DE60102626T2

DE60102626T2 - Abgasvorrichtung für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE60102626T2
Application number: DE60102626T
Authority: DE
Inventors: Shinya Toyota-shi Aichi-ken Hirota; Masahito Toyota-shi Aichi-ken Shibata; Michio Nagoya-shi Aichi-ken Morishita; Takio Obu-shi Aichi-ken Suzuki; Shigeru Obu-shi Aichi-ken Arakawa; Kunio Okazaki-shi Komori
Original assignee: Aisan Industry Co Ltd; Sango Co Ltd; Toyota Motor Corp; Futaba Sangyo KK
Current assignee: Aisan Industry Co Ltd; Sango Co Ltd; Toyota Motor Corp; Futaba Sangyo KK
Priority date: 2000-07-03
Filing date: 2001-07-02
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2021-07-03
Also published as: US20020002824A1; EP1170471A2; US6588203B2; JP2002021533A; JP3593305B2; EP1170471B1; DE60102626D1; EP1170471A3

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Abgasvorrichtung für eine Brennkraftmaschine.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Nach dem Stand der Technik werden in einem Dieselmotor Partikel, die im Abgas enthalten sind, durch Anordnung eines Partikelfilters in einem Motorabgasdurchlaß, wobei dieser Partikelfilter dazu verwendet wird, um die Partikel im Abgas abzuscheiden, und durch Entzündung und Verbrennung der auf dem Partikelfilter abgeschiedenen Partikel entfernt, um den Partikelfilter zu regenerieren. Jedoch entzünden sich die auf dem Partikelfilter abgeschiedenen Partikel nicht, wenn die Temperatur nicht wenigstens 600°C erreicht. Demgegenüber beträgt die Abgastemperatur eines Dieselmotors normalerweise beträchtlich weniger als 600°C. Daher wird normalerweise ein elektrisches Heizelement verwendet, um das Abgas zu erwärmen, um die auf dem Partikelfilter abgeschiedenen Partikel zu entzünden und zu verbrennen.
Ferner werden, falls während der Verbrennung der auf dem Partikelfilter abgeschiedenen Partikel die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases, das durch den Partikelfilter hindurchströmt, zu hoch ist, die Partikel nicht weiter verbrannt. Um die Verbrennung fortzusetzen, ist es notwendig, die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases, das durch den Partikelfilter hindurchströmt, zu verringern. Ferner ist ein Partikelfilter und ein elektrisches Heizelement vorzugsweise im Schalldämpfer anzuordnen, um das Abgassystem des Motors kompakter zu gestalten.
Daher ist nach dem Stand der Technik eine Abgasvorrichtung bekannt, die einen Partikelfilter und ein elektrisches Heizelement in einem Schalldämpfer bereitstellt, und die ein Strömungswegschaltventil zum Umschalten des Abgas-Strömungsweges vorsieht, wobei das Strömungswegschaltventil verwendet wird, um normalerweise das Abgas zum Einströmen in den Partikelfilter zu veranlassen, wobei ein Teil des Abgases vom elektrischen Heizelement erwärmt wird, sobald sich die auf dem Partikelfilter abgeschiedenen Partikel entzünden und brennen, und dann ein Strömen des Abgases in die umgekehrte Richtung während des normalen Vorgangs im Partikelfilter derart veranlaßt, daß ein Abgeben des Abgases an die Umgebung veranlaßt wird, ohne den verbleibenden großen Teil des Abgases in den Partikelfilter einströmen zu lassen (ungeprüfte japanische Gebrauchsmuster-Offenlegungsschrift (Kokai) Nr. 1-149515).
Andererseits wird es vorgezogen, die Partikel, die auf dem Partikelfilter abgeschiedenen sind, durch die Wärme des Abgases ohne Verwendung eines elektrischen Heizelements zu entzünden und zu verbrennen. Daher ist es notwendig gewesen, die Entzündungstemperatur der Partikel herabzusetzen. Nach dem Stand der Technik ist jedoch bekannt, daß die Entzündungstemperatur der Partikel herabgesetzt werden kann, wenn ein Katalysator auf dem Partikelfilter aufgetragen ist. Daher sind nach dem Stand der Technik verschiedene Partikelfilter bekannt, die Katalysatoren zur Herabsetzung der Entzündungstemperatur der Partikel tragen.
Beispielsweise offenbart die geprüfte japanische Patent-Offenlegungsschrift (Kokoku) Nr. 7-106290 einen Partikelfilter, der einen Partikelfilter aufweist, der eine Mischung aus einem Platingruppen-Metall und einem Erdalkali-Metalloxid trägt. In diesem Partikelfilter werden die Partikel bei einer relativ niedrigen Temperatur von etwa 350 bis 400°C entzündet und dann kontinuierlich verbrannt.
Um das durch die Erfindung zu lösende Problem zusammenzufassen, ist festzuhalten, daß die Temperatur des Abgases in einem Dieselmotor 350 bis 400°C erreicht, wenn die Last groß wird; daher würde es mit obigem Partikelfilter auf den ersten Blick so scheinen, daß sich die Partikel durch die Wärme des Abgases entzünden und verbrennen lassen, sobald die Motorlast hoch wird. Tatsächlich wandeln sich jedoch, sobald sich eine große Menge von Partikeln auf dem Partikelfilter abgesetzt hat, die Partikel fortschreitend in schwer zu verbrennenden Kohlenstoff um. Selbst wenn die Temperatur des Abgases 350 bis 400°C erreicht, werden sich im Ergebnis die Partikel manchmal nicht entzünden. Um eine kontinuierliche Verbrennung der Partikel auf dem Partikelfilter zu veranlassen, ist es daher notwendig zu verhindern, daß sich eine große Menge an Partikeln auf dem Partikelfilter absetzt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine kompakte zweckmäßige Abgasvorrichtung für eine Brennkraftmaschine bereitzustellen, die für eine kontinuierliche Oxidation und Entfernung der Partikel auf dem Partikelfilter geeignet ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Abgasreinigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine ausgerüstet mit einem Schalldämpfer-Gehäuse, welches einen Endabschnitt und eine Abgaseinström-Öffnung aufweist, durch welches Abgas in einen Innenraum des Schalldämpfer-Gehäuses eingebracht wird; einem Abgasströmungsdurchlaß; der gegenüberliegende Enden und einen Durchlaßabschnitt aufweist, der sich innerhalb des Innenraums des Schalldämpfer-Gehäuses erstreckt, einer ersten Abgas-Einström-Ausström-Öffnung, die an einem der gegenüberliegenden Enden des Abgaströmungsdurchlasses ausgebildet ist, und einer zweiten Abgas-Einström-Ausström-Öffnung, die am anderen der gegenüberliegenden Enden des Abgaströmungsdurchlasses ausgebildet ist, wobei sowohl die Abgaseinström-Öffnung als auch die erste Abgas-Einström-Ausström-Öffnung und die zweite Abgas-Einström-Ausström-Öffnung im Endabschnitt des Schalldämpfer-Gehäuses angeordnet sind; einem Partikelfilter, der im Durchlaßabschnitt des Abgasströmungsdurchlasses angeordnet ist; und einer Strömungswegschaltventil-Einrichtung, die im Endabschnitt des Schalldämpfer-Gehäuses angeordnet ist, um Abgas, das vom Motor abgegeben und zum Schalldämpfergehäuse geleitet wird, selektiv zum Einströmen in die Abgaseinström-Öffnung, die erste Abgas-Einström-Ausström-Öffnung und die zweite Abgas-Einström-Ausström-Öffnung zu veranlassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Diese und andere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden ersichtlicher aus der folgenden Beschreibung, die mit Bezug auf die begleitende Zeichnung gegeben ist, wobei:
1 ein Überblick über eine Brennkraftmaschine ist;
2A und 2B Ansichten von einem Schalldämpfer sind;
3A bis 3F Ansichten einer ersten Ausführungsform eines Schalldämpfer-Gehäuses sind;
4A bis 4F Ansichten einer zweiten Ausführungsform eines Schalldämpfer-Gehäuses sind;
5A bis 5F Ansichten einer dritten Ausführungsform eines Schalldämpfer-Gehäuses sind;
6A und 6B Ansichten eines Partikelfilters sind;
7A und 7B Ansichten zur Erklärung eines Oxidations-Vorgangs von Partikeln sind;
8A bis 8C Ansichten zur Erklärung eines Ablagerungs-Vorgangs von Partikeln sind;
9 eine Ansicht von der Beziehung zwischen der Menge an Partikeln, die oxidiert und entfernt werden können, und der Temperatur des Partikelfilters ist; und
10 ein Ablaufdiagramm zur Steuerung des Strömungswegschaltventils ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 stellt den Anwendungsfall der Erfindung für eine Brennkraftmaschine vom Kompressionzündungstyp dar. Zu beachten ist, daß die vorliegende Erfindung auch auf eine Brennkraftmaschine vom Funkenzündungstyp angewendet werden kann.
