DE60115479T2

DE60115479T2 - Filter und verfahren zur kontrolle der abgasemissionen

Info

Publication number: DE60115479T2
Application number: DE60115479T
Authority: DE
Inventors: Zenichiro Kato; Hiromichi Yanagihara; Toshihisa Sugiyama; Yoshimitsu Henda; Kazuhiko Shiratani; Rentaro Kuroki
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-09-20
Filing date: 2001-09-18
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2021-09-19
Also published as: KR20020049009A; WO2002025072A1; EP1319811A1; US6945036B2; EP1319811B1; EP1319811A4; KR100498522B1; CN1392919A; JPWO2002025072A1; CN1195939C; ES2253419T3; DE60115479D1; US20020162325A1

Description

Technischer Bereich
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Technik zum Regulieren und Verringern von Kohlenstoff enthaltenden Partikeln, die in Abgasen von einer Brennkraftmaschine enthalten sind.
Zugehöriger Stand der Technik
Das Abgas von Dieselverbrennungsmotoren weist Kohlenstoff enthaltende Partikel, wie schwarzen Rauch (Ruß) auf, und es gibt einen großen Bedarf, die Gesamtemission der Kohlenstoff enthaltenden Partikel zu verringern, um eine weitergehende Luftverschmutzung zu verhindern. Es gibt einen ähnlichen Bedarf an Direkteinspritz-Benzinverbrennungsmotoren, bei denen Benzin direkt in eine Brennkammer eingespritzt wird, da die Kohlenstoff enthaltenden Partikel mit dem Abgas unter einigen Fahrbedingungen ausgestoßen werden können.
Eine vorgeschlagene Technik zum merklichen Verringern der Kohlenstoff enthaltenden Partikel in der Emission von einer Brennkraftmaschine ordnet einen hitzebeständigen Filter in einer Abgasleitung der Brennkraftmaschine an und verwendet den Filter, um die Kohlenstoff enthaltenden Partikel zu sammeln, die in dem Abgas enthalten sind.
Die Partikel bestehen hauptsächlich aus Kohlenstoff, aber sollten hohen Temperaturen von nicht weniger als 550°C in dem Abgas, das Sauerstoff enthält, für ihre Verbrennung ausgesetzt werden. Solange die Brennkraftmaschine, wie z.B. der Dieselverbrennungsmotor oder der Direkteinspritz-Benzinverbrennungsmotor, unter gewöhnlichen Bedingungen angetrieben wird, übersteigt die Temperatur des Abgases, das in den Filter strömt, kaum die Temperatur von 550°C. Es ist demgemäss erforderlich, die gesammelten Partikel durch eine Technik zu verarbeiten. Anderenfalls wird der Filter verstopft, so dass verschiedenartige Probleme verursacht werden, beispielsweise eine Verringerung der Abgabe der Brennkraftmaschine.
Eine Vielzahl von Techniken wurde vorgeschlagen, um die Kohlenstoff enthaltenden Partikel zu verarbeiten, die durch den Filter gesammelt werden. Eine einfache Technik bildet einen Edelmetallkatalysator, wie z.B. Platin, der an dem Filter geträgert ist, und verwendet die katalytische Wirkung für eine Verbrennung der gesammelten Partikel in dem Abgas bei einer relativ niedrigen Temperatur (siehe japanische Offenlegungsschrift JP 60-235620). Eine weitere vorgeschlagene Technik hebt beabsichtigt die Temperatur des Abgases für eine Verbrennung der gesammelten Kohlenstoff enthaltenden Partikel an dem Filter an (siehe japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2000-161044). Es gibt eine Vielzahl von Verfahren, die zum Anheben der Temperatur des Abgases anwendbar sind. Ein anwendbares Verfahren, das Einlassverringerungstechnik genannt wird, setzt ein Ein-Aus-Ventil in eine Einlassleitung der Brennkraftmaschine und verengt die Öffnung des Ventils, um die Temperatur des Abgases zu erhöhen. Ein weiteres anwendbares Verfahren verzögert die Einspritzzeitabstimmung des Kraftstoffs von einer geeigneten Zeitabstimmung, um die Temperatur des Abgases zu erhöhen.
Diese Techniken nach dem Stand der Technik haben jedoch einige Nachteile, die nachstehend diskutiert werden. Der Katalysator, der sich in Verwendung befindet, verschlechtert seine Leistungsfähigkeit auf natürliche Weise. Die Langzeitanwendung des Katalysators macht es somit schwierig, die gesammelten, Kohlenstoff enthaltenden Partikel vollständig zu verarbeiten und führt letztendlich zur Verstopfung des Filters. Eine Vergrößerung der Beladung des Edelmetalls an dem Filter verhindert sicherlich die beträchtliche Verschlechterung des Katalysators, aber es ist nicht wünschenswert, die Beladung des wertvollen Edelmetalls zu erhöhen.
Die Technik zum absichtlichen Anheben der Temperatur des Abgases verursacht, dass die chemische Energie des Kraftstoffs nicht in die Abgabe der Brennkraftmaschine umgewandelt wird, sondern dass sie als Wärme abgeführt wird. Das senkt unerwünscht die Abgabe der Brennkraftmaschine oder die Kraftstoffverbrauchsrate.
Ferner zeigt das Dokument EP 0 806 553 A2 ein Verfahren zum Reinigen eines Abgases von Dieselverbrennungsmotoren, wobei ein Rußfilter stromabwärts eines Katalysators angeordnet ist. Der Katalysator erhöht die Zündtemperatur des Rußes in dem Abgas, so dass Kraftstoff zum Verringern der Zündtemperatur des Rußes unterhalb der Abgastemperatur bei dem Rußfilter hinzugegeben wird, um den Ruß zu verbrennen.
Darüber hinaus zeigt das Dokument EP 0 798 452 A1 einen Partikelabscheider oder Emissionsfilter zur Verwendung bei einem Dieselverbrennungsmotor. Der Partikelabscheider besteht aus Vlies aus einer hitzebeständigen Metallfaser. Der Partikelabscheider kann durch eine elektrische Heizeinrichtung oder einen Leichtölbrenner regeneriert werden, was zusätzliche Energie und Ausstattung erfordert.
Zusammenfassung der Erfindung
Demgemäß ist es die Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Emissionsfilter und ein verbessertes Emissionssteuerverfahren zu schaffen, das zu einer Selbstregeneration des Emissionsfilters fähig ist.
Die Aufgabe wird durch die Kombination der Merkmale von Anspruch 1 oder Anspruch 22 gelöst. Weitere vorteilhafte Entwicklungen sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Zumindest ein Teil des vorstehend Genannten wird durch einen Emissionsfilter der vorliegenden Erfindung zum Regulieren und Verringern von Kohlenstoff enthaltenden Partikeln, erzielt, die in einem Abgas von einer Brennkraftmaschine enthalten sind. Der Emissionsfilter hat ein hitzebeständiges Filtermedium, das Kohlenwasserstoffbestandteile und die Kohlenstoff enthaltenden Partikel, die in dem Abgas enthalten sind, verteilt sammelt, um die jeweiligen Partikel und Kohlenstoffbestandteile in Kontakt mit Sauerstoff zu bringen, der in dem Abgas enthalten ist, und um dadurch die gesammelten Kohlenwasserstoffbestandteile und die gesammelten Kohlenstoff enthaltenden Partikel einer Verbrennung mit dem Abgas auszusetzen, das eine Filtereinströmungstemperatur hat, die niedriger als eine brennfähige Temperatur der Kohlenstoff enthaltenden Partikel ist.
Es gibt ein Emissionssteuerverfahren entsprechend dem vorstehend diskutierten Emissionsfilter.
Die vorliegende Erfindung ist demgemäss auf ein Emissionssteuerverfahren gerichtet, das Kohlenstoff enthaltende Partikel, die in einem Abgas einer Brennkraftmaschine enthalten sind, reguliert und verringert. Das Emissionssteuerverfahren weist die folgenden Schritte auf: Einsetzen eines hitzebeständigen Filtermediums, um Kohlenwasserstoffbestandteile und die Kohlenstoff enthaltenden Partikel, die in dem Abgas enthalten sind, verteilt zu sammeln, um die jeweiligen Partikel und Kohlenwasserstoffbestandteile in Kontakt mit Sauerstoff zu bringen, der in dem Abgas enthalten ist; und Veranlassen, dass die gesammelten Kohlenwasserstoffbestandteile und die gesammelten Kohlenstoff enthaltenden Partikel einer Verbrennung ausgesetzt werden, wobei das Abgas eine Filtereinströmungstemperatur hat, die niedriger als eine brennfähige Temperatur der Kohlenstoff enthaltenden Partikel ist, um die Kohlenstoff enthaltenden Partikel zu regulieren und zu verringern.
Bei dem Emissionsfilter und dem entsprechenden Emissionssteuerverfahren der vorliegenden Erfindung werden die Kohlenstoff enthaltenden Partikel, die in dem Abgas von der Brennkraftmaschine enthalten sind, durch das hitzebeständige Filtermedium gemeinsam mit den Kohlenwasserstoffbestandteilen in dem Abgas gesammelt. Die Kohlenstoff enthaltenden Partikel repräsentieren jegliche Partikel, die Kohlenstoff enthalten, wie z.B. Ruß. Die Kohlenwasserstoffbestandteile sind unverbrannte organische Bestandteile, die dem Kraftstoff oder dem Schmieröl zuzuschreiben sind. die Kohlenstoff enthaltenden Partikel und die Kohlenwasserstoffbestandteile werden verteilt in dem Filtermedium gesammelt. Ein großer Teil der gesammelten Partikel und der Kohlenwasserstoffbestandteile wird in einem spezifischen Zustand gehalten, der die jeweiligen Partikel und Kohlenwasserstoffbestandteile in Kontakt mit Sauerstoff bringt, der in dem Abgas enthalten ist. Auch wenn die Temperatur des Abgases, das in den Filter einströmt, niedriger als die brennfähige Temperatur der Kohlenstoff enthaltenden Partikel ist, schreitet eine sanfte exotherme Reaktion zwischen den gesammelten Kohlenwasserstoffbestandteilen und dem Sauerstoff voran. Das führt letztendlich zu der Verbrennung der gesammelten Kohlenwasserstoffbestandteile und der gesammelten Kohlenstoff enthaltenden Partikel. Diese Technik verringert somit sicher und einfach die Kohlenstoff enthaltenden Partikel, die in dem Abgas enthalten sind, über eine lange Zeitdauer.
Die vorliegende Erfindung wurde auf der Grundlage der Entdeckung von einzigartigen Phänomenen vervollständigt. Zum deutlichen Erklären der Funktionen und der Wirkungen der vorliegenden Erfindung werden die einzigartigen Phänomene, die durch die Erfinder aufgefunden wurden, kurz diskutiert.
27 zeigt konzeptartig die einzigartigen Phänomene, die durch die Erfinder aufgefunden wurden. 27(a) stellt konzeptartig eine experimentelle Vorrichtung dar, wobei ein Filter E in einer Abgasleitung einer Brennkraftmaschine A (typischerweise ein Dieselverbrennungsmotor) angeordnet ist. Die Brennkraftmaschine A nimmt Luft von einer Einlassleitung B auf, setzt einen Kraftstoff einer Verbrennung innerhalb einer Verbrennungskammer C aus und stößt das Abgas durch eine Abgasleitung D aus. Das Abgas weist Kohlenstoff enthaltende Partikel, wie Ruß und Kohlenwasserstoffbestandteile auf, die durch den Filter E gesammelt werden, der in der Abgasleitung D angeordnet ist. Der Filter E ist in der Lage, die Kohlenstoff enthaltenden Partikel und die Kohlenwasserstoffbestandteile verteilt zu sammeln, wie später genau diskutiert wird. Messbare Faktoren sind eine Temperatur Tg des Abgases, das in den Filter E einströmt, eine Temperatur Tf des Filters E und ein Differenzialdruck ΔP vor und nach dem Filter E.
Die Grafik von 27(b) zeigt Veränderungen des Differenzialdrucks ΔP vor und nach dem Filter, der Temperatur Tg des Abgases stromabwärts von dem Filter und der Filtertemperatur Tf, wenn ein neuer Ersatz des Filters E in die Abgasleitung D gesetzt wird und die Brennkraftmaschine A mit feststehenden Bedingungen angetrieben wird. Als Reaktion auf einen Start des Betriebs der Brennkraftmaschine A steigen die Temperatur Tg des Abgases und die Filtertemperatur Tf unmittelbar von Raumtemperatur zu einer stationären Temperatur an. In dem Ist-Zustand ist die Filtertemperatur Tf höher als die Temperatur Tg des Abgases. Eines der einzigartigen Phänomene, die durch die Erfinder aufgefunden wurden, ist es, dass die Filtertemperatur Tf höher als die Temperatur Tg des Abgases wird, wenn das Abgas durch den Filter tritt. Dieses Phänomen wird später genau diskutiert. Zur Vereinfachung der Erklärung wird hier angenommen, dass es keine signifikante Differenz zwischen der Filtertemperatur Tf und der Temperatur Tg des Abgases gibt. Die stationäre Temperatur, die die Temperatur Tg des Abgases und die Filtertemperatur Tf nach dem Start des Betriebs der Brennkraftmaschine A erreichen, wird durch die Antriebsbedingungen der Brennkraftmaschine A und eine Vielzahl von anderen Faktoren beeinflusst. Die stationäre Temperatur liegt typischerweise in einem Bereich von 250°C bis 350°C.
Der Differenzialdruck vor und nach dem Filter erhöht sich allmählich, auch nachdem die Temperatur den stationären Zustand erreicht, aber wird bald ein Plateau und wird im Wesentlichen stabilisiert, wie in 27(b) gezeigt ist. Der Wert des stabilisierten Differenzialdrucks wird hauptsächlich durch die Auslegungsabmessungen des Filters verändert, aber ist typischerweise das Drei- bis Vierfache des Anfangsdifferenzialdrucks. Zur Annehmlichkeit der Erklärung wird die Dauer von dem Start des Betriebs der Brennkraftmaschine bis zu der Stabilisierung des Differenzialdrucks vor und nach dem Filter "erste Dauer" genannt.
Wenn die Brennkraftmaschine nach der Stabilisierung des Differenzialdrucks vor und nach dem Filter fortgesetzt arbeitet, beginnt die Filtertemperatur Tf mit einem sanften Anstieg, wohingegen die Temperatur Tg des Abgases, das in den Filter einströmt, nicht signifikant verändert wird. Mit der Fortsetzung des Betriebs der Brennkraftmaschine vergrößert sich die Abweichung der Filtertemperatur Tf von der Temperatur Tg des Abgases allmählich. Die Filtertemperatur Tf erreicht letztendlich ungefähr 550°C. Der Differenzialdruck ΔP vor und nach dem Filter neigt dazu, geringfügig anzusteigen aufgrund der Sammlung der Kohlenstoff enthaltenden Partikel, wie Ruß, und der Kohlenwasserstoffbestandteile durch den Filter E, obwohl das Niveau des Anstiegs unbedeutend sein kann.
Wenn die Filtertemperatur Tf auf 550°C ansteigt, beginnen der Ruß und die anderen Partikel, die durch den Filter E gesammelt werden, die Verbrennung. Die Filtertemperatur Tf übersteigt einmal 550°C, aber sie wird bald auf eine Temperatur in der Nähe der Temperatur Tg des Abgases abgesenkt. Das legt nahe, dass die Verbrennung von Ruß in einem relativ kurzen Zeitraum beendet sein sollte. In dem Fall, dass die Vergrößerung des Differenzialdrucks ΔP vor und nach dem Filter aufgrund des Sammelns von Ruß und den anderen Partikeln in dem Abgas erfasst werden kann, kann ebenso eine Verringerung des Differenzialdrucks ΔP aufgrund der Verbrennung des Rußes und der anderen Partikel, die durch den Filter E gesammelt werden, ebenso erfasst werden. Zur Annehmlichkeit der Erklärung wird die Dauer nachfolgend auf die erste Dauer, wenn die Filtertemperatur Tf sich allmählich von der Temperatur Tg des Abgases entfernt und erneut auf die Temperatur Tg des Abgases abfällt, die "zweite Dauer" genannt. Die erste Dauer ist nennenswert kürzer als die zweite Dauer. Zur Klarheit der Darstellung ist die erste Dauer, die in 27 dargestellt ist, länger als die tatsächliche Länge relativ zu der zweiten Dauer.
Die Filtertemperatur Tf wird auf die Temperatur Tg des Abgases bei der Beendigung der Verbrennung des Rußes und der anderen Partikel abgesenkt, die durch den Filter E gesammelt werden, aber steigt erneut auf 550°C an, um die Verbrennung des gesammelten Rußes zu starten. Der Filter E wird nämlich in einem Zustand der zweiten Dauer gehalten, um das Sammeln und die Verbrennung des Rußes und der anderen Partikel zu wiederholen, die in dem Abgas enthalten sind.
Die Grafik von 27(c) zeigt Veränderungen der Filtertemperatur Tf und des Differenzialdrucks ΔP vor und nach dem Filter, wenn die Antriebsbedingungen der Brennkraftmaschine A von den Bedingungen von 27(b) geändert werden, um die Temperatur des Abgases, das in den Filter E einströmt, geringfügig anzuheben (typischerweise um ungefähr 50°C). Ähnliche Ergebnisse werden erhalten, wenn die Antriebsbedingungen von den Bedingungen von 27(b) geändert werden, um die Dichte des Rußes oder die Dichte der Kohlenwasserstoffbestandteile anstelle der Temperatur des Abgases geringfügig anzuheben.
Wie in 27(c) gezeigt ist, entfernt sich in dem Fall der geringfügig höheren Temperatur des Abgases, das in den Filter E strömt, die Filtertemperatur Tf ebenso allmählich von der Temperatur Tg des Abgases in der zweiten Dauer und erreicht letztendlich 550°C, um die Verbrennung des gesammelten Rußes zu beginnen. Unter den Bedingungen von 27(c) erreicht, da die Temperatur Tg des Abgases, das in den Filter E einströmt, geringfügig höher als diejenige unter den Bedingungen von 27(b) ist, die Filtertemperatur Tf 550°C in einer kürzeren Zeitdauer. Die Verbrennung des gesammelten Rußes wird in einer relativ kurzen Zeit beendet und die Filtertemperatur Tf beginnt sich unter den Bedingungen von 27(c) zu verringern. Anders als in dem Fall von 27(b) wird jedoch die sich verringernde Filtertemperatur Tf ein Plateau bei einer Temperatur, die höher als die Temperatur Tg des Abgases ist. Die Dauer nachfolgend auf die zweite Dauer, wenn die Filtertemperatur Tf ein Plateau bei der Temperatur wird, die höher als die Temperatur Tg des Abgases ist, wird "dritte Dauer" genannt. Es wird überlegt, dass die Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur Tg des Abgases und der Filtertemperatur Tf in der dritten Dauer von den Antriebsbedingungen der Brennkraftmaschine A abhängt. Das Phänomen, das in der dritten Dauer auftritt, wurde noch nicht aufgeklärt, aber es wird erwartet, dass das Sammeln und die Verbrennung des Rußes und der anderen Partikel und Verbrennung örtlich wiederholt wird oder dass das Sammeln und die Verbrennung gleichzeitig an einem identischen Ort voranschreiten. Ebenfalls wird der Differenzialdruck ⧠P vor und nach dem Filter auf einem im Wesentlichen konstanten Wert in der dritten Dauer gehalten, wie in 27(c) gezeigt ist.
