DE60218559T2

DE60218559T2 - Abgasemissionssteuerungssystem für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE60218559T2
Application number: DE60218559T
Authority: DE
Inventors: Satoshi 33-8 Shiba 5-chome Minato-ku Hiranuma; Kihoko 33-8 Shiba 5-chome Minato-ku Kaida; Shinichi 33-8 Shiba 5-chome Minato-ku Saito; Takeshi 33-8 Shiba 5-chome Minato-ku Hashizume; Junya 33-8 Shiba 5-chome Minato-ku Watanabe; Kenji 33-8 Shiba 5-chome Minato-ku Kawai; Toru 33-8 Shiba 5-chome Minato-ku Kawatani; Yoshinaka 33-8 Shiba 5-chome Minato-ku Takeda
Original assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Current assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Priority date: 2001-03-27
Filing date: 2002-03-26
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2022-03-27
Also published as: KR100509792B1; DE60218559D1; JP3838339B2; US6634170B2; EP1245814A3; EP1245814B1; EP1245814A2; KR20020076157A; JP2002285897A; US20020157386A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abgasemissionssteuerungssystem für einen Verbrennungsmotor mit einer Funktion zum Regenerieren einer Abgasemissionssteuerungsvorrichtung, die dazu geeignet ist, im Abgas enthaltene schädliche Stoffe oder Substanzen einzufangen.
Beispiele herkömmlicher Systeme, die mit einer derartigen Abgasemissionssteuerungsvorrichtung in Beziehung stehen, sind in den offengelegten japanischen Patentveröffentlichungen Nr. 4-47119, 61-79814 und ähnlichen beschrieben.
Das in der offengelegten japanischen Patentveröffentlichung Nr. 4-47119 dargestellte Abgasemissionssteuerungssystem führt einem Abgaskanal an einer Position stromaufwärtsseitig von einem Filter Kraftstoff zu und regeneriert den Filter durch Oxidation von Partikeln, die sich auf dem Filter abgesetzt haben, durch die Verbrennungswärme des Kraftstoffs. Insbesondere wird durch dieses Abgasbehandlungssystem eine Steuerung bereitgestellt, gemäß der die zuzuführende Kraftstoffmenge mit einer zunehmenden Sauerstoffdurchflussrate im Abgas erhöht und mit einer zunehmenden Abgastemperatur vermindert wird. Daher wird durch diese Abgasbehandlungsvorrichtung ermöglicht, dass die Verbrennungswärme des zugeführten Kraftstoffs während der Regeneration des Filters eine vorgegebene Temperatur erreicht, so dass die Partikel ohne Überhitzung des Filters oxidiert werden können.
Gemäß dem in der offengelegten japanischen Patentveröffentlichung Nr. 61-79814 dargestellten Abgasbehandlungssystem wird dagegen ein Filter durch eine externe Wärmequelle erwärmt, z.B. durch eine elektrische Heizeinrichtung, und Partikel werden durch die erzeugte Wärme oxidiert. Insbesondere wird durch dieses Abgasbehandlungssystem, wenn ein Motor während der Regenerierung des Filters auf einen Leerlaufzustand eingestellt wird, eine Steuerung bereitgestellt, gemäß der die Sauerstoffkonzentration so gesteuert wird, dass sie kleiner oder gleich einem vorgegebenen oberen Grenzwert ist, wenn die Temperatur des Filters einen vorgegebenen Temperaturwert überschreitet und die Sauerstoffkonzentration des Abgases den vorgegebenen oberen Grenzwert überschreitet. Daher ist dieses Abgasbehandlungssystem dazu geeignet, eine durch eine schnelle Oxidation des Filters verursachte Überhitzung des Filters zu verhindern, auch wenn der Filter ausreichend erwärmt wird, während eine kleine Menge Partikel darauf angelagert ist.
Obwohl im in der vorstehend erwähnten offengelegten japanischen Patentveröffentlichung Nr. 4-47119 dargestellten Abgasbehandlungssystem die während der Regenerierung des Filters zugeführte Kraftstoffmenge mit einer Erhöhung der Abgastemperatur vermindert wird, wird die Verbrennungstemperatur des Kraftstoffs lediglich auf einen vorgegebenen Wert eingestellt, ohne dass die durch die Verbrennung der Partikel verursachte Überhitzung des Filters berücksichtigt wird. Insbesondere kann, auch wenn die Verbrennungstemperatur des Kraftstoffs während der Regenerierung des Filters auf einem vorgegebenen Wert gehalten wird, der Filter aufgrund der Verbrennungswärme des Kraftstoffs, wenn die Partikel schnell verbrannt werden, schmelzen und dadurch beschädigt werden.
