DE10126828A1 - Vorrichtung zum Reinigen von Abgas bei einem Verbrennungsmotor - Google Patents
Vorrichtung zum Reinigen von Abgas bei einem VerbrennungsmotorInfo
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Abstract
Es wird eine Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors offenbart. Die Vorrichtung umfaßt einen Katalysator, der in dem Abgassystem angeordnet ist, welcher NO¶x¶ absorbiert, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in der umgebenden Atmosphäre davon mager ist, und welcher regeneriert wird, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis ein Regenerations-Luft/Kraftstoff-Verhältnis ist, das das stöchiometrische oder fette Luft/Kraftstoff-Verhältnis ist, einen Bypassmechanismus, um es möglich zu machen, daß zumindest ein Teil des Abgases den Katalysator umgeht, und eine Kraftstoffzuführeinheit zum Zuführen von Kraftstoff in die Nähe des Katalysators. Der Motor weist einen Inertgaszuführmechanismus zum Zuführen von Inertgas in den Zylinder auf und kann eine Niedrigtemperaturverbrennung, bei welcher eine Menge an Inertgas in dem Zylinder größer ist als die Grenzmenge eines Inertgases, das die maximale Menge an erzeugtem Ruß verursacht, und eine Normalverbrennung bei dem mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnis ausführen kann. Wenn der Katalysator regeneriert wird, kann ein erster Regenerationsmodus, bei welchem das Abgas der Niedrigtemperaturverbrennung bei dem Regenerations-Luft/Kraftstoff-Verhältnis das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in der umgebenden Atmosphäre des Katalysators zu dem Regenerations-Luft/Kraftstoff-Verhältnis macht, und ein zweiter Regenerationsmodus ausgewählt werden, bei welchem die Umgehungsvorrichtung zumindest einen Teil des Abgases veranlaßt, den ...
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Reinigen von Abgas ei
nes Verbrennungsmotors.
Das Abgas eines Verbrennungsmotors und insbesondere eines Dieselmotors ent
hält schädliches NOx. Daher hat man vorgeschlagen, eine Katalysatorvorrichtung (im
Folgenden kurz Katalysator) zum Absorbieren und Reduzieren von NOx in dem Abgas
system anzuordnen. Der Katalysator absorbiert NOx in der Form von Salpetersäureio
nen, wenn die Sauerstoffkonzentration in ihrer umgebenden Atmosphäre hoch ist, und
setzt das absorbierte NOx frei, wenn eine Sauerstoffkonzentration der umgebenden At
mosphäre niedrig wird. Der Katalysator absorbiert daher NOx vorzugsweise im Abgas
eines Dieselmotors, bei welchem die Verbrennung bei einer Sauerstoffüberschußbedin
gung stattfindet. Jedoch ist die Menge an NOx, die in dem Katalysator in Form von Sal
petersäureionen absorbiert werden kann, begrenzt und daher muß der Katalysator rege
neriert werden, bevor eine Menge an absorbiertem NOx die Menge an NOx erreicht, die
absorbiert werden kann, das heißt, daß das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in der umgeben
den Atmosphäre stöchiometrisch oder reich bzw. fett gemacht wird bzw. eingestellt
wird, so daß NOx von dem Katalysator freigesetzt werden muß und durch reduzierende
Materialien in der umgebenden Atmosphäre reduziert und gereinigt wird.
Zum Regenerieren des Katalysators wird den Zylindern oder dem Abgassystem
Kraftstoff zugeführt, so daß das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in der umgebenden Atmo
sphäre stöchiometrisch oder reich eingestellt wird, das heißt, ein Regenerations-
Luft/Kraftstoff-Verhältnis. Aber auch wenn das Regenera
tions-Luft/Kraftstoff-Verhältnis realisiert wird, durchläuft der meiste zugeführten Kraft
stoff lediglich den Katalysator mit dem Abgas und daher wird eine große Kraftstoff
menge für die Regeneration erforderlich. Daher steigt der Kraftstoffverbrauch unge
wöhnlich an.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Abgasreinigungsvor
richtung für einen Verbrennungsmotor zu schaffen, welche den Katalysator zum Absor
bieren und Reduzieren von NOx regeneriert, ohne daß der Kraftstoffverbrauch unge
wöhnlich erhöht wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Reinigen von Ab
gas eines Verbrennungsmotors geschaffen, die aufweist: einen Katalysator, der in dem
Abgassystem angeordnet ist, welcher NOx absorbiert, wenn das
Luft/Kraftstoff-Verhältnis der umgebenden Atmosphäre mager ist, und welcher regene
riert wird, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis ein Regenerations-
Luft/Kraftstoff-Verhältnis ist, das das stöchiometrische oder reiche
Luft/Kraftstoff-Verhältnis ist; eine Bypass- bzw. Umleitungsvorrichtung, um zumindest
einem Teil des Abgases das Umleiten bzw. Umgehen (bypass) des Katalysators zu er
möglichen; und eine Kraftstoffzufuhrvorrichtung zum Zuführen von Kraftstoff in die
Nähe des Katalysators; wobei der Motor eine Inertgaszuführvorrichtung zum Zuführen
von Inertgas in den Zylinder aufweist, und eine Niedrigtemperaturverbrennung durch
führen kann, bei welcher eine Menge an Inertgas in dem Zylinder größer als die Grenz
menge an Inertgas ist, die die maximale Menge an erzeugtem Ruß verursacht, und eine
Normalverbrennung bei dem mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnis durchführen kann;
wobei wenn der Katalysator regeneriert wird, eine erste Regenerationsvorrichtung, bei
welcher das Abgas der Niedrigtemperaturverbrennung bei dem Regenerations-
Luft/Kraftstoff-Verhältnis das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in der umgebenden Atmosphä
re des Katalysators zu dem Regenerations-Luft/Kraftstoff-Verhältnis macht, und eine
zweite Regenerationsvorrichtung, bei welcher die Bypassvorrichtung zumindest einen
Teil des Abgases den Katalysator bei der normalen Verbrennung umgehen läßt und der
Kraftstoff, der durch die Kraftstoffzuführvorrichtung zugeführt worden ist, das
Luft/Kraftstoff-Verhältnis in der umgebenden Atmosphäre des Katalysators zu dem
Regenerations-Luft/Kraftstoff-Verhältnis macht, ausgewählt werden kann.
Die Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Es zeigt:
Fig. 1 eine vertikale schematische Schnittansicht eines Dieselmotors mit einer
Abgasreinigungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine vergrößerte vertikale Schnittansicht einer Brennkammer des Diesel
motors von Fig. 1;
Fig. 3 eine Bodenansicht eines Zylinderkopfs des Dieselmotors in Fig. 1;
Fig. 4 eine vergrößerte vertikale Schnittansicht der Brennkammer in Fig. 1;
Fig. 5 eine Ansicht, die eine Beziehung zwischen den Hubbeträgen des Einlaß
ventils und des Abgas- bzw. Auslaßventils und der Kraftstoffeinspritzung zeigt;
Fig. 6 eine Ansicht, die Mengen an erzeugtem Rauch, NOx und dergleichen
zeigt;
Fig. 7(A) und 7(B) Ansichten, die einen Verbrennungsdruck zeigen;
Fig. 8 ist eine Ansicht, die Kraftstoffmoleküle zeigt;
Fig. 9 eine Ansicht, die eine Beziehung zwischen der Menge an erzeugtem
Rauch und der EGR-Rate zeigt;
Fig. 10 eine Ansicht, die eine Beziehung zwischen der Menge an eingespritztem
Kraftstoff und der Menge an gemischtem Gas zeigt;
Fig. 11 eine Ansicht, die den ersten Betriebsbereich (I) und den zweiten Be
triebsbereich (II) zeigt;
Fig. 12 eine Ansicht, die den Ausgang des Luft/Kraftstoff-Verhältnissensors
zeigt;
Fig. 13 eine Ansicht, die den Öffnungsgrad der Drosselklappe und dergleichen
zeigt;
Fig. 14 eine Ansicht, die das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in dem ersten Betriebsbe
reich (I) zeigt;
Fig. 15(A) eine Ansicht, die einen Ziel- bzw. Sollöffnungsgrad der Drosselklappe
zeigt;
Fig. 15(B) eine Ansicht, die einen Sollöffnungsgrad des EGR-Steuerventils zeigt;
Fig. 16 eine Ansicht, die ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis in dem zweiten Betriebs
bereich (II) zeigt;
Fig. 17(A) eine Ansicht, die einen Zielöffnungsgrad des Drosselventils zeigt;
Fig. 17(B) eine Ansicht, die einen Zielöffnungsgrad des EGR-Steuerventils zeigt;
Fig. 18 eine Draufsicht, die den Umschaltabschnitt und den Katalysator zum Ab
sorbieren und Reduzieren von NOx in dem Abgassystem aus der Nähe zeigt;
Fig. 19 eine Seitenansicht von Fig. 18;
Fig. 20 eine Ansicht, die die andere Absperrposition des Ventilkörpers zeigt, die
sich von der in Fig. 18 in dem Umschaltabschnitt gezeigten unterscheidet;
Fig. 21 eine Ansicht, die die Mittenposition des Ventilkörpers in dem Um
schaltabschnitt zeigt;
Fig. 22(A) eine Vorderansicht, die den Aufbau des Katalysators zum Absorbieren
und Reduzieren von NOx zeigt;
Fig. 22(B) eine Seitenschnittansicht, die den Aufbau des Katalysators zeigt;
Fig. 23(A) und 23(B) Ansichten, die die Absorptions- und Freisetzungsaktionen
von NOx erläutern;
Fig. 24(A) und 24(B) Speicherabbildungen (maps) von Mengen an absorbiertem
NOx pro Zeiteinheit;
Fig. 25 ein erstes Flußdiagramm zum Regenerieren des Katalysators;
Fig. 26(A) und 26(B) Ansichten, die die Oxidationsaktion bzw. -wirkung der Par
tikel erläutert;
Fig. 27 eine Ansicht, die die Beziehung zwischen der Menge an Partikeln, die
oxidiert und entfernt werden können, und der Temperatur des Katalysators zeigt;
Fig. 28(A), 28(B) und 28(C) Ansichten, die die Ablagerungswirkung der Partikel
erläutern;
Fig. 29 ein zweites Flußdiagramm zum Verhindern der Ablagerung von Partikeln
auf dem Katalysator;
Fig. 30(A) und 30(B) eine vergrößerte Schnittansicht der Trennwand des Kataly
sators;
Fig. 31 ein drittes Flußdiagramm zum Verhindern der Ablagerung von Partikeln
auf dem Katalysator; und
Fig. 32 ein viertes Flußdiagramm zum Regenerieren des Katalysators.
Fig. 1 zeigt eine schematische vertikale Schnittansicht eines Vier
takt-Dieselmotors mit einer Abgasreinigungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfin
dung. Fig. 2 zeigt eine vergrößerte vertikale Schnittansicht der Brennkammer des Die
selmotors von Fig. 1. Fig. 3 ist eine Bodenansicht eines Zylinderkopfs des Dieselmotors
von Fig. 1. Gemäß Fig. 1-3 bezeichnet das Bezugszeichen 1 einen Motorkörper, das
Bezugszeichen 2 einen Zylinderblock, das Bezugszeichen 3 einen Zylinderkopf, das
Bezugszeichen 4 einen Kolben, das Bezugszeichen 5a einen an der oberen Oberfläche
des Kolbens 4 ausgebildeten Hohlraum, Bezugszeichen 5 einem in dem Hohlraum 5a
ausgebildete Brennkammer, Bezugszeichen 6 eine elektrisch gesteuerte Kraftstoffein
spritzvorrichtung, Bezugszeichen 7 ein Paar von Einlaßventilen, Bezugszeichen 8 einen
Einlaßanschluß, Bezugszeichen 9 ein Paar von Abgas- bzw. Auslaßventilen und Be
zugszeichen 10 einen Abgas- bzw. Auslaßanschluß. Der Einlaßanschluß 8 ist über ein
korrespondierendes Einlaß- bzw. Ansaugrohr 11 mit einem Ausgleichsbehälter 12 ver
bunden. Der Ausgleichsbehälter 12 ist über einen Einlaßkanal 13 mit einem Luftreiniger
14 verbunden. Eine Drosselklappe bzw. -ventil 16, das durch einen elektrischen Motor
angetrieben wird, ist in dem Einlaßkanal 13 angeordnet. Andererseits ist der Abgasan
schluß 10 über einen Abgaskrümmer 17 mit einer Abgasleitung 18 verbunden.
Wie in Fig. 1 gezeigt, ist der Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor 21 in dem Abgas
krümmer 17 angeordnet. Der Abgaskrümmer 17 und der Ausgleichsbehälter 12 sind
miteinander über eine EGR-Leitung (das heißt, über eine Abgasrückführungsleitung) 22
verbunden. Ein elektrisch gesteuertes EGR-Steuerventil 23 ist in der EGR-Leitung 22
angeordnet. Ein EGR-Kühler 24 ist um die EGR-Leitung 22 zum Kühlen des in der
EGR-Leitung 22 strömenden EGR-Gases herum angeordnet. Bei der Ausführungsform
in Fig. 1 wird das Motorkühlwasser in den EGR-Kühler 24 geleitet und dadurch das
EGR-Gas durch das Motorkühlwasser gekühlt.
Andererseits ist hier die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 6 mit einem Kraftstoffre
servoir verbunden, das heißt, eine gemeinsamen Schiene (Common Rail) 26 über eine
Kraftstoffzufuhrröhre 25. Der Kraftstoff wird der Common Rail 26 von einer elektrisch
gesteuerten variablen Kraftstoffförderpumpe 27 zugeführt. Der der Common Rail 26
zugeführte Kraftstoff wird der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 6 über jede Kraftstoffzu
führröhre 25 zugeführt. Ein Kraftstoffdrucksensor 28 zum Erfassen eines Kraftstoff
drucks in der Common Rail 26 ist an der Common Rail 26 befestigt. Die Fördermenge
der Kraftstoffpumpe wird auf der Basis eines Ausgangssignals des Kraftstoffdrucksen
sors 28 derart kontrolliert, daß der Kraftstoffdruck in der Common Rail 26 dem Ziel-
bzw. Sollkraftstoffdruck entspricht.
Bezugszeichen 30 bezeichnet eine elektrische Steuereinheit. Sie besteht aus einem
digitalen Computer und besitzt ein ROM (read only memory) 32, ein RAM (random
access memory) 33, eine CPU (microprocessor) 34, einen Eingangsport 35 und einen
Ausgangsport 36, die miteinander über einen bidirektionalen Bus 31 verbunden sind.
Die Ausgangssignale des Luft/Kraftstoffsensors 21 und des Kraftstoffdrucksensors 28
werden jeweils über A/D-Wandler 37 an den Eingangsport 35 gegeben. Ein Motorbela
stungssensor 41 ist mit dem Gaspedal 40 verbunden, welcher eine Ausgangsspannung
proportional zu dem Betrag eines Herunterdrückens (L) des Beschleunigungs- bzw.
Gaspedals 40 erzeugt. Das Ausgangssignal des Motorbelastungssensors 41 wird ebenso
über einen A/D-Wandler 37 zu dem Eingangsport 35 gegeben. Weiterhin wird das Aus
gangssignal des Kurbelwinkelsensors 42 zum Erzeugen eines Ausgangsimpulses jedes
mal, wenn die Kurbelwelle um beispielsweise 30 Grad gedreht worden ist, zu dem Ein
gangsport 35 eingegeben. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 6, der Elektromotor 15, das
EGR-Steuerventil 23, die Kraftstoffpumpe 27 und ein Ventilkörper 71a eines Um
schaltabschnitts 71, der in der Abgasleitung 18 angeordnet ist, sind mit dem Ausgangs
port 36 über jeweils eine Treiberschaltung 38 verbunden, um auf der Basis der Ein
gangssignale betätigt zu werden.
Wie in Fig. 2 und 3 gezeigt, weist bei der Ausführungsform der vorliegenden Er
findung die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 6 eine Düse mit sechs Düsenöffnungen auf.
Von den Düsenöffnungen werden Kraftstoffstrahlen (F) in einer leicht nach unten gegen
die Horizontale geneigte Richtung mit gleichen Winkelabständen eingespritzt. Wie es in
Fig. 3 gezeigt ist, werden zwei Kraftstoffstrahlen (F) der sechs Kraftstoffstrahlen (F)
entlang der unteren Oberfläche jedes Abgasventils 9 zerstreut. Fig. 2 und 3 zeigen den
Fall, bei dem ein Kraftstoff am Ende eines Kompressionstakts eingespritzt wird. In die
sem Fall dringen die Kraftstoffstrahlen (F) in Richtung der inneren Umfangsoberfläche
des Hohlraums 5 und werden danach gezündet und verbrannt.
Fig. 4 zeigt den Fall, bei dem zusätzlich Kraftstoff von einer Kraftstoffeinspritz
vorrichtung 6 eingespritzt wird, wenn der Hubbetrag der Abgasventile bei dem Ab
gastakt das Maximum aufweisen. Das heißt, Fig. 5 zeigt den Fall, bei dem die Haupt
kraftstoffeinspritzung (Qm) nahe dem oberen Totpunkt der Kompression durchgeführt
wird und danach die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung (Qa), die in der mittleren Phase
des Abgastakts durchgeführt wird. In diesem Fall sind die Kraftstoffstrahlen (F), die in
Richtung der Abgasventile 9 vordringen, zwischen der regenschirmartigen rückseitigen
Oberfläche des Abgasventils 9 und des Abgasanschlusses 10 gerichtet. Mit anderen
Worten zwei der sechs Düsenöffnungen der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 6 sind derart
ausgebildet, daß wenn die Abgasventile geöffnet sind und die zusätzliche Kraftstoffein
spritzung (Qa) ausgeführt wird, die Kraftstoffstrahlen (F) zwischen die rückseitige
Oberfläche des Abgasventils 9 und dem Abgasanschluß 10 gerichtet sind. Bei der Aus
führungsform in Fig. 4 treffen diese Kraftstoffstrahlen (F) die rückseitige Oberfläche
des Abgasventils 9 und werden von der rückseitigen Oberfläche des Abgasventils 9 re
flektiert und daher in den Abgasanschluß 10 gerichtet.
