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DE19681452C2 - Abgasemissions-Steuervorrichtung für Dieselmotoren - Google Patents

Abgasemissions-Steuervorrichtung für Dieselmotoren

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Publication number
DE19681452C2
DE19681452C2 DE19681452T DE19681452T DE19681452C2 DE 19681452 C2 DE19681452 C2 DE 19681452C2 DE 19681452 T DE19681452 T DE 19681452T DE 19681452 T DE19681452 T DE 19681452T DE 19681452 C2 DE19681452 C2 DE 19681452C2
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DE
Germany
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control device
reforming catalyst
air
fuel
diesel
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Koutaro Wakamoto
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Original Assignee
Komatsu Ltd
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Publication date
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Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Abgasemissions-Steuervorrichtung für Dieselmotoren, von welcher NOx eliminiert wird, indem es auf N2, H2O, CO2 oder dergleichen reduziert wird.
Stand der Technik
Herkömmlicherweise ist ein Verfahren bekannt, bei dem Kohlenwasserstoff im Abgas zwangsangereichert wird und mit einem Übergangsmetall, welches einen Metall-Silikat-Katalysator trägt, wie einen Kupfer/Zeolith-Katalysator, oder einem Übergangsmetall, welches einen Oxid-Katalysator trägt, wie einen Kupfer/Aluminium-Katalysator, in Kontakt gebracht wird, um NOx im Abgas zu reduzieren und zu eliminieren. Bei den herkömmlichen Verfahren wird Ethylen, Propylen oder Dieselkraftstoff, wie z. B. Kerosin und dünnflüssiges Öl, als Reduktionsmittel-Kohlenwasserstoff verwendet. Um jedoch NOx eliminieren zu können, ist eine große Menge an Reduktionsmittel notwendig. Als ein konkretes Beispiel ist unter tatsächlichen Bedingungen von Dieselabgas Kohlenwasserstoff mit dem zweieinhalbfachen bis vierfachen Gewicht von jenem von NOx, erforderlich, um NOx, zu reduzieren und zu eliminieren.
Im Gegensatz zu dem oben genannten ist in der japanischen Patentanmeldung mit der Offenlegungs-Nr. 6-327974 beschrieben, daß die erforderliche Menge an Reduktionsmittel wesentlich vermindert werden kann, indem eine Alkoholgruppe (insbesondere Ethanol) als Reduktionsmittel verwendet wird. Jedoch sind Ethanol und Propanol im Vergleich zu Ethylen und Dieselkraftstoff teurer, und ferner ist es notwendig, eine zusätzliche Substanz als Reduktionsmittel separat herzustellen, so daß der oben genannte Stand der Technik nicht als praktikabel angesehen werden kann.
In der japanischen Patentanmeldung mit der Offenlegungs-Nr. 5- 133218 ist vorgeschlagen, daß der Kraftstoff in eine Mehrzahl von eine Alkoholgruppe aufweisenden Substanzen reformiert und als Reduktionsmittel verwendet wird. Da jedoch das Reduktionsmittel, welches nach dem Reformieren erzielt wird, einer Art ist, welche nicht auf eine Sauerstoff enthaltende Verbindung, wie insbesondere eine Alkoholgruppe, abzielt, treten Nachteile auf, daß
  • a) der Ertrag an einer Sauerstoff enthaltenden Verbindung, wie z. B. einer Alkoholgruppe, gering ist und daß
  • b) sich Kohlenstoffablagerungen auf der Oberfläche eines Reformierkatalysators bilden, so daß sich leicht die Wirkung des Reformierkatalysators verringert.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung sieht vor, die Nachteile des oben beschriebenen Standes der Technik zu beseitigen, und es ist ihre Aufgabe, eine Abgasemissions-Steuervorrichtung für Dieselmotoren zu schaffen, welche klein und einfach ist und welche NOx im Abgas wirksam zu N2, H2O, CO2 reduziert, um dasselbe zu eliminieren.
Eine Abgasemissions-Steuervorrichtung für Dieselmotoren gemäß der Erfindung ist eine Abgasemissions-Steuervorrichtung für Dieselmotoren, mit einem Reformierkatalysator zum Reformieren von Dieselkraftstoff, wie beispielsweise Kerosin oder dergleichen, zu Reduktions-Kohlenwasserstoff und zum Einleiten des Reduktions-Kohlenwasserstoffs in ein Auspuffrohr, und einem NOx-Katalysator, welcher in dem Auspuffrohr an der Position stromabwärts von der Einleitungsstelle angeordnet ist und welcher NOx in dem Abgas von dem Dieselmotor reduziert und steuert, und ist dadurch gekennzeichnet, daß der Reformierkatalysator ein Reformierkatalysator ist, von welchem entweder eine Mischung aus dem Dieselkraftstoff und Wasser oder eine Mischung aus dem Dieselkraftstoff, Wasser und Luft zu einer Sauerstoff enthaltenden Verbindung reformiert wird und die Sauerstoff enthaltende Verbindung in das Auspuffrohr eingeleitet wird. Es ist vorteilhaft, daß die Sauerstoff enthaltende Verbindung eine Alkoholgruppe mit zwei oder mehr Kohlenstoffatomen ist.