Wie vorstehend beschrieben ist, haben die Erfinder der vorliegenden Anmeldung das Phänomen aufgefunden, dass das verteilte Sammeln der Kohlenstoff enthaltenden Partikel und der Kohlenwasserstoffbestandteile, die in dem Abgas von der Brennkraftmaschine enthalten sind, um die jeweiligen Partikel und Kohlenwasserstoffbestandteile in Kontakt mit Sauerstoff in dem Abgas zu bringen, die Verbrennung der gesammelten Kohlenstoff enthaltenden Partikel mit dem Abgas mit der niedrigeren Filtereinströmungstemperatur als die brennfähige Temperatur der Kohlenstoff enthaltenden Partikel sicherstellt. Die Details des Versuchs und der geschätzte Mechanismus des Einsatzes des Niedertemperaturabgases zur Verbrennung der Kohlenstoff enthaltenden Partikel werden später diskutiert.
Der Emissionsfilter der vorliegenden Erfindung und das entsprechende Emissionssteuerverfahren setzen dieses Phänomen für die Verbrennung der Kohlenstoff enthaltenden Partikel ein, die durch das Filtermedium gesammelt werden. Anders als bei den Verfahren nach dem Stand der Technik zum Einsetzen eines Katalysators für die Verbrennung der gesammelten Kohlenstoff enthaltenden Partikel und das Verfahren zum beabsichtigten Anheben der Temperatur des Abgases für die Verbrennung der Kohlenstoff enthaltenden Partikel reguliert und verringert die Technik der vorliegenden Erfindung sicher und bleicht die Kohlenstoff enthaltenden Partikel in dem Abgas ohne zu verursachen, dass der Filter verstopft wird oder die Leistungsfähigkeit des Verbrennungsmotors sich verschlechtert. Die spezifische Funktion des Emissionsfilter der vorliegenden Erfindung, die das vorstehend genannte Phänomen zur Verbrennung der gesammelten Kohlenstoff enthaltenden Partikel einsetzt, kann als "Spontanregenerationsfunktion" in dieser Beschreibung bezeichnet werden.
Gemäß einer bevorzugten Anwendung wird eine Reaktionswärme der Kohlenwasserstoffbestandteile, die durch das hitzebeständige Filtermedium gesammelt werden, mit Sauerstoff, der in dem Abgas enthalten ist, eingesetzt, um die gesammelten Kohlenstoff enthaltenden Partikel einer Verbrennung auszusetzen. Die Kohlenwasserstoffbestandteile reagieren mit Sauerstoff auch in dem Abgas einer niedrigen Temperatur, die eine Verbrennung der Kohlenstoff enthaltenden Partikel nicht verursacht. Die Anordnung zum Einsetzen der Reaktionswärme der Kohlenwasserstoffbestandteile mit Sauerstoff zum Anheben der Temperatur des hitzebeständigen Filtermediums stellt demgemäß die Verbrennung der gesammelten Kohlenstoff enthaltenden Partikel mit dem Abgas sicher, das eine niedrigere Filtereinströmungstemperatur als die brennfähige Temperatur der Kohlenstoff enthaltenden Partikel hat.
Bei dem Emissionsfilter der vorstehend genannten Anwendung ist es vorzuziehen, dass das hitzebeständige Filtermedium aktive Formen, die durch die Reaktion der gesammelten Kohlenwasserstoffbestandteile mit Sauerstoff erzeugt werden, der in dem Abgas enthalten ist, zusätzlich zu der Reaktionswärme einsetzt, um die gesammelten Kohlenstoff enthaltenden Partikel einer Verbrennung auszusetzen. Die Anwesenheit derartiger aktiver Formen hat im Allgemeinen die Tendenz, die Oxidationsreaktion zu beschleunigen. Die Temperatur des hitzebeständigen Filtermediums wird durch die Reaktionswärme der gesammelten Kohlenwasserstoffbestandteile mit Sauerstoff angehoben. Die aktive Form, die durch diese Reaktion erzeugt wird, wird weitergehend eingesetzt, um die Verbrennung der gesammelten Kohlenstoff enthaltenden Partikel sicherzustellen.
Bei dem Emissionsfilter kann das hitzebeständige Filtermedium die Kohlenstoff enthaltenden Partikel und die Kohlenwasserstoffbestandteile darin abscheiden. Es ist eher schwierig, die Kohlenstoff enthaltenden Partikel und die Kohlenwasserstoffbestandteile hauptsächlich an der Fläche des Filtermediums verteilt zu sammeln. Das Abscheiden der Kohlenstoff enthaltenden Partikel und der Kohlenwasserstoffbestandteile innerhalb des Filtermediums vereinfacht andererseits deren verteilte Sammlung.
Bei dem Emissionsfilter, der die Kohlenstoff enthaltenden Partikel und die Kohlenwasserstoffbestandteile darin abscheidet ist es vorzuziehen, dass das hitzebeständige Filtermedium eine Veränderung des Drucks des Abgases von der Brennkraftmaschine einsetzt, um die Kohlenstoff enthaltenden Partikel und die Kohlenwasserstoffbestandteile verteilt zu sammeln. Die Anwendung der Druckveränderung des Abgases auf die Kohlenstoff enthaltenden Partikel und die Kohlenwasserstoffbestandteile ermöglicht, dass die Kohlenstoff enthaltenden Partikel und die Kohlenwasserstoffbestandteile leicht in dem hitzebeständigen Filtermedium verteilt und durch dieses gesammelt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Anwendung des Emissionsfilters wandelt das hitzebeständige Filtermedium eine Fluidisierungsenergie des Abgases von der Brennkraftmaschine in Wärme um, um die Eigentemperatur des hitzebeständigen Filtermediums anzuheben. Die erhöhte Temperatur des Filtermediums vereinfacht vorzugsweise die Verbrennung der gesammelten Kohlenstoff enthaltenden Partikel und der gesammelten Kohlenwasserstoffbestandteile, auch wenn die Temperatur des Abgases, das in den Filter einströmt, niedriger als die brennfähige Temperatur der Kohlenstoff enthaltenden Partikel ist.
Bei dem Emissionsfilter der vorstehend genannten Anwendung ist es vorzuziehen, dass das hitzebeständige Filtermedium durch den Einsatz eines Temperaturanstiegs in dem Prozess der Verdichtung des Abgases mittels eines dynamischen Drucks erwärmt wird. Der dynamische Druck des Abgases wird wirksam eingesetzt, um die Temperatur des hitzebeständigen Filtermediums einfach anzuheben und um dadurch die Verbrennung der gesammelten Kohlenstoff enthaltenden Partikel sicherzustellen.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Anwendung des Emissionsfilters hat das hitzebeständige Filtermedium mehrere Pfade, die sich miteinander dreidimensional innerhalb des Filtermediums verbinden und die zu einer Fläche des Filtermediums offen sind. Das hitzebeständige Filtermedium mit derartigen mehreren Pfaden ermöglicht vorzugsweise, dass die Kohlenstoff enthaltenden Partikel und die Kohlenwasserstoffbestandteile in dem Abgas in dem Filtermedium verteilt und durch dieses gesammelt werden.
Die mehreren Pfade, die innerhalb des hitzebeständigen Filtermediums ausgebildet sind, haben einen Hauptinnendurchmesser in einem Bereich von ungefähr 11 μm bis ungefähr 13 μm. Wenn mehrere Pfade, die innerhalb des Filtermediums ausgebildet sind, den Hauptinnendurchmesser von weniger als 11 μm haben, wird die Fläche des Filtermediums an der Einströmungsseite des Abgases oft verstopft. Der Hauptinnendurchmesser von mehr als 13 μm verursacht andererseits oft, dass die Fläche des Filtermediums an der Ausströmungsseite des Abgases verstopft wird. Das Einrichten eines Hauptinnendurchmessers der mehreren Pfade, die innerhalb des Filtermediums ausgebildet sind, in einem Bereich von ungefähr 11 μm bis ungefähr 13 μm ermöglicht, dass die Kohlenstoff enthaltenden Partikel und die Kohlenwasserstoffbestandteile in dem Abgas in dem Filtermedium verteilt und durch dieses gesammelt werden, oder dass das Filtermedium verstopft wird. In dieser Beschreibung stellt ein Hauptinnendurchmesser den Hauptporendurchmesser dar, der gemäß der Washburn-Gleichung gemessen wird. Der Hauptinnendurchmesser ist nämlich der Porendurchmesser, der das akkumulierte Porenvolumen von 50% hat. Der numerische Wert des Hauptinnendurchmessers wird bei einer Messung eines weiteren bekannten Verfahrens verändert.
Ein Vlies, das aus hitzebeständigen Fasern mit einem Hauptfaserdurchmesser in einem Bereich von 15 μm bis ungefähr 20 μm besteht, ist für das hitzebeständige Filtermedium anwendbar. Es wurde empirisch herausgefunden, dass der Hauptinnendurchmesser von Pfaden, die innerhalb des Vliesstoffs ausgebildet sind, gewissermaßen mit dem Hauptdurchmesser der Fasern korreliert, die das Vlies bilden. Die Fasern, die den Hauptdurchmesser von ungefähr 15 μm bis ungefähr 20 μm haben, ergeben einfach den Vliesstoff mit dem Hauptinnendurchmesser von ungefähr 11 μm bis ungefähr 13 μm. Die Faserdichte (die Anzahl von Fasern pro Volumeneinheit des Vliesstoffs) tendiert dazu, sich mit einem Anstieg des Hauptinnendurchmessers der Pfade zu verringern, die innerhalb des Vliesstoffs ausgebildet sind. Zum Kompensieren einer Verringerung der Festigkeit des Vliesstoffs aufgrund der verringerten Faserdichte werden die hitzebeständigen Fasern mit dem Hauptfaserdurchmesser in dem Bereich von ungefähr 15 μm bis ungefähr 20 μm vorzugsweise verwendet, um den Vliesstoff mit dem Hauptinnendurchmesser in dem Bereich von ungefähr 11 μm bis ungefähr 13 μm zu bilden.
In dem Fall, das der Vliesstoff für das hitzebeständige Filtermedium angewendet wird, hat vorzugsweise der Vliesstoff eine Dicke in einem Bereich von ungefähr 0,3 mm bis ungefähr 1,0 mm oder weiter vorzugsweise eine Dicke in einem Bereich von ungefähr 0,4 mm bis ungefähr 0,5 mm. Der dünnere Vliesstoff hat nicht die ausreichende Festigkeit und wird einfach zerstört. Der übermäßig dicke Vliesstoff wird andererseits nicht einfach gebogen und macht es somit schwierig, einen relativ kompakten Emissionsfilter herzustellen. Die Anwendung des Vliesstoffs mit der Dicke von ungefähr 0,3 mm bis ungefähr 1,0 mm oder weiter vorzugsweise der Dicke von ungefähr 0,4 mm bis ungefähr 0,5 mm für das hitzebeständige Filtermedium vereinfacht die Herstellung eines relativ kompakten Emissionsfilters, während die praktisch ausreichende Festigkeit des Filtermediums sichergestellt wird.
Bei dem Emissionsfilter, der das Filtermedium einschließlich der mehreren Pfade verwendet, die sich miteinander dreidimensional verbinden, kann das hitzebeständige Filtermedium einen Strömungspfad des Abgases, das durch die mehreren Pfade strömt, in dem Verlauf des Sammelns der Kohlenstoff enthaltenden Partikel und der Kohlenwasserstoffbestandteile verändern. Die Struktur zur Veränderung des Strömungspfads des Abgases ermöglicht, dass die Kohlenstoff enthaltenden Partikel und die Kohlenwasserstoffbestandteile verteilt in dem hitzebeständigen Filtermedium gesammelt werden. Das Verändern der Strömung des Abgases zu einem neuen Strömungspfad in dem Verlauf der Sammlung unterdrückt vorzugsweise eine Erhöhung des Druckverlusts, wenn das Abgas durch das Filtermedium tritt.
Bei dem Emissionsfilter des vorstehend genannten Aufbaus kann das hitzebeständige Filtermedium den Strömungspfad des Abgases, das durch die mehreren Pfade strömt, verändern, wenn ein Druckverlust in dem Verlauf der Sammlung das Drei- oder Vierfache eines Anfangswerts erreicht. Nachdem der Druckverlust sich auf das Drei- bis Vierfache des Anfangswerts aufgrund der Sammlung der Kohlenstoff enthaltenden Partikel und der Kohlenwasserstoffbestandteile in dem Abgas durch das Filtermedium vergrößert, tendiert die Anstiegsrate des Druckverlusts dazu, sich zu erhöhen. Diese Anordnung, die den Strömungspfad des Abgases, das durch das Filtermedium strömt, verändert, wenn der Druckverlust das Drei- oder Vierfache des Anfangswerts erreicht, unterdrückt in wünschenswerter Weise die Erhöhung des Druckverlusts.
Bei einer bevorzugten Anwendung weist das Emissionssteuerverfahren, das vorstehend diskutiert ist, ferner den Schritt des Führens einer Zufuhr des Sauerstoffs von der stromaufwärtigen Seite des hitzebeständigen Filtermediums in das Abgas auf. Die Zufuhr des Sauerstoffs zu dem Abgas beschleunigt in wünschenswerter Weise die Reaktion der Kohlenwasserstoffbestandteile, die an dem Filtermedium gesammelt werden, mit Sauerstoff oder beschleunigt die Verbrennung der gesammelten Kohlenstoff enthaltenden Partikel mit Sauerstoff.
Bei einer weiteren bevorzugten Anwendung weist das Emissionssteuerverfahren ferner den Schritt des Anordnens eines NOx-Reduktionskatalysators an der stromabwärtigen Seite des hitzebeständigen Filtermediums auf, um die Stickoxide, die in dem Abgas enthalten sind, zu mindern. Diese Anordnung verringert in wünschenswerter Weise sowohl die Kohlenstoff enthaltenden Partikel als auch die Stickstoffoxide, die in dem Abgas enthalten sind.
Bei dem Emissionssteuerverfahren der vorstehend genannten Anwendung kann der NOx-Reduktionskatalysator ein Katalysator sein, der die Stickstoffoxide unter einer Bedingung absorbiert, dass überschüssiger Sauerstoff in dem Abgas vorhanden ist, und die absorbierten Stickstoffoxide mit einer Verringerung der Konzentration des Sauerstoffs in dem Abgas verringert. Der NOx-Reduktionskatalysator, der Stickstoffoxide, die in dem Abgas enthalten sind, einmal absorbiert und dann reduziert, mindert die Stickstoffoxide in dem Abgas effizient. Diese Anordnung verringert somit effizient sowohl die Kohlenstoff enthaltenden Partikel als auch die Stickstoffoxide, die in dem Abgas enthalten sind.
Die Technik der vorliegenden Erfindung ist nicht auf dem Emissionsfilter beschränkt, sondern wird durch eine Emissionssteuervorrichtung mit dem vorstehend diskutierten Emissionsfilter erhalten.
Die vorliegende Erfindung ist demgemäss auf eine Emissionssteuervorrichtung gerichtet, die auf eine Brennkraftmaschine angewendet wird, um Kohlenstoff enthaltende Partikel, die in einem Abgas enthalten sind, zu regulieren und zu reduzieren. Hier hat die Brennkraftmaschine eine Brennkammer und eine Abgasleitung zum Ausstoßen des Abgases aus der Brennkammer. Die Emissionssteuervorrichtung weist folgendes auf: einen Emissionsfilter, der an der Abgasleitung angebracht ist, um die Kohlenstoff enthaltenden Partikel zu sammeln, die in dem Abgas enthalten sind; und einen Wärmeisolationsabschnitt, der zwischen den Emissionsfilter und die Abgasleitung zwischengesetzt ist. Der Emissionsfilter hat das hitzebeständige Filtermedium, das Kohlenwasserstoffbestandteile und die Kohlenstoff enthaltenden Partikel, die in dem Abgas enthalten sind, verteilt sammelt, um die jeweiligen Partikel und Kohlenwasserstoffbestandteile in Kontakt mit Sauerstoff zu bringen, der in dem Abgas enthalten ist, und veranlasst dadurch, dass die gesammelten Kohlenwasserstoffbestandteile und die gesammelten Kohlenstoff enthaltenden Partikel einer Verbrennung ausgesetzt werden, wobei das Abgas eine niedrigere Filtereinströmungstemperatur als eine brennfähige Temperatur der Kohlenstoff enthaltenden Partikel hat.
Es gibt ebenso ein Emissionssteuerverfahren entsprechend der Emissionssteuervorrichtung.
Die vorliegende Erfindung ist somit auf ein Emissionssteuerverfahren gerichtet, das auf eine Brennkraftmaschine angewendet wird, um Kohlenstoff enthaltende Partikel, die in einem Abgas enthalten sind, zu regulieren und zu reduzieren. Hier hat die Brennkraftmaschine eine Brennkammer und eine Abgasleitung zum Ausstoßen des Abgases aus der Brennkammer. Das Emissionssteuerverfahren weist die folgenden Schritte auf: Anordnen eines Emissionsfilters, der ein hitzebeständiges Filtermedium hat, in der Abgasleitung derart, dass ein Wärmeisolierender Abschnitt zwischen dem Emissionsfilter und der Abgasleitung ausgebildet wird; Einsetzen des hitzebeständigen Filtermediums, um Kohlenwasserstoffbestandteile und die Kohlenstoff enthaltenden Partikel, die in dem Abgas enthalten sind, verteilt zu sammeln, um die jeweiligen Partikel und Kohlenwasserstoffbestandteile in Kontakt mit Sauerstoff zu bringen, der in dem Abgas enthalten ist; und Veranlassen, dass die gesammelten Kohlenwasserstoffbestandteile und die gesammelten Kohlenstoff enthaltenden Partikel einer Verbrennung mit dem Abgas ausgesetzt werden, das eine niedrigere Filtereinstellungstemperatur als eine brennfähige Temperatur der Kohlenstoff enthaltenden Partikel hat, um die Kohlenstoff enthaltenden Partikel zu regulieren und zu reduzieren.
