DE69635969T2

DE69635969T2 - Verfahren zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE69635969T2
Application number: DE69635969T
Authority: DE
Inventors: Yasushi Toyota-shi Araki; Tatsuji Toyota-shi Mizuno; Toshiaki Toyota-shi Tanaka
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1995-09-11
Filing date: 1996-09-10
Publication date: 2007-01-04
Anticipated expiration: 2016-09-11
Also published as: EP1410837A3; EP0761286A3; DE69635969D1; EP0761286A2; DE69635641T2; US5850735A; EP1410837B1; EP0761286B1; DE69635641D1; EP1410837A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung des Abgases eines Verbrennungsmotors. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Reinigung des Abgases eines Verbrennungsmotors, durch das die Menge an SO₃, die in die Atmosphäre freigesetzt wird, verringert werden kann.
2. Beschreibung des verwandten Standes der Technik
Im Abgas eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors, sind Feststoffteilchen wie zum Beispiel Ruß (Kohlenstoffteilchen) und organisch lösliche Anteile (Soluble Organic Fractions, SOF) enthalten. Um zu verhindern, dass die Feststoffteilchen des Abgases sich in die Atmosphäre verbreiten, werden für gewöhnlich ein Oxidationskatalysator und ein DPF (Dieselpartikelfilter) verwendet.
Organisch lösliche Anteile im Abgas bestehen hauptsächlich aus Kohlenwasserstoffen und können durch In-Kontakt-Bringen des Abgases mit einem Oxidationskatalysator zu H₂O und CO₂ oxidiert werden. Ruß kann durch einen DPF gesammelt und aus dem Abgas entfernt werden.
Wenn ein Oxidationskatalysator und ein DPF in die Abgasleitung eines Motors in dieser Reihenfolge von der stromaufwärts liegenden Seite aus angeordnet werden, können gleichzeitig die Oxidation der organisch löslichen Anteile und das Sammeln von Ruß durchgeführt werden.
Es tritt jedoch ein Problem auf, wenn die organisch löslichen Anteile SOF durch einen Oxidationskatalysator oxidiert werden. Der Kraftstoff für den Motor, insbesondere Dieselkraftstoff, enthält für gewöhnlich einen Schwefelbestandteil. Die ser Schwefel wird im Motor verbrannt und erzeugt Schwefeldioxid (SO₂) im Abgas des Motors. Wird das Abgas in einen Oxidationskatalysator eingeleitet, wird SO₂, ebenso wie die organisch löslichen Anteile, durch den Oxidationskatalysator oxidiert, und es wird Schwefeltrioxid (SO₃) gebildet. Aus diesem Grund enthält das Abgas, das aus dem Oxidationskatalysator strömt, SO₃. Im Abgas enthaltendes SO₃ wird durch den Dieselpartikelfilter nicht gesammelt und in die Atmosphäre freigesetzt. Da SO₃ als Feststoffteilchen detektiert werden, steigt in einigen Fällen die Gesamtmenge an Feststoffteilchen in dem Abgas aufgrund des SO₃, das durch den Oxidationskatalysator erzeugt wird, an, obwohl organisch lösliche Anteile und Ruß aus dem Abgas entfernt werden.
Die ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 53-38815 offenbart ein Verfahren zur Lösung des oben genannten Problems unter Verwendung einer Sulfatfalle.
Die in der'815-Veröffentlichung verwendete Sulfatfalle ist in der Lage, SO_x (in dieser Beschreibung wird Schwefeloxid wie zum Beispiel SO₂ und SO₃ als SO_x bezeichnet) zu absorbieren und es in Form von Sulfat in der Falle zu halten.
In der Vorrichtung der'815-er Veröffentlichung ist die Sulfatfalle in der Abgasleitung eines Verbrennungsmotors stromabwärts des Oxidationskatalysators zur Absorption von SO_x in dem Abgas angeordnet. Daher passiert SO₂ durch den Oxidationskatalysator ohne oxidiert zu werden und SO₃, das durch Oxidation von SO₂ auf dem Oxidationskatalysator gebildet wird, wird durch die Sulfatfalle absorbiert, wodurch die Menge an Feststoffteilchen, die in die Atmosphäre freigesetzt werden, gering gehalten werden kann. Das Sulfat, das in der Sulfatfalle gebildet wurde, beginnt jedoch, sich zu zersetzen, wenn die Temperatur der Sulfatfalle einen bestimmten Wert übersteigt. In diesem Fall steigt die Menge an Feststoffteilchen, die in die Atmosphäre freigesetzt wird, wenn die Temperatur der Sulfatfalle eine bestimmte Temperatur übersteigt, da der größte Teil des Schwefeloxids, das in der Sulfatfalle absorbiert wird, in Form von SO₃ freigesetzt wird. In dieser Beschreibung wird die Temperatur, bei der die Freisetzung des absorbierten Schwefeloxids stattfindet, als „Freisetzungstemperatur" bezeichnet.
Um zu verhindern, dass die Freisetzung von SO₃ stattfindet, führt die Vorrichtung in der'815-er Veröffentlichung der Sulfatfalle Kühlungsluft zu, um die Temperatur der Sulfatfalle geringer als die Freisetzungstemperatur zu halten.
Jedoch können bei der Vorrichtung der'815-er Veröffentlichung Probleme auftauchen. Da das Schwefeloxid, das in der Sulfatfalle absorbiert ist, in der Vorrichtung der'815-er Veröffentlichung niemals freigesetzt wird, findet eine andauernde Ansammlung von Schwefeloxid in der Sulfatfalle statt, und die Sulfatfalle wird mit dem absorbierten Schwefeloxid gesättigt, wenn der Motor über einen langen Zeitraum in Betrieb ist. Wenn die Sulfatfalle mit Schwefeloxid gesättigt ist, kann sie das SO_x im Abgas nicht absorbieren. Aus diesem Grund passiert das SO₃, das durch den Oxidationskatalysator erzeugt wurde, durch die Sulfatfalle, ohne absorbiert zu werden, nachdem der Motor über einen bestimmten Zeitraum in Betrieb war, und dadurch steigt die Menge an Feststoffteilchen, die in die Atmosphäre freigesetzt werden.
In der Vorrichtung, die in der'815-er Veröffentlichung beschrieben ist, kann verhindert werden, dass sich Schwefeloxid in der Sulfatfalle anhäuft, indem die Temperatur der Sulfatfalle stufenweise auf die Freisetzungstemperatur erhöht wird, bevor die Sulfatfalle mit Schwefeloxid gesättigt ist. Der größte Teil des absorbierten Schwefeloxids wird im Bereich nahe der Freisetzungstemperatur aus der Sulfatfalle in Form von SO₃ freigesetzt. Wird die Temperatur der Sulfatfalle auf die Freisetzungstemperatur erhöht, um deren Sättigung zu verhindern, wird daher das Meiste des Schwefeloxids, das während des Motorbetriebs absorbiert wird, in Form von SO₃ freigesetzt, und die Gesamtmenge der Feststoffteilchen, die in die Atmosphäre freigesetzt werden, steigt an.
Die EP-A-0580389 offenbart ein Verfahren zur Reinigung von Abgas eines Verbrennungsmotors, bei dem ein katalytisches Absorptionsmittel das SO_x in dem Gas absorbiert, das oxidiert wird und als Sulfate in dem Absorptionsmittel gespeichert wird. Das Absorptionsmittel wird regeneriert, indem die Temperatur erhöht wird, damit die Sulfate zersetzt werden und SO₂ freigesetzt wird. Gemäß der EP-A-0580389 wird das SO_x bei 1100°C in Luft als SO₂ freigesetzt, während die Freisetzung bei geringeren Temperaturen, d.h. 900 oder 550°C, bei geringeren Sauerstoffniveaus erhalten werden kann.
Gleichermaßen offenbaren zum Beispiel die EP-A-0636770 und EP-A-0625633 ein Verfahren zur katalytischen Reinigung von Motorabgasen. Das katalytische Absorptionsmittel absorbiert SO_x, das in dem Gas vorhanden ist, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis gering ist (d.h. ein hohes Sauerstoffniveau) wobei das SO_x oxidiert wird und als BaSO₄ gespeichert wird. Das SO_x wird von dem Material freigesetzt, wenn das Kraftstoff-Luft-Verhältnis fett gemacht wird (d.h. unter Bedingungen mit wenig Sauerstoff), und es wird erwähnt, dass die Erhöhung der Temperatur die Freisetzung von SO_x fördert.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Angesichts der oben erläuterten Probleme des Standes der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Reinigung des Abgases eines Verbrennungsmotors zur Verfügung zu stellen, das in der Lage ist, die Menge des SO₃, die in die Atmosphäre freigesetzt wird, selbst nach einer langen Betriebszeit des Motors zu verringern.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 zur Reinigung des Abgases eines Verbrennungsmotors gelöst, das einen Schritt des In-Kontakt-Bringens des Abgases eines Verbrennungsmotors, das Schwefeloxid enthält, mit einem Sulfatabsorptionsmittel bei einer Temperatur, die geringer als eine Freisetzungstemperatur ist, sowie einen Schritt der Erhöhung der Temperatur des Sulfatabsorptionsmittels, nachdem es Schwefeloxid absorbiert hat, auf eine vorbestimmte Temperatur, die höher als die Freisetzungstemperatur ist, um dadurch das Sulfatabsorptionsmittel zu veranlassen, das absorbierte Schwefeloxid freizusetzen, umfasst. Das Sulfatabsorptionsmittel absorbiert Schwefeloxid im Abgas, wenn die Temperatur geringer als die Freisetzungstemperatur ist, und setzt das absorbierte Schwefeloxid frei, wenn die Temperatur höher als die Freisetzungstemperatur wird. Die vorbestimmte Temperatur, auf die das Sulfatabsorptionsmittel erhitzt wird, ist derart ausgewählt, dass der Anteil des Schwefeltrioxidbestandteils in der Schwefeloxidmischung, die bei dieser vorbestimmten Temperatur von dem Sulfatabsorptionsmittel freigesetzt wurde, geringer ist als der Anteil an Schwefeltrioxid in der Schwefeloxidmischung, die bei der Freisetzungstemperatur von dem Sulfatabsorptionsmittel freigesetzt wird.
