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Dokumentenidentifikation DE602004001595T2 12.07.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001445441
Titel Abgasreinigungssystem für eine Brennkraftmaschine
Anmelder Isuzu Motors Ltd., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder NAGAOKA, Daiji, 8 Tsuchidana, Fujisawa-shi, Kanagawa,, JP;
GABE, Masashi, 8 Tsuchidana, Fujisawa-shi, Kanagawa,, JP;
SAKAMOTO, Takayuki, 8 Tsuchidana, Fujisawa-shi, Kanagawa,, JP
Vertreter Dr. Weber, Dipl.-Phys. Seiffert, Dr. Lieke, 65183 Wiesbaden
DE-Aktenzeichen 602004001595
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 02.02.2004
EP-Aktenzeichen 041003542
EP-Offenlegungsdatum 11.08.2004
EP date of grant 26.07.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.07.2007
IPC-Hauptklasse F01N 3/20(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse F01N 11/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   F01N 3/08(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   F02D 41/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   B01D 53/04(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   B01D 53/94(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   F02D 41/14(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abgasreinigungssystem für einen Verbrennungsmotor, welches aus einem NOx-Einschluß- bzw. NOx-Speicher-Reduktionskatalysator besteht, der NOx (Stickstoffoxide) im Abgas des Verbrennungsmotors reduziert. Genauer gesagt betrifft die Erfindung eine Technik, mit der eine Freisetzung von HC und CO während einer Fettsteuerung zur Wiederherstellung der katalytischen Funktion des NOx-Speicher-Reduktionskatalysators in die Umgebungsluft verhindert wird.

Betreffend einen NOx-Katalysator zum Reduzieren und Reinigen von NOx aus dem Abgas von Verbrennungsmotoren, wie Dieselmotoren und zum Teil auch Benzinmotoren, und verschiedene Verbrennungssysteme wurde viel Forschung betrieben und es wurden viele Vorschläge gemacht.

Eines der Systeme ist das Abgasreinigungssystem 1X, bei dem ein NOx-Speicher-Reduktionskatalysator 31X in der Abgasleitung 30 des Verbrennungsmotors 10 angeordnet ist, wie es in 4 gezeigt ist. Dieses Abgasreinigungssystem 1X veranlaßt den NOx-Speicher-Reduktionskatalysator 31X, NOx zu absorbieren, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases mager ist. Der Regenerationsbetrieb wird durchgeführt, wenn die NOx-Speicherfähigkeit nahezu erschöpft ist. In diesem Regenerationsbetrieb wird eine Fettsteuerung zum Regenerieren bzw. Wiederherstellen der NOx-Einschluß- bzw. -Speicherfähigkeit durchgeführt, um die Sauerstoffkonzentration des einströmenden Abgases zu verringern, indem das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases auf das theoretische Luft/Kraftstoff-Verhältnis oder den fetten Zustand eingestellt wird. Das gespeicherte NOx wird bei dem Vorgang freigesetzt. Das freigesetzte NOx wird durch die katalytische Funktion eines angehängten Edelmetallkatalysators reduziert.

Wie es in den 5 bis 7 gezeigt ist, beinhaltet dieser NOx-Speicher-Reduktionskatalysator einen Edelmetallkatalysator 31Xb und ein NOx einschließendes bzw. speicherndes Material (eine NOx speichernde Substanz) 31Xc auf einem Katalysatorträger 31Xa, wie Aluminiumoxid. Der Edelmetallkatalysator 31Xb besteht aus Platin (Pt), Palladium (Pd) oder dergleichen. Das NOx speichernde Material (die NOx speichernde Substanz) 31Xc besteht aus Erdalkalimetall, wie Barium (Ba). Wie es in 5 gezeigt ist, wird in einer mageren Atmosphäre (mit hoher Sauerstoffkonzentration) durch die katalytische Wirkung des Edelmetallkatalysators 31Xb NO in dem Abgas zu NO2 oxidiert. Dieses NO2 verteilt sich in dem Katalysator in der Form von NO3 und wird in dem NOx speichernden Material 31Xc in Form eines Nitrats eingeschlossen bzw. gespeichert.

Wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in den fetten Zustand gebracht wird und die Sauerstoffkonzentration abnimmt, wie es in 6 gezeigt ist, wird NO3 in Form von NO2 aus dem NOx speichernden Material 31Xc freigesetzt. Dieses NO2 wird durch die katalytische Wirkung des Edelmetallkatalysators 31Xb mit einem Reduktionsmittel, wie unverbrannten HC, CO und H2, die in dem Abgas enthalten sind, zu N2 reduziert. Diese katalytische Wirkung verhindert, daß NOx in die Umgebungsluft freigesetzt wird.

