DE60113040T2

DE60113040T2 - Abgasreinigungsvorrichtung für brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE60113040T2
Application number: DE60113040T
Authority: DE
Inventors: Shinya Toyota-shi Hirota; Toshiaki Toyota-shi Tanaka; Kazuhiro Toyota-shi ITOH; Koichiro Toyota-shi NAKATANI; Koichi Toyota-shi KIMURA
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-03-27
Filing date: 2001-03-27
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2021-03-28
Also published as: AU763255B2; CA2374752C; KR100493996B1; CN1365424A; EP1211392A1; DE60113040D1; US20020157387A1; US6588204B2; AU4282101A; EP1211392A4; EP1211392B1; WO2001073272A1; ES2243467T3; CA2374752A1; CN1246573C; KR20020024593A

Description

GEBIET DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Das Abgas eines Verbrennungsmotors und insbesondere eines Dieselmotors enthält Partikel, die als Hauptbestandteil Kohlenstoff enthalten. Partikel sind Schadstoffe und somit wurde vorgeschlagen, einen Partikelfilter im Abgassystem einzubauen, um Partikel zurückzuhalten, bevor sie in die Atmosphäre entlassen werden. In einem solchen Partikelfilter müssen die zurückgehaltenen Partikel verbrannt und beseitigt werden, um zu verhindern, dass der Abgaswiderstand aufgrund von verstopften Maschen bzw. Poren zunimmt.
Bei einer solchen Regerierung des Partikelfilters entzünden sich die Partikel und verbrennen, wenn ihre Temperatur über 600°C steigt. In der Regel liegt die Temperatur des Abgases eines Dieselmotors jedoch deutlich unter 600°C, und somit ist ein Heizmittel erforderlich, um das Partikelfilter selbst zu erwärmen.
Die geprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr. 7-106290 offenbart, dass die Partikel auf einem Filter bei etwa 400°C verbrannt und sukzessive beseitigt werden, wenn der Filter ein Metall der Platingruppe und ein Oxid eines Erdalkalimetalls trägt. 400°C ist eine typische Temperatur für das Abgas eines Dieselmotors.
Wenn das oben genannte Filter verwendet wird, liegt die Temperatur des Abgases jedoch nicht immer um 400°C. Ferner kann abhängig vom Betriebszustand des Motors eine große Partikelmenge vom Motor ausgestoßen werden. Somit können sich Partikel, die nicht jedes Mal verbrannt und beseitigt werden können, auf dem Filter anlagern.
In diesem Filter sinkt die Fähigkeit, Partikel zu verbrennen und zu beseitigen, so sehr, dass der Filter aus eigener Kraft nicht mehr regeneriert werden kann, wenn eine bestimmte Partikelmenge auf dem Filter abgeschieden wurde. Wenn daher lediglich solch ein Filter im Abgassystem angeordnet wird, kann es schnell zu einem Verstopfen der Filterporen kommen, und somit kann die Motorleistung sinken.
US-4,916,487 offenbart ein Partikelfilter, das dessen Abgasanströmseite bzw. -stromaufwärtsseite und dessen Abgasabströmseite bzw. -stromabwärtsseite umkehrt, wenn die zurückgehaltenen Partikel auf dem Partikelfilter verbrannt werden. Daher wird die Abgasanströmseite des Partikelfilters, die Partikel im Abgas einfängt, zur Abgasabströmseite, wenn die zurückgehaltenen Partikel verbrannt werden, somit wird die Wärme, die beim Verbrennen der Partikel entsteht, aus dem Partikelfilter abgegeben, ohne diesen aufzuheizen.
DE-664 371 offenbart ein Partikelfilter, das ein Umkehrmittel zum Umkehren der Abgasanströmseite und der Abgasabströmseite des Partikelfilters aufweist.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors bereitzustellen, die die auf dem Partikelfilter zurückgehaltenen Partikel oxidieren und beseitigen kann und die ein Verstopfen der Partikelfilterporen verhindern kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors bereitgestellt, die ein im Abgassystem angeordnetes Partikelfilter und ein Umkehrmittel zum Umkehren der Anströmseite des Abgases und der Abströmseite des Abgases des Partikelfilters aufweist, wobei die zurückgehaltenen Partikel auf dem Partikelfilter oxidiert werden, das Partikelfilter eine Scheide- bzw. Rückhaltewand zum Zurückhalten der Partikel aufweist, die Rückhaltewand eine erste Abfang- bzw. Rückhaltefläche und eine zweite Rückhaltefläche aufweist, und das Umkehrmittel die Abgasanströmseite und die Abgasabströmseite des Partikelfilters umkehrt, so dass die erste Rückhaltefläche und die zweite Rückhaltefläche abwechselnd verwendet werden, um die Partikel zurückzuhalten.
Ferner wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine weitere Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors bereitgestellt, die ein Partikelfilter, das im Abgassystem angeordnet ist, und ein Umkehrmittel zum Umkehren der Abgasanströmseite und der Abgasabströmseite des Partikelfilters aufweist, wobei das Partikelfilter ein aktiven Sauerstoff abgebendes Mittel trägt, aktiver Sauerstoff, der vom aktiven Sauerstoff abgebenden Mittel abgegeben wird, die zurückgehaltenen Partikel auf dem Partikelfilter oxidiert, das aktiven Sauerstoff abgebende Mittel NOx festhält, um das NOx mit Sauerstoff zu kombinieren, wenn ein Sauerstoffüberschuss in der Umgebung vorliegt, und die Kombination aus NOx und Sauerstoff abgibt, damit sie in NOx und aktiven Sauerstoff zerfällt, wenn die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung sinkt, das Partikelfilter eine Rückhaltewand zum Zurückhalten der Partikel aufweist, die Rückhaltewand eine erste Rückhaltefläche und eine zweite Rückhaltefläche aufweist, das Umkehrmittel die Abgasabströmseite und die Abgasabströmseite des Partikelfilters umkehrt, so dass die erste Rückhaltefläche und die zweite Rückhaltefläche abwechselnd verwendet werden, um die Partikel zurückzuhalten, und die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung manchmal abgesenkt wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine schematische vertikale Schnittansicht eines Dieselmotors mit einer Vorrichtung zur Abgasreinigung gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine vergrößerte vertikale Schnittansicht der Brennkammer von 1;
3 ist eine Bodenansicht des Zylinderkopfs von 1;
4 ist eine seitliche Schnittansicht der Brennkammer;
5 ist eine Darstellung der Beziehung zwischen dem Hubbetrag des Einlassventils und des Auslassventils und der Kraftstoffeinspritzung;
6 ist eine Darstellung der Mengen an erzeugtem Rauch, NOx und dergleichen;
7(A) ist eine Darstellung der Änderung des Verbrennungsdrucks, wenn die Menge an erzeugtem Rauch in der Nähe eines Luft/Kraftstoffverhältnisses von 21 am höchsten ist;
7(B) ist eine Darstellung der Änderung des Verbrennungsdrucks, wenn die Menge an erzeugtem Rauch in der Nähe eines Luft/Kraftstoffverhältnisses von 18 im Wesentlichen null ist;
8 ist eine Darstellung der Krafstoffmoleküle;
9 ist eine Darstellung der Beziehung zwischen der Menge an erzeugtem NOx und der AGR-Rate;
10 ist eine Darstellung der Beziehung zwischen der Menge an eingespritztem Kraftstoff und der Menge an gemischtem Gas;
11 ist eine Darstellung der ersten Betriebsregion (I) und der zweiten Betriebsregion (II);
12 ist eine Darstellung des Ausgangssignals des Luft/Kraftstoffsensors;
13 ist eine Darstellung des Öffnungsgrads der Drosselklappe usw.;
14 ist eine Darstellung des Luft/Kraftstoffverhältnisses in der ersten Betriebsregion (I);
15(A) ist eine Darstellung des Soll-Öffnungsgrads der Drosselklappe;
15(B) ist eine Darstellung des Soll-Öffnungsgrads des AGR-Steuerventils;
16 ist eine Darstellung des Luft/Kraftstoffverhältnisses in der zweiten Betriebsregion (II);
17(A) ist eine Darstellung des Soll-Öffnungsgrads der Drosselklappe;
17(B) ist eine Darstellung des Soll-Öffnungsgrads des AGR-Steuerventils;
18 ist eine Draufsicht, welche die nahe Umgebung des Wechselabschnitts und des Partikelfilters im Abgassystem zeigt;
19 ist eine Seitenansicht von 18;
20 ist eine Ansicht, welche die andere Schließstellung des Ventilkörpers im Wechselabschnitt zeigt, die anders ist als die von 18;
21(A) ist eine Vorderansicht des Aufbaus des Partikelfilters;
21(B) ist eine seitliche Schnittansicht des Aufbaus des Partikelfilters;
die 22(A) und 22(B) sind Darstellungen, die die oxidierende Wirkung der Partikel erläutern;
23 ist eine Darstellung der Beziehung zwischen der Partikelmenge, die oxidiert und beseitigt werden kann, und der Temperatur des Partikelfilters;
die 24(A), 24(B) und 24(C) sind Darstellungen, die die Ablagerung der Partikel erläutern;
25 ist ein erstes Ablaufschema der Verhinderung einer Ablagerung von Partikeln auf dem Partikelfilter;
die 26(A) und 26(B) sind vergrößerte Schnittansichten der Trennwand des Partikelfilters mit zurückgebliebenen Partikeln;
27 ist ein zweites Ablaufschema für die Verhinderung einer Ablagerung von Partikeln auf dem Partikelfilter;
28 ist ein drittes Ablaufschema für die Verhinderung der Ablagerung von Partikeln auf dem Partikelfilter;
29 ist eine Grafik, welche die Temperatur an jedem Abschnitt des Partikelfilters zeigt;
30 ist ein viertes Ablaufdiagramm für die Verhinderung einer Ablagerung von Partikeln auf dem Partikelfilter;
31 ist eine Darstellung der Stellung des Ventilkörpers während der Ventilkörper aus einer der beiden Schließstellungen in die andere wechselt; und
32 ist ein fünftes Ablaufdiagramm für die Verhinderung einer Ablagerung von Partikeln auf dem Partikelfilter.
BESTE WEISE ZUR DURCHFÜHRUNG DER ERFINDUNG
1 ist eine schematische Schnittansicht eines Viertakt-Dieselmotors mit einer Vorrichtung zum Reinigen des Abgases gemäß der vorliegenden Erfindung. 2 ist eine vergrößerte vertikale Querschnittsdarstellung einer Brennkammer des Dieselmotors von 1. 3 ist eine Bodenansicht auf einen Zylinderkopf des Dieselmotors von 1. Was die 1–3 betrifft, so bezeichnet die Bezugszahl 1 einen Motorkörper, bezeichnet die Bezugszahl 2 einen Zylinderblock, bezeichnet die Bezugszahl 3 einen Zylinderkopf, bezeichnet die Bezugszahl 4 einen Kolben, bezeichnet die Bezugszahl 5a einen Hohlraum, der an der oberen Fläche des Kolbens ausgebildet ist, bezeichnet die Bezugszahl 5 eine Brennkammer, die im Hohlraum 5a ausgebildet ist, bezeichnet die Bezugszahl 6 eine elektrisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzeinrichtung, bezeichnet die Bezugszahl 7 ein Paar von Einlassventilen, bezeichnet die Bezugszahl 8 eine Ansaugmündung, bezeichnet die Bezugszahl 9 ein Paar Auslassventile und bezeichnet die Bezugszahl 10 eine Abgasmündung. Die Ansaugmündung 8 ist über ein korrespondierendes Einlassrohr 11 mit einem Ausgleichsbehälter 12 verbunden. Der Ausgleichsbehälter 12 ist über eine Einlassleitung 13 mit einer Luftreinigungseinrichtung 14 verbunden. Eine Drosselklappe 16, die von einem Elektromotor 15 angetrieben wird, ist in der Einlassleitung 13 angeordnet. Dagegen ist die Abgasmündung 10 mit einem Abgaskrümmer 17 verbunden.
Wie in 1 dargestellt, ist ein Luft/Kraftstoffsensor 21 im Abgaskrümmer 17 angeordnet. Der Abgaskrümmer 17 und der Ausgleichsbehälter 12 sind über eine AGR-Leitung 22 miteinander verbunden. Ein elektrisch gesteuertes AGR-Steuerventil 23 ist in der AGR-Leitung 22 angeordnet. Eine AGR-Kühleinrichtung 24 ist um die AGR- Leitung herum angeordnet, um das AGR-Gas, das in der AGR-Leitung 22 strömt, zu kühlen. In der Ausführungsform von 1 wird das Motorkühlwasser in die AGR-Kühleinrichtung geleitet, und somit wird das AGR-Gas vom Motorkühlwasser gekühlt.
Dagegen ist jede Kraftstoffeinspritzeinrichtung 6 über ein Kraftstoffzufuhrrohr 25 mit dem Kraftstoffreservoir, d.h. einer Common Rail 26 verbunden. Kraftstoff wird von einer elektrisch gesteuerten Pumpe 27 mit variabler Fördermenge zur Common Rail geliefert. Kraftstoff, der zur Common Rail 26 geliefert wird, wird über die einzelnen Zufuhrrohre 25 zur Kraftstoffeinspritzeinrichtung 6 geliefert. Ein Kraftstoffdrucksensor 28 zum Erfassen des Kraftstoffdrucks in der Common Rail 26 ist an der Common Rail 26 angebracht. Die Fördermenge der Kraftstoffpumpe 27 wird aufgrund eines Ausgangssignals vom Kraftstoffdrucksensor 28 so geregelt, dass der Kraftstoffdruck in der Common Rail 26 den Soll-Kraftstoffdruck erreicht.