Gemäß diesem Aspekt der Erfindung wird die Menge an SO₃ in der Schwefeloxidmischung, die von dem Sulfatabsorptionsmittel freigesetzt wird, durch die Erhöhung der Temperatur des Sulfatabsorptionsmittels auf eine vorbestimmte Temperatur, die höher als die Freisetzungstemperatur ist, verringert. Das Verhältnis zwischen den Mengen an SO₃ und SO₂ in dem Schwefeloxid, das von dem Sulfatabsorptionsmittel freigesetzt wird, wird durch die Temperatur des Sulfatabsorptionsmittels bestimmt, wenn die Sauerstoffkonzentration unverändert bleibt. Der Anteil an dem SO₃-Bestandteil in der Schwefeloxidmischung, die von dem Sulfatabsorptionsmittel freigesetzt wird, erhöht sich, wenn die Temperatur des Sulfats ausgehend von der Freisetzungstemperatur ansteigt, und erreicht einen Spitzenwert bei einer bestimmten Temperatur ("einer Peak-Temperatur"), die höher als die Freisetzungstemperatur ist. Erhöht sich die Temperatur weiter ausgehend von der Peak-Temperatur, sinkt der Anteil an SO₃ während des Ansteigens der Temperatur. In diesem Aspekt der Erfindung ist die vorbestimmte Temperatur, auf die das Sulfatabsorptionsmittel erhitzt wird, damit die Freisetzung von Schwefeloxid veranlasst wird, höher als die Peak-Temperatur. Ferner wird die vorbestimmte Temperatur derart ausgewählt, dass der Anteil an SO₃ in der Schwefeloxidmischung, die bei dieser Temperatur von dem Sulfatabsorptionsmittel freigesetzt wird, geringer ist als der Anteil an SO₃ in der Schwefeloxidmischung, die bei der Freisetzungstemperatur freigesetzt wird. Daher kann in diesem Aspekt der Erfindung die Menge an SO₃, die von dem Sulfatabsorptionsmittel freigesetzt wird, verringert werden, selbst wenn die Freisetzung von Schwefeloxid zur Verhinderung der Sättigung des Sulfatabsorptionsmittels benötigt wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Reinigung des Abgases eines Verbrennungsmotors, das Ruß und Schwefeloxid enthält, zur Verfügung gestellt, umfassend einen Schritt des Sammelns von Ruß in dem Abgas des Verbrennungsmotors, einen Schritt des In-Kontakt-Bringens des Abgases nach dem Sammeln des Rußes mit einem Sulfatabsorptionsmittel bei einer Temperatur, die geringer als eine Freisetzungstemperatur ist, einen Schritt des Verbrennend des gesammelten Rußes und einen Schritt, bei dem das durch die Verbrennung des Rußes gebildete Verbrennungsabgas dem Sulfatabsorptionsmittel zugeführt wird, damit das Sulfatabsorptionsmittel das absorbierte Schwefeloxid freisetzt. Das Sulfatabsorptionsmittel absorbiert Schwefeloxid in dem Abgas, wenn die Temperatur geringer als die Freisetzungstemperatur ist, und setzt das absorbierte Schwefeloxid frei, wenn die Temperatur höher als die Freisetzungstemperatur ist.
In diesem Aspekt der Erfindung wird ein heißes Abgas mit einer geringen Sauerstoffkonzentration, das erzeugt wird durch die Verbrennung des gesammelten Rußes, dem Sulfatabsorptionsmittel zugeführt, wenn das Schwefeloxid von dem Sulfatabsorptionsmittel freigesetzt werden muss. Da das heiße Abgas dem Sulfatabsorptionsmittel zugeführt wird, wird das Sulfatabsorptionsmittel auf seine Freisetzungstemperatur erhitzt, wobei das Schwefeloxid von dem Sulfatabsorptionsmittel freigesetzt wird. Da die Sauerstoffkonzentration in dem Verbrennungsgas gering ist, wird ferner der Anteil an SO₃ in dem freigesetzten Schwefeloxid gering. Daher verringert sich die Menge an Feststoffteilchen, die in die Atmosphäre freigesetzt werden, obwohl eine Freisetzung von Schwefeloxid aus dem Sulfatabsorptionsmittel stattfindet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beschreibung, bei der auf die anliegenden Figuren Bezug genommen wird, näher erläutert. Die Figuren sind wie folgt:
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung, wenn es auf einen Verbrennungsmotor eines Automobils angewendet wird;
2 ist eine Grafik, die die Änderung des Anteils an SO₃ in dem Gas, das eine SO_x-Mischung enthält, im Hinblick auf die Änderung der Temperatur und der Sauerstoffkonzentration im Gas zeigt;
3 ist eine Grafik, die die Änderung des Anteils an SO₃ in der SO_x-Mischung, die im Gas enthalten ist, bei der Existenz des Oxidationskatalysators gemäß der Temperaturänderung zeigt;
4 ist eine Grafik, die die Änderung des Anteils an SO₃ in der SO_x-Mischung, die in dem Gas enthalten ist, bei der Existenz eines Oxidationskatalysators gemäß der Temperaturänderung und der Sauerstoffkonzentration zeigt;
5 ist ein Flussdiagramm, das eine Ausführungsform des Verfahrens zur Reinigung von Abgas gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
7 ist ein Flussdiagramm, das eine weitere Ausführungsform des Verfahrens zur Reinigung von Abgas gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
9 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
10 ist ein Flussdiagramm, das eine Ausführungsform des Verfahrens zur Reinigung von Abgas zeigt, wobei die Vorrichtung aus 9 verwendet wird;
11 ist eine Grafik, die die Veränderung des Anteils an SO₃ in dem SO_x, das von dem Sulfatabsorptionsmittel freigesetzt wird, zeigt, wenn die Menge an Sekundärtreibstoff, die dem Sulfatabsorptionsmittel zugeführt wird, verändert wird;
12 ist eine Grafik, die die Veränderung des Anteils an SO₃ in dem vom Sulfatabsorptionsmittel freigesetzten SO_x zeigt, die durch die Verbrennung von Ruß auf dem DPF verursacht wird;
13 ist eine Grafik, die die Veränderung des Anteils an SO₃ in dem SO_x, das von dem Sulfatabsorptionsmittel freigesetzt wird, gemäß der Konzentrationsänderung von Kohlenstoffmonoxid in dem Abgas zeigt;
14 ist ein Flussdiagramm, das eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Reinigung von Abgas zeigt; und
15 ist eine Grafik, die die Veränderung der Fähigkeit des Sulfatabsorptionsmittels zur Absorption von SO_x im Zeitverlauf zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
1 zeigt eine Ausführungsform einer Abgasreinigungsvorrichtung zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Reinigung von Abgas bei einem Dieselmotor eines Automobils.
In 1 kennzeichnet das Bezugszeichen 1 einen Dieselmotor für ein Automobil. Obwohl in dieser Ausführungsform ein Mehrzylinderdieselmotor verwendet wird, zeigt 1 nur einen Zylinder. Bezugszeichen 2 kennzeichnet eine Luftansaugleitung, die mit der Einlassöffnung des betreffenden Zylinders verbunden ist. Bezugszeichen 3 kennzeichnet eine Abgasleitung, die mit der Auslassöffnung des betreffenden Zylinders durch einen Abgaskrümmer 3a verbunden ist. Ein Kraftstoffeinspritzventil 4, das unter Druck stehenden Kraftstoff in eine Verbrennungskammer einspritzt, wird auf jedem der Zylinder zur Verfügung gestellt.
In dieser Ausführungsform ist ein Einlassabsperrventil 6 in der Luftansaugleitung 2 angeordnet. Das Einlassabsperrventil 6 ist eine Art, wie zum Beispiel ein Schmetterlingsventil, das einen geringen Strömungswiderstand in geöffnetem Zustand verursacht und normalerweise verwendet wird, um die Luftansaugleitung 2 abzudrosseln, um die Menge an Ansaugluft während des Leerlaufs des Motors 1 zu verringern und die Stabilität des Motorbetriebs während des Leerlaufs zu erhöhen. In 1 kennzeichnet Bezugszeichen 6a einen geeigneten Stellantrieb, wie zum Beispiel einen unterdruckbetriebenen Stellantrieb oder einen magnetbetriebenen Stellantrieb, der das Einlassabsperrventil 6 entsprechend einem Steuersignal, das durch eine Steuereinheit (ECU) 20 ausgegeben wird, öffnet und schließt.
In dieser Ausführungsform wird eine EGR-Leitung 13, die den Abgaskrümmer 3a und die Luftansaugleitung 2 verbindet, zur Verfügung gestellt, um einen Teil des Abgases, das von dem Motor ausgestoßen wird, in die Luftansaugleitung 2 einzuleiten. Auf der EGR-Leitung 13 wird ein EGR-Steuerventil 10 angeordnet, das die Menge an Abgas, das durch die EGR-Leitung 13 strömt, steuert. Das EGR-Steuerventil 10 wird mit einem Stellantrieb 10a eines geeigneten Typs zur Verfügung stellt, wie zum Beispiel einem unterdruckbetriebenen Stellantrieb, einem Schrittmotor, oder einem magnetbetriebenen Stellantrieb. Der Stellantrieb 10a treibt das EGR-Steuerventil 13 an und passt den Grad der Öffnung des Ventils 13 als Antwort auf ein Steuersignal von der Steuereinheit 20 an.
In dieser Ausführungsform wird eine Sekundärkraftstoffzuführeinheit 7 zur Einspritzung von Kraftstoff in die Abgasleitung 3 zur Verfügung gestellt. Eine Sekundärkraftstoffzuführeinheit 7 umfasst eine Einspritzdüse 7a, die unter Druck stehenden Kraftstoff aus einer Motorkraftstoffzuführpumpe (nicht gezeigt), in die Abgasleitung 3 einspritzt, und ein Durchflusssteuerventil 7b zur Steuerung der Menge an Kraftstoff, die in die Abgasleitung 3 entsprechend einem Steuersignal von der Steuereinheit 20 eingespritzt wird. Wie später beschrieben wird, spritzt die Sekundärkraftstoffeinspritzeinheit 7 Kraftstoff in die Abgasleitung 13 ein, um die Abgastemperatur zu erhöhen und die Sauerstoffkonzentration zu verringern, indem der eingespritzte Kraftstoff verbrannt wird, wenn ein Sulfatabsorptionsmittel das absorbierte Schwefeloxid freisetzen soll.
Bezugszeichen 5 in 1 kennzeichnet ein Sulfatabsorptionsmittel, das in der Abgasleitung 3 stromabwärts der Einspritzdüse 7a angeordnet ist. Das Sulfatabsorptionsmittel 5 in dieser Ausführungsform absorbiert SO_x und setzt dieses frei. Das Sulfatabsorptionsmittel 5 absorbiert nämlich SO_x im Abgas und setzt das absorbierte SO_x frei, wenn die Bedingungen zur Freisetzung erfüllt sind. Das Sulfatabsorptionsmittel 5 wird später detailliert beschrieben.
Bezugszeichen 20 in 1 ist eine Steuereinheit oder elektronische Steuereinheit (Electronic Control Unit; ECU) des Motors 1. Die elektronische Steuereinheit 20 in dieser Ausführungsform umfasst, zum Beispiel einen Mikrocomputer einer bekannten Art, der CPU, RAM, ROM, und Eingabe- und Ausgabeports, aufweist, die alle durch einen bidirektionalen Bus verbunden sind. Die elektronische Steuereinheit 20 führt eine grundlegende Steuerung des Motors durch, wie zum Beispiel eine Kraftstoffeinspritzsteuerung, und zusätzlich dazu führt die elektro nische Steuereinheit 20 in dieser Ausführungsform die Steuerung der SO_x-Freisetzung des Sulfatabsorptionsmittels 5 durch, durch die der Vorgang der SO_x-Freisetzung des Sulfatabsorptionsmittel gesteuert wird.