In 1 gibt 1 ein Motorgehäuse, 2 einen Zylinderblock, 3 einen Zylinderkopf, 4 einen Kolben, 5 eine Verbrennungskammer, 6 eine elektrisch gesteuerte Brennstoffeinspritzdüse, 7 ein Einlaßventil, 8 einen Ansaugkanal, 9 ein Abgasventil und 10 einen Auslaßkanal an. Der Ansaugkanal 8 ist mit einem Zwischen- bzw. Ausgleichsbehälter 12 durch ein korrespondierendes Saugrohr 11 verbunden, während der Zwischenbehälter 12 mit einem Kompressor 15 eines Abgas-Turboladers 14 durch einen Eintrittskanal 13 verbunden ist. Innerhalb des Eintrittskanals 13 ist eine Drosselklappe 17 angeordnet, die durch einen Schrittmotor 16 angetrieben wird. Ferner ist eine Kühlanlage 18 um den Eintrittskanal 13 angeordnet, um die Ansaugluft, die durch den Eintrittskanal 13 strömt, zu kühlen. In der Ausführungsform, die in 1 dargestellt ist, wird das Motorkühlwasser in der Kühlanlage 18 geführt, und die Ansaugluft wird vom Motorkühlwasser gekühlt. Andererseits ist der Auslaßkanal 10 mit einer Abgasturbine 21 eines Abgasturboladers 14 durch einen Abgaskrümmer bzw. Abgassammler 19 und einem Abgasrohr 20 verbunden. Der Auslaß der Abgasturbine 21 ist durch ein Abgasrohr 22 mit einem Schalldämpfer 23 verbunden.
Der Abgaskrümmer 19 und der Zwischenbehälter 12 sind durch einen Abgas-Rückführungs (AGR)-Durchlaß 24 miteinander verbunden. Innerhalb des AGR-Durchlasses 24 ist ein elektrisch gesteuertes AGR-Steuerungsventil 25 angeordnet. Eine Kühlanlage 26 ist um den AGR-Durchlaß 24 angeordnet, um das AGR-Gas, das innerhalb des AGR-Durchlasses 24 zirkuliert, zu kühlen. In der Ausführungsform, die in 1 dargestellt ist, wird das Motorkühlwasser innerhalb der Kühlanlage 26 geführt, und das AGR-Gas wird durch das Motorkühlwasser gekühlt. Andererseits sind Brennstoffeinspritzdüsen 6 mit einem Brennstoffvorratstank, einem sogenannten Common Rail 27, durch Brennstoffzuführleitungen 6a verbunden. Brennstoff wird in den Common Rail 27 von einer elektrisch gesteuerten variablen Austrag-Brennstoffpumpe 28 zugeführt.
Der Brennstoff, der dem Common Rail 27 zugeführt wird, wird den Brennstoffeinspritzdüsen 6 durch die Brennstoffzufuhrleitungen 6a zugeführt. Der Common Rail 27 ist mit einem Brennstoff-Drucksensor 29 ausgestattet, um den Brennstoff-Druck im Common Rail 27 zu messen. Der Austrag der Brennstoffpumpe 28 wird basierend auf einem Ausgangssignal des Brennstoff-Drucksensors 29 gesteuert, so daß der Brennstoffdruck im Common Rail 27 zu einem Brennstoff-Solldruck aufgebaut wird.
Eine elektronische Steuereinheit 30 besteht aus einem Digitalcomputer, der mit einem Nurlesespeicher (ROM) 32, einem Direktzugriffsspeicher (RAM) 33, einem Mikroprozessor (CPU) 34, einer Eingangs-Schnittstelle 35 und einer Ausgangs-Schnittstelle 36 ausgestattet ist, die durch einen bidirektionalen Bus 31 miteinander verbunden sind. Das Ausgangssignal des Brennstoff-Drucksensors 29 wird durch einen korrespondierenden AD-Wandler 37 in die Eingangs-Schnittstelle 35 eingespeist. Mit einem Gaspedal 40 ist ein Ladesensor 41 verbunden, der eine Ausgangsspannung erzeugt, die proportional zum Maß des Niederdrückens L des Gaspedals 40 ist. Die Ausgangsspannung des Lade-Sensors 41 ist Eingang der Eingangs-Schnittstelle 35 über den korrespondierenden AD-Wandler 37. Ferner ist mit der Eingangs-Schnittstelle 35 ein Anlaß-Winkel-Sensor 42 verbunden, der jedes Mal einen Ausgangsimpuls erzeugt, wenn sich die Kurbelwelle um beispielsweise 30° dreht. Andererseits ist die Ausgangs-Schnittstelle 36 durch korrespondierende Steuerschaltkreise 38 mit den Brennstoffeinspritzdüsen 6, dem Schrittmotor 16 zum Ansteuern der Drosselklappe, dem AGR-Steuerventil 25 und der Brennstoffpumpe 28 verbunden.
2A stellt eine Draufsicht eines Schalldämpfers 23 dar, der in 1 gezeigt ist, während 2B eine Seitenansicht des Schalldämpfers 23 darstellt, der in 1 gezeigt ist. Wie in den 2A und 2B gezeigt ist, enthält der Schalldämpfer 23 ein Schalldämpfer-Gehäuse 50 und eine Strömungswegschaltventil-Einrichtung 51, die zwischen dem Abgasrohr 22 und dem Schalldämpfer-Gehäuse 50 angeordnet ist. Die Strömungswegschaltventil-Einrichtung 51 enthält einen Krümmer mit einem Sammelabschnitt 52, eine Abgas-Einlaß-Öffnung 53, die mit dem Auslaß des Abgasrohres 22 zum Einlaß des Abgases, das vom Motor abgegeben wird, verbunden ist, und drei Röhren, die vom Sammelabschnitt abgezweigt sind, d. h. eine erste Röhre 54, eine zweite Röhre 55 und eine dritte Röhre 56.
Wie es in den 2A und 2B gezeigt ist, ist ein Strömungswegschaltventil 57 von der Gestalt einer Drosselklappe bzw. Drehklappe im Sammelabschnitt 52 des Krümmers angeordnet. Ein Ventilkolben 58 des Strömungswegschaltventils 57 ist mit einem Stellglied 59 verbunden, das beispielsweise aus einem Vakuum-betätigten Diaphragma-Bauteil besteht. In der Ausführungsform, die in den 2A und 2B gezeigt ist, wird das Strömungswegschaltventil 57 vom Stellglied 59 in eine Stellung aus einer ersten Stellung, die durch die durchgezogene Linie A in 2A dargestellt ist, einer zweiten Stellung, die durch die unterbrochene Linie B dargestellt ist, und einer dritten Stellung gesteuert, die durch die unterbrochene Linie C dargestellt ist.
Die 3A bis 3F zeigen eine erste Ausführungsform des Schalldämpfer-Gehäuses 50, das in den 2A und 2B gezeigt ist. Zu beachten ist, daß 3A eine Schnittdraufsicht des Schalldämpfer-Gehäuses 50 darstellt, die 3B und 3D stellen Seitenansichten entlang den Pfeilen B und D in 3A dar, und die 3C, 3E und 3F stellen Schnittansichten entlang C-C, E-E und F-F in 3A dar.
Das Schalldämpfer-Gehäuse 50 ist mit einer äußeren Begrenzungswand 60 ausgestattet, die eine elliptische Querschnittgestalt, eine Abschlußwand 61, die ein Ende des Schalldämpfer-Gehäuses 50 abdeckt, und eine Abschlußwand 62 aufweist, die das andere Ende des Schalldämpfer-Gehäuses 50 abdeckt. Im Schalldämpfer-Gehäuse 50 sind eine Mehrzahl von Trennwänden parallel zu diesen Abschlußwänden 61 und 62, eine Mehrzahl von Unterkammern, die durch zwei Trennwände 63a und 63b in der ersten Ausführungsform, die in 3 gezeigt ist, aufgeteilt sind, und drei Unterkammern 64a, 64b und 64c in der ersten Ausführungsform ausgebildet, die in 3 gezeigt ist. Diese Unterkammern 64a, 64b und 64c bilden entweder Ausdehnungskammern, um die Druckpulsation des einströmenden Abgases zu dämpfen, um das Abgasgeräusch zu reduzieren, oder Resonanzkammern, um einen Helmholtzschen Resonator auszubilden, um das Abgasgeräusch einer bestimmten Frequenz zu reduzieren. In der ersten Ausführungsform, die in 3 gezeigt ist, bilden die Unterkammer 64a eine erste Ausdeh nungskammer, die Unterkammer 64b eine zweite Ausdehnungskammer und die Unterkammer 64c eine Resonanzkammer aus.
