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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Technisches Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsvorrichtung (oder
eine Abgasemissionssteuerungsvorrichtung) für Brennkraftmaschinen.
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2. Beschreibung des Stands
der Technik
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In
den vergangenen Jahren wurde es mit ansteigenden Anforderungen zum
Umweltschutz erforderlich, dass Brennkraftmaschinen eine hohe Fähigkeit
aufweisen, Abgase zu reinigen.
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Insbesondere
ist es für Dieselmaschinen erforderlich, Partikelbestandteile
(PM) oder Ruß wirkungsvoll aus dem Abgas zu entfernen,
um weiterhin eine weit verbreitete Verwendung derselben zu fördern.
Darüber hinaus sind Dieselpartikelfilter als Einrichtung
zum Entfernen der PM eingesetzt.
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Ein
Dieselpartikelfilter (DPF) ist allgemein in dem Abgasrohr einer
Dieselmaschine angeordnet, um die PM zu sammeln oder zu fangen,
die in dem Abgas enthalten sind.
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Wenn
jedoch die Menge der PM, die in dem DPF angesammelt ist, zu groß ist,
können die angesammelten PM den DPF verstopfen. Deswegen
ist es notwendig, die angesammelten PM abzubrennen, und dabei den
DPF zu regenerieren. Darüber hinaus kann als Vorgang zum
Regenerieren des DPF eine Nacheinspritzung in jedem Zylinder der
Maschine nach einer Haupteinspritzung durchgeführt werden.
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Da
in diesem Fall für die Regeneration des DPF ein eigner
Kraftstoff verbraucht wird, senkt das zu häufige Durchführen
des Regenerationsvorgangs die Wirtschaftlichkeit des Kraftstoffverbrauchs.
Andererseits ermöglicht ein zu unregelmäßiges
Durchführen des Regenerationsvorgangs, dass sich in dem DPF
eine übermäßige Menge der PM ansammelt. Folglich
wird die Temperatur des DPF mit der übermäßigen
Menge der PM während des Regenerationsvorgangs zu stark
erhöht, was bewirkt, dass der DPF beschädigt wird.
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Deswegen
ist es erforderlich, den Regenerationsvorgang zu geeigneten Zeiten
durchzuführen. Außerdem ist es diesbezüglich
notwendig, die Menge der in dem DPF angesammelt PM genau zu bestimmen.
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Die
japanische Patentveröffentlichung Nr.
JP 7-332065 offenbart ein Verfahren
zum Einstellen einer Zeit zum Durchführen des Regenerationsvorgangs.
Dieses Verfahren basiert auf der Tatsache, dass der Differentialdruck
zwischen dem Einlass und dem Auslass des DPF mit der Menge der in
dem DPF angesammelten PM steigt. Noch genauer wird gemäß dem
Verfahren der Differentialdruck zwischen dem Einlass und dem Auslass
des DPF durch einen Differentialdrucksensor gefühlt; wenn
der durch den Differentialdrucksensor gefühlte Differentialdruck
einen vorbestimmten Wert übersteigt, wird durch eine elektronische
Steuereinheit bestimmt, dass es Zeit ist, den Regenerationsvorgang
durchzuführen.
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9 zeigt
das Verhältnis zwischen der Menge der PM, die in dem DPF
angesammelt sind, und dem Differentialdruck zwischen dem Einlass
und dem Auslass des DPF. Im Folgenden wird der Differentialdruck
zwischen dem Einlass und dem Auslass des DPF einfach als DPF-Druckabfall
bezeichnet.
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Wie
aus 9 ersichtlich ist, erhöht sich der DPF-Druckabfall
mit einem Anstieg der Menge der PM, die in dem DPF angesammelt sind,
zuerst von einem Anfangspunkt 100 entlang einer Linie 110 zu einem Übergangspunkt 120;
dann steigt der DPF-Druckabfall weiter von dem Übergangspunkt 120 entlang
einer Linie 130 zu einem Maximalpunkt 140. Darüber
hinaus sinkt der DPF-Druckabfall nach dem Beginn des Regenerationsvorgangs
an dem Maximalpunkt 140 zuerst von dem Maximalpunkt 140 entlang
einer Linie 150 zu einem Übergangspunkt 160;
dann sinkt der DPF-Druckabfall weiter von dem Übergangspunkt 160 entlang
einer Linie 170 zurück zu dem Anfangspunkt 100.
Hier entsprechen die Linien 110 und 150 den Ansammlungsphasen,
in denen die PM lediglich innerhalb der Kanalwände des
DPF angesammelt werden; die Linien 130 und 170 entsprechen
den Ansammlungsphasen, in denen die PM nicht lediglich innerhalb
der Kanalwände sondern ebenfalls an den Oberflächen
der Kanalwände angesammelt werden. Entsprechend kann die
Menge der in dem DPF angesammelten PM ausgehend von dem DPF-Druckabfall,
der durch den Differentialdrucksensor gefühlt wird, und
dem Verhältnis zwischen diesen bestimmt werden, wie aus 9 ersichtlich
ist.
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Bei
dem Bestimmen der Menge der in dem DPF angesammelten PM auf die
voranstehend beschriebene Weise besteht jedoch ein Problem einer ”ungleichmäßigen
Ansammlung”, das die Genauigkeit der Bestimmung senkt.
Hier bezeichnet die ungleichmäßige Ansammlung
eine Erscheinung, dass die PM in dem DPF ungleichmäßig
angesammelt sind, und somit eine Abweichung in der Menge der angesammelten
PM abhängig von dem Ort vorhanden ist.
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Noch
genauer weist der DPF allgemein eine zylindrische Form auf und ist
so in dem Abgasrohr angeordnet, dass das Abgas in der axialen Richtung des
DPF strömt. Folglich werden in der radialen Mitte des DPF
weniger PM angesammelt, während an dem radialen Umfang
des DPF mehr PM angesammelt werden.