Zur Durchführung der oben genannten Steuerung, werden verschiedene Signale in den Eingabeport der elektronische Steuereinheit 20 eingespeist. Diese Signale sind zum Beispiel ein Signal über die Geschwindigkeit des Motors von einem Sensor, der die Geschwindigkeit des Motors misst, der nahe der Kurbelwelle (nicht gezeigt) des Motors angeordnet ist, ein Beschleunigungssignal von einem Beschleunigungssensor, der nahe an dem Gaspedal (nicht gezeigt) angeordnet ist, der den Grad des Herunterdrückens des Gaspedals durch den Fahrer angibt, und ein Abgastemperatursignal von einem Temperatursensor 8, der in einer Abgasleitung 3 stromabwärts des Sulfatabsorptionsmittel 5 angeordnet ist. Der Ausgabeport des ECU 20 ist zum Beispiel mit dem Kraftstoffeinspritzventil 4, mit dem Stellantrieb 6a des Einlassabsperrventils 6, dem Stellantrieb 10a des EGR-Steuerventils 10 und dem Durchflusssteuerventil 7b der Sekundärkraftstoffzuführeinheit 7 mittels des entsprechenden Steuerkreises (nicht gezeigt) verbunden, um den Betrieb dieser Elemente zu steuern.
Das Sulfatabsorptionsmittel 5 verwendet ein monolithisches Substrat, das aus Cordierit hergestellt wurde, das dem Substrat, das normalerweise für einen herkömmlichen Katalysator verwendet ist, ähnlich ist, und eine Schicht, die aus einer Substanz wie zum Beispiel Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliciumdioxid (SiO₂) oder Titandioxid (TiO₂) hergestellt wurde, wird auf der Oberfläche des Substrats gebildet. In dieser Ausführungsform werden katalytische Edelmetallbestandteile, wie zum Beispiel Platin (Pt), von der Schicht getragen. Daher agiert das Sulfatabsorptionsmittel 5 in dieser Ausführungsform auch als ein Oxidationskatalysator, der organisch lösliche Anteile (Kohlenwasserstoffe) und CO in dem Abgas zu H₂O und CO₂ oxidiert.
Wenn der Motor mit geringer Last betrieben wird, ist die Abgastemperatur gering, und die Kohlenwasserstoffe (HC) und CO in dem Abgas nehmen zu. Jedoch werden in dieser Ausführungsform die HC- und CO-Bestandteile in dem Abgas oxidiert, wenn das Abgas durch das Sulfatabsorptionsmittel 5 fließt und durch die darin getragenen katalytischen Bestandteile zu H₂O und CO₂ umgewandelt werden. Daher werden HC und CO nicht in die Atmosphäre freigesetzt.
Wenn das Abgas durch das Sulfatabsorptionsmittel 5 fließt, wird durch die katalytischen Bestandteile ferner auch ein SO₂-Bestandteil in dem Abgas zu SO₃ oxidiert. Jedoch wird bei dieser Ausführungsform das SO₃, das durch die Oxidation von SO₂ erzeugt wurde, durch die Absorptionsschicht (wie zum Beispiel aus Aluminiumoxid) absorbiert, und nicht in die Atmosphäre freigesetzt.
Als nächstes wird der Vorgang der Absorption und Freisetzung des Sulfatabsorptionsmittels 5 erläutert, wobei der Fall genommen wird, bei dem zum Beispiel Aluminiumoxid (Al₂O₃) für die Schicht auf dem Substrat, und Platin (Pt) als Katalysator verwendet werden. In diesem Fall werden das SO₂ und SO₃ in dem Abgas durch O₂- oder O^2-, die an der Oberfläche von Platin haften, oxidiert und bilden Sulfonsäureionen SO₄ ^2-. Diese Sulfonsäureionen SO₄ ^2- diffundieren in die Aluminiumoxidschicht, wenn sie sich mit Aluminiumoxid (Al₂O₃) verbinden, und bilden das Sulfat Al₂O₃(SO₄)₃. Daher werden SO_x wie zum Beispiel SO₂ und SO₃ in dem Abgas durch das Sulfatabsorptionsmittel 5 absorbiert und in diesem gehalten.
Jedoch wird SO_x, das in dem Sulfatabsorptionsmittel 5 in Form des Sulfats Al₂O₃(SO₄)₃ gehalten wird, von dem Sulfatabsorptionsmittel 5 freigesetzt, wenn die Temperatur hoch oder die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas gering wird.
Wenn zum Beispiel die Temperatur des Sulfatabsorptionsmittels 5 steigt, wird das Sulfat Al₂O₃(SO₄)₃ in der Aluminiumoxidschicht durch Hitze zersetzt und Sulfonsäureionen SO₄ ^2- werden erzeugt. Diese Sulfonsäureionen SO₄ ^2- bilden dann SO_x, wenn sie von dem Sulfatabsorptionsmittel 5 freigesetzt werden. Da her wird SO_x von dem Sulfatabsorptionsmittel freigesetzt, wenn die Temperatur des Sulfatabsorptionsmittels 5 hoch wird.
Ferner sinkt die Menge an O₂ und O^2-, die an der Oberfläche von Platin haftet, wenn die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas gering wird. Dies führt dazu, dass die Reaktionen auf der Oberfläche von Platin in Richtung SO₄ ^2- → SO₃ und SO₄ ^2- → SO₂ fortschreitet. Daher wird SO_x, wie zum Beispiel SO₃ und SO₂, auf dem Platin (Pt) gebildet, und Sulfonsäureionen SO₄ ^2- werden in der Form von SO_x von dem Sulfatabsorptionsmittel freigesetzt. Die Geschwindigkeit, mit der SO₄ ^2--Ionen von dem Absorptionsmittel freigesetzt werden, wird durch den Unterschied zwischen den Konzentrationen an SO₄ ^2- Ionen in dem Absorptionsmittel und auf der Oberfläche von Platin bestimmt. Wenn die Konzentration von Sauerstoff in dem Abgas gering ist, erhöht sich die Geschwindigkeit der Reaktionen in den Richtungen SO₄ ^2- → SO₃ und SO₄ ^2- → SO₂ und die Konzentration an SO₄ ^2--Ionen auf der Oberfläche von Platin wird gering. Wenn die Sauerstoffkonzentration im Abgas gering wird, werden daher die SO₄ ^2- Ionen von dem Absorptionsmittel freigesetzt, selbst wenn die Konzentration an SO₄ ^2- Ionen in dem Absorptionsmittel (d.h. die Menge an SO_x, die durch das Absorptionsmittel absorbiert wird) gering ist.
Daher wird SO_x aus dem Sulfatabsorptionsmittel 5 freigesetzt, wenn die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas geringer wird. Ferner wird auf ähnliche Weise SO_x von dem Sulfatabsorptionsmittel 5 freigesetzt, wenn die Temperatur des Sulfatabsorptionsmittels hoch wird, obwohl die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas hoch ist, da die Geschwindigkeit der Reaktionen in den Richtungen SO₄ ^2- → SO₃ und SO₄ ^2- → SO₂ höher wird, wenn die Temperatur des Sulfatabsorptionsmittels höher wird. Ob die Freisetzung von SO_x von dem Sulfatabsorptionsmittel stattfindet, wird nämlich durch einen Gleichgewichtszustand bestimmt, der durch die Temperatur und die Sauerstoffkonzentration geregelt ist.
Ferner wird das Verhältnis zwischen SO₂ und SO₃ in der SO_x Mischung, die von dem Sulfatabsorptionsmittel freigesetzt wird, durch die Temperatur des Sulfatabsorptionsmittels 5 und der Sauerstoffkonzentration im Abgas bestimmt. Die 2 bis einschließlich 4 zeigen die Veränderung des Verhältnisses von SO₃ in der SO_x Mischung, die von dem Sulfatabsorptionsmittel 5 im Gleichgewichtszustand gemäß den Veränderungen in der Temperatur und der Sauerstoffkonzentration freigesetzt werden.
In 2 stellt die vertikale Achse das Verhältnis von SO₃ in der SO_x Mischung (der Mischung aus SO₂ und SO₃) dar, und die horizontale Achse stellt die Temperatur des Sulfatabsorptionsmittels dar. Die Kurven A bis einschließlich D in 2 stellen den Anteil an SO₃ in der SO_x Mischung in Gleichgewichtszuständen bei verschiedenen Sauerstoffkonzentrationen dar, und Kurve A zeigt den Fall, bei dem die Sauerstoffkonzentration am höchsten ist, und die Sauerstoffkonzentration wird in der Reihenfolge von A bis D geringer. In 2 kann der Anteil an SO₂ in der SO_x Mischung durch Subtrahieren des Anteils an SO₃ von 100% berechnet werden.
Wie in 2 dargestellt, wird im Gleichgewichtszustand bei konstanter Sauerstoffkonzentration der Anteil an SO₃ geringer, wenn die Temperatur höher wird. Wenn die Temperatur konstant gehalten wird, wird der Anteil von SO₃ in SO_x im Gleichgewichtszustand geringer, wenn die Sauerstoffkonzentration geringer wird.
Während des eigentlichen Betriebs des Motors besteht jedoch fast das Gesamte SO_x im Abgas des Motors aus SO₂, und der Anteil an SO₃ im SO_x ist sehr gering. Daher dauert es relativ lange, bis die in 2 dargestellten Gleichgewichtszustände erreicht sind, in denen der Anteil an SO₃ relativ hoch ist. Existiert ein Oxidationskatalysator, verkürzt sich die Zeit, die zum Erreichen der Gleichgewichtszustände benötigt wird, da die Oxidation von SO₂ gefördert wird. Jedoch wird die Oxidationsfähigkeit des Katalysators größer, wenn die Temperatur höher wird. Wenn die Temperatur relativ gering ist, wird der Anteil an SO₃ in der SO_x Mischung durch die Oxidationsfähigkeit des Katalysators bestimmt, und der Anteil an SO₃ erhöht sich, wenn die Temperatur höher wird (d.h. die Oxidationsfähigkeit des Katalysators steigt).
In 3 stellt die gestrichelte Linie die Änderung des Anteils an SO₃ im eigentlichen Betrieb dar, wenn ein Oxidationskatalysator vorhanden ist. In diesem Fall wird die Sauerstoffkonzentration konstant gehalten (zum Beispiel bei der Konzentration, die der Kurve A in 2 entspricht). Die Kurve E in 3 zeigt die Änderung der Oxidationsfähigkeit des Katalysators in Übereinstimmung mit der Änderung der Temperatur, und die Kurve A in 3 zeigt den Anteil an SO₃ im Gleichgewichtszustand (er ist derselbe wie die Kurve A in 2). Wie in 3 gezeigt, steigt der Anteil an SO₃ in dem tatsächlichen Zustand entlang der Kurve E (die Oxidationsfähigkeit des Katalysators) während die Temperatur steigt, und nähert sich dem Wert, der durch das Gleichgewicht (die Kurve A) bestimmt ist. Der Anteil an SO₃ kann jedoch nicht größer als der Wert werden, der durch das Gleichgewicht (d.h. die Kurve A in 3) bestimmt ist. Wenn der Katalysator vorhanden ist, steigt daher der Anteil an SO₃ (die gepunktete Linie), wenn die Temperatur hoch wird, und erreicht den Wert, der durch das Gleichgewicht bei einer bestimmten Temperatur (d.h. T_P in 3) bestimmt ist, und wenn die Temperatur diese Temperatur (T_P) übersteigt, sinkt der Anteil an SO₃ entlang der Gleichgewichtskurve A, wenn die Temperatur steigt. Denn wenn der Katalysator vorhanden ist, gibt es eine Peak-Temperatur (T_P in 3), bei der der Anteil an SO₃ in der SO_x Mischung den höchsten Wert erreicht.
