DE60014816T2

DE60014816T2 - Abgasenissions-steuervorrichtung für einen verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE60014816T2
Application number: DE60014816T
Authority: DE
Inventors: Kojiro Okada; Takashi Dogahara; Yasuki Tamura
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 1999-04-06
Filing date: 2000-03-30
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2020-03-31
Also published as: JP3399466B2; WO2000060229A1; KR100403875B1; EP1087119B1; US6487851B1; EP1087119A1; EP1087119A4; KR20010052626A; DE60014816D1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Abgasemissions-Steuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor mit einem NO_x-Okklusionskatalysator im Abgastrakt.
Stand der Technik
In den letzten Jahren ist ein Magergemisch-Verbrennungsmotor, der zur Optimierung des Kraftstoffverbrauchs für den Betrieb bei einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis ausgelegt ist, in den praktischen Gebrauch gekommen. Wenn dieser Magergemisch-Verbrennungsmotor mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis betrieben wird, kann ein Dreiwegekatalysator wegen der Reinigungseigenschaften des Katalysators das NO_x (die Stickoxide) im Abgas nicht vollständig beseitigen. Vor kurzem wurde zum Beispiel eine Abgasemissions-Reinigungs-Katalysatorvorrichtung mit einem NO_x-Okklusionskatalysator benutzt, der das NO_x im Abgas beim Betrieb bei einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis einschließt oder absorbiert (nachstehend der Einfachheit halber nur als Okkludieren bezeichnet) und der das okkludierte NO_x beim Betrieb bei einem stöchiometrischen oder fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis freisetzt und reduziert.
Der NO_x-Okklusionskatalysator hat die Eigenschaften, das NO_x im Abgas in Form von Nitraten (X-NO₃) bei Anwesenheit von überschüssigem Sauerstoff in dem Verbrennungsmotor anzuziehen und zu okkludieren (einzuschließen) und das okkludierte NO_x hauptsächlich bei Anwesenheit von überschüssigem Kohlenmonoxid (CO) freizusetzen, um es zu Stick- stoff (N₂) zu reduzieren (und gleichzeitig Karbonate (X-CO₃) zu bilden). Wenn der Betrieb bei einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis für eine vorbestimmte Zeit fortgesetzt wird, verändert sich daher in der Praxis das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in einem Brennraum. Alternativ wird der Betrieb bei dem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis in regelmäßigen Abständen auf den Betrieb bei einem fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis umgeschaltet, zum Beispiel durch Einbringen eines Reduktionsmittels in ein Abgasrohr, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf ein stöchiometrisches oder fettes Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu ändern (dieses Verfahren wird als „fett spicken" oder „rich spike" bezeichnet). Als Ergebnis entsteht in einer sauerstoffarmen Atmosphäre eine CO-reiche Reduktionsatmosphäre, um das okkludierte NO_x für die Reinigungsreduktion (NO_x-Spülung) freizusetzen. Auf diese Weise kann der NO_x-Okklusionskatalysator regeneriert werden. Dieses Verfahren ist zum Beispiel in dem japanischen Patent Nr. 2.586.738 beschrieben.
Ein solcher NO_x-Okklusionskatalysator ist begrenzt hinsichtlich der Menge an NO_x, die auf dem Katalysator okkludiert werden kann. Erreicht die NO_x-Menge, die der NO_x-Okklusionskatalysator eingeschlossen hat, den Grenzwert, wird ein „fettes Spicken" wie vorstehend beschrieben ausgeführt, so dass für eine vorbestimmte Zeit ein Betrieb mit einem vorbestimmten fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis erfolgt.
Der Zeitpunkt, an dem die okkludierte NO_x-Menge in dem NO_x-Okklusionskatalysator den Grenzwert erreicht und das fette Spicken erforderlich ist, ändert sich entsprechend dem Grad der Verschlechterung der NO_x-Reinigungseffizienz des NO_x-Okklusionskatalysators oder entsprechend den Betriebsbedingungen für den Verbrennungsmotor, die Einfluss auf die Durchflussmengen von NO_x und CO haben. Ein Verfahren zum Erfassen der Tatsache, dass die von einem solchen NO_x-Okklusionskatalysator okkludierte NO_x-Menge den Grenzwert erreicht hat, und zum Regenerieren dieses Katalysators ist zum Beispiel in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. Hei 7–166851 beschrieben.
Nach einer in dieser Publikation beschriebenen „Abgasemissions-Steuervorrichtung" ist ein NO_x-Absorber im Abgastrakt eines Verbrennungsmotors angeordnet, und dem NO_x-Absorber nachgeschaltet ist ein NO_x-Sensor vorgesehen. Mit dieser Anordnung führt die Abgasemissions-Steuervorrichtung die Steuerung der Regenerierung (NO_x-Spülung) wie folgt durch: Wenn ein von dem NO_x-Sensor erfasster Messwert (das heißt die Konzentration der NO_x-Komponente) einen Entscheidungswert erreicht hat, wird das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf ein fettes Luft-Kraftstoff-Verhältnis umgeschaltet, um das NO_x aus einem oberen Bereich des Katalysators freizusetzen.
Der gesetzlich vorgeschriebene Wert nach den NO_x-Emissionsvorschriften in verschiedenen Ländern der Welt ist zum Beispiel die gesamte NO_x-Abgabe über eine vorbestimmte Fahrtstrecke eines Fahrzeugs. Die vorstehend genannte herkömmliche „Abgasemissions-Steuervorrichtung" führt die Regenerierungssteuerung aus, indem sie die Konzentration der NO_x-Komponente während jedes mageren Betriebsbereichs, bei dem es sich um einen bestimmten kurzen Zeitraum handelt, misst. Wenn der eingestellte Entscheidungswert wegen der Fahrweise eines Fahrers nur einen geringen Spielraum zulässt, ist es daher wahrscheinlich, dass die gewünschte NO_x-Abgabe, das heißt der gesetzlich vorgeschriebene Wert, für jede vorbestimmte Fahrtstrecke nicht unbedingt zuverlässig abgegeben werden kann.
Das heißt, bei der oben genannten „Abgasemissions-Steuervorrichtung" wird während des Fahrens nicht erfasst, ob die gesamte NO_x-Abgabe über die vorbestimmte Fahrtstrecke einen gewünschten Wert, zum Beispiel den gesetzlich vorgeschriebenen Wert, nicht überschritten hat. Um die gesamte NO_x-Abgabe über die vorbestimmte Fahrtstrecke unter verschiedenen Fahrbedingungen auf einem vorbestimmten Wert oder darunter zu halten, muss daher der oben genannte Entscheidungswert zum Auslösen der Regenerierungssteuerung (NO_x-Spülung) auf einen niedrigen Wert mit ausreichendem Spielraum eingestellt werden. Durch derartiges Einstellen des Entscheidungswertes nimmt daher aufgrund eines großzügigen bemessenen Spielraums die Häufigkeit der Regenerierungssteuerung (NO_x-Spülung) zum Ändern des Luft-Kraft stoff-Verhältnisses auf einen fetten oder stöchiometrischen Wert zu, was den Kraftstoffverbrauch erhöht. Das heißt, es kommt zum Problem einer steigenden CO₂-Abgabe.
Ein Verfahren zur Steuerung der NO_x-Rbgabe über eine vorbestimmte Fahrtstrecke innerhalb eines vorbestimmten Wertes ist zum Beispiel in dem japanischen Patent 2.503.387 beschrieben. Eine „elektronische Verbrennungsmotor-Steuervorrichtung", wie sie in dieser Publikation beschrieben ist, steuert die Zündverstellung und die Abgasrückführmenge zur Steuerung der NO_x-Abgabe nur in einem stöchiometrischen Betriebsbereich. Wenn diese Steuervorrichtung bei einem Magergemisch-Verbrennungsmotor angewandt wird, der mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis arbeitet, wie vorstehend beschrieben, muss das Luft-Kraftstoff-Verhältnis konstant in dem stöchiometrischen Betriebsbereich eingestellt sein, und der Kraftstoffverbrauch kann nicht optimiert werden.
JP-A-61-234254 beschreibt eine Abgasemissions-Steuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor mit einem herkömmlichen Dreiwegekatalysator ohne einen speziellen Katalysator zum Einschließen/Okkludieren von NO_x. Die Vorrichtung weist Sensoren für O₂ und für NO_x auf und steuert den Motor so, dass er zwischen fetten und mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnissen wechselt. Die Dauer des Betriebs bei fettem Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist so eingestellt, dass das mittlere Luft-Kraftstoff-Verhältnis so eingestellt ist, dass eine gewünschte mittlere NO_x-Emission pro Fahrtstrecke erreicht wird.
Die vorliegende Erfindung ist gemacht worden, um die oben genannten Probleme zu lösen. Ihr Ziel ist die Bereitstellung einer Abgasemissions-Steuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor, die die NO_x-Abgabe in die Atmosphäre unter allen Fahrbedingungen direkt steuern kann, um die NO_x-Abgabe zuverlässig auf einem gewünschten Wert zu halten und gleichzeitig eine Verringerung der NO_x-Abgabe und eine Verringerung der CO₂-Abgabe zu erreichen, ohne den Kraftstoffverbrauch zu erhöhen.
Offenlegung der Erfindung
Eine Abgasemissions-Steuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach der vorliegenden Erfindung umfasst eine Abgasemissions-Reinigungs-Katalysatorvorrichtung, die im Abgastrakt des Verbrennungsmotors angeordnet ist und eine NO_x-Verringerungsfunktion unter Reinigung oder Okklusion von NO_x im Abgas, wenn ein Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis mager ist, und eine Verringerungsfunktion zur Verringerung schädlicher Substanzen im Abgas, wenn das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis stöchiometrisch oder fett ist, eine NO_x-Erfassungseinrichtung zur Erfassung oder Abschätzung der Konzentration von in die Atmosphäre abgegebenem NO_x und eine Steuereinrichtung zur Berechnung einer NO_x-Abgabe in die Atmosphäre aufgrund eines Ausgangssignals der NO_x-Erfassungseinrichtung und zum Beenden oder Unterdrücken eines Betriebs bei magerem Luft-Kraftstoff-Verhältnis, wenn sie erfasst oder erwartet, dass die gesamte NO_x-Abgabe einen vorbestimmten Wert überschreitet, bevor ein Fahrzeug eine vorbestimmte Fahrtperiode erreicht.
Wenn das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis mager ist, wird daher das NO_x im Abgas gereinigt oder okkludiert. Die gesamte NO_x-Abgabe wird aus der Konzentration des in die Atmosphäre abgegebenen NO_x mit einer vorbestimmten Fahrtperiode als Zyklus berechnet. Wenn festgestellt oder erwartet wird, dass die gesamte NO_x-Abgabe den vorbestimmten Wert überschreitet, bevor die vorbestimmte Fahrtperiode erreicht ist, wird der Betrieb bei magerem Luft-Kraftstoff-Verhältnis gestoppt oder unterdrückt, und die Verringerungsfunktion der Abgasemissions-Reinigungs-Katalysatorvorrichtung wird ausgeführt. Unter allen Fahrbedingungen kommt es daher nicht zu einem ungünstigen Kraftstoffverbrauch. Außerdem kann unter allen Fahrbedingungen die NO_x-Abgabe auf den gewünschten Wert begrenzt werden. Dadurch lässt sich gleichzeitig eine Verringerung der NO_x-Abgabe und eine Verringerung der CO₂-Abgabe erreichen.
Bei der Abgasemissions-Steuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach der vorliegenden Erfindung kann die Steuereinrichtung das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf ein stöchiometrisches oder fettes Luft-Kraftstoff-Verhältnis ändern, wenn sie erfasst, dass die gesamte NO_x-Abgabe den vorbestimmten Wert überschritten hat, bevor das Fahrzeug die vorbestimmte Fahrtperiode erreicht. Dadurch können schädliche Substanzen im Abgas verringert werden, und die NO_x-Verringerungsfunktion der Abgasemissions-Reinigungs-Katalysatorvorrichtung kann sofort regeneriert werden.
Bei der Abgasemissions-Steuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach der vorliegenden Erfindung kann die Steuereinrichtung nach Ändern des Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf das stöchiometrische oder fette Luft-Kraftstoff-Verhältnis, wenn sie erfasst hat, dass die gesamte NO_x-Abgabe den vorbestimmten Wert überschritten hat, bevor das Fahrzeug die vorbestimmte Fahrtperiode erreicht, das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf dem stöchiometrischen oder fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis halten, bis das Fahrzeug die vorbestimmte Fahrtperiode erreicht. Dadurch kann die NO_x-Emission unterbunden werden.