Das in der offengelegten japanischen Patentveröffentlichung Nr. 61-79814 dargestellte Abgasbehandlungssystem steu ert dagegen die Sauerstoffkonzentration derart, dass sie kleiner oder gleich dem vorgegebenen oberen Grenzwert (z.B. 4%) ist, um eine schnelle Verbrennung des Kraftstoffs zu verhindern. Die Verbrennung schreitet jedoch, wenn die Sauerstoffkonzentration niedrig ist, nur langsam fort, so dass eine lange Zeitdauer für die Regenerierung des Filters erforderlich ist.
Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Abgasemissionssteuerungssystem für einen Verbrennungsmotor bereitzustellen, das dazu geeignet ist, zu verhindern, dass die Abgasemissionssteuerungsvorrichtung aufgrund einer Überhitzung während der Regenerierung schmilzt und dadurch beschädigt wird, und die für die Regenerierung der Abgasemissionssteurungsvorrichtung erforderliche Zeitdauer zu vermindern.
Diese Aufgabe wird durch eine Abgasemissionssteuerungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach Patentanspruch 1 gelöst.
Normalerweise wird, wenn die Verbrennung schädlicher Substanzen, wie beispielsweise Feinstaub, während der Regenerierung einer Abgasemissionssteuerungsvorrichtung, z.B. eines Filters, fortschreitet, die Temperatur der Abgasemissionssteuerungsvorrichtung durch von der Verbrennung resultierende Wärme erhöht. Wenn die Verbrennung weiter aktiviert ist, kann die Abgasemissionssteuerungsvorrichtung aufgrund einer übermäßigen Temperaturerhöhung durch Schmelzen beschädigt werden, obwohl die für die Regenerierung erforderliche Zeitdauer vermindert ist. Wenn die Verbrennung langsam fortschreitet, ist für die Regenerierung des Filters jedoch eine lange Zeitdauer erforderlich.
Daher muss ein Kompromiss zwischen dem Ziel, ein Schmelzen der Abgasemissionssteuerungsvorrichtung zu verhindern, und dem Ziel, die für die Regenerierung erforderlich Zeitdauer zu vermindern, gefunden werden. Für die Entwicklung eines zum Erreichen dieser Ziele geeigneten Abgasemissionssteuerungssystems wurde in Betracht gezogen, Wärme durch eine Abgasströmung abzuführen. D.h., auch wenn Partikel während der Regenerierung der Abgasemissionssteuerungsvorrichtung aktiv verbrannt werden, wird durch die Abgasströmung eine große Wärmemenge abgeführt, wenn die Durchflußrate des die Abgasemissionssteuerungsvorrichtung durchströmenden Abgases hoch ist, wodurch verhindert wird, dass die Temperatur des Filters übermäßig ansteigt. Andererseits wird, wenn die Abgasdurchflussrate niedrig ist, durch die Abgasströmung nur eine geringe Wärmemenge abgeführt, so dass die Verbrennung der Partikel gesteuert werden muss, um zu verhindern, dass die Abgasemissionssteuerungsvorrichtung überhitzt wird. Daher steuert unter Berücksichtigung der Relevanz der Abgasdurchflussrate für die abgeführte Wärmemenge die erfindungsgemäße Abgasemissionssteuerungsvorrichtung die Sauerstoffkonzentration gemäß der erfassten Abgasdurchflussrate aktiv, um den Grad, mit dem die Verbrennung der Partikel fortschreitet, innerhalb eines geeigneten Bereichs zu steuern, in dem die Abgasemissionssteuerungsvorrichtung nicht überhitzt wird.
Weil die Regenerierung der Abgasemissionssteuerungsvorrichtung innerhalb einer kurzen Zeitdauer abgeschlossen wird, während verhindert wird, dass der Filter durch Schmelzen beschädigt wird, werden die Leistungsfähigkeit der Abgasemissionssteuerung und die Zuverlässigkeit der Abgasemissionssteuerungsvorrichtung wesentlich verbessert.