Obwohl in 3 der Fall gezeigt ist, bei dem die Sauerstoffkonzentration auf einem konstanten Wert gehalten wird, ändert sich die Gleichgewichtskurve selbst entsprechend der Sauerstoffkonzentration (zum Beispiel Kurven A bis einschließlich D in 2). 4 zeigt den Anteil an SO₃ im tatsächlichen Zustand bei der Anwesenheit des Katalysators bei verschiedenen Sauerstoffkonzentrationen, und die Kurven A bis einschließlich D in 4 sind dieselben Kurven wie A bis einschließlich D in 2, die den Anteil an SO₃ in Gleichgewichtszuständen bei verschiedenen Sauerstoffkonzentrationen darstellen. Wie in 4 dargestellt, wird die Peak-Temperatur (T_P in 3) bei der der Anteil an SO₃ am höchsten ist, geringer, wenn die Sauerstoffkonzentration geringer wird, und auch der Peakwert (der höchste Wert) des Anteils an SO₃ wird geringer wenn die Sauerstoffkonzentration geringer wird.
Wie obenstehend erläutert, nimmt die Menge an Feststoffteilchen, die in die Atmosphäre freigesetzt werden, ab, wenn sich die Menge an SO₃, die von dem Sulfatabsorptionsmittel freigesetzt wird, verringert. Wenn SO_x von dem Sulfatabsorptionsmittel bei Bedingungen freigesetzt wird, bei denen der Anteil an SO₃ in dem freigesetzten SO_x minimiert wird, kann die Menge an Feststoffteilchen selbst dann verringert werden, wenn die Gesamtmenge an SO_x, die von dem Sulfatabsorptionsmittel freigesetzt wird, gleich ist. In dieser Ausführungsform wird die Menge an Feststoffteilchen minimiert, indem eine Steuerung der SO_x-Freisetzung durchgeführt wird, um den Anteil an SO₃ in dem SO_x, das von dem Sulfatabsorptionsmittel 5 freigesetzt wird, zu minimieren.
Es wird nun die Steuerung der SO_x-Freisetzung in dieser Ausführungsform erläutert.
Zunächst wird der Fall, bei dem die Sauerstoffkonzentration konstant gehalten wird, betrachtet. In diesem Fall wird der tatsächliche Anteil an SO₃ in dem freigesetzten SO_x durch die gestrichelte Linie in 3 dargestellt. Angenommen, die Freisetzungstemperatur ist T_D, dann beginnt die Freisetzung von SO_x, wenn die Abgastemperatur höher als die Temperatur T_D wird, zum Beispiel durch die Änderung der Betriebsbedingungen des Motors 1. Da die Abgastemperatur fast gleich der Temperatur des Sulfatabsorptionsmittels 5 ist, wird die Abgastemperatur anstatt der Temperatur des Sulfatabsorptionsmittels 5 in der folgenden Erläuterung verwendet. Wird SO_x bei der Freisetzungstemperatur T_D von dem Sulfatabsorptionsmittel 5 freigesetzt, ist der Anteil an SO₃ in dem freigesetzten SO_x gleich R_D, wie in 3 gezeigt. Zur Verringerung des Anteils an SO₃ auf einen Wert, der geringer als R_D ist, ist es offensichtlich, dass die Ab gastemperatur unter die Freisetzungstemperatur T_D gesenkt werden muss, oder die Abgastemperatur über die Peak-Temperatur T_P erhöht werden muss, so dass die Abgastemperatur die Temperatur T_R in 3 übersteigt, bei der der Anteil an SO₃ geringer als R_D wird. Wenn die Temperatur jedoch so gesenkt wird, dass sie unter der Freisetzungstemperatur T_D liegt, tritt im eigentlichen Betrieb keine Freisetzung von SO_x auf. Wenn in dieser Ausführungsform die Abgastemperatur hoch wird und die Freisetzungstemperatur T_D erreicht, wird daher die Abgastemperatur durch das weiter unten beschriebene Verfahren weiter auf die Temperatur T_R erhöht, um den Anteil an SO₃ in dem freigesetzten SO_x unter den Anteil R_D bei der Freisetzungstemperatur T_D zu verringern. Dadurch kann die Menge an SO₃ (das teilchenförmige Material), die von dem Sulfatabsorptionsmittel 5 freigesetzt wird, geringer sein als wenn das SO_x bei der Freisetzungstemperatur T_D freigesetzt wird.
Nachfolgend wird der Fall berücksichtigt, bei dem die Abgastemperatur auf der Freisetzungstemperatur gehalten und nicht verändert wird, welcher Fall nicht von der vorliegenden Erfindung umfasst ist.
In diesem Fall kann das Verhältnis von SO₃ verringert werden, indem man die Sauerstoffkonzentration im Abgas senkt. Es wird zum Beispiel in 4 angenommen, dass die Sauerstoffkonzentration im Abgas auf der Kurve A liegt (d. h. dieselbe Sauerstoffkonzentration wie die der Kurve A in 3). Wie zuvor erläutert beginnt die Freisetzung von SO_x aus dem Sulfatabsorptionsmittel 5 wenn die Temperatur des Abgases auf die Freisetzungstemperatur T_DA ansteigt, und das Verhältnis von SO₃ in dem freigesetzten SO_x gleich R_DA in 4 wird. In diesem Fall kann anstelle einer Erhöhung der Abgastemperatur die Sauerstoffkonzentration im Abgas auf zum Beispiel den Wert gesenkt werden, der der Kurve B in 4 entspricht. Da sich durch das Verringern der Sauerstoffkonzentration das Gleichgewicht von der Kurve A zur Kurve B verschiebt, wird das Verhältnis von SO₃ auch auf den Wert R_DB reduziert, der niedriger ist als R_DA, was in 4 gezeigt ist. Daher kann die Menge an SO₃ (das teilchenförmige Material), die von dem Sulfatabsorptionsmittel 5 freigesetzt wird geringer gemacht werden als die, wenn SO_x bei der Sauerstoffkonzentration der Kurve A freigesetzt wird, auch wenn die Temperatur die gleiche ist.
Wenn, wie bereits oben erläutert, die Temperatur des Sulfatabsorptionsmittels 5 ansteigt und die Freisetzungstemperatur erreicht nachdem es SO_x im Abgas absorbiert hat, kann die Menge an SO₃ (d. h. die Menge des teilchenförmigen Materials, die in die Atmosphäre freigesetzt wird) reduziert werden durch entweder (1) weiteres Erhöhen der Temperatur oder (2) senkend der Sauerstoffkonzentration im Abgas. Die obigen Verfahren (1) und (2) können entweder gesondert oder gemeinsam durchgeführt werden. Wenn sowohl (1) als auch (2) gemeinsam durchgeführt werden, kann die Menge an vom Sulfatabsorptionsmittel 5 freigesetztem SO₃ weiter verringert werden.
In dieser Ausführungsform werden beide Verfahren (1) und (2) durchgeführt, um die Menge an vom Sulfatabsorptionsmittel 5 freigesetztem SO₃ zu minimieren. Wenn nämlich in dieser Ausführungsform aufgrund der Änderung der Betriebsbedingung des Motors 1 die Abgastemperatur auf die Freisetzungstemperatur erhöht wird, wird die Abgastemperatur weiter erhöht und wird gleichzeitig die Sauerstoffkonzentration im Abgas verringert.
Für gewöhnlich wird der Dieselmotor mit einem besonders mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis betrieben (zum Beispiel einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis von etwa 30) und die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas ist für gewöhnlich hoch. In diesem Zustand wird die Freisetzungstemperatur T_D des Sulfatabsorptionsmittels 5 relativ hoch (zum Beispiel 500 bis 600°C) und dementsprechend wird auch die Temperatur T_R hoch (zum Beispiel 700 bis 800°C). Die Abgastemperatur des Dieselmotors ist bei normalem Betrieb relativ gering, und die Abgastemperatur bei dem Sulfatabsorptionsmittel 5 liegt normalerweise im Bereich von 250 bis 400°C, und höchstens 600°C (bei Betrieb mit hoher Last wie zum Beispiel bei der Bergauffahrt). Daher ist es beim praktischen Betrieb des Dieselmotors nicht sehr wahrscheinlich, dass die Abgastemperatur die Temperatur T_R erreicht, selbst wenn sie die Freisetzungstemperatur T_D erreichen kann.
Daher wird in dieser Ausführungsform die Temperatur des Sulfatabsorptionsmittels auf die Temperatur T_R erhöht, indem man Sekundärkraftstoff von der Sekundärkraftstoffzuführeinheit 7 (1) in die Abgasleitung 3 einspritzt, wenn SO_x vom Sulfatabsorptionsmittel 5 freigesetzt werden soll. Wenn Kraftstoff in die Abgasleitung 3 stromaufwärts des Sulfatabsorptionsmittels 5 eingespritzt wird, wird der eingespritzte Kraftstoff durch den vom Sulfatabsorptionsmittel 5 getragenen Oxidationskatalysator oxidiert (verbrannt). Deswegen wird die Temperatur des Sulfatabsorptionsmittels 5 durch die Verbrennung des eingespritzten Kraftstoffes schnell erhöht. Da Sauerstoff im Abgas dafür verbraucht wird, den eingespritzten Kraftstoff zu verbrennen, wird die Sauerstoffkonzentration im Abgas am Sulfatabsorptionsmittel 5 weiter verringert. Indem man den Sekundärkraftstoff dem Sulfatabsorptionsmittel 5 zuführt, kann die Menge an vom Sulfatabsorptionsmittel 5 freigesetztem SO₃ in großem Maße verringert werden.
5 ist ein Flussdiagramm, das die SO_x-Freisetzungssteuerung dieser Ausführungsform zeigt. Diese Routine wird durch die ECU 20 bei vorbestimmten regelmäßigen Abständen durchgeführt. In dieser Routine berechnet die ECU 20 das Betriebs-Kraftstoff-Luft-Verhältnis des Motors (d. h. die Sauerstoffkonzentration C_R im Abgas) basierend auf dem Gaspedalsignal ACC und der Motordrehzahl NE. Wenn die vom Temperatursensor 8 erfasste Abgastemperatur T_EX eine vorbestimmte Freisetzungstemperatur T_D erreicht, bestimmt die ECU 20 die Temperatur T_R aus den Beziehungen in 4, basierend auf der Annahme, dass die Sauerstoffkonzentration des Abgases von C_R unverändert ist.
Dann berechnet die ECU 20 die Kraftstoffmenge FI₂, die von der Sekundärkraftstoffzüführeinheit 7 eingespritzt wird, welche benötigt wird, um die Abgastemperatur auf die bestimmte Temperatur T_R zu erhöhen. Die Kraftstoffmenge FI₂ wird gemäß der vorliegenden Abgastemperatur T_EX und der Durchflussrate Q der Ansaugluft berechnet. Nachdem sie die Menge FI₂ berechnet hat, steuert die ECU 20 während einer vorbestimmten Zeit das Einspritzen des Kraftstoffs der Menge FI₂ in die Abgasleitung 3 durch die Sekundärkraftstoffzuführeinheit 7. Somit verbrennt der eingespritzte Kraftstoff auf dem Sulfatabsorptionsmittel 5, und die Abgastemperatur des Sulfatabsorptionsmittels 5 steigt rasch auf die Temperatur T_R an, und das absorbierte SO_x wird vom Sulfatabsorptionsmittel 5 freigesetzt. Da aufgrund der Verbrennung von Kraftstoff die Sauerstoffkonzentration des Abgases am Sulfatabsorptionsmittel 5 niedriger wird, wird das Verhältnis von SO₃ in dem vom Sulfatabsorptionsmittel freigesetzten SO_x noch niedriger.
