste Stellung geschaltet werden, welche das Strömen des
Abgases in einer ersten Richtung durch das Abgasreinigungselement
ermöglicht.
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ZUSAMMENFASSUN DER EFINDUNG
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist die Bereitstellung eines Abgasemissionssteuerungssystems für eine Brennkraftmaschine
mit Innenverbrennung, welches eine einfache Konstruktion aufweist, kosteneffektiv
hergestellt werden kann und ausreichende Abgasreinigung gewährleistet.
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Diese Aufgabe erfüllt ein System mit den im Anspruch
1 definierten Merkmalen. Gemäß Anspruch
1 ist das Abgasemissionssteuerungssystem mit einer Strömungsrichtungsumschaltvorrichtung ausgestattet,
welche in eine dritte Stellung geschaltet werden kann, um zwischen
dem ersten Anschlußstutzen
und dem zweiten Anschlußstutzen
eine Verbindung herzustellen und somit auf einfache Weise die Abgasreinigung
durchzuführen.
Diese Abgasreinigung wird nachfolgend detailliert beschrieben.
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Bei dem so konstruierten Abgasemissionssteuerungssystem
für eine
Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung wird die Strömungsrichtungsumschaltvorrichtung
wahlweise in die erste oder zweite Stellung gebracht, um das Abgas
in Vorwärts- bzw. Rückwärtsrichtung
durch das Abgasreinigungselement strömen zu lassen. Das Umschalten
erfolgt auf der Grundlage der im gesamten Abgasemissionssteuerungssystem
und im Abgasreinigungselement herrschenden Bedingungen.
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Beispiele einer Maschine mit Innenverbrennung
gemäß der vorliegenden
Erfindung sind ein Benzinmotor oder ein Dieselmotor.
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Das Abgasreinigungselement gemäß der vorliegenden
Erfindung kann willkürlich
konstruiert und konfiguriert sein, sofern dieses das Abgas entsprechend
reinigt, wobei ein Katalysator oder ein Filter (z. B. ein Dieselteilchenfilter)
typische Beispiele sind. Wenn der Reinigungsmechanismus des Abgasreinigungselements
und die Zusammensetzung des von der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung erzeugten
Abgases sich ändern,
können
die im Abgasreinigungselement sich absetzenden Substanzen unterschiedlich
klassifiziert werden. Die sich absetzende Substanz kann ein Oxid,
Sulfid, Sulfat oder Nitrat sein.
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Zum Desorbieren der in der Abgasreinigungsvorrichtung
abgelagerten Substanz wird die Strömungsrichtungsumschaltvorrichtung
umgeschaltet. Der Typ der Abgasreinigungsvorrichtung und die Art
der in dieser abgelagerten und zu desorbierenden Substanz bestimmen,
ob die Temperatur der Abgasreinigungsvorrichtung erhöht oder
das Luft/Brennstoff-Verhältnis stöchiometrisch
oder fett sein muß oder
ob beide Maßnahmen
durchgeführt
werden müssen.
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Unter einem zweiten Aspekt der vorliegenden
Erfindung kann beim Abgasemissionssteuerungssystem für die Brennkraftmaschine
mit Innenverbrennung gemäß dem ersten
Aspekt dieser Erfindung die Strömungsrichtungsumschaltvorrichtung
in eine dritte Stellung gebracht werden, um zwischen deren ersten
und deren zweiten Anschlußstutzen eine
Verbindung herzustellen. Wann die Strömungsrichtungsumschaltvorrichtung
in die dritte Stellung gebracht wird und in welchem Zustand das
erfolgen soll ist abhängig
von der Charakteristik des gesamten Abgasemissionssteuerungssystem
und des Abgasreinigungselements.
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Unter einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung
kann beim Abgasemissionssteuerungssystem für eine Brennkraftmaschine mit
Innenverbrennung gemäß dem ersten
Aspekt dieser Erfindung das Abgasreinigungselement ein NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator sein, in
welchem das bei einem mageren Luft/Brennstoff-Verhältnis erzeugte
NOx absorbiert und das absorbierte NOx durch Absenken der Sauerstoffkonzentration
im einströmenden
Abgas desorbiert wird.
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Unter einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung
wird beim Abgasemissionssteuerungssystem für eine Brennkraftmaschine mit
Innenverbrennung gemäß dem dritten
Aspekt dieser Erfindung im Falle des Desorbierens des im NOx-Speicher/Reduktions-Katalysators absorbierten
SOx die Strömungsrichtungsumschaltvorrichtung
in die erste oder die zweite Stellung geschaltet, um die Strömungsrichtung
des durch den NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator strömenden Abgases
umzukehren.
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Das heißt, das Abgas strömt durch
den NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator,
wobei das Absetzen des im Abgas enthaltenen SOx an
der Einlaßseite
des Katalysators beginnt und sich allmählich bis zu dessen Auslaßseite fortsetzt.
Das so im Katalysatorinnenraum verteilte SOx kann
nun durch Strömungsrichtungsumkehr
des Abgases sehr effektiv desorbiert werden. Zur Durchführung des
SOx-Desorptionsvorgangs wird das Luft/Brennstoff-Verhältnis des
Abgases stöchiometrisch
oder fett eingestellt. Eine noch bessere Desorptionseffizienz wird
durch Erhöhung
der Abgastemperatur oder der Temperatur des NOx-Speicher/Reduktions-Katalysators
erreicht.
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Unter einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung
wird mit dem Abgasemissionssteuerungssystem für eine Brennkraftmaschine mit
Innenverbrennung gemäß dem vierten
Aspekt dieser Erfindung zeigt das Reinigungselement in Form des NOx-Speicher/Reduktions-Katalysators
ein besseres SOx-Absorptionvermögen, wenn
in Strömungsrichtung
des Abgases gesehen bei der NOx-Adsorption der
NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator an der Eingangsseite
und nicht an der Ausgangsseite des Reinigungselements angeordnet
ist.
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Mit diesem Kunstgriff wird erreicht,
daß beim Absorbieren
von NOx im NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator
eine größere Menge
SOx sich an der Einlaßseite des Abgasreinigungselements
absetzt und durch Strömungsrichtungsumkehr
des Abgases zur Durchführung
des SOx-Desorptionsvorgangs das Desorbieren
des absorbierten SOx effizienter abläuft.
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Unter einem sechsten Aspekt der vorliegenden
Erfindung kann das Abgasemissionsteuerungssystem für eine Brennkraftmaschine
mit Innenverbrennung gemäß dem vierten
Aspekt dieser Erfindung außerdem
ein Heizelement aufweisen, welches in Abgasströmungsrichtung gesehen den Einlaßbereich
des NOx-Speicher/Reduktions-Katalysators während der
NOx-Adsorption erwärmt. Dadurch wird die Desorption
von SOx aus dem NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator
beschleunigt.
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Unter einem siebenten Aspekt der
vorliegenden Erfindung wird beim Abgasemissionssteuerungssystem
für eine
Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung gemäß dem vierten Aspekt dieser
Erfindung während
der Durchführung
der SOx-Desorption die Strömungsrichtungsumschaltvorrichtung
umgeschaltet, wenn die Abgastemperatur oder die katalytische Temperatur
des NOx-Speicher/Reduktions-Katalysators
ansteigt. Der NOx-Speicher/-Reduktions-Katalysator
hat die Eigenschaft, bei sinkender Temperatur NOx und
SOx leichter zu absorbieren und bei steigender
Temperatur NOx und SOx zu
desorbieren, so daß der
erwähnte
Schaltvorgang die SOx-Desorption erleichtert.
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Das Umschalten der Strömungsrichtungsumschaltvorrichtung
muß jedoch
nicht zu dem genannten Zeitpunkt, sondern kann dann erfolgen, wenn
die im NOx-Speicher/Reduktionskatalysator
absorbierte SOx-Menge eine bestimmte Größe erreicht. Wenn
eine solche Strömungsrichtungsumschaltvorrichtung
bei einem Benzinmotor (einem sogenannten Magerverbrennungsmotor)
verwendet wird, kann in Abhängigkeit
vom Betriebszustand des Motors die Verbrennung von einem mageren
Luft/Brennstoff-Verhältnis
auf ein fettes Luft/Brennstoff-Verhältnis und umgekehrt geschaltet
werden.
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Unter einem achten Aspekt der vorliegenden Erfindung
werden beim Abgasemissionssteuerungssystem für eine Brennkraftmaschine mit
Innenverbrennung gemäß dem vierten
Aspekt dieser Erfindung die Länge
des dritten Abgaskanals und die des vierten Abgaskanals so gewählt, daß der Abstand zwischen
der Brennkraftmaschine und dem NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator
bei der SOx-Adsorption kürzer ist als bei der NOx-Desorption, wenn die Strömungsrichtungsumschaltvorrichtung
in die erste oder die zweite Stellung geschaltet wird. Mit die sem
Kunstgriff kann der Abgastemperaturverlust zwischen der Brennkraftmaschine
und dem NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator
während
der SOx-Desorption minimiert und die Temperaturerhöhung des
NOx-Speicher/Reduktions-Katalysators beschleunigt
werden, so daß die
SOx-Desorption schneller abläuft.
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Unter einem neunten Aspekt der vorliegenden
Erfindung kann beim Abgasemissionssteuerungssystem für eine Brennkraftmaschine
mit Innenverbrennung gemäß dem dritten
Aspekt dieser Erfindung im zweiten Abgaskanal ein Abgasspülelement angeordnet
werden. Wenn während
des Umschaltens der Strömungsrichtungsumschaltvorrichtung das
Abgas durch den Bypass und nicht durch das Abgasreinigungselement
strömt,
wird es vom Abgasspülelement
gereinigt und in die Atmosphäre
ausgestoßen.
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Unter einem zehnten Aspekt der vorliegenden
Erfindung ist das im Abgasemissionssteuerungssystem für eine Brennkraftmaschine
mit Innenverbrennung gemäß dem neunten
Aspekt dieser Erfindung verwendete Abgasspülelement ein selektiver NOx-Katalysator
zum Reduzieren oder Auflösen
von NOx in Gegenwart von Kohlenwasserstoff
in einer Sauerstoffüberschußatmosphäre.
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Unter einem elften Aspekt der vorliegenden Erfindung
kann beim Abgasemissionssteuerungssystem für eine Brennkraftmaschine mit
Innenverbrennung gemäß dem neunten
Aspekt dieser Erfindung im ersten Abgaskanal ein zusätzlicher
Katalysator angeordnet und die Strömungsrichtungsumschaltvorrichtung
in die dritte Stellung geschaltet werden, um deren ersten Anschlußstutzen
mit der zweiten Anschlußstutzen
zu verbinden, wobei das Umschalten in die dritte Stellung im Anfangsstadium der
SOx-Desorption erfolgt und diese Stellung
nur kurzzeitig beibehalten wird, danach das Umschalten in die andere
Stellung erfolgt, um das Abgas entgegen der bei der NOx- Adsorption genutzten
Strömungsrichtung
durch den NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator
zu leiten. Selbst wenn in diesem Fall zu Beginn der Desorption SOx aus diesem zusätzlichen Katalysator SOx desorbiert wird, gelangt dieses nicht in
den NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator, so
daß dieser
durch SOx nicht vergiftet werden kann. Das
aus dem zusätzlichen
Katalysator desorbierte SOx wird vom Abgasspülelement
aus dem Abgas entfernt.
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Unter einem zwölften Aspekt der vorliegenden
Erfindung werden beim Abgasemissionssteuerungssystem für eine Brennkraftmaschine
mit Innenverbrennung gemäß dem neunten
Aspekt dieser Erfindung der NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator und
das Abgasspülelement
zu einer Einheit zusammengefaßt,
so daß zwischen
beiden kein Abgas strömen,
aber ein Wärmeaustausch
erfolgen kann. Diese Konstruktion gewährleistet die Beibehaltung
einer hohen Temperatur des Abgasspülelements.
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Unter einem dreizehnten Aspekt der
vorliegenden Erfindung sind beim Abgasemissionssteuerungssystem
für eine
Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung gemäß dem ersten Aspekt dieser
Erfindung der dritte und der vierte Abgaskanal unterschiedlich lang
ausgeführt,
um beim Umschalten der Strömungsrichtungsumschaltvorrichtung
in die erste oder die zweite Stellung unterschiedlich lange Wege zwischen
der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung und dem der Strömungsrichtungsumschaltvorrichtung
zu erhalten. Wenn bei dieser Konfiguration das Abgas von der Brennkraftmaschine
mit Innenverbrennung nicht durch den langen, sondern den kurzen
Abgaskanal zum Abgasreinigungselement strömt, kann der Abgastemperaturverlust
verringert werden. Die Auswahl der Abgasströmungsrichtung durch Umschalten
der Strömungsrichtungsumschaltvorrichtung
erfolgt in Abhängigkeit
von der Charakteristik des gesamten Abgasemissionssteuerungssystems
und der des Abgasreinigungselements.
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Unter einem vierzehnten Aspekt der
vorliegenden Erfindung erfolgt beim Abgasemissionssteuerungssystems
für eine
Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung gemäß dem dreizehnten Aspekt dieser
Erfindung das Umschalten der Strömungsrichtungsumschaltvorrichtung
in Abhängigkeit
von der Abgastemperatur oder der Temperatur des Abgasreinigungselements.
Die Temperatur, bei welcher das Umschalten der Strömungsrichtungsumschaltvorrichtung
erfolgt, wird ebenfalls von der Charakteristik des gesamten Abgasemissionssteuerungssystems und
der des Abgasreinigungselements bestimmt.
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Unter einem fünfzehnten Aspekt der vorliegenden
Erfindung kann beim Abgasemissionssteuerungssystem für eine Brennkraftmaschine
mit Innenverbrennung gemäß dem vierzehnten
Aspekt dieser Erfindung das Abgasreinigungselement ein NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator
sein, welcher bei einem mageren Luft/Brennstoffverhältnis des
einströmenden
Abgases NOx absorbiert und bei sinkendem
Sauerstoffgehalt des einströmenden
Abgases das absorbierte NOx desorbiert.
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Unter einem sechszehnten Aspekt der
vorliegenden Erfindung erfolgt beim Abgasemissionssteuerungssystem
für eine
Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung gemäß dem fünfzehnten Aspekt dieser Erfindung
das Umschalten der Strömungsrichtungsumschaltvorrichtung
auf den kürzeren
Abgaskanal, wenn das im NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator
absorbierte SOx von diesem desorbiert werden
soll. Durch Auswahl des kürzeren
Abgaskanals zwischen der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung
und dem NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator ist
ein geringerer Temperaturverlust des Abgases zu verzeichnen, so
daß dieses
mit einer höheren
Temperatur in den Katalysator eintritt, dieser auf einer höheren Temperatur
gehalten wird und eine Effektivitätsverbesserung der SOx-Desorption eintritt.
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Unter einem siebzehnten Aspekt der
vorliegenden Erfindung kann beim Abgasemissionssteuerungssystems
für eine
Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung gemäß dem fünfzehnten Aspekt dieser Erfindung
die Strömungsrichtungsumschaltvorrichtung
bei der Durchführung
der NOx-Adsorption im NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator
im Falle des Ansteigens der Abgastemperatur oder der katalytischen
Temperatur des Katalysators über
einen vorbestimmten Wert auf den langen Abgaskanal zwischen diesem
und der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung und im Falle des
Absinkens der Abgastemperatur oder der katalytischen Temperatur
unter den vorbestimmten Wert auf den kurzen Abgaskanal umgeschaltet
werden. Im ersten Fall ist ein großer Temperaturverlust, im zweiten
Fall ein geringer Temperaturverlust des Abgases auf dem Weg von der
Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung zum NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator
zu verzeichnen. Durch dieses Umschalten der Strömungsrichtungsumschaltvorrichtung
vom kurzen auf den langen Abgaskanal und umgekehrt kann der NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator
in dem für
die NOx-Absorption günstigsten Temperaturbereich
gehalten und dadurch die NOx-Reinigungsgeschwindigkeit
erhöht
werden.
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Unter einem achtzehnten Aspekt der
vorliegenden Erfindung kann beim Abgasemissionssteuerungssystem
für eine
Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung gemäß dem fünfzehnten Aspekt dieser Erfindung
im zweiten Abgaskanal ein Abgasspülelement angeordnet und die
Strömungsrichtungsumschaltvorrichtung
in die dritte Stellung umgeschaltet werden, um deren ersten und
deren zweiten Anschlußstutzen
miteinander zu verbinden. Das Umschalten der Strömungsrichtungsumschaltvorrichtung
erfolgt, wenn die Abgastemperatur oder die katalytische Temperatur
des NOx-Speicher/Reduktions-Katalysators über den
für die
NOx-Ab-sorption günstigsten Bereich ansteigt,
da ansonsten das im Abgas enthaltene NOx vom
NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator
nicht aufgenommen und dieser beschädigt wird. Deshalb wird die
Strömungsrichtungsumschaltvorrichtung
in die dritte Stellung umgeschaltete damit das Abgas nicht durch
den NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator,
sondern über
den kurzen Weg vom ersten zum zweiten Abgaskanal strömt. Dadurch
wird eine Beschädigung
des NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator
verhindert und das im Abgas enthaltene HC und CO vom Abgasspülelement
aus diesem entfernt. Unter einem neunzehnten Aspekt der vorliegenden
Erfindung kann beim Abgasemissionssteuerungssystem für eine Brennkraftmaschine
mit Innenverbrennung gemäß dem siebzehnten
Aspekt dieser Erfindung entweder im dritten oder im vierten Abgaskanal
eine Kühlvorrichtung
zum Kühlen
des Abgases angeordnet werden, welche den Abstand zwischen der Brennkraftmaschine
mit Innenverbrennung und dem NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator
vergrößert. Diese
Kühlvorrichtung
führt eine
Zwangskühlung
des Abgases durch, um die Temperatur des NOx-Speicher/Reduktions-Katalysators
sicherer in dem für
die NOx-Adsorption günstigsten Bereich zu halten.
Unter einem zwanzigsten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann beim
Abgasemissionssteuerungssystem der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung
gemäß dem dritten
Aspekt dieser Erfindung in den ersten Abgaskanal ein SOx-Absorptionselement
angeordnet werden, welches im Falle eines mageren Luft/-Brennstoff-Verhältnisses
des einströmenden
Abgases SOx absorbiert und bei sinkendem
Sauerstoffgehalt im einströmenden
Abgas das absorbierte SOx desorbiert. Die Strömungsrichtungsumschaltvorrichtung kann
in die dritte Stellung umgeschaltet werden, um den ersten und den
zweiten Anschlußstutzen
miteinander zu verbinden, wobei das selektive Umschalten in die
dritte Stellung erfolgt, wenn die Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung
bei stöchiometrischem Verhältnis in
einen kontinuierlichen Betrieb übergeht. In
diesem Fall gelangt das bei stöchiometrischem Verhältnis erzeugte
Abgas nicht durch den NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator,
sondern auf dem kurzen Weg vom ersten Abgaskanal zum zweiten Abgas kanal
und schließlich
in die Atmosphäre,
so daß eine
Vergiftung des NOx-Speicher/Reduktions-Katalysators
durch das im Abgas enthaltene, aus dem SOx-Absorptionselement
desorbierte SOx verhindert werden kann.
