DE60110860T2

DE60110860T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Reinigen von Abgasen einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE60110860T2
Application number: DE60110860T
Authority: DE
Inventors: Kazuhiro Toyota-shi Aichi-ken Itoh; Toshiaki Toyota-shi Aichi-ken Tanaka; Shinya Toyota-shi Aichi-ken Hirota; Takamitsu Toyota-shi Aichi-ken Asanuma; Koichi Toyota-shi Aichi-ken Kimura; Koichiro Toyota-shi Aichi-ken Nakatani
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-03-27
Filing date: 2001-03-27
Publication date: 2006-01-19
Anticipated expiration: 2021-03-28
Also published as: US6681566B2; US6594991B2; EP1138890B1; EP1138890A3; DE60110860D1; EP1138890A2; US20030192307A1; US20010027645A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Abgasreinigungsverfahren und eine Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor. Genauer betrifft die Erfindung ein Abgasreinigungsverfahren und eine Abgasreinigungsvorrichtung, die in der Lage sind, einen Abgasstrom so zu schalten, dass das Abgas abwechselnd von der stromaufwärtigen Seite und von der stromabwärtigen Seite des Abgases durch ein Filter der Reinigungsvorrichtung strömt.
2. Beschreibung der verwandten Technik:
In Dieselmotoren ist ein Partikelfilter in einer Abgasleitung des Motors vorgesehen, um im Abgas enthaltene Partikel, wie Ruß, zu beseitigen. Die Partikel im Abgas werden vorübergehend auf dem Partikelfilter festgehalten und dann entzündet und verbrannt, um das Partikelfilter zu regenerieren. Jedoch werden die auf dem Partikelfilter festgehaltenen Partikel bei einer hohen Temperatur von etwa 600°C oder mehr nicht entzündet, obwohl die Abgastemperatur des Dieselmotors normalerweise beträchtlich niedriger als 600°C ist. Deshalb ist es schwierig, die auf dem Partikelfilter festgehaltenen Partikel mit Abgaswärme zu entzünden. Um die auf dem Partikelfilter festgehaltenen Partikel mit Abgaswärme entzünden, muss man es möglich machen, die Partikel bei niedriger Temperatur zu entzünden.
Bekanntlich kann ein Partikelfilter, das einen Katalysator trägt, die Entzündungstemperatur der Partikel senken. Man kennt eine Reihe von Partikelfiltern, die einen Katalysator tragen, um die Entzündungstemperatur der Partikel zu senken.
Zum Beispiel offenbart die japanische Patent-Offenlegungsschrift HEI 7-106290 ein Partikelfilter, das eine Mischung aus einem Metall der Platingruppe und einem Erdalkalimetalloxid trägt. In diesem speziellen Partikelfilter werden die Partikel bei einer relativ niedrigen Temperatur von etwa 350°C bis 400°C entzündet und dann kontinuierlich verbrannt. EP-A-984 142 offenbart eine Abgasreinigungsvorrichtung mit einem Partikelfilter und einem NOx-Speicherelement.
In Dieselmotoren erreicht die Abgastemperatur unter Hochlast 350°C bis 400°C. Somit könnten die Partikel in dem genannten Partikelfilter unter Hochlast offensichtlich mit Abgaswärme entzündet und verbrannt werden. Tatsächlich werden die Partikel jedoch selbst dann nicht immer entzündet, wenn die Abgastemperatur 350°C bis 400°C erreicht. Außerdem wird selbst dann, wenn die Partikel entzündet werden, nur ein Teil der Partikel verbrannt, und eine große Menge an Partikeln bleibt unverbrannt.
Anders ausgedrückt, falls das Abgas eine kleine Menge an Partikeln enthält, ist die Menge an Partikeln, die am Partikelfilter haften, klein. In diesem Fall werden die Partikel auf dem Partikelfilter entzündet, wenn die Abgastemperatur 350°C bis 400°C erreicht, und dann kontinuierlich verbrannt.
Wenn das Abgas jedoch eine große Menge an Partikeln enthält, werden zusätzlich zu den Partikeln, die am Partikelfilter haften, weitere Partikel abgeschieden, bevor die erstgenannten Partikel vollständig verbrannt wurden. Infolgedessen lagern sich die Partikel in Schichten auf dem Partikelfilter ab. In diesem Fall wird der Teil der Partikel, der leicht mit Sauerstoff in Kontakt kommt, verbrannt, aber die übrigen Partikel, die weniger leicht mit Sauerstoff in Kontakt kommen, werden nicht verbrannt, und eine große Menge an Partikeln bleibt unverbrannt. Wenn das Abgas eine große Menge an Partikeln enthält, bleibt daher eine große Menge an Partikeln auf dem Partikelfilter angelagert.
Wenn eine große Menge an Partikeln auf dem Partikelfilter abgeschieden wird, wird es allmählich schwieriger, diese abgeschiedenen Partikel zu entzünden und zu verbrennen. Man führt dies darauf zurück, dass während des Abscheidens der Partikel der Kohlenstoff in den Partikeln in eine Substanz umgewandelt wird, die weniger leicht verbrannt werden kann, wie Graphit oder dergleichen. Wenn kontinuierlich eine große Menge an Partikeln auf dem Partikelfilter abgeschieden wird, entzünden sich die abgeschiedenen Partikeln bei einer niedrigen Temperatur von 350°C bis 400°C tatsächlich nicht. Eine hohe Temperatur von 600°C oder mehr ist erforderlich, um die abgeschiedenen Partikel zu entzünden. In Dieselmotoren erreicht die Abgastemperatur jedoch normalerweise keine hohe Temperatur von 600°C oder mehr. Wenn kontinuierlich eine große Menge an Partikeln auf dem Partikelfilter abgeschieden wird, wird es daher schwierig, diese abgeschiedenen Partikel mit Abgaswärme zu entzünden.
Wenn die abgeschiedenen Partikel verbrannt werden, ballt sich Asche, d.h. das Material, das zurückbleibt, nachdem die Partikel verbrannt wurden, zu einer großen Masse zusammen, was dazu führt, dass die Poren des Partikelfilters verstopft werden. Die Anzahl der verstopften Poren nimmt im Lauf der Zeit zu, so dass der Druckverlust des Abgasstroms im Partikelfilter allmählich zunimmt. Mit zunehmendem Druckverlust des Abgasstroms sinkt die Motorleistung, was auch einen frühen Austausch des Partikelfilters gegen einen Neuen erforderlich macht.
Daher werden, sobald eine große Menge an Partikeln in Schichten abgeschieden wurden, dadurch verschiedene Probleme bewirkt, wie oben beschrieben. Deshalb ist es im Hinblick auf die Ausgewogenheit zwischen der Partikelmenge, die im Abgas enthalten ist, und der Partikelmenge, die auf dem Partikelfilter verbrannt werden kann, notwendig, zu verhindern, dass eine große Partikelmenge in Schichten abgeschieden wird.
Die genannten Probleme können durch einen kontinuierlichen Verbrennungsprozess, bei dem lediglich ein herkömmliches Abgasreinigungsfilter mit einem Katalysator darauf in einem Abgasrohr bereitgestellt wird und die Abgasreinigung vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors abhängt, nicht vermieden werden.
Dadurch, dass man ein Umkehren des Abgasstroms ermöglicht, so dass das Abgas abwechselnd von der stromaufwärtigen Seite und der stromabwärtigen Seite des Ab gases durch das Filter einer Reinigungsvorrichtung strömt, um eine so weit wie möglich kontinuierliche Verbrennung der Partikel zu ermöglichen, werden die Partikel an beiden Seiten des Filters abgeschieden, wodurch die Partikelmenge, die pro Flächeneinheit abgeschieden wird, reduziert werden kann. Außerdem ermöglicht das Umkehren des Abgasstroms ein Aufrühren und Zerstreuen der angelagerten Partikel. Falls ein NOx-Absorptionsmittel als Filterbasismaterial vorgesehen ist, kann das Abgas außerdem auch vom NOx befreit werden.
Falls das NOx-Absorptionsmittel als Filterbasismaterial vorgesehen ist, um gleichzeitig NOx zu beseitigen, muss Abgas, dessen Luft/Kraftstoff-Verhältnis einen Wert auf der fetten Seite aufweist, periodisch zum Filter geleitet werden (dies wird „Fettgemisch-Spitzenwertsteuerung" genannt), um NOx aus dem NOx-Absorptionsmittel für eine Reduktion freizusetzen. Der Grund dafür ist die beschränkte NOx-Absorptionsfähigkeit des NOx-Absorptionsmittels. Um andererseits die Richtung des durch das Filter strömenden Abgases wie oben beschrieben umzukehren, um eine kontinuierliche Verbrennung der Partikel zu erleichtern, muss ein Schaltventil in der Abgasleitung vorgesehen sein. Jedoch macht es der Aufbau des Schaltventils erforderlich, dass das Abgas während des Umkehrens des Abgasstroms das Filter umgeht.
Falls der Zeitpunkt zum Durchführen der Fettgemisch-Spitzenwertsteuerung mit dem Zeitpunkt zum Umkehren des Abgasstroms durch das Schaltventil zusammenfällt, kann somit Abgas, dessen Luft/Kraftstoff-Verhältnis einen Wert auf der fetten Seite aufweist und das eine große Menge an Reduktionsmittel enthält, möglicherweise abgegeben werden, ohne das Filter zu passieren.
Falls ein Abgasreinigungsfilter mit NOx-Absorptionsmittel als Filterbasismaterial verwendet wird, um gleichzeitig Partikel zu entfernen und NOx zu beseitigen, ist ein System möglich, mit dem das Abgas so zugeführt wird, dass es das Filter umgeht, um zu verhindern, dass die Partikel in einer vorgegebenen Menge oder darüber hinaus auf dem Filter abgeschieden werden, wenn die Partikeloxidationskapazität des Filters nicht aus reicht oder aufgrund der niedrigen Temperatur des Abgases beeinträchtigt werden könnte (z.B. während einer Geschwindigkeitssenkung).
Auch in solch einem System wird, wenn die Fettgemisch-Spitzenwertsteuerung zum Beseitigen von NOx durchgeführt wird, während das Abgas so zugeführt wird, dass es das Filter umgeht, Abgas, dessen Luft/Kraftstoff-Verhältnis einen Wert auf der fetten Seite aufweist und das eine große Menge an Reduktionsmittel enthält, ausgestoßen, ohne das Filter zu passieren.
Das Dokument JP-A 7-189656 offenbart eine Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, in dem ein Ventil in eine erste Position geschaltet wird, wenn eine Last T₀ des Motors gleich oder größer ist als eine vorgegebene Last T₀, und in eine zweite Position geschaltet wird, wenn die Last T größer ist als die vorgegebene Last T₀. Partikel, die ausgestoßen werden, wenn der Motor sich im Niedriglastzustand befindet (T < T₀) können leicht verbrannt werden, auch wenn die Temperatur der Atmosphäre niedrig ist. Andererseits ist es schwierig, Partikelsubstanz zu verbrennen, die ausgestoßen wird, wenn der Motor sich im Hochlastzustand befindet (T > T₀), falls die Atmosphäre keine hohe Temperatur aufweist. Laut dieser Offenbarung wird Partikelsubstanz unter letztgenannter Bedingung an beiden Seiten des Filters der Partikelfängers separat abgeschieden. Wenn die Gesamtmenge m der eingefangenen Partikelsubstanz gleich oder größer wird als eine vorgegebene Menge m₀, wird das Ventil in die zweite Position geschaltet. Dann wird eine Drosselklappe je nach Bedarf teilweise geschlossen, und die eingefangenen Partikel werden verbrannt. Im Anschluss daran, wenn die Menge der Partikelsubstanz unter eine vorgegebenen Menge ml fällt, endet die Regenerierung des Fängers. Laut diesem Dokument wird ein häufiges Schalten des Ventils und ein Schaltpendeln wird verhindert, da das Ventil geschaltet wird, wenn der Zustand, in dem die Last T des Motors gleich oder höher ist als eine vorgegebene Last T₀, oder der Zustand, in dem die Last T niedriger ist als eine vorgegebene Last, für eine vorgegebene Zeitspanne. Ferner bildet das Luft/Kraftstoff-Verhältnis nicht den Ansatzpunkt zum Schalten des Ventils.
Das Dokument JP-A 60-135613 offenbart eine Abgasreinigungsvorrichtung, die bewirkt, dass ein Strömungswahlventil die Strömung des Abgases unter einer bestimmten Bedingungen ändert, so dass es zweit Filter für Partikelsubstanz, die in der Abgasreinigungsvorrichtung vorgesehen sind, umgeht. Aber auch hier bildet das Luft/Kraftstoff-Verhältnis nicht den Ansatzpunkt zum Schalten des Ventils.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Abgasreinigungsverfahrens und einer Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, die in der Lage sind, während unverbrannter Kraftstoff einem Filter zugeführt wird, um die oxidative Partikelbeseitigungskapazität des Filters zu verbessern, zu verhindern, dass unverbrannter Kraftstoff das Filter umgeht und somit aus dem Fahrzeug ausgestoßen wird, ohne dem Filter zugeführt worden zu sein.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein Abgasreinigungsverfahren und eine Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor bereitzustellen, die in der Lage sind, während Abgas mit einem relativ niedrigen Luft/Kraftstoff-Verhältniswert strömt, das HC, CO, unverbrannten Kraftstoff und dergleichen enthält, zu verhindern, dass Abgas in die Atmosphäre ausgestoßen wird, ohne das Partikelfilter passiert zu haben.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, zu verhindern, dass in einem Abgasreinigungsverfahren und einer Abgasreinigungsvorrichtung die mit einem Filter mit einem NOx-Absorptionsmittel ausgerüstet ist, Abgas, das eine große Menge an Reduktionsmittel enthält, das benötigt wird, um NOx aus dem NOx-Absorptionsmittel freizusetzen, unbehandelt ausgestoßen wird.
Ein Abgasreinigungsverfahren und eine Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor schließen in einem ersten Aspekt der Erfinder folgendes ein:
ein Filter, das eine Vielzahl von Partikeln, die im Abgas enthalten sind, das aus einer Brennkammer ausgestoßen wird, vorübergehend einfängt bzw. festhält und das die Partikel durch Oxidation entfernt; ein Ventil mit einer Schaltfunktion, das abwechselnd zwischen einem ersten Strömungskanal, mit dem Abgas von einer ersten Seite des Filters zugeführt wird, und einem zweiten Strömungskanal, mit dem Abgas von der zweiten Seite des Filters zugeführt wird, umschaltet, wobei das Ventil einen Umgehungsmodus aufweist, in dem das Abgas das Filter umgeht; wobei während der Schaltbetätigung des Ventils eine Steuereinrichtung verhindert, dass das Ventil in den Umgehungsmodus gebracht wird, während das Abgas, das in das Filter strömt, einen kleineren Luft/Kraftstoff-Verhältniswert aufweist als das Luft/Kraftstoff-Verhältnis bei Normalbetrieb des Motors, und zulässt, dass das Ventil in den Umgehungsmodus gebracht wird, während das Abgas, das in das Filter strömt, ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis bei Normalbetrieb des Motors aufweist.
Im ersten Aspekt verhindert die Steuereinrichtung, dass die Steuerung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses und die Schaltbetätigung des Ventils gleichzeitig durchgeführt werden. Daher wird verhindert, dass das Abgas, das auf ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis mit theoretischem oder fettem Wert geregelt wurde, um NOx aus dem NOx-Absorptionsmittel freizusetzen, unbehandelt ausgestoßen wird, ohne das Filter zu passieren.
Im ersten Aspekt kann die Schaltbetätigung des Ventils normalerweise während jeder Geschwindigkeitssenkung, in vorgegebenen Zeitabständen, nach jeder vorgegebenen Fahrstrecke oder dergleichen durchgeführt werden, und ist nicht besonders beschränkt. Im ersten Aspekt kann das Ventil aus einem Schaltventil bestehen, das in der Lage ist, die Strömungsrichtung des Abgases im Filter zwischen Vorwärts- und Rückwärtsrichtung umzuschalten.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung schließt ein: ein Filter zum vorübergehenden Festhalten von Partikeln, die im Abgas enthalten sind, und zum Beseitigen der Partikel durch Oxidation; ein Ventil mit Schaltfunktion, das in der Lage ist, abwechselnd zwischen einem ersten Strom, mit dem Abgas von einer Seite des Filters zugeführt wird, und einem zweiten Strom, mit dem Abgas von der anderen Seite des Filters zugeführt wird, umzuschalten, wobei das Abgas so strömt, dass es während des Umschaltens das Filter umgeht; eine Steuereinrichtung, die die Zufuhr von unverbranntem Kraftstoff zum Filter steuert, während sie gleichzeitig verhindert, dass die Schaltbetätigung des Ventils ausgeführt wird.
Im zweiten Aspekt wird der unverbrannte Kraftstoff zum Filter geliefert. Infolgedessen wird das unverbrannte Filter auch auf dem Filter oxidiert, so dass die Filtertemperatur ansteigt. Durch Umschalten des Abgasstroms zu diesem Zeitpunkt wird verhindert, dass Oxidationswärme das Filter verlässt, so dass die Filtertemperatur weiter ansteigt. Ein solcher Anstieg der Filtertemperatur verbessert die oxidative Partikelbeseitigungskapazität des Filters. Dementsprechend ist es bevorzugt, unverbrannten Kraftstoff zu einem vorgegebenen Zeitpunkt zum Filter zu liefern. Wenn die Zufuhr von unverbranntem Kraftstoff und die Schaltbetätigung des Ventils jedoch gleichzeitig durchgeführt werden, umgeht unverbrannter Kraftstoff das Filter, so dass er aus dem Fahrzeug ausgestoßen wird. Dadurch, dass eine Steuereinrichtung bereitgestellt wird, die verhindert, dass unverbrannter Kraftstoff zugeführt wird, und gleichzeitig eine Schaltbetätigung des Ventils durchgeführt wird, kann verhindert werden, dass unverbrannter Kraftstoff, der zum Filter geliefert wird, das Filter umgeht und dadurch aus dem Fahrzeug ausgestoßen wird, ohne dem Filter zugeführt zu werden.
Ein dritter Aspekt der Erfindung schließt folgendes ein: ein Filter, das ein NOx-Absorptionsmittel und ein aktiven Sauerstoff freisetzendes Mittel trägt und das in der Lage ist, Partikel, die im Abgas enthalten sind, vorübergehend festzuhalten, wobei das NOx-Absorptionsmittel NOx absorbiert, wenn das darin strömende Abgas ein mageres Luft/Kraftstoff-Verhältnis aufweist, und das absorbierte NOx abgibt, wenn die Sauerstoffkonzentration im darin strömenden Abgas reduziert ist, wobei das aktiven Sauerstoff freisetzende Mittel die Oxidation der Partikel erleichtert; eine Steuereinrichtung, die für eine gleichzeitige Steuerung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses des Abgases, das in das Filter strömt, auf ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis mit theoretischem oder fettem Wert sorgt, um NOx aus dem NOx-Absorptionsmittel auf dem Filter freizusetzen; ein Ventil, das normalerweise das Abgas zum Filter leitet, aber das Abgas so leitet, dass es das Filter umgeht, wenn die Partikeloxidationskapazität des Filters unter einem vorgegebenen Niveau liegt oder darunter fallen könnte; und eine Umgehungsfunktion, die auch dann, wenn die Partikeloxidationskapazität des Filters unter dem vorgegebenen Niveau liegt, verhindert, dass das Ventil das Abgas so zuführt, dass es das Filter umgeht, wenn die Steuereinrichtung ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis durchführt, um NOx aus dem auf dem Filter getragenen NOx-Absorptionsmittel freizusetzen.