Die Bezugszahl 30 bezeichnet eine elektronische Steuereinheit. Die Ausgangssignale des Luft/Kraftstoffsensors 21 und des Kraftstoffdrucksensors 28 werden dort eingegeben. Ein Motorlastsensor 41 ist mit dem Gaspedal 40 verbunden und erzeugt eine Ausgangsspannung, die proportional zum Verstellweg (L) des Gaspedals 40 ist. Das Ausgangssignal vom Motorlastsensor 41 wird ebenfalls in die elektronische Steuereinheit eingegeben. Ferner wird auch das Ausgangssignal eines Kurbelwinkelsensors 42, der jedes Mal, wenn die Kurbelwelle sich um beispielsweise 30 Grad dreht, einen Ausgangspuls erzeugt, dort eingegeben. Somit betätigt die elektronische Steuereinheit 30 die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 6, den Elektromotor 15, das AGR-Steuerventil 23 und die Kraftstoffpumpe 27 aufgrund der Eingangssignale.
Wie in den 2 und 3 dargestellt, weist in dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 6 eine Düse mit sechs Düsenöffnungen auf. Kraftstoffspritzer (F) werden aus den Düsenöffnungen mit gleichen Winkelabständen leicht abwärts auf eine horizontale Ebene gerichtet eingespritzt. Wie in 3 dargestellt, werden zwei Kraftstoffspritzer (F) der sechs Kraftstoffspritzer (F) entlang der unteren Fläche jedes der Abgasventile 9 zersteut. Die 2 und 3 zeigen den Fall, dass Kraftstoff am Ende des Verdichtungshubs eingespritzt wird. In diesem Fall bewegen sich die Kraftstoffspritzer (F) zur Innenumfangsfläche des Hohlraums 5 vor und werden danach entzündet und verbrannt.
4 zeigt den Fall, dass zusätzlicher Kraftstoff aus der Kraftstoffeinspritzdüse 6 eingespritzt wird, wenn der Hubbetrag der Abgasventile 9 im Auslasshub am größten ist. Das heißt, 5 zeigt den Fall, dass die Haupt-Kraftstoffeinspritzung (Qm) nahe dem oberen Kompressionstotpunkt durchgeführt wird und danach die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung (Qa) im mittleren Stadium des Auslasshubs durchgeführt wird. In diesem Fall werden die Kraftstoffspritzer (F), die sich nach vorne zu den Auslassventilen bewegen, zwischen die schirmartige Rückseite des Auslassventils 9 und der Abgasmündung 10 gelenkt. Anders ausgedrückt, zwei Düsenöffnungen der sechs Düsenöffnungen der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 6 sind so ausgebildet, dass, wenn die Auslassventile 9 geöffnet sind und die Einspritzung von zusätzlichem Kraftstoff (Qa) durchgeführt wird, die Kraftstoffspritzer (F) zwischen die Rückseite des Auslassventils 9 und die Abgasmündung 10 gelenkt werden. In der Ausführungsform von 4 treffen diese Kraftstoffspritzer (F) auf der Rückseite des Auslassventils 9 auf und prallen von der Rückseite des Auslassventils 9 ab und werden daher zur Abgasmündung 10 gelenkt.
In der Regel wird keine zusätzliche Kraftstoffeinspritzung (Qa) durchgeführt, und es wird nur die Haupt-Kraftstoffeinspritzung (Qm) durchgeführt. 6 zeigt ein Beispiel für einen Versuch, der die Änderung des Abtriebsmoments und der Menge an Rauch, HC, CO und NOx, die ausgestoßen wird, wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis A/F (Abszisse in 6) durch den Öffnungsgrad der Drosselklappe 16 verändert wird, und die AGR-Rate während eines Niedriglastbetriebs zeigt. Wie aus 6 hervorgeht, wird bei diesem Versuch die AGR-Rate um so größer, je kleiner das Luft/Kraftstoffverhältnis A/F wird. Wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis unter dem stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnis liegt (fast bei 14,6) wird die AGR-Rate größer als 65 Prozent.
Wenn die AGR-Rate erhöht wird, um das Luft/Kraftstoffverhältnis A/F zu erhöhen, beginnt die Menge an erzeugtem Rauch zu steigen, wenn die AGR-Rate sich 40 Prozent nähert und das Luft/Kraftstoffverhältnis A/F etwa 30 wird, wie in 6 dargestellt. Wenn dann die AGR-Rate weiter erhöht wird und das Luft/Kraftstoffverhältnis verkleinert wird, steigt die Menge an erzeugtem Rauch scharf an und erreicht eine Spitzenwert. Wenn dann die AGR-Rate weiter erhöht wird und das Luft/Kraftstoffverhältnis A/F verkleinert wird, sinkt die Menge an erzeugtem Rauch scharf ab. Wenn die AGR-Rate auf über 65 Prozent gebracht wird und das Luft/Kraftstoffverhältnis A/F sich 15,0 nähert, liegt die Menge an erzeugtem Rauch bei im Wesentlichen null. Das heißt, es wird fast kein Ruß erzeugt. Dabei fällt das Abtriebsmoment des Motors etwas ab und die Menge an erzeugtem NOx wird beträchtlich geringer. Andererseits beginnen dabei die Mengen an erzeugtem HC und CO zuzunehmen.
7(A) zeigt die Änderung des Verbrennungsdrucks in der Brennkammer 5 wenn die Menge an erzeugtem Rauch in der Nähe eines Luft/Kraftstoffverhältnisses von 21 am größten ist. 7(B) zeigt die Änderung des Verbrennungsdrucks in der Brennkammer 5 wenn die Menge an erzeugtem Rauch in der Nähe eines Luft/Kraftstoffverhältnisses von 18 im Wesentlichen null ist. Wie aus einem Vergleich der 7(A) und 7(B) hervorgeht, ist der Verbrennungsdruck in dem in 7(B) gezeigten Fall, wo die Menge an erzeugtem Rauch fast null ist, niedriger als in dem in 7(A) gezeigten Fall, wo die Menge an erzeugtem Rauch groß ist.
Das Folgende kann aus den Ergebnissen der in den 6 und 7 gezeigten Versuche geschlossen werden. Das heißt, zuerst, wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis A/F unter 15,0 liegt und die Menge an erzeugtem Rauch im Wesentlichen null ist, nimmt die Menge an erzeugtem NOx beträchtlich ab, wie in 6 dargestellt. Die Tatsache, dass die Menge an erzeugtem NOx abnimmt, bedeutet, dass die Verbrennungstemperatur in der Brennkammer 5 sinkt. Somit kann man sagen, dass, wenn fast kein Ruß erzeugt wird, die Verbrennungstemperatur in der Brennkammer 5 niedriger wird. Das gleiche kann aus der 7 geschlossen werden. Das heißt, in dem in 7(B) gezeigten Zustand, wo fast kein Ruß erzeugt wird, wird der Verbrennungsdruck niedriger, daher wird gleichzeitig die Verbrennungstemperatur in der Brennkammer 5 niedriger.
Zweitens steigen die Mengen an ausgestoßenem HC und CO, wenn die Menge an erzeugtem Rauch, d.h. die Menge an erzeugtem Ruß, fast null erreicht, wie in 6 dargestellt. Das bedeutet, dass die Kohlenwasserstoff ausgestoßen werden, ohne sich in Ruß umzuwandeln. Das heißt, die geradkettigen Kohlenwasserstoffe und die aromatischen Kohlenwasserstoffe, die im Kraftstoff enthalten sind und in 8 dargestellt sind, zerfallen, wenn ihre Temperatur in einer Sauerstoffmangelsituation erhöht wird, was zur Bildung eines Rußvorläufers führt. Dann wird Ruß erzeugt, der hauptsächlich aus festen Massen von Kohlenstoffatomen besteht. In diesem Fall wird der eigentlichen Vorgang der Rußerzeugung komplexer. Wie der Rußvorläufer gebildet wird, ist nicht klar, aber wie auch immer, die in 8 dargestellten Kohlenwasserstoffe verwandeln sich über den Rußvorläufer in Ruß. Wenn die Menge an erzeugtem Ruß im Wesentlichen null wird, nehmen daher, wie oben erläutert, die Mengen an ausgestoßenem HC und CO zu, wie in 6 dargestellt, aber der HC ist dabei ein Rußvorläufer oder liegt in einem früheren Kohlenwasserstoffstadium vor.
Als Schlussfolgerung aus diesen Betrachtungen kann man aufgrund der in den 6 und 7 dargestellten Versuchsergebnisse sagen, dass, wenn die Verbrennungstemperatur in der Brennkammer niedrig ist, die Menge an erzeugtem Ruß fast null wird. Dabei wird ein Rußvorläufer oder ein früheres Kohlenwasserstoffstadium aus der Brennkammer 5 ausgestoßen. Es wurden ausführlichere Versuche und Studien durchgeführt. Als Ergebnis erkannte man, dass, wenn die Temperatur des Kraftstoffs und des Gases in der Umgebung des Kraftstoffs in der Brennkammer 5 unter einer bestimmten Temperatur liegt, der Vorgang des Rußwachstums mittendrin zum Stehen kommt, d.h. es wird überhaupt kein Ruß erzeugt, und wenn die Temperatur des Kraftstoffs und des Gases in der Umgebung des Kraftstoffs in der Brennkammer 5 über eine bestimmte Temperatur steigt, wird Ruß erzeugt.
Die Temperatur des Kraftstoffs und des Gases in der Umgebung des Kraftstoffs zu der Zeit, wenn das Kohlenwasserstoffwachstum im Stadium des Rußvorläufers zum Stehen kommt, d.h. die Temperatur, die über einem bestimmten Wert liegt, verändert sich abhängig von verschiedenen Faktoren, wie der Art des Kraftstoffs, dem Luft/Kraft stoffverhältnis und dem Kompressionsverhältnis, so dass man nicht exakt sagen kann, wo sie liegt, aber diese bestimmte Temperatur hängt eng mit der Menge an erzeugtem NOx zusammen. Daher kann diese bestimmte Temperatur bis zu einem bestimmten Maß über die Menge an erzeugtem NOx definiert werden. Das heißt, je höher die AGR-Rate ist, desto niedriger wird die Temperatur des Kraftstoffs und des Gases in dessen Umgebung während der Verbrennung und desto kleiner wird die Menge an erzeugtem NOx. Wenn die Menge an erzeugtem NOx etwa 10 ppm oder weniger wird, wird dabei fast kein Ruß mehr erzeugt. Daher entspricht die oben genannte bestimmte Temperatur im Wesentlichen der Temperatur, bei der die Menge an erzeugtem NOx etwa 10 ppm oder weniger wird.
Sobald Ruß erzeugt wird, kann dieser durch eine Nachbehandlung mittels eines Katalysators mit Oxidationsfunktion nicht mehr gereinigt werden. Dagegen kann ein Rußvorläufer oder ein früheres Kohlenwasserstoffstadium durch eine Nachbehandlung mittels eines Katalysators mit Oxidationsfunktion leicht entfernt werden. Somit ist es äußerst wirkungsvoll für die Reinigung von Abgas, wenn die Kohlenwasserstoffe in Form eines Rußvorläufers oder in einem früheren Kohlenwasserstoffstadium ausgestoßen werden, wobei die Menge an erzeugtem NOx verringert ist.
Um das Kohlenwasserstoffwachstum in einem Stadium anzuhalten, bevor Ruß erzeugt wird, ist es notwendig, die Temperatur des Kraftstoffs und des Gases in dessen Umgebung während der Verbrennung in der Brennkammer 5 unter der Temperatur zu halten, bei der Ruß erzeugt wird. In diesem Fall hat sich gezeigt, dass die wärmeabsorbierende Wirkung des Gases in der Umgebung des Kraftstoffs während der Verbrennung eine extrem große Wirkung auf die Niedrighaltung der Temperaturen des Kraftstoffs und des Gases in dessen Umgebung hat.
Das heißt, falls nur Luft in der Umgebung des Kraftstoffs vorhanden ist, reagiert der Kraftstoffdampf sofort mit dem Sauerstoff in der Luft und verbrennt. In diesem Fall steigt die Temperatur der Luft, die weiter weg vom Kraftstoff vorliegt, nicht so stark. Nur die Temperatur in der Umgebung des Kraftstoffs wird örtlich begrenzt extrem hoch. Das heißt, dabei absorbiert die Luft, die weiter weg vom Kraftstoff vorliegt, die Verbrennungswärme des Kraftstoffs fast gar nicht. Da die Verbrennungstemperatur örtlich begrenzt extrem hoch wird, erzeugen in diesem Fall die unverbrannten Kohlenwasserstoffe, die die Verbrennungswärme aufnehmen, Ruß.
Wenn dagegen der Kraftstoff in einer Gasmischung aus einer großen Menge an Inertgas und einer kleinen Menge an Luft vorliegt, ist die Situation etwas anders. In diesem Fall verteilt sich der Kraftstoffdampf in der Umgebung und reagiert mit dem mit dem Inertgas vermischten Sauerstoff, so dass er verbrennt. In diesem Fall wird die Verbrennungswärme von dem umgebenden Inertgas absorbiert, so dass die Verbrennungstemperatur nicht mehr so stark ansteigt. Das heißt, die Verbrennungstemperatur kann niedrig gehalten werden. Das heißt, die Anwesenheit von Inertgas spielt eine wichtige Rolle beim Niedrighalten der Verbrennungstemperatur. Die Verbrennungstemperatur kann durch die wärmeabsorbierende Wirkung des Inertgases niedrig gehalten werden.
Um die Temperatur des Kraftstoffs und des Gases in dessen Umgebung auf eine Temperatur unter der Temperatur, bei der Ruß erzeugt wird, zu senken, ist in diesem Fall eine Menge an Inertgas erforderlich, die ausreicht, und eine ausreichende Wärmemenge zu absorbieren, um die Temperatur zu senken. Wenn die Kraftstoffmenge zunimmt, steigt daher auch die erforderliche Inertgasmenge. Man beachte, dass in diesem Fall die wärmeabsorbierende Wirkung um so stärker wird, je größer die spezifische Wärme des Inertgases ist. Daher ist ein Gas mit großer spezifischer Wärme als Inertgas bevorzugt. Da CO₂ und AGR-Gas relativ hohe spezifische Wärmewerte aufweisen, kann man in diesem Zusammenhang sagen, dass die Verwendung von AGR-Gas als Inertgas bevorzugt ist.
