ES2299887T3 - Dispositivo de purificacion de los gases de escape de un motor de combustion interna de ignicion por compresion. - Google Patents
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Abstract
Un dispositivo de purificación de los gases de escape para un motor de combustión interna de tipo ignición por compresión, que comprende medios (3) de adición de combustible para añadir combustible en partículas al gas de escape, un catalizador (11) de oxidación dispuesto en un paso (52) de escape del motor corriente abajo de los medios (3) de adición de combustible para oxidar los hidrocarburos contenidos en el gas de escape, y un catalizador (12) de almacenamiento de NO X dispuesto en el paso (13) de escape del motor corriente abajo del catalizador de oxidación para almacenar el NO X contenido en el gas de escape cuando la relación aire-combustible del gas de escape que fluye en él es pobre y liberar el NOX almacenado cuando la relación aire-combustible en el gas de escape que fluye en él se hace la relación aire-combustible estequiométrica o rica, en el que se añade combustible (53) en partículas desde los medios de adición de combustible cuando se hace rica la relación aire-combustible del gas de escape que fluye hacia el interior del catalizador (12) de almacenamiento de NO X para hacer que el catalizador de almacenamiento de NO X libere NOX, caracterizado porque el catalizador de oxidación es un catalizador (11) de adsorción y oxidación de HC para adsorber y oxidar los hidrocarburos contenidos en el gas de escape, la cantidad de adición de combustible (53) en partículas añadido desde los medios de adición del combustible se ajusta a una cantidad por la cual la relación airecombustible del gas de escape que fluye hacia el interior del catalizador (11) de adsorción y oxidación de HC llega a ser una relación aire-combustible rica, más pequeña que la relación aire-combustible rica cuando fluye hacia el interior del catalizador (12) de almacenamiento de NO X, y después de que el combustible (53) en partículas añadido es adsorbido en el catalizador (11) de adsorción y oxidación de HC, la mayoría del combustible adsorbido es oxidado en el catalizador (11) de adsorción y oxidación de HC y la relación aire-combustible del gas de escape que fluye hacia el interior del catalizador (12) de almacenamiento de NOX se hace rica a lo largo de un periodo más largo que cuando la relación aire-combustible del gas de escape que fluye hacia el interior del catalizador (11) de adsorción y oxidación de HC se hace rica.
Description
Dispositivo de purificación de los gases de
escape de un motor de combustión interna de ignición por
compresión.
La presente invención se refiere a un
dispositivo de purificación de los gases de escape de un motor de
combustión interna de tipo ignición por compresión.
Se conoce en la técnica un motor de combustión
interna que tiene dispuesto en un paso de escape del motor un
catalizador de almacenamiento de NO_{X} que almacena el NO_{X}
contenido en el gas de escape cuando la relación
aire-combustible del gas de escape que fluye en él
es pobre en combustible, y libera el NO_{X} almacenado cuando la
concentración de oxígeno en el gas de escape que fluye en él
disminuye. En este motor de combustión interna, el NO_{X}
producido cuando se quema combustible bajo una relación
aire-combustible pobre es almacenado en el
catalizador de almacena- miento de NO_{X}.
Sin embargo, cuando se usa tal catalizador de
almacenamiento de NO_{X}, es necesario hacer que el catalizador
de almacenamiento de NO_{X} libere el NO_{X} antes de que la
capacidad de almacenamiento de NO_{X} del catalizador de
almacenamiento de NO_{X} se llegue a saturar. En este caso, si se
hace rica la relación aire-combustible del gas de
escape que fluye hacia el interior del catalizador de almacenamiento
de NO_{X}, es posible hacer que el catalizador de almacenamiento
de NO_{X} libere el NO_{X} y reducir el NO_{X} liberado. Por
lo tanto, en los motores de combustión interna convencionales, se
hace que el catalizador de almacenamiento de NO_{X} libere
NO_{X} haciendo rica la relación aire-combustible
en la cámara de combustión o alimentando combustible en el paso de
escape del motor corriente arriba del catalizador de almacenamiento
de NO_{X} para hacer rica la relación
aire-combustible del gas de escape que fluye hacia
el interior del catalizador de almacenamiento de NO_{X}.
Sin embargo, para hacer que un catalizador de
almacenamiento de NO_{X} libere NO_{X} bien, tiene que hacerse
que un gas de escape de relación aire-combustible
rica suficientemente gasificado fluya hacia el interior del
catalizador de almacenamiento de NO_{X}. En este caso, si se hace
rica la relación aire-combustible en la cámara de
combustión, el gas de escape de relación
aire-combustible rica suficientemente gasificado
fluye hacia el interior del catalizador de almacenamiento de
NO_{X}, con lo que es posible hacer que el catalizador de
almacenamiento de NO_{X} libere el NO_{X} bien. Sin embargo, si
se hace rica la mezcla aire-combustible en la
cámara de combustión, existe el problema de que se produce una gran
cantidad de hollín. Además, si se inyecta combustible adicional en
la carrera de expansión o la carrera de escape para hacer rica la
relación aire-combustible del gas de escape emitido
de la cámara de combustión, el combustible inyectado se pega a las
paredes interiores del ánima del cilindro, es decir, se produce una
inundación del ánima.
A diferencia de esto, cuando se inyecta
combustible en el paso de escape del motor corriente arriba de un
catalizador de almacenamiento de NO_{X}, ya no surgen los
problemas explicados anteriormente de que se produzca hollín o
tenga lugar una inundación del ánima. Sin embargo, cuando se inyecta
combustible en el paso de escape del motor corriente arriba del
catalizador de almacenamiento de NO_{X}, existe el problema de que
el combustible inyectado no es suficientemente gasificado y por lo
tanto no se puede hacer que el catalizador de almacenamiento de
NO_{X} libere NO_{X} bien.
Por otra parte, se conoce en la técnica un motor
de combustión interna que dispone de un catalizador de adsorción de
hidrocarburos, esto es, HC, para adsorber los HC contenidos en el
gas de escape, en el paso de escape del motor, corriente arriba del
catalizador de almacenamiento de NO_{X} (véase la publicación de
Patente Japonesa no examinada (Kokai) Nº
2003-97255). En este motor de combustión interna,
los HC producidos cuando se quema combustible bajo una relación
aire-combustible pobre son adsorbidos por el
catalizador de adsorción de HC y el NO_{X} producido en ese
momento es almacenado en el catalizador de almacenamiento de
NO_{X}.
Sin embargo, en este motor de combustión
interna, cuando la temperatura del catalizador de adsorción de HC
se acerca a la temperatura de activación, esto es, cerca de 200ºC,
la reacción de oxidación de los HC adsorbidos se hace activa y como
resultado el oxígeno en el gas de escape es consumido rápidamente,
con lo que la concentración de oxígeno en el gas de escape
disminuye rápidamente. Por lo tanto, en este momento, si se
suministra adicionalmente una pequeña cantidad de combustible, es
posible hacer rica la relación aire-combustible del
gas de escape. Por lo tanto, en este motor de combustión interna,
se detecta si se ha consumido una cantidad suficiente de oxígeno en
el catalizador de adsorción de HC, y se hace rica la relación
aire-combustible del gas de escape cuando está
siendo consumida una cantidad suficiente de oxígeno en el
catalizador de adsorción de HC para hacer que el catalizador de
almacenamiento de NO_{X} libere NO_{X}.
Sin embargo, en este motor de combustión
interna, la relación aire-combustible en la cámara
de combustión se hace rica. No se inyecta combustible en el paso de
escape del motor. Por lo tanto, surge el problema anterior. Además,
en este motor de combustión interna, el periodo en el que la
temperatura del catalizador de adsorción de HC se acerca a la
temperatura de activación, esto es, el periodo en que es consumida
una cantidad suficiente de oxígeno en el catalizador de adsorción
de HC, es limitado, con lo que la temperatura del catalizador de
adsorción de HC no llegará a la temperatura de activación en el
periodo requerido visto desde la acción del catalizador de
almacenamiento de NO_{X} que libera el NO_{X}, y por
consiguiente existe el problema de que el catalizador de
almacenamiento de NO_{X} no puede liberar NO_{X} cuando el
catalizador de almacenamiento de NO_{X} tiene que liberar el
NO_{X}.
El documento US 2003/0101713 A1 describe
sistemas y métodos para mejorar el rendimiento y el control de
emisiones de motores de combustión interna equipados con sistemas
de control de emisiones por almacenamiento y reducción de óxidos
naturales ("NSR"). El sistema comprende un catalizador NSR, un
procesador de combustible localizado corriente arriba del
catalizador NSR, y al menos un orificio de inyección de
combustible.
Un objeto de la presente invención es
proporcionar un dispositivo de purificación de los gases de escape
de un motor de combustión interna de tipo ignición por compresión
diseñado para permitir que un catalizador de almacenamiento de
NO_{X} libere NO_{X} bien incluso cuando se alimenta combustible
en el paso de escape del motor corriente arriba del catalizador de
almacenamiento de NO_{X} para hacer que el catalizador de
almacenamiento de NO_{X} libere NO_{X}.