Im dritten Aspekt führt das Ventil das Abgas prinzipiell so zu, dass es das Filter umgeht, wenn die Partikeloxidationskapazität des Filters unter dem vorgegebenen Niveau liegt. Daher kann verhindert werden, dass die Partikel sich in einer vorgegebenen Menge oder darüber hinaus auf dem Filter anlagern. Falls jedoch NOx aus dem NOx-Absorptionsmittel freigesetzt werden soll, verhindert die Umgehungsfunktion, dass Abgas das Filter umgeht, und stellt somit sicher, dass das Abgas in das Filter strömt, selbst wenn die Partikeloxidationskapazität des Filters unter dem vorgegebenen Niveau liegt. Somit wird verhindert, dass das Abgas, das auf ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis mit theoretischem oder fetten Wert geregelt wurde, um NOx aus dem NOx-Absorptionsmittel freizusetzen, unbehandelt ausgestoßen wird, ohne das Filter zu passieren.
Der dritte Aspekt kann die Funktion aufweisen, das Abgas normalerweise zum Filter zu leiten, aber das Abgas so zu leiten, dass es das Filter umgeht, wenn die Partikeloxidationskapazität des Filters unter einem vorgegebenen Niveau liegt oder darunter fallen könnte.
Im dritten Aspekt kann „wenn die Oxidationskapazität des Filters niedriger ist als das vorgegebene Niveau" beispielsweise während eines lastsenkenden Betriebs des Motors (während einer Geschwindigkeitssenkung des Fahrzeugs im Fall eines Verbrennungsmotors, der ein Fahrzeug ansteuert) zutreffen.
Ein vierter Aspekt der Erfindung ist ein Abgasreinigungsverfahren und eine Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor mit folgenden Schritten:
vorübergehendes Festhalten einer Vielzahl von Partikeln, die im Abgas enthalten sind, das aus einer Brennkammer mit einem Filter ausgestoßen wird, und Entfernen der Partikel durch Oxidation; abwechselndes Schalten eines Ventils zwischen einem ersten Strömungskanal, mit dem das Abgas zur ersten Seite des Filters geführt wird, und einem zweiten Strömungskanal, mit dem das Abgas zur zweiten Seite des Filters geführt wird, das Ventil weist einen Umgehungsmodus auf, in dem das Abgas das Filter umgeht; und Verhindern, dass das Ventil in den Umgehungsmodus gebracht wird, während das Abgas, das in das Filter strömt, ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis mit einem niedrigeren Wert aufweist als das Luft/Kraftstoff-Verhältnis bei Normalbetrieb des Motors, und Zulassen, dass das Ventil in den Umgehungsmodus gebracht wird, während das Abgas, das in das Filter strömt, ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis bei Normalbetrieb des Motors aufweist.
Im vierten Aspekt wird, während das erste Abgas mit einem relativ niedrigen Luft/Kraftstoff-Verhältniswert strömt, verhindert, dass das Ventil, das den Strom des Abgases umkehrt, das die Wand des Partikelfilters passiert, in den Umgehungsmodus gebracht wird. Mit anderen Worten, während das erste Abgas mit einem relativ niedrigen Luft/Kraftstoff-Verhältniswert strömt, wird verhindert, dass das Abgas das Partikelfilter umgeht, ohne hindurch zu strömen. Während Abgas mit einem relativ niedrigen Luft/Kraftstoff-Verhältniswert strömt, das HC, CO, unverbrannten Kraftstoff und dergleichen enthält, kann somit verhindert werden, dass das Abgas den Partikelfilter umgeht und somit in die Atmosphäre abgegeben wird, ohne das Partikelfilter zu passieren.
In einem fünften Aspekt der Erfindung wird, falls das aus der Brennkammer ausgestoßene Abgas während einer Niedertemperaturverbrennung strömt, bei der die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases in der Brennkammer unter eine Rußerzeugungstemperatur sinkt und kaum Ruß erzeugt wird, verhindert, dass das Ventil in den Umgehungsmodus gebracht wird. Eine Niedertemperaturverbrennung wird durchgeführt, wenn eine SOx-Vergiftung rückgängig gemacht werden soll, wenn NOx freigesetzt werden soll oder während eines Nieder- und Mittellastbetriebs des Motors. Falls Abgas, das HC, CO, unverbrannten Kraftstoff und dergleichen enthält und das aus der Brennkammer ausgestoßen wird, während einer Niedertemperaturverbrennung strömt, die durchgeführt wird, wenn eine SOx-Vergiftung rückgängig gemacht werden soll, wenn NOx abgegeben werden soll oder während des Nieder- und Mittellastbetriebs des Motors, kann verhindert werden, dass das Abgas das Partikelfilter umgeht und somit in die Atmosphäre abgegeben wird, ohne das Partikelfilter zu passieren.
Ein sechster Aspekt der Erfindung ist ein Abgasreinigungsverfahren und eine Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, in dem ein Partikelfilter zum Festhalten von Partikeln, die im Abgas enthalten sind, das aus einer Brennkammer ausgestoßen wird, im Abgaskanal des Motors vorgesehen ist, so dass die im Abgas enthaltenen Partikel festgehalten werden, wenn das Abgas eine Wand des Partikelfilters passiert. Das Partikelfilter ist in der Lage, die vorübergehend darauf festgehaltenen Partikel zu oxidieren. Das Partikelfilter trägt ein NOx-Absorptionsmittel zum Absorbieren von NOx im mageren Bereich und zum Freisetzen von NOx im stöchiometrischen oder fetten Bereich. Das Abgasreinigungsverfahren und die Abgasreinigungsvorrichtung sind ferner mit einem Ventil ausgestattet, das den Strom des Abgases, der die Wand des Partikelfilters passiert, umkehrt. Das Ventil weist einen Umgehungsmodus auf, um zu bewirken, dass das Abgas das Partikelfilter umgeht, ohne darin zu strömen. Normalerweise wird das Ventil in den Umgehungsmodus gebracht, wenn die Partikeloxidationskapazität des Partikelfilters unter einem vorgegebenen Niveau liegt. Falls jedoch NOx aus dem NOx-Absorptionsmittel freigesetzt werden soll, wird verhindert, dass das Ventil in den Umgehungsmodus gebracht wird, selbst wenn die Partikeloxidationskapazität des Partikelfilters unter dem vorgegebenen Niveau liegt.
Im sechsten Aspekt wird das Ventil normalerweise in den Umgehungsmodus gebracht, wenn die Partikeloxidationskapazität des Partikelfilters unter dem vorgegebenen Niveau liegt, d.h. während einer Geschwindigkeitssenkung des Motors. Falls jedoch NOx aus dem NOx-Absorptionsmittel freigesetzt werden soll, wird verhindert, dass das Ventil in den Umgehungsmodus gebracht wird, selbst wenn die Partikeloxidationskapazität des Partikelfilters unter dem vorgegebenen Niveau liegt. Daher kann in der Regel, wenn die Partikeloxidationskapazität des Partikelfilters unter dem vorgegebenen Niveau liegt, ein Anstieg der Menge der auf dem Partikelfilter abgeschiedenen Partikel unterdrückt werden, der eine Folge davon ist, dass Abgas, das möglicherweise Partikel enthält, den Partikelfilter passiert. Falls NOx aus dem NOx-Absorptionsmittel freigesetzt werden soll, kann ferner verhindert werden, dass Abgas, das HC, CO, unverbrannten Kraftstoff und dergleichen enthält, um NOx aus dem NOx-Absorptionsmittel freizusetzen, das Partikelfilter umgeht und somit direkt in die Atmosphäre ausgestoßen wird.
Die Aspekte der Erfindung sind nicht auf das Abgasreinigungsverfahren und die Abgasreinigungsvorrichtungen eines Verbrennungsmotors beschränkt, die oben beschrieben wurden. Andere Aspekte der Erfindung schließen zum Beispiel ein Fahrzeug ein, das mit der Abgasreinigungsvorrichtung der Erfindung ausgestattet ist, sowie ein Verfahren zum Reinigen des Abgases, das aus der Brennkammer des Verbrennungsmotors abgegeben wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine allgemeine Ansicht eines Verbrennungsmotors.
2A ist ein Diagramm, das das erforderliche Drehmoment des Verbrennungsmotors zeigt.
2B ist ein Kennfeld des Verstellwegs L des Gaspedals und der Motordrehzahl N.
3 ist eine Draufsicht auf eine Abgasreinigungsvorrichtung.
4 ist eine Vorderansicht der Abgasreinigungsvorrichtung.
5A ist eine erläuternde Darstellung der Situation, in der Partikel auf einem Filterbasismaterial abgeschieden werden.
5B ist eine erläuternde Darstellung der Situation, in der Partikel durch in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung strömende Abgasströme aufgerührt werden.
6A ist ein Diagramm, das ein Partikelfilter zeigt.
6B ist eine seitliche Querschnittansicht des Partikelfilters.
7A ist ein Diagramm, das die Partikeloxidation zeigt.
7B ist ein Diagramm, das die Partikeloxidation zeigt.
8A ist ein Diagramm, das die Partikelabscheidung zeigt.
8B ist ein Diagramm, das einen zurückbleibenden Partikelanteil zeigt.
8C ist ein Diagramm, das zeigt, wie ein weiteres Partikel auf dem zurückgebliebenen Partikelanteil abgeschieden wird.
9 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Partikelmenge, die durch Oxidation entfernt werden kann, und der Temperatur des Partikelfilters zeigt.
10A ist ein Diagramm, das die NOx-Beseitigung zeigt.
10B ist ein Diagramm, das die NOx-Beseitigung zeigt.
11 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Abgasstrom-Schaltsteuerung gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt.
12 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Abgasstrom-Schaltsteuerung gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt.
13 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Abgasstrom-Schaltsteuerung gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt.
14 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Steuern des Betriebs der Abgasreinigungsvorrichtung des Verbrennungsmotors entsprechend einer vierten Ausführungsform zeigt.
15 ist ein Diagramm, das die Menge des erzeugten Rauchs zeigt.
16A ist ein Diagramm, das die Gastemperatur in einer Brennkammer und dergleichen zeigt.
16B ist ein Diagramm, das die Gastemperatur in einer Brennkammer zeigt.
17 ist ein Diagramm, das Betriebsregionen I' und II' zeigt.
18 ist ein Diagramm, das ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis A/F zeigt.
19 ist ein Diagramm, das unter anderem die Änderung der Drosselklappenöffnung zeigt.
20 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Steuern des Betriebs der Abgasreinigungsvorrichtung des Verbrennungsmotors entsprechend einer sechsten Ausführungsform zeigt.
21 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Steuern des Betriebs der Abgasreinigungsvorrichtung des Verbrennungsmotors entsprechend einer achten Ausführungsform zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Zunächst werden ein Abgasreinigungsverfahren und eine Abgasreinigungsvorrichtung eines Verbrennungsmotors entsprechend einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit Bezug auf 1 bis 11 beschrieben.
1 zeigt den Fall, dass die Erfindung auf einen Verbrennungsmotor für ein Fahrzeug mit Kompressionszündung angewendet wird. Man beachte, dass die vorliegende Erfindung auch auf einen Verbrennungsmotor mit Fremdzündung angewendet werden kann.
Wie in 1 dargestellt, ist der Verbrennungsmotor mit einem Motorkörper 1, einem Zylinderblock 2, einem Zylinderkopf 3, einem Kolben 4, einer Brennkammer 5, einem elektrisch gesteuerten Kraftstoff-Einspritzventil 6, einem Einlassventil 7, einem Einlasskanal 8, einem Auslassventil 9 und einem Auslasskanal 10 ausgestattet. Der Einlasskanal 8 ist über ein entsprechendes Einlasszweigrohr 11 mit einem Schwalltopf 12 verbunden. Der Schwalltopf 12 ist über einen Ansaugkanal 13 mit einem Kompressor 15 eines Turboladers 14 verbunden. Im Ansaugkanal 13 ist eine Drosselklappe 17 angeordnet, die von einem Schrittmotor 16 angetrieben wird. Eine Kühleinrichtung 18 zum Kühlen der Ansaugluft, die durch den Ansaugkanal 13 strömt, ist um den Ansaugkanal 13 herum angeordnet. In der in 1 gezeigten Ausführungsform wird Motorkühlwasser in die Kühleinrichtung 18 eingeführt, um die angesaugte Luft abzukühlen. Dagegen ist der Auslasskanal 10 über einen Abgaskrümmer 19 und ein Abgasrohr 20 mit einer Abgasturbine 21 eines Abgasturboladers 14 verbunden. Ein Auslass des Abgaskanals 21 ist mit einer Abgasreinigungsvorrichtung gekoppelt, die ein Gehäuse 23 aufweist, in dem ein Partikelfilter 22 untergebracht ist.
Der Abgaskrümmer 19 und der Schwalltopf 12 sind über eine Abgas-Rückführungs-(EGR-)Leitung 24 miteinander verbunden. In der AGR-Leitung 22 ist ein elektrisch gesteuertes AGR-Steuerventil 25 angeordnet. Eine Kühleinrichtung 26 zum Kühlen des AGR-Gases, das durch die AGR-Leitung 24 strömt, ist um die AGR-Leitung 24 herum vorgesehen. In der in 1 gezeigten Ausführungsform wird Motorkühlwasser in die Kühleinrichtung 26 eingeführt, um das AGR-Gas abzukühlen. Jedes Kraftstoff-Einspritzventil 6 ist durch ein entsprechendes Kraftstoff-Versorgungsrohr 6a mit einem Kraftstoff-Reservoir, einer sogenannten Common Rail 27, gekoppelt. Kraftstoff wird von einer elektrisch gesteuerten Kraftstoffpumpe 28 mit variabler Fördermenge in die Common Rail 27 geliefert. Der in die Common Rail 27 gelieferte Kraftstoff wird den Kraftstoff-Einspritzventilen 6 durch die jeweiligen Kraftstoff-Versorgungsrohre 6a zugeführt. An der Common Rail 27 ist ein Kraftstoffdrucksensor 29 befestigt, um den Kraftstoffdruck in der Common Rail 27 zu erfassen. Die Fördermenge der Kraftstoffpumpe 28 wird aufgrund des Ausgangssignals vom Kraftstoffdrucksensor 29 so gesteuert, dass der Kraftstoffdruck in der Common Rail 27 den Ziel-Kraftstoffdruck erreicht.
Eine elektronische Steuereinheit (ECU) 30 besteht aus einem digitalen Rechner und schließt einen ROM (Festwertspeicher) 32, einen RAM (Arbeitsspeicher) 33, eine CPU (einen Mikroprozessor) 34, einen Eingangsport 35 und einen Ausgangsport 36 ein, die jeweils über einen bidirektionalen Bus 31 miteinander verbunden sind. Das Ausgangssignal des Kraftstoffdrucksensors 29 wird über einen entsprechenden Analog/Digital-Wandler 37 in den Eingangsport 35 eingegeben. Ferner ist an dem Partikelfilter 22 ein Temperatursensor 39 befestigt, um die Temperatur des Partikelfilters 22 zu erfassen. Das Ausgangssignal des Kraftstoffdrucksensors 39 wird über einen entsprechenden Analog/Digital-Wandler 37 in den Eingangsport 35 eingegeben. Ein Lastsensor 41 zum Erzeugen einer Ausgangsspannung, die proportional zum Verstellweg L eines Gaspedals 40 ist, ist dem Gaspedal 40 verbunden, und die Ausgangsspannung des Lastsensors 41 wird über einen entsprechenden Analog/Digital-Wandler 37 in den Eingangsport 35 eingegeben. Darüber hinaus ist ein Kurbelwinkelsensor 42, der jedesmal ein Ausgangssignal erzeugt, wenn sich die Kurbelwelle beispielsweise um 30° dreht, mit dem Eingangsport 35 verbunden. Der Ausgangsport 36 ist über entsprechende Antriebsschaltungen 38 mit den Kraftstoff-Einspritzventilen 6, dem Schrittmotor 16 zum Antreiben der Drosselklappe, dem AGR-Steuerventil 25, der Kraftstoffpumpe 28 und dem Stellglied 72, das später beschrieben wird, verbunden.
In der dargestellten Ausführungsform ist die Steuereinrichtung (die ECU 30) als programmierte elektronische Universalsteuereinheit umgesetzt. Der Fachmann wird wissen, dass die Steuereinrichtung unter Verwendung einer einzelnen zweckgebundenen integrierten Schaltung (z.B. ASIC) umgesetzt werden kann, die einen Haupt- oder Zentralrechnerabschnitt für die Gesamtsteuerung auf Systemebene und separate Abschnitte aufweist, die der Durchführung einer Reihe von unterschiedlichen spezifischen Berechnungen, Funktionen und anderen Prozessen unter Steuerung des zentralen Rechnerabschnitts zugeteilt sind. Bei der Steuereinrichtung kann es sich um eine Vielzahl von separaten zweckgebundenen oder programmierbaren integrierten oder anderen elektronischen Schaltungen oder Geräten handeln (z.B. festverdrahtete elektronische oder logische Schaltungen, wie Schaltungen mit diskreten Elementen oder programmierbare logische Geräte, wie PLDs, PLAs, PALs oder dergleichen). Die Steuereinrichtung kann mit Hilfe eines angemessen programmierten Universalrechners, z.B. eines Mikroprozessors, Mikrocontrollers oder anderen Prozessors (CPU oder MPU) entweder allein oder in Verbindung mit einer oder mehreren peripheren Daten- und Signalverarbeitungsvorrichtungen (z.B. einer integrierten Schaltung) umgesetzt werden. Im Allgemeinen kann jedes Gerät oder jede Anordnung von Geräten, mit denen ein endlicher Automat, der in der Lage ist, die oben beschriebenen Verfahren umzusetzen, als Steuereinrichtungen verwendet werden. Eine verteilte Verarbeitungsarchitektur kann für eine maximale Daten/Signal-Verarbeitungsleistung und -geschwindigkeit verwendet werden.
2A zeigt die Beziehung zwischen dem erforderlichen Moment TQ, dem Verstellweg L des Gaspedals 40 und der Motordrehzahl N. Es sei darauf hingewiesen, dass in 2A jede Kurve eine Kurve mit gleichem Moment darstellt. Die von TQ = 0 dargestellte Kurve zeigt an, dass das Moment bei null liegt. In den übrigen Kurven wird das erforderliche Moment nacheinander in der Reihenfolge TQ = a, TQ = b, TQ = c und TQ = d erhöht. Das in 2A dargestellte erforderliche Moment TQ wird, wie in 2B dargestellt, in Form eines Kennfelds im ROM 32 als Funktion des Verstellwegs L des Gaspedals 40 und der Motorgeschwindigkeit N hinterlegt. In dieser Ausführungsform der Erfindung wird das erforderliche Moment TQ entsprechend dem Verstellweg L vom Gaspedal 40 und der Motordrehzahl N anhand des in 2B dargestellten Kennfelds berechnet, und die Menge der Kraftstoffeinspritzung usw. wird aufgrund des erforderlichen Moments TQ berechnet.
Wie in den 1, 3 und 4 dargestellt, ist in der Abgasreinigungsvorrichtung ein Abgasrohr 70 mit dem Auslass der Abgasturbine 21 verbunden. Das Abgasrohr 70 verzweigt sich in erste und zweite Abgasleitungen 76 und 77, die mit der einen bzw. der anderen Oberfläche des Partikelfilters 22 verbunden sind, das im Gehäuse 23 untergebracht ist. Darüber hinaus ist das Abgasrohr 70 mit einer Umgehungsleitung 73 ausgestattet, die bewirkt, dass das Abgas direkt vom Verzweigungspunkt der ersten Abgasleitung 76 und der zweiten Abgasleitung 77 abgegeben wird, ohne das Partikelfilter 22 zu passieren.