In dieser Ausführungsform wird die Zieltemperatur T_R aus den Beziehungen in 4 bestimmt, basierend auf der Annahme, dass die Sauerstoffkonzentration im Abgas nach dem Zuführen des Sekundärkraftstoffs zum Sulfatabsorptionsmittel 5 dieselbe ist. Tatsächlich wird jedoch die Sauerstoffkonzentration am Sulfatabsorptionsmittel 5 durch die Verbrennung des eingespritzten Kraftstoffes niedriger als C_R. Daher verschiebt sich das eigentliche Gleichgewicht zur Seite der niedrigen Sauerstoffkonzentration (zum Beispiel verschiebt sich das Gleichgewicht von der Kurve A zur Kurve B in 4). Dies bedeutet, dass das tatsächlich erreichte Gleichgewicht der Punkt S auf der Kurve B in 4 ist, wenn die auf der Sauerstoffkonzentration C_R basierende Zieltemperatur T_R verwendet wird. Indem die gemäß der Sauerstoffkonzentration C_R berechnete Zieltemperatur T_R verwendet wird, wird daher das Verhältnis von SO₃ niedriger als das der Gleichgewichtskurve A, auch wenn die Temperatur dieselbe ist.
Nachfolgend wird kurz das Flussdiagramm in 5 erläutert.
In 5, in Schritt 501, wird bestimmt, ob der Wert eines Freisetzungsbetriebs-Flag RX gleich 1 ist. RX ist ein Flag, der darstellt, ob der Freisetzungsbetrieb durchgeführt wird, und wird auf 1 gesetzt (was bedeutet, dass der Betrieb durchgeführt wird), wenn bei Schritt 511 die Abgastemperatur T_EX größer ist als die Freisetzungstemperatur T_D.
Wenn bei Schritt 501 RX ≠ 1, werden die Parameter ACC (das Gaspedalsignal), NE (die Motordrehzahl) und T_EX (die Abgastemperatur) bei Schritt 503 von den jeweiligen Sensoren gelesen, und werden bei Schritt 505 die Kraftstoffeinspritzmenge FI vom Kraftstoffeinspritzventil 4 und die Menge an Ansaugluft Q gemäß den Werten von ACC und NE berechnet. Die Werte von Q und FI werden im ROM des ECU 20 als Funktionen von ACC und NE gespeichert.
Bei Schritt 507 wird das Betriebs-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Motors basierend auf den Werten von Q (der Menge an Ansaugluft) und FI (der Kraftstoffmenge, die der Verbrennungskammer des Motors zugeführt wird) bestimmt und wird die Sauerstoffkonzentration im Abgas C_R aus dem bestimmten Luft-Kraftstoff-Verhältnis berechnet.
Dann wird bei Schritt 511 bestimmt, ob die Abgastemperatur T_EX die Freisetzungstemperatur T_D erreicht hat. Wenn bei Schritt 511 die Abgastemperatur T_EX die Freisetzungstemperatur T_D nicht erreicht hat(d. h., wenn T_EX < T_D), stoppt die Routine sofort, da dies bedeutet, dass SO_x nicht vom Sulfatabsorptionsmittel 5 freigesetzt wird. Wenn bei Schritt 511 T_EX ≥ T_D, ist es notwendig, das Verhältnis an SO₃ in dem freigesetzten SO_x zu senken, da dies bedeutet, dass das Sulfatabsorptionsmittel 5 bereits angefangen hat, das absorbierte SO_x freizusetzen. Somit führt die Routine den Schritt 513 aus, um den Wert des Freisetzungsbetriebs-Flag RX auf 1 einzustellen, und den Schritt 513, um aus den Beziehungen in 4 basierend auf der Sauerstoffkonzentration C_R und der Freisetzungstemperatur T_D die Temperatur T_R zu bestimmen. Dann stoppt die Routine.
Wenn die Routine danach durchgeführt wird, geht die Routine von Schritt 501 bis 517 aus, da der Wert des Flags RX bereits auf 1 gesetzt ist. Bei Schritt 517 wird der Wert eines Zählers t um 1 erhöht, und bei Schritt 519 wird, nachdem der Wert des Zählers t erhöht wurde, bestimmt, ob er einen vorbestimmten Wert t₀ überschreitet. Wenn bei Schritt 519 t ≤ t₀, werden bei Schritt 520 die vorliegenden Werte von ACC, NE und T_EX von dem jeweiligen Sensor gelesen, und wird bei Schritt 521 die Menge an Sekundärkraftstoff FI₂ berechnet. Wenn die Menge FI₂ bei Schritt 521 berechnet wird, wird der Grad der Öffnung des Durchflusssteuerventils 7b von einer anderen Routine (nicht gezeigt), die von der ECU 20 durchgeführt wird, eingestellt, um die von der Düse 7 eingespritzte Kraftstoffmenge auf den Wert FI₂ zu steuern. Wenn dann bei Schritt 519 der Wert des Zählers t den vorbestimmten Wert t₀ erreicht, werden bei den Schritten 523 bis 527 die Werte des Flags RX, des Zählers t und der Kraftstoffmenge FI₂ alle auf 0 gesetzt. Das heißt, bei den Schritten 517 bis 527 wird für eine t₀ entsprechende Zeit Sekundärkraftstoff in die Abgasleitung 3 eingespritzt, und die Temperatur des Sulfatabsorptionsmittels wird für diesen Zeitraum erhöht. Der Wert t₀ entspricht einer Zeit, die das Sulfatabsorptionsmittel 5 für die Vollendung der Freisetzung des absorbierten SO_x benötigt und welche bestimmt wird gemäß dem Typ und der Größe des Sulfatabsorptionsmittels. In dieser Ausführungsform wird der Wert t₀ auf einen Wert gesetzt, der zum Beispiel zwischen einigen Minuten und zehn Minuten liegt.
Als Nächstes wird die Berechnung der Menge FI₂ an Sekundärkraftstoff bei Schritt 521 erläutert. Bei Schritt 521 wird die Menge FI₂ auf eine ähnliche Weise wie bei der Berechnung von FI bei Schritt 505 berechnet. Das heißt, bei Schritt 521 wird die Menge an Ansaugluft Q gemäß dem Gaspedalsignal ACC und der Motordrehzahl NE berechnet. Dann wird die benötigte Menge FI₂ an Kraftstoff zur Anhebung der Abgastemperatur von T_EX auf T_R gemäß der berechneten Ansaugluftmenge Q und der vorliegenden Abgastemperatur T_EX berechnet. Das heißt, FI₂ wird berechnet als FI₂ = Q × (T_R – T_EX) × K (K ist eine Konstante).
Obwohl die Abgastemperatur während des Freisetzungsbetriebes durch den berechneten Wert von FI₂ gesteuert wird, kann die Sekundärkraftstoffmenge FI₂ gemäß dem Unterschied zwischen der Zieltemperatur T_R und der tatsächlichen, vom Sensor 8 erfassten Temperatur T_EX (d. h., T_R – T_EX) Feedback-gesteuert werden.
Die Zieltemperatur T_R wird gemäß der Sauerstoffkonzentration C_R bestimmt, bevor die Sekundärkraftstoffeinspritzung in dieser Ausführungsform beginnt. Jedoch wird die Zieltemperatur T_R höher, wenn die Sauerstoffkonzentration C_R (das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Motors) höher wird. Anstelle einer Bestim mung der Temperatur T_R zu jeder Zeit gemäß der Sauerstoffkonzentration C_R, kann daher die Zieltemperatur T_R auf einen konstanten Wert T_R0 gesetzt werden. In diesem Fall wird die Temperatur T_R0 auf eine Zieltemperatur gesetzt, die für den Zustand geeignet ist, bei dem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Motors (d. h. die Sauerstoffkonzentration C_R) während des Normalbetriebes des Motors am höchsten wird. Durch Berechnen der Kraftstoffmenge FI₂ basierend auf dem Wert T_R0, geeignet für das höchst mögliche Luft-Kraftstoff-Verhältnis, wird die tatsächliche Temperatur des Sulfatabsorptionsmittels 5 immer höher als die minimale Temperatur, die für eine Verringerung des Verhältnisses von SO₃ in dem freigesetzten SO_x erforderlich ist.
Als Nächstes wird eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert. In der Ausführungsform in 5 wird der Freisetzungsbetrieb von SO_x nur dann durchgeführt, wenn die Abgastemperatur die Freisetzungstemperatur T_D erreicht. Jedoch hält eine niedrige Abgastemperatur bei einigen Betriebsbedingungen über eine lange Zeit an. Da in diesem Fall die Abgastemperatur die Freisetzungstemperatur T_D nicht erreicht, wird SO_x nicht vom Sulfatabsorptionsmittel 5 freigesetzt und wird darin weiter angesammelt. Dies kann dazu führen, dass das Sulfatabsorptionsmittel 5 mit dem absorbierten SO_x gesättigt wird. Wenn das Sulfatabsorptionsmittel mit dem absorbierten SO_x gesättigt ist, kann das Sulfatabsorptionsmittel kein SO₃ mehr absorbieren, und wird vom Oxidationskatalysator erzeugtes SO₃ in die Atmosphäre freigesetzt.
Um dieses Problem zu vermeiden, führt die SO_x-Freisetzungssteuerung in dieser Ausführungsform den Freisetzungsbetrieb durch, wenn sich die Menge an SO_x in dem Sulfatabsorptionsmittel ansammelt und auch wenn die Abgastemperatur die Freisetzungstemperatur erreicht.
7 ist ein Flussdiagramm, das die SO_x-Freisetzungssteuerung in dieser Ausführungsform veranschaulicht. Ähnlich wie bei der Ausführungsform in 5 wird das Verhältnis an SO₃ in dem freigesetzten SO_x verringert, indem man in dieser Ausführungsform dem Sulfatabsorptionsmittel 5 Sekundärkraftstoff zuführt.
Darüber hinaus erfasst die ECU 20 in dieser Ausführungsform die Menge an SO_x, die vom Sulfatabsorptionsmittel 5 absorbiert wird, indem man eine vom Kraftstoffeinspritzventil 4 eingespritzte kumulative Kraftstoffmenge berechnet. Die Menge an vom Motor 1 erzeugtem SO_x ist proportional zu der vom Motor 1 verbrannten Kraftstoffmenge. Ferner kann die Menge an vom Sulfatabsorptionsmittel pro Zeiteinheit absorbiertem SO_x gemäß der Menge an vom Motor pro Zeiteinheit erzeugtem SO_x und einer SO_x-Absorptionscharakteristik des Sulfatabsorptionsmittels berechnet werden.
