DE60005251T2

DE60005251T2 - Abgasreinigungssystem für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE60005251T2
Application number: DE2000605251
Authority: DE
Inventors: Kaname Yokohama-shi Naganuma; Akira Yokosuka-shi Tayama; Taro Zushi-shi Yokoi; Kouji Yokohama-shi Ishihara
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1999-06-14
Filing date: 2000-06-05
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2020-06-06
Also published as: EP1061245B1; DE60005251D1; EP1061245A2; JP2000356124A; JP3812223B2; EP1061245A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Fachgebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Abgasreinigungssysteme eines eingebauten Verbrennungsmotors und im besonderen auf Abgasreinigungssysteme des Typs, der einen NOxspeicherfähigen 3-Wege-katalytischen Konverter besitzt, der in einen Abgaskanal, der vom Motor wegführt, eingebaut ist. Noch spezifischer handelt es sich bei der vorliegenden Erfindung um einen Typ von Abgasreinigungssystemen, der einen eingebauten Verbrennungsmotor, der mit einem magereren Luft/Kraftstoffgemisch arbeitet, benötigt.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Hitherto, ein sogenannter NOx-speicherfähiger 3-Wegekatalytischer Konverter ist so geplant worden, das er solch eine Leistung besitzt, damit der Konverter (spezifischer, der Katalysator des Konverters), wenn das Motorabgas ein höheres Luft-/Kraftstoffverhältnis (nämlich magereres Gemisch) aufzeigt, NOx im Abgas ausfiltert und speichert, wohingegen der Katalysator, wenn das Abgas ein stöchiometrisches oder niedrigeres Luft-/Kraftstoffverhältnis (nämlich fetteres Gemisch) aufzeigt, NOx freisetzt und dessen Reduzierung im Abgas mit Hilfe von HC und CO, das sich im Abgas befindet, erlaubt. Das heißt, das freigesetzte NOx wird mittels unverbranntem, als reduzierende Hilfsmittel verwendetes HC und CO gereinigt.
Wie hier schon erwähnt wurde, unter der Voraussetzung eines Motorbetriebes mit einem mageren Luft-/Kraftstoffverhältnis- Wertebereich, filtert und speichert der Katalysator des NOxspeicherfähigen katalytischen Konverters NOx derart, um NOx im Abgas, das tatsächlich an die Freiluft abgegeben wird, zu reduzieren.
Wenn jedoch der Betrag des vom Katalysator gespeicherten NOx zu einem maximalen Speicherkapazitätswert hochkommt, kann das NOx im Motorabgas nicht mehr länger vom Katalysator ausgefiltert oder gespeichert werden. Unter dieser Bedingung würde das NOx im Abgas direkt an die Freiluft abgegeben, ohne durch den Konverter ausgefiltert zu werden.
Um dieses unerwünschte Phänomen zu behandeln, ist eine so genannte Fettgemisch-Spitzenwert-Regelung geplant, wobei beim Auftreten der maximalen Speicherung des NOx im Katalysator des Konverters das Soll-Luft-/Kraftstoffverhältnis des Gemisches, das dem Motor zugeführt wird, vorübergehend in ein stöchiometrisches oder niedrigeres Verhältnis (nämlich fetteres Gemisch) umgewandelt wird, um den Katalysator zu zwingen, gespeichertes NOx zur Rückgewinnung der NOx- Speicherfähigkeit des Katalysators frei zu setzen.
In den Abgasreinigungssystemen, die in den japanischen Patenten unter „First Provisional"- Veröffentlichungen 6-1025 und 6-294319 offenbart wurden, wird ein NOx- Absorptionsmittel im Abgaskanal angewendet. Das bedeutet, wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis höher als das stöchiometrische Verhältnis ist, nimmt das NOx- Absorptionsmittel im Abgaskanal NOx auf, und wenn der Sauerstoffgehalt im Abgas auf ein bestimmtes Niveau absinkt, setzt das NOx- Absorptionsmittel aufgenommenes NOx dort frei. In diesen offenbarten Systemen werden die Temperatur des Katalysators des Konverters und/oder die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases, das zum Konverter geführt wird, als ein Parameter für die Regelungsfunktion des Systems verwendet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In den oben erwähnten Reinigungssystemen erfolgt der Fettgemisch-Spitzenwert-Ablauf unter der Voraussetzung, das das gesamte NOx, das vom Katalysator des Konverters gespeichert ist, freigesetzt und reduziert werden soll. Das heißt, der Fettgemisch-Spitzenwert-Ablauf wird zwangsläufig ausgeführt, unabhängig von der Motorlast zu dem Zeitpunkt, wenn der Fettgemisch-Spitzenwert-Ablauf unter dem Motorbetrieb mit einem mageren Luft-/Kraftstoffverhältnis-Wertebereich notwendig wird. Angesichts dieser Regelung bleibt viel Platz zur Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs des Motors in Vergleichssystemen.