Ein Abgasschaltventil 71 ist am Verzweigungspunkt der ersten Abgasleitung 76 und der zweiten Abgasleitung 77 vorgesehen. Das Abgasschaltventil 71 wird vom Stell glied 72 so angetrieben, dass es durch Wählen der ersten Abgasleitung 76 bzw. der zweiten Abgasleitung 77 abwechselnd einen ersten Strom (Vorwärtsstrom) und einen zweiten Strom (Rückwärtsstrom) schaltet. Im ersten Strom wird das Abgas von einer Seite des Filters 22 zugeführt. Im zweiten Strom wird das Abgas von der anderen Seite des Filters 22 zugeführt.
Das Gehäuse 23, in dem das Filter 22 untergebracht ist, befindet sich direkt über dem Abgasrohr 70, welches eine Umgehungsleitung 73 bildet, und die ersten und zweiten Abgasleitungen 76 und 77, die vom Abgasrohr 70 abzweigen, sind jeweils mit einer von zwei Seiten des Gehäuses 23 verbunden. Unter der Voraussetzung, dass die Richtung, in der das Abgas das Filter 22 innerhalb des Gehäuses 23 passiert, wie von den durchgezogenen und gestrichelten Pfeilen in 3 dargestellt, die Längsrichtung des Filters 22 ist, ist das Filter 22 in der Breitenrichtung senkrecht zur Längsrichtung breiter als in der Längsrichtung. Dieser Aufbau ermöglicht eine Reduzierung des Platzbedarfs im Fahrzeug für den Einbau der Abgasreinigungsvorrichtung, die aus dem Gehäuse 23 besteht, in dem das Filter 22 untergebracht ist.
Das Stellglied 72 wird von der Steuereinrichtung 75, die auf der CPU 34 der elektronischen Steuereinheit 30 implementiert ist, angetrieben und wird von einem Steuersignal vom Ausgangsport 36 angetrieben. Außerdem wird das Stellglied 72 von einem negativen Druck angetrieben, der sich aus dem Ansteuern des Verbrennungsmotors ergibt. Wenn kein negativer Druck auf das Stellglied 72 ausgeübt wird, wird der Ventilkörper auf eine Stellung gesteuert, in der die erste Abgasleitung 76 ausgewählt wird (Vorwärtsstromposition). Wenn ein erster negativer Druck auf das Stellglied 72 ausgeübt wird, wird der Ventilkörper auf eine neutrale Position gesteuert. Wenn ein zweiter negativer Druck, der höher ist als der erste negative Druck, auf das Stellglied 72 ausgeübt wird, wird der Ventilkörper auf eine Position gesteuert, in der die zweite Abgasleitung 77 ausgewählt wird (Rückwärtsstromposition).
Wenn der Ventilkörper die von der gestrichelten Linie in 3 angezeigten Vorwärtsstromposition einnimmt, verbindet das Abgasschaltventil 71 das Abgasrohr 70 mit der ersten Abgasleitung 76 und verbindet ebenso die zweite Abgasleitung 77 mit der Umgehungsleitung 73. Daher strömt das Abgas nacheinander durch das Abgasrohr 70, die erste Abgasleitung 76, das Filter 22, die zweite Abgasleitung 77 und die Umgehungsleitung 73, und zwar in dieser Reihenfolge, um dann an die Atmosphäre abgegeben zu werden.
Wenn der Ventilkörper die von der durchgezogenen Linie in 3 angezeigte Rückwärtsstromposition einnimmt, verbindet das Abgasschaltventil 71 das Abgasrohr 70 mit der zweiten Abgasleitung 77 und verbindet ebenso die erste Abgasleitung 76 mit der Umgehungsleitung 73. Daher strömt das Abgas nacheinander durch das Abgasrohr 70, die zweite Abgasleitung 77, das Filter 22, die erste Abgasleitung 76 und die Umgehungsleitung 73, und zwar in dieser Reihenfolge, um dann an die Atmosphäre abgegeben zu werden.
Wenn der Ventilkörper die neutrale Position parallel zur Achse des Abgasrohrs 70 einnimmt, wie von der gestrichelten Linie in 3 gezeigt, verbindet das Abgasschaltventil 71 das Abgasrohr 70 direkt mit der Umgehungsleitung 73. Deshalb strömt das Abgas vom Abgasrohr 70 in die Umgehungsleitung 73, ohne das Filter 22 zu passieren und wird dann an die Atmosphäre abgegeben.
Durch Schalten des Ventilkörpers, um wiederholt Vorwärts- und Rückwärtsströme zu erzeugen, bewegen sich Partikel, wie Ruß, aktiv innerhalb des Basismaterials des Filters 22. Daher ist die Oxidation der Partikel erleichtert, wodurch die Partikel effizient beseitigt werden können.
5A ist eine erläuternde Ansicht, die den Fall zeigt, dass das Abgas nur aus einer Richtung in das Filter 22 geleitet wird. Die Partikel sammeln sich nur auf einer Oberfläche des Filters unbewegt an. Dies bewirkt nicht nur einen erhöhten Druckverlust des Abgases, sondern verhindert auch die Beseitigung der Partikel.
5B ist eine erläuternde Ansicht, die den Fall zeigt, dass das Abgas aus beiden Richtungen in das Filter 22 geleitet wird. Die Partikel werden an beiden Oberflächen des Filters aufgerührt. Deshalb bewegen sich die Partikel aktiv an beiden Oberflächen des Filters 22 oder innerhalb von dessen Basismaterial. Infolgedessen kann die Oxidation der Partikel mittels der aktiven Punkte im gesamten Filterbasismaterial erleichtert werden, wodurch eine Reduzierung der Menge der auf dem Filter 22 angesammelten Partikel möglich ist. Dementsprechend kann eine Zunahme des Druckverlusts des Abgases vermieden werden.
6A und 6B zeigen den Aufbau des Partikelfilters 22. Man beachte, dass 6A eine Vorderansicht des Partikelfilters 22 ist, während 6B eine seitliche Schnittansicht davon ist. Wie in 6A und 6B gezeigt, weist das Partikelfilter 22 eine Wabenstruktur auf und ist vom Wandstrom-Typ mit einer Vielzahl von Abgasstromleitungen 50, 51, die parallel zueinander verlaufen. Diese Abgasstromleitungen bestehen aus Abgaszustromleitungen 50, deren stromabwärts gelegenes Ende jeweils von einem Stopfen 52 verschlossen ist, und aus Abgasabstromleitungen 51, deren stromaufwärtsseitiges Ende jeweils von einem Stopfen 53 verschlossen ist. Man beachte, dass die schraffierten Abschnitte in 6A die Stopfen 53 darstellen. Dementsprechend sind die Abgaszustromleitungen 50 und die Abgasabstromleitungen 51 abwechselnd angeordnet, mit jeweils einer dünnen Trennwand 54 dazwischen. Mit anderen Worten sind die Abgaszustromleitungen 50 und die Abgasabstromleitungen 51 so angeordnet, dass jede Abgaszustromleitung 50 von vier Abgasabstromleitungen 51 umgeben ist, und jede Abgasabstromleitung 51 von vier Abgaszustromleitungen 50 umgeben ist.
Das Partikelfilter 22 ist aus einem porösen Material, wie zum Beispiel Cordierit, gebildet. Deshalb strömt das Abgas, das in die einzelnen Abgaszustromleitungen 50 strömt, durch die entsprechenden umgebenden Trennwände 54 in die angrenzenden Abgasabstromleitungen 51, wie von den Pfeilen in 6B gezeigt.
In der Ausführungsform der Erfindung ist jeweils eine Trägerschicht aus z.B. Aluminiumoxid, auf den peripheren Wandoberflächen der Abgaszuleitungen 50 und der Abgasableitungen 51 ausgebildet, d.h. auf beiden Oberflächen jeder Trennwand 54 und auf den Innenwandoberflächen der Poren in jeder Trennwand 54. Ein Edelmetallkatalysator, ein aktiven Sauerstoff freisetzendes Mittel und ein NOx-Absorptionsmittel befinden sich auf diesem Träger. Das aktiven Sauerstoff freisetzende Mittel nimmt Sauerstoff auf und hält ihn fest, wenn ein Sauerstoffüberschuss in der nahen Umgebung vorliegt, und setzt den zurückgehaltenen Sauerstoff in Form von aktivem Sauerstoff frei, falls die Sauerstoffkonzentration in der Nähe sinkt. Das NOx-Absorptionsmittel absorbiert NOx, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des darin strömenden Abgases einen Wert auf der mageren Seite aufweist, und setzt das absorbierte NOx frei, wenn die Sauerstoffkonzentration im darin strömenden Abgas sinkt.
Das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das ins NOx-Absorptionsmittel strömt, bezieht sich auf das Verhältnis der Luft zum Kraftstoff (Kohlenwasserstoff), das in die Einlassleitung des Verbrennungsmotors, die Brennkammer 5 und die Abgasleitung stromaufwärts vom NOx-Absorptionsmittel geliefert wird. Man beachte, dass, falls kein Kraftstoff (Kohlenwasserstoff) oder keine Luft in die Abgasleitung stromaufwärts vom NOx-Absorptionsmittel geliefert wird, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das darin strömt, dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis der Mischung entspricht, die in die Brennkammer geliefert wird.
Platin Pt kann als Edelmetallkatalysator verwendet werden.
Das aktiven Sauerstoff freisetzende Mittel kann aus mindestens einem Element gebildet sein, das ausgewählt ist aus Alkalimetallen, wie Kalium K, Natrium Na, Lithium Li, Cäsium Cs und Rubidium Rb, Erdalkalimetallen, wie Barium Ba, Calcium Ca und Strontium Sr, Seltenerdelementen, wie Lanthan La und Yttrium Y, und Übergangsmetallen.
Man beachte, dass in diesem Fall als das aktiven Sauerstoff freisetzende Mittel vorzugsweise ein Alkalimetall oder ein Erdalkalimetall mit einer höheren Ionisierungs tendenz als Calcium Ca verwendet wird, d.h. Kalium K, Lithium Li, Cäsium Cs, Rubidium Rb, Barium Ba und Strontium Sr.
Das NOx-Absorptionsmittel kann aus mindestens einem Element gebildet sein, das ausgewählt ist aus Alkalimetallen, wie Kalium K, Natrium Na, Lithium Li, Cäsium Cs und Rubidium Rb, Erdalkalimetallen, wie Barium Ba, Calcium Ca und Strontium Sr, und Seltenerdelementen, wie Lanthan La und Yttrium Y.
Man beachte, dass in diesem Fall als das NOx-Absorptionsmittel vorzugsweise ein Alkalimetall oder ein Erdalkalimetall mit einer höheren Ionisierungstendenz als Calcium Ca verwendet wird, d.h. Kalium K, Lithium Li, Cäsium Cs, Rubidium Rb, Barium Ba und Strontium Sr.
Wie aus dem Vergleich zwischen den jeweiligen Metallen hervorgeht, die das aktiven Sauerstoff freisetzende Mittel und das NOx-Absorptionsmittel bilden, sind die Metalle, die diese Mittel bilden, weitgehend identisch.
Dementsprechend können entweder verschiedene Metalle oder das gleiche Metall bzw. die gleichen Metalle als das aktiven Sauerstoff freisetzende Mittel und das NOx-Absorptionsmittel verwendet werden. Wenn das gleiche Metall bzw. die gleichen Metalle als das aktiven Sauerstoff freisetzende Mittel und das NOx-Absorptionsmittel verwendet werden, dient dieses Metall bzw. dienen diese Metalle gleichzeitig sowohl als das aktiven Sauerstoff freisetzende Mittel als auch das NOx-Absorptionsmittel. Nachstehend wird ein Mittel, das gleichzeitig sowohl als das aktiven Sauerstoff freisetzende Mittel als auch das NOx-Absorptionsmittel fungiert, als „aktiven Sauerstoff freisetzendes/NOx absorbierendes Mittel" bezeichnet.
In der vorliegenden Ausführungsform wird die Beschreibung eines Beispiels für den Fall gegeben, dass Platin Pt als Edelmetallkatalysator und Kalium K als aktiven Sauerstoff abgebendes/NOx absorbierendes Mittel auf dem Träger, beispielsweise Aluminiumoxid, getragen sind.
Wie oben beschrieben, dient Kalium K als das aktiven Sauerstoff freisetzende Mittel gleichzeitig als aktiven Sauerstoff freisetzendes Mittel und als NOx-Absorptionsmittel. Diese Abgasreinigungsvorrichtung nutzt die Funktion als aktiven Sauerstoff freisetzendes Mittel, um das Beseitigen der Partikel im Abgas durch Oxidation zu erleichtern, und nutzt die Funktion als NOx-Absorptionsmittel, um NOx aus dem Abgas zu beseitigen. Nachstehend wird ein Reinigungsmechanismus dieser Abgasreinigungsvorrichtung im Hinblick auf die jeweiligen Funktionen beschrieben.
Zunächst wird die Beseitigung von Partikeln im Partikelfilter 22 anhand der Funktion des aktiven Sauerstoff freisetzenden/NOx absorbierenden Mittels als aktiven Sauerstoff freisetzendes Mittel beschrieben. Man beachte, dass auch dann, wenn ein anderes Alkalimetall, Erdalkalimetall, Seltenerdelement und/oder Übergangsmetall als das aktiven Sauerstoff freisetzende Mittel verwendet wird, die Funktion als aktiven Sauerstoff freisetzendes Mittel die gleiche ist, so dass die Beseitigung der Partikel anhand desselben Mechanismus durchgeführt wird.
In einem Verbrennungsmotor mit Kompressionszündung, wie in 1 dargestellt, läuft die Verbrennung unter einem Überschuss an Luft ab. Deshalb enthält das Abgas einen großen Luftüberschuss. Anders ausgedrückt weist das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases in einem Verbrennungsmotor mit Kompressionszündung, wie in 1 dargestellt, einen Wert auf der mageren Seite auf. Ferner wird in der Brennkammer 5 NO erzeugt, also enthält das Abgas NO. Der Kraftstoff enthält Schwefel S, der mit Sauerstoff innerhalb der Brennkammer 5 zu SO₂ umgesetzt wird. Dementsprechend enthält das Abgas SO₂. Dementsprechend strömt Abgas, das einen Luftüberschuss, NO und SO₂ enthält, in die Abgaszustromleitungen 50 des Partikelfilters 22.
Die 7A und 7B sind vergrößerte Ansichten, die schematisch die Oberfläche der Trägerschicht zeigen, die auf der Innenumfangsfläche jeder Abgaszuleitung 50 und auf der Innenwandfläche der Poren in jeder Trennwand 45 gebildet ist. Man beachte, dass die 7A und 7B ein Partikel 60 aus Platin Pt und ein aktiven Sauerstoff abgebendes/NOx absorbierendes Mittel 61 darstellen, das Kalium K enthält.
Wie oben beschrieben, enthält das Abgas einen großen Sauerstoffüberschuss. Wenn das Abgas in die Abgaszuleitung 50 des Partikelfilters 22 strömt, haftet daher Sauerstoff O₂ an der Oberfläche des Platins Pt in Form von O₂ ^– oder O^2–, wie in 7A dargestellt. Außerdem wird NO im Abgas an der Oberfläche des Platins Pt mit O₂ ^– oder O^2– zu NO₂ umgesetzt (2NO + O₂ → 2NO₂). Ein Teil des auf diese Art erzeugten NO₂ wird dann in das aktiven Sauerstoff abgebende/NOx absorbierende Mittel absorbiert, während es auf Platin Pt oxidiert wird, und diffundiert in Form von Nitrationen NO₃ ^–, wie in 7A dargestellt, in das aktiven Sauerstoff abgebende/NOx absorbierende Mittel 61, während es sich an Kalium K bindet, so dass ein Teil der Nitrationen NO₃ ^– Kaliumnitrat KNO₃ erzeugt.
Wie oben beschrieben, enthält das Abgas auch SO₂, das anhand des gleichen Mechanismus wie beim NO in das aktiven Sauerstoff abgebende/NOx absorbierende Mittel 61 absorbiert wird. Genauer gesagt haftet, wie oben beschrieben, Sauerstoff O₂ in Form von O₂ ^– oder O^2– an der Oberfläche des Platins Pt, so dass SO₂ im Abgas an der Oberfläche des Platins Pt mit O₂ ^– oder O^2– zu SO₃ umgesetzt wird.
Ein Teil des so erzeugten SO₃ wird dann in das aktiven Sauerstoff abgebende/NOx absorbierende Mittel 61 absorbiert, während es weiter auf Platin Pt oxidiert wird, und diffundiert in Form von Sulfationen SO₄ ^– in das aktiven Sauerstoff abgebende/NOx absorbierende Mittel 61, während es sich an Kalium K bindet, so dass Kaliumsulfat K₂SO₄ erzeugt wird. So werden Kaliumnitrat KNO₃ und Kaliumsulfat K₂SO₄ im aktiven Sauerstoff freisetzenden/NOx absorbierenden Mittel 61 erzeugt.
Darüber hinaus werden in der Brennkammer 5 Partikel erzeugt, die hauptsächlich aus Kohlenstoff bestehen. Deshalb enthält das Abgas diese Partikel. Während das Abgas durch die Abgaszuleitung 50 des Partikelfilters 22 strömt oder aus der Abgaszuleitung 50 in die Abgasableitung 51 strömt, kommen diese im Abgas enthaltenen Partikel mit der Oberfläche der Trägerschicht in Kontakt, z.B. der Oberfläche des aktiven Sauerstoff freisetzenden/NOx absorbierenden Mittels 61, und haften daran, wie vom Bezugszeichen 62 in 7B dargestellt.
Somit wird, wenn die Partikel 62 an der Oberfläche des aktiven Sauerstoff abgebenden/NOx absorbierenden Mittels 61 haften, die Sauerstoffkonzentration an der Kontaktfläche zwischen den Partikeln 62 und dem aktiven Sauerstoff abgebenden/NOx absorbierenden Mittel 61 reduziert. Diese reduzierte Sauerstoffkonzentration führt zu einem Konzentrationsunterschied zwischen der Kontaktfläche und dem Inneren des aktiven Sauerstoff abgebenden/NOx absorbierenden Mittels 61, das eine hohe Sauerstoffkonzentration aufweist. Daher versucht der Sauerstoff im aktiven Sauerstoff freisetzenden/NOx absorbierenden Mittel 61 zur Kontaktfläche zwischen den Partikeln 62 und dem aktiven Sauerstoff freisetzenden/NOx absorbierenden Mittel zu wandern. Infolgedessen wird Kaliumnitrat KNO₃, das im aktiven Sauerstoff freisetzenden/NOx absorbierenden Mittel 61 erzeugt wird, zu Kalium K, Sauerstoff O und NO abgebaut, so dass Sauerstoff O zur Kontaktfläche zwischen den Partikeln 62 und dem aktiven Sauerstoff freisetzenden/NOx absorbierenden Mittel 61 wandert, während NO aus dem aktiven Sauerstoff freisetzenden/NOx absorbierenden Mittel 61 nach draußen abgegeben wird. Dann wird das so nach außen abgegebenen NO auf dem nachgelagert angeordneten Platin Pt oxidiert, so dass es erneut in das aktiven Sauerstoff abgebende/NOx absorbierende Mittel 61 absorbiert wird.