Bei der Abgasemissions-Steuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach der vorliegenden Erfindung kann die Steuereinrichtung auch einen Betriebsbereich mit magerem Luft-Kraftstoff-Verhältnis verringern, wenn erwartet wird, dass die gesamte NO_x-Abgabe den vorbestimmten Wert überschreitet, bevor das Fahrzeug die vorbestimmte Fahrtperiode erreicht. Dadurch kann der Magerbetrieb in einem optimalen Fahrzustand mit unterdrückter NO_x-Emission fortgesetzt werden. Auf diese Weise lässt sich der Kraftstoffverbrauch optimieren.
Bei der Abgasemissions-Steuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach der vorliegenden Erfindung kann die Steuereinrichtung auch den Betriebsbereich mit magerem Luft-Kraftstoff-Verhältnis basierend auf der gesamten NO_x-Abgabe mitten in der vorbestimmten Fahrtperiode ändern. Da durch kann der Magerbetrieb in einem optimalen Fahrzustand mit unterdrückter NO_x-Emission fortgesetzt werden. Auf diese Weise lässt sich der Kraftstoffverbrauch optimieren.
Bei der Abgasemissions-Steuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach der vorliegenden Erfindung kann die Steuereinrichtung auch die Berechnung der gesamten NO_x-Abgabe und die Messung der vorbestimmten Fahrtperiode zurücksetzen, wenn das Fahrzeug die vorbestimmte Fahrtperiode erreicht. Zu diesem Zeitpunkt wird die Steuerung für die NO_x-Unterdrückung gestartet.
Bei der Abgasemissions-Steuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach der vorliegenden Erfindung kann die Steuereinrichtung, wenn die gesamte NO_x-Abgabe den vorbestimmten Wert auch dann nicht überschreitet, wenn das Fahrzeug die vorbestimmte Fahrtperiode erreicht hat, das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf ein stöchiometrisches oder fettes Luft-Kraftstoff-Verhältnis ändern, nachdem die gesamte NO_x-Abgabe den vorbestimmten Wert überschritten hat, und danach kann die Steuereinrichtung die Berechnung der gesamten NO_x-Abgabe und die Messung der vorbestimmten Fahrtperiode zurücksetzen. Zu diesem Zeitpunkt wird die Steuerung für die NO_x-Unterdrückung gestartet.
Bei der Abgasemissions-Steuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach der vorliegenden Erfindung kann die Steuereinrichtung dann, wenn die Dauer des Betriebs mit magerem Luft-Kraftstoff-Verhältnis eine vorbestimmte Schwellenzeit überschreitet, das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf ein stöchiometrisches oder fettes Luft-Kraftstoff-Verhältnis ändern. Dadurch kann die NO_x-Verringerungsfunktion regeneriert und die NO_x-Emission unterdrückt werden.
Bei der Abgasemissions-Steuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach der vorliegenden Erfindung kann die Steuereinrichtung darin, wenn die Dauer des Betriebs mit magerem Luft-Kraftstoff-Verhältnis eine vorbestimmte Schwellenzeit oder mehr beträgt und wenn die gesamte NO_x-Abgabe oder eine gemittelte NO_x-Konzentration oder eine momentane NO_x-Konzentration während der vorbestimmten Schwellenzeit oder mehr einen vorbestimmten Wert oder mehr beträgt, das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf ein stöchiometrisches oder fettes Luft-Kraftstoff-Verhältnis ändern.
Bei der Abgasemissions-Steuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach der vorliegenden Erfindung kann die Steuereinrichtung den vorbestimmten Wert für die gesamte NO_x-Abgabe entsprechend der Fahrzeuggeschwindigkeit ändern. Die ermöglicht eine Steuerung der Unterdrückung von NO_x-Emissionen entsprechend dem Fahrzustand des Fahrzeugs.
Bei der Abgasemissions-Steuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach der vorliegenden Erfindung kann das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis in Reaktion auf die Beschleunigungstätigkeit durch einen Fahrer auf ein stöchiometrisches oder fettes Luft-Kraftstoff-Verhältnis geändert werden und zusammen mit dem Anfangsstadium der Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses kann eine Kraftstoffeinspritzung in einen Zylinder in und nach einem Arbeitshub ausgeführt werden. Dadurch kann das NO_x in einem frühen Stadium reduziert werden, so dass die gesamte NO_x-Abgabe verringert werden kann.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt schematisch den Aufbau einer Abgasemissions-Steuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm für die Steuerung der NO_x-Abgabe durch die Abgasemissions-Steuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach der vorliegenden Ausführungsform.
3 zeigt ein Ablaufdiagramm für die Zwangssteuerung der NO_x-Spülung. 4 und 5 sind Zeitdiagramme für die Steuerung der NO_x-Abgabe. 6 ist ein Zeitdiagramm für die Steuerung der NO_x-Freisetzung und NO_x-Unterdrückung.
7 zeigt ein Ablaufdiagramm für die Steuerung der NO_x-Abgabe durch eine Abgasemissions-Steuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 8 zeigt ein Magerzonen-Auswahldiagramm basierend auf einer zurückgelegten Fahrtstrecke und einer gesamten NO_x-Abgabe. 9 zeigt ein Magerzonendiagramm basierend auf einer Motordrehzahl und einem mittleren Soll-Arbeitsdruck.
Beste Ausführungsform der Erfindung
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der zugehörigen Zeichnungen ausführlich beschrieben.
[Erste Ausführungsform]
Ein Verbrennurigsmotor (nachstehend als Motor bezeichnet) für eine erste Ausführungsform ist ein Reihen-Vierzylinderbenzinmotor mit Direkteinspritzung, bei dem die Kraftstoffeinspritzung während eines Ansaughubs (Ansaughub-Einspritzmodus) oder während eines Verdichtungshubs (Verdichtungshub-Einspritzmodus) erfolgen kann, zum Beispiel durch Ändern des Kraftstoffeinspritzmodus (Betriebsmodus). Ein Direkteinspritzmotor 11 kann ohne weiteres einen Betrieb bei einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis (stöchiometrischer Betrieb), einen Betrieb bei einem fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis (Betrieb bei fettem Luft-Kraftstoff-Verhältnis) oder einen Betrieb bei einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis (Betrieb bei magerem Luft-Kraftstoff-Verhältnis) realisieren. Insbesondere im Verdichtungshub-Einspritzmodus ist ein Betrieb bei einem supermageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis möglich.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist, wie in 1 gezeigt, für jeden Zylinder ein elektromagnetisches Kraftstoff-Einspritzventil 14 zusammen mit einer Zündkerze 13 an einem Zylinderkopf 12 des Motors 11 angebracht. Der Kraftstoff kann mit dem Kraftstoff-Einspritzventil 14 direkt in das Innere eines Brennraums 15 eingespritzt werden. Eine Kraftstoffzufuhreinrichtung (Kraftstoffpumpe) ist über eine Kraftstoffleitung (nicht gezeigt) mit dem Kraftstoff-Ein spritzventil 14 verbunden, um Kraftstoff in einem Kraftstofftank mit hohem Kraftstoffdruck zuzuführen. Dieser Kraftstoff wird aus dem Kraftstoff-Einspritzventil 14 mit einem gewünschten Kraftstoffdruck in das Innere des Brennraums 15 eingespritzt. Dabei wird eine Kraftstoffeinspritzmenge durch den Kraftstoffaustrittsdruck der Kraftstoffpumpe und die Ventilöffnungszeit des Kraftstoff-Einspritzventils 14 (das heißt die Kraftstoffeinspritzzeit) bestimmt.
In dem Zylinderkopf 12 ist ein Einlasskanal in nahezu senkrechter Richtung für jeden Zylinder ausgebildet. Ein Ende eines Einlasskrümmers 16 ist mit dem Zylinderkopf 12 so verbunden, dass er mit jedem Einlasskanal kommuniziert. An dem anderen Ende des Einlasskrümmers 16 ist ein elektrisch betätigtes Drosselventil 17 eines elektronischen Gaspedals angeschlossen. An dem Drosselventil 17 ist ein Drosselklappensensor 18 zum Erfassen des Drosselklappenwinkels (θ) vorgesehen. In dem Zylinderkopf 12 ist ein Auslasskanal in nahezu horizontaler Richtung für jeden Zylinder ausgebildet. Ein Ende eines Abgaskrümmers 19 ist mit dem Zylinderkopf 12 so verbunden, dass er mit jedem Auslasskanal kommuniziert.
In dem Motor 11 ist ein Kurbelwellensensor 20 zum Erfassen eines Kurbelwellenwinkels vorgesehen. Der Kurbelwellensensor 20 kann eine Motordrehzahl Ne erfassen. Der vorstehend genannte Direkteinspritzmotor 11 ist bereits bekannt, weshalb hier auf eine Erläuterung der Einzelheiten seines Aufbaus verzichtet wird.
Ein Abgasrohr (Abgastrakt) 21 ist mit dem Abgaskrümmer 19 des Motors 11 verbunden. Ein Schalldämpfer (nicht gezeigt) ist über einen Dreiwegekatalysator 22 geringer Größe in der Nähe des Motors 11 und eine Abgasemissions-Reinigungs-Katalysatorvorrichtung 23 mit dem Abgasrohr 21 verbunden. In einem Abschnitt des Abgasrohres 21 zwischen dem Dreiwegekatalysator 22 und der Abgasemissions-Reinigungs-Katalysatorvorrichtung 23 ist ein Hochtemperatursensor 24 zum Erfassen einer Abgastemperatur unmittelbar vor der Ab gasemissions-Reinigungs-Katalysatorvorrichtung 23 angebracht, das heißt unmittelbar vor einem noch zu beschreibenden NO_x-Okklusionskatalysator 25.
Die Abgasemissions-Reinigungs-Katalysatorvorrichtung 23 besteht aus zwei Katalysatoren, dem NO_x-Okklusionskatalysator 25 und einem Dreiwegekatalysator 26, um die NO_x-Verringerungsfunktion unter Okklusion von NO_x im Abgas vorzusehen, wenn das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis ein mageres Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, und die Oxidations-Verringerungsfunktion unter Reinigung von schädlichen Substanzen (HC, CO, NO_x) im Abgas, wenn das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis nahe einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist. Dem NO_x-Okklusionskatalysator 25 nachgeschaltet ist der Dreiwegekatalysator 26 angeordnet. Der Dreiwegekatalysator 26 hat die Aufgabe der Verringerung von NO_x, das durch den NO_x-Okklusionskatalysator 25 selbst nicht verringert worden ist, wenn okkludiertes NO_x aus dem NO_x-Okklusionskatalysator 25 freigesetzt wird. Wenn der NO_x-Okklusionskatalysator 25 die volle Funktion eines Dreiwegekatalysators hat (nachstehend als „Dreiwege-Funktion" bezeichnet), der NO_x verringert und HC und CO oxidiert, kann die Abgasemissions-Reinigungs-Katalysatorvorrichtung 23 ein integrierter NO_x-Okklusionskatalysator/Dreiwegekatalysator sein, der allein aus dem NO_x-Okklusionskatalysator 25 besteht. Der NO_x-Okklusionskatalysator 25 hat die Aufgabe der einmaligen Okklusion von NO_x in einer oxidierenden Atmosphäre (NO_x-Verringerungsfunktion) und die Verringerungsfunktion unter Freisetzung von NO_x in einer reduzierenden Atmosphäre, in der hauptsächlich CO vorliegt, um dieses zu N₂ (Stickstoff) usw. zu reduzieren. Im Einzelnen besteht der NO_x-Okklusionskatalysator 25 aus einem Katalysator, der Platin (Pt), Rhodium (Rh) oder dergleichen als Edelmetall und ein Alkalimetall oder ein Alkalierdmetall wie zum Beispiel Barium (Ba) als Okklusionsmaterial enthält. Vor der Abgasemissions-Reinigungs-Katalysatorvor richtung 23 ist ein NO_x-Sensor (NO_x-Detektoreinrichtung) 27 zum Messen der NO_x-Konzentration vorgesehen.
