DE4245044B4

DE4245044B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Steuerung der Konzentration von Abgaskomponenten

Info

Publication number: DE4245044B4
Application number: DE4245044A
Authority: DE
Inventors: Minoru Ohsuga; Toshimichi Tokai Minowa; Nobuo Kurihara; Yoshishige Ohyama
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-05-14
Filing date: 1992-05-14
Publication date: 2007-01-25
Anticipated expiration: 2012-05-15

Abstract

Vorrichtung zur Steuerung der Konzentration von Abgaskomponenten in einer Abgasreinigungsanlage für die Abgase einer Brennkraftmaschine unter Verwendung eines Katalysators (6), gekennzeichnet durch
– eine stromaufwärts des Katalysators (6) angeordnete Einrichtung zur Vergleichmäßigung (8, 23, 24, 25, 71, 91) der Konzentration von Kohlenwasserstoffen (HC) im Abgasstrom und
– Mittel (5, 23, 24, 25, 40, 71, 91) zum Steuern der Konzentrationen einer Mehrzahl von Abgaskomponenten auf vorbestimmte Werte, um den Reingungs-Wirkungsgrad des Katalysators (6) zu maximieren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Reinigen der Abgase einer Brennkraftmaschine, insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung unter Anwendung eines Katalysators, der auch in einer oxidierenden Atmosphäre Stickoxide (NOx) reduzieren kann.

Eine bekannte Vorrichtung, wie sie etwa in der JP-05 58-5931 beschrieben ist, soll nur Kohlenwasserstoffe (HC) detektieren und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis so regeln, dass die HC-Konzentration einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet, um Fehlzündungen oder einen Flammenabriss zu vermeiden, aber es ist dabei nicht beabsichtigt, eine Vielzahl von Abgaskonzentrationen so zu überwachen, dass der Reduktions- oder Reinigungs-Wirkungsgrad eines Katalysators verbessert wird, wie das gemäß der Erfindung vorgesehen ist.

Bei einer weiteren bekannten Vorrichtung beispielsweise nach der JP-OS 2-91443 sind die Rückführung eines stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses und die Erfassung von Kohlenmonoxid (CO) in einer Übergangsperiode miteinander kombiniert. Die Vorrichtung ist jedoch so ausgelegt, dass sie adaptiv einen Spitzenwert der CO-Menge in der Übergangsperiode überwacht, aber keine Mittel vorsieht, um den Reduktions- oder Reinigungs-Wirkungsgrad des Katalysators zu verbessern.

Aus der bereits einige führten JP-A-58-5931 ist es auch bekannt, die im Abgas einer Brennkraftmaschine enthaltenen Kohlenwasserstoff-Mengen zu messen und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des der Brennkraftmaschine zugeführten Gemisches so zu steuern, dass die Kohlenwasserstoff-Konzentration im Abgas einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet. Aus der EP 03 10 120 A2 ist eine Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in einer Brennkraftmaschine bekannt, die einen 3-Wege-Katalysator, einen Detektor zum Erfassen der stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Zusammensetzung und eine Steuereinheit zum Einstellen eines gewünschten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses im Gemisch aufweist. Wenn ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis vorliegt, können NOx- und HC-Komponenten im Abgas entfernt werden, wobei zur wirksamen Umwandlung der NOx-Komponente das der Brennkraftmaschine zugeführte Gemisch aufgefettet und zur wirksameren Entfernung der HC-Komponente das Gemisch abgemagert wird. Zum Entfernen beider Komponenten werden diese Änderungen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in Folge wiederholt.

In dem Fachaufsatz von W. Held u.a. „Catalytic NOx Reduction in Net Oxidizing Exhaust Gas", SAE-Papers, 1990, Nr. 900 496, sind verschiedene Möglichkeiten zur NOx-Reduktion in Magermotoren und Dieselmaschinen beschrieben. Insbesondere wird in dieser Druckschrift darauf hingewiesen, dass die Reduktion von NOx von dem Verhältnis zwischen HC-Emissionen und NOx-Emissionen bestimmt wird. Darüber hinaus ist es u.a. aus dieser Druckschrift bekannt, dass Kupferionenaustausch-Zeolithe Stickstoffe in oxidierender Atmosphäre reduzieren können und aus diesem Grunde als Katalysator in Brennkraftmaschinen eingesetzt werden können.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Zustand herzustellen, in dem ein Katalysator mit maximalem Wirkungsgrad arbeiten kann, wobei der verwendete Katalysator NOx auch in einer oxidierenden Atmosphäre reduzieren kann.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung der Konzentration von Abgaskomponenten gemäß der unabhängigen Ansprüche 1 bzw. 9 gelöst.

Wenn das NOx/HC-Verhältnis einen vorgegebenen Wert erreicht, entfernt der Katalysator NOx und HC gleichzeitig. Der Reduktions- oder Reinigungs-Wirkungsgrad des Katalysators ist mit der Temperatur veränderlich und erreicht den höchsten Wert in einem vorgegebenen Temperaturbereich.

Da die Vorrichtung nach der Erfindung NOx ungeachtet des Betriebszustandes einer Brennkraftmaschine mit hohem Wirkungsgrad entfernen kann, kann sie gleichzeitig die Anforderungen sowohl hinsichtlich der Abgasreinigung als auch des Kraftstoffverbrauchs auf hohem Niveau erfüllen.

Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:
1 eine vereinfachte Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;
2 zeigt das Prinzip der von einem Katalysator durchgeführten Reduktion;
3 eine weitere Darstellung des Prinzips der von einem Katalysator durchgeführten Reduktion;
4 ein Diagramm der Reduktions-Charakteristik eines Katalysators;
5 ein weiteres Diagramm der Reduktions-Charakteristik eines Katalysators;
6 einen Vertikalschnitt durch einen Konzentrationsfühler;
7 einen Schnitt entlang der Linie VII-VII von 6;
8 ein Diagramm der Transmissions-Charakteristik eines Filters eines Fühlers;
9 ein Diagramm, das eine Charakteristik eines Konzentrationsfühlers zeigt;
10 ein Blockbild einer Einheit zur Verarbeitung des NOx-HC-Verhältnisses;
11 ein Diagramm der Überwachung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses;
12 eine schematische Darstellung des Prinzips des HC-Ausstoßes;
13 ein Diagramm einer HC-Ausstoßcharakteristik;
14 eine vereinfachte Darstellung einer HC-Ausstoß-Ausgleichseinrichtung;
15A und 15B vereinfachte Darstellungen einer weiteren HC-Ausstoß-Ausgleichseinrichtung;
16 ein Diagramm der HC-Ausstoßcharakteristik;
17 ein Diagramm einer HC-Ausstoßcharakteristik;
18 ein Diagramm eines Temperaturverlaufs eines Katalysators;
19 eine schematische Darstellung einer Temperaturüberwachungsvorrichtung;
20 ein Flußdiagramm eines Überwachungsablaufs;
21 ein Flußdiagramm eines Überwachungsablaufs;
22 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung;
23 ein Diagramm der Abgaskonzentrations-Charakteristik;
24 ein weiteres Diagramm der Abgaskonzentrations-Charakteristik;
25 ein Flußdiagramm eines Überwachungsablaufs;
26 eine Tabelle von Abgaskonzentrationen;
27 ein Schema einer Methode zur Korrektur des NOx/HC-Verhältnisses;
28 ein Diagramm der HC-Ausstoßcharakteristik;
29 ein Diagramm der Charakteristik des Innendrucks in einem Zylinder;
30 ein Flußdiagramm eines Überwachungsablaufs;
31 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung;
32 ein Diagramm einer EGR-Charakteristik;
33 ein Flußdiagramm eines Überwachungsablaufs;
34 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung;
35 ein Diagramm von NOx- und HC-Konzentrationscharakteristiken;
36 ein Flußdiagramm eines Überwachungsablaufs;
37 ein Flußdiagramm eines Überwachungsablaufs;
38 eine schematische Darstellung eines Überwachungsablaufs;
39 ein Diagramm der Abgastemperatur-Charakteristik;
40 ein Flußdiagramm eines Überwachungsablaufs;
41 eine schematische Darstellung eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung;
42 einen Schnitt durch ein Einspritzventil;
43 eine vereinfachte Darstellung, die den Zustand von Kraftstoff in einer Brennkammer bei einem anderen Ausführungsbeispiel zeigt;
44 ein Diagramm der HC-Ausstoßcharakteristik;
45 ein Diagramm der HC-Reinigungscharakteristik;
46 ein Diagramm einer Abgasausstoßrate;
47 ein Diagramm von NOx- und HC-Entgiftungs-Charakteristiken;
48 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung;
49 eine vereinfachte Darstellung, die den Fluß des Ansauggemischs zeigt;
50 eine vereinfachte Darstellung eines Gemisch-Zustands;
51 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung;
52 eine vereinfachte Darstellung, die den Fluß des Ansauggemischs zeigt;
53 eine vereinfachte Darstellung, die den Fluß des Ansauggemischs zeigt;
54 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Saughub und dem Einspritzzeitpunkt zeigt;
55 ein Diagramm von Abgas-Charakteristiken;
56 ein Flußdiagramm eines Überwachungsablaufs;
57 ein Diagramm einer HC-Ausstoßcharakteristik;
58 ein Diagramm einer Ventilsteuer-Charakteristik;
59 ein Schema des Auslaß- und des Saughubs;
60 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung; und
61 eine schematische Darstellung eines verstellbaren Ventils.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 ist ein Katalysator 1 zur NOx-Reduktion in einem Auspuffrohr 2 angeordnet und entgiftet ein aus einer Brennkraftmaschine 3 ausgestoßenes Abgas. Im Fall des NOx-Reduktionskatalysators oder des Katalysators für niedrigen NOx-Gehalt ist der Temperaturbereich, in dem ein guter Reduktions- oder Reinigungs-Wirkungsgrad erzielt wird, begrenzt. Das Ausführungsbeispiel hat ein Heiz/Kühlsystem 4, um die Temperatur innerhalb eines geeigneten Bereichs zu regeln, und das System 4 arbeitet nach Maßgabe eines Signals von einem Steuerteil 5. Das System 4 treibt eine Heizeinheit an, um den Katalysator anzuwärmen und ihn auf eine Temperatur zu regeln, die einem guten Reduktions-Wirkungsgrad bei kaltem Motor 3 entspricht, während das System eine Kühleinheit antreibt, um den Katalysator 1 auf eine Temperatur zu kühlen, die einen guten Reduktions-Wirkungsgrad nach dem Warmlaufen des Motors 3 ergibt. So kann durch Regelung der Temperatur des Katalysators 1 dieser ständig auf einem guten Wirkungsgrad gehalten werden. Um diese Temperaturregelung zu erreichen, wird die Temperatur des Katalysators 1 von einem Temperaturfühler 6 erfaßt, und das Temperatursignal wird dem Steuerteil 5 als Eingangssignal zugeführt.
Der NOx-Reduktionskatalysator bzw. Katalysator für niedrigen NOx-Gehalt kann sowohl NOx als auch HC am besten verringern, wenn die Konzentrationen von NOx und HC im Abgas eine vorbestimmte Beziehung zueinander haben. Das Ausführungsbeispiel ist daher so realisiert, daß die Konzentrationen von NOx und HC im Abgas, das an der Aufstromseite des Katalysators 1 strömt, auf ein bestimmtes Verhältnis geregelt werden. Um dieses Verhältnis zu erreichen, ist der die NOx- und HC-Konzentrationen aufnehmende Sensor 7 an der Aufstromseite des Katalysators 1 angeordnet.
Wie noch erläutert wird, können die NOx- und HC-Konzentrationen aus dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis und den Betriebs- oder Fahrbedingungen (Motordrehzahl, Last und Temperatur) geschätzt werden. In diesem Fall kann der Fühler 7 ein Fühler zur Erfassung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses sein.
Der HC-Anteil im Abgas einer Brennkraftmaschine ändert sich ständig entsprechend dem Betrieb der Auslaßventile. Somit ändert sich auch die HC-Konzentration an der Aufstromseite des Katalysators 1, und eine optimale Beziehung zwischen NOx und HC kann nicht aufrechterhalten werden. Das Ausführungsbeispiel weist ein Element 8 zum Vergleichmäßigen eines HC-Stroms auf, um die kontinuierliche Änderung des HC-Gehalts auszugleichen. Ferner ist es auch möglich, die HC-Konzentration im Abgas dadurch zu vergleichmäßigen, daß die aus den Einspritzventilen 9 eingespritzten Kraftstoffteilchen noch besser vergast werden.
Die 2 und 3 zeigen das Prinzip der NOx-Reduktion, wie es von einem NOx-Reduktionskatalysator durchgeführt wird. Dieser Katalysator 1 kann NOx auch in einer oxidierenden Atmosphäre in Anwesenheit von Sauerstoff reduzieren. Wie 2 zeigt, reagiert HC zuerst explosiv mit Sauerstoff an einer Oberfläche des Katalysators und entfernt Sauerstoff von der Oberfläche des Katalysators 1.
Wie 3 zeigt, wird dann NOx an der Oberfläche des Katalysators selektiv adsorbiert und reduziert. Somit werden NOx und HC gleichzeitig entfernt. In der nächsten Phase reagiert HC wiederum mit Sauerstoff an der Oberfläche des Katalysators 1. Nach dem so erläuterten Prinzip kann NOx auch in einer oxidierenden Atmosphäre entfernt werden. Wie oben gesagt, betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum wirkungsvollen Betrieb dieses Katalysators und ein Verfahren zur Steuerung desselben.
4 zeigt eine Charakteristik eines NOx-Reduktionskatalysators. 4 zeigt die Beziehung zwischen einem NOx/HC-Verhältnis, d. h. NOx/HC und dem Entfernungs- oder Entgiftungs-Wirkungsgrad. Wenn das NOx/HC-Verhältnis klein ist und HC in großer Menge vorhanden ist, wird der gesamte NOx-Anteil reduziert, während HC verbleibt, ohne oxidiert zu werden. Wenn andererseits das NOx/HC-Verhältnis groß ist und NOx in großer Menge vorliegt, wird ein NOx-Anteil verbleiben, ohne reduziert zu werden. Somit muß das NOx/HC-Verhältnis in einem Bereich von Optimalwerten liegen, damit sowohl NOx als auch HC gleichzeitig entfernt werden. Insbesondere wurde experimentell gefunden, daß das beste NOx/HC-Verhältnis ca. 1,2-0,7 ist. Die Vorrichtung nach der Erfindung regelt diese Konzentrationen im Abgas so, daß das beste Verhältnis erhalten wird.