Gleichzeitig wird Kaliumsulfat K₂SO₄, das im aktiven Sauerstoff freisetzenden/NOx absorbierenden Mittel 61 erzeugt wird, ebenfalls zu Kalium K, Sauerstoff O und SO₂ abgebaut, so dass Sauerstoff O zur Kontaktfläche zwischen den Partikeln 62 und dem aktiven Sauerstoff freisetzenden/NOx absorbierenden Mittel 61 wandert, während SO₂ aus dem aktiven Sauerstoff freisetzenden/NOx absorbierenden Mittel 61 nach draußen abgegeben wird. Dann wird das so nach außen abgegebene SO₂ auf dem nachgelagert angeordneten Platin Pt oxidiert, so dass es erneut in das aktiven Sauerstoff abgebende/NOx absorbierende Mittel 61 absorbiert wird.
Der Sauerstoff O, der zur Kontaktfläche zwischen den Teilchen 62 und dem aktiven Sauerstoff freisetzenden/NOx absorbierenden Mittel 61 wandert, entsteht aus dem Abbau einer Verbindung wie Kaliumnitrat KNO₃ oder Kaliumsulfat K₂SO₄. Der Sauerstoff O, der aus dem Abbau der Verbindung entsteht, weist eine hohe Energie auf und ist äußerst aktiv. Deshalb handelt es sich bei dem Sauerstoff, der zur Kontaktfläche zwischen den Partikeln 62 und dem aktiven Sauerstoff freisetzenden/NOx absorbierenden Mittel 61 wandert, um aktiven Sauerstoff O. Wenn dieser aktive Sauerstoff O mit den Partikeln 62 in Kontakt kommt, werden die Partikel 62 in kurzer Zeit ohne leuchtende Flamme oxidiert. Infolgedessen verschwinden die meisten Partikel. Dementsprechend ist es ziemlich unwahrscheinlich, dass Partikel 62 sich auf dem Partikelfilter 22 abscheiden. Die Zeit, die erforderlich ist, um die Partikel auf dem Partikelfilter durch Oxidation zu entfernen, liegt im Bereich von einigen Minuten bis zu Dutzenden von Minuten.
Es wird in Betracht gezogen, dass NOx in Form von Nitrationen NO₃ ^– in das aktiven Sauerstoff freisetzende Mittel 61 diffundiert, während es sich wiederholt an Sauerstoffatome bindet und wieder von diesen trennt. Aktiver Sauerstoff wird während dieser Zeit ebenfalls erzeugt. Die Partikel 62 werden auch von diesem aktiven Sauerstoff oxidiert. Ferner werden die Partikel 62, die solchermaßen auf dem Partikelfilter 22 haften geblieben sind, durch aktiven Sauerstoff O oxidiert, aber auch vom Sauerstoff im Abgas oxidiert.
Falls die Partikel sich schichtweise auf dem Partikelfilter 22 anlagern, wie in den herkömmlichen Beispielen, verbrennen die Partikel mit einer Flamme auf dem glühenden Partikelfilter 22. Eine solche Verbrennung mit einer Flamme kann nur bei einer hohen Temperatur aufrecht erhalten werden. Um die Verbrennung mit einer Flamme aufrechtzuerhalten, muss das Partikelfilters 22 daher bei einer hohen Temperatur gehalten werden.
Gemäß der Erfindung werden die Partikel dagegen ohne leuchtende Flamme oxidiert, wie oben beschrieben, und die Oberfläche des Partikelfilters 22 glüht nicht. Anders ausgedrückt, gemäß der Erfindung werden die Partikel 62 durch Oxidation bei einer wesentlich niedrigeren Temperatur als derjenigen der herkömmlichen Beispiele beseitigt. Dementsprechend unterscheidet sich die Entfernung der Partikel 62 durch Oxidation ohne eine leuchtende Flamme gemäß der vorliegenden Erfindung vollkommen von der herkömmlichen Entfernung der Partikel durch eine Verbrennung, die mit einer Flamme einhergeht.
Außerdem wird das Entfernen von Partikeln durch Oxidation bei einer beträchtlich niedrigen Temperatur durchgeführt. Infolgedessen steigt die Temperatur des Partikelfilters 22 nicht nennenswert, so dass das Partikelfilter 22 kaum geschädigt wird. Da es außerdem ziemlich unwahrscheinlich ist, dass Partikel auf dem Partikelfilter 22 abgeschieden werden, ist es weniger wahrscheinlich, dass Asche, der Stoff, der zurückbleibt, nachdem die Partikel verbrannt wurden, sich zusammenballt, so dass das Partikelfilter nicht so anfällig für ein Verstopfen ist.
Dieses Verstopfen wird hauptsächlich von Calciumsulfat CaSO₄ verursacht. Genauer gesagt enthalten Kraftstoff und Schmieröl Calcium Ca. Deshalb ist Calcium Ca im Abgas enthalten. Calcium Ca erzeugt in Gegenwart von SO₃ Calciumsulfat CaSO₄. Calciumsulfat CaSO₄ ist ein Feststoff und wird durch Hitze nicht abgebaut, auch nicht bei hohen Temperaturen. Dementsprechend füllt das auf diese Weise erzeugte Calciumsulfat CaSO₄ die Poren des Partikelfilters 22, was zu einem Verstopfen führt.
Wenn jedoch ein Alkalimetall oder ein Erdalkalimetall mit einer höheren Ionisierungstendenz als Calcium Ca, beispielsweise Kalium K, als aktiven Sauerstoff freisetzendes/NOx absorbierendes Mittel 61 verwendet wird, bindet sich das SO₃, das in das aktiven Sauerstoff freisetzende/NOx absorbierende Mittel 61 diffundiert, an das Kalium K, wodurch Kaliumsulfat K₂SO₄ entsteht. Das Calcium Ca passiert somit die Trennwände 54 des Partikelfilters 22 und gelangt in die Abgasableitung 51, ohne sich an SO₃ zu binden. Dementsprechend unterliegen die Poren des Partikelfilters 22 keinem Verstopfen. Infolgedessen wird vorzugsweise ein Alkalimetall oder ein Erdalkalimetall mit einer höheren Ionisierungstendenz als Calcium Ca, d.h. Kalium K, Lithium Li, Cäsium Cs und Barium Ba, als das aktiven Sauerstoff freisetzende/NOx absorbierende Mittel verwendet, wie oben beschrieben.
Platin Pt und das aktiven Sauerstoff freisetzende/NOx absorbierende Mittel 61 werden eher aktiviert, wenn die Temperatur des Partikelfilters 22 steigt. Deshalb wird die Menge an aktivem Sauerstoff O, die vom aktiven Sauerstoff abgebenden/NOx absorbierenden Mittel 61 pro Zeiteinheit freigesetzt werden kann, erhöht, wenn die Temperatur des Partikelfilters 22 steigt. Natürlich ist es wahrscheinlicher, dass die Partikel 62 durch Oxidation entfernt werden können, wenn die Temperatur des Partikelfilters 62 an sich steigt. Somit steigt die Menge an Partikeln, die pro Zeiteinheit durch Oxidation auf dem Partikelfilter 22 ohne leuchtende Flamme beseitigt werden können, wenn die Temperatur des Partikelfilters 22 steigt.
Die durchgezogene Linie in 9 zeigt die Partikelmenge G an, die pro Zeiteinheit durch Oxidation ohne leuchtende Flamme beseitigt werden kann (nachstehend wird diese Partikelmenge einfach als oxidativ entfernbare Partikelmenge G bezeichnet). Man beachte, dass in 9 die Abszisse die Temperatur TF des Partikelfilters 22 anzeigt. Obwohl 9 die oxidativ entfernbare Partikelmenge G für den Fall zeigt, dass die Zeiteinheit eine Sekunde beträgt, d.h. pro Sekunde, kann die Zeiteinheit eine beliebige Zeitspanne sein, wie eine Minute, zehn Minuten usw. Falls die Zeiteinheit zehn Minuten beträgt, stellt die Partikelmenge G, die pro Zeiteinheit oxidativ entfernt werden kann, die Partikelmenge G dar, die pro zehn Minuten oxidativ entfernt werden kann. In diesem Fall wird die Partikelmenge G, die pro Zeiteinheit durch Oxidation auf dem Partikelfilter 22 ohne leuchtende Flamme beseitigt werden kann, ebenfalls erhöht, wenn die Temperatur des Partikelfilters 22 steigt, wie in 9 dargestellt.
Die Menge der Partikel, die pro Zeiteinheit aus der Brennkammer 5 abgegeben werden, wird hierin als Partikelabgabemenge M bezeichnet. Falls die Partikelabgabemenge M kleiner ist als die oxidativ entfernbare Partikelmenge G, d.h. in der Region I von 9 liegt, werden die meisten Partikel, die aus der Brennkammer 5 abgegeben werden, innerhalb kurzer Zeit, nachdem sie mit dem Partikelfilter 22 in Kontakt ge kommen sind, durch Oxidation auf dem Partikelfilter 22 ohne leuchtende Flamme beseitigt. Die Zeit, die erforderlich ist, um die Partikel auf dem Partikelfilter durch Oxidation zu entfernen, liegt im Bereich von einigen Minuten bis zu Dutzenden von Minuten.
Falls die Partikelabgabemenge M dagegen größer als die oxidativ entfernbare Partikelmenge G, d.h. in der Region II von 9 liegt, reicht die Menge an aktivem Sauerstoff nicht aus, um alle Partikel zu oxidieren. Die 8A, 8B und 8C zeigen die Art und Weise, wie die Partikel in diesem Fall oxidiert werden.
Falls die Menge an aktivem Sauerstoff nicht ausreicht, um alle Partikel zu oxidieren, werden die Partikel 62 nur teilweise oxidiert, wenn sie am aktiven Sauerstoff abgebenden/NOx absorbierenden Mittel 61 haften, so dass der Teil der Partikel, der nicht vollständig oxidiert wurde, auf der Trägerschicht zurückbleibt. Wenn diese Situation eines Mangels an aktivem Sauerstoff fortbesteht, bleibt der Teil der Partikel, der nicht oxidiert wurde, sukzessive auf der Trägerschicht zurück, so dass die Oberfläche der Trägerschicht mit dem zurückgebliebenen Teil der Partikel bedeckt wird, wie in 8B dargestellt.
Der zurückbleibende Teil 63 der Partikel, der die Oberfläche der Trägerschicht bedeckt, wird allmählich in Kohlenstoffmaterial umgewandelt, das weniger anfällig für eine Oxidation ist. Dementsprechend steigt die Wahrscheinlichkeit, dass der zurückgebliebene Partikelanteil 63 auf der Trägerschicht zurückbleibt. Wenn die Oberfläche der Trägerschicht mit dem zurückgebliebenen Partikelanteil 63 bedeckt ist, werden die Oxidation von NO und SO₂ durch Platin Pt ebenso wie die Freisetzung von aktivem Sauerstoff aus dem aktiven Sauerstoff abgebenden/NOx absorbierenden Mittel 61 unterdrückt. Infolgedessen lagern sich, wie in 8C dargestellt, weitere Partikel 64 nacheinander auf dem zurückgebliebenen Partikelanteil 63 ab. Mit anderen Worten lagern sich die Partikel schichtweise ab. Eine solche schichtweise Ablagerung trennt die Partikel vom Platin Pt und dem aktiven Sauerstoff abgebenden/NOx absorbierenden Mittel 61. Deshalb werden sogar die Partikel, die für eine Oxidation anfällig sind, nicht mehr vom aktiven Sauerstoff O oxidiert, so dass andere Partikel sich nacheinander weiter auf dem Partikel 64 anlagern. Anders ausgedrückt, falls die Situation, dass die Partikelabgabemenge M kleiner ist als die oxidativ entfernbare Partikelmenge G, fortbesteht, werden die Partikel schichtweise auf dem Partikelfilter 22 abgeschieden.
Somit werden in der Region I von 9 die Partikel in kurzer Zeit ohne leuchtende Flamme auf dem Partikelfilter 22 oxidiert, und in der Region II von 9 werden die Partikel schichtweise auf dem Partikelfilter 22 abgeschieden. Um eine solche schichtweise Abscheidung der Partikel auf dem Partikelfilter 22 zu verhindern, ist es deshalb anzustreben, dass die Beziehung zwischen der Partikelabgabemenge M und der oxidativ entfernbaren Partikelmenge G immer in der Region I liegt. Wenn die Partikelabgabemenge M somit unter der Partikelmenge G gehalten wird, die durch Oxidation entfernt werden kann, lagern sich keine Partikel schichtweise auf dem Partikelfilter 22 an. Infolgedessen ändert sich der Druckverlust des Abgasstroms im Partikelfilter 22 kaum und wird bei einem im wesentlichen konstanten minimalen Druckverlustwert gehalten. Auf diese Art kann die Abnahme der Motorleistung bei einem minimalen Wert gehalten werden.
In der Praxis ist es jedoch fast unmöglich, die Partikelabgabemenge M in jedem Betriebszustand unter der oxidativ entfernbaren Partikelmenge G zu halten. Zum Beispiel weist das Partikelfilter während des Motorstarts normalerweise eine niedrige Temperatur auf, so dass die Partikelabgabemenge M normalerweise größer wird als die oxidativ entfernbare Partikelmenge G. Falls die Partikelabgabemenge M größer wird als die oxidativ entfernbare Partikelmenge G, wie es unmittelbar nach dem Starten des Motors der Fall ist, beginnt der Partikelanteil, der nicht oxidiert wurde, auf dem Partikelfilter 22 zurückzubleiben. Wenn daher die Partikelabgabemenge M unter der oxidativ entfernbaren Partikelmenge G gehalten wird, werden somit keine Partikel schichtweise auf dem Partikelfilter 22 abgeschieden. Infolgedessen ändert sich der Druckverlust des Abgasstroms im Partikelfilter 22 kaum und wird bei einem im wesentlichen konstanten minimalen Druckverlustwert gehalten. Auf diese Weise kann die Abnahme der Motorleistung bei einem minimalen Wert gehalten werden.
Je nach Betriebsbedingung kann somit die Partikelabgabemenge M größer werden als die oxidativ entfernbare Partikelmenge G, so dass die Partikel schichtweise auf dem Partikelfilter 22 abgeschieden werden können.
Um solche abgeschiedenen Partikel durch Oxidation zu entfernen, wird das im Abgasrohr 70 vorgesehene Schaltventil 71 geschaltet. Durch Schalten des Schaltventils 71 wird die Richtung, in der das Abgas in das Partikelfilter 22 strömt, umgekehrt, so dass die Stromabwärtsseite des Abgases und die Stromaufwärtsseite des Abgases umgekehrt werden. Infolgedessen haften in dem Abschnitt, der als Stromabwärtsseite des Abgases im Partikelfilter 22 fungiert, die Partikel vor dem Schalten des Schaltventils 71 an der Oberfläche des aktiven Sauerstoff abgebenden/NOx absorbierenden Mittels 61, so dass aktiver Sauerstoff O freigesetzt wird. Infolgedessen werden die Partikel durch Oxidation beseitigt.
Ein Teil des freigesetzten aktiven Sauerstoffs O wandert zusammen mit dem Abgas zur Stromabwärtsseite des Abgases im Partikelfilter 22, um die darauf abgeschiedenen Partikel durch Oxidation zu beseitigen. Wie oben beschrieben, werden die Partikel hierin in Vorwärts- und Rückwärtsstromrichtung an beiden Oberflächen des Partikelfilters 22 aufgerührt. Infolgedessen bewegen sich die Partikel aktiv an beiden Oberflächen des Partikelfilters 22 oder innerhalb des Basismaterials und treffen auf die aktiven Punkte im gesamten Filterbasismaterial und werden oxidiert.
Somit werden die Stromaufwärts- und Stromabwärtsseiten des Abgases im Partikelfilter 22 umgekehrt, wenn die nicht oxidierten Partikel sich auf dem Partikelfilter 22 anzulagern beginnen. Infolgedessen können die meisten Partikel durch Oxidation vom Partikelfilter 22 entfernt werden.
Wenn die Partikel auf dem Partikelfilter 22 abgeschieden wurden, wird das Luft/Kraftstoff-Verhältnis eines Teils des Abgases oder des gesamten Abgases vorübergehend auf einen fetten Wert verändert, wodurch die abgeschiedenen Partikel ohne leuchtende Flamme oxidiert werden können. Wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases auf einen fetten Wert verändert wird, d.h. wenn die Sauerstoffkonzentration im Abgas reduziert wird, wird aktiver Sauerstoff O rasch zur Außenseite des aktiven Sauerstoff abgebenden/NOx absorbierenden Mittel 61 abgegeben. Wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases auf einen fetten Wert gebracht wird, wird der Sauerstoff, der an einem Edelmetallkatalysator haften geblieben ist, durch ein Reduktionsmittel beseitigt. Dies verbessert die Aktivität des Edelmetalls und erleichtert die Freisetzung von aktivem Sauerstoff. Wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases abwechselnd auf einen fetten und einen mageren Wert gebracht wird, steigt die Menge an aktivem Sauerstoff, der aus dem aktiven Sauerstoff einschließenden/aktiven Sauerstoff freisetzenden Mittel 61 nach draußen abgegeben wird, an. Die Partikel, die kettenartig miteinander verbunden sind, werden vom nach draußen abgegebenen aktiven Sauerstoff abgebaut, so dass die Partikel leicht oxidiert werden können. Deshalb nimmt die Gesamtmenge an Partikeln, die pro Zeiteinheit durch das Sauerstoff einschließende/aktiven Sauerstoff abgebende Mittel 61 entfernt werden können, zu, und die übereinander angeordneten Partikel können durch Verbrennung entfernt werden, ohne leuchtende Flammen zu erzeugen.
Dies ist der Partikelbeseitigungsmechanismus, der die Funktion des aktiven Sauerstoff freisetzenden/NOx absorbierenden Mittels als aktiven Sauerstoff freisetzendes Mittel nutzt.
Nachstehend wird die NOx-Beseitigung, die die Funktion des aktiven Sauerstoff abgebenden/NOx absorbierenden Mittels als NOx-absorbierendes Mittel nutzt, beschrieben. Man beachte, dass selbst dann, wenn ein anderes Alkalimetall, Erdalkalimetall und/oder Seltenerdelement als das NOx-Absorptionsmittel verwendet wird, die Funktion als das NOx-Absorptionsmittel die Gleiche ist, so dass die NOx-Beseitigung mit demselben Mechanismus durchgeführt wird.
Es wird davon ausgegangen, dass die NOx-Beseitigung durch das aktiven Sauerstoff abgebende/NOx absorbierende Mittel mit dem in 10 dargestellten Mechanis mus durchgeführt wird. Man beachte, dass die 10A und 10B ein Partikel 60 aus Platin Pt und ein aktiven Sauerstoff abgebendes/NOx absorbierendes Mittel 61 darstellen, das Kalium K enthält.
Zunächst wird, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des eingeführten Abgases auf einen erheblich mageren Wert verändert wird, die Sauerstoffkonzentration in dem eingeführten Abgas erheblich gesteigert, so dass Sauerstoff O₂ an der Oberfläche von Platin Pt in Form von O₂ ^– oder O^2– haftet, wie in 10A dargestellt. Andererseits wird NO, das in dem eingeführten Abgas enthalten ist, an der Oberfläche des Platins Pt mit O₂ ^– oder O^2– zu NO₂ umgesetzt (2NO + O₂ → 2NO₂).
Dann wird das so erzeugten NO₂ im aktiven Sauerstoff abgebenden/NOx absorbierenden Mittel 61 absorbiert, während es auf Platin Pt oxidiert wird, und diffundiert in Form von Nitrationen NO₃ ^–, wie in 10A dargestellt, in das aktiven Sauerstoff abgebende/NOx absorbierende Mittel 61, während es sich an Kalium K bindet. Somit wird NOx im aktiven Sauerstoff abgebenden/NOx absorbierenden Mittel 61 absorbiert.