Weiterhin ist eine ECU (elektronisches Steuergerät) 28 mit einer Ein-/Ausgabevorrichtung, einer Speichervorrichtung (ROM, RAM, nicht flüchtiger RAM usw.), einer Zentraleinheit (CPU) und einem Zeitgeber/Zähler vorgesehen. Diese ECU 28 führt die integrierte Steuerung der Abgasemissions-Steuervorrichtung nach der vorliegenden Ausführungsform einschließlich des Motors 11 durch. Das heißt, dass verschiedene Sensoren, so etwa der vorstehend erwähnte Hochtemperatursensor 24 und der NO_x-Sensor 27, an die Eingangsseite der ECU 28 angeschlossen sind, um die Messdaten von diesen Sensoren zu erfassen. An der Ausgangsseite der ECU 28 ist die vorstehend erwähnte Zündkerze 13 über eine Zündspule und das Kraftstoff-Einspritzventil 14 angeschlossen. Optimale Werte für eine Kraftstoffeinspritzmenge und einen Zündzeitpunkt, die anhand der Messdaten von den verschiedenen Sensoren berechnet worden sind, werden für die Zündspule und das Kraftstoff-Einspritzventil 14 erzeugt. Basierend auf den optimalen Werten wird eine richtige Menge Kraftstoff aus dem Kraftstoff-Einspritzventil 14 mit der richtigen Taktung eingespritzt, und das Zünden erfolgt durch die Zündkerze 13 mit der richtigen Taktung.
In der ECU 28 wird ein für die Motorlast angepasster Soll-Zylinderdruck, das heißt ein mittlerer Soll-Arbeitsdruck Pe, auf der Grundlage von Gaspedalöffnungsdaten von einem Gaspedalöffnungssensor (nicht gezeigt) und von Motordrehzahldaten Ne von dem Kurbelwellensensor 20 ermittelt. Weiterhin wird der Kraftstoffeinspritzmodus nach einem Diagramm (nicht gezeigt) in Reaktion auf den mittleren Soll-Arbeitsdruck Pe und die Motordrehzahldaten Ne eingestellt. Wenn der mittlere Soll-Arbeitsdruck Pe und die Motordrehzahl Ne zum Beispiel beide niedrig sind, wird als Kraftstoffeinspritzmodus der Verdichtungshub-Einspritzmodus gewählt, wodurch Kraftstoff während des Verdichtungshubs eingespritzt wird. Ist hingegen der mittlere Soll-Arbeitsdruck Pe hoch oder ist die Motordrehzahl Ne hoch, wird als Kraftstoffeinspritzmodus der Ansaughub-Einspritzmodus gewählt, wodurch Kraftstoff während des Ansaughubs eingespritzt wird.
Basierend auf dem mittleren Soll-Arbeitsdruck Pe und der Motordrehzahl Ne wird ein Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis (Soll-L/K) als Regelzielvorgabe eingestellt. Eine richtige Kraftstoffeinspritzmenge wird anhand dieses Soll-L/K bestimmt. Eine Katalysatortemperatur Tkat wird anhand der mit dem Hochtemperatursensor 24 erfassten Abgastemperaturdaten geschätzt. Im Einzelnen wird zur Korrektur eines Fehlers aufgrund der geringfügig voneinander entfernten Anordnung des Hochtemperatursensors 24 und des NO_x-Okklusionskatalysators 25 vorab mit Hilfe von Versuchen ein Temperaturdifferenzdiagramm entsprechend dem mittleren Soll-Arbeitsdruck Pe und den Motordrehzahldaten Ne aufgestellt. Die Katalysatortemperatur Tkat wird unbedingt geschätzt, wenn der mittlere Soll-Arbeitsdruck Pe und die Motordrehzahldaten Ne bestimmt werden.
Die Funktionen der Abgasemissions-Steuervorrichtung mit diesem Aufbau für einen Verbrennungsmotor nach der vorliegenden Ausführungsform werden nachstehend beschrieben.
In dem NO_x-Okklusionskatalysator 25 der Abgasemissions-Reinigungs-Katalysatorvorrichtung 23 wird NO_x im Abgas in Form von Nitraten in einer Atmosphäre mit Sauerstoffüberschusskonzentration zum Beispiel während eines supermageren Betriebs im Magermodus okkludiert, um die Abgasreinigung durchzuführen. In einer Atmosphäre mit verringerter Sauerstoffkonzentration hingegen reagieren die auf dem NO_x-Okklusionskatalysator 25 okkludierten Nitrate und CO im Abgas unter Bildung von Karbonaten und Freisetzung von NO_x. Während daher die Okklusion von NO_x auf dem NO_x-Okklusionskatalysator 25 fortschreitet, erfolgt eine Anreicherung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses oder ein zusätzliches Einspritzen von Kraftstoff, um die Sauerstoffkonzentration zu senken und CO zu liefern. Als Ergebnis wird NO_x aus dem NO_x-Okklusionskatalysator 25 freigesetzt, um die Funktion aufrechtzuerhalten.
Der gesetzlich vorgeschriebene Wert nach den NO_x-Emissionsvorschriften in verschiedenen Ländern der Welt ist zum Beispiel eine gesamte NO_x-Abgabe über eine vorbestimmte Fahrtstrecke. Bei der Abgasemissions-Steuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach der vorliegenden Ausführungsform wird die von einem Fahrzeug zurückgelegte Fahrtstrecke auf der Grundlage von Signalen von einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor als ein Parameter in Korrelation mit der Fahrtstrecke des Fahrzeugs erfasst (Fahrtstreckenerfassungseinrichtung). Der NO_x-Sensor 27 erfasst die Konzentration des von dem NO_x-Okklusionskatalysator 25 freigesetzten NO_x. Basierend auf Ausgangssignalen von dem NO_x-Sensor 27 berechnet die ECU 28 eine gesamte NO_x-Abgabe, die in die Atmosphäre abgegeben werden kann. Daneben ändert die ECU (Steuereinrichtung) 28 das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf ein stöchiometrisches oder fettes Luft-Kraftstoff-Verhältnis, wenn die gesamte NO_x-Abgabe einen vorbestimmten Wert überschritten hat, bevor eine vorbestimmte Fahrtstrecke erreicht ist. Durch diese Maßnahme wird NO_x aus dem NO_x-Okklusionskatalysator 25 freigesetzt und zur Reinigung reduziert, um die NO_x-Abgabe zu verringern.
Die Steuerung der NO_x-Abgabe wird anhand eines Ablaufdiagramms in 2 beschrieben.
Wie in 2 gezeigt, wird der Motor mit einem Anlasser in Schritt S1 durch Drehen eine Startschalters gestartet. Ein Aktivitätszeitgeber t für den NO_x-Sensor 27 wird in Schritt S2 zurückgesetzt. Eine in einem Speicher gespeicherte Fahrtstrecke C_M und eine NO_x-Abgabe A_M werden in Schritt S3 eingelesen. Die gespeicherte Fahrtstrecke C_M und die NO_x-Abgabe A_M sind eine Fahrtstrecke C und eine NO_x-Abgabe A, die beim Abschalten der Zündung von der Batteriereserve der ECU gespeichert werden, wobei das NO_x bis zu einem gewissen Maße in dem NO_x-Okklusionskatalysator 25 und ohne abschließende NO_x-Spülung okkludiert wird, während der Unterdrückung der NO_x-Abgabe nach Summieren der Fahrtstrecke und der NO_x-Abgabe in dem vorherigen Schritt in einer noch zu beschreibenden Weise. Der Aktivitätszeitgeber t für den NO_x-Sensor 27 wird in Schritt S4 eingestellt. Ob der NO_x-Sensor 27 aktiviert worden ist oder nicht, wird in Schritt S5 festgestellt. Eine bis zum Aktivieren des NO_x-Sensors 27 verstrichene Zeit wird in Schritt S6 summiert. Wenn der NO_x-Sensor 27 aktiviert wird, fährt das Programm mit Schritt S7 fort.
In Schritt S7 wird die nach dem Zurücksetzen eines Fahrtstreckenzählers (nicht gezeigt) zurückgelegte Fahrtstrecke C berechnet. Schritt S8 dient zum Berechnen einer gesamten NO_x-Abgabe A einschließlich der abgegebenen Menge NO_x über eine Zeit, während der der NO_x-Sensor 27 nach dem Zurücksetzen aktiviert wird. In diesem Fall kann die gesamte NO_x-Abgabe A (g) anhand von Gleichung (1) berechnet werden: A(n) – A(n-1) + Q × dt (1)wobei A_(n) die gesamte NO_x-Abgabe, A_(n-1) die gesamte NO_x-Abgabe für den vorherigen Betrieb, Q eine NO_x-Emissions-Durchflussrate (g/s) und dt eine Messzeit ist. Die NO_x-Emissions-Durchflussrate Q kann anhand von Gleichung (2) berechnet werden: Q = NOx-Konzentration × Abgasdurchflussrate (2)wobei NO_x-Konzentration der Ausgangswert des NO_x-Sensors 27 ist und die Abgasdurchflussrate (g/s) durch einen Ansaugluftstrom gegeben sein kann, der mit einem Luftstromsensor oder dergleichen ermittelt wird (zum Beispiel eine Luftstromsensorfrequenz im Falle eines Karman-Wirbelluftstromsensors) oder anhand eines vorgegebenen Last-/Motordrehzahldiagramms des Motors 11 eingestellt wird.
Ist der Ausgang des NO_x-Sensors 27 nicht stabil, zum Beispiel wegen eines Zustands unmittelbar nach dem Wechsel von einem stöchiometrischen oder fetten Betrieb auf einen mageren Betrieb, kann die Berechnung erfolgen, wobei die NO_x-Konzentration eine vorbestimmte Periode M nach dem Um schalten versuchsweise als Ausgangswert des NO_x-Sensors 27 nach Verstreichen der vorbestimmten Periode M angenommen wird. Alternativ kann die Berechnung mit der Annahme erfolgen, dass die NO_x-Konzentration unmittelbar nach dem Umschalten 0 war und linear oder allmählich auf den Ausgangswert des NO_x-Sensors 27 nach Verstreichen der vorbestimmten Periode M angestiegen ist.
In Schritt S9 wird geprüft, ob die Fahrtstrecke C nicht erreicht worden ist, zum Beispiel eine vorbestimmte Fahrtstrecke C₀ festgelegt als Regelgröße nach den NO_x-Emissionsvorschriften. Wenn die Fahrtstrecke C die vorbestimmte Fahrtstrecke Co nicht erreicht hat, wird in Schritt S10 geprüft, ob die anhand der vorstehenden Gleichung (1) bestimmte gesamte NO_x-Abgabe A eine NO_x-Emissions-Entscheidungsmenge A₀ für die vorbestimmte Fahrtstrecke C₀ überschreitet. In diesem Fall wird die NO_x-Emissions-Entscheidungsmenge A₀ durch Multiplizieren einer zulässigen NO_x-Emissionsmenge, die durch die NO_x-Emissionsvorschriften festgelegt ist, mit einem prozentualen Zuschlag α bestimmt, der durch die NO_x-Abgabe während eines anderen als des mageren Betriebs und die Messgenauigkeit des NO_x-Sensors 27 bestimmt wird.
Wenn in Schritt S10 die gesamte NO_x-Abgabe A die NO_x-Emissions-Entscheidungsmenge A₀ nicht überschreitet, wird Schritt S8 wieder aufgenommen, und die gesamte NO_x-Abgabe A wird wieder anhand der vorstehenden Gleichung (a) berechnen, das heißt, die NO_x-Abgabe wird addiert. Wenn in Schritt S9 die in Schritt S7 berechnete Fahrtstrecke C die vorbestimmte Fahrtstrecke C₀ nicht erreicht hat, wird in Schritt S10 erneut geprüft, ob die gesamte NO_x-Abgabe A die NO_x-Emissions-Entscheidungsmenge A₀ überschreitet. Auf diese Weise werden die Schritte S7, S8, S9 und S10 wiederholt, bis die gesamte NO_x-Abgabe A die NO_x-Emissions-Entscheidungsmenge A₀ in Schritt S10 überschreitet oder bis die Fahrtstrecke C die vorbestimmte Fahrtstrecke C₀ in Schritt S9 erreicht.
Wenn die gesamte NO_x-Abgabe A die NO_x-Emissions-Entscheidungsmenge A₀ in Schritt S10 überschreitet, wird in Schritt S11 die Steuerung der NO_x-Freisetzung und danach die Steuerung der NO_x-Unterdrückung durchgeführt. Das heißt, weil die Okklusion von NO_x auf den NO_x-Okklusionskatalysator 25 fortgeschritten ist, wird das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf ein fettes Luft-Kraftstoff-Verhältnis geändert, um die Sauerstoffkonzentration zu senken, wodurch eine effiziente Freisetzung von NO_x aus dem NO_x-Okklusionskatalysator 25 zur Reduzierung bewirkt wird. Wenn das NO_x aus dem NO_x-Okklusionskatalysator 25 freigesetzt wird, wird das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis geändert, so dass das NO_x durch die Dreiwege-Funktion des Katalysators reduziert und gereinigt wird. Durch diese Maßnahme kann die gesamte NO_x-Abgabe A während der vorbestimmten Fahrtstrecke C₀ auf die NO_x-Emissions-Entscheidungsmenge A₀ begrenzt werden.