Gemäß 5 ist eine Beziehung zwischen der Temperatur eines Katalysators und dem Reduktions-Wirkungsgrad für NOx gezeigt. Wenn die Temperatur eines Katalysators entweder unter oder über einem bestimmten begrenzten Bereich liegt, nimmt der Reduktions-Wirkungsgrad ab. Die Vorrichtung ist mit einem System zum Aufheizen/Kühlen ausgestattet, um die Temperatur eines Katalysators einzustellen.
6 zeigt ein Ausführungsbeispiels eines Fühlers zur Erfassung einer Gaskonzentration im Abgas. Dieser Fühzler mißt die Gaskonzentration auf der Basis einer absorbierten Lichtmenge. Der Fühler hat ein lichtemittierendes Element 10, das Licht einer bestimmten Wellenlänge aussendet, und ein lichtempfangendes Element 11 und mißt die Gaskonzentration aus einer Lichtmenge, die das lichtempfangende Element 11 empfängt, wenn das Abgas einen Kanal 13 durchströmt. Ein Detektierkreis 12 ist im Inneren des Fühlers angeordnet. Das Abgas wird durch einen Kanal 15 eines Schutzrohrs 14 zum Fühler geleitet.
7 ist ein Querschnitt des Fühlers entlang der Linie VII-VII von 6. Bei dem Ausführungsbeispiel wird Licht von dem lichtemittierenden Element 10 von einer Vielzahl von lichtempfangenden Elementen 11a und 11b empfangen. In diesem Fall sind optische Filter 16a und 16b vor den lichtempfangenden Elementen 11a und 11b angeordnet, um Licht der gewünschten Wellenlänge zu erfassen. Beispielsweise sind optische Filter vorgesehen, deren Absorptions-Charakteristiken der Absorptionswellenlänge von NOx und HC zugeordnet sind.
8 zeigt eine Beziehung zwischen der Lichtwellenlänge und dem Transmissionsgrad. Wenn man beispielsweise annimmt, daß λ1 die charakteristische Absorptionswellenlänge von NOx und λ2 die charakteristische Absorptionswellenlänge von HC ist, so wird Licht jeder dieser Wellenlängen von dem Abgas absorbiert, und die Menge des empfangenen Lichts jeder dieser Wellenlängen nimmt ab. Somit werden die Konzentrationen der Gaskomponenten ermittelt, indem Ausgangssignale der Empfangselemente detektiert werden.
9 zeigt eine Charakteristik dieses Fühlers. Das Diagramm zeigt eine Beziehung zwischen den NOx- und HC-Mengen und dem Ausgangswert der Erfassung. Der letztere nimmt mit abnehmenden Mengen von NOx und HC ab.
Im Fall des Ausführungsbeispiels ist es erforderlich, ein NOx/HC-Verhältnis zu erhalten, und ein Ausführungsbeispiel einer Schaltung zur Zuführung eines Werts, der dem Verhältnis entspricht, indem einer der erfaßten Werte durch einen weiteren der erfaßten Werte dividiert wird, ist in 10 gezeigt. NOx und HC entsprechende Signale der lichtempfangenden Elemente 11a und 11b, die jeweils den Lichtfiltern 16a bzw. 16b zugeordnet sind, werden von Verstärkern 17a und 17b verstärkt. Diese Signale werden einem Dividierglied 18 zuge führt und so verarbeitet, daß sie als ein Signal des NOx/HC-Verhältnisses ausgegeben werden. Dieses Signal wird einem Mikrocomputer 5 für Steuerzwecke zugeführt.
Unter Bezugnahme auf 11 wird eine Beziehung zwischen dem Luft-Kraftstoff-Gemisch und der Abgaskonzentration beschrieben. In konventionellen Vorrichtungen wurde ein Dreiwegkatalysator verwendet, und daher wurde als Sollwert für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis bzw. A/F-Verhältnis ein stöchiometrisches Verhältnis (A/F = 14,7) (a) vorgegeben. Bei der Vorrichtung nach der Erfindung kann der Katalysator NOx auch bei magerem A/F-Verhältnis direkt reduzieren, und somit kann als Sollwert für das A/F-Verhältnis ein mageres Verhältnis vorgegeben werden. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann die Vorrichtung eine Steuerung auf ein A/F-Verhältnis (b) im Bereich des mageren A/F-Verhältnisses durchführen, bei dem das NOx/HC-Verhältnis ein Wert wird, der einen hohen Reduktions-Wirkungsgrad ermöglicht. Der Sollwert des A/F-Verhältnisses wird kleiner als ein magerer Verbrennungsgrenzwert (c) vorgegeben. Wenn eine Vielzahl von A/F-Verhältnissen vorhanden ist, bei denen ein NOx/HC-Verhältnis den hohen Reduktions-Wirkungsgrad ergibt, wird das A/F-Verhältnis selektiv auf den größten oder höchsten dieser Werte eingestellt.
12 zeigt das Prinzip des HC-Ausstoßes aus einer Brennkraftmaschine und den Austrittszustand. Dabei werden flüssige Kraftstoffschichten, die mit Schräglinien angedeutet sind, an einem Zylinderkopf 21 und einem Kolbenkopf 22 in einem Brennraum 20 des Motors abgelagert. Diese Flüssigkeitsschicht wird unverbrannt in ein Abgasrohr ausgestoßen.
Wie 13 zeigt, wird in diesem Ausstoßzustand eine große Kraftstoffmenge, die am Zylinderkopf 2l abgelagert ist, wie mit dem Symbol (a) angedeutet ist, zu Beginn eines Auslaßhubs ausgestoßen, während an Kopf des Kolbens 22 abgesetzter Kraftstoff gemäß einem Symbol (b) am Ende des Auslaßhubs ausgestoßen wird. Die Menge an ausgestoßenem HC ändert sich daher während des Auslaßhubs. wenn sich also die HC-Konzentration an der Aufstromseite des Katalysators ändert, ändert sich der Wert des NOx/HC-Verhältnisses beträchtlich, und der Reinigungs-Wirkungsgrad des Katalysators wird vermindert. Es ist erforderlich, diese Änderung von HC zu vergleichmäßigen.
14 zeigt eine Einrichtung zum Vergleichmäßigen der Änderung der Menge von ausgestoßenem HC. Die Mengenänderung des HC-Ausstoßes kann durch diese Einrichtung an der Aufstromseite eines Katalysators begrenzt werden. In 14 ist in einem Abgasrohr ein Wabenrohrkanal 23 angeordnet, in dem HC abgeschieden wird, wodurch die Menge an ausgestoßenem HC vergleichmäßigt wird.