Bei der Emissionssteuervorrichtung und dem entsprechenden Emissionssteuerverfahren der vorliegenden Erfindung ist der Filter in der Abgasleitung zum verteilten Sammeln der Kohlenstoff enthaltenden Partikel und der Kohlenwasserstoffbestandteile angeordnet, die in dem Abgas enthalten sind. Der wärmeisolierende Abschnitt ist zwischen dem Emissionsfilter und der Abgasleitung ausgebildet. Wie später beschrieben wird, haben die Erfinder der vorliegenden Anmeldung neuerdings herausgefunden, dass die Temperatur des Emissionsfilters ansteigt, wenn die Strömung des Abgases durch den Filter tritt. Eine Ausbildung des wärmeisolierenden Abschnitts zwischen dem Emissionsfilter und der Abgasleitung zum Verhindern einer Abfuhr von Wärme zu der Abgasleitung, hebt somit effizient die Temperatur des Emissionsfilters an. Der effiziente Anstieg der Filtertemperatur stellt eine einfache und sichere Verbrennung der Kohlenstoff enthaltenden Partikel und der Kohlenwasserstoffbestandteile sicher, die an dem Filter gesammelt sind.
Im Folgenden wird das Phänomen, dass die Filtertemperatur ansteigt, wenn die Strömung des Abgases durch den Emissionsfilter tritt, unter Bezugnahme auf 28 beschrieben. 28(a) stellt konzeptartig eine experimentelle Vorrichtung dar. Wie in dem Fall von 27 ist ein Filter E in einer Abgasleitung einer Brennkraftmaschine A (typischerweise ein Dieselverbrennungsmotor) angeordnet. Messbare Faktoren sind die Temperatur Tg des Abgases, das in den Filter E strömt, und die Filtertemperatur Tf.
Die Temperatur Tg des Abgases, das in den Filter strömt, und die Filtertemperatur Tf wurden mit dieser experimentellen Vorrichtung gemessen, während die Antriebsbedingungen der Brennkraftmaschine A verändert wurden. Die Messungsergebnisse zeigten, dass die Filtertemperatur Tf ständig höher als die Temperatur Tg des Abgases war. Die Temperatur Tg des einströmenden Abgases und eine Erhöhung dT (= Tf – Tg) der Filtertemperatur Tf wurde durch Verändern der Temperatur des Abgases gemessen, während die anderen Faktoren, wie die Durchflussrate des Abgases, praktisch feststehend waren. 28(b) zeigt die Ergebnisse der Messung.
Wie in 28(b) gezeigt ist, zeigt die Erhöhung dT der Filtertemperatur eine Tendenz zur linearen Erhöhung mit einem Anstieg der Temperatur Tg des einströmenden Abgases. Auf der Grundlage dieses Ergebnisses wird der folgende Mechanismus für das Phänomen geschätzt, das die Filtertemperatur Tf höher macht als die Temperatur Tg des einströmenden Abgases.
Der Filter E hat einen Strömungswiderstand und behindert die Strömung des Abgases, das eine hohe Strömungsgeschwindigkeit hat, so dass ein Teil der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases in einen Druck umgewandelt wird. Das gibt einen Druckanstieg dP. Gemäß der Lehre der Thermodynamik erfüllen drei Variablen, nämlich der Druck P, die Temperatur T und das spezifische Volumen v immer die folgende Beziehung: P·v = R·T (1)wobei R die Gaskonstante bezeichnet. Wenn die Strömung des Abgases durch den Filter E aufgenommen wird, um den Druck P um dP zu erhöhen, steigt die Temperatur des Abgases um dT an, so dass die vorstehend angegebene Gleichung (1) erfüllt wird. Das kann nämlich der Mechanismus des Phänomens sein, dass die Filtertemperatur Tf ständig höher als die Temperatur Tg des Abgases ist. Der dynamische Druck wirkt, so dass der Filter veranlasst wird, das Abgas zu verdichten und dadurch die Temperatur des Abgases anzuheben. Der Filter wird mit dem Abgas der angehobenen Temperatur erwärmt. Die Filtertemperatur Tf wird somit höher als die Temperatur Tg des einströmenden Abgases gehalten.
Die Gültigkeit dieses geschätzten Mechanismus wird auf der Grundlage der Messungsergebnisse bestätigt, die in 28(b) gezeigt sind. Die Gleichung (1) wird umgestellt zu: Pg·v = R·Tg (2)wobei Pg den Druck des Abgases an dem Einlass des Filters E bezeichnet und Tg die Temperatur des Abgases an dem Einlass bezeichnet. Wenn angenommen wird, dass der Filter E die Strömung des Abgases aufnimmt, um den Druck und die Temperatur um dP und dT zu erhöhen, wird die Gleichung (1) umgeschrieben zu: (Pg + dP)·v = R·(Tg + dT) (3)die Gleichungen (2) und (3) ergeben: dT = (Tg·dP)/Pg (4)
Gemäß der Gleichung (4) wird erwartet, dass der Temperaturanstieg dT des Filters E proportional zu der Temperatur Tg des Abgases ist, das in den Filter strömt. Das ist in Übereinstimmung mit den Messungsergebnissen, die in 28(b) gezeigt sind. Die Messungsergebnisse von 28(b) beweisen nämlich die Gültigkeit des vorstehend beschriebenen geschätzten Mechanismus. Das Phänomen, dass die Filtertemperatur Tf ständig höher als die Temperatur Tg des Abgases an dem Einlass des Filters ist, wird somit der Verdichtung des Abgases und der sich ergebenden Erhöhung der Temperatur des Abgases zugeschrieben, wenn das Abgas, das von der Brennkraftmaschine ausgestoßen wird, durch den Filter tritt.
Die Erhöhung der Temperatur Tg des Abgases verstärkt den Temperaturanstieg dT, wie Gleichung (4) klar entnehmbar ist. Der Anstieg der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases, das in den Filter strömt, verstärkt den Druckanstieg dP und damit den Temperaturanstieg dT des Filters. Im Allgemeinen wird die Temperatur des Abgases, das von der Brennkraftmaschine ausgestoßen wird, abgesenkt, wenn die Strömung des Abgases durch die Abgasleitung tritt. Das Abgas wird energisch von der Brennkraftmaschine ausgeworfen, um eine impulsartige Strömung mit einer großen Strömungsgeschwindigkeit auszubilden. Wenn die Strömung des Abgases durch die Abgasleitung tritt, wird die impulsartige Strömung ausgeglichen, um die Strömungsgeschwindigkeit abzusenken. Die Anbringposition des Filters, die näher an der Brennkraftmaschine liegt, hebt die Temperatur und die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases an und verstärkt demgemäss den Temperaturanstieg dT des Filters.
Auf der Grundlage derartiger Befunde wird bei der Emissionssteuervorrichtung der vorliegenden Erfindung und dem Emissionssteuerverfahren, das der Emissionssteuervorrichtung entspricht, ein wärmeisolierender Abschnitt zwischen der Abgasleitung und dem Emissionsfilter ausgebildet, der in der Abgasleitung eingesetzt ist, um die Wärmeströmung von dem Filter zu der Abgasleitung aufzunehmen. Diese Anordnung stellt eine effiziente Erhöhung der Temperatur des Emissionsfilters sowie eine einfache und sichere Verbrennung der Kohlenstoff enthaltenden Partikel und der Kohlenwasserstoffbestandteile sicher, die an dem Filter gesammelt werden.
In dem Fall, dass die Emissionssteuervorrichtung auf eine Brennkraftmaschine angewendet wird, die eine Vielzahl von Brennkammern und einen Abgaskrümmer aufweist, der Strömungen des Abgases von der Vielzahl der Brennkammern zu zumindest einem Abgasrohr vereinheitlicht, setzt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel den Emissionsfilter in den Abgaskrümmer. Das ordnet den Emissionsfilter näher an der Brennkammer an und ermöglicht, dass das Hochtemperaturabgas in den Filter bei einer hohen Strömungsgeschwindigkeit strömt, was somit wirksam die Temperatur des Emissionsfilters erhöht.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Emissionssteuervorrichtung ist der Abschnitt ein Raum, der zwischen dem Emissionsfilter und der Abgasleitung ausgebildet wird. Der Raum gestattet das Einströmen von Luft zum Ausbilden einer Luftschicht oder gestattet das Einströmen von Abgas zum Ausbilden einer Abgasschicht, was somit wirksam den Filter von der Abgasleitung isoliert.
Bei der Emissionssteuervorrichtung dieses bevorzugten Ausführungsbeispiels kann der wärmeisolierende Abschnitt ein Raum zwischen dem Emissionsfilter und der Abgasleitung sein, der ein Ende hat, das zu einem Strömungspfad des Abgases offen ist und an der Öffnung verengt ist. Diese Anordnung ermöglicht, dass das Abgas in den Raum durch die Öffnung zu dem Strömungspfad des Abgases Strömt. Der Filter wird demgemäss mit dem heißen Abgas unmittelbar nach dem Start der Brennkraftmaschine erwärmt, so dass die Filtertemperatur rasch angehoben wird. Die Strömung des Abgases wird an der verengten Öffnung begrenzt und tritt dann in den Raum ein. Eine derartige Beschränkung verhindert in wünschenswerter Weise, dass die Strömung des Abgases energisch in den Raum strömt, um das Abgas zu fluidisieren, das innerhalb des Raums vorhanden ist. Wenn die Filtertemperatur höher als die Temperatur des Abgases wird, verhindert diese Anordnung, dass Wärme von dem Filter zu der Abgasleitung aufgrund der Fluidisierung des Abgases abgegeben wird, und isoliert somit wirksam den Filter von der Abgasleitung.
Bei der Emissionssteuervorrichtung dieses bevorzugten Ausführungsbeispiels kann der wärmeisolierende Abschnitt ein Raum zwischen dem Emissionsfilter und der Abgasleitung sein, der ein offenes Ende zu einem Strömungspfad des Abgases hat und eine Dicke von nicht mehr als 1 mm hat. In dem Fall, dass der Abstand zwischen dem Emissionsfilter und der Abgasleitung 1 mm oder weniger ist, fluidisiert das vorhandene Abgas nicht energisch innerhalb des Raumes. Das Einrichten der Dicke des Raumes auf nicht mehr als 1 mm gestattet somit, dass das Abgas in den Raum durch die Öffnung strömt und rasch die Filtertemperatur zu dem Zeitpunkt des Starts der Brennkraftmaschine anhebt. Wenn die Filtertemperatur erhöht wird, verhindert die Einstellung vorzugsweise, dass Wärme von dem Emissionsfilter zu der Abgasleitung aufgrund der Fluidisierung des Abgases abgegeben wird, das innerhalb des Raumes vorhanden ist.
Bei noch einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Emissionssteuervorrichtung ist der Emissionsfilter an der Abgasleitung über ein Wärmeisolierendes Element angebracht. Die Zusammenwirkung des Wärmeisolierenden Abschnitts, der zwischen dem Emissionsfilter und der Abgasleitung ausgebildet ist, mit der Anbringung des Filters über das wärmeisolierende Element verhindert effektiver, dass Wärme von der Verbindung des Filters mit der Abgasleitung abgegeben wird. Diese Anordnung isoliert effektiver den Emissionsfilter von der Abgasleitung und hält in wünschenswerter Weise die Filtertemperatur auf einem hohen Niveau.
Bei einer weiteren bevorzugten Anwendung der Emissionssteuervorrichtung hat der Emissionsfilter das hitzebeständige Filtermedium zum Sammeln der Partikel in dem Abgas und einen Behälter, um das hitzebeständige Filtermedium darin aufzunehmen. Der Behälter ist mit einem Führungselement versehen, das das Abgas, das von der Brennkammer ausgestoßen wird, zum hitzebeständigen Filtermedium leitet. Das Führungselement wirkt, um die Strömung des Abgases zu dem hitzebeständigen Filtermedium zu leiten, und verursacht, dass ein großer dynamischer Druck in dem Filtermedium erzeugt wird, was somit die Filtertemperatur wirksam anhebt. Das Führungselement ist in dem Behälter des Filtermediums ausgebildet. Auch wenn die Strömung des Abgases gegen das Führungselement trifft und einen Teil der Wärme abgibt, verursacht der Aufbau, dass die abgegebene Wärme letztendlich zum Erwärmen des Emissionsfilters verwendet wird. Diese Anordnung stellt somit einen effizienten Anstieg der Filtertemperatur sicher.
Bei einer noch weiteren bevorzugten Anwendung der Emissionssteuervorrichtung hat der Emissionsfilter das hitzebeständige Filtermedium und einen Behälter, um darin das hitzebeständige Filtermedium aufzunehmen. Das hitzebeständige Filtermedium wird in dem Behälter so aufgenommen, dass ein Ende des Filtermediums in Richtung auf die Brennkammer vorsteht. Diese Anordnung verursacht, dass die durch den dynamischen Druck des Abgases erzeugte Wärme nicht auf den Behälter übertragen wird, sondern unmittelbar die Temperatur an dem Ende des hitzebeständigen Filtermediums anhebt. Diese Anordnung stellt somit in wünschenswerter Weise einen raschen Anstieg der Temperatur des Filtermediums sicher.
In dem Fall, dass die Emissionssteuervorrichtung auf eine Brennkraftmaschine angewendet wird, die mit einer Ladevorrichtung versehen ist, die eine Fluidisierungsenergie des Abgases einsetzt, um eine Turbine zu betätigen und um dadurch die Einlassluft aufzuladen, setzt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel den Strömungswiderstand des Emissionsfilters auf das 1/2-fache bis 2/3-fache des Strömungswiderstands der Ladevorrichtung an der Seite der Turbine ein. Der Strömungswiderstand im Verlauf des Ausstoßens des Abgases hängt hauptsächlich von dem Strömungswiderstand der Ladevorrichtung an der Seite der Turbine ab. Das Einrichten des Strömungswiderstands des Emissionsfilters in dem Bereich von dem 1/2-fachen bis 2/3-fachen des Strömungswiderstands der Ladevorrichtung an der Seite der Turbine verhindert wirksam einen gesamten Anstieg des Strömungswiderstands, auch wenn die Kohlenstoff enthaltenden Partikel an dem Filter gesammelt werden, so dass sich der Strömungswiderstand des Filters geringfügig erhöht.
Bei dem Aufbau, Bei dem die Brennkraftmaschine mit einer Vielzahl von Brennkammern versehen ist und die Strömungen des Abgases von der Vielzahl der Brennkammern zu zumindest einer Verbindung vor der Emission vereinheitlicht werden, kann der Emissionsfilter an der Verbindung angeordnet sein, an der die Abgasleitungen von den jeweiligen Brennkammern gesammelt sind. Die Anordnung der Emissionssteuervorrichtung an der Verbindung, an der die Abgasleitungen von der Vielzahl der Brennkammern gesammelt werden, erfordert das Anbringen der Emissionsfilter an den individuellen Brennkammern nicht und verringert somit in wünschenswerter Weise die gesamte Anzahl der Emissionsfilter. Es gibt im Allgemeinen ausreichend Raum für den Einbau des Emissionsfilters an der Verbindung der Abgasesleitungen. Im Vergleich mit dem Aufbau, bei dem die Emissionsfilter bei den individuellen Brennkammern angeordnet sind, verbessert die Anordnung den Freiheitsgrad der Gestaltung der Filter und legt in wünschenswerter Weise den Filter mit einer optimalen Gestalt aus.
Der Emissionsfilter kann an einer Verbindung angeordnet sein, an der Abgasleitungen von allen Brennkammern vereinheitlicht werden. Bei einer bevorzugten Anwendung werden jedoch die Abgasleitungen von jeweils zwei oder drei Brennkammern zu einem Abgasanschluss gesammelt und ist der Emissionsfilter in jedem Abgasanschluss angeordnet. Bei dem Aufbau, bei dem alle Abgasleitungen zu einer Verbindung gesammelt werden und der Emissionsfilter an der Verbindung angeordnet ist, gibt es einen relativ großen Abstand zwischen der Brennkammer und dem Emissionsfilter. Das ergibt in unerwünschter Weise die Neigung, die Einströmungstemperatur des Abgases zu verringern. Bei dem Aufbau dieser bevorzugten Anwendung, bei der die Abgasleitungen von jeweils zwei oder drei Brennkammern zu einem Abgasanschluss vereinheitlicht werden, gibt es andererseits einen relativ kleinen Abstand zwischen der Brennkammer und jedem Abgasanschluss. Das Anbringen des Emissionsfilters an jedem Abgasanschluss verhindert wirksam eine signifikante Verringerung der Filtereinströmungstemperatur des Abgases. Diese Anordnung verbessert in wünschenswerter Weise die Wirkung der Erwärmung des Emissionsfilters durch den dynamischen Druck des Abgases.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 stellt die Konstruktion eines Emissionssteuersystems dar, wobei ein Partikelfilter eines Ausführungsbeispiels auf einen Dieselverbrennungsmotor angewendet ist;
2 zeigt die Erscheinung und die Struktur des Partikelfilters in dem Ausführungsbeispiel;
3 zeigt ein Verfahren zum Herstellen eines Elements, das für den Partikelfilter des Ausführungsbeispiels verwendet wird;
4 zeigt konzeptartig einen Prozess zum Sammeln von Partikeln, die in einem Abgas enthalten sind, mittels des Partikelfilters;
5 zeigt Abmessungen von Vliesstoffen, die für den Partikelfilter des Ausführungsbeispiels anwendbar sind;
6 zeigt konzeptartig einen weiteren Prozess zum Sammeln der Partikel, die in dem Abgas enthalten sind, mittels eines Partikelfilters eines abgewandelten Beispiels;
7 zeigt eine Anbringstruktur zum Fixieren des Partikelfilters an dem Dieselverbrennungsmotor;
8 zeigt den Partikelfilter, der an dem Dieselverbrennungsmotor über einem Filterhalter angebracht ist;
9 ist eine Grafik, die Veränderungen einer Filtertemperatur und eines Differenzialdrucks vor und nach dem Filter zeigt, wenn der Partikelfilter des Ausführungsbeispiels auf einen Dieselverbrennungsmotor angewendet wird;
10 ist eine Grafik, die eine Veränderung eines Differenzialdrucks vor und nach dem Filter zeigt, wenn der Dieselverbrennungsmotor mit dem Partikelfilter des Ausführungsbeispiels, der daran angebracht ist, über eine lange Zeitdauer angetrieben wird;
11 ist eine Grafik, die eine Differenz zwischen den Druckveränderungen in einer Abgasleitung vor und nach dem Partikelfilter zeigt;
12 ist eine Grafik, die ein Antriebsschema eines Fahrzeugs in einem Versuch zeigt;
13 ist eine Grafik, die Messergebnisse der Filtertemperatur und des Differenzialdrucks vor und nach dem Filter während eines Laufs eines 10-Runden-Schemas zeigt, wobei der Partikelfilter des Ausführungsbeispiels auf den Dieselverbrennungsmotor angewendet ist;
14 ist eine Grafik, die Messergebnisse der Filtertemperatur und des Differenzialdrucks vor und nach dem Filter während eines Laufs eines 11-Runden-Schemas zeigt, wobei der Partikelfilter des Ausführungsbeispiels auf den Dieselverbrennungsmotor angewendet ist;
15 ist eine Grafik, die Messergebnisse der Filtertemperatur und des Differenzialdrucks vor und nach dem Filter während eines Laufs eines Schemas mit extrem niedriger Drehzahl zeigt, wobei der Partikelfilter des Ausführungsbeispiels auf den Dieselverbrennungsmotor angewendet ist;
16 ist eine Grafik, die Messergebnisse der Filtertemperatur und des Differenzialdrucks vor und nach dem Filter während eines Laufs des 10-Runden-Schemas mit einem Partikelfilter zeigt, der aus einem Vliesstoff mit einem Porendurchmesser von wenig besteht, der kleiner als ein geeigneter Wert ist;
17 zeigt die Zusammensetzung eines Abgases eines Dieselverbrennungsmotors einschließlich der Kohlenstoff enthaltenden Partikel und der Kohlenwasserstoffe;
18 zeigt konzeptartig einen Prozess zum Erzeugen der aktiven Form über eine sanfte Oxidationsreaktion eines Kohlenwasserstoffs mit Sauerstoff bei einer Temperaturbedingung, die niedriger als die brennfähige Temperatur von Ruß ist;
19 zeigt konzeptartig einen Mechanismus zum verteilten Sammeln von Ruß und anderen Partikeln, die in dem Abgas enthalten sind, mittels des Partikelfilters des Ausführungsbeispiels;
20 zeigt die Haltbarkeit von Partikelfiltern mit unterschiedlichen Hauptporendurchmessern;
21 zeigt konzeptartig eine Veränderung des Verstopfungszustands mit einer Veränderung des Hauptporendurchmessers des Vliesstoffs;
22 zeigt diverse Anbringstrukturen des Partikelfilters als abgewandelte Beispiele;
23 stellt schematisch den Aufbau eines Partikelfilters in einem vierten abgewandelten Beispiel dar;
24 stellt schematisch den Aufbau eines Partikelfilters in einem fünften abgewandelten Beispiel dar;
25 zeigt ein weiteres Emissionssteuersystem in einem sechsten abgewandelten Beispiel;
26 zeigt noch ein weiteres Emissionssteuersystem in einem siebten angewandelten Beispiel;
27 zeigt konzeptartig eine Spontanregenerationsfunktion des Partikelfilters des Ausführungsbeispiel; und
28 zeigt ein geschätztes Prinzip der Umwandlung von Fluidisierungsenergie des Abgases in eine Temperatur an dem Filter.
