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Querverweis auf verwandte
Anmeldung
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Die
vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der
koreanischen Patentanmeldung
mit der Nummer 10-2009-0070987 , welche am 31. Juli 2009 eingereicht
wurde und deren gesamter Inhalt durch diese Bezugnahme für
alle Zwecke hierin mit aufgenommen ist.
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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reinigen von in
Abgas enthaltenem Stickoxid sowie ein Abgassystem zum Durchführen
desselben. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren
zum Reinigen von in einem Abgas enthaltenen Stickoxiden sowie ein
Abgassystem, welches dasselbe anwendet, welche die Stickoxidreinigungseffizienz
in Folge davon verbessern, dass in dem Abgas enthaltenes Stickoxid
gespeichert wird und das gespeicherte Stickoxid anschließend
durch zusätzlich eingespritzten Kraftstoff freigegeben
wird, wenn eine vorbestimmte Bedingung erfüllt ist, sodass eine
Oxidations-Reduktions-Reaktion zwischen dem gespeicherten Stickoxid
und dem zusätzlich eingespritzten Kraftstoff auftritt.
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Beschreibung verwandter Technik
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Üblicherweise
wird Abgas, welches aus einem Motor heraus durch einen Abgaskrümmer strömt,
in einen katalytischen Umwandler geleitet, welcher an einer Abgasleitung
montiert ist, und darin gereinigt. Anschließend wird der
Abgaslärm reduziert, während das Abgas durch einen
Schalldämpfer strömt, und daraufhin wird das Abgas
durch ein Endrohr in die Umgebungsluft emittiert. Der katalytische Umwandler
reinigt Schadstoffe, welche in dem Abgas enthalten sind. Darüberhinaus
ist in der Abgasleitung ein Partikelfilter zum Fangen von Feinstaub
(PM) montiert, welcher in dem Abgas enthalten ist.
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Ein
Entstickungskatalysator/Denetrifikationskatalysator (DE-NOx-Katalysator)
ist eine Art eines solchen katalytischen Umwandlers und reinigt Stickoxide,
welche in dem Abgas enthalten sind. Wenn dem Abgas Reduktionsmittel
wie zum Beispiel Harnstoff, Ammoniak, Kohlenstoffmonoxid und Kohlenwasserstoff
(HC) zugeführt werden, wird in dem Abgas enthaltenes Stickoxid
in dem DE-NOx-Katalysator durch eine Oxidations-Reduktions-Reduktion mit
dem Reduktionsmittel reduziert.
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Seit
kurzem wird ein Magerbetrieb-NOx-Fallen-Katalysator (LNT) als solch
ein DE-NOx-Katalysator verwendet. Der LNT-Katalysator absorbiert
das in dem Abgas enthaltene Stickoxid, wenn der Motor in einer mageren
Atmosphäre betrieben wird, und gibt das absorbierte Stickoxid
frei, wenn der Motor in einer fetten Atmosphäre betrieben
wird.
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Ein
Abgassystem, welches solch einen LNT-Katalysator verwendet, steuert
den Betriebszustand des Motors (mager oder fett) gemäß der
in dem LNT-Katalysator gespeicherten Stickoxidmenge. Wenn jedoch
die Stickoxidmenge detektiert wird und der Zustand der Luft-Kraftstoff-Mischung
gesteuert wird, kann das Regenerationstiming beziehungsweise die
Regenerationszeitsteuerung des LNT-Katalysators verzögert
sein. Das heißt, obgleich der Steuerabschnitt den Regenerationszeitpunkt
festlegt, wird eine im Wesentlichen lange Zeitspanne benötigt,
um ein Soll-Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu erfüllen.
Daher kann die Stickoxidreinigungseffizienz herabgesetzt sein.
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Darüberhinaus
kann das Problem eines Sensorfehlers auftreten, da der Regenerationszeitpunkt des
DE-NOx-Katalysators basierend auf einem Signal festgelegt wird,
welches von einem NOx-Sensor übermittelt wird. Darüberhinaus
sind die verwendeten Sensoren teuer.
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Die
in diesem Abschnitt der Erfindung offenbarte Information dient lediglich
dem besseren Verständnis des Hintergrunds der Erfindung
und kann daher Informationen enthalten, welche nicht zu dem Stand
der Technik gehören, der Fachleuten bereits bekannt ist.
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Die
in diesem Abschnitt der Erfindung offenbarte Information dient lediglich
dem besseren Verständnis des allgemeinen Hintergrunds der
Erfindung und sollte nicht verstanden werden als eine Würdigung
oder irgendeine Form von Vorschlag, dass diese Information den Stand
der Technik bildet, der Fachleuten bereits bekannt ist.
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Kurze Zusammenfassung der
Erfindung
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Gemäß verschiedenen
Aspekten der vorliegenden Erfindung sind ein Verfahren zum Reinigen von
Stickoxiden in einem Abgas sowie ein Abgassystem, welches dasselbe
ausführt, bereitgestellt, welche den Vorteil einer verbesserten
Stickoxidreinigungseffizienz aufweisen durch Festlegen des Regenerationszeitpunkts
eines DE-NOx-Katalysators basierend auf lediglich dem Fahrzustand
des Motors.
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Gemäß anderen
Aspekten der vorliegenden Erfindung sind ein Verfahren zum Reinigen
von Stickoxiden in einem Abgas sowie ein Abgassystem, welches dasselbe
anwendet, bereitgestellt, welche den Vorteil einer weiter verbesserten
Stickoxidreinigungseffizienz aufweisen durch das Montieren eines
Injektors an einer Abgasleitung, welcher zusätzlich Kraftstoff
einspritzt, und Aktivieren des zusätzlich eingespritzten
Kraftstoffes unter Verwendung eines Dieselkraftstoff-Crackkatalysators.