15A zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, bei dem ein Labyrinth- oder Zickzackrohrkanal 24 zur Umlenkung des Abgasstroms in einem Abgasrohr vorgesehen ist, wobei HC auf die Umlenkelemente trifft und die Menge des HC-Ausstoßes vergleichmäßigt wird.
15B zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, wobei ein Adsorbens oder Material 25 wie etwa ein Kupferionenaustausch-Zeolith oder dergleichen zur Adsorption von HC in einem Abgasrohr angeordnet ist. Dieses Material adsorbiert HC bei niedrigerer Temperatur, bei der eine große HC-Menge ausgestoßen wird, während es bei höherer Temperatur, bei der eine geringere Menge von HC austritt, HC allmählich desorbiert oder freisetzt. Dadurch kann die HC-Ausstoßmenge vergleichmäßigt werden.
16 zeigt den HC-Ausstoß unmittelbar nach dem Anlassen eines Motors. Unmittelbar nach dem Anlassen ist die Abgastemperatur niedrig, und die HC-Menge im Abgas ist groß. Da zu diesem Zeitpunktt die NOx-Menge im Abgas gering ist, erreicht das NOx/HC-Verhältnis keinen optimalen Wert, und der Reduktions-Wirkungsgrad eines NOx-Reduktionskatalysators nimmt ab.
Infolgedessen muß die HC-Menge im Abgas unmittelbar nach dem Anlassen vergleichmäßigt werden.
17 zeigt die Auswirkung, die bei Verwendung des Adsorbens erreicht wird. Da HC unmittelbar nach dem Anlassen des Motors adsorbiert wird, wird eine geringere HC-Menge in das Auspuffrohr ausgestoßen. Damit kann das NOx/HC-Verhältnis in einem optimalen Bereich gehalten werden.
18 zeigt ein Verfahrem zur Überwachung der Temperatur eines Katalysators. 18 zeigt die Temperaturänderung des Katalysators unmittelbar nach dem Anlassen. Da der Motor noch nicht gleich nach dem Anlassen warmgelaufen ist, ist zu diesem Zeitpunkt die Temperatur des Katalysators niedrig, und daher ist der Katalysator noch nicht aktiviert, und sein Reduktions-Wirkungsgrad für das Abgas hat ein niedriges Niveau. Wenn ein Motor unter hoher Last läuft, steigt die Temperatur des Abgases sehr stark an, und der Reduktions-Wirkungsgrad des Katalysators wird wiederum niedriger.
Um den Reduktions-Wirkungsgrad eines NOx-reduzierenden Katalysators zu erhalten, muß die Temperatur des Katalysators in einem optimalen Bereich überwacht werden. Durch die Erfindung soll der Katalysator ständig in einem Zustand hohen Wirkungsgrads gehalten werden, indem seine Temperatur entsprechend einer Strichlinie (a) überwacht bzw. gesteuert wird.
19 zeigt eine Vorrichtung zur Überwachung der Temperatur, wobei ein Katalysator 1 in einem Abgasrohr 2 angeordnet ist. Dieser Katalysator hat einen metallischen Träger, der Katalysatormaterial wie etwa Kupferionenaustausch-Zeolithmaterial trägt.
Von einer Stromquelle 30 wird diesem Metallträger ein Strom zugeführt und heizt den Katalysator 1 elektrisch auf. Bei der niedrigen Temperatur unmittelbar nach dem Anlassen wird der Katalysator 1 durch die elektrische Aufheizung auf eine optimale Temperatur erwärmt. Wenn der Motor unter hoher Last betrieben wird, zirkuliert Kühlwasser 31, um den Katalysator zu kühlen und die optimale Temperatur einzustellen. Die Steuerung des Kühlwassers 31 erfolgt durch Ein- oder Ausschalten eines Magnetventils 32, das in einer Kühlwasserleitung angeordnet ist, von einem Signal, das von einem Katalysatortemperatur-Fühler 6 zugeführt wird. Dieses Kühlwasser wird beispielsweise mit einem Kühler 33 und einem Gebläse 34 gekühlt. Daher kann die Temperatur eines Katalysators auf dem Wert für den höchsten Reduktions-Wirkungsgrad gehalten werden, indem die Einrichtung zum Aufheizen/Kühlen entsprechend gesteuert wird.
20 ist ein Flußdiagramm, das den Ablauf zur Steuerung der Abgaskonzentration an der Aufstromseite eines Katalysators auf einen Optimalwert zeigt. In Schritt 20 wird von jedem Fühler ein Betriebszustand eines Motors ausgelesen. Der Betriebszustand ist beispielsweise durch eine Motordrehzahl N, eine Saugluftmenge als Last Qa, eine Abgastemperatur Te und dergleichen gegeben. Dann wird in Schritt 201 ein Luft-Kraftstoff-Sollverhältnis A/F auf der Grundlage dieses Betriebszustands vorgegeben. In Schritt 202 wird, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis das Sollverhältnis erreicht, ein von einem Fühler für die Abgaskonzentration gemessener Wert ausgelesen. In Schritt 203 wird diese gemessene Ist-Konzentration mit einer Konzentration verglichen, die einen optimalen Reduktions-Wirkungsgrad ergibt. In Schritt 204 wird, wenn diese Werte nicht miteinander übereinstimmen, das Luft-Kraftstoff-Sollverhältnis modifiziert. So kann die Abgaskonzentration immer auf einen optimalen Wert gesteuert werden.
21 ist ein Flußdiagramm der Steuerung der Temperatur eines Katalysators. In Schritt 210 wird ein von einem Katalysatortemperatur-Fühler 6 aufgenommener Wert ausgelesen. Wenn in Schritt 211 diese Ist-Temperatur mit der Soll-Temperatur übereinstimmt, endet der Steuerablauf, wenn in Schritt 211 der Istwert von dem Sollwert abweicht, wird in Schritt 212 abgefragt, ob der Istwert größer oder kleiner als der Sollwert ist. Wenn er größer ist, beginnt in Schritt 213 der Kühlbetrieb. Wenn er kleiner ist, beginnt in Schritt 214 der Aufheizbetrieb. Ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung dieser Steuerung ist in 19 gezeigt.
22 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung. Dabei sind ein Oxidationskatalysator 40 und ein Sekundärluftregelventil 41 an der Aufstromseite eines NOx-Reduktionskatalysators 1 angeordnet. Wenn, wie bereits gesagt, das NOx/HC-Verhältnis den Optimalwert hat, ist der Reduktions-Wirkungsgrad am größten. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die HC-Konzentration so gesteuert, daß sie den optimalen Verhältniswert hat. Der Oxidationskatalysator 40 oxidiert HC in der oxidierenden Atmosphäre in Anwesenheit von Luft. HC aus einem Motor wird durch den Oxidationskatalysator 40 durch Regelung einer Sekundärluftmenge oxidiert, und dadurch wird die HC-Konzentration an der Aufstromseite eines NOx-Reduktionskatalysators 1 auf einen Optimalwert eingestellt.