Das erfindungsgemäße Abgasemissionssteuerungssystem sowie andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden nachstehend unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Teile oder Komponenten bezeichnen: Es zeigen:
1 ein schematisches Diagramm zum Darstellen einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Abgasemissionssteuerungsvorrichtung;
2 ein Diagramm zum Darstellen eines Beispiels eines Kraftstoffeinspritzmusters während der Regenerierung eines Filters;
3 ein Diagramm zum Darstellen einer Beziehung zwischen der Filtertemperatur und einem Sauerstoffkonzentrations-Sollwert während einer Steuerung der Sauerstoffkonzentration gemäß der Ausführungsform;
4 ein Diagramm, in dem die Beziehung von 3 durch eine Beziehung zwischen der Abgasdurchflussrate und dem Sauerstoffkonzentrations Sollwert dargestellt ist; und
5 ein Diagramm zum Darstellen zeitlicher Änderungen der Filtertemperatur und des Filterdifferenzdrucks während der Ausführung einer Filterregenerierungssteuerungsroutine.
Nachstehend wird eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben. 1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Abgasemissionssteuerungssystems, das beispielsweise auf einen Dieselmotor angewendet wird. Ein (nachstehend als "DPF") bezeichneter Dieselpartikelfilter 2, der als Abgasemissionssteuerungsvorrichtung dient, ist in einem Abgaskanal eines Motors 1 angeordnet, und ein Oxidationskatalysator 4 ist stromaufwärts vom DPF 2 angeordnet. Der DPF 2 dient zum Einfangen von Partikeln, die im den Filter durchströmenden Abgas enthalten sind, um die Abgasemission zu steuern, und zum Oxidieren der eingefangenen Partikel, so dass der DPF 2 kontinuierlich regeneriert werden kann.
Als Kraftstoffzufuhrsystem des Motors 1 wird ein sogenanntes Common-Rail-System verwendet. Das Common-Rail-System weist z.B. eine gemeinsame Hochdruckleitung (Common Rail) 6, eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung 8 und eine elektronische Steuereinheit (nachstehend als "ECU" bezeichnet) 10 auf. Hochdruckkraftstoff wird von einem Kraftstofftank über eine Hochdruckkraftstoffpumpe zugeführt (wobei beide Komponenten in den Zeichnungen nicht dargestellt sind), und in der gemeinsamen Hochdruckleitung (Common Rail) 6 gesammelt. Die ECU 10 gibt ein Betriebssignal an die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 8 aus, um zu veranlassen, dass die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 8 ein Einspritzventil davon öffnet und schließt, um Kraftstoff einzuspritzen. Die ECU 10 steuert die Kraftstoffeinspritzmenge und den Einspritzzeitpunkt z.B. gemäß einem Betriebszustand des Motors (Motordrehzahl, Motorlast, usw.). Daher dient die ECU 10 zum Steuern der Kraftstoffeinspritzung, die vorprogrammiert ist, um die Haupteinspritzung geeignet auszuführen.
Das erfindungsgemäße Abgasemissionssteuerungssystem kann unter Verwendung des vorstehend beschriebenen Common-Rail-Systems realisiert werden. Die ECU 10 des Common-Rail-Systems hat außerdem eine Funktion zum Ausführen einer Kraftstoffnacheinspritzung in einem Hub nach der Haupteinspritzung (Expansions- oder Auslasshub), so dass durch die Nacheinspritzung die Abgastemperatur und die Filtertemperatur während der Regenerierung des DPF 2 erhöht werden können. Insbesondere ist die erfindungsgemäße Abgasemissionssteuerungsvorrrichtung dazu geeignet, eine derartige Steuerung bereitzustellen, dass der Kraftstoff durch die Nacheinspritzung mit dem Abgas vermischt wird, um die Sauerstoffkonzentration des Kraftstoffs spezifisch zu erhöhen oder zu vermindern.
Um eine exakte Steuerung bereitzustellen, sammelt die ECU 10 verschiedenartige Information von verschiedenartigen Sensoren, die in verschiedenen Teilen des Motors 1 angeord net sind. Insbesondere empfängt die ECU 8 ein Sensorssignal von einem Kurbelwinkelsensor 12 und erfasst die Motordrehzahl Ne, den Kurbelwinkel CA und andere Parameter des Motors 1 durch Sensorsignale. Die ECU 10 empfängt außerdem ein Sensorsignal von einem Beschleunigungspedalstellungssensor 14 zum Erfassen der Winkelstellung Acc eines durch einen Fahrer betätigten Beschleunigungspedals.