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Gemäß verschiedenen
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann ein Abgassystem einen
Injektor, welcher an einer Abgasleitung oder einem Motor montiert
ist und zusätzlich Kraftstoff einspritzt, einen Dieselkraftstoff-Crackkatalysator,
welcher an der Abgasleitung stromabwärts des Injektors montiert
ist und den zusätzlich eingespritzten Kraftstoff durch
thermisches cracken in ein hochreaktives Reduktionsmittel umwandelt,
einen DE-NOx-Katalysator, welcher an der Abgasleitung stromabwärts
des Dieselkraftstoff-Crackkatalysators montiert ist, das in dem
Abgas enthaltene Stickoxid speichert und das gespeicherte Stickoxid
infolge des zusätzlich eingespritzten Kraftstoffs freigibt,
um das Stickoxid durch eine Oxidations-Reduktions-Reaktion mit dem
hochreaktiven Reduktionsmittel zu reduzieren, und einen Steuerabschnitt
aufweisen, welcher die zusätzliche Einspritzung von Kraftstoff
gemäß dem Fahrzustand des Motors steuert.
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Der
Steuerabschnitt kann den Injektor derart steuern, dass dieser den
Kraftstoff gemäß einem vorbestimmten Einspritzmuster/Einspritzmodell
zusätzlich einspritzt, wenn der Fahrzustand des Motors
eine Kraftstoff-Zusatzeinspritzungs-Bedingung und eine Kraftstoff-Zusatzeinspritzungs-Zeitbedingung
erfüllt.
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Die
Kraftstoff-Zusatzeinspritzungs-Bedingung kann erfüllt sein,
wenn der Motor normal betrieben wird und nicht in einem Leerlaufzustand
ist, ein Schalten nicht auftritt, eine gegenwärtige Schaltstufe größer
oder gleich einer ersten Vorwärtsgetriebestufe ist, eine
Einlasstemperatur des DE-NOx-Katalysators innerhalb eines Katalysator-Aktivierungstemperatur-Bereichs
ist, die Motordrehzahl innerhalb eines vorbestimmten Drehzahlbereichs
ist und keine sukzessive Regeneration auftritt.
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Die
Kraftstoff-Zusatzeinspritzung-Zeitbedingung kann erfüllt
sein, wenn eine Schlupfmenge von Stickoxid an einem hinteren Abschnitt
des DE-NOx-Katalysators größer oder gleich einer
vorbestimmten Schlupfmenge ist, eine Stickoxidmenge, welche in dem
DE-NOx-Katalysator gespeichert ist, größer oder
gleich einer vorbestimmten Menge ist oder ein Verhältnis
von Kohlenwasserstoff zu Stickoxid größer oder
gleich einem vorbestimmten Verhältnis ist.
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Das
vorbestimmte Einspritzmuster kann gemäß dem Fahrzustand
des Motors, einem Zustand des Motors oder einem Zustand des DE-NOx-Katalysators
verändert werden.
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Der
Steuerabschnitt kann den Injektor steuern, um die zusätzliche
Einspritzung von Kraftstoff zu stoppen, wenn der Fahrzustand des
Motors, der Zustand des Motors oder der Zustand des DE-NOx-Katalysators
während der Regeneration des DE-NOx-Katalysators verändert
wird.
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Das
Abgassystem kann ferner einen Partikelfilter aufweisen, welcher
in dem Abgas enthaltenen Feinstaub fängt.
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Wenn
eine Regenerationsbedingung des Partikelfilters erfüllt
ist, kann die Kraftstoff-Zusatzeinspritzungs-Zeitbedingung ebenfalls
erfüllt sein.
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Die
Regenerationsbedingung des Partikelfilters kann erfüllt
sein, wenn die Druckdifferenz zwischen dem Einlass und dem Auslass
des Partikelfilters größer oder gleich einem vorbestimmten
Wert ist.
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Die
Verfahren und Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung haben andere
Merkmale und Vorteile, welche ersichtlich sind aus oder im Detail
dargelegt sind in der angehängten Zeichnung, welche hierin
mit aufgenommen ist, und der folgenden detaillierten Beschreibung
der Erfindung, welche zusammen dazu dienen, bestimmte Prinzipien
der Erfindung zu erläutern.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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1 ist
eine schematische Ansicht eines Abgassystems, welches ein als Beispiel
dienendes erfindungsgemäßes Verfahren zur Reinigung
von Stickoxiden in einem Abgas anwendet.
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2 ist
eine schematische Ansicht, welche zeigt, dass Stickoxid in einem
DE-NOx-Katalysator gespeichert ist, welcher in einem als Beispiel
dienenden Abgassystem gemäß der vorliegenden Erfindung
verwendet wird.
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3 ist
eine schematische Ansicht, welche zeigt, dass Stickoxid von einem
DE-NOx-Katalysator freigegeben wird, welcher in einem als Beispiel
dienenden Abgassystem gemäß der vorliegenden Erfindung
verwendet wird.
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4 ist
eine schematische Ansicht, welche die Struktur einer ersten Katalysatorschicht
in einem DE-NOx-Katalysator zeigt, welcher in einem als Beispiel
dienenden Abgassystem gemäß der vorliegenden Erfindung
verwendet wird.
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5 ist
ein Blockdiagramm, welches die Beziehung zwischen dem Eingang und
dem Ausgang eines Steuerabschnitts zeigt, der in einem als Beispiel
dienenden Abgassystem gemäß der vorliegenden Erfindung
verwendet wird.
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6 ist
ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Reinigen von Stickoxiden in einem Abgas.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Im
Folgenden wird im Detail Bezug genommen auf verschiedene Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung, von der Beispiele in der angehängten
Zeichnung veranschaulicht sind und unten beschrieben sind. Während
die Erfindung in Verbindung mit als Beispiel dienenden Ausführungsformen beschrieben
wird, ist es verständlich, dass die vorliegende Beschreibung
nicht dazu dienen soll, die Erfindung auf diese als Beispiel dienenden
Ausführungsformen zu beschränken. Vielmehr soll
die Erfindung nicht nur die als Beispiel dienenden Ausführungsformen
abdecken, sondern auch verschiedene Alternativen, Modifikationen, Äquivalente
und andere Ausführungsformen, welche von dem Geist und
dem Umfang der Erfindung wie er in den angehängten Ansprüchen
definiert ist umfasst sein können.
