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Dokumentenidentifikation DE102004007922A1 26.08.2004
Titel Abgasreinigungsvorrichtung und -verfahren für einen Verbrennungsmotor
Anmelder Honda Motor Co., Ltd., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Yasui, Yuji, Wako, Saitama, JP;
Iwamoto, Jun, Wako, Saitama, JP;
Ogihara, Hidemi, Wako, Saitama, JP
Vertreter Weickmann & Weickmann, 81679 München
DE-Anmeldedatum 18.02.2004
DE-Aktenzeichen 102004007922
Offenlegungstag 26.08.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.08.2004
IPC-Hauptklasse B01D 53/94
IPC-Nebenklasse F01N 3/08   
Zusammenfassung Erfindungsgemäß werden eine Abgasreinigungsvorrichtung und ein solches Verfahren für einen Verbrennungsmotor sowie eine Motorsteuereinheit angegeben, um die einem selektiven NOx-Reduktionskatalysator (8) zugeführte Reduktionsmittelmenge geeignet zu bestimmen, um gute Abgaseigenschaften sicherzustellen. Erfindungsgemäß umfasst die Abgasreinigungsvorrichtung (1): eine ECU (2); einen selektiven NOx-Reduktionskatalysator (8) zum Reinigen von NOx in Abgasen in einem Auspuffrohr (7); einen NOx-Sensor (20), der in dem Auspuffrohr (7) stromab des selektiven NOx-Reduktionskatalysators (8) angeordnet ist, um eine NOx-Konzentration in den Abgasen zu erfassen; sowie eine Einspritzdüse (14) zum Versorgen des selektiven NOx-Reduktionskatalysators (8) mit Ammoniak, der in einer Ammoniakproduktionseinheit (10) produziert wird. Die ECU (2) bestimmt die Ammoniakmenge (Tinh), die durch die Einspritzdüse (14) zu dem selektiven NOx-Reduktionskatalysator (8) eingespritzt wird, sodass eine Schätzung (Vnox_hat) der von dem NOx-Sensor (20) erfassten NOx-Konzentration einen Minimalwert (Vonx_hmin) erreicht.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsvorrichtung und ein Abgasreinigungsverfahren für einen Verbrennungsmotor zum Reinigen von Stickoxiden (NOx) von durch eine Auspuffleitung fließenden Abgasen durch einen selektiven NOx-Reduktionskatalysator in der Gegenwart eines Reduktionsmittels.

Eine typische herkömmliche Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor der oben erwähnten Art ist z.B. aus der japanischen Patentschrift Nr. 6-35816 bekannt. Diese Abgasreinigungsvorrichtung spritzt Ammoniak als Reduktionsmittel in einen selektiven NOx-Reduktionskatalysator von einer stromaufliegenden Stelle einer Auspuffleitung ein. Diese Abgasreinigungsvorrichtung, welche bei einem Fahrzeug mit Dieselmotor angewendet wird, umfasst eine Ammoniakproduktionseinheit zum Erzeugen von Ammoniak; eine Ammoniakzufuhreinheit zum Zuführen von erzeugtem Ammoniak zu einer Stelle in der Auspuffleitung stromauf des selektiven NOx-Reduktionskatalysators; eine ECU zum Steuern/Regeln dieser Komponenten; sowie einen NOx-Sensor, der an einer Stelle der Auspuffleitung stromauf des selektiven NOx-Reduktionskatalysators angeordnet und mit der ECU verbunden ist. Die Ammoniakproduktionseinheit, die Ammoniak aus Leichtöl und Luft erzeugt, umfasst einen katalytischen Spaltreaktor, einen Oxidationsreaktor, einen Ammoniaksynthesereaktor und dgl.

Die Ammoniakzufuhreinheit umfasst wiederum eine Ammoniakflasche zum Speichern von durch die Ammoniakproduktionseinheit produziertem Ammoniak; und ein Steuerventil zum Steuern der von der Ammoniakflasche der Auspuffleitung zugeführten Ammoniakmenge. In dieser Abgasreinigungsvorrichtung bestimmt die ECU die zugeführte Ammoniakmenge, die für die NOx-Reinigung erforderlich ist, auf der Basis der von dem NOx-Sensor erfassten NOx-Konzentration in den Abgasen, und regelt die Öffnung des Steuerventils auf der Basis der so bestimmten zugeführten Ammoniakmenge.

Die vorstehende Abgasreinigungsvorrichtung verwendet den selektiven NOx-Reduktionskatalysator, weil er im Vergleich zu einem Nox-Adsorptionskatalysator oder einem NOx-Speicherkatalysator weniger unter Schwefelvergiftung leidet und auf Verschlechterung der Reduktionsleistung weniger empfindlich ist und auch deswegen, weil er ohne fette Spitzensteuerung zum Anreichern des Luft-Kraftstoffverhältnisses eines Luft-Kraftstoffgemischs, um die NOx-Adsorptionsleistung (Reinigungsleistung) des Katalysators wieder zu gewinnen, auskommt, wodurch sich der Kraftstoffverbrauch verbessern lässt.

Da in der herkömmlichen Abgasreinigungsvorrichtung, wie sie in der japanischen Patentschrift Nr. 6-35816 beschrieben ist, der NOx-Sensor in der Auspuffleitung an einer Stelle stromauf des selektiven NOx-Reduktionskatalysators angeordnet ist, wird die dem selektiven NOx-Reduktionskatalysator zugeführte Ammoniakmenge einfach auf der Basis der NOx-Konzentration von Abgasen bestimmt, die von einem Dieselmotor abgegeben werden, unabhängig davon, wie das NOx durch den selektiven NOx-Reduktionskatalysator tatsächlich gereinigt wird. Im Ergebnis wird die dem selektiven NOx-Reduktionskatalysator zugeführte Ammoniakmenge nicht richtig entsprechend der tatsächlichen NOx-Reinigung durch den selektiven NOx-Reduktionskatalysator bestimmt, was die Abgaseigenschaften des Motors unter Umständen verschlechtert.

Zur Lösung dieses Problems ist daran gedacht worden, den NOx-Sensor in der Auspuffleitung an eine Stelle stromab des selektiven NOx-Reduktionskatalysators anzuordnen, sodass die dem selektiven NOx-Reduktionskatalysator zugeführte Ammoniakmenge auf der Basis der NOx-Konzentration bestimmt wird, die von dem so positionierten NOx-Sensor erfasst wird. Jedoch hat sich in Experimenten allgemein bestätigt, dass der NOx-Sensor charakteristischerweise nicht nur mit NOx in Abgasen reagiert, sondern auch mit Ammoniak. Da eine Zunahme vom bei der NOx-Reduktion nicht verbrauchten Ammoniak eine höhere Ammoniakkonzentration in den Abgasen stromab des selektiven NOx-Reduktionskatalysators verursacht, erfasst daher der NOx-Sensor, wenn er in der Auspuffleitung stromab des selektiven NOx-Reduktionskatalysators angeordnet wird, einen Wert, der scheinbar eine hohe NOx-Konzentration anzeigt. Da infolgedessen der NOx-Sensor nicht in der Lage ist, die NOx-Konzentration in den Abgasen korrekt zu erfassen, bestimmt daher die ECU kein geeignete Ammoniakmenge, die dem selektiven NOx-Reduktionskatalysator zuzuführen ist, was möglicherweise in verschlechterten Abgaseigenschaften des Motors resultiert.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Abgasreinigungsvorrichtung und ein Abgasreinigungsverfahren für einen Verbrennungsmotor anzugeben, die in der Lage sind, die Menge eines einem selektiven NOx-Reduktionskatalysator zugeführten Reduktionsmittel richtig zu bestimmen, um gute Abgaseigenschaften sicherzustellen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird nach einem ersten Aspekt der Erfindung eine Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor angegeben, umfassend: einen selektiven NOx-Reduktionskatalysator, der in einer Auspuffleitung des Verbrennungsmotors angeordnet ist, um NOx in durch die Auspuffleitung fließenden Abgasen in der Gegenwart eines Reduktionsmittels zu reinigen; einen NOx-Detektor, der in der Auspuffleitung an einer Stelle stromab des selektiven NOx-Reduktionskatalysators angeordnet ist, um eine Nox-Konzentration in den Abgasen zu erfassen; eine Reduktionsmittelzufuhreinheit zum Zuführen des Reduktionsmittels zu dem selektiven NOx-Reduktionskatalysator; und ein Zufuhrmengenbestimmungsmittel zum Bestimmen der Menge des Reduktionsmittels, die dem selektiven NOx-Reduktionskatalysator durch die Reduktionsmittelzufuhreinheit zuzuführen ist, derart, dass die von dem NOx-Detektor erfasste NOx-Konzentration einen Extremwert erreicht.