Die 23 und 24 zeigen die Konzentration von Bestandteilen des Abgases an der Aufstromseite A und der Abstromseite B des Oxidationskatalysators 40. Dabei ist auf der Abszisse die Sekundärluftmenge Qa2 und auf der Ordinate jeweils eine relative Konzentration von Komponentengasen im Abgas aufgetragen. Der für die Oxidation verwendete Sauerstoff ist in der Sekundärluft enthalten.
Obwohl die Sekundärluftmenge erhöht wird, ändern sich NOx und HC an der Aufstromseite des Oxidationskatalysators 40 nicht. Mit steigender Sekundärluftmenge ändert sich nur die HC-Konzentration an der Abstromseite des Oxidationskatalysators 40. Selbstverständlich ändert sich auch der Sauerstoffanteil in der Sekundärluft. Somit kann die HC-Konzentration durch Ändern der Sekundärluftmenge geregelt werden.
Wie 24 zeigt, ist der Bereich (a), in dem das NOx/HC-Verhältnis einen Optimalwert erreicht, der anzusteuernde Sollwert. Das Regelventil 41 wird von einem Mikrocomputer 5 so gesteuert, daß die dem Bereich (a) entsprechende Sekundärluftmenge erhalten wird.
Eine Entscheidung der Steuerung erfolgt auf der Basis eines Signals vom Fühler 7 für die Konzentration von Gas(en) im Abgas. Die einzuleitende Sekundärluftmenge wird nach Maßgabe einer HC-Menge bestimmt, die vom Fühler 7 gemessen wird, und das Regelventil 41 wird entsprechend dieser Menge gesteuert. Der Fühler 7 kann zwischen dem Oxidationskatalysator 40 und dem NOx-Reduktionskatalysator 1 angeordnet sein. In diesem Fall wird das Regelventil 41 gesteuert, während gleichzeitig geprüft wird, ob das NOx/HC-Verhältnis einen Optimalwert erreicht, d. h. dieser Vorgang wird mit Rückführungsregelung durchgeführt. Die vorgenannte Operation kann auch dann wirksam sein, wenn der Motorbetriebszustand oder das Luft-Kraftstoff-Verhältnis fett oder mager ist.
25 ist ein Flußdiagramm für das weitere Ausführungsbeispiel, wobei der Fühler 7 zwischen dem Oxidationskatalysator 40 und dem NOx-Reduktionskatalysator 1 angeordnet ist. In Schritt 250 erfolgt die Vorgabe eines Luft-Kraftstoff-Sollverhältnisses, und in Schritt 251 wird ein NOx/HC-Verhältnis detektiert. Wenn der Meßwert größer als ein vorbestimmter Wert ist, wird in Schritt 253 die Sekundärluftmenge verringert und die HC-Konzentration erhöht. Wenn der Meßwert den vorbestimmten Wert unterschreitet, wird in Schritt 254 die Sekundärluftmenge erhöht. Ferner kann, wie noch erläutert wird, anstelle der Erfassung des NOx/HC-Verhältnisses in Schritt 251 dieses Verhältnis aus einem Betriebszustand ermittelt werden.
26 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Schätzen des NOx/HC-Verhältnisses. Wie 26 zeigt, sind repräsentative Werte des NOx/HC-Verhältnisses in Zuordnung zu einer Motordrehzahl und einer Last in Form einer Tabelle gespeichert. Nach 27 kann ein Konzentrationsverhältnis-Istwert erhalten werden, indem der gespeicherte Verhältniswert mit einem Korrekturfaktor auf der Basis einer Abgastemperatur multipliziert wird. Der Korrekturfaktor wird mit 1,0 gewählt, wenn die Abgastemperatur 400 °C beträgt. Der Faktor wird mit einem Anstieg der Temperatur von 400 °C aufwärts auf 1,5 erhöht, und bei einem Absinken der Temperatur unter 400 °C wird der Faktor bis auf 0,5 verringert.
28 zeigt ein Verfahren zum Ändern der HC-Menge in Abhängigkeit vom Zündzeitpunkt anstelle der Steuerung der HC-Menge durch einen Oxidationskatalysator 40 nach 22. Wenn gemäß 28 der Zündzeitpunkt sich in abnehmender Weise dem oberen Totpunkt bzw. OT nähert, wird die ausgestoßene HC-Menge geringer.
Das bedeutet, daß gemäß 29 bei einer Zündzeitpunktverzögerung (Pfeil) gemäß (a) die Verbrennung auch nach dem OT fortgesetzt wird und HC im Brennraum verbrennt, wodurch die HC-Konzentration abnimmt. Somit kann die HC-Konzentration auch durch Überwachung des Zündzeitpunkts gesteuert werden, und das NOx/HC-Verhältnis kann auf einen Optimalwert gesteuert werden.
30 zeigt das Ablaufdiagramm hierfür. In Schritt 300 wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einem Motor zugeführten Gemischs mit einem Sollwert vorgegeben, und in Schritt 301 wird ein NOx/HC-Verhältnis gemessen. Wenn in Schritt 302 dieser Wert als einen vorbestimmten Wert übersteigend festgestellt wird, wird in Schritt 303 die Menge des HC-Ausstoßes durch Vorverstellen des Zündzeitpunkts erhöht, wodurch das NOx/HC-Verhältnis kleiner wird. Wenn der Wert als einen vorbestimmten Wert unterschreitend festgestellt wird, wird in Schritt 304 die Menge des HC-Ausstoßes durch Verzögerung des Zündzeitpunkts verringert, und dadurch wird das NOx/HC-Verhältnis größer gemacht. Die in Schritt 301 durchgeführte Detektierung eines NOx/HC-Verhältnisses kann durch den oben beschriebenen Vorgang der Schätzung erfolgen.
31 zeigt ein weiteres Verfahren zur Steuerung eines NOx/HC-Verhältnisses. 31 zeigt die Auslegung einer Vorrichtung. Diese Vorrichtung steuert die NOx-Konzentration von den Bestandteilen des Abgases in einem Abgasrohr, das an der Aufstromseite eines NOx-Reduktionskatalysators 1 angeordnet ist. Somit sind eine Leitung 51 zur Rückführung eines Abgases aus einem Abgasrohr 2 zu einem Ansaugrohr 50 sowie ein Regelventil 51 vorgesehen. Dabei handelt es sich um eine Abgasrückführ- bzw. EGR-Vorrichtung.
32 zeigt die Beziehung zwischen einer EGR-Menge im Betrieb und einer Abgaskonzentration. Wenn die EGR-Menge zunimmt, nimmt die NOx-Ausstoßmenge ab. Die NOx-Menge kann dadurch eingestellt werden, daß eine EGR-Menge geändert wird, bis ein Pegel (a) erreicht ist, bei dem die Verbrennung schlechter wird und HC anzusteigen beginnt. Somit kann eine NOx-Menge durch den Betrieb der EGR-Vorrichtung auf der Basis eines von einem NOx-Konzentrations-Abgasfühler 7 aufgenommenen Werts in solcher Weise gesteuert werden, daß das NOx/HC-Verhältnis einen optimalen Wert erreicht.