Beste Ausführungsarten der Erfindung
Im Hinblick auf die weitergehende Klarstellung der Funktionen und der Wirkungen der vorliegenden Erfindung werden einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nachstehend in der folgenden Abfolge diskutiert:
A. Systemkonstruktion

A-1. Allgemeine Systemdarstellung
A-2. Aufbau des Partikelfilters
A-3. Anbringstruktur des Partikelfilters

B. Versuchsergebnisse

B-1. Ergebnisse des Verbrennungsmotorversuchs
B-2. Ergebnisse des Fahrzeugversuchs
B-3. Geschätzter Mechanismus der Spontanregenerationsfunktion
B-4. Sammelmodell
B-5. Gewünschte Abmessungsbereiche des Vliesstoffs.

C. Abwandlungen
A. Systemkonstruktion
Das Folgende beschreibt ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein Emissionsfilter der vorliegenden Erfindung (im Folgenden als Partikelfilter bezeichnet) auf einen Dieselverbrennungsmotor angewendet wird. Die Anwendung ist natürlich nicht auf die Dieselverbrennungsmotoren beschränkt, sondern der Emissionsfilter der vorliegenden Erfindung ist auf Benzinverbrennungsmotoren anwendbar, bei denen Kraftstoff direkt in einen Zylinder für eine Verbrennung eingespritzt wird, und auf andere Brennkraftmaschinen. Die Technik der vorliegenden Erfindung ist ebenso auf alle Brennkraftmaschinen für Fahrzeuge und Schiffe ebenso wie auf stationäre Brennkraftmaschinen anwendbar.
A-1. Allgemeine Systemdarstellung
1 stellt schematisch den Aufbau eines Dieselverbrennungsmotors 10 mit einem Partikelfilter des Ausführungsbeispiels dar, der daran montiert ist. Der Dieselverbrennungsmotor 10 ist ein 4-Zylinder-Verbrennungsmotor und hat vier Brennkammern #1 bis #4. Die Luft wird jeder der Brennkammern über ein Einlassrohr 12 zugeführt, während Kraftstoff von einem Kraftstoffinjektor 14 eingespritzt wird, der an jede Brennkammer gesetzt ist. Das führt zu einer Verbrennung der Luft und des Kraftstoffs in der Brennkammer und Abgas wird durch einen Abgaskrümmer 16 zu einem Abgasrohr 17 ausgestoßen.
Eine Ladevorrichtung 20 ist in der Mitte des Abgasrohrs 17 vorgesehen. Die Ladevorrichtung 20 hat eine Turbine 21, die in dem Abgasrohr 17 gelegen ist, einen Verdichter 22, der in das Einlassrohr 12 gesetzt ist, und eine Welle 23, die die Turbine 21 mit dem Verdichter 22 verbindet. Die Strömung des von der Brennkammer ausgestoßenen Abgases dreht die Turbine 21 der Ladevorrichtung 20, um den Verdichter 22 über die Welle 23 anzutreiben. Die Luft wird dann verdichtet und in jede Brennkammer gefördert. Ein Luftreiniger 26 ist an der stromaufwärtigen Seite des Verdichters 22 vorgesehen. Der Verdichter 22 verdichtet die Einlassluft durch den Luftreiniger 26 und führt die verdichtete Luft der Brennkammer zu. Ein Zwischenkühler 24 zum Herunterkühlen der Luft ist an der stromabwärtigen Seite des Verdichters 22 angeordnet. Eine Verdichtung der Luft durch den Verdichter 22 hebt die Temperatur der Luft an. Die verdichtete Luft kann somit durch den Zwischenkühler 24 heruntergekühlt werden und nachfolgend in die Brennkammer gefördert werden. Ein Partikelfilter 100 ist bei jeder der Brennkammern #1 bis #4 an der stromaufwärtigen Seite der Turbine 21 vorgesehen. Eine Steuereinheit (im Folgenden als Steuer-ECU 30 bezeichnet) zum Steuern des Verbrennungsmotors nimmt Informationen bezüglich eines angeforderten Ausgangsdrehmoments, beispielsweise die Verbrennungsmotordrehzahl und die Beschleunigeröffnung auf und steuert den Kraftstoffinjektor 14, eine Kraftstoffzufuhrpumpe 18 und andere diverse Stellglieder (nicht gezeigt) auf der Grundlage der eingegebenen Informationen, was somit angemessen die Antriebsbedingungen des Dieselverbrennungsmotors reguliert.
A-2. Struktur des Partikelfilters
2 ist eine perspektivische Ansicht, die die Erscheinung des Partikelfilters 100 des Ausführungsbeispiels darstellt. Im Hinblick auf ein besseres Verständnis ist ein Teil des Querschnitts vergrößert, um die innere Struktur zu zeigen. Der Partikelfilter 100 hat eine zylindrische Einfassung 102 mit einem Flansch und einem Element 104, das in die Einfassung 102 eingesetzt ist, und hat einen Außenumfang, der mit der Einfassung 102 verschweißt ist. Das Element 104 hat einen gerollten zylindrischen Aufbau, bei dem ein Vliesstoff 106 aus einem hitzebeständigen Metall und ein gewellter Bogen 108 aus einem hitzebeständigen Metall in Schichten an einem Kern 110 aufgerollt werden. Das Element 104, das bei dem Partikelfilter 100 des Ausführungsbeispiels verwendet wird, hat einen Außendurchmesser von ungefähr 55 mm und eine Länge von ungefähr 40 mm. Diese Abmessungen können geeignet gemäß dem Hubraum des Dieselverbrennungsmotors und dem Innendurchmesser der Abgasesleitung verändert werden.
3 stellt konzeptartig den Prozess des Aufrollens des Vliesstoffs 106 und des gewellten Bogens 108 im Schichten an dem Kern 110 dar. Der gewellte Bogen 108 funktioniert, um die Verbindungsfragmente des aufgerollten Vliesstoffs 106 bei feststehenden Intervallen zu halten. Eine große Anzahl von Faden entlang der Achse des Kerns 110 wird dementsprechend zwischen dem Vliesstoff 106 und dem gewellten Bogen 108 ausgebildet. Abdichtungsplatten 112 sind an beiden Seiten des Elements 104 geschweißt. Die Abdichtungsplatten 112 schließen die Pfade, die zwischen dem Vliesstoff 106 und dem gewellten Bogen 108 ausgebildet werden, abwechselnd, um die Konstruktion zu definieren, die gestattet, dass die Strömung des Abgases durch den Vliesstoff 106 strömt. Die Funktion der Abdichtungsplatten 112 zum Definieren der Konstruktion, die den Durchtritt des Abgases durch den Vliesstoff 106 gestattet, wird nachstehend unter Bezugnahme auf 4 diskutiert.
4 stellt konzeptartig den Schnittaufbau des Partikelfilters 100 dar. Der gewellte Bogen 108 ist aus der Darstellung von 4 weggelassen. Wie klar gezeigt ist, schließen die Abdichtungsplatten 112 abwechselnd die Pfade, die zwischen den Verbindungsfragmenten des Vliesstoffs 106 ausgebildet werden, die bei feststehenden Intervallen gehalten werden. Die Strömung des Abgases von der linken Seite der Zeichnung, wie durch die schraffierten Pfeile in 4 gezeigt ist, strömt in die Pfade, die nicht durch die Abdichtungsplatten 112 geschlossen sind. Die Auslässe dieser Pfade sind jedoch durch die Abdichtungsplatten 112 geschlossen. Die Strömung des Abgases tritt demgemäss durch den Vliesstoff 106, der Seitenwände der Pfade bildet, und läuft zu den Pfaden mit den nicht geschlossenen Auslässen, wie durch die dicken Pfeile gezeigt ist. Wenn die Strömung des Abgases durch den Vliesstoff 106 tritt, werden Kohlenstoff enthaltende Partikel, wie z.B. Ruß und Kohlenwasserstoffbestandteile, die in dem Abgas enthalten sind, durch den Vliesstoff 106 gesammelt.
Der Vliesstoff 106 besteht aus einer hitzebeständigen Eisenlegierung. Bei dem Partikelfilter 100 des Ausführungsbeispiels wird ein Metallvliesstoff mit Abmessungen in einem vorbestimmten Bereich als Vliesstoff 106 angewandt. Diese Anordnung ermöglicht, dass Kohlenstoff enthaltende Partikel und Kohlenwasserstoffbestandteile verteilt auf eine Art und Weise gesammelt werden, die die jeweiligen Partikel und Kohlenwasserstoffbestandteile in Kontakt mit Sauerstoff in dem Abgas bringt. Die Wirkungen der Abmessungen des Vliesstoffs werden später genau diskutiert. Hier sind beispielhafte Abmessungen des Vliesstoffs 106 in 5 gezeigt. Die Abmessungen des Vliesstoffs, die in 5 gezeigt sind, sind nur darstellend und nicht in irgendeinem Sinn beschränkend. Ein Metallvliesstoff, der aus einer Fe-Cr-Al-Legierung besteht, wird in diesem Ausführungsbeispiel verwendet. Der Vliesstoff kann anders aus anderen bekannten hitzebeständigen Metallen zusammengesetzt sein, wie z.B. einer Ni-Legierung oder Keramikfasern, wie z.B. Siliziumcarbidfasern.
Der Grund, warum der Vliesstoff mit den vorbestimmten Abmessungen, wie in 5 dargestellt ist, verteilt die Kohlenstoff enthaltenden Partikel und die Kohlenwasserstoffbestandteile in dem Abgas sammeln kann, wurde bisher noch nicht vollständig erklärt. Gemäß dem geschätzten Mechanismus, der später diskutiert wird, wird erwartet, dass nicht nur der Metallvliesstoff, sondern auch ein Keramikfilter mit ähnlichen Abmessungen, wie z.B. ein Kordierit-Keramikwabenfilter, ähnliche Ergebnisse wie diejenigen des Ausführungsbeispiels ergibt.
In der Struktur dieses Ausführungsbeispiels werden die Abdichtungsplatten 112 an beide Seiten des Elements 104 verschweißt. Eine mögliche Abwandlung ist eine Struktur ohne die Abdichtungsplatten 112.
6 ist eine Schnittansicht, die den abgewandelten Aufbau des Partikelfilters 100 zeigt, bei dem das Element die Abdichtungsplatten nicht hat. Zur Klarheit der Darstellung ist der gewellte Bogen 108 von der Darstellung von 6 weggelassen. bei der Struktur des in 4 gezeigten Ausführungsbeispiels sind die Abdichtungsplatten 112 abwechselnd an beiden Seiten des Vliesstoffs 106 verschweißt. Anstelle des Schweißens der Abdichtungsplatten werden die Verbindungsfragmente des Vliesstoffs miteinander an den Enden 113 in dem abgewandelten Aufbau verschweißt, wie in 6 gezeigt ist. Eine derartige abgewandelte Anordnung erfordert die Abdichtungsplatten 112 nicht und vereinfacht somit die Struktur des Partikelfilters 100.
A-3. Anbringstruktur des Partikelfilters
7 stellt eine Anbringstruktur zum Fixieren des Partikelfilters 100 an dem Dieselverbrennungsmotor 10 dar. Wie dargestellt ist, ist ein Filterhalter 40 zwischen einem Zylinderkopf 32, der den oberen Abschnitt der Brennkammern definiert, und dem Abgaskrümmer 16 vorgesehen. Die Partikelfilter 100 werden an die jeweiligen Brennkammern in dem Filterhalter 40 gesetzt. Der Filterhalter 40 wird an dem Zylinderkopf 32 mit Schrauben geklemmt. Wenn der Abgaskrümmer 16 mit Schrauben nach dem Einsetzen der Partikelfilter 100 in die Filterhalter 40 geklemmt wird, werden die Flansche zwischen dem Filterhalter 40 und dem Abgaskrümmer 16 zwischengesetzt, um die Partikelfilter 100 zu fixieren.
8 stellt den Partikelfilter 100 dar, der an dem Dieselverbrennungsmotor 10 über dem Filterhalter 40 angebracht ist. Wie dargestellt ist, ist der Innendurchmesser des Filterhalters 40 ein wenig größer als die Abmessungen des Partikelfilters 100. Demgemäß gibt es einen Spalt 124 zwischen dem äußeren Umfang des Partikelfilters 100 und dem inneren Umfang des Filterhalters 40. Die zwei Wände des Flansches des Partikelfilters 100 werden zwischen dem Filterhalter 40 und dem Abgaskrümmer 16 über wärmeisolierende Elemente 120 und 122 gehalten, die beispielsweise aus Glasfasern bestehen.
Das Anbringen des Partikelfilters 100 an dem Dieselverbrennungsmotor 10 auf diese Art und Weise wandelt effizient die Fluidisierungsenergie des Abgases in Wärme um und hebt die Filtertemperatur an. Bei diesem Aufbau ist der Partikelfilter 100 nahe an der Brennkammer gelegen. Das Abgas, das kräftig von der Brennkammer gleichzeitig mit dem Öffnen eines Auslassventils des Dieselverbrennungsmotors 10 ausgeworfen wird, strömt demgemäss in den Partikelfilter 100 ohne Verringern der Strömungsrate und abgekühlt zu werden. Wie vorhergehend unter Bezugnahme auf 28 diskutiert wurde, wird der Anstieg der Filtertemperatur relativ zu der Temperatur des Abgases mit einem Anstieg der Temperatur des einströmenden Abgases verstärkt. Die große Durchflussrate verstärkt den Druckanstieg des Filters und dadurch den Anstieg der Filtertemperatur (siehe Gleichung (4), die vorstehend angegeben ist).
Wie in 8 gezeigt ist, gibt es einen Spalt 124 zwischen der äußeren Umfangswand des Partikelfilters 100 und der inneren Umfangswand des Filterhalters 40. Der Flansch des Partikelfilters 100 ist über die Wärmeisolierenden Elemente 120 und 122 angeordnet. Dieser Aufbau verhindert wirksam, dass die bei dem Partikelfilter 100 erzeugte Wärme auf den Filterhalter 40 und den Abgaskrümmer 16 übertragen wird. Die Anordnung ermöglicht somit, dass die bei dem Partikelfilter 100 erzeugte Wärme bei dem Filter 100 bleibt, ohne dass sie zu dem Filterhalter 40 und dem Abgaskrümmer 16 übertragen wird, wobei sich somit der dynamische Druck des Abgases effizient zu der Filtertemperatur umwandelt.
Es ist vorzuziehen, dass der zwischen der äußeren Umfangswand des Partikelfilters 100 und der inneren Umfangswand des Filterhalters 40 definierte Spalt 124 so eingerichtet ist, dass er nicht größer als 1 mm ist. Das Einrichten eines ausreichend kleinen Werts, nämlich eines Werts von nicht mehr als 1 mm für den Spalt, begrenzt die Strömung des Abgases innerhalb des Spalts. Wenn das Abgas innerhalb des Spalts 124 fluidisiert wird, nimmt das Abgas Wärme von der Seitenwand des Partikelfilters 100 auf und überträgt die Wärme auf den Filterhalter 40. Es wird nämlich Wärme, obgleich nur eine geringe Menge, von dem Filter auf den Filterhalter übertragen. Der Spalt 124 von nicht mehr als 1 mm verhindert wirksam die Übertragung einer derartig kleinen Wärmemenge.
B. Versuchsergebnisse
Das Folgende beschreibt die Ergebnisse verschiedenartiger Versuche, bei denen die Partikelfilter 100, die vorstehend diskutiert sind, auf den Dieselverbrennungsmotor angewendet werden.
B-1. Ergebnisse des Verbrennungsmotorversuchs
9 ist eine Grafik, die Veränderungen des beobachteten Differenzialdrucks vor und nach dem Filter, der beobachteten Temperatur des in den Filter strömenden Abgases und der beobachteten Filtertemperatur an dem Filterauslass zeigt, als der Partikelfilter 100 des Ausführungsbeispiels auf einen 4-Zylinder-Dieselverbrennungsmotor angewendet wurde und ein Verbrennungsmotorversuch unter den Bedingungen eines stationären Antriebs durchgeführt wurden. Die Abszisse von 9 zeigt die Betriebszeit des Verbrennungsmotors. Der 4-Zylinder-Dieselverbrennungsmotor mit einem Hubraum von 4,3 L wurde stationär unter den Bedingungen der Verbrennungsmotordrehzahl von 1630 Umdrehungen pro Minute und dem Drehmoment von 95 Nm angetrieben. Die Temperatur des Abgases wurde an der stromaufwärtigen Position von ungefähr 50 mm entfernt von dem Filter unter Vermeiden der Wirkungen der Strahlung von dem Filter gemessen.