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Unter einem einundzwanzigsten Aspekt
der vorliegenden Erfindung können
beim Abgasemissionssteuerungssystem für eine Brennkraftmaschine mit
Innenverbrennung gemäß dem zwanzigsten
Aspekt dieser Erfindung das SOx-Absorptionselement und
der NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator
konzentrisch zueinander angeordnet werden, so daß dadurch die Möglichkeit
besteht, das Abgasemissionssteuerungssystem kompakt auszuführen.
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Unter einem zweiundzwanzigsten Aspekt der
vorliegenden Erfindung kann beim Abgasemissionssteuerungssystem
für eine
Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung gemäß dem dritten Aspekt dieser
Erfindung im ersten Abgaskanal ein Dreiwege-Katalysator mit SOx-Absorptionsvermögen angeordnet
und die Strömungsrichtungsumschaltvorrichtung
in dritte Stellung zum Verbinden des ersten mit dem zweiten Anschlußstutzen
umgeschaltet werden, wobei das selektive Umschalten in die dritte
Stellung erfolgt, wenn die Verbrennungsmaschine mit Innenverbrennung
zum kontinuierlichen Betrieb bei stöchiometrischem Verhältnis übergeht.
Das dabei erzeugte Abgas strömt
nicht in den NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator,
sondern in den Dreiwege-Katalysator, in welchem die SOx-Desorption stattfindet,
und schließlich
auf dem kurzen Weg vom ersten zum zweiten Abgaskanal und schließlich in
die Atmosphäre.
Dadurch kann ein Vergiften des NOx-Speicher/Reduktions-Katalysators
durch das aus dem SOx-Absorptionselement
desorbierten SOx verhindert werden. Das
heißt,
das Abgas wird im Dreiwege-Katalysator gereinigt.
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Unter einem dreiundzwanzigsten Aspekt
der vorliegenden Erfindung kann beim Abgasemissionssteuerungssystem
für eine
Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung gemäß dem ersten Aspekt dieser Erfindung
das Reinigungselement ein Katalysator sein, entweder im dritten
oder vierten Abgaskanal ein HC-Adsorptionselement zum Adsorbieren
von Kohlenwasserstoff angeordnet werden und das Umschalten der Strömungsrichtungsschaltungsvorrichtung
in zwei Stellung erfolgen, und zwar auf den Strömungskanal, in welchem der
Katalysator sich vor dem HC-Adsorptionselement befindet, wenn die
Abgastemperatur oder die Temperatur des HC-Adsorptionsmittels in
dem Bereich liegt, in welchem das HC-Adsorptionselement HC adsorbiert,
oder auf den Strömungskanal,
in welchem das HC-Adsorptionselement sich vor dem Katalysator befindet,
wenn die Abgastemperatur oder die Temperatur des HC-Adsorptionselements
in einem Bereich liegt, in welchem das Adsorptionselement Kohlenwasserstoff
desorbiert. Mit diesem Kunstgriff wird erreicht, daß bei Abgastemperaturen
oder Temperaturen des HC-Adsorptionselements,
welche in dem zum Adsorbieren von HC erforderlichen Bereich liegen,
selbst dann HC adsorbiert wird, wenn der Katalysator nicht aktiviert ist
und das HC enthaltende Abgas durch den Katalysator strömt. Wenn
bei Abgastemperaturen oder Temperaturen des HC-Adsorptionselements,
welche in dem zum Desorbieren von HC erforderlichen Bereich liegen,
Abgas durch das HC-Adsorptionselement strömt, wird aus dem HC-Adsorptionselement HC
desorbiert. Wenn das HC enthaltende Abgas durch den auf Wirkungstemperatur
gebrachten Katalysator strömt,
wird das HC aus dem Abgas gespült.
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Diese und weitere Aufgaben und Vorteile
der vorliegenden Erfindung sind aus den in Verbindung mit den beiliegenden
Zeichnungen nachfolgend beschriebenen und in den Ansprüchen definierten
Konstruktionen und Abläufen
deutlicher zu erken nen, wobei gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen
gekennzeichnet sind.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
schematisch den Aufbau eines Abgasemissionssteuerungssystems für eine Brennkraftmaschine
mit Innenverbrennung gemäß einer ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, bei welchem ein in diesem angeordnetes
Strömungsrichtungsumschaltventil
in der Vorwärtsströmungsstellung
dargestellt ist.
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2 zeigt
schematisch die Hauptkomponenten des Abgasemissionssteuerungssystems
gemäß der ersten
Ausführungsform,
bei welchem das in diesem angeordnete Strömungsrichtungsumschaltventil
in der Rückwärtsströmungsstellung
dargestellt ist.
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3 zeigt
exemplarisch die NOx-Adsorptions/Desorptions/-Reduktions-Wirkung
eines NOx-Speicher/Reduktions-Katalysators.
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4 zeigt
schematisch die Hauptkomponenten des Abgasemissionssteuerungssystems
gemäß der ersten
Ausführungsform,
bei welchem das in diesem angeordnete Strömungsrichtungsumschaltventil
in der neutralen Stellung zwischen der Vorwärts- und der Rückwärtsströmungsstellung
dargestellt ist.
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5 zeigt
schematisch die Hauptkomponenten des Abgasemissionssteuerungssystems
in einer modifizierten ersten Ausführungsform, bei welchem das
in diesem angeordnete Strömungsrichtungsumschaltventil
in der Vorwärtsströmungsstellung
dargestellt ist.
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6 zeigt
schematisch die Hauptkomponenten des Abgasemissionssteuerungssystems
in einer weiteren modifizierten ersten Ausführungsform, bei welchem das
in diesem angeordnete Strömungsrichtungsumschaltventil
in der Vorwärtsströmungsstellung
dargestellt ist.
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7 zeigt
schematisch die Hauptkomponenten des Abgasemissionssteuerungssystems
in noch einer weiteren modifizierten ersten Ausführungsform, bei welchem das
in diesem angeordnete Strömungsrichtungsumschaltventil
in der Vorwärtsströmungsstellung
dargestellt ist.
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8 zeigt
schematisch die Hauptkomponenten des Abgasemissionssteuerungssystems
in noch einer weiteren modifizierten ersten Ausführungsform, bei welchem das
in diesem angeordnete Strömungsrichtungsumschaltventil
in der Vorwärtsströmungsstellung
dargestellt ist.
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9 zeigt
schematisch die Hauptkomponenten des in 8 dargestellten Beispiels, bei welchem
das in diesem angeordnete Strömungsrichtungsumschaltventil
in der Rückwärtsströmungsstellung
dargestellt ist.
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10 zeigt
perspektivisch eine Schnittansicht des in 8 dargestellten Beispiels.
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11 zeigt
perspektivisch eine Teilschnittansicht des Bereiches um das Ventilschaltelement des
in 8 dargestellten Beispiels.
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12 zeigt
schematisch die Hauptkomponenten des Abgasemissionssteuerungssystems
in noch einer weiteren modifizierten ersten Ausführungsform, bei welchem das
in diesem angeordnete Strömungsrichtungsumschaltventil
in der Vorwärtsströmungsstellung
dargestellt ist.
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13 zeigt
schematisch die Hauptkomponenten des in 12 dargestellten Beispiels, bei welchem
das in diesem angeordnete Strömungsrichtungsumschaltventil
in der Rückwärtsströmungsstellung
dargestellt ist.
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14 zeigt
perspektivisch eine Teilschnittansicht des in 12 dargestellten Beispiels.
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15 zeigt
die Schnittansicht I-I des in 14 dargestellten
Beispiels.
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16 zeigt
schematisch die Hauptkomponenten des Abgasemissionssteuerungssystems
für eine
Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung in einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, bei welchem das in diesem angeordnete
Strömungsrichtungsumschaltventil
in der Vorwärtsströmungsstellung
dargestellt ist.
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17 zeigt
schematisch die Hauptkomponenten des Abgasemissionssteuerungssystems
in einer modifizierten zweiten Ausführungsform, bei welchem das
in diesem angeordnete Strömungsrichtungsumschaltventil
in der Vorwärtsströmungsstellung
dargestellt ist.
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18 zeigt
schematisch die Hauptkomponenten des Abgasemissionssteuerungssystems
in einer weiteren modifizierten zweiten Ausführungsform, bei welchem das
in diesem angeordnete Strömungsrichtungsumschaltventil
in der Rückwärtsströmungsstellung
dargestellt ist.
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19 zeigt
schematisch die Hauptkomponenten des Abgasemissionssteuerungssystems
in noch einer weiteren modifizierten zweiten Ausführungsform,
bei welchem das in diesem angeordnete Strömungsrichtungsumschaltventil
in der Vorwärtsströmungsstellung
dargestellt ist.
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20 zeigt
schematisch die Hauptkomponenten des Abgasemissionssteuerungssystems
in einer dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, bei welchem das in diesem angeordnete
Strömungsrichtungsumschaltventil
in der Vorwärtsströmungsstellung
dargestellt ist.
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21 zeigt
schematisch die Hauptkomponenten des Abgasemissionssteuerungssystem
in einer modifizierten dritten Ausführungsform, bei welchem das
in diesem angeordnete Strömungsrichtungsumschaltventil
in der Rückwärtsströmungsstellung
dargestellt ist.
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22 zeigt
schematisch die Hauptkomponenten des Abgasemissionssteuerungssystems
in einer vierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, bei welchem das in diesem angeordnete Strömungsrichtungsumschaltventil
in der Vorwärtsströmungsstellung
dargestellt ist.
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23 zeigt
schematisch die Hauptkomponenten des Abgasemissionssteuerungssystems
in der vierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, bei welchem das in diesem angeordnete
Strömungsrichtungsumschaltventil
in der neutralen Stellung zwischen der Vorwärts- und der Rückwärtsströmungsstellung
dargestellt ist.
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24 zeigt
schematisch die Hauptkomponenten des Abgasemissionssteuerungssystems
in einer fünften
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, bei welchem das in diesem angeordnete Strömungsrichtungsumschaltventil
in der Vorwärtsströmungsstellung
dargestellt ist.
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25 zeigt
schematisch die Hauptkomponenten des Abgasemissionssteuerungssystems
in einer modifizierten fünften
Ausführungsform,
bei welchem das in diesem angeordnete Strö mungsrichtungsumschaltventil
in der Vorwärtsströmungsstellung
dargestellt ist.
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26 zeigt
schematisch die Hauptkomponenten des Abgasemissionssteuerungssystems
in einer sechsten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, bei welchem das in diesem angeordnete Strömungsrichtungsumschaltventil
in der Vorwärtsströmungsstellung
dargestellt ist.
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27 zeigt
schematisch die Hauptkomponenten des Abgasemissionssteuerungssystems
in der sechsten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, bei welchem das in diesem angeordnete Strömungsrichtungsumschaltventil
in der Rückwärtsströmungsstellung
dargestellt ist.
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28 zeigt
schematisch die Temperaturverteilungscharakteristik des NOx-Speicher/Reduktions-Katalysators als Funktion
der NOx-Reinigungsgeschwindigkeit.
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29 zeigt
schematisch die Hauptkomponenten des Abgasemissionssteuerungssystems
in einer siebenten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, bei welchem das in diesem angeordnete Strömungsrichtungsumschaltventil
in der Vorwärtsströmungsstellung
dargestellt ist.
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30 zeigt
schematisch die Hauptkomponenten des Abgasemissionssteuerungssystems
in der siebenten Ausführungsform,
bei welchem das in diesem angeordnete Strömungsrichtungsumschaltventil
in der neutralen Stellung zwischen der Vorwärts- und der Rückwärtsströmungsstellung
dargestellt ist.
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31 zeigt
schematisch die Hauptkomponenten des Abgasemissionssteuerungssystems
in einer achten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, bei welchem das in diesem ange ordnete Strömungsrichtungsumschaltventil
in der Rückwärtsströmungsstellung
dargestellt ist.
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32 zeigt
schematisch die Hauptkomponenten des Abgasemissionssteuerungssystems
in einer neunten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, bei welchem das in diesem angeordnete Strömungsrichtungsumschaltventil
in der Vorwärtsströmungsstellung
dargestellt ist.
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33 zeigt
schematisch die Hauptkomponenten des Abgasemissionssteuerungssystems
in der neunten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, bei welchem das in diesem angeordnete Strömungsrichtungsumschaltventil
in der Rückwärtsströmungsstellung
dargestellt ist.
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34 zeigt
schematisch die Hauptkomponenten des Abgasemissionssteuerungssystems
in der neunten Ausführungsform,
bei welchem das in diesem angeordnete Strömungsrichtungsumschaltventil
in der neutralen Stellung zwischen der Vorwärts- und der Rückwärtsströmungsstellung
dargestellt ist.
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35 zeigt
perspektivisch eine Schnittansicht des in 33 dargestellten Beispiels.
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36 zeigt
perspektivisch eine Teilschnittansicht des Bereiches um das Verstellelement
des in 33 dargestellten
Beispiels.
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37 zeigt
schematisch die Hauptkomponenten des Abgasemissionssteuerungssystem
in einer modifizierten neunten Ausführungsform, bei welchem das
in diesem angeordnete Strömungsrichtungsumschaltventil
in der Vorwärtsströmungsstellung
dargestellt ist.
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38 zeigt
schematisch die Hauptkomponenten des in 37 dargestellten Beispiels des Abgasemissionssteuerungssystems,
bei welchem das Strömungsrichtungsumschaltventil
in der Rückwärtsströmungsstellung
dargestellt ist.
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39 zeigt
schematisch die Hauptkomponenten des in 37 dargestellten Beispiels des Abgasemissionssteuerungssystems,
bei welchem das in diesem angeordnete Strömungsrichtungsumschaltventil
in der neutralen Stellung zwischen der Vorwärts- und der Rückwärtsströmungsstellung
dargestellt ist.
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40 zeigt
perspektivisch eine Schnittansicht des in 37 dargestellten Beispiels des Abgasemissionssteuerungssystems.
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41 zeigt
die Schnittansicht II-II des in 40 dargestellten
Abgasemissionssteuerungssystems.
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42 zeigt
schematisch die Hauptkomponenten des Abgasemissionssteuerungssystems
in der neunten Ausführungsform,
bei welchem das in diesem angeordnete Strömungsrichtungsumschaltventil
in der Vorwärtsströmungsstellung
dargestellt ist.
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43 zeigt
schematisch die Hauptkomponenten des in 42 dargestellten Abgasemissionssteuerungssystems,
bei welchem das Strömungsrichtungsumschaltventil
in der Rückwärtsströmungsstellung
dargestellt ist.
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44 zeigt
schematisch die Hauptkomponenten des in 42 dargestellten Abgasemissionsteuerungssystems,
bei welchem das in diesem angeordnete Strömungsrichtungsumschaltventil
in der neutralen Stellung zwischen der Vorwärts- und der Rückwärtsströmungsstellung
dargestellt ist.
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45 zeigt
schematisch die Hauptkomponenten des Abgasemissionssteuerungssystems
in einer zehnten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, bei welchem das in diesem angeordnete Strömungsrichtungsumschaltventil
in der Vorwärtsströmungsstellung
dargestellt ist.
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46 zeigt
schematisch die Hauptkomponenten des Abgasemissionssteuerungssystems
in der zehnten Ausführungsform,
bei welchem das in diesem angeordnete Strömungsrichtungsumschaltventil
in der Rückwärtsströmungsstellung
dargestellt ist.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nachfolgend werden in Verbindung
mit den 1 bis 46 Ausführungsformen eines Abgasemissionssteuerungssystems
gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben.
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[Erste Ausführungsform]
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1 zeigt
schematisch den Aufbau des Abgasemissionssteuerungssystems einer
Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung gemäß der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung in Form eines Benzinmotors, bei welchem
die Verbrennung bei einem mageren Luft/Brennstoff-Verhältnis stattfindet.
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Wie 1 zeigt,
ist die mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Maschine
ein Vierzylinder-Reihenmotor, bei welchem über ein Zuführrohr 2 und einen
Verteiler 3 jedem Zylinder Luft zugeführt wird. Das Zuführrohr 2 ist
mit einem Drosselventil 4 zum Öffnen und Schließen des
Zuführkanals
versehen, welches über
ein nicht dargestelltes Beschleunigungspedal betätigt wird. Dieses Drosselventil 4 ist mit
einem Positionssensor 5 versehen, welcher ein dem Öffnungsgrad
des Drosselventils 4 entsprechendes Signal erzeugt und
dieses an eine elektronische Steuereinheit (ESE) 100 sendet.
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In Strömungsrichtung gesehen ist vor
dem Drosselventil 4 ein Strömungsmeßgerät 6 am Zuführrohr 2 angeordnet,
welches ein Signal entsprechend der im Zuführrohr 2 strömenden Luftmenge
Q erzeugt und dieses ebenfalls an die elektronische Steuereinheit 100 sendet.
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Von einem Brennstoffeinspritzventil 7 wird
in den zu jedem Zylinder führenden
Kanal Brennstoff (Benzin) gespritzt. Der Schließzeitpunkt und die Öffnungsdauer
des Brennstoffeinsprotzventils 7 werden von der ESE 100 in Übereinstimmung
mit dem Betriebszustand der Maschine 1 gesteuert.
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Das in jedem Zylinder der Maschine 1 entstehende
Abgas wird über
einen Verteiler 8 durch ein Abgasrohr (erster Abgaskanal) 9 ausgestoßen. Das Abgasrohr 9 ist
mit dem ersten von vier Anschlußstutzen
eines Strömungsrichtungsumschaltventils
(einer Schalteinheit) 20 verbunden. Der zweite Anschlußstutzen
des Strömungsrichtungsumschaltventils 20 ist
mit einem Abgasrohr (zweiter Abgaskanal) 10 verbunden,
durch welches das Abgas in die Atmosphäre ausgestoßen wird. Der dritte Anschlußstutzen
des Strömungsrichtungsumschaltventils 20 ist über ein Abgasrohr
(einen dritten Abgaskanal) 11 mit dem Eingang 30a eines
katalytischen Konverters (einer Abgasreinigungseinheit) 30 verbunden.
Der vierte Anschlußstutzen
des Strömungsrichtungsumschaltventils 20 ist über ein
Abgasrohr (einen vierten Abgaskanal) 12 mit dem Ausgang 30b des
katalytischen Konverters 30 verbunden. Im katalytischen
Konverter 30 ist ein NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator (nachfolgend
NOx-Katalysator genannt) 31 angeordnet.
Der NOx-Katalysator 31 wird
später
detailliert beschrieben.
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Das Strömungsrichtungsumschaltventil 20 kann
in die in 1 dargestellte
Vorwärtsströmungsstellung
und die in 2 dargestellte
Rückwärtsströmungsstellung
geschaltet werden, um die Richtung des durch den katalytischen Konverter 30 strömenden Abgases
zu verändern.
