DE69724551T2 - Abgasreinigungsvorrichtung für Motor - Google Patents

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Description

  • Hintergrund der vorliegenden Erfindung
  • 1. Bereich der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Abgasreinigungsvorrichtung für einen Motor.
  • 2. Beschreibung des Stands der Technik
  • Die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 4-175416 offenbart eine Abgasreinigungsvorrichtung für einen Motor, die mit einem Katalysator versehen ist, der in einem Abgaskanal des Motors angeordnet ist, dabei ist der Katalysator aus Zeolith aufgebaut, das ein Übergangs- oder Edelmetall darauf trägt, was ein sogenannter Zeolithkatalysator ist und ist aufgebaut aus einer Katalysatortemperatur-Steuereinrichtung zum Steuern einer Temperatur von dem Zeolithkatalysator, um eine Katalysatortemperatur abwechselnd und wiederholt in einem sogenannten Temperaturfenster des Zeolithkatalysators anzuheben und abzusenken.
  • Andererseits entdeckten die Erfinder der vorliegenden Erfindung, dass der Zeolithkatalysator eine NOx-Adsorptionsfunktion hat, bei welcher der Katalysator zeitweilig die im einströmenden Abgas enthaltenen Stickoxide NOx adsorbiert und das die NOx-Adsorptionskapazität des Zeolithkatalysators niedriger wird, wenn die Katalysatortemperatur sinkt. Folglich steigert die Absenkung der Katalysatortemperatur die NOx-Adsorptionskapazität des Zeolithkatalysators und deshalb adsorbiert der Zeolithkatalysator vorübergehend NOx im einströmenden Abgas. Im Gegensatz dazu senkt eine Erhöhung der Katalysatortemperatur die NOx-Adsorptionskapazität des Zeolithkatalysators und deshalb desorbiert der Zeolithkatalysator das adsorbierte NOx. Das heißt die abwechselnde und wiederholte Anhebung und Absenkung der Katalysatortemperatur veranlasst, dass der Zeolithkatalysator die NOx-Adsorption und die NOx-Desorption und Reinigung abwechselnd und wiederholt ausführt.
  • Des weiteren haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung entdeckt, dass wenn das einströmende Abgas ein Reduktionsmittel beinhaltet, wie beispielsweise Kohlenwasserstoff (HC), beinahe das gesamte vom Zeolithkatalysator desorbierte NOx in einer Oxidationsatmosphäre durch das Reduktionsmittel reduziert und gereinigt wird. Folglich ist zum Reinigen von NOx im Abgas durch den Zeolithkatalysator vorzugsweise, die in dem Zeolithkatalysator adsorbierte NOx-Menge so groß wie möglich zu machen, wenn die Katalysatortemperatur abfällt. Außerdem ist, um die adsorbierte NOx-Menge so groß wie möglich zu machen, wenn die Katalysatortemperatur abfällt, vorzugsweise die von dem Zeolithkatalysator desorbierte NOx-Menge so groß wie möglich zu machen, wenn die Katalysatortemperatur ansteigt.
  • Wie vorstehend beschrieben, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung entdeckt, dass die NOx-Adsorptionskapazität des Zeolithkatalysators größer wird, wenn die Katalysatortemperatur niedriger wird. Mit anderen Worten wird die zu adsorbierende NOx-Menge in dem Zeolithkatalysator mit sinkender Katalysatortemperatur größer, wenn die Katalysatortemperatur abfällt. Die zu desorbierende NOx-Menge des Zeolithkatalysators wird mit steigender Katalysatortemperatur größer, wenn die Katalysatortemperatur ansteigt. Das heißt es ist effektiver für eine ausreichende NOx-Reinigung, die Katalysatortemperatur auf eine Temperatur abzusenken, bei der die NOx-Adsorptionskapazität beinahe ein Maximum wird und die Katalysatortemperatur auf eine Temperatur anzuheben, bei der die NOx-Adsorptionskapazität beinahe Null wird.
  • Als weiterer Stand der Technik ist das Dokument EP 0 540 280 ausgewiesen, welches eine Vorrichtung zum Verringern von Stickoxid in einem Verbrennungsmotor offenbart, wobei die Vorrichtung Einrichtungen zum Ermitteln oder Schätzen der Katalysatortemperatur aufweist. Des weiteren ist gemäß diesem Dokument ein Graph einer NOx-Adsorptionsrate in Abhängigkeit einer Abgastemperatur dargestellt, wobei zwei Werte T1 und T2 einbezogen sind. In der Beschreibung dieses Dokuments bezüglich des obigen Graphen ist der Wert T1 als NOx-Freisetzungs-Anfangstempertur gekennzeichnet, die sich von der Temperatur, bei der die Adsorptionskapazität des Katalysators Null ist unterscheidet. Die Zusammenfassung dieses Dokuments bezieht sich auf die technische Information dieses Dokuments mit NOx-Adsorption.
  • Nichtsdestotrotz offenbart das Dokument EP 0 540 280 Einrichtungen zum Ermitteln oder Schätzen der Katalysatortemperatur, wobei die Katalysatortemperatur beginnt anzusteigen, wenn die Menge des adsorbierten NOx einen vorherrschenden Schwellwert übersteigt und anfängt abzufallen, wenn eine vorherrschende Zeitspanne verstrichen ist.
  • In Anbetracht des Stands der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Abgasreinigungsvorrichtung für einen Motor bereitzustellen, die in der Lage ist, eine Menge an adsorbiertem NOx im Abgasreinigungskatalysator zu vergrößern, um dabei NOx ausreichend zu reinigen.