Außerdem empfängt die ECU 10 Sensorsignale von einem Luftmengensensor 16 und einem Temperatur-/Drucksensor 18, die in einem Einlasskanal des Motors 1 angeordnet sind, und erfasst die Ansaugluftmenge und die Ansaugtemperatur bzw. den Ansaugdruck durch Sensorsignale. Andererseits empfängt die ECU 10 Sensorsignale von im DPF 2 bzw. im Oxidationskatalysator angeordneten Temperatursensoren 20 und 22 und erfasst die Filtertemperatur und die Katalysatortemperatur oder die mit dem Filter und dem Katalysator in Beziehung stehende Atmosphärentemperatur durch Sensorsignale. Außerdem empfängt die ECU 10 ein Sensorsignal von einem zwischen dem Oxidationskatalysator 4 und dem DPF 2 angeordneten Sauerstoffkonzentrationssensor 24 und erfasst die Sauerstoffkonzentration des den DPF 2 durchströmenden Abgases durch das Sensorsignal. Außerdem empfängt die ECU 10 ein Sensorsignal von einem im Abgaskanal angeordneten Temperatur-/Drucksensor 26 und erfasst die Abgastemperatur und den Abgasdruck basierend auf dem Sensorsignal.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird die erfindungsgemäße Abgasemissionssteuerungsvorrichtung auf einen Dieselmotor für Fahrzeuge angewendet. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist die Abgasemissionssteuerungsvorrichtung dazu geeignet, eine Regenerierungssteuerung für den DPF 2 durch das Common-Rail-System auszuführen. Die durch die Abgasemissionssteuerungsvorrichtung bereitgestellte Filterre generierungssteuerung wird nachstehend anhand von Beispielen beschrieben.
2 zeigt ein Beispiel eines Kraftstoffeinspritzmusters während der Filterregenerierungssteuerung. In der vorliegenden Ausführungsform wird beispielsweise ein dreistufiges Einspritzmuster für die Regenerierung des Filters gesetzt, und das Einspritzmuster schaltet im Verlauf der Filterregenerierungssteuerung sequentiell von der ersten bis zur dritten Stufe.
Zunächst wird im Einspritzmuster der ersten Stufe die Kraftstoffnacheinspritzung im Expansionshub nach der Haupteinspritzung ausgeführt, und dann wird die Abgastemperatur durch die Verbrennungswärme des Kraftstoffs erhöht. Die ECU 10 setzt die Sollwerte der Kraftstoffeinspritzmenge und des Einspritzzeitpunktes derart, dass eine effiziente Erhöhung der Abgastemperatur ermöglicht wird, und steuert die Kraftstoffeinspritzmenge und den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt in der Nacheinspritzung gemäß den gesetzten Sollwerten. Die Sollwerte können beispielsweise bezüglich einem vorgegebenen Kennfeld gemäß Information gesetzt werden, die die Motordrehzahl Ne und die Winkelstellung Acc des Beschleunigungspedals (Last) darstellt.
Wenn der Oxidationskatalysator 4 eine Aktivierungstemperatur (beispielsweise 300°C oder höher) aufgrund der Erhöhung der Abgastemperatur erreicht hat, schaltet das Einspritzmuster in die zweite Stufe. Das Einspritzmuster in der zweiten Stufe soll verbranntes HC im Abgas durch die Nachverbrennung erzeugen und das erzeugte HC zur Oxidation an den Oxidationskatalysator 4 liefern. Die Oxidation des HC erhöht die Einlasstemperatur des DPF 2 um die Temperaturbedingungen zu erfüllen, die eine Regeneration des DPF 2 ermöglichen.
Insbesondere überwacht die ECU 10 eine Änderung der Temperatur des Oxidationskatalysators 4 durch das Sensorsignal vom Temperatursensor 20. Wenn festgestellt wird, dass die Temperatur des Oxidationskatalysators 4 sich bei der Aktivierungstemperatur stabilisiert hat, ändert die ECU 10 den Nacheinspritzungszeitpunkt und die Nacheinspritzmenge. Die ECU 10 setzt den Nacheinspritzungsstartzeitpunkt bei dieser Gelegenheit auf einen späteren Zeitpunkt als in der ersten Stufe und mischt den durch die Nacheinspritzung zugeführten Kraftstoff mit dem Abgas, ohne ihn zu oxidieren. Der in der Nacheinspritzung eingespritzte Kraftstoff wird im Abgas verdampft, um unverbranntes NC-Gas zu erzeugen.