Die vorstehend beschriebene Steuerung der NO_x-Freisetzung und die anschließende Steuerung der NO_x-Unterdrückung werden anhand des Zeitdiagramms in 6 beschrieben. Wenn die gesamte NO_x-Abgabe A die NO_x-Emissions-Entscheidungsmenge A₀ überschreitet, wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis geändert, um zur Steuerung der NO_x-Freisetzung von einem mageren Betrieb auf einen fetten Betrieb umzuschalten. In diesem Fall wird dem NO_x-Okklusionskatalysator 25 hauptsächlich CO zugeführt. Zu diesem Zweck erfolgt für 1 bis 5 Sekunden ein fetter Betrieb zum Beispiel bei L/K = 12. Während der fetten Periode wird anfangs NO_x in großen Mengen freigesetzt. Um den Katalysator mit HC zur Reduzierung von NO_x zu versorgen, erfolgt daher ein Arbeitshub-Einspritzen für zum Beispiel 0,1 bis 0,5 Sekunden, wenn L/K einen vorbestimmten Wert erreicht. Weil NO_x langsam freigesetzt wird, reicht es aus, CO und HC in kleinen Mengen zuzuführen. Daher wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf ein leicht fettes Verhältnis (leicht fetter Betrieb) geändert, und es erfolgt ein Betrieb mit diesem Verhältnis für eine Zeit, die etwa 0 bis 50 % der Magerzeit unmittelbar vor diesem leicht fetten Betrieb beträgt. Während dieser leicht fetten Periode kann ein geregelter Betrieb mit einem O₂-Sensor (nicht gezeigt) erfolgen. Parameter wie zum Beispiel Zeit und Luft-Kraftstoff-Verhältnis werden entsprechend dem Betriebszustand oder dem Zustand des Katalysators geändert, zum Beispiel Raumgeschwindigkeit SV = Abgasdurchflussrate/Katalysatorvolumen, Menge der CO-Zufuhr zum Katalysator, Menge des okkludierten NO_x im Katalysator, Katalysatortemperatur und Verschlechterung des Katalysators. Die Steuerung der NO_x-Freisetzung besteht aus einer Abfolge des fetten Betriebs, des Arbeitshub-Einspritzbetriebs und des leicht fetten Betriebs bis zu diesem Stadium. Danach wird, bis die Fahrtstrecke C die vorbestimmte Fahrtstrecke C₀ in Schritt S12 erreicht, ein stöchiometrischer Betrieb fortgesetzt, so dass das NO_x durch die Dreiwege-Funktion des Katalysators (Steuerung der NO_x-Freisetzung) zuverlässig gereinigt werden kann. Bei der Steuerung der NO_x-Freisetzung nach 6 folgt auf einen fetten Betrieb ein leicht fetter Betrieb. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis kann jedoch entsprechend den Eigenschaften des Katalysators auf ein stöchiometrisches Verhältnis geändert werden.
Wie bereits erwähnt, wird der NO_x-Okklusionskatalysator 25 durch die Steuerung der NO_x-Freisetzung regeneriert, und das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird durch die Steuerung der NO_x-Unterdrückung auf ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis geändert, bis die Fahrtstrecke C die vorbestimmte Fahrtstrecke C₀ in Schritt S12 erreicht. Wenn die Fahrtstrecke C die vorbestimmte Fahrtstrecke C_o erreicht, wird die Steuerung der NO_x-Unterdrückung zum Ändern des Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis in Schritt S13 gestoppt. Nach dem Zurücksetzen der gesamten NO_x-Abgabe A in Schritt S14 wird die Fahrtstrecke C in Schritt S15 zurückgesetzt.
Die vorstehende Steuerung der NO_x-Abgabe für die vorbestimmte Fahrtstrecke C₀ wird konkret beschrieben. Wie in 4 gezeigt, nimmt eine gesamte NO_x-Abgabe A mit zunehmender Fahrtstrecke C zu. In den Bereichen P₁ und P₂, in denen aufgrund der Betätigung des Gaspedals durch den Fahrer eine spontane Beschleunigung erfolgt, ändert sich das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf ein fettes oder stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis und NO_x wird natürlich aus dem NO_x-Okklusionskatalysator 25 freigesetzt (diese Art der NO_x-Freisetzung wird im Vergleich zur erzwungenen NO_x-Spülung als natürliche NO_x-Spülung bezeichnet), auch ohne dass eine erzwungene NO_x-Spülung zum zwangsweisen Ändern des L/K-Verhältnisses während der Fortführung des Magerbetriebs vorgenommen wird. Wenn die gesamte NO_x-Abgabe A die NO_x-Emissions-Entscheidungsmenge A₀ überschreitet, bevor die Fahrtstrecke C die vorbestimmte Fahrtstrecke C₀ erreicht, wird das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis in einem Anfangsstadium eines Bereichs P₁ (einschließlich Arbeitshub-Einspritzen und Perioden mit leicht fettem oder stöchiometrischem Luft-Kraftstoff-Verhältnis) zwangsweise auf ein fettes Luft-Kraftstoff-Verhältnis geändert, um NO_x aus dem NO_x-Okklusionskatalysator 25 freizusetzen. Wenn die Reinigungswirkung des NO_x-Okklusionskatalysators 25 aufgrund der NO_x-Freisetzung wieder hergestellt (regeneriert) ist, wird das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf ein fast stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis geändert. Bis die Fahrtstrecke C die vorbestimmte Fahrtstrecke C₀ überschreitet, wird die Emission von NO_x in die Atmosphäre durch die Wirkung des Dreiwegekatalysators 26 verhindert. Der Zeitpunkt, an dem die Fahrtstrecke C die vorbestimmte Fahrtstrecke C₀ erreicht, wird als Bezugspunkt angenommen, und die gesamte NO_x-Abgabe A und die Fahrtstrecke C werden bezogen auf den Referenzpunkt zurückgesetzt, um die Steuerung der NO_x-Abgabe für die vorbestimmte Fahrtstrecke C₀ erneut zu starten.
Wie in 2 gezeigt, kann bei der Verarbeitung zum Wiederholen der vorstehenden Schritte S7, S8, S9 und S10 ein Fall eintreten, bei dem die gesamte NO_x-Abgabe A die NO_x-Emissions-Entscheidungsmenge A₀ in Schritt S10 nicht überschreitet, während die Fahrtstrecke C die vorbestimmte Fahrtstrecke C₀ in Schritt S9 erreicht. In diesem Fall fährt das Programm mit den Schritten S14 und S15 fort, um die gesamte NO_x-Abgabe A und die Fahrtstrecke C zurückzusetzen. Alternativ kann zu einem Zeitpunkt, wenn die Fahrtstrecke C die vorbestimmte Fahrtstrecke C₀ erreicht, die Steuerung der NO_x-Freisetzung durchgeführt werden, um NO_x freizusetzen, woraufhin die gesamte NO_x-Abgabe A und die Fahrtstrecke C zurückgesetzt werden können. Als eine weitere Ausführungsform kann, wenn die gesamte NO_x-Abgabe A die NO_x-Emissions-Entscheidungsmenge A₀ nicht überschreitet, während die Fahrtstrecke C die vorbestimmte Fahrtstrecke C₀ in Schritt S9 erreicht, nur die Fahrtstrecke C zurückgesetzt werden, während die gesamte NO_x-Abgabe A in einem nicht zurückgesetzten Zustand verbleibt. In diesem Fall wird, wenn die Verarbeitung in Schritt S1 erneut gestartet wird, die gesamte bisher aufaddierte NO_x-Abgabe A als eine gespeicherte NO_x-Abgabe A_M eingelesen, und dieselbe Verarbeitung wie oben angegeben wird durchgeführt.
Diese Steuerung der NO_x-Abgabe wird konkret beschrieben. Wie in 5 gezeigt, nimmt eine gesamte NO_x-Abgabe A mit zunehmender Fahrtstrecke C zu. In den Bereichen P₁, P₂, P₃ und P₄, in denen aufgrund der Betätigung des Gaspedals durch den Fahrer eine spontane Beschleunigung erfolgt, ändert sich das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf ein fettes oder stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis und NO_x wird natürlich aus dem NO_x-Okklusionskatalysator 25 freigesetzt (natürliche NO_x-Spülung). Obwohl die Fahrtstrecke C die vorbestimmte Fahrtstrecke C₀ erreicht hat, überschreitet zu diesem Zeitpunkt die gesamte NO_x-Abgabe A die NO_x-Emissions-Entscheidungsmenge A₀ nicht. Daher wird nur die Fahrtstrecke C zurückgesetzt. Danach wird der Betrieb mit einer zurückgelegten Fahrtstrecke C von 0 gestartet. Wenn die gesamte NO_x-Abgabe A die NO_x-Emissions-Entscheidungsmenge A₀ überschreitet, bevor die Fahrtstrecke C die neue vorbestimmte Fahrtstrecke C₀ erreicht, wird das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis zwangsweise auf ein fettes Luft-Kraftstoff-Verhältnis in einem Bereich P₅ (einschließlich Arbeitshub-Einspritzen und Perioden mit leicht fettem oder stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis) geändert, um NO_x aus dem NO_x-Okklusionskatalysator 25 freizusetzen. Wenn dann die Regenerierung des NO_x-Okklusionskatalysators 25 abgeschlossen ist, wird die gesamte NO_x-Abgabe A und die Fahrtstrecke C zurückgesetzt, um die Steuerung der NO_x-Abgabe für die vorbestimmte Fahrtstrecke C₀ erneut zu starten.
Es kann ein Fall eintreten, bei dem die gesamte NO_x-Abgabe A die NO_x-Emissions-Entscheidungsmenge A₀ nicht überschreitet, obwohl die Fahrtstrecke C die vorbestimmte Fahrtstrecke C₀ erreicht. In diesem Fall wird die Fahrtstrecke C nicht zurückgesetzt, und nachdem die gesamte NO_x-Abgabe A die NO_x-Emissions-Entscheidungsmenge A₀ überschreitet, um die Steuerung der NO_x-Freisetzung durchzuführen, kann die gesamte NO_x-Abgabe A und die Fahrtstrecke C zurückgesetzt werden.
Bei der Abgasemissions-Steuervorrichtung nach der vorliegenden Ausführungsform kann die Steuerung der NO_x-Abgabe mit einer erzwungenen NO_x-Spülung zum Anreichern des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bei der Fortsetzung eines Magerbetriebs wie bei früheren Verfahren kombiniert werden. Wenn die Dauer des Magerbetriebs extrem lang ist oder der Katalysator sich verschlechtert hat und damit eine deutlich schlechtere Reinigungseffizienz aufweist, wird die Verschlechterung des Kraftstoffverbrauchs nicht verringert, auch nicht wenn die Dauer des Magerbetriebs weiter verlängert wird. Daher kann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf ein fettes oder stöchiometrisches Verhältnis geändert werden, um zwangsweise eine NO_x-Spülung zu bewirken.
Das bedeutet, wie in dem Ablaufdiagramm in 3 gezeigt, wenn in Schritt T1 Signale für eine erzwungene NO_x-Spülung oder eine natürliche NO_x-Spülung eingegeben werden, wird in Schritt T2 ein Magerbetriebszeitgeber LT eingestellt. In Schritt T3 wird geprüft, ob die Magerbetriebsdauer LT eine maximale Magerbetriebsdauer D2 überschreitet oder nicht. Wenn LT den Wert von D2 nicht überschreitet, geht das Programm zu Schritt T4. Überschreitet die Magerbetriebsdauer LT die maximale Magerbetriebsdauer D2, fährt das Programm mit Schritt T6 fort, um die Steuerung der NO_x-Freisetzung durchzuführen, das heißt das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf ein fettes Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu ändern, und die Sauerstoffkonzentration zu senken. Während dieser Periode wird eine anfängliche vorbestimmte Zeit zur Ausführung eines Arbeitshub-Einspritzens zugewiesen. Nach dem Betrieb bei einem fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis erfolgt für eine vorbestimmte Periode ein stöchiometrischer oder leicht fetter Betrieb, wodurch NO_x aus dem NO_x-Okklusionskatalysator 25 freigesetzt wird. Die maximale Magerbetriebsdauer D2 ist eine Magerzeit, während der NO_x durch Beschleunigen vollständig ausgespült werden kann, was ein übliches Verfahren ist. Es wird zum Beispiel angenommen, dass das übliche Beschleunigen ca. 15 Sekunden dauert und eine NO_x-Spülzeit von ca. 25 % der Magerzeit nötig ist. Unter diesen Bedingungen beträgt die maximale Magerbetriebsdauer D2 60 Sekunden. Wird diese Zeit D2 überschritten, kann ein einmaliges übliches Beschleunigen das NO_x nicht ausspülen. Mit anderen Worten, die natürliche NO_x-Spülung allein macht eine zuverlässige NO_x-Spülung schwierig, und eine erzwungene NO_x-Spülung wird für nötig gehalten. Daher wird eine Entscheidung auf der Grundlage der maximalen Magerbetriebsdauer D2 festgelegt.