Normalerweise wird die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung (Qa) nicht ausgeführt
und lediglich die Hauptkraftstoffeinspritzung (Qm) durchgeführt. Fig. 6 zeigt ein Bei
spiel eines Experiments, das die Veränderung des Ausgangsdrehmoments und der Men
ge an ausgestoßenem Rauch, HC, CO und NOx zum Zeitpunkt darstellt, wenn das
Luft/Kraftstoff-Verhältnis A/F (Abszisse in Fig. 6) sich durch ein Verändern des Öff
nungsgrads der Drosselklappe 16 verändert, und der EGR-Rate zum Zeitpunkt eines
niedrigen Motorlastbetriebs. Wie aus Fig. 6 ersichtlich, wird bei diesem Experiment das
Luft/Kraftstoff-Verhältnis A/F kleiner, je größer die EGR-Rate wird. Wenn das
Luft/Kraftstoff-Verhältnis unterhalb des stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
(bei etwa 14.6) ist, wird die EGR-Rate größer als 65 Prozent.
Wie in Fig. 6 gezeigt, beginnt die Menge an erzeugtem Rauch zu steigen, falls die
EGR-Rate zum Verringern des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses A/F erhöht wird, wenn die
EGR-Rate ungefähr 40 Prozent erreicht und das Luft/Kraftstoff-Verhältnis A/F ungefähr
30 wird. Wenn die EGR-Rate weiter vergrößert wird und das Luft/Kraftstoff-Verhältnis
A/F kleiner wird, wird die Menge an erzeugtem Rauch schnell größer und erreicht einen
Spitzenwert. Wenn als nächstes die EGR-Rate weiter erhöht wird und das
Luft/Kraftstoff-Verhältnis kleiner wird, sinkt die Menge an erzeugtem Rauch schnell ab.
Wenn die EGR-Rate größer als 65% wird und das Luft/Kraftstoff-Verhältnis A/F annä
hernd 15.0 wird, ist die Menge an erzeugtem Rauch im wesentlichen Null. Das heißt, es
wird fast kein Ruß erzeugt. Zu diesem Zeitpunkt fällt das Ausgangsdrehmoment des
Motors ein bißchen ab und die Menge an erzeugtem NOx wird erheblich weniger. Ande
rerseits beginnt zu diesem Zeitpunkt die Menge an erzeugtem HC und CO sich zu erhö
hen.
Fig. 7(A) zeigt Veränderungen des Verbrennungsdrucks in der Brennkammer 5,
wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis A/F nahe bei 21 liegt und die Menge des erzeugten
Rauchs am größten ist. Fig. 7 (B) zeigt Veränderungen des Verbrennungsdrucks in der
Brennkammer 5, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis A/F nahe bei 18 liegt und die
Menge des erzeugten Rauchs ungefähr gleich Null ist. Ein Vergleich zwischen Fig. 7(A)
und 7(B) zeigt, daß der Verbrennungsdruck in dem Fall, bei dem die erzeugte Rauch
menge ungefähr gleich Null ist, wie in Fig. 7(B) gezeigt, niedriger ist als der Verbren
nungsdruck in dem Fall, bei dem die erzeugte Rauchmenge groß ist, wie in Fig. 7(A)
gezeigt.
Folgendes kann aus den in den Fig. 6 und 7 gezeigten Experimentergebnissen ge
schlossen werden:
- 1. Wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis A/F weniger als 15.0 beträgt und die er zeugte Rauchmenge im wesentlichen Null ist, sinkt die Menge an erzeugtem NOx er heblich, wie in Fig. 6 gezeigt. Die Tatsache, daß die Menge an erzeugtem NOx sinkt bedeutet, daß die Verbrennungstemperatur in der Brennkammer 5 fällt. Es kann daher angenommen werden, daß wenn fast kein Ruß erzeugt wird, die Verbrennungstempera tur in der Brennkammer 5 niedriger wird. Die gleiche Tatsache ist aus Fig. 7 ersichtlich. D. h. bei dem in Fig. 7(B) gezeigten Zustand, bei dem nahezu kein Ruß erzeugt wird, wird der Verbrennungsdruck niedriger, und daher wird zu diesem Zeitpunkt die Ver brennungstemperatur in der Brennkammer 5 niedriger.
- 2. Wenn die Menge an erzeugtem Rauch, das heißt, die erzeugte Rußmenge, im wesentlichen Null wird, wie in Fig. 6 gezeigt, steigen die Mengen an ausgestoßenem HC und CO an. Dies bedeutet, daß Kohlenwasserstoffe ohne eine Umwandlung in Ruß ausgestoßen werden. Das heißt, die geraden Ketten an Kohlenwasserstoffen und aroma tischen Kohlenwasserstoffen, die im Kraftstoff vorhanden und in Fig. 8 gezeigt sind, zerfallen, wenn bei einem Sauerstoffmangelzustand die Temperatur erhöht wird, was zur Bildung eines Vorläufers von Ruß führt. Als nächstes wird Ruß erzeugt, der haupt sächlich aus festen Kohlenstoffatomen besteht. In diesem Fall ist der tatsächliche Her stellungsprozeß von Ruß kompliziert. Es ist nicht klar, wie der Vorläufer von Ruß aus gebildet wird, in jedem Fall jedoch verändern sich die in Fig. 8 gezeigten Kohlenwas serstoffe durch bzw. über den Rußvorläufer zu Ruß. Wie vorhergehend erläutert, steigt daher die Ausstoßmenge an HC und CO an, wie in Fig. 6 gezeigt, wenn die Erzeu gungsmenge von Ruß im wesentlichen Null ist, jedoch ist das HC zu diesem Zeitpunkt ein Rußvorläufer oder in einem vorherigen Kohlenwasserstoffzustand.
Diese Überlegungen auf der Grundlage der in Fig. 6 und 7 gezeigten Experimen
tergebnisse zusammenfassend, kann gesagt werden, daß die Menge an erzeugtem Ruß
im wesentlichen Null wird, wenn die Verbrennungstemperatur der Brennkammer 5
niedrig ist. Zu diesem Zeitpunkt wird ein Rußvorläufer oder Kohlenwasserstoffe in ei
nem vorheriger Zustand aus der Brennkammer 5 ausgestoßen. Weitere detaillierte Expe
rimente und Studien wurden durchgeführt. Als Ergebnis wurde ermittelt, daß wenn die
Temperatur des Kraftstoffs und des den Kraftstoff umgebenden Gases in der Brenn
kammer 5 unterhalb einer bestimmten Temperatur liegt, der Wachstumsprozeß des Ru
ßes auf halben Weg gestoppt, das heißt, überhaupt kein Ruß erzeugt wird, und daß,
wenn die Temperatur des Kraftstoffs und des den Kraftstoff umgebenden Gases in der
Brennkammer 5 höher als eine bestimmte Temperatur wird, Ruß erzeugt wird.
Wenn der Wachstumsprozeß von Kohlenwasserstoffen im Zustand des Rußvor
läufers stoppt, das heißt, oberhalb der bestimmten Temperatur, verändert sich die Tem
peratur des Kraftstoffs und des den Kraftstoff umgebenden Gases abhängig von zahlrei
chen Faktoren wie beispielsweise dem Typ des Kraftstoffs, dem
Luft/Kraftstoffverhältnis und dem Kompressionsverhältnis, so daß nicht exakt geklärt
werden kann, was die Ursache ist, aber diese bestimmte Temperatur spielt eine große
Rolle für die Menge an erzeugtem NOx. Daher kann diese bestimmte Temperatur bis zu
einem bestimmten Grad aus der Menge an erzeugtem NOx bestimmt werden. Das heißt,
je größer die EGR-Rate ist, desto niedriger ist die Temperatur des Kraftstoffs und des
ihn zu diesem Zeitpunkt der Verbrennung umgebenden Gases, und desto niedriger ist
die Menge an erzeugtem NOx. Zu diesem Zeitpunkt, wenn die Menge an erzeugtem NOx
ungefähr 10 ppm oder weniger beträgt, wird nahezu kein Ruß mehr produziert. Daher
entspricht die obige bestimmte Temperatur im wesentlichen der Temperatur, wenn die
Menge an erzeugtem NOx ungefähr 10 ppm oder weniger beträgt.
Wenn erst einmal Ruß erzeugt wird, ist es unmöglich, ihn durch eine Nachbe
handlung unter Verwendung eines Katalysators mit einer Oxidationsfunktion zu reini
gen. Angesichts dieses Umstands kann ein Rußvorläufer oder ein Kohlenwasserstoff in
einem vorherigem Zustand ohne weiteres durch eine Nachbehandlung unter Verwen
dung eines Katalysators mit einer Oxidationsfunktion gereinigt werden. Somit ist es
hochwirksam für die Reinigung des Abgases, daß die Kohlenwasserstoffe aus der
Brennkammer 5 in Form eines Rußvorläufers oder eines vorherigen Zustands mit einer
verringerten Menge an erzeugtem NOx ausgestoßen werden.
Um nun das Wachstum von Kohlenwasserstoffen in dem Zustand vor der Erzeu
gung von Ruß zu stoppen, ist es notwendig, die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn
umgebenden Gases in der Brennkammer 5 zu einem Zeitpunkt auf einer Temperatur zu
halten, die unterhalb der Temperatur liegt, bei der Ruß erzeugt wird. Für diesen Fall
wurde ermittelt, daß die wärmeabsorbierende Wirkung des Gases um den Kraftstoff
herum zu diesem Zeitpunkt der Verbrennung einen extrem großen Einfluß in der Unter
drückung der Temperaturen des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases aufweist.
Das heißt, wenn lediglich Luft um den Kraftstoff vorhanden ist, wird der dampf
förmige Kraftstoff sofort mit dem Sauerstoff in der Luft reagieren und verbrennen. In
diesem Fall wird die Temperatur der Luft, die von dem Kraftstoff weiter weg ist, sich
nicht sonderlich erhöhen. Lediglich die Temperatur um den Kraftstoff herum wird lokal
extrem hoch. Das heißt, zu diesem Zeitpunkt absorbiert die von dem Kraftstoff weiter
entfernte Luft überhaupt nicht viel von der Wärme der Verbrennung des Kraftstoffs. Da
in diesem Fall die Verbrennungstemperatur lokal sehr hoch wird, erzeugen die unver
brannten die Wärme der Verbrennung aufnehmenden Kohlenwasserstoffe Ruß.
Wenn andererseits Kraftstoff in einem Gasgemisch aus einer größeren Menge an
Inertgas und einer kleineren Menge an Luft vorhanden ist, stellt sich die Situation etwas
anders dar. In diesem Fall verteilt sich der verdampfte Kraftstoff in der Umgebung und
reagiert zum Verbrennen mit dem Sauerstoff, der mit dem Inertgas vermischt ist. In die
sem Fall wird die Wärme der Verbrennung durch das umgebende Inertgas absorbiert, so
daß die Verbrennungstemperatur nicht länger so stark ansteigt. Das heißt, die Verbren
nungstemperatur kann niedrig gehalten werden. Das heißt, das Vorhandensein von
Inertgas spielt eine wichtige Rolle bei dem Niedrighalten der Verbrennungstemperatur.
Durch die wärmeabsorbierende Wirkung des Inertgases ist es möglich, die Verbren
nungstemperatur niedrig zu halten.
Um in diesem Fall die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases
auf einer Temperatur zu halten, die niedriger ist als die Temperatur, bei welcher Ruß
erzeugt wird, wird eine Menge an Inertgas benötigt, die ausreichend ist, um eine zum
Erniedrigen der Temperatur ausreichende Wärmemenge zu absorbieren. Daher steigt die
Menge an benötigtem Inertgas, wenn die Menge an Kraftstoff sich erhöht. Festzuhalten
ist in diesem Fall, daß je größer die spezifische Wärme des Inertgases ist, desto stärker
wird die wärmeabsorbierende Wirkung. Daher wird als Inertgas ein Gas mit einer gro
ßen spezifischen Wärme bevorzugt. Da CO2 und das EGR-Gas relativ große spezifische
Wärmekapazitäten aufweisen, kann in diesem Zusammenhang gesagt werden, daß die
Verwendung von EGR-Gas als das Inertgas bevorzugt wird.
Fig. 9 zeigt die Beziehung zwischen der EGR-Rate und dem Rauch, wenn
EGR-Gas als Inertgas verwendet wird, und eine Veränderung des Betrags der Abküh
lung des EGR-Gases. Das heißt, die Kurve (A) in Fig. 9 zeigt den Fall einer starken Ab
kühlung des EGR-Gases und eines Aufrechterhaltens der Temperatur des EGR-Gases
bei ungefähr 90°C, die Kurve (B) zeigt den Fall einer Abkühlung des EGR-Gases bei
einer kompakten Abkühlungsvorrichtung, und die Kurve (C) zeigt den Fall eines nicht
zwangsweisen Abkühlens des EGR-Gases.
Bei einer starken Abkühlung des EGR-Gases, wie es durch die Kurve (A) in Fig. 9
gezeigt ist, erreicht die Menge von erzeugtem Ruß einen Spitzenwert, wenn die
EGR-Rate sich kurz unterhalb von 50% befindet. In diesem Fall, wenn die EGR-Rate
auf ungefähr 55% oder weniger eingestellt ist, wird nahezu kein Ruß mehr produziert.
Wenn andererseits die EGR-Rate leicht abgekühlt wird, wird es durch die Kurve
(B) in Fig. 9 gezeigt ist, erreicht die Menge an erzeugtem Ruß einen Spitzenwert, wenn
die EGR-Rate leicht höher als 50% liegt. In diesem Fall, wenn die EGR-Rate auf unge
fähr 65% eingestellt ist, wird nahezu kein Ruß erzeugt.
Wenn weiterhin das EGR-Gas nicht gezwungenermaßen abgekühlt wird, wie es
durch die Kurve (C) in Fig. 9 gezeigt ist, erreicht die Menge an erzeugtem Ruß nahe der
EGR-Rate von 55% einen Spitzenwert. In diesem Fall, wenn die EGR-Rate auf über
circa 70% eingestellt wird, wird nahezu kein Ruß erzeugt.
Festzuhalten ist, daß Fig. 9 die Menge an erzeugtem Rauch zeigt, wenn die Mo
torbelastung relativ hoch ist. Wenn die Motorbelastung niedriger wird, fällt die
EGR-Rate, bei welcher die Menge an erzeugtem Ruß einen Spitzenwert erreicht, und
die untere Grenze der EGR-Rate, bei welcher nahezu kein Ruß erzeugt wird, fällt eben
so etwas. Auf diese Weise verändert sich die untere Grenze der EGR-Rate, bei welcher
nahezu kein Ruß erzeugt wird, in Übereinstimmung mit dem Abkühlungsgrad des
EGR-Gases oder der Motorbelastung.
Fig. 10 zeigt den Betrag eines Gasgemisches aus EGR-Gas und aus Luft, das Ver
hältnis von Luft in dem Gasgemisch und das Verhältnis von EGR-Gas in dem Gasge
misch, das erforderlich ist, um die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden
Gases zum Zeitpunkt der Verbrennung auf eine Temperatur unterhalb der Temperatur
einzustellen bei welcher im Fall der Verwendung von EGR-Gas als ein Inertgas Ruß
erzeugt wird. Zu beachten ist, daß in Fig. 10 die Ordinate die Gesamtmenge an Ansaug
gas zeigt, das in die Brennkammer 5 eingelassen wird. Die Punktstrichlinie (Y) zeigt die
Gesamtmenge des Ansauggases, das in der Lage ist, in die Brennkammer 5 eingesogen
zu werden, wenn keine Aufladung (Kompression) durchgeführt wird. Weiterhin zeigt
die Abszisse die erforderliche Last. (Z1) zeigt den Betriebsbereich einer niedrigen Mo
torlast.
Gemäß Fig. 10 zeigt das Verhältnis von Luft, das heißt, die Luftmenge in dem
Gasgemisch, die Menge an Luft an, die zum vollständigen Verbrennen des eingespritz
ten Kraftstoffs notwendig ist. Das heißt, für den in Fig. 10 gezeigten Fall, daß das Ver
hältnis der Menge an Luft und der Menge an eingespritztem Kraftstoff das stöchiometri
sche Kraftstoffverhältnis wird. Andererseits zeigt in Fig. 10 das Verhältnis des
EGR-Gases, das heißt, die Menge des EGR-Gases in dem Gasgemisch, die minimale
Menge an EGR-Gases an, die erforderlich ist, um die Temperatur des Kraftstoffs und
des ihn umgebenden Gases auf einer Temperatur zu halten, die niedriger als die Tempe
ratur ist, bei welcher Ruß erzeugt wird, wenn der eingespritzte Kraftstoff vollständig
verbrannt wird. Diese Menge an EGR-Gas wird in Form der EGR-Rate ausgedruckt und
ist größer oder gleich 55%, wobei sie bei der in Fig. 10 gezeigten Ausführungsform
größer oder gleich 70% ist. Das heißt, wenn die Gesamtmenge des Ansauggases in der
Brennkammer 5 auf einen Wert eingestellt wird, der der festen Linie (X) in Fig. 10 ent
spricht, und das Verhältnis der Menge an Luft und der Menge an EGR-Gas bei der Ge
samtmenge des Ansauggases (X) auf das in Fig. 10 gezeigte Verhältnis eingestellt wird,
wird die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases eine Temperatur
sein, die niedriger als die Temperatur ist, bei welcher Ruß erzeugt wird, und daher wird
überhaupt kein Ruß mehr erzeugt. Weiterhin beträgt die Menge an erzeugtem NOx zu
diesem Zeitpunkt ungefähr 10 ppm oder weniger und daher wird die Menge an erzeug
tem NOx sehr klein.