Solange die Sauerstoffkonzentration im eingeführten Abgas hoch ist, wird an der Oberfläche des Platins Pt NO₂ erzeugt. Solange die NOx-Absorptionsfähigkeit des aktiven Sauerstoff abgebenden/NOx absorbierenden Mittels 61 nicht gesättigt wurde, wird im aktiven Sauerstoff abgebenden/NOx absorbierenden Mittel 61 NO₂ absorbiert, um Nitrationen NO₃ ^– zu erzeugen.
Wenn dagegen das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases auf einen theoretischen oder fetten Wert geändert wird, wird die Sauerstoffkonzentration im eingeführten Abgas reduziert, wodurch die NO₂-Produktionsmenge reduziert wird. Infolgedessen schreitet die Reaktion in umgekehrter Richtung fort (NO₃ ^– → NO₂), so dass Nitrationen NO₃ ^– im aktiven Sauerstoff abgebenden/NOx absorbierenden Mittel 61 in Form von NO₂ oder NO daraus abgegeben werden. Mit anderen Worten, wenn die Sauerstoffkonzentration im eingeführten Abgas reduziert wird, wird NOx vom aktiven Sauerstoff abgebenden/NOx absorbierenden Mittel 61 freigesetzt.
Gleichzeitig werden HC und CO im Abgas als Folge einer Reaktion mit Sauerstoff O₂ ^– oder O^2– auf Platin Pt oxidiert. Darüber hinaus wird das aus dem aktiven Sauerstoff abgebenden/NOx absorbierenden Mittel 61 freigesetzte NO₂ oder NO aufgrund der reduzierten Sauerstoffkonzentration im eingeführten Abgas als Folge einer Reaktion mit nicht verbranntem HC und CO zu N₂ reduziert, wie in 10B dargestellt.
Anders ausgedrückt, HC und CO im eingeführten Abgas werden auf Platin Pt zuerst als Folge der Reaktion mit Sauerstoff O₂ ^– oder O^2– schnell oxidiert. Falls immer noch HC und CO zurückgeblieben sind, nachdem der Sauerstoff O₂ ^– oder O^2– auf dem Platin Pt ausgegangen ist, werden NOx, das vom aktiven Sauerstoff abgebenden/NOx absorbierenden Mittel 61 freigesetzt wird, ebenso wie NOx, das vom Verbrennungsmotor abgegeben wird, aufgrund des verbliebenen HC und CO zu N₂ reduziert.
Falls kein NO₂ oder NO mehr auf der Oberfläche des Platins Pt vorhanden ist, wird NO₂ oder NO nacheinander vom aktiven Sauerstoff abgebenden/NOx absorbierenden Mittel 61 freigesetzt und zu N₂ reduziert. Demgemäß wird, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases auf einen theoretischen oder fetten Wert verändert wird, NOx vom aktiven Sauerstoff abgebenden/NOx absorbierenden Mittel 61 freigesetzt und in kurzer Zeit zu N₂ reduziert.
Wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases auf einen mageren Wert verändert wird, wird somit NOx im aktiven Sauerstoff abgebenden/NOx absorbierenden Mittel 61 absorbiert. Wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases auf einen theoretischen oder fetten Wert verändert wird, wird NOx vom aktiven Sauerstoff abgebenden/NOx absorbierenden Mittel 61 freigesetzt und in kurzer Zeit zu N₂ reduziert. Dementsprechend kann verhindert werden, dass NOx in die Atmosphäre abgegeben wird.
Wenn dagegen das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf einem mageren Wert gehalten wird, wird die Oberfläche des Platins Pt mit Sauerstoff bedeckt, und es kommt zu einer sogenannten Sauerstoffvergiftung des Platins Pt. Wenn eine solche Vergiftung bewirkt wird, verschlechtert sich die NOx-Oxidationswirkung und somit die NOx-Absorptionswirkung. So nimmt die Menge an aktivem Sauerstoff, der vom aktiven Sauerstoff abgebenden/NOx absorbierenden Mittel 61 freigesetzt wird, ab. Wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis jedoch auf einen fetten Wert verändert wird, wird Sauerstoff auf der Oberfläche des Platins Pt verbraucht, und die Sauerstoffvergiftung wird somit eliminiert. Demgemäß wird, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases von einem theoretischen oder fetten Wert auf einen mageren Wert verändert wird, die NOx-Oxidationswirkung verstärkt und somit die NOx-Absorptionswirkung verbessert. So nimmt die Menge an aktivem Sauerstoff, der vom aktiven Sauerstoff abgebenden/NOx absorbierenden Mittel 61 freigesetzt wird, zu.
Während das Luft/Kraftstoff-Verhältnis bei einem mageren Wert gehalten wird, wird somit, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis manchmal vorübergehend von einem mageren Wert auf einen fetten Wert verändert wird, die oxidative Verschlechterung des Platins Pt jedes Mal eliminiert. Daher wird die Menge an aktivem Sauerstoff, die freigesetzt wird, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis einen mageren Wert annimmt, erhöht. Somit kann die Partikeloxidationswirkung auf dem Partikelfilter 22 gefördert werden.
Wie oben beschrieben, wird im Verbrennungsmotor mit Kompressionszündung die Verbrennung normalerweise in einem Bereich durchgeführt, der viel magerer ist als das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis, (d.h., das theoretische Luft/Kraftstoff-Verhältnis; A/F = 14,6). Deshalb weist im normalen Motorbetriebszustand das Abgas, das in das Filter 22 strömt (d.h. das Abgas, das in das aktiven Sauerstoff abgebende/NOx absorbierende Mittel 61 strömt) ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis mit extrem magerem Wert auf. Infolgedessen wird NOx im Abgas im aktiven Sauerstoff abgebenden/NOx absorbierenden Mittel 61 absorbiert, und die Menge an NOx, das vom aktiven Sauerstoff abgebenden/NOx absorbierenden Mittel 61 freigesetzt wird, ist sehr gering.
Dementsprechend ist es im Verbrennungsmotor mit Kompressionszündung erforderlich, dem Abgas zu vorgegebenen Zeiten ein Reduktionsmittel zuzuführen, bevor die NOx-Absorptionsfähigkeit des aktiven Sauerstoff abgebenden/NOx absorbierenden Mittels 61 gesättigt ist. Dies dient dazu, die Sauerstoffkonzentration im eingeführten Abgas zu reduzieren und somit zu bewirken, dass NOx, das im aktiven Sauerstoff abgebenden/NOx absorbierenden Mittel 61 absorbiert ist, freigesetzt und zu N₂ reduziert wird.
In der vorliegenden Ausführungsform schätzt die ECU 30 daher die NOx-Menge, die im aktiven Sauerstoff abgebenden/NOx absorbierenden Mittel 61 absorbiert ist, aufgrund des zurückliegenden Betriebszustands des Verbrennungsmotors. Wenn die geschätzte NOx-Menge dann einen voreingestellten, vorgegebenen Wert erreicht, wird das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases vorübergehend auf einen fetten Wert verändert, um die Sauerstoffkonzentration im Abgas zu reduzieren, und gleichzeitig wird das Reduktionsmittel zugeführt. Dieses vorübergehende Verändern des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses des Abgases auf einen fetten Wert wird im Allgemeinen "Fettgemisch-Spitzenwertsteuerung" genannt.
In der vorliegenden Ausführungsform wird die Fettgemisch-Spitzenwertsteuerung durch Einspritzen von zusätzlichem Kraftstoff in den Zylinder im Expansions- oder Auslasshub des Verbrennungsmotors umgesetzt. Man beachte, dass die Fettgemisch-Spitzenwertsteuerung auch durch Zuführen des Kraftstoffs in die Abgasleitung 70 stromaufwärts vom Filter 22 umgesetzt werden kann.
Durch Ausführen der Fettgemisch-Spitzenwertsteuerung zu einem vorgegebenen Zeitpunkt bevor das NOx-Absorptionsvermögen des aktiven Sauerstoff abgebenden/NOx absorbierenden Mittels 61 gesättigt ist, kann NOx im Abgas erfolgreich beseitigt werden. Dementsprechend kann verhindert werden, dass NOx in die Atmosphäre abgegeben wird.
Dies ist der NOx-Beseitigungsmechanismus, der die Funktion des aktiven Sauerstoff abgebenden/NOx absorbierenden Mittels 61 als NOx-Absorptionsmittel nutzt.
Falls das aktiven Sauerstoff freisetzende/NOx absorbierende Mittel 61 verwendet wird, wird, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das ins Partikelfilter 22 strömt, einen Wert auf der mageren Seite aufweist, wird das im Abgas enthaltene NOx in das aktiven Sauerstoff freisetzende/NOx absorbierende Mittel 61 absorbiert. Wenn die im Abgas enthaltenen Partikel am aktiven Sauerstoff abgebenden/NOx absorbierenden Mittel 61 haften, werden sie wegen des aktiven Sauerstoffs, der vom aktiven Sauerstoff abgebenden/NOx absorbierenden Mittel 61 freigesetzt wird, in kurzer Zeit durch Oxidation beseitigt. Anders ausgedrückt, es kann verhindert werden, dass sowohl die Partikel als auch das NOx, die im Abgas enthalten sind, in die Atmosphäre abgegeben werden.
Wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das ins Filter 22 strömt, auf einen fetten Wert verändert wird, wird somit NOx vom aktiven Sauerstoff abgebenden/NOx absorbierenden Mittel 61 freigesetzt. Dieses NOx wird durch unverbranntes HC und CO reduziert und somit nicht in die Atmosphäre abgegeben. Falls die Partikel 22 auf dem Filter 22 abgeschieden wurden, werden sie durch Oxidation mit aktivem Sauerstoff, der vom aktiven Sauerstoff freisetzenden/NOx absorbierenden Mittel 61 freigesetzt wird, beseitigt.
Wie oben beschrieben, wird, falls die Richtung, in der das Abgas durch das Filter 22 strömt, vom Abgasschaltventil 71 umgekehrt wird, um die oxidative Beseitigung der Partikel auf dem Filter 22 zu erleichtern, der Ventilkörper des Abgasschaltventils 71 immer über die Neutralstellung geschaltet. Während der Ventilkörper während des Schaltens des Abgasschaltventils 71 nahe der Neutralstellung operiert, ist das Abgasrohr 71 direkt mit der Umgehungsleitung 73 verbunden. Infolgedessen strömt das Abgas, wenn auch nur für einen sehr kurzen Zeitraum, vom Abgasrohr 70 in die Umgehungsleitung 73, ohne das Filter 22 zu passieren, und wird in die Atmosphäre abgegeben.
Wenn zu diesem Zeitpunkt die oben genannte Fettgemisch-Spitzenwertsteuerung durchgeführt wird, um NOx vom aktiven Sauerstoff abgebenden/NOx absorbierenden Mittel 61 für die Reduktion freizusetzen, kann Abgas, dessen Luft/Kraftstoff-Verhältnis einen Wert auf der fetten Seite aufweist und das eine große Menge an Kohlenwasserstoff HC und Kohlenmonoxid CO enthält, unerwünscht in die Atmosphäre abgegeben werden, ohne das aktiven Sauerstoff abgebende/NOx absorbierende Mittel 61 zu passieren.
Um eine solche Situation zu vermeiden, wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform, falls der Zeitpunkt zum Umkehren des Abgasstroms mit dem Abgasschaltventil 71 mit dem Zeitpunkt zum Durchführen einer Fettgemisch-Spitzenwertsteuerung zusammenfällt, das Schalten des Abgasschaltventils 71 bevorzugt geführt, während die Fettgemisch-Spitzenwertsteuerung gehemmt wird. Auf diese Weise wird ein gleichzeitiges Durchführen dieser beiden Prozesse verhindert.
Nachstehend wird die Abgasstrom-Schaltsteuerung gemäß der vorliegenden Ausführungsform im Zusammenhang mit dem Ablaufdiagramm von 11 beschrieben.
Das Ablaufdiagramm von 11 zeigt eine Abgasstrom-Schaltsteuerroutine. Diese Abgasstrom-Schaltsteuerroutine wird vorab im ROM 32 der ECU 30 gespeichert und von der CPU 34 in regelmäßigen Zeitintervallen ausgeführt.
Zuerst bestimmt die CPU 34 in Schritt 101, ob der Zeitpunkt zum Schalten des Abgasschaltventils 71 gekommen ist oder nicht. Zum Beispiel kann die Bedingung, um ein Schalten des Abgasschaltventils 71 durchzuführen (nachstehend als „Abgasstrom-Schaltbedingung" bezeichnet) wie folgt definiert werden: während einer Geschwindigkeitsverringerung, wobei das Abgas eine geringe Menge an schädlichen Bestandteilen (z.B. Partikeln) enthält, oder wenn die Temperatur des Filters 22 eine vorgegebene Bedingung erfüllt; oder wenn der Gegendruck stromaufwärts vom Filter 22 auf einen vorgegebenen Wert oder darüber hinaus steigt; oder wenn zwei oder mehr der obigen Bedingungen gleichzeitig erfüllt sind.
Wenn in Schritt 101 JA herauskommt, geht die CPU 34 zu Schritt 102 über und bestimmt, ob der Zeitpunkt zum Durchführen einer Fettgemisch-Spitzenwertsteuerung gekommen ist ober nicht. Man beachte, dass in der vorliegenden Ausführungsform bestimmt wird, dass die Bedingung zum Durchführen einer Fettgemisch-Spitzenwertsteuerung erfüllt ist, wenn die NOx-Menge, die im aktiven Sauerstoff abgebenden/NOx absorbierenden Mittel 61, das auf dem Filter getragen ist, einen vorgegebenen Wert erreicht, wie oben beschrieben. Dann wird die Fettgemisch-Spitzenwertsteuerung durchgeführt.
Wenn in Schritt 102 JA herauskommt, geht die CPU 34 zu Schritt 103 über und hemmt die Fettgemisch-Spitzenwertsteuerung, selbst wenn der Zeitpunkt zum Durchführen der Fettgemisch-Spitzenwertsteuerung gekommen ist.
Dann geht die CPU 34 zu Schritt 104 weiter und führt ein Schalten des Abgasschaltventils 71 durch, um die Richtung des Abgasstroms, der durch das Filter 22 strömt, umzukehren; wodurch die oxidative Beseitigung der auf dem Filter 22 abgeschiedenen Partikel 22 erleichtert wird.
Man beachte, dass, wenn in Schritt 102 NEIN herauskommt, die CPU 34 auch zu Schritt 104 übergeht und ein Schalten des Abgasschaltventils 71 durchführt.
Die Reihe von Schritten 101 bis 104 bedeutet, dass ein Schalten des Abgasschaltventils 71 mit Priorität gegenüber der Fettgemisch-Spitzenwertsteuerung durchgeführt wird, wenn der Zeitpunkt zum Schalten des Abgasschaltventils 71 mit dem Zeitpunkt zum Durchführen der Fettgemisch-Spitzenwertsteuerung zusammenfällt, d.h. es bedeutet, dass eine gleichzeitiges Durchführen dieser beiden Prozesse verhindert wird.
Wenn in Schritt 101 NEIN herauskommt, geht die CPU 34 zu Schritt 105 über und bestimmt, ob der Zeitpunkt zum Durchführen einer Fettgemisch-Spitzenwertsteuerung gekommen ist ober nicht. Wenn in Schritt 105 NEIN herauskommt, beendet die CPU 34 die Ausführung dieser Routine.
Falls in Schritt 105 JA herauskommt, geht die CPU 34 zu Schritt 106 über und führt eine Fettgemisch-Spitzenwertsteuerung durch, um Abgas, dessen Luft/Kraftstoff-Verhältnis einen Wert auf der fetten Seite hat, in das Filter 22 zu liefern, so dass das im aktiven Sauerstoff abgebenden/NOx absorbierenden Mittel 61 absorbierte NOx freigesetzt und zu N₂ reduziert wird.
Man beachte, dass in der oben genannten Ausführungsform das Partikelfilter aktiven Sauerstoff freisetzendes Mittel und NOx-Absorptionsmittel trägt. In anderen Ausführungsformen könnte das Partikelfilter jedoch weder aktiven Sauerstoff freisetzendes Mittel noch NOx-Absorptionsmittel tragen. Anders ausgedrückt, das Partikelfilter ist nicht darauf beschränkt, dass es sowohl aktiven Sauerstoff freisetzendes Mittel als auch NOx-Absorptionsmittel trägt, solange verhindert wird, dass unverbrannter Kraftstoff, der dem Partikelfilter zugeführt wird, das Partikelfilter umgeht und auf diese Weise aus dem Fahrzeug nach außen abgegeben wird, ohne dem Partikelfilter zugeführt zu werden.
Nachstehend wird eine Abgasreinigungsvorrichtung eines Verbrennungsmotors entsprechend einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit Bezug auf 12 beschrieben. In der genannten ersten Ausführungsform wird das Schalten des Abgasschaltventils 71 mit Priorität gegenüber einer Fettgemisch-Spitzenwertsteuerung durchgeführt, falls der Zeitpunkt zum Schalten des Abgasschaltventils 71 mit dem Zeitpunkt zum Durchführen einer Fettgemisch-Spitzenwertsteuerung zusammenfällt. In der zweiten Ausführungsform jedoch erhält in diesem Fall die Fettgemisch-Spitzenwertsteuerung Priorität gegenüber dem Schalten des Abgasschaltventils 71.
Die Abgasstrom-Schaltsteuerung gemäß der zweiten Ausführungsform wird im Zusammenhang mit dem Ablaufdiagramm von 12 beschrieben.
Das Ablaufdiagramm von 12 zeigt eine Abgasstrom-Schaltsteuerroutine. Diese Abgasstrom-Schaltsteuerroutine wird vorab im ROM 32 der ECU 30 gespeichert und von der CPU 34 in regelmäßigen Zeitintervallen ausgeführt.
Zuerst bestimmt die CPU 34 in Schritt 201, ob der Zeitpunkt zum Durchführen einer Fettgemisch-Spitzenwertsteuerung gekommen ist ober nicht. Man beachte, dass die Bedingung zum Durchführen der Fettgemisch-Spitzenwertsteuerung die gleiche sein kann wie in der ersten Ausführungsform.
Falls in Schritt 201 JA herauskommt, geht die CPU 34 zu Schritt 202 über und bestimmt, ob der Zeitpunkt zum Schalten des Abgasschaltventils 71 gekommen ist oder nicht. Man beachte, dass die Abgasstrom-Schaltbedingung die gleiche sein kann wie in der ersten Ausführungsform.
Falls in Schritt 202 JA herauskommt, geht die CPU 34 zu Schritt 203 über und hemmt das Schalten des Abgasschaltventils 71, auch wenn der Zeitpunkt zum Schalten des Abgasschaltventils 71 gekommen ist.
Dann geht die CPU 34 zu Schritt 204 über und führt eine Fettgemisch-Spitzenwertsteuerung durch, um Abgas, dessen Luft/Kraftstoff-Verhältnis einen Wert auf der fetten Seite aufweist, in das Filter 22 zu liefern, so dass das im aktiven Sauerstoff abgebenden/NOx absorbierenden Mittel 61 absorbierte NOx freigesetzt und zu N₂ reduziert wird.
Man beachte, dass, falls in Schritt 202 NEIN herauskommt, die CPU 34 ebenfalls zu Schritt 204 übergeht und die Fettgemisch-Spitzenwertsteuerung durchführt.
Die Reihe von Schritten 201 bis 204 bedeutet, dass die Fettgemisch-Spitzenwertsteuerung mit Priorität gegenüber dem Schalten des Abgasschaltventils 71 durchgeführt, wird, wenn der Zeitpunkt zum Schalten des Abgasschaltventils 71 mit dem Zeitpunkt zum Durchführen der Fettgemisch-Spitzenwertsteuerung zusammenfällt, d.h. es bedeutet, dass eine gleichzeitiges Durchführen dieser beiden Prozesse verhindert wird.