Darüber hinaus erlaubt dieser NOx-Speicher-Reduktionskatalysator, daß der im Kraftstoff für einen Dieselmotor enthaltene Schwefel, der sich in dem NOx speichernden Material ansammelt, in Form eines Sulfats stabilisiert wird. Dadurch wird die gespeicherte Menge an NOx reduziert. Die Verschlechterung des Katalysators aufgrund einer Schwefelvergiftung schreitet mit abnehmender Reinigungsrate von NOx fort, und die Kraftstoffkosten steigen. Aus diesem Grund wird, wenn die Verschlechterung des Katalysators bis zu einem gewissen Punkt fortgeschritten ist, eine Schwefelreinigung durchgeführt, um den Schwefel zu entfernen.

Durch diese Schwefelreinigung wird der in dem NOx speichernden Material in Form von Bariumsulfat (Ba2PO4) eingeschlossene Schwefel (S) in Schwefeldioxid (SO2) umgewandelt, indem der Katalysator auf eine hohe Temperatur und in eine sauerstofffreie Atmosphäre gebracht wird und auch Kohlenmonoxid (CO) zugeführt wird. So wird die NOx-Speicherfähigkeit wiederhergestellt.

Danach wird sowohl für die Fettsteuerung zur Wiederherstellung der NOx-Speicherfähigkeit als auch für die Steuerung der Schwefelreinigung eine Fettsteuerung durchgeführt. Daher sollen beide im folgenden zusammengefaßt und zusammen als Fettsteuerung bezeichnet werden.

Bei dieser Fettsteuerung ist, wie es in 8 gezeigt ist, während des ersten Zeitabschnitts R1 der Fettsteuerung der Luftüberschußfaktor &lgr; ext (gestrichelte Linie B) am Katalysatorausgang höher als der Luftüberschußfaktor &lgr; ent (durchgezogene Linie A) am Katalysatoreingang, fällt jedoch im zweiten Zeitabschnitt R2 rasch auf das Niveau des Luftüberschußfaktors &lgr; oder darunter.

Daher wird beispielsweise gemäß der japanischen Patentoffenlegung Nr. 10-121944 (121944/1998) die Differenz zwischen den Sauerstoffkonzentrationen vor und hinter dem Katalysator überwacht, und wenn die Differenz zwischen den Sauerstoffkonzentrationen klein wird oder die Sauerstoffkonzentration am Katalysatorausgang unter das Niveau der Sauerstoffkonzentration am Katalysatoreingang absinkt, werden die Freisetzung und die Reduktion von NO2 in dem Katalysator als abgeschlossen betrachtet und die Fettsteuerung wird an diesem Punkt Re beendet.

Zu der Zeit, wenn eine Veränderung der Differenz in den Sauerstoffkonzentrationen vor und hinter dem Katalysator auftritt, wird jedoch gleichzeitig ein Ausströmen der Reduktionsmittel, wie HC und CO, verursacht. Daher besteht ein Problem dahingehend, daß die Reduktionsmittel, wie HC und CO, in gewissem Umfang in die Atmosphäre ausströmen, wenn die Fettsteuerung beendet wird, nachdem die Veränderungen in den Sauerstoffkonzentrationen durch die Sauerstoffkonzentrationssensoren erfaßt wurden. Das heißt, wie es in 9 gezeigt ist, der CO-Ausstoß (durchgezogene Linie E') steigt zu dem Zeitpunkt an, wenn die Fettsteuerung beendet wird.

Die Begründung lautet wie folgt. Wie es in 6 gezeigt ist, wird in dem ersten Zeitabschnitt R1 der Fettsteuerung durch die Oxidationsreaktion von NO2, das aus dem Speichermaterial 31Xc freigesetzt wird, dem Abgas O2 zugeführt. Wie es in 7 gezeigt ist, wird in dem zweiten Zeitabschnitt R2 der Fettsteuerung die Zufuhr von O2 in das Abgas zur gleichen Zeit beendet wie die Freisetzung und die Reduktion von NO2. Daher wird auch CO nicht länger oxidiert und strömt in die Umgebungsluft aus.

Um zu verhindern, daß dieses Reduktionsmittel in die Umgebungsluft ausströmt, wird beispielsweise das Abgasreinigungssystem für einen Verbrennungsmotor, das in der japanischen Patentoffenlegung Nr. 2658753 offenbart ist, mit einer Zuführvorrichtung für Sekundärluft in der Abgasleitung des Verbrennungsmotors ausgestattet. Wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis von mager zu fett geändert wird, wird Sekundärluft durch die Zuführvorrichtung für Sekundärluft in die Abgasleitung des Motors eingeleitet, um die überschüssigen unverbrannten Komponenten, die aus dem NOx speichernden Material freigesetzt wurden, zu oxidieren.

Um die Zuführvorrichtung für Sekundärluft anzuordnen, werden eine elektrische Luftpumpe, ein Sekundärluft-Zuführrohr für das Zuführen von Sekundärluft von der Zuführvorrichtung für Sekundärluft in die Abgasleitung des Motors, ein elektromagnetisches Sekundärluftventil zum Steuern der Zufuhr der Sekundärluft und dergleichen benötigt. Die Struktur eines solchen Abgasbehandlungssystems ist daher zu komplex und kostenaufwendig.