Wie in der Grafik von 9 gezeigt ist, war die Temperatur des Abgases, das in den Partikelfilter 100 strömte, im Wesentlichen feststehend bei ungefähr 380°C. Die Filtertemperatur andererseits stieg allmählich an und erreichte 550°C bei ungefähr 1,5 Stunden nach dem Start der Messung. Die Filtertemperatur stieg fortgesetzt an und erreichte letztendlich 575°C. Die Filtertemperatur war höher als die Temperatur des in den Filter einströmenden Abgases um ungefähr 40°C bis 50°C unmittelbar nach dem Start der Messung. Das wird der Umwandlung der Fluidisierungsenergie des Abgases in Wärme in dem Partikelfilter 100 zugeschrieben, wie vorhergehend beschrieben wurde.
Wie vorhergehend erwähnt ist, wird überlegt, dass die Kohlenstoff enthaltenden Partikel, wie Ruß, die in dem Abgas enthalten sind, einer Verbrennung nur bei hohen Temperaturen von nicht niedriger als 550°C ausgesetzt werden. Der allmähliche Anstieg der Filtertemperatur bei der im Wesentlichen feststehenden Temperatur von 380°C des in den Filter einströmenden Abgases kann dem Phänomen zugeschrieben werden, dass die Kohlenwasserstoffbestandteile, die andere als Ruß sind, die in dem Abgas enthalten sind, durch den Partikelfilter gesammelt werden und einer exothermen Reaktion mit Sauerstoff in dem Abgas ausgesetzt werden. Wenn die Filtertemperatur 550°C erreicht, beginnen die Kohlenstoff enthaltenden Partikel, wie z.B. Ruß, die an dem Filter gesammelt werden, eine Verbrennung.
Die Grafik von 9 zeigt ebenso eine Veränderung des beobachteten Differenzialdrucks vor und nach dem Filter.
Der Differenzialdruck vor und nach dem Filter stieg unmittelbar nach dem Start der Messung an und wurde dann praktisch unverändert im Ganzen gehalten. Genauer gesagt stieg der Differenzialdruck allmählich unmittelbar nach dem Start der Messung an und neigte dazu sich zu verringern, als die Filtertemperatur ihr Maximum erreichte.
10 ist eine Grafik, die eine Veränderung des Differenzialdrucks vor und nach dem Filter zeigt, als der Betrieb des Dieselverbrennungsmotors unter den gleichen Antriebsbedingungen wie denjenigen von 9 fortgesetzt wurde. Der Differenzialdruck vor und nach dem Filter hat sich geringfügig verändert, aber er neigte nicht dazu, im Verlauf des fortgesetzten Betriebs des Verbrennungsmotors anzusteigen. Im Allgemeinen wird erwartet, dass der fortgesetzte Betrieb des Dieselverbrennungsmotors, wobei der Filter die Kohlenstoff enthaltenden Partikel in der Emission sammelt, verursacht, dass der Filter verstopft wird und der Differenzialdruck ansteigt, außer die gesammelten Partikel werden durch irgendein Verfahren behandelt. Wie vorstehend beschrieben ist, neigt jedoch der Differenzialdruck vorher und nachher in dem Fall des Partikelfilters des Ausführungsbeispiels nicht dazu, anzusteigen. Es wird demgemäss überlegt, dass die gesammelten Kohlenstoff enthaltenden Partikel einer Verbrennung an dem Filter ungeachtet der niedrigen Temperatur von 380°C des Abgases ausgesetzt werden, das in den Filter strömt. Als die Last des Verbrennungsmotors bei 18 Stunden nach dem Start der Messung vergrößert wurde, verringerte sich der Differenzialdruck vor und nach dem Filter, wie durch den Pfeil in der Grafik gezeigt ist. Die vergrößerte Last hebt die Temperatur des Abgases an, das in den Filter einströmt, und beschleunigt die Verbrennung der Kohlenstoff enthaltenden Partikel, die an dem Filter gesammelt sind.
11 ist eine Grafik, die beobachtete Druckveränderungen in einer Abgasleitung während der Betriebe des Dieselverbrennungsmotors zeigt. Bei dem Dieselverbrennungsmotor wird in dem Augenblick der Öffnung eines Auslassventils das Hochdruckabgas in der Brennkammer über das Auslassventil ausgeworfen und strömt in der Abgasleitung als eine Druckwelle. Wie in 11 gezeigt ist, gab es eine signifikante Veränderung an der stromaufwärtigen Seite des Partikelfilters 100 in dem Augenblick der Öffnung des Auslassventils. Die Druckwelle wurde andererseits an der stromabwärtigen Seite des Partikelfilters 100 abrupt abgeschwächt. Das zeigt, dass die Strömung des Abgases, das in die Abgasleitung gleichzeitig mit dem Öffnen des Auslassventils ausgeworfen wird, abgeschwächt und in Wärme umgewandelt wird, während es durch den Partikelfilter 100 des Ausführungsbeispiels tritt.
Wie vorstehend unter Bezugnahme auf die 9 bis 11 beschrieben ist, sammelt der Partikelfilter 100 des Ausführungsbeispiels wirksam die Kohlenstoff enthaltenden Partikel, die in dem Abgas von dem Dieselverbrennungsmotor enthalten sind, und setzt die gesammelten Partikel einer Verbrennung ohne jegliche spezielle Steuerung aus. Der geschätzte Mechanismus zum Erhalten einer derartigen Verbrennung wird später diskutiert.
B-2. Ergebnisse des Fahrzeugversuchs
Das Folgende beschreibt die Ergebnisse von Versuchen mit dem Partikelfilter 100 des Ausführungsbeispiels, der auf den Dieselverbrennungsmotor angewendet wird, der an dem Fahrzeug montiert ist. Jeder der Versuche hat die Temperatur des Abgases, das in den Partikelfilter 100 einströmt, die Filtertemperatur und den Differenzialdruck vor und nach dem Filter gemessen, während das Fahrzeug gemäß einem vorbestimmten Antriebsschema gefahren wird, das eine Beschleunigung und Verzögerung wiederholte. Zwei Antriebsschemen, "10-Runden-Schema" und "11-Runden-Schema", wie in 12 gezeigt ist, wurden hauptsächlich für die Versuche verwendet.
Das 10-Runden-Schema wiederholt eine Reihe von Antriebsschemen, bei dem das Fahrzeug von einer angehaltenen Bedingung auf die Geschwindigkeit von 60 km pro Stunde beschleunigt wird und dann von der Geschwindigkeit von 60 km pro Stunde zu der angehaltenen Bedingung 10mal verzögert wird. Das 11-Runden-Schema fügt eine weitere Reihe eines Antriebsschemas hinzu, bei dem das Fahrzeug von der angehaltenen Bedingung auf die Geschwindigkeit von 100 km pro Stunde beschleunigt wird und dann von der Geschwindigkeit von 100 km pro Stunde auf die angehaltene Bedingung als eine 11. Runde nach dem 10-Runden-Schema verzögert.
(1) Versuchsergebnisse bei dem 10-Runden-Lauf
13 ist eine Grafik, die Messergebnisse der Temperatur des Abgases, das in den Partikelfilter 100 einströmt, der Filtertemperatur und des Differenzialdrucks vor und nach dem Filter im Verlauf eines Laufs zeigt, der das 10-Runden-Muster wiederholt.
Wie dargestellt ist, veränderte sich die Temperatur des Abgases, das in den Filter einströmt, in dem Bereich von 370°C bis 400°C während eines Laufs. Die Filtertemperatur betrug 400°C unmittelbar nach dem Start der Messung und stieg auf ungefähr 520°C allmählich an. Die höhere Filtertemperatur als die Temperatur des Abgases, das in den Filter strömt, nämlich um ungefähr 30°C unmittelbar nach dem Start der Messung wird der Umwandlung der Fluidisierungsenergie des Abgases in Wärme in dem Filter zugeschrieben, wie vorhergehend beschrieben ist. Der Partikelfilter 100 hat einen adiabatischen Aufbau, so dass die Filtertemperatur rasch ansteigt.
Die Filtertemperatur stieg abrupt an, um momentan 650°C zu erreichen, bei der Fahrdistanz von ungefähr 140 km und fiel rasch auf ungefähr 470°C ab. Der abrupte Anstieg der Filtertemperatur wird der heftigen Verbrennung der Kohlenstoff enthaltenden Partikel und der Kohlenwasserstoffbestandteile in dem Abgas zugeschrieben, die an dem Partikelfilter gesammelt werden. Die nachfolgende rasche Verringerung der Filtertemperatur ist einer Verringerung der Menge der Partikel zuzuführen, die der Verbrennung ausgesetzt werden. Der Differenzialdruck vor und nach dem Filter wurde abrupt aufgrund der Verbrennung der gesammelten Partikel verringert.
Die Filtertemperatur, die einmal auf 470°C aufgrund der Beendigung der Verbrennung der Kohlenstoff enthaltenden Partikel abgefallen war, die an dem Filter gesammelt werden, stieg allmählich mit dem weiteren Fortschritt der Fahrt an. Die Filtertemperatur erreichte ungefähr 520°C, stieg erneut abrupt an, um momentan 600°C bei der Fahrdistanz von ungefähr 390 km zu erreichen, und fiel rasch auf ungefähr 490°C ab. Wie in dem Moment der 140 km-Fahrdistanz wird erwartet, dass die Kohlenstoff enthaltenden Partikel, die an dem Partikelfilter gesammelt werden, einer heftigen Verbrennung in diesem Moment ausgesetzt werden.
Der Differenzialdruck vor und nach dem Filter, die Temperatur des Abgases, das in den Filter strömt und die Filtertemperatur veränderten sich, unmittelbar nachdem die Filtertemperatur bei der Fahrdistanz von 390 km abrupt angestiegen ist und erneut auf ungefähr 490°C abgefallen ist. Das liegt daran, dass das Fahrzeug bei der Geschwindigkeit von 30 km pro Stunde für 5 Minuten zum Zweck der Inspektion gefahren wurde. Die Verringerung der Fahrzeuggeschwindigkeit auf das Niveau von 30 km pro Stunde verringerte die Filtertemperatur auf ungefähr 420°C. Wie später beschrieben wird, werden die Reaktionen der Kohlenstoff enthaltenden Partikel und der Kohlenwasserstoffbestandteile auf unterhalb der Bedingung der Fahrzeuggeschwindigkeit von 30 km pro Stunde aufrechterhalten.
Wie in 13 gezeigt ist, werden während des Laufs des 10-Runden-Schemas das Sammeln und die Verbrennung der Kohlenstoff enthaltenden Partikel und der Kohlenwasserstoffbestandteile in dem Abgas an dem Filter wiederholt. Der Differenzialdruck vor und nach dem Filter wird geringfügig mit dem Fortschritt der wiederholten Sammlung und Verbrennung verändert, aber wird praktisch stabilisiert. Es gibt kein Zeichen einer Verschmutzung des Filters mit dem Fortschritt des Laufs.
(2) Versuchsergebnisse bei dem 11-Runden-Lauf
14 ist eine Grafik, die die Messergebnisse der Filtertemperatur des Partikelfilters 100 und des Differenzialdrucks vor und nach dem Filter in dem Verlauf eines Laufs zeigt, der das 11-Runden-Schema wiederholt.
Wie vorstehend unter Bezugnahme auf 12 erwähnt ist, fügt das 11-Runden-Antriebsschema eine weitere Reihe eines Antriebsschemas hinzu, bei dem das Fahrzeug von der angehaltenen Bedingung auf die Geschwindigkeit von 100 km pro Stunde beschleunigt wird und dann von der Geschwindigkeit von 100 km pro Stunde auf die angehaltene Bedingung verzögert wird, als die 11. Runde nach dem 10-Runden-Schema. Die Filtertemperatur erreicht während der Beschleunigung der 11. Runde zeitweilig 600°C. Es wird erwartet, dass die Kohlenstoff enthaltenden Partikel, die an dem Filter gesammelt sind, einer Verbrennung in diesem Augenblick ausgesetzt werden. Das Fahrzeug fährt nämlich gemäß dem 11-Runden-Schema, während die gesammelten Partikel regulär der Verbrennung während der Beschleunigung der 11. Runde ausgesetzt werden. Die Veränderungen der Filtertemperatur und des Differenzialdrucks über den Filter mit dem Fortschritt der Fahrt wurden vor und nach der Beschleunigung der 11. Runde gemessen. Die Messwerte "vor der Beschleunigung der 11. Runde" stellen die beobachteten Werte bei der Zeitabstimmung der Beschleunigung der 10. Runde dar und die Messwerte "nach der Beschleunigung der 11. Runde" stellen die beobachteten Werte bei der Zeitabstimmung der Beschleunigung der 1. Runde dar.
Die Grafik von 14 zeigt die Veränderungen der Filtertemperatur und des Differenzialdrucks über den Filter vor und nach der Beschleunigung der 11. Runde in dem 11-Runden-Lauf. Die geschlossenen Kreise stellen die Messergebnisse vor der Beschleunigung der 11. Runde dar (nämlich die Zeit der Beschleunigung der 10. Runde). Die offenen Kreise stellen die Messergebnisse nach der Beschleunigung der 11. Runde dar (nämlich die Zeit der Beschleunigung der 1. Runde). Die Temperatur des Abgases, das in den Partikelfilter strömt, war im Wesentlichen feststehend bei 400°C. Zur Vereinfachung der Erklärung werden "vor der Beschleunigung der 11. Runde" und "nach der Beschleunigung der 11. Runde" jeweils als "vor der Beschleunigung auf 100 km pro Stunde" und "nach der Beschleunigung auf 100 km pro Stunde" ausgedrückt.
Wie in 14 gezeigt ist, verändern sich die Filtertemperatur und der Differenzialdruck vor und nach dem Filter grob auf die folgende Art und Weise während des Laufs des 11-Runden-Schemas. Während der Differenzialdruck nach der Beschleunigung auf 100 km pro Stunde (durch die offenen Kreise ausgedrückt) niedrig gehalten wurde, stieg der Differenzialdruck nach der Fahr mit niedriger Geschwindigkeit der 10 Runden bis auf die Fahrzeuggeschwindigkeit von 60 km pro Stunde und vor der Beschleunigung auf 100 km pro Stunde (durch die geschlossenen Kreise ausgedrückt) allmählich an. Die Filtertemperatur erreicht 600°C während der Beschleunigung auf 100 km pro Stunde und der gesammelte Ruß startet die Verbrennung. Das kann der Grund sein, warum die Filtertemperatur und der Differenzialdruck über den Filter sich nach der Beschleunigung auf 100 km pro Stunde verringern.
Die Filtertemperatur vor der Beschleunigung auf 100 km pro Stunde (durch die geschlossenen Kreise ausgedrückt) war im Wesentlichen 460°C in dem Bereich der Fahrdistanz bis 2000 km nach dem Start der Fahrt, stieg allmählich in dem Bereich der Fahrdistanz von 2000 km bis 3000 km an und war praktisch stabil bei einer Temperatur, die 500°C überstieg, in dem Bereich der Fahrdistanz nach 3000 km. Die Fahrt wird demgemäss in drei Dauern gemäß der Fahrdistanz geteilt, die Anfangsdauer bis 2000 km, die Übergangsdauer zwischen 2000 km und 3000 km und die Dauer nach 3000 km. In der Anfangsdauer von dem Start der Fahrt bis zu der Fahrdistanz von 2000 km mit der niedrigen Filtertemperatur werden die Kohlenwasserstoffbestandteile der Reaktion während der Fahrt mit niedriger Geschwindigkeit der 10 Runden ausgesetzt, während die Kohlenstoff enthaltenden Partikel, wie Ruß, der Verbrennung während der Fahrt mit hoher Geschwindigkeit der 11. Runde ausgesetzt werden. In der Dauer der Fahrdistanz nach 3000 km erreicht andererseits die Filtertemperatur intermittierend 550°C auch während der Fahrt mit niedriger Geschwindigkeit der 10 Runden, um die Verbrennung der gesammelten Kohlenstoff enthaltenden Partikel zu starten.
Die Differenz zwischen der Filtertemperatur vor der Beschleunigung auf 100 km pro Stunde und der Filtertemperatur nach der Beschleunigung war ungefähr 20°C in der Anfangsdauer von dem Start der Fahrt bis zu der Fahrdistanz von 2000 km, und stieg auf ungefähr 50°C in der Dauer der Fahrdistanz nach 3000 km an. Das wird einer Teilverbrennung des Rußes auch während der Fahrt mit niedriger Geschwindigkeit der 10 Runden in der Dauer der Fahrdistanz nach 3000 km zugeschrieben.
(3) Versuchsergebnisse in dem Lauf mit extrem niedriger Geschwindigkeit
Wie vorhergehend unter Bezugnahme auf 13 beschrieben ist, wird die Filtertemperatur mit einer Verringerung der Fahrzeuggeschwindigkeit auf 30 km pro Stunde während eines 10-Runden-Laufs abrupt abgesenkt. Das bedeutet jedoch nicht keine Verbrennung der gesammelten Kohlenstoff enthaltenden Partikel während der Fahrt mit niedriger Geschwindigkeit. Die gesammelten Kohlenstoff enthaltenden Partikel werden einer Verbrennung auch während der Fahrt mit niedriger Geschwindigkeit von 30 km pro Stunde ausgesetzt. 15 ist eine Grafik, die die Messergebnisse der Filtertemperatur während eines Laufs eines Fahrschemas mit extrem niedriger Geschwindigkeit zeigt, das eine Beschleunigung und Verzögerung zwischen der angehaltenen Bedingung und der Fahrzeuggeschwindigkeit von 30 km pro Stunde wiederholt. Die Temperatur des Abgases, das in den Filter strömt, betrug ungefähr 300°C. Wie in der Grafik dargestellt ist, stieg während der Fahrt mit extrem niedriger Geschwindigkeit die Filtertemperatur allmählich an und erreichte 500°C bei der Fahrdistanz von 160 km. Die Filtertemperatur wiederholte eine derartige Veränderung, während der Differenzialdruck über den Filter stabilisiert war. Es gab nämlich kein Zeichen einer Verstopfung des Filters.
(4) Versuchsergebnisse bei einem Vergleichsbeispiel
16 ist eine Grafik, die Messergebnisse der Filtertemperatur und des Differenzialdrucks vor und nach dem Filter während eines Laufs mit einem Partikelfilter zeigt, der aus einem hitzbeständigen Metall, einem Vlies mit einer Verteilung eines Porendurchmessers besteht, der zum Vergleich kleiner als ein voreingestellter Bereich ist. Der Lauf folgte dem 10-Runden-Antriebsmuster.