15 zeigt eine typische SO_X-Absorptionscharakteristik des Sulfatabsorptionsmittels. Die vertikale Achse in 15 stellt ein SOx-Absorptionsverhältnis α_(ta) dar, und die horizontale Achse stellt die Zeit ta dar, die seit dem Beginn der Absorption von SO_x in dem Abgas durch das Sulfatabsorptionsmittel vergangen ist. Das SO_x-Absorptionsverhältnis α_(ta) in dieser Ausführungsform ist als das Verhältnis der Menge von SO_x, die durch das Sulfatabsorptionsmittel absorbiert wird, zu der Menge an Kraftstoff, die durch den Motor verbrannt wird, definiert. Da die Menge an Kraftstoff, die durch den Motor verbrannt wird, proportional zu der Menge an SO_x, die durch den Motor erzeugt wird, ist, entspricht das SO_x-Absorptionsverhältnis α_(ta) dem Verhältnis der Menge an SO_x, die durch das Sulfatabsorptionsmittel absorbiert wird, zu der Menge an SO_x in dem Abgas, das in das Sulfatabsorptionsmittel strömt. Wie in 15 dargestellt, wird das SO_x-Absorptionsverhältnis α_(ta) des Sulfatabsorptionsmittels im Zeitverlauf ta niedrig. Die Gesamtmenge an SO_x, die in einem gegebenen Zeitraum (CS) absorbiert wird, kann durch Aufsummieren der Werte berechnet werden, die durch Multiplizieren der Menge an Kraftstoff, die dem Motor per Zeiteinheit zugeführt wird mit dem SO_x-Absorptionsverhältnis α(ta), erhalten werden. Da die Kraftstoffeinspritzungsmenge FI die Menge an Kraftstoff, die dem Motor pro Zeiteinheit bereitgestellt wird, darstellt, wird die Gesamtmenge an SO_x, die durch das Sulfatabsorptionsmittel CS absorbiert wird, in dieser Ausführungsform durch Aufsummieren des Wertes FI × α_(ta) (d.h. CS = Σ (FI × α_(ta))) berechnet.
Nachfolgend wird kurz das Flussdiagramm von 7 erläutert.
In 7 sind die Schritte 701 und 703 dieselben wie die Schritte 501 und 503 in 5, d. h. es wird bei Schritt 701 bestimmt, ob der Wert des Freisetzungsbetriebs-Flag RX gleich 1 ist, und es werden bei Schritt 703 das Gaspedalsignal ACC, die Motordrehzahl NE und die Abgastemperatur T_EX von den jeweiligen Sensoren gelesen. Ferner werden bei Schritt 705 die Menge an Ansaugluft Q, die Kraftstoffeinspritzmenge FI, die Sauerstoffkonzentration im Abgas C_R, die Freisetzungstemperatur T_D und die Zieltemperatur T_R berechnet. Die Verfahren zur Berechnung von Q, FI, C_R, T_D und T_R sind dieselben wie die in 5 erläuterten Verfahren, und es wird hier keine ausführliche Erläuterung gegeben.
Bei Schritt 706 wird der Wert eines Zählers ta um 1 erhöht. Wie später erläutert, wird der Wert des Zählers ta bei Schritt 729 auf 0 gesetzt, nachdem der SO_x-Freisetzungsbetrieb abgeschlossen ist. Daher stellt der Wert des Zählers ta die Zeit dar, die verstrichen ist, seitdem der vorherige SO_x-Freisetzungsbetrieb abgeschlossen ist. Bei Schritt 707 wird das SO_x-Absorptionsverhältnis α_(ta) aus 15 bestimmt, basierend auf dem Wert des Zeitzählers ta. Bei Schritt 708 wird gemäß der Kraftstoffeinspritzmenge FI und dem SO_x-Absorptionsverhältnis α_(ta) die Menge an vom Sulfatabsorptionsmittel pro Zeiteinheit absorbiertem SO_x berechnet als FI × α_(ta), und CS, welches die Gesamtmenge an vom Sulfatabsorptionsmittel absorbiertem SO_x ist, wird berechnet durch Kumulieren des Wertes von FI × α_(ta).
Die Schritte 709 und 711 sind Schritte zur Bestimmung, ob der SO_x-Freisetzungsbetrieb benötigt wird. In dieser Ausführungsform wird der SO_x-Freisetzungsbetrieb durchgeführt wenn, (1) die Abgastemperatur T_EX die Freisetzungstemperatur T_D erreicht (Schritt 709), und (2) die Menge CS an vom Sul fatabsorptionsmittel absorbiertem SO_x einen vorbestimmten Wert CS₀ erreicht (Schritt 711). Wenn eine der Bedingungen (1) bzw. (2) erfüllt ist, setzt die Routine den Wert des Flags RX auf 1 (Schritt 713), um den SO_x-Freisetzungsbetrieb zu initiieren. Wenn der Wert des Flags RX auf 1 gesetzt ist, geht die Routine beim nächsten Durchlauf der Routine von Schritt 701 auf 715, und es wird der Abgasleitung 3 für einen Zeitraum t₀ die Menge FI₂ an Sekundärkraftstoff von der Sekundärkraftstoffzuführeinheit 7 zugeführt, um die Temperatur des Sulfatabsorptionsmittels 5 auf die Zieltemperatur T_R zu erhöhen (Schritte 715, 717, 718 und 719). Somit wird SO_x vom Sulfatabsorptionsmittel 5 freigesetzt und wird das Verhältnis von SO₃ in dem freigesetzten SO_x niedrig. Wenn die Zeit t₀ verstrichen ist, werden die Werte des Freisetzungsbetriebs-Flags RX, des Zeitzählers t, der Menge FI₂ auf 0 gesetzt (Schritte 721, 723, 725) und werden die Werte der berechneten Mengen CS und des Zählers ta auf 0 gesetzt (Schritte 727, 729). Daher wird, wenn der SO_x-Freisetzungsbetrieb vollendet ist, die Menge an vom Sulfatabsorptionsmittel 5 absorbiertem SO_x (d. h. CS) auf 0 gesetzt, und der Zähler ta beginnt damit die seit der Vollendung des SO_x-Freisetzungsbetriebs verstrichene Zeit zu zählen.
Als nächstes wird eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 9 erläutert. 9 ist eine Zeichnung, die der 1 ähnelt, die eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt. In 9 sind ähnliche Elemente mit den selben Bezugszeichen wie in 1 dargestellt.
Wie in 9 gezeigt, sind die Düse 7a der Sekundärkraftstoffzuführeinheit 7, ein Oxidationskatalysator 91 und ein Dieselpartikelfilter (DPF) 7 in der Abgasleitung 3 in dieser Anordnung von der stromaufwärts liegenden Seite aus angeordnet. Ferner wird ein Differentialdrucksensor 95, der den Druckabfall durch den DPF 93 detektiert, zur Verfügung gestellt.
Der Oxidationskatalysator 91 verwendet ein Monolithsubstrat, das aus Cordierit hergestellt ist, und katalytische Bestandteile wie zum Beispiel Platin (Pt), Palla dium (Pd) haften an diesem Substrat. Der Oxidationskatalysator 92 in dieser Ausführungsform wird zur Oxidation von SOF in dem Abgas während des normalen Betriebes verwendet, und auch zur Verbrennung des Sekundärkraftstoffes, der in die Abgasleitung 3 eingeleitet wird, um die Verbrennung des durch den DPF 93 gesammelten Rußes, zu initiieren, was später beschrieben wird.
Der DPF 93 agiert als ein Filter, der Ruß (Kohlenstoffpartikel) in dem Abgas sammelt, um zu verhindern, dass Ruß in die Atmosphäre entlassen wird. Ferner ist der DPF 93 in dieser Ausführungsform so konstruiert, dass er auch als das Sulfatabsorptionsmittel 5 der vorhergehenden Ausführungsformen fungiert.
Der DPF 93 ist ein bienenwabenartiger poröser Filter, der zum Beispiel aus Cordierit hergestellt ist. In dem DPF 93 sind zahlreiche Abgaskanäle parallel ausgebildet. Etwa die Hälfte der Abgaskanäle ist an den stromaufwärts liegenden Enden verschlossen, und der Rest der Kanäle ist an den stromabwärts liegenden Enden verschlossen. Die Abgaskanäle, die mit den stromaufwärts liegenden Enden verbunden sind, und die Abgaskanäle, die mit den stromabwärts liegenden Enden verbunden sind alternierend in dem DPF 93 angeordnet. Das Abgas des Motors fließt durch die Kanäle, die offene stromaufwärts liegenden Enden haben, in den DPF 93, und fließt in die Abgaskanäle, die offene stromabwärts liegenden Enden haben, durch poröse Wände, die die Abgaskanäle voneinander trennen, und fließt aus dem DPF 93 durch die Kanäle, die offene stromabwärts liegende Enden haben, aus. Aus diesem Grund werden Partikel, wie zum Beispiel Ruß (Kohlenstoffpartikel) durch die porösen Wände des DPF 93 gesammelt. Um dem DPF 93 die Funktion eines Sulfatabsorptionsmittel zu verleihen, ist die Wand der Oberflächen der Abgaskanäle in dem DPF 93 in dieser Ausführungsform mit einer Schicht aus Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliciumdioxid (SiO₂) oder Titandioxid (TiO₂) beschichtet, und es werden katalytische Bestandteile wie zum Beispiel Platin (Pt) auf dieser Schicht getragen.
Während des normalen Betriebs des Dieselmotors 1 fungiert der DPF 93 als herkömmlicher Partikelfilter und sammelt Feststoffteilchen, wie zum Beispiel Ruß, in der porösen Wand, und zudem agiert der DPF 93 auch als Sulfatabsorptionsmittel und absorbiert SO_x, das durch den Oxidationskatalysator 91 in der Absorptionsschicht auf der Oberfläche der Wand der Abgaskanäle erzeugt wird. Wenn es notwendig ist, dass das absorbierte SO_x freigesetzt wird, (zum Beispiel wenn die Abgastemperatur die Freisetzungstemperatur des Absorptionsmittels erreicht, und/oder wenn die Menge an SO_x, das durch das Absorptionsmittel absorbiert wird, einen vorbestimmten Wert erreicht), oder wenn der Druckabfall durch den DPF 93 aufgrund der Akkumulation von in dem DPF 93 gesammelten Ruß ansteigt, speist die Steuereinheit (electronic control unit; ECU) 20 Sekundärkraftstoff von der Sekundärkraftstoffzuführeinheit 7 ein zur Verbrennung des Rußes auf dem DPF und zur gleichzeitigen Durchführung der Freisetzung von SO_x aus der Absorptionsmittelschicht. Wird der Abgasleitung 3 stromaufwärts des Oxidationskatalysators 91 Sekundärkraftstoff zugeführt, wird Kraftstoff auf dem Oxidationskatalysator 91 verbrannt (oxidiert). Daher wird die Temperatur des Abgases, das in den DPF 93 einströmt, aufgrund der Verbrennung von Kraftstoff auf dem Oxidationskatalysator 91 hoch, und der Ruß (die Kohlenstoffpartikel), der durch den DPF 93 gesammelt wird, beginnt von der stromaufwärts liegende Seite des DPF 93 her zu verbrennen. Das heiße Abgas, das in den DPF 93 fließt, wird durch die Verbrennung von Ruß in dem DPF weiter erhitzt, und die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas wird durch die Verbrennung von Sekundärkraftstoff und Ruß gesenkt. Dies führt dazu, dass die Absorptionsschicht auf dem DPF 93 das absorbierte SO_x freisetzt. Aufgrund der Verbrennung von Ruß in dem DPF steigt die Temperatur des Abgases und die Sauerstoffkonzentration sinkt, während das Abgas den DPF 93 entlang fließt. Deshalb werden gleichzeitig sowohl die höchste Abgastemperatur und die geringste Sauerstoffkonzentration im Abgas am stromabwärts liegenden Ende des DPF 93 erzielt. Da der Anteil an SO₃ in dem SO_X, das von dem DPF 93 freigesetzt wird, durch die Temperatur und die Sauerstoffkonzentration am Auslass des DPF 93 bestimmt wird, wird der Anteil an SO₃ in dem SO_x, das von dem DPF 93 freigesetzt wird, sehr gering. Daher können gemäß der vorliegenden Ausführungsform sowohl die Kohlenstoffpartikel (Ruß) als auch andere Feststoffteilchen (SO₃), die in die Atmosphäre freigesetzt werden, zu einem großen Teil verringert werden.