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1 ist
eine schematische Ansicht eines Abgassystems gemäß verschiedenen
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, welches ein
Verfahren zum Reinigen von Stickoxiden in einem Abgas ausführt.
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Wie
in 1 gezeigt, weist das Abgassystem einen Motor 10,
eine Abgasleitung 20, eine Abgasrückführungsvorrichtung 80 (EGR),
einen Dieselkraftstoff-Crackkatalysator 32, einen Partikelfilter 30, einen
De-NOx-Katalysator 40 und einen Steuerabschnitt 50 auf.
In der vorliegenden Anmeldung soll der Begriff Steuern auch ein
Regeln umfassen, das heißt der Steuerabschnitt 50 kann
auch ein Regelungsabschnitt 50 sein.
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Der
Motor 10 verbrennt ein Luft-Kraftstoff-Gemisch, in dem
Kraftstoff und Luft miteinander gemischt sind, um chemische Energie
in mechanische Energie umzuwandeln. Der Motor 10 ist mit
einem Ansaugkrümmer 18 verbunden, um Luft in einer Verbrennungskammer 12 aufzunehmen,
und ist mit einem Abgaskrümmer 16 verbunden, sodass
in einem Verbrennungsprozess erzeugtes Abgas in dem Abgaskrümmer 16 gesammelt
und in die Umgebung ausgestoßen wird. Ein erster Injektor 14 ist
in der Verbrennungskammer 12 montiert, um den Kraftstoff
in die Verbrennungskammer 12 einzuspritzen.
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Obgleich
hier als ein Beispiel ein Dieselmotor beschrieben ist, kann auch
ein Benzinmotor verwendet werden. Wenn ein Benzinmotor verwendet
wird, strömt das Luft-Kraftstoff-Gemisch durch den Einlasskrümmer 18 in
die Verbrennungskammer 12, und eine Zündkerze
(nicht gezeigt) ist an einem oberen Abschnitt der Verbrennungskammer 12 montiert.
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Darüberhinaus
kann ein Motor mit verschiedenen Verdichtungsverhältnissen
verwendet werden, wobei ein Kompressionsverhältnis von
kleiner gleich 16,5 bevorzugt ist.
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Die
Abgasleitung 20 ist mit dem Abgaskrümmer 16 verbunden,
um das Abgas in die Fahrzeugumgebung auszustoßen. Der Partikelfilter 30 und
der DE-NOx-Katalysator 40 sind an der Abgasleitung 20 montiert,
um Kohlenwasserstoff, Kohlenstoffmonoxid und Stickoxid, welche in
dem Abgas enthalten sind, zu entfernen.
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Die
Abgasrückführungsvorrichtung 80 ist an der
Abgasleitung 20 montiert, und das von dem Motor 10 ausgegebene
Abgas strömt durch die Abgasrückführungsvorrichtung 80.
Darüberhinaus ist die Abgasrückführungsvorrichtung 80 mit
dem Ansaugkrümmer 18 verbunden, um die Verbrennungstemperatur
zu steuern durch Mischen eines Teils des Abgases mit der Luft. Eine
derartige Steuerung der Verbrennungstemperatur wird durchgeführt
durch Steuern der Abgasmenge, welche dem Ansaugkrümmer 18 zugeführt
wird, mittels des Steuerabschnitts 50.
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Ein
erster Sauerstoffsensor 25 ist an der Abgasleitung 20 stromabwärts
der Abgasrückführungsvorrichtung 80 montiert
und detektiert die Sauerstoffmenge in dem Abgas, welches durch die
Abgasrückführungsvorrichtung 80 strömt.
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Der
zweite Injektor 90 ist an der Abgasleitung 20 stromabwärts
der Abgasrückführungsvorrichtung 80 montiert,
ist elektrisch mit dem Steuerabschnitt 50 verbunden und
führt eine zusätzliche Einspritzung von Kraftstoff
in die Abgasleitung 20 durch gemäß der
Steuerung durch den Steuerabschnitt 50.
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Der
Partikelfilter 30 ist stromabwärts des zweiten
Injektors 90 an der Abgasleitung 20 montiert. Ein
Dieselkraftstoff-Crackkatalysator ist stromaufwärts des
Partikelfilters 30 bereitgestellt. Hier ist der Dieselkraftstoff-Crackkatalysator 32 zwischen
dem zweiten Injektor 90 und dem DE-NOx-Katalysator 40 angeordnet.
Hier ist der Dieselkraftstoff-Crackkatalysator 32 separat
beziehungsweise getrennt von dem Partikelfilter 30 bereitgestellt,
jedoch kann der Dieselkraftstoff-Crackkatalysator 32 als
eine Beschichtung an einem vorderen Abschnitt des Partikelfilters 30 vorgesehen
sein.
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Der
Dieselkraftstoff-Crackkatalysator 32 trennt/spaltet einen
Kettenring von Kohlenstoffverbindungen, welche in dem Kraftstoff
enthalten sind, durch eine katalytische Reaktion, um die Kohlenstoffverbindungen
abzubauen beziehungsweise zu zersetzen. Das heißt, der
Dieselkraftstoff-Crackkatalysator 32 trennt den Kettenring,
welcher den Kohlenwasserstoff ausmacht, und spaltet den Kraftstoff durch
thermisches Cracken. Daher steigt die effektive Reaktionsfläche
des zusätzlich eingespritzten Kraftstoffes an, wodurch
Kohlenwasserstoff erzeugt wird, welcher hochreaktiven Sauerstoff
(sauerstoffhaltiger HC), CO und H2 aufweist.
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Das
thermische Cracken läuft wie folgt ab: C16H34 → 2n-C8H17* → n-C6H13* → n-C4H9* → C2H5* → C2H4
Gleichung
(1)
C16H34 → 8C2H4 + H2
Gleichung (2)
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Hier
bezeichnet * ein Radikal.
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Hier
repräsentiert der Kohlenwasserstoff sämtliche
Verbindungen, welche aus Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen und
in dem Abgas und dem Kraftstoff enthalten sind.