Wenn die Menge an eingespritztem Kraftstoff sich erhöht, erhöht sich die Menge
an erzeugter Wärme zu dem Zeitpunkt der Verbrennung, so daß zum Halten der Tempe
ratur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases auf einer Temperatur, die niedriger
als die Temperatur ist, bei welcher Ruß erzeugt wird, die Menge an Wärme, die durch
das EGR-Gas absorbiert wird, erhöht werden. Wie in Fig. 10 gezeigt, muß daher die
Menge an EGR-Gas zusammen mit einer Erhöhung bei der Menge des eingespritzten
Kraftstoffs erhöht werden. Das heißt, daß die Menge an EGR-Gas erhöht werden muß,
wenn die benötigte Motorleistung höher wird.
Andererseits übersteigt bei dem Motorlastbereich (22) der Fig. 10 die Gesamt
menge des Ansauggases (X), die zum Unterdrücken der Rußerzeugung erforderlich ist,
die Gesamtmenge des Ansauggases (Y), die angesaugt werden kann. Um daher in die
sem Fall die Gesamtmenge an Ansauggas (X), die zum Unterdrücken der Rußprodukti
on erforderlich ist, in die Brennkammer 5 zuzuführen, ist es notwendig sowohl das
EGR-Gas als auch die Ansaugluft oder nur das EGR-Gas aufzuladen bzw. unter Druck
zu setzen. Wenn das EGR-Gas usw. dem Motorlastbereich (22) nicht aufgeladen oder
unter Druck gesetzt wird, entspricht die Gesamtmenge des Ansauggases (X) der Ge
samtmenge des Ansauggases (Y), das angesaugt werden kann. Um daher in diesem Fall
die Rußerzeugung zu verhindern, ist die Luftmenge zum Erhöhen des Betrages des
EGR-Gases etwas verringert und der Kraftstoff wird in einem Zustand verbrannt, bei
dem das Luft/Kraftstoff-Verhältnis reich bzw. fett ist.
Wie vorherstehend erläutert, zeigt Fig. 10 den Fall der Verbrennung von Kraft
stoff bei dem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis. Bei dem in Fig. 10 gezeig
ten Betriebsbereich (21) einer niedrigen Motorlast ist es, auch wenn die Luftmenge
kleiner als die in Fig. 10 gezeigte Luftmenge ist, das heißt, auch wenn das
Luft/Kraftstoff-Verhältnis fett ist, möglich, die Erzeugung von Ruß zu verhindern und
die Menge an erzeugtem NOx auf ungefähr 10 ppm oder weniger einzustellen. Bei dem
in Fig. 10 gezeigten Betriebsbereich (21) einer niedrigen Motorlast ist es weiterhin auch
dann, wenn die Luftmenge größer als die in Fig. 10 gezeigte Luftmenge eingestellt wird,
das heißt, der Durchschnitt des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses als mager auf 17 bis 18
gemacht wird, möglich, die Erzeugung von Ruß zu verhindern und die Menge an er
zeugtem NOx auf ungefähr 10 ppm oder weniger einzustellen.
Das heißt, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis fett gemacht bzw. eingestellt ist,
ist mehr Kraftstoff vorhanden, aber da die Verbrennungstemperatur auf einer niedrigen
Temperatur gehalten wird, wandelt sich der Überschuß an Kraftstoff nicht in Ruß um,
und daher wird kein Ruß erzeugt. Weiterhin wird zu diesem Zeitpunkt lediglich eine
extrem kleine Menge an NOx erzeugt. Wenn andererseits der Durchschnittswert des
Luft/Kraftstoff-Verhältnisses mager ist oder wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis das
stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis ist, wird eine kleine Menge an Ruß erzeugt,
wenn die Verbrennungstemperatur größer wird, aber die Verbrennungstemperatur wird
auf eine niedrige Temperatur heruntergedrückt und somit wird überhaupt kein Ruß er
zeugt. Weiterhin wird lediglich eine kleine Menge an NOx erzeugt.
Auf diese Weise wird bei dem Betriebsbereich (Z1) einer niedrigen Motorlast ab
gesehen von dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis, das heißt, ob das Luft/Kraftstoff-Verhältnis
fett ist oder das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis eingestellt ist oder der
Durchschnitt des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses mager ist, kein Ruß erzeugt und die
Menge an erzeugtem NOx wird extrem klein. In Anbetracht der Verbesserung der Kraft
stoffverbrauchsrate kann daher gesagt werden, daß es vorteilhaft ist, den Durchschnitt
des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses mager einzustellen.
Nebenbei gesagt, nur wenn die Motorlast relativ niedrig und die Menge an er
zeugter Wärme klein ist, kann die Temperatur des Kraftstoffes und des den Kraftstoff
umgebenden Gases bei der Verbrennung unterhalb einer Temperatur gehalten werden,
bei welcher der Wachstumsprozeß von Ruß auf halbem Wege stoppt. Bei der Ausfüh
rungsform der vorliegenden Erfindung wird daher, wenn die Motorlast relativ niedrig
ist, die Temperatur des Kraftstoffs und des den Kraftstoff umgebenden Gases bei der
Verbrennung unterhalb einer Temperatur gehalten, bei welcher der Wachstumsprozeß
von Ruß auf halbem Wege stoppt und daher eine erste Verbrennung, das heißt, eine
Niedrigtemperaturverbrennung, durchgeführt werden. Wenn die Motorlast relativ hoch
ist, wird normalerweise eine zweite Verbrennung, das heißt, eine Normalverbrennung,
ausgeführt. Hierbei sollte es aus der obigen Erklärung ersichtlich sein, daß die erste
Verbrennung, das heißt, die Niedrig-Temperatur-Verbrennung, eine Verbrennung ist,
bei welchem die Menge an Inertgas in der Brennkammer größer ist, als die im Sinne der
Rußerzeugung schlimmste Menge bzw. Grenzmenge an Intergas, die die maximale
Menge an erzeugtem Ruß verursacht, und somit überhaupt kein Ruß erzeugt wird. Die
zweite Verbrennung, das heißt, die Normalverbrennung, ist eine Verbrennung, bei wel
cher die Menge an Inertgas in der Brennkammer kleiner als die Grenzmenge an Inertgas
ist.
Fig. 11 zeigt einen ersten Betriebsbereich (I), bei welchem die erste Verbrennung,
das heißt, die Niedrigtemperaturverbrennung, ausgeführt wird und ein zweiter Betriebs
bereich (II), bei welchem die zweite Verbrennung, das heißt, die Normalverbrennung,
ausgeführt wird. In Fig. 11 zeigt die Ordinate (L) die Menge des Niederdrückens des
Gaspedals 40, das heißt, die benötigte Motorleistung. Die Abszisse (N) zeigt die Mo
tordrehzahl. Weiterhin zeigt bei Fig. 11 X(N) eine erste Grenze zwischen dem ersten
Betriebsbereich (I) und dem zweiten Betriebsbereich (II). Y(N) zeigt eine zweite Grenze
zwischen dem ersten Betriebsbereich (I) und dem zweiten Betriebsbereich (II). Die Ent
scheidung zum Wechseln von dem ersten Betriebsbereich (I) zu dem zweiten Betriebs
bereich (II) wird auf der Grundlage der ersten Grenzlinie X(N) getroffen. Die Entschei
dung zum Wechseln von dem zweiten Betriebsbereich (II) zu dem ersten Betriebsbe
reich (I) wird auf der Grundlage der zweiten Grenzlinie Y(N) getroffen.
Das heißt, wenn der Motorbetriebszustand sich in dem ersten Betriebsbereich (I)
befindet und die Niedrigtemperaturverbrennung durchgeführt wird, wird es, falls die
erforderliche Motorlast (L) die erste Grenzlinie X(N) übersteigt, die eine Funktion der
Motordrehzahl (N) ist, bestimmt, daß sich der Motorbetriebsbereich in den zweiten Be
triebsbereich (II) verschiebt und dadurch die Normalverbrennung ausgeführt wird. Falls
danach die benötigte Motorleistung (L) unter die zweite Grenzlinie Y(N) absinkt, die
eine Funktion der Motordrehzahl (N) ist, wird es bestimmt, daß der Motorbetriebsbe
reich sich zu dem ersten Betriebsbereich (I) hin verschiebt und dadurch wird wieder die
Niedrigtemperaturverbrennung ausgeführt.
Fig. 12 zeigt den Ausgang des Luft/Kraftstoff-Verhältnissensors 21. Wie in Fig.
12 gezeigt, verändert sich der Ausgangsstrom (I) des Luft/Kraftstoff-Verhältnissensors
21 in Übereinstimmung mit dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis A/F. Dementsprechend kann
das Luft/Kraftstoff-Verhältnis von dem Ausgangsstrom (I) des Luft/Kraftstoff-
Verhältnissensors 21 abgelesen werden. Gemäß Fig. 13 wird als nächstes die Motorbe
triebssteuerung in dem ersten Betriebsbereich (I) und dem zweiten Betriebsbereich (II)
schematisch erläutert.
Fig. 13 zeigt den Öffnungsgrad des Drosselventils 16, den Öffnungsgrad des
EGR-Steuerventils 23, die EGR-Rate, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis, die Zeitsteuerung
der Kraftstoffeinspritzung und die Menge an eingespritztem Kraftstoff in bezug auf die
benötigte bzw. erforderliche Motorlast (L). Wie in Fig. 13 gezeigt, wird bei dem ersten
Betriebsbereich (I), wenn die erforderliche Motorleistung (L) niedrig ist, das Drossel
ventil 16 allmählich aus einem nahezu geschlossenen Zustand in die Nähe des halboffe
nen Zustands zusammen mit dem Erhöhen der erforderlichen Motorlast (L) geöffnet,
und das EGR-Steuerventil 23 wird allmählich von dem nahezu geschlossenen Zustand
zu dem vollständig offenen Zustand zusammen mit der Erhöhung der erforderlichen
Motorlast (L) geöffnet. Bei der in Fig. 13 gezeigten Ausführungsform wird die
EGR-Rate bei dem ersten Betriebsbereich (I) auf ungefähr 70% eingestellt und das
Luft/Kraftstoff-Verhältnis dabei leicht mager eingestellt.
Mit anderen Worten bei dem ersten Betriebsbereich (I) werden die Öffnungsgrade
des Drosselventils 16 und des EGR-Steuerventils 23 derart gesteuert, daß die EGR-Rate
ungefähr 70% beträgt und das Luft/Kraftstoff-Verhältnis ein leicht mageres
Luft/Kraftstoff-Verhältnis wird. Das Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu diesem Zeitpunkt
wird auf das Soll-Luft/Kraftstoff-Verhältnis gesteuert, um den Öffnungsgrad des
EGR-Steuerventils 23 auf der Basis des Ausgangssignals des
Luft/Kraftstoff-Verhältnissensors 21 zu korrigieren. Bei dem ersten Betriebsbereich (I)
wird der Kraftstoff vor Erreichen des oberen Totpunkts der Kompression TDC (top dead
center) eingespritzt. In diesem Fall ist die Startzeit (θS) der Kraftstoffeinspritzung zu
sammen mit der Erhöhung der erforderlichen Motorlast (L) verzögert und die Endzeit
(θE) der Kraftstoffeinspritzung ist zusammen mit der Verzögerung der Startzeit (θS) der
Kraftstoffeinspritzung verzögert.
In der Leerlaufbetriebsart wird das Drosselventil 16 fast vollständig geschlossen.
Zu diesem Zeitpunkt wird ebenso das EGR-Steuerventil 23 fast vollständig geschlossen.
Wenn das Drosselventil 16 fast vollständig geschlossen ist, wird der Druck in der
Brennkammer 5 bei dem Anfangszustand des Kompressionstakts niedrig eingestellt,
und damit der Kompressionsdruck niedrig. Wenn der Kompressionsdruck niedrig wird,
wird die Kompressionsarbeit des Kolbens 40 klein und damit die Vibration des Motor
körpers 1 gering. Das heißt, daß bei dem Leerlaufbetriebsmodus das Drosselventil 16
nahezu im geschlossenen Zustand ist, um die Vibration des Motorkörpers 1 zu be
schränken.
Wenn andererseits der Motorbetriebsbereich sich von dem ersten Betriebsbereich
(I) zu dem zweiten Betriebsbereich (II) verändert, vergrößert sich der Öffnungsgrad des
Drosselventils 16 um eine Stufe bzw. sprunghaft von dem halboffenen Zustand in
Richtung des voll offenen Zustands. Zu diesem Zeitpunkt verringert sich bei der in Fig.
13 gezeigten Ausführungsform die EGR-Rate sprunghaft von ungefähr 70% auf unter
halb 40% und das Luft/Kraftstoff-Verhältnis erhöht sich sprunghaft. Das heißt, die
EGR-Rate springt über den Wert der EGR-Rate (Fig. 9), bei welcher die große Menge
an Rauch erzeugt wird, und somit wird die keine große Menge an Rauch erzeugt, wenn
der Motorbetriebsbereich von dem ersten Betriebsbereich (I) zu dem zweiten Betriebs
bereich (II) wechselt. In dem zweiten Betriebsbereich (II) wird wie gewöhnlich eine
Normalverbrennung ausgeführt. Diese Verbrennung bewirkt eine Erzeugung von Ruß
und NOx. Jedoch ist ihre thermische Wirksamkeit höher als die der Niedrigtemperatur
verbrennung. Wenn daher der Motorbetriebsbereich von dem ersten Betriebsbereich (I)
zu dem zweiten Betriebsbereich (II) wechselt, wird die Menge an eingespritztem Kraft
stoff sich um eine Stufe, das heißt, sprunghaft verringern, wie in Fig. 13 gezeigt.
In dem zweiten Betriebsbereich (II) wird abgesehen von einem kleinen Teilbe
reich davon das Drosselventil in dem vollständig geöffneten Zustand gehalten. Der Öff
nungsgrad des EGR-Steuerventils 23 verringert sich allmählich zusammen mit der Er
höhung der benötigten Motorlast. Bei diesem Betriebsbereich (II) verringert sich die
EGR-Rate zusammen mit der Erhöhung der benötigten Motorlast (L) und das
Luft/Kraftstoff-Verhältnis verringert sich zusammen mit der Erhöhung der erforderli
chen Motorlast (L). Jedoch wird das Luft/Kraftstoff-Verhältnis als ein mageres
Luft/Kraftstoff-Verhältnis auch dann eingestellt, wenn die benötigte Motorlast (L) groß
wird. In dem zweiten Betriebsbereich (II) wird weiterhin die Startzeit (θS) der Kraftstof
feinspritzung nahe dem oberen Totpunkt der Kompression TDC eingestellt.
Fig. 14 zeigt die Luft/Kraftstoff-Verhältnisse A/F in dem ersten Betriebsbereich
(I). In Fig. 14 zeigen die Kurven bei A/F = 15.5, A/F = 16, A/F = 17 und A/F = 18 je
weils die Fälle, bei denen die Luft/Kraftstoff-Verhältnisse 15.5, 16, 17 und 18 sind. Das
Luft/Kraftstoff-Verhältnis zwischen zwei Kurven wird durch den proportionalen Anteil
bestimmt. Wie in Fig. 14 gezeigt, ist bei dem ersten Betriebsbereich (I) das
Luft/Kraftstoff-Verhältnis mager und je magerer das Luft/Kraftstoff-Verhältnis ist, de
sto niedriger wird die benötigte Motorlast (L).
Das heißt, die Menge an erzeugter Wärme bei der Verbrennung verringert sich zu
sammen mit der Verringerung der benötigten Motorlast (L). Daher kann, auch wenn die
EGR-Rate sich zusammen mit der Verringerung der benötigten Motorlast (L) verringert,
die Niedrigtemperaturverbrennung durchgeführt werden. Wenn die EGR-Rate sich ver
ringert, wird das Luft/Kraftstoff-Verhältnis groß. Wie in Fig. 14 gezeigt, erhöht sich
daher das Luft/Kraftstoff-Verhältnis A/F zusammen mit der Verringerung der benötig
ten Motorlast (L). Je größer das Luft/Kraftstoff-Verhältnis wird, desto mehr verbessert
sich der Kraftstoffverbrauch. Demgemäß erhöht sich bei der vorliegenden Ausführungs
form das Luft/Kraftstoff-Verhältnis A/F zusammen mit der Verringerung der erforderli
chen Motorlast (L) derart, daß das Luft/Kraftstoff-Verhältnis so mager wie möglich ge
macht wird bzw. eingestellt ist.
Ein Sollöffnungsgrad (ST) des Drosselventils 16, das erforderlich ist, um das
Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf das Soll-Luft/Kraftstoff-Verhältnis, das in Fig. 14 gezeigt
ist, einzustellen, wird in einem ROM 32 der elektronischen Steuereinheit als ein Spei
cherabbild gespeichert, in welchem es eine Funktion der benötigten Motorlast (L) und
der Motordrehzahl (N) darstellt, wie in Fig. 15(A) gezeigt. Ein Sollöffnungsgrad (SE)
des EGR-Steuerventils 23, das zum Einstellen des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses auf das
Soll-Luft/Kraftstoff-Verhältnis, das in Fig. 14 gezeigt ist, erforderlich ist, wird in dem
ROM 32 der elektronischen Steuereinheit als ein Speicherabbild gespeichert, in wel
chem es eine Funktion der benötigten Motorlast (L) und Motordrehzahl (N) darstellt,
wie in Fig. 15(B) gezeigt.