Das heißt, eines der Leistungsmerkmale des NOx- speicherfähigen Katalysators ist die NOx- Speicherrate, die durch die Division des Betrages des vom Katalysator gespeicherten NOx per Zeiteinheit und des Betrages von NOx, das in den Katalysator eingeleitet wird, per Zeiteinheit, definiert ist.
Normalerweise sinkt die NOx- Speicherrate, während der gespeicherte Betrag von NOx zunimmt.
Weiterhin, wenn die NOx- Speicherrate hoch gehalten wird, wird der NOx- Speicherungsablauf durch den Katalysator ausgeführt, unabhängig vom NOx- Betrag, der im Katalysator zurückbleibt. Experimente durch die Erfinder haben offenbart, das das Phänomen, bei dem die NOx- Speicherrate absinkt, während der NOx-Betrag, der im Katalysator zurückbleibt, zunimmt, eine geringere Tendenz bei einer niedrigeren Motorlast- Wirkweise im mageren Luft-/Kraftstoffverhältnis-Wertebereich zeigt als bei einer höheren Motorlast- Wirkweise. Das bedeutet, im Fall einer niedrigeren Motorlast- Wirkweise im mageren Luft/Kraftstoffverhältnis-Wertebereich, das, wenn eine höhere NOx-Speicherrate gehalten werden kann, sogar wenn der Betrag des vom Katalysator gespeicherten NOx kenntlich gemacht wird, keine Notwendigkeit besteht, das gesamte NOx, das vom Katalysator gespeichert ist, zum Zeitpunkt des Fettgemisch-Spitzenwert-Ablaufes freizusetzen und zu reduzieren. Mit anderen Worten, der Kraftstoffbetrag, der für den Fettgemisch-Spitzenwert-Ablauf benötigt wird, kann durch die Regelung des Fettgemisch-Spitzenwert-Ablaufes reduziert werden, um somit nur einen Teil des NOx, das vom Katalysator des Konverters gespeichert ist, zu reduzieren.
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Abgasreinigungssystem zu liefern, bei dem, wenn die Motor-Wirkweise eine niedrigere Betriebslast aufweist und wenn ein Fettgemisch-Spitzenwert-Ablauf im Betrieb in einem mageren Luft-Kraftstoffverhältnis-Wertebereich notwendig wird, eine sogenannter „Teil- Fettgemisch-Spitzenwert-Ablauf" ausgeführt wird, um einen Teil des NOx, das vom Katalysator gespeichert ist, frei zu setzen und zu reduzieren, zudem hat es zur Folge, die NOx- Speicherfähigkeit des Katalysators zurück zu gewinnen und Kraftstoff für den Fettgemisch-Spitzenwert-Ablauf zu sparen.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, ist dieser mit einem Motor-Abgasreinigungssystem versehen. Das System weist einen Katalysator auf, der in einem Abgaskanal eines Motors angeordnet ist, wobei der Katalysator NOx im Abgas ausfiltert und speichert, wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis des Abgases höher ist als das stöchiometrische Verhältnis, und NOx im Abgas mit Hilfe von Reduktionskomponenten reduziert, wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis des Abgases gleich oder niedriger ist als das stöchiometrische Verhältnis; einen Detektor, der die Betriebslast des Motors erfasst; und eine Steuer/Regeleinheit mit einem Mikroprozessor, der zur Ausführung folgender Schritte programmiert ist: Berechnen des Betrages des gespeicherten NOx, wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis des Abgases höher ist als das stöchiometrische Verhältnis; Beurteilen, ob der Katalysator eine Wiederherstellung der NOx- Speicherfähigkeit gemäß dem berechneten Betrag des gespeicherten NOx benötigt, oder ob dies nicht der Fall ist; Bestimmen des Betrages des zu reduzierenden NOx gemäß der Motorlast, die vom Detektor erfasst wird; und Ausführen einer Katalysatorerholungssteuerung, wenn das Bedürfnis zur Wiederherstellung der NOx- Speicherfähigkeit festgestellt wird, wobei die Katalysatorerholungssteuerung eine Steuerung ist, die dazu dient, das Luft/Kraftstoffverhältnis des Abgases auf einem vorbestimmten niedrigeren Verhältnis für eine vorbestimmte Zeitspanne zu halten, um dadurch den bestimmten Betrag von NOx zu reduzieren.