In der ersten Ausführungsform, die in 3 gezeigt ist, ist eine Abgasdurchlaßröhre 65, die erweitert eine U-Gestalt ausbildet, in der ersten Ausdehnungskammer 64a angeordnet, die an einem Ende des Schalldämpfer-Gehäuses 50 ausgebildet ist, d. h. zwischen der Abschlußwand 61 und Trennwand 63a, während ein Partikelfilter 66 in der Mitte der Abgasdurchlaßröhre 65 angeordnet ist. Ein Ende der Abgasdurchlaßröhre 65 steht geringfügig aus der Abschlußwand 61 hervor. Eine erste Abgas-Einström-Ausström-Öffnung 67a ist am überstehenden Abschnitt ausgebildet. Andererseits steht das andere Ende der Abgasdurchlaßröhre 65 ebenso geringfügig aus der Abschlußwand 61 hervor. Eine zweite Abgas-Einström-Ausström-Öffnung 67a ist an diesem überstehenden Abschnitt ausgebildet. Wie aus den 3A und 3E ersichtlich ist, ist die äußere Begrenzungswand der Abgasdurchlaßröhre 65 in einem Abstand von der inneren Wandoberfläche der äußeren Begrenzungswand 60 des Schalldämpfer-Gehäuses 50 entlang seiner gesamten Länge angeordnet.
Andererseits ist, wie in den 3A und 3B gezeigt ist, eine Röhre 68 mit einer Länge, die kürzer als ihr Durchmesser ist, an der Abschlußwand 61 zwischen der ersten Abgas-Einström-Ausström-Öffnung 67a und der zweiten Abgas-Einström-Ausström-Öffnung 67b angeordnet. Die Abgaseinström-Öffnung 69, die mit der ersten Ausdehnungskammer 64a kommuniziert bzw. in Verbindung steht, ist in der Röhre 68 ausgebildet. Die erste Röhre 54, die zweite Röhre 55 und die dritte Röhre 56 des Krümmers, die in 2A gezeigt sind, sind beispielsweise durch Schweißen mit der Abgaseinström-Öffnung 69, der ersten Abgas-Einström-Ausström-Öffnung 67a und der zweiten Abgas-Einström-Ausström-Öffnung 67b verbunden, die in 3A gezeigt sind.
Andererseits sind im Innern des Schalldämpfer-Gehäuses 50 eine Verbindungsröhre 70, die sich vom Innern der ersten Ausdehnungskammer 64a zum Innern der Resonanzkammer 64c erstreckt, und ein Abgasröhre 71 angeordnet, die mit der zweiten Expansionskammer 64b zur Abgabe des Abgases, das in das Schalldämpfer-Gehäuse 50 zugeführt wurde, aus dem Schalldämpfer-Gehäuse 50 an die Umgebung kommuni ziert. Wie in 3A gezeigt ist, ist eine große Zahl von Abgas-Ausström-Öffnungen 72, die sich innerhalb der zweiten Ausdehnungskammer 64b öffnen, in der Oberfläche der Begrenzungswand der Verbindungsröhre 70 ausgebildet.
Weiter ist eine Erklärung zu einer zweiten Ausführungsform des Schalldämpfer-Gehäuses 50 mit Bezug auf die 4A bis 4F gegeben. Zu beachten ist, daß 4A eine Schnittansicht des Schalldämpfer-Gehäuses 50 darstellt, die 4B und 4C Seitenansichten entlang der Pfeile B und C in 4A darstellen und die 4D, 4E und 4F Schnittansichten entlang D-D, E-E und F-F in 4A darstellen. Ferner sind Komponenten, die den in den 3A bis 3F gezeigten Komponenten ähnlich sind, durch die gleichen Bezugszeichen dargestellt, und Erklärungen dieser ähnlichen Komponenten sind weggelassen. Gemäß den 4A bis 4F ist in der zweiten Ausführungsform der Innenraum des Schalldämpfer-Gehäuses 50 in vier Unterkammern 64a, 64b, 64c und 64d durch die drei Trennwände 63a, 63b und 63c aufgeteilt. Die Unterkammer 64a bildet eine erste Ausdehnungskammer, die Unterkammer 64c eine zweite Ausdehnungskammer, die Unterkammer 64b eine dritte Ausdehnungskammer und die dritte Unterkammer 64d eine Resonanzkammer aus.
Die Abgasdurchlaßröhre 65 erstreckt sich von der ersten Ausdehnungskammer 64a durch die dritte Ausdehnungskammer 64b und zweite Ausdehnungskammer 64c zum Innern der Resonanzkammer 64d. Die äußere Begrenzungsoberfläche der Abgasdurchlaßröhre 65 ist ebenfalls in einem Abstand zur inneren Wandoberfläche der äußeren Begrenzungswand 60 des Schalldämpfer-Gehäuses 50 entlang seiner gesamten Länge angeordnet. Andererseits erstreckt sich, wie aus den 4A, 4D, 4E und 4F ersichtlich ist, die Verbindungsröhre 70 in 4A unter der Abgasdurchlaßröhre 65 von der ersten Ausdehnungskammer 64a zur Resonanzkammer 64d. Auf der inneren Wandoberfläche der Verbindungsröhre 70 ist, in gleicher Weise wie gemäß der ersten Ausführungsform, eine große Anzahl von Abgas-Ausström-Öffnungen 72 ausgebildet, die sich im Innern der zweiten Ausdehnungskammer 64c öffnen. Ferner sind in der zweiten Ausführungsform eine große Anzahl von Abgas-Ausström-Öffnungen 73, die die zweite Ausdehnungskammer 64c mit der dritten Ausdehnungskammer 64b kommunizierend verbinden, auf der Trennwand 63b ausgebildet, wie es in 4E gezeigt ist. In der zweiten Ausführungsform öffnet sich ferner das Abgasrohr 71 in der dritten Ausdehnungskammer 64b.
Weiter ist eine Erklärung zu einer dritten Ausführungsform des Schalldämpfer-Gehäuses 50 mit Bezug auf die 5A bis 5F gegeben. Zu beachten ist, daß 5A eine Schnittdraufsicht des Schalldämpfer-Gehäuses 50 darstellt, 5B eine Seitenschnittansicht des Schalldämpfer-Gehäuses 50 dargestellt, die 5C und 5F Seitenansichten entlang der Pfeile C und F in 5A darstellen und die 5D und 5E Schnittansichten entlang D-D und E-E in 5A darstellen. Ferner sind Komponenten in den 5A bis 5F, die den in den 3A bis 3F gezeigten Komponenten ähnlich sind, durch die gleichen Bezugszeichen dargestellt, und Erklärungen dieser ähnlichen Komponenten sind weggelassen.
Gemäß den 5A bis 5F ist in der dritten Ausführungsform das Innere des Schalldämpfer-Gehäuses 50 von drei Trennwänden 63a, 63b und 63c parallel zu den Abschlußwänden 61 und 62 ausgebildet. Ferner ist es in der dritten Ausführungsform mit zwei Trennwänden 63d und 63e, die sich parallel von der Trennwand 63a zur Trennwand 63b erstrecken, ausgebildet. D. h., in der dritten Ausführungsform ist das Innere des Schalldämpfer-Gehäuses 50 mit fünf Trennwänden 63a, 63b, 63c 63d und 63e ausgebildet. Das Innere des Schalldämpfer-Gehäuses 50 ist in sechs Unterkammern 64a, 64b, 64c, 64d, 64e, 64f und 64g durch die fünf Trennwände 63a, 63b, 63c 63d und 63e unterteilt.
Wie es in 5A gezeigt ist, sind innerhalb des Schalldämpfer-Gehäuses 50 ein Paar von zylindrischen Bauteilen 74a und 74b angeordnet, die die Unterkammern 64f und 64g durch das Paar der Trennwände 63d und 63e verbinden. In diesen zylindrischen Bauteilen 74a und 74b sind Partikelfilter 66 angeordnet. Ferner sind innerhalb des Schalldämpfer-Gehäuses 50 drei Röhren 75a, 75b und 76 angeordnet, die durch die Abschlußwand 61 und die Trennwand 63a führen. Eine erste Abgas-Ausström-Einström-Öffnung 67a ist am äußeren Ende der Röhre 75a ausgebildet. Das innere Ende der Röhre 75a öffnet sich innerhalb der Unterkammer 64f. Andererseits ist eine zweite Abgas-Ausström-Einström-Öffnung 67a am äußeren Ende der Röhre 75b ausgebildet.
Das innere Ende der Röhre 75b öffnet sich in der Unterkammer 64g. Daher sind die erste Abgas-Ausström-Einström-Öffnung 67a und die zweite Abgas-Ausström-Einström-Öffnung 67b durch die Unterkammern 64f und 64g und die Partikelfilter 66 kommunizierend verbunden. In der dritten Ausführungsform bilden die Unterkammern 64f und 64g eine Abgasdurchlaßröhre, die durch die erste Abgas-Ausström-Einström-Öffnung 67a und die zweite Abgas-Ausström-Einström-Öffnung 67b führt.