Para conseguir el objeto anterior, según la
presente invención, se hace una provisión de medios de adición de
combustible para añadir combustible en partículas en el gas de
escape, un catalizador de adsorción y oxidación de HC dispuesto en
un paso de escape del motor corriente abajo de los medios de adición
de combustible para adsorber y oxidar los hidrocarburos contenidos
en el gas de escape, y un catalizador de almacenamiento de NO_{X}
dispuesto en el paso de escape del motor corriente abajo del
catalizador de adsorción y oxidación de HC para almacenar el
NO_{X} contenido en el gas de escape cuando la relación
aire-combustible del gas de escape que fluye en él
es pobre y liberar el NO_{X} almacenado cuando la relación
aire-combustible del gas de escape que fluye en él
llega a ser la relación aire-combustible
estequiométrica o rica, se añade combustible en partículas desde
los medios de adición de combustible cuando se hace rica la relación
aire-combustible del gas de escape que fluye hacia
el interior del catalizador de almacenamiento de NO_{X} para hacer
que el catalizador de almacenamiento de NO_{X} libere
NO_{X}.
El dispositivo de purificación de los gases de
escape se caracteriza en que el catalizador de oxidación es un
catalizador de adsorción y oxidación de HC para adsorber y oxidar
los hidrocarburos contenidos en el gas de escape, la cantidad de
adición de combustible en partículas en este momento se ajusta a una
cantidad por la cual la relación aire-combustible
del gas de escape que fluye hacia el interior del catalizador de
adsorción y oxidación de HC llega a ser una relación
aire-combustible rica, más pequeña que la relación
de aire-combustible rica cuando fluye hacia el
interior del catalizador de almacenamiento de NO_{X}, y después de
añadido el combustible en partículas es adsorbido en el catalizador
de adsorción y oxidación de HC, y la mayoría del combustible
adsorbido es oxidado en el catalizador de adsorción y oxidación de
HC y la relación aire-combustible del gas de escape
que fluye hacia el interior del catalizador de almacenamiento de
NO_{X} se hace rica a lo largo de un periodo de tiempo más largo
que cuando la relación aire-combustible del gas de
escape que fluye hacia el interior del catalizador de adsorción y
oxidación de HC se hace rica. Las realizaciones preferidas del
dispositivo de purificación de los gases de escape se describen y
reivindican en las subreivindicaciones 1-16.
La Fig. 1 es una vista general de un motor de
combustión interna de tipo ignición por compresión.
La Fig. 2 es una vista general de otra
realización de un motor de combustión interna de tipo ignición por
compresión.
La Fig. 3 da vistas de la estructura de un
filtro de partículas.
La Fig. 4 es una vista en sección de una parte
superficial de un soporte catalítico de un catalizador de
almacenamiento de NO_{X}.
La Fig. 5 es una vista en sección lateral de un
catalizador de adsorción y oxidación de HC.
La Fig. 6 es una vista en sección de una parte
superficial de un soporte catalítico de un catalizador de adsorción
y oxidación de HC.
La Fig. 7 es una vista de una cantidad de
adsorción de combustible.
La Fig. 8 es una vista del cambio en la relación
aire-combustible del gas de escape.
La Fig. 9 es una vista de la relación entre un
tiempo de adición de combustible y una relación
aire-combustible A/C del gas de escape, un aumento
de temperatura \DeltaT, una cantidad G de HC emitido, y un tiempo
rico.
La Fig. 10 es una vista del cambio en la
relación aire-combustible del gas de escape.
La Fig. 11 es una vista de una cantidad de
adición de combustible.
La Fig. 12 es una vista del control de
liberación de NO_{X}.
La Fig. 13 es una vista de un mapa etc. de una
cantidad de NO_{X} almacenada NOXA.
La Fig. 14 es un diagrama de flujo del proceso
de purificación del gas de escape.
La Fig. 15 es un diagrama de flujo del proceso
de adición de combustible.
La Fig. 16 es un diagrama de flujo del proceso
de adición de combustible.
La Fig. 17 es un diagrama de flujo del proceso
de adición de combustible.
La Fig. 1 muestra una vista general de un motor
de combustión interna de tipo ignición por compresión.
Haciendo referencia a la Fig. 1, 1 indica un
cuerpo de motor, 2 una cámara de combustión de cada cilindro, 3 un
inyector de combustible controlado electrónicamente para inyectar
combustible en cada cámara 2 de combustión, 4 un colector de
admisión, y 5 un colector de escape. El colector 4 de admisión está
conectado mediante un conducto 6 de admisión a una salida de un
compresor 7a de un turbocargador 7 de escape. La entrada del
compresor 7a está conectada a un limpiador 8 de aire. Dentro del
conducto 6 de admisión está dispuesta una válvula 9 de mariposa
accionada por un motor de etapas. Además, alrededor del conducto 6
de admisión está dispuesto un dispositivo 10 de enfriamiento para
enfriar el aire de admisión que fluye a través del interior del
conducto 6 de admisión. En la realización mostrada en la Fig. 1, el
agua de enfriamiento del motor es guiada hacia el dispositivo 10 de
enfriamiento. El agua de enfriamiento del motor enfría el aire de
admisión. Por otra parte, el colector 5 de escape está conectado a
una entrada de una turbina 7b de escape del turbocargador 7 de
escape, mientras que la salida de la turbina 7b de escape está
conectada a una entrada de un catalizador 11 de adsorción y
oxidación de HC. Además, la salida del catalizador 11 de adsorción y
oxidación de HC está conectada mediante un tubo 13 de escape a un
catalizador 12 de almacenamiento de NO_{X}. El colector 5 de
escape está provisto de una válvula 14 de adición de combustible
para añadir combustible en estado de vapor, esto es, en estado de
partículas, al gas de escape. En esta realización de la presente
invención, este combustible es gasóleo diésel.
El colector 5 de escape y el colector 4 de
admisión están interconectados mediante un paso 15 de recirculación
del gas de escape (de aquí en adelante referida como "EGR"). El
paso 15 de EGR está provisto de una válvula 16 de control de EGR
controlada electrónicamente. Además, alrededor del paso 15 de EGR
está dispuesto un dispositivo 17 de enfriamiento para enfriar el
gas de EGR que fluye a través del interior del paso 15 de EGR. En la
realización mostrada en la Fig. 1, el agua de enfriamiento del
motor es guiada hacia el dispositivo 17 de enfriamiento. El agua de
enfriamiento del motor enfría el gas de EGR. Por otra parte, cada
inyector 3 de combustible está conectado mediante un tubo 18 de
alimentación de combustible a un riel 19 común ("common rail").
Este riel 19 común es suministrado con combustible desde una bomba
20 de combustible de descarga variable controlada electrónicamente.
El combustible suministrado al riel 19 común es suministrado
mediante cada tubo 18 de alimentación de combustible al inyector 3
de combustible.
Una unidad 30 de control electrónico está
comprendida de un computador digital provisto de una ROM (memoria
de sólo lectura) 32, una RAM (memoria de acceso aleatorio) 33, una
CPU (microprocesador) 34, un puerto 35 de entrada, y un puerto 36
de salida, todos conectados unos a otros por un bus 31
bidireccional. La entrada del catalizador 11 de adsorción y
oxidación de HC está provista de un sensor 21 de temperatura para
detectar la temperatura del gas de escape que fluye hacia el
interior del catalizador 11 de adsorción y oxidación de HC,
mientras que el paso 13 de escape está provisto de un sensor 22 de
temperatura para detectar la temperatura del gas de escape que
fluye hacia fuera del catalizador 11 de adsorción y oxidación de HC.
Las señales de salida de los sensores 21 y 22 de temperatura son
introducidas en el puerto 35 de entrada mediante los
correspondientes convertidores 37 AD (analógico a digital). Además,
el catalizador 12 de almacenamiento de NO_{X} está provisto de
un sensor 23 de presión diferencial para detectar la presión
diferencial antes y después del catalizador 12 de almacenamiento de
NO_{X}. La señal de salida del sensor 23 de presión diferencial es
introducida en el puerto 35 de entrada mediante el correspondiente
convertidor 37 AD.
Un pedal 40 del acelerador tiene un sensor 41 de
carga que genera un voltaje de salida proporcional a la cantidad de
presión L ejercida sobre el pedal 40 del acelerador conectado a él.
El voltaje de salida del sensor 41 de carga es introducido en el
puerto 35 de entrada mediante un correspondiente convertidor 37 AD.
Además, el puerto 35 de entrada tiene un sensor 42 de ángulo de
calado que genera un pulso de salida cada vez que el cigüeñal gira,
por ejemplo en 15 grados, conectado a él. Por otra parte, el puerto
36 de salida está conectado mediante los correspondientes circuitos
38 de accionamiento a los inyectores 3 de combustible, el motor de
etapas de la válvula 9 de mariposa, la válvula 14 de adición de
combustible, la válvula 16 de control de EGR y la bomba 20 de
combustible.
La Fig. 2 muestra otra realización de un motor
de combustión interna de tipo ignición por compresión. En esta
realización, el catalizador 11 de adsorción y oxidación de HC está
provisto de un sensor 25 de temperatura para detectar la
temperatura del catalizador 11 de adsorción y oxidación de HC,
mientras que el paso 24 de escape conectado a la salida del
catalizador 12 de almacenamiento de NO_{X} está provisto en su
interior de un sensor 26 de relación
aire-combustible para detectar la relación
aire-combustible del gas de escape.