Fig. 16 zeigt Soll-Luft/Kraftstoff-Verhältnisse, wenn die zweite Verbrennung, das
heißt, die Normalverbrennung, wie gewöhnlich ausgeführt wird. In Fig. 16 zeigen die
Kurven jeweils die Fälle, bei denen die Soll-Luft/Kraftstoff-Verhältnisse 24, 35, 45 und
60 sind, was durch A/F = 24, A/F = 35, A/F = 45 und A/F = 60 angedeutet wird. Ein
Sollöffnungsgrad (ST) des Drosselventils 16, das zum Einstellen des
Luft/Kraftstoff-Verhältnisses auf das Soll-Luft/Kraftstoff-Verhältnis erforderlich ist,
wird in dem ROM 32 der elektronischen Steuereinheit als ein Speicherabbild gespei
chert, in welchem es eine Funktion der benötigten Motorlast (L) und der Motordrehzahl
(N) darstellt, wie in Fig. 17(A) gezeigt. Ein Sollöffnungsgrad (SE) des
EGR-Steuerventils 23, das zum Einstellen des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses auf das
Soll-Luft/Kraftstoff-Verhältnis erforderlich ist, wird in dem ROM 32 der elektronischen
Steuereinheit als ein Speicherabbild gespeichert, in welchem es eine Funktion der benö
tigten Motorlast (L) und der Motordrehzahl (N) darstellt, wie in Fig. 17(B) gezeigt.
Somit wird bei dem Dieselmotor der vorliegenden Ausführungsform zwischen der
ersten Verbrennung, das heißt, der Niedrigtemperaturverbrennung, und der zweiten
Verbrennung, das heißt, der normalen Verbrennung, auf der Basis der Größe des Nie
derdrückens (L) des Gaspedals 40 und der Motordrehzahl (N) umgeschaltet. Bei jeder
Verbrennung werden die Öffnungsgrade des Drosselventils 16 und des
EGR-Steuerventils 23 auf der Grundlage der Speicherabbilder, die in Fig. 15 und 17
gezeigt sind, gesteuert.
Fig. 18 ist eine Draufsicht, die eine Abgasreinigungsvorrichtung einer Ausfüh
rungsform zeigt, und Fig. 19 ist eine Seitenansicht davon. Die Vorrichtung weist einen
Umschaltabschnitt 71, der über die Abgasleitung 18 mit dem Ausgangsstrom des Ab
gaskrümmers 17 verbunden ist, einen Katalysator 70 zum Absorbieren und Reduzieren
von NOx, einen ersten Verbindungsabschnitt 72a zum Verbinden einer Seite des Kataly
sators 70 mit dem Umschaltabschnitt 71, einen zweiten Verbindungsabschnitt 72b zum
Verbinden der anderen Seite des Katalysators 70 mit dem Umschaltabschnitt 71 und
einen Abgaskanal 73 an dem Ausgangsstrom des Umschaltabschnitts 71 auf. Eine
Kraftstoffzuführeinheit 74 ist an dem ersten Verbindungsabschnitt 72a zum Zuführen
von Kraftstoff in die Nähe des Katalysators 70 angeordnet. Der Umschaltabschnitt 71
weist einen Ventilkörper 71a auf, der den Abgasstrom in dem Umschaltabschnitt 71
absperrt bzw. umschaltet. Der Ventilkörper 71a wird durch ein Unterdruckstellglied
(negative pressure actuator), einen Schrittmotor oder dergleichen angetrieben. Bei einer
Absperrposition des Ventilkörpers 71a wird die Eingangsstromseite (upstream side) des
Umschaltabschnitts 71 mit dem ersten Verbindungsabschnitt 72a verbunden und seine
Ausgangsstromseite (downstream side) wird mit dem zweiten Verbindungsabschnitt
72b verbunden, und somit strömt das Abgas von einer Seite des Katalysators 70 zu sei
ner anderen Seite, wie in Fig. 18 durch Pfeile gezeigt.
Fig. 20 zeigt eine andere Absperrposition des Ventilkörpers 71a. Bei dieser Ab
sperrposition ist die Eingangsstromseite in dem Umschaltabschnitt 71 mit dem zweiten
Verbindungsabschnitt 72b verbunden und die Ausgangsstromseite in dem Umschaltab
schnitt 72 mit dem ersten Verbindungsabschnitt 72a verbunden, und somit strömt das
Abgas von der einen Seite des Katalysators 70 zu seiner anderen Seite, wie es in Fig. 20
durch Pfeile gezeigt ist. Somit kann durch ein Umschalten des Ventilkörpers 71a die
Richtung des Abgases, das durch den Katalysator 70 strömt, umgekehrt werden, das
heißt, die Abgaseingangsstromseite und die Abgasausgangsstromseite des Katalysators
70 können umgekehrt bzw. vertauscht werden.
Weiterhin zeigt Fig. 21 eine Mittenposition des Ventilkörpers 71 zwischen den
zwei Absperrpositionen. Bei der Mittenposition ist der Umschaltabschnitt 71 nicht ab
gesperrt. Das Abgas durchläuft den Katalysator 70 nicht mit einem höheren Widerstand.
Das heißt, das Abgas umgeht den Katalysator 70 und strömt direkt in den Abgaskanal
73, wie es durch Pfeile in Fig. 21 gezeigt ist. Wenn der Ventilkörper 71a sich zwischen
der Mittenposition und einer der beiden Absperrpositionen befindet, durchläuft natürlich
ein Teil des Abgases den Katalysator 70 und der Rest umgeht den Katalysator 70. Somit
kann durch Steuern des Öffnungsgrads des Ventilkörpers 71a ein Teil oder das gesamte
Abgas den Katalysator 70 umgehen bzw. wird daran vorbei umgeleitet. Normalerweise
ist jedoch der Ventilkörper 71a in einer der beiden Absperrpositionen.
Fig. 22 zeigt den Aufbau des Katalysators, wobei Fig. 22(A) eine Vorderansicht
des Katalysators 70 und Fig. 22(B) eine seitliche Schnittansicht davon ist. Wie in diesen
Figuren gezeigt, weist der Katalysator 70 eine elliptische Form auf und ist beispielsweise
vom Wandströmungstyp mit einem Wabenaufbau, der aus einem porösen Material wie
etwa Cordierite ausgebildet ist, und weist in der axialen Richtung viele Zwischenräume
auf, die durch viele sich in axialer Richtung sich erstreckende Trennwände 54 getrennt
sind. Einer von jeweils zwei benachbarten Freiräumen ist durch einen Pfropfen bzw.
Verschluß 53 auf der Abgasausgangsstromseite verschlossen und der jeweils andere ist
durch einen Verschluß 53 auf der Abgaseingangsstromseite verschlossen. Somit dient
einer von zwei benachbarten Freiräumen als ein Abgaseinströmkanal 50 und der andere
als ein Abgasausströmkanal 51, was bewirkt, daß das Abgas notwendigerweise die
Trennwand 54, wie durch die Pfeile in Fig. 22(B) angedeutet, durchlaufen muß. Bei
dem vorliegenden Katalysator 70 wird ein NOx-Absorptionsmittel und ein Edelmetall
katalysator wie Platin (Pt), welcher im folgenden erläutert wird, auf beiden Seitenober
flächen der Trennwände 54 aufgetragen und vorzugsweise ebenso in den Porenoberflä
chen der Trennwänden 54 unter Verwendung von Aluminium oder dergleichen aufge
tragen.
Bei der vorliegenden Erfindung ist das NOx-Absorptionsmittel, das auf der
Trennwand 54 aufgetragen wird, zumindest eines, das aus den Alkalimetallen wie bei
spielsweise Kalium K, Natrium Na, Lithium Li und Cäsium Cs, den Alkali-Erdmetallen
wie beispielsweise Barium Ba und Calcium Ca und aus Seltene-Erden-Elementen wie
beispielsweise Lanthan La und Yttrium Y ausgewählt worden ist. Das
NOx-Absorptionsmittel absorbiert NOx, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis (das ein
Verhältnis der zugeführten Luft zum zugeführten Kraftstoff ungeachtet einer Menge an
durch Verwendung von Sauerstoff in der zugeführten Luft verbrannten Menge an Kraft
stoff ist) in der umgebenden Atmosphäre mager ist und setzt das absorbierte NOx frei,
wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis stöchiometrisch oder fett wird, und somit führt das
ein NOx-Absorptionsmittel die Absorbierungs- und Freisetzungstätigkeiten von NOx
aus.
Das ein NOx-Absorptionsmittel kann tatsächlich die Absorptions- und Freiset
zungstätigkeiten für NOx ausführen, aber ein Teil des Mechanismus des Absorbierens
und Freisetzens von NOx ist nicht geklärt. Jedoch wird angenommen, daß die Absorpti
on und Freisetzung von NOx durch den in Fig. 23(A) und 23(B) gezeigten Mechanismus
stattfindet. Als nächstes wird der Mechanismus mit Bezug auf den Fall, bei dem Platin
Pt und Barium Ba auf der Trennwand des Katalysators aufgetragen sind, erläutert. Der
Mechanismus ist der gleiche wie bei Verwendung eines anderen Edelmetalls und eines
anderen Alkalimetalls, eines Alkali-Erdmetalls oder eines Seltene-Erden-Elementes.
Ob bei der Niedrigtemperaturverbrennung oder der Normalverbrennung, die Sau
erstoffkonzentration in dem Abgas ist hoch, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis mager
ist. Zu diesem Zeitpunkt haftet Sauerstoff O2 in dem Abgas an der Oberfläche von Platin
Pt in der Form von O2 - oder O2-, wie in Fig. 23(A) gezeigt. Andererseits reagiert NO im
Abgas mit O2 - oder O2- auf der Oberfläche von Platin Pt zu NO2 (2NO + O2 → 2NO2).
Als nächstes wird ein Teil des erzeugten NO2 während es auf dem Platin Pt oxidiert
wird in dem NOx-Absorptionsmittel absorbiert, und diffundiert in das NOx-
Absorptionsmittel in Form von Salpetersäureionen NO3 -, während es mit Bariumoxid
BaO kombiniert, wie es in Fig. 23(A) gezeigt wird. Somit wird bei der vorliegenden
Ausführungsform das in dem Abgas enthaltene NOx von dem NOx-Absorptionsmittel
absorbiert. Solange die Sauerstoffkonzentration in der umgebenden Atmosphäre hoch
ist, wird NO2 auf der Oberfläche von Platin Pt erzeugt und solange die Fähigkeit des
NOx-Absorptionsmittels zum Absorbieren von NOx nicht gesättigt ist, wird NO2 in dem
NOx-Absorptionsmittel zum Erzeugen von Salpetersäureionen NO3 - absorbiert.
Wenn andererseits das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in der umgebenden Atmosphäre
fett ist, sinkt die Sauerstoffkonzentration. Folglich sinkt die Menge an NO2, das an der
Oberfläche vom Platin Pt erzeugt wird. Wenn die Menge an NO2 sinkt, kehrt sich die
Reaktion (NO3 - → NO2) um und somit werden Salpetersäureionen NO3 - von dem NOx-
Absorptionsmittel in Form von NO2 freigesetzt. Zu diesem Zeitpunkt wird von dem
NOx-Absorptionsmittel freigesetztes NOx reduziert, um mit HC, CO oder dergleichen,
das in der umgebenden Atmosphäre enthalten ist, zu reagieren, wie in Fig. 23(B) ge
zeigt. Wenn somit NO2 nicht an der Oberfläche vom Platin Pt vorhanden ist, wird NO2
von dem NOx-Absorptionsmittel eins nach dem anderen freigesetzt. Wenn dementspre
chend das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in der umgebenden Atmosphäre fett eingestellt
wird, wird das gesamte absorbierte NOx von dem NOx-Absorptionsmittel für eine kurze
Zeit freigesetzt. Das freigesetzte NOx wird reduziert und somit wird NOx nicht außer
halb des Abgassystems freigesetzt.
Auch wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in der umgebenden Atmosphäre
stöchiometrisch eingestellt wird, wird NOx von dem NOx-Absorptionsmittel freigesetzt.
In diesem Fall jedoch wird das NOx allmählich von dem NOx-Absorptionsmittel freige
setzt und somit wird eine relativ lange Zeitdauer zum Freisetzen des gesamten absor
bierten NOx benötigt.
Nebenbei bemerkt weist die Fähigkeit zum Absorbieren von NOx in dem NOx-
Absorptionsmittel eine Grenze auf. Daher muß, bevor die Fähigkeit gesättigt ist, NOx
von dem NOx-Absorptionsmittel freigesetzt werden. Das heißt, bevor eine augenblickli
che Menge von NOx, das in dem Katalysator absorbiert ist, die Grenzmenge von NOx
erreicht, die darin absorbiert werden kann, muß NOx von dem Katalysator freigesetzt
werden und das freigesetzte NOx muß reduziert und gereinigt werden, das heißt, der
Katalysator muß regeneriert werden. Zu diesem Zweck muß die augenblickliche Menge
an in dem Katalysator absorbiertem NOx geschätzt werden. Bei der vorliegenden Aus
führungsform ist ein Speicherabbild von Mengen von in dem Katalysator pro Zeiteinheit
bei der Niedrigtemperaturverbrennung A absorbiertem NOx wie in Fig. 24(A) vorbe
stimmt. Bei diesem Speicherabbild sind Mengen von in dem Katalysator pro Zeiteinheit
(A) absorbiertem NOx als Funktion einer benötigten Motorlast (L) und einer Motordreh
zahl (N) eingestellt. Ein Speicherabbild von Mengen an in dem Katalysator pro Zeitein
heit bei der normalen Verbrennung (B) absorbiertem NOx ist wie in Fig. 24(B) vorbe
stimmt. In dem Speicherabbild sind Mengen an in dem Katalysator pro Zeiteinheit (B)
absorbiertem NOx als Funktionen einer benötigten Motorlast (L) und einer Motordreh
zahl (N) eingestellt. Eine augenblickliche Menge an in dem Katalysator absorbiertem
NOx kann daher abgeschätzt werden, um diese Mengen an in dem Katalysator pro
Zeiteinheit (A) und (B) absorbiertem NOx zu integrieren. Wenn hierbei die Niedrigtem
peraturverbrennung bei einem fetten Luft/Kraftstoff-Verhältnis stattfindet, wird das ab
sorbierte NOx freigesetzt und somit wird eine Menge an in dem Katalysator pro Zeitein
heit (A) absorbiertem NOx ein Minuswert.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird der Katalysator regeneriert, wenn die
geschätzte Menge an in dem Katalysator absorbiertem NOx größer als ein vorbestimmter
zulässiger Wert wird. Fig. 25 zeigt ein erstes Flußdiagramm zu diesem Zweck. Das
Flußdiagramm wird nach einer vorbestimmten Zeit wiederholt durchlaufen. Bei Schritt
101 wird als erstes bestimmt, ob die Regenerationszeit für den Katalysator 70 erreicht
ist. Wenn die Regenerationszeit nicht erreicht, wird die Routine gestoppt. Wenn ande
rerseits die geschätzte Menge an in dem Katalysator absorbiertem NOx größer als ein
vorbestimmter zulässiger Wert wird, wird das Ergebnis positiv und die Routine fährt bei
Schritt 102 fort.
Bei Schritt 102 wird bestimmt, ob gerade die Niedrigtemperaturverbrennung aus
geführt wird. Wenn das Ergebnis positiv ist, springt die Routine zu Schritt 103. Bei
Schritt 103 wird bestimmt, ob eine Temperatur (T) des Katalysators größer oder gleich
einer vorbestimmten Temperatur (T1) ist. Die Temperatur (T) des Katalysators kann
direkt durch einen Temperatursensor, der in dem Katalysator angeordnet ist, erfaßt wer
den. Weiterhin kann die Temperatur (T) des Katalysators durch eine Temperatur des
Abgases, das auf der Basis des augenblicklichen Motorbetriebszustands oder einer ge
messenen Temperatur des Abgases geschätzt worden ist, geschätzt werden. Wenn das
Ergebnis bei Schritt 103 negativ ist, wird die Niedrigtemperaturverbrennung bei dem
stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis oder einem fetten
Luft/Kraftstoff-Verhältnis, das heißt, einem Regenerations-Luft/Kraftstoff-Verhältnis
ausgeführt. Falls die Niedrigtemperaturverbrennung bei einem mageren
Luft/Kraftstoff-Verhältnis ausgeführt wird, wird eine Menge an eingespritztem Kraft
stoff erhöht und das Verbrennungsluft/Kraftstoff-Verhältnis wird stöchiometrisch oder
fett eingestellt. Somit fällt die Sauerstoffkonzentration in der umgebenden Atmosphäre,
so daß NOx von dem Katalysator freigesetzt wird.