In der Vorwärtsströmungsstellung
verbindet das Strömungsrichtungsumschaltventil
das Abgasrohr 9 mit dem Abgasrohr 11 und das Abgasrohr 10 mit
dem Abgasrohr 12, so daß das Abgas die Komponenten
des Systems in der Reihenfolge Abgasrohr 9 → Abgasrohr 11 → katalytischer
Konverter 30 → Abgasrohr 12 → Abgasrohr 10 durchströmt und schließlich in
die Atmosphäre
gelangt. Der in der weiteren Beschreibung verwendete Begriff „Vorwärtsströmung" bezieht sich auf
die Strömungsrichtung
des Abgases im katalytischen Konverter 30 von dessen Eingang 30a zu
dessen Ausgang 30b. Wenn das Strömungsrichtungsumschaltventil 20 in
die in 2 dargestellte
Rückwärtsströmungsstellung
geschaltet ist, wird eine Verbindung zwischen dem Abgasrohr 9 und
dem Abgasrohr 12 sowie zwischen dem Abgasrohr 10 und
dem Abgasrohr 11 hergestellt, so daß das Abgas die Komponenten
des Systems in der Reihenfolge Abgasrohr 9 → Abgasrohr 12 → katalytischer
Konverter 30 → Abgasrohr 11 durchströmt und schließlich in
die Atmosphäre
gelangt. Der Begriff „Rückwärtsströmung" bezieht sich auf
die Strömungsrichtung
des Abgases durch den katalytischen Konverter 30 von dessen
Ausgang 30b zu dessen Eingang 30a.
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Das Strömungsrichtungsumschaltventil 20 wird
von einem von der ESE 100 gesteuerten Betätigungselement 21 in
die jeweilige Stellung geschaltet. Bei dieser Ausführungsform
sind das Betätigungselement 21 und
die ESE 100 zu einem Steuermodul zusammengefaßt. Nachfolgend
wird die Umschaltsteuerung des Strömungsrichtungsumschaltventils
detailliert beschrieben.
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Am Abgasrohr 11 ist nahe
des Eingangs 30a des katalytischen Konverters 30 ein
Abgastemperatursensor 13 angeordnet, welcher auf der Grundlage der
Temperatur des durch das Abgas rohr 11 strömenden Abgases
ein entsprechendes Signal erzeugt und dieses an die ESE 100 sendet.
-
Zur digitalen ESE 100 auf
Computerbasis gehören
ein ROM (Lesespeicher), ein RAM (Schreib-Lese-Speicher), eine ZVE
(Zentralverarbeitungseinheit) sowie ein Eingabe- und ein Ausgabekanal,
welche über
einen Zweiwegbus miteinander verbunden sind. Die ESE 100 führt die
Grundsteuerung, d. h. die Steuerung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses der
Maschine 1 und die Steuerung des im katalytischen Konverter 30 ablaufenden
SOx-Desorptionsprozesses durch.
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Zur Steuerung dieser Prozesse werden
an den Eingabekanal ein vom Luftstrommeßgerät 6 erzeugtes Signal,
ein vom Abgastemperatursensor 13 erzeugtes Signal und ein
von einem Maschinendrehzahlsensor 14 erzeugtes Signal gesendet.
Die ESE 100 berechnet auf der Grundlage des vom Maschinendrehzahlsensor 14 entsprechend
der Maschinendrehzahl erzeugten Signals die Maschinendrehzahl N,
auf der Grundlage des vom Luftstrommeßgerät 6 erzeugten Signals
die Luftmenge und aus beiden Werten das Maschinenlastverhältnis Q/N.
Aus diesem Maschinenlastverhältnis
Q/N und aus der Maschinendrehzahl N ermittelt die ESE 100 den
Betriebszustand der Maschine 1 und regelt in Abhängigkeit
vom ermittelten Betriebszustand die Menge des vom Einspritzventil
einzuspritzenden Brennstoffs, d. h. sie stellt ein mageres, stöchiometrisches
oder fettes Brennstoff/Luft-Verhältnis
ein. So wird zum Beispiel beim Starten und bei Vollastbetrieb der
Maschine ein stöchiometrisches
oder fettes Luft/Brennstoff-Verhältnis
und bei Niedrig- oder Teillastbetrieb ein mageres Luft/Brennstoff-Verhältnis eingestellt.
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Der NOx-Katalysator 31,
d. h. der im katalytischen Konverter 30 vorhandene NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator ist mit
einem z. B. aus Aluminium gefertigten Trägerelement bestückt.
-
Dieses Trägerelement ist zum Beispiel
mit mindestens einem Alkalimetall wie Kalium K, Natrium Na, Lithium
Li und Cäsium
Cs, einem Erdalkalielement wie Barium Ba und Calcium Ca oder einem
Seltenerdelement wie Lanthan La und Yttrium Y und einem Edelmetall
wie Platin Pt beschichtet.
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Dieser NOx-Katalysator 31 absorbiert
NOx bei einem mageren Luft/Brennstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases
(nachfolgend Abgas-/Luft/Brennstoff-Verhältnis genannt), desorbiert NOx bei sinkendem Sauerstoffgehalt des einströmenden Abgases
und reduziert dieses zu N2. Anzumerken ist,
daß das
Luft/Brennstoff-Verhältnis
das Verhältnis
aus der Gesamtmenge der dem Abgaskanal, einer Brennkammer der Maschine
und dem Zuführkanal,
beide vor dem NOx-Katalysator 31 angeordnet,
zugeführten
Luft und der gesamten Brennstoffmenge (Kohlenwasserstoff) darstellt.
Wenn dem vor dem NOx-Katalysator 31 angeordneten
Abgaskanal kein Brennstoff und keine Luft oder ein Reduktionsmittel
zugeführt
wird, stimmt das Luft/-Brennstoff-Verhältnis des
Abgases mit dem Luft/Brennstoff-Verhältnis des
der Maschinenverbrennungskammer zugeführten Luft/Brennstoff-Gemischs überein.
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In Übereinstimmung mit der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist die Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung
ein Benzinmotor, welcher bei einem mageren Luft/Brennstoff-Verhältnis betrieben
werden kann, wobei das Luft/Brennstoff-Verhältnis des Luft/Brennstoff-Gemischs
entsprechend dem Betriebszustand der Maschine 1 geregelt
wird. Wenn die Maschine 1 bei einem mageren Luft/Brennstoff-Verhältnis betrieben
wird, ist auch das Luft/Brennstoff-Verhältnis des Abgases mager, so
daß die
Sauerstoffkonzentration steigt. Wenn die Maschine 1 aber
bei stöchiometrischem
oder einem fetten Luft/Brennstoff-Verhältnis betrieben wird, ist auch
das Luft/Brennstoff-Verhältnis
des Abgases stöchiometrisch
oder fett, so daß die
Sauerstoffkonzentration im Abgas merklich sinkt und demzufolge mehr unverbranntes
HC und CO aus der Maschine 1 gelangt.
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Es wird angenommen. daß im NOx-Katalysator 31 das Adsorbieren
und Desorbieren von NOx nach dem in 3 dargestellten Mechanismus
abläuft,
obwohl dieser Mechanismus der NOx-Absorption/Desorption
noch teilweise ungeklärt
ist. Dieser Mechanismus wird anhand eines mit Platin Pt und Barium
Ba beschichteten Trägerelements
beschrieben, obwohl der gleiche Mechanismus wahrscheinlich auch
bei anderen Edelmetallen, Alkalimetallen, Erdalkalielementen und
seltenen Erden abläuft.
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Wenn das einströmende Abgas ein sehr mageres
Luft/Brennstoff-Verhältnis
aufweist, ist die Sauerstoffkonzentration in diesem relativ hoch,
wobei der Sauerstoff O2 in Form von O2
– oder O2– an
der Oberfläche
des Platins Pt haften bleibt (3A).
Zwischen dem ebenfalls im Abgas vorhandenen NO und dem auf der Oberfläche des
Platins Pt haftenden O2
– oder
O2– findet
eine Reaktion statt, bei welcher NO2 entsteht
(2NO + O2 → 2NO2).
Sofern der NOx-Katalysator 31 nicht
mit NOx gesättigt ist, wird das entstandene
NO2 von diesem absorbiert, auf dem Platin
Pt oxidiert und mit Bariumoxid BaO gekoppelt und diffundiert in
Form von Natriumionen NO3
–,
wie 3A zeigt. Auf diese
Weise läuft
die NOx-Absorption im NOx-Katalysator 31 ab.
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Bei abnehmender Sauerstoffkonzentration im
einströmenden
Abgas sinkt die NO2-Menge und die umgekehrte
Reaktion findet statt (NO3
– → NO2) , d. h., die im NOx-Katalysator 31 absorbierten
Natriumionen NO3
– werden
in Form von NO2 oder NO aus diesem desorbiert.
-
Wenn im einströmenden Abgas eine Reduktionskomponente
wie HC, CO usw. vorhanden ist, findet zwischen diesem und dem auf
der Oberfläche des
Platins Pt haftenden O2
– oder
O2
– eine Oxidation statt,
wodurch die Sauerstoffkonzentration im Abgas sinkt. Mit sinkender
Sauerstoffkonzentration im Abgas geht das aus dem NOx-Katalysator 31 desorbierte
NO2 oder NO mit dem HC oder CO eine Reaktion ein
und wird dabei reduziert, wie 3B zeigt.
Auf diese Weise verschwindet das NO2 oder
NO vom Platin Pt und wird sukzessiv aus dem NOx-Katalysator 31 dosorbiert.
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Das im einströmenden Abgas vorhandene HC,
CO reagiert zunächst
mit dem O2
– oder
O2– auf der
Oberfläche
des Platins Pt und wird dabei oxidiert, doch wenn trotz verschwundenem
O2– oder
O2– noch HC,
CO verblieben ist, wird von diesem das aus dem NOx-Katalysator 31 desorbierte
und das von der Maschine ausgestoßene NOx zu
NO2 reduziert.
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Wie bereits beschrieben, wird im
Falle eines Abgases mit magerem Luft/Brennstoff-Verhältnis NOx im NOx-Katalysator 31 absorbiert.
Wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis
stöchiometrisch
oder fett wird, erfolgt innerhalb kurzer Zeit eine Desorption von NOx aus dem NOx-Katalysator 31 und
eine Reduktion dieses NOx zu NO2.
Dadurch wird das Ausstoßen
von NOx in die Atmosphäre verhindert.
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Nachfolgend wird der Mechanismus
des Vergiftens des NOx-Katalysators 31 durch SOx beschrieben. Wenn das Abgas Schwefeloxid
(SOx) enthält, läuft die SOx-Absorption
nach dem gleichen Mechanismus wie die NOx-Absorption
im NOx-Katalysator 31 ab. Das heißt, bei
einem mageren Luft/Brennstoff-Verhältnis bleibt
Sauerstoff O2 in Form von O2
– oder
O2– an
der Oberfläche
des Platins Pt im NOx-Katalysator 31 haften
und das im einströmenden
Abgas vorhandene SOx (z. B. SO2)
wird auf dem Platin Pt zu SO3 oxidiert.
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Das erzeugte und auf dem Platin Pt
im NOx-Katalysator 31 oxidierte
und in diesem absorbierte SO2 wird mit dem
Bariumoxid BaO gekoppelt, diffundiert in Form von Sulfationen SO4
2– in dieses und wird
in BaSO4 umgewandelt. Die BaSO4-Kristalle sind
rauh und relativ leicht zu stabilisieren. Das entstandene Sulfat
kann nur unter Schwierigkeiten aufgelöst und desorbiert werden. Wenn
immer mehr BaSO4 im NOx-Katalysator 31 entsteht,
wird die an der Absorption im NOx-Katalysator 31 beteiligte BaO-Menge
verringert, so daß die
NOx-Absorptionsfähigkeit des Katalysators abnimmt.
Dieser Vorgang wird als SOx-Vergiftung bezeichnet.
Um die gewünschte
NOx-Absorptionsfähigkeit des NOx-Katalysators 31 beizubehalten,
muß das
in diesem absorbierte SOx in bestimmten
Zeitabständen
wieder desorbiert werden.
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Es hat sich herausgestellt, daß durch
Verringerung der Sauerstoffkonzentration im Abgas sowohl SOx auf gleiche Weise wie NOx aus
dem NOx-Katalysator 31 desorbiert
werden kann und die Desorption bei einer höheren Temperatur des NOx-Katalysators einfacher abläuft.
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Die vom Patenteinreicher durchgeführte Studie
hat ergeben, daß zur
Desorption des im NOx-Katalysator 31 absorbierten
SOx ein stöchiometrisches oder fettes
Luft/Brennstoffverhältnis
beim Abgas und eine höhere
Temperatur des NOx-Katalysators 31 als beim
normalen Desorptions/Reduktions-Prozeß zum Desorbieren von NOx aus dem Katalysator erforderlich sind.
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Wenn der NOx-Katalysator 31 näher am Eingang 30a des
katalytischen Konverters 30 angeordnet ist, wird eine größere Menge
SOx als bei einer Anordnung näher an deren
Ausgang 30b absorbiert. Wenn zur Durchführung der SOx-Desorption
das Luft/Brennstoff-Verhältnis
beim Abgas stöchiometrisch
oder fett eingestellt und das Abgas mit einer höheren Temperatur vom Ausgang 30b zum
Eingang 30a durch die Abgasreinigungs einheit 30 strömt, kann
innerhalb kurzer Zeit das absorbierte SOx aus dem
NOx-Katalysator 31 desorbiert werden.
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In diesem Fall wird bei der ersten
Ausführungsform
zum Absorbieren von NOx und SOx im
katalytischen das Strömungsrichtungsumschaltventil
in die Vorwärtsströmungsstellung
und zum Desorbieren von NOx und SOx dieses in die Rückwärtsströmungsstellung geschaltet.
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Nachfolgend wird die Arbeitsweise
des Abgasemissionssteuerungssystems gemäß der ersten Ausführungsform
beschrieben. Wie bereits erwähnt, ist
die Maschine 1 eine bei magerem Luft/Brennstoff-Verhältnis betriebene
Brennkraftmaschine, wobei von der ESE 100 das Luft/Brennstoff-Verhältnis in Abhängigkeit
vom Betriebszustand der Maschine 1 geregelt wird. Wenn
die Maschine 1 bei einem mageren Luft/Brennstoff-Verhältnis betrieben
wird, entsteht Abgas mit einem ebenfalls mageren Luft/Brennstoff-Verhältnis und
einer hohen Sauerstoffkonzentration. Wenn die Maschine 1 bei
stöchiometrischen oder
einem fetten Luft/Brennstoff-Verhältnis betrieben wird, entsteht
Abgas mit einem ebenfalls stöchiometrischen
oder fetten Luft/Brennstoff-Verhältnis und
somit weitaus geringerer Sauerstoffkonzentration. Außerdem steigt
die Menge des von der Maschine 1 ausgestoßenen HC
und CO.
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Wenn die Maschine 1 bei
einem mageren Luft/Brennstoff-Verhältnis betrieben
wird, steuert die ESE 100 das Betätigungselement 21 so,
daß die Ventilklappe
des Strömungsrichtungsumschaltventils 20 die
in 1 gezeigte Vorwärtsströmungsstellung einnimmt
und in dieser verharrt. In dieser Stellung der Ventilklappe durchströmt das Abgas
die Komponenten des Systems in der Reihenfolge Abgasrohr 9 → Abgasrohr 11 → katalytischer
Konverter 30 → Abgasrohr 12 → Abgasrohr 10 und
gelangt schließlich
in die Atmosphäre.
Genau er ausgedrückt,
das Abgas strömt
in Vorwärtsrichtung
durch den katalytischen Konverter, d. h. von dessen Eingang 30a zu
dessen Ausgang 30b. Während
des Strömungsvorgangs werden
das im Abgas enthaltene NOx und SOx vom NOx-Katalysator 31 des
katalytischen Konverters 30 absorbiert.
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Wenn dann die Maschine bei stöchiometrischem
oder einem fetten Luft/Brennstoff-Verhältnis betrieben wird, steuert
die ESE 100 das Betätigungselement 21 so,
daß die
Ventilklappe des Strömungsrichtungsumschaltventils 20 die
in 2 dargestellte Rückwärtsströmungsstellung
einnimmt und in dieser verharrt. In dieser Stellung der Ventilklappe
durchströmt
das Abgas die Komponenten des Systems in der Reihenfolge Abgasrohr 9 → Abgasrohr 12 → katalytischer
Konverter 30 → Abgasrohr 11 → Abgasrohr 10 und
gelangt in die Atmosphäre.
Genauer ausgedrückt,
das Abgas strömt
in Rückwärtsrichtung
durch den katalytischen Konverter 30, d. h. von dessen Ausgang 30b zu
dessen Eingang 30a. Beim Betreiben der Maschine 1 mit
stöchiometrischem
oder einem fetten Luft/Brennstoff-Gemisch erfolgt von der ESE 100 die
Steuerung so, daß die
Abgastemperatur in einem Bereich liegt, welcher das Desorbieren
des SOx aus dem NOx-Katalysator 31 erleichtert.
Das auf eine hohe Temperatur gebrachte Abgas mit stöchiometrischem
oder einem fetten Luft/Brennstoff-Verhältnis strömt entgegengesetzt zu der für die NOx- und SOx-Absorption
vorgegebenen Richtung durch den katalytischen Konverter 30,
wobei NOx aus dem NOx-Katalysator 31 desorbiert
wird. Gleichzeitig wird von dem im Abgas enthaltenen unverbrannten
HC und CO das NOx zu N2 reduziert
und auf diese Weise das Abgas gereinigt. Während das Abgas in Rückwärtsrichtung
durch den katalytischen Konverter 30 strömt, kann
das im NOx-Katalysator 31 absorbierte SOx in kurzer Zeit aus diesem desorbiert werden.
-
Beim Betreiben der Maschine über einen
längeren
Zeitraum bei einem mageren Luft/Brennstoff-Verhältnis wird dieses automatisch
auf den stöchiometrischen
oder einen fetten Wert geregelt, um das Desorbieren von NOx und SOx durchzuführen und
den katalytischen Konverter 30 nicht mit NOx und SOx zu sättigen.
In der nachfolgenden Beschreibung wird die Regelung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses als
Mager/Fett-Spitzenregelung bezeichnet. Ein zahlenmäßiges Beispiel
einer solchen Mager/Fett-Spitzenregelung wird nachfolgend erläutert. Wenn
die Maschine 1 mehrere zehn Sekunden (z. B. 40 bis 60 Sekunden)
bei einem mageren Luft/Brennstoff-Verhältnis betrieben wird, regelt
die ESE das Luft/Brennstoff-Verhältnis
auf den stöchiometrischen
oder einen fetten Wert und hält
diesen Wert über
mehrere Sekunden (z. B. 2 bis 3 Sekunden), und diese Regelung wird
abwechselnd durchgeführt.
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Bei der ersten Ausführungsform
ist die Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung ein Benzinmotor,
welcher bei einem mageren Luft/Brennstoff-Verhältnis betrieben wird, der NOx-Katalysator 31 das
Abgasreinigungselement und SOx die Substanz,
welche vom Abgasreinigungselement (NOx-Katalysator 31)
entfernt werden soll. Die Regelung des Betriebszustandes der Maschine 1 zum
Erreichen des gewünschten
Luft/Brennstoff-Verhältnisses
(stöchiometrisch
oder fett) und der zum Reinigen des Abgasreinigungselements von
SOx erforderlichen (hohen) Temperatur) hat
bei der ersten Ausführungsform
somit Reinigungsfunktion.