In dem Dokument WO 02/084086 A1 wird ein Verbrennungsmotor offenbart, der mit einem NOx absorbierenden Reduktionskatalysator in der Abgasleitung ausgestattet ist, mit einem Sauerstoffsensor, der abstromig von dem NOx absorbierenden Reduktionskatalysator in der Abgasleitung angeordnet ist, und mit einer Bestimmungsvorrichtung zum Bestimmen eines Verschlechterungszustands des NOx absorbierenden Reduktionskatalysators auf Basis einer Zeitdauer, während welcher ein Spannungswert aufgezeichnet wird, der, bevor die Ausgabe des Spannungswertes von dem Sauerstoffsensor als Maximalwert aufgezeichnet wird, wenn ein kurzzeitiger Wechsel in den fetten Zustand ausgeführt wird, eine geringe Variation aufweist.

Die US 5,743,084 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung für die an Bord erfolgende Überwachung der NOx-Einfangleistung unter Verwendung zweier HEGO-Sensoren, von denen einer aufstromig von der NOx-Falle angeordnet ist und der andere abstromig von der NOx-Falle angeordnet ist. Dann wird der Motor vom mageren Betrieb zum stöchiometrischen oder fetten Betrieb reduziert, um die NOx-Falle zu regenerieren oder zu reinigen. Die Differenz in der Zeit, die benötigt wird, um den aufstromig und den abstromig angeordneten Sensor von der Anzeige eines mageren Zustands auf die Anzeige eines fetten Zustands umzuschalten, liefert ein quantitatives Maß für die Menge an NOx, die während des vorherigen Betriebs im mageren Zustand in der NOx-Falle eingeschlossen war.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die oben genannten Probleme zu lösen, und der Zweck der Erfindung besteht darin, ein Abgasreinigungssystem für einen Verbrennungsmotor gemäß den Merkmalen von Anspruch 1 bereitzustellen.

Darüber hinaus beinhaltet die Fettsteuerung zur Wiederherstellung der katalytischen Funktion der ersten Abgasreinigungsvorrichtung die Fettsteuerung zur Wiederherstellung der NOx-Speicherfähigkeit und die Fettsteuerung zum Reinigen von Schwefel, damit sich der Katalysator von der durch Schwefelvergiftung verursachten Verschlechterung regenerieren kann. Außerdem beinhalten die Ausgabewerte der Sauerstoffkonzentrationssensoren und die Sauerstoffkonzentrationen die mit den Sauerstoffkonzentrationen verknüpften Anzeigen, wie einen Sensor für den Luftüberschußfaktor und den Luftüberschußfaktor, obwohl die Anzeigemodi verschieden sind.

Gemäß dem Abgasreinigungssystem der vorliegenden Erfindung ist die zweite Abgasreinigungsvorrichtung zum Reinigen von HC und CO abstromig von der ersten Abgasreinigungsvorrichtung angeordnet; so kann verhindert werden, daß die zum Zeitpunkt der Beendigung der Fettsteuerung mit der konventionellen Technik erzeugten Reduktionsmittel, wie HC und CO, in die Umgebungsluft ausströmen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 zeigt den Aufbau des Abgasreinigungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

2 zeigt beispielhaft ein Steuerungsablaufdiagramm des Abgasreinigungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

3 zeigt die Luftüberschußfaktoren und die Kohlenmonoxidkonzentration in dem Abgas gemäß einer Ausführungsform und einem Beispiel.

4 zeigt den Aufbau des Abgasreinigungssystems gemäß der konventionellen Technik.

5 veranschaulicht graphisch die Ausgestaltung des NOx-Speicher-Reduktionskatalysators und des Reinigungsmechanismus im mageren Zustand der Magersteuerung (Speicherung bzw. Einschluß von NOx).

6 veranschaulicht graphisch die Ausgestaltung des NOx-Speicher-Reduktionskatalysators und des Reinigungsmechanismus in dem Zustand im ersten Zeitabschnitt der Fettsteuerung (R1: Freisetzen und Reduzieren).

7 veranschaulicht graphisch die Ausgestaltung des NOx-Speicher-Reduktionskatalysators und des Reinigungsmechanismus in dem Zustand im zweiten Zeitabschnitt der Fettsteuerung (R2: nach dem Ausstoß von NOx).

8 ist ein Diagramm, welches die Variationen des Luftüberschußfaktors &lgr; ent am Katalysatoreingang und des Luftüberschußfaktors &lgr; ext am Katalysatorausgang während der Fettsteuerung in dem Abgasreinigungssystem gemäß der konventionellen Technik zeigt.

9 zeigt eine Situation, bei der Kohlenmonoxid zu dem Zeitpunkt ausströmt, wenn die Fettsteuerung in dem Abgasreinigungssystem gemäß der konventionellen Technik beendet wird.