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Diese
ungleichmäßige Ansammlung wird hauptsächlich
durch eine ”teilweise Regeneration” des DPF verursacht.
Hier bedeutet die teilweise Regeneration, dass der Regenerationsvorgang
nicht vollständig durchgeführt wird, wodurch ein
Teil der angesammelten PM unverbrannt belassen bleibt. Zusätzlich
kann die teilweise Regeneration auftreten, wenn die Maschine während
des Regenerationsvorgangs angehalten wird, oder wenn der Regenerationsvorgang
wegen eines fortlaufenden Betriebs der Maschine mit einer geringen
Last unterbrochen wird.
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In
dem zylindrischen DPF, der voranstehend beschrieben wurde, wird
eine Wärme von dem radialen Umfang zu dem Außenbereich
des DPF abgeführt. Deswegen ist die Temperatur des DPF
an dem radialen Umfang niedriger als in der radialen Mitte; entsprechend
ist die Abbrennrate der angesammelten PM an dem radialen Umfang
niedriger als in der radialen Mitte. Folglich verbleibt ein Teil
der PM, die an dem radialen Umfang angesammelt sind, unverbrannt,
wenn die teilweise Regeneration auftritt, wodurch sich die ungleichmäßige
Ansammlung der PM in dem DPF ergibt.
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Darüber
hinaus kann die ungleichmäßige Ansammlung ebenfalls
während eines normalen Betriebs der Maschine durch die
ungleichmäßige Verteilung der Temperatur in dem
DPF allmählich verursacht werden. Noch genauer ist die
Strömungsrate des Abgases in der radialen Mitte höher
als an dem radialen Umfang des DPF; entsprechend ist die Temperatur
des DPF in der radialen Mitte höher als an dem radialen
Umfang. Folglich können die PM, die in dem Abgas enthalten
sind, während des normalen Betriebs der Maschine einfacher
in der radialen Mitte als an dem radialen Umfang des DPF verbrannt
werden.
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Das
Verhältnis, das aus 9 ersichtlich
ist, ist unter der Annahme bestimmt, dass die PM gleichmäßig
in dem DPF angesammelt sind. Deswegen kann das Verhältnis,
das aus 9 ersichtlich ist, nicht länger
das genaue Verhältnis zwischen der Menge der PM, die in
dem DPF angesammelt sind, und dem DPF-Druckabfall darstellen, wenn
die ungleichmäßige Ansammlung in dem DPF auftritt.
Folglich kann es schwierig werden, die Zeiten zum Durchführen
des Regenerationsvorgangs ausgehend von dem Verhältnis,
das aus 9 ersichtlich ist, geeignet
einzustellen. Als Ergebnis kann es schwierig werden, den DPF zu
regenerieren, ohne die Wirtschaftlichkeit des Kraftstoffverbrauchs
zu senken, wie auch ohne zu verursachen, dass der DPF 6 durch
die PM verstopft wird.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung ist eine Abgasreinigungsvorrichtung zum Reinigen
des Abgases einer Brennkraftmaschine bereitgestellt. Die Abgasreinigungsvorrichtung
hat: einen Partikelfilter, der in einem Abgasdurchtritt der Maschine
angeordnet ist, um Partikelbestandteile (PM) zu sammeln, die in
dem Abgas enthalten sind, das durch den Abgasdurchtritt strömt;
eine Einrichtung zum Bestimmen einer Ungleichmäßigkeit
der Ansammlung der PM in dem Partikelfilter; und eine Einrichtung
zum Regenerieren des Partikelfilters durch das Abbrennen der PM,
die in dem Partikelfilter angesammelt sind, wenn die Ungleichmäßigkeit,
die durch die Ungleichmäßigkeitsbestimmungseinrichtung
bestimmt wird, eine vorbestimmte Schwelle überschreitet.
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Mit
der voranstehend beschriebenen Anordnung ist es durch das geeignete
Setzen des vorbestimmten Schwellwerts sogar dann noch möglich
geeignete Zeiten für die Regeneration des DPF einzustellen,
wenn die PM in dem DPF ungleichmäßig angesammelt
sind. Folglich ist es möglich, den DPF zu regenerieren,
ohne die Wirtschaftlichkeit des Kraftstoffverbrauchs zu senken,
wie auch ohne zu verursachen, dass der DPF durch die PM verstopft
wird.
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Die
Ungleichmäßigkeit der Ansammlung der PM in dem
Partikelfilter kann bevorzugt als der Unterschied zwischen einer
Menge der PM, die in einer Volumeneinheit in einer Mitte des Partikelfilters
an einem Querschnitt rechtwinklig zu einer Strömungsrichtung
des Abgases verbrannt werden, und einer Menge der PM, die in einer
Volumeneinheit an einem Umfang des Partikelfilters an dem Querschnitt
verbrannt werden, definiert werden.
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Die
Abgasreinigungsvorrichtung kann außerdem folgendes haben:
eine Einrichtung zum Fühlen einer Temperatur des Abgases
in dem Abgasdurchtritt; und eine Einrichtung zum Bestimmen von sowohl
einer Temperatur in der Mitte des Partikelfilters und einer Temperatur
an dem Umfang des Partikelfilters ausgehend von der Temperatur des
Abgases, die durch die Temperaturfühleinrichtung gefühlt
wurde. Die Ungleichmäßigkeitsbestimmungseinrichtung kann
die Mengen der PM, die in der Volumeneinheit in der Mitte und an
dem Umfang des Partikelfilters verbrannt sind, basierend auf den
jeweiligen Temperaturen in der Mitte und dem Umfang des Partikelfilters,
die durch die Temperaturbestimmungseinrichtung bestimmt wurden,
bestimmen.
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Die
Abgasreinigungsvorrichtung kann außerdem eine Einrichtung
zum Fühlen einer Strömungsrate des Abgases in
dem Abgasdurchtritt haben. Die Temperaturbestimmungseinrichtung
kann die Temperatur in der Mitte und an dem Umfang des Partikelfilters
ebenfalls basierend auf der Strömungsrate des Abgases,
die durch die Strömungsratenbestimmungseinrichtung gefühlt
wurde, bestimmen.