  • Diese Aufgabe ist gelöst durch eine Abgasreinigungsvorrichtung, welche die technischen Merkmale gemäß dem Patentanspruch 1 aufweist. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Die vorliegende Erfindung kann durch die Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen, wie sie nachfolgend aufgeführt sind, besser verstanden werden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • In den Zeichnungen ist Folgendes dargestellt:
  • 1 ist eine Gesamtdarstellung von einem Motor;
  • 2 ist eine Schnittdarstellung eines Abgasreinigungskatalysators;
  • 3 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einer NOx-Reinigungseffizienz eines Abgasreinigungskatalysators und der Katalysatortemperatur in einem stationären Zustand darstellt;
  • 4 ist ein Diagramm, das die NOx-Adsorptionskapazität des Abgasreinigungskatalysators veranschaulicht;
  • 5 ist ein Zeitdiagramm zur Erklärung des Abgasreinigungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 6 ist ein Flussdiagramm zum Steuern der Katalysatortemperatur;
  • 7 ist ein Flussdiagramm zum Steuern der Abgasreinigung;
  • 8 ist eine Gesamtansicht von einem Motor gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
  • 9 ist ein Flussdiagramm zum Steuern der Abgasreinigung in dem Ausführungsbeispiel, das in 8 dargestellt ist.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • 1 veranschaulicht einen Fall, bei dem die vorliegende Erfindung in einem Dieselmotor angewendet wird. Alternativ kann die vorliegende Erfindung in einem Motor mit Funkenzündung angewendet werden.
  • Bezug nehmend auf 1 kennzeichnet die Bezugsnummer 1 einen Zylinderblock, 2 kennzeichnet einen Kolben, 3 kennzeichnet einen Zylinderkopf, 4 kennzeichnet einen Brennraum, 5 kennzeichnet einen Einlasskanal, 6 kennzeichnet ein Einlassventil, 7 kennzeichnet einen Auslasskanal, 8 kennzeichnet ein Auslassventil, 9 kennzeichnet einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff direkt in den Brennraum 4 und 10 kennzeichnet eine vom Motor angetriebene Kraftstoffpumpe zum Zuführen von druckbeaufschlagtem Kraftstoff zum Kraftstoffinjektor 9. Die Einlasskanäle 5 eines jeden Zylinders sind mit einem gemeinsamen Ausgleichsbehälter 12 über entsprechende Abzweigungen 11 verbunden und der Ausgleichsbehälter 12 ist über ein Ansaugrohr 13 mit einem Luftreiniger 14 verbunden. Ein Ansaugsteuerventil 16 ist in dem Ansaugrohr 13 angeordnet und wird von einem Aktuator 15 vom Typ der Unterdruck- oder elektromagnetischen Aktuatoren angetrieben. Das Ansaugsteuerventil 16 wird gewöhnlich vollständig offen gehalten und wird leicht geschlossen, wenn die Motorbelastung sehr niedrig ist. Andererseits sind die Auslasskanäle 7 eines jeden Zylinders mit einem gemeinsamen Abgaskrümmer 17 verbunden und der Abgaskrümmer 17 ist mit einem katalytischen Wandler 19 verbunden, der einen NO2-Synthesekatalysator 18 darin aufnimmt. Der Wandler 19 ist über ein Auspuffrohr 20 mit einem katalytischen Wandler 22 verbunden, der einen Abgasreinigungskatalysator 21 darin aufnimmt. Wie nachfolgend erwähnt wird, ist die Temperatur des Abgases, das zum Katalysator 21 strömt, vorzugsweise so niedrig wie möglich und folglich wird der Katalysator 21, wie in 1 dargestellt, im Abgaskanal soweit stromabwärts wie möglich angeordnet. Zum Beispiel kann der Katalysator 21 in einem Auspuff (nicht dargestellt) angeordnet werden. Zu beachten ist, dass die Kraftstoffpumpe 10 und der Aktuator 15 durch Ausgabesignale einer elektronischen Steuereinheit 31 gesteuert werden.
  • Der in 1 dargestellte Katalysator 21 wird gebildet von einem elektrisch beheizten Katalysator oder einem Katalysator mit einem elektrischen Heizer. Das heißt der Katalysator 21 ist, wie in 2 dargestellt, in einer Form eines flachen Metallblechs 23 und eines gewellten Metallblechs 24, die konzentrisch und abwechselnd aufgewickelt werden. Die katalytischen Teilchen werden auf den Metallblechen 23 und 24 getragen. Wenn der elektrische Strom durch die Metallbleche 23 und 24 fließt, erzeugen die Metallbleche 23 und 24 Wärme, um dabei die katalytischen Teilchen zu erwärmen. Folglich bilden die Metallbleche 23 und 24 den katalytischen Träger, während sie als elektrische Heizer wirken. Der Heizer wird durch ein Ausgabesignal der elektronischen Steuereinheit 30 gesteuert.
  • Unter Bezugnahme auf 1 ist noch einmal ein Reduktionsmittelinjektor 25 im Auspuffrohr 20 zum sekundären Zuführen eines Reduktionsmittels angeordnet. Ein Kohlenwasserstoff, wie z. B. Benzin, Isooktan, Hexan, Heptan, Gasöl und Kerosin oder ein Kohlenwasserstoff, der in einer flüssigen Form gespeichert werden kann, wie z. B. Butan oder Propan kann als Reduktionsmittel verwendet werden. Der Dieselmotor, der in 1 dargestellt ist, verwendet jedoch Motorkraftstoff, der von der Kraftstoffeinspritzdüse 9 als Reduktionsmittel einzuspritzen ist. Folglich ist es nicht erforderlich, einen zusätzlichen Vorratsbehälter für das Reduktionsmittel vorzusehen. Zu beachten ist, dass der Reduktionsmittelinjektor 25 durch Ausgabesignale der elektronischen Steuereinheit 30 gesteuert wird.