In Schritt T4 wird geprüft, ob die Magerbetriebsdauer LT eine Beschleunigungseintritt-Schwellenzeit D1 überschreitet. Überschreitet LT den Wert von D1 nicht, geschieht nichts, und das Programm verlässt diese Routine.
Überschreitet die Magerbetriebsdauer LT die Beschleunigungseintritt-Schwellenzeit D1, fährt das Programm mit Schritt T5 fort und prüft, ob die gesamte NO_x-Abgabe A während des momentanen Magerbetriebs die Mager-Entscheidungsmenge überschreitet. Die Beschleunigungseintritt-Schwellenzeit D1 entspricht dem Zyklus des Beschleunigungseintritts. Das heißt, die Beschleunigungseintritt-Schwellenzeit D1 ist ein Wert, innerhalb dessen die Beschleunigung erwartet werden kann. Sie ist zum Bespiel auf ca. 30 Sekunden eingestellt. Wenn der Magerbetrieb für mehr als diese Dauer anhält, ist es unwahrscheinlich, dass es zu einer Beschleunigung kommt. Daher besteht eine geringe Wahrscheinlichkeit, dass eine natürliche NO_x-Spülung erfolgt, und die erzwungene NO_x-Spülung wird für nötig gehalten. Ausgehend von diesem Grund wird die Beschleunigungseintritt-Schwellenzeit D1 eingestellt.
Die vorstehende erwähnte Mager-Entscheidungsmenge ist eine Entscheidungsmenge zur Unterdrückung der NO_x-Abgabe während jeder Magerbetriebsperiode und kann anhand von Gleichung (3) berechnet werden: Mager-Entscheidungsmenge = Entscheidungswert × Magerfrequenz × Steuerzyklus (3)wobei der Entscheidungswert (g/km) die NO_x-Emissions-Entscheidungsmenge A₀ pro km und der Steuerzyklus die Summe der Fahrtstrecke während des Magerbetriebs und der Fahrtstrecke während des NO_x-Spülbetriebs ist.
Wenn die gesamte NO_x-Abgabe A während des momentanen Magerbetriebs die Mager-Entscheidungsmenge in Schritt T5 überschreitet, fährt das Programm mit Schritt T6 fort, um die Steuerung der NO_x-Freisetzung in der gleichen Weise wie vorhin beschrieben durchzuführen, das heißt das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf ein fettes Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu ändern, und die Sauerstoffkonzentration zu senken. Während dieser Periode wird eine anfängliche vorbestimmte Zeit zur Ausführung des Arbeitshub-Einspritzens zugewiesen. Nach dem Betrieb bei einem fetten Luft-Kraft stoff-Verhältnis erfolgt für eine vorbestimmte Periode ein stöchiometrischer oder leicht fetter Betrieb, wodurch NO_x aus dem NO_x-Okklusionskatalysator 25 freigesetzt wird. Wenn die gesamte NO_x-Abgabe A die Mager-Entscheidungsmenge nicht überschreitet, geschieht nichts, und das Programm verlässt diese Routine.
In diesem Schritt T5 wird die Steuerung der NO_x-Freisetzung durchgeführt, wenn die gesamte NO_x-Abgabe A während des momentanen Magerbetriebs die Mager-Entscheidungsmenge überschreitet. Die Steuerung der NO_x-Freisetzung kann jedoch ausgeführt werden, wenn die mittlere NO_x-Konzentration während der Magerbetriebsdauer LT einen vorbestimmten Wert überschreitet. In diesem Fall kann die mittlere NO_x-Konzentration der Durchschnitt der Messwerte des NO_x-Sensors 27 während der Magerbetriebsdauer LT sein oder es kann der momentane Wert des NO_x-Sensors 27 zu einem Zeitpunkt sein, an dem die Magerbetriebsdauer LT endet. Der vorbestimmte Wert der mittleren NO_x-Konzentration ist ein Diagramm bezogen auf die Motordrehzahl Ne und den mittleren Soll-Arbeitsdruck Pe. Der vorbestimmte Wert kann die NO_x-Konzentration multipliziert mit 0,5 sein, wenn die Steuerung der NO_x-Freisetzung angenommen wird, so dass die Reinigungseffizienz des NO_x-Okklusionskatalysators 25 zum Beispiel auf 50 % oder mehr aufrechterhalten wird; er kann auch auf einen Wert nahe 0 eingestellt werden, wenn die Reinigungseffizienz 100 % betragen soll.
Die Steuerung der NO_x-Zwangsspülung kann als abgeschlossen angesehen werden, wenn die gesamte NO_x-Abgabe A gleich der oder geringer als die NO_x-Emissions-Entscheidungsmenge A₀ ist und die NO_x-Spülzeit eine vorbestimmte Zeit oder mehr ist, zum Beispiel ein Wert, der nicht kleiner ist als das Produkt der vorherigen Magerbetriebszeit und eines NO_x-Spülkoeffizienten E1. In diesem Fall, wenn die NO_x-Spülzeit zum Beispiel ca. 25 % der Magerzeit betragen muss, hat der NO_x-Spülkoeffizient E1 einen Wert von 0,25.
Entsprechend der Taktsteuerung, mit der das Luft-Kraftstoff-Verhältnis durch spontanes Beschleunigen wie in den Bereichen P₁, P₂, P₃ und P₄ bei den vorstehenden Ausführungsformen auf ein mageres oder stöchiometrisches Verhältnis umgeschaltet wird, ist es zulässig, die Steuerung der NO_x-Freisetzung, das heißt das Anreichern des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf ein vorbestimmtes L/K für eine vorbestimmte Zeitperiode (oder das vorbestimmte L/K kann ein stöchiometrisches Verhältnis sein, einschließlich eines leicht fetten Verhältnisses, je nach den Eigenschaften des Katalysators), und das Arbeitshub-Einspritzen für eine vorbestimmte Zeitperiode während einer Anfangsphase des geänderten L/K und einen stöchiometrischen (leicht fetten) Betrieb für eine vorbestimmte Zeitperiode nach dem Anreichern durchzuführen (fetter Betrieb, Arbeitshub-Einspritzen und stöchiometrischer Betrieb in Synchronisation mit dem spontanen Beschleunigen werden hier als Steuerung der NO_x-Freisetzung bezeichnet). Während die NO_x-Spülung zuverlässiger durchgeführt werden kann, erfolgt hierdurch ein fetter Betrieb synchron mit dem Umschalten auf das fette oder stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis aufgrund des ursprünglich vom Fahrer beabsichtigten Beschleunigens. Auf diese Weise kann die für einen fetten Betrieb nötige Kraftstoffmenge im Vergleich zur erzwungenen NO_x-Spülung zur Ausführung eines fetten Betriebs während eines Prozesses, der ursprünglich ein magerer Betrieb hätte sein sollen, verringert werden.
Wenn der Fahrer einen Stoß in Zusammenhang mit dem Beschleunigen erwartet, wird außerdem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis entsprechend umgeschaltet. Daher fühlt der Fahrer nur einen leichten Stoß aufgrund des Umschaltens des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses im Vergleich zur erzwungenen NO_x-Spülung zur Ausführung eines fetten Betriebs während eines Magerbetriebs mit einer vom Fahrer nicht erwarteten Taktung. Zusätzlich kann, wenn die Steuerung der NO_x-Freisetzung in Übereinstimmung mit einer Änderung des Luft- Kraftstoff-Verhältnisses aufgrund eines spontanen Beschleunigens oder dergleichen erfolgen soll, diese Steuerung nur beim Umschalten vom Magermodus auf den stöchiometrischen Modus durchgeführt werden. Wird der Magermodus auf den fetten Modus umgeschaltet, kann die Steuerung der NO_x-Freisetzung so ausgelegt werden, dass sie nicht ausgeführt wird, unter der Annahme, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis bereits fett ist. Ob die Steuerung der NO_x-Freisetzung erfolgen soll oder nicht, kann darüber hinaus entsprechend dem Grad des fetten Modus während des spontanen Beschleunigens entschieden werden.
Das heißt, dass Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis während der Steuerung der NO_x-Freisetzung wird auf den oberen Grenzwert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (den Grenzwert auf der Magerseite) eingestellt. Wenn der Fettheitsgrad während des spontanen Beschleunigens zum Beispiel niedrig ist, wenn das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis während des spontanen Beschleunigens magerer als das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis während der Steuerung der NO_x-Freisetzung eingestellt ist, erfolgt die Anreicherung durch die Steuerung der NO_x-Freisetzung so, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis nicht magererer als das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis während der Steuerung der NO_x-Freisetzung wird. Wenn der Betrieb voll fett sein soll, zum Beispiel beim starken Beschleunigen, muss das Anreichern aufgrund der Steuerung der NO_x-Freisetzung nicht ausgeführt werden, wenn das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis während des spontanen Beschleunigens fetter eingestellt ist als das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis während der Steuerung der NO_x-Freisetzung. Wenn der Magermodus durch das spontane Beschleunigen auf den stöchiometrischen Modus geändert wird, können nur das Anreichern und Arbeitshub-Einspritzen ausgeführt werden, und ein Verfahren zur Erzeugung des stöchiometrischen (leicht fetten) Modus kann entfallen. Dieses Verfahren der Kombination der Steuerung der NO_x-Freisetzung mit dem Umschalten des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durch spontanes Beschleunigen wird hier als natürliche NO_x-Spülung bezeichnet.
Bei der Abgasemissions-Steuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach der vorliegenden Ausführungsform erfasst der NO_x-Sensor 27, wie vorstehend beschrieben, die NO_x-Konzentration, die aus dem NO_x-Okklusionskatalysator 25 in die Atmosphäre abgegeben werden kann. Basierend auf dem Ausgangssignal des NO_x-Sensors 27 wird die gesamte in die Atmosphäre freisetzbare NO_x-Abgabe A berechnet. Wenn die gesamte NO_x-Abgabe A die NO_x-Emissions-Entscheidungsmenge A₀ überschritten hat, die der nach den NO_x-Emissionsvorschriften festgelegten NO_x-Emissions-Entscheidungsmenge entspricht, bevor die Fahrtstrecke C die vorbestimmte Fahrtstrecke C₀ erreicht, wird das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf ein fettes Luft-Kraftstoff-Verhältnis geändert, um das NO_x effizient aus dem NO_x-Okklusionskatalysator 25 freizusetzen und zu reduzieren, gefolgt vom Ändern des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Auf diese Weise wird das NO_x durch die Dreiwege-Funktion des Katalysators reduziert und gereinigt.
Somit kann die NO_x-Abgabe durch direkte Steuerung der NO_x-Abgabemenge während einer vorbestimmten Periode mit guter Genauigkeit auf einen gewünschten Wert begrenzt werden. Gleichzeitig ist kein größerer Spielraum für den Entscheidungswert basierend auf der Erwartung verschiedener Fahrbedingungen nötig, wie bei den früheren Verfahren zur Bestimmung der NO_x-Abgabe für jede kurze Magerbetriebszone, um die NO_x-Spülung (erzwungene NO_x-Spülung) zu starten. Auch die Häufigkeit der NO_x-Spülung ist nicht erhöht. Daher ist die Verschlechterung des Kraftstoffverbrauchs aufgrund der NO_x-Spülung, das heißt die Zunahme der CO₂-Abgabe, sehr gering. Die Häufigkeit der natürlichen NO_x-Spülung variiert in Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren wie etwa der Fahrbahnbeschaffenheit oder dem Fahrverhalten des Fahrers. Die erzwungene NO_x-Spülung umfasst einen fetten oder stö chiometrischen Betrieb in einem Bereich, der ursprünglich ein Bereich für den Magerbetrieb ist, wodurch der Kraftstoffverbrauch deutlich erhöht wird. Die vorliegende Erfindung verwendet daher die erzwungene NO_x-Spülung nur im minimalen Umfang und nutzt im größtmöglichen Maß die Möglichkeiten der natürlichen NO_x-Spülung, die frei von ungünstigem Kraftstoffverbrauch ist oder nur einen minimalen zusätzlichen Kraftstoffverbrauch erfordert, um die NO_x-Spülung zu realisieren. Bei der vorstehenden Ausführungsform, bei der die natürliche NO_x-Spülung nicht mit der erzwungenen NO_x-Spülung kombiniert ist, wird die natürliche NO_x-Spülung durch die Beschleunigungstätigkeit eines Fahrers während einer Anfangsphase einer vorbestimmten Fahrtperiode abgewartet. Wenn sich die vorbestimmte Fahrtperiode ihrem Ende nähert und nur wenn die gesamte NO_x-Abgabe den Entscheidungswert bei Vorliegen der natürlichen NO_x-Spülung allein überschreiten kann, werden die Steuerung der NO_x-Freisetzung und die Steuerung der NO_x-Unterdrückung durchgeführt. Daher ist die Verschlechterung des Kraftstoffverbrauchs aufgrund der NO_x-Spülung, das heißt die Zunahme der CO₂-Abgabe, negativ oder minimal. Auch bei der Ausführungsform, bei der die natürliche NO_x-Spülung mit der erzwungenen NO_x-Spülung kombiniert ist, wird die erzwungene NO_x-Spülung nur in minimalem Umfang ausgeführt. Daher ist die Verschlechterung des Kraftstoffverbrauchs aufgrund der NO_x-Spülung, das heißt die Zunahme der CO₂-Abgabe, ebenfalls sehr begrenzt.