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Die
Abgasreinigungsvorrichtung kann außerdem eine Einrichtung
zum Bestimmen von sowohl einer Menge der PM, die in der Volumeneinheit
in der Mitte des Partikelfilters angesammelt sind, und einer Menge
der PM, die in der Volumeneinheit an dem Umfang des Partikelfilters
angesammelt sind, haben. Die Ungleichmäßigkeitsbestimmungseinrichtung kann
die Mengen der PM, die in einer Volumeneinheit in der Mitte und
an dem Umfang des Partikelfilters verbrannt werden, durch das entsprechende
Berücksichtigen der Mengen der PM, die in der Volumeneinheit
in der Mitte und an dem Umfang des Partikelfilters angesammelt sind,
die durch die Einrichtung zum Bestimmen der Menge der angesammelten
PM bestimmt wurde, bestimmen.
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Die
Abgasreinigungsvorrichtung kann außerdem eine Einrichtung
zum Fühlen einer Strömungsrate des Abgases in
dem Abgasdurchtritt haben. Die Ungleichmäßigkeitsbestimmungseinrichtung
kann durch das Berücksichtigen der Strömungsrate
des Abgases, die durch die Strömungsratenfühleinrichtung
gefühlt wird, die Mengen der PM, die in der Volumeneinheit
in der Mitte und an dem Umfang des Partikelfilters verbrannt werden,
bestimmen.
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Der
Partikelfilter kann eine zylindrische Form aufweisen und in dem
Abgasdurchtritt angeordnet sein, und dabei eine axiale Richtung
des Partikelfilters mit der Strömungsrichtung des Abgases
zusammenfallen. In diesem Fall kann die Ungleichmäßigkeit
der Ansammlung de PM in dem Partikelfilter als der Unterschied zwischen
einer Menge der PM, die in einer Volumeneinheit in einer radialen
Mitte des Partikelfilters verbrannt wurden, und einer Menge der PM,
die in einer Volumeneinheit an einem radialen Umfang des Partikelfilters
verbrannt wurden, definiert werden.
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Die
Brennkraftmaschine kann eine Dieselmaschine sein, und der Partikelfilter
kann ein DPF (Dieselpartikelfilter) sein.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung wird aus der ausführlichen Beschreibung,
die im Folgenden gegeben wird, und aus den anhängenden
Zeichnungen einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
deutlicher verstanden werden, die jedoch nicht verwendet werden
sollen, um die Erfindung auf die bestimmte Ausführungsform
zu beschränken, sondern lediglich zum Zweck der Erläuterung
und des Verständnisses dienen.
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In
den anhängenden Zeichnungen zeigt:
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1 eine
schematische Ansicht, die die allgemeine Anordnung einer Abgasreinigungsvorrichtung
für eine Dieselmaschine gemäß der bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung zeigt;
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2 ein
Flussdiagramm, das einen Vorgang einer elektronischen Steuereinheit
(ECU) zum Steuern der Regeneration eines DPF der Abgasreinigungsvorrichtung
zeigt;
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3 ein
Flussdiagramm, das einen Vorgang der ECU zum Bestimmen der Ungleichmäßigkeit
der Ansammlung der PM in dem DPF darstellt;
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4 eine
graphische Darstellung, die das Verhältnis zwischen dem
Temperaturkoeffizienten, dem Abstand von der Achse des DPF und der
Strömungsrate des Abgases darstellt;
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5 eine
graphische Darstellung, die das Verhältnis zwischen dem
Temperatur und der Verbrennungsrate der PM in der Volumeneinheit
des DPF darstellt;
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6 eine
graphische Darstellung, die Änderungen mit der Zeit in
der Menge der PM, die in der Volumeneinheit der radialen Mitte des
DPF verbrannt werden, der Menge der PM, die in der Volumeneinheit
an dem radialen Umfang des DPF verbrannt werden, und der Ungleichmäßigkeit
in der Ansammlung der PM in dem DPF darstellt;
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7 eine
graphische Darstellung, die das Verhältnis zwischen der
Menge der PM, die in der Volumeneinheit angesammelt sind, und der
Brennrate der PM in der Volumeneinheit in dem DPF darstellt;
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8 eine
graphische Darstellung, die das Verhältnis zwischen der
Strömungsrate des Abgases und der Brennrate der PM in der
Volumeneinheit des DPF darstellt; und
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9 eine
graphische Darstellung, die das Verhältnis zwischen der
Menge der PM, die in einem DPF angesammelt sind, und dem Differentialdruck zwischen
dem Einlass und dem Auslass des DPF darstellt.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
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1 zeigt
die allgemeine Anordnung einer Abgasreinigungsvorrichtung 1 gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
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Die
Abgasreinigungsvorrichtung 1 ist konstruiert, um das Abgas
von einer Vierzylinder-Dieselmaschine 2 zu reinigen. Um
die Maschine 2 ist ein Einlassrohr 3, ein Auslassrohr 4,
ein Abgasrückführungsrohr (EGR Rohr) 5,
ein Dieselpartikelfilter (DPF) 6 und eine elektronische
Steuereinheit (ECU) 7 bereitgestellt.
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Die
Maschine 2 wird mit Frischluft aus dem Einlassrohr 3 versorgt,
an dem ein Luftstrommesser 31 montiert ist. Der Luftstrommesser 31 misst
die Strömungsrate der Einlassluft (d. h. der Frischluft), die
zu der Maschine 2 zugeführt wird, und gibt ein
Signal zu der ECU 7 aus, das die gemessene Strömungsrate
bezeichnet.
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Die
Maschine 2 ist ebenfalls mit vier Kraftstoffeinspritzern 21 ausgestattet,
von denen jeder einen Kraftstoff in einen entsprechenden der vier
Zylinder der Maschine 2 einspritzt.