Wie in 16 gezeigt ist, übersteigt dann, wenn der Vliesstoff des hitzebeständigen Metalls die kleine ungeeignete Verteilung des Porendurchmessers hat, der Differenzialdruck vor und nach dem Filter 100 kPa bei der Fahrdistanz von 80 km. Das zerstört den Partikelfilter. Der Gegendruck steigt aufgrund der Verstopfung des Filters an und dadurch steigt die Temperatur des Abgases an, das in den Filter strömt. Anders als bei dem Partikelfilter des Ausführungsbeispiels gibt es kein Phänomen, dass die Filtertemperatur sich allmählich von der Temperatur des Abgases entfernt, das in den Filter strömt. Wenn der Vliesstoff des hitzebeständigen Metalls die kleine Verteilung des Porendurchmessers hat, wird der Filter mit Kohlenstoff enthaltenden Partikel in dem Abgas verstopft. Das führt zu einer unzureichenden Zufuhr von Sauerstoff in dem Abgas zu den gesammelten Kohlenwasserstoffbestandteilen, und es gibt keine exothermen Reaktionen der Kohlenwasserstoffbestandteile mit Sauerstoff. Wenn der Vliesstoff geeignete Abmessungen, die bei dem Partikelfilter des Ausführungsbeispiels hat, wird andererseits Sauerstoff in dem Abgas ausreichend zu den gesammelten Kohlenstoff enthaltenden Partikeln und Kohlenwasserstoffbestandteilen zugeführt, um die exothermen Reaktionen der Kohlenwasserstoffbestandteile mit Sauerstoff auch in dem Abgas mit einer relativ niedrigen Temperatur aufrechtzuerhalten. Mit dem Fortschritt der Reaktionen werden die Reaktionswärme oder die aktive Form, die durch die Reaktion erzeugt wird, zum Starten der Verbrennung der gesammelten Kohlenstoff enthaltenden Partikel und zum Erhalten der Spontanregenerationsfunktion akkumuliert.
B-3. Geschätzter Mechanismus der Spontanregenerationsfunktion
Der Mechanismus des Phänomens, das in dem Partikelfilter 100 des Ausführungsbeispiels auftritt, nämlich das Phänomen, dass die Kohlenstoff enthaltenden Partikel, die an dem Filter gesammelt werden, eine Verbrennung auch in dem Abgas mit einer niedrigeren Temperatur als der brennfähigen Temperatur starten, wurde noch nicht vollständig erklärt. Im Folgenden wird der geschätzte Mechanismus dieser spontanen Regenerationsfunktion betrachtet.
Bekannt ist, dass das Abgas von dem Dieselverbrennungsmotor die Kohlenstoff enthaltenden Partikel und die Kohlenwasserstoffbestandteile mit einem Verhältnis enthält, das in 17 gezeigt ist. Grob gesagt weist das Abgas praktisch ähnliche Fraktionen der Kohlenstoff enthaltenden Partikel dem Kraftstoff zuzuschreibende Kohlenwasserstoffbestandteile und dem Schmieröl zuzuschreibende Kohlenwasserstoffbestandteile auf. Die Kohlenstoff enthaltenden Partikel, wie z.B. Ruß, werden der Verbrennung bei Temperaturen von weniger als 550°C auch in der Atmosphäre des Sauerstoff-enthaltenden Abgases nicht ausgesetzt. Es wird erwartet, dass andererseits die dem Kraftstoff zuzuschreibenden Kohlenwasserstoffbestandteile und die dem Schmieröl zuzuschreibenden Kohlenwasserstoffbestandteile der Oxidationsreaktion auch bei einer Temperatur von niedriger als 550°C unter der Bedingung einer ausreichenden Sauerstoffzufuhr ausgesetzt werden.
Das Phänomen, dass die Kohlenstoff enthaltenden Partikel, die an dem Vliesstoff des hitzebeständigen Metalls gesammelt werden, eine Verbrennung auch in dem Abgas mit einer niedrigeren Temperatur als der brennfähigen Temperatur der Kohlenstoff enthaltenden Partikel starten, tritt in dem Fall des Vliesstoffs mit einem ungeeigneten Porendurchmesser oder in dem Fall eines herkömmlich verwendeten keramischen Wabenfilters nicht auf. Wie vorher beschrieben ist, tritt dieses Phänomen auf, wenn der Vliesstoff mit den Abmessungen in dem vorbestimmten Bereich verwendet wird, um die Kohlenstoff enthaltenden Partikel und die Kohlenwasserstoffbestandteile verteilt zu sammeln, was die jeweiligen Partikel und Kohlenwasserstoffbestandteile in Kontakt mit dem Sauerstoff bringt, die in dem Abgas enthalten sind. Der geschätzte Mechanismus davon, wie der Vliesstoff des Ausführungsbeispiels die Kohlenstoff enthaltenden Partikel verteilt sammelt, wird später diskutiert.
Es gibt ebenso eine Veränderung der Temperatur des Vliesstoffs. Wenn das Sammeln der Kohlenstoff enthaltenden Partikel und der Kohlenwasserstoffbestandteile sich über eine gewisse Zeitdauer bei Temperaturen fortsetzt, die niedriger als die brennfähige Temperatur der Kohlenstoff enthaltenden Partikel ist, steigt die Temperatur des Vliesstoffs allmählich an und erreicht letztendlich 550°C, nämlich die brennfähige Temperatur der Kohlenstoff enthaltenden Partikel.
Es wird demgemäss angenommen, dass das folgende Phänomen bei dem Vliesstoff auftritt, wenn der Partikelfilter 100 seine Spontanregenerationsfunktion ausübt. Die Kohlenstoff enthaltenden Partikel und die Kohlenwasserstoffbestandteile in dem Abgas werden verteilt in dem Vliesstoff gesammelt. Die Temperatur des Abgases, das in den Filter strömt, ist niedriger als die brennfähige Temperatur der Kohlenstoff enthaltenden Partikel. Die gesammelten Partikel starten somit nicht unmittelbar die Verbrennung, während die Kohlenwasserstoffbestandteile eine gewisse Reaktion mit Sauerstoff in dem Abgas starten. Da die Filtertemperatur allmählich ansteigt, wird diese Reaktion als eine sanfte exotherme Reaktion betrachtet. Wenn diese exotherme Reaktion sich über eine Weile fortsetzt, wird die Reaktionswärme akkumuliert oder werden Aktivformen, die durch die Reaktion erzeugt werden, akkumuliert, um eine Verbrennung der Kohlenstoff enthaltenden Partikel zu starten.
In dem Fall des Kordierit-Wabenfilters oder des Vliesstoffs mit einem ungeeigneten Porendurchmesser oder einer anderen Abmessung ist es schwierig, die Kohlenstoff enthaltenden Partikel und die Kohlenwasserstoffbestandteile in einer höchst verteilten Art und Weise zu sammeln, um die jeweiligen Partikel und Kohlenwasserstoffbestandteile in Kontakt mit Sauerstoff in dem Abgas zu bringen. Das führt zu einer unzureichenden Zufuhr von Sauerstoff und schreitet die sanfte exotherme Reaktion der Kohlenwasserstoffbestandteile mit Sauerstoff in dem Abgas nicht voran. Die Reaktionswärme oder die aktiven Formen, die durch die Reaktion erzeugt werden, werden somit nicht akkumuliert. Diese Filter üben demgemäss nicht die Spontanregenerationsfunktion aus, die bei dem Partikelfilter des Ausführungsbeispiels aufgefunden wird.
Die höhere Temperatur des Abgases, das in den Filter strömt, verursacht, dass die Filtertemperatur einfach die brennfähige Temperatur der Kohlenstoff enthaltenden Partikel erreicht. Intuitiv wird überlegt, dass das zu einer einfachen Verbrennung der gesammelten Kohlenstoff enthaltenden Partikel führt. In dem gegenwärtigen Zustand kann jedoch die übermäßig hohe Temperatur des Abgases, das in den Filter strömt, die Ausübung der Spontanregenerationsfunktion und die sich ergebende Verbrennung der Kohlenstoff enthaltenden Partikel stören. Das kann der Tatsache zugeschrieben werden, dass die hohe Temperatur des Abgases den Pfad der Reaktion der Kohlenwasserstoffbestandteile mit Sauerstoff ändert und dadurch eine Akkumulation der aktiven Formen verhindert, die durch die Reaktion erzeugt werden.
18 zeigt konzeptartig eine Simulation einer Vorreaktion eines Kohlenwasserstoffbestandteils, der an dem Vliesstoff gesammelt wird, mit Sauerstoff in dem Abgas unter einer Temperaturbedingung, die niedriger als die brennfähige Temperatur der Kohlenstoff enthaltenden Partikel ist. Hier ist der gesammelte Kohlenwasserstoffbestandteil Butan (C₄H₁₀) und wird die chemische Reaktion des Butanmoleküls mit Sauerstoff durch eine chemische Berechnung simuliert. Eine Vielzahl von Techniken wurde für die chemische Berechnung vorgeschlagen. Die hier angenommene Technik ist eine halb-experimentelle Technik, die experimentelle Daten für Teile verwendet, bei denen Schwierigkeiten der Berechnung vorhanden sind, und eine Wellenfunktion löst, die den Elektronenraum des Moleküls darstellt, um die chemische Reaktion nachzuverfolgen.
Gemäß den Ergebnissen der Berechnung löst sich ein Wasserstoffatom aus dem Butanmolekül, um die Reaktion zu starten, wie in 18(a) gezeigt ist. Das Butanmolekül, das ein Wasserstoffatom verliert, hat ein ungepaartes Elektron, mit dem Sauerstoff in dem Abgas verbunden wird. Der kleine geschlossene Kreis in der Zeichnung stellt den Ort des ungepaarten Elektrons dar. Sauerstoff entzieht ein Wasserstoffatom aus einem unterschiedlichen Ort, wenn es mit dem Butanmolekül verbunden wird. Es gibt dementsprechend ein neues ungepaartes Elektron an der Position des entzogenen Wasserstoffatoms. Sauerstoff in dem Abgas wird ebenso mit der Position des neuen ungepaarten Elektrons verbunden. Das Butanmolekül wird allmählich mit Sauerstoff in dem Abgas auf diese Art und Weise verbunden, um eine teilweise oxidierte aktive Form zu erzeugen. Diese Oxidationsreaktion ist exotherm. Wenn die Reaktion voranschreitet, steigt die Temperatur an und wird die teilweise oxidierte aktive Form akkumuliert.
Wenn die Reaktion in der ersten Stufe voranschreitet, steigt die Temperatur an und wird die teilweise oxidierte aktive Form akkumuliert. Die Reaktion läuft dann zu einer zweiten Stufe, bei der ein OH-Radikal aus der aktiven Form erzeugt wird, die durch eine teilweise Oxidation des Butanmoleküls erhalten wird, wie in 18(b) gezeigt ist. Das OH-Radikal ist höchst reaktiv und verursacht eine abrupte Verbrennung der verbleibenden Kohlenwasserstoffbestandteile und der Kohlenstoff enthaltenden Partikel.
Gemäß den Ergebnissen der Berechnung führt eine ausreichende Akkumulation der teilweise oxidierten aktiven Form in der ersten Stufe der Reaktion zu einer Erzeugung einer größeren Menge des OH-Radikals in der zweiten Stufe der Reaktion, was somit eine abrupte Verbrennung der verbleibenden Kohlenwasserstoffbestandteile und der Kohlenstoff enthaltenden Partikel verursacht. Ein Kohlenwasserstoffbestandteil, der eine größere Anzahl von Kohlenstoffatomen als das Butanmolekül enthält, ermöglicht, dass eine größere Anzahl von Sauerstoffatomen mit einem Molekül verbunden wird. Das führt zu der Erzeugung einer größeren Menge der OH-Radikale für die abrupte Verbrennung. In der zweiten Dauer, die in 27 gezeigt ist, wie vorstehend beschrieben ist, durchlaufen die Kohlenwasserstoffbestandteile und der Sauerstoff, der in dem Abgas enthalten ist, Reaktionen an dem Partikelfilter, wie in 18 gezeigt ist. Wenn die Reaktionswärme oder die durch die Reaktion erzeugte aktive Form ausreichend akkumuliert wird, beginnen die Kohlenstoff enthaltenden Partikel, die an dem Filter gesammelt sind, eine Verbrennung.
B-4. Sammelmodell
Wie vorstehend beschrieben ist, besteht der Partikelfilter 100 des Ausführungsbeispiels aus dem Vliesstoff mit den vorbestimmten Abmessungen und ist somit fähig, die Kohlenstoff enthaltenden Partikel und die Kohlenwasserstoffbestandteile in dem Abgas verteilt zu sammeln. Es wird geschätzt, dass der nachstehend diskutierte Mechanismus aktiv die Partikel, wie z.B. Ruß in dem Vliesstoff aufnimmt und sammelt. Der geschätzte Sammelmechanismus wird nachstehend kurz beschrieben.
19 zeigt konzeptartig den Querschnittsaufbau eines Vliesstoffs eines hitzebeständigen Metalls. Die schraffierten Kreise in der Zeichnung stellen jeweils die Querschnitte der Fasern es Vliesstoffs dar. Der Vliesstoff besteht aus vielzähligen Fasern, die verschlungen sind, und hat vielzählige dreidimensionale Pfade, die sich miteinander auf eine komplizierte Art und Weise verbinden.
19(a) zeigt konzeptartig den Querschnittsaufbau eines neuen Vliesstoffs. Hier wird angenommen, dass das Abgas nach unten strömt. Aufgrund der Veränderung der Verteilung der Fasern werden Öffnungen mit verschiedenartigen Abmessungen an der Fläche des Vliesstoffs ausgebildet. Auch die kleine Öffnung ist ausreichend groß für die Gasmoleküle in dem Abgas. Die Strömung des Abgases tritt somit durch die gesamte Fläche des Vliesstoffs in einer praktisch einheitlichen Art und Weise. In der Zeichnung von 19(a) werden die Strömungen des Abgases zwischen den Fasern des Vliesstoffs schematisch durch die dicken Pfeile ausgedrückt.
Wenn die Strömung des Abgases durch den Vliesstoff tritt, werden Partikel, wie z.B. Ruß, die in dem Abgas enthalten sind, zwischen den Fasern eingefangen und verstopfen allmählich die Öffnungen an der Fläche des Vliesstoffs. Die kleinen Öffnungen an der Fläche des Vliesstoffs werden mit Partikeln, wie z.B. Ruß, verstopft und die Strömungen des Abgases gehen zu den nicht verstopften aber verbleibenden relativ großen Öffnungen über, wie in 19(b) gezeigt ist. Die Strömungen des Abgases, die durch den Vliesstoff treten, treffen demgemäss auf die Strömungen von den nicht verstopften aber verbleibenden relativ großen Öffnungen an der Fläche zusammen. In der Zeichnung von 19(b) werden die Partikel, wie z.B. Ruß, schematisch durch die kleinen geschlossenen Kreise ausgedrückt.
Die integrierte Strömung des Abgases erhöht die Strömungsgeschwindigkeit und verursacht einen signifikanten Druckgradienten in dem Pfad. Dieses Phänomen kann mit der Kollision der Strömung gegen die Fasern des Vliesstoffs zum Erzeugen eines hohen Drucks verglichen werden. Wie vorhergehend erwähnt ist, stehen die Pfade, die innerhalb des Vliesstoffs ausgebildet sind, miteinander auf eine komplizierte Art und Weise in Verbindung. Der höhere Druck der integrierten Strömung in dem Pfad verursacht, dass die Strömung unmittelbar zu anderen Pfaden abzweigt. Der Differenzialdruck vor und nach dem Vliesstoff erhöht sich somit nicht auf oder über ein voreingestelltes Niveau, sondern wird in einem feststehenden Bereich gehalten.
19(c) zeigt konzeptartig die Hauptströmung, die zu anderen Pfaden abzweigt. Wenn die Strömung des Abgases in dem Vliesstoff abzweigt, werden die Kohlenstoff enthaltenden Partikel, wie z.B. Ruß, die in dem Abgas enthalten sind, durch die gesamte Fläche des Vliesstoffs gesammelt. Auch wenn ein gewisser Ort in dem Vliesstoff mit Ruß verstopft ist, gestattet die dreidimensionale Verbindung der Pfade, dass die Strömung unmittelbar zu den anderen Pfaden abzweigt. Auch wenn nämlich ein gewisser Ort in dem Vliesstoff mit Ruß und den anderen Partikeln verstopft ist, wird der Strömungspfad des Abgases automatisch zu neuen Pfaden geändert. Diese Anordnung stellt die verteilte Sammlung des Rußes und der anderen Partikel sicher.
Wie vorstehend beschrieben ist, wird der Partikelfilter 100 des Ausführungsbeispiels für die Sammlung der Kohlenstoff enthaltenden Partikel, wie z.B. Ruß, die in dem Abgas enthalten sind, und eine Spontanverbrennung des gesammelten Rußes und der anderen Partikel verwendet. Diese Anordnung reguliert und verringert einfach die Kohlenstoff enthaltenden Partikel, die in dem Abgas enthalten sind, ohne jegliche spezielle Steuerung.
Da die gesammelten Kohlenstoff enthaltenden Partikel spontan eine Verbrennung starten, ist keine arbeitsaufwendige Behandlung erforderlich, um den Sammelzustand des Rußes zu schätzen und die Verbrennung zu starten. Diese Anordnung stellt die wirksame Regulierung und Verringerung der Kohlenstoff enthaltenden Partikel in dem Abgas sicher.
Die gesammelten Kohlenstoff enthaltenden Partikel, wie z.B. Ruß, und Kohlenwasserstoffbestandteile starten spontan eine Verbrennung, so dass es keine Möglichkeit gibt, dass der Filter verstopft und zerstört wird.
Die einfache Anbringung des Partikelfilters des Ausführungsbeispiels in dem Abgasrohr der herkömmlichen Brennkraftmaschine ergibt ein extrem einfaches aber höchst zuverlässiges Emissionssteuersystem. Die einfache Anbringung des Partikelfilters verringert ebenso signifikant die Herstellungskosten des Emissionssteuersystems.
B-5. Erwünschte Abmessungsbereiche des Vliesstoffs
Wie vorhergehend beschrieben ist, sammelt der Partikelfilter 100 des Ausführungsbeispiels die Kohlenstoff enthaltenden Partikel und die Kohlenwasserstoffbestandteile in dem Abgas auf eine verteilte Art und Weise, die die jeweiligen Partikel und Kohlenwasserstoffbestandteile in Kontakt mit Sauerstoff in dem Abgas bringt. Das gestattet eine Verbrennung der gesammelten Partikel in dem Abgas mit der niedrigen Temperatur als der brennfähigen Temperatur der Kohlenstoff enthaltenden Partikel. Dieses Phänomen wird in dem Fall des Metallvliesstoffs mit dem kleinen Porendurchmesser oder des Kordierit-Wabenfilters nicht beobachtet, wir vorstehend beschrieben ist. Für eine erfolgreiche Ausübung der Spontanregenerationsfunktion sollten die Abmessungen des Vliesstoffs in einem voreingestellten Bereich liegen. Weitere systematische Experimente sind erforderlich, um den voreingestellten Bereich zu bestimmen. Gemäß den Ergebnissen der Experimente, die so weit durchgeführt wurden, ist es zumindest vorzuziehen, dass der Hauptinnendurchmesser der Poren, die innerhalb Vliesstoffs ausgebildet werden, in einem Bereich von ungefähr 5 μm bis ungefähr 25 μm liegt. Der Grund für eine derartige Angabe wird nachstehend diskutiert.