Falls dagegen in Schritt 201 NEIN herauskommt, geht die CPU 34 zu Schritt 205 über und bestimmt, ob der Zeitpunkt zum Schalten des Abgasschaltventils 71 gekommen ist oder nicht. Wenn in Schritt 205 NEIN herauskommt, beendet die CPU 34 die Ausführung dieser Routine.
Falls in Schritt 205 JA herauskommt, geht die CPU 34 zu Schritt 206 weiter und führt ein Schalten des Abgasschaltventils 71 durch, um die Richtung des Abgasstroms, der durch das Filter 22 strömt, umzukehren; wodurch die oxidative Beseitigung der auf dem Filter 22 abgeschiedenen Partikel 22 erleichtert wird.
In einer Modifizierung der vorliegenden Ausführungsform kann auch ein Partikelfilter, das weder aktiven Sauerstoff freisetzendes Mittel noch NOx-Absorptionsmittel trägt, verwendet werden.
Nachstehend wird eine Abgasreinigungsvorrichtung eines Verbrennungsmotors entsprechend einer dritten Ausführungsform der Erfindung mit Bezug auf 13 beschrieben.
In der Abgasreinigungsvorrichtung der oben genannten ersten Ausführungsform können die Partikel im Abgas nicht auf dem Filter 22 abgeschieden werden. Abhängig vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors (z.B. einer Geschwindigkeitsverringerung), könnte die oxidative Beseitigung der Partikel auf dem Filter 22 nicht ausreichen, oder die Fähigkeit zum Beseitigen der Partikel durch Oxidation könnte aufgrund einer niedrigen Abgastemperatur beeinträchtigt sein. Um zu verhindern, dass die Partikel auf dem Filter 22 in einer vorgegebenen Menge oder darüber hinaus abgeschieden werden, ist ein Verfahren möglich, um den Abgasstrom zu steuern, so dass der Abgasstrom so strömt, dass er das Filter 22 umgeht (im Folgenden wird dieses Verfahren als Filterumgehungssteuerung bezeichnet).
Wenn die Fettgemisch-Spitzenwertsteuerung zum Beseitigen von NOx während der Filterumgehungssteuerung durchgeführt wird, d.h. während das Abgas so strömt, dass es das Filter 22 umgeht, wird Abgas, dessen Luft/Kraftstoff-Verhältnis einen Wert auf der fetten Seite aufweist und das eine große Menge an Kohlenwasserstoff HC und Kohlenmonoxid CO enthält, unerwünscht in die Atmosphäre abgegeben, ohne das aktiven Sauerstoff abgebende/NOx absorbierende Mittel 61 zu passieren.
In der dritten Ausführungsform wird, wenn der Zeitpunkt zum Durchführen der Fettgemisch-Spitzenwertsteuerung während der Filterumgehungssteuerung kommt, die Fettgemisch-Spitzenwertsteuerung bevorzugt durchgeführt, und während der Fettgemisch-Spitzenwertsteuerung wird das Abgasschaltventil 71 so geschaltet, dass das Abgas durch das Filter 22 strömt.
Die Abgasstrom-Schaltsteuerung gemäß der dritten Ausführungsform wird nun im Zusammenhang mit dem Ablaufdiagramm von 13 beschrieben.
Das Ablaufdiagramm von 13 zeigt eine Abgasstrom-Schaltsteuerroutine. Diese Abgasstrom-Schaltsteuerroutine wird vorab im ROM 32 der ECU 30 gespeichert und von der CPU 34 in regelmäßigen Zeitintervallen ausgeführt.
Zuerst bestimmt die CPU 34 in Schritt 301, ob die Bedingung zum Durchführen der Filterumgehungssteuerung erfüllt ist oder nicht. Man beachte, dass anhand des Betriebszustands des Verbrennungsmotors (d.h. der Geschwindigkeitsverringerung) bestimmt werden kann, ob die Bedingung zum Durchführen der Filterumgehungssteuerung erfüllt ist.
Wenn in Schritt 301 JA herauskommt, geht die CPU 34 zu Schritt 302 über und bestimmt, ob der Zeitpunkt zum Durchführen einer Fettgemisch-Spitzenwertsteuerung gekommen ist ober nicht. Man beachte, dass die Bedingung zum Durchführen der Fettgemisch-Spitzenwertsteuerung die gleiche sein kann wie in der ersten Ausführungsform.
Wenn in Schritt 302 JA herauskommt, geht die CPU zu Schritt 303 über. In Schritt 303 führt die CPU 34 auch dann keine Filterumgehungssteuerung durch, wenn die Bedingung zum Durchführen einer Filterumgehungssteuerung erfüllt sind, sondern schaltet das Abgasschaltventil 71 so, dass das Abgas durch das Filter 22 strömt. Anders ausgedrückt, es wird verhindert, dass das Abgas das Filter 22 umgeht (nicht-neutrale Ventilstellung).
Dann geht die CPU 34 zu Schritt 304 über und führt eine Fettgemisch-Spitzenwertsteuerung durch, um Abgas, dessen Luft/Kraftstoff-Verhältnis einen Wert auf der fetten Seite aufweist, in das Filter 22 zu liefern, so dass das im aktiven Sauerstoff abgebenden/NOx absorbierenden Mittel 61 absorbierte NOx freigesetzt und zu N₂ reduziert wird.
In der Reihe von Schritte 301 bis 304 wird die Filterumgehungssteuerung unterbrochen, wenn der Zeitpunkt zum Durchführen einer Fettgemisch-Spitzenwertsteuerung während der Filterumgehungssteuerung kommt, und die Fettgemisch-Spitzenwertsteuerung wird so durchgeführt, dass das Abgas durch das Filter 22 strömt. Das heißt, die Reihe von Schritten 301 bis 304 bedeutet, dass ein gleichzeitiges Ausführen dieser beiden Prozesse verhindert wird.
Wenn dagegen in Schritt 302 NEIN herauskommt, geht die CPU 34 zu Schritt 305 über und führt eine Filterumgehungssteuerung durch, um das Abgasschaltventil 71 in die Neutralstellung zu schalten. Auf diese Weise wird bewirkt, dass das Abgas das Filter 22 umgeht, so dass verhindert wird, dass die Partikel sich auf dem Filter 22 anlagern. Dann beendet die CPU 34 die Ausführung dieser Routine.
Man beachte, dass, wenn in Schritt 301 NEIN herauskommt, die CPU 34 die Ausführung dieser Routine beendet. Mit anderen Worten, das Abgasschaltventil 71 wird gemäß der Normalsteuerung geschaltet.
Die Erfindung ist selbst dann ausführbar, wenn ein Edelmetallkatalysator wie Platin Pt und ein NO-Absorptionsmittel auf der Trägerschicht, die auf dem Filter 22 ausgebildet ist, getragen werden. In diesem Fall ist jedoch die durchgezogene Linie, die die oxidativ zu beseitigende Partikelmenge G zeigt, in Bezug auf die in 9 Gezeigte leicht nach rechts verschoben. In diesem Fall wird aktiver Sauerstoff vom NO₂ oder vom SO₃, die an der Oberfläche des Platins Pt zurückgehalten werden, abgegeben.
Darüber hinaus kann ein Katalysator, der NO₂ oder SO₃ adsorbieren und zurückhalten kann und ebenso aktiven Sauerstoff vom adsorbierten NO₂ oder SO₃ freisetzen kann, als aktiven Sauerstoff freisetzendes Mittel verwendet werden.
In einer Modifizierung der vorliegenden Ausführungsform kann auch ein Partikelfilter, das weder aktiven Sauerstoff freisetzendes Mittel noch NOx-Absorptionsmittel trägt, verwendet werden.
Nachstehend wird eine Abgasreinigungsvorrichtung eines Verbrennungsmotors entsprechend einer vierten Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Der Aufbau der vorliegenden Ausführungsform ist im Wesentlichen der Gleiche wie der der ersten Ausführungsform, abgesehen davon, dass ein Katalysator zum Oxidieren der Partikel nicht auf das aktiven Sauerstoff freisetzende Mittel beschränkt ist, und dass das Partikelfilter kein NOx-Absorptionsmittel trägt.
14 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Steuern des Betriebs der Abgasreinigungsvorrichtung des Verbrennungsmotors entsprechend der vorliegenden Ausführungsform zeigt. Die Routine von 14 wird in vorgegebenen Zeitintervallen während des Betriebs des Verbrennungsmotors ausgeführt. Wie in 14 dargestellt, wird beim Starten des Motors in Schritt 401 zunächst bestimmt, ob der Zeitpunkt zum Schalten des Abgasschaltventils 71 gekommen ist oder nicht. Falls JA, geht die Routine zu Schritt 402 über. Falls NEIN, wird die Routine beendet. Zum Beispiel wird die Bestimmung JA während einer Geschwindigkeitsverringerung des Motors getroffen, nachdem eine vorgegebene Zeit vergangen ist, seit dem das Schaltventil 71 geschaltet worden ist. In Schritt 402 wird bestimmt, ob eine Niedertemperaturverbrennung, die später beschrieben wird, durchgeführt wird oder nicht. Falls JA, geht die Routine zu Schritt 403 über. Falls NEIN, geht die Routine zu Schritt 404 über. In Schritt 403 wird das Schalten des Abgasschaltventils 71 verhindert. Genauer gesagt wird verhindert, dass das Abgasschaltventil 71 zwischen der Vorwärtsstromposition (schraffierte Linie in 3) und der Rückwärtsstromposition (durchgezogene Linie in 3) geschaltet wird, um zu verhindern, dass das Abgasschaltventil 71 in die Umgehungsposition gebracht wird (Punktelinie in 3). In Schritt 404 wird das Schalten des Abgasschaltventils 71 durchgeführt. Genauer gesagt wird das Abgasschaltventil 71 aus der Vorwärtsstromposition in die Rückwärtsstromposition oder von der Rückwärtsstromposition in die Vorwärtsstromposition geschaltet. Gleichzeitig wird bewirkt, dass das Abgasschaltventil 71 die Umgehungsposition passiert.
Nachstehend wird die oben genannte Niedertemperaturverbrennung beschrieben. In dem in 1 dargestellten Motor nimmt, wenn die AGR-Rate (Menge an AGR-Gas/(Menge an AGR-Gas + angesaugte Luftmenge)) steigt, die Menge an erzeugtem Rauch allmählich zu und erreicht einen Spitzenwert. Wenn die AGR-Menge weiter erhöht wird, fällt dann der Umfang der Raucherzeugung schnell ab. Dies wird mit Bezug auf 15 beschrieben. 15 zeigt die Beziehung zwischen der ARG-Rate und dem Rauch mit variierendem Kühlgrad des AGR-Gases. Man beachte, dass in 15 die Kurve A den Fall zeigt, wo das AGR-Gas intensiv abgekühlt wurde, so dass die AGR-Gastemperatur bei etwa 90°C gehalten wurde, Kurve B den Fall zeigt, wo das AGR-Gas mit einer kleinen Kühlvorrichtung gekühlt wurde, und Kurve C den Fall zeigt, dass das AGR-Gas nicht zwangsgekühlt wurde.
Wie von der Kurve A in 15 dargestellt, erreicht der Umfang der Raucherzeugung, wenn das AGR-Gas intensiv gekühlt wird, den Spitzenwert bei einer AGR-Rate von etwas unter 50 Prozent. In diesem Fall wird kaum Rauch erzeugt, wenn die ARG-Rate auf etwa 55 Prozent oder mehr steigt. Wie von der Kurve B in 15 dargestellt, erreicht der Umfang der Raucherzeugung, wenn das AGR-Gas leicht gekühlt wird, den Spitzenwert bei einer AGR-Rate von etwas über 50 Prozent. In diesem Fall wird kaum Rauch erzeugt, wenn die ARG-Rate auf etwa 65 Prozent oder mehr steigt. Wie von der Kurve C in 15 dargestellt, erreicht der Umfang der Raucherzeugung, wenn das AGR-Gas nicht zwangsgekühlt wird, den Spitzenwert bei einer AGR-Rate von etwa 55 Prozent. In diesem Fall wird kaum Rauch erzeugt, wenn die ARG-Rate auf etwa 70 Prozent oder mehr steigt. Bei einer AGR-Gasrate von 55 Prozent oder mehr wird kein Rauch erzeugt. Dies liegt daran, dass aufgrund der endothermen Wirkung des AGR-Gases die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases während der Verbrennung nicht sehr stark ansteigt, d.h. es wird eine Niedertemperaturverbrennung durchgeführt, so dass Kohlenwasserstoff nicht zu Ruß anwächst.
Diese Niedertemperaturverbrennung ist gekennzeichnet durch die Fähigkeit zum Reduzieren der NOx-Erzeugungsmenge, während die Raucherzeugung unabhängig vom Luft/Kraftstoff-Verhältnis unterdrückt wird. Anders ausgedrückt, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf einen fetten Wert verändert wird, wird der Kraftstoff überschüssig. Da jedoch die Verbrennungstemperatur auf einer niedrigen Temperatur gehalten wird, wächst der überschüssige Kraftstoff nicht zu Ruß an, so dass kein Rauch erzeugt wird. Gleichzeitig wird auch NOx nur in einer äußerst geringen Menge erzeugt. Wenn dagegen das durchschnittliche Luft/Kraftstoff-Verhältnis einen mageren Wert aufweisen würde, oder selbst wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis das theoretische Luft/Kraftstoff-Verhältnis wäre, würde bei einer hohen Verbrennungstemperatur eine geringe Menge an Ruß erzeugt. Unter der Niedertemperaturverbrennung wird jedoch die Verbrennungstemperatur bei einer niedrigen Temperatur gehalten, so dass überhaupt kein Rauch erzeugt wird und auch NOx nur in einer äußerst geringen Menge erzeugt wird.
Bei dieser Niedertemperaturverbrennung wird die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases reduziert, aber die Abgastemperatur wird erhöht. Dies wird mit Bezug auf die 16A und 16B beschrieben. Die durchgezogene Linie in 16A zeigt die Beziehung zwischen einer durchschnittlichen Gastemperatur Tg innerhalb der Brennkammer 5 und eines Kurbelwinkels bei der Niedertemperaturverbrennung. Die gestrichelte Linie in 16A zeigt die Beziehung zwischen einer durchschnittlichen Gastemperatur Tg innerhalb der Brennkammer 5 und eines Kurbelwinkels bei der Normalverbrennung. Die durchgezogene Linie in 16B zeigt die Beziehung zwischen einer Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases Tf und einem Kurbelwinkel bei der Niedertemperaturverbrennung. Die gestrichelte Linie in 16B zeigt die Beziehung zwischen einer Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases Tf und einem Kurbelwinkel bei der Normalverbrennung.
Die Menge an AGR-Gas ist bei der Niedertemperaturverbrennung größer als bei der Normalverbrennung. Wie in 16A dargestellt, ist deshalb vor dem Kompressionstotpunkt, d.h. während des Kompressionshubs, die durchschnittliche Gastemperatur Tg, die von der durchgezogenen Linie dargestellt wird, höher als die der Normalverbrennung, die von der gestrichelten Linie dargestellt wird. Man beachte, dass, wie in 16B dargestellt, die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases Tf im Wesentlichen die gleiche ist wie die durchschnittliche Gastemperatur Tg. Danach beginnt die Verbrennung nahe dem oberen Totpunkt des Kompressionshubs. Bei der Niedertemperaturverbrennung steigen die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenen Gases Tf aufgrund der endothermen Wirkung des AGR-Gases jedoch nicht sehr stark an, wie von der durchgezogenen Linie von 16B dargestellt. Bei der Normalverbrennung ist jedoch eine große Menge an Sauerstoff um den Kraftstoff herum vorhanden, so dass die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases Tf erheblich ansteigt, wie von der gestrichelten Linie von 16B dargestellt. Somit wird bei der Normalverbrennung die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases Tf beträchtlich höher als bei der Niedertemperaturverbrennung. Jedoch ist die Temperatur des anderen Teils des Gases, d.h. die Temperatur des meisten Gases, bei der Niedertemperaturverbrennung niedriger als bei der Normalverbrennung. Wie in 16A dargestellt, ist daher die mittlere Gastemperatur Tg in der Brennkammer 5 nahe dem oberen Totpunkt des Kompressionshubs während einer Niedertemperaturverbrennung im Vergleich zu einer normalen Verbrennung höher. Infolgedessen ist, wie in 16A dargestellt, die Temperatur des verbrannten Gases in der Brennkammer 5 nach Abschluss der Verbrennung bei einer Niedertemperaturverbrennung höher als bei einer normalen Verbrennung. Dementsprechend ist die Abgastemperatur bei der Niedertemperaturverbrennung hoch.
Somit reduziert die Niedertemperaturverbrennung den Umfang der Raucherzeugung, d.h. die Menge der ausgestoßenen Partikel, und erhöht die Abgastemperatur. Durch Umschalten von der normalen Verbrennung zur Niedertemperaturverbrennung während des Motorbetriebs kann daher die Partikelabgabemenge reduziert werden sowie die Temperatur des Partikelfilters 22 erhöht werden. Wenn dagegen die Verbrennung von der Niedertemperaturverbrennung auf die normale Verbrennung umgeschaltet wird, wird die Temperatur des Partikelfilters 22 gesenkt. Gleichzeitig wird jedoch die Partikelabgabemenge erhöht. In jedem Fall ist es möglich, die Partikelabgabemenge und die Temperatur des Partikelfilters 22 durch Schalten zwischen der Normalverbrennung und der Niedertemperaturverbrennung zu steuern.
Wenn das erforderliche Drehmoment TQ des Motors steigt, d.h. wenn die Kraftstoff-Einspritzmenge steigt, wird die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases während der Verbrennung erhöht. Deshalb ist es schwierig, eine Niedertemperaturverbrennung durchzuführen. Genauer kann die Niedertemperaturverbrennung nur bei Niedrig- oder Mittellastbetrieb des Motors durchgeführt werden, wobei der Umfang der Wärmeerzeugung, der aus der Verbrennung resultiert, relativ gering ist. In 17 zeigt die Region I' die erste Verbrennung an, in der die Menge an inaktivem Gas in der Brennkammer 5 größer ist als die Menge an aktivem Gas, die dem Spitzenwert der Rußerzeugungsmenge entspricht. Anders ausgedrückt, die Region I' zeigt eine Betriebsregion an, wo eine Niedertemperaturverbrennung durchgeführt werden kann. Die Region II' zeigt eine zweite Verbrennung an, in der die Menge an inaktivem Gas in der Brennkammer 5 kleiner ist als die Menge an aktivem Gas, die dem Spitzenwert der Rußerzeugungsmenge entspricht. Anders ausgedrückt, die Region II' zeigt eine Betriebsregion an, wo nur eine Normalverbrennung durchgeführt werden kann. 18 zeigt das Soll-Luft/Kraftstoff-Verhältnis A/F, wenn die Niedertemperaturverbrennung in der Betriebsregion I' durchgeführt wird. 19 zeigt die Öffnung der Drosselklappe 17, die Öffnung des AGR-Steuerventils 25, die ARG-Rate, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis, den Zeitpunkt des Einspritzbeginns, den Zeitpunkt des Einspritzendes und die Einspritzmenge gemäß dem erforderlichen Moment TQ, wenn eine Niedertemperaturverbrennung im Betriebsbereich I' durchgeführt wird. Man beachte, dass 19 u.a. auch den Öffnungsgrad des Drosselventils 17 beim Durchführen der Normalverbrennung in der Betriebsregion II' dargestellt. Aus 17 und 18 geht hervor, dass, wenn eine Niedertemperaturverbrennung in der Betriebsregion I' durchgeführt wird, die ARG-Rate bei 55 Prozent oder darüber liegt, und das Luft/Kraftstoff-Verhältnis A/F ein mageres Luft/Kraftstoff-Verhältnis von 15,5 bis etwa 18 ist. Man beachte, dass, wie oben beschrieben, während der Niedertemperaturverbrennung in der Betriebsregion I' kaum Rauch erzeugt wird, auch wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf einen fetten Wert verändert wird.