Andererseits ist am äußeren Ende der Röhre 76 eine Abgas-Einström-Öffnung 69 ausgebildet. Das innere Ende der Röhre 76 öffnet sich in die Unterkammer 64e. In der inneren Wandoberfläche ist ein große Anzahl kommunizierender Öffnungen 77 ausgebildet, die sich in die Unterkammer 64a öffnen, wie es in 5A gezeigt ist. Ferner ist die Trennwand 63a mit einer großen Anzahl von Abgas-Ausströmöffnungen 78a ausgebildet, die die Unterkammern 64a und 64e kommunizierend verbinden, wie es durch die unterbrochene Linie in 5D gezeigt ist. In ähnlicher Weise ist die Trennwand 63b mit einer großen Anzahl von Abgas-Ausströmöffnungen 78b ausgebildet, die die Unterkammern 64e und 64b verbinden, wie es durch die unterbrochene Linie in 5E gezeigt ist. Ferner kommuniziert die Abgasröhre 71 mit der Unterkammer 64b. Ein kommunizierende Öffnung 79, die in der Unterkammer 64c öffnet, ist in der inneren Wandoberfläche der Abgasröhre 71 ausgebildet, wie es in 5A gezeigt ist. Zu beachten ist, daß die kommunizierende Öffnung 79 nicht notwendigerweise bereitgestellt werden muß.
In der dritten Ausführungsform bildet die Unterkammer 64a eine Resonanzkammer, die Unterkammer 64e eine erste Ausdehnungskammer und die Unterkammer 64b eine zweite Ausdehnungskammer aus. Wie es in 5A gezeigt ist, bildet die Unterkammer 64c ferner eine Resonanzkammer aus, wenn sie eine kommunizierende Öffnung 79 in der inneren Wandoberfläche der Abgasröhre 71 ausbildet. Daher ist die erste Ausdehnungskammer 64e um die zylindrischen Bauteile 74a und 74b ausgebildet, die die Partikelfilter 66 tragen. Diese zylindrischen Bauteile 74a und 74b, d. h., die Abgasdurchlaßabschnitte, an denen die Partikelfilter 66 angeordnet sind, sind in einem Abstand von der inneren Wandoberfläche des Schalldämpfer-Gehäuses 50 angeordnet. Zu beachten ist auch in der dritten Ausführungsform, daß die erste Röhre 54, die zweite Röhre 55 und die dritte Röhre 56 des in 2A gezeigten Krümmers beispielsweise durch Schweißen mit der Abgaseinström-Öffnung 69, der ersten Abgas-Einström-Ausström-Öffnung 67a und der zweiten Abgas-Einström-Ausström-Öffnung 67b verbunden sind, wie es in 5A gezeigt ist.
6A stellt eine Vorderansicht eines repräsentativen Partikelfilters dar, während 6B eine Seitenschnittansicht des Partikelfilters darstellt, wie er in 6A gezeigt ist. Die in den 3A bis 3F gezeigten Partikelfilter 66 weisen eine elliptische Schnittgestalt auf. Ferner weisen sie, obwohl sie kürzer in axialer Länge als der in den 6A und 6B gezeigte Partikelfilter sind, grundsätzlich dieselbe Struktur wie der in den 6A und 6B gezeigte Partikelfilter auf. Die in den 4A bis 4F gezeigten Partikelfilter 66 sind in axialer Richtung länger als der in den 6A und 6B gezeigte Partikelfilter, weisen aber wiederum dieselben Strukturen wie der in den 6A und 6B gezeigte Partikelfilter auf. Ferner weisen die in den 5A bis 5F gezeigten Partikelfilter 66 substantiell dieselben Strukturen wie der in den 6A und 6B gezeigte Partikelfilter auf. Daher ist, anstatt die in den 3A bis 5F gezeigten Partikelfilter 66 einzeln zu erklären, eine Erklärung für die Struktur des repräsentativen in den 6A und 6B gezeigten Partikelfilters gegeben.
Wie es in den 6A und 6B gezeigt ist, bildet der Partikelfilter eine Honigwaben-Struktur aus und ist mit einer Mehrzahl von Abgasrückführdurchlässen 80 und 81 ausgestattet, die sich parallel zueinander erstrecken. Diese Abgasrückführdurchlässe bestehen aus Abgasdurchlässen 80 mit von Stopfen 82 verschlossenen Enden und Abgasdurchlässen 81 mit anderen von Stopfen 83 verschlossenen Enden. Zu beachten ist, daß die schraffierten Abschnitte in 6A die Stopfen 83 darstellen. Daher sind die Abgasdurchlässe 80 und 81 durch dünne Wandabschnitte 84 alternierend angeordnet. Mit anderen Worten, die Abgasdurchlässe 80 und 81 sind derart angeordnet, daß jeder Abgasdurchlaß 80 von vier Abgasdurchlässen 81 und jeder Abgasdurchlaß 81 von vier Abgasdurchlässen 80 umgeben ist.
Der Partikelfilter wird aus einem porösen Material wie beispielsweise Cordierit hergestellt. Daher strömt, wenn das Abgas in den Partikelfilter aus der X-Richtung in 6B eingeleitet wird, das Abgas, das in die Abgasdurchlässe 80 einströmt, in die angrenzenden Abgasdurchlässe 81 durch die umgebenden Trennwände 84 aus, wie es von den Pfeilen gezeigt wird. Demgegenüber strömt in 6B, wenn das Abgas aus Pfeil-Y-Richtung in den Partikelfilter eingeleitet wird, das Abgas, das in die Abgasdurchlässe 81 einströmt, in die angrenzenden Abgasdurchlässe 80 durch die periphere Trennwand 84 aus in Gegenrichtung zu der in 6B gezeigten Pfeilmarkierung.
In dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Schicht eines Trägers, der beispielsweise aus Aluminium besteht, auf den peripheren Oberflächen der Abgasdurchlässe 80 und 81 ausgebildet, d. h. auf den beiden Seitenoberflächen der Trennwände 84 und den inneren Wänden der Öffnungen in den Trennwänden 84. Auf dem Träger sind ein Edelmetallkatalysator und Aktivsauerstoff freisetzendes Agens aufgetragen, welches den Sauerstoff absorbiert und speichert, wenn Überschuß-Sauerstoff in der Umgebung vorkommt, und den gespeicherten Sauerstoff in Gestalt von Aktivsauerstoff freisetzt, sobald die Konzentration des Sauerstoffs in der Umgebung abnimmt.
In dieser Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung wird in diesem Fall Platin Pt als der Edelmetallkatalysator eingesetzt. Als das Aktivsauerstoff freisetzende Agens wird von wenigstens einem Alkalimetall wie Kalium K, Natrium Na, Lithium Li, Cäsium Cs und Rubidium Rb, einem Erdalkalimetall wie Barium Ba, Calcium Ca, Strontium Sr, einem Seltenerdmetall wie Lanthan La, Yttrium Y und Cer Ce und einem Übergangsmetall wie Zinn Sn und Eisen Fe Gebrauch gemacht.
In diesem Fall ist zu beachten, daß als das Aktivsauerstoff freisetzende Agens vorzugsweise von einem Alkali- oder einem Erdalkalimetall mit einer höheren Ionisierungstendenz als Calcium Ca, d. h. Kalium K, Lithium Li, Cäsium Cs, Rubidium Rb, Barium Ba und Strontium Sr oder von Cer Ce Gebrauch gemacht wird.
Als nächstes wird der Vorgang des Entfernens der Partikel im Abgas durch den in den 3A bis 5F gezeigten Partikelfilter 66 erklärt, wobei als ein Beispiel der Fall, bei dem Platin Pt und Kalium K auf einem Träger aufgetragen sind, verwendet wird, wobei aber dieselbe Weise von Vorgang zur Entfernung von Partikeln geleistet wird, obwohl ein anderes Edel-, Alkali-, Erdalkali-, Seltenerd- und Übergangsmetall verwendet wird.
In einer Brennkraftmaschine vom Kompressionszündungstyp, wie sie in 1 gezeigt ist, tritt die Verbrennung selbst bei einem Luftüberschuß auf. Daher enthält das Abgas eine große Menge Überschußluft. D. h., wenn das Verhältnis von Luft zu Brennstoff, das dem Ansaugdurchlaß, Verbrennungskammer 5 und Abgasdurchlaß zugeführt wird, das Luft-Brennstoff-Verhältnis des Abgases genannt wird, dann wird in einer Brennkraftmaschine vom Kompressionszündungstyp, wie sie in 1 gezeigt ist, das Luft-Brennstoff-Verhältnis mager. Ferner wird in der Verbrennungskammer 5 NO erzeugt, so daß das Abgas NO enthält. Ferner enthält der Brennstoff Schwefel S. Dieser Schwefel S reagiert mit dem Sauerstoff in der Verbrennungskammer 5, um SO₂ zu bilden. Daher enthält der Brennstoff SO₂. Demgemäß strömt, wenn das Abgas in den Partikelfilter 66 eingeleitet wird, Abgas, das Überschuß-Sauerstoff, NO and SO₂ enthält, in die Abgasdurchlässe 80 und 81.