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Bei der ersten Ausführungsform
ist in Rückwärtsströmungsstellung
des Abgases gesehen in der Auspuffanlage (d. h. im Abgasrohr 12 oder 9)
vor dem katalytischen Konverter 30 eine Vorrichtung zum
Einbringen des Reduktionsmittels angeordnet. Während der NOx-
und SOx-Desorption wird von dieser Vorrichtung
dem Abgas das Reduktionsmittel zugeführt, um die Freigabe und Reduktion
von NOx und auch die Freigabe von SOx zu beschleunigen. In diesem Fall üben die
Regelung der Maschine 1 und die Reduktionsmittelzuführvorrichtung
die Reinigungsfunktion aus.
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Bei der ersten Ausführungsform
werden NOx und SOx gleichzeitig
aus dem NOx-Katalysator 31 desorbiert,
doch da die besonders bei einem Benzinmotor im Abgas vorhandene
SOx-Menge sehr klein ist, macht es sich
nicht erforderlich, SOx in der gleichen
Häufigkeit
wie NOx zu desorbieren. Wenn im Betriebszustand
der Maschine 1, selbst bei stöchiometrischem oder fettem
Luft/Brennstoff-Verhältnis, die
Abgastemperatur relativ niedrig ist, strömt das Abgas auf gleiche Weise
wie bei der NOx-Absorption in Vorwärtsrichtung
durch den katalytischen Konverter 30, wobei NOx aus
dem NOx-Katalysator 31 desorbiert
und reduziert wird.
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Wenn die Maschine 1 in einen
Zustand gebracht wird (Beschleunigung und Vollastbetrieb), in welchem
die Abgastemperatur stark ansteigt und das Abgas das stöchiometrische
oder ein fettes Luft/Brennstoff-Verhältnis zeigt, wird die Ventilklappe des
Strömungsrichtungsumschaltventils 20 in
die Rückwärtsströmungsstellung
geschaltet, damit das Abgas in Rückwärtsrichtung
durch den katalytischen Konverter 30 strömt und das
Desorbieren von SOx erfolgt.
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Die ESE bestimmt, ob Desorbieren
von SOx aus dem NOx-Katalysator 31 erforderlich
ist. Wenn eine SOx-Desorption nicht erforderlich
ist, wird die Vorwärtsströmungsstellung
der Ventilklappe beibehalten, so daß das Abgas in Vorwärtsrichtung
durch den katalytischen Konverter 30 strömt. Wenn
aber Desorbieren von SOx sich erforderlich
macht, wird die Ventilklappe des Strömungsrichtungsumschaltventils 20 in
die Rückwärtsströmungsstellung
geschaltet, so daß das
Abgas jetzt in Rückwärtsrichtung
durch den katalytischen Konverter 30 strömt. Die
ESE 100 berechnet außerdem
ein Luft/Brenn stoff-Zielverhältnis und
eine katalytische Zieltemperatur, welche eine optimale Freigabe
von SOx ermöglichen, und auch eine Zielmenge
an Reduktionsmittel, wenn das System mit einer Reduktionsmittelzuführvorrichtung
bestückt ist.
Durch die genannte Steuerung der Maschine 1 und der Reduktionsmittelzuführvorrichtung
werden diese Zielwerte erreicht. So kann z. B. von der ESE 100 eine
Zeitspanne oder eine SOx-Absorptionsmenge vorgegeben werden,
nach welcher bzw. bei deren Erreichen eine SOx-Desorption
sich erforderlich macht.
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Wenn die ESE 100 ermittelt,
daß eine SOx-Desorption sich erforderlich macht, wird
die Ventilklappe des Strömungsrichtungsumschaltventils
in die Stellung geschaltet, in welcher das Abgas in Rückwärtsrichtung
durch den katalytischen Konverter 30 strömt, und
das Luft/Brennstoff-Verhältnis
auf den stöchiometrischen
oder einen fetten Wert eingestellt, wobei zu beachten ist, daß während des
Umschaltvorgangs das Luft/-Brennstoff-Verhältnis noch mager
ist. Auf den Grund dafür
wird nachfolgend näher
eingegangen. Das Strömungsrichtungsumschaltventil 20 ist
so konfiguriert, daß in
der Mitte des Umschalten von der Vorwärtsströmungsstellung in die Rückwärtsströmungsstellung
und umgekehrt zwangsläufig
der in 4 dargestellte
Zustand eintritt, in welchem die Verbindung zwischen dem Abgasrohr 9 und
dem Abgasrohr 10 hergestellt wird. In diesem Fall strömt aufgrund
des geringen Strömungswiderstandes
das Abgas auf dem kurzen Weg vom Abgasrohr 9 zum Abgasrohr 10,
wodurch die Möglichkeit
besteht, daß im
Abgas vorhandenes HC und CO in die Atmosphäre gelangt. Um während des Umschaltens
des Strömungsrichtungsumschaltventils 20 so
wenig wie möglich
HC und CO in die Atmosphäre
gelangen zu lassen, wird zu diesem Zeitpunkt das Luft/Brennstoff-Verhältnis auf
einen mageren Wert geregelt. Wie bereits erwähnt, kann beim Abgasemissionssteuerungssystem
gemäß der ersten Ausführungsform
mit einem einzigen Strömungsrichtungsumschaltventil 20 die
Strömungsrichtung des durch
den katalytischen Konverter 30 strömenden Abgases umgekehrt werden,
wobei dieses Ventil einfach konstruiert und somit preisgünstig ist.
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Nachfolgend werden in Verbindung
mit den 5 bis 15 modifizierte erste Ausführungsformen des
Abgasemissionssteuerungssystems für eine Brennkraftmaschine mit
Innenverbrennung beschrieben.
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<Beispiel gemäß 5>
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Wie 1 zeigt,
ist bei der ersten Ausführungsform
des Abgasemissionssteuerungssystems das Abgasrohr 12, welches
das Strömungsrichtungsumschaltventil 20 mit
dem Ausgang 30b des katalytischen Konverters 30 verbindet,
länger
als das Abgasrohr 11, welches das Strömungsrichtungsumschaltventil 20 mit
dem Eingang 30a des katalytischen Konverters 30 verbindet.
Bei der in 5 dargestellten
modifizierten ersten Ausführungsform
ist das Abgasrohr 12, welches das Strömungsrichtungsumschaltventil 20 mit
dem Ausgang 30b des katalytischen Konverters 30 verbindet,
jedoch kürzer
als das Abgasrohr 11, welches das Strömungsrichtungsumschaltventil 20 mit
dem Eingang 30a des katalytischen Konverters 30 verbindet.
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<Beispiele gemäß 6 und 7>
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Die in den 6 und 7 gezeigten
modifizierten ersten Ausführungsformen
unterscheiden sich von der in 1 gezeigten
ersten Ausführungsform und
der in 5 gezeigten modifizierten
ersten Ausführungsform
nur in der Anordnung des Strömungsrichtungsumschaltventils 20.
Wenn das Strömungsrichtungsumschaltventil 20 wie
in den 6 und 7 gezeigt angeordnet wird,
kann das Abgasrohr 9 zwischen diesem und dem Verteiler 8 länger als
bei der in 1 oder 5 dargestellten Ausführungsform
ausgeführt
werden.
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<Beispiele gemäß den 8 bis 11>
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Bei den in den 8 bis 11 gezeigten
modifizierten ersten Ausführungsformen
ist das Strömungsrichtungsumschaltventil 20 wie
in 6 dargestellt angeordnet,
während
die Abgasrohre 9 bis 12 und der katalytische Konverter 30 zu
einer Einheit zusammengefaßt
sind.
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Diese Abgasreinigungseinheit 50A ist
in 10 detailliert dargestellt.
Das Rohr 52 mit einem kleinen Durchmesser erstreckt sich
konzentrisch im Gehäuse 52 mit
einem großen
Durchmesser und ist an dessen geschlossenen Stirnseiten befestigt.
Zwischen dem Gehäuse 51 und
dem Rohr 52 ist ein ringförmiger Raum 53 vorhanden.
In Achsrichtung des Gehäuses 51 gesehen
ist etwa in dessen Mitte ein NOx-Katalysator 31 angeordnet,
welcher den Raum 53 in die beiden Räume 54 und 55 unterteilt.
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Ein Ende des aus dem Gehäuse 51 ragenden
Rohres 52 ist mit einem Flansch 52a versehen und
an diesem das vom Verteiler 8 kommende Abgasrohr 9 befestigt.
Das andere Ende des aus dem Gehäuse 51 ragenden
Rohres 52 ist mit einem Flansch 52b versehen und
an diesem das zur Atmosphäre
hin offene Abgasrohr 10 befestigt. Der im Unterraum 55 sich
erstreckende Abschnitt des Rohres 52 ist mit paarigen,
radial sich gegenüberliegenden Bohrungen 56 und 57 versehen.
Die Bohrung 56 bildet die Verbindung des Rohres 52 zu
einem Ende eines Verbindungsrohres 58, welches sich durch
den Unterraum 55 erstreckt, das Gehäuse 51 durchdringt und
außerhalb
diesem weitergeführt
wird und dessen anderes Ende die Verbindung zum Unterraum 54 herstellt.
In dem zwischen den paarigen Bohrungen 56 und 57 vorhandenen
Innenraum des Rohres 52 ist eine Ventilklappe 59 drehbar
angeordnet, welche von einem Betätigungselement 21 betätigt wird.
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Wie 11 zeigt,
kann die Ventilklappe 59 in zwei Stellungen arretiert werden,
um das Rohr 52 zu schließen. In der als durchgehende
Linie gekennzeichneten ersten Stellung ist der zwischen dem Flansch 52a und
der Ventilklappe 59 sich erstreckende Abschnitt des Rohres 52 durch
die Bohrung 56 mit dem Rohr 58 und der zwischen
dem Flansch 52b und der Ventilklappe 58 sich erstreckende
Abschnitt des Rohres 52 durch die Bohrung 57 mit
dem Unterraum 55 verbunden. In der durch eine Doppelpunkt-Strich-Linie
gekennzeichneten zweiten Stellung ist der erstgenannte Rohrabschnitt
durch die Bohrung 57 mit dem Unterraum 55 und
der andere Rohrabschnitt durch die Bohrung 56 mit dem Rohr 58 verbunden.
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Die so konfigurierte Abgasreinigungseinheit 50A hat
zu der in 6 dargestellten
die nachfolgend beschriebene Beziehung. Die Ventilklappe 59 der
Abgasreinigungseinheit 50A entspricht der Ventilklappe
des Strömungsrichtungsumschaltventils 20. Der
zwischen dem Flansch 52a und der Ventilklappe 59 sich
erstreckende Abschnitt des Rohres 52 entspricht dem Abgasrohr 9.
Der zwischen dem Flansch 52b und der Ventilklappe 59 sich
erstreckende Abschnitt des Rohres 52 dem Abgasrohr 10.
Der Unterraum 54 zusammen mit dem Verbindungsrohr 58 der Abgasreinigungseinheit 50A entsprechen
dem Abgasrohr 11. Der Unterraum 55 entspricht
dem Abgasrohr 12.
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Die 8 und 9 zeigen die Schnittansicht der
Abgasreinigungseinheit 50A, wobei die in Klammer gesetzten
Bezugszeichen auf die in 6 verwendeten
hinweisen. 8 zeigt den
Zustand, in welchem das Abgas in Vorwärtsrichtung, und 9 den Zustand, in welchem
das Abgas in Rückwärtsrichtung
durch den NOx-Katalysator 31 strömt. Die
so konfigurierte Reinigungseinheit 50A hat die gleiche Funktion
wie das Abgasemissionssteuerungssystem gemäß der ersten Ausführungsform,
so daß auf
die Beschreibung des Steuerungsablaufs verzichtet wird.
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<Beispiele gemäß den 12 bis 15>
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Bei den in den 12 bis 15 dargestellten weiteren
modifizierten ersten Ausführungsformen wurde
das bei den Ausführungsformen
gemäß der 8 bis 11 vorhandene Verbindungsrohr 58 der
Abgasreinigungseinheit 50A eliminiert und dadurch das System
kompakter ausgeführt. Übereinstimmende Komponenten
sind mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, auf Unterschiede
zwischen beiden Reinigungseinheiten wird nachfolgend detailliert
eingegangen.
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Bei der Abgasreinigungseinheit 50B dieser modifizierten
ersten Ausführungsformen
ist der ringförmige
Raum zwischen dem Gehäuse 51 und
dem Rohr 52 in drei Abschnitte unterteilt, in den vom Flansch 52a aus
sich erstreckenden ringförmigen Abschnitt 60 und
in die Abschnitte 62 und 63 in Form eines Halbkreissegments,
welche durch die vom Gehäuse 51 bis
zum Rohr 52 sich erstreckende und an beiden befestigte
Trennwand 61 gebildet werden.
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Wie 14 zeigt,
ist der NOx-Katalysator 31 hinter
dem Abschnitt 60 innerhalb des nach oben gerichteten halbkreisförmigen Raumabschnitts 63 angeordnet.
Im Raumabschnitt 63 ist zwischen dem NOx-Katalysator 31 und
dem Flansch 52b ein Unterabschnitt 64 vorhanden,
welcher durch die Bohrung 57 Verbindung zum Innenraum des
Rohres 52 hat. Der nach unten gerichtete halbkreisförmige Raumabschnitt 62 hat
zum ringförmigen
Abschnitt 60 und durch die Bohrung 56 Verbindung
zum Innenraum des Rohres 52.
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Die Positionelle Beziehung zwischen
der Ventilklappe 59 und den beiden Bohrungen 56, 57 und
die beiden Stellungen der Ventilklappe 59 zum Schließen des
Rohres 52 sind absolut identisch mit denen der in den 8 bis 11 dargestellten Abgasreinigungseinheit 50A.
Wenn bei der Reinigungseinheit 50B die Ventilklappe 59 in
die erste Schließstellung gebracht
wird (durchgehende Linie in 11), ist
der zwischen dem Flansch 52a und der Ventilklappe 59 sich
erstreckende Abschnitt des Rohres 52 durch die Bohrung 56 mit
dem nach unten gerichteten halbkreisförmigen Raumabschnitt 62,
der von der Ventilklappe 59 bis zum Flansch 52b sich
erstreckende Abschnitt des Rohres 52 durch die Bohrung 57 mit dem
Raumabschnitt 64 verbunden. Wenn die Ventilklappe 59 in
die zweite Schließstellung
gebracht wird (Doppelpunkt-Linie),
ist der erstgenannte Abschnitt durch die Bohrung 57 mit
dem Raumabschnitt 64, der andere Abschnitt des Rohres 52 durch
die Bohrung 56 mit dem nach unten gerichteten halbkreisförmigen Raumabschnitt 62 verbunden.
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Die so konfigurierte Abgasreinigungseinheit 50B hat
zu der in 6 dargestellten
die nachfolgend beschriebene Beziehung. Die Ventilklappe 59 der
Abgasreinigungseinheit 50B entspricht der Ventilklappe
des Strömungsrichtungsumschaltventils 20. Der
zwischen dem Flansch 52a und der Ventilklappe 59 sich
erstreckende Abschnitt des Rohres 52 entspricht dem Abgasrohr 9.
Der zwischen dem Flansch 52b und der Ventilklappe 59 sich
erstreckende Abschnitt des Rohres 52 dem Abgasrohr 10.
Der nach unten gerichtete halbkreisförmige Raumabschnitt 62 zusammen
mit dem ringförmigen
Raumabschnitt 60 der Abgasreinigungseinheit 50B entsprechen
dem Abgasrohr 11. Der Raumabschnitt 64 der Abgasreinigungseinheit 50B entspricht
dem Abgasrohr 12.
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Die 12 und 13 zeigen die Schnittansicht der
Abgasreinigungseinheit 50B, wobei die in Klammer gesetzten
Bezugszeichen auf die in 6 verwendeten
hinweisen. 12 zeigt
den Zustand, in welchem das Abgas in Vorwärtsrichtung, und 13 den Zustand, in welchem
das Abgas in Rückwärtsrichtung
durch den NOx-Katalysator 31 strömt. Die
so konfigurierte Reinigungseinheit 50B hat die gleiche Funktion
wie das Abgasemissionssteuerungssystem gemäß der ersten Ausführungsform,
so daß auf
die Beschreibung des Steuerungsablauf verzichtet wird.
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[Zweite Ausführungsform)
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Nachfolgend wird in Verbindung mit 16 eine zweite Ausführungsform
des Abgasemissionssteuerungssystems Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung
gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben. 16 zeigt
die Hauptkomponenten des Abgasemissionssteuerungssystems gemäß der zweiten
Ausführungsform,
mit der Ventilklappe des Strömungsrichtungsumschaltventils 20 in
der Vorwärtsströmungsstellung.
Die zweite Ausführungsform
unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform nur darin, daß in der
Mitte des Abgasrohrs 10 ein Spülelement 40 angeordnet
ist. Das Spülelement 40 ist
innen mit einem Katalysator 40a (z. B. einem selektiven
NOx-Katalysator zum Reduzieren oder Auflösen von
NOx in Gegenwart von Kohlenwasserstoff in
einer stark sauerstoffhaltigen Atmosphäre) bestückt, welcher bei einem Abgas
mit mageren Luft/Brennstoff-Verhältnis
Sauerstoff adsorbiert und bei stöchiometrischem
oder einem fetten Luft/Brennstoff-Verhältnis die in diesem enthaltenen
Verbindungen HC und CO durch Nutzung des adsorbierten Sauerstoffs
beseitigt.
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Wie bereits beschrieben, entsteht
beim Umschalten des Strömungsrichtungsumschaltventils 20 kurzzeitig
eine direkte Verbindung zwischen dem Abgasrohr 9 und dem
Abgasrohr 10, so daß das
Abgas diesen kurzen Weg nimmt und dadurch die in diesem vorhandenen
Verbindungen HC und CO in die Atmosphäre gelangen können. Das
muß im
Falle von Abgas mit stöchiometrischem
oder einem fetten Luft/Brennstoff-Verhältnis beim Umschalten des Strömungsrichtungsumschaltventils 20 beachtet
werden. In diesem Fall kommt das bei der zweiten Ausführungsform
verwendete Spülelements 40 zur
Wirkung.
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Der Katalysator 40a des
im Abgasrohr 10 angeordneten Spülelements 40 adsorbiert
beim Betreiben der Maschine 1 mit einem mageren Luft/Brennstoff-Verhältnis Sauerstoff.
Wenn dann die Maschine 1 auf das stöchiometrische oder ein fettes Luft-/Brennstoff-Verhältnis umgestellt
wird, erfolgt das Umschalten des Strömungsrichtungsumschaltventils 20.
Während
des Umschaltvorgangs strömt das
Abgas mit stöchiometrischem
oder fetten Luft/Brennstoff-Verhältnis
auf dem kurzen Weg durch das Abgasrohr 10, wobei die im
Abgas enthaltenen Verbindungen HC und CO von dem im Katalysator 40a des
Spülelements 40 adsorbierten
Sauerstoff oxidiert werden und das so gereinigte Abgas in die Atmosphäre gelangt.