  • Die elektronische Steuereinheit (ECU) 30 ist als ein Digitalcomputer aufgebaut und weist folgende Elemente auf: Einen Festwertspeicher (ROM) 32, einen Schreib-/Lese-Speicher (RAM) 33, eine CPU (Mikroprozessor) 34, einen Eingabeanschluss 35 und einen Ausgabeanschluss 36, welche miteinander über einen bidirektionalen Bus 31 verbunden sind. Ein Unterdrucksensor 37 ist im Ausgleichsbehälter 11 angeordnet und erzeugt eine Ausgabespannung im Verhältnis zum Druck im Ausgleichsbehälter 11. Die Ausgabespannung des Sensors 37 wird in den Eingabeanschluss 35 über einen A/D-Wandler 38 eingegeben. Ein Temperatursensor 39 ist im Katalysator 21 angeordnet und erzeugt eine Ausgabespannung im Verhältnis zur Temperatur TC des Katalysators 21. Die Ausgabespannung vom Sensor 39 wird in den Eingabeanschluss 35 über einen A/D-Wandler 40 eingegeben. Der Eingabeanschluss 35 wird auch mit einem Kurbelwinkelsensor 41 verbunden, der immer dann einen Impuls erzeugt, wenn eine Kurbelwelle um beispielsweise 30 Grad gedreht wird. Entsprechend dieser Impulse errechnet die CPU 34 die Motorgeschwindigkeit N. Ein Niederdrücksensor 43 ist mit einem Gaspedal 42 verbunden und erzeugt eine Ausgabespannung im Verhältnis zur Niederdrückung DEP eines Gaspedals 42. Die Ausgabespannung vom Sensor 43 wird über einen A/D-Wandler 44 in den Eingabeanschluss 35 eingegeben. Der Ausgabeanschluss 36 ist über entsprechende Ansteuerschaltkreise 45 verbunden mit der Kraftstoffpumpe 10, dem Aktuator 15, dem Reduktionsmittelinjektor 25 und einem Relais 46 zum Steuern der elektrischen Energieversorgung zum dem Katalysator 21.
  • Der Abgasreinigungskatalysator 21 hat ein Edelmetall, wie z. B. Platin Pt und Palladium Pd, oder Übergangsmetall, wie z. B. Kupfer Cu und Eisen Fe, das durch einen Ionenaustauschprozess auf einem porösen Träger, wie z. B. Zeolith und Aluminium, getragen wird, das auf dem Metallblechen 23 und 24 getragen wird. In der Oxidationsatmosphäre, in der das Reduktionsmittel, wie z. B. Kohlenwasserstoff (HC) und Kohlenmonoxid (CO), enthalten ist, kann der Katalysator 21 wahlweise NOx in dem einströmenden Abgas mit dem Kohlenwasserstoff und dem Kohlenmonoxid reagieren, um dabei das NOx zu Stickstoff N2 zu reduzieren. Das heißt der Katalysator 21 kann NOx in dem einströmenden Abgas in der Oxidationsatmosphäre reduzieren, selbst wenn das einströmende Abgas das Reduktionsmittel enthält. Zu beachten ist, dass die folgende Erklärung für den Fall gemacht wird, bei dem der Katalysator 21 einen Pt-Zeolith-Katalysator aufweist, in dem Platin Pt auf Zeolith getragen wird. Jedoch kann auf die folgende Erklärung für andere Typen von Katalysatoren verwiesen werden.
  • 3 veranschaulicht die Beziehung zwischen einer NOx-Reinigungseffizienz EN des Abgasreinigungskatalysators 21 und der Katalysatortemperatur TC. Wie in 3 zu sehen ist, wird die NOx-Reinigungseffizienz EN zur Maximaleffizienz ENM, wenn die Katalysatortemperatur TC gleich zu TM ist und wird niedriger, wenn die Katalysatortemperatur TC niedriger wird als TM oder wenn TC höher wird als TM. Des weiteren wird die NOx-Reinigungseffizienz EN höher gehalten als eine zulässige minimale Reinigungseffizienz ENTOR, wenn die Katalysatortemperatur in einem Bereich zwischen der unteren Grenztemperatur TL und einer oberen Grenztemperatur TU ist, d. h. wenn die Katalysatortemperatur innerhalb eines Fensters ist. Zu beachten ist für den Pt-Zeolith-Katalysator, dass die Maximaleffizienz ENM in einem Bereich von 30% bis 50% ist und die zulässige Minimalreinigungseffizienz ENTOR in einem Bereich von 15% bis 25% ist. In diesem Fall ist die untere Grenztemperatur TL ungefähr 200°C und die obere Grenztemperatur TU ist ungefähr 300°C.
  • Wie am Anfang beschrieben, wurde herausgefunden, dass der Pt-Zeolith-Katalysator 21 eine NOx-Adsorptionsfunktion hat, bei der vorübergehend NOx im einströmenden Abgas adsorbiert wird. Obwohl in diesem Fall der NOx-Adsorptionsmechanismus nicht komplett eindeutig ist, wird davon ausgegangen, dass NOx in dem einströmenden Abgas auf den Oberflächen der Platin Pt Teilchen in Form von NO2 durch chemische Adsorption adsorbiert wird.
  • Außerdem wurde herausgefunden, dass die NOx-Adsorptionskapazität NAC des Pt-Zeolith-Katalysators 21 größer wird, wenn die Katalysatortemperatur TC niedriger wird, wie in 4 dargestellt. Folglich, wenn die Katalysatortemperatur TC abfällt, steigt die NOx-Adsorptionskapazität NAC an und deshalb wird NOx im einströmenden Abgas in dem Pt-Zeolith-Katalysator 21 gemäß des Anstiegs der NOx-Adsorptionskapazität NAC weiter adsorbiert. Wenn andererseits die Katalysatortemperatur TC ansteigt, verringert sich die NOx-Adsorptionskapazität NAC und deshalb wird das in dem Pt-Zeolith-Katalysator 21 adsorbierte NOx entsprechend der Abnahme der NOx-Adsorptionskapazität NAC desorbiert.
  • Beinahe das gesamte im Pt-Zeolith-Katalysator 21 desorbierte NOx wird in der Oxidationsatmosphäre, die das Reduktionsmittel beinhaltet, reduziert und gereinigt. Das Steuern der Katalysatortemperatur TC zum wahlweißen und wiederholten Ansteigen und Abfallen, um dadurch den Pt-Zeolith-Katalysator 21 dazu zu veranlassen, die NOx-Adsorption und die NOx-Desorption auszuführen und die Reduktion wahlweise und wiederholt auszuführen, liefert dementsprechend eine zureichende NOx-Reinigung. Dies ist das grundsätzliche Abgasreinigungsverfahren der vorliegenden Erfindung.