10 zeigt das Verhältnis der Reinigungsfaktoren von NOx, HC und CO zur Sauerstoffkonzentration in dem NOx reduzierenden Katalysator.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Im folgenden wird das Abgasreinigungssystem für einen Verbrennungsmotor gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.

Wie es in 1 gezeigt ist, besteht das Abgasreinigungssystem 1 aus einer ersten Abgasreinigungsvorrichtung 31 zum Reinigen von NOx und einer zweiten Abgasreinigungsvorrichtung 32, deren Funktion darin besteht, die Reduktionsmittel, wie HC und CO, in der Abgasleitung des Motors 10 von der aufstromigen Seite zu reinigen.

Das Abgasreinigungssystem 1 ist mit einer Luftreinigungsvorrichtung 21, einem Luftdurchflußmesser 22, einem MAF-(Luftmassendurchfluß-) Sensor 23 und einem Einlaßdrosselventil 24 auf der aufstromigen Seite in der Einlaßleitung 20 des Motors 10 ausgestattet.

Darüber hinaus sind die erste Abgasreinigungsvorrichtung 31 und die zweite Abgasreinigungsvorrichtung 32 in der Abgasleitung 30 angeordnet. Die erste Abgasreinigungsvorrichtung 31 besteht aus dem NOx-Speicher-Reduktionskatalysator. Des weiteren besteht die zweite Abgasreinigungsvorrichtung 32 entweder aus einem NOx-Speicher-Reduktionskatalysator oder aus einem den NOx-Speicher-Reduktionskatalysator tragenden DPF, und zwar entweder einzeln oder in Kombination.

Weiterhin sind in der Abgasleitung 30 ein Abgastemperatursensor 33, ein Sensor 34 für die Abgaskonzentration am Katalysatoreingang, ein Sensor 35 für die Abgaskonzentration am Katalysatorausgang, ein Sensor 36 für die Temperatur am Katalysatoreingang und ein Sensor 37 für die Temperatur am Katalysatorausgang angeordnet. Die Abgaskonzentrationssensoren 34, 35 sind Sensoren zum Messen einer Sauerstoffkonzentration (oder eines Luftüberschußfaktors) und einer NOx-Konzentration.

Darüber hinaus ist eine AGR-Leitung 40 vorgesehen, und in dieser AGR-Leitung 40 sind eine AGR-Kühlvorrichtung 41 und ein AGR-Ventil 42 angeordnet.

Der Motor 10 mit dem Abgasreinigungssystem 1 ist zur Durchführung der Kraftstoffeinspritzung mit einem Common-Rail-Einspritzsystem 50 sowie zur Durchführung der gesamten Steuerung für den Motor 10 mit einer elektronischen Steuervorrichtung (elektronische Steuerbox) 60, die als ECU (Motorsteuereinheit) bezeichnet wird, ausgestattet.

In dem Abgasreinigungssystem 1 wird die Luft A, die durch die Luftreinigungsvorrichtung 21, den Luftdurchflußmesser 22, den MAF-Sensor 23 und das Einlaßdrosselventil 24 hindurchströmt, durch den Einlaßkrümmer 20a des Motors 10 den Zylindern zugeführt. Die Strömungsgeschwindigkeit der Luft A wird durch die Steuerung des Einlaßdrosselventils 24, welches durch die elektronische Steuervorrichtung 50 gesteuert wird, reguliert.

Des weiteren wird das Abgas G, das aus dem Abgaskrümmer 30a kommt und nacheinander durch die erste Abgasreinigungsvorrichtung 31 und die zweite Abgasreinigungsvorrichtung 32 in der Abgasleitung 30 strömt, durch einen Auspufftopf (nicht gezeigt) aus einem Auspuffrohr (nicht gezeigt) ausgestoßen. Dieses Abgas G wird durch die erste Abgasreinigungsvorrichtung 31 und die zweite Abgasreinigungsvorrichtung 32 gereinigt und wird zu gereinigtem Abgas Gc.

Nach dem Hindurchströmen durch die AGR-Leitung 40 und nach dem Kühlen durch die AGR-Kühlvorrichtung 41 wird das AGR-Gas Ge, ein Teil des Abgases G, durch das AGR-Ventil 42 wieder in den Einlaßkrümmer 20a eingeleitet. Das AGR-Ventil 42 reguliert die Fließgeschwindigkeit des zurückgeführten bzw. AGR-Gases Ge und schaltet den AGR-Betrieb ein oder aus.

Wie es in den 57 gezeigt ist, besteht der NOx-Speicher-Reduktionskatalysator in der ersten Abgasreinigungsvorrichtung 31 aus einem katalytischen Metall 31Xb und einem NOx speichernden Material (einer NOx speichernden Substanz) 31Xc, die auf der Oberfläche eines Trägerkörpers 31Xa, welcher aus monolithischen wabenförmigen Zellen aus &ggr;-Aluminiumoxid oder dergleichen besteht, getragen werden.