Es ist ferner vorteilhaft, daß die Abgasemissions- Steuervorrichtung aufweist: Durchfluß-Steuervorrichtungen zum jeweiligen Steuern des Durchflusses des Dieselkraftstoffs, des Wassers und der Luft und zum Zuführen des Dieselkraftstoffs, des Wassers bzw. der Luft an den Reformierkatalysator, eine Einlaßtemperatur-Erfassungsvorrichtung zum Erfassen der Einlaßtemperatur des NOx-Katalysators und eine Steuervorrichtung zum Empfangen eines Temperatursignals von der Einlaßtemperatur-Erfassungsvorrichtung und zum Ausgeben von Zuführ-Durchflußsignalen an die jeweilige Durchfluß- Steuervorrichtung. Es kann geeignet sein, daß die Abgasemissions-Steuervorrichtung eine in dem Auspuffrohr an der Position stromaufwärts von dem NOx-Katalysator angeordnete Reduktionsmittelkraftstoff-Zuführdüse und als Zuführquellen des Dieselkraftstoffs, des Wassers bzw. der Luft einen Kraftstofftank, einen Wassertank und eine Luftquelle aufweist und daß der Reformierkatalysator zwischen der Reduktionsmittelkraftstoff-Zuführdüse und dem Kraftstofftank, dem Wassertank und der Luftquelle angeordnet ist. Der Reformierkatalysator kann in dem Auspuffrohr an der Position stromaufwärts von dem NOx-Katalysator angeordnet sein. Die Abgasemissions-Steuervorrichtung für Dieselmotoren kann eine Reformierkatalysatordüse aufweisen, welche in dem Auspuffrohr an der Position stromaufwärts von dem NOx-Katalysator angeordnet ist, wobei mit an der Reformierdüse angebrachtem Reformierkatalysator der Kraftstofftank, der Wassertank und die Luftquelle durch Rohrleitungen mit der Reformierkatalysatordüse verbunden sein können. Der Reformierkatalysator kann seine Aktivkomponenten an einem Metallträger getragen oder gehalten haben.
Die Abgasemissions-Steuervorrichtung kann aufweisen: eine Motordrehzahl-Erfassungsvorrichtung zum Erfassen der Motordrehzahl des Dieselmotors und eine Einspritzmengen- Erfassungsvorrichtung zum Erfassen der Kraftstoff-Einspritzrate an den Dieselmotor, wobei die Steuervorrichtung basierend auf der erfaßten Motordrehzahl und der erfaßten Kraftstoff- Einspritzrate die Last an dem Dieselmotor berechnen kann und basierend auf der berechneten Last an die jeweilige Durchfluß- Steuervorrichtung Zuführ-Durchflußsignale ausgeben kann. Ferner kann die Abgasemissions-Steuervorrichtung für Dieselmotoren aufweisen: eine Reformierkatalysatortemperatur- Erfassungsvorrichtung zum Erfassen der Temperatur des Reformierkatalysators und eine Atmosphärentemperatur- Erfassungsvorrichtung zum Erfassen der Temperatur der Athmosphäre, wobei die Steuervorrichtung basierend auf wenigstens eine der von den Temperatur-Erfassungsvorrichtungen erfaßten Temperaturen und der berechneten Last Zuführ- Durchflußsignale an die jeweilige Durchfluß-Steuervorrichtung ausgeben kann. Die Abgasemissions-Steuervorrichtung für Dieselmotoren kann die Reformierkatalysatortemperatur- Erfassungsvorrichtung zum Erfassen der Temperatur des Reformierkatalysators aufweisen, wobei die Steuervorrichtung von der Reformierkatalysatortemperatur-Erfassungsvorrichtung und der Einlaßtemperatur-Erfassungsvorrichtung Temperatursignale empfangen kann und Zuführ-Durchflußsignale an die jeweilige Durchfluß-Steuervorrichtung ausgeben kann.
Die Steuervorrichtung kann an die Durchfluß-Steuervorrichtungen einen Befehl zum lediglichen Zuführen von Luft für lediglich eine bestimmte Zeitdauer ausgeben, wenn Dieselkraftstoff, Wasser und Luft zugeführt werden, oder einen Befehl an die Durchfluß-Steuervorrichtungen zum lediglichen Zuführen von Luft ausgeben, wenn Dieselkraftstoff, Wasser und Luft nicht zugeführt werden, wobei durch das ledigliche Zuführen von Luft an den Reformierkatalysator, der Reformierkatalysator, welcher sich durch Zusetzen verschlechtert hat, regeneriert werden kann. Eine Luftleitung zum Verbrennen von Kohlenstoffablagerungen und zum Regenerieren des Reformierkatalysators kann mit dem Reformierkatalysator verbunden sein. Der Ladedruck eines an dem Dieselmotor angebrachten Turboladers kann als eine Luftquelle zum Zuführen von Luft an den Reformierkatalysator verwendet werden.