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Ein
Dieselpartikelfilter (DPF) 30, welcher eine Art von Partikelfilter 30 ist,
ist stromabwärts des Dieselkraftstoff-Crackkatalysators 32 montiert
und fängt Feinstaub (PM), welcher in dem Abgas enthalten
ist, welches durch die Abgasleitung 20 strömt.
In dieser Beschreibung repräsentieren der Partikelfilter 30 und
der Dieselpartikelfilter 30 den gleichen Filter. Jedoch
können andere Arten von Partikelfiltern 30 (zum
Beispiel ein katalytischer Partikelfilter (CPF)) an Stelle des Dieselpartikelfilters 30 verwendet
werden.
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Darüberhinaus
kann ein Oxidationskatalysator in Form einer Beschichtung an dem
Dieselpartikelfilter 30 vorgesehen sein. Ein derartiger
Oxidationskatalysator oxidiert Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxid,
welche in dem Abgas enthalten sind, zu Kohlenstoffdioxid, und oxidiert Stickstoffmonoxid, welches
in dem Abgas enthalten ist, zu Stickstoffdioxid. Der Oxidationskatalysator
kann im Wesentlichen an einem bestimmten Bereich des Partikelfilters 30 als
Beschichtung aufgebracht sein oder kann gleichmäßig über
dem gesamten Bereich des Partikelfilters 30 als Beschichtung
angebracht sein.
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Ein
erster Temperatursensor 35 ist stromaufwärts des
Dieselkraftstoff-Crackkatalysators 32 an der Abgasleitung 20 montiert
und detektiert eine Einlasstemperatur des Dieselkraftstoff-Crackkatalysators 32.
Ein zweiter Temperatursensor 36 ist stromabwärts
des Dieselkraftstoff-Crackkatalysators 32 montiert und
detektiert eine Auslasstemperatur des Dieselkraftstoff-Crackkatalysators 32 beziehungsweise eine
Einlasstemperatur des Partikelfilters 30.
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Darüberhinaus
ist ein Druckdifferenzsensor 55 an der Abgasleitung 20 montiert.
Der Druckdifferenzsensor 55 detektiert eine Druckdifferenz
zwischen dem Einlass und dem Auslass des Partikelfilters 30 und übermittelt
ein entsprechendes Signal an den Steuerabschnitt 50. Der
Steuerabschnitt 50 steuert eine Regeneration des Partikelfilters 30,
wenn die Druckdifferenz, welche durch den Druckdifferenzsensor 55 detektiert
wird, größer oder gleich einem vorbestimmten Wert
ist. In diesem Fall kann der erste Injektor 14 Kraftstoff
nacheinspritzen, um Ruß zu verbrennen, welcher in dem Partikelfilter 30 eingeschlossen
ist.
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Der
DE-NOx-Katalysator 40 ist stromabwärts des Partikelfilters 30 an
der Abgasleitung 20 montiert. Der DE-NOx-Katalysator 40 speichert
in dem Abgas enthaltenes Stickoxid und gibt das gespeicherte Stickoxid
durch die zusätzliche Einspritzung von Kraftstoff frei.
Darüberhinaus führt der DE-NOx-Katalysator 40 mit
dem freigegebenen/wieder abgegebenen Stickoxid eine Reduktionsreaktion
durch, um das in dem Abgas enthaltene Stickoxid zu reinigen.
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Ein
dritter Temperatursensor 60 und ein vierter Temperatursensor 65 sind
stromaufwärts beziehungsweise stromabwärts des
DE-NOx-Katalysators 40 montiert, um die Einlasstemperatur
beziehungsweise die Auslasstemperatur des DE-NOx-Katalysators 40 zu
detektieren. Hier ist der DE-NOx-Katalysator 40 in zwei
Teile aufgeteilt. Der Grund, warum der DE-NOx-Katalysator 40 in
zwei Teile aufgeteilt ist, ist der, dass das Verhältnis
bzw. der Anteil des Metalls, mit dem der jeweilige Teil beschichtet
ist, verändert werden kann, um eine bestimmte Funktion
durchzuführen/herbeizuführen. Zum Beispiel ist
die Wärmebeständigkeit eines ersten Teils 40,
welches nahe dem Motor 10 angeordnet ist, durch eine Erhöhung des
Palladiumanteils (Pd) gestärkt und der Kohlenwasserstoffschlupf
an einem zweiten Teil 40 durch eine Erhöhung des
Platinanteils (Pt) reduziert. Jedoch kann auch ein DE-NOx-Katalysator 40 verwendet
werden, bei dem der gesamte Bereich davon mit demselben Metallanteil
beschichtet ist.
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Darüberhinaus
ist ein zweiter Sauerstoffsensor 70 stromabwärts
des DE-NOx-Katalysators 40 an der Abgasleitung 20 montiert.
Der zweite Sauerstoffsensor 70 wird verwendet, um zu überwachen,
ob das Abgassystem gemäß verschiedenen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung die in dem Abgas enthaltenen Schadstoffe
normal reinigt.
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Der
Steuerabschnitt 50 bestimmt einen Fahrzustand des Motors
basierend auf Signalen, welche jeweils von den Sensoren 25, 35, 36, 55, 60, 65 und 70 übermittelt
werden, und steuert basierend auf dem Fahrzustand des Motors die
Kraftstoff-Zusatzeinspritzungs-Menge und den Kraftstoff-Zusatzeinspritzungs-Zeitpunkt.
Hierdurch steuert der Steuerabschnitt 50 die Freigabe/Abgabe
des gespeicherten Stickoxids durch den DE-NOx-Katalysator 40.
Wenn zum Beispiel die in dem DE-NOx-Katalysator 40 gespeicherte
Stickoxidmenge größer oder gleich einem vorbestimmten
Wert ist, so veranlasst der Steuerabschnitt 50 eine zusätzliche
Einspritzung von Kraftstoff.
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Darüberhinaus
steuert der Steuerabschnitt 50 das Verhältnis
von Kohlenwasserstoff zu Stickoxid in dem Abgas derart, dass dieses
größer oder gleich einem vorbestimmten Verhältnis
ist, um die Stickoxid-Reduktionsreaktion in dem DE-NOx-Katalysator 40 zu
aktivieren. Das vorbestimmte Verhältnis kann zum Beispiel
gleich 8 sein.