10 ist ein Flussdiagramm, das eine Ausführungsform des normalen Ablaufs der Durchführung der Steuerung der SO_x-Freisetzung wie obenstehend beschrieben zeigt. Diese Routine wird durch die Steuereinheit 20 zu festgelegten regelmäßigen Intervallen durchgeführt.
In der Routine von 10 wird das Verbrennen von Ruß auf dem DPF 93 und die Freisetzung von SO_x von der Absorptionsmittelschicht in dem DPF 93 auf eine Art und Weise durchgeführt, die ähnlich zu der in 7 ist. In 10 wird nämlich bei Schritt 1003 der Druckabfall ∆P durch den Differentialdrucksensor 95 gemessen, ebenso wie das Beschleunigungssignal ACC, die Motorgeschwindigkeit NE und die Abgastemperatur T_EX. Bei den Schritten 1005 und 1007 werden die Freisetzungstemperatur T_D des Absorptionsmittels, die Zieltemperatur T_R, die Menge CS des SO_X, das durch das Absorptionsmittel absorbiert wird, auf eine ähnliche Art und Weise berechnet wie in den vorangehenden Ausführungsformen.
Wie voranstehend beschrieben, wird der SO_x-Freisetzungsvorgang durch diese Routine durchgeführt, wenn; (1) die Abgastemperatur T_EX die Freisetzungstemperatur T_D (Schritt 1009) erreicht, (2) die Menge CS an SO_x, die durch das Absorptionsmittel absorbiert wurde, einen festgelegten Wert CS₀ (Schritt 1011) erreicht, und zudem (3) wenn der Druckabfall ΔP durch den DPF 93 einen festgelegten Wert ΔP₀ erreicht (Schritt 1012). Wird eine beliebige der oben erläuterten Bedingungen (1), (2) und (3) erfüllt, wird der Wert des Freisetzungsbetriebs-Flag RX bei Stufe 1013 auf 1 gesetzt, und die Menge FI₂ des Sekundärkraftstoffes wird bei den Schritten 1015 bis einschließlich 1027 für den Zeitraum t₀ der Abgasleitung 3 zugeführt. Diese Schritte sind dieselben wie die Schritte 1015 bis 1027 in 7, und somit wird der Ruß auf dem DPF 93 verbrannt und wird gleichzeitig der Anteil an SO₃ in dem freigesetzten SO_x reduziert.
Als Nächstes wird eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert.
In den oben erläuterten Ausführungsformen wird der Anteil an SO₃ in dem freigesetzten SO_x durch Erhöhen der Temperatur des Sulfatabsorptionsmittels und/oder Verringern der Sauerstoffkonzentration im Abgas, wenn das absorbierte SO_x freigesetzt wird, verringert. Das Verhältnis an SO_x kann jedoch durch andere Verfahren verringert werden. Es wurde herausgefunden, dass wenn eine Substanz, die eine Affinität für Sauerstoff hat, die größer als die Affinität von SO₂ für Sauerstoff ist, dem Sulfatabsorptionsmittel zugeführt wird, wenn SO_x freigesetzt wird, der Anteil an SO₃ in dem freigesetzten SO_x gering wird.
Wie vorher erläutert reagieren SO₄ ^2- Ionen, die von dem Sulfatabsorptionsmittel freigesetzt werden, mit O₂- oder O^2- auf der Oberfläche von Pt und bilden SO₂ und SO₃, wenn SO_x von dem Sulfatabsorptionsmittel freigesetzt wird wenn in diesem Fall eine Substanz vorhanden ist, die eine größere Affinität für Sauerstoff hat als SO₂, wie zum Beispiel HC oder CO, verbinden sich O₂- und O^2- eher mit dieser Substanz als mit SO₄ ^2- Ionen. Deshalb werden O₂- und O^2- auf der Oberfläche von Pt durch diese Substanz verbraucht und die Sauerstoffkonzentration auf der Oberfläche von Pt wird gering. Dies führt dazu, dass es weniger wahrscheinlich ist, dass die Reaktion SO₄ ^2- → SO₃ auftritt. Daher ist es wahrscheinlich, dass die Reaktion SO₄ ^2- → SO₂ eher auftritt als die Reaktion SO₄ ^2- → SO₃. Da die Affinität der Substanz für Sauerstoff größer ist als die Affinität von SO₂ für Sauerstoff, ist es nicht wahrscheinlich, dass die Reaktion SO₂ + 1/2O₂ → SO₃ stattfindet und das SO₂, selbst wenn es erzeugt wird, nicht zu SO₃ umgewandelt wird. Daher kann der Anteil an SO₃ in der SO_x-Mischung, die von dem Sulfatabsorptionsmittel freigesetzt wird, durch das Zuführen der Substanz, die eine größere Affinität für Sauerstoff als SO₂ hat, zu dem Sulfatabsorptionsmittel während des SO_x-Freisetzungsvorganges, verringert werden.
11 ist ein Diagramm, das die Änderung des Anteils an SO₃ in dem von dem Sulfatabsorptionsmittel freigesetzten SO_x zeigt, das entsprechend der Ände- rung Menge an Sekundärkraftstoff (Dieselkraftstoff), die der Abgasleitung 3 zugeführt wird, was unter Verwendung der Vorrichtung in 1 gemessen wird. Die vertikale Achse in 11 stellt den Anteil an SO₃ in der Gesamtmenge an SO_x an dem Auslass des Sulfatabsorptionsmittels 5 dar, die vertikale Achse stellt die Temperatur des Sulfatabsorptionsmittels 5 dar, die durch einen Temperatursensor gemessen wird, der auf dem Substrat des Sulfatabsorptionsmittels 5 angeordnet ist. Die jeweiligen Kurven in 11 stellen die Änderung des Anteils an SO₃ gemäß der Änderung der Temperatur des Substrats des Sulfatabsorptionsmittels 5 dar, wenn der Motor bei gleicher Geschwindigkeit betrieben wird. Die Kurve A in 11 zeigt den Fall, bei welchem dem Abgas kein Sekundärkraftstoff zur Verfügung gestellt wird, und die Temperatur des Sulfatabsorptionsmittel 5 verändert wird, indem die Belastung des Motors angepasst wird. Die Kurven B bis einschließlich D zeigen die Fälle, bei denen eine Motorbelastung konstant beibehalten wird, und die Temperatur des Sulfatabsorptionsmittels 5 verändert wird, indem die Menge an Sekundärkraftstoff, die dem Sulfatabsorptionsmittel zugeführt wird, angepasst wird. Während die Motorbelastung in den jeweiligen Fällen der Kurven B bis einschließlich D konstant gehalten wird, wird die Belastung des Motors in der Reihenfolge B, C, D (d.h. B > C > D) geringer.
Wie durch Kurve A in 11 (der Fall, in dem kein Sekundärkraftstoff zugeführt wird) gezeigt, verändert sich der Anteil an SO₃ an dem Auslass des Sulfatabsorptionsmittels 5 auf die gleiche Art und Weise wie durch die gestrichelte Linie in 3 gezeigt. In diesem Fall wird, wie oben beschrieben, der Anteil an SO₃ nur durch die Temperatur bestimmt.
Bei den Kurven B, C und D wird die Belastung des Motors konstant beibehalten und die Temperatur des Sulfatabsorptionsmittels wird durch die Menge an Sekundärkraftstoff angepasst. Daher wird bei den Kurven B, C und D die Menge an Sekundärkraftstoff größer wenn die Temperatur des Sulfatabsorptionsmittel höher wird.
Die Temperatur des Sulfatabsorptionsmittels wird durch die Abgastemperatur bestimmt. Daher wird angenommen, dass sich die Temperatur des Sulfatabsorptionsmittels gemäß des Verhältnisses der Gesamtmenge an Kraftstoff, die der Verbrennungskammer des Motors und der Abgasleitung 3 zugeführt wird, zu der Menge an Ansaugluft verändert. Da die Motorgeschwindigkeit bei allen Fällen in 11 gleich ist, ist ferner auch die Menge an Ansaugluft bei allen Fällen in 11 dieselbe. Deshalb zeigen die Punkte auf den Kurven A bis einschließlich D derselben Temperatur die Betriebsbedingungen, bei denen die Gesamtmenge an Kraftstoff, der der Verbrennungskammer und der Abgasleitung zugeführt wird, dieselbe ist. Da die Menge an Ansaugluft in allen Fällen in 11 gleich ist, wird in diesem Fall ferner das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das in das Sulfatabsorptionsmittel fließt, dasselbe, wenn die Temperatur des Sulfatabsorptionsmittels gleich ist. In anderen Worten heißt das, dass die Kurve A den Fall darstellt, in dem die gesamte Menge an Kraftstoff, die zur Erreichung einer gewissen Temperatur des Sulfatabsorptionsmittels benötigt wird, der Verbrennungskammer des Motors zugeführt wird, und die Kurven B, C und D die Fälle darstellen, bei denen ein Teil des Kraftstoffes der Verbrennungskammer zugeführt wird und der Rest des Kraftstoffes der Abgasleitung zugeführt wird, um die gleiche Temperatur wie in Kurve A zu erhalten.
Da die Menge an Kraftstoff, die der Verbrennungskammer des Motors zugeführt wird, geringer wird, wenn die Motorbelastung sinkt, wird die Menge an Sekundärkraftstoff bei gleicher Temperatur des Sulfatabsorptionsmittels größer, wenn die Motorbelastung geringer wird. Wenn nämlich die Punkte auf den Kurven A bis einschließlich D derselben Temperatur miteinander verglichen werden, ist die Menge an Sekundärkraftstoff bei Kurve D am größten und nimmt in der Reihenfolge der Kurven C, B, A (d.h., D > C > B > A) ab.