Gemäß dem Aufbau der oben beschriebenen Erfindung wird, wenn dem Dieselkraftstoff Wasser hinzugefügt wird, eine Mischung aus dem Dieselkraftstoff und Wasser wirksam zu einer Sauerstoff enthaltenden Verbindung reformiert. Wenn ferner Luft hinzugefügt wird, dann wird eine Mischung aus dem Diesel, dem Wasser und der Luft in fast doppelt so starkem Maße als die oben genannte Mischung zu einer Sauerstoff enthaltenden Verbindung reformiert. Demgemäß kann eine Sauerstoff-Verbindung lediglich durch Vorsehen eines Wassertanks an dem Fahrzeug wirksam erzielt werden. Durch Verändern des Verhältnisses des Dieselkraftstoffs, des Wassers und der Luft in Abhängigkeit von den Antriebsbedingungen des Dieselmotors und der Temperatur des Reformierkatalysators oder des NOx-Katalysators kann eine geeignete Menge an Reduktionsmittelkraftstoff erzielt werden, so daß NOx effektiver eliminiert werden kann. Durch ledigliches Zuführen von Luft an die Oberfläche des Reformierkatalysators wird während des Krackens daran zu haften gekommener Kohlenstoff verbrannt, und die Ablagerung kann beseitigt werden, so daß die Wirkung des Reformierkatalysators wiederhergestellt werden kann. Ferner kann durch ledigliches Zuführen von Luft an die Reformierkatalysatordüse Reduktionsmittelkraftstoff, welcher durch Wärme geronnen ist, beseitigt werden, so daß Reformiermittel-Kraftstoff unter einem stabilen Zustand in das Auspuffrohr eingeleitet werden kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 zeigt ein allgemein erläuterndes Schema einer Abgasemissions-Steuervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2A und 2B zeigen einen Reformierkatalysator gemäß der ersten Ausführungsform, wobei Fig. 2A eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts von einem Teil zeigt und Fig. 2B eine Schnittansicht eines Metallträgerabschnitts zeigt, welcher ein vergrößerter 2B-Teil aus Fig. 2A ist;
Fig. 3 zeigt ein erläuterndes Schema eines wesentlichen Abschnitts der Abgasemissions-Steuervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht einer Reformierkatalysatordüse gemäß der zweiten Ausführungsform;
Fig. 5 zeigt ein Schaubild, welches bezogen auf die zweite Ausführungsform ein Beispiel jenes Wegs zeigt, um basierend auf einem Motordrehzahlverhältnis und einem Motorlastverhältnis eine Reduktionsmittelkraftstoff-Zuführmenge zu ermitteln;
Fig. 6 zeigt ein Matrix-Schema zum Ermitteln des Verhältnisses von Dieselkraftstoff, Wasser und Luft gemäß der zweiten Ausführungsform; und
Fig. 7 zeigt ein auf die zweite Ausführungsform bezogenes Flußdiagramm.
Beste Art zum Ausführen der Erfindung
Eine bevorzugte Ausführungsform gemäß der Erfindung wird mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im folgenden detailliert beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine Abgasemissions-Steuervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform, wobei ein Auspuffrohr 2 von einem Dieselmotor 1 mit einem NOx-Katalysator 3 zum Steuern von NOx in den Abgasemissionen vorgesehen ist. Der Dieselmotor 1 ist mit einem Motordrehzahlsensor (Motordrehzahl- Erfassungsvorrichtung) 4 zum Erfassen der Motordrehzahl und mit einem Einspritzrate-Erfassungssensor (Einspritzrate- Erfassungsvorrichtung) 5 zum Erfassen der Kraftstoff- Einspritzrate versehen, welche von einem Gaspedal (in der Zeichnung nicht dargestellt) gesteuert wird. Eine Abgasemissions-Steuervorrichtung 9 für den Dieselmotor 1, welche dem Abgas Reduktionsmittelkraftstoff hinzufügt, ist zwischen dem Dieselmotor 1 und dem NOx-Katalysator 3 angeordnet. Die Abgasemissions-Steuervorrichtung 9 weist eine Reduktionsmittelkraftstoff-Zuführdüse 7, einen Reformierkatalysatorabschnitt 10 und einen Steuerabschnitt 50 auf. Die Reduktionsmittelkraftstoff-Zuführdüse 7 ist an dem Auspuffrohr 2 zwischen dem Dieselmotor 1 und dem NOx- Katalysator 3 angebracht.
Der Reformierkatalysatorabschnitt 10 weist einen Reformierkatalysator-Schichtabschnitt 11, einen Kraftstoffzuführabschnitt 20, einen Wasserzuführabschnitt 30 und einen Luftzuführabschnitt 40 auf. Der Reformierkatalysator- Schichtabschnitt 11 besteht aus einem Reformierkatalysator 12 und einer elektrischen Heizung 13 zum Heizen des Reformierkatalysators 12. Wie aus den Fig. 2A und 2B ersichtlich ist, besteht der Reformierkatalysator 12 aus einem wabenförmigen Metallträger 14, welcher in einem Gehäuse 13 untergebracht ist, und einem Katalysator 15 aus einem Silika- Aluminium-Katalysator, aus einem Nickel-Katalysator, aus einem Wolfram-Katalysator oder aus dergleichen. Der Metallträger 14 kann eine Polygonform, wie beispielsweise eine dreieckige, eine viereckige (entspricht der Gestalt des Metallträgers 14 nach Fig. 2A) oder eine hexagonale Form aufweisen und kann Material wie beispielsweise Schaummetall oder poröses Metall aufweisen. Wie aus Fig. 2B ersichtlich ist, kann der Katalysator 15 in einer Schichtform an dem Metallträger 14 angeordnet sein, mit einer porösen, anorganischen, feuerfesten Verbindung, wie beispielsweise γ-Aluminium, welche darauf verstreute, feine Partikel wie beispielsweise aus Silika-Aluminium-Gruppen, Nickel oder Wolfram trägt.