Primero, explicando el catalizador 12 de
almacenamiento de NO_{X} mostrado en la Fig. 1 y la Fig. 2, el
catalizador 12 de almacenamiento de NO_{X} está soportado sobre un
soporte monolítico o soportes granulares de una estructura de malla
tridimensional, o está soportado en un filtro de partículas de
estructura en forma de panal de miel. De esta manera, el
catalizador 12 de almacenamiento de NO_{X} puede estar soportado
en diversos tipos de soportes, pero a continuación, se dará la
explicación del caso de soportar el catalizador 12 de
almacenamiento de NO_{X} en un filtro de partículas.
Las Figs. 3(A) y (B) muestran la
estructura del filtro 12a de partículas que soporta el catalizador
12 de almacenamiento de NO_{X}. Nótese que la Fig. 3(A) es
una vista frontal del filtro 12a de partículas, mientras que la
Fig. 3(B) es una vista en sección lateral del filtro 12a de
partículas. Como se muestra en las Figs. 3(A) y (B), el
filtro 12a de partículas forma una estructura en forma de panal de
miel y está provisto de una pluralidad de pasos 60 y 61 de flujo de
escape que se extienden en paralelo unos con otros. Estos pasos de
flujo de escape están comprendidos de pasos 60 de flujo de entrada
de gas de escape con extremos corriente abajo sellados por los
tapones 62, y pasos 61 de flujo de salida de gas de escape con
extremos corriente arriba sellados por los tapones 63. Nótese que
las partes rayadas en la Fig. 3(A) muestran los tapones 63.
Por lo tanto, los pasos 60 de flujo de entrada de gas de escape y
los pasos 61 de flujo de salida de gas de escape están dispuestos
de manera alterna a través de tabiques 64 de finas paredes. En otras
palabras, los pasos 60 de flujo de entrada de gas de escape y los
pasos 61 de flujo de salida de gas de escape están dispuestos de
tal modo que cada paso 60 de flujo de entrada de gas de escape está
rodeado por cuatro pasos 61 de flujo de salida de gas de escape, y
cada paso 61 de flujo de salida de gas de escape está rodeado por
cuatro pasos 60 de flujo de entrada de gas de escape.
El filtro 12a de partículas está formado a
partir de un material poroso tal como, por ejemplo, cordierita. Por
lo tanto, el gas de escape que fluye hacia los pasos 60 de flujo de
entrada de gas de escape fluye hacia los pasos 61 de flujo de
salida de gas de escape adyacentes a través de los tabiques 64
circundantes, como muestran las flechas en la Fig. 3(B).
Cuando el catalizador 12 de almacenamiento de
NO_{X} está soportado en el filtro 12a de partículas de esta
manera, las paredes periféricas de los pasos 60 de flujo de entrada
de gas de escape y de los pasos 61 de flujo de salida de gas de
escape, esto es, las superficies de las dos caras de los tabiques 64
y las paredes interiores de los finos agujeros de los tabiques 64,
llevan un soporte catalítico comprendido de alúmina. Las Figs.
4(A) y (B) muestran de manera esquemática la sección
transversal de la parte superficial de este soporte 45 catalítico.
Como se muestra en las Figs. 4(A) y (B), el soporte 45
catalítico lleva un catalizador 46 de metal precioso difundido en
su superficie. Además, el soporte 45 catalítico está formado con una
capa de un absorbente 47 de NO_{X} en su superficie.
En esta realización de la presente invención, se
usa platino, Pt, como catalizador 46 de metal precioso. Como
ingrediente que forma el absorbente 47 de NO_{X}, por ejemplo, se
puede usar al menos un elemento seleccionado entre potasio, K,
sodio, Na, cesio, Cs, u otro metal alcalino, bario, Ba, calcio, Ca,
u otro metal alcalinotérreo, lantano, La, ytrio, Y, u otra tierra
rara.
Si la relación del aire y el combustible
(hidrocarburos) suministrados al paso de admisión del motor, las
cámaras 2 de combustión, y el paso de escape corriente arriba del
catalizador 12 de almacenamiento de NO_{X} es referida como la
"relación aire-combustible del gas de escape",
el absorbente 47 de NO_{X} realiza una acción de absorción y
liberación de NO_{X}, de almacenar el NO_{X} cuando la relación
aire-combustible del gas de escape es pobre y
liberar el NO_{X} almacenado cuando la concentración de oxígeno en
el gas de escape disminuye.
Esto es, si se explica esto tomando como ejemplo
el caso de usar bario, Ba, como el ingrediente que forma el
absorbente 47 de NO_{X}, cuando la relación
aire-combustible del gas de escape es pobre, esto
es, cuando la concentración de oxígeno en el gas de escape es alta,
el NO contenido en el gas de escape es oxidado en el platino, Pt,
46 tal como se muestra en la Fig. 4(A) para convertirse en
NO_{X}, después es absorbido en el absorbente 47 de NO_{X} y se
difunde en el absorbente 47 de NO_{X} en la forma de iones del
ácido nítrico, NO_{3}^{-}, a la vez que se unen con el óxido de
bario BaO. De esta manera, el NO_{X} es absorbido en el
absorbente 47 de NO_{X}. Mientras la concentración de oxígeno en
el gas de escape sea alta, se produce NO_{2} en la superficie del
platino, Pt, 46. Mientras la capacidad de absorción de NO_{X} del
absorbente 47 de NO_{X} no se sature, el NO_{2} es absorbido en
el absorbente 47 de NO_{X} y se producen iones del ácido nítrico,
NO_{3}^{-}.
A diferencia de esto, haciendo la relación
aire-combustible del gas de escape rica o la
relación aire-combustible estequiométrica, dado que
la concentración de oxígeno en el gas de escape disminuye, la
reacción tiene lugar en la dirección inversa (NO_{3}^{-}
\rightarrow NO_{2}) y por lo tanto, como se muestra en la Fig.
4(B), los iones del ácido nítrico NO_{3}^{-} en el
absorbente 47 de NO_{X} son liberados desde el absorbente 47 de
NO_{X} en la forma de NO_{2}. Después, el NO_{X} liberado es
reducido por los hidrocarburos no quemados o el CO incluidos en el
gas de escape.
De esta manera, cuando la relación
aire-combustible del gas de escape es pobre, esto
es, cuando se quema combustible bajo una relación
aire-combustible pobre, el NO_{X} en el gas de
escape es absorbido en el absorbente 47 de NO_{X}. Sin embargo,
si se continúa quemando combustible bajo una relación
aire-combustible pobre, durante ese tiempo la
capacidad absorbente de NO_{X} del absorbente 47 de NO_{X}
acabará por saturarse, y por lo tanto el NO_{X} acabará por no
poder ser absorbido ya por el absorbente 47 de NO_{X}. Por lo
tanto, en esta realización, de acuerdo con la presente invención,
antes de que la capacidad absorbente de NO_{X} del absorbente 47
de NO_{X} se llegue a saturar, se suministra un agente reductor
desde la válvula 14 de suministro de agente reductor, para hacer
temporalmente rica la relación aire-combustible del
gas de escape y de este modo liberar el NO_{X} del absorbente 47
de NO_{X}.
Ahora, como se explicó anteriormente, si se
añade combustible desde la válvula 14 de adición de combustible
para hacer rica la relación aire-combustible del gas
de escape, el absorbente 47 de NO_{X} libera NO_{X} y el
NO_{X} liberado es reducido por los HC no quemados y el CO
contenidos en el gas de escape. En este caso, si el combustible
añadido está en estado líquido, teóricamente incluso si la relación
aire-combustible del gas de escape se hace rica, el
absorbente 47 de NO_{X} no liberará NO_{X}. Además, cuando el
combustible está en estado líquido, el NO_{X} no será reducido.
Esto es, para hacer que el absorbente 47 de NO_{X} libere
NO_{X} y reducir el NO_{X} liberado, es necesario hacer rica la
relación aire-combustible de los ingredientes
gaseosos en el gas de escape que fluye hacia el interior del
catalizador 12 de almacenamiento de NO_{X}.
En la presente invención, el combustible añadido
desde la válvula 14 de adición de combustible está en estado de
partículas. Parte del combustible se hace gaseoso, pero la mayoría
está en estado líquido. En la presente invención, incluso si la
mayoría del combustible añadido está en estado líquido, el
catalizador 11 de adsorción y oxidación de HC está dispuesto
corriente arriba del catalizador 12 de almacenamiento de NO_{X}
de tal modo que el combustible que fluye hacia el interior del
catalizador 12 de almacenamiento de NO_{X} se hace gaseoso. A
continuación, se explicará el catalizador 11 de adsorción y
oxidación de HC.
La Fig. 5 es una vista en sección lateral del
catalizador 11 de adsorción y oxidación de HC. Como se muestra en
la Fig. 5, el catalizador 11 de adsorción y oxidación de HC forma
una estructura en forma de panal de miel y proporciona una
pluralidad de pasos 65 de gas de escape que se extienden en línea
recta. El catalizador 11 de adsorción y oxidación de HC está
formado a partir de un material con un área superficial relativa
grande que tiene una estructura porosa, tal como zeolita. La base
del catalizador 11 de adsorción y oxidación de HC mostrado en la
Fig. 5 está hecha de un tipo de zeolita, esto es, mordenita. Las
Figs. 6(A) a (D) muestran, de manera esquemática, secciones
transversales de la parte superficial del catalizador 11 de
adsorción y oxidación de HC. Nótese que la Fig. 6(B) muestra
una vista ampliada de la parte B en la Fig. 6(A), la Fig.