Gemäß dieser Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor erfasst der NOx-Detektor die NOx-Konzentration in der Auspuffleitung an einer Stelle stromab des selektiven NOx-Reduktionskatalysators, und das Zufuhrmengenbestimmungsmittel bestimmt die Menge des dem selektiven NOx-Reduktionskatalysator zugeführten Reduktionsmittels derart, dass die von dem NOx-Detektor erfasste NOx-Konzentration einen extremen Wert erreicht. Wenn die Abgasreinigungsvorrichtung ein Reduktionsmittel wie etwa Ammoniak oder dgl. verwendet, mit dem der NOx-Detektor charakteristischerweise reagiert, bewirkt, wenn dem selektiven NOx-Reduktionskatalysator eine übermäßige Menge von Reduktionsmittel zugeführt wird, eine Zunahme des bei der NOx-Reduktion nicht verbrauchten Ammoniaks eine höhere Ammoniakkonzentration in den Abgasen in stromabwärtigen Teilen des selektiven NOx-Reduktionskatalysators, sodass der NOx-Sensor, der in der Auspuffleitung stromab des selektiven NOx-Reduktionskatalysators angeordnet ist, einen Wert erfasst, der scheinbar eine hohe NOx-Konzentration anzeigt. Wenn andererseits eine zu geringe Menge an Reduktionsmittel dem selektiven NOx-Reduktionskatalysator zugeführt wird, leidet der selektive NOx-Reduktionskatalysator an einer verschlechterten NOx-Reduktionsleistung, sodass die NOx-Konzentration in den Abgasen stromab des selektiven NOx-Reduktionskatalysators eine hohen Wert anzeigt, wodurch der NOx-Detektor eine hohe NOx-Konzentration erfasst. Aus dem oben genannten Grund hat die von dem NOx-Detektor erfasste NOx-Konzentration einen extremen Wert für eine bestimmte Menge an Reduktionsmittel, das dem selektiven NOx-Reduktionskatalysator zugeführt wird. Diese Tatsache ist auch experimentell bestätigt worden. Wenn man dies berücksichtigt, bestimmt erfindungsgemäß das Zufuhrmengenbestimmungsmittel die Zufuhrmenge des Reduktionsmittel derart, dass die von dem NOx-Detektor erfasste NOx-Konzentration den Extremwert erreicht, sodass die Zufuhrmenge des Reduktionsmittels geeignet derart bestimmt werden kann, dass sowohl die Ammoniakkonzentration als auch die NOx-Konzentration in den Abgasen stromab der selektiven NOx-Reduktionskatalysators in gut ausgeglichenen Zuständen niedrige Werte aufzeigt. Im Ergebnis kann eine hohe NOx-Reinigungsleistung sichergestellt werden, um gute Abgaseigenschaften sicherzustellen.

Zur Lösung der Aufgabe wird nach einem zweiten Aspekt der Erfindung ein Abgasreinigungsverfahren für einen Verbrennungsmotor angegeben, welches die Schritte umfasst: Reinigen von NOx in durch eine Auspuffleitung fließenden Abgasen unter Verwendung eines selektiven NOx-Reduktionskatalysators in der Gegenwart eines Reduktionsmittels; Erfassen einer Nox-Konzentration in den Abgasen; Zuführen des Reduktionsmittels zu dem selektiven NOx-Reduktionskatalysator; und Bestimmen der dem selektiven NOx-Reduktionskatalysator zuzuführenden Reduktionsmittelmenge derart, dass die erfasste NOx-Konzentration einen Extremwert erreicht.

Dieses Abgasreinigungsverfahren für einen Verbrennungsmotor bietet die gleichen vorteilhaften Effekte wie sie oben in Bezug auf die Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben wurden.

Bevorzugt umfasst die Abgasreinigungsvorrichtung ferner: einen stromaufwärtigen NOx-Detektor, der in der Auspuffleitung an einer Stelle stromauf des selektiven NOx-Reduktionskatalysators angeordnet ist, um die Nox-Konzentration in den Abgasen zu erfassen; und ein Abgasvolumenerfassungsmittel zum Erfassen eines Abgasvolumens des Verbrennungsmotors; worin das Zufuhrmengenbestimmungsmittel enthält: ein Basiszufuhrmengenbestimmungsmittel zum Bestimmen einer Basiszufuhrmenge des Reduktionsmittels zu dem selektiven NOx-Reduktionskatalysator gemäß der durch den stromaufwärtigen NOx-Detektor erfassten Nox-Konzentration und dem erfassten Abgasvolumen; und ein Korrekturmittel zum Korrigieren der bestimmten Basiszufuhrmenge des Reduktionsmittels derart, dass die von dem NOx-Sensor erfasste NOx-Konzentration einen Maximalwert erreicht.

Gemäß dieser bevorzugten Ausführung erfasst der stromaufwärtige NOx-Detektor die NOx-Konzentration in der Auspuffleitung stromauf des selektiven NOx-Reduktionskatalysators, sodass die Basiszufuhrmenge des Reduktionsmittels zu dem selektiven NOx-Reduktionskatalysator gemäß der erfassten NOx-Konzentration und dem Abgasvolumen bestimmt werden.

Auch wenn die Abgasreinigungsvorrichtung ein Reduktionsmittel verwendet, wie etwa Ammoniak, mit dem der NOx-Detektor und der stromaufwärtige NOx-Detektor reagieren, kann der stromaufwärtige NOx-Detektor, der stromauf der Stelle angeordnet ist, an der der selektive NOx-Reduktionskatalysator mit dem Reduktionsmittel versorgt wird, nur die NOx-Konzentration in den Abgasen akkurat erfassen, ohne dass er durch das Reduktionsmittel beeinflusst wird, wodurch es möglich wird, die Basiszufuhrmenge des Reduktionsmittels zu dem selektiven NOx-Reduktionskatalysator nur entsprechend der NOx-Konzentration in den Abgasen geeignet zu bestimmen. Da die auf diese Weise bestimmte Basiszufuhrmenge durch das Korrekturmittel derart korrigiert wird, dass die NOx-Konzentration, die durch den stromab des selektiven NOx-Reduktionskatalysators angeordneten NOx-Detektor erfasst wird, den Extremwert erreicht, kann die Zufuhrmenge des Reduktionsmittels geeignet bestimmt werden, derart, dass sowohl die Ammoniakkonzentration als auch die NOx-Konzentration in den Abgasen stromab des selektiven NOx-Reduktionskatalysators niedrige Werte im gut ausgeglichenen Zustand aufzeigen. Demzufolge kann die Abgasreinigungsvorrichtung die Menge des den selektiven NOx-Reduktionskatalysator zugeführten Reduktionsmittels mit hoher Genauigkeit geeignet bestimmen, um die NOx-Reinigungsleistung weiter zu verbessern. Angemerkt werden sollte, dass der hierin benutzte Begriff „Erfassung eines Abgasvolumens" nicht auf eine Erfassung des Abgasvolumens durch einen Sensor beschränkt ist, sondern auf die Berechnung des Abgasvolumens durch ein Programm beinhaltet.

Bevorzugt umfasst das Abgasreinigungsverfahren ferner die Schritte: Erfassen der Nox-Konzentration in den Abgasen in der Auspuffleitung an einer Stelle stromauf des selektiven NOx-Reduktionskatalysators; und Erfassen eines Abgasvolumens des Verbrennungsmotors; worin der Schritt der Bestimmung der Reduktionsmittelmenge enthält: Bestimmen einer Basiszufuhrmenge des Reduktionsmittels zu dem selektiven NOx-Reduktionskatalysator gemäß der an der Stelle stromauf des selektiven NOx-Reduktionskatalysators erfassten Nox-Konzentration und dem erfassten Abgasvolumen; und Korrigieren der bestimmten Basiszufuhrmenge des Reduktionsmittels derart, dass die erfasste NOx-Konzentration einen Extremwert erreicht.