Wie aus 11 zu sehen, ist der Anteil an SO₃ in dem freigesetzten SO_x im Falle der Kurve A (d.h., wenn die Menge an Sekundärkraftstoff 0 ist) am größten, und sie ist im Falle der Kurve D (d.h. wenn die Menge an Sekundärkraftstoff am größten ist) am kleinsten, wenn die Temperatur des Sulfatabsorptionsmittels gleich ist. Da das Luft-Kraftstoffverhältnis des Abgases, d.h. die Sauerstoffkon zentration des Abgases, gleich ist, wenn die Temperatur des Sulfatabsorptionsmittels gleich ist, heißt das, dass der Anteil an SO₃ geringer wird, wenn die Menge an Sekundärkraftstoff größer ist, selbst wenn die Sauerstoffkonzentration des Abgases gleich ist.
Der Grund, weshalb der Anteil an SO₃ sinkt, wenn die Menge an Sekundärkraftstoff selbst in dem Fall wenn die Temperatur des Sulfatabsorptionsmittels und die Sauerstoffkonzentration im Abgas gleich sind, steigt, wird wie folgt erklärt:
Wenn der Abgasleitung Sekundärkraftstoff zugeführt wird, wird dieser auf der Oberfläche des Katalysators auf dem Sulfatabsorptionsmittel durch O₂- und O^2- oxidiert (verbrannt). Dies verringert die Sauerstoffkonzentration auf der Oberfläche des Katalysators und erzeugt gleichzeitig eine relativ große Menge an unverbranntem HC und CO in dem Abgas. Da HC und CO für Sauerstoff eine große Affinität haben, entfernen HC und CO ferner O₂- und O^2- von der Oberfläche des Katalysators und die Konzentration von O₂- und O^2- auf der Oberfläche des Katalysators wird sehr gering. Deshalb können SO₄ ^2- Ionen, die von dem Absorptionsmittel freigesetzt werden, keine ausreichende Menge an O₂- und O^2- zur Bildung von SO₃ erhalten, und die Wahrscheinlichkeit nimmt ab, dass die Reaktion SO₄ ^2- → SO₃ stattfindet. Dies führt dazu, dass der Anteil an SO₃ in dem SO_x, das von dem Sulfatabsorptionsmittel freigesetzt wird, geringer wird. Da die Affinität von HC und CO für Sauerstoff größer ist als die Affinität von SO₂ für Sauerstoff, ist es auch weniger wahrscheinlich, dass die Reaktion SO₂ + 1/2O₂ → SO₃ stattfindet. Deshalb wird SO₂ nicht zu SO₃ oxidiert, selbst wenn SO₂ auf der Oberfläche des Katalysators erzeugt wird. Daher führt die Erhöhung der Menge an Sekundärkraftstoff dazu, dass der Anteil an SO₃ in dem SO_x, das von dem Sulfatabsorptionsmittel freigesetzt wird, sinkt.
Es ist richtig, dass der Kraftstoff, der der Verbrennungskammer zugeführt wird, zudem auch unverbranntes HC und CO erzeugt. Die Verbrennung in der Verbrennungskammer des Dieselmotors wird jedoch unter einem großen Luftüberschuss durchgeführt, und die Menge an HC und CO, die durch die Verbrennung erzeugt werden, ist relativ gering. Daher steigt die Menge an HC und CO, die dem Sulfatabsorptionsmittel zugeführt wird, selbst wenn die Gesamtmenge an Kraftstoff gleich ist, da die Menge an Sekundärkraftstoff, die der Abgasleitung zugeführt wird, steigt.
Obwohl 11 den Fall zeigt, in dem HC und CO dem Sulfatabsorptionsmittel durch Sekundärkraftstoff zugeführt werden, kann der Anteil an SO₃ verringert werden, indem die Substanz, die eine große Affinität hat, wie zum Beispiel CO, dem Sulfatabsorptionsmittel durch andere Methoden zugeführt wird. 12 zeigt den Fall in dem Ruß auf dem DPF 93 in 9 durch Erhöhung der Abgastemperatur ohne Zuführung von Sekundärkraftstoff verbrannt wird. In 12 stellt die horizontale Achse die Temperatur des Abgases dar, das in den DPF (Sulfatabsorptionsmittel) 93 fließt, und die vertikale Achse stellt den Anteil an SO₃ in dem SO_x, das von dem DPF freigesetzt wird, und die Konzentration von CO in dem Abgas, dar. Die Kurven A1 und A2 in 12 zeigen die Veränderung des Anteils an SO₃ und die Kurven B1 und B2 zeigen die Veränderung der Konzentration an CO. Ferner stellen die Kurven A1 und B1 den Fall dar, bei dem die Menge an Ruß, die durch den DPF 93 gesammelt wird, groß ist, und die Kurven A2 and B2 stellen den Fall dar, bei dem die Menge an Ruß, die durch den DPF 93 gesammelt wird, gering ist.
In 12, wenn die Temperatur des Abgases steigt, beginnt der Ruß, der auf dem DPF 93 gesammelt wird, bei etwa 550°C zu verbrennen. Dies führt dazu, dass die Konzentration an CO in dem Abgas steigt. Die Konzentration an CO in dem Abgas steigt, wenn die Abgastemperatur höher wird. Ferner ist die Menge (Konzentration) an CO in dem Abgas groß, wenn die Menge an Ruß, die durch den DPF 93 gesammelt wird, größer ist (die Kurve B1), und geringer, wenn die Menge an Ruß klein ist (die Kurve B2). Wenn die Temperatur des Abgases steigt, wird SO_x von dem Absorptionsmittel freigesetzt. Der Anteil an SO₃ in dem freigesetzten SO_x ist jedoch anders, wenn die Menge an CO in dem Abgas anders ist. Wenn nämlich die Menge an Ruß, die durch den DPF 93 gesammelt wird, gering ist (die Kurve A2), verändert sich der Anteil an SO₃ in dem freigesetzten SO_x gemäß der Temperatur des Abgases auf die gleiche Art und Weise wie durch die gestrichelte Linie in 3 dargestellt. Wenn jedoch die Menge an Ruß, die durch den DPF 93 gesammelt wird, groß ist (die Kurve A1), sinkt der Anteil an SO₃ in dem freigesetzten SO_x schneller, wenn die Abgastemperatur steigt (d.h. wenn die Menge an CO in dem Abgas steigt).
13 ist eine Grafik, die die Veränderung des Anteils des in 12 gezeigten SO₃ zeigt, jedoch wurde die horizontale Achse hinsichtlich der Konzentration von CO in dem Abgas neu gezeichnet. Wie in 13 gezeigt, sinkt der Anteil an SO₃ in dem freigesetzten SO_x wenn die Konzentration von CO in dem Abgas steigt. Dies bedeutet, dass wenn CO dem Sulfatabsorptionsmittel zugeführt wird wenn SO_x freigesetzt wird, der Anteil an SO₃ ohne Zuführung von Sekundärkraftstoff verringert wird. Daher ist verständlich, dass der Anteil an SO₃ in dem freigesetzten SO_x zu einem großen Teil verringert werden kann, wenn die Substanz, die eine größere Affinität für Sauerstoff als SO₂ aufweist, dem Sulfatabsorptionsmittel zugeführt wird, wenn SO_x freigesetzt wird. Solch eine Substanz kann HC und CO sein, das durch einen Sekundärkraftstoff, der dem Abgas zugeführt wird, erzeugt wird, oder CO, das durch die Verbrennung von Ruß auf dem DPF erzeugt wird. Diese Verfahren zur Zuführung der Substanz können separat oder in Kombination durchgeführt werden.
14 ist ein Flussdiagramm, das eine SO_x-Freisetzungssteuerung darstellt, in der HC und CO dem Sulfatabsorptionsmittel zugeführt werden, indem beide Verfahren (Verbrennung von Sekundärkraftstoff und Ruß) in Kombination in der Vorrichtung in 13 verwendet werden. Diese Routine wird durch die Steuereinheit 20 bei festgelegten regelmäßigen Intervallen durchgeführt.
Das Flussdiagramm in 14 ist dasselbe wie das Flussdiagramm in 14, außer, dass die Zieltemperatur TK in dieser Ausführungsform (Schritt 1419) auf einen konstanten Wert festgelegt ist, unabhängig von der Sauerstoffkonzentration CR, obwohl die Zieltemperatur T_R in 14 gemäß der Freisetzungstempe ratur T_D und der Sauerstoffkonzentration C_R (Schritt 1005 in 14) bestimmt wird. Die Menge an Sekundärkraftstoff FIK in dieser Ausführungsform wird in Übereinstimmung mit der Menge an Ansaugluft Q, der Abgastemperatur T_EX und der Zieltemperatur TK mit festem Wert berechnet.
Die Zieltemperatur TK ist auf eine Temperatur festgelegt, bei der die Konzentration von CO durch die Verbrennung von Ruß (12) erhöht wird, und der Anteil an SO₃ durch die Zuführung von Sekundärkraftstoff (11) verringert wird. Im Falle der 11 und 12 ist die Zieltemperatur TK nämlich auf eine Temperatur zwischen 600 bis 700°C festgelegt. Gemäß der Ausführungsform in 14 ist der Anteil an SO₃ in dem freigesetzten SO_x zu einem großen Teil verringert, da die Substanz (wie zum Beispiel HC und CO), die eine größere Affinität für Sauerstoff als die Affinität von SO₂ für Sauerstoff hat, dem Sulfatabsorptionsmittel zugeführt wird, wenn SO_x freigesetzt wird.
Wie oben beschrieben kann gemäß der vorliegenden Erfindung die Menge an Feststoffteilchen, die in die Atmosphäre freigesetzt wird, in einem niedrigen Bereich gehalten werden, wenn der Motor über einen langen Zeitraum in Betrieb ist, da der Anteil an SO₃ in dem SO_x, das von dem Sulfatabsorptionsmittel freigesetzt wird, zu einem großen Teil verringert ist.

Claims

Verfahren zur Verringerung der Menge an SO₃ im Abgas eines Verbrennungsmotors, wobei das Abgas Schwefeloxid (SO_x) enthält, umfassend die folgenden Schritte: a) Absorbieren des im Abgas enthaltenen SO_x mit einem Sulfatabsorptionsmittel bei einer ersten Temperatur unterhalb einer Temperatur T_D, unterhalb der während des eigentlichen Betriebs kein SO_x freigesetzt wird und oberhalb der die Freisetzung von SO_x beginnt; b) Bestimmen einer zweiten Temperatur T_R, die höher als T_D ist und bei der das Verhältnis an SO₃ in dem freigesetzten SO_x gleich dem bei T_D ist und oberhalb der das Verhältnis geringer als bei T_D ist, bei einer Bestimmung bei der gleichen Sauerstoffkonzentration im Abgas; und c) Freisetzen des SO_x aus dem Absorptionsmittel durch Erhöhen der Temperatur auf oder über T_R.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei bei dem Schritt c) des Freisetzens des SO_x aus dem Absorptionsmittel zusätzlich die Konzentration an Sauerstoff im Abgas verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schritte b) und c) gestartet werden, wenn die Abgastemperatur T_D erreicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Schritte b) und c) gestartet werden, wenn die Menge an durch das Sulfatabsorptionsmittel absorbiertem SO_x einen vorbestimmten Wert erreicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei in Schritt c) dem Sulfatabsorptionsmittel eine Substanz mit einer Affinität für Sauerstoff, die größer ist als die Affinität von Schwefeldioxid für Sauerstoff, zugeführt wird, wenn das absorbierte Schwefeloxid von dem Sulfatabsorptionsmittel freigesetzt wird.