Wie vorhergehend erwähnt, sind bei der Niedrigtemperaturverbrennung relativ
große Mengen an HC und CO in dem Abgas enthalten. Insbesondere das Kohlenwasser
stoff HC ist ein Rußvorläufer oder in einer dazu vorherigen Stufe des Kohlenwasser
stoff. Daher weist HC eine hohe Aktivierung auf und kann NOx, das von dem Kataly
sator freigesetzt worden ist, vorzugsweise auch dann reduzieren, wenn die Temperatur
des Katalysators niedrig ist. Wenn andererseits Kraftstoff lediglich in das Abgassystem
zugeführt wird, besitzt der Kraftstoff (HC) keine hohe Aktivierung und der meiste
Kraftstoff durchläuft den Katalysator mit dem Abgas. Jedoch kann lediglich eine kleine
Menge an Kraftstoff den Katalysator unter Verwendung der Niedrigtemperaturverbren
nung regenerieren. Wie vorstehend erwähnt, wird ferner wenig Ruß erzeugt, wenn das
Verbrennungs-Luft/Kraftstoff-Verhältnis bei der Niedrigtemperaturverbrennung fett
gemacht wird.
Wenn andererseits das Ergebnis bei Schritt 103 positiv ist, d. h., wenn die Tempe
ratur (T) des Katalysators relativ hoch ist, geht die Routine zu Schritt 104. Wenn von
der Niedrigtemperaturverbrennung auf die Normalverbrennung umgestellt wird, wird
bei Schritt 104 bestimmt, ob eine Menge an schädlichen Stoffen bzw. eine Schadstoff
menge (E), wie etwa HC, CO oder NOx, die von dem Motor ausgestoßen wird, größer
wird als eine vorbestimmte Menge (E1). Die von dem Motor ausgestoßene Schadstoff
menge (E) kann aus dem Speicherabbild auf der Basis der Motorlast und der Mo
tordrehzahl bestimmt werden. Natürlich kann die von dem Motor ausgestoßene Schad
stoffmenge (E) direkt oder indirekt in dem Abgas erfaßt werden. Wenn das Resultat von
Schritt 104 positiv ist, fährt die Routine bei Schritt 108 fort und die Niedrigtemperatur
verbrennung wird bei dem Regenerations-Luft/Kraftstoff-Verhältnis ausgeführt. Wenn
das Ergebnis bei Schritt 104 jedoch negativ ist, d. h., wenn die Schadstoffmenge in dem
Abgas auch wenn die Niedrigtemperaturverbrennung auf die Normalverbrennung umge
stellt worden ist klein ist, fährt die Routine mit Schritt 105 auch dann fort. Bei Schritt
105 wird die Niedrigtemperaturverbrennung auf die Normalverbrennung bei einem ma
geren Luft/Kraftstoff-Verhältnis umgestellt.
Bei Schritt 106 wird als nächstes der Ventilkörper 71a von der Mittenposition zu
einer Position eingestellt, die leicht in Richtung der einen in Fig. 18 gezeigten Ab
sperrposition geschwenkt. Ein Teil des Abgases durchläuft daher den Katalysator 70
und der Rest umgeht (bypasses) den Katalysator 70. Da eine Menge an schädlichem
Material in dem Abgas zu diesem Zeitpunkt klein ist, tritt kein Problem auf. Als näch
stes führt die Kraftstoffzuführeinheit 74 Kraftstoff in die Nähe des Katalysators 70 zu.
Da die Temperatur (T) des Katalysators relativ hoch ist, wird der zugeführte Kraftstoff
bevorzugt unter Verwendung des Oxidationskatalysemittels wie Platin Pt, das auf dem
Katalysator aufgetragen ist und Sauerstoff verbraucht, oxidiert. Daher sinkt die Sauer
stoffkonzentration in der umgebenden Atmosphäre und somit wird NOx von dem Kata
lysator freigesetzt und das freigesetzte NOx wird bevorzugt reduziert und gereinigt.
Da eine große Menge des Abgases den Katalysator umgeht, wird lediglich eine
kleine Menge an zugeführtem Kraftstoff auf der Ausgangsstromseite des Katalysators
mit einer kleinen Menge an Abgas ausgestoßen. Somit wird der meiste zugeführte
Kraftstoff dazu verwendet, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in der umgebenden Atmo
sphäre zu dem Regenerations-Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu machen. Dementsprechend
ist eine Menge an Kraftstoff, die in diesem Fall zum Regenerieren des Katalysators be
nötigt wird, kleiner als in dem Fall, bei dem die Niedrigtemperaturverbrennung bei dem
Regenerations-Luft/Kraftstoff-Verhältnis ausgeführt wird, wie vorstehend erwähnt.
Wenn andererseits das Ergebnis bei Schritt 102 negativ ist, das heißt, wenn die
Normalverbrennung in der Regenerationszeit des Katalysators ausgeführt wird, fährt die
Routine mit Schritt 109 fort. Bei Schritt 109 wird festgestellt, wenn eine von dem Motor
ausgestoßene Schadstoffmenge (E) größer ist als die vorbestimmte Menge (E1), genau
so wie bei Schritt 104. Wenn das Ergebnis negativ ist, fährt die Routine bei Schritt 106
fort und eine große Menge an Abgas umgeht den Katalysator. Bei Schritt 107 führt
anschließend die Kraftstoffzuführeinheit 74 Kraftstoff in die Nähe des Katalysators zu.
Wenn andererseits das Ergebnis bei Schritt 109 positiv, d. h., wenn eine Menge an
schädlichem Material groß ist, wird es nicht bevorzugt, daß das Abgas den Katalysator
umgeht. Daher wird bei Schritt 107 Kraftstoff ohne ein Umgehen des Abgases zuge
führt. Falls die Temperatur (T) des Katalysators niedrig ist, wird jedoch bei einer derar
tigen Regeneration des Katalysators bei der normalen Verbrennung der durch die Kraft
stoffzuführeinheit 74 zugeführte Kraftstoff nicht bevorzugt für die Regeneration funk
tionieren. Dementsprechend kann die gleiche Bestimmung wie bei Schritt 103 sofort vor
Schritt 109 vorgesehen werden und die Regeneration kann, nachdem die Temperatur des
Katalysators hoch geworden ist, aufgeführt werden.
Bei Schritt 106 des vorliegenden Flußdiagramms wird der Ventilkörper 71a von
der Mittenposition auf die Position eingestellt, die leicht in Richtung der einen in Fig.
18 gezeigten Absperrposition geschwenkt ist, und somit strömt nur ein Teil des Abgases
in den Katalysator 70. Dies dient zum Verhindern eines Sauerstoffmangels, wenn der
Kraftstoff, der in die Nähe des Katalysators zugeführt worden ist, durch Verwendung
des Oxidationskatalysemittels verbrennt, das auf dem Katalysator aufgetragen ist. Falls
dementsprechend der zugeführte Kraftstoff ausreichend verbrennen kann, um nur Sauer
stoff in dem Abgas in dem ersten Verbindungsabschnitt 72a zu verwenden, kann der
Ventilkörper 71a in der Mittenposition sein, so daß das gesamte Abgas den Katalysator
umgeht. Daher strömt der zugeführte Kraftstoff nicht aus dem Katalysator mit dem Ab
gas und somit kann der Kraftstoffverbrauch weiter erniedrigt werden.
Nebenbei gesagt kann der Dieselmotor der vorliegenden Erfindung zwischen der
Niedrigtemperaturverbrennung und der Normalverbrennung, wie oben erwähnt, wech
seln. Bei der Niedrigtemperaturverbrennung wird wenig Ruß (bzw. Partikel) erzeugt.
Bei der Normalverbrennung jedoch wird eine relativ große Menge an Partikeln erzeugt.
Die Partikel sind schädliche Materialien und somit muß ihre Emission beschränkt wer
den.
Der vorliegende Katalysator 70 besitzt, wie vorhergehend erwähnt, den Wand
stromaufbau (wall-flow-type). Die Partikel sind viel kleiner als die Poren der Trenn
wand 54, aber kollidieren mit der Abgaseingangsstromseitenoberfläche der Trennwand
54 und der Porenoberfläche in der Trennwand 54 und werden somit eingefangen, wenn
das Abgas die Trennwand 54 durchströmt. Somit funktioniert der vorliegende Kataly
sator 70 die Trennwand als eine Einfangwand zum Einfangen der Partikel. Wenn es
jedoch nicht beabsichtigt ist, die Partikel einzufangen, kann der Katalysator keinen
Wandstromaufbau aufweisen, das heißt, die Verschlüsse 53 in Fig. 22 können wegge
lassen werden.
Wenn nichts getan wird, lagern sich die eingefangenen Partikel allmählich in dem
Katalysator 70 ab, so daß ein Abgaswiderstand allmählich ansteigt. Schließlich verur
sacht der erhöhte Abgaswiderstand einen ungünstigen Einfluß auf den Betrieb des Fahr
zeugs. Demgemäß trägt jede Trennwand des vorliegenden Katalysators ein Freiset
zungsmittel für aktiven Sauerstoff (im folgenden als ein Aktivsauerstofffreisetzungs
mittel bezeichnet) und ein Edelmetallkatalysator, welche im folgenden erläutert werden,
auf ihren beiden seitlichen Oberflächen und vorzugsweise ebenso auf den Porenoberflä
chen darin.
Das Aktivsauerstofffreisetzungsmittel setzt aktiven Sauerstoff frei, um die Oxida
tion der Partikel zu unterstützen und nimmt vorzugsweise Sauerstoff auf und hält Sauer
stoff, wenn Sauerstoff im Überschuß in der Umgebung vorhanden ist, und setzt den
festgehaltenen Sauerstoff als aktiven Sauerstoff frei, wenn die Sauerstoffkonzentration
in der Umgebung absinkt.
Als Edelmetallkatalysemittel wird normalerweise Platin verwendet. Als das Ak
tivsauerstofffreisetzungsmittel wird zumindest eines aus der folgenden Liste verwendet:
Alkalimetalle, wie beispielsweise Kalium K, Natrium Na, Lithium Li, Cäsium Cs und
Rubidium Rb, Erdalkalimetalle wie beispielsweise Barium Ba, Kalzium Ca und Stronti
um Sr, seltene Erdelemente wie beispielsweise Lanthan La und Yttrium Y und Über
gangsmetalle.
Für ein Aktivsauerstofffreisetzungsmittel ist es wünschenswert, ein Alkalimetall
oder ein Erdalkalimetall mit einer Ionisationstendenz zu verwenden, die größer als die
von Kalzium Ca ist, das heißt, Kalium K, Lithium Li, Cäsium Cs, Rubidium Rb, Bari
um Ba oder Strotium Sr.
Im folgenden wird als nächstes erläutert wie die eingefangenen Partikel auf der
Trennwand des Katalysators durch den ein derartiges Aktivsauerstofffreisetzungsmittel
tragenden Katalysator unter Bezugnahme auf den Fall der Verwendung von Platin Pt
und Kalium K oxidiert und entfernt werden. Die Partikel werden auch bei Verwendung
eines anderen Edelmetalls oder anderen Alkalimetalls, Erdalkalimetalls, eines Seltene-
Erden-Elements oder eines Übergangsmetalls auf die gleiche Art und Weise oxidiert
und entfernt.
Bei einem Dieselmotor findet die Verbrennung in der Regel bei einer Luftüber
schußbedingung statt und daher enthält das Abgas eine große Menge an überschüssiger
Luft. Das heißt, wenn das Verhältnis der Luft zu dem Kraftstoff, der dem Ansaugsystem
und der Brennkammer zugeführt wird, als ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases
bezeichnet wird, ist das Luft/Kraftstoff-Verhältnis mager. Weiterhin wird NO in der
Brennkammer erzeugt und somit enthält das Abgas NO. Weiterhin enthält der Kraftstoff
Schwefel S und Schwefel S reagiert mit Sauerstoff in der Brennkammer zu SO2. Dem
entsprechend strömt das überschüssigen Sauerstoff, NO und SO2 enthaltende Abgas in
die Abgaseingangsstromseite des Katalysators 70.
Fig. 26(A) und 26(B) sind vergrößerte Ansichten, die schematisch die Oberfläche
des Katalysators 70 zeigen, mit welchem das Abgas in Kontakt kommt. In Fig. 26(A)
und 26(B) bezeichnet das Bezugszeichen 60 ein Partikel aus Platin Pt und 61 bezeichnet
das Aktivsauerstofffreisetzungsmittel, das Kalium K enthält.
Wie vorhergehend beschrieben enthält das Abgas eine große Menge an überschüs
sigem Sauerstoff. Wenn das Abgas mit der Abgaskontaktoberfläche der Trennwand 54
des Katalysators 70 in Kontakt kommt, haftet Sauerstoff O2 auf der Platinoberfläche in
der Form von O2 - oder O2-, wie in Fig. 26(A) gezeigt. Andererseits reagiert das in dem
Abgas enthaltene NO mit O2 - oder O2- auf der Platinoberfläche und erzeugt NO2 (2NO +
O2 → 2NO2). Als nächstes wird ein Teil des erzeugten NO2 in dem Aktivsauerstofffrei
setzungsmittel 61 absorbiert, während es am Platin Pt oxidiert, und diffundiert in das
Aktivsauerstofffreisetzungsmittel in Form von Salpetersäureionen NO3 -, während es mit
Kalium K zu Kaliumnitrat KNO3 kombiniert, wie in Fig. 26(A) gezeigt. Somit wird bei
der vorliegenden Ausführungsform NOx, das in dem Abgas enthalten ist, in dem Kataly
sator 70 absorbiert und die davon in die Atmosphäre freigesetzte Menge kann verringert
werden, das heißt, das Aktivsauerstofffreisetzungsmittel funktioniert ebenso als ein
NOx-Absorptionmittel.
Ferner enthält das Abgas SO2, wie vorhergehend beschrieben, und SO2 wird eben
so in dem Aktivsauerstofffreisetzungsmittel 61 aufgrund eines Mechanismus absorbiert,
der ähnlich zu dem im Fall des NO ist. Das heißt, wie zuvor beschrieben, haftet Sauer
stoff O2 an der Oberfläche von Platin Pt in der Form von O2 - oder O2-, und SO2 in dem
Abgas reagiert mit O2 - oder O2- an der Oberfläche vom Platin Pt zu SO3. Als nächstes
wird ein Teil des erzeugten SO3 in dem Aktivsauerstofffreisetzungsmittel 61 absorbiert,
während es auf dem Platin Pt oxidiert wird, und diffundiert in das Aktivsauerstofffrei
setzungsmittel 61 in der Form von Schwefelsäureionen SO4 2-, während diese mit Kali
um K zu Kaliumsulfat K2SO4 kombinieren. Somit werden in dem Aktivsauerstofffrei
setzungsmittel 61 Kaliumnitrat KNO3 und Kaliumsulfat K2SO4 erzeugt.
Die Partikel in dem Abgas haften an der Oberfläche des Aktivsauerstofffreiset
zungsmittels 61, das durch den Katalysator 70 getragen wird, wie durch 62 in Fig. 26(B)
bezeichnet. Zu diesem Zeitpunkt sinkt die Sauerstoffkonzentration auf der Oberfläche
des Aktivsauerstofffreisetzungsmittels 61, mit welchem der Partikel 62 in Kontakt ist. Da
die Sauerstoffkonzentration sinkt, tritt eine Differenz in der Konzentration des Aktiv
sauerstofffreisetzungsmittel 61 mit einer hohen Sauerstoffkonzentration auf, und somit
tendiert der Sauerstoff in dem Aktivsauerstofffreisetzungsmittel 61 dazu, in Richtung
der Oberfläche des Aktivsauerstofffreisetzungsmittel 61 mit welchem das Partikel 62 in
Kontakt ist, zu wandern. Folglich wird das in dem Aktivsauerstofffreisetzungsmittel 61
erzeugte Kaliumnitrat KNO3 in Kalium K, Sauerstoff O und NO abgebaut, wobei Sauer
stoff O in Richtung der Oberfläche des Aktivsauerstofffreisetzungsmittel 61 wandert,
mit dem das Partikel 62 in Kontakt steht, und NO wird zu der äußeren Seite von dem
Aktivsauerstofffreisetzungsmittel 61 emittiert. NO, das nach außen emittiert worden ist,
wird auf Platin Pt auf der Ausgangsstromseite oxidiert und wird wiederum in dem Ak
tivsauerstofffreisetzungsmittel 61 absorbiert.
Weiterhin wird zu diesem Zeitpunkt Kaliumsulfat K2SO4, das in dem Aktivsauer
stofffreisetzungsmittel 61 erzeugt worden ist, ebenso in Kalium K, Sauerstoff O und SO2
abgebaut, wobei Sauerstoff O in Richtung der Oberfläche des Aktivsauerstofffreiset
zungsmittel 61 wandert, mit welchem das Partikel 62 in Kontakt ist, und SO2 wird zu
der Außenseite von dem Aktivsauerstofffreisetzungsmittel 61 emittiert. Das zu der Au
ßenseite freigesetzte SO2 wird auf Platin auf der Ausgangsstromseite oxidiert und wie
derum in dem Aktivsauerstofffreisetzungsmittel 61 absorbiert. Hier jedoch ist Kalium
sulfat K2SO4 stabil und setzt weniger aktiven Sauerstoff als Kaliumnitrat KNO3 frei.