Die 7A und 7B stellen vergrößerte Ansichten von der Oberfläche der Trägerschicht, die auf den inneren Begrenzungsoberflächen der Abgasdurchlässe 80 und 81 ausgebildet ist, und der Innenwände der Öffnungen der Trennwände 84 dar. Zu beachten ist, daß in den 7A und 7B 90 Partikel von Platin Pt angibt, während 91 das Aktivsauerstoff freisetzende Agens, das Kalium K enthält, angibt.
Da eine große Menge an Überschuß-Sauerstoff im Abgas enthalten ist, wenn das Abgas in die Abgasdurchlässe 80 und 81 des Partikelfilters 66 einströmt, wie es in 7A gezeigt ist, verbindet sich auf diese Weise der Sauerstoff O₂ haftend mit der Oberfläche des Platins Pt in Gestalt von O₂ ^– oder O^2–. Andererseits reagiert das NO im Abgas mit dem O₂ ^– oder O^2– auf der Oberfläche des Platins Pt, um NO₂ zu bilden (2 NO + O₂ → 2 NO₂). Als nächstes wird ein Teil des entstandenen NO₂ vom Aktivsauerstoff freisetzenden Agens 91 absorbiert, während es auf dem Platin Pt oxidiert wird, und diffundiert in das Aktivsauerstoff freisetzende Agens 91 in Gestalt von Nitrat-Ionen NO₃ ^–, wie es in 7A gezeigt ist. Ein Teil der Nitrat-Ionen NO₃ ^– bildet Kaliumnitrat KNO₃.
Andererseits enthält das Abgas auch SO₂, wie oben erklärt worden ist. Dieses SO₂ wird vom Aktivsauerstoff freisetzenden Agens 91 durch einen Mechanismus absorbiert, der dem von NO ähnlich ist. D. h., auf obige Weise verbindet sich der Sauerstoff O₂ mit der Oberfläche des Platins Pt in Gestalt von O₂ ^– oder O^2– haftend. Das SO₂ im Abgas reagiert mit dem O₂ ^– oder O^2– auf der Oberfläche des Platins Pt, um SO₃ zu bilden. Weiter wird ein Teil des erzeugten SO₃ vom Aktivsauerstoff freisetzenden Agens 91 absorbiert, während es auf dem Platin Pt oxidiert wird, und diffundiert in das Aktivsauerstoff freisetzende Agens 91 in Gestalt von Sulfat-Ionen SO₄ ^2–, während es sich mit dem Kalium Pt verbindet, um Kaliumsulfat K₂SO₄ zu bilden. Auf diese Weise werden Kaliumnitrat KNO₃ und Kaliumsulfat K₂SO₄ im Aktivsauerstoff freisetzenden Agens 91 gebildet.
Andererseits werden Partikel, die hauptsächlich aus Kohlenstoff bestehen, in der Verbrennungskammer 5 erzeugt. Daher enthält das Abgas diese Partikel. Die im Abgas enthaltenen Partikel berühren und verbinden sich haftend mit der Oberfläche der Trägerschicht, beispielsweise der Oberfläche des Aktivsauerstoff freisetzenden Agens 91, wie es in 7B gezeigt wird, wenn das Abgas durch die Abgasdurchlässe 80 und 81 des Partikelfilters 66 oder durch die Trennwände 84 strömt.
Wenn der Partikel 92 sich haftend mit der Oberfläche des Aktivsauerstoff freisetzenden Agens 91 auf diese Weise verbindet, nimmt die Konzentration des Sauerstoffs an der Kontaktoberfläche des Partikels 92 und des Aktivsauerstoff freisetzenden Agens 91 ab. Wenn die Konzentration des Sauerstoffs abnimmt, tritt eine Konzentrationsdifferenz zum Inneren des Aktivsauerstoff freisetzenden Agens 91 mit hoher Sauerstoffkonzentration auf und daher wandert der Sauerstoff im Aktivsauerstoff freisetzenden Agens 91 an die Kontaktoberfläche zwischen dem Partikel 92 und dem Aktivsauerstoff freisetzenden Agens 91. Im Ergebnis wird das Kaliumnitrat KNO₃, das im Aktivsauerstoff freisetzenden Agens 91 gebildet wird, zum Kalium K, Sauerstoff O und NO abgebaut bzw. zersetzt. Der Sauerstoff O strömt auf die Kontaktoberfläche zwischen dem Partikel 92 und dem Aktivsauerstoff freisetzenden Agens 91 zu, während das NO vom Aktivsauerstoff freisetzenden Agens 91 an die Umgebung freigesetzt wird. Das NO, das an die Umgebung freigesetzt wird, wird auf dem nachgeschalteten Platin Pt oxidiert und wird wiederum im Aktivsauerstoff freisetzenden Agens 91 absorbiert.
Andererseits wird zu diesem Zeitpunkt das Kaliumsulfat K₂SO₄, das in dem Aktivsauerstoff freisetzenden Agens 91 gebildet wird, ebenfalls abgebaut zu Kalium K, Sauerstoff O und SO₂. Der Sauerstoff O strömt auf die Kontaktoberfläche zwischen dem Partikel 92 und dem Aktivsauerstoff freisetzenden Agens 91 zu, während das SO₂ vom Aktivsauerstoff freisetzenden Agens 91 an die Umgebung freigesetzt wird. Das SO₂, das an die Umgebung freigesetzt wird, wird auf dem nachgeschalteten Platin Pt oxidiert und wird wiederum im Aktivsauerstoff freisetzenden Agens 91 absorbiert.
Andererseits stellt der Sauerstoff O, der auf die Kontaktoberfläche zwischen dem Partikel 92 und dem Aktivsauerstoff freisetzenden Agens 91 zusteuert, den Sauerstoff dar, der aus dem Abbau von Verbindungen wie Kaliumnitrat KNO₃ oder Kaliumsulfat K₂SO₄ stammt. Der Sauerstoff O, der aus dem Abbau dieser Verbindungen stammt, weist eine hohe Energie und eine extrem hohe Aktivität auf. Daher wird der Sauerstoff O, der auf die Kontaktoberfläche zwischen den Partikeln 92 und dem Aktivsauerstoff freisetzenden Agens 91 zuströmt, zu Aktivsauerstoff O. Wenn dieser Aktivsauerstoff O mit den Partikeln 92 in Berührung kommt, wird der Oxidationsvorgang des Partikels gefördert, und die Partikel 92 werden oxidiert, ohne ein leuchtende Flamme zu emittieren für eine kurze Zeitspanne von mehreren Minuten bis mehreren 10 Minuten. Während die Partikel 92 auf diese Weise oxidiert werden, setzen sich andere Partikel sukzessiv auf dem Partikelfilter 66 ab. Daher setzt sich in Praxi immer eine gewisse Menge an Partikeln auf dem Partikelfilter 66 ab. Ein Teil dieser sich absetzenden Partikel wir durch Oxidation entfernt. Auf diese Weise werden die auf dem Partikelfilter 66 abgesetzten Partikel 92 kontinuierlich verbrannt, ohne eine leuchtende Flamme zu emittieren.
Zu beachten ist, daß das NO_x in Betracht kommt, in das Aktivsauerstoff freisetzende Agens 91 in Gestalt von Nitrat-Ionen NO₃ ^– zu diffundieren, während wiederholter Bindung mit und Abspaltung von den Sauerstoffatomen. Zu diesem Zeitpunkt wird auch Aktivsauerstoff gebildet. Die Partikel 92 werden auch durch diesen Aktivsauerstoff oxi diert. Weiter werden die Partikel 92, die sich auf dem Partikelfilter 66 absetzt haben, vom Aktivsauerstoff O oxidiert, aber die Partikel 92 werden auch vom Sauerstoff im Abgas oxidiert.
Wenn die Partikel, die sich in Schichten auf dem Partikelfilter 66 abgesetzt haben, verbrannt werden, wird der Partikelfilter 66 rotglühend und verbrennt mit einer Flamme. Dieses Verbrennen mit einer Flamme setzt sich nicht fort, es sei denn, die Temperatur ist hoch. Daher muß die Temperatur des Partikelfilters 66 bei einer hohen Temperatur gehalten werden, um das Verbrennen mit einer solchen Flamme fortzusetzen.