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Die 17 bis 19 zeigen modifizierte zweite Ausführungsformen
des Abgasemissionssteuerungssystems, welche nachfolgend detailliert
beschrieben werden.
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<Beispiel gemäß 17>
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Bei der in 17 dargestellten modifizierten zweiten
Ausführungsform
ist der katalytische Konverter 30 integraler Bestandteil
des Spülelements 40,
so daß zwischen
beiden kein Abgas strömen,
jedoch ein Wärmeaustausch
stattfinden kann. Dadurch kann der im Spülelement 40 angeordnete
Katalysator 40a auf einer hohen Temperatur gehalten werden,
welche zu dessen Aktivierung erforderlich ist. In 17 ist das die Ventilklappe des Strömungsrichtungsumschaltventils 20 in
der Vorwärtsströmungsstellung dargestellt.
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<Beispiel gemäß 18>
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18 zeigt
eine Anordnung des katalytischen Konverters 30, bei welcher
dessen Ausgang 30b nahe am Abgasschaltventil 20 liegt,
um das Abgasrohr 12 zwischen dem Abgasschaltventil 20 und dem
Ausgang 30b des katalytischen Konverters 30 so
kurz wie möglich
zu machen. Wenn bei dieser Anordnung die Ventilklappe des Abgasschaltventils 20 in
die Rückwärtsstel lung
gebracht wird, damit das Abgas rückwärts in Richtung
katalytischer Katalysator 30 strömt, ist der Strömungsweg
des Abgases von der Maschine 1 zum katalytischen Katalysator 30 kürzer, so
daß zur
Freigabe von SOx die Temperatur des NOx-Katalysators 31 im katalytischen
Konverter 30 und dadurch die katalytische Temperatur erhöht und die
Freigabe von SOx beschleunigt wird.
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<Beispiel gemäß 19>
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Bei der in 19 dargestellten modifizierten zweiten
Ausführungsform
ist das Strömungsrichtungsumschaltventil 20 nahe
am Spülelement 40 angeordnet,
um den Strömungsweg
zwischen der Maschine 1 und dem Strömungsrichtungsumschaltventil 20 zu
verlängern,
dadurch die thermische Belastung dieses Ventils zu verringern und
somit dessen Lebensdauer zu erhöhen.
Auch in 19 ist die Ventilklappe
des Strömungsrichtungsumschaltventils 20 in der
Vorwärtsströmungsstellung
dargestellt.
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[Dritte Ausführungsform]
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Nachfolgend wird in Verbindung mit 20 eine dritte Ausführungsform
des Abgasemissionssteuerungssystems für eine Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung
gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben. 20 zeigt
schematisch die Hauptkomponenten der dritten Ausführungsform
des Abgasemissionssteuerungssystems. Die dritte Ausführungsform
unterscheidet sich von der in 16 dargestellten
zweiten Ausführungsform
in der Anordnung des Katalysators 31 im katalytischen Konverter 30.
-
Genauer ausgedrückt, im katalytischen Konverter 30 ist
an dessen Eingang 30a ein NOx-Katalysator 31a mit
hohem SOx-Absorptionsvermögen und an
dessen Ausgang 30b ein NOx-Katalysator 31b mit relativ
geringem SOx-Absorptionsvermögen angeordnet.
Wenn, wie in 20 dargestellt,
das Abgas in Vor wärtsrichtung
durch den katalytischen Konverter 30 strömt, wird
im Abgas enthaltenes SOx nur an dessen Eingangsseite 30a absorbiert,
so daß bei
Durchführung
der SOx-Desorption, bei welcher das Abgas in
Rückwärtsrichtung
durch den katalytischen Konverter 30 strömt, SOx effizient desorbiert wird.
-
Mit dieser Konstruktion, bei welcher
im katalytischen Konverter 30 an dessen Eingang 30a der Katalysator 31a mit
hohem SOx-Absorptionsvermögen und
an dessen Ausgang 30b der NOx-Katalysator 31b mit
relativ geringem SOx-Absorptionsvermögen angeordnet
ist, kann an der Eingangsseite 30a eine größere Menge
an Einschlußsubstanzen
als an der Ausgangsseite 30b abgebaut werden bzw, der Abbau
von Einschlußsubstanzen
mit höherem
Einschließvermögen besser
an der Eingangsseite 30a als an der Ausgangsseite 30b erfolgen.
-
21 zeigt
schematisch eine modifizierte dritte Ausführungsform des Abgasemissionssteuerungssystems.
Bei dieser modifizierten dritten Ausführungsform ist eingangsseitig
am Außenumfang des
katalytischen Konverters 30 ein elektrisches Heizelement
33 zum Erwärmen
des NOx-Katalysators 31a mit hohem
SOx-Absorptionsvermögen angeordnet. Wenn zur Durchführung der
SOx-Desorption im NOx-Katalysator 31a das
Abgas in Rückwärtsrichtung
durch den katalytischen Konverter 30 strömt, wird
von der ESE 100 das elektrische Heizelement 33 zugeschaltet.
Durch das Zwangszuschalten des Heizelements 33 wird die
katalytische Temperatur des NOx-Katalysators 31 erhöht und dadurch
die SOx-Desorption beschleunigt. Das Element
zum Erwärmen
des NOx-Katalysators 31a ist jedoch
nicht auf ein elektrisches Heizelement beschränkt.
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[Vierte Ausführungsform]
-
Nachfolgend wird in Verbindung mit
den 22 und 23 eine vierte Ausführungsform
des Abgasemissionssteuerungssystems für eine Brennkraftmaschine mit
Innenverbrennung gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben. 22 zeigt
schematisch die Hauptkomponenten der vierten Ausführungsform
des Abgasemissionssteuerungssystem. Die vierte Ausführungsform
unterscheidet sich von der in 16 dargestellten
zweiten Ausführungsform nur
darin, daß in
der Mitte des Abgasrohres 9 eine Startkatalysatoreinheit
(ein zusätzlicher
Katalysator) 41 angeordnet ist.
-
In der Startkatalysatoreinheit 41 ist
ein Dreiwegekatalysator 41a mit hohem Aktivierungsvermögen angeordnet.
-
Im allgemeinen dient die Startkatalysatoreinheit
dazu, beim Starten der Maschine 1 die katalytische Temperatur
zu erhöhen
und die Temperaturerhöhung
des hinter dieser angeordneten Katalysators (des bei der vierten
Ausführungsform
im katalytischen Konverter 30 angeordneten NOx-Katalysators 31)
zu beschleunigen. Wenn, wie in 22 dargestellt,
das Abgas in Vorwärtsrichtung
durch den katalytischen Konverter 30 strömt, wird
die im Abgas enthaltene Reduktionskomponente in der Startkatalysatoreinheit 41 abgebaut
und dadurch dem katalytischen Konverter 30 ein bereits
behandeltes Abgas zugeführt.
Dadurch werden am Eingang 30a des katalytischen Konverters 30 größere Mengen
an NOx und SOx im
NOx-Katalysator absorbiert. Wenn das Abgas
in Rückwärtsrichtung
durch den katalytischen Konverter 30 strömt, wird
das Desorbieren von NOx und SOx aus
dem NOx-Katalysator 31 erleichtert.
-
Die Startkatalysatoreinheit sollte
so nahe wie möglich
am Verteiler angeordnet werden (kurzer Strömungsweg des Abgases von der
Maschine 1 zu dieser Einheit).
-
Wenn das Abgasemissionsteuerungssystem mit
der Startkatalysatoreinheit 41 bestückt ist, wird zur Durchführung der
SOx-Desorption
aus dem NOx-Katalysator die Verstellklappe
des Strömungsrichtungsumschaltventils 20 in
die Stellung ge bracht, in welcher das Abgas mit stöchiometrischem
oder einem fetten Luft/Brennstoff-Verhältnis in Rückwärtsrichtung durch den katalytischen
Konverter 30 strömt.
Im Anfangsstadium der SOx-Desorptions wird auch
aus dem in der Startkatalysatoreinheit 41 angeordneten
Katalysator 41a SOx desorbiert.
Das aus der Startkatalysatoreinheit 41 desorbierte SOx sollte nicht durch den katalytischen Konverter 30 gelangen. In Übereinstimmung
mit der vierten Ausführungsform sollte
zur Durchführung
der SOx-Desorption die Ventilklappe des
Strömungsrichtungsumschaltventils 20 nicht
sofort aus der Vorwärtsströmungsstellung
in die Rückwärtsströmungsstellung
umgeschaltet, sondern, von der ESE 100 über das Betätigungselement 21 gesteuert, über eine
bestimmte Zeit in der in 23 dargestellten
neutralen Stellung gehalten werden, damit das Abgas mit stöchiometrischem oder
einem fetten Luft/Brennstoff-Verhältnis, welches bereits die
Startkatalysatoreinheit 41 passiert hat, über den
kurzen Weg vom Abgasrohr 9 zum Abgasrohr 10 strömt. Wenn
die Haltezeit entsprechend vorgegeben wird, daß in dieser die vollständige SOx-Desorption
aus dem in der Startkatalysatoreinheit 41 angeordneten
Katalysator 41a erfolgt, gelangt das aus der Startkatalysatoreinheit 41 desorbierte
SOx nicht in den katalytischen Konverter 30.
Das Abgas, welches das aus der Startkatalysatoreinheit 41 desorbierte
SOx enthält,
wird im Spülelement 40 gereinigt. Erst
nach Ablauf der vorgegebenen Zeit wird die Ventilklappe des Strömungsrichtungsumschaltventils 20 in
die Rückwärtsströmungsstellung
geschaltet.
-
[Fünfte Ausführungsform]
-
Nachfolgend wird in Verbindung mit 24 eine fünfte Ausführungsform
des Abgasemissionssteuerungssystems für eine Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung
gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben. 24 zeigt
schematisch die Hauptkomponenten der fünften Ausführungsform des Abgasemissionssteuerungssystems.
Die fünfte Ausführungsform
unter scheidet sich von der in 18 dargestellten
modifizierten zweiten Ausführungsform
nur darin, daß in
der Mitte des Abgasrohres 11 ein S-förmiges Abscheider 42 angeordnet
ist.
-
Im Abscheider 42 befindet
sich ein SOx-Absorptionselement 42a.
Dieses SOx-Absorptionselement 42a absorbiert
SOx bei Abgas mit magerem Luft/Brennstoff-Verhältnis und
desorbiert absorbiertes SOx bei niedriger
Sauerstoffkonzentration im einströmenden Abgas. Als SOx-Absorptionselement 42a kann ein
Dreiwegekatalysator, ein NOx-Katalysator mit
hohem SOx-Absorptionsvermögen oder
ein mit Platin beschichteter Zeolith verwendet werden.
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Bei dem in 24 dargestellten Beispiel ist der S-förmige Abscheider 42 so
angeordnet, daß in der
Vorwärtsströmungsstellung
des Strömungsrichtungsumschaltventils
(beim Absorbieren von NOx) dieser sich vor
dem katalytischen Konverter 30 befindet. Das im Abgas enthaltene
SOx wird von dem im S-förmigen
Abscheider 42 angeordneten SOx-Absorptionselement
absorbiert und kann somit nicht in den katalytischen Konverter 30 gelangen,
so daß keine
SOx-Vergiftung des NOx-Katalysators 31 eintritt. Das
bei der fünften
Ausführungsform
im S-förmigen Abscheider 42 angeordnete
SOx-Absorptionselement 42a ist
somit ein Abgasreinigungselement.
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Bei der fünften Ausführungsform kann durch Umschalten
der Ventilklappe des Strömungsrichtungsumschaltventils 20 das
Abgas auch in Rückwärtsrichtung
zum S-förmigen
Abscheider 42 strömen.
In diesem Fall kann bei Abgas mit stöchiometrischem oder einem fetten
Luft/Brennstoff-Verhältnis das
aus dem SOx-Absorptionselement 42a im
S-förmigen
Abscheider 42 desorbierte SOx in
Form von SO2 ausgeschieden werden. Dabei
berechnet die ESE 100 ein Luft/Brennstoff-Zielverhältnis für das durch
den S-förmigen
Abscheider 42 strömende
Abgas, eine Bodenzieltemperatur des S-förmigen Abscheiders 42 und
bei Vorhandensein der Reduktionsmittelzuführvorrichtung eine Reduktionsmittelzielmenge,
welche für
die Desorption von SOx aus dem im S-förmigen Abscheider 42 angeordneten
SOx-Absorptionselement optimal sind. Die
ESE 100 regelt die Maschine 1 und die Reduktionsmittelzuführvorrichtung
so, daß diese
Zielwerte erreicht werden, um die SOx-Desorption
entsprechend durchzuführen. Zur
Erhöhung
der Bodentemperatur des S-förmigen Abscheiders 42 kann
die Sauerstoffkonzentration des in den katalytischen Konverter 30 strömenden Abgases
erhöht
werden, damit im NOx-Katalysator 31 des
katalytischen Konverters 30 eine Oxidation stattfindet,
bei welcher Wärme
erzeugt wird.
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25 zeigt
schematisch eine modifizierte fünfte
Ausführungsform
des Abgasemissionssteuerungssystems. Bei dieser Ausführungsform
sind der katalytische Konverter 30, das Spülelement 40 und der
S-förmige
Abscheider 42 zu einer Einheit zusammengefaßt, so daß zwischen
beiden kein Abgas strömen,
aber ein Wärmeaustausch
stattfinden kann. Bei einer solchen Konfiguration kann die Reaktionswärme im Katalysator
effektiv genutzt werden, was bezüglich
der Aktivierung jedes verwendeten Katalysators von Vorteil ist.
In 25 ist die Ventilklappe
des Strömungsrichtungsumschaltventils 20 in
der Vorwärtsströmungsstellung
dargestellt.
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Der Zeitpunkt zum Umschalten des
Ventilelements des Strömungsrichtungsumschaltventils 20 bzw.
der Ventilklappe 59 in die Vorwärts- bzw. Rückwärtsströmungsstellung als Richtungsvorgabe
für das
durch das Spülelement
strömende
Abgas ist jedoch nicht auf den in den Ausführungsformen 1 bis 5 genannten
beschränkt.
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Wenn zum Beispiel das Spülelement
als NOx-Katalysator 31 definiert
ist, werden von diesem bei sinkender Abgastemperatur NOx und
SOx absorbiert, bei steigender Abgastemperatur
diese Verbindungen desorbiert. Die Ventilklappe des Strömungsrichtungsumschaltventils 20 bzw.
die Das Strömungsrichtungsumschaltventils 20 bzw.
die Ventilklappe 59 wird bei sinkender Abgastemperatur
in die Vorwärtsströmungsstellung
geschaltet, in welcher das Abgas in Vorwärtsrichtung durch den NOx-Katalysator 31 strömt, bei
steigender Abgastemperatur in die Rückwärtsströmungsstellung, in welcher das
Abgas in Rückwärtsrichtung
durch den NOx-Katalysator 31 strömt.
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Das Umschalten der Ventilklappe des
Strömungsrichtungsumschaltventils
erfolgt in Abhängigkeit
von den im Abgas enthaltenen und zu beseitigenden Stoffen; im Falle
von aufzulösender
und zu desorbierender H2SO4 bei
einer vorgegebenen Bodentemperatur des Abgasreinigungselements (z.
B. 40°C)
wird bei Unterschreiten dieser Temperatur das Ventilelement des
AbgasStrömungsrichtungsumschaltventils 20 bzw.
die Ventilklappe 59 in die Vorwärtsströmungsstellung geschaltet, in
welcher das Abgas in Vorwärtsrichtung
durch das Abgasreinigungselement strömt. Wenn die vorgegebene Bodentemperatur überschritten
wird, erfolgt das Umschalten des Ventilelements des Strömungsrichtungsumschaltventils 20 bzw.
der Ventilklappe 59 in die Rückwärtsströmungsstellung, in welcher das
Abgas in Rückwärtsrichtung
durch das Abgasreinigungselement strömt. Mit anderen Worten, das
Umschalten des Ventilelements des Strömungsrichtungsumschaltventils 20 bzw.
der Ventilklappe 59 wird in Abhängigkeit von der Bodentemperatur
des Abgasreinigungselements durchgeführt.
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[Sechste Ausführungsform]
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Nachfolgend wird in Verbindung mit
den 26 und 28 eine sechste Ausführungsform
des Abgasemissionssteuerungssystems für eine Brennkraftmaschine mit
Innenverbrennung gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben.
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Wenn bei der ersten bis fünften Ausführungsform
das Abgas durch den katalytischen Konverter 30 oder den
S-förmigen
Abscheider 42 strömt, wird
das in diesem enthaltene SOx an deren eingangsseitigen Absorptionsfläche absorbiert.
Wenn zum Desorbieren von SOx aus dem katalytischen Konverter 30 oder
dem S-förmigen
Abscheider 42 das Abgas mit stöchiometrischem oder einem fetten Luft/Brennstoff-Verhältnis in
Richtung entgegen der beim Absorbieren eingestellten Strömungsrichtung durch
das Abgasreinigungselement strömt,
kann das aus dem NOx-Katalysator 31 oder
dem SOx-Absorptionselement 42a desorbierte
SOx auf dem kürzeren Weg aus diesen ausgestoßen werden,
so daß die SOx-Desorption effektiver abläuft. Bei
den genannten fünf
Ausführungsformen
erfolgt das Umschalten des Strömungsrichtungsumschaltventils
auf der beschriebenen Grundlage.
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Bei der sechsten Ausführungsform
kann mit dem Umschalten das Ventilelement des Strömungsrichtungsumschaltventils 20 der
Strömungsweg
des Abgases von der Maschine zum katalytischen Konverter 30 verändert werden.
Das Umschalten erfolgt in Abhängigkeit
von der Temperaturcharakteristik des NOx-Katalysators 31.
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26 zeigt
schematisch den Aufbau des Abgasemissionssteuerungssystems gemäß der sechsten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Da dieser Aufbau dem in 1 dargestellten absolut identisch ist,
wird auf dessen Beschreibung verzichtet, sondern nur die Arbeitsweise
des Abgasemissionssteuerungssystems gemäß der sechsten Ausführungsform
beschrieben. Auch bei der sechsten Ausführungsform wird als Abgasreinigungselement
der NOx-Katalysator 31 verwendet.
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In 26 ist
die Ventilklappe des Strömungsrichtungsumschaltventils 20 in
der Vorwärtsströmungsstellung,
in 27 in der Rückwärtsströmungsstellung
dargestellt. Aus diesen beiden Figuren ist ersichtlich, daß in der
Vorwärtsströmungsstellung
der Ventilklappe des Strömungsrichtungsumschaltventils 20 ein
kürzerer
Strömungsweg
des Abgases von der Maschine bis zum katalytischen Konverter 30 als
in deren Rückwärtsströmungsstellung sich
ergibt.
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Infolge der Wärmestrahlung sinkt mit zunehmender
Länge des
Strömungsweges
die Abgastemperatur. Demzufolge sinkt die Temperatur des Abgases
auf dem Weg von der Maschine zum katalytischen Konverter 30 in
der Rückwärtsströmungsstellung
des Verstellelements des Strömungsrichtungsumschaltventils 20 mehr
als in dessen Vorwärtsströmungsstellung.