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Das
Abgas von der Maschine 2 wird zu dem Abgasrohr 4 abgegeben.
Das EGR Rohr 5 zweigt von dem Abgasrohr 4 ab,
um einen Teil des Abgases zurück zu dem Einlassrohr 3 zu
führen. Mit der Rückführung des Teils
des Abgases ist es möglich, die Verbrennungsreaktionen
in dem Zylinder der Maschine 2 zu steuern, und dabei NOx
(d. h. Stickoxide) zu reduzieren, die in dem Abgas enthalten sind.
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Der
DPF 6 ist in dem Abgasrohr 4 angeordnet, um Partikelbestandteile
(PM) oder Ruß, die in dem Abgas enthalten sind, das durch
das Abgasrohr 4 strömt, zu sammeln oder zu fangen.
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In
der vorliegenden Ausführungsform ist der DPF durch z. B.
einen C-DPF (d. h. einen katalytischen Dieselpartikelfilter) ausgeführt,
der einen darin gelagerten Oxidationskatalysator aufweist. Zusätzlich
weist der DPF 6 eine zylindrische Form auf und ist so in
dem Abgasrohr 4 angeordnet, dass das Abgas in der axialen
Richtung des DPF strömt.
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An
dem Einlass und Auslass des DPF 6 sind entsprechend Temperatursensoren 61 und 62 angeordnet.
Der Temperatursensor 61 fühlt die Temperatur des
Abgases an dem Einlass des DPF 6 und gibt ein Signal zu
der ECU 7 aus, das die gefühlte Temperatur bezeichnet.
Der Temperatursensor 62 fühlt die Temperatur des
Abgases an dem Auslass des DPF 6 und gibt ein Signal zu
der ECU 7 aus, das die gefühlte Temperatur anzeigt.
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Darüber
hinaus ist ein Differentialdrucksensor 63 sowohl mit dem
Einlass wie auch dem Auslass des DPF 6 verbunden, um den
Differentialdruck zwischen dem Einlass und dem Auslass des DPF 6 zu fühlen.
Im Folgenden wird der Differentialdruck zwischen dem Einlass und
dem Auslass des DPF 6 einfach als DPF-Druckabfall bezeichnet.
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Der
DPF 6 weist z. B. eine Wabenstruktur mit abwechselnden
Kanälen auf, die an gegenüberliegenden Enden verstopft
sind. Die Stopfen zwingen die Abgasströmung durch die Kanalwände,
wodurch die in dem Abgas enthaltenen PM innerhalb der Kanalwände
oder an den Oberflächen der Kanalwände angesammelt
werden. Wenn die Menge der PM, die in dem DPF 6 angesammelt
ist, ausreichend groß ist, ist es erforderlich, die angesammelten
PM abzubrennen, und dabei den DPF 6 zu regenerieren.
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In
der vorliegenden Ausführungsform führt jeder der
Kraftstoffeinspritzer 21 nach einer Haupteinspritzung eine
Nacheinspritzung in den entsprechenden der Zylinder der Maschine 2 als
Vorgang zum Regenerieren des DPF 6 durch, und liefert dabei unverbrannte
HC (d. h. Kohlenwasserstoffe) zu dem DPF 6. Die HC werden
dann mit der Katalyse des in dem DPF 6 getragenen Katalysators
verbrannt, und dabei die Temperatur des DPF 6 erhöht,
um die darin angesammelten PM abzubrennen.
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Die
ECU 7 ist mit einem Mikrocomputer ausgestattet, der eine
CPU (nicht dargestellt), einen Speicher 71 und I/O Geräte
(nicht dargestellt) hat. Die ECU 7 steuert den Betrieb
der Abgasreinigungsvorrichtung 1 wie auch den Betrieb der
Maschine 2. Noch genauer steuert die ECU 7 die
Einspritzzeiten und Einspritzmengen für die Kraftstoffeinspritzer 21, um
den Kraftstoff in die entsprechenden Zylinder der Maschine 2 einzuspritzen.
Die ECU 7 bestimmt ebenfalls die Ungleichmäßigkeit
der Ansammlung der PM in dem DPF 6 basierend auf den Signalen,
die von dem Luftstrommesser 31, den Temperatursensoren 61 und 62 und
dem Differentialdrucksensor 63 ausgegeben werden. Die ECU 7 steuert
außerdem die Regeneration des DPF 6 ausgehend
von der bestimmten Ungleichmäßigkeit der Ansammlung
der PM in dem DPF 6.
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2 zeigt
einen Vorgang der ECU 7 zum Steuern der Regeneration des
DPF 6. Dieser Vorgang wird durch die ECU 7 in
z. B. vorbestimmten Zeitabständen wiederholt.
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Zuerst
schätzt die ECU 7 in dem Schritt S10 die Ungleichmäßigkeit
Ua der Ansammlung der PM in dem DPF 6 durch das Durchführen
eines Vorgangs, der später beschrieben werden wird.
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In
dem Schritt S20 bestimmt die ECU 7, ob die Ungleichmäßigkeit
Ua, die in dem Schritt S10 bestimmt wurde, eine vorbestimmte Schwelle
Ua_th überschreitet.
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Falls
die Bestimmung in dem Schritt S20 eine Antwort ”NEIN” ergibt,
geht der Vorgang direkt zu dem Ende. Falls andererseits die Bestimmung
in dem Schritt S20 eine Antwort ”JA” ergibt, geht
der Vorgang weiter zu dem Schritt S30.
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In
dem Schritt S30 bestimmt die ECU 7, ob es derzeit möglich
ist, den DPF 6 zu regenerieren.
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Falls
die Bestimmung in dem Schritt S30 eine Antwort ”NEIN” ergibt,
wiederholt die ECU 7 die Bestimmung in dem Schritt S30,
bis eine Antwort ”JA” erhalten wird.