Wenn die Temperatur des DFP 2 auf die Regenerierungsaktivierungstemperatur angestiegen ist, werden Partikel gezündet, wodurch ein Verbrennungsvorgang gestartet wird (Regenerierungsvorrichtung). Dadurch wird die Temperatur des DFP 2 auf die Regenerierungsaktivierungstemperatur (von beispielsweise 600°C oder mehr) erhöht. Wenn derartige Temperaturbedingungen für eine vorgegebene Zeitdauer (z.B. zwei Minuten) aufrechterhalten werden, schaltet das Einspritzmuster des Abgasemissionssteuerungssystems auf die dritte Stufe. Die ECU 10 überwacht die Temperatur des DPF 2 durch ein Sensorsignal vom Temperatursensor 22. Wenn festgestellt wird, dass die Temperatur für eine vorgegebene Zeitdauer auf der Regenerierungsaktivierungstemperatur gehalten wurde, ändert die ECU 10 den Nacheinspritzungszeitpunkt und die Einspritzmenge gemäß dem Einspritzmuster der dritten Stufe.
Gemäß dem Einspritzmuster der dritten Stufe ist außerdem vorgesehen, unverbranntes NC-Gas mit dem Abgas zu vermischen, es ist jedoch Ziel des Einspritzmusters der dritten Stufe, die Sauerstoffkonzentration des den DPF 2 durchströmenden Abgases zu steuern. Die Sauerstoffkonzentration kann durch die Nacheinspritzung auf eine nachstehend beschriebene Weise gesteuert werden. Beispielsweise wird der Sollwert der Sauerstoffkonzentration im Voraus gesetzt, woraufhin der Sauerstoffkonzentrations-Istwert erfasst wird, und die Kraftstoffeinspritzmenge wird gemäß einer Differenz zwischen dem Sauerstoffkonzentrations-Sollwert und dem Sauerstoffkonzentrations-Istwert geregelt. Der Sauerstoffkonzentrations-Istwert kann unter Verwendung des vorstehend erwähnten Sauerstoffkonzentrationssensors 24 erfasst oder basierend auf der Luftdurchflussrate gemäß Information berechnet werden, z.B. gemäß der erfassten Ansaugluftmenge und der Haupteinspritzmenge, die im Common-Rail-System gesteuert werden sollten. Daher kann durch Bestimmen einer Abweichung zwischen dem Sauerstoffkonzentrations-Istwert und dem Sauerstoffkonzentrations-Sollwert die Einspritzmenge des mit dem Abgas zu vermischenden Kraftstoffs basierend auf der Luftdurchflussrate durch eine umgekehrte Verarbeitung leicht bestimmt werden.
Der vorstehend erwähnte Sauerstoffkonzentrations-Sollwert kann gemäß der Durchflussrate des den DPF 2 durchströmenden Abgases gesetzt werden. Daher hat die ECU 10 eine Funktion zum Erfassen der Abgasdurchflussrate und zum Setzen des Sauerstoffkonzentrations-Sollwertes gemäß der erfassten Abgasdurchflussrate. Die Abgasdurchflussrate kann beispielsweise folgendermaßen erfasst werden. Die ECU 10 bestimmt den volumetrischen Wirkungsgrad oder Liefergrad unter Bezug auf ein vorgegebenes Kennfeld gemäß Information, wie beispielsweise gemäß der Motordrehzahl Ne und der Beschleunigungspedalwinkelstellung (Acc), die den Betriebszustand des Motors 1 darstellt, und berechnet die Abgasdurchflussrate gemäß Information, wie beispielsweise dem bestimmten volumetrischen Wirkungsgrad oder Liefergrad, der Motordrehzahl Ne und der erfassten Ansaugtemperatur bzw. dem erfassten Ansaugdruck (Abgasdurchflussratenerfassungsvorrichtung). Das Kennfeld des volumetrischen Wirkungsgrades oder Liefergrades ist in einem Speicher der ECU 10 gespeichert, und die Ansaugtemperatur bzw. der Ansaugdruck können unter Verwendung des vorstehend erwähnten Temperatur-/Drucksensors 18 erfasst werden.
Alternativ kann die ECU 10 die Ansaugluftmenge und die Ansaugtemperatur bzw. den Ansaugdruck unter Verwendung des Luftmengensensors 16 und des Temperatur-/Drucksensors 18 erfassen und die Abgastemperatur und den Abgasdruck unter Verwendung des im Oxidationskatalysator 4 angeordneten Temperatursensors 20 und des im Abgaskanal angeordneten Temperatur-/Drucksensors 26 erfassen. Die ECU 10 kann die Abgasdurchflussrate basierend auf den erfassten Werten berechnen (Abgasdurchflussratenerfassungsvorrichtung).