Der Reformierkatalysator-Schichtabschnitt 11 ist mit einem Reformierkatalysator-Temperatursensor (Reformierkatalysatortemperatur-Erfassungsvorrichtung) 16 zum Messen der Temperatur des Reformierkatalysators 12 versehen. Ferner ist eine Ausblasleitung 17 mit dem Reformierkatalysator- Schichtabschnitt 11 verbunden, wobei die Ausblasleitung 17 als Leitung speziell dafür verwendet wird, um Ausblasluft zum Regenerieren des Katalysators 15, welcher sich durch Ablagerungen verschlechtert hat, zuzuführen.
Der Kraftstoffzuführabschnitt 20 besteht aus einem Kraftstofftank 21, einer Kraftstoffpumpe 22 und einem Kraftstoffdurchfluß-Steuerventil (Durchfluß-Steuervorrichtung) 23 zum Steuern des Durchflusses des zuzuführenden Kraftstoffs. Als Kraftstofftank 21 kann auch ein Tank verwendet werden, in welchem der zum Betreiben des Motors vorgesehene Kraftstoff untergebracht ist. Der Wasserzuführabschnitt 30 besteht aus einem Wassertank 31, einer Wasserpumpe 32 und einem Wasserdurchfluß-Steuerventil (Durchfluß-Steuervorrichtung) 33 zum Steuern des Durchflusses des zuzuführenden Wassers. Ein Luftzuführabschnitt 40 besteht aus einem Kompressor (Luftquelle) 41 und einem Luftdurchfluß-Steuerventil (Durchfluß-Steuervorrichtung) 42 zum Steuern des Durchflusses der zuzuführenden Luft.
Der Steuerabschnitt 50 weist eine Steuervorrichtung 51, den Motordrehzahlsensor 4, den Einspritzrate-Erfassungssensor 5 und einen Atmosphärentemperatur-Sensor (Atmosphärentemperatur- Erfassungsvorrichtung) 52 auf. Auf das Empfangen eines Signals von dem Motordrehzahl-Sensor 4, dem Einspritzrate- Erfassungssensor 5 und dem Atmosphärentemperatur-Sensor 52 ermittelt die Steuervorrichtung 51 das Verhältnis von Kraftstoff, Wasser und Luft, welches in einem Speicherabschnitt gespeichert ist, und gibt einen Befehl an das Kraftstoffdurchfluß-Steuerventil 23, das Wasserdurchfluß- Steuerventil 33 und das Luftdurchfluß-Steuerventil 42 aus.
Hinsichtlich eines anderen Verfahrens weist die Steuervorrichtung 51 einen Einlaßtemperatur-Erfassungssensor (Einlaßtemperatur-Erfassungsvorrichtung) 54 zum Erfassen der Einlaßtemperatur des NOx-Katalysators 3 in dem Auspuffrohr 2 auf, wobei nach dem Empfangen eines Abgasemissions- Temperatursignals von dem Einlaßtemperatur-Erfassungssensor 54 die Steuervorrichtung 51 einen Befehl an das Kraftstoffdurchfluß-Steuerventil 23, das Wasserdurchfluß- Steuerventil 33 und das Luftdurchfluß-Steuerventil 42 ausgibt. Der Reformierkatalysator-Temperatursensor 16 ist mit der Steuervorrichtung 51 verbunden.
Der Betrieb der ersten Ausführungsform wird nach der oben beschriebenen Struktur erläutert.
Basierend auf dem Signal von dem Motordrehzahl-Sensor 4 und dem Einspritzrate-Erfassungssensor 5 werden die Motordrehzahl des Dieselmotors 1, welcher umläuft und Ausgangsleistung liefert, und die Antriebsbedingungen, wie beispielsweise die an dem Motor 1 angreifende Last, von der Steuervorrichtung 51 ermittelt. Die Steuervorrichtung 51 empfängt auch das Signal von dem Atmosphärentemperatur-Sensor 52 und ermittelt den Durchfluß des von dem Dieselmotor 1 ausgestoßenen Abgases und die Einlaßtemperatur des NOx-Katalysators 3 von einer in dem Speicherabschnitt gespeicherten Karte, um die Menge an Reduktionsmittelkraftstoff zu ermitteln, welcher den Abgasemissionen hinzuzufügen ist. Alternativ ermittelt die Steuervorrichtung 51 den Durchfluß der Abgasemissionen und erhält die Abgastemperatur von dem Einlaßtemperatur- Erfassungssensor 54 des NOx-Katalysators 3, um die Menge an Reduktionsmittelkraftstoff zu ermitteln, welcher dem Abgas zuzuführen ist. Wenn der erforderliche Betrag an Reduktionsmittelkraftstoff ermittelt ist, dann ermittelt die Steuervorrichtung 51 das Verhältnis von Dieselkraftstoff, Wasser und Luft, welches in dem Speicherabschnitt gespeichert ist, und gibt einen Befehl an das Kraftstoffdurchfluß- Steuerventil 23, das Wasserdurchfluß-Steuerventil 33 und das Luftdurchfluß-Steuerventil 42 aus. Dadurch wird dem Reformierkatalysator-Schichtabschnitt 11 eine vorbestimmte Menge an Dieselkraftstoff und Wasser oder eine vorbestimmte Menge an Dieselkraftstoff, Wasser und Luft zugeführt und eine notwendige Menge an Reduktionsmittelkraftstoff einer bestimmten, Sauerstoff enthaltenden Verbindung erzielt.