9 zeigt die Beziehung zwischen der AGR-Rate und dem Rauch, wenn AGR-Gas als Inertgas verwendet wird und der Kühlgrad des AGR-Gases verändert wird. Das heißt, die Kurve (A) in 9 zeigt den Fall, dass das AGR-Gas stark gekühlt wird und die Temperatur des AGR-Gases bei etwa 90°C gehalten wird, die Kurve (B) zeigt den Fall, dass das AGR-Gas durch eine kompakte Kühleinrichtung gekühlt wird, und die Kurve (C) zeigt den Fall, dass das AGR-Gas nicht zwangsgekühlt wird.
Wenn das AGR-Gas stark gekühlt wird, wie von der Kurve (A) in 9 dargestellt, erreicht die Rußerzeugungsmenge einen Spitzenwert, wenn die AGR-Rate etwas unter 50 Prozent liegt. In diesem Fall wird fast kein Ruß mehr erzeugt, wenn die AGR-Rate auf etwa 55 Prozent oder mehr gebracht wird. Wenn das AGR-Gas dagegen leicht gekühlt wird, wie von der Kurve (B) in 9 dargestellt, erreicht die Rußerzeugungsmenge einen Spitzenwert, wen die AGR-Rate etwas höher ist als 50 Prozent. In diesem Fall wird fast kein Ruß erzeugt, wenn die AGR-Rate auf über etwa 65 Prozent gebracht wird.
Wenn das AGR-Gas nicht zwangsgekühlt wird, wie von der Kurve (C) in 9 dargestellt, erreicht die Rußerzeugungsmenge ferner in der Nähe einer AGR-Rate von 55 Prozent einen Spitzenwert. In diesem Fall wird fast kein Ruß erzeugt, wenn die AGR-Rate auf über etwa 70 Prozent gebracht wird. Man beachte, dass 9 die Menge an erzeugtem Rauch zeigt, wenn die Motorlast relativ hoch ist. Wenn die Motorlast abnimmt, sinkt die AGR-Rate, bei der die Rußerzeugungsmenge einen Spitzenwert erreicht, etwas, und die untere Grenze der AGR-Rate, bei der fast kein Ruß erzeugt wird, sinkt ebenfalls etwas. Auf diese Weise ändert sich die untere Grenze für die AGR-Rate, bei der fast kein Ruß erzeugt wird, abhängig vom Kühlumfang des AGR-Gases oder der Motorlast.
10 zeigt die Menge einer Gasmischung aus AGR-Gas und Luft, den Anteil der Luft an der Gasmischung, den Anteil des AGR-Gases an der Gasmischung, die erforderlich sind, um die Temperatur des Kraftstoffs und des Gases in dessen Umgebung während der Verbrennung auf eine Temperatur unter der Temperatur zu bringen, wo Ruß erzeugt wird, für den Fall, dass AGR-Gas als Inertgas verwendet wird. Man beachte, dass die Ordinate in 10 die Gesamtmenge an angesaugtem Gas, das in die Brennkammer 5 aufgenommen wird, zeigt. Die durchbrochene Linie (Y) zeigt die Gesamtmenge an angesaugtem Gas, die in der Brennkammer 5 aufgenommen werden kann, wenn keine Ladungsverdichtung durchgeführt wird. Ferner zeigt die Abszisse die benötigte Last. (Z1) zeigt die Niedriglast-Motorbetriebsregion.
Wie in 10 dargestellt, zeigt der Luftanteil, d.h. die Luftmenge in der Gasmischung, die Luftmenge, die notwendig ist, um zu bewirken, dass der eingespritzte Kraftstoff vollständig verbrennt. Das heißt, in dem in 10 dargestellten Fall wird das Verhältnis der Luft und des eingespritzten Kraftstoffs zum stöchiometrischen Luft/-Kraftstoffverhältnis. Dagegen zeigt in 10 der Anteil des AGR-Gases, d.h. die AGR-Gasmenge in der Gasmischung, die minimale Menge an AGR-Gas, die erforderlich ist, um die Temperatur des Kraftstoffs und des Gases in dessen Umgebung auf eine Temperatur zu bringen, die unter der Temperatur liegt, bei der Ruß erzeugt wird, wenn der eingespritzte Kraftstoff vollständig verbrannt ist. Diese AGR-Gasmenge ist, ausgedrückt als AGR-Rate, gleich oder größer 55 Prozent, und ist in der in 10 dargestellten Ausführungsform gleich oder größer als 70 Prozent. Das heißt, wenn die Gesamtmenge an angesaugtem Gas, das in die Brennkammer 5 aufgenommen wird, and die durchgezogene Linie (X) in 10 gebracht wird, und das Verhältnis zwischen dem Luftanteil und dem AGR-Gasanteil an der Gesamtmenge an angesaugtem Gas (X) auf das in 10 dargestellte Verhältnis gebracht wird, wird die Temperatur des Kraftstoffs und des Gases in dessen Umgebung zu einer Temperatur, die unter der Temperatur liegt, bei der Ruß erzeugt wird, und daher wird überhaupt kein Ruß erzeugt. Ferner liegt die Menge an erzeugtem NOx zu dieser Zeit bei etwa 10 ppm oder darunter, und daher wird die Menge an erzeugtem NOx extrem klein.
Falls die Menge an eingespritztem Kraftstoff zunimmt, steigt die Menge an Wärme, die während der Verbrennung erzeugt wird, so dass die Wärmemenge, die vom AGR-Gas absorbiert wird, erhöht werden muss, um die Temperatur des Kraftstoffes und des Gases in dessen Umgebung bei einer Temperatur zu halten, die unter der Temperatur liegt, bei der Ruß erzeugt wird. Wie in 10 dargestellt, muss daher die AGR-Gasmenge mit einer Erhöhung der Menge an eingespritztem Kraftstoff erhöht werden. Das heißt, die Menge an AGR-Gas muss erhöht werden, wenn die angeforderte Motorlast höher wird.
Dagegen übersteigt in der Motorlastregion (Z2) von 10 die Gesamtmenge an angesaugtem Gas (X), die erforderlich ist, um die Rußerzeugung zu verhindern, die Gesamtmenge an angesaugtem Gas (Y), die aufgenommen werden kann. Daher ist es in diesem Fall notwendig, eine Ladungsverdichtung oder Komprimierung des AGR-Gases und der angesaugten Luft oder nur des AGR-Gases durchzuführen, um die Gesamtmenge an angesaugtem Gas (X), die zur Verhinderung einer Rußerzeugung erforderlich ist, zuführen zu können. Wenn keine Ladungsverdichtung des AGR-Gases usw. durchgeführt wird, entspricht in der Motorlastregion (Z2) die Gesamtmenge an angesaugtem Gas (X) der Gesamtmenge an angesaugtem Gas, die aufgenommen werden kann. Um die Rußerzeugung zu verhindern, wird in diesem Fall daher die Luftmenge etwas verringert, um die Menge an AGR-Gas zu erhöhen, und der Kraftstoff wird in einer Situation zum Brennen gebracht, wo das Luft/Kraftstoffverhältnis einen Wert auf der fetten Seite aufweist.
Wie oben erläutert, zeigt 10 den Fall einer Kraftstoffverbrennung beim stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnis. In der in 10 dargestellten Niedriglast-Motorbetriebsregion (Z1) ist es auch dann, wenn die Luftmenge unter die in 10 dargestellte Luftmenge gebracht wird, d.h. auch wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis einen Wert auf der fetten Seite aufweist, möglich, die Rußerzeugung zu verhindern und die Menge an erzeugtem NOx auf etwa 10 ppm oder darunter zu bringen. In dem in 10 dargestellten Niedriglast-Motorbetriebszustand (Z1) ist auch dann, wenn die Luftmenge über die in 10 dargestellte Luftmenge gebracht wird, d.h. wenn das durchschnittliche Luft/Kraftstoffverhältnis einen Wert von 17 bis 18 auf der mageren Seite aufweist, möglich, die Rußerzeugung zu verhindern und die Menge an erzeugtem NOx auf etwa 10 ppm oder darunter zu bringen.
Das heißt, wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis auf einen Wert auf der fetten Seite gebracht wird, liegt der Kraftstoff im Überschuss vor, aber da die Verbrennungstemperatur bei einer niedrigen Temperatur gehalten wird, wandelt sich der überschüssige Kraftstoff nicht in Ruß um und daher wird kein Ruß erzeugt. Dabei wird außerdem nur eine äußerst kleine Menge an NOx erzeugt. Wenn dagegen das durchschnittliche Luft/Kraftstoffverhältnis einen Wert auf der mageren Seite aufweist oder wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis dem stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnis entspricht, wird eine geringe Menge an Ruß erzeugt, falls die Verbrennungstemperatur zunimmt, aber die Verbrennungstemperatur wird bei einer niedrigen Temperatur gehalten und somit wird überhaupt kein Ruß erzeugt. Ferner wird nur eine extrem kleine Menge an NOx erzeugt.
Auf diese Weise wird in der Niedriglast-Motorbetriebsregion (Z1) unabhängig vom Luft/Kraftstoffverhältnis, d.h. unabhängig davon, ob das Luft/Kraftstoffverhältnis einen Wert auf der fetten Seite aufweist oder ob es das stöchiometrische Luft/Kraftstoffverhältnis ist oder ob das durchschnittliche Luft/Kraftstoffverhältnis einen Wert auf der mageren Seite aufweist, kein Ruß erzeugt und die Menge an erzeugtem NOx wird extrem klein. Daher kann man in Anbetracht der verbesserten Kraftstoff-Verbrauchsrate sagen, dass das durchschnittliche Luft/Kraftstoffverhältnis vorzugsweise auf einen Wert auf der mageren Seite gebracht wird.
Übrigens kann die Temperatur des Kraftstoffs und des Gases in dessen Umgebung in der Brennkammer nur dann unter eine Temperatur gesenkt werden, bei der das Wachstum von Ruß mittendrin aufgehalten wird, wenn die Motorlast relativ niedrig ist und die erzeugte Wärmemenge gering ist. Daher wird in dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Temperatur des Kraftstoffs und des Gases in dessen Umgebung unter eine Temperatur gesenkt, bei der das Rußwachstum mittendrin abbricht, d.h. es wird eine Niedertemperaturverbrennung durchgeführt, wenn die Motorlast relativ gering ist. Wenn die Motorlast relativ hoch ist, wird eine zweite Verbrennung, d.h. eine normale Verbrennung, wie üblich durchgeführt. Hierbei handelt es sich, wie aus den obigen Erklärungen ersichtlich, bei der ersten Verbrennung, d.h. der Niedertemperaturverbrennung, um eine Verbrennung, bei der die Menge an Inertgas in der Brennkammer größer ist als die ungünstigste Menge an Inertgas, die die maximale Menge an erzeugtem Ruß bewirkt, und somit wird überhaupt kein Ruß erzeugt. Bei der zweiten Verbrennung, d.h. der normalen Verbrennung, handelt es sich um eine Verbrennung, bei der die Menge an Inertgas in der Brennkammer kleiner ist als die ungünstigste Menge an Inertgas.
11 zeigt eine erste Betriebsregion (I), in der die erste Verbrennung, d.h. die Niedertemperaturverbrennung, durchgeführt wird, und eine zweite Betriebsregion (II), in der die zweite Verbrennung, d.h. die normale Verbrennung, durchgeführt wird. In 11 zeigt die Ordinate (L) den Verstellweg des Gaspedals 40, d.h. die angeforderte Motorlast. Die Abszisse (N) zeigt die Motordrehzahl. Ferner zeigt in 11 X(N) eine erste Grenze zwischen der ersten Betriebsregion (I) und der zweiten Betriebsregion (II). Y(N) zeigt eine zweite Grenze zwischen der ersten Betriebsregion (I) und der zweiten Betriebsregion (II). Die Entscheidung, aus der ersten Betriebsregion (I) zur zweiten Betriebsregion (II) zu wechseln, wird aufgrund der ersten Grenze X(N) getroffen. Die Entscheidung, aus der zweiten Betriebsregion (II) zur ersten Betriebsregion (I) zu wechseln, wird aufgrund der zweiten Grenze Y(N) getroffen.
Das heißt, wenn der Motorbetriebszustand in der ersten Betriebsregion (I) liegt und die Niedertemperaturverbrennung durchgeführt wird, wird bestimmt, dass die Motorbetriebsregion in die zweite Motorbetriebsregion (II) wechselt, falls die angeforderte Motorlast (L) über die erste Grenze X(N), die eine Funktion der Motordrehzahl (N) ist, ansteigt, und somit wird eine normale Verbrennung durchgeführt. Falls die angeforderte Motorlast (L) danach unter die zweite Grenze Y(N), die eine Funktion der Motordrehzahl (N) ist, sinkt, wird bestimmt, dass die Motorbetriebsregion in die erste Motorbetriebsregion (I) wechselt, und somit wird wieder die Niedertemperaturverbrennung durchgeführt.
12 zeigt das Ausgangssignal vom Luft/Kraftstoffsensor 21. Wie in 12 dargestellt, ändert sich der Ausgangsstrom (I) vom Luft/Kraftstoffsensor 21 abhängig vom Luft/Kraftstoffverhältnis A/F. Somit kann das Luft/Kraftstoffverhältnis aus dem Ausgangsstrom (I) des Luft/Kraftstoffsensors 21 geschlossen werden. Nun wird mit Bezug auf die 13 die Motorbetriebssteuerung in der ersten Betriebsregion (I) und in der zweiten Betriebsregion (II) schematisch erklärt.