Diese bevorzugte Ausführung des Abgasreinigungsverfahrens bietet die gleichen vorteilhaften Effekte, wie sie durch die entsprechende bevorzugte Ausführung der Abgasreinigungsvorrichtung erreicht werden.

Bevorzugt umfasst die Abgasreinigungsvorrichtung ferner eine Reduktionsmittelproduktionseinheit zum Produzieren des Reduktionsmittels unter Verwendung zumindest eines Kraftstoffs für den Verbrennungsmotor als Rohmaterial.

Gemäß dieser bevorzugten Ausführung der Abgasreinigungsvorrichtung produziert die Reduktionsmittelproduktionseinheit das Reduktionsmittel unter Verwendung zumindest eines Brennstoffs für den Verbrennungsmotor als Rohmaterial, sodass unter Verwendung eines nur aus dem Kraftstoff hergestellten Reduktionsmittels oder eines aus dem Kraftstoff und Luft hergestellten Reduktionsmittels, die Reduktionsmittelproduktionseinheit das Reduktionsmittel allein durch ergänzenden Kraftstoff produzieren kann, was es möglich macht, die Zufuhr von Reduktionsmittel wegzulassen und ohne eine Infrastruktur zum Liefern des Reduktionsmittels auszukommen. Dies führt zu verbessertem Komfort und Produktwert.

Bevorzugt umfasst das Abgasreinigungsverfahren den Schritt, das Reduktionsmittel unter Verwendung zumindest eines Kraftstoffs für den Verbrennungsmotor als Rohmaterial zu produzieren.

Diese bevorzugte Ausführung des Abgasreinigungsverfahrens bietet die gleichen vorteilhaften Effekte, wie sie durch die entsprechende bevorzugte Ausführung der Abgasreinigungsvorrichtung erreicht werden.

Bevorzugt ist in der Abgasreinigungsvorrichtung das Reduktionsmittel Ammoniak.

Da gemäß dieser bevorzugten Ausführung der Abgasreinigungsvorrichtung das Reduktionsmittel Ammoniak ist, kann das Reduktionsmittel unter Verwendung von Benzin oder Leichtöl als Rohmaterial hergestellt werden, das normalerweise als Kraftstoff für einen Verbrennungsmotor benutzt wird.

Bevorzugt ist in dem Abgasreinigungsverfahren das Reduktionsmittel Ammoniak.

Diese bevorzugte Ausführung des Abgasreinigungsverfahrens bietet die gleichen vorteilhaften Effekte wie sie durch die entsprechende bevorzugte Ausführung der Abgasreinigungsvorrichtung erzielt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.

1 ist ein Blockdiagramm, das allgemein die Konfiguration einer Abgasreinigungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführung sowie eines Verbrennungsmotors unter Verwendung der Abgasreinigungsvorrichtung darstellt;

2 ist ein Blockdiagramm, das allgemein die Konfiguration einer Ammoniakproduktionseinheit in der Abgasreinigungsvorrichtung darstellt;

3 ist ein Blockdiagramm, das allgemein die Konfiguration der Abgasreinigungsvorrichtung darstellt;

4A ist eine Graphik, die das Ergebnis einer exemplarischen Messung zeigt, durchgeführt an einem erfassten Wert Vnox, wenn die Menge Tinh des eingespritzten Ammoniaks verändert wird;

4B ist eine Graphik, die das Ergebnis exemplarischer Messungen zeigt, durchgeführt an einer Ammoniakkonzentration in einer Stickoxidkonzentration in Abgasen, die durch einen selektiven NOx-Reduktionskatalysator durchgetreten sind;

5A ist eine Graphik, die die Beziehung zwischen einem Korrekturkoeffizienten Kbt und dem erfassten Wert Vnox zeigt;

5B ist eine Graphik, die die Beziehung zwischen dem Korrekturkoeffizienten Kbt, dem erfassten Wert Vnox und einer Schätzung Vnox hat des erfassten Werts zeigt;

6 zeigt eine Gleichung zur Berechnung der Schätzung Vnox hat und Gleichungen zum Beschreiben eines Algorithmus zur Berechnung eines Regressionskoeffizienten-Vektors &thgr; davon;

7 ist ein Flussdiagramm, das eine Routine zur Steuerung der Ammoniakeinspritzung in die Abgasreinigungsvorrichtung darstellt;

8 ist ein Diagramm, das ein exemplarisches Kennfeld zur Verwendung bei der Berechnung einer Basiseinspritzmenge Tinh base in Schritt 6 in dem Flussdiagramm von 7 zeigt;

9 ist ein Flussdiagramm, das eine Unterroutine zur Berechnung eines Regressionskoeffizienten-Vektors 8 in Schritt 2 im Flussdiagramm von 7 darstellt;

10 ist ein Blockdiagramm, das allgemein die Konfiguration einer Abgasreinigungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführung und eines Verbrennungsmotors unter Verwendung der Abgasreinigungsvorrichtung darstellt;

11 ist ein Flussdiagramm, das eine Routine zur Steuerung der Ammoniakeinspritzung in die Abgasreinigungsvorrichtung der zweiten Ausführung darstellt; und

12 ist ein Diagramm, das ein exemplarisches Kennfeld zur Verwendung bei der Berechnung einer Basiseinspritzmenge Tinh base in Schritt 35 im Flussdiagramm von 11 zeigt.

Nachfolgend wird eine Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor gemäß einer ersten Ausführung in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. 1 stellt allgemein die Konfiguration einer Abgasreinigungsvorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführung dar, sowie eines Verbrennungsmotors (nachfolgend „Motor" genannt) 3, welcher die Abgasreinigungsvorrichtung 1 anwendet. Wie dargestellt, umfasst die Abgasreinigungsvorrichtung 1 eine ECU 2; eine Ammoniakproduktionseinheit 10 zum Produzieren von Ammoniak; eine Einspritzdüse 14 zum Einspritzen von Ammoniak; und dgl. Die ECU 2 steuert/regelt die durch die Einspritzdüse 14 eingespritzte Ammoniakmenge (NH3) wie später beschrieben.

Der Motor 3 ist ein Benzinmotor vom Magerverbrennungstyp und ist in ein nicht gezeigtes Fahrzeug eingebaut. In einem in einem Ansaugrohr 4 des Motors 3 ist eine Einspritzdüse 5 zum Einspritzen von Kraftstoff vorgesehen. Die Einspritzdüse 5 ist durch eine Kraftstoffzufuhrleitung 6a mit einem Kraftstofftank 6 verbunden. Eine Ventilöffnungszeit, d.h. die durch die Einspritzdüse 5 einzuspritzende Kraftstoffmenge, wird durch die ECU 2 gesteuert.

Ein selektiver NOx-Reduktionskatalysator 8 und ein Oxidationsreduktionskatalysator 9 sind in einem Auspuffrohr 7 des Motors 3 vorgesehen, und zwar von der stromaufwärtigen Seite in dieser Reihenfolge. Der selektive NOx-Reduktionskatalysator 8 reduziert selektiv Stickoxide (NOx) in Abgasen in einer Atmosphäre, in der Ammoniak als Reduktionsmittel vorhanden ist, und ist z.B. aus einem Katalysator auf Vanadium-Wolfram-Titan-Basis gebildet. Der Oxidationsreduktionskatalysator 9, der aus einem sogenannten Dreiwegekatalysator gebildet ist, reinigt NOx, Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffe (KW) in Abgasen.