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Ferner
berechnet der Steuerabschnitt 50 die Stickoxidmenge, welche
in dem DE-NOx-Katalysator 40 gespeichert ist, die Stickoxid-Schlupfmenge
an einem hinteren Abschnitt des DE-NOx-Katalysators und das Verhältnis
von Kohlenwasserstoff zu Stickoxid basierend auf dem Fahrzustand
des Motors. Eine solche Berechnung erfolgt gemäß einer
Kennfeldtabelle, welche durch verschiedene Experimente bestimmt
wird.
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Darüberhinaus ändert
der Steuerabschnitt 50 mittels des zweiten Injektors 90 das
Kraftstoffeinspritzmuster gemäß dem Fahrzustand
des Motors, dem Zustand des Motors oder dem Zustand des DE-NOx-Katalysators.
Hier wird der Zustand des Motors unter Berücksichtigung
der Betriebsdauer des Motors abgeschätzt, und der Zustand
des DE-NOx-Katalysators wird unter Berücksichtigung des
Verschleißes bzw. der Verschlechterung des DE-NOx-Katalysators
abgeschätzt.
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Ferner
kann der Steuerabschnitt 50 den ersten Injektor 14 derart
steuern, dass dieser Kraftstoff nacheinspritzt, um die Stickoxid-Reduktionsreaktion in
dem DE-NOx-Katalysator 40 zu aktivieren, und zwar an Stelle
der zusätzlichen Einspritzung durch den zweiten Injektor 90.
In diesem Fall wird der nacheingespritzte Kraftstoff an dem Dieselkraftstoff-Crackkatalysator 32 in
ein hochreaktives Reduktionsmittel umgewandelt und treibt die Stickoxid-Reduktionsreaktion
in dem DE-NOx-Katalysator 40 voran. Folglich ist es verständlich,
dass die zusätzliche Einspritzung im Sinne dieser Beschreibung und
dieses Anspruchssatzes auch eine Nacheinspritzung umfasst.
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Im
Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 2 bis 4 der
DE-NOx-Katalysator genauer beschrieben.
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2 ist
eine schematische Ansicht, welche zeigt, dass Stickoxid in einem
DE-NOx-Katalysator gespeichert ist, welcher in einem Abgassystem
gemäß verschiedenen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
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3 ist
eine schematische Ansicht, welche zeigt, dass Stickoxid von einem
DE-NOx-Katalysator freigegeben ist, welcher in einem Abgassystem
gemäß verschiedenen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
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und 4 ist
eine schematische Ansicht, welche die Struktur einer ersten Katalysatorschicht
in einem DE-NOx-Katalysator zeigt, welcher in einem Abgassystem
gemäß verschiedenen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
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Wie
in den 2 und 3 gezeigt, weist der DE-NOx-Katalysator 40 eine
erste Katalysatorschicht 44 und eine zweite Katalysatorschicht 46 auf, welche
als Beschichtung auf einem Träger vorgesehen sind. Die
erste Katalysatorschicht 44 ist nahe dem Abgas angeordnet,
und die zweite Katalysatorschicht 46 ist nahe dem Träger
angeordnet.
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Die
erste Katalysatorschicht 44 oxidiert das in dem Abgas enthaltene
Stickoxid und reduziert einen Teil des oxidierten Stickoxids durch
eine Oxidations-Reduktions-Reaktion mit dem Kohlenwasserstoff, welcher
in dem nicht verbrannten Kraftstoff oder dem Abgas enthalten ist.
Darüberhinaus diffundiert der verbleibende Teil des oxidierten
Stickoxids in die zweite Katalysatorschicht 46. Die erste
Katalysatorschicht 44 weist zumindest einen von Zeolith-Katalysatoren 112 und
Metallkatalysatoren 114, welche in porösem Aluminiumoxid
getragen sind, auf, wie dies in 4 gezeigt
ist.
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Der
Zeolith-Katalysator 112 ist ein Katalysator, bei dem zumindest
ein Element, welches ausgewählt ist aus Kupfer, Platin,
Mangan, Eisen, Kobalt, Nickel, Zink, Silber, Cer und Gallium, ionenausgetauscht
ist. Die in dem Zeolith-Katalysator 112 auftretende chemische
Reaktion ist wie folgt: Z-Cu2+O– + NO → Z-Cu2+(NO2
–)ads → Z-Cu2+ +
NO2
Gl. (3)
Z+O– +
NO → Z+(NO2
–)ads → Z+ + NO2
Gl. (4)
Z-Cu2+(NO2
–)ads +
NO → Z-Cu2+N2O3
–
ads → Z-Cu2+O– + N2 +
O2
Gl.
(5)
Z-H+ + CnH2n → Z-CnH2n+1
+ → n(Z-H)
+ CnH2n
+
Gl. (6)
mNO2 + CnH2n + → CnH2nNmO2m → N2 + CO2 + H2O Gl. (7)
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Hier
bedeutet Z Zeolith und der tiefgestellte Index ”ads” bedeutet
Absorption bzw. Adsorption.
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Darüber
hinaus kann für die Metallkatalysatoren 114, welche
in dem porösen Aluminiumoxid getragen sind, zumindest ein
Metallelement verwendet werden, welches ausgewählt ist
aus der Gruppe, die aus Platin, Palladium, Rhodium, Iridium, Ruthenium, Wolfram,
Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt, Kupfer, Zink und Silber besteht. Die
in dem Metallkatalysator 114, welcher in dem porösen
Aluminiumoxid getragen ist, auftretende chemische Reaktion ist wie
folgt: NO + O2 → (NOx)ads
Gl. (8)
THC + (NOx)ads → THC-ONO
oder THC-NO2
Gl. (9)
THC-NO2 → THC-NCO Gl. (10)
THC-NCO + NO + O2 → N2 + CO2 + H2O Gl.
(11)
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Hier
bezeichnet THC Kohlenwasserstoff. Wie bereits oben beschrieben wurde,
repräsentiert der Kohlenwasserstoff sämtliche
Verbindungen, welche aus Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen und
in dem Abgas und dem Kraftstoff enthalten sind.