13 zeigt den Öffnungsgrad der Drosselklappe 16, den Öffnungsgrad des AGR-Steuerventils 23, die AGR-Rate, das Luft/Kraftstoffverhältnis, den Kraftstoffeinspritz-Zeitpunkt und die Menge an eingespritztem Kraftstoff in Bezug auf die angeforderte Motorlast (L). Wie in 13 dargestellt, wird in der ersten Betriebsregion (I), wenn die angeforderte Motorlast (L) niedrig ist, die Drosselklappe 16 einhergehend mit einer Zunahme der angeforderten Motorlast (L) allmählich aus dem fast ganz geschlossenen Zustand in den fast halb geöffneten Zustand gebracht, und das AGR-Steuerventil 23 wird einhergehend mit einer Zunahme der angeforderten Motorlast (L) allmählich aus dem fast ganz geschlossenen Zustand in den ganz geöffneten Zustand gebracht. In der in 13 dargestellten Ausführungsform wird die AGR-Rate in der ersten Betriebsregion (I) auf etwa 70 Prozent gebracht und das Luft/Kraftstoffverhältnis darin wird auf einen leicht mageren Wert gebracht.
Anders ausgedrückt, in der ersten Betriebsregion (I) werden die Öffnungsgrade der Drosselklappe 16 und des AGR-Steuerventils 23 so gesteuert, dass die AGR-Rate etwa 70 Prozent erreicht und das Luft/Kraftstoffverhältnis ein leicht mageres Luft/Kraftstoffverhältnis wird. Das Luft/Kraftstoffverhältnis wird dabei auf das Soll-Luftkraftstoffverhältnis geregelt, um den Öffnungsgrad des AGR-Steuerventils aufgrund des Ausgangssignals vom Luft/Kraftstoffsensor 21 zu korrigieren. In der ersten Betriebsregion (I) wird der Kraftstoff eingespritzt, bevor der obere Totpunkt des Kompressionshubs TDC erreicht wird. In diesem Fall wird der Beginn der Kraftstoffeinspritzung (θS) einhergehend mit einer Zunahme der angeforderten Motorlast (L) verzögert, und das Ende der Kraftstoffeinspritzung (θE) wird einhergehend mit einer Verzögerung des Beginns der Kraftstoffeinspritzung (θS) verzögert.
Im Leerlauf wird die Drosselklappe 16 fast ganz geschlossen. Dabei wird das AGR-Steuerventil 23 ebenfalls fast ganz geschlossen. Wenn die Drosselklappe 16 fast ganz geschlossen ist, wird der Druck in der Brennkammer 5 im Anfangsstadium des Kompressionshubs gesenkt und somit wird der Verdichtungsdruck niedrig. Wenn der Verdichtungsdruck niedrig wird, wird die Kompressionsleistung des Kolbens 4 gering und somit wird die Vibration des Motorkörpers 1 gering. Das heißt, im Leerlauf wird die Drosselklappe fast vollständig geschlossen, um die Vibration des Motorkörpers 1 zu beschränken.
Dagegen nimmt der Öffnungsgrad der Drosselklappe 16 in einem Schritt vom halb geöffneten Zustand zum voll geöffneten Zustand zu, wenn die Motorbetriebsregion aus der ersten Betriebsregion (I) in die zweite Betriebsregion (II) wechselt. Dabei nimmt in der in 13 dargestellten Ausführungsform die AGR-Rate in einem Schritt von etwa 70 Prozent bis unter 40 Prozent ab, und das Luft/Kraftstoffverhältnis macht einen Schritt nach oben. Das heißt, die AGR-Rate überspringt den AGR-Ratenbereich (9), in dem eine große Rauchmenge erzeugt wird, und somit wird keine große Rauchmenge erzeugt, wenn der Motorbetriebszustand aus der ersten Betriebsregion (I) in die zweite Motorbetriebsregion (II) wechselt.
In der zweiten Betriebsregion (Π) wird wie üblich eine normale Verbrennung durchgeführt. Diese Verbrennung bewirkt eine gewisse Menge an erzeugtem Ruß und NOx. Deren Wärmeleistungszahl ist jedoch höher als die der Niedertemperaturverbrennung. Wenn die Motorbetriebsregion aus der ersten Betriebsregion (I) in die zweite Betriebsregion (II) wechselt, nimmt daher die Menge an eingespritztem Kraftstoff in einem Schritt ab, wie in 13 dargestellt.
In der zweiten Betriebsregion (II) wird die Drosselklappe 16, von einem Teil abgesehen, im vollständig geschlossenen Zustand gehalten. Der Öffnungsgrad des AGR-Steuerventils 23 nimmt allmählich einhergehend mit einem Anstieg der angeforderten Motorlast (L) ab. In dieser Betriebsregion (II) nimmt die AGR-Rate einhergehend mit einem Anstieg der angeforderten Motorlast (L) ab, und das Luft/Kraftstoffverhältnis nimmt einhergehend mit der angeforderten Motorlast (L) ab. Das Luft/Kraftstoffverhältnis wird jedoch auch dann auf ein Luft/Kraftstoffverhältnis mit einem Wert auf der mageren Seite gebracht, wenn die angeforderte Motorlast (L) hoch wird. In der zweiten Betriebsregion (II) wird ferner der Beginn der Kraftstoffeinspritzung (θS) in die Nähe des oberen Totpunkts des Kompressionshubs TDC gebracht.
14 zeigt die Luft/Kraftstoffverhältnisse A/F in der ersten Betriebsregion (I). In 14 zeigen die Kurven, die mit A/F = 15,5, A/F = 16, A/F = 17 und A/F = 18 bezeichnet sind, jeweils die Fälle, dass die Luft/Kraftstoffverhältnisse 15,5, 16, 17 bzw. 18 sind. Das Luft/Kraftstoffverhältnis zwischen zwei dieser Kurven wird durch proportionale Verteilung definiert. Wie in 14 dargestellt, weist in der ersten Betriebsregion (I) das Luft/Kraftstoffverhältnis einen Wert auf der mageren Seite auf, und je niedriger die angeforderte Motorlast (L) wird, desto weiter auf der mageren Seite liegt der Wert des Luft/Kraftstoffverhältnisses.
Das heißt, die Menge der erzeugten Wärme in der Brennkammer nimmt einhergehend mit einer Abnahme der angeforderten Motorlast (L) ab. Daher kann auch dann, wenn die AGR-Rate einhergehend mit einer Abnahme der Motorlast (L) abnimmt, eine Niedertemperaturverbrennung durchgeführt werden. Wenn die AGR-Rate abnimmt, wird das Luft/Kraftstoffverhältnis groß. Daher nimmt, wie in 14 dargestellt, das Luft/Kraftstoffverhältnis A/F einhergehend mit einer Abnahme der angeforderten Motorlast (L) ab. Je größer das Luft/Kraftstoffverhältnis wird, desto besser werden die Kraftstoff-Verbrauchswerte. Somit nimmt in der vorliegenden Ausführungsform das Luft/Kraftstoffverhältnis A/F einhergehend mit einer Abnahme der angeforderten Motorlast (L) zu, so dass das Luft/Kraftstoffverhältnis so mager wie möglich gemacht wird.
Ein Soll-Öffnungsgrad (ST) der Drosselklappe 16, der erforderlich ist, um aus dem Luft/Kraftstoffverhältnis das in 14 dargestellte Soll-Luftkraftstoffverhältnis zu machen, ist im ROM der elektronischen Steuereinheit als Kennfeld hinterlegt, bei dem es sich um eine Funktion der angeforderten Motorlast (L) und der Motordrehzahl (N) handelt, wie in 15(A) dargestellt. Ein Soll-Öffnungsgrad (SE) des AGR-Steuerventils 23, der erforderlich ist, um aus dem Luft/Kraftstoffverhältnis das in 14 dargestellte Luft/Kraftstoffverhältnis zu machen, ist im ROM der elektronischen Steuereinheit als Kennfeld hinterlegt, bei dem es sich um eine Funktion der angeforderten Motorlast (L) und der Motordrehzahl (N) handelt, wie in 15(B) dargestellt.
16 zeigt Soll-Luft/Kraftstoffverhältnisse wenn die zweite Verbrennung, d.h. die normale Verbrennung, wie üblich durchgeführt wird. In 16 zeigen die mit A/F = 24, A/F = 35, A/F = 45 und A/F = 60 bezeichneten Kurven jeweils die Fälle an, dass die Soll-Luft/Kraftstoffverhältnisse 24, 25, 45 bzw. 60 sind. Ein Soll-Öffnungsgrad (ST) der Drosselklappe 16, der erforderlich ist, um aus dem Luft/Kraftstoffverhältnis das Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis zu machen, ist im ROM der elektronischen Steuereinheit als Kennfeld hinterlegt, in dem eine Funktion der angeforderten Motorlast (L) und der Motordrehzahl (N) ist, wie in 17(A) dargestellt. Ein Soll-Öffnungsgrad (SE) des AGR-Steuerventils 23, der erforderlich ist, um aus dem Luft/Kraftstoffverhältnis das Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis zu machen, ist im ROM der elektronischen Steuereinheit als Kennfeld hinterlegt, in dem es eine Funktion der angeforderten Motorlast (L) und der Motordrehzahl (N) ist, wie in 17(B) dargestellt.
Somit wird in dem Dieselmotor der vorliegenden Ausführungsform aufgrund des Verstellwegs (L) des Gaspedals 40 und der Motordrehzahl (N) zwischen der ersten Verbrennung, d.h. der Niedertemperaturverbrennung, und der zweiten Verbrennung, d.h. der normalen Verbrennung, gewechselt. Bei jeder Verbrennung werden die Öffnungsgrade der Drosselklappe 16 und des AGR-Steuerventils durch die in den 15 und 17 dargestellten Kennfelder aufgrund des Verstellwegs (L) des Gaspedals 40 und der Motorgeschwindigkeit (N) gesteuert.
18 ist eine Draufsicht auf eine Vorrichtung zur Abgasreinigung, und 19 ist eine Seitenansicht davon. Die Vorrichtung weist folgendes auf: einen Wechselabschnitt 71, der über ein Auslassrohr 18 dem Abgaskrümmer 17 nachgeschaltet ist, ein Partikelfilter 70, einen ersten Verbindungsabschnitt 72a zum Verbinden einer Seite des Partikelfilters 70 mit dem Wechselabschnitt 71, einen zweiten Verbindungsabschnitt 72b zum Verbinden der anderen Seite des Partikelfilters 70 mit dem Wechselabschnitt 71 und eine Auslassleitung 73, die dem Wechselabschnitt 71 nachgelagert ist. Der Wechselabschnitt 71 umfasst einen Ventilkörper 71a, der den Abgasstrom im Wechselabschnitt 71 unterbrechen kann. Der Ventilkörper 71a wird von einem Unterdruck stellglied, einem Schrittmotor oder dergleichen angetrieben. In einer Schließstellung des Ventilkörpers 71a kommuniziert die Anströmseite im Wechselabschnitt 71 mit dem ersten Verbindungsabschnitt 72a und dessen Abströmseite kommuniziert mit dem zweiten Verbindungsabschnitt 72b, und somit strömt Abgas von einer Seite des Partikelfilters 70 zu dessen anderer Seite, wie von den Pfeilen in 18 dargestellt.
20 stellt eine andere Schließstellung des Ventilkörpers 72a dar. In dieser Schließstellung kommuniziert die Abströmseite im Wechselabschnitt 71 mit dem zweiten Verbindungsabschnitt 72b, und die Abströmseite des Wechselabschnitts 71 kommuniziert mit dem ersten Verbindungsabschnitt 72a, und somit strömt Abgas von der anderen Seite des Partikelfilters 70 zu dessen einer Seite, wie von den Pfeilen in 20 dargestellt. Durch Umschalten des Ventilkörpers 71a kann somit die Richtung, in der das Abgas in das Partikelfilter 70 strömt, umgekehrt werden, d.h. die Abgasanströmseite und die Abgasabströmseite des Partikelfilters 70 können umgekehrt werden. In 18 bezeichnet die Bezugszahl 43a einen ersten Drucksensor zum Erfassen des Abgasdrucks im ersten Verbindungsabschnitt 72a, und die Bezugszahl 43b bezeichnet einen zweiten Drucksensor zum Erfassen des Abgasdrucks im zweiten Verbindungsabschnitt 72b. Ferner bezeichnet die Bezugszahl 44a einen ersten Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur an einem Endabschnitt des Partikelfilters 70, und die Bezugszahl 44b bezeichnet einen zweiten Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur am anderen Endabschnitt des Partikelfilters 70.
Somit kann die vorliegende Vorrichtung zur Abgasreinigung die Abgasanströmseite und die Abgasabströmseite des Partikelfilters anhand eines sehr einfachen Aufbaus umkehren. Ferner benötigt der Partikelfilter eine große Öffnungsfläche, um die Einführung des Abgases zu erleichtern. In der Vorrichtung kann ein Partikelfilter mit einer großen Öffnungsfläche verwendet werden, ohne deren Einbau in ein Fahrzeug zu erschweren, wie in den 18 und 19 dargestellt.
21 zeigt den Aufbau des Partikelfilters 70, wobei 21(A) eine Vorderansicht des Partikelfilters 70 ist und 22(B) eine seitliche Schnittansicht davon ist. Wie in diesen Figuren dargestellt, weist der Partikelfilter 70 eine elliptische Form auf und ist beispielsweise eine Wandströmungs-Wabenstruktur, die aus porösem Material, wie Cordierit, besteht, und weist viele Hohlräume in axialer Richtung auf, die durch viele Trennwände 54, die in axialer Richtung verlaufen, unterteilt sind. Einer von beliebigen zwei benachbarten Hohlräumen ist von einem Stopfen 53 an der Abgasabströmseite verschlossen, und der andere ist von einem Stopfen an der Abgasanströmseite verschlossen. Somit dient einer der beiden benachbarten Hohlräume als Abgaseinströmkanal 50 und der andere dient als Abgasausströmkanal 51, wodurch das Abgas gezwungen wird, durch die Trennwand 54 zu strömen, wie von den Pfeilen in 21(B) dargestellt. Die im Abgas enthaltenen Partikel sind viel kleiner als die Poren der Trennwand 54, aber sie kollidieren mit der Oberfläche der Trennwand an der Abgasanströmseite und mit der Porenoberfläche in der Trennwand 54 und werden dort zurückgehalten. Somit dient jede Trennwand 54 als Rückhaltewand zum Zurückhalten der Partikel. Im vorliegenden Partikelfilter 70 tragen beide seitlichen Oberflächen der Trennwand 54 und vorzugsweise auch die Porenoberflächen der Trennwand 54 ein aktiven Sauerstoff abgebendes Mittel und einen Edelmetallkatalysator, wie nachstehend erklärt.