Dieses katalytische Metall (der Edelmetallkatalysator) 31Xb kann aus Platin (Pt), Palladium (Pd) oder dergleichen mit Oxidationsaktivität in einem Temperaturbereich, der höher ist als die Temperatur zu Beginn der Aktivität, bestehen. Darüber hinaus kann das NOx speichernde Material (NOx absorbierendes Mittel) 31Xc entweder aus einem Alkalimetall, einem Erdalkalimetall, einem Seltenerdmetall oder einer Kombination daraus bestehen. Die Alkalimetalle beinhalten Kalium (K), Natrium (Na), Lithium (Li), Cäsium (Cs) oder dergleichen. Die Erdalkalimetalle beinhalten Barium (Ba), Calcium (Ca) oder dergleichen. Darüber hinaus beinhalten die Seltenerdmetalle Lanthan (La), Yttrium (Y) oder dergleichen. Das NOx speichernde Material 31Xc speichert NOx, wenn die Sauerstoffkonzentration in dem Gas hoch ist, und setzt NOx frei, wenn die Sauerstoffkonzentration in dem Gas gering ist.

Wie es in 5 gezeigt ist, wird NO in dem Abgas durch die katalytische Wirkung des katalytischen Metalls 31Xb in einer Atmosphäre mit hoher Sauerstoffkonzentration, in der das Abgas sich im mageren Zustand (magere Verbrennung) befindet, zu NO2 oxidiert. Dieses NO2 verteilt sich in dem Katalysator in der Form von NO3 und wird in dem NOx speichernden Material 31Xc in Form eines Nitrats (Ba(NO3)2) absorbiert bzw. aufgenommen. Das heißt, NO2 wird selektiv in dem NOx speichernden Material 31Xc gespeichert, indem eine Umwandlung von Bariumcarbonat (BaCO3) zu Bariumnitrat (Ba(NO3)2) stattfindet.

Wie es in 6 gezeigt ist, wird NO3 in NO2 umgewandelt, wenn das Abgas in den fetten Zustand gebracht wird und die Sauerstoffkonzentration abnimmt, und NO2 wird aus dem NOx speichernden Material 31Xc freigesetzt. Das heißt, NO2 wird dadurch freigesetzt, daß eine Umwandlung von Bariumnitrat (Ba(NO3)2) in Bariumcarbonat (BaCO3) stattfindet. Das freigesetzte NO2 wird mit Reduktionsmitteln, wie unverbranntem HC und CO, die in dem Abgas enthalten sind, durch die katalytische Wirkung des katalytischen Metalls 31Xb zu N2 reduziert. Dieser katalytische Vorgang kann verhindern, daß NOx in die Umgebungsluft freigesetzt wird.

Daß das Abgas in den fetten Zustand gebracht wird, wie es oben beschrieben wurde, bedeutet nicht immer nur eine fette Verbrennung in den Zylinderbohrungen, sondern es bedeutet auch, daß das Verhältnis einer Menge an Luft zu einer Menge an Kraftstoff (einschließlich des in den Zylinderbohrungen verbrannten Anteils), die dem in die erste Abgasreinigungsvorrichtung 31 mit dem NOx-Speicher-Reduktionskatalysator einströmenden Abgas zugeführt wurden, nur in der Nähe des theoretischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses liegen muß oder im fetten Zustand sein muß, in welchem die Kraftstoffmenge größer ist als bei dem theoretischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis.

Darüber hinaus ist der NOx-Speicher-Reduktionskatalysator, der in der zweiten Abgasreinigungsvorrichtung 32 aufgenommen ist, ein NOx-Speicher-Reduktionskatalysator, der dem Katalysator in der ersten Abgasreinigungsvorrichtung 31 ähnlich ist. Darüber hinaus trägt der DPF (Dieselpartikelfilter), der den NOx-Speicher-Reduktionskatalysator trägt, einen NOx-Speicher-Reduktionskatalysator, der dem Katalysator in der ersten Abgasreinigungsvorrichtung 31 auf dem DPF ähnlich ist.

Das Abgasreinigungssystem 1 wird durch das Verfahren gemäß dem Steuerungsablauf, wie er beispielhaft in 2 gezeigt ist, gesteuert.

Der in 2 gezeigte Steuerungsablauf wird während des Betriebs des Motors 10 zusammen mit einem weiteren Steuerungsablauf für den Motor 10 wiederholt aufgerufen und ausgeführt.

Wenn der Steuerungsablauf startet, wird in Schritt S11 beurteilt, ob die Fettsteuerung zur Wiederherstellung der NOx-Speicherfähigkeit oder für die Schwefelreinigung erforderlich ist oder nicht. Wenn sie nicht erforderlich ist (NEIN), wird in Schritt S14 für eine vorbestimmte Zeitdauer (eine mit einem Beurteilungsintervall für die Fettsteuerung verknüpfte Zeitdauer) ein normaler magerer Betriebsmodus, d.h. ein normaler Magerverbrennungsvorgang (Magerverbrennung) ausgeführt, und dann kehrt der Steuerungsablauf zurück.