Auch ist ein NOx-Sensor 20 in dem Auspuffrohr 7 zwischen dem selektiven NOx-Reduktionskatalysator 8 und dem Oxidationsreduktionskatalysator 9 vorgesehen. Der NOx-Sensor 20 erfasst eine NOx-Konzentration in den Abgasen, die durch den selektiven NOx-Reduktionskatalysator 8 hindurchgetreten sind und gibt an die ECU 2 ein Erfassungssignal aus, das die erfasste NOx-Konzentration angibt. Der NOx-Sensor 20 ist vom sogenannten Strombegrenzungstyp, der innerhalb der Sensorvorrichtung eine erste und eine zweite Kammer aufweist, eine Sauerstoffpumpelektrode, eine Sauerstoffkonzentrations-Erfassungselektrode (keine davon ist gezeigt) und dgl. Nachdem die Sauerstoffkonzentration in den Abgasen in der ersten Kammer reduziert wurde, werden die Abgase mit der reduzierten Sauerstoffkonzentration der zweiten Kammer zugeführt, wo NOx in den Abgasen zersetzt, und die NOx-Konzentration in den Abgasen wird auf der Basis der Konzentration von Sauerstoff erfasst, der während der Zersetzung erzeugt wird.

Die Ammoniakproduktionseinheit 10, die als Reduktionsmittelproduktionseinheit dient, ist mit dem Kraftstofftank 6 durch eine Kraftstoffzufuhrleitung 6b verbunden, und ist auch mit der Einspritzdüse 14 durch eine Ammoniakzufuhrleitung 15 verbunden. Wie in 2 dargestellt, umfasst die Ammoniakproduktionseinheit 10 eine Sauerstoffanreicherungsschicht 11, einen Mikroreaktor 12, einen Reaktor 13 und dgl.

Die Sauerstoffanreicherungsschicht 11, die einströmende Luft in hochkonzentriertes Stickstoffgas (Stickstoff-reiches Gas) und hochkonzentriertes Sauerstoffgas (Sauerstoff-reiches Gas) trennt, ist in dem Ansaugrohr 4 stromauf eines Drosselventils (nicht gezeigt) vorgesehen. Das durch die Sauerstoffanreicherungsschicht 11 erzeugte Sauerstoffgas wird dem Mikroreaktor 12 zugeführt, während das Stickstoffgas dem Reaktor 13 zugeführt wird.

Der Mikroreaktor 12 reformiert auch von dem Kraftstofftank 6 zugeführtes Benzin zum Erzeugen von hochkonzentriertem Wasserstoffgas. Insbesondere verwendet der Mikroreaktor 12 einen Katalysator auf Rhodiumbasis und beruht auf autothermischer Reformation zur gleichzeitigen Durchführung einer partiellen Oxidationsreaktion zum Reagieren des Benzins mit dem von der Sauerstoffanreicherungsschicht 11 zugeführten Sauerstoffgas sowie einer Wasserstoffreformationreaktion zum Reagieren des Benzins mit Wasserdampf, um ein Gasgemisch von Wasserstoff und Kohlenmonoxid zu erzeugen. Der Mikroreaktor 12 verschiebt-reagiert das Gasgemisch zum Erzeugen eines hochkonzentrierten Wasserstoffgases. Das auf diese Weise erzeugte Wasserstoffgas wird dem Reaktor 13 zugeführt.

Der Reaktor 13 erzeugt Ammoniak durch Dampfphasen-Synthese durch einen Katalysator auf Rutheniumbasis. Insbesondere erzeugt der Reaktor 13 Ammoniak durch Dampfphasen-Synthese des Stickstoffgases von der Sauerstoffanreicherungsschicht 11 mit Wasserstoffgas von dem Mikroreaktor 12. In der vorstehenden Weise verwendet die Ammoniakproduktionseinheit das Benzin und Luft als Materialien zur Herstellung von Ammoniak. Das durch die Ammoniakproduktionseinheit 10 hergestellte Ammoniak wird durch eine Ammoniakzufuhrleitung 15 gepumpt, um die Einspritzdüse 14 zu versorgen.

Die Einspritzdüse 14 (Reduktionsmittelzuführeinheit) ist dem Auspuffrohr 7 stromab des selektiven NOx-Reduktionskatalysators 8 vorgesehen und wird durch ein Treibersignal von der ECU 2 angetrieben, um Ammoniak in das Auspuffrohr 7 zu dem selektiven NOx-Reduktionskatalysator 8 hin einzuspritzen. Eine Ventilöffnungszeit, d.h. die durch die Einspritzdüse 14 eingespritzte Ammoniakmenge Tinh wird durch die ECU 2 berechnet wie später beschrieben.

Die ECU 2 ist mit einem Ansaugrohrinnen-Absolutdrucksensor 21 und einem Kurbelwinkelsensor 22 verbunden. Der Ansaugrohrinnen-Absolutdrucksensor 21 (Abgasvolumenerfassungsmittel), der aus einem Halbleiterdrucksensor oder dgl. aufgebaut sein kann, ist in dem Ansaugrohr 4 stromauf der Einspritzdüse 5 vorgesehen, um einen absoluten Ansaugrohrinnendruck PBA zu erfassen und an die ECU 2 ein Erfassungssignal auszugeben, das den absoluten Ansaugrohrinnendruck PBA anzeigt.

Der Kurbelwinkelsensor 22 (Abgasvolumenerfassungsmittel) ist wiederum aus einem Magnetrotor und einem MRE-Aufnehmer (keiner davon gezeigt) in Kombination aufgebaut und gibt an die ECU 2 in Antwort auf die Drehung einer nicht gezeigten Kurbelwelle ein CRK-Signal und ein OT-Signal aus, die beide Pulssignale sind.

Ein Puls des CRK-Signals wird zu jedem vorbestimmten Kurbelwinkel (z.B. alle 30°) ausgegeben, sodass die ECU 2 die Motordrehzahl NE des Motors 3 auf der Basis des CRK-Signals berechnet. Das OT-Signal ist wiederum ein Signal, welches anzeigt, dass der Kolben (nicht gezeigt) jedes Zylinders in einer vorbestimmten Kurbelwinkelstellung nahe OT (dem oberen Totpunkt) zu Beginn des Ansaughubs ist, und ein Puls des OT-Signals wird zu jedem vorbestimmten Kurbelwinkel (z.B. alle 180° für einen Vierzylindermotor) ausgegeben.

Die ECU 2 beruht auf einem Mikrocomputer, der eine CPU, ein RAM, ein ROM eine I/O-Schnittstelle und dgl. aufweist. Die ECU 2 steuert/regelt die Ammoniakeinspritzmenge Tinh der Einspritzdüse 14 entsprechend den jeweiligen Erfassungssignalen, die von den verschiedenen Sensoren 20 bis 24 geschickt werden, wie später beschrieben wird. Die ECU 2 berechnet auch ein Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis A/F für ein Luft-Kraftstoffgemisch, das dem Motor 3 zuzuführen ist und steuert/regelt die von der Einspritzdüse 5 eingespritzte Kraftstoffmenge derart, dass das Luft-Kraftstoffverhältnis des Luft-Kraftstoffgemischs zu dem Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis A/F passt.

Wie in 3 dargestellt, umfasst die Abgasreinigungsvorrichtung 1 eine Korrekturkoeffizientenberechnungseinheit 2a, eine Abgasvolumenberechnungseinheit 2b, eine Ammoniakeinspritzmengen-Berechnungseinheit 2c und dgl., die alle insbesondere durch die ECU 2 implementiert sein können. Die Korrekturkoeffizientenberechnungseinheit 2a berechnet einen Korrekturkoeffizienten Kbt auf der Basis des erfassten Werts Vnox von dem NOx-Sensor 10 entsprechend einem später beschriebenen Algorithmus.

Die Abgasvolumenberechnungseinheit 2b berechnet wiederum ein Abgasvolumen Vex entsprechend der folgenden Gleichung (1): Vex = (NE/1500)·PBA·SVPRA .... (1) wobei SVPRA ein vorbestimmter Koeffizient ist, der durch den Hubraum des Motors 3 vorbestimmt ist.