Das aktiven Sauerstoff abgebende Mittel gibt aktiven Sauerstoff ab, um die Oxidation der Partikel zu fördern und nimmt vorzugsweise Sauerstoff auf und hält diesen fest, wenn ein Sauerstoffüberschuss in der Umgebung vorhanden ist, und gibt den festgehaltenen Sauerstoff als aktiven Sauerstoff ab, wenn die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung abnimmt.
Als Edelmetallkatalysator wird üblicherweise Platin Pt verwendet. Als aktiven Sauerstoff abgebendes Mittel wird mindestens eines aus der Gruppe, bestehend 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, verwendet.
Als aktiven Sauerstoff abgebendes Mittel wird vorzugsweise ein Alkalimetall oder ein Erdalkalimetall mit einer stärkeren Ionisierungstendenz als Calcium Ca verwendet, d.h. es wird vorzugsweise Kalium K, Lithium Li, Cäsium Cs, Rubidium Rb, Barium Ba oder Strontium Sr verwendet.
Nachstehend wird nun mit Bezug auf den Fall der Verwendung von Platin Pt und Kalium K erklärt, wie die auf dem Partikelfilter zurückgehaltenen Partikel durch das Partikelfilter, das ein aktiven Sauerstoff abgebendes Mittel trägt, oxidiert und beseitigt werden. Die Partikel werden auf die gleiche Weise oxidiert und beseitigt, wenn ein anderes Edelmetall und ein anderes Alkalimetall, ein Erdalkalimetall, ein Seltenerdelement oder ein Übergangsmetall verwendet wird.
In einem Dieselmotor findet die Verbrennung in der Regel in einer Situation statt, wo ein Luftüberschuss vorliegt, und somit enthält das Abgas eine große Menge an überschüssiger Luft. Das heißt, wenn das Verhältnis der Luft zum Kraftstoff, die zum Ansaugsystem und zur Brennkammer geliefert werden, als Luft/Kraftstoffverhältnis des Abgases bezeichnet wird, ist das Luft/Kraftstoffverhältnis mager. Ferner wird NO in der Brennkammer erzeugt, und somit enthält das Abgas NO. Ferner enthält der Kraftstoff Schwefel S, und Schwefel S reagiert mit Sauerstoff in der Brennkammer, um SO₂ zu bilden. Somit enthält das Abgas SO₂. Daher strömt Abgas, das überschüssigen Sauerstoff, NO und SO₂ enthält, zur Abgasanströmseite des Partikelfilters 70.
Die 22(A) und 22(B) sind vergrößerte Querschnittsdarstellungen der Oberfläche des Partikelfilters 70, mit der das Abgas in Kontakt kommt. In den 22(A) und 22(B) bezeichnet die Bezugszahl 60 ein Platin Pt-Partikel und 61 bezeichnet das aktiven Sauerstoff abgebende Mittel, das Kalium K enthält.
Wie oben beschrieben, enthält das Abgas eine große Menge an überschüssigem Sauerstoff. Wenn das Abgas mit der Abgaskontaktfläche des Partikelfilters in Kontakt kommt, haftet Sauerstoff O Verbindungsabschnitt in Form von O₂ ^– oder O^2– an der Oberfläche des Platins Pt wie in 22(A) dargestellt. Dagegen reagiert NO im Abgas mit O₂ ^– oder O^2– an der Oberfläche des Platins Pt, um NO₂ zu ergeben (2NO + O₂ → 2NO₂). Dann wird ein Teil des erzeugten NO₂ im aktiven Sauerstoff abgebenden Mittel 61 absorbiert, während es auf Platin Pt oxidiert wird, und diffundiert in Form von Salpetersäureionen NO₃ ^– in das aktiven Sauerstoff abgebende Mittel 61, während es sich mit Kalium K verbindet, um Kaliumnitrat KNO₃ zu bilden, wie in 22(A) dargestellt. Somit wird in der vorliegenden Erfindung NOx, das im Abgas enthalten ist, im Partikelfilter 70 absorbiert, und die Menge davon, die in die Atmosphäre abgegeben wird, kann gesenkt werden.
Ferner enthält das Abgas SO₂, wie oben beschrieben, und SO₂ wird auch aufgrund eines Mechanismus, der dem im Fall von NO ähnlich ist, im aktiven Sauerstoff abgebenden Mittel 61 absorbiert. Das heißt, wie oben beschrieben, haftet Sauerstoff O₂ in Form von O₂ ^– oder O^2– an Platin Pt, und SO₂ im Abgas reagiert an der Oberfläche des Platins Pt mit O₂ ^– oder O^2–, um SO₃ zu erzeugen. Dann wird ein Teil des erzeugten SO₃ in dem aktiven Sauerstoff abgebenden Mittel 61 absorbiert, während es auf dem Platin Pt oxidiert wird, und diffundiert in Form von Schwefelsäureionen SO₄ ^2– in das aktiven Sauerstoff abgebende Mittel 61, während es sich mit Kalium K verbindet, um Kaliumsulfat K₂SO₄ zu erzeugen. Somit werden Kaliumnitrat KNO₃ und Kaliumsulfat K₂SO₄ im aktiven Sauerstoff abgebenden Mittel 61 erzeugt.
Die Partikel im Abgas haften an der Oberfläche des aktiven Sauerstoff abgebenden Mittels 61, das vom Partikelfilter getragen wird, wie bei 62 in 22(B) gezeigt. Dabei fällt die Sauerstoffkonzentration an der Oberfläche des aktiven Sauerstoff abgebenden Mittels 61, mit der die Partikel 62 in Kontakt stehen. Wenn die Sauerstoffkonzentration fällt, kommt es zu einem Konzentrationsunterschied zum aktiven Sauerstoff abgebenden Mittel 61 mit einer hohen Sauerstoffkonzentration, und somit neigt der Sauerstoff im aktiven Sauerstoff abgebenden Mittel 61 dazu, zur Oberfläche des aktiven Sauerstoff abgebenden Mittels 61, mit der die Partikel 62 in Kontakt stehen, zu wandern. Infolgedessen zerfällt im aktiven Sauerstoff abgebenden Mittel erzeugtes Kaliumnitrat KNO₃ in Kalium K, Sauerstoff O und NO, wodurch Sauerstoff O zur Oberfläche des aktiven Sauerstoff abgebenden Mittels 61 wandert, mit der die Partikel 62 in Kontakt stehen, und NO wird vom aktiven Sauerstoff abgebenden Mittel 61 nach außen abgegeben. NO, das nach außen abgegeben wird, wird auf dem Platin Pt an der Abströmseite oxidiert und erneut im aktiven Sauerstoff abgebenden Mittel 61 absorbiert.
Dabei zerfällt ferner Kaliumsulfat K₂SO₄, das im aktiven Sauerstoff abgebenden Mittel 61 erzeugt wird, ebenfalls in Kalium K, Sauerstoff O und SO₂, wodurch Sauerstoff O zur Oberfläche des aktiven Sauerstoff abgebenden Mittels 61, mit der die Partikel 62 in Kontakt stehen, wandert, und SO₂ wird vom aktiven Sauerstoff abgebenden Mittel 61 nach außen abgegeben. SO₂, das nach außen abgegeben wird, wird auf dem Platin auf der Abströmseite oxidiert und wieder in dem aktiven Sauerstoff abgebenden Mittel 61 absorbiert. Hierbei ist Kaliumsulfat K₂SO₄ jedoch stabil und gibt weniger aktiven Sauerstoff ab als Kaliumnitrat KNO₃.
Dagegen handelt es sich bei dem Sauerstoff O, der zur Oberfläche des aktiven Sauerstoff abgebenden Mittels 61, mit der die Partikel 62 in Kontakt stehen, wandert, um denjenigen, der durch Zerfall solcher Verbindungen wie Kaliumnitrat KNO₃ oder Kaliumsulfat K₂SO₄ entstanden ist. Sauerstoff O, der durch Zerfall aus der Verbindung entstanden ist, weist ein hohes Energieniveau auf und zeigt eine sehr hohe Aktivität. Daher handelt es sich bei dem Sauerstoff, der zur Oberfläche des aktiven Sauerstoff abgebenden Mittels, mit der die Partikel in Kontakt stehen, wandert, um aktiven Sauerstoff O. Nachdem sie mit dem aktiven Sauerstoff O in Kontakt gekommen sind, werden die Partikel 62 in kurzer Zeit oxidiert, ohne eine leuchtende Flamme zu erzeugen, beispielsweise innerhalb weniger Minuten oder einiger zehn Minuten. Ferner wird aktiver Sauerstoff, der die Partikel 62 oxidiert, ebenfalls abgegeben, wenn NO und SO₂ im aktiven Sauerstoff abgebenden Mittel 61 absorbiert wurden. Das heißt, man kann davon ausgehen, dass NOx in Form von Salpetersäureionen NO₃ ^– in das aktiven Sauerstoff abgebende Mittel diffundiert, während es sich mit Sauerstoffatomen verbindet und dass es sich von den Sauerstoffatomen trennt und dass während dieser Zeit aktiver Sauerstoff erzeugt wird. Die Partikel 62 werden auch von diesem aktiven Sauerstoff oxidiert. Ferner werden die Partikel 62, die am Partikelfilter 70 haften, nicht nur von aktivem Sauerstoff oxidiert, sondern auch vom Sauerstoff, der im Abgas enthalten ist.
Je höher die Temperatur des Partikelfilters wird, desto stärker werden das Platin Pt und das aktiven Sauerstoff abgebende Mittel 61 aktiviert. Daher wird die Menge an aktivem Sauerstoff O, der vom aktiven Sauerstoff abgebenden Mittel 61 pro Zeiteinheit abgegeben wird, um so größer, je höher die Temperatur des Partikelfilters wird. Ferner werden die Partikel natürlich um so leichter oxidiert, je höher die Temperatur der Partikel ist. Daher nimmt die Partikelmenge, die ohne Erzeugung einer leuchtenden Flamme pro Zeiteinheit auf dem Partikelfilter oxidiert und beseitigt werden kann, einhergehend mit einer Zunahme der Temperatur des Partikelfilters zu.
Die durchgezogene Linie in 23 zeigt die Partikelmenge (G), die pro Zeiteinheit oxidiert und beseitigt werden können, ohne eine leuchtende Flamme zu erzeugen. In 23 stellt die Abszisse die Temperatur TF des Partikelfilters dar. Hierbei zeigt 23 den Fall, dass die Zeiteinheit 1 Sekunde ist, d.h. die Partikelmenge (G), die pro 1 Sekunde oxidiert und beseitigt werden kann. Es kann jedoch jeder Zeitraum, wie 1 Minute, 10 Minuten oder dergleichen, als Zeiteinheit gewählt werden. Beispielsweise stellt in dem Fall, dass 10 Minuten als Zeiteinheit verwendet werden, die Partikelmenge (G), die pro Zeiteinheit oxidiert und beseitigt werden kann, die Partikelmenge (G) dar, die pro 10 Minuten oxidiert und beseitigt werden kann. Auch in diesem Fall nimmt die Partikelmenge (G), die ohne Erzeugung einer leuchtenden Flamme oxidiert und beseitigt werden kann, einhergehend mit einem Anstieg der Temperatur des Partikelfilters 70 zu, wie in 23 dargestellt.
Die Partikelmenge, die pro Zeiteinheit aus der Brennkammer ausgestoßen wird, wird als ausgestoßene Partikelmenge (M) bezeichnet. Wenn die ausgestoßene Partikelmenge (M) kleiner ist als die Partikelmenge (G), die oxidiert und beseitigt werden kann, beispielsweise die pro 1 Sekunde ausgestoßene Partikelmenge (M) kleiner ist als die Partikelmenge (G), die pro 1 Sekunde oxidiert und beseitigt werden kann, oder die pro 10 Minuten ausgestoßene Partikelmenge (M) kleiner ist als die Partikelmenge (G), die pro 10 Minuten oxidiert und beseitigt werden kann, d.h. im Bereich (I) von 23, werden die aus der Brennkammer ausgestoßenen Partikel alle ohne Erzeugung einer leuchtenden Flamme in kurzer Zeit sukzessive auf dem Partikelfilter 70 oxidiert und beseitigt.
Wenn die ausgestoßene Partikelmenge (M) größer ist als die Partikelmenge, die oxidiert und beseitigt werden kann (G), d.h. im Bereich (II) von 23, reicht dagegen die Menge an aktivem Sauerstoff nicht aus, damit alle Partikel sukzessive oxidiert und beseitigt werden können. Die 24(A) bis (C) erläutern die Art der Oxidation der Partikel in diesem Fall.
Das heißt, in dem Fall, dass die Menge des aktiven Sauerstoffs nicht ausreicht, um alle Partikel zu oxidieren, wenn die Partikel 62 am aktiven Sauerstoff abgebenden Mittel 61 haften, wird nur ein Teil der Partikel oxidiert, wie in 24(A) dargestellt, und der andere Teil der Partikel, der nicht ausreichend oxidiert wurde, bleibt an der Abgasanströmfläche des Partikelfilters zurück. Wenn der Zustand, dass die Menge an aktivem Sauerstoff nicht ausreicht, anhält, bleibt ein Teil der Partikel, der nicht oxidiert worden ist, sukzessive an der Abgasanströmfläche des Partikelfilters zurück. Infolgedessen wird die Abgasanströmfläche des Partikelfilters mit den zurückgebliebenen Partikeln überzogen, wie in 24(B) dargestellt.