Nach der Erfassung der Abgasdurchflussrate setzt die ECU 10 den Sauerstoffkonzentrations-Sollwert basierend auf der erfassten Abgasdurchflussrate. Gemäß der Beziehung zwischen der durch die Abgasströmung abgeführten Wärmemenge und einem durch die Verbrennung von Partikeln erhaltenen Heizwert wird der Sauerstoffkonzentrations-Sollwert im Voraus auf einen spezifischen Wert gesetzt, gemäß dem die Verbrennung der Partikel so gesteuert wird, dass die Temperatur des DPF 2 einen zulässigen Wert niemals überschreitet.
3 zeigt eine Beziehung zwischen dem Sauerstoffkonzentrations-Sollwert und der Filtertemperatur während der Regenerierung des Filters. Unter der Voraussetzung, dass die Filtertemperatur innerhalb eines zulässigen Bereichs liegt, in dem der DFP sicher nicht durch Schmelzen beschädigt wird, kann der Sauerstoffkonzentrations-Sollwert bei gleichen Temperaturbedingungen (z.B. T1) auf einen größeren Wert (C2 > C1) gesetzt werden, wenn die Abgasdurchflussrate hoch ist. Dies ist der Fall, weil der DPF auch dann nicht überhitzt wird, wenn die Partikel aufgrund der hohen Sauerstoffkon zentration (C2-C1) aktiv verbrannt werden, weil mit einer zunehmenden Durchflussrate des den DPF 2 durchströmenden Abgases eine größere Wärmemenge vom DPF 2 abgeführt wird.
4 zeigt ein Beispiel eines Kennfeldes zum Setzen des Sauerstoffkonzentrations-Sollwertes gemäß der erfassten Abgasdurchflussrate. Eine Beziehung zwischen der Abgasdurchflussrate und dem Sauerstoffkonzentrations-Sollwert kann gemäß 4 einfach gemäß der Beziehung zwischen dem Sauerstoffkonzentrations-Sollwert und der Filtertemperatur festgelegt werden. Insbesondere wird, wenn der Sauerstoffkonzentrations-Sollwert innerhalb eines Bereichs gesetzt wird, in dem der DPF 2 durch Schmelzen nicht beschädigt wird, der Sauerstoffkonzentrations-Sollwert basierend auf der Abgasdurchflussrate gesetzt, und das Kennfeld zeigt eine Kennlinie, gemäß der bei einer höheren Abgasdurchflussrate ein höherer Sauerstoffkonzentrations-Sollwert gesetzt wird. Spezifische Werte der Abgasdurchflussrate und der Sauerstoffkonzentration können gemäß den Spezifikationen und ähnlichen Parametern des Motors 1 und des DPF 2, auf die die vorliegende Erfindung angewendet werden soll, geeignet bestimmt werden.
In einer realen Filterregenerierungssteuerung erfasst beispielsweise die ECU 10 die Filtertemperatur und die Abgasdurchflussrate und durchsucht das Kennfeld in 3 gemäß den erfassten Werten, um den Sauerstoffkonzentrations-Sollwert zu setzen. Ursprünglich wird der Sauerstoffkonzentrations-Sollwert vorzugsweise gemäß der aktuellen Filtertemperatur und der aktuellen Abgasdurchflussrate auf einen exakten Wert gesetzt, der Sauerstoffkonzentrations-Sollwert kann jedoch einfach nur unter Bezug auf das in 4 dargestellte Kennfeld gemäß der Abgasdurchflussrate gesetzt werden. Nachdem der Sauerstoffkonzentrations-Sollwert gesetzt worden ist, kann die Nacheinspritzmenge auf die vor stehend beschriebene Weise basierend auf dem Sauerstoffkonzentrations-Sollwert berechnet werden. Gemäß der berechneten Nacheinspritzmenge steuert die ECU 10 die Einspritzeinrichtung 8 an, um den Kraftstoff mit dem Abgas zu vermischen und die Sauerstoffkonzentration des Kraftstoffs zu steuern (Konzentrationssteuerungsvorrichtung).