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Hier
bestimmt die ECU 7, dass es derzeit unmöglich
ist, den DPF 6 zu regenerieren, wenn die Maschine 2 angehalten
ist, oder wenn die Maschine 2 mit einer niedrigen Drehzahl
oder unter einer niedrigen Last läuft, so dass die Temperatur
des Abgases zu gering ist, um zu ermöglichen, dass der
Katalysator funktioniert, der von dem DPF 6 getragen wird.
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Falls
andererseits die Bestimmung in dem Schritt S30 eine Antwort ”JA” ergibt,
geht der Vorgang zu Schritt S40 voran.
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In
dem Schritt S40 regeneriert die ECU 7 den DPF 6.
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Noch
genauer steuert die ECU 7 jeden den Kraftstoffeinspritzer 21,
nach einer Haupteinspritzung eine Nacheinspritzung durchzuführen.
Zusätzlich führt in diesem Schritt die ECU 7 eine ”vollständige
Regenerierung” des DPF 6 durch, um alle PM abzubrennen,
die in dem DPF 6 angesammelt sind.
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In
dem Schritt S50 setzt die ECU 7 die Ungleichmäßigkeit
Ua der Ansammlung der PM in dem DPF 6 auf Null (0). Dann
geht der Vorgang weiter zu dem Ende.
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In
dem voranstehend beschriebenen Vorgang wird die Regeneration des
DPF 6 in dem Schritt S40 umso früher durchgeführt,
desto kleiner die vorbestimmte Schwelle Ua_th in dem Schritt 20 ist.
Darüber hinaus werden umso weniger PM in dem DPF 6 angesammelt,
desto niedriger die Ungleichmäßigkeit Ua der Ansammlung
der PM in dem DPF 6 ist. Deswegen wird, wenn die vorbestimmte
Schwelle Ua_th in dem Schritt S20 zu klein ist, die Regeneration
des DPF 6 in dem Schritt S40 durchgeführt, um
lediglich eine kleine Menge der PM abzubrennen, und dabei die Wirtschaftlichkeit
des Kraftstoffverbrauchs gesenkt. Andererseits wird die Regeneration
des DPF 6 in dem Schritt S40 umso später durchgeführt,
desto größer die vorbestimmte Schwelle Ua_th in
dem Schritt 20 ist. Deswegen können, wenn die vorbestimmte
Schwelle Ua_th in dem Schritt 20 zu groß ist, die
in dem DPF 6 angesammelten PM den DPF 6 verstopfen,
bevor dieser in dem Schritt S40 regeneriert wird. Entsprechend wird
in der vorliegenden Ausführungsform die Schwelle Ua_th
geeignet so vorbestimmt, um sowohl zu verhindern, dass die Wirtschaftlichkeit
des Kraftstoffverbrauchs gesenkt wird, wie auch, dass der DPF 6 durch
die PM verstopft wird.
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Zusätzlich
ist es in dem voranstehend beschriebenen Vorgang ebenfalls möglich,
den Schritt S50 auszulassen, wenn die Regeneration des DPF 6, die
in dem Schritt S40 durchgeführt wird, unbeabsichtigt als
teilweise Regeneration endet.
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In
der vorliegenden Ausführungsform ist die Ungleichmäßigkeit
Ua der Ansammlung der PM in dem DPF 6 basierend auf der
folgenden Berücksichtigung definiert.
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Die
Menge der PM, die in dem DPF 6 angesammelt sind, ist gleich
dem Unterschied zwischen der Menge der PM, die von der Maschine 2 abgegeben
und durch den DPF 6 gesammelt werden, und der Menge der
PM, die in dem DPF 6 verbrannt werden. Außerdem
werden die PM, die von der Maschine 2 abgegeben werden,
gleichmäßig in der radialen Mitte und dem radialen
Umfang des DPF 6 gesammelt. Deswegen kann der Unterschied
zwischen der Menge der PM, die in der Volumeneinheit in der radialen
Mitte des DPF 6 verbrannt werden, und der Menge der PM,
die in der Volumeneinheit an dem radialen Umfang des DPF 6 verbrannt
werden, die Ungleichmäßigkeit Ua der Ansammlung
der PM in dem DPF 6 darstellen. Entsprechend ist in der
vorliegenden Ausführungsform die Ungleichmäßigkeit
Ua in der Ansammlung der PM in dem DPF 6 als der Unterschied
zwischen den Mengen der PM, die in der Volumeneinheit in der radialen
Mitte und an dem radialen Umfang des DPF 6 verbrannt werden,
definiert.
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3 zeigt
den Vorgang der ECU 7 zum Schätzen der Ungleichmäßigkeit
Ua der Ansammlung der PM in dem DPF 6.
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Zuerst
bestimmt die ECU 7 in dem Schritt S110 die Temperatur des
Abgases an dem Einlass des DPF 6 basierend auf der Signalausgabe
von dem Temperatursensor 61. Zusätzlich kann die
ECU 7 alternativ die Temperatur des Abgases an dem Auslass des
DPF 6 basierend auf der Signalausgabe von dem Temperatursensor 62 bestimmen.
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In
dem Schritt S120 schätzt die ECU 7 die Strömungsrate
des Abgases basierend auf der Signalausgabe von dem Luftstrommesser 31.
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In
dem Schritt S130 bestimmt die ECU 7 den Wert Tef_ph eines
Temperaturkoeffizienten an dem radialen Umfang des DPF 6 basierend
auf der Strömungsrate des Abgases.
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Noch
genauer wird in der vorliegenden Ausführungsform der Temperaturkoeffizient
für jede radiale Position in dem DPF 6 als Verhältnis
der Temperatur an der radialen Position zur Temperatur in der radialen
Mitte des DPF 6 (d. h., an der Achse des DPF 6)
definiert.
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Wie
aus 4 ersichtlich ist, weist der Temperaturkoeffizient
entsprechend einen Maximalwert von 1 in der radialen Mitte auf,
und weist an dem radialen Umfang einen Minimalwert auf, der von
der Achse des DPF 6 durch den Radius R des DPF 6 entfernt
liegt.