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Die
zweite Katalysatorschicht 46 speichert das durch die erste
Katalysatorschicht 44 diffundierte Stickoxid und gibt das
gespeicherte Stickoxid in Folge des zusätzlich eingespritzten
Kraftstoffes wieder ab, sodass das gespeicherte Stickoxid an der
ersten Katalysatorschicht 44 reduziert wird.
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Die
zweite Katalysatorschicht 46 weist ein Edelmetall 108 und
ein NOx-Speichermaterial 106 auf. Bariumoxid (BaO) kann
für das NOx-Speichermaterial 106 verwendet werden.
Das Edelmetall 108 hilft beziehungsweise unterstützt
das NOx-Speichermaterial 106 bei der Speicherung des Stickoxids. Verschiedene
Metallmaterialien, wie zum Beispiel Platin und Palladium, können
für das Edelmetall 108 verwendet werden.
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Im
Folgenden wird der Betrieb des DE-NOx-Katalysators im Detail beschrieben.
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Stickoxid-Speichermodus
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Wenn
von dem zweiten Injektor 90 kein zusätzlicher
Kraftstoff eingespritzt wird, wird das in dem Abgas enthaltene Stickoxid
in der ersten Katalysatorschicht 44 oxidiert. Ein Teil
des oxidierten Stickoxids wird zu Stickstoffgas reduziert durch
die Oxidations-Reduktions-Reaktion mit dem in dem Abgas enthaltenen
Kohlenwasserstoff. Hierbei wird der in dem Abgas enthaltene Kohlenwasserstoff
zu Kohlenstoffdioxid oxidiert. Die in der ersten Katalysatorschicht 44 ablaufende
chemische Reaktion kann verkürzt wie folgt beschrieben
werden: NO + 1/2O2 → NO2
Gl.
(12)
NO
+ HC → 1/2N2 + CO2
Gl. (13)
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Darüber
hinaus diffundieren der verbleibende Teil des oxidierten Stickoxids
sowie das in dem Abgas enthaltene Stickoxid in die zweite Katalysatorschicht 46.
Hierbei unterstützt das Edelmetall 108 der zweiten
Katalysatorschicht 46 das NOx-Speichermaterial 106 bei
der Speicherung des Stickoxids. Die in der zweiten Katalysatorschicht 46 ablaufende
chemische Reaktion kann verkürzt wie folgt beschrieben werden: BaO
+ 2NO2 + 1/2O2 → Ba(NO3)2Gl. (14)
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Stickoxid-Regenerationsmodus
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Wenn
von dem zweiten Injektor 90 zusätzlich Kraftstoff
eingespritzt wird, strömt der zusätzlich eingespritzte
Kraftstoff durch den Dieselkraftstoff-Crackkatalysator 32,
wo der Kraftstoff zu niedermolekularem Kohlenwasserstoff umgewandelt
wird. Darüber hinaus wird ein Teil des niedermolekularen
Kohlenwasserstoffs in sauerstoffhaltigen Kohlenwasserstoff umgewandelt
und strömt durch den DE-NOx-Katalysator 40.
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Zu
dieser Zeit wird das Stickoxid von der zweiten Katalysatorschicht 46 freigegeben
und zwar durch eine Austauschreaktion mit Kohlenwasserstoff, und
dies kann verkürzt wie folgt beschrieben werden: Ba(NO3)2 +
3CO → BaCO3 + 2NO + 2CO2
Gl.
(15)
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Darüberhinaus
werden in der ersten Katalysatorschicht 44 durch die Oxidations-Reduktions-Reaktion
des freigegebenen Stickoxids mit dem Kohlenwasserstoff und dem sauerstoffhaltigen
Kohlenwasserstoff das Stickoxid zu Stickstoffgas reduziert und der
Kohlenwasserstoff und der sauerstoffhaltige Kohlenwasserstoff zu
Kohlenstoffdioxid oxidiert. Dies kann verkürzt wie folgt
beschrieben werden: NO + HC/sauerstoffhaltiger
HC = 1/2N2 + CO2
Gl. (16)
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Somit
werden das Stickoxid und der Kohlenwasserstoff, welche in dem Abgas
enthalten sind, gereinigt.
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5 ist
ein Blockdiagramm, welches die Beziehung des Eingangs und des Ausgangs
eines Steuerabschnitts zeigt, welcher in einem Abgassystem gemäß verschiedenen
Ausführungsformen gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet wird.
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Wie
in 5 gezeigt ist, werden die Werte, welche von dem
ersten und dem zweiten Sauerstoffsensor 25 und 70,
dem ersten, zweiten, dritten und vierten Temperatursensor 35, 36, 60 und 65,
einem Drehzahlsensor 75 und einem Zeitgeber 85 ermittelt werden,
an den Steuerabschnitt 50 übermittelt.
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Der
Steuerabschnitt 50 bestimmt basierend auf den detektierten
Werten den Fahrzustand des Motors, die Kraftstoff-Zusatzeinspritzungs-Menge und
die Kraftstoff-Zusatzeinspritzungs-Zeitsteuerung sowie das Zusatzeinspritzungsmuster
und gibt ein Signal zum Steuern des zweiten Injektors 90 an
den zweiten Injektor 90 aus.
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Der
Drehzahlsensor 75 detektiert die Drehzahl des Motors und übermittelt
ein entsprechendes Signal an den Steuerabschnitt 50.
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Der
Zeitgeber 85 wird eingeschalten, wenn die Regeneration
des DE-NOx-Katalysators abgeschlossen ist oder wenn der Fahrzustand
des Motors sich verändert und die Kraftstoff-Zusatzeinspritzung während
der Regeneration des DE-NOx-Katalysators gestoppt wird. Dagegen
wird der Zeitgeber 85 zurückgesetzt, wenn die
Kraftstoff-Zusatzeinspritzung in einem eingeschalteten Zustand des
Zeitgebers 85 begonnen wird.