Andererseits wird der in Richtung der mit dem Partikel 62 in Kontakt stehende
Oberfläche des Aktivsauerstofffreisetzungsmittels 61 wandernde Sauerstoff, der der aus
dem Abbau der Verbindungen von Kaliumnitrat KNO3 oder Kaliumsulfat K2SO4
stammt. Der Sauerstoff O, der aus der Verbindung abgebaut worden ist, weist ein hohes
Energieniveau und eine hohe Aktivität auf. Daher ist Sauerstoff, der in Richtung der
Oberfläche des Aktivsauerstofffreisetzungsmittels 61 gewandert ist, mit welchem das
Partikel 62 in Kontakt steht, ist aktiver Sauerstoff (Aktivsauerstoff) O. Nach einem
Kontaktieren mit Aktivsauerstoff O wird das Partikel 62 ohne dem Erzeugen einer
Leuchtflamme für eine kurze Zeit, z. B. für einige Minuten oder einige zehn Minuten,
oxidiert. Ferner wird Aktivsauerstoff zum Oxidieren des Partikels 62 ebenso freigesetzt,
wenn NO oder SO2 in dem Aktivsauerstofffreisetzungsmittel 61 absorbiert sind. Das
heißt, es kann festgestellt werden, daß NOx in das Aktivsauerstofffreisetzungsmittel 61
in Form von Salpetersäureionen NO3 - diffundiert, während es mit Sauerstoffatomen
kombiniert und von einem Sauerstoffatom getrennt werden soll, und während dieser
Zeit wird Aktivsauerstoff erzeugt. Die Partikel 62 werden durch diesen Aktivsauerstoff
ebenso oxidiert. Weiterhin werden die an dem Katalysator 70 haftenden Partikel nicht
nur durch einen Aktivsauerstoff oxidiert, sondern ebenso durch Sauerstoff, der in dem
Abgas enthalten ist.
Je höher die Temperatur des Katalysators wird, desto mehr werden das Platin Pt
und das Aktivsauerstofffreisetzungsmittel 61 aktiviert. Je höher daher die Temperatur
des Katalysators wird, desto größer wird die Menge an Aktivsauerstoff O, die von dem
Aktivsauerstofffreisetzungsmittel 61 pro Zeiteinheit freigesetzt wird. Je höher die Tem
peratur der Partikel ist, desto leichter werden natürlich weiterhin die Partikel oxidiert.
Daher steigt zusammen mit der Temperatur des Katalysators auch die Menge an Parti
keln, die pro Zeiteinheit an, die in dem Katalysator ohne einem Erzeugen einer Leucht
flamme oxidiert und entfernt werden können.
Die durchgezogene Linie in Fig. 27 zeigt die Menge an Partikeln (G), die pro
Zeiteinheit ohne einem Erzeugen einer Leuchtflamme oxidiert und entfernt werden kön
nen. In Fig. 27 repräsentiert die Abszisse die Temperatur (TF) des Katalysators. Hierbei
zeigt Fig. 27 den Fall, bei dem die Zeiteinheit eine Sekunde ist, das heißt, die Menge an
Partikeln (G), die pro einer Sekunde oxidiert und entfernt werden können. Jedoch kann
auch jede andere Zeit, wie beispielsweise eine Minute, zehn Minuten oder dergleichen
als Zeiteinheit verwendet werden. Z. B. repräsentiert für den Fall, daß zehn Minuten als
Zeiteinheit verwendet werden, die Menge an Partikel (G), die pro Zeiteinheit oxidiert
und entfernt werden können, die Menge an Partikel (G), die pro zehn Minuten oxidiert
und entfernt werden können. Auch in diesem Fall steigt die Menge an Partikeln (G), die
ohne einem Erzeugen einer Leuchtflamme oxidiert und entfernt werden können, zu
sammen mit dem Anstieg der Temperatur des Katalysators 70 an, wie in Fig. 27 gezeigt.
Die Menge an Partikeln, die aus der Brennkammer pro Zeiteinheit emittiert werden,
wird als Menge an emittierten Partikeln (M) bezeichnet. Wenn die Menge an emittierten
Partikeln (M) kleiner ist als die Menge an Partikeln (G), die oxidiert und entfernt wer
den können, z. B. die Menge an emittierten Partikeln (M) pro 1 Sekunde kleiner ist als
die Menge von Partikeln (G), die pro 1 Sekunde entfernt und oxidiert werden können,
oder die Menge an emittierten Partikeln (M) pro 10 Minuten kleiner ist als die Menge an
Partikeln (G), die pro 10 Minuten oxidiert und entfernt werden können, das heißt, in
dem Bereich (I) in Fig. 27, werden alle von der Brennkammer emittierten Partikel oxi
diert und entfernt, ohne anschließend eine Leuchtflamme in den Katalysator 70 für den
vorhergehend erwähnten kurzen Zeitraum zu erzeugen.
Wenn andererseits die Menge an emittierten Partikeln (M) größer als die Menge
an Partikeln (G) ist, die oxidiert und entfernt werden können, das heißt, in dem Bereich
(II) in Fig. 27, ist die Menge an Aktivsauerstoff nicht ausreichend, um alle Partikel an
schließend zu oxidieren und zu entfernen. Fig. 28(A) bis (C) zeigen die Art und Weise
der Oxidation der Partikel in einem solchen Fall.
D. h. für den Fall, daß die Menge an Aktivsauerstoff für eine Oxidation aller Parti
kel fehlt bzw. nicht ausreicht, wenn die Partikel 62 an dem Aktivsauerstofffreiset
zungsmittel 61 haften, wird lediglich ein Teil der Partikel oxidiert werden, wie in Fig.
28(A) gezeigt, und der andere Teil der Partikel, der nicht ausreichend oxidiert worden
ist, verbleibt auf der Abgaseingangsstromoberfläche des Katalysators. Wenn der Zu
stand anhält, bei der die Menge an Aktivsauerstoff fehlt, verbleibt ein Teil der Partikel,
die nicht oxidiert worden sind, anschließend auf der Abgaseingangsstromoberfläche des
Katalysators. Folglich ist die Abgaseingangsstromoberfläche des Katalysators mit den
Restpartikeln 63 bedeckt, wie in Fig. 28(B) gezeigt.
Die restlichen Partikel 63 wandeln sich allmählich in einen kohlenstoffhaltigen
Stoff um, der kaum oxidiert werden kann. Wenn weiterhin die Abgaseingangsstromo
berfläche mit den restlichen Partikeln 63 bedeckt wird, wird die Wirkung von Platin Pt
zum Oxidieren von NO und SO2, und die Wirkung des Aktivsauerstofffreisetzungsmit
tels 61 zum Freisetzen von Aktivsauerstoff unterdrückt. Die restlichen Partikel 63 kön
nen über einen relativ langen Zeitraum allmählich oxidiert werden. Wie jedoch in Fig.
28(C) gezeigt, lagern sich andere Partikel 64 auf den restlichen Partikeln 63 eines nach
dem anderen ab, und wenn die Partikel so weit abgelagert sind, daß sie laminieren, kön
nen diese Partikel auch dann, wenn sie ohne weitere leicht oxidierbare Partikel sind,
nicht oxidiert werden, da diese Partikel von dem Platin Pt oder von dem Aktivsauer
stofffreisetzungsmittel getrennt sind. Dementsprechend lagern sich darauffolgend ande
re Partikel auf diesen Partikeln 64 ab. Das heißt, wenn der Zustand anhält, bei dem die
Menge an emittierten Partikeln (M) größer ist als die Menge an Partikeln (G), die oxi
diert und entfernt werden können, lagern sich die Partikel ab und Laminieren bzw. Be
schichten den Katalysator.
In dem Bereich (I) von Fig. 27 werden die Partikel oxidiert und entfernt, ohne daß
eine Leuchtflamme für die kurze Zeit erzeugt wird, und in dem Bereich (II) von Fig. 27
lagern sich Partikel ab und "laminieren" den Katalysator. Daher kann die Ablagerung
der Partikel auf dem Katalysator verhindert werden, wenn die Beziehung zwischen der
Menge an emittierten Partikeln (M) und der Menge an Partikeln (G), die oxidiert und
entfernt werden können, sich in dem Bereich (I) befindet. Folglich ändert sich ein
Druckverlust des Abgases in dem Katalysator kaum und ein minimaler Druckverlustwert,
der nahezu konstant ist, wird aufrechterhalten. Somit kann das Abfallen der Motoraus
gangsleistung so niedrig wie möglich gehalten werden. Dies ist jedoch nicht immer rea
lisierbar und die Partikel können sich auf dem Katalysator ablagern, wenn nichts getan
wird.
Um bei der vorliegenden Ausführungsform die Ablagerung von Partikeln auf dem
Katalysator zu verhindern, steuert die vorstehend erwähnte elektronische Steuereinheit
30 den Ventilkörper 71a gemäß einem zweiten Flußdiagramm, das in Fig. 29 gezeigt
ist. Das vorliegende Flußdiagramm wird nach einer vorgegebenen Zeit wiederholt. Bei
Schritt 201 wird bestimmt, ob eine eingestellte Zeit für ein Umschalten des Ventilkör
pers 71a erreicht ist. Die eingestellte Zeit bzw. der eingestellte Zeitpunkt wird nach je
der vorbestimmten Zeitdauer oder nach einer vorbestimmten Fahrstrecke eingestellt.
Wenn das Ergebnis negativ ist, wird die Routine gestoppt. Wenn das Ergebnis jedoch
positiv ist, fährt die Routine bei Schritt 102 fort und es wird bestimmt, ob eine augen
blickliche Menge an Partikeln, die von dem Motor emittiert werden, das heißt, eine
Menge an emittierten Partikeln (M), größer ist als eine vorbestimmte Menge (M1). Die
Menge an emittierten Partikeln (M1) kann aus einem Speicherabbild auf der Basis der
Motorlast und der Motordrehzahl ermittelt werden, oder kann unter Verwendung eines
optischen Sensors zum optischen Erfassen einer Menge an Partikeln in dem Abgas ge
messen werden. In dem Speicherabbild sind Mengen an emittierten Partikeln eingestellt,
um zu berücksichtigen, ob die Niedrigtemperaturverbrennung oder die Normalverbren
nung bei dem Dieselmotor der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird.
Wenn das Ergebnis bei Schritt 202 negativ ist, z. B., bei Motorbremszuständen,
Motorleerlaufzuständen, Motorniedriglastzuständen oder bei Niedrigtemperaturverbren
nung, wobei eine Menge an Partikeln in dem Abgas nicht groß, wird bei Schritt 203 der
Ventilkörper 71a umgeschaltet. D. h., die Eingangsstromseite und die Ausgangsstrom
seite des Katalysators werden vertauscht. Wenn andererseits das Ergebnis bei Schritt
202 positiv ist, ist eine Menge an Partikeln in dem Abgas relativ groß, und somit wird
bei Schritt 204 der Ventilkörper 71a in diesem Moment nicht umgeschaltet. Wenn da
nach das Ergebnis bei Schritt 202 negativ ist, wird der Ventilkörper 71a umgeschaltet.
Die Fig. 30 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht der Trennwand 54 des Katalysa
tors. Während sich das Fahrzeug über einen vorbestimmten Zeitraum hinweg oder über
eine vorbestimmte Fahrstrecke hinweg fortbewegt, kann der Motorbetrieb in dem Be
reich II der Fig. 27 ausgeführt werden. Somit kollidieren die Partikel mit der Trennwand
54 die Abgaseingangsstromobeffläche der Trennwand 54 und der der Strömungsrich
tung des Abgases zugewandten Oberfläche der darin enthaltenen Poren, d. h., mit einer
der Einfangoberflächen der Trennwand 54, werden dabei eingefangen und werden durch
den von Aktivsauerstofffreisetzungsmitteln freigesetzten Aktivsauerstoff oxidiert und
entfernt, wobei aber die Partikel durch die nicht ausreichende Oxidation übrig bleiben
können, wie in Fig. 30(A) gezeigt. In diesem Zustand hat der Abgaswiderstand des Ka
talysators keinen schlechten Einfluß auf das Fahrverhalten des Fahrzeugs. Wenn sich
jedoch mehr und mehr Partikel ablagern, können jedoch Probleme, bei welchen die
Motorleistung beträchtlich abfällt und dergleichen, auftreten. In diesem Zustand wech
seit das zweite Flußdiagramm die Eingangsstromseite und die Ausgangsstromseite des
Katalysators, wenn eine Menge an Partikeln in dem Abgas nicht groß ist. Daher lagern
sich keine Partikel auf den restlichen Partikeln auf einer der Einfangsoberflächen der
Trennwand ab und damit können die restlichen Partikel durch Aktivsauerstoff, der von
einer der Einfangsoberflächen freigesetzt worden ist, allmählich oxidiert und entfernt
werden. Genauer gesagt, werden ferner die Restpartikel in den Poren in der Trennwand
ohne weiteres in feine Stücke durch den Abgasstrom in der Umkehrrichtung zertrüm
mert, wie in Fig. 30b gezeigt, und können hauptsächlich durch die Poren in Richtung
der Ausgangsstromseite sich bewegen.
Demzufolge diffundieren viele der in feine Stücke zertrümmerten Partikel in die
Pore der Seitenwand, kontaktieren direkt das Aktivsauerstofffreisetzungsmittel, das auf
der Porenoberfläche aufgetragen ist, und werden oxidiert und entfernt. Wenn somit das
Aktivsauerstofffreisetzungsmittel ebenso auf den Porenoberflächen in der Trennwand
aufgetragen ist, können die restlichen Partikel sehr leicht oxidiert und entfernt werden.
An der anderen Einfangobeffläche, die nun auf der Eingangsstromseite ist, da der Strom
des Abgases umgekehrt worden ist, d. h., die Abgaseingangsstromoberfläche der
Trennwand 54 und die der Strömungsrichtung des Abgases zugewandten Oberfläche der
darin enthaltenen Poren, auf welche das Abgas hauptsächlich stößt (auf die gegenüber
liegende Seite eines der Einfangsoberflächen), haften darauf die Partikel in dem Abgas
neu und werden durch von dem Aktivsauerstofffreisetzungsmittel freigesetzten Aktiv
sauerstoff oxidiert und entfernt. Bei dieser Oxidation bewegt sich ein Teil des von dem
Aktivsauerstofffreisetzungsmittel freigesetzten Aktivsauerstoff auf der anderen Ein
fangsoberfläche zu der Ausgangsstromseite mit dem Abgas, und oxidiert und entfernt
die Partikeln, die auf einer der Einfangoberflächen ungeachtet des umgekehrten Ab
gasstroms übrig geblieben sind.
Das heißt, die restlichen Partikel auf einer der Einfangsoberflächen sind nicht nur
dem von diesen Eingangsoberflächen freigesetzten Aktivsauerstoff ausgesetzt, sondern
durch Umkehrung des Abgasstroms ebenso den Resten des Aktivsauerstoffs, der zur
Oxidation und Entfernung der Partikel auf der anderen Einfangsoberfläche verwendet
wird. Auch falls einige der Partikelablagerungen eine der Einfangoberflächen der
Trennwand des Katalysators "laminieren", wenn der Abgasstrom umgekehrt, kommt der
Aktivsauerstoff bei den abgelagerten Partikeln an und es werden keine Partikel erneut
auf die abgelagerten Partikel aufgrund des umgekehrten Abgasstroms abgelagert und
somit werden die abgelagerten Partikel allmählich oxidiert und entfernt und sie können
für einen Zeitraum bis zur nächsten Umkehr des Abgases ausreichend oxidiert und ent
fernt werden. Beim abwechselnden Verwenden der einen Einfangoberfläche und der
anderen Einfangoberfläche der Trennwand ist natürlich die Menge an eingefangenen
Partikeln auf jeder Einfangoberfläche kleiner als bei dem Katalysator, bei welchem die
einzige Einfangoberfläche immer die Partikel einfängt. Dies erleichtert das Oxidieren
und Entfernen von eingefangenen Partikeln auf der Einfangoberfläche.
Bei dem zweiten Flußdiagramm wird der Ventilkörper nach jeder vorbestimmten
Zeitdauer oder vorbestimmten Fahrstrecke umgeschaltet. Somit wird der Ventilkörper
umgeschaltet, bevor die abgelagerten Partikel in kohlenstoffhaltigen Stoff umgewandelt
werden können, der kaum oxidiert werden kann. Ferner kann dies Probleme vermeiden,
bei welchen die große Menge an abgelagerten Partikeln auf einmal zündet und ver
brennt, und durch die Verbrennungswärme den Katalysator schmelzen läßt. Auch wenn
die große Menge an Partikeln auf einer der Einfangoberflächen der Trennwand des Ka
talysators abgelagert worden sind, werden, wenn der Ventilkörper geschaltet wird, die
abgelagerten Partikel weiterhin leicht in feine Stücke durch den umgekehrten Ab
gasstrom zertrümmert werden. Ein Teil der Partikel, der in den Poren der Trennwand
nicht oxidiert und entfernt werden kann, wird aus dem Katalysator ausgestoßen. Da
durch jedoch wird es verhindert, daß der Abgaswiderstand des Katalysators vergrößert
wird und somit einen schlechten Einfluß auf den Betrieb des Fahrzeugs aufweist. Ferner
kann die andere Einfangsoberfläche der Trennwand des Katalysators neuerlich Partikel
einfangen. Bei der vorliegenden Abgasreinigungsvorrichtung, umgeht, wie vorstehend
erwähnt, das Abgas den Katalysator 70, während der Ventilkörper 71a von einer Ab
sperrposition zu der anderen Absperrposition umgeschaltet wird. Gemäß dem zweiten
Flußdiagramm enthält das Abgas keine oder wenige Partikel, wenn der Ventilkörper
umgeschaltet wird. Wenn das Abgas den Katalysator für einen kurzen Zeitraum zum
Umschalten des Ventilkörpers 71a umgeh 26469 00070 552 001000280000000200012000285912635800040 0002010126828 00004 26350t, werden somit wenige Partikel aus dem Ab
gassystem nach außen ausgestoßen.