33 ist ein Flußdiagramm der Steuerung. Zuerst wird die Steuerung in Schritt 330 mit einem Luft-Kraftstoff-Sollverhältnis eingestellt, dann wird in Schritt 331 ein NOx/HC-Verhältnis erfaßt. Wenn in Schritt 332 der Meßwert größer als der vorbestimmte wert festgestellt wird, wird in Schritt 333 die EGR-Menge erhöht. wenn dagegen der Meßwert kleiner als der genannte Wert festgestellt wird, wird in Schritt 334 die EGR-Menge verringert.
34 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Steuerung von NOx und HC. Ein Fühler 50 für die Konzentration von Gasen im Abgas ist an der Abstromseite eines NOx-Reduktionskatalysators 1 angeordnet. Konzentrationen von NOx und HC werden durch Steuerung eines Regelventils 41 für die Sekundärluftmenge auf der Basis des vom Fühler aufgenommenen Werts eingestellt. In diesem Fall kann die Steuerung auch durch die bereits genannte Verstellung des Zündzeitpunkts oder die EGR-Steuerung erfolgen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Genauigkeit verbessert, da eine zu steuernde Menge durch Erfassen eines Resultats der Reinigungswirkung eines Katalysators 2 bestimmt wird.
35 zeigt eine Beziehung an einem Punkt A von 34 zwischen einer Sekundärluftmenge Qa2 und einer Abgaskonzentration. Wenn Qa2 einen optimalen Wert hat, erreichen NOx bzw. HC einen Minimalwert. Die zu steuernde Menge wird von einem Mikrocomputer 5 auf der Basis des Meßwerts vom Fühler 50 bestimmt, um einen solchen optimalen Zustand zu realisieren.
36 ist ein Flußdiagramm eines Ausführungsbeispiels der Steuerung. Zuerst wird in Schritt 360 ein Luft-Kraftstoff-Sollverhältnis vorgegeben, und in Schritt 361 werden Konzentrationen von NOx und HC von einem Fühler 50 gemessen. Wenn in Schritt 362 beide kleiner als jeweils vorbestimmte Werte festgestellt werden, endet der Ablau. Wenn festgestellt wird, daß sie nicht kleiner sind, wird in Schritt 363 eine Sekundärluftmenge Qa2 verstellt.
37 ist ein Flußdiagramm eines Ausführungsbeispiels, bei dem die Sekundärluftmenge Qa2 verstellt wird. Wenn in Schritt 370 die NOx-Konzentration kleiner als ein vorbestimmter Wert und die HC-Konzentration größer als ihr vorbestimmter Wert ist, wird in Schritt 371 die Sekundärluftmenge Qa2 erhöht und nur die HC-Konzentration verringert. Wenn in Schritt 372 die NOx-Konzentration größer als ihr vorbestimmter Wert und die HC-Konzentration kleiner als ihr vorbestimmter wert ist, wird die Sekundärluftmenge Qa2 verringert und die HC-Konzentration erhöht, und dadurch erreicht das NOx/HC-Verhältnis einen optimalen Wert.
38 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. Dabei ist ein Fühler 50 an der Abstromseite eines NOx-Reduktionskatalysators 1 angeordnet. Ein Regelventil 41 für die Sekundärluft wird auf der Basis eines Signals vom Fühler 50 gesteuert. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird aber kein Oxidationskatalysator verwendet. Die Auswirkung des Ausführungsbeispiels ist zwar geringer als desjenigen mit Oxidationskatalysator, aber HC kann nur durch Einleiten von Sekundärluft in ein Abgasrohr 2 oxidiert werden. Eine erfinderische Auswirkung kann selbst mit einem so einfachen Verfahren erzielt werden. Der Steuerablauf ist der gleiche wie in den 36 und 37.
39 zeigt ein weiteres Verfahren der Steuerung der Temperatur eines Katalysators 1. Dabei wird eine Abgastemperatur durch den Zündzeitpunkt geändert, und dadurch wird die Temperatur des Katalysators indirekt gesteuert. 39 zeigt die Beziehung zwischen dem Zündzeitpunkt und der Abgastemperatur. Mit Spätverstellung des Zündzeitpunkts steigt die Abgastemperatur, weil die Verbrennung länger dauert, wenn der Zündzeitpunkt verzögert ist, wie in 28 und 29 dargestellt ist.
40 ist ein Ablaufdiagramm für die Steuerung der Temperatur. Die Temperatur eines Katalysators wird in Schritt 400 ausgelesen, und in Schritt 401 wird, wenn die Temperatur als außerhalb eines Sollbereichs liegend und zusätzlich als größer als der Sollwert in Schritt 402 festgestellt wird, der Zündzeitpunkt in Schritt 403 vorverstellt und die Abgastemperatur verringert. Wenn die Katalysatortemperatur als unter dem Sollwert liegend festgestellt wird, wird in Schritt 404 der Zündzeitpunkt verzögert, und die Abgastemperatur wird erhöht.
41 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das eine von einem Motor abgegebene HC-Menge vergleichmäßigen soll. Die Vergleichmäßigung von Tröpfchen von vergastem Kraftstoff, der einem Motor zugeführt wird, wirkt sich auf die Vergleichmäßi gung der HC-Ausstoßmenge aus. Es ist also erforderlich, daß ein Einspritzventil 60 den Kraftstoff sehr fein vergasen kann. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein Einspritzventil zur Kraftstoffvergasung mit Unterstützung durch einen Luftstrom verwendet. Um die Luft zur Vergasung zuzuführen, ist eine Luftpumpe 61 vorgesehen, die die Luft durch eine Luftleitung 62 zum Einspritzventil 60 fördert.
Der Aufbau eines Teils des Einspritzventils 60 ist in 42 gezeigt. Wenn ein Elektromagnet (nicht gezeigt) eine Ventilnadel 63 hebt, wird der Kraftstoff aus einem Kraftstoffbad 64 durch eine Düse 65 eingespritzt. Die aus einem Luftkanal 66 eintretende Luft zur Vergasung wird auf diesen eingespritzten Kraftstoff gerichtet. Dadurch wird der Kraftstoff durch die kinetische Energie der Luft zu feinen Tröpfchen einer Größe von weniger als 100 μm vergast. Die feinen Tröpfchen werden durch eine Einspritzöffnung 67 in ein Ansaugrohr 68 eingespritzt. Die HC-Ausstoßmenge kann mit Hilfe dieses Einspritzventils zur Erzeugung der feinen Kraftstofftröpfchen vergleichmäßigt werden.
43 zeigt einen Kraftstoffzustand, bei dem die feinen Tröpfchen gemäß diesem Ausführungsbeispiel erzeugt werden. Bei einem konventionellen Einspritzventil, das relativ größere Tröpffchen erzeugt, wird an der Innenseite eines Ansaugrohrs 68 ein Flüssigkeitsfilm gebildet. Daher ist die in den Motor eintretende Kraftstoffmenge starken Änderungen unterworfen. Bei dem Ausführungsbeispiel dagegen, das feine Tröpfchen erzeugt, verdampfen die Tröpfchen sehr rasch und können ohne weiteres mit dem Luftstrom mitgenommen werden und haften daher nicht an der Innenseite des Ansaugrohrs 68, und auch ein Flüssigkeitsfilm wird nicht erzeugt. Infolgedessen wird auch im Brennraum 69 kein flüssiger Kraftstoff gebildet, und das Gemisch aus Luft und Kraftstoff wird vergleichmäßigt. Daher verbrennt das Gemisch gleichmäßig und nähert sich der vollständigen Verbrennung, so daß die HC-Ausstoßmenge aus dem Motor vergleichmäßigt werden kann.