  • Zur Steigerung der Menge an zu reinigendem NOx ist es erforderlich, die Menge an zu adsorbierendem NOx in dem Pt-Zeolith-Katalysator 21 bei sinkender Katalysatortemperatur zu erhöhen. Außerdem ist es zur Steigerung der Menge an zu adsorbierendem NOx in dem Pt- Zeolith-Katalysator 21 bei sinkender Katalysatortemperatur erforderlich, die Menge des vom Pt-Zeolith-Katalysators 21 desorbierten NOx zu erhöhen wenn die Katalysatortemperatur ansteigt, um dadurch die NOx-Adsorptionskapazität des Pt-Zeolith-Katalysators 21 sicherzustellen.
  • Andererseits, wie vorstehend beschrieben, wird die NOx-Adsorptionskapazität des Pt-Zeolith-Katalysators 21 größer, wenn die Katalysatortemperatur TC niedriger wird. Folglich wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Katalysatortemperatur TC so gesteuert, dass sie auf eine niedrigere Grenztemperatur LTH abfällt, bei der die NOx-Adsorptionskapazität NAC im wesentlichen die maximale Kapazität CMAX (in 4 dargestellt) wird, wenn die Katalysatortemperatur so gesteuert wird, dass sie abfällt. Zu beachten ist, dass die Maximalkapazität CMAX bestimmt wird von dem Volumen des Pt-Zeolith-Katalysators 21, der Oberfläche der Katalysatorteilchen oder der Katalysatorteilchen. Folglich führt die Steuerung der Katalysatortemperatur TC zum Abfallen auf eine untere Grenztemperatur LTH dazu, dass die adsorbierte NOx-Menge QAN maximal wird. Außerdem, wenn die Katalysatortemperatur im vorliegenden Ausführungsbeispiel so gesteuert wird, dass sie ansteigt, wird die Katalysatortemperatur so gesteuert, dass sie auf eine obere Grenztemperatur UTH ansteigt, bei der die NOx-Adsorptionskapazität NAC im wesentlichen Null wird (in 4 dargestellt). Dies macht die adsorbierte NOx-Menge QAN im wesentlichen zu Null und erlaubt folglich dem Pt-Zeolith-Katalysator 21 eine große Menge an NOx in den aufeinander folgenden NOx-Adsorptionsprozess zu adsorbieren. Insgesamt wird bei dem Dieselmotor, der in 1 dargestellt ist, die Katalysatortemperatur so gesteuert, dass sie wahlweise und wiederholt ansteigt und abfällt und wird so gesteuert, dass sie auf eine obere Grenztemperatur UTH ansteigt, wenn die Katalysatortemperatur ansteigt und wird so gesteuert, dass sie auf eine untere Grenztemperatur LTH abfällt, wenn die Katalysatortemperatur abfällt.
  • Zu beachten ist, dass herausgefunden wurde, dass die untere und die obere Grenztemperatur LTH und UTH des Pt-Zeolith-Katalysators 21 ungefähr 150°C beziehungsweise ungefähr 350°C ist. Folglich ist die untere Grenztemperatur LTH niedriger als die untere Grenztemperatur TL, wobei das Fenster des Pt-Zeolith-Katalysators 21 definiert wird (wie in 3 dargestellt) und die obere Grenztemperatur UTH ist höher als die obere Grenztemperatur TU, wobei das Fenster definiert wird. Deshalb, wenn die Katalysatortemperatur so gesteuert wird, dass sie zwischen der oberen Grenztemperatur UTH und der unteren Grenztemperatur LTH ansteigt und abfällt, übersteigt die Katalysatortemperatur das Fenster des Pt-Zeolith-Katalysators 21. Mit anderen Worten wird in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Katalysatortemperatur so gesteuert, dass sie über das Fenster hinaus ansteigt und unter das Fenster hinaus abfällt.
  • Als nächstes wird das Abgasreinigungsverfahren der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme des Zeitdiagramms, das in 5 dargestellt ist, weiter erklärt.
  • Unter Bezugnahme auf 5 stellt die Zeitspanne vom Zeitpunkt "a" bis "b" einen Fall dar, bei dem die Katalysatortemperatur abfällt. Während die Katalysatortemperatur TC niedriger wird, wird die adsobierte NOx-Menge QAN des Pt-Zeolith-Katalysators 21 größer und eine Konzentration CNO des NOx in dem Abgas am Auslass des Pt-Zeolith-Katalysators 21 wird niedriger und wird dann im wesentlichen Null. Zu beachten ist, dass CNI, das in 5 dargestellt ist, eine Konzentration von NOx in dem Abgas am Einlass des Pt-Zeolith-Katalysators 21 repräsentiert. Somit ist ersichtlich, dass beinahe das gesamte NOx in dem einströmenden Abgas in dem Pt-Zeolith-Katalysator 21 adsorbiert wird, wenn die Katalysatortemperatur abfällt. Wenn als nächstes die Katalysatortemperatur TC zur unteren Grenztemperatur LTH wird, wird die adsorbierte NOx-Menge QAN zur Maximalmenge QMAX entsprechend der Maximalkapazität CMAX des Pt-Zeolith-Katalysators 21.
  • Die nachfolgende Zeitspanne "b" bis "c" stellt einen Fall dar, bei dem die Katalysatortemperatur ansteigt, während die Katalysatortemperatur TC höher wird, wird die adsorbierte NOx-Menge QAN kleiner. Das heißt NOx wird vom Pt-Zeolith-Katalysator 21 desorbiert. Beinahe das gesamte desorbierte NOx wird reduziert und gereinigt. Andererseits, wenn die Katalysatortemperatur ansteigt, wird das NOx im einströmenden Abgas gereinigt und zwar im wesentlichen mit der NOx-Reinigungseffizienz EN (siehe 3) abhängig von der Katalysatortemperatur TC zu diesem Zeitpunkt. Wenn als nächstes die Katalysatortemperatur TC eine obere Grenztemperatur UTH erreicht, wird die adsorbierte NOx-Menge QAN im wesentlichen zu Null.