Genauer wird in der vorliegenden Ausführungsform während der Niedertemperaturverbrennung, bei der das Abgas mit einem relativ niedrigen Luft/Kraftstoff-Verhältniswert strömt, das Schalten des Abgasschaltventils 71 in Schritt 403 verhindert wird, so dass verhindert wird, dass das Abgasschaltventil 71 in die Umgehungsposition gebracht wird. Während einer anderen als der Niedertemperaturverbrennung, in der das Abgas mit einem relativ hohen Luft/Kraftstoff-Verhältniswert strömt, wird dagegen ein Schalten des Abgasventils 71 in Schritt 404 durchgeführt, so dass dieses veranlasst wird, die Umgehungsposition zu passieren. Obwohl in der Figur nicht dargestellt, wird, wenn der Zeitpunkt zum Schalten des Abgasschaltventils 71 während der Niedertemperaturverbrennung erreicht wird, in der das Abgas mit einem relativ niedrigen Luft/Kraftstoff-Verhältniswert strömt, die Verbrennung zuerst von der Niederverbrennung zur Normalverbrennung geschaltet, wobei das Schalten des Abgasschaltventils 71 verhindert wird, um den Luft/Kraftstoff-Verhältniswert des Abgases zu erhöhen. Dann wird ein Schalten des Abgasschaltventils 71 auf die gleiche Weise wie in Schritt 404 durchgeführt. Wie oben beschrieben, kann die Niedertemperaturverbrennung während des Niedrig- und Mittellastbetriebs des Verbrennungsmotors durchgeführt werden. Die Niedertemperaturverbrennung kann auch durchgeführt werden, wenn das Partikelfilter 22 mit SOx vergiftet wurde, um das Partikelfilter 22 zu regenerieren.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird während der Niedertemperaturverbrennung, bei der das Abgas mit einem relativ kleinen Luft/Kraftstoff-Verhältniswert strömt, in Schritt 403 verhindert, dass das Abgasschaltventil 71 in die Umgehungsposition gebracht wird. Während der Niedertemperaturverbrennung, in der Abgas mit einem relativ niedrigen Luft/Kraftstoff-Verhältniswert, das HC, CO, unverbrannten Kraftstoff und dergleichen enthält, strömt, kann somit verhindert werden, dass das Abgas das Partikelfilter 22 umgeht und somit in die Atmosphäre abgegeben wird, ohne das Partikelfilter 22 zu passieren.
Nachstehend wird eine Abgasreinigungsvorrichtung eines Verbrennungsmotors entsprechend einer fünften Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Der Aufbau der vorliegenden Ausführungsform ist im Wesentlichen der Gleiche wie der der ersten Ausführungsform, abgesehen davon, dass ein Katalysator zum Oxidieren der Partikel nicht auf das aktiven Sauerstoff freisetzende Mittel beschränkt ist. Genauer trägt das Partikelfilter in der Abgasreinigungsvorrichtung des Verbrennungsmotors entsprechend der vorliegenden Ausführungsform ein NOx-Absorptionsmittel.
Das Verfahren zum Steuern des Betriebs der Abgasreinigungsvorrichtung des Verbrennungsmotors entsprechend der vorliegenden Ausführungsform ist im Wesentlichen das gleiche wie das der vierten Ausführungsform, die in 14 dargestellt ist. Genauer wird in der vorliegenden Ausführungsform, wenn NOx aus dem NOx-Absorptionsmittel freigesetzt werden soll und eine Niedertemperaturverbrennung durchgeführt wird, in der Abgas mit einem relativ niedrigen Luft/Kraftstoff-Verhältniswert strömt, das Schalten des Abgasschaltventils 71 auf die gleiche Weise wie in Schritt 403 verhindert, um zu verhindern, dass das Abgasschaltventil 71 in die Umgehungsposition gebracht wird. Falls NOx nicht aus dem NOx-Absorptionsmittel freigesetzt werden muss und eine andere als die Niedertemperaturverbrennung durchgeführt wird, bei der das Abgas mit einem relativ hohen Luft/Kraftstoff-Verhältniswert strömt, wird das Schalten des Abgasschaltventils 71 auf die gleiche Weise wie in Schritt 404 durchgeführt, so dass das Abgasschaltventil 71 veranlasst wird, die Umgehungsposition zu umgehen.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird während der Niedertemperaturverbrennung, bei der der Luft/Kraftstoff-Verhältniswert relativ erniedrigt ist und das NOx-Absorptionsmittel NOx freisetzt, verhindert, dass das Abgasschaltventil 71 in die Umgehungsposition gebracht wird. Daher kann, während das Abgas zum Freisetzen von NOx aus dem NOx-Absorptionsmittel strömt, das einen relativ niedrigen Luft/Kraftstoff-Verhältniswert aufweist und HC, CO, unverbrannten Kraftstoff und dergleichen enthält, verhindert werden, dass das Abgas den Partikelfilter 22 umgeht und somit in die Atmosphäre abgegeben wird, ohne das Partikelfilter 22 zu passieren.
Nachstehend wird eine Abgasreinigungsvorrichtung eines Verbrennungsmotors entsprechend einer sechsten Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Der Aufbau der vorliegenden Ausführungsform ist im Wesentlichen der Gleiche wie der der ersten Ausführungsform, abgesehen davon, dass ein Katalysator zum Oxidieren der Partikel nicht auf das aktiven Sauerstoff freisetzende Mittel beschränkt ist, und dass das Partikelfilter kein NOx-Absorptionsmittel trägt.
20 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Steuern des Betriebs der Abgasreinigungsvorrichtung des Verbrennungsmotors entsprechend der vorliegenden Ausführungsform zeigt. Die Routine von 20 wird in vorgegebenen Zeitintervallen während des Betriebs des Verbrennungsmotors ausgeführt. Wie in 20 dargestellt, wird zu Beginn der Routine in Schritt 401 zunächst bestimmt, ob der Zeitpunkt zum Schalten des Abgasschaltventils 71 gekommen ist oder nicht. Falls JA, geht die Routine zu Schritt 501 über. Falls NEIN, wird die Routine beendet. Zum Beispiel wird die Bestimmung JA während einer Geschwindigkeitsverringerung des Motors getroffen, nachdem eine vorgegebene Zeit vergangen ist, seitdem das Schaltventil 71 geschaltet worden ist. In Schritt 501 wird bestimmt, ob eine Niedertemperaturverbrennung mit einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis von 8 zu 24, das später beschrieben wird, durchgeführt wird oder nicht. Falls JA, geht die Routine zu Schritt 403 über. Falls NEIN, geht die Routine zu Schritt 404 über. In Schritt 403 wird ein Schalten des Abgasschaltventils verhindert. Genauer gesagt wird verhindert, dass das Abgasschaltventil 71 zwischen der Vorwärtsstromposition (schraffierte Linie in 3) und der Rückwärtsstromposition (durchgezogene Linie in 3) geschaltet wird, um zu verhindern, dass das Abgasschaltventil 71 in die Umgehungsposition gebracht wird (Punktelinie in 3). In Schritt 404 wird das Schalten des Abgasschaltventils 71 durchgeführt. Genauer gesagt wird das Abgasschaltventil 71 aus der Vorwärtsstromposition in die Rückwärtsstromposition oder von der Rückwärtsstromposition in die Vorwärtsstromposition geschaltet. Gleichzeitig wird bewirkt, dass das Abgasschaltventil 71 die Umgehungsposition passiert.
Genauer wird in der vorliegenden Ausführungsform während der Niedertemperaturverbrennung bei einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis von 8 zu 24, bei der das Abgas mit einem relativ kleinen Luft/Kraftstoff-Verhältniswert strömt, das Schalten des Abgasschaltventils 71 in Schritt 403 verhindert, so dass verhindert wird, dass das Abgasschaltventil 71 in die Umgehungsposition gebracht wird. Während einer anderen als der Niedertemperaturverbrennung mit einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis von 8 zu 24, in der das Abgas mit einem relativ hohen Luft/Kraftstoff-Verhältniswert strömt, wird dagegen ein Schalten des Abgasventils 71 in Schritt 404 durchgeführt, so dass es veranlasst wird, die Umgehungsposition zu umgehen. Obwohl in der Figur nicht dargestellt, wird, wenn der Zeitpunkt zum Schalten des Abgasschaltventils 71 während der Niedertemperaturverbrennung bei einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis von 8 zu 24 erreicht wird, in der das Abgas mit einem relativ niedrigen Luft/Kraftstoff-Verhältniswert strömt, die Verbrennung zuerst von der Niederverbrennung mit einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis von 8 zu 24 zur Normalverbrennung geschaltet, wobei das Schalten des Abgasschaltventils 71 verhindert wird, um das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases zu erhöhen. Dann wird ein Schalten des Abgasschaltventils 71 auf die gleiche Weise wie in Schritt 404 durchgeführt. Wie oben beschrieben, kann die Niedertemperaturverbrennung bei einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis von 8 zu 24 während des Niedrig- und Mittellastbetriebs des Verbrennungsmotors durchgeführt werden. Die Niedertemperaturverbrennung kann auch durchgeführt werden, wenn das Partikelfilter 22 mit SOx vergiftet wurde, um das Partikelfilter 22 zu regenerieren.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird während der Niedertemperaturverbrennung, mit einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis von 8 zu 24, bei der das Abgas mit einem relativ kleinen Luft/Kraftstoff-Verhältniswert strömt, in Schritt 403 verhindert, dass das Abgasschaltventil 71 in die Umgehungsposition gebracht wird. Während der Niedertemperaturverbrennung mit einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis von 8 zu 24, in der Abgas mit einem relativ niedrigen Luft/Kraftstoff-Verhältniswert strömt, das HC, CO, unverbrannten Kraftstoff und dergleichen enthält, kann somit verhindert werden, dass das Abgas den Partikelfilter 22 umgeht und somit in die Atmosphäre abgegeben wird, ohne das Partikelfilter 22 zu passieren.
Nachstehend wird eine Abgasreinigungsvorrichtung eines Verbrennungsmotors entsprechend einer siebten Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Der Aufbau der vorliegenden Ausführungsform ist im Wesentlichen der Gleiche wie der der ersten Ausführungsform, abgesehen davon, dass ein Katalysator zum Oxidieren der Partikel nicht auf das aktiven Sauerstoff freisetzende Mittel beschränkt ist. Genauer trägt das Partikelfilter in der Abgasreinigungsvorrichtung des Verbrennungsmotors entsprechend der vorliegenden Ausführungsform das NOx-Absorptionsmittel.
Das Verfahren zum Steuern des Betriebs der Abgasreinigungsvorrichtung des Verbrennungsmotors entsprechend der vorliegenden Ausführungsform ist im Wesentlichen das gleiche wie das der sechsten Ausführungsform, die in 20 dargestellt ist. Genauer wird in der vorliegenden Ausführungsform, wenn NOx aus dem NOx-Absorptionsmittel freigesetzt werden soll und eine Niedertemperaturverbrennung mit einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis von 8 zu 24 durchgeführt wird, in der das Abgas mit einem relativ niedrigen Luft/Kraftstoff-Verhältniswert strömt, das Schalten des Abgasschaltventils 71 auf die gleiche Weise wie in Schritt 403 verhindert, um zu verhindern, dass das Abgasschaltventil 71 in die Umgehungsposition gebracht wird. Falls NOx nicht aus dem NOx-Absorptionsmittel freigesetzt werden muss und eine andere als die Niedertemperaturverbrennung bei einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis von 8 zu 24 durchgeführt wird, bei der das Abgas mit einem relativ hohen Luft/Kraftstoff-Verhältniswert strömt, wird das Schalten des Abgasschaltventils 71 auf die gleiche Weise wie in Schritt 404 durchgeführt, so dass das Abgasschaltventil 71 veranlasst wird, die Umgehungsposition zu passieren.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird während der Niedertemperaturverbrennung, bei der der Luft/Kraftstoff-Verhältniswert relativ erniedrigt ist und das NOx-Absorptionsmittel NOx freisetzt, verhindert, dass das Abgasschaltventil 71 in die Umgehungsposition gebracht wird. Daher kann, während Abgas zum Freisetzen von NOx aus dem NOx-Absorptionsmittel strömt, das ein relativ niedriges Luft/Kraftstoff-Verhältnis aufweist und HC, CO, unverbrannten Kraftstoff und dergleichen enthält, verhindert werden, dass das Abgas den Partikelfilter 22 umgeht und somit in die Atmosphäre abgegeben wird, ohne das Partikelfilter 22 zu passieren.
Nachstehend wird eine Abgasreinigungsvorrichtung eines Verbrennungsmotors entsprechend einer achten Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Der Aufbau der vorliegenden Ausführungsform ist im Wesentlichen der Gleiche wie der der ersten Ausführungsform, abgesehen davon, dass ein Katalysator zum Oxidieren der Partikel nicht auf das aktiven Sauerstoff freisetzende Mittel beschränkt ist, und dass das Partikelfilter kein NOx-Absorptionsmittel trägt.
21 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Steuern des Betriebs der Abgasreinigungsvorrichtung des Verbrennungsmotors entsprechend der vorliegenden Ausführungsform zeigt. Die Routine von 21 wird in vorgegebenen Zeitintervallen während des Betriebs des Verbrennungsmotors ausgeführt. Wie in 21 dargestellt, wird in Schritt 401 zunächst bestimmt, ob der Zeitpunkt zum Schalten des Abgasschaltventils 71 gekommen ist oder nicht. Falls JA, geht die Routine zu Schritt 402 über. Falls NEIN, wird die Routine beendet. Zum Beispiel wird die Bestimmung JA während einer Geschwindigkeitsverringerung des Motors getroffen, nachdem eine vorgegebene Zeit vergangen ist, seit dem das Schaltventil 71 geschaltet worden ist. In Schritt 402 wird bestimmt, ob gerade eine Niedertemperaturverbrennung durchgeführt wird oder nicht. Falls JA, geht die Routine zu Schritt 601 über. Falls NEIN, geht die Routine zu Schritt 404 über. In Schritt 601 wird aufgrund eines Ausgabewerts eines Luft/Kraftstoff-Verhältnissensors (nicht dargestellt) zum Erfassen des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses bestimmt, ob das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, d.h. das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das ins Partikelfilter 22 strömt, einen Wert auf der mageren Seite aufweist. Falls NEIN, geht die Routine zu Schritt 403 über. Falls JA, geht die Routine zu Schritt 404 über. In Schritt 403 wird das Schalten des Abgasschaltventils 71 verhindert. Genauer gesagt wird verhindert, dass das Abgasschaltventil 71 zwischen der Umgehungsposition (gepunktete Linie in 3) und der Vorwärtsstromposition (gestrichelte Linie in 3) und der Rückwärtsstromposition (durchgezogene Linie in 3) geschaltet wird. In Schritt 404 wird das Schalten des Abgasschaltventils 71 durchgeführt. Genauer gesagt wird das Abgasschaltventil 71 aus der Vorwärtsstromposition in die Rückwärtsstromposition oder von der Rückwärtsstromposition in die Vorwärtsstromposition umgeschaltet. Gleichzeitig wird bewirkt, dass das Abgasschaltventil 71 die Umgehungsposition passiert.
Anders ausgedrückt, in der vorliegenden Ausführungsform wird während der Niedertemperaturverbrennung, in der das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases einen stöchiometrischen oder fetten Wert aufweist, das Schalten des Abgasschaltventils 71 in Schritt 403 verhindert, so dass verhindert wird, dass das Abgasschaltventil 71 in die Umgehungsposition gebracht wird. Falls das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases dagegen mager ist, oder während einer anderen als der Niedertemperaturverbrennung, wird das Schalten des Abgasschaltventils 71 in Schritt 404 durchgeführt, so dass das Abgasschaltventil veranlasst wird, die Umgehungsposition zu passieren. Obwohl in der Figur nicht dargestellt, wird, wenn der Zeitpunkt zum Schalten des Abgasschaltventils 71 während der Niedertemperaturverbrennung erreicht wird, in der der Wert des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses des Abgases stöchiometrisch oder fett wird, die Verbrennung zuerst von der Niederverbrennung zur Normalverbrennung geschaltet, wobei das Schalten des Abgasschaltventils 71 verhindert wird, um das Luft/Kraftstoff- Verhältnis des Abgases zu erhöhen. Dann wird ein Schalten des Abgasschaltventils 71 auf die gleiche Weise wie in Schritt 404 durchgeführt. Man beachte, dass die Niedertemperaturverbrennung während des Niedrig- und Mittellastbetriebs des Verbrennungsmotors durchgeführt werden kann. Die Niedertemperaturverbrennung kann auch durchgeführt werden, wenn das Partikelfilter 22 mit SOx vergiftet wurde, um das Partikelfilter 22 zu regenerieren.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird während der Niedertemperaturverbrennung, bei der der Wert des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses des Abgases stöchiometrisch oder fett ist, in Schritt 403 verhindert, dass das Abgasschaltventil 71 in die Umgehungsposition gebracht wird. Während der Niedertemperaturverbrennung, in der Abgas mit einem relativ niedrigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis strömt, das HC, CO, unverbrannten Kraftstoff und dergleichen enthält, kann somit verhindert werden, dass das Abgas den Partikelfilter 22 umgeht und somit in die Atmosphäre abgegeben wird, ohne das Partikelfilter 22 zu passieren.
Nachstehend wird eine Abgasreinigungsvorrichtung eines Verbrennungsmotors entsprechend einer neunten Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Der Aufbau der vorliegenden Ausführungsform ist im Wesentlichen der Gleiche wie der der ersten Ausführungsform, abgesehen davon, dass ein Katalysator zum Oxidieren der Partikel nicht auf das aktiven Sauerstoff freisetzende Mittel beschränkt ist. Genauer trägt das Partikelfilter in der Abgasreinigungsvorrichtung des Verbrennungsmotors entsprechend der vorliegenden Ausführungsform das NOx-Absorptionsmittel.
Das Verfahren zum Steuern des Betriebs der Abgasreinigungsvorrichtung des Verbrennungsmotors entsprechend der vorliegenden Ausführungsform ist im Wesentlichen das gleiche wie das der in 21 dargestellten achten Ausführungsform. Genauer wird in der vorliegenden Ausführungsform, wenn NOx aus dem NOx-Absorptionsmittel freigesetzt werden soll und eine Niedertemperaturverbrennung durchgeführt wird, in der das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases einen stöchiometrischen oder fetten Wert aufweist, das Schalten des Abgasschaltventils 71 auf die gleiche Weise wie in Schritt 403 verhindert, um zu verhindern, dass das Abgasschaltventil 71 in die Umgehungsposition gebracht wird. Falls dagegen NOx nicht aus dem NOx-Absorptionsmittel freigesetzt werden muss und das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases einen Wert auf der mageren Seite aufweist oder eine andere als die Niedertemperaturverbrennung durchgeführt wird, wird das Schalten des Abgasschaltventils 71 auf die gleiche Weise wie in Schritt 404 durchgeführt, so dass das Abgasschaltventil 71 veranlasst wird, die Umgehungsposition zu passieren.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird während der Niedertemperaturverbrennung, bei der das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf einen stöchiometrischen oder fetten Wert gebracht wird und das NOx-Absorptionsmittel NOx freisetzt, verhindert, dass das Abgasschaltventil 71 in die Umgehungsposition gebracht wird. Daher kann, während Abgas zum Freisetzen von NOx aus dem NOx-Absorptionsmittel strömt, das einen relativ niedrigen Luft/Kraftstoff-Verhältniswert aufweist und HC, CO, unverbrannten Kraftstoff und dergleichen enthält, verhindert werden, dass das Abgas den Partikelfilter 22 umgeht und somit in die Atmosphäre abgegeben wird, ohne das Partikelfilter 22 zu passieren.