Zu dieser Zeit reagiert der Kraftstoff-Kohlenwasserstoff durch Zuführen von Kraftstoff-Kohlenwasserstoff (R-H) des Dieselkraftstoffs und von Wasser (H2O) an den Katalysator 15 des Reformierkatalysator-Schichtabschnitts 11, welcher von einer elektrischen Heizung 13 auf eine im wesentlichen konstante Temperatur aufgewärmt ist, basierend auf einer chemischen Formel (1) mit Wasser und wird effektiv zu einer Sauerstoff enthaltenden Verbindung (R'OH) reformiert. Durch Hinzufügen zusätzlicher Luft (O2) reagiert der Kraftstoff- Kohlenwasserstoff basierend auf einer chemischen Formel (2) mit Wasser und Luft und wird zu der Sauerstoff enthaltenden Verbindung (R'OH) in einem doppelt so großen Maße als wie oben reformiert. Der Katalysator 15, welcher von der elektrischen Heizung 13 geheizt wird, wird von einem Metallträger 14 aus Metall getragen, so daß die Wärmeleitfähigkeit erhöht ist und der Energieverbrauch vermindert werden kann.
R-H + H2O → R'OH + R"H (1)
R-H + H2O + (1/2)O2 → R'OH + R"H (2)
Eine erforderliche Menge an Reduktionsmittelkraftstoff der reformierten, Sauerstoff enthaltenden Verbindung (R'OH) wird der Reduktionsmittelkraftstoff-Zuführdüse 7 zugeführt und in das Auspuffrohr 2 eingeleitet. Die zugeführte, Sauerstoff enthaltende Verbindung (R'OH) reagiert an dem NOx-Katalysator 3 mit NOx in dem Abgas und reduziert NOx wirksam zu N2, H2O und CO2, so daß NOx in dem Abgas eliminiert wird.
Bei dem oben beschriebenen gibt die Steuervorrichtung 51, wenn die Temperatur des Abgases 300°C oder weniger beträgt oder wenn die Motordrehzahl niedrig ist und wenn an dem Motor eine geringe Last angreift, einen Befehl zum Schließen (zum Stoppen des Durchflusses) an das Kraftstoffdurchfluß-Steuerventil 23 und an das Wasserdurchfluß-Steuerventil 33 aus und gibt einen Befehl zum Öffnen (zum Starten des Durchflusses) an das Luftdurchfluß-Steuerventil 42 aus. Dadurch wird der die Oberfläche des Katalysators 15 bedeckende Kohlenstoff verbrannt und der Reduktionsmittelkraftstoff entfernt, welcher an der Reduktionsmittelkraftstoff-Zuführdüse 7 klebt und durch die Hitze geronnen ist. Dadurch wird der Katalysator 15 regeneriert und seine Wirksamkeit wiederhergestellt. Gemäß dem oben erläuterten wird das Luftdurchfluß-Steuerventil 42 verwendet, wobei aber Ausblasluft von dem Ausblasrohr 17 aus zugeführt werden kann, welches insbesondere zum Ausblasen vorgesehen ist.
Ferner kann von der Steuervorrichtung 51 die elektrische Heizung 13 basierend auf dem Signal von dem Katalysator- Temperatursensor 16 derart gesteuert werden, daß die Temperatur des Katalysators 15 konstant gehalten wird. Ferner kann von der Steuervorrichtung 51 die Temperatur des Katalysators 15 gemessen und das Verhältnis von Dieselkraftstoff, Wasser und Luft wie unten erläutert geändert werden.
Im folgenden wird die zweite erfindungsgemäße Ausführungsform erläutert. Bei der ersten Ausführungsform sind die Reduktionsmittelkraftstoff-Zuführdüse 7 und der Reformierkatalysator-Schichtabschnitt 11 separat angeordnet, während die zweite Ausführungsform in dem Punkt unterschiedlich ist, daß ein Reformierkatalysator an einer Düse angeordnet ist. Zusätzlich führt bei der ersten Ausführungsform der Luftzuführabschnitt 40 mittels eines Kompressors 41 Luft zu, während bei der zweiten Ausführungsform der Ladedruck eines Turboladers als Luftquelle verwendet wird.