Die zurückgebliebenen Partikel 63 werden allmählich in kohlenstoffartiges Material umgewandelt, das kaum oxidiert werden kann. Wenn die Abgasanströmseite mit den zurückgebliebenen Partikeln 63 überzogen ist, werden ferner die oxidierende Wirkung des Platins Pt auf NO und SO₂ und die aktiven Sauerstoff freisetzende Wirkung des aktiven Sauerstoff freisetzenden Mittels 61 verringert. Die zurückgebliebenen Partikel 63 können über einen relativ langen Zeitraum allmählich oxidiert werden. Wie in 24(C) dargestellt, lagern sich jedoch weitere Partikel 64 nacheinander an den zurückgebliebenen Partikeln 63 an, und wenn die Partikel sich so anlagern, dass sie Schichten bilden, können diese Partikel, auch wenn es sich dabei um leicht zu oxidierende Partikel handelt, möglicherweise nicht oxidiert werden, da diese Partikel vom Platin Pt oder vom aktiven Sauerstoff abgebenden Mittel getrennt sind. Somit lagern sich weitere Partikel sukzessive an diesen Partikeln 64 an. Das heißt, wenn der Zustand, in dem die ausgestoßene Partikelmenge (M) größer ist als die Partikelmenge, die oxidiert und beseitigt werden kann (G), andauert, lagern sich die Partikel in Schichten auf dem Partikelfilter an.
Somit werden in dem Bereich (I) von 23 die Partikel für die Zeit ohne Erzeugung einer leuchtenden Flamme oxidiert und beseitigt, und im Bereich (II) von 23 lagern sich die Partikel in Schichten auf dem Partikelfilter an. Daher kann die Anlagerung von Partikeln auf dem Partikelfilter verhindert werden, wenn die Beziehung zwischen der ausgestoßenen Partikelmenge (M) und der Partikelmenge, die oxidiert und beseitigt werden kann (G), im Bereich (I) liegt. Infolgedessen wird ein Druckverlust des Abgases im Partikelfilter kaum verändert und wird bei einem minimalen Druckverlust gehalten, der fast konstant ist. Somit kann die Abnahme der Motorleistung so klein wie möglich gehalten werden. Dies wird jedoch nicht immer verwirklicht, und es können sich Partikel auf dem Partikelfilter anlagern, wenn nichts unternommen wird.
Um eine Anlagerung der Partikel auf dem Partikelfilter zu verhindern, steuert in der vorliegenden Ausführungsform die oben genannte Steuereinheit 30 das Umschalten des Ventilkörpers 71a gemäß einem ersten in 25 dargestellten Ablaufschema. Das vorliegende Ablaufschema wird jeweils nach einer vorgegebenen Zeit wiederholt. In Schritt 101 wird die integrierte Fahrstrecke (A) berechnet. Dann wird in Schritt 102 bestimmt, ob die integrierte Fahrstrecke (A) länger ist als eine vorgegebene Fahrstrecke (As). Wenn das Ergebnis negativ ist, wird die Routine beendet. Wenn das Ergebnis jedoch positiv ist, geht die Routine zu Schritt 103 über. In Schritt 103 wird die integrierte Fahrstrecke (A) auf 0 zurückgesetzt, und in Schritt 104 wird der Ventilkörper 71a aus einer Schließstellung in die andere Schließstellung umgeschaltet, d.h. die Anströmseite und die Abströmseite des Partikelfilters werden umgekehrt.
26 ist eine vergrößerte Schnittansicht der Trennwand 54 des Partikelfilters. Während das Fahrzeug die vorgegebene Fahrstrecke (As) zurücklegt, kann der Motor im Bereich (II) von 23 betrieben werden. Somit kollidieren die Partikel mit der Abgasanströmfläche der Trennwand 54 und der auf das Abgas gerichteten Seite in den Poren darin, d.h. einer der Rückhalteflächen der Trennwand 54, und werden von diesen zurückgehalten und werden von aktivem Sauerstoff, der vom aktiven Sauerstoff abgebenden Mittel abgegeben wird, oxidiert und beseitigt, aber die Partikel können wegen einer nicht ausreichenden Oxidation zurückbleiben, wie von den Schraffuren in 26(A) dargestellt. In diesem Stadium hat der Abgaswiderstand des Partikelfilters keinen negativen Einfluss auf das Fahrverhalten des Fahrzeugs. Falls sich mehr Partikel anlagern, kommt es jedoch zu Problemen, wobei die Motorleistung erheblich abnimmt usw. Im ersten Ablaufschema werden in diesem Stadium die Anströmseite und die Abströmseite des Partikelfilters umgekehrt. Daher lagern sich die Partikel nicht erneut an den zurückgebliebenen Partikeln an den Sammeloberflächen der Trennwand an, und somit können die zurückgebliebenen Partikel durch aktiven Sauerstoff, der vom aktiven Sauerstoff abgebenden Mittel abgegeben wird, allmählich oxidiert und von der einen der Rückhalteflächen beseitigt werden. Ferner werden insbesondere die zurückgebliebenen Partikel in den Poren in der Trennwand vom in umgekehrter Richtung strömenden Abgas leicht in kleine Stücke zerschmettert, wie in 26(B) dargestellt, und sie bewegen sich hauptsächlich durch die Poren in Abströmseitenrichtung.
Somit diffundieren viele der zu feinen Teilchen zerschmetterten Partikel in die Poren der Trennwand, d.h. die Partikel strömen in die Poren. Daher kommen sie direkt mit dem aktiven Sauerstoff abgebenden Mittel, das auf der Porenoberfläche getragen wird, in Kontakt, und somit bestehen zahlreiche Gelegenheiten, dass sie oxidiert und beseitigt werden. Falls das aktiven Sauerstoff abgebende Mittel ebenfalls auf der Porenoberfläche in der Trennwand getragen wird, können somit die zurückgebliebenen Partikel sehr leicht oxidiert und beseitigt werden. An der anderen Rückhaltefläche, die nunmehr auf der Anströmseite liegt, da der Abgasstrom umgekehrt wurde, d.h. an der Abgasanströmfläche der Trennwand 54 und der dem Abgas gegenüberliegenden Oberfläche in den Poren darin, auf die der Abgas hauptsächlich auftrifft (an der gegenüberliegenden Seite einer der Rückhalteflächen) haften die Partikel im Abgas erneut und werden durch aktiven Sauerstoff, der vom aktiven Sauerstoff abgebenden Mittel abgegeben wird, oxidiert und beseitigt. Bei dieser Oxidation wandert ein Teil des aktiven Sauerstoffs, der vom aktiven Sauerstoff abgebenden Mittel an der anderen Rückhalte fläche abgegeben wird, mit dem Abgas zur Abströmseite und wird dazu gebracht, die Partikel, die trotz der Umkehr des Abgasstroms immer noch auf den Rückhalteflächen zurückgeblieben sind, zu oxidieren und zu beseitigen.
Das heißt, die an den Rückhalteflächen zurückgebliebenen Partikel werden nicht nur dem aktiven Sauerstoff ausgesetzt, der von dieser Rückhaltefläche abgegeben wird, sondern durch Umkehren des Abgasstroms auch dem zurückgebliebenen aktiven Sauerstoff zum Oxidieren und Beseitigen der Partikel auf der anderen Rückhaltefläche. Wenn der Abgasstrom umgekehrt wird, kommt daher aktiver Sauerstoff an den abgelagerten Partikeln an, auch wenn einige Partikel sich an einer der Rückhalteflächen des Partikelfilters anlagern und Schichten bilden, und die Partikel lagern sich aufgrund der Umkehr des Abgasstroms nicht erneut an den abgelagerten Partikeln an und somit werden die abgelagerten Partikel allmählich oxidiert und beseitigt und sie können über eine gewisse Zeit bis zur nächsten Umkehrung des Abgases ausreichend oxidiert und beseitigt werden.
In dem Ablaufschema wird der Ventilkörper jeweils nach einer vorgegebenen Fahrstrecke umgeschaltet. Der Ventilkörper kann jedoch auch jeweils nach einer vorgegebenen Zeit umgeschaltet werden. Natürlich kann der Ventilkörper auch nicht auf solch regelmäßige Weise umgeschaltet werden, sondern kann unregelmäßig umgeschaltet werden. In jedem Fall ist es bevorzugt, den Ventilkörper mindestens einmal nach dem Starten des Motors und vor dem Anhalten des Motors umzuschalten, so dass der Ventilkörper umgeschaltet wird, bevor die zurückgebliebenen Partikel sich zu kohlenstoffartigen Stoffen umwandeln, die kaum oxidiert werden können. Falls die Partikel oxidiert und beseitigt werden, bevor eine große Partikelmenge sich anlagert, können Probleme im Zusammenhang mit der gleichzeitigen Entzündung und Verbrennung einer großen Menge an angelagerten Partikeln, die den Partikelfilter durch ihre Verbrennungswärme schmelzen würde, verhindert werden. Selbst wenn eine große Partikelmenge sich aus irgendeinem Grund an der Rückhaltefläche der Trennwand des Partikelfilters anlagern würde, werden die angelagerten Partikel, wenn der Ventilkörper umgeschaltet wird, durch den umgekehrten Abgasstrom leicht in feine Teilchen zer schmettert. Der Teil der Partikel, die nicht in den Poren der Trennwand oxidiert und beseitigt werden können, wird aus dem Partikelfilter ausgetragen. Dadurch wird jedoch vermieden, dass der Abgaswiderstand des Partikelfilters noch weiter steigt, was sich negativ auf die Fortbewegung der Partikel auswirken würde. Ferner kann die andere Rückhaltefläche der Trennwand des Partikelfilters die Partikel erneut zurückhalten.
27 zeigt ein zweites Ablaufschema für die Steuerung der Umschaltung des Ventilkörpers 71a. Das vorliegende Ablaufschema wird jeweils nach einer vorgegebenen Zeit wiederholt. In Schritt 201 erfasst der erste Drucksensor 43a, der im ersten Verbindungsabschnitt 72a angeordnet ist, einen Abgasdruck (P1) an einer Seite des Partikelfilters 70, d.h. einen Abgasdruck im ersten Verbindungsabschnitt (72a) (siehe 18). Dann erfasst der zweite Drucksensor 43b, der am zweiten Verbindungsabschnitt 72b angeordnet ist, in Schritt 202 einen Abgasdruck (P2) an der anderen Seite des Partikelfilters 70, d.h. einen Abgasdruck im zweiten Verbindungsabschnitt 72b (siehe 18).
In Schritt 203 wird bestimmt, ob ein absoluter Wert des Unterschieds zwischen den in den Schritten 201 und 202 erfassten Abgasdrücken größer ist als ein vorgegebener Druckunterschied (Ps). Hier wird der absolute Wert des Druckunterschieds verwendet, so dass der Anstieg des Druckunterschieds auch dann erfasst werden kann, wenn entweder der erste Verbindungsabschnitt 72a oder der zweite Verbindungsabschnitt 72b sich auf der Abgasanströmseite befindet. Wenn das Ergebnis in Schritt 203 negativ ist, wird die Routine angehalten. Wenn dieses Ergebnis jedoch positiv ist, bleiben einige Partikel auf dem Partikelfilter zurück, so dass in Schritt 204 der Ventilkörper 71a umgeschaltet wird und somit die Anström- und die Abströmseite des Partikelfilters umgekehrt werden.
Somit werden, wie oben erwähnt, die zurückgebliebenen Partikel oxidiert und vom Partikelfilter beseitigt. Somit wird anhand des Druckunterschieds zwischen den beiden Seiten des Partikelfilters indirekt bestimmt, dass einige Partikel auf dem Partikelfilter zurückgeblieben sind, und somit kann zuverlässig verhindert werden, dass die Motorleistung durch die zusätzlich angelagerten Partikel zu stark sinkt. Natürlich kann auch anders als anhand des Druckunterschieds, beispielsweise durch Beobachten der Änderung des elektrischen Widerstands an einer bestimmten Trennwand des Partikelfilters, bestimmt werden, dass einige Partikel sich an dem Partikelfilter anlagern, wenn der elektrische Widerstand wegen der Anlagerung von Partikeln gleich oder kleiner einem vorgegebenen Wert wird. Übrigens kann anhand der Tatsache, dass die Lichtdurchlässigkeit oder -reflektivität auf einer bestimmten Trennwand des Partikelfilters einhergehend mit der Anlagerung von Partikeln darauf sinkt, bestimmt werden, dass einige Partikel sich am Partikelfilter anlagern. Falls auf diese Weise direkt bestimmt wird, dass die Partikel zurückbleiben und der Ventilkörper umgeschaltet wird, kann mit größerer Sicherheit verhindert werden, dass die Motorleistung stark sinkt. Genau gesagt ändert sich der Druckunterschied zwischen den beiden Seiten des Partikelfilters abhängig vom Druck des Abgases, das aus der Brennkammer ausgestoßen wird, bei jeder Motorbetriebsbedingung. Somit wird bei der Bestimmung der Ablagerung von Partikeln vorzugsweise der Motorbetriebszustand spezifiziert.
Somit ist das Umkehren der Anström- und Abströmseiten des Partikelfilters sehr wirksam, um die zurückgebliebenen und angelagerten Partikel zu oxidieren und zu beseitigen. Daher kann selbst dann, wenn der Ventilkörper manchmal umgeschaltet wird, ohne dass die Zeit bestimmt wird, vorteilhaft verhindert werden, dass die Motorleistung durch die eine Menge an angelagerten Partikel stark sinkt.
Wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis des Abgases auf einen Wert auf der fetten Seite gebracht wird, d.h. wenn die Sauerstoffkonzentration im Abgas abnimmt, wird aktiver Sauerstoff auf einmal vom aktiven Sauerstoff abgebenden Mittel 61 nach außen abgegeben. Daher werden die angelagerten Partikel zu Partikeln, die durch den aktiven Sauerstoff O, der auf einmal abgegeben wird, leicht oxidiert werden und somit können sie leicht oxidiert und beseitigt werden.
Wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis dagegen mager gehalten wird, wird die Oberfläche des Platins Pt mit Sauerstoff überzogen, d.h. es wird eine Sauerstoffvergiftung bewirkt. Wenn solch eine Sauerstoffvergiftung bewirkt wird, sinkt die NOx-Oxidationswirkung des Platins Pt, und somit sinkt die NOx-Absorptionsleistung. Daher nimmt die Menge an aktivem Sauerstoff, der vom aktiven Sauerstoff abgebenden Mittel 61 abgegeben wird, ab. Wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis jedoch auf einen Wert auf der fetten Seite gebracht wird, wird Sauerstoff auf der Oberfläche des Platins Pt verbraucht, und somit wird die Sauerstoffvergiftung aufgehoben. Wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis wieder von fett nach mager gewechselt wird, wird somit die NOx-Oxidationswirkung stark und somit steigt die Absorptionsleistung. Daher steigt die Menge an aktivem Sauerstoff, der vom aktiven Sauerstoff abgebenden Mittel 61 abgegeben wird.
Wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis mager gehalten wird, wird die Sauerstoffvergiftung des Platins Pt jedesmal aufgehoben, wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis hin und wieder von mager zu fett umgeschaltet wird, und somit steigt die Menge an abgegebenem aktivem Sauerstoff, wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis mager ist. Daher kann die Oxidationswirkung auf die Partikel auf dem Partikelfilter 70 gefördert werden.
Ferner bewirkt die Aufhebung der Sauerstoffvergiftung, dass das Reduktionsmittel verbrennt und somit erhöht dessen Verbrennungswärme die Temperatur des Partikelfilters. Daher steigt die Menge an Partikeln, die oxidiert und vom Partikelfilter entfernt werden können, und somit können die zurückgebliebenen und abgelagerten Partikel leichter oxidiert und beseitigt werden. Falls das Luft/Kraftstoffverhältnis im Abgas unmittelbar nach Umkehrung der Anström- und der Abströmseite des Partikelfilters durch den Ventilkörper 71a auf einen Wert auf der fetten Seite gebracht wird, gibt die andere Rückhaltefläche, auf der keine Partikel zurückbleiben, aktiven Sauerstoff leichter ab als die eine Rückhaltefläche. Somit kann die größere Menge an abgegebenem aktivem Sauerstoff die auf der einen Rückhaltefläche zurückgebliebenen Partikel leichter oxidieren und beseitigen. Natürlich kann das Luft/Kraftstoffverhältnis des Abgases unabhängig von der Umschaltung des Ventilkörpers 71a manchmal auf einen Wert auf der fetten Seite gebracht werden. Daher bleiben kaum Partikel auf dem Partikelfilter zurück oder lagern sich darauf an.
Um das Luft/Kraftstoffverhältnis des Abgases auf einen Wert auf der fetten Seite zu bringen, kann beispielsweise die oben genannte Niedertemperaturverbrennung durchgeführt werden. Natürlich können, wenn aus der normalen Verbrennung in die Niedertemperaturverbrennung gewechselt wird, oder davor die Abgasanströmseite und die Abgasabströmseite des Partikelfilters umgekehrt werden. Um das Luft/Kraftstoffverhältnis des Abgases auf einen Wert auf der fetten Seite zu bringen kann ferner das Verbrennungs-Luft/Kraftstoffverhältnis einfach auf einen Wert auf der fetten Seite gebracht werden. Zusätzlich zur Haupt-Kraftstoffeinspritzung im Kompressionshub kann die Kraftstoffeinspritzeinrichtung Kraftstoff im Auslasshub oder im Expansionshub in den Zylinder eingespritzen (Nach-Einspritzung) oder kann Kraftstoff im Einlasshub in den Zylinder einspritzen (Vor-Einspritzung). Natürlich kann auch kein Abstand zwischen der Nach-Einspritzung oder der Vor-Einspritzung und der Haupt-Einspritzung vorgesehen werden. Ferner kann Kraftstoff dem Abgassystem zugeführt werden.
28 zeigt ein drittes Ablaufschema für die Steuerung des Umschaltens des Ventilkörpers 71a. Das vorliegende Ablaufschema wird jeweils nach einer vorgegebenen Zeit durchgeführt. In Schritt 301 wird auf eine der genannten Arten bestimmt, ob die Zeit zum Umschalten des Ventilkörpers 71a gekommen ist. Wenn das Ergebnis negativ ist, wird die Routine angehalten. Wenn das Ergebnis jedoch positiv ist, wird in Schritt 302 anhand der Temperatur an den beiden Endabschnitten des Partikelfilters 70, die vom ersten Temperatursensor 44a und vom zweiten Temperatursensor 44b erfasst wird, bestimmt, ob die Temperatur (To) des Abgasausström-Endabschnitts gegenwärtig höher ist als die Temperatur (Ti) des Abgaseinström-Endabschnitts.
Wenn das Ergebnis positiv ist, wird der Ventilkörper 71a in Schritt 304 umgeschaltet. Wenn das Ergebnis in Schritt 302 jedoch negativ ist, wird bestimmt, ob eine Zeit (t), die ab der Zeit der Umschaltung des Ventilkörpers 71a vergangen ist, länger geworden ist als eine vorgegebene Zeit (t1). Wenn das Ergebnis positiv ist, kann eine große Partikelmenge sich auf der Rückhaltefläche des Partikelfilters anlagern, der derzeit an der Abgasanströmseite liegt, und somit geht diese Routine zu Schritt 304 über und der Ventilkörper 71a wird sofort umgeschaltet.
Wenn dagegen das Ergebnis in Schritt 303 negativ ist, kehrt die Routine zu Schritt 302 zurück. Somit werden die Bestimmungen in den Schritten 302 und 303 wiederholt, und wenn das Ergebnis in Schritt 302 positiv ist, wird der Ventilkörper 71a in Schritt 304 umgeschaltet.
In dem Fall, dass das Partikelfilter wie in der vorliegenden Ausführungsform einen Oxidationskatalysator, wie Platin oder dergleichen trägt, so dass es eine Oxidationsfunktion hat, kann ein im Abgas enthaltenes reduzierendes Material, wie HC, CO oder dergleichen, auf dem Partikelfilter verbrannt werden. Dessen Wärme erhöht die Temperatur des Partikelfilters, und somit kann die Partikelmenge, die oxidiert und davon entfernt wird, verbessert werden und die Temperatur der Partikel kann erhöht werden. Dies ist daher von Vorteil beim Oxidieren und Beseitigen der Partikel.
Übrigens strömt das Abgas von der abgasanströmseitigen Fläche zur abgasabströmseitigen Fläche der Trennwand durch die Poren der Trennwand des Partikelfilters und strömt auch entlang der abgasanströmseitigen und der abgasabströmseitigen Fläche. Somit wird die Wärme des Abgaseinströmabschnitts des Partikelfilters (des Abgaseinström-Endabschnitts jeder Trennwand) über den mittleren Abschnitt des Partikelfilters (den mittleren Abschnitt jeder Trennwand) zum Abgasausströmabschnitt des Partikelfilters (dem Abgasausström-Endabschnitt jeder Trennwand) übertragen und wird schließlich aus dem Partikelfilter ausgetragen.
In der Regel ist das Luft/Kraftstoffverhältnis des Abgases mager, und das Abgas schließt nur eine kleine Menge an Reduzierungsmaterial ein. Daher wird im Abgaseinströmabschnitt die schwache Verbrennungswärme durch das Abgas weggenommen, so dass die Temperatur dort kaum ansteigt. Andererseits wird im mittleren Abschnitt die Verbrennungswärme vom Abgas weggenommen, aber die Wärme, die vom Abgaseinströmabschnitt übertragen wird, erhöht die Temperatur dort auf über diejenige am Abgaseinströmabschnitt. Im Abgasausströmabschnitt erhöhen die Verbrennungswärme dort und die Wärme, die vom Abgaseinströmabschnitt und vom mittleren Abschnitt übertragen wird, die Temperatur an dieser Stelle auf über diejenige am mittleren Abschnitt.
Wenn die Temperaturen in den Abschnitten des Partikelfilters sich somit voneinander unterscheiden, werden Unterschiede im Aktivierungsgrad des Oxidationskatalysators in den Abschnitten bewirkt. Daher verbrennen die Reduzierungsmaterialien kaum im Abgaseinströmabschnitt und verbrennen hauptsächlich im Abgasausströmabschnitt, so dass die Temperaturen in den Abschnitten des Partikelfilters sich sehr voneinander unterscheiden, wie von der Punktelinie in 29 dargestellt.
Falls die Reduzierungsmaterialien hauptsächlich im Abgasausströmabschnitt verbrennen, wird die Wärme jedoch lediglich aus dem Partikelfilter ausgetragen, ohne die Temperatur des anderen Abschnitts des Partikelfilters zu erhöhen. Dies verbessert daher nicht die Partikelmenge, die oxidiert und vom Partikelfilter beseitigt werden kann.
Wenn im dritten Ablaufschema die Zeit zum Umschalten des Ventilkörpers 71a gekommen ist, ist die Temperatur am Abgasausströmabschnitt in der Regel höher als die Temperatur am Abgaseinströmabschnitt, wie oben beschrieben. Daher ist das Ergebnis in Schritt 302 positiv, und der Ventilkörper 71 wird umgeschaltet, so dass die zurückgebliebenen Partikel auf der Rückhaltefläche, die bis dahin die Abgasanströmseite war, nunmehr oxidiert und beseitigt werden, und das Zurückhalten der Partikel beginnt erneut an der Rückhaltefläche, die zur Abgasanströmseite geworden ist. Ferner war der Abgaseinströmabschnitt der Abgasausströmabschnitt, so dass dessen Temperatur relativ hoch ist. Daher werden die Reduzierungsmaterialien hauptsächlich im Abgaseinströmabschnitt verbrannt, so dass dessen Wärme zunimmt. Ein Teil der Wärme wird zum mittleren Abschnitt und zum Abgasausströmabschnitt übertragen, aber die Temperatur im Abgaseinströmabschnitt kann vorteilhaft erhöht werden.
Für einige Zeit wird daher die Temperatur im Abgaseinströmabschnitt relativ hoch gehalten, und das Reduktionsmaterial im Abgas kann darauf verbrannt werden. Wenn das Reduktionsmaterial hauptsächlich im Abgaseinströmabschnitt verbrennt, erhöht dessen Wärme nicht nur die Temperatur im Abgaseinströmabschnitt, sondern auch die Temperaturen des mittleren Abschnitts und des Abgaseinströmabschnitts durch die Wärme, die übertragen wird, bevor sie aus dem Partikelfilter abgegeben wird. Daher wird eine Temperaturverteilung verwirklicht wie in der durchgezogenen Linie von 29 dargestellt, und somit kann die Temperatur des Partikelfilters insgesamt erhöht werden. Somit können die Reduktionsmaterialien im Abgas wirksam genutzt werden, um die Partikelmenge, die oxidiert und entfernt werden kann, zu verbessern.
Im üblichen mageren Abgas ist die Menge der darin enthaltenen Reduktionsmaterialien gering, so dass der Zeitraum, in dem die Temperatur des Abgaseinströmabschnitts relativ hoch ist, nicht sehr lang ist. Somit nimmt die Temperatur des Abgaseinströmabschnitts allmählich ab, und schließlich wird die Temperaturverteilung wie von der gepunkteten Linie in 29 dargestellt, wie oben beschrieben. Falls das Luft/-Kraftstoffverhältnis des Abgases jedoch auf einen Wert auf der fetten Seite gebracht wird und somit eine relativ große Menge an Reduktionsmaterialien im Abgas enthalten ist, wird für diesen Zeitraum eine relativ große Wärmemenge im Abgaseinströmabschnitt erzeugt, und somit kann die Temperatur des Abgaseinströmabschnitts relativ hoch gehalten werden.
Während der Zeit zum Umschalten des Ventilkörpers 71a, wenn die Temperatur im Abgaseinströmabschnitt des Partikelfilters höher ist als die Temperatur des Abgasausströmabschnitts, können die Reduktionsmaterialien im Abgas nicht wirksam genutzt werden, um die Temperatur des Partikelfilters zu erhöhen, falls der Abgaseinströmabschnitt und der Abgasausströmabschnitt sofort gewechselt werden. Somit ist es nicht bevorzugt, den Abgaseinströmabschnitt und den Abgasausströmabschnitt sofort zu wechseln, und somit wird der Ventilkörper 71a in Schritt 303 des dritten Ablaufschemas nicht gewechselt, bevor die Zeit (t) seit der Zeit, zu der der Ventilkörper umgeschaltet wurde, zur vorgegebenen Zeit (t1) geworden ist.
Im dritten Ablaufschema wird, wenn die Zeit zum Umschalten des Ventilkörpers aufgrund der vom Fahrzeug zurückgelegten Strecke oder dergleichen gekommen ist, anhand eines Vergleichs der Temperaturen des Abgaseinströmabschnitts und des Abgasausströmabschnitts bestimmt, ob der Ventilkörper tatsächlich umgeschaltet wird. Selbst wenn der Ventilkörper zu beliebigen Zeiten umgeschaltet wird, ist dies jedoch ebenfalls wirksam. Somit kann der Ventilkörper natürlich einfach umgeschaltet werden, wenn die Temperatur des Abgasausströmabschnitts höher wird als die Temperatur des Abgaseinströmabschnitts.
Wie in einem vierten, in 30 dargestellten Ablaufschema dargestellt, wird, wenn die Temperatur (To) des Abgasausströmabschnitts des Partikelfilters höher ist als die Temperatur (Ti) des Abgaseinströmabschnitts (Schritt 401), bestimmt, ob der Motor gerade verzögert wird (Schritt 402), und falls bestimmt wird, dass der Motor gerade verzögert wird, kann der Ventilkörper umgeschaltet werden (Schritt 403). Die Bestimmung der Motorverzögerung kann genutzt werden, um ein Kraftstoffunterbrechungssignal zu erfassen, um einen Niederdrücken des Bremspedals zu erfassen, während das Fahrzeug fährt, oder um ein Loslassen des Gaspedals zu erfassen, während das Fahrzeug fährt.