Ferner berechnet die Ammoniakeinspritrmengenberechnungseinheit 2c eine Basiseinspritzmenge Tinh base (Basiszufuhrmengen für das Reduktionsmittel) durch Absuchen eines in 8 gezeigten Kennfelds, später beschrieben, gemäß dem Abgasvolumen Vex und dem Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis A/F des Luft-Kraftstoffgemischs, und berechnet die Ammoniakeinspritrmenge Tinh unter Verwendung der Basiseinspritrmenge Tinh base und des Korrekturkoeffizienten Kbt gemäß der folgenden Gleichung (2): Tinh(k) = Tinh_base(k)·Kbt(k) .... (2) wobei k eine diskretizierte Zeit repräsentiert und alle diskreten Daten mit dem Suffixsymbol (k) solche Daten anzeigen, die zu jeder vorbestimmten Zeit abgetastet werden. Dies gilt auch für die folgenden diskreten Daten (zeitseriellen Daten).

Als nächstes erfolgt eine Beschreibung eines Algorithmus zur Berechnung des Korrekturkoeffizienten Kbt in der Korrekturkoeffizientenberechnungseinheit 2a. 4A ist eine Graphik, die das Ergebnis einer exemplarischen Messung zeigt, die an dem erfassten Wert Vnox durchgeführt wurde, wenn die veränderliche eingespritrte Ammoniakmenge Tinh dem selektiven NOx-Reduktionskatalysator 8 zugeführt wird. Die Graphik in 4A zeigt, dass die NOx-Konzentration in den Abgasen höher ist, wenn der von dem NOx-Sensor 2 erfasste Wert Vnox größer ist. 4B ist eine Graphik, die das Ergebnis exemplarischer Messungen zeigt, die an der Ammoniakkonzentration und der Stickoxidkonzentration in Abgasen stromab des selektiven NOx-Reduktionskatalysators durchgeführt wurden, wenn die eingespritzte Ammoniakmenge Tinh variiert wird.

Wie in 4A gezeigt, ist zu erkennen, dass der erfasste Wert Vnox einen Minimalwert Vmin einnimmt, wenn die eingespritzte Ammoniakmenge Tinh auf einen vorbestimmten Wert Tinh 1 gesetzt wird, und einen größeren Wert einnimmt, wenn die eingespritzte Ammoniakmenge Tinh größer oder kleiner als der vorbestimmte Wert Tinh 1 ist. Dieses Ergebnis lässt sich dem folgenden Grund zuordnen. Insbesondere hat der NOx-Sensor 2 allgemein die Eigenschaften, nicht nur mit NOx, sondern auch mit Ammoniak in den Abgasen zu reagieren. Wenn, wie in 4B gezeigt, vermehrter Ammoniak in der NOx-Reduktion nicht verbraucht wird, was durch eine überschüssige Ammoniakeinspritzmenge Tinh verursacht wird, führt dies zu einer höheren Ammoniakkonzentration in den Abgasen stromab des selektiven NOx-Reduktionskatalysators 8, sodass der erfasste Wert Vnox scheinbar einen höheren Wert anzeigt, d.h. einen Wert, der eine höhere NOx-Konzentration anzeigt. Andererseits verursacht eine zu geringe Ammoniakeinspritzmenge Tinh eine verschlechterte NOx-Reduktionsleistung des selektiven NOx-Reduktionskatalysators 8, sodass die NOx-Konzentration in den Abgasen in den stromabwärtigen Teilen des selektiven NOx-Reduktionskatalysators höher ist, was dazu führt, dass der erfasste Wert Vnox eine hohe NOx-Konzentration anzeigt.

Da wie oben beschrieben der erfasste Wert Vnox des Nox-Sensors 20 nicht nur durch die NOx-Konzentration sondern auch durch die Ammoniakkonzentration beeinflusst wird, kann die NOx-Konzentration auch dann nicht richtig geregelt werden, wenn die eingespritzte Ammoniakmenge Tinh gemäß dem allgemeinen rückkoppelnden Regelansatz auf der Basis des erfassten Werts Vnox geregelt würde. Es versteht sich im Hinblick auf die vorstehenden Eigenschaften des NOx-Sensors 20, dass die NOx-Konzentration optimal geregelt werden kann, wenn die eingespritzte Ammoniakmenge Tinh so gesetzt wird, dass sie den erfassten Wert Vnox auf den Minimalwert bringt. Da ferner in der ersten Ausführung die Basiseinspritzmenge Tinh base der Ammoniakeinspritzmenge Tinh auf der Basis des Abgasvolumens Vex berechnet wird, folgt auch die Ammoniakeinspritzmenge Tinh Schwankungen in dem Abgasvolumen Vex, und gleichzeitig variiert, dem Abgasvolumen Vex folgend, auch die Reinigungsaktivität des selektiven NOx-Reduktionskatalysators 8, in anderen Worten ein optimales Verhältnis von NOx in den von dem selektiven NOx-Reduktionskatalysator gereinigten Abgasen zu dem Ammoniak. Demzufolge wird auch der Korrekturkoeffizient Kbt zum Korrigieren der Ammoniakeinspritzmenge Tinh durch das Abgasvolumen Vex auf vorliegende Schwankungen beeinflusst. Aus diesem Grund nimmt, dem Korrekturkoeffizienten Kbt folgend, der erfasste Wert Vnox des NOx-Sensors 20 einen Wert in einem Bereich ein, der in 5A schraffiert angegeben ist. Dies hat sich durch ein Experiment bestätigt. In anderen Worten versteht es sich, dass eine Annäherung oder Schätzung des erfassten Werts Vnox durch eine quadratische (Regressions) Gleichung berechnet werden kann, die den erfassten Wert Vnox des NOx-Sensors 20 als abhängige Variable und den Korrekturkoeffizienten Kbt als eine unabhängige Variable hat (siehe 5B).

Dementsprechend definiert die Korrekturkoeffizientenberechnungseinheit 2a in der ersten Ausführung eine Schätzung Vnox_hat(k) des erfassten Werts Vnox des NOx-Sensors 20 als einen Wert, der durch die Gleichung (3) in 6 gezeigte quadratische Regressionsgleichung berechnet ist, und berechnet Regressionskoeffizienten A, B in Gleichung (3) und einen Vektor &thgr; (k) in einem konstanten Term C in Gleichung (3) (nachfolgend „Regressionskoeffizientenvekto" genannt) durch die Methode der sequenziellen kleinsten Quadrate, wie durch die Gleichungen (4) bis (10) in 6 ausgedrückt. In Gleichung (3) repräsentiert „d" eine Totzeit, die das von jedem Zylinder abgegebene Abgas braucht, um den NOx-Sensor 20 zu erreichen, und wird in der ersten Ausführung vorab auf einen vorbestimmten konstanten Wert gesetzt (z.B. einen Wert entsprechend einem Verbrennungszyklus). Alternativ kann die Totzeit d entsprechend einem bestimmten Betriebszustand des Motors 3 (Motordrehzahl NE oder dgl.) gesetzt werden.

In Gleichung (4) in 6 repräsentiert KP(k) einen Vektor eines Verstärkungskoeffizienten, und ide(k) repräsentiert einen Fehler, der durch die Gleichungen (6) bis (8) in 6 berechnet ist. &zgr;(k) in Gleichung (7) repräsentiert einen Vektor eines in Gleichung (8) definierten Korrekturkoeffizienten. Ferner wird der Vektor KP(k) des Verstärkungskoeffizienten durch Gleichung (9) in 6 berechnet, und P(k) in Gleichung (9) ist eine kubische Quadratmatrix, die durch Gleichung (10) in 6 definiert ist.

Der Regressionskoeffizientenvektor &thgr; (k) wird derart berechnet, dass der Fehler ide(k) auf null konvergiert, und zwar entsprechend dem Algorithmus der vorstehenden Gleichungen (4) bis (10). In anderen Worten, der Regressionskoeffizientenvektor &thgr; (k) wird derart berechnet, dass die Schätzung Vnox hat(k) zu dem erfassten Wert Vnox des NOx-Sensors 20 hin konvergiert.