Demgegenüber werden in der vorliegenden Erfindung die Partikel 92 oxidiert, ohne eine leuchtende Flamme zu emittieren, wie oben erklärt worden ist. Zu diesem Zeitpunkt wir die Oberfläche des Partikelfilters 66 nicht rotglühend. Das bedeutet in anderen Worten, daß in der vorliegenden Erfindung die Partikel 92 durch Oxidation bei einer beachtlich niedrigen Temperatur entfernt werden. Demgemäß ist der Vorgang des Entfernens der Partikel 92 durch Oxidation, ohne eine leuchtende Flamme gemäß der vorliegenden Erfindung zu emittieren, vollkommen verschieden vom Vorgang des Entfernens der Partikel durch Verbrennen, bei dem eine Flamme auftritt.
Das Platin Pt und das Aktivsauerstoff freisetzende Agens 91 werden um so aktiver, je höher die Temperatur des Partikelfilters 66 ist, wobei die Menge des Aktivsauerstoffs, die vom Aktivsauerstoff freisetzenden Agens 91 pro Zeiteinheit freigesetzt werden kann, ansteigt, je höher die Temperatur des Partikelfilters 66 ist. Weiter lassen sich natürlicherweise die Partikel auf einfachere Weise durch Oxidation entfernen, je höher die Temperatur der Partikel selber ist. Daher nimmt die Menge an Partikeln, die durch Oxidation pro Zeiteinheit auf dem Partikelfilter 66 entfernbar ist, ohne eine leuchtende Flamme zu emittieren, zu, je höher die Temperatur des Partikelfilters 66 ist.
Die durchgezogene Linie in 9 stellt die Menge G an Partikeln dar, die durch Oxidation pro Zeiteinheit entfernbar ist, ohne eine leuchtende Flamme zu emittieren. Die Abszisse in 9 zeigt die Temperatur TF des Partikelfilters 66. Zu beachten ist, daß 9 die Menge G an Partikeln zeigt, die durch Oxidation für den Fall, daß die Zeiteinheit 1 Sekunde beträgt, entfernbar ist, d. h. pro Sekunde, wobei jedoch auch 1 Minute, 10 Minuten oder jede andere beliebige Zeit als Zeiteinheit verwendet werden kann. Wenn beispielsweise 10 Minuten als Zeiteinheit verwendet wird, drückt die Menge G an Partikeln, die durch Oxidation pro Zeiteinheit entfernbar ist, die Menge G an Partikeln aus, die durch Oxidation pro 10 Minuten entfernbar ist. Auch in diesem Fall nimmt die Menge G an Partikeln, die durch Oxidation pro Zeiteinheit entfernbar ist, ohne eine leuchtende Flamme auf dem Partikelfilter 66 zu emittieren, wie es in 6 dargestellt ist, zu, je höher die Temperatur des Partikelfilters 66 ist.
Wenn nun, falls die Menge an Partikeln, die von der Verbrennungskammer 5 pro Zeiteinheit abgegeben wird, die Menge M an abgegebenen Partikeln genannt wird, die Menge M an abgegebenen Partikeln kleiner als die Menge G an Partikeln ist, die durch Oxidation pro Zeiteinheit entfernbar ist, beispielsweise, wenn die Menge M an abgegebenen Partikeln pro 1 Sekunde kleiner ist als die Menge G an Partikeln, die durch Oxidation pro 1 Sekunde entfernbar ist, oder wenn die Menge M an abgegebenen Partikeln pro 10 Minuten kleiner ist als die Menge G an Partikeln, die durch Oxidation pro 10 Minuten entfernbar ist, d. h. im Bereich I von 9, werden alle Partikel, die von der Verbrennungskammer 5 abgegeben werden, in einer kurzen Zeit sukzessiv durch Oxidation entfernt, ohne eine leuchtende Flamme auf dem Partikelfilter 66 zu emittieren.
Wenn die Menge M an abgegebenen Partikeln größer als die Menge G an Partikeln ist, die durch Oxidation entfernbar ist, reicht demgegenüber im Bereich II von 9 die Menge an Aktivsauerstoff für eine sukzessive Oxidation aller Partikel nicht aus. Die 8A bis 8C zeigen den Zustand der Oxidation der Partikel in diesem Fall.
D. h., wenn die Menge an Aktivsauerstoff für eine sukzessive Oxidation aller Partikel nicht ausreicht, wenn die Partikel 92 am Aktivsauerstoff freisetzenden Agens 91 anhaften, wie es in 8A gezeigt ist, wird nur ein Teil der Partikel 92 oxidiert. Der Teil der Partikel, der nicht ausreichend oxidiert wurde, verbleibt auf der Trägerschicht. Weiterhin bleiben, wenn sich der Zustand der nicht ausreichenden Aktivsauerstoff Menge fortsetzt, die Teile von Partikeln, die nicht ausreichend oxidiert wurden, auf der Trägerschicht zurück. Wie es in 8B gezeigt ist, ist im Ergebnis die Oberfläche der Trägerschicht von der Rest-Partikelmenge 93 bedeckt.
Die Rest-Partikelmenge 93, die die Oberfläche der Trägerschicht bedeckt, wandelt sich allmählich bzw. fortschreitend in schwer oxidierbaren Graphit um, und daher bleibt die Rest-Partikelmenge 93 einfacherweise unverändert. Wenn die Oberfläche der Trägerschicht mit der Rest-Partikelmenge 93 bedeckt ist, werden ferner der Vorgang der Oxidation des NO und SO₂ durch das Platin Pt und der Vorgang der Freisetzung des Aktivsauerstoffs vom Aktivsauerstoff freisetzenden Agens 91 unterdrückt. Wie es in 8C gezeigt ist, setzen sich im Ergebnis andere Partikel 94 sukzessiv auf der Rest-Partikelmenge 93 ab. D. h., die Partikel setzen sich in Schichten ab. Wenn sich die Partikel auf diese Weise in Schichten absetzen, sind die Partikel vom Platin Pt oder vom Aktivsauerstoff freisetzenden Agens 91 räumlich derart getrennt, daß, selbst wenn es sich um einfach oxidierbare Partikel handelt, sie nicht vom Aktivsauerstoff O oxidiert werden. Daher setzen sich andere Partikel sukzessive auf den Partikeln 94 ab. D. h., wenn sich der Zustand, daß die Menge M an abgegebenen Partikeln größer ist als die Menge G an Partikeln, die durch Oxidation entfernbar ist, fortsetzt, setzen sich Partikel in Schichten auf dem Partikelfilter 66 erfolgreich ab, und daher ist es nicht länger möglich, ein Entzünden und Verbrennen der abgesetzten Partikel zu veranlassen, wenn nicht die Temperatur des Abgases oder des Partikelfilters 66 erhöht wird.
Auf diese Weise werden im Bereich I der 9 die Partikel in einer kurzen Zeit verbrannt, ohne eine leuchtende Flamme auf dem Partikelfilter 66 zu emittieren. Im Bereich II der 9 setzen sich die Partikel in Schichten auf dem Partikelfilter 66 ab. Um zu verhindern, daß sich die Partikel in Schichten auf dem Partikelfilter 66 absetzen, muß demzufolge die Menge M an abgegebenen Partikeln zu allen Zeiten kleiner gehalten werden als die Menge G an Partikeln, die durch Oxidation entfernbar ist.
Wie aus 9 ersichtlich, können mit dem Partikelfilter 66, der in dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird, die Partikel oxidiert werden, obwohl die Temperatur TF des Partikelfilters 66 beachtlich niedrig ist. Daher ist es in einer Brennkraftmaschine vom Kompressionszündungstyp, wie sie in 1 gezeigt ist, möglich, die Menge M an abgegebenen Partikeln und die Temperatur TF des Partikelfilters 66 derart zu halten, daß Menge M an abgegebenen Partikeln normalerweise kleiner wird als die Menge G an Partikeln, die durch Oxidation entfernbar ist. Daher werden in dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Menge M an abgegebenen Partikeln und die Temperatur TF des Partikelfilters 66 derart gehalten, daß die Menge M an abgegebenen Partikeln gewöhnlich kleiner wird als die Menge G an Partikeln, die durch Oxidation entfernbar ist.
Wenn die Menge M an abgegebenen Partikeln gewöhnlich kleiner gehalten wird als die Menge G an Partikeln, die auf diese Weise durch Oxidation entfernbar ist, setzen sich die Partikel nicht mehr länger in Schichten auf den Partikelfilter 66 ab. Im Ergebnis wird der Druckverlust des Abgasstroms im Partikelfilter 66 bei einem substantiell konstanten Mindestdruckverlust in dem Ausmaß gehalten, daß er als sich kaum verändernd gelten kann. Daher ist es möglich, den Leistungsverlust des Motors auf ein Minimum zu begrenzen.
Ferner findet der Vorgang der Entfernung von Partikeln durch Oxidation der Partikel selbst bei einer beachtlich niedrigen Temperatur statt. Daher nimmt die Temperatur des Partikelfilters 66 nicht dermaßen zu, und folglich besteht fast kein Risiko der Schädigung des Partikelfilters 66. Da sich die Partikel nicht in Schichten auf dem Partikelfilter 66 absetzen, besteht ferner keine Gefahr einer Koagulation der Asche, und daher besteht weniger die Gefahr einer Partikelfilter 66-Belegung.