6(C) muestra la misma sección transversal que la Fig.
6(B), y la Fig. 6(D) muestra una vista ampliada de la
parte D en la Fig. 6(C). Como se entenderá a partir de las
Figs. 6(B) y (C), la superficie del catalizador 11 de
adsorción y oxidación de HC tiene una forma superficial rugosa, en
relieve. Sobre la superficie que tiene esta forma superficial
rugosa, como se muestra en la Fig. 6(D), están formados un
gran número de finos poros 51 y está soportado un catalizador 52 de
metal precioso hecho de platino, Pt, disperso.
Cuando se añade combustible en partículas desde
la válvula 14 de adición de combustible, parte del combustible se
evapora y se hace gaseoso, pero la mayoría es adsorbido sobre la
superficie de una base 50 en la forma de partículas. Las Figs.
6(A) y (B) muestran el estado de la adsorción de las
partículas 53 de combustible. La relación de adsorción de
combustible cuando se adsorbe el combustible en estado líquido llega
a ser considerablemente alta comparada con la relación de adsorción
del combustible gaseoso. Nótese que la cantidad de adsorción del
combustible en partículas que es capaz de adsorber el catalizador 11
de adsorción y oxidación de HC, como se muestra en la Fig.
7(A), se hace más grande cuanto más baja es la temperatura
del catalizador 11 de adsorción y oxidación de HC. Además, si la
velocidad espacial del flujo de gas de escape en el catalizador 11
de adsorción y oxidación de HC se hace más rápida, esto es, si el
caudal del gas de escape se hace más rápido, la cantidad del
combustible añadido desde la válvula 14 de adición de combustible
que es gasificado y la cantidad del combustible en partículas que
pasa a través de los pasos 65 de escape en el catalizador 11 de
adsorción y oxidación de HC aumentarán. Por lo tanto, la cantidad
de adsorción del combustible en partículas que puede adsorber el
catalizador 11 de adsorción y oxidación de HC, como se muestra en la
Fig. 7(B), disminuye cuanto más rápida es la velocidad
espacial.
Después, como se muestra en las Figs.
6(C) y (D), las partículas 53 de combustible adsorbidas sobre
la superficie de la base 50 se evaporan gradualmente para formar
combustible gaseoso. Este combustible gaseoso está comprendido
principalmente de HC con un número grande de átomos de carbono. Los
HC con el número grande de átomos de carbono son escindidos en los
puntos ácidos de la superficie de la zeolita o en el catalizador 52
de metal precioso y convertidos en HC con un número pequeño de
átomos de carbono. Los HC gaseosos convertidos reaccionan
inmediatamente con el oxígeno del gas de escape para ser oxidados.
La mayoría de las partículas 53 de combustible adsorbidas en la
superficie de la base 50 reacciona con el oxígeno del gas de escape,
con lo que casi todo el oxígeno contenido en el gas de escape se
consume. Como resultado, la concentración de oxígeno en el gas de
escape disminuye y el catalizador 12 de almacenamiento de NO_{X}
libera el NO_{X}.
Por otra parte, en este momento, el gas de
escape contiene HC gaseoso residual, con lo que la relación
aire-combustible del gas de escape se hace rica.
Este HC gaseoso fluye hacia el interior del catalizador 12 de
almacenamiento de NO_{X}, donde el HC gaseoso reduce el NO_{X}
liberado del catalizador 12 de almacenamiento de NO_{X}.
La Fig. 8 muestra la cantidad de adición de
combustible desde la válvula 14 de adición de combustible y la
relación aire-combustible A/C del gas de escape en
el tiempo de baja velocidad del motor, funcionamiento a baja carga.
Nótese que en la Fig. 8, (A) muestra la relación
aire-combustible A/C del gas de escape que fluye
hacia el interior del catalizador 11 de adsorción y oxidación de HC,
(B) muestra la relación aire-combustible A/C del
gas de escape que fluye hacia fuera del catalizador 11 de adsorción
y oxidación de HC y que fluye hacia el interior del catalizador 12
de almacenamiento de NO_{X}, y (C) muestra la relación
aire-combustible A/C del gas de escape que fluye
hacia fuera del catalizador 12 de almacenamiento de NO_{X}.
En esta realización de la presente invención,
cuando el catalizador 12 de almacenamiento de NO_{X} debe
liberar NO_{X}, como se muestra en la Fig. 8, una señal de comando
comprendida de una pluralidad de pulsos continuos es suministrada a
la válvula 14 de adición de combustible. En este momento, en
realidad, el combustible continúa siendo añadido de manera continua
mientras son suministrados estos pulsos continuos. Mientras el
combustible está siendo suministrado desde la válvula 14 de adición
de combustible, la relación aire-combustible del
gas de escape que fluye hacia el interior del catalizador 11 de
adsorción y oxidación de HC, como se muestra en la Fig.
8(A), llega a ser una relación
aire-combustible considerablemente rica, de hasta
5.
Por otra parte, cuando se añade combustible
desde la válvula 14 de adición de combustible, las partículas de
combustible son adsorbidas en el catalizador 11 de adsorción y
oxidación de HC, después el combustible se evapora gradualmente
desde las partículas de combustible y, como se explicó
anteriormente, es escindido y reformado. Parte del combustible
evaporado desde las partículas de combustible o el combustible
reformado reacciona con el oxígeno contenido en el gas de escape
para ser oxidado, por lo cual la concentración de oxígeno en el gas
de escape disminuye. Por otra parte, el exceso de combustible, esto
es, el exceso de HC, es emitido desde el catalizador 11 de
adsorción y oxidación de HC. Como resultado, la relación
aire-combustible A/C del gas de escape que fluye
hacia fuera del catalizador 11 de adsorción y oxidación de HC se
hace sólo ligeramente rica. Esto es, el combustible se evapora
gradualmente desde las partículas de combustible adsorbidas en el
catalizador 11 de adsorción y oxidación de HC, y la relación
aire-combustible A/C del gas de escape que fluye
hacia fuera del catalizador 11 de adsorción y oxidación de HC
continúa siendo sólo ligeramente rica hasta que la cantidad de las
partículas de combustible adsorbidas se hace pequeña. Por lo tanto,
como se muestra en la Fig. 8(B), la relación
aire-combustible A/C del gas de escape que fluye
hacia fuera del catalizador 11 de adsorción y oxidación de HC
continúa siendo sólo ligeramente rica a lo largo de un tiempo
con-
siderable después de que la acción de adición de combustible desde la válvula 14 de adición de combustible termina.
siderable después de que la acción de adición de combustible desde la válvula 14 de adición de combustible termina.
Si la relación aire-combustible
A/C del gas de escape que fluye hacia fuera del catalizador 11 de
adsorción y oxidación de HC y que fluye hacia dentro del
catalizador 12 de almacenamiento de NO_{X} se hace rica, se
libera NO_{X} desde el catalizador 12 de almacenamiento de
NO_{X} y el NO_{X} liberado es reducido por los HC no quemados
y el CO. En este caso, como se explicó anteriormente, el HC no
quemado que fluye hacia el interior del catalizador 12 de
almacenamiento de NO_{X} es reformado en el catalizador 11 de
adsorción y oxidación de HC. Por lo tanto, el NO_{X} liberado es
reducido bien por los HC no quemados. Como se entenderá a partir de
la Fig. 8(C), mientras se realiza la acción de liberación de
NO_{X} desde el catalizador 12 de almacenamiento de NO_{X} y la
acción de reducción, la relación aire-combustible
A/C del gas de escape que fluye hacia fuera del catalizador 12 de
almacenamiento de NO_{X} es mantenida a sustancialmente la
relación aire-combustible estequiométrica.
De esta manera, en la presente invención, cuando
se hace rica la relación aire-combustible del gas de
escape que fluye hacia el interior del catalizador 12 de
almacenamiento de NO_{X} para hacer que el catalizador 12 de
almacenamiento de NO_{X} libere NO_{X}, se añade combustible en
partículas desde la válvula 14 de adición de combustible. La
cantidad de adición del combustible en partículas en este momento se
ajusta a una cantidad tal que la relación
aire-combustible del gas de escape que fluye hacia
el interior del catalizador 11 de adsorción y oxidación de HC llega
a ser una relación aire-combustible rica más pequeña
que la relación aire-combustible rica cuando fluye
hacia el interior del catalizador 12 de almacenamiento de NO_{X},
en el ejemplo mostrado en la Fig. 8, menos que la mitad de la
relación aire-combustible rica.
Por otra parte, el combustible en partículas
añadido en este momento es adsorbido en el catalizador 11 de
adsorción y oxidación de HC, después la mayoría del combustible
adsorbido es oxidado en el catalizador 11 de adsorción y oxidación
de HC, y la relación aire-combustible del gas de
escape que fluye hacia el interior del catalizador 12 de
almacenamiento de NO_{X} se hace rica durante un tiempo más largo
que el tiempo en que la relación aire-combustible
del gas de escape que fluye hacia el interior del catalizador 11 de
adsorción y oxidación de HC se hace rica, en el ejemplo mostrado en
la Fig. 8, varias veces el tiempo.