Die vorliegenden Erfinder haben eine weitere Sauerstoffkonzentrationssteuerungsvorrichtung vorgeschlagen, die ein praktischeres Sauerstoffkonzentrationssteuerungsverfahren implementiert. Wenn die Sauerstoffkonzentration des Abgases beispielsweise gemäß der in den 2 und 4 dargestellten Beziehung gesteuert wird, kann die Abgasdurchflussrate durch eine andere Zustandsvariable ersetzt werden, um die tatsächliche Nacheinspritzmenge zu setzen. D.h., die Abgasdurchflussrate wird gemäß der Motordrehzahl Ne und der Beschleunigungspedalwinkelstellung (Last) Acc unter Bezug auf ein Kennfeld zum Bestimmen der Nacheinspritzmenge gemäß der Motordrehzahl Ne und der Beschleunigungspedalwinkelstellung Acc bestimmt. In diesem Sauerstoffkonzentrationssteuerungsverfahren wird die Abgasdurchflussrate nicht als physikalische Größe erfasst, sondern die Abgasdurchflussrate wird durch eine andere Zustandsvariable ersetzt (z.B. durch die Motordrehzahl und die Motorlast), so dass die Abgasdurchflussrate basierend auf der Zustandsvariablen beobachtet werden kann. Der Sauerstoffkonzentrations-Sollwert wird gemäß dem Beobachtungsergebnis in die Nacheinspritzmenge umgewandelt. Daher hat dieses Steuerungsverfahren den Vorteil, dass die Nacheinspritzmenge gemäß dem Betriebszustand, z.B. der Motordrehzahl und der Motorlast, direkt bestimmt werden kann.
Um das vorstehend beschriebene Steuerungsverfahren zu implementieren, kann in der ECU 10 ein Nacheinspritzmengensteuerungskennfeld zum Bestimmen des Sauerstoffkonzentra tions-Sollwertes gemäß jeweiligen Betriebszuständen (z.B. Motordrehzahl und Motorlast) bereitgestellt werden. Das Kennfeld zeigt eine Beziehung zwischen dem Betriebszustand des Motors 1 und der Nacheinspritzmenge, die die Beziehung zwischen der Abgasdurchflussrate und dem Sauerstoffkonzentrations-Sollwert ersetzt. Daher kann die ECU 10 einfach durch Durchsuchen des Kennfeldes gemäß dem erfassten Betriebszustand und durch Ausführen der Nacheinspritzung gemäß dem Suchergebnis den gemäß der Abgasdurchflussrate bestimmten Sauerstoffkonzentrations-Sollwert leicht erreichen (Abgasdurchflussratenerfassungsvorrichtung, Sauerstoffkonzentrationssteuerungsvorrichtung).
5 zeigt eine Änderung der Temperatur des DPF 2 und eine Änderung der Druckdifferenz zwischen dem Einlass und dem Auslass des DPF 2 (Filterdifferenzdruck). Wenn die Kraftstoffnacheinspritzung gemäß dem Einspritzmuster der ersten Stufe nach dem Start der Filterregenerierungssteuerung ausgeführt wird, nimmt die Filtertemperatur von einem Startpunkt der Nacheinspritzung (Zeitpunkt t0) ausgehend zu. Wenn die Nacheinspritzung gemäß dem Einspritzmuster der zweiten Stufe ausgeführt wird, beginnt die Verbrennung der Partikel, und die Sauerstoffkonzentration wird für eine Zeitdauer gesteuert, in der die Nacheinspritzung gemäß dem Einspritzmuster der dritten Stufe ausgeführt wird (Zeitintervall t1 bis t2). Während dieser Zeitdauer wird die Filtertemperatur derart gesteuert, dass sie kleiner oder gleich einem zulässigen Wert Ta ist, bei dem verhindert werden kann, dass der Filter durch Schmelzen beschädigt wird, und derart, dass die Filtertemperatur sich auf stabile Weise ändert.
Wenn die Nacheinspritzung nach dem Start der Verbrennung der Partikel gestoppt wird, wie dies herkömmlich der Fall ist, um beispielsweise einen Betrieb bei niedriger Drehzahl und geringer Last fortzusetzen, schreitet die Verbrennung der Partikel rasch voran. Infolgedessen kann die Filtertemperatur den zulässigen Wert Ta zu einem bestimmten Zeitpunkt überschreiten, wie durch eine Doppelpunkt-Strich-Linie in 5 dargestellt ist. Dies ist der Fall, weil die Verbrennung der Partikel auf dem DPF 2 aufgrund eines Flammenübergangs rasch fortschreitet.