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Wenn
die Strömungsrate des Abgases ansteigt, sinkt darüber
hinaus die Ungleichmäßigkeit der Temperaturverteilung
des DPF 6. Entsprechend steigt der Minimalwert des Temperaturkoeffizienten mit
der Strömungsrate des Abgases.
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Deswegen
bestimmt die ECU 7 in der vorliegenden Ausführungsform
den Wert Tef_ph des Temperaturkoeffizienten an dem radialen Umfang
des DPF 6 als Minimalwert, den der Temperaturkoeffizient
an der Strömungsrate des Abgases hat, die in dem Schritt
S120 bestimmt wurde.
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Zurück
zu 3 schätzt die ECU 7 in dem Schritt
S140 sowohl die Temperatur Tc in der radialen Mitte des DPF 6 wie
auch die Temperatur Tph an dem radialen Umfang des DPF 6.
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Noch
genauer schätzt die ECU 7 zuerst unter Verwendung
eines mathematischen Modells die Temperatur Tc in der radialen Mitte
des DPF 6 basierend auf der Temperatur des Abgases, die
in dem Schritt S110 bestimmt wurde. Das mathematische Modell stellt
das Verhältnis zwischen der Temperatur Tc und der Temperatur
des Abgases dar, und wurde vorangehend bestimmt und in dem Speicher 71 gespeichert.
Dann schätzt die ECU 7 die Temperatur Tph an dem
radialen Umfang des DPF 6 als Produkt der geschätzten
Temperatur Tc und des Werts Tef_ph des Temperaturkoeffizienten,
der in dem Schritt S130 bestimmt wurde.
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In
dem Schritt S150 schätzt die ECU 7 die Brennrate
Rc der PM in der Volumeneinheit in der radialen Mitte der DPF 6 und
die Brennrate Rph der PM in der Volumeneinheit an dem radialen Umfang
des DPF 6 basierend entsprechend auf den Temperaturen Tc
und Tph, die in dem Schritt S140 geschätzt wurden.
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Noch
genauer stellt die Brennrate Rc die Menge der PM dar, die in einer
Zeiteinheit und einer Volumeneinheit in der radialen Mitte des DPF 6 verbrannt
werden; die Brennrate Rph stellt die Menge der PM dar, die in der
Zeiteinheit und in der Volumeneinheit an dem radialen Umfang des
DPF 6 verbrannt werden. In der vorliegenden Ausführungsform
bestimmt die ECU 7 sowohl die Brennraten Rc und Rph basierend
zwischen dem Verhältnis zwischen der Temperatur und der
Brennrate der PM in der Volumeneinheit des DPF 6; das Verhältnis,
das in 5 dargestellt ist, wurde vorangehend bestimmt
und in dem Speicher 71 gespeichert.
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Wie
aus 5 ersichtlich ist, steigt die Brennrate der PM
in der Volumeneinheit des DPF 6 mit der Temperatur. Entsprechend
ist mit der Temperatur Tc, die höher als die Temperatur
Tph ist, die Brennrate Rc in der Volumeneinheit in der radialen Mitte
höher als die Brennrate Rph in der Volumeneinheit an dem
radialen Umfang des DPF 6.
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Zurück
zu 3 schätzt die ECU 7 in dem Schritt
S160 die Ungleichmäßigkeit Ua der Ansammlung der
PM in dem DPF 6 basierend auf den Brennraten Rc und Rph,
die in dem Schritt S150 geschätzt wurden.
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Noch
genauer integriert die ECU 7 zuerst die Brennraten Rc und
Rph mit Bezug auf die Zeit, und erhält dabei die Mengen
der PM, die in der Volumeneinheit in der radialen Mitte und an dem
radialen Umfang des DPF 6 verbrannt wurden. Dann schätzt
die ECU 7 die Ungleichmäßigkeit Ua der
Ansammlung der PM in dem DPF 6 als Unterschied zwischen
den Mengen der PM, die in der Volumeneinheit in der radialen Mitte
und an dem radialen Umfang des DPF 6 verbrannt wurden.
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Nach
dem Durchführen des Schritts S160 kehrt der Vorgang zu
dem Hauptvorgang der 2 zurück, um den Schritt
S20 durchzuführen.
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6 stellt Änderungen
mit der Zeit in der Menge der PM dar, die in der Volumeneinheit
in der radialen Mitte des DPF 6 verbrannt wurde, die Menge der
PM, die in der Volumeneinheit an dem radialen Umfang der DPF 6 verbrannt
wurde, und die Ungleichmäßigkeit Ua in der Ansammlung
der PM in dem DPF 6.
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In 6 bezeichnet
t0 den Zeitmoment, in dem eine vollständige Regeneration
des DPF 6 beendet wird; t1 bezeichnet den Zeitmoment, in
dem eine teilweise Regeneration des DPF 6 begonnen wird;
und t2 bezeichnet den Zeitmoment, in dem die teilweise Regeneration
beendet wird. Mit anderen Worten wird während des Zeitraums
von t1 bis t2 eine Regeneration des DPF 6 durchgeführt,
wird aber beendet, ohne dass die PM vollständig abgebrannt sind,
die in dem DPF 6 angesammelt sind.
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In
der vorliegenden Ausführungsform wiederholt die ECU 7 die
Vorgänge der 3 und 4 von dem
Zeitmoment t0, um die Ungleichmäßigkeit Ua der
Ansammlung der PM in dem DPF 6 wiederholt zu schätzen.
Darüber hinaus behält die ECU 7 sogar für
den Zeitraum von t1 bis t2, während dem die teilweise Regeneration
des DPF 6 durchgeführt wird, die Wiederholung
der Vorgänge der 3 und 4 bei.
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Wie
aus 6 ersichtlich ist, steigen sowohl die Menge der
PM, die in der Volumeneinheit in der radialen Mitte des DPF 6 verbrannt
werden, wie auch die Menge der PM, die in der Volumeneinheit an
dem radialen Umfang des DPF 6 verbrannt werden mit der Zeit.