Außerdem kann, wenn die NO_x-Okklusionsfähigkeit des NO_x-Okklusionskatalysators 25 je nach Art des Katalysators sehr gut ist, nur die Steuerung der NO_x-Unterdrückung ausgeführt werden, ohne die Steuerung der NO_x-Freisetzung durchzuführen. Das heißt, die Steuerung der NO_x-Freisetzung, einschließlich der erzwungenen NO_x-Spülung und der Steuerung der NO_x-Freisetzung in Synchronisation mit dem spontanen Beschleunigen, wird nicht durchgeführt. Stattdessen wird, wenn die gesamte NO_x-Abgabe A die NO_x-Emissions- Entscheidungsmenge A₀ erreicht, nur die Steuerung der NO_x-Unterdrückung durchgeführt. Dies liegt daran, dass NO_x bei ausgezeichneter NO_x-Okklusionsfähigkeit durch den fetten oder stöchiometrischen Betriebsmodus aufgrund der durch den Fahrer beabsichtigten spontanen Beschleunigung vollständig ausgespült werden kann. Selbst wenn das NO_x nicht ausgespült werden kann, wird das NO_x durch die Dreiwege-Funktion des Katalysators mit Hilfe der Steuerung der NO_x-Unterdrückung gereinigt und reduziert. Hierdurch kann eine weitere Zunahme des Kraftstoffverbrauchs, das heißt eine Zunahme der CO₂-Abgabe, verhindert werden.
Nach der vorliegenden Ausführungsform, wie vorstehend beschrieben, ermöglicht die Messung der gesamten NO_x-Abgabe A über die vorbestimmte Fahrtstrecke C₀ die Unterdrückung der Verschlechterung des Kraftstoffverbrauchs, die Begrenzung der NO_x-Abgabe über die vorbestimmte Periode auf den gewünschten Wert, die Einhaltung der NO_x-Emissionsvorschriften und die Senkung der CO₂-Abgabemenge.
[Zweite Ausführungsform]
Eine Abgasemissions-Steuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach einer zweiten Ausführungsform führt eine Steuerung durch, um einen Magerbetriebsbereich entsprechend dem Status der NO_x-Emission zu jedem Zeitpunkt (das heißt die gesamte NO_x-Abgabe A) zu ändern und dadurch die gesamte NO_x-Abgabe während der Fahrt über eine vorbestimmte Fahrtperiode auf einen vorbestimmten Wert oder darunter zu begrenzen. Hierdurch erreicht die Abgasemissions-Steuervorrichtung eine Verringerung des Kraftstoffverbrauchs und gleichzeitig eine Verringerung der NO_x-Abgabe. Selbst wenn ein Magerbetrieb über den gesamten oder teilweisen Vorgang der Fahrzeugbeschleunigung durchgeführt wird, kann diese Vorrichtung zuverlässig die gesamte NO_x-Abgabe während der vorbestimmten Fahrtperiode auf einen vorbestimmten Wert oder darunter begrenzen.
Wie in 7 gezeigt, wird in Schritt P1 eine Fahrtstrecke C nach dem Zurücksetzen eines Fahrtstreckenzählers (nicht gezeigt) berechnet. Eine gesamte NO_x-Abgabe A, einschließlich einer während eines Zeitraums vom Zurücksetzen bis zum Aktivieren eines NO_x-Sensors 27 abgegebenen Menge NO_x, wird in Schritt P2 berechnet. Das Verfahren zum Berechnen der gesamten NO_x-Abgabe A ist dasselbe wie bei der vorstehenden ersten Ausführungsform.
In Schritt P3 wird auf der Grundlage eines Magerzonen-Auswahldiagramms für die gefundene Fahrtstrecke C und die gesamte NO_x-Abgabe A eine obere Magerbereichs-Grenzwertleistung eingestellt. Das Magerzonen-Auswahldiagramm zeigt einen Bereich, der durch eine horizontale Achse für die Fahrtstrecke C und eine vertikale Achse für die gesamte NO_x-Abgabe A definiert und in mehrere Bereiche unterteilt ist, wie zum Beispiel in 8 gezeigt. Der Bereich unter einer Linie, die den Nullpunkt (Fahrtstrecke C = 0, gesamte NO_x-Abgabe A = 0) mit einem Punkt verbindet, an dem bezogen auf eine vorbestimmte Fahrtstrecke C₀ die gesamte NO_x-Abgabe A eine NO_x-Emissions-Entscheidungsmenge A₀ erreicht, wird als Bereich PA1 = A bezeichnet. (Wenn die Fahrtstrecke C und die gesamte NO_x-Abgabe A zu dem betreffenden Zeitpunkt in dem Bereich PA1 = A liegen, kann angenommen werden, dass eine mit der aktuellen Rate der NO_x-Abgabe fortgesetzte Fahrt zu der NO_x-Emissions-Entscheidungsmenge A₀ oder weniger zu einem Zeitpunkt führt, an dem die Fahrtstrecke C die vorbestimmte Fahrtstrecke C₀ erreicht.) Die anderen Bereiche, die durch mehrere Linien parallel zu dieser Linie festgelegt sind und unter der NO_x-Emissions-Entscheidungsmenge A₀ liegen, werden von unten nach oben als PA1 = B, PA1 = C und PA1 = D bezeichnet. Der Bereich, der der gesamten NO_x-Abgabe A = der NO_x-Emissions-Entscheidungsmenge A₀ entspricht, wird als PA1 = E bezeichnet.
In Schritt P3 wird die obere Magerbereichs-Grenzwertleistung entsprechend dem Bereich im Magerzonen-Auswahldiagramm eingestellt, in dem der Schnittpunkt der Fahrt strecke C und der gesamten NO_x-Abgabe A zum aktuellen Zeitpunkt liegt. In Schritt P4 wird eine erforderliche Leistung PS_R eines Fahrzeugs anhand der nachstehenden Gleichung (4) berechnet, wobei der Koeffizient M ein Koeffizient zur Anpassung der Einheiten ist. Erforderliche Leistung PSR = mittlerer Soll-Arbeitsdruck Pe × Motordrehzahl Ne × Koeffizient M (4)
In Schritt P5 wird anhand eines Magerzonendiagramms geprüft, ob die erforderliche Leistung PS_R größer als die obere Magerbereichs-Grenzwertleistung PS1 ist, die mit dem Magerzonen-Auswahldiagramm ermittelt worden ist. Dieses Magerzonendiagramm zeigt einen Bereich, der durch eine horizontale Achse für die Motordrehzahl Ne und eine vertikale Achse für den mittleren Soll-Arbeitsdruck Pe definiert und durch mehrere Linien gleicher Leistung unterteilt ist, die jeweils Punkte gleicher Motorleistung miteinander verbinden, wie in 9 gezeigt. Auf der Innenseite jeder Linie liegt ein Magerbetriebsbereich, und auf der Außenseite der äußersten Linie liegt ein nicht magerer (stöchiometrischer oder fetter) Betriebsbereich.
Nach diesem Magerzonendiagramm wird eine Grenze A, die für eine anfängliche Magerzone steht, so eingestellt, dass ein Magerbetriebsbereich unter dem Gesichtspunkt der Verbrennung usw. maximal erweitert werden kann, ohne den Aspekt des Kraftstoffverbrauchs weiter zu berücksichtigen. Dadurch wird selbst ein Hochlastbereich zu einem Magerbetriebsbereich, und ein Magerbetrieb kann auch beim Beschleunigen oder dergleichen stattfinden. Im tatsächlichen Betrieb ist ein konstanter Betrieb (normalerweise ein Magerbetrieb) selten, und ein transienter Betrieb (ein Beschleunigungsbetrieb oder ein Verzögerungsbetrieb; normalerweise ein stöchiometrischer oder fetter Betrieb im Falle des Beschleunigungsbetriebs) ist häufig. Als Folge nimmt die Häufigkeit des Magerbetriebs zu, und der Kraftstoffverbrauch kann verbessert werden. Wenn ein Magerbetrieb über einen gesamten oder teilweisen Vorgang erfolgt, der wegen einer schnellen Änderungsrate bei der Betätigung des Gaspedals als ein Beschleunigungsvorgang erkannt worden ist, wird ein vollständiger Magerbetrieb im Bereich des normalen Fahrens möglich, wodurch der Kraftstoffverbrauch deutlich gesenkt werden kann. In dem Magerzonendiagramm ist eine Grenze D eine Linie, die durch die nötigen Leistungspunkte für einen konstanten Lauf bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit von 60 km/h hindurchgeht, wenn mindestens ein Magerbetrieb zum Beispiel bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit von 60 km/h gewünscht ist, auch wenn der Katalysator sich verschlechtert und die NO_x-Abgabe steigt, weshalb ein schmaler Magerbetriebsbereich nötig ist.
Sofern die in Schritt P3 eingestellte Magerbereichsleistung PS1 = A ist, ist die Innenseite der Grenze A ein Magerbetriebsbereich, und die Außenseite der Grenze ist ein nicht magerer Betriebsbereich in dem in 9 gezeigten Magerzonendiagramm. In Schritt P5 wird geprüft, in welchem Bereich die gefundene erforderliche Leistung PS_R liegt.
Liegt die erforderliche Leistung PS_R in Schritt P5 in dem Magerbetriebsbereich, fährt das Programm mit Schritt S6 fort, um den Magerbetrieb fortzusetzen. Liegt die erforderliche Leistung PS_R in dem nicht mageren Betriebsbereich, geht das Programm zu Schritt S7, um den Magerbetrieb zu verhindern und die Steuerung der NO_x-Freisetzung und danach die Steuerung der NO_x-Unterdrückung durchzuführen. In diesem Fall kann die Steuerung der NO_x-Freisetzung mit einem fetten Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis, einem stöchiometrischen Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis und einem Arbeitshub-Einspritzen, ausgewählt entsprechend den Eigenschaften des Katalysators, durchgeführt werden. Wenn die in Schritt P3 eingestellte obere Magerbereichs-Grenzwertleistung PS1 = E ist, kann kein NO_x mehr abgegeben werden. Dies entspricht dem Bereich E in dem Magerzonendiagramm, ein Bereich, in dem ein Magerbetrieb unabhängig von der erforderlichen Leistung PS_R untersagt ist.
In dem Magerzonen-Auswahldiagramm in 8 und dem Magerzonendiagramm in 9 sind die durch Unterteilung des Bereichs gebildeten Bereiche nicht auf die Bereiche A bis E beschränkt, und der gesamte Bereich kann in mehr oder weniger Bereiche unterteilt werden. In dem Magerzonendiagramm in 9 ist der Bereich außerdem durch die Linien gleicher Motorleistung unterteilt, kann aber auch durch Abgasendrohr-NO_x-Abgabelinien wie zum Beispiel NO_x-Abgabelinien bei gleicher Motorleistung unterteilt sein.
Bei der Abgasemissions-Steuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach der vorliegenden Ausführungsform erfasst der NO_x-Sensor 27, wie vorstehend beschrieben, die NO_x-Konzentration, die aus dem NO_x-Okklusionskatalysator 25 in die Atmosphäre abgegeben werden kann. Basierend auf dem Ausgangssignal des NO_x-Sensors 27 wird die gesamte in die Atmosphäre freisetzbare NO_x-Abgabe A berechnet. Wenn erwartet wird, dass die gesamte NO_x-Abgabe A die NO_x-Emissions-Entscheidungsmenge A₀ überschreitet, die der nach den NO_x-Emissionsvorschriften festgelegten NO_x-Emissions-Entscheidungsmenge entspricht, bevor die Fahrtstrecke C die vorbestimmte Fahrtstrecke C₀ erreicht, wird der Betriebsbereich bei einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis verringert.