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung, ist dieser mit einem Verfahren zur Reinigung des Abgases versehen, das in einem System mit einem Motor und einem Katalysator, der in einem Abgaskanal eines Motors angeordnet ist, wobei der Katalysator NOx im Abgas ausfiltert und speichert, wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis des Abgases höher ist als das stöchiometrische Verhältnis, und NOx im Abgas mit Hilfe von Reduktionskomponenten reduziert, wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis des Abgases gleich oder niedriger ist als das stöchiometrische Verhältnis, ausgeführt ist. Das Verfahren weist folgende Verfahrensschritte auf: Erfassung der Betriebslast des Motors; Berechnung des Betrages des gespeicherten NOx, wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis des Abgases höher ist als das stöchiometrische Verhältnis; Beurteilung, ob der Katalysator eine Wiederherstellung der NOx- Speicherfähigkeit gemäß dem berechneten Betrag des gespeicherten NOx benötigt, oder ob dies nicht der Fall ist; Bestimmung des Betrages des zu reduzierenden NOx gemäß der Motorlast; und Ausführung einer Katalysatorerholungssteuerung, wenn das Bedürfnis zur Wiederherstellung der NOx- Speicherfähigkeit festgestellt wird, wobei die Katalysatorerholungssteuerung eine Steuerung ist, die dazu dient, das Luft/Kraftstoffverhältnis des Abgases auf ein vorbestimmtes niedrigeres Verhältnis für eine vorbe stimmte Zeitspanne zu Halten, um dadurch den bestimmten Betrag von NOx zu reduzieren.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Ansicht eines eingebauten Verbrennungsmotors, auf den sich die vorliegende Erfindung praktisch bezieht;
2 ist ein Zeitdiagramm, das die Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung darstellt;
3 und 4 sind Ablaufdiagramme, die die programmierten Funktionsschritte zeigen, die in einer Steuerungseinheit zur Ausführung eines Fettgemisch-Spitzenwert-Ablaufes, der in der vorliegenden Erfindung angewendet wird, ausgeführt werden;
5 ist eine graphische Darstellung, die eine Beziehung zwischen dem Betrag des gespeicherten NOx und der NOx- Speicherrate bezüglich der Motorlast darstellt;
6 ist ein Ablaufdiagramm, das die programmierten Funktionsschritte zeigt, die in einer Steuerungseinheit zur Berechnung einer Impulsdauer für die Kraftstoffeinspritzung ausgeführt werden;
7 ist eine graphische Darstellung, die das Merkmal eines Soll-Äquivalenz-Verhältnisses, das gemäß einer Motor- Funktionsbedingung definiert ist, darstellt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
In 1 ist ein eingebauter Verbrennungsmotor 10 schematisch dargestellt, auf den sich ein Abgasreinigungssystem der vorliegenden Erfindung bezieht.
Bezeichnet durch Nummer 12, ist ein Ansaugkanal dargestellt, der zum Einlaßkanal des Motors 10 führt. Eine Drosselvorrichtung 14 ist im Ansaugkanal 12 befestigt, um jede Verbrennungskammer des Motors 10 mit dosierter Luft zu versorgen. Die Drosselvorrichtung 14 wird durch eine Drosselbetätigungsvorrichtung 14A wie ein Gleichstrommotor oder dergleichen betrieben. Eine Kraftstoffeinspritzdüse 16 ist zu jeder Verbrennungskammer des Motors 10 frei liegend sichtbar. Das heißt, der in 1 dargestellte Motor ist ein Kraftstoff- Direkteinspritzungs- Typ (nämlich GDI).
Zum Betrieb arbeitet die Kraftstoffeinspritzdüse 16 in der Weise, daß die Verbrennungskammer ein Gemisch aus einem gewünschten Luft-/Kraftstoffverhältnis erhält, eine elektronische Steuereinheit (ECU) 18 speist die Kraftstoffeinspritzdüse 16 mit einem Ausführungssignal gemäß den Betriebsbedingungen eines assoziierten Motorfahrzeuges und des Motors 10. Jede Verbrennungskammer besitzt eine Zündkerze 20. Obwohl der dargestellte Motor 10 ein Kraftstoff- Direkteinspritzungs- Typ ist, kann auch ein Normaltyp- Motor, bei dem die Kraftstoffeinspritzdüse im Ansaugkanal 12 frei liegt, in der vorliegenden Erfindung zur Anwendung kommen.