  • Der Temperaturverringerungsprozess wird in der nachfolgenden Zeitspanne vom Zeitpunkt "c" bis "d" ausgeführt und der Temperatursteigerungsprozess wird in der nachfolgenden Zeitspanne vom Zeitpunkt "d" bis "e" ausgeführt. Auf diese Art und Weise wird der Temperatursteigerungsprozess und der Temperaturverringerungsprozess wahlweise und wiederholt ausgeführt.
  • In Anbetracht der Reinigung des NOx, das in den Pt-Zeolith-Katalysator 21 strömt, ist die NOx-Reinigungseffizienz ((CNO – CNI)/CNI) in dem Temperaturerhöhungsprozess niedriger als die in dem Temperatursenkungsprozess. Folglich wird vorzugsweise die Katalysatortemperatur TC so gesteuert, dass sie schnell auf eine obere Grenztemperatur UTH ansteigt, um dadurch die für den Temperaturerhöhungsprozess erforderliche Zeitspanne so weit wie möglich zu verkürzen. Wenn des weiteren die Katalysatortemperatur TC so gesteuert wird, dass sie schnell auf eine untere Grenztemperatur LTH abfällt, wird die NOx-Adsorptionskapazität des Pt-Zeolith-Katalysators 21 schnell gleich dessen Maximalkapazität. In diesem Fall kann die Katalysatortemperatur TC auf einer unteren Grenztemperatur LTH gehalten werden, bis die adsorbierte NOx-Menge QAN die Maximalmenge QMAX erreicht.
  • Wenn jedoch die Katalysatortemperatur TC so gesteuert wird, dass sie beim Temperaturverringerungsprozess schnell abfällt, wird NO in dem einströmenden Abgas in dem Pt-Zeolith-Katalysator 21 nicht zu NO2 oxidiert. Infolgedessen kann NO vom Pt-Zeolith-Katalysator 21 ausgestoßen werden ohne darin adsorbiert zu werden. Folglich wird in dem Dieselmotor, der in 1 dargestellt ist, der NO2-Synthesekatalysator 18 im Abgaskanal stromaufwärts von dem Pt-Zeolith-Katalysator 21 und dem Reduktionsmittelinjektor 25 angeordnet, um NO im einströmenden Abgas zu NO2 zu oxidieren. Dementsprechend ist beinahe das gesamte NOx, das in den Pt-Zeolith-Katalysator 21 einströmt in der Form von NO2 und folglich kann NOx effektiv in dem Pt-Zeolith-Katalysator 21 adsorbiert werden. Zu beachten ist, dass der NO2-Synthesekatalysator 18 ein sogenannter Oxidationskatalysator sein kann.
  • Zur Steuerung der Katalysatortemperatur TC des Pt-Zeolith-Katalysators 21, d. h. zum Steigern oder Verringern der Katalysatortemperatur TC, kann jedes Verfahren angewendet werden. In dem Dieselmotor, der in 1 dargestellt ist, besteht der Pt-Zeolith-Katalysator 21 aus einem Katalysator mit dem Heizer wie vorstehend beschrieben und der Heizer wird eingeschaltet, wenn die Katalysatortemperatur TC zu steigern ist und ausgestaltet, wenn die Katalysatortemperatur zu verringern ist. Wenn der Heizer abgeschaltet wird, fällt die Katalysatortemperatur auf eine Temperatur der Abgase ab, welche in den Pt-Zeolith-Katalysator 21 strömen. In diesem Fall wird der Pt-Zeolith-Katalysator 21 in dem stromabwärtigen Abschnitt des Abgaskanals wie vorstehend beschrieben angeordnet und folglich wird die Temperatur der Abgase, welche in den Pt-Zeolith-Katalysator 21 strömen niedrig gehalten. Zu beachten ist, dass eine sekundäre Luftzuführvorrichtung vorgesehen werden kann, um sekundär Luft zum Pt-Zeolith-Katalysator zuzuführen, wenn die Katalysatortemperatur zu verringern ist. Alternativ kann ein Kühlmittelkanal in dem Pt-Zeolith-Katalysator 21 ausgebildet werden und das Kühlmittel kann durch den Kühlmittelkanal zugeführt werden, wenn die Katalysatortemperatur zu verringern ist.
  • Wenn der Dieselmotor einen fetten Betrieb ausführt, indem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis bezüglich des stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses fett ist, kann unerwünschter Rauch oder Partikel von dem Zylinder abgeführt werden. Folglich führt der Dieselmotor, der in
  • 1 dargestellt ist, in jedem Zylinder einen mageren Betrieb aus, bei dem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis bezüglich des stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses mager ist. Deshalb ist das Abgas, das in den Pt-Zeolith-Katalysator 21 strömt, immer eine Oxidationsatmosphäre. Infolgedessen wird das von dem Pt-Zeolith-Katalysator 21 desorbierte NOx durch das Reduktionsmittel in dem einströmenden Abgas effektiv reduziert. In diesem Fall können unverbrannte HC und CO, die von dem Motor abgeführt werden, als Reduktionsmittel wirken. Jedoch ist die Menge von zu reinigendem NOx viel größer, als die der unverbrannten HC und CO, die von dem Motor abgeführt werden und das Reduktionsmittel wird zu gering sein, um das NOx ausreichend zu reinigen. Folglich wird das Reduktionsmittel sekundär durch den Reduktionsmittelinjektor 25 in das Auspuffrohr 20 zugeführt, um dadurch eine Verknappung von Reduktionsmitteln bezüglich NOx zu vermeiden.
  • Wenn die Katalysatortemperatur TC absinkt, wird beinahe das gesamte NOx, das in den Pt-Zeolith-Katalysator 21 strömt in dem Pt-Zeolith-Katalysator 21 adsorbiert und die Reduktion von NOx wird kaum durchgeführt. Folglich wenn das Reduktionsmittel zugeführt wird, wenn die Katalysatortemperatur abfällt, kann das Reduktionsmittel von dem Pt-Zeolith-Katalysator 21 abgeführt werden, ohne NOx zu reinigen. Deshalb wird in dem Dieselmotor, der in 1 dargestellt ist, die Zuführung von Reduktionsmitteln durch den Reduktionsmittelinjektor 25 nur ausgeführt, wenn die Katalysatortemperatur ansteigt und wird angehalten, wenn die Katalysatortemperatur abfällt.