Da auch die Schätzung Vnox hat(k) durch die quadratische Gleichung gemäß Gleichung (3) berechnet wird, erscheint ein Minimalwer Vnox_hmin, wenn der Korrekturkoeffizient Kbt (k–d) einen vorbestimmten Wert Kbt_op einnimmt [= –B/(2A)] (siehe 5B). Dementsprechend wird in der ersten Ausführung ein gegenwärtiger Wert Kbt(k) für den Korrekturkoeffizienten gemäß der folgenden Gleichung (11) derart berechnet, dass die Schätzung Vnox hat(k) auf seinen Minimalwert Vnox hmin gebracht wird. Die Werte zur Verwendung als Regressionskoeffizienten A, B in Gleichung (11) werden mit einer Zeitgebung der diskreten Zeit k–d berechnet: Kbt(k) = Kbt_op(k–d) = –B/(2A) ..... (11)

Im Folgenden wird eine Routine zum Steuern/Regeln der Ammoniakeinspritzmenge, ausgeführt durch die ECU 2, anhand der 7 bis 9 beschrieben. Angemerkt werden sollte, dass in der folgenden Beschreibung das Symbol (k), das einen gegenwärtigen Wert angibt, bei Bedarf weggelassen ist. 7 stellt eine Hauptroutine der Steuerung dar, die als Unterbrecher bzw. Interrupt synchron mit dem in ECU 2 eingegebenen OT-Signal ausgeführt wird. Diese Routine berechnet die Ammoniakeinspritzmenge Tinh, wie unten beschrieben.

Zuerst liest in Schritt 1 (in der Figur als „S1" markiert. Das gleiche gilt für die folgende Beschreibung) die ECU 2 die Ausgaben der verschiedenen oben erwähnten Sensoren 20 bis 22 und speichert die gelesenen Daten in dem RAM. Die Routine geht dann zu Schritt 2 weiter, wo die ECU 2 den Regressionskoeffizientenvektor 8 in der nachfolgend beschriebenen Weise berechnet.

Als nächstes geht die Routine zu Schritt 3, wo bestimmt wird, ob die Bedingung für die Einspritzdüse, Ammoniak einzuspritzen, erfüllt wurde oder nicht. Diese Bestimmung erfolgt auf der Basis des jeweiligen Betriebszustands des Motors 3 (Motordrehzahl NE, Ansaugrohrabsolutinnendruck PBA oder dgl.). Wenn das Ergebnis der Bestimmung in Schritt 3 JA ist, was anzeigt, dass die Bedingung zum Einspritzen von Ammoniak erfüllt worden ist, geht die Routine zu Schritt 4 weiter, worin die ECU 2 den Korrekturkoeffizienten Kbt gemäß der vorgenannten Gleichung (11) berechnet.

Als nächstes geht die Routine zu Schritt 5 weiter, wo die ECU 2 das Abgasvolumen Vex gemäß der vorgenannten Gleichung (1) berechnet. Anschließend geht die Routine zu Schritt 6 weiter, wo die ECU 2 ein in 8 gezeigtes Kennfeld gemäß dem in Schritt 5 berechneten Abgasvolumen Vex und dem Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis A/F des Luft-Kraftstoffgemischs absucht, um die Basiseinspritzmenge Tinh base abzufragen. In diesem Kennfeld haben drei vorbestimmte Werte Vex1 bis Vex3 des Abgasvolumens Vex die Beziehung Vex3 < Vex2 < Vex1. Anders gesagt zeigt das Kennfeld, dass die Basiseinspritzmenge Tinh base auf einen größeren Wert gesetzt wird, wenn das Abgasvolumen Vex größer wird. Der Grund hierfür ist, dass die gesamte NOx-Menge in den Abgasen zunimmt, wenn das Abgasvolumen Vex zunimmt. Auch wird die Basiseinspritzmenge Tinh base so gesetzt, dass sie den größten Wert hat, wenn das Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis A/F auf einen vorbestimmten Wert A/F1 (z.B. 16,0) auf der mageren Seite von dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoffirerhältnis gesetzt ist. Der Grund hierfür ist, dass die gesamte NOx-Menge in den Abgasen am größten ist, wenn das Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis A/F das vorbestimmte Verhältnis A/F1 an der mageren Seite von dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnis erreicht.

Als nächstes geht die Routine zu Schritt 7 weiter, wo die ECU 2 die Ammoniakeinspritzmenge Tinh unter Verwendung des Korrekturkoeffzienten Kbt und der Basiseinspritzmenge Tinh base, die jeweils in den Schritten 4 und 6 berechnet sind, gemäß der vorgenannten Gleichung (2) berechnet, wonach die Routine zum Steuern der Ammoniakeinspritzung endet.

Wenn andererseits das Ergebnis der Bestimmung in Schritt 3 NEIN ist, was anzeigt, dass die Bedingung zum Einspritzen von Ammoniak nicht erfüllt ist, geht die Routine zu Schritt 8 weiter, wo die ECU 2 die Ammoniakeinspritzmenge Tinh auf null setzt, wonach die Routine zum Steuern der Ammoniakeinspritzung endet.

Als nächstes wird die Berechnung des Regressionskoeffizientenvektors &thgr; in Schritt 2 im größeren Detail in Bezug auf die in 9 dargestellte Unterroutine beschrieben. In dieser Unterroutine setzt zuerst in Schritt 10 die ECU 2 einen berechneten Wert &thgr; des Regressionskoeffizientenvektors der vorherigen Schleife, der in dem RAM gespeichert ist, als den vorhergehenden Wert PRV&thgr; [=&thgr;(k–1)].

Als nächstes geht die Unterroutine zu Schritt 11 weiter wo bestimmt wird, ob die Bedingung zum Berechnen des Regressionskoeffizientenvektors &thgr; erfüllt worden ist oder nicht. Insbesondere erfolgt diese Bestimmung auf der Basis eines bestimmten Betriebszustands des Motors 3 (z.B. Motordrehzahl NE, absoluter Ansaugrohrinnendruck PBA oder dgl.). Wenn das Ergebnis der Bestimmung in Schritt 11 JA ist, was anzeigt, dass die Bedingung zum Berechnen des Regressionskoeffizientenvektors 8 erfüllt worden ist, geht die Unterroutine zu Schritt 12 weiter, wo die ECU 2 den Vektor f des Korrekturvektors entsprechend der vorgenannten Gleichung (8) berechnet, und berechnet dann die Schätzung Vnox hat gemäß der vorgenannten Gleichung (7) in Schritt 13.

Die Unterroutine geht als nächstes zu Schritt 14 weiter, wo die ECU 2 den Fehler ide gemäß der vorgenannten Gleichung (6) berechnet, und setzt dann den berechneten Wert für den nächsten Wert NEXP [=P(k+1)] der Quadratmatrix in der vorhergehenden Schleife, der in dem RAM gespeichert ist, als dessen gegenwärtigen Wert P.

Als nächstes geht die Unterroutine zu Schritt 16 weiter, wo die ECU 2 den Vektor KP des Verstärkungskoeffizienten gemäß der vorgenannten Gleichung (9) berechnet. Dann geht die Unterroutine zu Schritt 17 weiter, wo die ECU 2 den Regressionskoeffizientenvektor 8 gemäß der vorgenannten Gleichung (4) berechnet.

Als nächstes geht die Unterroutine zu Schritt 18 weiter, wo die ECU 2 den nächsten Wert NEXP für die Quadratmatrix gemäß der vorgenannten Gleichung (10) berechnet, wonach diese Unterroutine zur Berechnung des Regressionskoeffizientenvektors &thgr; endet.

Wenn andererseits das Ergebnis der Bestimmung in Schritt 1 NEIN ist, was anzeigt, dass die Bedingung zum Berechnen des Regressionskoeffizientenvektors &thgr; nicht erfüllt ist, geht die Unterroutine zu Schritt 19 weiter, wo die ECU 2 den vorhergehenden Wert PRV&thgr; des Regressionskoeffizientenvektors als dessen gegenwärtigen Wert setzt, wonach die Unterroutine zur Berechnung des Regressionskoeffizientenvektors endet.