Wenn dagegen in Schritt S11 beurteilt wird, daß die Fettsteuerung erforderlich ist (JA), wird in Schritt S12 die Fettsteuerung ausgeführt.

Diese Fettsteuerung bringt das Abgas in den fetten Zustand, in dem die Sauerstoffkonzentration nahezu Null ist, indem eine bei einer mehrstufigen Einspritzung eingespritzte Menge und die Einspritzzeit in der Steuerung der Kraftstoffeinspritzung in die Zylinder, die AGR, das Einlaßdrosselventil oder dergleichen eingestellt werden. Das heißt, die mehrstufige Einspritzung wird in der Kraftstoffeinspritzsteuerung ausgeführt. Zur gleichen Zeit wird ein von dem Sensor 35 für die Abgaskonzentration am Katalysatorausgang erfaßter Luftüberschußfaktor &lgr; überwacht und durch Rückkopplung so gesteuert, daß er zu &lgr; t als Ziel wird. Dann werden die zurückgeführte bzw. AGR-Gasmenge und die Einlaßdrosselmenge durch Rückkopplung gesteuert, während die Ausgabewerte des MAF-Sensors 23 zur Messung der aufgenommenen Luftmenge überwacht werden.

Bei dieser Fettsteuerung wird der gesteuerte Bereich der fetten Atmosphäre auf Basis der Sauerstoffkonzentration gesteuert. Die Sauerstoffkonzentration am Katalysatoreingang muß so gesteuert bzw. eingestellt werden, daß es sich um eine Konzentration (beispielsweise 1 %), bei der NO2 aus dem NOx speichernden Material 31Xc freigesetzt werden kann, oder kleiner handelt. Auch die Sauerstoffkonzentration am Katalysatorausgang muß so gesteuert werden, daß es sich um eine Konzentration (beispielsweise 1 %), bei der HC und CO oxidiert werden können und nicht in die Umgebungsluft ausströmen können, oder höher handelt.

Nach Ausführung der Fettsteuerung für eine vorbestimmte Steuerungszeit (eine mit einem Intervall zur Beurteilung der Beendigung der Fettsteuerung verknüpfte Zeitdauer) wird in Schritt S13 beurteilt, ob die Differenz (&Dgr;&lgr; = &lgr; ext – &lgr; ent) zwischen dem Luftüberschußfaktor &lgr; ext am Katalysatorausgang und dem Luftüberschußfaktor &lgr; ent am Katalysatoreingang einem vorbestimmten Beurteilungswert &Dgr;&lgr; entspricht oder nicht. Das heißt, es wird beurteilt, ob die Differenz zwischen der Sauerstoffkonzentration am Katalysatorausgang und der Sauerstoffkonzentration am Katalysatoreingang einer vorbestimmten Konzentrationsdifferenz entspricht oder kleiner ist oder nicht, d.h. daß sie nicht größer ist als der vorbestimmte Beurteilungswert.

Wenn in Schritt S13 beurteilt wird, daß die Differenz &Dgr;&lgr; der Luftüberschußfaktoren größer ist als der vorbestimmte Beurteilungswert &Dgr;&lgr; th, kehrt der Steuerungsablauf zu Schritt S12 zurück, und die Fettsteuerung wird fortgesetzt, bis die Differenz &Dgr;&lgr; der Luftüberschußfaktoren dem vorbestimmten Beurteilungswert &Dgr;&lgr; th entspricht oder kleiner ist. Wenn die Differenz &Dgr;&lgr; der Luftüberschußfaktoren dem vorbestimmten Beurteilungswert &Dgr;&lgr; th entspricht oder kleiner ist, wird in Schritt S14 die Fettsteuerung beendet und der Betrieb wird im normalen mageren Modus fortgesetzt und kehrt dann zum Start zurück.

Dieser Steuerungsablauf wird wiederholt aufgerufen, bis der Zündschlüssel auf Aus gedreht wird.

Das heißt, dieser Steuerungsablauf, der gestartet wird, bei dem die Schritte S11–S14 ausgeführt werden und der schließlich zum Start zurückkehrt, wird wiederholt ausgeführt.

Darüber hinaus ist der oben genannte Ablauf für ein besseres Verständnis vereinfacht dargestellt. Daher werden die Beschreibungen der Dateneingabe und der Daten verarbeitenden Teile zur Beurteilung der Notwendigkeit der Fettsteuerung weggelassen. Des weiteren werden die Beschreibungen der Differenz zwischen den Fettsteuerungsinhalten in Schritt S12 auf Basis der Differenz zwischen der Fettsteuerung zur Wiederherstellung der NOx-Speicherfähigkeit und derjenigen der Schwefelreinigung weggelassen. Darüber hinaus werden auch die Beschreibungen des Vorgangs zum Schreiben der Menge an NOx, der Menge an Schwefel und der Dauer des mageren Betriebs bei Beendigung des Motorbetriebs in den Speicher weggelassen.