Nach Fig. 3 ist eine Reformierkatalysatordüse 60 in das Auspuffrohr 2 eingesetzt und an der Innenseite desselben befestigt. Benachbart zu der Reformierkatalysatordüse 60 ist ein Düsentemperatur-Erfassungssensor 55 angeordnet, um die Temperatur der Reformierkatalysatordüse 60 zu messen. Der Düsentemperatur-Erfassungssensor 55 ist mit der Steuervorrichtung 51 verbunden. Eine Leitung 25 des Kraftstoffzuführabschnitts 20, eine Leitung 35 des Wasserzuführabschnitts 30 und eine Leitung 45 von dem Ladedruck eines Turboladers (in den Zeichnungen nicht dargestellt), von welcher Luft zugeführt wird, sind mit der Reformierkatalysatordüse 60 verbunden.
Die Reformierkatalysatordüse 60 ist, wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, beispielsweise in einer zylindrischen Form ausgebildet, wobei in der Mitte derselben eine Passage 61 zum Zuführen von Fluid, wie beispielsweise Kraftstoff, ausgebildet ist, während an der Außenseite der Passage 61 eine ringförmige Passage 62 für den Durchfluß von Luft ausgebildet ist, und wobei an der Außenseite der Passage 62 eine ringförmige Passage 63 für den Durchfluß von Wasser ausgebildet ist. Durch Ausstoßen von Luft aus der Passage 62 zwischen der Passage 61 und der Passage 63 wird an der Passage 61 gesaugt und das darin fließende Fluid angesaugt, wobei das Fluid an einem vordersten Endabschnitt 60a der Düse 60 ausgezeichnet aufgewühlt wird. Diese Anordnung kann umgeändert werden. Am Austritt der Reformierkatalysatordüse 60 ist der Reformierkatalysator 12 angebracht. Demgemäß übernimmt der Düsentemperatur- Erfassungssensor 55 auch die Rolle des Reformierkatalysator- Temperatursensors (Reformierkatalysatortemperatur- Erfassungsvorrichtung) 16, von welchem die Temperatur des Reformierkatalysators 12 gemessen wird.
Im folgenden wird der Betrieb der zweiten Ausführungsform gemäß der oben beschriebenen Struktur erläutert.
Wie bei der ersten Ausführungsform wird die erforderliche Menge an Reduktionsmittelkraftstoff einer bestimmten, Sauerstoff enthaltenden Verbindung von der Steuervorrichtung 51 basierend auf der Motordrehzahl, den Antriebsbedingungen, wie beispielsweise der an dem Motor angreifenden Last, und der Temperatur der Atmosphäre ermittelt. Von der Steuervorrichtung 51 wird die Zuführmenge aus einer in Fig. 5 dargestellten Reduktionsmittelkraftstoff-Zuführmengen-Karte ermittelt, und zwar z. B. basierend auf der Motordrehzahl und der an dem Motor 1 angreifenden Last. Fig. 5 zeigt durch gekrümmte Linien die Zuführrate des Reduktionsmittelkraftstoffs relativ zu der Kraftstoff-Einspritzrate an den Motor 1, wobei die Abzissen- Achse das Motordrehzahlverhältnis (Verhältnis zu der festgelegten Umdrehungsgeschwindigkeit) und die Ordinaten-Achse den Lastfaktor des Motors 1 zeigt.
Das Verhältnis von Dieselkraftstoff, Wasser und Luft wird wie folgt ermittelt. Da die Reformierkatalysatordüse 60 in das Auspuffrohr 2 eingesetzt ist und an der Innenseite desselben angebracht ist, weicht die Temperatur der Reformierkatalysatordüse 60 gemäß der Antriebszustände ab. Wenn hier Dieselkraftstoff durch Verwendung von Luft reformiert wird, falls eine Temperatur Tc des Reformierkatalysators zu hoch ist, dann reagiert Kraftstoff-Kohlenwasserstoff basierend auf einer chemischen Formel (3) mit Luft, wobei leicht Nebenreaktionen auftreten können, so daß die Reformiereffizienz vermindert wird.
R-H + O2 → H2O + COx (3)
(an dieser Stelle steht x für 1 oder 2)
Folglich wird von der Steuervorrichtung 51 das Verhältnis von Dieselkraftstoff, Wasser und Luft von z. B. einer in Fig. 6 gezeigten Matrix in Abhängigkeit von der Temperatur Tc des Reformierkatalysators ermittelt. Die Matrix weist eine dreieckige Gestalt auf, und jede Spitze P, M und N bezeichnet den Dieselkraftstoff, das Wasser bzw. die Luft, wobei an den Spitzen P, M und N jeweils 100% Dieselkraftstoff, Wasser bzw. Luft vorliegen. Es ist gezeigt, daß an einem Punkt A, welcher von den Spitzen P und M den gleichen Abstand La hat, 50% Dieselkraftstoff, 50% Wasser und 0% Luft vorliegen.