So wird der Betriebsbereich bei einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis je nach der Situation der NO_x-Emission basierend auf dem Zustand der Reinigungsfähigkeit des NO_x-Okklusionskatalysators 25 zu jedem Zeitpunkt vergrößert oder verringert. Folglich kann die gesamte NO_x-Abgabe während einer vorbestimmten Periode auf einen gewünschten Wert beschränkt werden. Außerdem kann ein Magerbetrieb über einen gesamten oder teilweisen Fahrzeugbeschleunigungsvorgang erfolgen. Auch wenn die Häufigkeit des Magerbetriebs dadurch erhöht, wird, kann die gesamte NO_x-Abgabe A während einer vorbestimmten Periode auf einen gewünschten Wert beschränkt werden. Auf diese Weise kann der Kraftstoffverbrauch deutlich gesenkt werden.
Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist die NO_x-Emissions-Entscheidungsmenge A₀ zur Beurteilung der gesamten NO_x-Abgabe A auf einen konstanten Wert eingestellt worden. Der gesetzlich vorgeschriebene Wert nach- den NO_x-Emissionsvorschriften ist zum Beispiel nach der Fahrzeuggeschwindigkeit klassifiziert, und die NO_x-Emissions-Entscheidungsmenge A kann entsprechend der Fahrzeuggeschwindigkeit eingestellt und stufenlos entsprechend einer Änderung der durchschnittlichen Fahrzeuggeschwindigkeit über eine vorbestimmte Periode geändert werden. Die NO_x-Emissions-Entscheidungsmenge A₀ kann zum Beispiel anhand eines Diagramms eingestellt werden. Zum Beispiel kann ein Entscheidungswert C₁ (g/km) bei einer niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeit und ein Entscheidungswert C₂ (g/km) bei einer hohen Fahrzeuggeschwindigkeit eingestellt werden, und Zwischenwerte zwischen diesen können durch lineare Interpolation erhalten werden. In diesem Fall ist C₁ < C₂.
Wenn die NO_x-Emissions-Entscheidungsmenge A₀ entsprechend der Fahrzeuggeschwindigkeit eingestellt ist, kann die NO_x-Abgabe A₀ (g) nicht durch die durchschnittliche Fahrzeuggeschwindigkeit bestimmt werden, sondern basierend auf der Summierung der Entscheidungswerte in Reaktion auf die Fahrzeuggeschwindigkeit zu jedem Zeitpunkt, wie in nachstehender Gleichung (5) gezeigt: A(n) = A(n-1) + H × V × dt (5)wobei H der in einem Diagramm in Reaktion auf die momentane Fahrzeuggeschwindigkeit V ermittelte Entscheidungswert (g/km) und dt der Berechnungszyklus ist.
Die vorbestimmte Fahrtstrecke C₀ zur Beurteilung der gesamten NO_x-Abgabe A kann 1 km sein, was die meist verwendete Regeleinheit nach den NO_x-Emissionsvorschriften in verschiedenen Ländern der Welt ist, oder sie kann weniger als 1 km betragen. Je kürzer diese Strecke, desto besser kann die Entscheidungsgenauigkeit der NO_x-Abgabe ausfallen. Alternativ kann die vorbestimmte Fahrtstrecke C₀ zum Beispiel auf 4 km festgelegt werden. Die gesamte NO_x-Abgabe A wird in kleineren Intervallen als 4 km berechnet, zum Beispiel in Intervallen von 1 km. Das heißt, die Berechnung erfolgt in vier Mustern. Durch Beurteilen der gesamten NO_x-Abgabe A für jedes Muster kann die Entscheidungsgenauigkeit der NO_x-Abgabe erhöht werden.
Bei der vorstehenden Ausführungsform ist die NO_x-Emissions-Entscheidungsmenge A durch Multiplizieren der zulässigen NO_x-Emissionsmenge mit einem prozentualen Zuschlag α bestimmt worden. Die NO_x-Emissions-Entscheidungsmenge A₀ kann jedoch auch durch Subtrahieren des prozentualen Zuschlags α von der zulässigen NO_x-Emissionsmenge als Differenz bestimmt werden. Außerdem kann die NO_x-Emissions-Entscheidungsmenge A₀ entsprechend dem Anteil eines anderen als des Magerbetriebs geändert werden. Darüber hinaus kann der prozentuale Zuschlag α in Abhängigkeit von der gesamten Fahrtstrecke unter Berücksichtigung einer Änderung des NO_x-Sensors 27 über den Zeitverlauf aufgrund von Verschlechterung geändert werden. Dann wird der prozentuale Zuschlag α in einen prozentualen Zuschlag α1 abhängig von der NO_x-Abgabe während eines anderen Betriebs als des Magerbetriebs und einen prozentualen Zuschlag α2 abhängig von der Messgenauigkeit des NO_x-Sensors 27 unterteilt. Diese prozentualen Zuschläge α1 und α2 werden mit der zulässigen NO_x-Emissionsmenge multipliziert oder von ihr subtrahiert, wodurch die NO_x-Emissions-Entscheidungsmenge A₀ bestimmt werden kann.
Außerdem wird das Ausgangssignal des NO_x-Sensors 27 zur Berücksichtigung einer Änderung des NO_x-Sensors 27 über den Zeitverlauf aufgrund von Verschlechterung korrigiert, und der korrigierte Wert kann bei der Berechnung der gesamten NO_x-Abgabe benutzt werden.
Auch die maximale Magerbetriebsdauer D2, die Beschleunigungseintritt-Schwellenzeit D1 und der NO_x-Spülkoeffizient E1 können durch die Fähigkeit des NO_x-Okklusionskatalysators 25 oder aber entsprechend der Verschlechterung des NO_x-Okklusionskatalysators 25 bestimmt werden. Ein Verfah ren zur Beurteilung der Verschlechterung des NO_x-Okklusionskatalysators 25 kann aus einer Abnahme der Magerhäufigkeit (wenn das Umschalten zwischen einem Magerbetrieb und einem anderen Betrieb durch den NO_x-Sensor gesteuert wird), der gesamten Fahrtstrecke, dem Ausgangswert des NO_x-Sensors 27, der Differenz der Ausgangssignale zwischen dem NO_x-Sensor vor dem NO_x-Okklusionskatalysator 25 und dem NO_x-Sensor 27 hinter dem NO_x-Okklusionskatalysator 25 und Veränderungen des Verhaltens während der Steuerung der NO_x-Freisetzung eines linearen L/K-Sensors oder O₂-Sensor gewählt werden, der neuerlich hinter oder vor dem NO_x-Okklusionskatalysator 25 angeordnet wird. Außerdem können die maximale Magerbetriebsdauer D2 und die Beschleunigungseintritt-Schwellenzeit D1 durch Lernen des Verhaltens jedes Fahrers bei einer Fahrt bestimmt werden.
Wenn jedoch die maximale Magerbetriebsdauer D2 und die Beschleunigungseintritt-Schwellenzeit D1 zu klein gewählt werden, zum Beispiel mit ca. 5 bis 10 Sekunden, nimmt die Häufigkeit der erzwungenen NO_x-Spülung zu und der Kraftstoffverbrauch steigt. Insbesondere beim Nachziehen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zum Zeitpunkt des Umschaltens des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses während der erzwungenen NO_x-Spülung nimmt ein Kumulieren der am Umschalten des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses beteiligten Nachziehzeit für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, die nicht wesentlich zur NO_x-Freisetzung beträgt, zu und erhöht den Gesamtkraftstoffverbrauch. Gleichzeitig führt der Stoß beim Umschalten zu einer schlechten Fahrbarkeit. Daher sollte der untere Grenzwert der maximalen Magerbetriebsdauer D2 ca. 20 bis 30 Sekunden betragen.
Auch das Einleiten oder der Abschluss der erzwungenen NO_x-Spülung kann anhand des Ausgangssignals eines NO_x-Sensors ermittelt werden. Außerdem kann ein NO_x-Sensor vor dem NO_x-Okklusionskatalysator 25 angeordnet werden. Basierend auf der Differenz zwischen den Ausgangssignalen des NO_x-Sensors vor dem NO_x-Okklusionskatalysator 25 und dem NO_x- Sensor 27 dahinter kann ein Rückgang der Katalysatorreinigungseffizienz festgestellt werden, um den Magerbetrieb zu stoppen und eine erzwungene NO_x-Spülung durchzuführen. Alternativ können die NO_x-Konzentrationen während eines stöchiometrischen Betriebs und eines fetten Betriebs anhand des Ausgangssignals des NO_x-Sensors ermittelt und zur Berechnung der gesamten NO_x-Emissions-Entscheidungsmenge A₀ addiert oder für die Feststellung des Abschlusses der Steuerung der NO_x-Freisetzung benutzt werden. Weiter ist der NO_x-Sensor 27 hinter dem Dreiwegekatalysator 26 angeordnet, kann aber auch zwischen dem NO_x-Okklusionskatalysator 25 und dem Dreiwegekatalysator 26 angeordnet werden, wodurch das Emissionsverhalten des NO_x-Okklusionskatalysators 25 mit einer guten Empfindlichkeit gemessen werden kann. In diesem Fall erfolgt die Berechnung der gesamten NO_x-Abgabe unter Berücksichtigung des Ausgangssignals des NO_x-Sensors und der Reinigungseffizienz des Dreiwegekatalysators 26 hinter dem NO_x-Sensor. Anstelle des NO_x-Konzentrations-Ausgangssignals des NO_x-Sensors kann ein lineares L/K-Ausgangssignal des NO_x-Sensors zur Steuerung verwendet werden. Anstelle des Ausgangssignals des NO_x-Sensors kann das Ausgangssignal eines linearen L/K-Sensors oder eines O₂-Sensors, zum Beispiel eines O₂-Sensors mit einem Katalysator auf seiner Oberfläche, zur Steuerung verwendet werden.
In Zusammenhang mit einem fetten Betrieb, dem Arbeitshub-Einspritzen und einem stöchiometrischen (leicht fetten) Betrieb während der Steuerung der NO_x-Freisetzung können deren jeweilige Parameter wie zum Beispiel Zeit, Luft-Kraftstoff-Verhältnis usw. basierend auf einer Magerbetriebszeit unmittelbar vor diesen Betriebsarten oder der NO_x-Abgabe während einer Magerbetriebsperiode unmittelbar vor diesen Betriebsarten festgelegt werden. Als ein optimales NO_x-Freisetzungsverfahren zur zuverlässigen Freisetzung von NO_x wird die Steuerung der NO_x-Freisetzung durch eine Kombination von fettem Betrieb, Arbeitshub-Einspritzen und stöchiometrischem (leicht fettem) Betrieb durchgeführt. Das optimale NO_x-Freisetzungsverfahren ändert sich jedoch abhängig von den Freisetzungseigenschaften des NO_x-Okklusionskatalysators, und die jeweiligen Parameter wie Zeit, Luft-Kraftstoff-Verhältnis usw. werden durch die Art des NO_x-Okklusionskatalysators und weiter durch seine Kombination mit dem Dreiwegekatalysator bestimmt. Je nach Art des Katalysators oder Art der Kombination kann daher das Arbeitshub-Einspritzen, die stöchiometrische (leicht fette) Periode oder die fette Periode weggelassen werden. Darüber hinaus können sowohl die fette Periode als auch das Arbeitshub-Einspritzen entfallen und nur die stöchiometrische (leicht fette) Periode vorgesehen werden. Alternativ können sowohl das Arbeitshub-Einspritzen als auch die stöchiometrische (leicht fette) Periode weggelassen und nur die fette Periode vorgesehen werden.
Nach der vorliegenden Ausführungsform erfolgt die Steuerung der NO_x-Abgabe mit Hilfe des NO_x-Sensors 27. Die gesamte NO_x-Emissions-Entscheidungsmenge A kann jedoch anhand der nachstehenden Gleichung (6) ohne Verwendung des NO_x-Sensors 27 zur Steuerung der NO_x-Abgabe berechnet werden. A(n) = A(n-1) + NOx-Abgabe × Berechnungszyklus (6)wobei die NO_x-Abgabe (g/s) die in die Atmosphäre freisetzbare NO_x-Menge ist, das heißt ein zuvor experimentell anhand des Last-/Drehzahldiagramms für den Motor 11 oder eines Fahrzeuggeschwindigkeitsdiagramms bestimmter Wert. Weil der NO_x-Sensor 27 nicht verwendet wird, ist diese Art der Steuerung aus Kostengesichtspunkten vorteilhaft.