Diese Belegung tritt jedoch hauptsächlich aufgrund von Calciumsulfat CaSO₄ auf. D. h., Brennstoff oder Schmieröl enthalten Calcium Ca. Daher enthält das Abgas Calcium Ca. Dieses Calcium Ca bildet in Anwesenheit von SO₃ Calciumsulfat CaSO₄. Dieses Calciumsulfat CaSO₄ ist ein Feststoff und wird durch Wärme nicht abgebaut, selbst bei einer hohen Temperatur. Wenn daher Calciumsulfat CaSO₄ gebildet wird und die Poren des Partikelfilters 66 von diesem Calciumsulfat CaSO₄ belegt sind, tritt Belegung auf.
Wenn jedoch in diesem Fall ein Alkali- oder ein Erdalkalimetall, das eine höhere Ionisierungstendenz als Calcium Ca aufweist, beispielsweise Kalium K, als das Aktiv sauerstoff freisetzende Agens 91 verwendet wird, bindet das SO₃, das in das Aktivsauerstoff freisetzende Agens 91 diffundiert ist, mit dem Kalium K, um Kaliumsulfat K₂SO₄ zu bilden. Das Calcium Ca tritt durch die Trennwände 84 des Partikelfilters 66 hindurch und strömt in die Abgasdurchlässe 80 und 81 aus, ohne sich an das SO₃ zu binden. Daher findet keine weitere Belegung der Poren des Partikelfilters 66 statt. Wie oben beschrieben worden ist, ist demgemäß vorzugsweise ein Alkali- oder ein Erdalkalimetall, das eine höhere Ionisierungstendenz als Calcium Ca aufweist, d. h. Kalium K, Lithium Li, Cäsium Cs, Rubidium Rb, Barium Ba und Strontium Sr, als das Aktivsauerstoff freisetzende Agens 91 zu verwenden.
In dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht nun grundsätzlich das Ziel, die Menge M an abgegebenen Partikeln in allen Verfahrenszuständen kleiner zu halten als die Menge G an Partikeln, die durch Oxidation entfernbar ist. Jedoch ist es in der Praxis fast unmöglich, die Menge M an abgegebenen Partikeln in allen Verfahrenszuständen kleiner zu halten als die Menge G an Partikeln, die durch Oxidation entfernbar ist. Daher wird in dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Abgasströmungs-Richtung durch den Partikelfilter 66 mittels des Strömungswegschaltventils 57 gelegentlich umgekehrt.
D. h., daß beispielsweise in 6B das Abgas in die Richtung der Pfeilmarkierung X strömt. Für diesen Zeitpunkt wird angenommen, daß sich die Partikel auf der inneren Wandoberfläche der Abgasdurchlaßröhre 80 absetzen. Für diesen Zeitpunkt wird angenommen, daß sich die Partikel nicht auf der inneren Wandoberfläche des Abgasdurchlasses 81 absetzen, so daß die Abgasströmungs-Richtung umkehrt, d. h., wenn die Abgasströmungs-Richtung in Richtung des Pfeils Y in 6B umschaltet, können die Partikel im Abgas durch Oxidation auf der inneren Wandoberfläche des Abgasdurchlasses 81 einfacherweise entfernt werden. Da sich ferner keine Partikel auf der inneren Wandoberfläche des Abgasdurchlasses 80 absetzen, können die bereits abgesetzten Partikel durch Oxidation entfernt werden. Wenn sich die Abgasströmungs-Richtung auf diese Weise umkehrt, werden die Partikel durch Oxidation auf der inneren Wandoberfläche des Abgasdurchlasses 81 entfernt. Ferner werden die abgesetzten Partikel durch Oxidation auf der inneren Wandoberfläche des Abgasdurchlasses 80 entfernt. Daher wird es durch gelegentliche Umkehrung der Abgasströmungs-Richtung möglich, die Partikel kontinuierlich durch Oxidation zu entfernen.
Wenn ferner beispielsweise das Abgas in Richtung des Pfeils X in 6B strömt und die Öffnungen der Poren in der inneren Wandoberfläche des Abgasdurchlasses 80 durch Anhäufungen von Partikeln belegt sind, werden die Anhäufungen von Partikeln von den Öffnungen der Poren durch den Abgasstrom abgeblasen. Aufgrund dessen ergibt sich der Vorteil, daß es möglich ist, eine Belegung der Poren zu verhindern.
Weiter ist eine Erklärung für ein Ablaufdiagramm zur Steuerung des Strömungswegschaltventils 57 mit Bezug auf 10 gegeben.
Gemäß 10 wird bei Schritt 100 zuerst entschieden, ob der Abgasstrom in den Partikelfilter 66 verhindert werden sollte. Wenn die Temperatur des Partikelfilters 66 niedrig ist, wie zum Beispiel beim Zeitpunkt des Anlassens des Motors, kann sich eine große Zahl von Partikeln auf dem Partikelfilter 66 absetzen. Weiter kann in einem Verfahrenszustand, in dem die Abgastemperatur niedrig wird, die Temperatur des Partikelfilters 66 sinken, und daher kann sich zu diesem Zeitpunkt eine große Zahl von Partikeln auf dem Partikelfilter 66 absetzen. Wenn die Möglichkeit besteht, daß sich eine große Menge an Partikeln auf dem Partikelfilter 66 auf diese Weise absetzt, wird entschieden, daß der Abgasstrom in den Partikelfilter 66 verhindert werden sollte, und das Ablaufdiagramm fährt mit Schritt 101 fort.
Bei Schritt 101 wird die Stellung des Strömungswegschaltventils 57 auf die erste Stellung A, die in 2A gezeigt ist, eingestellt. Das Abgas, das von der Abgas-Einlaß-Öffnung 53 in den Kopfabschnitt 52 zu diesem Zeitpunkt strömt, strömt direkt auf die Abgaseinström-Öffnung 69 zu, ohne durch die Abgasdurchlaßröhre 65 oder die Abgasdurchlässe 64f und 64g zu strömen, und strömt dann in die ersten Ausdehnungskammern 64a und 64e. Daher wird sich zu diesem Zeitpunkt niemals eine große Menge an Partikeln auf dem Partikelfilter 66 absetzen.
Wenn andererseits beim Schritt 100 entschieden worden ist, daß die Einströmung des Abgases in den Partikelfilter 66 nicht verhindert werden soll, fährt das Ablaufdiagramm mit Schritt 102 fort, wo entschieden wird, ob die Abgasströmungs-Richtung zum Partikelfilter 66 umgeschaltet werden soll. Beispielsweise wird, wenn eine bestimmte Zeit nach der Umschaltung der Abgasströmungs-Richtung zum Partikelfilter 66 abgelaufen ist oder wenn ein Beschleunigungsvorgang abgeschlossen ist, wobei eine große Menge an Partikeln vom Motor abgegeben wird, entschieden, ob die Abgasströmungs-Richtung zum Partikelfilter 66 umgeschaltet werden soll. Wenn entschieden wird, daß die Abgasströmungs-Richtung zum Partikelfilter 66 umgeschaltet werden soll, fährt das Ablaufdiagramm mit Schritt 103 fort.
Bei Schritt 103 wird entschieden, ob ein Flag bzw. Zustandsbit F zum Umschalten der Strömungsrichtung gestellt worden ist. Wenn das Flag F gestellt worden ist, fährt das Ablaufdiagramm mit Schritt 104 fort, wo das Flag F zurückgesetzt wird. Als nächstes wird bei Schritt 105 die Stellung des Strömungswegschaltventils 57 auf die zweite Stellung B, die in 2A gezeigt ist, umgeschaltet. Das Abgas, das zu diesem Zeitpunkt von der Abgas-Einlaß-Öffnung 53 zum Sammelabschnitt 52 strömt, strömt auf die erste Abgas-Einström-Ausström-Öffnung 67a zu, strömt dann in der Abgasdurchlaßröhre 65 oder in den Abgasdurchlässen 64f und 64g und im Partikelfilter 66. Als nächstes strömt das Abgas, das von der zweiten Abgas-Einström-Ausström-Öffnung 67b ausströmt, auf die Abgaseinström-Öffnung 69 zu und strömt dann in die ersten Ausdehnungskammern 64a und 64e.