Im Aufbau des Umschaltabschnitts 71 der Vorrichtung zum Reinigen des Abgases umgeht ein Teil des Abgases das Partikelfilter, während der Hauptkörper 71a aus einer der Schließstellungen in die andere der beiden Schließstellungen geschaltet wird. Während einer Motorverzögerung wird eine Kraftstoffunterbrechung durchgeführt oder die eingespritzte Kraftstoffmenge ist sehr klein, so dass das Abgas fast keine Partikel enthält. Wenn der Ventilkörper zu dieser Zeit umgeschaltet wird, umgeht ein Teil des Abgases das Partikelfilter, aber es werden keine Partikel an die Atmosphäre abgegeben. Wenn der Ventilkörper zu dieser Zeit umgeschaltet wird, umgeht daher ein Teil des Abgases das Partikelfilter, aber es werden keine Partikel in die Atmosphäre abgegeben. Bei einer Motorverzögerung wird ferner eine Kraftstoffunterbrechung durchgeführt oder die eingespritzte Kraftstoffmenge ist sehr klein, so dass die Temperatur des Abgases sehr niedrig wird. Falls der Ventilkörper zu dieser Zeit umgeschaltet wird, umgeht daher ein Teil des Abgases das Partikelfilter und dies kann verhindern, dass die Temperatur des Partikelfilters sinkt, d.h. dass die Menge der Partikel, die oxidiert und beseitigt werden, abnimmt.
Das Umschalten des Ventilkörpers 71a ist auch dann wirksam, wenn es zu einer beliebigen Zeit durchgeführt wird. Somit kann wie im Ablaufschema von 32 das Umschalten des Ventilkörpers einfach bei einer solchen Motorverzögerung wie einer Kraftstoffunterbrechung durchgeführt werden.
In den dritten und vierten Ablaufschematas werden die Temperaturen des Abgaseinströmabschnitts und des Abgasausströmabschnitts des Partikelfilters aktuell erfasst. Die Temperaturen des Abgaseinströmabschnitts und des Abgasausströmabschnitts des Partikelfilters können jedoch natürlich auch aufgrund der Temperatur des Abgases, der Menge an Reduktionsmaterial im Abgas und dergleichen, die sich mit dem Motorbetriebszustand ändern, geschätzt werden. Übrigens kann auch einfach geschätzt werden, welche Temperatur die höhere ist.
Wenn SO₃ vorhanden ist, bildet Calcium Ca im Abgas übrigens Calciumsulfat CaSO₄. Calciumsulfat CaSO₄ wird kaum oxidiert und entfernt, und bleibt somit als Asche auf dem Partikelfilter zurück. Um ein Blockieren der Poren des Partikelfilters, das durch das zurückgebliebene Calciumsulfat CaSO₄ bewirkt wird, zu verhindern, wird vorzugsweise ein Alkalimetall oder ein Erdalkalimetall mit einer Ionisationstendenz, die stärker ist als die von Calcium Ca, wie Kalium K, als aktiven Sauerstoff abgebendes Mittel 61 verwendet. Daher verbindet sich SO₃, das in das aktiven Sauerstoff abgebende Mittel 61 diffundiert ist, mit Kalium K, um Kaliumsulfat K₂SO₄ zu bilden, und somit verbindet sich Calcium Ca nicht mit SO₃, sondern passiert die Trennwand des Partikelfilters. Somit werden die Poren des Partikelfilters nicht von der Asche blockiert. Somit wird vorzugsweise ein Alkalimetall oder ein Erdalkalimetall mit einer Ionisationstendenz, die stärker ist als Calcium Ca, wie Kalium K, Lithium Li, Cäsium Cs, Rubidium Rb, Barium Ba oder Strontium Sr, als aktiven Sauerstoff abgebendes Mittel 61 verwendet.
Selbst wenn nur ein Edelmetall, wie Platin Pt, auf dem Partikelfilter als aktiven Sauerstoff abgebendes Mittel getragen wird, kann aktiver Sauerstoff vom NO₂ oder SO₃, das an der Oberfläche des Platins Pt gehalten wird, abgegeben werden. In diesem Fall ist jedoch eine Kurve, die die Partikelmenge darstellt, die oxidiert und beseitigt werden kann (G), im Vergleich mit der durchgezogenen Kurve, die in 23 dargestellt ist, leicht nach rechts verschoben. Ferner kann Ceroxid als aktiven Sauerstoff abgebendes Mittel verwendet werden. Ceroxid absorbiert Sauerstoff, wenn die Sauerstoffkonzentration hoch ist (Ce₂O₃ → 2CeO₂) und gibt aktiven Sauerstoff ab, wenn die Sauerstoffkonzentration abnimmt (2CeO₂ → Ce₂O₃). Um die Partikel zu oxidieren und zu beseitigen, muss daher das Luft/Kraftstoffverhältnis des Abgases in regelmäßigen Abständen oder in unregelmäßigen Abständen auf einen Wert auf der fetten Seite gebracht werden. Anstelle von Ceroxid können Eisen Fe oder Zinn Sn als aktiven Sauerstoff abgebendes Mittel verwendet werden.
Als aktiven Sauerstoff abgebendes Mittel kann ferner ein NOx-Absorptionsmittel zum Entfernen von NOx verwendet werden. In diesem Fall muss das Luft/Kraftstoffverhältnis des Abgases zumindest teilweise auf einen Wert auf der fetten Seite gebracht werden, um das absorbierte NOx und SOx abzugeben und zu reduzieren. Vorzugsweise wird das Luft/Kraftstoffverhältnis auf einen Wert auf der fetten Seite gebracht, nachdem die Gasanströmseite und die Gasabströmseite des Partikelfilters umgekehrt wurde.
In der vorliegenden Ausführungsform trägt das Partikelfilters selbst das aktiven Sauerstoff abgebende Mittel und aktiver Sauerstoff, der vom aktiven Sauerstoff abgebendes Mittel abgegeben wird, oxidiert und beseitigt die Partikel. Dies begrenzt die vorliegende Erfindung jedoch nicht. Beispielsweise kann ein Partikeloxidationsmaterial, wie aktiver Sauerstoff und NO₂, das genau wie aktiver Sauerstoff wirkt, von einem Partikelfilter oder einem darauf getragenen Material abgegeben werden oder kann von der Außenseite her in ein Partikelfilter strömen. In dem Fall, dass das Partikeloxidationsmaterial von der Außenseite her in das Partikelfilter strömt, lagern sich auf einer Rückhaltefläche, die dann die Abgasabströmseite ist, keine Partikel erneut an den zurückgebliebenen Partikeln an, falls die erste Rückhaltefläche und die zweite Rück haltefläche der Trennwand abwechselnd verwendet werden, um die Partikel zurückzuhalten, und die zurückgebliebenen Partikel können von dem Partikeloxidationsmaterial, das von der anderen Rückhaltefläche strömt, allmählich oxidiert und beseitigt werden, und somit werden die zurückgebliebenen Partikel nach einer gewissen Zeit vollständig entfernt. Während dieses Zeitraums kann die andere Rückhaltefläche die Partikel zurückhalten, und die zurückgehaltenen Partikel werden durch das Partikeloxidationsmaterial auf der anderen Rückhaltefläche oxidiert und beseitigt. Somit können Wirkungen erhalten werden, die den oben genannten gleich sind. Natürlich steigt in diesem Fall, falls die Temperatur des Partikelfilters steigt, die Temperatur der Partikel, und somit ist ihre Oxidation und Beseitigung leicht.
Der Dieselmotor der vorliegenden Erfindung kann zwischen einer Niedertemperaturverbrennung und einer normalen Verbrennung umgeschaltet werden. Dies beschränkt die vorliegende Erfindung nicht. Natürlich kann die vorliegende Erfindung auf einen Dieselmotor angewendet werden, der nur die normale Verbrennung durchführt, oder auf einen Ottomotor, der Partikel ausstößt.
Gemäß der Vorrichtung zur Abgasreinigung der vorliegenden Erfindung weist die Vorrichtung einen Partikelfilter auf, der im Abgassystem angeordnet ist, und ein Umkehrmittel zum Umkehren der Abgasanströmseite und der Abgasabströmseite des Partikelfilters. Die zurückgehaltenen Partikel werden auf dem Partikelfilter oxidiert, das Partikelfilter weist eine Rückhaltewand zum Zurückhalten der Partikelfilter auf, die Rückhaltewand weist eine erste Rückhaltefläche und eine zweite Rückhaltefläche auf, und das Umkehrmittel kehrt die Abgasabströmseite und die Abgasabströmseite des Partikelfilters um, so dass die erste Rückhaltefläche und die zweite Rückhaltefläche abwechselnd verwendet werden, um die Partikel zurückzuhalten. Einige Partikel können wegen der ungenügenden Oxidation auf dem Partikelfilter abhängig vom Motorbetriebszustand auf einer Rückhaltefläche der Rückhaltewand des Partikelfilters zurückbleiben. Die Abgasanströmseite und die Abgasabströmseite des Partikelfilters werden jedoch durch das Umkehrmittel umgekehrt, so dass keine Partikel sich erneut auf den zurückgebliebenen Partikeln auf dieser Rückhaltefläche anlagern, und somit können die zurückgebliebenen Partikel allmählich oxidiert und beseitigt werden. Gleichzeitig beginnt die andere Rückhaltefläche der Rückhaltewand damit, die Partikel zurückzuhalten. Somit kann, falls die erste Rückhaltefläche und die zweite Rückhaltefläche abwechselnd verwendet werden, um die Partikel zurückzuhalten, die Partikelmenge, die auf den einzelnen Rückhalteflächen eingefangen wird, kleiner werden als diejenige in dem Fall, dass immer die gleiche Rückhaltefläche die Partikel einfängt. Dies ist ein Vorteil beim Oxidieren und Beseitigen der Partikel, und somit lagern sich keine Partikel am Partikelfilter an, so dass ein Blockieren der Poren des Partikelfilters verhindert werden kann.

6: KRAFTSTOFFEINSPRITZEINRICHTUNG
16: DROSSELKLAPPE
70: PARTIKELFILTER
71: WECHSELABSCHNITT
71a: VENTILKÖRPER

Claims

Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors (1), welcher einen im Abgassystem angeordneten Partikelfilter (70) und ein Umkehrmittel (71) zum Umkehren der Stromaufwärtsseite des Abgases und der Stromabwärtsseite des Abgases des Partikelfilters (70) umfaßt, wobei der Partikelfilter (70) eine Scheidewand (54) aufweist, um die Partikel abzufangen, wobei die Scheidewand eine erste Abfangfläche und eine zweite Abfangfläche aufweist, und das Umkehrmittel (71) die Stromaufwärtsseite des Abgases und die Stromabwärtsseite des Abgases des Partikelfilters (70) umkehrt, so da die erste Abfangfläche und die zweite Abfangfläche abwechselnd verwendet werden, um die Partikel (62) abzufangen, dadurch gekennzeichnet, daß die abgefangenen Partikel (62) auf dem Partikelfilter (70) oxidiert werden, und daß die Abfangwand (54) ein aktiven Sauerstoff freisetzendes Mittel (60) aufweist, und daß Sauerstoff, der von dem aktiven Sauerstoff freisetzenden Mittel freigesetzt wird, die Partikel (62) oxidiert.
Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors (1) nach Anspruch 1, wobei das aktiven Sauerstoff abgebende Mittel (61) Sauerstoff aufnimmt und festhält, wenn überschüssiger Sauerstoff in der Umgebung vorliegt, und den festgehaltenen Sauerstoff als aktiven Sauerstoff abgibt, wenn die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung fällt.
Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors (1) nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei das Umkehrmittel (71) die Stromaufwärtsseite des Abgases und die Stromabwärtsseite des Abgases des Partikelfilters (70) jeweils nach vorgegebenen Zeiten oder nach vorgegebenen Fahrstrecken umkehrt.
Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors (1) nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei das Umkehrmittel (71) die Stromaufwärtsseite des Abgases und die Stromabwärtsseite des Abgases des Partikelfilters (70) umkehrt, wenn der Unterschied zwischen dem Druck an der Stromaufwärtsseite des Abgases und dem Druck an der Stromabwärtsseite des Abgases des Partikelfilters (70) einen vorgegebenen Differentialdruck erreicht oder übersteigt.
Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors (1) nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei das Umkehrmittel (74) die Stromaufwärtsseite des Abgases und die Stromabwärtsseite des Abgases des Partikelfilters (70) umkehrt, wenn die Menge der Partikel (62), die sich auf dem Partikelfilter (70) abgelagert haben, eine vorgegebene Menge an Partikelablagerungen erreicht oder übersteigt.
Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors (1) nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei hin und wieder ein Abfall der Sauerstoffkonzentration im Abgas bewirkt wird.
Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors (1) nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei der Partikelfilter (70) eine Oxidationsfunktion aufweist und das Umkehrmittel (70) die Stromaufwärtsseite des Abgases und die Stromabwärtsseite des Abgases des Partikelfilters (70) umkehrt, wenn die Temperatur des Abgas-Abströmabschnitts (51) des Partikelfilters (70) höher ist als die Temperatur des Abgas-Einströmabschnitts (50) des Partikelfilters (70).
Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors (1) nach Anspruch 7, wobei selbst dann, wenn der Zeitpunkt zum Umkehren der Stromaufwärtsseite des Abgases und der Stromabwärtsseite des Abgases des Partikelfilters (70) gekommen ist, das Umkehren verzögert wird, bis die Temperatur des Abgas-Abströmabschnitts (51) des Partikelfilters (70) höher wird als die Temperatur des Abgas-Einströmfilters (50) des Partikelfilters (70).
Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors (1) nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei der Partikelfilter (70) eine Oxidations funktion aufweist und das Umkehrmittel (71) die Stromaufwärtsseite des Abgases und die Stromabwärtsseite des Abgases des Partikelfilters (70) umkehrt, wenn während der Verlangsamung des Fahrzeugs die Temperatur des Abgas-Ausströmabschnitts (51) des Partikelfilters (70) über der Temperatur des Abgas-Einströmabschnitts (50) des Partikelfilters (70) liegt.
Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das aktiven Sauerstoff freisetzende Mittel (61) NOx festhält, um das NOx mit Sauerstoff zu kombinieren, wenn überschüssiger Sauerstoff in der Umgebung vorliegt, und die Kombination aus NOx und Sauerstoff in NOx und aktiven Sauerstoff umwandelt, wenn die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung fällt.