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Wie 28 zeigt,
ist die NOx-Reinigungsgeschwindigkeit des
NOx-Katalysators 31 jedoch von dessen
Temperatur abhängig,
wobei für
eine optimale NOx-Absorption ein bestimmtes
Temperaturfenster (nachfolgend NOx-Absorptionsfenster
genannt) zutrifft. Wenn von diesem NOx-Absorptionsfenster
abgewichen wird, sinkt das NOx-Absorptionsvermögen des
Reinigungselements sehr stark. Selbst wenn bei der NOx-Desorption
und -Reduktion aus dem NOx-Katalysator 31 dessen
Temperatur nicht so hoch eingestellt wird, kann NOx desorbiert
werden. Dagegen kann SOx effektiver aus dem NOx-Katalysator 31 desorbiert
werden, wenn dessen Temperatur höher eingestellt
wird.
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Bei der sechsten Ausführungsform
des Abgasemissionssteuerungssystems wird das Umschalten der Ventilklappe
des Strömungsrichtungsumschaltventils
auf die nachfolgend beschriebene Weise gesteuert.
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Wenn die zum Absorbieren von NOx im NOx-Katalysator 31 entsprechenden
Bedingungen (z. B. < 400°C) vorliegen
und das Abgas ein mageres Luft/Brennstoff-Verhältnis aufweist (Betreiben der Maschine 1 bei
einem mageren Luft/Brennstoff-Verhältnis),
wird die Ventilklappe des Strömungsrichtungsum schaltventils 20 in
die Vorwärtsströmungsstellung
gebracht. Dadurch kann die Länge
des Abgasströmungswegs
von der Maschine zum katalytischen Konverter 30 verkürzt und
somit der Temperaturverlust des in den Katalysator strömenden Abgases
verringert werden. Das führt
zur Stabilisierung der für
die NOx-Absorption erforderlichen Temperatur des NOx-Katalysators 31.
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Wenn entsprechende Bedingungen zum Desorbieren
und Reduzieren des vom NOx-Katalysator 31 absorbierten
NOx vorliegen, d. h. bei einer niedrigen
Temperatur des NOx-Katalysators 31 (z.
B. 400°C
oder darunter) und das Abgas stöchiometrisches
oder ein fettes Luft/Brennstoff-Verhältnis aufweist (Betreiben der
Maschine 1 bei stöchiometrischem
oder einem fetten Luft/Brennstoff-Verhältnis), wird die Ventilklappe
des Strömungsrichtungsumschaltventils 20 in
die Vorwärtsströmungsstellung
gebracht. Dadurch kann die Länge
des Abgasströmungsweges
von der Maschine zum katalytischen Konverter 30 verkürzt und
somit der Temperaturverlust des in den Katalysator strömenden Abgases
verringert werden.
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Wenn die Temperatur des NOx-Katalysators 31 so hoch ist (z.
B. 400 °C
oder höher),
daß die NOx-Reinigungsge schwindigkeit sich verschlechtert (Betreiben
der Maschine 1 bei magerem Luft/Brennstoff-Verhältnis) wird
die Ventilklappe des Strömungsrichtungsumschaltventils 20 in
die Rückwärtsströmungsstellung
gebracht. Dadurch kann die Länge
des Abgasströmungsweges
von der Maschine zum katalytischen Konverter 30 verlängert und
somit das Absinken der Temperatur des NOx-Katalysators beschleunigt
werden. Das führt
zur Stabilisierung der für
die NOx-Absorption erforderlichen Temperatur
des NOx-Katalysators 31.
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Bei Bedingungen, unter welchen das
im NOx-Katalysators 31 absorbierte
SOx wieder aus diesem desorbiert werden
kann, d. h. bei einer hohen Temperatur (600°C oder darüber) des NOx-Katalysators 31 und
stöchiometrischem
oder einem fetten Luft/Brennstoff-Verhältnis des Abgases (Betreiben der
Maschine 1 bei stöchiometrischem
oder einem fetten Luft/Brennstoff-Verhältnis), wird die Ventilklappe
des Strömungsrichtungsumschaltventils 20 in
die Vorwärtsströmungsstellung
gebracht. Dadurch kann die Länge
des Abgasströmungswegs
von der Maschine zum katalytischen Konverter 30 verkürzt und somit
der Temperaturverlust des in den Katalysator strömenden Abgases verringert werden.
Das führt zur
Stabilisierung der für
die SOx-Desorption erforderlichen Temperatur des NOx-Katalysators 31.
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Die Abgastemperatur, welche von dem
bei dieser Ausführungsform
in der Nähe
des Eingangs 30a des katalytischen Konverters 30 angeordneten Temperatursensor 13 gemessen
wird, dient als Ersatz für
die bei der sechsten Ausführungsform
ermittelte katalytische Temperatur des NOx-Katalysators 31.
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[Siebente Ausführungsform]
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Nachfolgend wird in Verbindung mit
den 29 und 30 eine siebente Ausführungsform
des Abgasemissionssteuerungssystems für eine Brennkraftmaschine mit
Innenverbrennung gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben.
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29 zeigt
schematisch die Hauptkomponenten des Abgasemissionssteuerungssystems
gemäß der siebenten
Ausführungsform,
wobei die Ventilklappe des Strömungsrichtungsumschaltventils 20 in
der Vorwärtsströmungsstellung
dargestellt ist. Die siebente Ausführungsform unterscheidet sich
von der sechsten Ausführungsform
nur darin, daß in
der Mitte des Abgasrohres 10 das Reinigungselement 40 angeordnet
ist. Auch bei der siebenten Ausführungsform
wird als Reinigungselement der NOx-Katalysator 31 verwendet.
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Im Reinigungselement 40 ist
ein Katalysator 40a (z. B. ein NOx-Katalysator
zum Reduzieren oder Auflösen
von NOx in Gegenwart von Kohlenwasserstoff
in einer sehr sauerstoffhaltigen Atmosphäre) angeordnet, welcher bei
Abgas mit magerem Luft/Brennstoff-Verhältnis Sauerstoff adsorbiert
und bei Abgas mit stöchiometrischem
oder einem fetten Luft/Brennstoff-Verhältnis
den adsorbierte Sauerstoff an die in diesem vorhandenen Verbindungen
HC und CO abgibt und diese oxidiert. Wenn der Benzinmotor 1 gemäß der siebenten
Ausführungsform
bei einem mageren Luft/Brennstoff-Verhältnis betrieben wird, adsorbiert
der im Reinigungselement 40 angeordnete Katalysator 40a den
im Abgas enthaltenen Sauerstoff.
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Wenn bei der sechsten Ausführungsform
die Temperatur des NOx-Katalysators 31 hoch
ist und das Abgas ein mageres Luft/Brennstoff-Verhältnis aufweist,
wird die Ventilklappe des Strömungsrichtungsumschaltventils 20 in
die Rückwärtsströmungsstellung
gebracht, dadurch der Abgasströmungsweg von
der Maschine zum katalytischen Konverter 30 verlängert und
somit der Abgastemperaturverlust erhöht. Auf diese Weise wird die
Temperatur des NOx-Katalysators 31 innerhalb
des NOx-Absorptionsfensters geregelt. Hierbei
kann jedoch der Fall eintreten, daß die Temperatur des NOx-Katalysators den Bereich des NOx-Absorptionsfensters übersteigt.
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In einem solchen Fall strömt Hochtemperatur-Abgas
durch den zu stark erwärmten
NOx-Katalysator 31 und wird dadurch
nicht gereinigt. Außerdem besteht
die Gefahr einer Beschädigung
des NOx-Katalysators 31.
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Deshalb wird beim Abgasemissionssteuerungssystem
gemäß der siebenten
Ausführungsform bei
Abgas mit magerem Luft/Brennstoff-Verhältnis (Betreiben der Maschine 1 bei
magerem Luft/-Brennstoff-Verhältnis) und
bei einer das NOx-Absorptionsfenster übersteigenden
Temperatur (z. B. 500 °C oder
mehr) des NOx-Katalysator die Ventilklappe
des Strömungsrichtungsumschaltventils 20 in
die in 30 dargestellte
neutrale Stellung zwischen der Vorwärts- und der Rückwärtsströmungsstellung
gebracht. In diesem Fall strömt
das Abgas auf dem kurzen Weg vom Abgasrohr 9 zum Abgasrohr 10 und nur
eine unwesentliche Menge davon durch den katalytischen Konverter 30.
Die im Abgas enthaltenen Verbindungen HC und CO werden von dem im
Katalysator 40a des Reinigungselements 40 adsorbierten Sauerstoff
oxidiert und gelangen in dieser Form mit dem Abgas in die Atmosphäre. Dadurch
kann eine Zustandsverschlechterung des im katalytischen Konverter 30 angeordneten
NOx-Katalysators 31 verhindert
werden.
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[Achte Ausführungsform]
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Nachfolgend wird in Verbindung mit 31 eine achte Ausführungsform
des Abgasemissionssteuerungssystems für eine Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung
gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben. 31 zeigt
schematisch die Hauptkomponenten des Abgasemissionssteuerungssystems
gemäß der achten
Ausführungsform, wobei
die Ventilklappe des Strömungsrichtungsumschaltventils 20 in
der Rückwärtsströmungsstellung dargestellt
ist. Die achte Ausführungsform
unterscheidet sich von der siebenten Ausführungsform nur darin, daß in der
Mitte des Abgasrohres 12 ein Kühler (eine Kühleinheit) 43 angeordnet
ist.
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Wenn bei der beschriebenen sechsten
Ausführungsform
die Temperatur des NOx-Katalysators 31 hoch
ist und das Abgas ein mageres Luft/Brennstoff-Verhältnis aufweist,
wird die Ventilklappe des Strömungsrichtungsumschaltventils 20 in
die Rückwärtsströmungsstellung
gebracht, dadurch der Strömungsweg
des Abgases von der Maschine 1 zum katalytischen Konverter 30 verlängert und
somit der Abgastemperaturverlust erhöht. Dabei wird die Temperatur
des NOx-Katalysators innerhalb des NOx-Absorptionsfenster geregelt. Hierbei kann
je doch der Fall eintreten, daß die
Temperatur des NOx-Katalysators den Bereich
des NOx-Absorptionsfensters übersteigt.
In einem solchen Fall strömt
Hochtemperatur-Abgas durch den zu stark erwärmten NOx-Katalysator 31 und
wird dadurch nicht gereinigt. Außerdem besteht die Gefahr einer
Beschädigung
des NOx-Katalysators 31.
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Wenn bei der achten Ausführungsform
das Abgas ein mageres Luft/Brennstoff-Verhältnis aufweist (Betreiben der
Maschine 1 bei einem mageren Luft/Brennstoff-Verhältnis) und
die Temperatur des NOx-Katalysators stark über den
Bereich des NOx-Absorptionsfenster (z. B. 500 °C und darüber) ansteigt,
wird die Ventilklappe des Strömungsrichtungsumschaltventils 20 in
Rückwärtsströmungsstellung
gebracht und der Kühler
in Betrieb genommen. Dadurch wird der Abgasströmungsweg von der Maschine 1 zum
katalytischen Konverter 30 verlängert und die Temperatur des
durch den Kühler 43 strömenden Abgases
schneller verringert, so daß das Absenken
der Temperatur des NOx-Katalysators beschleunigt werden kann. Das
führt zur
Stabilisierung der für
die NOx-Desorption erforderlichen Temperatur des
NOx-Katalysators 31.
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Der Kühler 43 kann mit Wasser
oder Kühlluft betrieben
werden, wobei dessen Konfiguration keine besonderen Grenzen gesetzt
sind. Der Kühler 43 hat lediglich
die Funktion, die Temperatur des durch das Abgasrohr 12 strömenden Abgases
herabzusetzen.
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[Neunte Ausführungsform]
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Nachfolgend wird in Verbindung mit
den 32 bis 36 eine neunte Ausführungsform
des Abgasemissionssteuerungssystems für eine Brennkraftmaschine mit
Innenverbrennung gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben.
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32 zeigt
schematisch den Aufbau des Abgasemissionssteuerungssystems gemäß der neunten
Ausführungsform.
Die Brennkraftmaschine 1 ist ein mit einem mageren Gemisch
betriebener Benzinmotor, wobei dessen Zylinder durch das Zuführrohr 2 und
den Verteiler 3 mit Verbrennungsluft versorgt werden. Vom
Brennstoffeinspritzventil 7 wird in den Zuführkanal
jedes Zylinders Brennstoff eingespritzt. Das aus jedem Zylinder
ausgestoßene
Abgas gelangt über
den Abgasverteiler 8 in das Abgasrohr 9. Das Zuführrohr 2 ist
mit einem Drosselventil 4 einschließlich Drosselstellungssensor 5 und
einem Strömungsmengenmeßgerät 6 versehen.
Im Abgasrohr 9 ist ein Abgastemperatursensor 13 angeordnet.
Die Maschine 1 ist mit einem Drehzahlmesser 14 ausgerüstet. Die
vom Drosselstellungssensor 5, vom Strömungsmengenmeßgerät 6,
vom Abgastemperatursensor 13 und vom Drehzahlmesser 14 erzeugten
Signale werden an die ESE 100 gesendet. Auf der Grundlage
der von der ESE 100 erzeugten Signale wird das Brennstoffeinspritzventil 7 gesteuert,
wobei die Konstruktion des Systems dieser Ausführungsform der Konstruktion
des Systems gemäß der ersten Ausführungsform
absolut identisch ist.
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Der einzige Unterschied zwischen
beiden besteht darin, daß bei
der neunten Ausführungsform der
hintere Abschnitt des Abgasrohrs 9 anders konfiguriert
ist, worauf nachfolgend detailliert eingegangen wird. Das hintere
Ende des Abgasrohres 9 ist mit einer Abgasreinigungseinheit 50C verbunden.
Die Abgasreinigungseinheit 50C hat über das Abgasrohr 10 Verbindung
zu Atmosphäre.
Der Grundaufbau der Abgasreinigungseinheit 50C entspricht
dem der Reinigungseinheit 50D der in den 8 bis 11 dargestellten
modifizierten ersten Ausführungsform.
In den 32 bis 36 sind die Komponenten,
welche denen der Abgasreinigungseinheit 50A entsprechen,
mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, so daß hier nur
auf Abweichungen eingegangen wird. Auch bei der neunten Ausführungsform
wird als Abgasreinigungselement der NOx-Katalysator 31 verwendet.
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Die Abgasreinigungseinheit 50C des
Abgasemissionssteuerungssystems gemäß der neunten Ausführungsform
ist mit einem Rohr 52 versehen und in Längsrichtung etwa in dessen
Mitte ein SOx-Absorptionselement 70 angeordnet.
Der NOx-Katalysator 31 und das
SOx-Absorptionselement 70 sind
konzentrisch zueinander in der Abgasreinigungseinheit 50C angeordnet.
Das SOx-Absorptionselement 70 kann
zum Beispiel der NOx-Speicher/-Reduktions-Katalysator
mit SOx-Absorptionsvermögen, der Dreiwege-Katalysator
oder das mit Platin beschichtete Element sein.
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Bei der neunten Ausführungsform
wird als SOx-Absorptionselement 70 der
NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator verwendet.
Dieses SOx-Absorptionselement 70 hat
bei der neunten Ausführungsform
sowohl SOx-Absorptions/Desorptions-Funktion als
auch NOx-Reinigungsfunktion.
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In der ersten Schließstellung
der Ventilklappe 59 der Abgasreinigungseinheit 50C,
gekennzeichnet durch die durchgehende Linie in 36, strömt das Abgas in Vorwärtsrichtung
durch den NOx-Katalysator 31, in
der zweiten Schließstellung,
gekennzeichnet durch die Punkt-Strich-Linie in 36, in Rückwärtsströmungsrichtung durch diesen.
In 32 ist die Ventilklappe 59 in
der Vorwärtsströmungsstellung
dargestellt, so daß das
Abgas aus dem Abgasrohr 9 ins Rohr 52 strömt, die
einzelnen Abschnitte der Abgasreinigungseinheit 50C in
der Reihenfolge SOx-Absorptionselement → Bohrung 57 → NOx-Katalysator 31 → Unterraum 54 → Verbindungsrohr 58 → Bohrung 58 → Rohr 52 passiert
und ins Abgasrohr 10 gelangt.
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In 33 ist
die Ventilklappe 59 in der Rückwärtsströmungsstellung dargestellt,
so daß das
Abgas aus dem Abgasrohr 9 die einzelnen Abschnitte der
Abgasreinigungseinheit
50C in der Reihenfolge SOx-Absorptionselement 70 → Bohrung 56 → Verbindungsrohr 58 → Unterraum 54 → NOx-Katalysator 31 → Unterraum 55 → Bohrung 57 → Rohr 52 passiert und
ins Abgasrohr 10 gelangt.
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Wenn die Ventilklappe 59 in
die Rückwärtsströmungsstellung
gedreht wird, ergibt sich ein längerer
Abgasströmungsweg
zwischen der Maschine und dem NOx-Katalysator 31 als
in der Vorwärtsströmungsstellung.
Demzufolge wird in der erstgenannten Stellung das Abgas mehr abgekühlt und
strömt mit
einer geringeren Temperatur in den NOx-Katalysator 31.
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Wie 34 zeigt,
kann die Ventilklappe 59 der Abgasreinigungseinheit 50C in
Achsrichtung des Rohres 52 auch in eine neutrale Stellung
gedreht werden, in welcher zwischen dem Eingang und dem Ausgang
des NOx-Katalysators 31 kein Druckunterschied
entsteht, so daß das
Abgas auf dem kurzen Weg vom Abgasrohr 9 zum Abgasrohr 10 strömt und nur
unwesentliche Mengen davon durch die in der Wand des Rohres 52 vorhandenen
Bohrungen 56, 57 in den Unterraum 55 des
Verbindungsrohres 58 und von dort ins Abgasrohr 10 gelangen.
Das heißt,
das Abgas strömt
nicht durch den NOx-Katalysator 31.
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Wie bereits bei der Beschreibung
der sechsten Ausführungsform
erwähnt,
besteht eine Beziehung zwischen der NOx-Reinigungsgeschwindigkeit und
der Temperatur des im ringförmigen
Raum 53 angeordneten NOx-Katalysators 31 (NOx-Speicher/-Reduktions-Katalysator), welche in 28 in Diagrammform dargestellt
ist.
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Die bei der neunten Ausführungsform
des Abgasemissionssteuerungssystems von der ESE 100 durchgeführte Steuerung
des Stellungsumschaltens der Ventilklappe 59 wird nachfolgend
beschrieben.
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Wenn die Belastung der Maschine 1 gering und
demzufolge die Temperatur des NOx-Katalysators 31 niedrig
ist (z. B. unter 400 °C)
und das Luft/Brennstoff-Verhältnis
der Maschine im Spitzenbereich mager/fett geregelt wird, steht die
Ventilklappe 59 in der in 32 gezeigten
Vorwärtsströmungsstellung.
In dieser Stellung strömt
das Abgas über den
kurzen Weg von der Maschine zum NOx-Katalysator 31 und
dadurch nur mit geringem Temperaturverlust in diesen. Das führt zur
Stabilisierung der für die
NOx-Absorption und -Desorption geeigneten Temperatur
des NOx-Katalysators 31.