Bei dem zweiten Flußdiagramm kann unter Verwendung eines Anstiegs der
Druckdifferenz zwischen der Abgaseingangsstromseite und der Abgasausgangsstrom
seite des Katalysators in Übereinstimmung mit einer Menge an Partikel, die auf den
Katalysator abgelagert worden sind, die eingestellte Zeit bzw. der Schaltzeitpunkt zum
Umschalten des Ventilkörpers eingestellt werden, wenn der Differenzdruck größer als
ein vorbestimmter Druck ist und wenn bestimmt wird, daß eine gewisse Menge an Par
tikel sich auf dem Katalysator abgelagert haben. Genauer gesagt, wird ein Abgasdruck
an dem ersten Verbindungsabschnitt 72a durch einen darin angeordneten Drucksensor
erfaßt und ein Abgasdruck in dem zweiten Verbindungsabschnitt 72b wird durch einen
darin angeordneten Drucksensor erfaßt, und es wird bestimmt, ob der Absolutwert der
Differenz zwischen den beiden Drücken größer als ein vorbestimmten Wert ist. Hierbei
wird der absolute Wert bei der Bestückung verwendet. Daher kann eine Erhöhung bei
der Druckdifferenz auch dann bestimmt werden, wenn die Abgaseingangsstromseite
entweder der erste Verbindungsabschnitt 72a oder der zweite Verbindungsabschnitt 72b
ist. Genau genommen verändert sich die Druckdifferenz zwischen den beiden Seiten des
Katalysators in Übereinstimmung mit dem Druck des Abgases, das aus der Brennkam
mer bei jedem Motorbetriebszustand ausgestoßen wird. Demzufolge wird bei der Be
stimmung der Ablagerung der Partikel vorzugsweise der Motorbetriebszustand spezifi
ziert.
Bei dieser Bestimmung kann, anders als bei der Druckdifferenz, ein Beobachten
der Veränderung eines elektrischen Widerstands auf einer vorbestimmten Trennwand
des Katalysators aufgrund der Tatsache, daß der elektrische Widerstand sich zusammen
mit der Ablagerung von Partikeln darauf verringert, verwendet werden oder, die Tatsa
che, daß Transmissions- oder Reflexionsvermögen von Licht auf einer vorbestimmten
Trennwand des Katalysators zusammen mit der Ablagerung von Partikeln darauf ab
sinkt, verwendet werden. Wenn der Schaltzeitpunkt durch die direkte Bestimmung der
Ablagerung der Partikel eingestellt wird, kann es somit sicher verhindert werden, daß
die Motorausgangsleistung beträchtlich absinkt.
Wenn der Katalysator 70 zum Einfangen von Partikeln verwendet wird, ist es so
mit sehr wirksam, daß die Abgaseingangsstromseite und die Abgasausgangsstromseite
des Katalysators umgekehrt bzw. vertauscht werden, um zu verhindern, daß eine große
Menge an Partikeln sich darauf ablagert. Ungeachtet dem zweiten Flußdiagramm, kann
z. B. der Ventilkörper 71a von Zeit zu Zeit ohne die Bestimmung der Zeit umgeschaltet
werden. Daneben kann bei dem ersten Flußdiagramm, nachdem das Abgas den Kataly
sator umgegangen hat, der Ventilkörper 71a nicht in die eine Absperrposition zugedreht
werden und kann zu der anderen Absperrposition umgeschaltet werden. In diesem Fall
wird die Kraftstoffzufuhreinheit 74 auf dem ersten Verbindungsabschnitt 72a angeord
net und somit ist der Ventilkörper 71a, wenn der Katalysator sich beim nächsten Mal
regeneriert, immer noch zwischen der einen Absperrposition und der Mittenposition, um
lediglich einen Teil des Abgases durch den Katalysator durchzulassen. Wenn die Kraft
stoffzufuhreinheit an sowohl dem ersten als auch dem zweiten Verbindungsabschnitt
72a bzw. 72b angeordnet ist, kann der Ventilkörper 71 natürlich derart gesteuert wer
den, daß lediglich ein Teil des Abgases in einen der Verbindungsabschnitte strömt, zu
welchem der Kraftstoff zugeführt wird.
Somit verwendet für den Fall, daß der Katalysator zum Umschalten seiner Abga
seingangsstromseite und seiner Abgasausgangsstromseite zum Oxidieren und Entfernen
der abgelagerten Partikel verwendet wird, der Katalysator hauptsächlich abwechselnd
die eine oder die andere Seite der Trennwand zum Absorbieren von NOx. Demgemäß
benötigt die vorliegende Ausführungsform, wenn Kraftstoff lediglich einer Seite der
Trennwand des Katalysators zugeführt worden ist, einen relativ langen Zeitraum, um
das gesamte absorbierte NOx in der anderen Seite der Trennwand freizusetzen. Um die
sen Regenerationszeitraum zu verkürzen, wird es somit bevorzugt, daß die Kraftstoff
zufuhreinheit an beiden Seiten der Verbindungsabschnitte angeordnet ist und der Kraft
stoff zu einer der beiden Seiten der Trennwand zugeführt wird, auf welcher NOx haupt
sächlich absorbiert worden ist. Wenn das gesamte Abgas den Katalysator umgeht, kön
nen natürlich bei der Regeneration die zwei Kraftstoffzufuhreinheiten Kraftstoff gleich
zeitig zuführen und somit kann NOx von beiden Seiten der Trennwand gleichzeitig frei
gesetzt werden, um den Regenerationszeitraum weiter zu verkürzen.
Die vorliegende Abgasreinigungsvorrichtung kann die Abgaseingangsstromseite
und die Abgasausgangsstromseite des Katalysators durch einen sehr einfachen Aufbau
umkehren. Weiterhin benötigt der Katalysator eine große Öffnungsfläche, um die Ein
führung des Abgases zu erleichtern. Bei der Vorrichtung kann der Katalysator mit einer
großen Öffnungsfläche verwendet werden, ohne daß es schwierig ist, ihn in ein Fahr
zeug zu montieren, wie in Fig. 18 und 19 gezeigt. Daneben wird es für den Fall, daß der
Katalysator zum Einfangen der Partikel verwendet wird, bei den Schritten 104 und 109
des ersten Flußdiagramms bevorzugt, daß die Partikel Schadstoffe enthalten sind. Das
heißt, wenn ein Betrag an emittierten Partikeln groß ist, wird es bevorzugt, daß das Ab
gas den Katalysator nicht umgeht.
Fig. 31 zeigt ein drittes Flußdiagramm zum Verhindern der starken Ablagerung
der Partikel auf den Katalysator. Das vorliegende Flußdiagramm wird nach einem vor
bestimmten Zeitraum wiederholt. Bei Schritt 301 wird es als erstes bestimmt, ob eine
momentane Menge an eingespritztem Kraftstoff (TAU) kleiner ist als eine vorbestimmte
Menge an eingespritztem Kraftstoff (TAU1). Wenn das Ergebnis negativ ist, ist die
Menge an eingespritztem Kraftstoff relativ groß und damit die Temperatur des Abgases
relativ hoch. In diesem Augenblick verbleibt der Ventilkörper in einer der beiden Ab
sperrpositionen.
Wenn andererseits das Ergebnis bei Schritt 301 positiv ist, ist die Temperatur des
Abgases niedrig. Wenn das gesamte Abgas den Katalysator durchläuft, sinkt dement
sprechend die Temperatur des Katalysators und sinkt eine Menge an Partikeln, die da
von oxidiert und entfernt werden können. Daher lagern sich Partikel leicht auf dem Ka
talysator ab. Bei Schritt 302 in dem vorliegenden Flußdiagramm wird eine Menge an
vorbei geleitetem Abgas derart berechnet, daß je niedriger die Temperatur des Abgases
ist oder je kleiner die Menge des eingespritzten Kraftstoffes ist, desto größer die Menge
des Abgases ist, das den Katalysator umgeht bzw. daran vorbei geleitet wird. Bei Schritt
303 wird als nächstes der Öffnungsgrad des Ventilkörpers zwischen einer der beiden
Absperrpositionen und der Mittenposition auf der Basis des Betrags an vorbei geleitetem
Abgas gesteuert.
Wenn z. B. eine Kraftstoffsenkung durchgeführt wird, um die Temperatur des
Abgases sehr niedrig zu machen, wird somit veranlaßt, daß das gesamte Abgas den Ka
talysator umgeht, und wenn die Temperatur des Abgases nicht sehr niedrig ist, wird nur
ein Teil des Abgases veranlaßt, den Katalysator zu umgehen. Daher wird die Tempera
tur des Katalysators relativ hoch gehalten und somit eine Menge an Partikel, die von
ihm oxidiert und entfernt werden können, hoch gehalten. Dementsprechend kann die
starke Ablagerung der Partikel auf den Katalysator verhindert werden. Wenn bei dem
vorliegenden Flußdiagramm das Ergebnis bei Schritt 301 positiv ist, kann natürlich ver
anlaßt werden, daß das ganze Abgas den Katalysator umgeht, um eine Erniedrigung der
Temperatur des Katalysators sicher zu verhindern. Wenn daneben ein Teil oder das ge
samte Abgas den Katalysator umgeht, durchläuft, falls die Kraftstoffzufuhreinheit 74
Kraftstoff zu dem Katalysator zuführt (wenn ein Teil des Abgases den Katalysator um
geht, wird der Kraftstoff von der Abgaseingangsstromseite zugeführt), wenig zugeführ
ter Kraftstoff den Katalysator und der Kraftstoff verbrennt vorzugsweise unter Verwen
dung des auf den Katalysator aufgetragenen Oxidationskatalysemittels. Daher kann die
Verbrennungswärme die Temperatur des Katalysators anheben. Somit kann eine Menge
an Partikeln, die auf den Katalysator oxidiert und entfernt werden, verbessert werden
und die Ablagerung der Partikel auf den Katalysator kann sicher verhindert werden.
Nachdem das Abgas den Katalysator umgangen hat, wird der Ventilkörper 71a vor
zugsweise zu der gegenüber liegenden Absperrposition umgeschaltet. Falls die Partikel
auf den Katalysator sich ablagern, können die abgelagerten Partikel daher vorzugsweise
oxidiert und entfernt werden, wie es vorhergehend erwähnt worden ist.
Ferner kann es bei dem vorliegenden Flußdiagramm anstelle der Bestimmung bei
Schritt 301 z. B. erfaßt werden, ob der Fahrer das Bremspedal niederdrückt oder das
Gaspedal freigibt, wenn das Fahrzeug gestoppt ist. Zu diesem Zeitpunkt besteht ein
Motorleerlaufzustand und somit ist die Menge an eingespritztem Kraftstoff sehr klein.
Daher kann das gesamte Abgas oder ein Teil davon veranlaßt werden, den Katalysator
zu umgehen. Wenn die Temperatur des Abgases niedrig ist, wird kein oder wenig Treib
stoff eingespritzt und somit werden auch dann keine Partikel nach außen von dem Ab
gassystem emittiert, wenn das Abgas den Katalysator umgeht. Außerdem ist zu diesem
Zeitpunkt eine Menge an schädlichen Materialien, wie beispielsweise HC, CO und NOx,
die von dem Motor ausgestoßen werden, klein und somit gelangt keine große Menge
dieser Materialien aus dem Abgassystem nach außen.
Somit ist es wirksam, daß bei Bedarf zumindest ein Teil des Abgases veranlaßt
wird, den Katalysator nicht zu durchlaufen, sondern ihn zu umgehen. Bei der vorliegen
den Vorrichtung zum Reinigen von Abgas wird der Umschaltabschnitt 71 zum Wech
seln der Abgaseingangsstromseite und der Abgasausgangsstromseite des Katalysators
verwendet, um das Abgas zu veranlassen, den Katalysator zu umgehen. Jedoch kann
anstelle eines derartigen Umschaltabschnitts ein anderer einfacher Mechanismus vorge
sehen werden, um zumindest einen Teil des Abgases zu veranlassen, den Katalysator zu
umgehen, und das Abgas kann unter Verwendung dieses Mechanismus bei Bedarf ver
anlaßt werden, den Katalysator zu umgehen.
Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der umgebenden Atmosphäre des Kataly
sators fett gemacht wird, d. h., wenn die Sauerstoffkonzentration darin erniedrigt ist,
wird ferner zu dieser Zeit aktiver Sauerstoff O von dem Aktivsauer
stofffreisetzungsmittel 61 nach außen freigesetzt. Daher werden die abgelagerten Parti
kel jene, die durch die große Menge an zu dieser Zeit freigesetztem Aktivsauerstoff
leicht oxidiert werden, und können dadurch ohne eine Leuchtflamme oxidiert und ent
fernt werden.
Wenn andererseits das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der umgebenden Atmosphäre
des Katalysators mager gehalten wird, wird die Oberfläche von Platin Pt mit Sauerstoff
bedeckt, d. h., eine Sauerstoffkontamination verursacht. Wenn eine derartige Sauer
stoffkontamination verursacht wird, sinkt die Oxidationswirkung von Platin auf NOx
und somit sinkt die Absorbtionseffizienz von NOx. Daher verringert sich die Menge an
von dem Aktivsauerstofffreisetzungsmittel 61 freigesetztem Aktivsauerstoff. Wenn je
doch das Luft-Kraftstoffverhältnis fett eingestellt wird, wird Sauerstoff auf der Ober
fläche von Platin verbraucht und somit die Sauerstoffkontamination verhindert. Wenn
demgemäß das Luft-Kraftstoff-Verhältnis wieder von fett auf mager umgestellt wird,
wird die Oxidationswirkung auf NOx stark und somit steigt die Absorptionseffizienz an.
Daher erhöht sich die Menge an Aktivsauerstoff, der von dem Aktivsauerstofffreiset
zungsmittel 61 freigesetzt wird.
Wenn somit das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mager gehalten wird, und wenn das
Luft-Kraftstoff-Verhältnis von Zeit zu Zeit von mager auf reich verändert wird, wird die
Sauerstoffkontamination von Platin Pt zu diesem Zeitpunkt jedesmal verändert und so
mit erhöht sich die Menge an freigesetztem Aktivsauerstoff, wenn das Luft-Kraftstoff-
Verhältnis mager ist. Somit kann die Oxidationswirkung der Partikel auf dem Kataly
sator 70 gefördert werden.
Ferner bewirkt die Beseitigung der Sauerstoffkontamination, daß das Redukti
onsmittel verbrennt und seine Verbrennungswärme die Temperatur des Katalysators
anhebt. Daher steigt bei dem Katalysator die Menge an Partikeln, die oxidiert und ent
fernt werden können, an und somit werden die abgelagerten Partikel leichter oxidiert
und entfernt. Falls das Luft-Kraftstoff-Verhältnis unmittelbar nachdem die Eingangs
stromseite und die Ausgangsstromseite des Katalysators durch den Ventilkörper 71a
umgeschaltet worden sind, fett eingestellt wird, kann die andere Einfangoberfläche, auf
welcher die Partikel nicht verbleiben oder abgelagert werden, die große Menge an Ak
tivsauerstoff freisetzen. Somit kann die große Menge an freigesetztem Aktivsauerstoff
die abgelagerten Partikel sicherer oxidieren und entfernen. Natürlich kann ungeachtet
der Umkehrung des Ventilkörpers 71a das Luft-Kraftstoff-Verhältnis von Zeit zu Zeit
fett eingestellt werden. Daher lagern sich die Partikel kaum auf dem Katalysator ab.
Als ein Verfahren zum Einstellen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf fett, kann
z. B. die oben erwähnte Niedrigtemperaturverbrennung durchgeführt werden. Wenn von
der Normalverbrennung zu der Niedrigtemperaturverbrennung umgeschaltet wird oder
davor, kann die Abgaseingangsstromseite und die Abgasausgangsstromseite des Kataly
sators umgekehrt werden. Um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der umgebenden Atmo
sphäre fett einzustellen, kann ferner nur das Verbrennungs-Luft-Kraftstoff-Verhältnis
fett eingestellt werden. Ferner kann zusätzlich zu der Hauptkraftstoffeinspritzung bei
dem Kompressionstakt die Kraftstoffeinspritzvorrichtung Kraftstoff in den Zylinder bei
dem Abgastrakt oder dem Expansionstrakt (Nach-Einspritzung) einspritzen oder Kraft
stoff in den Zylinder bei dem Ansaugtakt (Vor-Einspritzung) einspritzen. Natürlich
kann ein Intervall zwischen der Nach-Einspritzung oder der Vor-Einspritzung und der
Hauptkraftstoffeinspritzung nicht vorgesehen werden. Ferner kann Kraftstoff zu dem
Abgassystem zugeführt werden und, bei der vorliegenden Ausführungsform, kann die
Kraftstoffzufuhr 74 Kraftstoff in die Nähe des Katalysators zuführen. Wie vorhergehend
erwähnt, wird die Niedrigtemperaturverbrennung bei der niedrigen Motorlastseite aus
geführt und somit wird die Niedrigtemperaturverbrennung oft sofort nach einer Moto
rabbremsung, bei der eine Kraftstoffsenkung stattfindet, ausgeführt. Daher wird bei der
im dritten Flußdiagramm unmittelbar nachdem der Ventilkörper 71a in die Mittenposi
tion gebracht worden ist, häufig die Niedrigtemperaturverbrennung ausgeführt und so
mit kann, falls der Ventilkörper zu der gegenüberliegenden Absperrposition umge
schaltet worden ist, die abgelagerten Partikel bevorzugt oxidiert und entfernt werden.