De esta manera, en la presente invención,
adsorbiendo y manteniendo el combustible en partículas añadido desde
la válvula 14 de adición de combustible en el catalizador 11 de
adsorción y oxidación de HC una vez, haciendo después que el
combustible en partículas adsorbido y mantenido se evapore un poco
cada vez desde el catalizador 11 de adsorción y oxidación de HC, la
relación aire-combustible del gas de escape que
fluye hacia el interior del catalizador 12 de almacenamiento de
NO_{X} se hace rica durante un tiempo largo. En este caso, para
hacer que el catalizador 12 de almacenamiento de NO_{X} libere una
cantidad de NO_{X} tan grande como sea posible, es suficiente
hacer más largo el tiempo durante el cual la relación
aire-combustible del gas de escape que fluye hacia
el interior del catalizador 12 de almacenamiento de NO_{X} sea
rica. Para este fin, se hace necesario aumentar la cantidad de
combustible adsorbido y mantenido en el catalizador 11 de adsorción
y oxidación de HC tanto como sea posible.
Dando un ejemplo, se ha comprobado que en un
motor de combustión interna de ignición por compresión en el que la
cantidad de aire de admisión por segundo llega a ser 10 (g) en el
tiempo de baja velocidad del motor, funcionamiento a baja carga, si
se inyecta combustible en partículas desde la válvula 14 de adición
de combustible durante aproximadamente 400 ms, la relación
aire-combustible del gas de escape que fluye hacia
el interior del catalizador 12 de almacenamiento de NO_{X} será
una relación aire-combustible rica de
aproximadamente 14,0 durante aproximada- mente 2 segundos, y que,
en ese momento, se liberará NO_{X} bien desde el catalizador 12
de almacenamiento de NO_{X}. En este momento, la relación
aire-combustible del gas de escape inmediatamente
corriente abajo de la válvula 14 de adición de combustible, esto es,
la relación aire-combustible del gas de escape que
fluye hacia el interior del catalizador 11 de adsorción y oxidación
de HC, se hace una relación aire-combustible rica
de aproximadamente 4,4.
Explicando esto con un poco más de detalle, en
este motor de combustión interna de ignición por compresión, en el
tiempo de baja velocidad del motor, funcionamiento a baja carga, la
relación aire-combustible A/C es aproximadamente
30. Por lo tanto, dado que A/C = 10 (g/s)/C = 30, la cantidad de
combustible inyectado llega a ser C = 1/3 (g/s). Por otra parte,
para producir una relación aire-combustible rica de
14, dado que A/C = 10 (g/s)/C = 14, se hacen necesarios 5/7 (g/s)
de combustible. Por lo tanto, para producir una relación
aire-combustible rica de 14, la cantidad de
combustible adicional a ser añadido desde la válvula 14 de adición
de combustible llega a ser 5/7 (g/s)-1/3 (g/s) =
8/21 (g/s). Para producir una relación
aire-combustible rica de 14 durante 2 segundos, es
necesario añadir 16/21 (g) de combustible desde la válvula 14 de
adición de combustible. Si se añade este combustible en 400 ms, la
relación aire-combustible del gas de escape en este
momento llega a ser aproximadamente 4,4.
De esta manera, en el tiempo de baja velocidad
del motor, funcionamiento a baja carga, en este motor de combustión
interna, si se intenta producir una relación
aire-combustible rica de 14 durante 2 segundos, es
necesario suministrar 16/21 (g) de combustible desde la válvula 14
de adición de combustible. En este caso, si se intenta suministrar
esta cantidad de combustible en un tiempo corto, por ejemplo, en 100
ms, es necesario elevar la presión de inyección de la válvula 14 de
adición de combustible. Sin embargo, si se eleva la presión de
inyección de la válvula 14 de adición de combustible, el
combustible se hace más fino en el momento de la inyección, con lo
que la cantidad de combustible que se convierte en gas aumenta y por
lo tanto la cantidad de combustible adsorbido en el catalizador 11
de adsorción y oxidación de HC se reduce. Esto es, si la cantidad de
combustible adsorbido en el catalizador 11 de adsorción y oxidación
de HC disminuye, el tiempo durante el cual la relación
aire-combustible se hace rica se hace más pequeño. A
diferencia de esto, cuando se suministran 16/21 (g) de combustible,
si se reduce la cantidad de suministro por unidad de tiempo, por
ejemplo, si se hace el tiempo de adición de combustible desde la
válvula 14 de adición de combustible 1000 ms, la cantidad de
evaporación de combustible desde el catalizador 11 de adsorción y
oxidación de HC por unidad de tiempo se hace más pequeña y la
relación aire-combustible del gas de escape es
difícil que se haga rica. La Fig. 9 muestra esto.
Esto es, la Fig. 9 muestra la relación
aire-combustible A/C del gas de escape que fluye
hacia el interior del catalizador 11 de adsorción y oxidación de
HC, el aumento de temperatura \DeltaT del gas de escape que fluye
hacia fuera del catalizador 11 de adsorción y oxidación de HC, la
cantidad G de HC emitido desde el catalizador 12 de almacenamiento
de NO_{X}, y el tiempo rico del gas de escape que fluye hacia el
interior del catalizador 12 de almacenamiento de NO_{X} cuando se
cambia el tiempo de adición de combustible \tau (ms) desde la
válvula 14 de adición de combustible.
Como se explicó anteriormente, si se hace más
corto el tiempo de adición de combustible desde la válvula 14 de
adición de combustible, la cantidad de combustible adsorbido en el
catalizador 11 de adsorción y oxidación de HC se reduce. Como
resultado, la cantidad de evaporación de combustible desde el
catalizador 11 de adsorción y oxidación de HC se hace más pequeña,
con lo que la acción de oxidación de los HC se hace más débil, el
aumento de temperatura \DeltaT disminuye, y el tiempo rico se
hace más corto. Además, en este momento, la cantidad de combustible
llevado por el flujo de gas de escape en el combustible suministrado
desde la válvula 14 de adición de combustible aumenta, con lo que
la cantidad G de HC emitido aumenta.
Por otra parte, si se hace más largo el tiempo
de adición de combustible desde la válvula 14 de adición de
combustible, como se explicó anteriormente, la cantidad de
combustible adsorbido por unidad de tiempo en el catalizador 11 de
adsorción y oxidación de HC se reduce. Como resultado, la cantidad
de evaporación de combustible desde el catalizador 11 de adsorción
y oxidación de HC se hace más pequeña, con lo que la acción de
oxidación de los HC se hace más débil, el aumento de temperatura
\DeltaT disminuye, y el tiempo rico se hace más corto. Por otra
parte, incluso después de la acción de liberación de NO_{X} desde
el catalizador 12 de almacenamiento de NO_{X} termine, el HC
continúa evaporándose desde el catalizador 11 de adsorción y
oxidación de HC, con lo que la cantidad G de HC emitido
aumenta.
El combustible añadido cuando se añade
combustible desde la válvula 14 de adición de combustible es emitido
a la atmósfera, con lo que el combustible es completamente
malgastado. Por lo tanto, es necesario suprimir la cantidad de
escape del combustible añadido a la atmósfera, esto es, la cantidad
G de HC emitido, hasta un valor permisible G_{0} o menor. La
cantidad G de HC emitido que es el valor permisible G_{0} o
menor, si se contempla de una manera diferente, significa que el HC
está implicado en una reacción de oxidación y el oxígeno está
siendo suficientemente consumido. Por lo tanto, la cantidad G de HC
emitido que es el valor permisible G_{0} o menos corresponde al
aumento de temperatura \DeltaT que es al menos un ajuste
predeterminado \DeltaT_{0}.
Esto es, cuando se añade combustible desde la
válvula 14 de adición de combustible, es necesario determinar el
tiempo \tau de adición del combustible adicional, de tal modo que
la cantidad G de HC emitido llegue a ser el valor permisible
G_{0} o menos y el aumento de temperatura \DeltaT llegue a ser
el valor ajustado \DeltaT_{0} o más. Por lo tanto, en esta
realización de la presente invención, el tiempo \tau de adición
del combustible adicional se ajusta a entre aproximadamente 100 (ms)
y aproximadamente 700 (ms). Si se expresa esto mediante la relación
aire-combustible A/C, la relación
aire-combustible A/C cuando el tiempo \tau de
adición es 100 (ms) llega a ser aproximadamente 1, mientras que la
relación aire-combustible A/C cuando el tiempo
\tau de adición es 700 (ms) llega a ser aproximadamente 7, con lo
que, en esta realización de la presente invención, en el tiempo de
baja velocidad del motor, funcionamiento a baja carga, la cantidad
de adición de combustible en partículas añadido desde la válvula 14
de adición de combustible para hacer que el catalizador 12 de
almacenamiento de NO_{X} libere NO_{X} se ajusta a una cantidad
que dé una relación aire-combustible del gas de
escape que fluye hacia el interior del catalizador 11 de adsorción y
oxidación de HC de aproximadamente 1 a aproximadamente 7.
La Fig. 10 muestra la relación
aire-combustible en las mismas situaciones que en la
Fig. 8 en el tiempo de una alta velocidad del motor, funcionamiento
a alta carga. En el tiempo de alta velocidad del motor,
funcionamiento a alta carga, la temperatura del catalizador 11 de
adsorción y oxidación de HC se hace más alta y la velocidad
espacial del gas de escape que fluye a través del catalizador 11 de
adsorción y oxidación de HC se hace más alta comparada con el
tiempo de baja velocidad del motor, funcionamiento a baja carga, con
lo que, como se entenderá a partir de las Figs. 7(A) y (B),
la cantidad de combustible que puede adsorber el catalizador 11 de
adsorción y oxidación de HC disminuye considerablemente, por lo
tanto, como se entenderá si se compara la Fig. 10 y la Fig. 8, la
cantidad de combustible añadido desde la válvula 14 de adición de
combustible se hace más pequeña en el tiempo de alta velocidad del
motor, funcionamiento a alta carga, comparado con el tiempo de alta
velocidad del motor, funcionamiento a alta carga.