Nachstehend wird eine Abgasreinigungsvorrichtung eines Verbrennungsmotors entsprechend einer zehnten Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Der Aufbau der vorliegenden Ausführungsform ist im Wesentlichen der Gleiche wie der der ersten Ausführungsform, abgesehen davon, dass ein Katalysator zum Oxidieren der Partikel nicht auf das aktiven Sauerstoff freisetzende Mittel beschränkt ist. Genauer trägt das Partikelfilter in der Abgasreinigungsvorrichtung des Verbrennungsmotors entsprechend der vorliegenden Ausführungsform das NOx-Absorptionsmittel.
In der vorliegenden Ausführungsform wird das Abgasschaltventil 71 normalerweise in die Umgehungsposition gebracht, wenn die Partikeloxidationskapazität des Partikelfilters 22 unter einem vorgegebenen Niveau liegt. Ein Schwellenwert als vorgegebenes Niveau kann so gesetzt werden, dass ein Wert, der zeigt, dass die Partikeloxidationsfähigkeit des Partikelfilters 22 tatsächlich abgenommen hat, oder er kann auf einen Wert gesetzt werden, der zeigt, dass die Partikeloxidierungsreaktion des Partikelfilters 22 noch nicht reduziert wurde, aber möglicherweise reduziert wird. Falls dagegen NOx aus dem NOx-Absorptionsmittel freigesetzt werden soll, wird verhindert, dass das Ventil in den Umgehungsmodus gebracht wird, selbst wenn die Partikeloxidationskapazität des Partikelfilters 22 unter dem vorgegebenen Niveau liegt.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann in der Regel, wenn die Partikeloxidationskapazität des Partikelfilters 22 unter dem vorgegebenen Niveau liegt, ein Anstieg der Menge der angelagerten Partikel auf dem Partikelfilter 22 unterdrückt werden, der eine Folge davon ist, dass das Abgas, das möglicherweise Partikel enthält, das Partikelfilter 22 passiert. Darüber hinaus kann in dem Fall, dass NOx aus dem NOx-Absorptionsmittel freigesetzt werden soll, verhindert werden, dass Abgas, das HC, CO, unverbrannten Kraftstoff und dergleichen enthält, um NOx aus dem NOx-Absorptionsmittel freizusetzen, das Partikelfilter 22 umgeht und somit direkt in die Atmosphäre abgegeben wird, selbst wenn die Partikeloxidationsfähigkeit des Partikelfilters 22 unter dem vorgegebenen Niveau liegt.
Obwohl die Erfindung mit Bezug davon auf deren bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, sollte klar sein, dass die Erfindung nicht auf die bevorzugten Ausführungsformen oder Konstruktionen beschränkt ist. Im Gegenteil soll die Erfindung verschiedene Modifikationen und gleichwertige Anordnungen abdecken. Obwohl die verschiedenen Elemente der bevorzugten Ausführungsformen in verschiedenen Kombinations- und Konfigurationsbeispielen dargestellt sind, liegen auch andere Kombinationen und Konfigurationen, einschließlich von mehr, weniger oder nur einem einzigen Element(en) ebenfalls im Gedanken und Bereich der Erfindung.

Claims

Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt: ein Filter (22), das eine Vielzahl von Partikeln, die in einem Abgas enthalten sind, das aus einer Brennkammer freigesetzt wird, vorübergehend festhält und die Partikel durch Oxidation entfernt; ein Ventil (71) mit einer Schaltfunktion, das abwechselnd zwischen einem ersten Strömungskanal, mit dem das Abgas von der ersten Seite des Filters (22) geliefert wird, und einem zweiten Strömungskanal, mit dem das Abgas von der zweiten Seite des Filters (22) geliefert wird, schaltet, wobei das Ventil (71) einen Umgehungsmodus aufweist, in dem das Abgas das Filter (22) während der Schalttätigkeit des Ventils (71) umgeht, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt: eine Steuervorrichtung (75), die verhindert, daß das Ventil (71) in die Umgehungsmodusposition gebracht wird, während das Abgas, das ins Filter (22) strömt, ein niedrigeres Luft/Kraftstoff-Verhältnis aufweist als das Luft/Kraftstoff-Verhältnis bei normalem Motorbetrieb, und zuläßt, daß das Ventil (71) in die Umgehungsmodusposition gebracht wird, während das Abgas, das in das Filter (22) strömt, ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis im Motornormalbetrieb aufweist.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß: die Steuervorrichtung (75), wenn das Abgas, das in das Filter (22) strömt, ein relativ niedriges Luft/Kraftstoff-Verhältnis aufweist, zunächst das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases erhöht, während sie das Umschalten des Abgasstroms durch das Ventil (71) verhindert, und dann das Umschalten des Abgasstroms zuläßt, wenn das Bedürfnis entsteht, den Abgasstrom durch das Ventil (71) umzuschalten.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß: das Filter (22) ein NOx-Absorptionsmittel (61) und ein aktiven Sauerstoff freisetzendes Mittel (61) aufweist, das NOx-Absorptionsmittel (61) NOx absorbiert, wenn das Abgas, das in das NOx-Absorptionsmittel (61) strömt, ein mageres Luft/Kraftstoff-Verhältnis aufweist, und das absorbierte NOx freisetzt, wenn die Sauerstoffkonzentration im Abgas, das in das NOx-Absorptionsmittel (61) strömt, ein stöchiometrisches Luft/Kraftstoff-Verhältnis oder ein fettes Luft/Kraftstoffverhältnis aufweist, das aktiven Sauerstoff freisetzende Mittel (61) die Oxidation einer Vielzahl von Partikeln erleichtert, das Filter (22) die im Abgas enthaltenden Partikel vorübergehend festhält; die Steuervorrichtung (75) eine Steuerung einer Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Operation vornimmt, wodurch das Abgas, das in das Filter (22) strömt, auf ein relativ niedriges Luft/Kraftstoffverhältnis gebracht wird, um NOx vom NOx-Absorptionsmittel freizusetzen, und eine Steuerung der Schalttätigkeit des Ventils (71) vornimmt, die Steuervorrichtung (75) eine gleichzeitige Steuerung der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Operation und der Schaltoperation des Ventils (71) verhindert, wobei das aktiven Sauerstoff freisetzende Mittel Sauerstoff aufnimmt und zurückhält, wenn überschüssiger Sauerstoff in der Umgebung vorliegt, und den festgehaltenen Sauerstoff in Form von aktivem Sauerstoff freisetzt, wenn die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung herabgesetzt ist.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß: das Partikelfilter (22) ein NOx-Absorptionsmittel aufweist, das NOx-Absorptionsmittel NOx absorbiert, wenn das Abgas ein mageres Luft/Kraftstoff-Verhältnis aufweist, und NOx abgibt, wenn das Abgas ein stöchiometrisches Luft/Kraftstoff-Verhältnis oder ein fettes Luft/Kraftstoff-Verhältnis aufweist; und wenn NOx vom NOx-Absorptionsmittel abgegeben werden soll, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases relativ erniedrigt wird, und während das NOx-Absorptionsmittel NOx abgibt, die Umschaltung des Abgasstroms verhindert wird, um zu verhindern, daß das Ventil (71) in die Umgehungsmodusposition gebracht wird.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß: das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das niedriger ist als das Luft/Kraftstoff-Verhältnis bei normalem Motorbetrieb ein stöchiometrisches Luft/Kraftstoff-Verhältnis oder ein fettes Luft/Kraftstoff-Verhältnis ist; und das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases im normalen Motorbetrieb ein mageres Luft/Kraftstoff-Verhältnis ist.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausmaß der Rußerzeugung sich allmählich einem Spitzenwert nähert, wenn die Menge an inaktivem Gas, das in die Brennkammer geliefert wird, zunimmt, und die Temperatur des Kraftstoffs und des Gases, welches den Kraftstoff während der Verbrennung in der Brennkammer umgibt, unter eine Rußerzeugungstemperatur sinkt, wenn die Menge an inaktivem Gas, das in die Brennkammer geliefert wird, weiter gesenkt wird, so daß kaum mehr Ruß erzeugt wird, und wenn das Abgas, das aus der Brennkammer freigesetzt wird, während einer Niedertemperaturverbrennung in das Filter (22) strömt, bei der die Temperatur des Kraftstoffs und des Gases in der Umgebung des Kraftstoffs in der Brennkammer unter die Rußerzeugungstemperatur sinkt und kaum noch Ruß erzeugt wird, die Steuervorrichtung (75) dann verhindert, daß das Ventil (71) in die Umgehungsmodusposition gebracht wird.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Niedertemperaturverbrennung unter mindestens einer der folgenden Bedingungen durchgeführt wird: wenn eine Regenerierung nach einer SOx-Vergiftung durchgeführt werden soll, wenn NOx abgegeben wird, während eines Niedriglastbetriebs des Motors und während eines Mittellastbetrieb des Motors.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (71) das Abgas normalerweise zum Filter (22) liefert, und das Abgas zu einem Umgehungskanal im Filter (22) liefert, wenn die Partikeloxidation des Filters (22) unter einem vorgegebenen Niveau liegt; und die Steuervorrichtung (75) eine gleichzeitige Steuerung vornimmt von: einer Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Operation des Abgases, das in das Filter (22) strömt, auf ein stöchiometrisches Luft/Kraftstoff-Verhältnis oder ein fettes Luft/Kraftstoff-Verhältnis, um NOx vom NOx-Absorptionsmittel freizusetzen, und einer Umgehungsverhinderungs-Operation, die verhindert, daß das Ventil (71) das Abgas zum Umgehungskanal des Filters (22) liefert, wenn die Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Operation NOx vom NOx-Absorptionsmittel freisetzt, selbst wenn die Partikeloxidation des Filters (22) unter einem vorgegebenen Niveau liegt.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (75) das Ventil (71) normalerweise so positioniert, daß es das Abgas zum Filter (22) liefert, und das Ventil in die Umgehungsmodusposition bringt, wenn die Partikeloxidierung des Filters (22) unter einem vorgegebenen Niveau liegt, und verhindert, daß das Ventil (71) in die Umgehungsmodusposition gebracht wird, wenn NOx vom NOx-Absorptionsmittel freigesetzt wird, selbst wenn die Partikeloxidierung des Partikelfilters (22) unter dem vorgegebenen Niveau liegt.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (71) ein Schaltventil (71) zum Umschalten der Strömungsrichtung des Abgases, das in das Filter (22) strömt, zwischen einer Vorwärtsrichtung und einer Rückwärtsrichtung umfaßt.
Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch: eine Steuervorrichtung (75), welche die Zufuhr von unverbranntem Kraftstoff zum Filter (22) steuert, während sie gleichzeitig verhindert, daß die Umschaltfunktion des Ventils (71) ausgeführt wird.
Verfahren zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors, umfassend: das vorübergehende Festhalten einer Vielzahl von Partikeln, die in einem Abgas enthalten sind, das aus einer Brennkammer freigesetzt wird, mit einem Filter (22) und Entfernen der Partikel durch Oxidation; das abwechselnde Schalten eines Ventils (71) zwischen einem ersten Strömungskanal, der das Abgas zur ersten Seite des Filters (22) liefert, und einem zweiten Strömungskanal, der das Abgas zur zweiten Seite des Filters (22) liefert, das Ventil (71) weist einen Umgehungsmodus auf, in dem das Abgas das Filter (22) während der Schalttätigkeit des Ventils (71) umgeht; und dadurch gekennzeichnet, daß es umfaßt: Verhindern (S403), daß das Ventil (71) in die Umgehungsmodusposition gebracht wird, während das Abgas, das ins Filter (22) strömt, ein niedrigeres Luft/Kraftstoff-Verhältnis aufweist als das Luft/Kraftstoff-Verhältnis bei Motornormalbetrieb, und Zulassen (S404), daß das Ventil in die Umgehungsmodusposition gebracht wird, wenn das Abgas, das in das Filter (22) strömt, ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis bei Motornormalbetrieb aufweist.
Verfahren zur Abgasreinigung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichzeitige Steuerung weiter umfaßt: Verhindern, daß das Ventil (71) geschaltet wird, um zu verhindern, daß das Ventil (71) in die Umgehungsmodusposition gebracht wird, während das Abgas, das in das Filter (22) strömt, ein relativ niedriges Luft/Kraftstoff-Verhältnis aufweist, und Zulassen, daß das Ventil (71) in die Umgehungsmodusposition gebracht wird, wenn das Abgas, das in das Filter (22) strömt, ein relativ hohes Luft/Kraftstoff-Verhältnis aufweist.
Verfahren zur Abgasreinigung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases erhöht wird, während das Schalten des Ventils (71) verhindert wird, wenn das Abgas, das in das Filter (22) strömt, ein relativ niedriges Luft/Kraftstoff-Verhältnis hat, und das Schalten des Ventils (71) zugelassen wird, wenn das Bedürfnis, den Abgasstrom umzuschalten, entsteht.
Verfahren zur Reinigung des Abgases eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 13, gekennzeichnet dadurch, daß es umfaßt: vorübergehendes Festhalten einer Vielzahl von im Abgas enthaltenen Partikeln mit einem Filter (22), das ein NOx-Absorptionsmittel und ein aktiven Sauerstoff freisetzendes Mittel aufweist, das NOx-Absorptionsmittel das NOx absorbiert, wenn das Abgas, das in das NOx-Absorptionsmittel strömt, ein mageres Luft/Kraftstoff-Verhältnis aufweist, und das NOx freisetzt, wenn die Sauerstoffkonzentration im Abgas, das in das NOx-Absorptionsmittel strömt, erniedrigt ist, das aktiven Sauerstoff freisetzende Mittel die Oxidation der Partikel erleichtert; Verhindern (S103, S104, S203, S204) der gleichzeitigen Steuerung der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Operation, wodurch das Abgas, das in das Filter (22) strömt, auf ein stöchiometrisches Luft/Kraftstoff-Verhältnis oder ein fettes Luft/Kraftstoff-Verhältnis gebracht wird, um NOx aus dem NOx-Absorptionsmittel freizusetzen, und der Schalt-Operation des Ventils (71), wobei das aktiven Sauerstoff freisetzende Mittel Sauerstoff aufnimmt und festhält, wenn überschüssiger Sauerstoff in der Umgebung vorhanden ist, und den festgehaltenen Sauerstoff in Form von aktivem Sauerstoff freisetzt, wenn die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung sinkt.
Verfahren zur Abgasreinigung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß: das Partikelfilter (22) ein NOx-Absorptionsmittel aufweist, das NOx absorbiert, wenn das Abgas ein niedriges Luft/Kraftstoff-Verhältnis aufweist, und NOx abgibt, wenn das Abgas ein stöchiometrisches Luft/Kraftstoff-Verhältnis oder ein fettes Luft/Kraftstoff-Verhältnis aufweist; und das Umschalten des Abgasstroms durch das Ventil (71) verhindert wird, um zu verhindern, daß das Ventil (71) in die Umgehungsmodusposition gebracht wird, wenn NOx vom NOx-Absorptionsmittel freigesetzt wird, so daß das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases relativ niedrig wird und das NOx-Absorptionsmittel NOx freisetzt.
Verfahren zur Abgasreinigung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das niedriger ist als das Luft/Kraftstoff-Verhältnis bei Motor-Normalbetrieb ein stöchiometrisches Luft/Kraftstoff-Verhältnis oder ein fettes Luft/Kraftstoff-Verhältnis ist, und das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases bei Motor-Normalbetrieb ein mageres Luft/Kraftstoff-Verhältnis ist.
Verfahren zur Abgasreinigung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß es weiter umfaßt: Zuführen einer Menge an inaktivem Gas in die Brennkammer, so daß die erzeugte Rußmenge allmählich auf einen Spitzenwert steigt; weiteres Steigern der Menge an inaktivem Gas, das in die Brennkammer geliefert wird, so daß die Temperatur des Kraftstoffs und des Gases in der Umgebung des Kraftstoffs in der Brennkammer unter eine Rußerzeugungstemperatur sinkt und kaum noch Ruß erzeugt wird; und Verhindern (S403), daß das Ventil (71) in die Umgehungsmodusposition gebracht wird, wenn das Abgas, das aus der Brennkammer freigesetzt wird, während einer Niedertemperaturverbrennung in das Filter (22) strömt, bei der die Temperatur des Kraftstoffs und des Gases in der Umgebung des Kraftstoffs in der Brennkammer unter die Rußerzeugungstemperatur sinkt und kaum noch Ruß erzeugt wird.
Verfahren zur Abgasreinigung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine Niedertemperaturverbrennung unter mindestens einer der folgenden Bedingungen durchgeführt wird: wenn eine Regenerierung nach einer SOx-Vergiftung durchgeführt werden soll, wenn NOx abgegeben wird, während eines Niedriglastbetriebs des Motors und während eines Mittellastbetriebs des Motors.
Verfahren zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß es umfaßt: Liefern des Abgases zum Filter (22) mit einem Ventil (71) unter normalen Bedingungen und Liefern des Abgases zu einem Umgehungskanal in dem Filter (22), wenn die Partikeloxidation des Filters (22) unter einem vorgegebenen Niveau liegt; und gleichzeitiges Steuern (S303, S304) von: dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das ins Filter (22) strömt, auf ein stöchiometrisches Luft/Kraftstoff-Verhältnis oder ein fettes Luft/Kraftstoff-Verhältnis, um NOx vom NOx-Absorptionsmittel freizusetzen, und eine Umgehungsverhinderungs-Operation, welche verhindert, daß das Ventil (71) das Abgas zum Umgehungskanal liefert, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis gesteuert wird, selbst wenn die Partikeloxidation des Filters (22) unter einem vorgegebenen Niveau liegt.
Verfahren zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß es umfaßt: Bringen des Ventils (71) in die Umgehungsmodusposition, wenn die Partikeloxidierung des Filters (22) unter einem vorgegebenen Niveau liegt; und Verhindern (S403), daß das Ventil (71) in die Umgehungsmodusposition gebracht wird, wenn NOx vom NOx-Absorptionsmittel freigesetzt wird, selbst wenn die Partikeloxidation des Partikelfilters (22) unter dem vorgegebenen Niveau liegt.
Abgasreinigungsverfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das abwechselnde Umschalten ferner umfaßt: das Umschalten des Abgasstroms zwischen einer Vorwärtsrichtung und einer Rückwärtsrichtung.
Verfahren zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors, umfassend: vorübergehendes Festhalten einer Vielzahl von Partikeln, die in einem Abgas enthalten sind, das aus einer Brennkammer freigesetzt wird, mit einem Filter (22) und das Entfernen der Partikel durch Oxidation; abwechselndes Schalten eines Ventils (71) zwischen einem ersten Strömungskanal, der das Abgas zur ersten Seite des Filters (22) liefert, und einem zweiten Strömungskanal, der das Abgas zu einer zweiten Seite des Filters (22) liefert, während des Schaltens strömt das Abgas durch eine Umgehungsfilterposition, in der das Abgas das Filter (22) umgeht; und dadurch gekennzeichnet, daß es umfaßt: das gleichzeitige Steuern der Zufuhr von unverbranntem Kraftstoff zum Filter (22) während das Schalten des Ventils (71) verhindert wird.