  • Die 6 und 7 sind Routinen zum Ausführen der vorstehend genannten Ausführungsbeispiele. Diese Routinen werden mit Interrupts zu jedem vorherbestimmten Zeitpunkt ausgeführt.
  • 6 stellt eine Routine zum Steuern der Katalysatortemperatur dar.
  • Unter Bezugnahme auf 6 wird zuerst in Schritt 50 ermitteln, ob ein Temperaturerhöhungs-Bitschalter gesetzt ist. Der Temperaturerhöhungs-Bitschalter wird gesetzt, wenn die Katalysatortemperatur anzuheben ist und wird zurückgesetzt, wenn die Katalysatortemperatur zu verringern ist. Wenn der Temperaturerhöhungs-Bitschalter gesetzt ist, d. h. wenn die Katalysatortemperatur anzuheben ist, fährt die Routine zu Schritt 51 fort, wo ermittelt wird, ob die Katalysatortemperatur TC höher ist, als die obere Grenztemperatur UTH. Wenn TC > UTH fährt die Routine zu Schritt 51 fort, wo festgesetzt wird, dass die Katalysatortemperatur zu verringern ist und der Temperaturerhöhungs-Bitschalter zurückgesetzt wird. Dann ist der Prozesszyklus fertiggestellt. Im Gegensatz dazu, wenn TC ≤ UTH, dann wird der Prozesszyklus fertiggestellt, während der Temperaturerhöhungs-Bitschalter gesetzt bleibt.
  • Wenn jedoch der Temperaturerhöhungs-Bitschalter in Schritt 50 zurückgesetzt wird, d. h. wenn die Katalysatortemperatur zu verringern ist, fährt die Routine zu Schritt 53 fort, wo ermittelt wird, ob die Katalysatortemperatur TC niedriger ist, als die untere Grenztemperatur LTH. Wenn TC < LTH ist, dann fährt die Routine zu Schritt 54 fort, wo festgesetzt wird, dass die Katalysatortemperatur anzuheben ist und der Temperaturerhöhungs-Bitschalter gesetzt wird. Dann ist der Prozesszyklus fertiggestellt. Im Gegensatz dazu, wenn TC > LTH ist, wird der Prozesszyklus fertiggestellt, während der Temperaturerhöhungs-Bitschalter zurückgesetzt bleibt.
  • 7 zeigt eine Routine zum Steuern der Abgasreinigung.
  • Unter Bezugnahme auf 7 wird zuerst in Schritt 60 ermittelt, ob der Temperaturerhöhungs-Bitschalter gesetzt ist, welcher in der Routine, die in 6 dargestellt ist, gesetzt oder zurückgesetzt wird. Wenn der Temperaturerhöhungs-Bitschalter gesetzt ist, d. h. wenn die Katalysatortemperatur anzuheben ist, fährt die Routine zu Schritt 61 fort, wo der Heizer des Pt-Zeolith-Katalysators 21 eingeschaltet wird. Im nachfolgenden Schritt 62, wird die Zuführung des Reduktionsmittels durch den Reduktionsmittelinjektor 25 ausgeführt. Dann ist der Prozesszyklus fertiggestellt. Im Gegensatz dazu, wenn der Temperaturerhöhungs-Bitschalter in Schritt 60 zurückgesetzt ist, d. h. wenn die Katalysatortemperatur zu verringern ist, fährt die Routine zu Schritt 63 fort, wo der Heizer abgeschaltet wird. Im nachfolgenden Schritt 64, wird die Zufuhr von Reduktionsmitteln durch den Reduktionsmittelinjektor 25 angehalten. Dann ist der Prozesszyklus fertiggestellt.
  • 8 veranschaulicht ein anderes Ausführungsbeispiel. In 8 werden gleiche Bezugsnummern verwendet, um ähnliche Bauteile wie in 1 zu kennzeichnen.
  • Unter Bezugnahme auf 8 ist ein Kraftstoffinjektor 9a im Brennraum 4 zum Einspritzen von Kraftstoff direkt in den Brennraum 4 angeordnet und ist vom Typ der elektromagnetischen Kraftstoffinjektoren. Der Kraftstoffinjektor 9a ist über einen Kraftstoffspeicherraum 70, den alle Kraftstoffinjektoren aller Zylinder gemeinsam haben, mit der Kraftstoffpumpe 10 verbunden. Dies gestattet eine Vielzahl von Kraftstoffinjektionen in einem Verbrennungszyklus eines jeden Zylinders. In dem in 8 dargestellten Pt-Zeolith-Katalysator 21 ist kein Heizer vorgesehen. Des weiteren werden der Reduktionsmittelinjektor und der NO2-Synthesekatalysator, die in 1 dargestellt sind, weggelassen.
  • In dem Dieselmotor, der in 8 dargestellt ist, sowie in dem Dieselmotor, der in 1 dargestellt ist, wird die Katalysatortemperatur so gesteuert, dass sie wahlweise und wiederholt ansteigt und abfällt. Des weiteren wird die Katalysatortemperatur TC auf eine obere Grenztemperatur UTH gesteuert, wenn die Katalysatortemperatur ansteigt und wird auf eine untere Grenztemperatur LTH gesteuert, wenn die Katalysatortemperatur abfällt. Des weiteren wird Reduktionsmittel zum Pt-Zeolith-Katalysator 21 zugeführt, um NOx effektiv zu reduzieren. Jedoch wird in dem Dieselmotor, der in 8 dargestellt ist, das Reduktionsmittel durch den Kraftstoffinjektor 9a zugeführt. Das heißt die Kraftstoffeinspritzung wird in einem Zyklus zweimal durchgeführt, dabei ist die erste die normale Kraftstoffeinspritzung, die beispielsweise beim oberen Totpunkt des Kompressionstakts durchgeführt wird, die zweite ist eine sekundäre Kraftstoffeinspritzung, die beim Expansions- oder Auslasstakt des Motors durchgeführt wird, um dabei das Reduktionsmittel zum Abgas zuzuführen. Zu beachten ist, dass der Kraftstoff, der durch die sekundäre Kraftstoffeinspritzung eingespritzt wird, selten zur Motorleistung beiträgt.