Wenn z. B. die Temperatur Tc des Reformierkatalysators hoch ist, dann ermittelt die Steuervorrichtung 51 einen Punkt B, an welchem die Gewichtungsreihenfolge hinsichtlich des Verhältnisses i) Wasser, ii) Dieselkraftstoff, iii) Luft ist. Wenn andererseits die Temperatur Tc niedrig ist, dann ermittelt die Steuervorrichtung einen Punkt C, an welchem die Gewichtungsreihenfolge hinsichtlich des Verhältnisses i) Luft, ii) Dieselkraftstoff, iii) Wasser ist. Daher wird basierend auf der Temperatur Tc des Reformierkatalysators das Verhältnis von Dieselkraftstoff, Wasser und Luft geändert.
Die oben erläuterte Steuerung wird mit Bezugnahme auf ein Flußdiagramm nach Fig. 7 erläutert.
Im Schritt 71 werden zum Erfassen der Antriebsbedingungen die Motordrehzahl und die Kraftstoff-Einspritzrate gemessen und zum Erfassen des Arbeitsumfelds die Temperatur der Atmosphäre gemessen. Im Schritt 72 wird die Einlaßtemperatur des NOx- Katalysators 3 gemessen. Im Schritt 73 wird basierend auf dem im Schritt 71 oder in den Schritten 71 und 72 gemessenen Wert der erforderliche Betrag an Reduktionsmittelkraftstoff einer bestimmten, Sauerstoff enthaltenden Verbindung berechnet. Im Schritt 74 wird die Temperatur Tc des Reformierkatalysators gemessen. Im Schritt 75 wird das Verhältnis von Dieselkraftstoff, Wasser und Luft relativ zu der erforderlichen Menge an Reduktionsmittelkraftstoff einer bestimmten, Sauerstoff enthaltenden Verbindung ermittelt, wobei der Öffnungsgrad von jedem der Durchfluß-Steuerventile 23, 33 und 42 ermittelt wird. Im Schritt 76 wird in Antwort auf den ermittelten Öffnungsgrad ein Befehl an jedes der Durchfluß- Steuerventile 23, 33 und 42 ausgegeben.
In der gleichen Weise wie bei der ersten Ausführungsform werden der Reformierkatalysator regeneriert und der an der Düse klebende Reduktionsmittelkraftstoff beseitigt.
Industrielle Verwendbarkeit
Die Erfindung ist als eine Abgasemissions-Steuervorrichtung für Dieselmotoren nutzbar, mit einer kleinen und einfachen Struktur, bei welcher eine Sauerstoff enthaltende Verbindung in Antwort auf die Antriebsbedingungen des Motors und der Temperatur eines NOx-Katalysators hergestellt wird und bei welcher NOx effektiv reduziert und beseitigt wird.

Claims (13)

1. Abgasemissions-Steuervorrichtung für Dieselmotoren, mit einem Reformierkatalysator zum Reformieren von Dieselkraftstoff, wie beispielsweise Kerosin oder dergleichen, zu Reduktions-Kohlenwasserstoff, und zum Einleiten des Reduktions-Kohlenwasserstoffs in ein Auspuffrohr, und einem NOx-Katalysator, welcher in dem Auspuffrohr an der Position stromabwärts von der Einleitungsposition angeordnet ist und welcher NOx in dem Abgas von dem Dieselmotor reduziert und steuert, wobei der Reformierkatalysator ein Reformierkatalysator (12) ist, welcher entweder eine Mischung von dem Dieselkraftstoff und Wasser oder eine Mischung von dem Dieselkraftstoff, Wasser und Luft zu einer Sauerstoff enthaltenden Verbindung reformiert und welcher die Sauerstoff enthaltende Verbindung in das Auspuffrohr (2) einleitet.
2. Abgasemissions-Steuervorrichtung für Dieselmotoren nach Anspruch 1, wobei die Sauerstoff enthaltende Verbindung eine Alkoholgruppe mit zwei oder mehr Kohlenstoffatomen ist.
3. Abgasemissions-Steuervorrichtung für Dieselmotoren nach Anspruch 1, ferner aufweisend:
Durchfluß-Steuervorrichtungen (23, 33, 42) zum jeweiligen Steuern des Durchflusses des Dieselkraftstoffs, des Wassers und der Luft und zum Zuführen des Dieselkraftstoffs, des Wassers und der Luft an den Reformierkatalysator (12),
eine Einlaßtemperatur-Erfassungsvorrichtung (54) zum Erfassen der Einlaßtemperatur des NOx-Katalysators (3) und
eine Steuervorrichtung (51) zum Empfangen eines Temperatursignals von der Einlaßtemperatur- Erfassungsvorrichtung (54) und zum Ausgeben von Zuführ- Durchflußsignalen an die jeweilige Durchfluß-Steuervorrichtung (23, 33, 42).
4. Abgasemissions-Steuervorrichtung für Dieselmotoren nach Anspruch 3, ferner aufweisend:
eine Reduktionsmittelkraftstoff-Zuführdüse (7), welche in dem Auspuffrohr (2) an der Position stromaufwärts von dem NOx- Katalysator (3) angeordnet ist, und
einem Kraftstofftank (21), einem Wassertank (31) und einer Luftquelle (41), welche jeweils als Zuführquellen des Dieselkraftstoffs, des Wassers bzw. der Luft vorgesehen sind, wobei
der Reformierkatalysator (12) zwischen der Reduktionsmittelkraftstoff-Zuführdüse (7) und dem Kraftstofftank (21), dem Wassertank (31) und der Luftquelle (41) angeordnet ist.