Darüber hinaus steigt der Unterschied zwischen den zwei
Mengen, die die Ungleichmäßigkeit Ua der Ansammlung
der PM in dem DPF 6 darstellen ebenfalls mit der Zeit,
insbesondere steigt er während des Zeitraums von t1 bis
t2. Wenn die Ungleichmäßigkeit Ua angestiegen
ist, um die vorbestimmte Schwelle Ua_th zu überschreiten,
führt die ECU 7 letztendlich eine vollständige
Regeneration des DPF 6 durch.
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Die
voranstehend beschriebene Abgasreinigungsvorrichtung 1 gemäß der
vorliegenden Ausführungsform weist die folgenden Vorteile
auf.
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In
der vorliegenden Ausführungsform hat die Abgasreinigungsvorrichtung 1 den
DPF 6 und die ECU 7. Der DPF 6 ist in
dem Abgasrohr 4 der Maschine 2 angeordnet, um
die PM zu sammeln, die in dem Abgas enthalten sind, das durch das
Abgasrohr 4 strömt. Die ECU 7 schätzt
die Ungleichmäßigkeit Ua der Ansammlung der PM
in dem DPF 6. Wenn die geschätzte Ungleichmäßigkeit
Ua die vorbestimmte Schwelle Ua_th überschreitet, regeneriert
die ECU 7 den DPF 6 durch das Abbrennen der PM,
die in dem DPF 6 angesammelt sind. Noch genauer steuert
die ECU 7 jeden der Kraftstoffeinspritzer 21,
um nach einer Haupteinspritzung eine Nacheinspritzung durchzuführen,
und brennt dabei die PM ab, die in dem DPF 6 angesammelt
sind.
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Mit
der voranstehend beschriebenen Anordnung ist es sogar dann noch
möglich, wenn die PM ungleichmäßig in
dem DPF 6 angesammelt sind, geeignete Zeiten für
die Regeneration des DPF 6 durch das geeignete Einstellen
der vorbestimmten Schwelle Ua_th einzustellen. Folglich ist es möglich,
den DPF 6 zu regenerieren, ohne die Wirtschaftlichkeit des
Kraftstoffverbrauchs zu senken, wie auch ohne zu verursachen, dass
der DPF 6 durch die PM verstopft wird.
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In
der vorliegenden Ausführungsform ist die Ungleichmäßigkeit
Ua der Ansammlung der PM in dem DPF 6 als der Unterschied
zwischen der Menge der PM, die in der Volumeneinheit in der radialen
Mitte des DPF 6 verbrannt werden, und der Menge der PM,
die in der Volumeneinheit an dem radialen Umfang des DPF 6 verbrannt
werden, definiert.
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Mit
der voranstehend beschriebenen Definition ist es möglich,
geeignet festzulegen, wie stark ungleichmäßig
die PM in dem DPF 6 angesammelt sind.
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In
der vorliegenden Ausführungsform schätzt die ECU 7 sowohl
die Temperatur Tc in der radialen Mitte des DPF 6 wie auch
die Temperatur Tph an dem radialen Umfang des DPF 6 basierend
auf der Temperatur des Abgases entweder an dem Einlass oder an dem
Auslass des DPF 6. Dann schätzt die ECU 7 basierend
auf den entsprechend geschätzten Temperaturen Tc und Tph
die Mengen der PM, die in der Volumeneinheit in der radialen Mitte
und an dem radialen Umfang des DPF 6 verbrannt werden.
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Mit
der voranstehend beschriebenen Anordnung ist es möglich,
die Mengen der PM genau zu bestimmen, die in der Volumeneinheit
in der radialen Mitte und an dem radialen Umfang des DPF 6 verbrannt
wurden, und dabei die Ungleichmäßigkeit Ua der
Ansammlung der PM in dem DPF 6 genau zu schätzen.
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In
der vorliegenden Ausführungsform schätzt die ECU 7 ebenfalls
basierend auf der Strömungsrate des Abgases sowohl die
Temperatur Tc in der radialen Mitte des DPF 6 wie auch
die Temperatur Tph an dem radialen Umfang des DPF 6.
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Mit
der voranstehend beschriebenen Anordnung ist es möglich,
außerdem die Temperaturen Tc und Tph genau zu schätzen,
und dabei außerdem die Mengen der PM genau zu schätzen,
die in der Volumeneinheit in der radialen Mitte und an dem radialen Umfang
des DPF 6 verbrannt werden. Als Ergebnis ist es möglich,
außerdem die Ungleichmäßigkeit Ua der
Ansammlung der PM in dem DPF 6 genau zu schätzen.
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Während
die voranstehend beschriebene bestimmte Ausführungsform
der Erfindung gezeigt und beschrieben wurde, wird von Fachleuten
verstanden werden, dass verschiedene Modifikationen, Änderungen
und Verbesserungen durchgeführt werden können,
ohne von dem Geist der Erfindung abzuweichen.
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[Modifikation 1]
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In
dem Schritt S150 des Vorgangs der 3 ist es
möglich, dass die ECU 7 die Brennraten Rc und Rph
ebenfalls basierend auf den Mengen der PM schätzt, die
in der Volumeneinheit in der radialen Mitte des DPF 6 und
an dem radialen Umfang des DPF 6 angesammelt sind.
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7 zeigt
das Verhältnis zwischen der Menge der PM, die in der Volumeneinheit
angesammelt sind, und der Brennrate der PM in der Volumeneinheit
in dem DPF 6.
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Es
ist aus 7 zu erkennen, dass die PM umso
einfacher verbrannt werden, und somit die Brennrate der PM in dem
DPF 6 umso höher ist, desto mehr PM angesammelt
sind.
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Entsprechend
ist es durch das Berücksichtigen der Mengen der angesammelten
PM möglich, dass die ECU 7 die Brennraten Rc und
Rph genauer schätzt, und somit die Mengen der PM, die in
der Volumeneinheit in der radialen Mitte und an dem radialen Umfang
des DPF 6 verbrannt werden, genauer schätzt.