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In dieser Stellung strömt das Abgas
zuerst aber durch das SOx-Absorptionselement 70.
Das im Abgas enthaltene SOx wird im SOx-Absorptionselement 70 absorbiert,
so daß keine
SOx-Vergiftung
des NOx-Katalysators eintreten kann. Das
im Abgas ebenfalls enthaltene NOx wird sowohl
im SOx-Absorptionselement 70 als
auch im NOx-Katalysator 31 absorbiert,
so daß eine
sehr hohe NOx-Reinigungsgeschwindigkeit
zu verzeichnen ist.
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Bei einer relativ hohen Belastung
der Maschine 1 und einer hohen Temperatur des NOx-Katalysators 31 (z. B. über 400°C), welche
ein Verschlechterung der NOx-Reinigungsgeschwindigkeit bewirkt,
wird die Ventilklappe 59 in die in 33 gezeigte Rückwärtsströmungsstellung gebracht und
die Maschine 1 im Spitzenbereich des Luft/Brennstoff-Verhältnisses
mager/fett geregelt. Durch diese Stellungsveränderung der Ventilklappe 59 wird
der Strömungsweg
des Abgases bis in den NOx-Katalysator 31 verlängert und
somit die Temperatur des in den Katalysator strömenden Abgases herabgesetzt. Das
führt zur
Stabilisierung der für
die NOx-Absorption und – Desorption erforderlichen
Temperatur des NOx-Katalysators 31.
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In dieser Stellung strömt das Abgas
ebenfalls erst durch das SOx-Absorptionselement 70 und
danach durch den NOx-Katalysator 31.
Das im Abgas enthaltene SOx wird im SOx-Absorptionselement 70 absorbiert,
so daß keine
SOx-Vergiftung des NOx-Katalysators eintreten
kann. Das im Abgas ebenfalls enthaltene NOx wird
sowohl im SOx-Absorptionselement 70 als
auch im NOx-Katalysator 31 absorbiert, so
daß eine
sehr hohe NOx-Reinigungsgeschwindigkeit
zu verzeichnen ist.
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Wie bereits beschrieben, dient das
Verbindungsrohr 58 als Kühlvorrichtung zum Absenken
der Abgastemperatur. Wenn dieses Verbindungsrohr 58 so
installiert ist, daß dieses
vom Fahrtwind bestrichen wird, kann die Kühlwirkung noch verstärkt werden.
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Beim Starten, beim Beschleunigen
und beim Betreiben der Maschine 1 bei hohen Drehzahlen
und hoher Last und somit bei stöchiometrischem Luft/Brennstoff-Verhältnis wird
die Ventilklappe 59 in die in 34 gezeigte neutrale Stellung gebracht.
In dieser Stellung strömt
das Abgas auf dem kurzen Weg vom Abgasrohr 9 durch das
Rohr 52 ins Abgasrohr 10, aber nicht durch den
NOx-Katalysator 31. Wenn das Abgas
mit stöchiometrischem
Luft/Brennstoff-Verhältnis
eine bestimmte Zeit oder länger durch
das SOx-Absorptionselement 70 strömt, wird sowohl
bei hoher als niedriger Abgastemperatur SOx aus
dem SOx-Absorptionselement 70 desorbiert.
So lange das Abgas das stöchiometrische
Luft/Brennstoff-Verhältnis
aufweist, bleibt die Ventilklappe 59 in der neutralen Stellung,
um eine SOx-Vergiftung des NOx-Katalysators
zu verhindern.
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Das aus dem SOx-Absorptionselement 70 desorbierte
SOx wird zu SO2 reduziert
und strömt
zusammen mit dem Abgas aus dem Abgasrohr in die Atmosphäre.
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Die Abgastemperatur, welche bei der
neunten Ausführungsform
von dem neben dem Flansch 52a der Abgasreinigungseinheit 50C angeordneten Abgastemperatursensor 13 gemessen
wird, dient als Ersatz für
die katalytische Temperatur des NOx-Katalysators.
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[Modifizierte Ausführungsformen
gemäß den 37 bis 41]
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Die 37 bis 41 zeigen schematisch modifizierte
neunte Ausführungsformen
des Abgasemissionssteuerungssystem, bei welchen das Verbindungsrohr 58 der
in den 32 bis 36 dargestellten Abgasreinigungseinheit 50C eliminiert
wurde.
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Auf den Unterschied zwischen der
bei diesen modifizierten neunten Ausführungsformen verwendeten Abgasreinigungseinheit 50D und
der oben beschriebenen Abgasreinigungseinheit 50C wird
nachfolgend näher
eingegangen. Gleiche Komponenten beider Abgasreinigungseinheiten
sind mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und werden deshalb
nicht noch einmal beschrieben. Auch bei diesen modifizierten Ausführungsformen
dient als Abgasreinigungselement der NOx-Katalysator 31.
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Bei dieser Abgasreinigungseinheit 50D ist der
zwischen dem Gehäuse 51 und
dem Rohr 52 vorhandene ringförmige Raum in drei Sektionen
geteilt, in die Sektion 60 neben dem Flansch 52a und
die Sektionen 62 und 63 mit halbkreisförmigem Querschnitt,
welche von der am Gehäuse 51 und
am Rohr 52 befestigten Trennwand gebildet werden und vertikal
voneinander getrennt sind.
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Wie 40 zeigt,
ist der NOx-Katalysator 31 neben
dem Unterraum 60 innerhalb des oberen halbkreisförmigen Unterraums 63 angeordnet.
Zwischen dem hinteren Ende des Katalysators und dem Flansch 52b ist
im Unterraum 63 ein Raum 64 vorhanden, welcher
durch die Bohrung 57 zum Rohr 52 Verbindung hat,
Der untere halbkreisförmige
Unterraum 62 hat durch die Bohrung 56 Verbindung
zum Rohr 52 hat.
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Die positionelle Beziehung zwischen
der Ventilklappe 59 und den Bohrungen 56, 57 und
die beiden Stellungen der Ventilklappe 59 zum Schließen des
Rohres entsprechen denen der Abgasreinigungseinheit 50C.
Wenn bei dieser modifizierten Ausführungsform die in der Abgasreinigungseinheit 50D angeordnete
Ventilklappe 59 in der mit der durchgehenden Linie in 36 gekennzeichneten ersten
Stellung steht, ist der näher
am SOx-Absorptionselement als an der Ventilklappe 59 sich
befindende Abschnitt des Rohres 52 durch die Bohrung 57 mit dem
Unterraum 64, der näher
am Flansch 52 als an der Ventilklappe 59 sich
befindende Abschnitt des Rohres 52 durch die Bohrung 56 mit
dem unteren halbkreisförmigen
Unterraum 62 verbunden. Wenn die Ventilklappe 59 aber
in der mit der Strich-Punkt-Linie in 36 gekennzeichneten
zweiten Stellung (Rückwärtsströmungsstellung)
steht, ist der näher
am SOx-Absorptionselement als an der Ventilklappe 59 sich
befindende Abschnitt des Rohres 52 durch die Bohrung 56 mit
dem unteren halbkreisförmigen
Unterraum 62, der näher
am Flansch 52 als an der Ventilklappe 59 sich
befindende Abschnitt des Rohres 52 durch die Bohrung 57 mit
dem Unterraum 64 verbunden.
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Die 37 bis 39 zeigen die Schnittansicht der
Abgasreinigungseinheit 50D. Bei dem in 37 dargestellten Zustand strömt das Abgas
in Vorwärtsrichtung
durch den NOx-Katalysator 31 und bei dem in 38 dargestellten Zustand
in Rückwärtsrichtung
durch diesen. Bei dem in 39 dargestellten Zustand
steht die Ventilklappe 59 in der neutralen Stellung, so
daß das
Abgas nicht durch den NOx-Katalysator 31,
sondern über
den kurzen Weg vom Abgasrohr 9 zum Abgasrohr 10 strömt. Da die
bei dieser modifizierten Ausführungsform
des Abgasemissionssteuerungssystems verwendete Ab gasreinigungseinheit 50D auf
gleiche Weise wie die bei der neunten Ausführungsform verwendete Abgasreinigungseinheit 50C betrieben
wird, kann auf deren Beschreibung verzichtet werden.
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<Modifizierte Ausführungsform gemäß den 42 bis 44>
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Die 42 bis 44 zeigen eine weitere modifizierte
neunte Ausführungsform
des Abgasemissionssteuerungssystems. Dieses Abgasemissionssteuerungssystem
unterscheidet sich von dem in den 32 bis 36 dargestellten nur in
der Konfiguration des Abgasrohres 9 und der hinter diesem
angeordneten Komponenten, worauf nachfolgend näher eingegangen wird. Auch
bei dieser Ausführungsform
wird als Abgasreinigungselement der NOx-Katalysator 31 verwendet.
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Bei dieser Ausführungsform ist im hinteren Abschnitt
des Abgasrohres 9 ein SOx-Absorptionselement 71 in
Form eines Dreiwege-Katalysators angeordnet, welches eine Trägersubstanz
aus Aluminium mit gutem SOx-Absorptionsvermögen aufweist.
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Das hinter dem SOx-Absorptionselement 71 vorhandene
Teilstück
des Abgasrohres 9 ist an einen Stutzen des mit vier Stutzen
versehenen Strömungsrichtungsumschaltventils 20 angeschlossen.
Das Strömungsrichtungsumschaltventil 20 und
die hinter diesem angeordneten Komponenten sind absolut identisch
mit den bei der ersten Ausführungsform verwendeten
und auch mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, so auf deren
Beschreibung verzichtet wird.
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Bei dieser modifizierten neunten
Ausführungsform
kann die Ventilklappe des Strömungsrichtungsumschaltventils 20 in
drei Stellungen gebracht werden, in die in 42 dargestellte Vorwärtsströmungsstellung, in welcher das
Abgas in Vorwärtsrichtung
durch den NOx-Katalysator 31 strömt, in die in 43 dargestellte Rückwärtsströmungsstellung, in
welcher das Abgas in Rückwärtsrichtung
durch den NOx-Katalysator 31 strömt, und
in die in 44 dargestellte
neutrale Stellung, in welcher das Abgas nicht durch den NOx-Katalysator 31, sondern auf dem kurzen
Weg vom Abgasrohr 9 zum Abgasrohr 10 strömt.
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Bei dieser modifizierten neunten
Ausführungsform
ist in der Rückwärtsströmungsstellung
der Ventilklappe des Strömungsrichtungsumschaltventils 20 der
Strömungsweg
des Abgases bis zum NOx-Katalysator 31 länger als
in dessen Vorwärtsströmungsstellung
und dadurch der Temperaturabfall des Abgases größer.
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Bei dieser modifizierten neunten
Ausführungsform
steuert die ESE 100 das Umstellen der Ventilklappe 59 auf
die nachfolgend beschriebene Weise.
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Wenn die Maschine 1 relativ
wenig belastet wird, die Temperatur des NOx-Katalysators 31 niedrig ist
(z. B. unter 400 °C)
und die Maschine 1 auf der Grundlage der Mager/Fett-Spitzen geregelt
wird, befindet die Ventilklappe des Strömungsrichtungsumschaltventils 20 sich
in der in 42 dargestellten Vorwärtsströmungsstellung.
In dieser Stellung ist der Strömungsweg
des Abgases bis zum NOx-Katalysator 31 kurz
und demzufolge der Temperaturverlust des Abgases gering. Dadurch
kann des NOx-Katalysator 31 auf
einer für
die NOx-Absorption und -Desorption geeigneten
Temperatur gehalten werden.
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In diesem Fall strömt das Abgas
zuerst durch das SOx-Absorptionselement 71,
dann durch den NOx-Katalysator 31 und
wird schließlich
ausgestoßen.
Da das im Abgas enthaltene SOx im SOx-Absorptionselement 71 absorbiert
wird, kann eine SOx-Vergiftung des NOx-Katalysators 31 verhindert werden.
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Wenn die Maschine 1 relativ
stark belastet wird, die Temperatur des NOx-Katalysators
so hoch ist (z. B. über
400°C),
daß die
Abgasreinigungsgeschwindigkeit sich verringert und die Maschine
auf der Grundlage der Mager/Fett-Spitzen geregelt wird, erfolgt
das Umschalten der Ventilklappe des Strömungsrichtungsumschaltventils 20 in
die in 43 dargestellte
Rückwärtsströmungsstellung.
In dieser Stellung ist der Strömungsweg
des Abgases bis zum NOx-Katalysator 31 lang
und demzufolge der Temperaturverlust des Abgases hoch. Dadurch kann
der Temperaturabfall des NOx-Katalysators 31 beschleunigt
und dieser auf einer für
die NOx-Absorption und – Desorption geeigneten Temperatur
gehalten werden.
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Auch in diesem Fall strömt das Abgas
zuerst durch das SOx-Absorptionselement 71, dann
durch den NOx-Katalysator 31 und
wird schließlich
ausgestoßen.
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Wenn die Maschine 1 bei
stöchiometrischem Verhältnis betrieben
wird, wie es bei deren Start, Beschleunigen und bei einer starken
Belastung und hohen Drehzahl derselben der Fall ist, erfolgt das
Umschalten der Ventilklappe des Strömungsrichtungsumschaltventils 20 in
die in 44 dargestellte
neutrale Stellung. In dieser Stellung strömt das Abgas nicht durch den
NOx-Katalysator 31, sondern auf
dem kurzen Weg vom Abgasrohr 9 durch das Rohr 52 ins Abgasrohr 10.
Auch wenn SOx aus dem SOx-Absorptionselement 71 desorbiert
wird, tritt niemals eine SOx-Vergiftung
des NOx-Katalysators 31 ein, denn das
Abgas wird durch die Dreiwegewirkung des SOx-Absorptionselements 71 gereinigt.
In diesem Fall ist das Spülelement
nicht erforderlich.
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Da bei der modifizierten neunten
Ausführungsform
die Möglichkeit
besteht, daß die
Menge des im SOx-Absorptionselement 71 absorbierten
SOx eine bestimmte Größe überschreitet und bei der Regelung
der Maschine im Mager/Fett-Spitzenbe reich auch nur bei kurzzeitigem
Verweilen im fetten Spitzenbereich SOx wieder
aus diesem desorbiert wird, findet ein Regeneriervorgang zum Desorbieren
von SOx aus dem SOx-Absorptionselement 71 statt.
Während
dieses Vorgangs befindet die Ventilklappe des Strömungsrichtungsumschaltventils 20 sich
in der in 44 dargestellten
neutralen Stellung, in welcher das aus dem SOx-Absorptionselement 71 desorbierte SOx nicht in den NOx-Katalysator 31 gelangt.
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Zur Durchführung des Regeneriervorgangs wird
das Luft/Brennstoff-Verhältnis
stöchiometrisch eingestellt
und die Maschine 1 so betrieben, daß über eine bestimmte Zeit die
Abgastemperatur eine bestimmte Größe (z. B. 600°C und darüber) überschreitet.
Die Regenerierung des SOx-Absorptionselements 71 erfolgt
entweder dann, wenn die von der ESE 100 aus der Hysterese
des Betriebszustandes der Maschine 1 ermittelte und integrierte
SOx-Absorptionsmenge des SOx-Absorptionselements 71 eine
bestimmte Größe erreicht
oder wenn ein im Abgasrohr 9 hinter dem SOx-Absorptionselement 71 angeordneter
S-Sensor (SOx-Sensor), zum Erfassen der
SOx-Konzentration des aus dem SOx-Absorptionselement 71 strömenden Abgases
bei der Regelung der Maschine im Mager/Fett-Spitzenbereich während der
fetten Spitze das Erreichen einer vorgegebenen SOx-Desorptionsspitze
feststellt.
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[Zehnte Ausführungsform]
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Nachfolgend wird in Verbindung mit
den 45 und 46 eine zehnte Ausführungsform
des Abgasemissionssteuerungssystems für eine Brennkraftmaschine mit
Innenverbrennung gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben.
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45 zeigt
schematisch den Aufbau der zehnten Ausführungsform des Abgasemissionssteuerungssystems
für eine
Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung. Die Maschine 1 ist
ein Magerverbrennungsbenzinmotor, dessen Zylindern von einem Zuführrohr 2 über einen
Verteiler 3 Verbrennungsluft zugeführt wird. Vom Brennstoffeinspritzventil 7 wird in
den Verbindungskanal zu jedem Zylinder Brennstoff gespritzt. Das
aus den Zylindern ausgestoßene Abgas
gelangt durch den Verteiler 8 ins Abgasrohr 9. Im
Zuführrohr 2 sind
das Drosselventil 4 einschließlich Drosselstellungssensor 5 und
das Luftmengenmeßelement 6 angeordnet.
Die Maschine 1 ist mit einem Drehzahlsensor 14 ausgerüstet. Die
vom Drosselstellungssensor 5, vom Luftmengenmeßelement 6 und
vom Drehzahlmesser 14 erzeugten Signale werden an die ESE 100 gesendet.
Auf der Grundlage der von der ESE 100 erzeugten und an
die Maschine gesendeten Signale wird das Brennstoffeinspritzventil 7 gesteuert.
Der Aufbau ist vollkommen identisch mit dem der ersten Ausführungsform.
Das Abgasrohr 9 (erster Abgaskanal) ist an den ersten Stutzen
des mit vier Stutzen versehenen Strömungsrichtungsumschaltventils
(Strömungsrichtungsschalteinheit) 20 angeschlossen.
An den zweiten Stutzen des Strömungsrichtungsumschaltventils 20 ist
das Abgasrohr 10 (zweiter Abgaskanal) angeschlossen, welches
zur Atmosphäre
Verbindung hat. Diese Anordnung und der Aufbau des Strömungsrichtungsumschaltventils 20 entsprechen
vollständig
denen der ersten Ausführungsform.
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Nachfolgend wird der Unterschied
zwischen der zehnten und der ersten Ausführungsform des Abgasemissionssteuerungssystems
beschrieben.
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Bei der zehnten Ausführungsform
ist an den dritten Stutzen des Strömungsrichtungsumschaltventils 20 das
zum Eingang 30a des katalytischen Konverters 30 führende Abgasrohr
(dritter Abgaskanal) 11 angeschlossen. Der Ausgang 30b des
katalytischen Konverters 30 ist durch ein Abgasrohr 12A mit dem
Eingang 80a eines HC-Adsorptionselements 80 und
der Ausgang 80b des HC-Adsorptionselements 80 durch
ein Abgasrohr 12B mit dem vierten Stutzen des Strömungsrichtungsumschaltventils 20 verbunden.
Bei der zehnten Ausführungsform
bilden die Abgasrohre 12A, 12B den vierten Abgaskanal,
in welchem das HC-Adsorptionselement 80 angeordnet
ist.
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Zum katalytischen Konverter 30 gehört mindestens
ein Katalysator (Abgasreinigungselement) 32 zum Reinigen
des Abgases von Kohlenwasserstoff (HC). Als Katalysator 32 kann
zum Beispiel der NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator
oder der NOx-Katalysator verwendet werden.
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Das HC-Adsorptionselement 80 hat
die Eigenschaft, bei einer vorbestimmten Temperatur oder darunter
Kohlenwasserstoff (HC) zu adsorbieren und bei einer höheren Temperatur
als der vorbestimmten HC zu desorbieren. Das HC-Adsorptionselement 80 kann
eine poröse
Substanz, z. B. Zeolith oder ein anderer Stoff sein.