  • Es wurde herausgefunden, dass der Zeolithkatalysator, wie z. B. der Pt-Zeolith-Katalysator 21 eine HC-Adsorption und Desorption ausführt, bei der der Katalysator HC im einströmenden Abgas in seinen Mikroporen durch physikalische Adsorption adsorbiert, wenn die Katalysatortemperatur niedrig ist und den adsorbierten HC desorbiert, wenn die Katalysatortemperatur höher wird. Des weiteren wird davon ausgegangen, dass HC und NOx von dem Pt-Zeolith-Katalysator 21 sehr nahe beieinander desorbiert werden und folglich das von dem Pt-Zeolith-Katalysator 21 desorbierte NOx effektiv gereinigt werden kann. Deshalb wird in dem in 8 dargestellten Dieselmotor die sekundäre Kraftstoffeinspritzung durchgeführt, selbst wenn die Katalysatortemperatur abfällt, um das Reduktionsmittel zum Pt-Zeolith-Katalysator 21 zuzuführen. Jedoch ist die HC-Adsorptionskapazität des Pt-Zeolith-Katalysators 21 relativ klein. Folglich ist die Menge an Kraftstoff, der durch die zweite Kraftstoffeinspritzung eingespritzt wird, wenn die Katalysatortemperatur TC abfällt, kleiner als die, wenn die Katalysatortemperatur ansteigt.
  • Des weiteren wird in dem Dieselmotor, der in 8 dargestellt ist, die sekundäre Kraftstoffeinspritzzeitsteuerung so gesteuert, dass die Katalysatortemperatur TC gesteuert wird. Das heißt wenn die Sekundärkraftstoffeinspritzzeitsteuerung vorgezogen wird, steigt die Menge an Sekundärkraftstoff, der in Brennraum 4 verbrannt wird und folglich steigt die Temperatur der Abgase, die in den Pt-Zeolith-Katalysator 21 strömen an. Infolgedessen erhöht sich die Katalysatortemperatur. Im Gegensatz dazu wenn die Sekundärkraftstoffeinspritzzeitsteuerung verzögert wird, sinkt die Menge an Sekundärkraftstoff, die in dem Brennraum 4 verbrannt wird und folglich sinkt die Temperatur der Abgase, die in den Pt-Zeolith-Katalysator 21 strömen. Infolgedessen sinkt die Katalysatortemperatur. Beispielsweise kann die Sekundärkraftstoffeinspritzzeitsteuerung auf 90°CA nach dem oberen Totpunkt der Kompression eingestellt werden, wenn die Katalysatortemperatur zu erhöhen ist und kann auf 150°CA nach dem oberen Totpunkt der Kompression eingestellt werden, wenn die Katalysatortemperatur zu verringern ist.
  • 9 stellt eine Routine zur Steuerung der Abgasreinigung dar, welche vorstehend genannt wurde. Diese Routine wird mit einem Interrupt zu jedem festgesetzten Zeitpunkt ausgeführt.
  • Unter Bezugnahme auf 9 wird zuerst in Schritt 80 ermittelt, ob der Temperaturerhöhungs-Bitschalter gesetzt ist, welcher in der Routine, die in 6 dargestellt ist, gesetzt oder zurückgesetzt wird. Wenn der Temperaturerhöhungs-Bitschalter gesetzt ist, d. h. wenn die Katalysatortemperatur anzuheben ist, fährt die Routine zu Schritt 81 fort, wo die Sekundärkraftstoffeinspritzzeitsteuerung vorgezogen wird. Im folgenden Schritt 82, wird die Menge an Reduktionsmittel erhöht. Dann ist der Prozesszyklus fertiggestellt. Im Gegensatz dazu, wenn der Temperaturerhöhungs-Bitschalter in Schritt 80 zurückgesetzt ist, d. h. wenn die Katalysatortemperatur zu verringern ist, fährt die Routine zu Schritt 83 fort, wo die Sekundärkraftstoffeinspritzzeitsteuerung verzögert wird. Im nachfolgenden Schritt 84, wird die Menge an Reduktionsmittel verringert. Dann ist der Prozesszyklus fertiggestellt.
  • In den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist der Temperatursensor 39 zum Ermitteln der Katalysatortemperatur TC vorgesehen. Jedoch kann die Katalysatortemperatur TC auf der Basis der Temperatur der Abgase, welche in den Pt-Zeolith-Katalysator 21 strömen, geschätzt werden und die Abgastemperatur kann auch auf der Basis des Motorbetriebszustands geschätzt werden, wie beispielsweise der Niederdrückung DEP des Gaspedals 40 und der Motorgeschwindigkeit N. Infolgedessen kann die Katalysatortemperatur TC auf der Grundlage des Motorbetriebszustands geschätzt werden.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Abgasreinigungsvorrichtung für einen Motor bereitzustellen, die eine Menge an adsorbierten NOx im Abgasreinigungskatalysator vergrößert, um dabei NOx ausreichend zu reinigen.
  • Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme zu spezifischen Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, die zum Zwecke der Veranschaulichung ausgewählt wurden, sollte ersichtlich sein, dass zahlreiche Modifikationen, von denen, die mit dem Stand der Technik vertraut sind, gemacht werden können, ohne vom Grundkonzept und dem Rahmen der Erfindung abzuweichen.