Bei der Abgasreinigungsvorrichtung 1 der oben beschriebenen ersten Ausführung wird das durch die Ammoniakproduktionseinheit 10 produzierte Ammoniak den selektiven NOx-Reduktionskatalysator 8 durch die Einspritzdüse 14 zugeführt, sodass das NOx in den Abgasen zusammen mit dem Ammoniak in dem selektiven NOx-Reduktionskatalysator 8 zur Reinigung reduziert wird. In diesem Fall wird die Ammoniakeinspritzmenge Tinh, die dem selektiven NOx-Reduktionskatalysator 8 zugeführt wird, derart berechnet, dass die Schätzung Vnox hat(k) des erfassten Werts NOx des NOx-Sensors 20 den Minimalwert Vnox hmin erreicht, und derart, dass die Schätzung Vnox hat(k) zu dem erfassten Wert Vnox hin konvergiert, sodass die Ammoniakeinspritzmenge Tinh geeignet berechnet werden kann, derart, dass aus dem oben genannten Grund sowohl die Ammoniakkonzentration als auch die NOx-Konzentration in den Abgasen stromab des selektiven NOx-Reduktionskatalysators 8 niedrige Werte in einem gut ausgeglichenen Zustand aufzeigen. Im Ergebnis kann eine hohe NOx-Reinigungsleistung sichergestellt werden, um auf sichere Weise für gute Abgascharakteristiken zu sorgen. Da zusätzlich die Ammoniakproduktionseinheit 10 das Ammoniak mittels Kraftstoff (Benzin) und Luft als Rohmaterialien erzeugt, kann der Ammoniak als Reaktionsmittel allein durch Ergänzung des Kraftstoffs produziert werden, während sich eine Zufuhr eines gesonderten Reduktionsmittels erübrigt und eine Infrastruktur zum Liefern des Reduktionsmittels unnötig ist. Dies führt zu verbessertem Komfort und besserem Produktwert.

Als nächstes wird eine Abgasreinigungsvorrichtung 1A gemäß einer zweiten Ausführung anhand von 10 beschrieben. Die Abgasreinigungsvorrichtung 1A der zweiten Ausführung unterscheidet sich von der Abgasreinigungsvorrichtung 1 der ersten Ausführung nur darin, dass zusätzlich zu dem NOx-Sensor 20 ein zweiter NOx-Sensor 23 in dem Auspuffrohr 7 vorgesehen ist, wie in 10 ersichtlich, aber im Rest der Konfiguration ähnlich ist. Somit konzentriert sich die folgende Beschreibung nur auf die unterschiedlichen Aspekte dazwischen, und Komponenten, die mit jenen der ersten Ausführung identisch sind, sind mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet, und die Beschreibung davon wird bei Bedarf weggelassen.

Der zweite NOx-Sensor 23, der auch vom Strombegrenzungstyp ähnlich dem NOx-Sensor 20 ist, erfasst eine NOx-Konzentration in Abgasen zur Ausgabe eines Erfassungssignals an die ECU 2, das die NOx-Konzentration anzeigt. Auch ist der zweite NOx-Sensor 23 in dem Auspuffrohr 7 stromauf der Einspritzdüse 14 angeordnet, um ausschließlich die von dem Motor 3 abgegebene NOx-Konzentration zu erfassen, ohne durch von der Einspritzdüse 14 eingespritzten Ammoniak beeinflusst zu werden. Die ECU 2 berechnet die Basiseinspritzmenge Tinh base gemäß einem erfassten Wert Vnoxb, der durch ein Erfassungssignal des zweiten NOx-Sensors 23 angegeben wird, wie unten beschrieben wird.

Auch wird in der Abgasreinigungsvorrichtung 1A die Ammoniakeinspritzmenge Tinh gemäß einer Routine zum Steuern der Ammoniakeinspritzung berechnet, die in 11 dargestellt ist. Diese Routine ähnelt der in 7 dargestellten Routine außer in den Schritten 35, 36, sodass sich die folgende Beschreibung auf die Schritte 35, 36 konzentriert.

In der in 11 dargestellten Routine geht, nachdem die ECU 2 das Abgasvolumen Vex im oben erwähnten Schritt 34 berechnet hat, die Routine zu Schritt 35 weiter, wo die ECU 2 ein in 12 gezeigtes Kennfeld gemäß dem in Schritt 34 berechneten Abgasvolumen Vex und dem erfassten Wert Vnoxb des zweiten NOx-Sensors 23 absucht, um die Basiseinspritzmenge Tinh base abzufragen. In diesem Kennfeld haben drei vorbestimmte Werte Vnoxb1 bis Vnoxb3 des erfassten Werts Vnoxb die Beziehung Vnoxb3 < Vnoxb2 < Vnoxb1. In anderen Worten zeigt das Kennfeld, dass die Basiseinspritzmenge Tinh base auf einen größeren Wert gesetzt wird, um die NOx-Reduktionsleistung zu verbessern, wenn der erfasste Wert Vnoxb des zweiten NOx-Sensors 23 größer wird, oder anders gesagt, wenn die NOx-Konzentration in den von dem Motor 3 abgegebenen Abgasen höher wird. Auch wird die Basiseinspritzmenge Tinh base auf einen größeren Wert gesetzt, wenn das Abgasvolumen Vex größer wird.

Als nächstes geht die Routine zu Schritt 36 weiter, wo die ECU 2 die Ammoniakeinspritzmenge Tinh gemäß der vorgenannten Gleichung (2) berechnet, wonach die Routine zum Steuern der Ammoniakeinspritzung endet.

Gemäß der Abgasreinigungsvorrichtung 1A der zweiten Ausführung wird der Korrekturkoeffizient Kbt mit einem ähnlichen Ansatz wie in der Abgasreinigungsvorrichtung 1 der ersten Ausführung berechnet, und die Basiseinspritzmenge Tinh base wird gemäß dem erfassten Wert Vnoxb des zweiten NOx-Sensors 23 und des Abgasvolumens Vex berechnet, sodass die Ammoniakeinspritzmenge Tinh gemäß der NOx-Konzentration in den vom Motor 3 abgegebenen Abgasen und der NOx-Konzentration und Ammoniakkonzentration in den durch den selektiven NOx-Reduktionskatalysator 8 gereinigten Abgasen noch genauer geregelt werden kann. Im Ergebnis kann die Abgasreinigungsvorrichtung 1A der zweiten Ausführung NOx in den Abgasen effizienter reduzieren. Auch kann, ähnlich der Abgasreinigungsvorrichtung 1 der ersten Ausführung das Ammoniak als Reduktionsmittel allein durch Kraftstoffzufuhr produziert werden, wodurch es möglich wird, die Zufuhr eines gesonderten Reduktionsmittels wegzulassen und man ohne Infrastruktur zur Lieferung des Reduktionsmittels auskommt.

Obwohl die obigen beschriebenen Ausführungen anhand von Beispielen beschrieben wurden, in denen Ammoniak als Reduktionsmittel verwendet wird, ist das Reduktionsmittel nicht auf Ammoniak beschränkt, sondern kann auch zumindest unter Verwendung des Kraftstoffs für den Verbrennungsmotor als Rohmaterial produziert werden. Wenn z.B. ein Verbrennungsmotor mit Benzin, Leichtöl, Methanol oder dgl. betrieben wird, können Kohlenwasserstoffe, Aldehyde oder dgl., die aus dem Kraftstoff erzeugt werden, als Reduktionsmittel benutzt werden.

Es versteht sich ferner, dass der Ansatz zum Gewinnen von Ammoniak zur Versorgung des selektiven NOx-Reduktionskatalysators nicht auf die Beispiele der jeweiligen Ausführungen beschränkt ist, welche die Ammoniakproduktionseinheit 10 verwenden. Zum Beispiel kann anstelle der Ammoniakproduktionseinheit 10 ein Ammoniaktank 10 zur Speicherung von Ammoniak in dem Motor 3 vorgesehen sein, wie in den 1 und 10 mit den doppelpunktierten Linien angegeben, sodass der Ammoniak von dem Ammoniaktank 17 dem selektiven NOx-Reduktionskatalysator 8 zugeführt wird. Wenn in diesem Fall der in dem Ammoniaktank 17 gespeicherte Ammoniak weniger geworden ist, kann von der Außenseite her gesonderter Ammoniak zugeführt werden. Alternativ kann der Motor 3 mit sowohl der Ammoniakproduktionseinheit 10 als auch dem Ammoniaktank 17 versehen sein, sodass der durch die Ammoniakproduktionseinheit 10 erzeugte Ammoniak in dem Ammoniaktank 17 gespeichert wird und der Ammoniak dem selektiven NOx-Reduktionskatalysator 8 nach Bedarf von dem Ammoniaktank 17 zugeführt wird.