10: Verbrennungsmotor
12: Ansaugkanal
14: Drosselvorrichtung
14A: Drosselbetätigungsvorrichtung
16: Kraftstoffeinspritzdüse
18: ECU elektronische Steuer-/Regeleinheit
20: Zündkerze
22: Kurbelwellenwinkel – Meßfühler
24: Luftstrommessvorrichtung
26: Beschleunigungs – Meßfühler
28: Kühlwassertemperatur – Meßfühler
30: Abgaskanal
32: NOx – speicherfähiger katalytischer Konverter
34: Temperatur – Meßfühler

Claims

Ein Abgasreinigungssystem eines Motors mit: – einem Katalysator, der in einem Abgaskanal eines Motors angeordnet ist, wobei der Katalysator NOx im Abgas ausfiltert und speichert, wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis des Abgases höher ist als das stöchiometrische Verhältnis, und NOx im Abgas mit Hilfe von Reduktionskomponenten reduziert, wenn das LuftlKraftstoffverhältnis des Abgases gleich oder niedriger ist als das stöchiometrische Verhältnis; – einem Detektor, der die Betriebslast des Motors erfasst; und – mit einer Steuer/Regeleinheit, die einen Mikroprozessor aufweist, der zur Ausführung folgender Schritte programmiert ist: – Berechnen des Betrages des gespeicherten NOx, wenn das LuftlKraftstoffverhältnis des Abgases höher ist als das stöchiometrische Verhältnis; – Beurteilen, ob der Katalysator eine Wiederherstellung der NOx- Speicherfähigkeit gemäß dem berechneten Betrag des gespeicherten NOx benötigt, oder ob dies nicht der Fall ist; – Bestimmen des Betrages des zu reduzierenden NOx gemäß der Motorlast, die vom Detektor erfasst wird; und – Ausführung einer Katalysatorerholungssteuerung, wenn das Bedürfnis zur Wiederherstellung der NOx- Speicherfähigkeit festgestellt wird, wobei die Katalysatorerholungssteuerung eine Steuerung ist, die dazu dient, das LuftlKraftstoffverhältnis des Abgases auf einem vorbestimmten niedrigeren Verhältnis für eine vorbestimmte Zeitspanne zu halten, um dadurch den bestimmten Betrag von NOx zu reduzieren.
Ein Abgasreinigungssystem gemäß Anspruch 1, – bei dem der Mikroprozessor weiterhin so programmiert ist, um die vorbestimmte Zeitspanne und das vorbestimmte niedrigere Luft/Kraftstoffverhältnis gemäß des festgelegten Betrages des zu reduzierenden NOx zu bestimmen.
Ein Abgasreinigungssystem gemäß Anspruch 1, – bei dem der Mikroprozessor weiterhin so programmiert ist, um den Betrag des zu reduzierenden NOx zu verringern, während sich die Motorlast absenkt.
Ein Abgasreinigungssystem gemäß Anspruch 1, – bei dem der Mikroprozessor weiterhin so programmiert ist, um den Betrag des zu reduzierenden NOx gemäß der ermittelten Motorlast zu bestimmen, wenn das Bedürfnis zur Wiederherstellung der NOx Speicherfähigkeit des Katalysators festgestellt wird.
Ein Abgasreinigungssystem gemäß Anspruch 1, – bei dem der Mikroprozessor weiterhin so programmiert ist, um den Betrag des zu reduzierenden NOx gemäß einer historischen Motorlast-Datenmenge, die vom Detektor gesammelt worden ist, zu bestimmen.
Ein Abgasreinigungssystem gemäß Anspruch 1, – bei dem der Mikroprozessor weiterhin so programmiert ist, um das Bedürfnis zur Wiederherstellung der NOx Speicherfähigkeit des Katalysators festzustellen, wenn der berechnete Betrag des gespeicherten NOx auf einen vorbestimmten Betrag ansteigt.
Bei einem System mit einem Motor und einem Katalysator, der in einem Abgaskanal eines Motors angeordnet ist, wobei der Katalysator NOx im Abgas ausfiltert und speichert, wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis des Abgases höher ist als das stöchiometrische Verhältnis, und NOx im Abgas mit Hilfe von Reduktionskomponenten reduziert, wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis des Abgases gleich oder niedriger ist als das stöchiometrische Verhältnis; weist ein Verfahren zur Reinigung des Abgases folgende Verfahrensschritte auf: – Erfassung der Betriebslast des Motors; – Berechnung des Betrages des gespeicherten NOx, wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis des Abgases höher ist als das stöchiometrische Verhältnis; – Beurteilung, ob der Katalysator eine Wiederherstellung der NOx- Speicherfähigkeit gemäß dem berechneten Betrag des gespeicherten NOx benötigt, oder ob dies nicht der Fall ist; – Bestimmung des Betrages des zu reduzierenden NOx gemäß der Motorlast; und – Ausführung einer Katalysatorerholungssteuerung, wenn das Bedürfnis zur Wiederherstellung der NOx- Speicherfähigkeit festgestellt wird, wobei die Katalysatorerholungssteuerung eine Steuerung ist, die dazu dient, das Luft/Kraftstoffverhältnis des Abgases auf ein vorbestimmtes niedrigeres Verhältnis für eine vorbestimmte Zeitspanne zu Halten, um dadurch den bestimmten Betrag von NOx zu reduzieren.