  • Eine Abgasreinigungsvorrichtung für einen Motor hat einen Abgasreinigungskatalysator mit einem elektrischen Heizer, der in dem Abgaskanal angeordnet ist, der in der Lage ist, vorübergehend NOx im einströmenden Abgas zu adsorbieren. Eine NOx-Adsorptionskapazität von dem Abgasreinigungskatalysator wird größer, wenn eine Temperatur von dem Abgasreinigungskatalysator größer wird. Der Heizer wird wahlweise und wiederholt ausgeschaltet, um dabei die Katalysatortemperatur anzuheben und zu verringern. NOx wird im einströmenden Abgas in dem Abgasreinigungskatalysator adsorbiert, wenn die Katalysatortemperatur abfällt und das adsorbierte NOx wird von dem Abgasreinigungskatalysator desorbiert und reduziert, wenn die Katalysatortemperatur ansteigt. Die Katalysatortemperatur wird so gesteuert, dass sie auf eine erste Grenztemperatur ansteigt, bei der die NOx-Adsorptionskapazität von dem Abgasreinigungskatalysator im wesentlichen Null ist und wird so gesteuert, dass sie auf eine erste untere Grenztemperatur abfällt, bei der die NOx-Adsorptionskapazität von dem Abgasreinigungskatalysator im wesentlichen maximal ist.

Claims (9)

  1. Abgasreinigungsvorrichtung für einen Motor, der einen Abgaskanal (17) hat, weist folgende Elemente auf: einen Abgasreinigungskatalysator (21), der im Abgaskanal (17) angeordnet ist und dazu in der Lage ist, kurzweilig NOx aus dem darin enthaltenen, einströmenden Gas zu adsorbieren, dabei wird dessen NOx Adsorptionskapazität größer, wenn eine Temperatur des Abgasreinigungskatalysators (21) höher wird; eine Katalysatortemperatur-Steuereinrichtung zum Steuern der Temperatur des Abgasreinigungskatalysators (21); und eine Einrichtung zum Ermitteln der Katalysatortemperatur oder zum Schätzen der Katalysatortemperatur auf der Basis der Abgastemperatur oder des Motorbetriebszustands, wobei die Katalysatortemperatur-Steuereinrichtung auf der Basis der ermittelten oder geschätzten Katalysatortemperatur die momentane Katalysatortemperatur steuert, um sie abwechselnd und wiederholt anzuheben und abzusenken, um dabei NOx aus dem einströmenden Abgas im Abgasreinigungskatalysator (21) zu adsorbieren, falls die Katalysatortemperatur fällt, sowie das in dem Abgasreinigungskatalysator adsorbierte NOx zu desorbieren und das NOx zu reduzieren, wenn die Katalysatortemperatur ansteigt, wobei falls die Katalysatortemperatur auf eine erste untere Grenztemperatur (LHT) gefallen ist, bei der die NOx Adsorptionskapazität des Abgasreinigungskatalysators im Wesentlichen ein Maximum ist, wird die Katalysatortemperatur so gesteuert, dass sie auf eine erste obere Grenztemperatur (UTH) ansteigt, bei der die NOx Adsorptionskapazität des Abgasreinigungskatalysators im Wesentlichen Null ist und falls die Katalysatortemperatur auf die erste obere Grenztemperatur (UTH) gesteigert ist, wird sie so gesteuert, dass sie auf die erste untere Grenztemperatur (LTH) abfällt.
  2. Abgasreinigungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, die darüber hinaus eine Reduktionsmittelzuführeinrichtung (25, 30) zum Zuführen eines Reduktionsmittels an das Abgas hat, welches zum Abgasreinigungskatalysator (21) strömt, wobei die zuzuführende Menge des Reduktionsmittels, wenn die Katalysatortemperatur ansteigt, größer ist als jene, wenn die Katalysatortemperatur abfällt.
  3. Abgasreinigungsvorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei die Reduktionsmittelzuführeinrichtung (25, 30) die Zuführung von Reduktionsmittel unterbricht, wenn die Katalysatortemperatur abfällt.
  4. Abgasreinigungsvorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei der Motor einen Kraftstoffinjektor (9) hat, der in einem Brennraum (4) eines Motors zum Einspritzen von Kraftstoff direkt in den Brennraum (4) angeordnet ist, wobei die Reduktionsmittelzuführeinrichtung (25, 30) eine Kraftstoffeinspritz-Steuereinrichtung (30) zum Steuern eines Kraftstoffinjektors (25) aufweist, um Kraftstoff sekundär zum Expansions- oder Auslasstakt des Motors einzuspritzen und wobei die Sekundärkraftstoffeinspritzung ausgeführt wird, wenn die Zuführung des Reduktionsmittels auszuführen ist.
  5. Abgasreinigungsvorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei die Katalysatortemperatur-Steuereinrichtung eine Kraftstoffeinspritzungszeitpunktsteuereinrichtung zum Steuern des Kraftstoffinjektors (25) hat, um die Zeitpunktsteuerung der Sekundärkraftstoffeinspritzung zu steuern, wobei die Zeitpunktsteuerung der Sekundärkraftstoffeinspritzung vorgezogen wird, wenn die Katalysatortemperatur zu steigern ist und die Zeitpunktsteuerung der Sekundärkraftstoffeinspritzung (25) verzögert wird, wenn die Katalysatortemperatur zu senken ist.
  6. Abgasreinigungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Abgasreinigungskatalysator einen Katalysator mit einem elektrischen Heizer (23, 24) aufweist, wobei die Katalysatortemperatur-Steuereinrichtung den elektrischen Heizer anschaltet, wenn die Katalysatortemperatur zu steigern ist und den elektrischen Heizer abschaltet, wenn die Katalysatortemperatur zu senken ist.
  7. Abgasreinigungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei eine NOx Reinigungseffektivität in einem statischen Zustand des Abgasreinigungskatalysators niedriger ist als eine zulässige minimale NOx Reinigungseffektivität, falls die Katalysatortemperatur niedriger als eine zweite untere Grenztemperatur ist, wobei die erste untere Grenztemperatur niedriger angesetzt wird als die zweite untere Grenztemperatur.
  8. Abgasreinigungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei ein NO2 Synthesekatalysator (18) im Abgaskanal stromaufwärts vom Abgasreinigungskatalysator (21) angeordnet ist, um NO2 aus NO in dem einströmenden Gas künstlich herzustellen.
  9. Abgasreinigungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Abgasreinigungskatalysator (18) Edelmetall aufweist, wie Platin Pt und Palladium Pd oder Übergangsmetall, wie Kupfer Cu und Eisen Fe, das von einem porösen Träger, wie Zeolith und Aluminiumoxid, getragen wird.
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