44 zeigt den Zustand von Abgas, das beim Verbrennen größerer Tröpfchen in einer konventionellen Vorrichtung erzeugt wird. wie 13 zeigt, wird in der konventionellen Vorrichtung erzeugter HC zu Beginn und Ende des Auslaßhubs zu einem Auslaßrohr abgeführt. Eine NOx-Ausstoßmenge wird während des Hubs vergleichmäßigt. Daher ist das NOx/HC-Verhältnis in Abhängigkeit von der Zeit veränderlich und kann nicht auf einem Wert gehalten werden, der einen hohen Reinigungs-Wirkungsgrad erlaubt.
45 zeigt NOx- und HC-Konzentrationen nach der Reinigung an der Abstromseite eines Katalysators 1. Da sich die HC-Konzentration während des Auslaßhubs ändert, werden sowohl NOx als auch HC während des Auslaßhubs reduziert oder nicht reduziert.
46 zeigt die mit dem Ausführungsbeispiel erzielte Auswirkung. Da dem Motor zugeführte Kraftstofftröpfchen kleiner sind, wird die HC-Ausstoßmenge vergleichmäßigt. Aufgrund dieser Vergleichmäßigung wird das NOx/HC-Verhältnis während des Auslaßhubs fixiert. Somit wird der Katalysator 1 immer mit dem Konzentrationsverhältnis von NOx zu HC im Abgas betrieben, das den höchsten Reduktions-Wirkungsgrad ergibt.
Die Konzentration von NOx und HC an der Abstromseite des Katalysators 1 ist in 47 gezeigt. Es ist ersichtlich, daß beide Konzentrationen reduziert worden sind. Die Anwendung eines Einspritzventils zur Vergasung von Kraftstofftröpfchen in Kombination mit einem NOx-Reduktionskatalysator ist also wirksam.
48 zeigt ein weiteres Verfahren zur Vergleichmäßigung von HC. In einem Ansaugrohr 68 ist ein Drallsteuerventil (SCV) 70, das dem Ansaugstrom einen Drall erteilt, angeordnet. Aufgrund dieses Ventils 70 werden in einem Brennraum Wirbelströme erzeugt, und der eingeführte Kraftstoff wird vermischt und vergleichmäßigt. Somit wird die gleiche Aus wirkung erzielt, die in 41 bei der Vergasung von Kraftstofftröpfchen erzielt wird. Es wird also die Konzentration von HC im Abgas vergleichmäßigt, das NOx/HC-Verhältnis wird optimiert, und der Reinigungs-Wirkungsgrd des Katalysators 1 wird verbessert. Wie bereits gesagt, ist eine Kombination des Drallsteuerventils 70 mit dem NOx-Reduktionskatalysator wirksam.
49 zeigt eine weitere Möglichkeit zur Vergleichmäßigung von HC. Dabei ist ein Ansaugrohr 72 zur Erzeugung von Längswirbelströmen 71 in einem Brennraum 69 ausgerüstet. Dieses Ansaugrohr 72 ist derart ausgelegt, daß der Saugstrom entlang einer Richtung eintritt, die im Vergleich mit einem üblichen Ansaugrohr 68 stärker mit einer Richtung einer Einlaßventilstange 73 ausgerichtet ist. Dieser Längswirbelstrom kann auch während des Verdichtungshubs, wenn sich ein Kolben aufwärtsbewegt, aufrechterhalten werden. Der Kraftstoff im Brennraum 71 wird besser vermischt, und das Gemisch wird besser vergleichmäßigt. Der Gemischzustand ist in 50 gezeigt. Da das Gemisch im Brennraum 71 vergleichmäßigt ist, wird die HC-Ausstoßmenge vergleichmäßigt, und der Reduktions-Wirkungsgrad des Katalysators 1 wird verbessert. Das Einspritzventil 74 kann ein Einspritzventil zur Kraftstoffzerstäubung mittels Luftdurchfluß sein.
51 zeigt eine weitere Methode zur Vergleichmäßigung von HC. Der in den Brennraum 71 eintretende Einlaßstrom 80 wird während eines Saughubs in gewissem Umfang verwirbelt, wie 52 zeigt. Wenn Kraftstoff in den Wirbelstrom während dieses Saughubs eingespritzt wird, wird der Kraftstoff im Brennraum 71 vermischt, und das Gemisch wird vergleichmäßigt.
Wie 53 zeigt, wird die Wirbelströmung im späteren Teil des Saughubs stärker, und der durch die Kraftstoffzumischung erzielte Effekt ist stärker. wenn der Kraftstoff in der späteren Phase des Saughubs eingespritzt wird, wird er ferner nicht an der Oberseite des Kolbens 81 abgelagert und angesam melt, und daher nimmt die HC-Ausstoßmenge in der zweiten Hälfte des Auslaßhubs nicht zu. Wenn daher der Kraftstoff beim Saughub eingespritzt wird, wird der Reduktions-Wirkungsgrad des NOx-Reduktionskatalysators 1 hoch, weil die HC-Ausstoßmenge vergleichmäßigt ist. Ferner kann das Einspritzventil 73 ebenfalls von dem Typ zur Kraftstoffvergasung mittels Luftdurchfluß sein.
54 zeigt die Kraftstoffeinspritzung in jeden von vier Zylindern. Dabei ist der Saughub mit (a) und die Einspritzung beim Saughub mit (b) bezeichnet.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in 55 gezeigt. Wenn dabei eine Vielzahl von Luft-Kraftstoff-Verhältnissen (a) vorgesehen ist, bei denen das NOx/HC-Verhältnis einen Optimalwert erreicht, wird das in bezug auf Kraftstoff magerste Luft-Kraftstoff-Verhältnis (b) dieser Verhältnisse als Sollwert vorgegeben. Wenn jedoch das magerste Luft-Kraftstoff-Verhältnis größer als ein mageres Luft-Kraftstoff-Grenzverhältnis (c) ist, wird das magere Luft-Kraftstoff-Grenzverhältnis als Sollverhältnis vorgegeben.
56 zeigt das Flußdiagramm der Steuerung. Zuerst wird die Steuerung in Schritt 560 auf ein Luft-Kraftstoff-Sollverhältnis eingestellt, und in Schritt 561 wird ein NOx/HC-Verhältnis detektiert. Wenn in Schritt 562 festgestellt wird, daß dieser Meßwert in einem zulässigen Bereich liegt, wird in Schritt 563 das Luft-Kraftstoff-Sollverhältnis zu einem magereren Wert gemacht. Wenn in Schritt 565 festgestellt wird, daß das magerere Luft-Kraftstoff-Verhältnis das magere Luft-Kraftstoff-Grenzverhältnis unterschreitet, wird in Schritt 567 das Sollverhältnis mit dem magereren Wert vorgegeben. Wenn festgestellt wird, daß das magerere Luft-Kraftstoff-Verhältnis das magere Luft-Kraftstoff-Grenzverhältnis überschreitet, wird das Sollverhältnis nicht mit dem magereren Wert vorgegeben. Wenn in Schritt 563 festgestellt wird, daß das Luft-Kraftstoff-Sollverhältnis außerhalb des zulässigen Bereichs liegt, wird das Sollverhältnis in Schritt 564 so modifiziert, daß es in dem zulässigen Bereich liegt, und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird in Schritt 566 auf diesen neuen Luft-Kraftstoff-Sollwert geregelt.