Die NO_x-Abgabe variiert je nach Reinigungseffizienz des Katalysators. Insbesondere wenn der NO_x-Okklusionskatalysator 25 durch Schwefel (S) im Kraftstoff vergiftet ist, lässt die Reinigungseffizienz deutlich nach. Wenn andererseits der Katalysator mit der aufgrund der Schwefelvergiftung verringerten Reinigungseffizienz bei einer hohen Temperatur (zum Beispiel 550 °C oder höher) und einem fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis behandelt wird, wird die im Katalysator akkumulierte Schwefelmenge freigesetzt, wodurch der Katalysator regeneriert und die Reinigungseffizienz wieder hergestellt wird (Schwefelregenerierung). Daher ist es bei der Ermittlung der gesamten NO_x-Abgabe A ohne den NO_x-Sensor 27 ratsam, zu berücksichtigen, wie viel Schwefel sich im Katalysator akkumuliert hat und die Reinigungseffizienz verringert, das heißt in welchem Umfang eine Schwefelregenerierung erfolgt, wie in nachstehender Gleichung (7) gezeigt A(n) = A(n-1)+ K × {NOx0 × (1 – TR) + NOx 1 × TR} × Berechnungszyklus (7)wobei NO_x0 die NO_x-Abgabe (g/s) als die in die Atmosphäre freisetzbare NO_x-Menge ist, wenn keine Schwefelregenerierung durchgeführt werden kann, das heißt wenn sich Schwefel in gesättigtem Zustand akkumuliert und die Reinigungseffizienz verringert. Dies kann ein experimentell bestimmter Wert sein, der als ein Last-/Drehzahldiagramm oder ein Fahrzeuggeschwindigkeitsdiagramm festgelegt werden kann. Andererseits ist NO_x1 die NO_x-Abgabe (g/s) als die in die Atmosphäre freisetzbare NO_x-Menge, wenn die Schwefelregenerierung abgeschlossen ist, das heißt wenn sich unmittelbar nach der Schwefelregenerierung kein Schwefel akkumuliert. Dieser Wert kann als ein Last-/Drehzahldiagramm oder ein Fahrzeuggeschwindigkeitsdiagramm festgelegt werden, ähnlich wie NO_x0. K ist ein Parameter für ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis und hat während eines Magerbetriebs den Wert 1 oder den Wert 0 in einem anderen Zustand als dem Magerbetrieb, sofern die NO_x-Abgabe nur während des Magerbetriebs summiert wird. TR gibt den Grad der Schwefelregenerierung an, das heißt den Grad, in dem die Schwefelregenerierung erfolgt. Es wird angenommen, dass eine vorbestimmte Zeit T_S (zum Beispiel ein geeigneter Wert von 3 bis 10 Minuten) als eine Zeit erforderlich ist, während der die Temperatur des NO_x-Okklusionskatalysators 25 eine Temperatur erreicht, die einer vorbestimmten Temperatur (zum Beispiel 700 °C) entspricht, um die in dem NO_x-Okklusionskatalysator 25 während einer Fahrt über eine vorbestimmte Fahrtstrecke C_S (zum Bespiel ein geeigneter Wert von 500 bis 1.000 km) akkumulierte Schwefelmenge freizusetzen (das heißt die Zeit ist die Schwefelregenerierungszeit). In diesem Fall wird TR anhand der nachstehenden Gleichung (8) als ein Verhältnis zwischen der tatsächlichen Fahrtstrecke und der Schwefelregenerierungszeit berechnet. Die Schwefelregenerierungsgeschwindigkeit variiert mit der Temperatur des NO_x-Okklusionskatalysators 25, und wenn diese Temperatur steigt, nimmt die Schwefelregenerierungsgeschwindigkeit exponentiell zu. Daher kann die Schwefelregenerierungszeit als die Schwefelregenerierungszeit bei einer geeigneten Katalysatortemperatur (zum Beispiel 700 °C) unter Berücksichtigung der Schwefelregenerierungsgeschwindigkeit bei jeder Katalysatortemperatur berechnet werden. Anhand von TR wird der Grad der Schwefelregenerierung bestimmt, und die gesamte NO_x-Abgabe A wird aus den beiden Diagrammen für die NO_x-Abgabe entnommen, das heißt NO_x0 (keine Schwefelregenerierung) und NO_x1 (mit Schwefelregenerierung). TR = (tatsächliche Schwefelregenerierungszeit/tatsächliche Fahrtstrecke) / (vorbestimmte Schwefelregenerierungszeit TS/vorbestimmte Fahrtstrecke CS) (8)
Die Reinigungseffizienz des NO_x-Okklusionskatalysators wird sowohl durch Wärmeverschlechterung als auch durch Schwefelvergiftung verringert. Daher können die Faktoren, die repräsentativ für den Grad des Rückgangs der Reinigungseffizienz sind, neben der Schwefelvergiftung auch den Einfluss der gesamten Fahrtstrecke umfassen.
Nach der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist eine vorbestimmte Fahrtstrecke eine vorbestimmte Periode als ein Berechnungszyklus für die gesamte NO_x-Abgabe A, und die Steuerung der NO_x-Abgabe über eine vorbestimmte Fahrtstrecke wird durchgeführt. Die Einheit kann jedoch die Zeit sein, und die Steuerung kann über eine vorbestimmte Zeit erfolgen. Das heißt, wenn die Regelgröße nach den NO_x-Emissionsvorschriften eine vorbestimmte Zeit ist, kann der Berechnungszyklus für die gesamte NO_x-Abgabe A eine vorbe stimmte Zeit sein, und die Steuerung der NO_x-Abgabe kann über eine vorbestimmte Zeit erfolgen.
In der vorstehenden Ausführungsform ist die Abgasemissions-Reinigungs-Katalysatorvorrichtung mit einem NO_x-Okklusionskatalysator beschrieben worden. Die vorliegende Erfindung ist jedoch durch ein Ändern des Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses gekennzeichnet, so dass die gesamte NO_x-Abgabe A einen vorbestimmten Wert nicht überschreitet, bevor ein Fahrzeug eine Fahrtperiode erreicht. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Art oder den Anbringungsort des Katalysators beschränkt. Zum Beispiel kann der motornahe Dreiwegekatalysator ein in den Abgaskrümmer integrierter Katalysator sein, oder der motornahe Dreiwegekatalysator kann fehlen. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird der NO_x-Okklusionskatalysator in der Abgasemissions-Reinigungs-Katalysatorvorrichtung verwendet, aber ein NO_x-Adsorptionskatalysator zum direkten Reduzieren des von dem Katalysator aufgenommenen NO_x kann wie schon erwähnt ebenfalls verwendet werden. Außerdem kann ein selektiver NO_x-Reduktionskatalysator verwendet werden, der das NO_x im Abgas bei Vorhandensein von HC reinigen kann, wenn das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis ein mageres Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist. In diesem Fall erfolgt keine Steuerung der NO_x-Freisetzung. Darüber hinaus kann jede Art von Motor verwendet werden, der für einen Magerbetrieb geeignet ist. Bei dem Motor kann es sich um einen Magergemischmotor mit Einzel- oder Einlasskanaleinspritzung oder einen Dieselmotor handeln.
Industrielle Anwendbarkeit
Wie vorstehend beschrieben, begrenzt die Abgasemissions-Steuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach der vorliegenden Erfindung die NO_x-Abgabe bei allen Fahrbedingungen zuverlässig auf einen gewünschten Wert und erreicht gleichzeitig eine Verringerung der NO_x-Abgabe und eine Verringerung der CO₂-Abgabe. Diese Vorrichtung eignet sich vorzugsweise für den Einsatz in einem Magergemischmotor mit einem NO_x-Okklusionskatalysator im Abgastrakt.

Claims

Abgasemissions-Steuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor, aufweisend: eine Abgasemissions- Reinigungs- Katalysatorvorrichtung (23), die im Abgastrakt des Verbrennungsmotors angeordnet ist und eine NO_x-Verringerungsfunktion unter Reinigung und Occlusion von NO_x im Abgas, wenn ein Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis mager ist, und eine Verringerungsfunktion zur Verringerung schädlicher Substanzen im Abgas, wenn das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis stöchiometrisch oder fett ist, aufweist, eine NO_x-Erfassungseinrichtung (27) zur Erfassung oder Abschätzung der Konzentration von in die Atmosphäre abgegebenem NO_x, und eine Steuereinrichtung (28) zur Berechnung einer NO_x-Abgabe in die Atmosphäre aufgrund einer Ausgabe der NO_x-Erfassungseinrichtung (27), dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (28) zum Beenden oder Unterdrücken eines Betriebs bei magerem Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingerichtet ist, wenn sie erfaßt oder erwartet, daß die gesamte NO_x-Abgabe (A) einen vorbestimmten Wert (A₀) überschreitet, bevor ein Fahrzeug eine vorbestimmte Fahrtperiode (C₀) erreicht.
Abgasemissions-Steuervorrichtung eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung (28) das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder ein fettes Luft-Kraftstoff-Verhältnis ändert, wenn erfaßt wird, daß die gesamte NO_x-Abgabe (A) den vorbestimmten Wert (A₀) überschreitet, bevor das Fahrzeug die vorbestimmte Fahrtperiode (C₀) erreicht.
Abgasemissions-Steuervorrichtung eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 2, wobei die Steuereinrichtung (28) nach einer Änderung des Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder das fette Luft-Kraftstoff-Verhältnis, wenn sie erfaßt hat, daß die gesamte NO_x-Abgabe (A) den vorbestimmten Wert (A₀) überschritten hat, bevor das Fahrzeug die vorbestimmte Fahrtperiode (C₀) erreicht hat, das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis beim stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder beim fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis hält, bis das Fahrzeug die vorbestimmte Fahrtperiode (C₀) erreicht.
Abgasemissions-Steuervorrichtung eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung (28) einen Betriebsbereich mit magerem Luft-Kraftstoff-Verhältnis verringert, wenn erwartet wird, daß die gesamte NO_x-Abgabe (A) den vorbestimmten Wert (A₀) überschreitet, bevor das Fahrzeug die vorbestimmte Fahrtperiode (C₀) erreicht.
Abgasemissions-Steuervorrichtung eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 4, wobei die Steuereinrichtung (28) den Betriebsbereich mit magerem Luft-Kraftstoff-Verhältnis mitten in der vorbestimmten Fahrtperiode aufgrund der gesamten NO_x-Abgabe (A) ändert.
Abgasemissions-Steuervorrichtung eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung (28) die Berechnung der gesamten NO_x-Rbgabe (A) und die Messung der vorbestimmten Fahrtperiode zurücksetzt, wenn das Fahrzeug die vorbestimmte Fahrtperiode (C₀) erreicht.
Abgasemissions-Steuervorrichtung eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung (28) dann, wenn die gesamte NO_x-Abgabe (A) den vorbestimmten Wert (A₀) auch dann nicht über schreitet, wenn das Fahrzeug die vorbestimmte Fahrtperiode (C₀) erreicht hat, das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder ein fettes Luft-Kraftstoff-Verhältnis ändert, nachdem die gesamte NO_x-Abgabe den vorbestimmten Wert (A₀) überschritten hat, und die Steuereinrichtung (28) dann die Berechnung der gesamten NO_x-Abgabe (A) und die Messung der vorbestimmten Fahrtperiode zurücksetzt.
Abgasemissions-Steuervorrichtung eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung (28) dann, wenn die Dauer des Betriebs mit magerem Luft-Kraftstoff-Verhältnis eine vorbestimmte Schwellenzeit (D2) überschreitet, das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder ein fettes Luft-Kraftstoff-Verhältnis ändert.
Abgasemissions-Steuervorrichtung eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung (28) dann, wenn die Dauer des Betriebs mit magerem Luft-Kraftstoff-Verhältnis eine vorbestimmte Schwellenzeit (D1) oder mehr beträgt und die gesamte NO_x-Abgabe oder eine gemittelte NO_x-Konzentration oder eine momentane NO_x-Konzentration während der vorbestimmten Schwellenzeit oder mehr einen vorbestimmten Wert oder mehr beträgt, das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder ein fettes Luft-Kraftstoff-Verhältnis ändert.
Abgasemissions-Steuervorrichtung eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung (28) den vorbestimmten Wert (A₀) für die gesamte NO_x-Abgabe entsprechend der Fahrzeuggeschwindigkeit ändert.
Abgasemissions-Steuervorrichtung eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 1, wobei das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis in Reaktion auf die Beschleunigungstätigkeit durch einen Fahrer auf ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder ein fettes Luft-Kraftstoff-Verhältnis geändert wird und zusammen mit dem Anfangsstadium der Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eine Kraftstoffeinspritzung in einen Zylinder in und nach einem Expansionshub ausgeführt wird.