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Darüber
hinaus umfasst das Abgassystem gemäß verschiedenen
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine Mehrzahl
von Sensoren, welche nicht in 5 gezeigt
sind, aber für das bessere Verständnis und eine
einfachere Beschreibung wird die Beschreibung davon ausgelassen.
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Im
Folgenden wird im Detail ein Verfahren zum Reinigen von Stickoxiden
in einem Abgas gemäß verschiedenen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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6 ist
ein Flussdiagramm zur Durchführung eines Verfahrens zum
Reinigen von Stickoxiden in einem Abgas gemäß verschiedenen
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
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Wie
in 6 gezeigt ist, bestimmt der Steuerabschnitt 50 während
des Betriebs des Motors in dem Schritt S210 den Fahrzustand des
Motors basierend auf den von den Sensoren 25, 35, 36, 55, 60, 65, 70 und 75 ermittelten
Werten.
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Der
Steuerabschnitt 50 berechnet die Stickoxid-Erzeugungsmenge
basierend auf dem Fahrzustand des Motors und ermittelt basierend
auf der Stickoxid-Erzeugungsmenge, ob die in dem DE-NOx-Katalysator 40 gespeicherte
Stickoxidmenge größer oder gleich der vorbestimmten
Stickoxidmenge ist (Schritt S220).
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Wenn
in dem Schritt S220 die gespeicherte Stickoxidmenge kleiner ist
als die vorbestimmte Stickoxidmenge, berechnet der Steuerabschnitt 50 weiterhin
die gespeicherte Menge von Stickoxid basierend auf dem Fahrzustand
des Motors.
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Wenn
die gespeicherte Stickoxidmenge in dem Schritt S220 größer
oder gleich der vorbestimmten Stickoxidmenge ist, ermittelt der
Steuerabschnitt 50 in dem Schritt S230, ob eine Kraftstoff-Zusatzeinspritzungs-Bedingung
erfüllt ist. Die Kraftstoff-Zusatzeinspritzungs-Bedingung
kann erfüllt sein, wenn der Motor normal betrieben wird
und sich nicht in einem Leerlaufzustand befindet, ein Schalten nicht
auftritt, eine gegenwärtige Schaltgetriebestufe größer
oder gleich einer ersten Vorwärtsgetriebestufe ist, die
Einlasstemperatur des DE-NOx-Katalysators innerhalb eines Katalysator-Aktivierungstemperatur-Bereichs (zum
Beispiel 200°C bis 600°C) liegt, die Motordrehzahl
innerhalb eines vorbestimmten Drehzahlbereichs ist und keine sukzessive
Regeneration auftritt. Um zu bestimmen, ob der Motor normal betrieben wird,
werden zusätzlich die Kraftstofftemperatur, die Ansauglufttemperatur,
der Atmosphärendruck, eine Kühlmitteltemperatur
und die Kraftstoffeinspritzmenge detektiert. Darüber hinaus
findet die Stickoxid-Reduktionsreaktion nicht normal statt, wenn
die Temperatur in dem DE-NOx-Katalysator zu hoch oder zu niedrig
ist. Daher wird die Regeneration des DE-NOx-Katalysators 40 verhindert/unterbunden, wenn
die Einlasstemperatur des DE-NOx-Katalysators zu hoch oder zu niedrig
ist. Darüberhinaus wird die Regeneration des DE-NOx-Katalysators 40 auch dann
verhindert, wenn die Regeneration des DE-NOx-Katalysators 40 gerade
beendet wurde oder wenn eine vorbestimmte Zeit nach Beendigung der Regeneration
des DE-NOx-Katalysators 40 noch nicht verstrichen ist.
Das heißt, die sukzessive Regeneration des DE-NOx-Katalysators 40 wird
verhindert.
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Wenn
die Kraftstoff-Zusatzeinspritzungs-Bedingung in dem Schritt S230
nicht erfüllt ist, bestimmt der Steuerabschnitt 50 in
dem Schritt S230 weiterhin, ob die Kraftstoff-Zusatzeinspritzungs-Bedingung
erfüllt ist.
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Wenn
die Kraftstoff-Zusatzeinspritzungs-Bedingung in dem Schritt S230
erfüllt ist, ermittelt der Steuerabschnitt 50 in
dem Schritt S240, ob die Kraftstoff-Zusatzeinspritzungs-Zeitbedingung
erfüllt ist. Das heißt, da die Kraftstoffzusatzeinspritzung
in dem Schritt S230 betriebsbereit ist, wird der Kraftstoff zusätzlich
eingespritzt, wenn die Kraftstoff-Zusatzeinspritzungs-Zeitbedingung
erfüllt ist. Die Kraftstoff-Zusatzeinspritzungs-Zeitbedingung
kann erfüllt sein, wenn eine Stickoxid-Schlupfmenge an
dem hinteren Abschnitt des DE-NOx-Katalysators 40 größer
oder gleich einer vorbestimmten Schlupfmenge ist, die in dem DE-NOx-Katalysator 40 gespeicherte
Stickoxidmenge größer oder gleich einer vorbestimmten
Menge ist (die vorbestimmte Menge kann bei diesem Schritt größer
sein als bei dem Schritt S220) oder ein Verhältnis von
Kohlenwasserstoff zu Stickoxid größer oder gleich
einem vorbestimmten Verhältnis ist. Die vorbestimmte Schlupfmenge,
die vorbestimmte Menge und das vorbestimmte Verhältnis
können gemäß dem Zustand des Motors 10 und
dem Zustand des DE-NOx-Katalysators 40 durch einen Fachmann festgelegt
werden.
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Wenn
in dem Schritt S240 die Kraftstoff-Zusatzeinspritzungs-Zeitbedingung
nicht erfüllt ist, ermittelt der Steuerabschnitt 50 in
dem Schritt S240 weiterhin, ob die Kraftstoff-Zusatzeinspritzungs-Zeitbedingung
erfüllt ist.