57 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einer Einrichtung zum Vergleichmäßigen der HC-Ausstoßmenge durch Ändern der Ventilsteuerung eines Einlaßventils. 57 zeigt die HC-Ausstoßmenge bei einem Auslaßhub. Flüssigkeitsfilme setzen sich an der Oberseite eines Kolbens und eines Zylinderkopfs ab und werden zu Beginn und Ende des Auslaßhubs abgeführt. Es ist notwendig, die Änderung des HC-Ausstoßes zu verringern. Im Fall dieses Ausführungsbeispiels wird die HC-Ausstoßmenge gemäß der Strichlinie vergleichmäßigt. 58 zeigt Steuerzeiten von Auslaß- und Einlaßventilen, wobei die konventionellen Vorgänge durch Vollinien bezeichnet sind. Die Betriebszeiten der Auslaß- und Einlaßventile überlappen einander im OT-Bereich. Wenn gemäß einem Ausführungsbeispiel die HC-Ausstoßmenge ansteigt, z. B. beim Anlassen bei niedriger Temperatur, während des Warmlaufens beim Anfahren und im Leerlauf, wird der Betrieb des Auslaßventils so gesteuert, daß die Steuerzeit gemäß der Strichlinie verschoben wird. Durch diesen Vorgang wird in ein Auslaßrohr abgegebener HC zu einem Ansaugrohr rückgeführt (innere Rückführung). Dadurch verringert sich die HC-Menge, die direkt in das Auslaßrohr strömt, und damit wird die HC-Ausstoßmenge vergleichmäßigt:
59 zeigt die Verteilung von HC in einem Zylinder während jedes Hubs. Da ein Auslaßventil 91 vor dem Ende eines Auslaßhubs geschlossen wird, wird HC, der durch Punkte angedeutet ist, nahe dem Oberende des Kolbens nicht in das Auslaßrohr 2 ausgestoßen. Wenn daher ein Einlaßventil 92 zu Beginn des Saughubs geöffnet wird, wird HC in die Ansaugleitung 72 rückgeführt (innere Rückführung). Dieser Kohlenwasserstoff tritt wiederum in den Zylinder 71 beim Saughub ein und verteilt sich im Zylinder am Ende des Saughubs. Infolgedessen verteilt sich HC im Zylinder 7l und verbrennt nochmals, und dadurch wird die Gesamtmenge an HC verringert, wie die Strichlinie in 57 zeigt, und wird dadurch vergleichmäßigt.
60 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des in den 57-59 beschriebenen Betriebs. Ein Auslaßventil 91 und ein Einlaßventil 92 werden von Nocken 93b bzw. 93a nach oben bzw. nach unten bewegt. Die Profile der Nocken ändern sich durch Antriebseinheiten 94b und 94a. Die Vergleichmäßigung des HC-Ausstoßes wird durch den Betrieb des Auslaßventils 91 erreicht, das von der Antriebseinheit 94b gesteuert wird. Dadurch kann der Reinigungs-Wirkungsgrad eines NOx-Reduktionskatalysators verbessert werden, indem die Ventilsteuerzeit veränderlich gemacht wird. 61 zeigt eine Möglichkeit zum Ändern der Form des Nockens. Der Nocken hat Profile, die in den Abschnitten (a) und (b) voneinander verschieden sind. Die Nockenfläche wird also dadurch geändert, daß der Nocken 93b mit der Antriebseinheit 94b nach rechts und links bewegt wird.
Gemäß der Erfindung kann NOx in wirksamer Weise in jedem Betriebszustand einer Brennkraftmaschine reduziert werden, so daß die Befolgung der Vorschriften hinsichtlich Abgas und Kraftstoffverbrauch gleichzeitig auf einem höheren Niveau erreicht werden kann.

Claims

Vorrichtung zur Steuerung der Konzentration von Abgaskomponenten in einer Abgasreinigungsanlage für die Abgase einer Brennkraftmaschine unter Verwendung eines Katalysators (6), gekennzeichnet durch – eine stromaufwärts des Katalysators (6) angeordnete Einrichtung zur Vergleichmäßigung (8, 23, 24, 25, 71, 91) der Konzentration von Kohlenwasserstoffen (HC) im Abgasstrom und – Mittel (5, 23, 24, 25, 40, 71, 91) zum Steuern der Konzentrationen einer Mehrzahl von Abgaskomponenten auf vorbestimmte Werte, um den Reingungs-Wirkungsgrad des Katalysators (6) zu maximieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Konzentrationsverhältnis zwischen der Mehrzahl von Abgaskomponenten auf einen vorbestimmten Wert eingestellt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentrationen der Mehrzahl von Abgaskomponenten durch Steuerung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses eines der Brennkraftmaschine zugeführten Luft/Kraftstoff-Gemisches auf vorbestimmte Werte gesteuert werden.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Erfassung der Konzentrationen von wenigstens einer der Mehrzahl von Abgaskomponenten.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration von wenigstens einer der Mehrzahl von Abgaskomponenten im Voraus anhand des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine abgeschätzt wird.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator einen Katalysator aufweist, der Stickoxid (NO_x) auch in einer oxidierenden Atmosphäre reduzieren kann.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Vergleichmäßigung des Flusses von Kohlenwasserstoff ein Kohlenwasserstoff-Adsorptionsmittel aufweist.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Vergleichmäßigung des Flusses von Kohlenwasserstoff einen Oxidationskatalysator (40) aufweist.
Verfahren zur Steuerung der Konzentration von Abgaskomponenten in einer Abgasreinigungsanlage für die Abgase einer Brennkraftmaschine unter Verwendung eines Katalysators, gekennzeichnet durch – Vergleichmäßigen einer Konzentration von Kohlenwasserstoffen (HC) im Abgasstrom stromaufwärts des Katalysators (6) und – Steuern der Konzentration einer Mehrzahl von Abgaskomponenten auf vorbestimmte Werte, um den Reinigungs-Wirkungsgrad des Katalysators (6) zu maximieren.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Konzentrationsverhältnis zwischen der Mehrzahl von Abgaskomponenten auf einen vorbestimmten Wert eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentrationen der Mehrzahl von Abgaskomponenten durch Steuerung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses eines der Brennkraftmaschine zugeführten Luft/Kraftstoff-Gemisches auf vorbestimmte Werte gesteuert werden.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 11, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Erfassung der Konzentrationen von wenigstens einer der Mehrzahl von Abgaskomponenten.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration von wenigstens einer der Mehrzahl von Abgaskomponenten im Voraus anhand des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine abgeschätzt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator einen Katalysator aufweist, der Stickoxid (NO_x) auch in einer oxidierenden Atmosphäre reduzieren kann.