Als nächstes werden nachstehend die Zustände des Abgases während des ersten und des zweiten Zeitabschnitts der Fettsteuerung und zum Zeitpunkt der Beendigung derselben in dem Abgasreinigungssystem 1 der oben genannten Ausgestaltung beschrieben.

Während des ersten Zeitabschnitts (erste Stufe) der Fettsteuerung werden der Ausstoß und die Reduktion von NO2 in dem NOx speichernden Material 31Xc in dem Teilabschnitt Z1 in 10 nicht ausgeführt, wenn die Sauerstoffkonzentration in der Umgebungsluft nicht auf einem bestimmten Niveau (etwa 1 %) oder höher ist. Wenn die Sauerstoffkonzentration gering ist, was während Z1 der Fall ist, wird NOx reduziert. Darüber hinaus wird, wie es in 3 gezeigt ist, während des ersten Zeitabschnitts R1 der Fettsteuerung am Katalysatorausgang eine hohe Sauerstoffkonzentration gemessen, d.h. der Luftüberschußfaktor &lgr; ext ist hoch. Gemäß dem oben genannten Fall wird angenommen, daß die Freisetzung und die Reduktion von NO2 im vorderen Teil des Katalysators gestartet werden, da die Sauerstoffkonzentration am Katalysatoreingang absinkt, und daß die Sauerstoff konzentration im hinteren Teil des Katalysators sich aufgrund der Freisetzung und der Reduktion von NO2 im vorderen Teil erhöht. Außerdem wird angenommen, daß im Teilabschnitt Z2 in 10 die Oxidations-Reduktions-Funktion von CO und HC stärker ist als die Freisetzungsfunktion von NO2. Das Ausströmen (Entweichen) von HC, CO und NOx aus dem Katalysatorausgang wird praktisch nicht ausgelöst. Wenn die Sauerstoffkonzentration hoch ist, wie es während Z2 der Fall ist, werden HC und CO oxidiert.

Weiterhin werden während des zweiten Zeitabschnitts R2 der Fettsteuerung R die Freisetzung und die Reduktion von NO2 im gesamten Bereich des Katalysators ausgeführt, und wenn die Reaktion langsam endet, beginnt die Sauerstoffkonzentration im hinteren Teil des Katalysators abzusinken, und sie fällt auf das Niveau der Sauerstoffkonzentration im vorderen Teil des Katalysators oder darunter. Das heißt, wie es in 3 gezeigt ist, der Luftüberschußfaktor &lgr; ext beginnt zu fallen und nähert sich dem Luftüberschußfaktor &lgr; ent an. Da die Sauerstoffkonzentration im hinteren Teil des Katalysators in diesem Stadium während Z1 in 10 ebenfalls verringert wird, beginnen CO und HC zur abstromigen Seite des Katalysators auszuströmen, ohne daß sie oxidiert werden.

Wie es oben beschrieben wurde, wird angenommen, daß die Freisetzung und die Reduktion von NO2 und die Oxidation von HC und CO entsprechend der Veränderung der Sauerstoffkonzentration in dem NOx-Speicher-Reduktionskatalysator in der ersten Abgasreinigungsvorrichtung zeitlich aufeinanderfolgend von dem vorderen Teil zu dem hinteren Teil des Katalysators voranschreiten.

Während die Fettsteuerung voranschreitet, die Freisetzung und die Reduktion von NO2 in dem Katalysator sich fortsetzen und die Fettsteuerung sich dem Ende nähert, fällt die Sauerstoffkonzentration am Katalysatorausgang auf das Niveau der Sauerstoffkonzentration am Katalysatoreingang oder darunter. Das heißt, die Differenz zwischen den Ausgabewerten der Sauerstoffkonzentrationssensoren nähert sich einem vorbestimmten Beurteilungswert an und überschreitet diesen vorbestimmten Beurteilungswert. Das heißt, die Differenz &Dgr;&lgr; zwischen den Luftüberschußfaktoren überschreitet den vorbestimmten Beurteilungswert &Dgr;&lgr; ent. Die Fettsteuerung wird an diesem Punkt Re beendet.

In der vorliegenden Erfindung liegt dagegen die zweite Abgasreinigungsvorrichtung 32 auf der abstromigen Seite der ersten Abgasreinigungsvorrichtung 31. Daher können bei dieser Stufe der Beendigung der Fettsteuerung R die Reduktionsmittel, wie HC und CO, die aus der ersten Abgasreinigungsvorrichtung 31 ausströmen, durch die zweite Abgasreinigungsvorrichtung 32 gereinigt werden. So kann verhindert werden, daß diese Reduktionsmittel in die Umgebungsluft ausströmen.