Wie vorstehend unter Bezugnahme auf 19 beschrieben ist, wird bei dem Partikelfilter 100 des Ausführungsbeispiels der Strömungspfad des Abgases automatisch in dem Vliesstoff zum verteilten Sammeln der Kohlenstoff enthaltenden Partikel und der Kohlenwasserstoffbestandteile geändert. Zum Gestatten der Änderung des Strömungspfades des Abgases sollten nicht verstopfte große Öffnungen mit einem gewissen Verhältnis zu den Öffnungen vorhanden sein, die durch die Poren an der Fläche des Vliesstoffs ausgebildet sind, während die kleinen Öffnungen mit gesammelten Kohlenstoff enthaltenden Partikeln verstopft werden (siehe die 19(b) und 19(c)). Da die großen Öffnungen mit einem gewissen Verhältnis vorhanden sein sollten, ist es erforderlich, dass der Hauptporendurchmesser des Vliesstoffs größer als ein voreingestellter Wert ist. In dem Versuch mit dem Vliesstoff mit dem Hauptporendurchmesser von 5 μm war der Partikelfilter bald verstopft. Es ist demgemäss vorzuziehen, dass der Hauptporendurchmesser des Vliesstoffs größer als ungefähr 5 μm ist. Die Versuchsergebnisse, die in 16 gezeigt sind, stützten eine derartige Angabe.
Wenn der Vliesstoff einen extrem großen Hauptporendurchmesser hat, werden dagegen die Öffnungen an der Fläche des Vliesstoffs kaum verstopft. Der Strömungspfad des Abgases wird somit nicht in dem Vliesstoff geändert. Das beweist, dass der Hauptporendurchmesser des Vliesstoffs kleiner als ein voreingestellter Wert sein sollte. In dem Versuch mit dem Vliesstoff mit dem Hauptporendurchmesser von 25 μm wurde anders als bei dem Partikelfilter des Ausführungsbeispiels keine Spontanregenerationsfunktion beobachtet. Es ist demgemäss vorzuziehen, dass der Hauptporendurchmesser kleiner als ungefähr 25 μm ist.
In dieser Beschreibung stellt der Hauptporendurchmesser den Hauptwert des Porendurchmessers dar, der gemäß der Washburn-Gleichung gemessen wird. Wenn der Filter mit einer Flüssigkeit getränkt wird, verbessert der kleinere Porendurchmesser die Möglichkeit der Verstopfung der Poren durch die Oberflächenspannung der Flüssigkeit und vergrößert dadurch den Luftströmungswiderstand des Filters. Die Washburn-Gleichung beachtet dieses Phänomen und gibt die Beziehung des Differenzialdrucks vor und nach dem Filter mit der Oberflächenspannung einer Flüssigkeit, dem Kontaktwinkel der Flüssigkeit mit dem Filter und dem Porendurchmesser des Filters an. Die Messung gemäß der Washburn-Gleichung wird verbreitet verwendet, und die Verteilung des Porendurchmessers zu erhalten und wird hier nicht gesondert beschrieben. Der Hauptporendurchmesser ist nämlich ein Porendurchmesser, der das akkumulierte Porenvolumen von 50% hat, das gemäß der Washburn-Gleichung gemessen wird. Der numerische Wert des Hauptporendurchmessers verändert sich bei einer Messung eines anderen bekannten Verfahrens.
Von dem Standpunkt der Haltbarkeit des Partikelfilters 100 liegt der Hauptporendurchmesser des Vliesstoffs vorzugsweise in dem Bereich von ungefähr 11 μm bis ungefähr 13 μm. Das Folgende beschreibt den Grund einer derartigen Angabe.
Eine Verschlechterung des Partikelfilters 100 kann durch eine Akkumulation von Partikeln, als Asche bezeichnet, an dem Filter verursacht werden. Metallbestandteile, wie z.B. Ca, G und Zn, die in Additiven des Verbrennungsmotoröls enthalten sind, werden mit Schwefel in dem Kraftstoff kombiniert, so dass sich Sulfate bilden. Die Sulfate lagern sich als Asche ab. Die Metallsulfate sind thermisch stabil. Die Asche, die an dem Filter akkumuliert wird, wird anders als die Kohlenstoff enthaltenden Partikel nicht der Verbrennung ausgesetzt, aber verstopft den Partikelfilter 100. Im Hinblick auf die Bewertung der Haltbarkeit der Asche wurde ein Haltbarkeitsversuch mit verschiedenartigen Partikelfiltern mit unterschiedlichen Hauptporendurchmessern mit einem Dieselverbrennungsmotor mit einer absichtlich vergrößerten Aschenmenge durchgeführt. Genauer gesagt wurde die Spontanregenerationsfunktion nach einer Dauer von 20 Stunden unter einer Vollastbedingung mit einem Verbrennungsmotor mit dem 5-fachen Verbrauch von Verbrennungsmotoröl bewertet.
20 zeigt die Zusammenfassung der Versuchsergebnisse. Der Versuch bewertete drei Partikelfilter aus Vliesstoff mit einem Hauptporendurchmesser von 10 μm, 12 μm und 14 μm. Jeder der neuen Partikelfilter hatte die Spontanregenerationsfunktion. Der "Doppelkreis" in 20 zeigt, dass die vorzuziehende Spontanregenerationsfunktion beobachtet wurde. Der Partikelfilter mit dem Hauptporendurchmesser von 12 μm hatte die vorzuziehende Spontanregenerationsfunktion auch nach dem Dauerversuch. Sowohl der Filter mit dem Hauptporendurchmesser von 10 μm als auch der Filter mit dem Hauptporendurchmesser von 14 μm wurden andererseits in dem Verlauf des Dauerversuchs während der Bewertung verstopft und zerstört. Die Spontanregenerationsfunktion war demgemäss in beiden Fällen nicht zu beobachten.
Nach dem Dauerversuch wurde der Vliesstoff jedes Filters mit einem optischen Mikroskop betrachtet. Bei dem Vliesstoff mit dem Hauptporendurchmesser von 10 μm waren die Fasern an der Ausströmungsfläche des Abgases noch sichtbar (die Fläche an dem Auslass), wohingegen die Fasern an der Einströmungsseite des Abgases (die Fläche an dem Einlass), die mit Asche verstopft waren und eine Akkumulation der Kohlenstoff enthaltenden Partikel hatten, kaum sichtbar waren. Bei dem Vliesstoff mit dem Hauptporendurchmesser von 14 μm war dagegen die Fläche an dem Einlass nicht verstopft, wohingegen die Öffnungen, die zwischen den Fasern an der Fläche an dem Auslass ausgebildet sind, durch die Asche und die Kohlenstoff enthaltenden Partikel verstopft waren. Bei dem Vliesstoff mit dem Hauptporendurchmesser von 12 μm haftete die Asche an einigen Fasern des Vliesstoffs an sowohl der Fläche an dem Einlass als auch an der Fläche an dem Auslass. Die Öffnungen zwischen den Fasern waren jedoch nicht alle durch die Asche verstopft.
21 zeigt konzeptartig eine Veränderung eines Verstopfungszustands mit einer Veränderung eines Hauptporendurchmessers des Vliesstoffs. Die Zeichnung zeigt einen Querschnitt des Partikelfilters 100 entlang einem Teil der Pfade, die zwischen dem Vliesstoff 106 und dem gewellten Bogen 108 des Partikelfilters 100 ausgebildet sind. Das Abgas wird von der linken Seite der Zeichnung in den Filter geleitet, tritt durch den Vliesstoff 106, wie durch die Pfeile gezeigt ist, und geht zu der rechten Seite der Zeichnung über. Die gefüllten Teile stellen schematisch eine Akkumulation der Asche und der Kohlenstoff enthaltenden Partikel an der Fläche des Vliesstoffs dar.
21(a) zeigt den Partikelfilter mit dem Hauptporendurchmesser von 10 μm. In dem Fall des Vliesstoffs mit dem Hauptporendurchmesser von 10 μm werden die Asche und die Kohlenstoff enthaltenden Partikel lokal an der Fläche des Vliesstoffs an dem Einlass, nämlich an der Einströmungsfläche des Abgases akkumuliert, so dass sie die Poren des Vliesstoffs verstopfen. 21(b) zeigt den Partikelfilter mit dem Hauptporendurchmesser von 12 μm. In dem Fall des Vliesstoffs mit dem Hauptporendurchmesser von 12 μm wird die Asche gleichmäßig über die gesamte Fläche des Vliesstoffs verteilt, während die Spontanregenerationsfunktion die Verbrennung der Kohlenstoff enthaltenden Partikel verursacht. Die Kohlenstoff enthaltenden Partikel werden somit nicht mit einer signifikanten Tiefe akkumuliert und verstopfen die Poren nicht. 21(c) zeigt den Partikelfilter mit dem Hauptporendurchmesser von 14 μm. In dem Fall des Vliesstoffs mit dem Hauptporendurchmesser von 14 μm werden die Asche und die Kohlenstoff enthaltenden Partikel nicht mit einer signifikanten Menge an der Fläche an dem Einlass akkumuliert, sondern sie werden lokal an der Fläche an dem Auslass, nämlich an der Ausströmungsfläche des Abgases akkumuliert, so dass sie die Poren an dem Vliesstoff verstopfen.
Der größere Hauptporendurchmesser des Vliesstoffs führt zu einer Lokalisierung und Akkumulation der Asche und der Kohlenstoff enthaltenden Partikel an der Fläche des Vliesstoffs an dem Auslass. Das kann der Tatsache zugeschrieben werden, dass der größere Porendurchmesser es schwieriger macht, den Strömungspfad des Abgases, das durch den Vliesstoff tritt, zu ändern. Wie vorhergehend unter Bezugnahme auf 19 diskutiert ist, sammelt der Partikelfilter 100 des Ausführungsbeispiels verteilt die Kohlenstoff enthaltenden Partikel durch Umändern des Strömungspfades des Abgases in dem Vliesstoff. Wenn der Vliesstoff einen großen Hauptporendurchmesser hat, werden die Kohlenstoff enthaltenden Partikel und die Asche nicht an der Fläche des Vliesstoffs an dem Einlass gesammelt. Keine Umänderung des Strömungspfads des Abgases ergibt jedoch eine Lokalisierung und Akkumulation der Asche und der Kohlenstoff enthaltenden Partikel in der Umgebung des Auslasses.
Wenn, wie vorstehend beschrieben ist, der Hauptporendurchmesser des Vliesstoffs nicht größer als 10 μm ist, können die Asche und die Kohlenstoff enthaltenden Partikel sich an der Fläche des Vliesstoffs an dem Einlass akkumulieren, so dass sie den Partikelfilter nach einer Verwendung über eine lange Zeit verstopfen. Wenn der Hauptporendurchmesser des Vliesstoffs nicht weniger als 14 μm beträgt, können andererseits die Asche und die Kohlenstoff enthaltenden Partikel sich an der Fläche des Vliesstoffs an dem Auslass akkumulieren, so dass sie den Partikelfilter nach der Verwendung über eine lange Zeit verstopfen. Es ist demgemäß vorzuziehen, dass der Vliesstoff des Partikelfilters den Hauptporendurchmesser in dem Bereich von 11 μm bis 13 μm hat. Einige Experimente zeigten die besten Ergebnisse, wenn der Vliesstoff den Hauptporendurchmesser von 12 μm ± 10% hatte.
Die vorstehende Beschreibung betrachtet den Hauptporendurchmesser des Vliesstoffs. Das Einrichten des Porendurchmessers des Vliesstoffs in dem vorstehend genannten Bereich gibt automatisch den erwünschten Bereich des Faserdurchmessers des Vliesstoffs an. Der größere Porendurchmesser verringert die Faserdichte in dem Vliesstoff. Die geringere Faserdichte verringert die Festigkeit des Vliesstoffs. Zum Ausgleichen der verringerten Festigkeit aufgrund der geringeren Faserdichte sollte jede Faser einen größeren Durchmesser haben. Zum Sicherstellen der ausreichenden Festigkeit des Vliesstoffs führt der größere Porendurchmesser zu dem größeren Faserdurchmesser. Es ist ebenso empirisch bekannt, dass die Faktoren der Herstellung des Vliesstoffs oft verursachen, dass die Faserdurchmesser sich mit einer Vergrößerung des Porendurchmessers vergrößern. Aus diesem Grund ist es wünschenswert, dass der Faserdurchmesser nicht geringer als ungefähr 15 μm und nicht größer als 20 μm ist, um den Hauptporendurchmesser des Vliesstoffs in dem Bereich von 11 μm bis 13 μm zu erhalten.
C. Abwandlungen
Die Emissionssteuervorrichtung, die vorstehend diskutiert ist, kann auf verschiedenartigen Wegen abgewandelt werden. 22 zeigt abgewandelte Beispiele der Anbringstruktur des Partikelfilters 100. Das Folgende beschreibt diese abgewandelten Beispiele.
(1) Erstes abgewandeltes Beispiel
22(a) zeigt eine Anbringstruktur eines ersten abgewandelten Beispiels. In dem ersten abgewandelten Beispiel ist ein Vorsprung 126 an der inneren Umfangswand des Filterhalters 40 an einer Position entsprechend dem Einlass an dem Spalt 124 ausgebildet. Der Vorsprung 126, der an der inneren Umfangswand des Filterhalters 40 ausgebildet ist, leitet die Strömung des Abgases und verhindert die direkte Strömung des Abgases in den Spalt 124. Die Anordnung begrenzt somit die Strömung des Abgases innerhalb des Spalts 124. Das verringert die Wärmemengeübertragung auf den Filterhalter 40 und hält damit den Partikelfilter 100 auf einer ausreichend hohen Temperatur.
(2) Zweites abgewandeltes Beispiel
22(b) zeigt eine Anbringstruktur eines zweiten abgewandelten Beispiels. In dem zweiten abgewandelten Beispiel ist eine Stufe an der inneren Umfangswand des Filterhalters 40 ausgebildet, um die direkte Strömung des Abgases in den Spalt 124 zu stören. Diese Anordnung begrenzt somit die Strömung des Abgases innerhalb des Spalts 124.
In dem zweiten abgewandelten Beispiel ist die an der inneren Umfangswand des Filterhalters 40 ausgebildete Stufe nahe an dem Ende des Partikelfilters 100. Eine Begrenzung 128 ist demgemäss zwischen dem Ende des Filters und der Stufe vorgesehen. Die Begrenzung 128 funktioniert, indem sie die Einströmung des Abgases stört und die Strömung des Abgases innerhalb des Spalts 124 begrenzt. Das verringert die Wärmemengeübertragung auf den Filterhalter 40 und hält damit den Partikelfilter 100 auf einer ausreichend hohen Temperatur.
(3) Drittes angewandeltes Beispiel
22(c) zeigt eine Anbringstruktur eines dritten abgewandelten Beispiels. In dem dritten abgewandelten Beispiel ist ein wärmeisolierendes Element 130 an den äußeren Umfang an dem Ende des Partikelfilters 100 gesetzt.
Der Spalt 124 ist hinter dem wärmeisolierenden Element 130 bei der Anbringung des Partikelfilters 100 definiert. Bei der Anbringstruktur des dritten abgewandelten Beispiels leitet das wärmeisolierende Element 130 die Strömung des Abgases in den Spalt 124 und hält somit den Partikelfilter 100 auf einer hohen Temperatur.
In der Struktur des dritten abgewandelten Beispiels führt das wärmeisolierende Element 130 den Partikelfilter 100 und hält den Partikelfilter 100 von dem Filterhalter 40 mit einem feststehenden Abstand entfernt. Das vereinfacht in vorteilhafter Weise die Anbringung des Filters.
In der Struktur des dritten abgewandelten Beispiels ist das wärmeisolierende Element 130 nur an dem äußeren Umfang an dem Ende des Partikelfilters 100 angeordnet. Das wärmeisolierende Element 130 kann anderenfalls über den gesamten äußeren Umfang gesetzt werden.
(4) Viertes abgewandeltes Beispiel
Der Partikelfilter 100 einer abgewandelten Struktur kann auf die Emissionssteuervorrichtung des Ausführungsbeispiels angewendet werden. 23 zeigt schematisch die Struktur des Partikelfilters 100, der in einem vierten abgewandelten Beispiel verwendet wird. Für ein besseres Verständnis ist der Querschnitt des Partikelfilters 100 in 23 teilweise dargestellt. Der Partikelfilter 100 des vierten abgewandelten Beispiels hat ein Führungselement 103 an der Einfassung 102. Das Führungselement 103 leitet die Strömung des Abgases in den Partikelfilter 100. Diese Anordnung ermöglicht, dass die Filtertemperatur effizient durch wirksames Einsetzen des dynamischen Drucks des Abgases angehoben wird.
In der Struktur des vierten abgewandelten Beispiels ist das Führungselement 103 an der Einfassung 102 des Partikelfilters 100 vorgesehen und ist getrennt von dem Filterhalter 40 über den Spalt 124. Ein Teil der thermischen Energie des Abgases kann auf das Führungselement 103 übertragen werden, wenn das Abgas durch das Führungselement 103 geleitet wird und in den Partikelfilter 100 strömt. Diese Anordnung verhindert, dass die übertragene thermische Energie zu dem Filterhalter 40 abgegeben wird, sondern verursacht, dass die thermische Energie verwendet wird, um die Filtertemperatur anzuheben, was somit den Partikelfilter 100 auf einer hohen Temperatur hält.
(5) Fünftes abgewandeltes Beispiel
24 zeigt schematisch die Struktur des Partikelfilters 100, der in einem fünften abgewandelten Beispiel verwendet wird. Für ein besseres Verständnis ist der Querschnitt des Partikelfilters 100 in 24 teilweise dargestellt. In dem Partikelfilter 100 des fünften abgewandelten Beispiels ist das Ende des Elements 104 von der Einfassung 102 verlängert. Diese Anordnung verhindert ein Abführen von Wärme von dem Filter zu der Einfassung 102 an dem Ende in dem Prozess der Umwandlung des dynamischen Drucks des Abgases in Wärme und stellt somit einen raschen Temperaturanstieg an dem Ende des Filters sicher. Der Temperaturgradient innerhalb des Filters ermöglicht, dass das Ende des Filters auf einer höheren Temperatur als die Temperatur des anderen Teils des Filters gehalten wird.
(6) Sechstes abgewandeltes Beispiel
In den Strukturen des Ausführungsbeispiels und der abgewandelten Beispiele, die vorstehend diskutiert sind, ist der Partikelfilter 100 für jede Brennkammer vorgesehen. Es ist jedoch nicht wesentlich, den Partikelfilter 100 für jede Brennkammer vorzusehen. In einer möglichen Abwandlung wird die Strömung des Abgases von mehreren Brennkammern an einer Zusammenströmung gesammelt und wird der Partikelfilter an der Verbindung angeordnet. In einem in 25 gezeigten Beispiel wird die Strömung des Abgases von jeweils zwei oder drei Zylindern zu einer Verbindungsströmung gesammelt und ist der Partikelfilter an jeder Verbindung angeordnet. Es könnte nicht ausreichend Raum zum Einrichten des Filters in der Nähe der Brennkammer vorhanden sein. Es ist relativ einfach, den ausreichenden Raum an der Verbindung aufzufinden. Diese Anordnung gestattet somit, dass der Partikelfilter 100 eine größere Abmessung oder eine optimale Form hat.