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Darüber
hinaus ist es möglich, die Mengen der PM, die in der Volumeneinheit
in der radialen Mitte und an dem radialen Umfang des DPF 6 angesammelt
sind, basierend auf dem DPF-Druckabfall, der durch den Differentialdrucksensor 63 gefühlt
wird, und dem Verhältnis zwischen dem DPF-Druckabfall und
der Menge der PM, die in dem DPF 6 angesammelt sind, zu
schätzen, was in 9 gezeigt
ist.
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Alternativ
können die Mengen der PM, die in der Volumeneinheit in
der radialen Mitte und an dem radialen Umfang des DPF 6 angesammelt
sind, auf folgende Weise geschätzt werden.
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Zuerst
wird eine zweidimensionale Ebene, die den Betriebszustand der Maschine 2 darstellt, wobei
ihre Koordinatenachsen entsprechend die Maschinendrehzahl und die
Kraftstoffeinspritzmenge bezeichnen, in eine Vielzahl von Betriebsbereichen unterteilt.
Darüber hinaus wird für jeden der Betriebsbereiche
die Menge der PM bestimmt, die in einer Zeiteinheit von der Maschine 2 abgegeben
werden, und in dem Speicher 71 gespeichert.
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Dann
wird die Menge der PM, die von der Maschine 2 abgegeben
werden, mit Bezug auf die Zeit durch das Nachverfolgen der Betriebsgeschichte der
Maschine 2 auf der Ebene integriert. Darüber hinaus
werden unter der Annahme, dass die Menge der PM, die von der Maschine 2 abgegeben
werden, gleichmäßig in dem DPF 6 gesammelt
sind, die Mengen der PM berechnet, die in der Volumeneinheit in der
radialen Mitte und in der Volumeneinheit an dem radialen Umfang
des DPF 6 gesammelt sind.
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Danach
werden durch das Integrieren der Brennraten Rc und Rph, die in dem
vorangehenden Zyklus der Wiederholung des Vorgangs der 3 geschätzt
wurden, mit Bezug auf die Zeit die Mengen der PM, die in der Volumeneinheit
in der radialen Mitte und an dem radialen Umfang des DPF 6 verbrannt wurden,
erhalten.
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Zuletzt
werden durch das Abziehen der Mengen der PM, die in der Volumeneinheit
in der radialen Mitte und an dem radialen Umfang des DPF 6 verbrannt
sind, entsprechend von den Mengen der PM, die durch die Volumeneinheit
in der radialen Mitte und durch die Volumeneinheit an dem radialen
Umfang des DPF 6 die Mengen der PM erhalten, die in der
Volumeneinheit in der radialen Mitte und an dem radialen Umfang
des DPF 6 angesammelt sind.
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[Modifikation 2]
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In
dem Schritt S150 des Vorgangs der 3 ist es
möglich, dass die ECU 7 die Brennraten Rc und Rph
ebenfalls basierend auf der Strömungsrate des Abgases schätzt,
die in dem Schritt S120 geschätzt wurde.
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8 zeigt
das Verhältnis zwischen der Strömungsrate des
Abgases und der Brennrate der PM in der Volumeneinheit des DPF 6.
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Es
kann aus 8 entnommen werden, dass die
PM umso einfacher verbrannt werden, desto höher die Strömungsrate
des Abgases, und somit desto höher die Brennrate der PM
in dem DPF 6 ist.
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Entsprechend
ist es durch das Berücksichtigen der Strömungsrate
des Abgases möglich, dass die ECU 7 die Brennraten
Rc und Rph genauer schätzt, und somit die Mengen der PM
genauer schätzt, die in der Volumeneinheit in der radialen
Mitte und an dem radialen Umfang des DPF 6 verbrannt werden.
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[Modifikation 3]
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Es
ist ebenfalls möglich, dass die ECU
7 parallel
zu den Vorgängen der
2 und
3 einen anderen
Regenerationsvorgang entsprechend dem Verfahren durchführt,
der in der japanischen Patenterstveröffentlichung Nr.
JP7332065 offenbart ist.
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Noch
genauer kann die ECU 7 den DPF 6 nicht nur dann
regenerieren, wenn die Ergebnisse der Bestimmungen in den Schritten
S20 und S30 des Vorgangs der 2 bestätigend
sind, sondern ebenfalls, wenn der DPF-Druckabfall, der durch den
Differentialdrucksensor 63 gefühlt wurde, einen
vorbestimmten Wert überschreitet.
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[Modifikation 4]
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In
der vorangehend beschriebenen Ausführungsform wird die
vorliegende Erfindung auf eine Abgasreinigungsvorrichtung 1 für
die Dieselmaschine 2 angewendet.
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Jedoch
kann die vorliegende Erfindung ebenfalls an einer Abgasreinigungsvorrichtung
für eine Brennkraftmaschine einer anderen Art angewendet
werden, die ein Abgas abgibt, das Partikelbestandteile enthält.
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Eine
Abgasreinigungsvorrichtung ist zum Reinigen des Abgases einer Brennkraftmaschine
bereitgestellt. Die Abgasreinigungsvorrichtung hat: einen Partikelfilter,
der in einem Abgasdurchtritt der Maschine angeordnet ist, um Partikelbestandteile (PM)
zu sammeln, die in dem Abgas enthalten sind, das durch den Abgasdurchtritt
strömt; eine Einrichtung zum Bestimmen einer Ungleichmäßigkeit
der Ansammlung der PM in dem Partikelfilter; und eine Einrichtung
zum Regenerieren des Partikelfilters durch das Abbrennen der PM,
die in dem Partikelfilter angesammelt sind, wenn die Ungleichmäßigkeit,
die durch die Ungleichmäßigkeitsschätzeinrichtung
geschätzt wird, eine vorbestimmte Schwelle überschreitet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 7-332065 [0008]
- - JP 7332065 [0108]