Nebenbei gesagt, wenn SO3 vorhanden ist, bildet Calcium Ca in dem Abgas Cal
ciumsulfat CaSO4 als Asche. Um zu verhindern, daß die Maschen des Katalysators
durch das Calciumsulfat CaSO4 verstopft werden, kann ein Alkalimetall oder ein Alka
lierdmetall mit einer Ionisationstendenz, die größer als die von Calcium Ca ist, wie
beispielsweise Kalium K als das Aktivsauerstofffreisetzungsmittel 61 verwendet wer
den. Daher kombiniert SO3, daß in das Aktivsauerstofffreisetzungsmittel 61 diffundiert
ist, mit Kalium K, um Kaliumsulfat K2SO4 zu bilden, und somit kombiniert Calcium Ca
nicht mit SO3, sondern durchläuft die Trennwände des Katalysators. Dementsprechend
werden die Maschen des Katalysators nicht mit Asche verstopft. Somit ist es wün
schenswert, als Aktivsauerstofffreisetzungsmittel 61 ein Alkalimetall oder ein Alka
lierdmetall zu verwenden, das eine Ionisationstendenz aufweist, die stärker als Calci
um Ca ist, beispielsweise Kalium K, Lithium Li, Cäsium Cs, Rubidium Rb, Barium Ba
oder Strontium Sr.
Auch wenn lediglich ein Edelmetall wie beispielsweise Platin Pt auf dem Kataly
sator aufgetragen ist, kann Aktivsauerstoff von NO2 oder SO3, das auf der Oberfläche
des Platins gehalten wird, freigesetzt werden. In diesem Fall jedoch verschiebt sich eine
Kurve, die die Menge an Partikeln G repräsentiert, die oxidiert und entfernt können,
leicht nach rechts verglichen mit der durchgezogenen Linie, die in Fig. 27 gezeigt ist.
Ferner kann Cer als das Aktivsauerstofffreisetzungsmittel verwendet werden. Das Cer
absorbiert Sauerstoff, wenn die Sauerstoffkonzentration hoch ist (Ce2O3 → 2CeO2) und
setzt Aktivsauerstoff frei, wenn die Sauerstoffkonzentration absinkt (2CeO2 → Ce2O3).
Um daher die Partikel zu oxidieren und zu entfernen, muß das Luft-Kraftstoff-
Verhältnis der umgebenden Atmosphäre des Katalysators in regelmäßigen oder unre
gelmäßigen Intervallen fett eingestellt werden. Anstelle von Cer kann als das Aktivsau
erstofffreisetzungsmittel Eisen Fe oder Zinn Sn verwendet werden.
Ferner ist es ebenso erlaubt, das NOx-Absorptionsmittel zum Reinigen von NOx
als das Aktivsauerstofffreisetzungsmittel zu verwenden. In diesem Fall muß das Luft-
Kraftstoff-Verhältnis der umgebenden Atmosphäre des Katalysators zumindest tempo
rär fett eingestellt werden, um das absorbierte NOx und SOx freizusetzen und zu redu
zieren. Es wird bevorzugt, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis unmittelbar nachdem die Ein
gangsstromseite und die Ausgangsstromseite des Katalysators vertauscht worden sind,
fett einzustellen.
Fig. 32 zeigt ein viertes Flußdiagramm zum Regenerieren des Katalysators, das
anstelle des ersten Flußdiagramms ausgeführt wird. Bei dem vorliegenden Flußdia
gramm führt der Motor normalerweise die Normalverbrennung aus. Im folgenden wer
den die Unterschiede zwischen dem vorliegenden Flußdiagramm und dem ersten Fluß
diagramm erläutert. Wenn es bei Schritt 401 bestimmt worden ist, daß der eingestellte
Zeitpunkt zum Regenerieren des Katalysators erreicht ist, geht die Routine zu Schritt
402, und es wird bestimmt, ob die Temperatur (T) des Katalysators größer oder gleich
einer vorbestimmten Temperatur (T1) ist. Wenn das Ergebnis negativ ist, geht die Rou
tine zu Schritt 403 und es wird bestimmt, ob der augenblickliche Motorbetriebszustand
innerhalb eines Bereiches, bei welchem die Niedrigtemperaturverbrennung ausgeführt
werden kann. Der Motor, der bei dem ersten Flußdiagramm verwendet wird, schaltet
zwischen Niedrigtemperaturverbrennung und Normalverbrennung in Übereinstimmung
mit dem Speicherabbild, das in Fig. 11 gezeigt ist. Jedoch kann in dem Bereich (II) des
Speicherabbilds, das in Fig. 11 gezeigt ist, die Niedrigtemperaturverbrennung nicht im
mer ausgeführt werden. Bei der niedrigeren Motorlastseite des Bereichs (II) kann die
Niedrigtemperaturverbrennung ausgeführt werden.
Wenn das Ergebnis bei Schritt 403 positiv ist, geht die Routine zu Schritt 407 und
die Niedrigtemperaturverbrennung wird bei einem stöchiometrischen oder fetten Luft-
Kraftstoff-Verhältnis, d. h., dem Regenerations-Luft-Kraftstoff-Verhältnis ausgeführt.
Somit sinkt die Sauerstoffkonzentration der umgebenden Atmosphäre des Katalysators
und NOx wird von dem Katalysator freigesetzt. Auch wenn die Temperatur des Kataly
sators niedrig ist, wird durch Verwenden großer Mengen an CO und HC mit einer hohen
Aktivierung, die in dem Abgas der Niedrigtemperaturverbrennung enthalten sind, das
freigesetzte NOx bevorzugt reduziert und gereinigt.
Wenn andererseits das Ergebnis bei Schritt 402 positiv ist, d. h., wenn die Tempe
ratur des Katalysators relativ hoch ist, geht die Routine zu Schritt 404 und es wird be
stimmt, ob eine Menge an schädlichem Material (E), z. B. HC, CO oder NOx, die durch
die Normalverbrennung bei dem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis ausgestoßen wird,
größer ist als die vorbestimmte Menge (E1). Wenn das Ergebnis positiv ist, d. h., wenn
eine Menge an Schadstoffen in dem Abgas relativ groß ist, geht die Routine zu Schritt
403 und es wird bestimmt, ob der momentane Motorbetriebszustand innerhalb des Be
reichs ist, bei welchem die Niedrigtemperaturverbrennung ausgeführt werden kann.
Wenn das Ergebnis positiv ist, geht die Routine zu Schritt 407 und die Niedrig
temperaturverbrennung wird bei dem Regenerations-Luft-Kraftstoff-Verhältnis zum
Regenerieren des Katalysators ausgeführt.
Wenn andererseits das Ergebnis bei Schritt 404 negativ ist, d. h., wenn eine Men
ge an Schadstoffen in dem Abgas relativ gering ist, geht die Routine zu Schritt 405. Bei
Schritt 405 wird der Ventilkörper 71a von der Mittenposition zu der Position eingestellt,
bei welcher der Ventilkörper leicht in Richtung der einen Absperrposition geschwenkt
und somit wird der andere restliche Teil des Abgases veranlaßt, den Katalysator 70 zu
umgehen. Da zu diesem Zeitpunkt die Menge an Schadstoffen in dem Abgas klein ist,
tritt kein Problem auf. Als nächstes führt die Kraftstoffzufuhreinheit 74 Kraftstoff in die
Nähe des Katalysators zu. Der zugeführte Kraftstoff wird durch Verwenden des auf dem
Katalysator aufgetragenen Oxidationskatalysemittels oxidiert und Sauerstoff wird be
vorzugt verbraucht, da die Temperatur des Katalysators relativ hoch ist, und bewirkt,
daß die Sauerstoffkonzentration in der umgebenden Atmosphäre des Katalysators abzu
sinkt. Daher wird NOx von dem Katalysator freigesetzt und das freigesetzte NOx wird
bevorzugt reduziert und gereinigt.
Der zugeführte Kraftstoff wird hauptsächlich verwendet, um das Luft-Kraftstoff-
Verhältnis in der umgebenden Atmosphäre des Katalysators zu dem Regenerations-
Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu machen, wie in dem ersten Flußdiagramm erläutert. Daher
ist eine zum Regenerieren des Katalysators erforderliche Menge an Kraftstoff kleiner als
die bei der Regeneration unter Verwendung der Niedrigtemperaturverbrennung.
Wenn bei dem vorliegenden Flußdiagramm die Temperatur des Katalysators nied
rig ist oder wenn eine Menge an Schadstoffen in dem Abgas der Normalverbrennung
relativ groß ist und wenn der momentane Motorbetriebszustand innerhalb eines Be
reiches ist, bei welchem die Niedrigtemperaturverbrennung nicht ausgeführt werden
kann, wird der Kraftstoff in die Nähe des Katalysators zugeführt, um den Katalysator
bei den Schritten 405 und 406 zu regenerieren. Genauer gesagt, wenn in diesem Fall die
Menge an Schadstoffen groß ist, kann das Abgas nicht veranlaßt werden, den Katalysa
tor zu umgehen. In diesem Fall ist es schwierig, den Kraftstoffverbrauch im Vergleich
zum Stand der Technik zu verringern, aber eine derartige Regeneration wird nicht im
mer ausgeführt. Die oben erwähnte Regeneration, bei der der Kraftstoffverbrauch ver
ringert ist, wird für einen langen Zeitraum ebenso ausgeführt. Gemäß dem vorliegenden
Flußdiagramm kann daher der Kraftstoffverbrauch bei der Regeneration des Katalysa
tors im Vergleich zum Stand der Technik verringert werden.
Bei der vorliegenden Ausführungsform trägt der Katalysator selbst das Aktivsau
erstofffreisetzungsmittel und der von dem Aktivsauerstofffreisetzungsmittel freigesetzte
Aktivsauerstoff oxidiert und entfernt die Partikel. Jedoch begrenzt dies nicht die vorlie
gende Erfindung. Zum Beispiel kann ein Partikeloxidationsstoff wie Aktivsauerstoff
und NO2 das genauso wie Aktivsauerstoff funktioniert, aus dem Katalysator oder einem
darauf aufgetragenen Material freigesetzt werden, oder kann in den Katalysator von
außen her einströmen. Für den Fall, daß der Partikeloxidationsstoff von außen in den
Katalysator einströmt, können, wenn die erste Einfangobeffläche und die zweite Einfan
goberfläche auf der Trennwand abwechselnd zum Einfangen der Partikel verwendet
werden, auf einer Einfangoberfläche, die nun auf der Abgasausgangsstromseite liegt,
keine Partikel neuerlich auf den restlichen Partikel abgelagert werden und restliche Par
tikel allmählich durch den Partikeloxidationsstoff, der von der anderen Einfangoberflä
che einströmt, oxidiert und entfernt werden, und somit die restlichen Partikel nach einer
gewissen Zeitdauer vollständig entfernt werden. Während dieser Zeitdauer kann die
andere Einfangoberfläche die Partikel einfangen und die eingefangenen Partikel werden
durch den Partikeloxidationsstoff auf der anderen Einfangsoberfläche oxidiert und ent
fernt. Somit können die gleichen Effekte, wie die zuvor erwähnten, erzielt werden. In
diesem Fall, wenn die Temperatur des Katalysators ansteigt, steigt natürlich die Tempe
ratur der Partikel selbst an, und somit können sie leicht oxidiert und davon entfernt wer
den.
Obwohl die Erfindung in bezug auf ihre spezifischen Ausführungsformen be
schrieben worden ist, sollte es ersichtlich sein, daß durch den Fachmann zahlreiche Ab
wandlungen dazu vorgenommen werden können, ohne von dem Grundkonzept und dem
Umfang der Erfindung abzuweichen.
Claims (8)
1. Vorrichtung zum Reinigen von Abgas eines Verbrennungsmotors mit:
einem Katalysator, der in dem Abgassystem angeordnet ist, welcher NOx absor biert, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in seiner umgebenden Atmosphäre mager ist und welcher regeneriert wird, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis ein Regenerations-Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, das das stöchiometrische oder fette Luft/Kraftstoffstoff-Verhältnis ist;
einer Bypassvorrichtung, um es zumindest einem Teil des Abgases zu ermög lichen, den Katalysator zu umgehen; und
einer Kraftstoffzuführeinrichtung zum Zuführen von Kraftstoff in die Nähe des Katalysators; wobei
der Motor eine Inertgaszuführeinrichtung zum Zuführen eines Inertgases in den Zylinder aufweist, und eine Niedrigtemperaturverbrennung, bei welcher eine Menge an Inertgas in dem Zylinder größer ist als die Grenzmenge eines Inert gases, das die maximale Menge an erzeugtem Ruß verursacht, und eine Normal verbrennung bei dem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis durchführen kann;
wobei wenn der Katalysator regeneriert wird,
eine erste Regenerationsvorrichtung, bei welcher das Abgas der Niedrigtempera turverbrennung bei dem Regenerations-Luft-Kraftstoff-Verhältnis das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der umgebenden Atmosphäre des Katalysators zu dem Regenerations-Luft-Kraftstoff-Verhältnis macht, und
eine zweite Regenerationsvorrichtung, bei welcher die Bypassvorrichtung zu mindest einen Teil des Abgases veranlaßt, bei der Normalverbrennung den Kata lysator zu umgehen und der durch die Kraftstoffzuführeinrichtung zugeführte Kraftstoff das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der umgebenden Atmosphäre des Ka talysators zu dem Regenerations-Luft-Kraftstoff-Verhältnis macht, ausgewählt werden kann.
einem Katalysator, der in dem Abgassystem angeordnet ist, welcher NOx absor biert, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in seiner umgebenden Atmosphäre mager ist und welcher regeneriert wird, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis ein Regenerations-Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, das das stöchiometrische oder fette Luft/Kraftstoffstoff-Verhältnis ist;
einer Bypassvorrichtung, um es zumindest einem Teil des Abgases zu ermög lichen, den Katalysator zu umgehen; und
einer Kraftstoffzuführeinrichtung zum Zuführen von Kraftstoff in die Nähe des Katalysators; wobei
der Motor eine Inertgaszuführeinrichtung zum Zuführen eines Inertgases in den Zylinder aufweist, und eine Niedrigtemperaturverbrennung, bei welcher eine Menge an Inertgas in dem Zylinder größer ist als die Grenzmenge eines Inert gases, das die maximale Menge an erzeugtem Ruß verursacht, und eine Normal verbrennung bei dem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis durchführen kann;
wobei wenn der Katalysator regeneriert wird,
eine erste Regenerationsvorrichtung, bei welcher das Abgas der Niedrigtempera turverbrennung bei dem Regenerations-Luft-Kraftstoff-Verhältnis das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der umgebenden Atmosphäre des Katalysators zu dem Regenerations-Luft-Kraftstoff-Verhältnis macht, und
eine zweite Regenerationsvorrichtung, bei welcher die Bypassvorrichtung zu mindest einen Teil des Abgases veranlaßt, bei der Normalverbrennung den Kata lysator zu umgehen und der durch die Kraftstoffzuführeinrichtung zugeführte Kraftstoff das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der umgebenden Atmosphäre des Ka talysators zu dem Regenerations-Luft-Kraftstoff-Verhältnis macht, ausgewählt werden kann.
2. Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors nach An
spruch 1, wobei wenn die Temperatur des Katalysators niedriger ist, oder niedri
ger geschätzt wird, als eine vorbestimmte Temperatur, die erste Regenerationsvor
richtung zum Regenerieren des Katalysators ausgewählt wird, und wenn die Tem
peratur des Katalysators höher ist, oder höher eingeschätzt wird, als die vorbe
stimmte Temperatur, die zweite Regenerationsvorrichtung zum Regenerieren des
Katalysators ausgewählt wird.
3. Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors nach An
spruch 2, wobei auch wenn die Temperatur des Katalysators höher ist, oder höher
geschätzt wird, als die vorbestimmte Temperatur, die erste Regenerationsvorrich
tung ausgewählt wird, wenn eine Schadstoffmenge, die von dem Zylinder bei der
Normalverbrennung ausgestoßen wird, größer ist, oder größer geschätzt wird, als
eine vorbestimmte Schadstoffmenge.
4. Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors nach An
spruch 2, wobei der Katalysator eine Einfangwand zum Einfangen von Partikeln
in dem Abgas aufweist und auch wenn die Temperatur des Katalysators größer ist,
oder größer geschätzt wird, als die vorbestimmte Temperatur, die erste Regenera
tionsvorrichtung ausgewählt wird, wenn eine Partikelmenge, die aus dem Zylinder
bei der Normalverbrennung ausgestoßen wird, größer ist, oder größer geschätzt
wird, als eine vorbestimmte Menge an Partikeln.
5. Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors nach An
spruch 4, wobei die auf der Einfangwand eingefangenen Partikel oxidiert werden.
6. Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors nach An
spruch 5, wobei die Einfangwand ein Aktiv-Sauerstofffreisetzungsmittel trägt,
und Aktiv-Sauerstoff, der von dem Aktiv-Sauerstofffreisetzungsmittel freigesetzt
worden ist, die auf der Einfangwand eingefangenen Partikel oxidiert.
7. Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors nach An
spruch 6, wobei das Aktiv-Sauerstofffreisetzungsmittel Sauerstoff aufnimmt und
hält, wenn überschüssiger Sauerstoff in der Umgebung vorhanden ist, und den ge
haltenen Sauerstoff als Aktiv-Sauerstoff freigibt, wenn die Sauerstoffkonzentra
tion in der Umgebung sinkt.
8. Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors nach einem
der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Vorrichtung eine Umkehrvorrichtung zum Um
kehren der Abgaseingangsstromseite und der Abgasausgangsstromseite des Kata
lysators und die Bypassvorrichtung in einstückiger Form aufweist oder die Um
kehrvorrichtung und die Bypassvorrichtung getrennt aufweist, wobei die Ein
fangwand eine erste Einfangoberfläche und eine zweite Einfangobeffläche auf
weist, und die Umkehrvorrichtung die Abgaseingangsstromseite und die Abgas
ausgangsstromseite des Katalysators umkehrt bzw. vertauscht, so daß ab
wechselnd die erste Einfangoberfläche und die zweite Einfangoberfläche zum Ein
fangen der Partikel verwendet wird.
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