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Am Abgasrohr 12B ist neben
dem Ausgang 80b des HC-Adsorptionselements 80 ein
Abgastemperatursensor 81 angeordnet, welcher auf der Grundlage
der Temperatur des ins Abgasrohr 12B strömenden Abgases
ein Signal erzeugt und dieses an die ESE 100 sendet.
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Die Ventilklappe des Strömungsrichtungsumschaltventils 20 wird
vom Betätigungselement 21 umgeschaltet.
Das Betätigungselement 21 ist
das gleiche wie das bei der ersten Ausführungsform verwendete und wird
von der ESE 100 gesteuert.
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45 zeigt
die Ventilklappe des bei dieser Ausführungsform verwendeten Strömungsrichtungsumschaltventils 20 in
der Vorwärtsströmungsstellung.
In dieser Ventilklappenstellung durchströmt das Abgas die Komponenten
des Systems in der Reihenfolge Abgasrohr 9 → Abgasrohr 11 → katalytischer Konverter 30 → Abgasrohr 12A → HC-Adsorptionselement 80 → Ab gasrohr 12B → Abgasrohr 10 und
gelangt dann in die Atmosphäre. 46 zeigt die Ventilklappe
in der Rückwärtsströmungsstellung.
In dieser Ventilklappenstellung strömt das Abgas durch die Komponenten
des Systems in der Reihenfolge Abgasrohr 9 → Abgasrohr 12B → HC-Adsorptionselement 80 → Abgasrohr 12A → katalytischer
Konverter 30 → Abgasrohr 11 → Abgasrohr 10 und
gelangt dann in die Atmosphäre.
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Bei der zehnten Ausführungsform
des Abgasemissionssteuerungssystems steuert die ESE 100 das
Umschalten der Ventilklappe de Strömungsrichtungsumschaltventils 20 auf
die nachfolgend beschriebene Weise.
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Es wird angenommen, daß das HC-Adsorptionselement 80 bei
einer Temperatur von 150°C
oder darunter HC adsorbiert und beim Überschreiten von 150°C das in
diesem adsorbierte HC desorbiert. Es wird auch angenommen, daß der Katalysator 32 bei über 200°C als aktive
Temperatur eine bestimmte Reinigungsleistung bringt. Die Abgastemperatur, welche
von dem neben dem Ausgang 80b des HC-Adsorptionselements 80 angeordneten
Abgastemperatursensor 81 erfaßt wird, dient als Ersatz für die Temperatur
des HC-Adsorptionselements 80.
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Wenn, wie beim Starten der Maschine 1,
die Abgastemperatur niedrig ist und vom Abgastemperatursensor 81 weniger
als 150 °C
erfaßt
werden, wird die Ventilklappe des Strömungsrichtungsumschaltventils 20 in
die in 45 dargestellte
Vorwärtsströmungsstellung
gebracht. In dieser Ventilklappenstellung strömt das Abgas zuerst durch den
katalytischen Konverter 30, dann durch das HC-Adsorptionselement 80 und
gelangt schließlich
in die Atmosphäre.
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Zu diesem Zeitpunkt hat der Katalysator 32 des
katalytischen Konverters 30 die aktive Temperatur (200°C) noch nicht
er reicht, so daß das
Abgas kaum gereinigt durch diesen strömt. Wenn das Abgas dann durch
das HC-Adsorptionselement 80 strömt, wird das im Abgas enthaltene
HC von diesem adsorbiert. Bis die vom Abgastemperatursensor 81 erfaßte Temperatur
150°C erreicht,
strömt
das Abgas in dieser Weise durch das System. Selbst wenn der Katalysator 32 die
aktive Temperatur nicht erreicht, wie das beim Starten der Maschine
der Fall ist, wird das im Abgas enthaltene HC nie in die Atmosphäre ausgestoßen.
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Bei dieser Ausführungsform ist das Abgasrohr 12A zwischen
dem katalytischen Konverter 30 und dem HC-Adsorptionselement 80 angeordnet.
Da der katalytische Konverter 30 und das HC-Adsorptionselement 80 selbst
Wärmeaufnahmevermögen haben,
ist die Temperatur des im katalytischen Konverter 30 vorhandenen
Katalysators 32 nicht die gleiche wie die des HC-Adsorptionselements 80,
wenn die Abgastemperatur noch steigt. Beim Strömen des Abgases in Vorwärtsrichtung
wird der Katalysator 32 wärmer als das HC-Adsorptionselement 80.
Wenn das HC-Adsorptionselement 80 dann 150°C erreicht, steigt
aufgrund der Länge
des Abgasrohrs 12A die Temperatur des Katalysators 32 auf
200°C oder mehr.
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Wenn die Abgastemperatur weiter steigt
und vom Abgastemperatursensor 81 mehr als 150°C erfaßt werden,
macht ein Umschalten der Ventilklappe des Emissionsschaltelements 20 in
die in 46 dargestellte
Stellung sich erforderlich und dieses Umschalten wird gesteuert
durchgeführt.
Anzumerken ist, daß das
Reduktionsmittel direkt ins Abgasrohr 9 eingeleitet oder
bei einem Dieselmotor während
eines Expansions- oder
Ausstoßhubs
jedes Zylinders das Reduktionsmittel in einem Untereinspritzvorgang vom
Brennstoffeinspritzventil zugeführt
werden kann.
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Die erste bis neunte Ausführungsform
des Abgasemissionssteuerungssystems haben zum Ziel, SOx aus
dem NOx-Katalysator oder dem SOx-Absorptionselement
zu desorbieren. Zur Durchführung
der SOx-Desorption wird das Luft/Brennstoff-Verhältnis stöchiometrisch
oder fett und die Abgastemperatur hoch eingestellt. Diese Einstellungen
müssen
nicht zwangsläufig
in Abhängigkeit
von der Kategorie der aus dem Abgasreinigungselement zu desorbierenden
Ablagerung durchgeführt
werden. Wenn das Desorbieren der Ablagerung aus dem Abgasreinigungselement
einfach durch Einstellen des stöchiometrischen
oder eines fetten Luft/Brennstoff-Verhältnisses des Abgases möglich ist,
muß die
Abgastemperatur nicht unbedingt erhöht werden. Wenn das Desorbieren
der Ablagerung aus dem Abgasreinigungselement einfach durch Erhöhen der
Abgastemperatur möglich
ist, muß das
Abgas nicht unbedingt auf das stöchiometrische
oder ein fettes Luft/Brennstoff-Verhältnis eingestellt werden.
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Mit dem Abgasemissionssteuerungssystems für eine Brennkraftmaschine
mit Innenverbrennung gemäß der vorliegenden
Erfindung kann die Richtung des durch das Abgasreinigungselement
strömenden
Abgases umgekehrt werden, indem das Verstellelement der Schaltvorrichtung
selektiv in die erste oder die zweite Stellung gebracht wird. Dadurch ergibt
sich eine einfachere Konstruktion des Abgasemissionssteuerungssystems
und somit eine Kostensenkung.
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Beim Abgasemissionssteuerungssystem
für eine
Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung gemäß der vorliegenden Erfindung
ist das Abgasreinigungselement der NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator, und
wenn das vom NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator absorbierte
SOx wieder aus diesem desorbiert werden
soll, wird das Verstellelement der Strömungsrichtungsumschaltvorrichtung
in die Stellung gebracht, welche die bei der NOx-Absorption
benutzte Richtung des durch den NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator
strömenden
Abgases umkehrt. Dadurch kann SOx sehr effektiv
aus dem NOx-Speicher/-Reduktions-Katalysator desorbiert werden.
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Beim Abgasemissionssteuerungssystem
für eine
Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung gemäß der vorliegenden Erfindung
hat das Abgasreinigungselement in Form des NOx-Speicher/Reduktions-Katalysators
ein besseres SOx-Absorptionsvermögen, wenn
dieses zum Absorbieren von NOx in Abgasströmungsrichtung
gesehen nicht an der Eingangsseite, sondern an der Ausgangsseite
des Systems angeordnet ist. Dadurch kann SOx sehr
effektiv aus dem NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator desorbiert
werden.
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Beim Abgasemissionssteuerungssystem
für eine
Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung gemäß der vorliegenden Erfindung
ist bezüglich
der NOx-Absorption in Abgasströmungsrichtung
gesehen vor dem Abgasreinigungselement in Form des NOx-Speicher/Reduktions-Katalysators
ein Heizelement zum Erwärmen
des Eingangsbereichs dieses Katalysators angeordnet. Dadurch kann
die SOx-Desorption aus dem NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator
beschleunigt werden.
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Beim Abgasemissionssteuerungssystem
für eine
Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung gemäß der vorliegenden Erfindung
ist der NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator
das Abgasreinigungselement und das Umschalten des Verstellelements
der Schaltvorrichtung von der ersten in die zweite Stellung oder
umgekehrt erfolgt in Abhängigkeit
vom durchzuführenden
Vorgang, wobei der dritte und der vierte Abgaskanal unterschiedlich
lang ausgeführt sind,
um bei der SOx-Absorption einen kürzeren Strömungsweg
zwischen der Maschine und dem NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator
zu erhalten als bei der NOx-Desorption.
Dadurch kann sowohl die Temperaturerhöhung des NOx-Speicher/Reduktions-Katalysators
als auch die SOx-Desorption aus diesem beschleunigt werden.
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Beim Abgasemissionssteuerungssystems für eine Brennkraftmaschine
mit Innenverbrennung gemäß der vorliegenden
Erfindung ist der NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator
das Abgasreinigungselement und das Spülelement im zweiten Abgaskanal angeordnet.
Wenn beim Umschalten des Verstellelements der Strömungsrichtungsumschaltvorrichtung das
Abgas durch den Bypass und nicht durch das Abgasreinigungselement
strömt,
wird es vom Spülelement
gereinigt und kann in die Atmosphäre ausgestoßen werden.
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Beim Abgasemissionssteuerungssystem
für eine
Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung gemäß der vorliegenden Erfindung
ist der NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator
das Abgasreinigungselement, ein weiterer Katalysator im ersten Abgaskanal
und das Spülelement
im zweiten Abgaskanal angeordnet. Zur Durchführung der SOx-Desorption
wird das Verstellelement der Strömungsrichtungsumschaltvorrichtung
kurzzeitig in eine dritte Stellung gebracht, um den ersten und den
zweiten Stutzen miteinander zu verbinden, und nach Ablauf der vorgegebenen
Zeit in die andere Endstellung gebracht, um die Richtung des durch
den NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator
strömenden
Abgases umzukehren. Wenn bei Beginn der SOx-Desorption
SOx aus dem zusätzlichen Katalysator desorbiert
wird, gelangt dieses nicht in den NOx-Speicher/Reduktionskatalysator,
so daß dieser
der Gefahr einer SOx-Vergiftung nicht ausgesetzt
ist, Das Spülelement
ist in der Lage, das aus dem zusätzlichen
Katalysator desorbierte SOx zu reinigen.
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Wenn der NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator
und das Spülelement
zu einer Einheit zusammengefaßt
sind, so daß zwischen
beiden kein Abgas strömen,
aber ein Wärmeaustausch stattfinden
kann, ist es möglich
ist, das Spülelement
auf einer hohen Temperatur zu gehalten und die Reinigungsleistung zu
verbessern.
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Beim Abgasemissionssteuerungssystem
für eine
Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung gemäß der vorliegenden Erfindung
ist der NOx-Speicher/Reduktionskatalysator
das Abgasreinigungselement und der dritte und der vierte Abgaskanal
sind unterschiedlich lang ausgeführt,
um beim Umschalten des Verstellelements der Strömungsrichtungsumschaltvorrichtung
in die erste oder die zweite Stellung unterschiedlich lange Strömungswege
zwischen der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung und dem NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator zu erhalten. Zum
Desorbieren von SOx aus dem NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator
wird das Verstellelement der Strömungsrichtungstumschaltvorrichtung
in die Stellung gebracht, in welcher das Abgas auf dem kurzen Weg
von der Brennkraftmaschine zum NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator
strömt.
Da das Abgas nun mit einer höheren
Temperatur in den NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator
gelangt, kann das im Katalysator absorbierte SOx effektiver
aus diesem desorbiert werden. Beim Abgasemissionssteuerungssystem
für eine
Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung gemäß der vorliegenden Erfindung
ist der NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator
das Abgasereinigungselement und die Länge des dritten Abgaskanals
unterscheidet sich von der des vierten Abgaskanals. Wenn während der
NOx-Absorption im NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator
dessen Temperatur oder die Abgastemperatur einen bestimmten Wert überschreitet,
wird das Verstellelement der Strömungsrichtungsumschaltvorrichtung
in die Stellung gebracht, in welcher das Abgas auf dem längeren Weg
von der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung zum NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator strömt, wird
während
der NOx-Absorption diese Temperatur unterschritten,
erfolgt das Umschalten der Strömungsrichtungsumschaltvorrichtung
in die andere Stellung, um den Strömungsweg des Abgases von der
Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung zum NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator
zu verkürzen. Dadurch
kann der NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator in dem
für die
NOx-Absorption geeigneten Temperaturbereich
gehalten und die NOx-Reinigungsgeschwindigkeit
erhöht
werden.
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Beim Abgasemissionssteuerungssystem
für eine
Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung gemäß der vorliegenden Erfindung
ist der NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator
das Abgasreinigungselement und die Länge des dritten Abgaskanals
unterscheidet sich von der des vierten Abgaskanals, um in der ersten
Stellung der Strömungsrichtungsumschaltvorrichtung
einen anderen Strömungsweg
zwischen der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung und dem Abgasreinigungselement
als in deren zweiten Stellung zu erhalten. Das Spülelement
ist im zweiten Abgaskanal angeordnet und das Verstellelement der
Strömungsrichtungsumschaltvorrichtung kann
in eine dritte Stellung geschaltet werden, um deren ersten Anschlußstutzen
mit deren zweiten zu verbinden. Wenn die Abgastemperatur oder die
Temperatur des NOx-Speicher/Reduktions-Katalysators den
für die
NOx-Absorption günstigen Bereich überschreitet,
wird das Verstellelement der Strömungsrichtungsumschaltvorrichtung
in die dritte Stellung geschaltet. Dadurch kann das heiße Abgas
nicht durch den NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator, sondern
auf dem kurzen Weg vom ersten Abgaskanal zum zweiten Abgaskanal
strömen
und eine Beschädigung
des NOx-Speicher/Reduktions-Katalysators
durch zu hohe Temperatur verhindert werden.
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Beim Abgasemissionssteuerungssystem
für eine
Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung gemäß der vorliegenden Erfindung
ist die Kühlvorrichtung
zum Kühlen
des Abgases entweder im dritten oder im vierten Abgaskanal angeordnet
und verlängert
den Abgasströmungsweg
zwischen der Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung und dem NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator. Dadurch kann
der NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator
sicherer innerhalb des für
die NOx-Absorption günstigen Temperaturbereichs
gehalten werden.
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Beim Abgasemissionssteuerungssystem
für eine
Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung gemäß der vorliegenden Erfindung
ist der NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator
das Abgasreinigungselement und im dritten Abgaskanal das SOx-Absorptionselement angeordnet, welches
bei einem mageren Luft/Brennstoff-Verhältnis des in dieses strömenden Abgases
SOx absorbiert und bei sinkendem Sauerstoffgehalt
des Abgases das im SOx-Absorptionselement
absorbierte SOx wieder aus diesem desorbiert. Das
Verstellelement der Strömungsrichtungsumschaltvorrichtung
kann in die dritte Stellung geschaltet werden, um deren ersten Anschlußstutzen
mit deren zweiten zu verbinden, und das erfolgt dann, wenn die Brennkraftmaschine
mit Innenverbrennung kontinuierlich bei stöchiometrischem Luft/Brennstoff-Verhältnis betrieben
wird. Wenn in diesem Fall das Abgas mit stöchiometrischem Luft/Brennstoff-Verhältnis in
das SOx-Absorptionselement strömt und aus
diesem SOx desorbiert wird, kann das desorbierte
SOx nicht in den NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator gelangen
und dadurch eine SOx-Vergiftung des Katalysators
verhindert werden. Wenn das SOx-Absorptionselement
und der NOx-Speicher/Re-duktions-Katalysator konzentrisch
zueinander angeordnet werden, besteht die Möglichkeit, das Abgasemissionssteuerungssystem
kompakt auszuführen.
Beim Abgasemissionssteuerungssystem für eine Brennkraftmaschine mit
Innenverbrennung gemäß der vorliegenden
Erfindung ist der NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator
das Abgasreinigungselement und im ersten Abgaskanal ein Dreiwege-Kataly-sator
mit SOx-Absorptionsvermögen angeordnet. Das Verstellelement
der Strömungsrichtungsumschaltvorrichtung
kann in die dritte Stellung geschaltet werden, um deren ersten Anschlußstutzen
mit deren zweiten Anschluß stutzen
zu verbinden, und das erfolgt dann, wenn die Brennkraftmaschine
mit Innenverbrennung kontinuierlich bei stöchiometrischem Luft/Brennstoff-Verhältnis betrieben
wird. Wenn in diesem Fall das Abgas mit stöchiometrischem Luft/-Brennstoff-Vehältnis in
den Dreiwege-Katalysator strömt und
aus diesem SOx desorbiert wird, kann das
desorbierte SOx nicht in den NOx-Speicher/Reduktions-Katalysator
gelangen und dadurch eine SOx-Vergiftung des
Katalysators verhindert werden.
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Beim Abgasemissionssteuerungssystem
für eine
Brennkraftmaschine mit Innenverbrennung gemäß der vorliegenden Erfindung
ist das Abgasreinigungselement der Katalysator und entweder im dritten
oder im vierten Abgaskanal ein HC-Adsorptionselement zum Adsorbieren
des im Abgas enthaltenen Kohlenwasserstoffs angeordnet. Wenn die
Abgastemperatur oder die Temperatur des HC-Adsorptionselements in
dem für
die HC-Adsorption geeigneten Bereich liegt, wird das Verstellelement
der Strömungsrichtungsumschaltvorrichtung
in die Stellung umgeschaltet, in welcher in Abgasströmungsrichtung gesehen
der Katalysator sich vor dem HC-Adsorptionselement befindet, wenn
die Abgastemperatur oder die Temperatur des HC-Adsorptionselements aber
in den Bereich gelangt, in welchem Kohlenwasserstoff aus dem HC-Adsorptionselement
desorbiert wird, erfolgt das Umschalten des Verstellelements der
Strömungsrichtungsumschaltvorrichtung
in die Stellung, in welcher in Abgasströmungsrichtung gesehen das HC-Adsorptionselement
sich vor dem Katalysator befindet. In diesem Fall kann selbst bei
einer niedrigen Abgastemperatur kein HC ausgestoßen werden. Die Merkmale und
Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der Beschreibung zu
erkennen und in den beiliegenden Ansprüchen verankert. Die für einen
Spezialisten erkennbaren möglichen
Modifikationen und Veränderungen
sind jedoch zum Geltungsbereich dieser Ansprüche gehörend anzusehen.