Es versteht sich auch, dass die Abgasreinigungsvorrichtung 1, 1A nicht nur bei einem Verbrennungsmotor für ein Fahrzeug anwendbar ist, wie in den vorstehenden Ausführungen, sondern auch an anderen Verbrennungsmotoren, z.B. solchen für Schifffahrt und Energie- bzw. Stromerzeugung. Darüber hinaus ist natürlich die Abgasreinigungsvorrichtung 1, 1A auch bei einem Dieselmotor anwendbar und nicht auf den Benzinmotor der vorstehenden Ausführung beschränkt.

Der NOx-Detektor ist nicht auf die NOx-Sensoren 20, 23 vom Strombegrenzungstyp beschränkt, wie in den vorstehenden Ausführungen verwendet, sondern kann irgendein NOx-Sensor sein, wie etwa ein Halbleiter-NOx-Sensor, ein NOx-Sensor vom Oberflächenpotenzialtyp oder dgl., solange er in der Lage ist, die NOx-Konzentration in den Abgasen zu erfassen. Ferner gibt der in der vorstehenden Ausführung angewendete NOx-Sensor 20 einen höheren Erfassungswert Vnox aus, wenn die NOx-Konzentration oder Ammoniakkonzentration höher ist. Alternativ kann die Abgasreinigungsvorrichtung einen NOx-Sensor verwenden, die einen kleineren Erfassungswert Vnox ausgibt, wenn die NOx-Konzentration oder Ammoniakkonzentration höher ist. In dieser Alternative kann der Korrekturkoeffizient Kbt derart berechnet werden, dass die Schätzung Vnox hat(k) einen Maximalwert einnimmt.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich, kann die erfindungsgemäße Abgasreinigungsvorrichtung die Menge des dem selektiven NOx-Reduktionskatalysators zugeführten Reduktionsmittels geeignet bestimmen, um gute Abgaseigenschaften sicherzustellen.

Erfindungsgemäß werden eine Abgasreinigungsvorrichtung und ein solches Verfahren für einen Verbrennungsmotor sowie eine Motorsteuereinheit angegeben, um die einem selektiven NOx-Reduktionskatalysator (8) zugeführte Reduktionsmittelmenge geeignet zu bestimmen, um gute Abgaseigenschaften sicherzustellen. Erfindungsgemäß umfasst die Abgasreinigungsvorrichtung (1): eine ECU (2); einen selektiven NOx-Reduktionskatalysator (8) zum Reinigen von NOx in Abgasen in einem Auspuffrohr (7); einen NOx-Sensor (20), der in dem Auspuffrohr (7) stromab des selektiven NOx-Reduktionskatalysators (8) angeordnet ist, um eine NOx-Konzentration in den Abgasen zu erfassen; sowie eine Einspritzdüse (14) zum Versorgen des selektiven NOx-Reduktionskatalysators (8) mit Ammoniak, der in einer Ammoniakproduktionseinheit (10) produziert wird. Die ECU (2) bestimmt die Ammoniakmenge (Tinh), die durch die Einspritzdüse (14) zu dem selektiven NOx-Reduktionskatalysator (8) eingespritzt wird, sodass eine Schätzung (Vnox_hat) der von dem NOx-Sensor (20) erfassten NOx-Konzentration einen Minimalwert (Vonx_hmin) erreicht.


Anspruch[de]
  1. Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, umfassend:

    einen selektiven NOx-Reduktionskatalysator (8), der in einer Auspuffleitung (7) des Verbrennungsmotors (3) angeordnet ist, um NOx in durch die Auspuffleitung (7) fließenden Abgasen in der Gegenwart eines Reduktionsmittels zu reinigen;

    einen NOx-Detektor (20), der in der Auspuffleitung (7) an einer Stelle stromab des selektiven NOx-Reduktionskatalysators (8) angeordnet ist, um eine Nox-Konzentration (Vnox) in den Abgasen zu erfassen;

    eine Reduktionsmittelzufuhreinheit (14) zum Zuführen des Reduktionsmittels zu dem selektiven NOx-Reduktionskatalysator (8); und

    ein Zufuhrmengenbestimmungsmittel (2c) zum Bestimmen der Menge (Tinh) des Reduktionsmittels, die dem selektiven NOx-Reduktionskatalysator (8) durch die Reduktionsmittelzufuhreinheit (14) zuzuführen ist, derart, dass die von dem NOx-Detektor (20) erfasste NOx-Konzentration (Vnox) einen Extremwert (Vnox hmin) erreicht.
  2. Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1,

    gekennzeichnet durch:

    einen stromaufwärtigen NOx-Detektor (23), der in der Auspuffleitung (7) an einer Stelle stromauf des selektiven NOx-Reduktionskatalysators (8) angeordnet ist, um die Nox-Konzentration (Vnoxb) in den Abgasen zu erfassen; und

    ein Abgasvolumenerfassungsmittel (21, 22) zum Erfassen eines Abgasvolumens (Vex) des Verbrennungsmotors (3);

    worin das Zufuhrmengenbestimmungsmittel (2c) enthält:

    ein Basiszufuhrmengenbestimmungsmittel zum Bestimmen einer Basiszufuhrmenge (Tinh base) des Reduktionsmittels zu dem selektiven NOx-Reduktionskatalysator (8) gemäß der durch den stromaufwärtigen NOx-Detektor (23) erfassten Nox-Konzentration (Vnoxb) und dem erfassten Abgasvolumen (Vex); und

    ein Korrekturmittel zum Korrigieren der bestimmten Basiszufuhrmenge (Tinh base) des Reduktionsmittels derart, dass die von dem NOx-Sensor (20) erfasste NOx-Konzentration einen Extremwert erreicht (Vnox hmin).
  3. Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Reduktionsmittelproduktionseinheit (10) zum Produzieren des Reduktionsmittels unter Verwendung zumindest eines Kraftstoffs für den Verbrennungsmotor (3) als Rohmaterial.
  4. Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsmittel Ammoniak ist.
  5. Abgasreinigungsverfahren für einen Verbrennungsmotor, welches die Schritte umfasst:

    Reinigen von NOx in durch eine Auspuffleitung (7) fließenden Abgasen unter Verwendung eines selektiven NOx-Reduktionskatalysators (8) in der Gegenwart eines Reduktionsmittels;

    Erfassen einer Nox-Konzentration (Vnox) in den Abgasen;

    Zuführen des Reduktionsmittels zu dem selektiven NOx-Reduktionskatalysator (8); und

    Bestimmen der dem selektiven NOx-Reduktionskatalysator (8) zuzuführenden Reduktionsmittelmenge (Tinh) derart, dass die erfasste NOx-Konzentration (Vnox) einen Extremwert (Vnox hmin) erreicht.
  6. Abgasreinigungsverfahren für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 5, welches die Schritte aufweist:

    Erfassen der Nox-Konzentration (Vnox) in den Abgasen in der Auspuffleitung (7) an einer Stelle stromauf des selektiven NOx-Reduktionskatalysators (8); und

    Erfassen eines Abgasvolumens (Vex) des Verbrennungsmotors (3);

    worin der Schritt der Bestimmung der Reduktionsmittelmenge (Tinh) enthält:

    Bestimmen einer Basiszufuhrmenge (Tinh base) des Reduktionsmittels zu dem selektiven NOx-Reduktionskatalysator (8) gemäß der an der Stelle stromauf des selektiven NOx-Reduktionskatalysators (8) erfassten Nox-Konzentration (Vnox) und dem erfassten Abgasvolumen (Vex); und

    Korrigieren der bestimmten Basiszufuhrmenge (Tinh base) des Reduktionsmittels derart, dass die erfasste NOx-Konzentration einen Extremwert (Vnox hmin) erreicht.
  7. Abgasreinigungsverfahren für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch den Schritt, das Reduktionsmittel unter Verwendung zumindest eines Kraftstoffs für den Verbrennungsmotor (3) als Rohmaterial zu produzieren.
  8. Abgasreinigungsverfahren für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsmittel Ammoniak ist.
Es folgen 12 Blatt Zeichnungen






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