Nótese que, como se muestra en la Fig. 10, en el
tiempo de alta velocidad del motor, funcionamiento a alta carga, la
relación aire-combustible es aproximadamente 20, con
lo que incluso si se reduce el combustible añadido, la relación
aire-combustible del gas de escape puede hacerse
rica. Sin embargo, el tiempo durante el cual la relación
aire-combustible del gas de escape puede hacerse
rica llega a ser considerablemente más corto comparado con el
tiempo de baja velocidad del motor, funcionamiento a baja carga.
La Fig. 11(A) muestra la cantidad de
combustible AQ añadido desde la válvula 14 de adición de combustible
cuando se debe liberar NO_{X} desde el catalizador 12 de
almacenamiento de NO_{X}. La cantidad de combustible añadido se
hace gradualmente más pequeña en el orden de AQ_{1}, AQ_{2},
AQ_{3}, AQ_{4}, AQ_{5}, y AQ_{6}. Nótese que en la Fig.
11(A), las ordenadas TQ muestran el torque de salida,
mientras que las abscisas N muestran la velocidad del motor. Por lo
tanto, la cantidad de combustible AQ a ser añadido se hace más
pequeña cuanto más grande es el torque de salida TQ, esto es,
cuanto más alta es la temperatura del catalizador 11 de adsorción y
oxidación de HC, mientras que se hace más pequeña cuanto más alta es
la velocidad del motor N, esto es, cuanto mayor es el caudal del
gas de escape. La cantidad de combustible AQ a ser añadido se
almacena en la forma de un mapa como el mostrado en la Fig.
11(B) de antemano en la ROM 32.
A continuación, se explicará el control de
liberación de NO_{X} mientras se hace referencia a la Fig. 12 y
la Fig. 13.
La Fig. 12(A) muestra el cambio en la
cantidad de NO_{X} \SigmaNOX almacenado en el catalizador 12 de
almacenamiento de NO_{X} y la medida de tiempo para hacer rica la
relación aire-combustible A/C del gas de escape
para la liberación de NO_{X} en el tiempo de baja velocidad del
motor, funcionamiento a baja carga, mientras que la Fig.
12(B) muestra el cambio en la cantidad de NO_{X}
\SigmaNOX almacenado en el catalizador 12 de almacenamiento de
NO_{X} y la medida de tiempo para hacer rica la relación
aire-combustible A/C del gas de escape para la
liberación de NO_{X} en el tiempo de alta velocidad del motor,
funcionamiento a alta carga.
La cantidad de NO_{X} emitido desde el motor
por unidad de tiempo cambia de acuerdo con el estado de
funcionamiento del motor, por lo tanto la cantidad de NO_{X}
almacenado en el catalizador 12 de almacenamiento de NO_{X} por
unidad de tiempo también cambia de acuerdo con el estado de
funcionamiento del motor. En esta realización de la presente
invención, la cantidad de NO_{X} almacenado en el catalizador 12
de almacenamiento de NO_{X} por unidad de tiempo es almacenada en
función del torque requerido RQ y la velocidad del motor N en la
forma de un mapa mostrado en la Fig. 13(A) de antemano en la
ROM 32. Añadiendo de manera acumulativa esta cantidad de NO_{X}
NOXA, se calcula la cantidad de NO_{X} \SigmaNOX almacenada en
el catalizador 12 de almacenamiento de NO_{X}.
Por otra parte, en las Figs. 12(A) y (B),
MAX indica la cantidad máxima de NO_{X} que puede almacenar el
catalizador 12 de almacenamiento de NO_{X}, mientras que NX indica
el valor permisible de la cantidad de NO_{X} que se puede hacer
almacenar en el catalizador 12 de almacenamiento de NO_{X}. Por lo
tanto, como se muestra en las Figs. 12(A) y (B), cuando la
cantidad de NO_{X} \SigmaNOX alcanza el valor permisible NX, la
relación aire-combustible A/C del gas de escape que
fluye hacia el interior del catalizador 12 de almacenamiento de
NO_{X} se hace temporalmente rica y de este modo se libera
NO_{X} desde el catalizador 12 de almacenamiento de NO_{X}.
Como se explicó anteriormente, en el tiempo de
baja velocidad del motor, funcionamiento a baja carga, la cantidad
de combustible que puede adsorber el catalizador 11 de adsorción y
oxidación de HC aumenta, con lo que la cantidad de combustible
añadido desde la válvula 14 de adición de combustible es aumentada.
Si la cantidad de combustible añadido es aumentada de esta manera,
se puede hacer que el catalizador 12 de almacenamiento de NO_{X}
libere una cantidad grande de NO_{X}. Esto es, en este caso,
incluso cuando el catalizador 12 de almacenamiento de NO_{X}
almacene una cantidad grande de NO_{X}, todo el NO_{X}
almacenado puede ser liberado, con lo que, como se muestra en la
Fig. 12(A), el valor permisible NX se hace un valor alto, en
la realización mostrada en la Fig. 12(A), un valor sólo
ligeramente más bajo que la máxima cantidad de NO_{X}
almacenada.
A diferencia de esto, en el tiempo de alta
velocidad del motor, funcionamiento a alta carga, la cantidad de
combustible adsorbido por el catalizador 11 de adsorción y oxidación
de HC disminuye, con lo que, como se explicó anteriormente, la
cantidad de combustible añadido desde la válvula 14 de adición de
combustible se reduce. Si la cantidad de combustible añadido es
reducida de esta manera, sólo es posible hacer que el catalizador
12 de almacenamiento de NO_{X} libere una pequeña cantidad de
NO_{X}. Esto es, en este caso, es necesario liberar el NO_{X}
almacenado después de que se almacene una pequeña cantidad de
NO_{X} en el catalizador 12 de almacenamiento de NO_{X}, con lo
que, como se muestra en la Fig. 12(B), el valor permisible NX
se hace un valor considerablemente bajo, en la realización mostrada
en la Fig. 12(B), un valor de 1/3 o menos del valor
permisible NX en el tiempo de baja velocidad del motor,
funcionamiento a baja carga mostrado en la Fig. 12(A).
La Fig. 13(B) muestra el valor permisible
NX ajustado de acuerdo con el estado de funcionamiento del motor.
En la Fig. 13(B), el valor permisible NX se hace gradualmente
más pequeño en el orden de NX_{1}, NX_{2}, NX_{3}, NX_{4},
NX_{5}, y NX_{6}. Nótese que el valor permisible NX mostrado en
la Fig. 13(B) es almacenado en la forma de un mapa como se
muestra en la Fig. 13(C) de antemano en la ROM 32.
De esta manera, cuanto más alta es la carga del
motor o más alta es la velocidad del motor, más bajo es el valor
permisible NX, con lo que, para hacer que el catalizador 12 de
almacenamiento de NO_{X} libere NO_{X}, cuanto más alta es la
carga del motor o más alta es la velocidad del motor N, más alta es
la frecuencia de adición de combustible en partículas desde la
válvula 14 de adición de combustible. Esto es, como se muestra en
las Figs. 12(A) y (B), en el tiempo de alta velocidad del
motor, funcionamiento a alta carga, la frecuencia de adición de
combustible en partículas se hace considerablemente más alta
comparada con el tiempo de baja velocidad del motor, funcionamiento
a baja carga.
Por otra parte, la materia en partículas
contenida en el gas de escape es atrapada en el filtro 12a de
partículas que lleva el catalizador 12 de almacenamiento de
NO_{X} y oxidada sucesivamente. Sin embargo, si la cantidad de
materia en partículas atrapada se hace más grande que la cantidad de
materia en partículas oxidada, la materia en partículas se
depositarán gradualmente en el filtro 12a de partículas. En este
caso, si la deposición de la materia en partículas aumenta acabará
apareciendo una caída en el rendimiento del motor. Por lo tanto,
cuando la deposición de materia en partículas aumenta, es necesario
retirar la materia en partículas depositada. En este caso, si se
eleva la temperatura del filtro 12a de partículas bajo un exceso de
aire hasta aproximadamente 600ºC, la materia en partículas
depositada es oxidada y retirada.
Por lo tanto, en esta realización de la presente
invención, cuando la cantidad de materia en partículas depositada
en el filtro 12a de partículas excede la cantidad permisible, la
temperatura del filtro 12a de partículas es elevada bajo una
relación aire-combustible pobre del gas de escape y
de este modo la materia en partículas depositada es retirada por
oxidación. Hablando específicamente, en esta realización de la
presente invención, cuando la presión diferencial \DeltaP antes y
después del filtro 12a de partículas detectada por el sensor 23 de
presión diferencial excede el valor permisible PX, se juzga que la
cantidad de materia en partículas depositada ha excedido la
cantidad permisible. En ese momento, la relación
aire-combustible del gas de escape que fluye hacia
el interior del filtro 12a de partículas es mantenida pobre, se
añade combustible desde la válvula 14 de adición de combustible, y
el calor de la reacción de oxidación del combustible añadido eleva
la temperatura del filtro 12a de partículas en el control de
elevación de tempe-
ratura.
ratura.