(7) Siebtes abgewandeltes Beispiel
In jedem von dem Ausführungsbeispiel und von den abgewandelten Beispielen, die vorstehend diskutiert sind, kann der Partikelfilter 100 mit einem NOx- Reduktionskatalysator oder einem anderen Katalysator kombiniert werden. Diese Anwendung wird nachstehend als ein siebtes angewandeltes Beispiel diskutiert.
26 stellt ein Emissionssteuersystem des siebten abgewandelten Beispiels dar, bei dem der Partikelfilter 100 des Ausführungsbeispiels mit einem Dreiwege-NOx-Absorptionsreduktionskatalysator 200 kombiniert wird. Der Dreiwege-NOx-Absorptionsreduktionskatalysator 200 absorbiert Stickoxide in dem Abgas unter der Bedingung, dass ein Sauerstoffüberschuss in dem Abgas vorhanden ist und startet eine Reduktion der absorbierten Stickstoffoxide mit den Kohlenwasserstoffbestandteilen und dem Kohlenmonoxid, das in dem Abgas enthalten ist, mit einer Verringerung der Konzentration des Sauerstoffs in dem Abgas. Die iterative Absorption und Reduktion der Stickstoffoxide reguliert und mindert wirksam die Stickstoffoxide in dem Abgas.
In dem in 26 gezeigten Emissionssteuersystem werden die Kohlenstoff enthaltenden Partikel, die in dem Abgas enthalten sind, an der stromaufwärtigen Seite des Dreiwege-NOx-Absorptionsreduktionskatalysators 200 reguliert und gemindert. Diese Anordnung vermeidet in wünschenswerter Weise das mögliche Problem, dass der stromabwärtige Dreiwege-NOx-Absorptionsreduktionskatalysator 200 mit Ruß bedeckt wird, so dass sich die Leistungsfähigkeit verringert.
Der Dreiwege-NOx-Absorptionsreduktionskatalysator 200 gibt aktiven Sauerstoff in dem Prozess des Absorbierens von Stickstoffoxiden in dem Abgas oder in dem Prozess des Reduzierens der absorbierten Stickstoffoxide ab. Der aktive Sauerstoff hat eine extrem hohe Reaktivität und verursacht einfach eine Verbrennung der Kohlenstoff enthaltenden Partikel. Die kombinierte Verwendung des Dreiwege-NOx-Absorptionsreduktionskatalysators 200 an der stromabwärtigen Seite des Partikelfilters 100 stellt somit die Regulierung und das Auslassen der Kohlenstoff enthaltenden Partikel an dem stromabwärtigen Dreiwege-NOx-Absorptionsreduktionskatalysator 200 sicher, auch wenn die Kohlenstoff enthaltenden Partikel durch den Partikelfilter 100 treten.
In manchen Fällen kann der Partikelfilter des Ausführungsbeispiels an der stromabwärtigen Seite des Dreiwege-NOx-Absorptionsreduktionskatalysators 200 angeordnet werden, um die Stickstoffoxide und den Ruß in dem Abgas wirksam zu regulieren und zu mindern. Beispielsweise ist in dem Fall einer relativ geringen Emission des Rußes, aber einer beträchtlichen großen Emission von Stickstoffoxiden der Dreiwege-NOx-Absorptionsreduktionskatalysator 200 an der stromaufwärtigen Seite des Partikelfilters angeordnet. Diese Anordnung fördert die Kohlenwasserstoffbestandteile unmittelbar nach dem Start der Reduktion der Stickstoffoxide, was somit rasch die Stickstoffoxide mindert.
Das vorstehend genannte Ausführungsbeispiel und seine Abwandlungen werden in allen Gesichtspunkten als darstellend und nicht als beschränkend betrachtet. Es kann viele Abwandlungen, Änderungen und Umbildungen geben, ohne von dem Anwendungsbereich oder Grundgedanken der Hauptcharakteristik der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Alle Änderungen innerhalb der Bedeutung und des Bereichs der Äquivalenz der Ansprüche sollen daher davon umfast werden.
Beispielsweise kann in dem vorstehend genannten Ausführungsbeispiel und den abgewandelten Beispielen die Luft zu der stromaufwärtigen Seite des Partikelfilters 100 durch ein Leistungsventil oder eine energiebetriebene Pumpe zugeführt werden. Die Zufuhr des Sauerstoffs zu dem Abgas gemäß den Anforderungen beschleunigt in vorzuziehender Weise die Reaktion der gesammelten Kohlenwasserstoffbestandteile mit dem Sauerstoff.
Ein Metallkatalysator mit einer geeigneten Oxidationsaktivität, wie z.B. Fe, Cu und Co, können an dem Vliesstoff geträgert werden. Ein derartiger Metallkatalysator beschleunigt die Reaktion der gesammelten Kohlenwasserstoffbestandteile mit dem Sauerstoff in dem Niedertemperatur-Abgas und stellt in vorzuziehender Weise die Verbrennung der gesammelten Kohlenstoff enthaltenden Partikel sicher.
In den Strukturen des vorstehend genannten Ausführungsbeispiels und den abgewandelten Beispielen ist der Partikelfilter durch den Filterhalter 40 angebracht. Der Partikelfilter kann jedoch direkt in den Abgasanschluss des Zylinderkopfs eingesetzt und daran fixiert werden, ohne den Filterhalter 40 zu verwenden. Der Partikelfilter kann anderenfalls in den stromabwärtigen Abgaskrümmer 16 eingesetzt und daran fixiert werden.
Industrielle Anwendbarkeit
Wie vorstehend beschrieben ist, stellt die Emissionssteuervorrichtung der vorliegenden Erfindung eine einfache und sichere Regulierung und Reduktion der Kohlenstoff enthaltenden Partikel in dem Abgas über einen langen Zeitraum sicher, ohne irgendeine spezifische Steuerung zum Anheben der Temperatur des Abgases zu erfordern oder irgendwelche wertvollen Edelmetalle zu verwenden. Die Technik der vorliegenden Erfindung wird somit vorzugsweise auf die Emissionsfilter zum Steuern der Emission von verschiedenartigen Brennkraftmaschinen, die Emissionssteuervorrichtungen mit einem derartigen Filter ebenso wie auf Brennkraftmaschinen mit der Emissionssteuervorrichtung für diverse Fahrzeuge und Schiffe sowie stationäre Brennkraftmaschinen angewendet.

Claims

Emissionsfilter (100) zum Regulieren und Reduzieren von Kohlenstoff enthaltenden Partikeln, die in einem Abgas aus einer Brennkraftmaschine enthalten sind, wobei der Emissionsfilter (100) ein hitzebeständiges Filtermedium (106) aufweist, das eine Kohlenwasserstoffverbindung und die Kohlenstoff enthaltenden Partikel, die in dem Abgas enthalten sind, verteilt sammelt, um die jeweiligen Partikel und die Kohlenwasserstoffverbindung in Kontakt mit Sauerstoff zu bringen, der in dem Abgas enthalten ist, und der dadurch veranlasst, dass die gesammelte Kohlenwasserstoffverbindung einer Verbrennung ausgesetzt wird, wobei das Abgas eine Filtereinströmungstemperatur hat, die niedriger als eine brennfähige Temperatur der Kohlenstoff enthaltenden Partikel ist, und wobei eine Reaktionswärme der gesammelten Kohlenwasserstoffverbindung mit Sauerstoff, der in dem Abgas enthalten ist, eingesetzt wird, um die gesammelten Kohlenstoff enthaltenden Partikel der Verbrennung auszusetzen, wobei das hitzebeständige Filtermedium (106) ein Vliesstoff ist und mehrere Durchgangswege aufweist, die sich miteinander dreidimensional innerhalb des Filtermediums verbinden, die zu einer Fläche des Filtermediums offen sind, und die einen Hauptinnendurchmesser in einem Bereich von 11 μm bis 13 μm haben.
Emissionsfilter gemäß Anspruch 1, wobei das hitzebeständige Filtermedium durch die Reaktion der gesammelten Kohlenwasserstoffverbindung mit Sauerstoff, der in dem Abgas enthalten ist, erzeugte aktive Formen zusätzlich zu der Reaktionswärme verwendet, um zu veranlassen, dass die gesammelten Kohlenstoff enthaltenden Partikel der Verbrennung ausgesetzt werden.
Emissionsfilter gemäß Anspruch 1, wobei das hitzebeständige Filtermedium (106) die Kohlenstoff enthaltenden Partikel und die Kohlenwasserstoffverbindung in diesem einfängt.
Emissionsfilter gemäß Anspruch 3, wobei das hitzebeständige Filtermedium (106) eine Veränderung eines Drucks des Abgases aus der Brennkraftmaschine einsetzt, um die Kohlenstoff enthaltenden Partikel und die Kohlenwasserstoffverbindung verteilt zu sammeln.
Emissionsfilter gemäß Anspruch 1, wobei das hitzebeständige Filtermedium (106) eine Fluidisierungsenergie des Abgases aus der Brennkraftmaschine in Wärme umwandelt, um die eigene Temperatur des hitzebeständigen Filtermediums anzuheben.
Emissionsfilter gemäß Anspruch 5, wobei das hitzebeständige Filtermedium (106) durch Einsetzen eines Temperaturanstiegs in dem Prozess des Komprimierens des Abgases durch einen dynamischen Druck erwärmt wird.
Emissionsfilter gemäß Anspruch 1, wobei das hitzebeständige Filtermedium (106) ein Vliesstoff ist, der aus hitzebeständigen Fasern mit einem Hauptfaserdurchmesser in einem Bereich von 15 μm bis 20 μm besteht.
Emissionsfilter gemäß Anspruch 7, wobei das hitzebeständige Filtermedium (106) ein Vliesstoff mit einer Dicke in einem Bereich von 0,4 mm bis 0,5 mm ist.
Emissionsfilter gemäß Anspruch 1, wobei das hitzebeständige Filtermedium (106) einen Strömungspfad des Abgases, das durch die mehreren Durchgangswege strömt, im Verlauf des Sammelns der Kohlenstoff enthaltenden Partikel und der Kohlenwasserstoffverbindung verändert.
Emissionsfilter gemäß Anspruch 9, wobei das hitzebeständige Filtermedium (106) den Strömungspfad des Abgases, das durch die mehreren Durchgangswege strömt, verändert, wenn Druckverlust in dem Verlauf des Sammelns das Drei- oder Vierfache eines Anfangswerts erreicht.
Emissionssteuerungsvorrichtung, die auf eine Brennkraftmaschine angewendet wird, um Kohlenstoff enthaltende Partikel, die in einem Abgas enthalten sind, zu regulieren und zu verringern, wobei die Brennkraftmaschine eine Brennkammer sowie eine Abgasleitung (16) zum Ausstoßen des Abgases aus der Brennkammer aufweist, wobei die Emissionssteuerungsvorrichtung folgendes aufweist: einen Emissionsfilter (100) gemäß Anspruch 1, der an der Abgasleitung (16) angebracht ist, um die Kohlenstoff enthaltenden Partikel zu sammeln, die in dem Abgas enthalten sind; und einen wärmeisolierenden Abschnitt, der zwischen den Emissionsfilter und die Abgasleitung zwischengesetzt ist.
Emissionssteuerungsvorrichtung gemäß Anspruch 11, wobei die Brennkraftmaschine mit einer Vielzahl der Brennkammern und einem Abgaskrümmer (16) versehen ist, der Strömungen des Abgases von der Vielzahl der Brennkammern zu zumindest einem Abgasrohr (17) vereinheitlicht, und wobei der Emissionsfilter (100) in dem Abgaskrümmer (16) angeordnet ist.
Emissionssteuerungsvorrichtung gemäß Anspruch 11, wobei der wärmeisolierende Abschnitt (124) ein Abstand ist, der zwischen dem Emissionsfilter (100) und der Abgasleitung ausgebildet ist.
Emissionssteuerungsvorrichtung gemäß Anspruch 13, wobei der wärmeisolierende Abschnitt ein Abstand zwischen dem Emissionsfilter (100) und der Abgasleitung ist, von dem ein Ende offen zu einem Strömungspfad des Abgases ist und bei der Öffnung verengt ist.
Emissionssteuerungsvorrichtung gemäß Anspruch 13, wobei der wärmeisolierende Abschnitt ein Abstand zwischen dem Emissionsfilter und der Abgasleitung ist, bei dem ein Ende zu einem Strömungspfad des Abgases offen ist und der eine Dicke von nicht mehr als 1 mm hat.
Emissionssteuerungsvorrichtung gemäß Anspruch 11, wobei der Emissionsfilter an der Abgasleitung über ein wärmeisolierendes Element angebracht ist.
Emissionssteuerungsvorrichtung gemäß Anspruch 11, wobei der Emissionsfilter einen Behälter hat, um das wärmebeständige Filtermedium darin aufzunehmen, und wobei der Behälter mit einem Führungselement versehen ist, das das Abgas, das von der Brennkammer ausgestoßen wird, zu dem hitzebeständigen Filtermedium leitet.
Emissionssteuerungsvorrichtung gemäß Anspruch 11, wobei der Emissionsfilter einen Behälter hat, um darin das hitzebeständige Filtermedium aufzunehmen, und wobei das hitzebeständige Filtermedium in dem Behälter so aufgenommen ist, dass ein Ende des Filtermediums in Richtung auf die Brennkammer vorsteht.
Emissionssteuerungsvorrichtung gemäß Anspruch 11, wobei die Brennkraftmaschine eine Ladevorrichtung aufweist, die eine Fluidisierungsenergie des Abgases zum Betätigen einer Turbine einsetzt, um Ansaugluft der Brennkraftmaschine aufzuladen, und wobei der Emissionsfilter einen Strömungswiderstand hat, der das 1/2-fache bis 2/3-fache eines Strömungswiderstands der Ladevorrichtung an einer Seite der Turbine ist.
Emissionssteuerungsvorrichtung, die auf eine Brennkraftmaschine angewendet wird, um Kohlenstoff enthaltende Partikel, die in einem Abgas enthalten sind, zu regulieren und zu reduzieren, wobei die Brennkraftmaschine eine Vielzahl von Brennkammern aufweist und Strömungen des Abgases von der Vielzahl der Brennkammern zu zumindest einer Zusammenführung vor der Emission vereinheitlicht, wobei die Emissionssteuerungsvorrichtung folgendes aufweist: einen Emissionsfilter gemäß Anspruch 1, der an der zumindest einen Zusammenführung angeordnet ist, an der die Strömungen des Abgases von der Vielzahl der Brennkammern vereinheitlicht werden, um eine Kohlenwasserstoffverbindung und die Kohlenstoff enthaltenden Partikel zu sammeln, die im Abgas enthalten sind.
Emissionssteuerungsvorrichtung gemäß Anspruch 20, wobei die Brennkraftmaschine Strömungen des Abgases, die von jeder zweiten oder dritten Brennkammer ausgestoßen werden, zu einem Abgasanschluss vor der Emission vereinheitlicht, und wobei der Emissionsfilter an jedem Abgasanschluss angeordnet ist, bei dem die Strömungen des Abgases, die von jeder zweiten oder dritten Brennkammer ausgestoßen werden, vereinheitlicht werden.
Emissionssteuerungsverfahren, das Kohlenstoff enthaltende Partikel, die in einem Abgas einer Brennkraftmaschine enthalten sind, reguliert und reduziert, wobei das Emissionssteuerungsverfahren die folgenden Schritte aufweist: Einsetzen eines hitzebeständigen Filtermediums, um eine Kohlenwasserstoffverbindung und die Kohlenstoff enthaltenden Partikel, die in dem Abgas enthalten sind, verteilt zu sammeln, um die jeweiligen Partikel und den Kohlenwasserstoffbestandteil in Kontakt mit Sauerstoff zu bringen, der in dem Abgas enthalten ist, wobei das hitzebeständige Filtermedium (106) ein Vliesstoff ist und mehrere Durchgangswege aufweist, die sich miteinander dreidimensional innerhalb des Filtermediums verbinden, die offen zu einer Fläche des Filtermediums sind, und die einen Hauptinnendurchmesser in einem Bereich von 11 μm bis 13 μm haben, und Veranlassen, dass die gesammelte Kohlenwasserstoffverbindung und die gesammelten Kohlenstoff enthaltenden Partikel einer Verbrennung ausgesetzt werden, wobei das Abgas eine Filtereinströmungstemperatur hat, die niedriger als eine brennfähige Temperatur der Kohlenstoff enthaltenden Partikel ist, um die Kohlenstoff enthaltenden Partikel zu regulieren und zu reduzieren, und Einsetzen einer Reaktionswärme der Kohlenwasserstoffverbindung mit Sauerstoff, der in dem Abgas enthalten ist, um zu veranlassen, dass die gesammelten Kohlenstoff enthaltenden Partikel einer Verbrennung ausgesetzt werden.
Emissionssteuerungsverfahren gemäß Anspruch 22, wobei das Emissionssteuerungsverfahren des weiteren den folgenden Schritt aufweist: Leiten einer Zufuhr von Sauerstoff in das Abgas, um eine Reaktion von zumindest entweder der gesammelten Kohlenwasserstoffverbindung oder den gesammelten Kohlenstoff enthaltenden Partikeln mit Sauerstoff zu beschleunigen.
Emissionssteuerungsverfahren gemäß Anspruch 22, wobei das Emissionssteuerungsverfahren des weiteren den folgenden Schritt aufweist: Anordnen eines NOx-Reduktionskatalysators stromabwärts von dem hitzebeständigen Filtermedium, um in dem Abgas enthaltene Stickstoffoxide zu vermindern.
Emissionssteuerungsverfahren gemäß Anspruch 24, wobei der NOx-Reduktionskatalysator ein Katalysator ist, der die Stickstoffoxide unter einer Bedingung absorbiert, bei der ein Sauerstoffüberschuss in dem Abgas vorhanden ist, und der die absorbierten Stickstoffoxide unter einer Verringerung der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas reduziert, um die Stickstoffoxide in dem Abgas zu vermindern.
Emissionssteuerungsverfahren gemäß Anspruch 22, das auf eine Brennkraftmaschine angewendet wird, um Kohlenstoff enthaltende Partikel, die in einem Abgas enthalten sind, zu regulieren und zu reduzieren, wobei die Brennkraftmaschine eine Brennkammer und eine Abgasleitung zum Ausstoßen des Abgases aus der Brennkammer aufweist, wobei das Emissionssteuerungsverfahren des weiteren die folgenden Schritte aufweist: Anordnen eines Emissionsfilters, der ein hitzebeständiges Filtermedium aufweist, in der Abgasleitung derart, dass ein wärmeisolierender Abschnitt zwischen dem Emissionsfilter und der Abgasleitung ausgebildet wird.