5. Abgasemissions-Steuervorrichtung für Dieselmotoren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Reformierkatalysator (12) in dem Auspuffrohr (2) an der Position stromaufwärts von dem NOx-Katalysator (3) angeordnet ist.
6. Abgasemissions-Steuervorrichtung für Dieselmotoren nach Anspruch 5, ferner aufweisend:
eine Reformierkatalysatordüse (60), welche in dem Auspuffrohr (2) an der Position stromaufwärts von dem NOx- Katalysator (3) angeordnet ist,
und den Kraftstofftank (21), den Wassertank (31) und die Luftquelle (41), welche jeweils als Zuführquellen des Dieselkraftstoffs, des Wassers bzw. der Luft vorgesehen sind, wobei
der Reformierkatalysator (12) an der Reformierkatalysatordüse (60) angebracht ist, und wobei
der Kraftstofftank (21), der Wassertank (31) und die Luftquelle (41) durch Leitungen (25, 35, 45) mit der Reformierkatalysatordüse (60) verbunden sind.
7. Abgasemissions-Steuervorrichtung für Dieselmotoren nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 4 und 6, wobei der Reformierkatalysator (12) seine Aktivkomponenten an einem Metallträger (14) getragen und gehalten hat.
8. Abgasemissions-Steuervorrichtung für Dieselmotoren nach einem der Ansprüche 4 und 6, ferner aufweisend:
eine Motordrehzahl-Erfassungsvorrichtung (4) zum Erfassen der Motordrehzahl des Dieselmotors (1) und
eine Einspritzrate-Erfassungsvorrichtung (5) zum Erfassen der Kraftstoff-Einspritzrate an den Dieselmotor (1), wobei
die Steuervorrichtung (51) die Last an dem Dieselmotor (1) basierend auf der erfaßten Motordrehzahl und der erfaßten Kraftstoff-Einspritzrate berechnet und basierend auf der berechneten Last Zuführ-Durchflußsignale an die jeweilige Durchfluß-Steuervorrichtung (23, 33, 42) ausgibt.
9. Abgasemissions-Steuervorrichtung für Dieselmotoren nach Anspruch 8, welche ferner aufweist:
eine Reformierkatalysatortemperatur-Erfassungsvorrichtung (16) zum Erfassen der Temperatur des Reformierkatalysators (12) und
eine Atmosphärentemperatur-Erfassungsvorrichtung (52) zum Erfassen der Temperatur der Atmosphäre, wobei
die Steuervorrichtung (51) Zuführ-Durchflußsignale an die jeweilige Durchfluß-Steuervorrichtung (23, 33, 42) basierend auf wenigstens einer der von den Temperatur- Erfassungsvorrichtungen (54, 16, 52) erfaßten Temperaturen und der berechneten Last ausgibt.
10. Abgas-Steuervorrichtung für Dieselmotoren nach Anspruch 3, welche ferner aufweist:
die Reformierkatalysatortemperatur-Erfassungsvorrichtung (16) zum Erfassen der Temperatur des Reformierkatalysators (12), wobei
die Steuervorrichtung (51) von der Reformierkatalysatortemperatur-Erfassungsvorrichtung (16) und der Einlaßtemperatur-Erfassungsvorrichtung (54) ein Temperatursignal erhält und Zuführ-Durchflußsignale an die jeweilige Durchfluß-Steuervorrichtung (23, 33, 42) ausgibt.
11. Abgas-Steuervorrichtung für Dieselmotoren nach einem der Ansprüche 4 und 6, wobei die Steuervorrichtung (51) an die Durchfluß-Steuervorrichtungen (23, 33, 42) einen Befehl zum lediglichen Zuführen von Luft für lediglich eine bestimmte Zeit ausgibt, wenn der Dieselkraftstoff, das Wasser und die Luft zugeführt werden, oder an die Durchfluß-Steuervorrichtungen (23, 33, 42) einen Befehl zum lediglichen Zuführen von Luft ausgibt, wenn der Dieselkraftstoff, das Wasser und die Luft nicht zugeführt werden, wobei durch ledigliches Zuführen der Luft an den Reformierkatalysator (12) der Reformierkatalysator (12), welcher durch Ablagerungen verschlechtert worden ist, regeneriert wird.
12. Abgas-Steuervorrichtung für Dieselmotoren nach Anspruch 11, wobei zum Verbrennen von Kohlenstoffablagerungen und zum Regenerieren des Reformierkatalysators (12) eine Luftleitung (17) mit dem Reformierkatalysator (12) verbunden ist.
13. Abgas-Steuervorrichtung für Dieselmotoren nach einem der Ansprüche 1, 3, 4, 6 und 12, wobei Ladedruck eines mit dem Dieselmotor (1) verbundenen Turboladers als eine Luftquelle (41) zum Zuführen von Luft an den Reformierkatalysator (12) verwendet wird.
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