La Fig. 14 muestra la rutina de proceso de la
purificación de los gases de escape.
Haciendo referencia a la Fig. 14, primero, en la
etapa 100, se calcula la cantidad NOXA de NO_{X} almacenado por
unidad de tiempo a partir del mapa mostrado en la Fig. 13(A).
Después, en la etapa 101, este NOXA se añade a la cantidad de
NO_{X} \SigmaNOX almacenado en el catalizador 12 de
almacenamiento de NO_{X}. A continuación, en la etapa 102, se
calcula el valor permisible NX a partir del mapa mostrado en la Fig.
13(C). Después, en la etapa 103, se juzga si la cantidad de
NO_{X} almacenada \SigmaNOX ha excedido el valor permisible NX.
Cuando \SigmaNOX>NX, la rutina pasa a la etapa 104, donde se
realiza un proceso para añadir combustible desde la válvula 14 de
adición de combustible. Un ejemplo básico de este proceso de adición
de combustible se muestra en la Fig. 15. Se muestran dos ejemplos
de corrección de la cantidad de adición en la Fig. 16 y la Fig. 17.
Después, en la etapa 105, el sensor 23 de diferencial de presión se
usa para detectar la presión diferencial \DeltaP antes y después
del filtro 12a de partículas. Después, en la etapa 106, se juzga si
la presión diferencial \DeltaP ha excedido el valor permisible PX.
Cuando \DeltaP>PX, la rutina pasa a la etapa 107, donde se
realiza el control de elevación de la temperatura del filtro 12a
de
partículas.
partículas.
La Fig. 15 muestra el proceso básico de adición
de combustible cuando se debe liberar NO_{X} desde el catalizador
12 de almacenamiento de NO_{X}. En este proceso básico de adición
de combustible, primero, en la etapa 150, se calcula la cantidad de
combustible AQ a ser añadido a partir del mapa mostrado en la Fig.
11(B), después, en la etapa 151, se añade el combustible,
esto es, gasóleo diésel, en la cantidad AQ calculada a partir del
mapa, desde la válvula 14 de adición de combustible.
Sin embargo, si la relación
aire-combustible del gas de escape que fluye hacia
el interior del catalizador 12 de almacenamiento de NO_{X} no se
hace rica debido a alguna razón incluso si se añade una cantidad AQ
de combustible predeterminada de acuerdo con el estado de
funcionamiento del motor, el catalizador 12 de almacenamiento de
NO_{X} no liberará NO_{X}. Por lo tanto, en este caso, es
preferible corregir la cantidad de combustible añadido desde la
válvula 14 de adición de combustible para que la relación
aire-combustible del gas de escape que fluye hacia
el interior del catalizador 12 de almacenamiento de NO_{X} se haga
rica. Por lo tanto, en otra realización de la presente invención,
se hace provisión de medios de juicio para juzgar si la relación
aire-combustible del gas de escape que fluye hacia
fuera del catalizador 11 de adsorción y oxidación de HC se ha hecho
rica cuando se añade combustible en el gas de escape para hacer que
el catalizador 12 de almacenamiento de NO_{X} libere NO_{X}.
Cuando se debe liberar NO_{X} desde el catalizador 12 de
almacenamiento de NO_{X}, la cantidad de combustible requerida
para hacer rica la relación aire-combustible del gas
de escape que fluye hacia fuera del catalizador 11 de adsorción y
oxidación de HC se añade según el juicio de estos medios de
juicio.
\newpage
Como ya se explicó en base a la Fig. 9, cuando
la relación aire-combustible del gas de escape que
fluye hacia el interior del catalizador 12 de almacenamiento de
NO_{X} es rica, el aumento de temperatura \DeltaT del gas de
escape que pasa a través del catalizador 11 de adsorción y oxidación
de HC llega a ser el valor de referencia \DeltaT_{0} o más. Por
lo tanto, en el primer ejemplo mostrado en la Fig. 1, cuando la
diferencia de temperatura entre la temperatura detectada por el
sensor 21 de temperatura y la temperatura detectada por el sensor
22 de temperatura, esto es, el aumento de temperatura \DeltaT, ha
excedido el valor de referencia \DeltaT_{0}, se juzga que la
relación aire-combustible del gas de escape que
fluye hacia fuera del catalizador 11 de adsorción y oxidación de HC
se ha hecho rica.
Por otra parte, como se muestra en las Figs.
8(B) y (C) o las Figs. 10(B) y (C), cuando la relación
aire-combustible A/C del gas de escape que fluye
hacia fuera del catalizador 11 de adsorción y oxidación de HC se
hace sólo ligeramente rica, la relación
aire-combustible A/C del gas de escape que fluye
hacia fuera del catalizador 12 de almacenamiento de NO_{X} se
hace sustancialmente la relación aire-combustible
estequiométrica. Por lo tanto, en el segundo ejemplo mostrado en la
Fig. 2, está provisto el sensor 26 de relación
aire-combustible para detectar la relación
aire-combustible del gas de escape que fluye hacia
fuera del catalizador 12 de almacenamiento de NO_{X}. Cuando la
relación aire-combustible del gas de escape
detectada por el sensor 26 de relación
aire-combustible es sustancialmente la relación
aire-combustible estequiométrica, se juzga que la
relación aire-combustible del gas de escape que
fluye hacia fuera del catalizador 11 de adsorción y oxidación de HC
es rica.
Nótese que en la realización mostrada en la Fig.
1 y la Fig. 2, cuando se juzga que la relación
aire-combustible del gas de escape que fluye hacia
fuera del catalizador 11 de adsorción y oxidación de HC no es rica,
la cantidad de combustible en partículas añadido desde la válvula
14 de adición de combustible es aumentada. La acción de aumentar la
cantidad de combustible añadido se realiza, por ejemplo, aumentando
el tiempo de adición de combustible, similar a un pulso.
Por otra parte, cuando se juzga que la relación
aire-combustible del gas de escape que fluye hacia
fuera del catalizador 11 de adsorción y oxidación de HC no es rica,
la acción de adición de combustible desde la válvula 14 de adición
de combustible ya está completada. Por lo tanto, en este momento,
cuando se juzga después que el catalizador 12 de almacenamiento de
NO_{X} debe liberar NO_{X}, la cantidad de combustible en
partículas añadido desde la válvula 14 de adición de combustible es
aumentada.
La Fig. 16 muestra el control de adición de
combustible en el caso de usar los sensores 21 y 22 de temperatura
para detectar el aumento de temperatura \DeltaT del gas de escape
que pasa a través del catalizador 11 de adsorción y oxidación de HC
en la Fig. 1.
Haciendo referencia a la Fig. 16, primero, en la
etapa 200, se calcula la cantidad de combustible añadido AQ a
partir del mapa mostrado en la Fig. 11(B). Después, en la
etapa 201, la cantidad de combustible añadido AQ se multiplica por
un coeficiente de corrección K para calcular la cantidad final de
combustible añadido AQ (=AQ \cdot K). Después, en la etapa 202,
se añade combustible, esto es, gasóleo diésel, desde la válvula 14
de adición de combustible de acuerdo con la cantidad final de
combustible añadido AQ.
Después, en la etapa 203, se espera el
transcurso de un cierto tiempo desde la adición del combustible.
Cuando ese cierto tiempo ha transcurrido, la rutina pasa a la etapa
204, donde se juzga, en base a las señales de salida de las señales
21 y 22 de temperatura, si el aumento de temperatura \DeltaT es
más bajo que un valor de referencia \DeltaT_{0}. Cuando se
juzga que \DeltaT\geq\DeltaT_{0}, la rutina pasa a la etapa
207, donde se borra \SigmaNOX, después el ciclo de proceso se
termina. Cuando se juzga que \DeltaT<\DeltaT_{0}, la
rutina pasa a la etapa 205.
En la etapa 205, el coeficiente de corrección K
es aumentado por un cierto valor \DeltaK, después, en la etapa
206, se espera el transcurso de un tiempo de espera predeterminado,
esto es, el consumo del combustible añadido. Cuando transcurre el
tiempo de espera, la rutina pasa, a través de la etapa 200, a la
etapa 201 y la etapa 202, por las cuales se añade una cantidad de
combustible más grande que en el tiempo anterior.
La Fig. 17 muestra el control de adición de
combustible en el caso de detectar la relación
aire-combustible A/C del gas de escape que fluye
hacia fuera del catalizador 12 de almacenamiento de NO_{X}
mediante un sensor 26 de relación aire-combustible,
como se muestra en la Fig. 2.
En la rutina mostrada en la Fig. 17, la única
diferencia de la rutina mostrada en la Fig. 16 es la etapa 204'.
Por lo tanto, sólo se explicará la etapa 204' de la rutina mostrada
en la Fig. 17.
Haciendo referencia a la Fig. 17, en la etapa
204', se juzga, en base a la señal de salida del sensor 26 de
relación aire-combustible, si la relación
aire-combustible A/C del gas de escape que fluye
hacia fuera del catalizador 12 de almacenamiento de NO_{X} es
aproximadamente la relación aire-combustible
estequiométrica. Cuando se juzga que es aproximadamente la relación
aire-combustible estequiométrica, la rutina pasa a
la etapa 207, mientras que cuando se juzga que no es
aproximadamente la relación aire-combustible
estequiométrica, la rutina pasa a la etapa 205.