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Wenn
die Kraftstoff-Zusatzeinspritzungs-Zeitbedingung in dem Schritt
S240 erfüllt ist, ermittelt der Steuerabschnitt 250 in
dem Schritt S250 das Kraftstoff-Zusatzeinspritzungs-Muster. Wie
oben beschrieben, steuert der Steuerabschnitt 50 den zweiten
Injektor 90, um das Kraftstoff-Zusatzeinspritzungs-Muster
gemäß dem Fahrzustand des Motors, dem Zustand
des Motors oder dem Zustand des DE-NOx-Katalysators zu verändern.
Das Kraftstoff-Zusatzeinspritzungs-Muster wird hauptsächlich durch
die Anzahl von Einspritzungszeitpunkten und der Einspritzungsdauer
bestimmt (das heißt, Pulsbreite des Schließ/Öffnungs-Signals
eines Ventileingangs an den zweiten Injektor 90). Daher
ermittelt der Steuerabschnitt 50 eine optimale Anzahl von
Einspritzzeitpunkten und eine optimale Einspritzdauer gemäß dem
Fahrzustand des Motors, dem Zustand des Motors, oder dem Zustand
des DE-NOx-Katalysators.
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Anschließend
steuert der Steuerabschnitt 50 den zweiten Injektor 90 derart,
dass dieser gemäß dem ermittelten Kraftstoff-Zusatzeinspritzungs-Muster
zusätzlich Kraftstoff einspritzt, und als eine Konsequenz
davon, dass der zweite Injektor 90 in dem Schritt S260
zusätzlich Kraftstoff einspritzt, wird der DE-NOx-Katalysator 40 regeneriert.
Die Regeneration des DE-NOx-Katalysators 40 bedeutet, dass
das in dem DE-NOx-Katalysator 40 gespeicherte Stickoxid
wieder abgegeben wird.
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Während
der DE-NOx-Katalysator 40 regeneriert wird, ermittelt der
Steuerabschnitt 50 in dem Schritt S270, ob der Fahrzustand
des Motors, der Zustand des Motors oder der Zustand des DE-NOx-Katalysators 40 sich
verändert. Eine Veränderung des Fahrzustands des
Motors, des Zustands des Motors oder der Zustands des DE-NOx-Katalysators
bedeutet, dass die Regeneration des DE-NOx-Katalysators 40 verhindert werden
sollte. Eine Veränderung des Fahrzustands des Motors, des
Zustands des Motors oder des Zustands des DE-NOx-Katalysators kann derart
sein, dass ein Schaltsignal detektiert wird, die Motordrehzahl außerhalb
des vorbestimmten Drehzahlbereichs liegt bzw. diesen verlässt
oder die Einlasstemperatur des DE-NOx-Katalysators 40 außerhalb
des Katalysator-Aktivierungstemperatur-Bereichs liegt bzw. diesen
verlässt. Darüber hinaus sind in der Veränderung
des Fahrzustands des Motors, des Zustands des Motors oder des Zustands
des DE-NOx-Katalysators alle Zustände enthalten, bei denen
ein Fachmann bestimmen würde, dass die Regeneration des
DE-NOx-Katalysators 40 verhindert werden sollte.
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Wenn
sich der Fahrzustand des Motors, der Zustand des Motors oder der
Zustand des DE-NOx-Katalysators in dem Schritt S270 nicht verändert,
bestimmt der Steuerabschnitt 50 in dem Schritt S290, ob
die Regeneration des DE-NOx-Katalysators 40 abgeschlossen
ist. Wenn sich der Fahrzustand des Motors, der Zustand des Motors
oder der Zustand des DE-NOx-Katalysators in dem Schritt S270 verändert,
steuert der Steuerabschnitt 50 den zweiten Injektor 90 derart,
dass dieser in dem Schritt S280 die Kraftstoff-Zusatzeinspritzung
stoppt, wobei das Verfahren zu dem Schritt S230 zurückkehrt.
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Wenn
die Regeneration des DE-NOx-Katalysators 40 nicht abgeschlossen
ist, kehrt das Verfahren zu dem Schritt S260 zurück. Wenn
hingegen die Regeneration des DE-NOx-Katalysators 40 abgeschlossen
ist, ist das Verfahren zum Reinigen von Stickoxiden in einem Abgas
gemäß verschiedenen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung beendet.
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung kann die Reinigungseffizienz bezüglich
der Stickoxide, welche in dem Abgas enthalten sind, verbessert werden durch
präzises Steuern der Zusatzeinspritzungs-Kraftstoffmenge
gemäß dem Fahrzustand des Motors.
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Darüberhinaus
wird, da zusätzlich eingespritzter Kraftstoff durch einen
Dieselkraftstoff-Crackkatalysator aktiviert wird, die Oxidations-Reduktions-Reaktion,
welche in einem DE-NOx-Katalysator auftritt, ebenfalls aktiviert.
Daher kann die Reinigungseffizienz bezüglich Stickoxid,
welches in dem Abgas enthalten ist, weiter verbessert werden.
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Zur
Erleichterung der Beschreibung und genauen Definition in den angehängten
Ansprüchen wurden die Begriffe ”oben”, ”vorne” oder ”hinten” etc. verwendet,
um Merkmale der als Beispiel dienenden Ausführungsformen
mit Bezug auf die Positionen solcher Merkmale wie sie in den Figuren
gezeigt sind zu beschreiben.
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Die
vorhergehende Beschreibung von spezifischen als Beispiel dienenden
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurde präsentiert
zum Zwecke der Illustration und Beschreibung. Sie soll nicht erschöpfend
sein oder dazu dienen, die Erfindung auf genau die offenbarten Formen
zu beschränken, und selbstverständlich sind im
Lichte der obigen Lehre viele Modifikationen und Variationen möglich. Die
als Beispiel dienenden Ausführungsformen wurden ausgewählt
und beschrieben, um bestimmte Prinzipien der Erfindung und ihre
praktische Anwendung zu erläutern, um hierdurch Fachleuten
zu ermöglichen, verschiedene als Beispiel dienende Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sowie verschiedene Alternativen und Modifikationen
davon herzustellen und anzuwenden. Es ist beabsichtigt, dass der
Umfang der Erfindung durch die hieran angehängten Ansprüche
sowie ihre Äquivalente definiert wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - KR 10-2009-0070987 [0001]