Das heißt, falls die zweite Abgasreinigungsvorrichtung 32 mit dem NOx-Speicher-Reduktionskatalysator oder dem DPF mit dem NOx-Speicher-Reduktionskatalysator ausgestattet ist, schreiten die Freisetzung und die Reduktion von NO2 in der zweiten Abgasreinigungsvorrichtung 32 voran und die Sauerstoffkonzentration ist hoch. Die Reduktionsmittel, wie HC und CO, die aus der aufstromig angeordneten, ersten Abgasreinigungsvorrichtung 31 ausströmen, werden verbraucht, um NO2 zu reduzieren. Das heißt, da HC und CO durch diese Reduktion oxidiert werden, kann verhindert werden, daß HC und CO in die Umgebungsluft ausströmen.

Darüber hinaus werden, falls die zweite Abgasreinigungsvorrichtung 32 mit einem Drei-Wege-Katalysator oder einem Oxidationskatalysator mit Sauerstoffspeicherfunktion ausgestattet ist, HC und CO durch O2, der von diesen Katalysatoren freigesetzt wird, reduziert, und so kann in ähnlicher Weise verhindert werden, daß die Reduktionsmittel, wie HC und CO, in die Umgebungsluft ausströmen.

So führt das Abgasreinigungssystem 1 in der oben beschriebenen Ausgestaltung die Fettsteuerung aus, wenn sie erforderlich ist, und reinigt HC und CO, die zu dem Zeitpunkt, wenn die Fettsteuerung auf Basis der Differenz zwischen den Sauerstoffkonzentrationen vor und hinter der ersten Abgasreinigungsvorrichtung 31 beendet wird, nicht vollständig oxidiert sind, mit Hilfe der zweiten Abgasreinigungsvorrichtung 32 auf der abstromigen Seite. Dementsprechend kann verhindert werden, daß HC und CO in die Atmosphäre ausgestoßen werden.

Eine Ausführungsform zum Reinigen des Abgases durch das Abgasreinigungssystem 1 ist in 3 gezeigt. In dieser Ausführungsform ist die zweite Abgasreinigungsvorrichtung 32 mit einem NOx-Speicher-Reduktionskatalysator ausgestattet. 3 veranschaulicht das Verhältnis zwischen dem Luftüberschußfaktor &lgr; ent (durchgezogene Linie A) am Eingang der ersten Abgasreinigungsvorrichtung 31 und dem Luftüberschußfaktor &lgr; ext (strichpunktierte Linie B) am Ausgang der ersten Abgasreinigungsvorrichtung 31. Weiterhin zeigt 3 die CO-Konzentration (strichpunktierte Linie C) auf der abstromigen Seite der zweiten Abgasreinigungsvorrichtung 32 zu diesem Zeitpunkt. Darüber hinaus zeigt 3 auch den Luftüberschußfaktor &lgr; ext (gestrichelte Linie B') am Ausgang des NOx-Speicher-Reduktionskatalysators 31 und die CO-Konzentration (gestrichelte Linie C') auf der abstromigen Seite des NOx-Speicher-Reduktionskatalysators 31X, in dem Fall, bei dem die zweite Abgasreinigungsvorrichtung 32 nicht angeordnet ist (Vergleichsbeispiel).

Bei einem Vergleich der CO-Konzentration (strichpunktierte Linie C) dieser Ausführungsform mit der CO-Konzentration (gestrichelte Linie C') des Vergleichsbeispiels ist zu erkennen, daß das Ausströmen von CO zum Zeitpunkt der Beendigung der Fettsteuerung in der Ausführungsform aufgehört hat. Somit ist der Effekt der vorliegenden Erfindung offensichtlich.


Anspruch[de]
Abgasreinigungssystem (1) für einen Verbrennungsmotor (10), welches eine erste Abgasreinigungsvorrichtung (31), die einen NOx-Einschluß-Reduktionstyp-Katalysator aufweist, der in einer Abgasleitung (30) des Verbrennungsmotors (10) angeordnet ist, und Sauerstoffkonzentrationssensoren (34, 35), von denen der eine auf der aufstromigen Seite und der andere auf der abstromigen Seite der ersten Abgasreinigungsvorrichtung (31) angeordnet ist, beinhaltet, wobei eine Steuerung derart vorgesehen ist, daß, wenn während einer Fettsteuerung, die durchgeführt wird, um die katalytische Aktivität der ersten Abgasreinigungsvorrichtung (31) wiederherzustellen, ein Unterschied zwischen Sauerstoffkonzentrationswerten, die durch die Sauerstoffkonzentrationssensoren (34, 35) erfaßt wurden, auf den vorbestimmten Beurteilungswert oder darunter fällt, das System einen Steuerungsvorgang durchführt, um die Fettsteuerung zu beenden, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Abgasreinigungsvorrichtung (32) für das Reinigen von HC und CO abstromig zu der ersten Abgasreinigungsvorrichtung (31) angeordnet ist, ohne daß hierfür eine Zufuhrleitung für Sekundärluft vorgesehen ist, wobei die zweite Abgasreinigungsvorrichtung (32) einen weiteren NOx-Einschluß-Reduktionstyp-Katalysator oder einen DPF, der einen NOx-Einschluß-Reduktionstyp-Katalysator trägt, entweder einzeln oder in Kombination miteinander beinhaltet.






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