\newpage
- 4...
- colector de admisión
- 5...
- colector de escape
- 7...
- turbocargador de escape
- 11...
- catalizador de adsorción y oxidación de HC
- 12...
- catalizador de almacenamiento de NO_{X}
- 14...
- válvula de adición de combustible.
Claims (16)
1. Un dispositivo de purificación de los gases
de escape para un motor de combustión interna de tipo ignición por
compresión, que comprende medios (3) de adición de combustible para
añadir combustible en partículas al gas de escape, un catalizador
(11) de oxidación dispuesto en un paso (52) de escape del motor
corriente abajo de los medios (3) de adición de combustible para
oxidar los hidrocarburos contenidos en el gas de escape, y un
catalizador (12) de almacenamiento de NO_{X} dispuesto en el paso
(13) de escape del motor corriente abajo del catalizador de
oxidación para almacenar el NO_{X} contenido en el gas de escape
cuando la relación aire-combustible del gas de
escape que fluye en él es pobre y liberar el NO_{X} almacenado
cuando la relación aire-combustible en el gas de
escape que fluye en él se hace la relación
aire-combustible estequiométrica o rica, en el que
se añade combustible (53) en partículas desde los medios de adición
de combustible cuando se hace rica la relación
aire-combustible del gas de escape que fluye hacia
el interior del catalizador (12) de almacenamiento de NO_{X} para
hacer que el catalizador de almacenamiento de NO_{X} libere
NO_{X},
caracterizado porque el catalizador de
oxidación es un catalizador (11) de adsorción y oxidación de HC para
adsorber y oxidar los hidrocarburos contenidos en el gas de escape,
la cantidad de adición de combustible (53) en partículas añadido
desde los medios de adición del combustible se ajusta a una cantidad
por la cual la relación aire-combustible del gas de
escape que fluye hacia el interior del catalizador (11) de adsorción
y oxidación de HC llega a ser una relación
aire-combustible rica, más pequeña que la relación
aire-combustible rica cuando fluye hacia el
interior del catalizador (12) de almacenamiento de NO_{X}, y
después de que el combustible (53) en partículas añadido es
adsorbido en el catalizador (11) de adsorción y oxidación de HC, la
mayoría del combustible adsorbido es oxidado en el catalizador (11)
de adsorción y oxidación de HC y la relación
aire-combustible del gas de escape que fluye hacia
el interior del catalizador (12) de almacenamiento de NO_{X} se
hace rica a lo largo de un periodo más largo que cuando la relación
aire-combustible del gas de escape que fluye hacia
el interior del catalizador (11) de adsorción y oxidación de HC se
hace rica.
2. Un dispositivo de purificación de los gases
de escape como el expuesto en la reivindicación 1, en el que una
cantidad de combustible (53) en partículas a ser añadido desde
dichos medios de adición de combustible para hacer que el
catalizador (12) de almacenamiento de NO_{X} libere NO_{X} se
ajusta a una cantidad que da una relación
aire-combustible del gas de escape que fluye hacia
el interior del catalizador (11) de adsorción y oxidación de HC de
aproximadamente 1 a aproximadamente 7 en el tiempo de baja velocidad
del motor, funcionamiento a baja carga.
3. Un dispositivo de purificación de los gases
de escape como el expuesto en la reivindicación 1, en el que la
cantidad de combustible (53) en partículas añadido desde dichos
medios (3) de adición de combustible para hacer que el catalizador
(12) de almacenamiento de NO_{X} libere NO_{X} se reduce cuanto
más alta es la temperatura del catalizador (11) de adsorción y
oxidación de HC.
4. Un dispositivo de purificación de los gases
de escape como el expuesto en la reivindicación 1, en el que la
cantidad de adición de combustible (53) en partículas añadido desde
dichos medios de adición de combustible para hacer que el
catalizador de almacenamiento de NO_{X} libere NO_{X} se reduce
cuanto mayor es el caudal del gas de escape.
5. Un dispositivo de purificación de los gases
de escape como el expuesto en la reivindicación 1, en el que la
cantidad de combustible (53) en partículas añadido desde dichos
medios de adición de combustible para hacer que el catalizador (12)
de almacenamiento de NO_{X} libere NO_{X} se hace más pequeña en
el tiempo de alta velocidad del motor, funcionamiento a alta carga,
comparado con el tiempo de baja velocidad del motor, funcionamiento
a baja carga.
6. Un dispositivo de purificación de los gases
de escape como el expuesto en la reivindicación 1, en el que la
frecuencia de adición de combustible (53) en partículas añadido
desde dichos medios de adición de combustible para hacer que el
catalizador de almacenamiento de NO_{X} libere NO_{X} es más
alta cuanto más alta es la carga del motor.
7. Un dispositivo de purificación de los gases
de escape como el expuesto en la reivindicación 1, en el que se
añade combustible (53) en partículas desde dichos medios (3) de
adición de combustible para hacer que el catalizador (12) de
almacenamiento de NO_{X} libere NO_{X} cuando la cantidad de
NO_{X} almacenado en el catalizador (12) de almacenamiento de
NO_{X} excede un valor permisible, y el valor permisible se hace
más bajo cuanto más alta es la carga del motor.
8. Un dispositivo de purificación de los gases
de escape como el expuesto en la reivindicación 1, en el que está
soportado un catalizador (52) de metal precioso en una base de dicho
catalizador (11) de adsorción y oxidación de HC.
9. Un dispositivo de purificación de los gases
de escape como el expuesto en la reivindicación 1, en el que una
base de dicho catalizador (11) de adsorción y oxidación de HC
incluye zeolita.
10. Un dispositivo de purificación de los gases
de escape como el expuesto en la reivindicación 1, donde dicho
dispositivo comprende medios de juicio para juzgar si la relación
aire-combustible del gas de escape que fluye hacia
fuera del catalizador de adsorción y oxidación de HC se ha hecho
rica cuando se añade combustible en partículas en el gas de escape
para hacer que el catalizador (12) de almacenamiento de NO_{X}
libere NO_{X}, y dichos medios (3) de adición de combustible
añaden combustible en una cantidad necesaria para hacer rica la
relación aire-combustible del gas de escape que
fluye hacia fuera del catalizador (11) de adsorción y oxidación de
HC de acuerdo con el juicio de dichos medios de juicio cuando se
hace que el catalizador (12) de almacenamiento de NO_{X} libere
NO_{X}.
11. Un dispositivo de purificación de los gases
de escape como el expuesto en la reivindicación 10, en el que unos
sensores (21, 22) de temperatura capaces de detectar un aumento de
temperatura del gas de escape que fluye hacia fuera del catalizador
(11) de adsorción y oxidación de HC están dispuestos en el paso de
escape del motor, y dichos medios de juicio juzgan que la relación
aire-combustible del gas de escape que fluye hacia
fuera del catalizador (11) de adsorción y oxidación de HC se ha
hecho rica cuando dicho aumento de temperatura excede un valor de
referencia.
12. Un dispositivo de purificación de los gases
de escape como el expuesto en la reivindicación 10, en el que un
sensor de relación aire-combustible capaz de
detectar la relación aire-combustible del gas de
escape que fluye hacia fuera del catalizador (12) de almacenamiento
de NO_{X} está dispuesto en el paso de escape del motor corriente
abajo del catalizador de almacenamiento de NO_{X}, y dichos medios
de juicio juzgan que la relación aire-combustible
del gas de escape que fluye hacia fuera del catalizador (11) de
adsorción y oxidación de HC se ha hecho rica cuando la relación
aire-combustible del gas de escape detectada por el
sensor de relación aire-combustible es
sustancialmente la relación aire-combustible
estequiométrica.
13. Un dispositivo de purificación de los gases
de escape como el expuesto en la reivindicación 11 ó 12, en el que
cuando dichos medios de juicio juzgan que la relación
aire-combustible del gas de escape que fluye hacia
fuera del catalizador (11) de adsorción y oxidación de HC no es
rica, dichos medios de adición de combustible aumentan la cantidad
de combustible (53) en partículas añadido desde los medios de
adición de combustible.
14. Un dispositivo de purificación de los gases
de escape como el expuesto en la reivindicación 13, en el que
cuando dichos medios de juicio juzgan que la relación
aire-combustible del gas de escape que fluye hacia
fuera del catalizador (11) de adsorción y oxidación de HC no es
rica, dichos medios de adición de combustible aumentan la cantidad
de combustible (53) en partículas añadido desde los medios de
adición de combustible cuando se juzga después que se debe liberar
NO_{X} desde el catalizador (12) de almacenamiento de
NO_{X}.
15. Un dispositivo de purificación de los gases
de escape como el expuesto en la reivindicación 1, en el que el
catalizador (12) de almacenamiento de NO_{X} está soportado en un
filtro (12a) de partículas para atrapar y oxidar la materia en
partículas contenida en el gas de escape.
16. Un dispositivo de purificación del gas de
escape como el expuesto en la reivindicación 15, en el que la
temperatura del filtro (12a) de partículas es aumentada bajo una
relación aire-combustible pobre del gas de escape
cuando la cantidad de materia en partículas depositada en el filtro
de partículas excede una cantidad permisible, y de este modo la
materia en partículas depositada es retirada por oxidación.
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