Wenn die Partikel mit einem Anstieg der Filtertemperatur langsam verbrennen, die beispielsweise wie durch eine strichpunktierte Linie in 5 dargestellt gesteuert wird, wie dies herkömmlich der Fall ist, dauert es eine lange Zeit, um den Filter zu regenerieren, weil der Filterdifferenzdruck für eine lange Zeitdauer nicht eliminiert wird.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird dagegen die Sauerstoffkonzentration gemäß der Abgasdurchflussrate in der vorstehend erwähnten Zeitdauer (t1 bis t2) gesteuert. Daher wird, auch wenn die Partikel aktiv verbrannt werden, die durch die Verbrennung erhaltene Wärme durch die Abgasströmung abgeführt, oder wenn nur eine geringe Wärmemenge durch die Abgasströmung abgeführt wird, werden die Partikel langsam verbrannt, wodurch ein Überhitzen des Filters vermieden wird. Dadurch überschreitet die Filtertemperatur niemals den zulässigen Wert Ta, und die für die Regenerierung des Filters erforderliche Zeitdauer (t0 bis t2) wird relativ vermindert. Durch die für die Regenerierung erforderliche verlängerte Zeitdauer wird die Nacheinspritzmenge pro Regenerierungszyklus erhöht, wodurch der Kraftstoffverbrauch zunimmt.
Obwohl in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform das Einspritzmuster gemäß Temperaturzuständen z.B. des Oxidationskatalysators 4 und des DPF 2 von der ersten zur dritten Stufe geschaltet wird, kann das Einspritzmuster auch gemäß der bezüglich des Starts jedes Einspritzmusters verstri chenen Zeit geschaltet werden. Die Einspritzmuster stellen lediglich bevorzugte Beispiele dar, und die Kraftstoffeinspritzmuster während der Regenerierung des Filters sollen nicht auf die in 2 dargestellten Einspritzmuster beschränkt sein.
Um die Temperaturzustände, z.B. des Oxidationskatalysators 4 und des DPF 2, exakt zu erfassen, um die Nacheinspritzung auszuführen, kann die spezifische Anordnung und die Anzahl der Sensoren in 1 geändert werden.
Obwohl in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform die Temperatur des DPF 2 durch die Nacheinspritzung während der Regenerierung des Filters erhöht wird, kann die Temperatur des DPF 2 auch durch eine externe Wärmequelle, z.B durch eine elektrische Heizeinrichtung, erhöht werden.
Außerdem können das Common-Rail-System, die verschiedenartigen Sensoren und andere in Verbindung mit der vorstehend beschriebenen Ausführungsform erwähnte Komponenten gemäß der Form, der Spezifikation, usw. eines Verbrennungsmotors, auf den das erfindungsgemäße Abgasemissionssteuerungssystem angewendet wird, geändert werden.

Claims

Abgasemissionssteuerungssystem für einen Verbrennungsmotor, mit: einer Abgasemissionssteuerungsvorrichtung (2, 4), die in einem Abgaskanal des Verbrennungsmotors angeordnet ist und als Filter dient, der dazu geeignet ist, im Abgas enthaltene Partikel einzufangen; einer Abgasdurchflussratenerfassungsvorrichtung (10, 12, 14) zum Erfassen einer Durchflussrate des den Abgaskanal durchströmenden Abgases; und einer Konzentrationssteuerungsvorrichtung (10, 24) zum Steuern einer Sauerstoffkonzentration des die Abgasemissionssteuerungsvorrichtung durchströmenden Abgases auf einen größeren Wert bezüglich einer höheren Abgasdurchflussrate, wenn die Abgasemissionssteuerungsvorrichtung regeneriert wird.
Abgasemissionssteuerungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, ferner mit: einem Kraftstoffeinspritzventil zum Ausführen einer Nacheinspitzung von zusätzlichem Kraftstoff in einem Hub nach einer Kraftstoffhaupteinspritzung in eine Brennkammer des Verbrennungsmotors; wobei die Konzentrationssteuerungsvorrichtung die Sauerstoffkonzentration durch Regeln einer in der Nacheinspritzung eingespritzen Kraftstoffmenge steuert.
Abgasemissionssteuerungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, ferner mit: einer Motordrehzahlerfassungsvorrichtung zum Erfassen einer Motordrehzahl; und einer Motorlasterfassungsvorrichtung zum Erfassen einer Motorlast; wobei die Konzentrationssteuerungsvorrichtung die Sauerstoffkonzentration durch Regeln einer in der Nacheinspritzung eingespritzten Kraftstoffmenge gemäß der Motordrehzahl und der Motorlast steuert.
Abgasemissionssteuerungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner mit: einer Motordrehzahlerfassungsvorrichtung zum Erfassen einer Motordrehzahl; und einer Motorlasterfassungsvorrichtung zum Erfassen einer Motorlast; wobei die Abgasdurchflusserfassungsvorrichtung die Abgasdurchflussrate gemäß der Motordrehzahl und der Motorlast erfasst.
Abgasemissionssteuerungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Abgasemissionssteuerungsvorrichtung als Oxidationskatalysator arbeitet.