Wenn als nächstes bei Schritt 102 wieder entschieden wird, daß die Abgasströmungs-Richtung zum Partikelfilter 66 umgeschaltet werden soll, wird das Flag F zurückgesetzt, so daß das Ablaufdiagramm von Schritt 103 zu Schritt 106 fortfährt und das Flag F gesetzt wird. Als nächstes wird bei Schritt 107 die Stellung des Strömungswegschaltventils 57 auf die dritte Stellung C, die in 2A gezeigt ist, umgeschaltet. Das Abgas, das von der Abgas-Einlaß-Öffnung 53 zum Kopfabschnitt 52 strömt, strömt zu diesem Zeitpunkt auf die zweite Abgas-Ausström-Einström-Öffnung 67b zu, strömt dann in die Abgasdurchlaßröhre 65 oder in den Abgasdurchlässen 64f und 64g und in den Partikelfilter 66. Als nächstes steuert das Abgas, das von der ersten Abgas- Ausström-Einström-Öffnung 67a ausströmt, auf die Abgaseinström-Öffnung 69 zu und strömt dann in die ersten Ausdehnungskammern 64a und 64e. Auf diese Weise wird die Abgasströmungs-Richtung zum Partikelfilter 66 wechselweise bzw. abwechselnd umgeschaltet.
Wie oben erklärt worden ist, strömt nun das Abgas von der Abgaseinström-Öffnung 69 zu den ersten Ausdehnungskammern 64a und 64e, ungeachtet des Strömungswegschaltventils 57. Wenn das Abgas in die ersten Ausdehnungskammern 64a und 64e einströmt, schwächt sich die Abgaspulsation ab, und daher wird das Abgasgeräusch reduziert. Ferner ist in der ersten Ausführungsform, die in den 3A bis 3F gezeigt ist, die erste Ausdehnungskammer 64a mit der Resonanzkammer 64c durch die Verbindungsröhre 70 kommunizierend verbunden, während in der zweiten Ausführungsform, die in den 4A und 4F gezeigt ist, die erste Ausdehnungskammer 64a mit der Resonanzkammer 64d durch die Verbindungsröhre 70 kommunizierend verbunden ist. Die Verbindungsröhre 70 und die Resonanzkammern 64c und 64d sind Helmholtzsche Resonatoren. Daher ist in der ersten Ausdehnungskammer 64a das Abgasgeräusch einer spezifischen Frequenz, die durch den Durchmesser und die Länge der Verbindungsröhre 70 und die Volumina der Resonanzkammern 64c und 64d bestimmt wird, reduziert.
Ferner ist in der dritten Ausführungsform, die in den 5A bis 5F gezeigt ist, das Innere der Röhre 76 mit der Resonanzkammer 64a durch die Verbindungsöffnung 77 kommunizierend verbunden. Die Verbindungsöffnung 77 und die Resonanzkammer 64a bilden einen Helmholtzschen Resonator aus. Daher ist in der dritten Ausführungsform das Abgasgeräusch einer spezifischen Frequenz, die durch den Durchmesser und die Länge der Verbindungsöffnung 77 und das Volumen der Resonanzkammer 64a bestimmt wird, reduziert. Zu beachten ist, daß das Abgas, das in der Resonanzkammer 64a strömt, im Innern der ersten Ausdehnungskammer 64 durch eine Abgas-Ausström-Einström-Öffnung 78a ausströmt.
Als nächstes strömt in der ersten Ausführungsform, die in den 3A bis 3F gezeigt ist, das Abgas in die Verbindungsröhre 70 ein, strömt dann von den Abgas-Ausström-Öffnungen 72 zum Innern der zweiten Ausdehnungskammer 64b. Da die Ab gaspulsation weiter gedämpft wird, kann zu diesem Zeitpunkt das Abgasgeräusch weiter verringert werden. Als nächstes wird das Abgas durch die Abgasröhre 71 abgegeben. Andererseits strömt in der zweiten Ausführungsform, die in den 4A bis 4F gezeigt ist, das Abgas in die Verbindungsröhre 70 ein, strömt dann von der Abgas-Ausström-Öffnung 72 zur zweiten Ausdehnungskammer 64c. Zu diesem Zeitpunkt wird die Abgaspulsation weiter abgeschwächt, so daß das Abgasgeräusch weiter verringert wird. In der zweiten Ausführungsform strömt ferner das Abgas, das in die zweite Ausdehnungskammer 64c einströmt, vom Abgas-Ausström-Öffnung 73, das auf der Trennwand 63b ausgebildet ist, in das Innere der dritten Ausdehnungskammer 64b. Zu diesem Zeitpunkt, wird das Abgas weiter gedämpft, so daß das Abgasgeräusch weiter verringert wird. Als nächstes wird das Abgas durch die Abgasröhre 71 abgegeben.
Zuerst strömt das Abgas in der dritten Ausführungsform, die in den 5A bis 5F gezeigt ist, von der ersten Ausdehnungskammer 64e durch die Abgas-Ausström-Einström-Öffnungen 78 innerhalb der zweiten Ausdehnungskammer 64b. Zu diesem Zeitpunkt kann das Abgasgeräusch weiter verringert werden, da die Abgaspulsation weiter abgeschwächt wird. Als nächstes wird das Abgas durch die Abgasröhre 71 an die Umgebung abgegeben. Wenn die kommunizierenden Öffnungen 79 in der inneren Wandoberfläche der Abgasröhre 71 ausgebildet sind, wie es in 5A gezeigt ist, wird das Abgasgeräusch einer spezifischen Frequenz, die durch den Durchmesser und die Länge der kommunizierenden Öffnungen 79 und das Volumen der Resonanzkammer 64c bestimmt wird, reduziert.
In der ersten Ausführungsform, die in den 3A bis 3F gezeigt ist, und in der zweiten Ausführungsform, die in den 4A bis 4F gezeigt ist, exsistiert ein Freiraum zwischen der äußeren Begrenzungsoberfläche der Abgasdurchlaßröhre 65 und der inneren Wandoberfläche des Schalldämpfer-Gehäuses 60. Weiter exsistiert in der dritten Ausführungsform, die in den 5A bis 5F gezeigt ist, ein Freiraum zwischen den zylindrischen Bauteilen 74a und 74b, die den Partikelfilter 66 tragen, und der inneren Wandoberfläche des Schalldämpfer-Gehäuses 60. Daher befindet in allen Ausführungsformen der Partikelfilter 66 in einem gewärmten Zustand in Bezug auf die Umgebungsluft. Ferner umströmt Abgas von hoher Temperatur den Partikelfilter 66. Weil es mög lich ist, die Temperatur des Partikelfilters 66 bei einer hohen Temperatur zu halten, wird es daher für einen breiten Arbeitsbereich ermöglicht, die Partikel auf dem Partikelfilter 66 durch Oxidation zu entfernen.
Andererseits sind die Abgaseinström-Öffnung 69, die erste Abgas-Ausström-Einström-Öffnung 67a und die zweite Abgas-Ausström-Einström-Öffnung 67b an einem Ende des Schalldämpfer-Gehäuses 50 angeordnet, d. h. an der Abschlußwand 61 in der Ausführungsform, die in den 3A bis 5F gezeigt ist. Daher ist es möglich, die Röhren 54, 55 und 56 der Strömungswegschaltventil-Einrichtung 51 mit der korrespondierenden Abgaseinström-Öffnung 69, der ersten Abgas-Ausström-Einström-Öffnung 67a und der zweiten Abgas-Ausström-Einström-Öffnung 67b auf einfache Weise zu verbinden.
Wenn die Strömungswegschaltventil-Einrichtung 51 unabhängig gestaltet ist, d. h. separat vom Schalldämpfer-Gehäuse 50 ausgebildet ist, wie in der Ausführungsform, die in den 2A und 2B und 3A bis 5F gezeigt ist, wird der Anschluß des Strömungswegschaltventils 57 und der Anschluß des Stellglieds 59 an die Strömungswegschaltventil-Einrichtung 51 extrem vereinfacht. Weiter weist die Strömungswegschaltventil-Einrichtung 51, die in den 2A und 2B gezeigt ist, den Vorteil auf, daß es möglich ist, sie gemeinsam für die unterschiedlichen Schalldämpfer-Gehäuse 50, die in den 3A bis 5F gezeigt ist, zu verwenden.
Wie oben erklärt worden ist, wird jedoch in der Ausführungsform, die in den 2A und 2B gezeigt ist, das Strömungswegschaltventil 57 durch das Stellglied 59 in eine aus einer ersten Stellung, die durch die durchgezogenen Linie A in 2A gezeigt ist, einer zweite Stellung, die durch die unterbrochene Linie B gezeigt ist, und einer dritten Stellung gesteuert, die durch die unterbrochene Linie C gezeigt ist. Es ist auch möglich, einen Teil des Abgases, das von der Abgas-Einlaß-Öffnung 53 zum Innern des Sammelabschnitts 52 strömt, in die erste Abgas-Ausström-Einström-Öffnung 67a und das verbleibende Abgas direkt in die Abgas-Ausström-Einström-Öffnung 69 strömen zu lassen, indem das Strömungswegschaltventil 57 bei einer Stellung zwischen der ersten Stellung A und der zweiten Stellung B gehalten wird, einen Teil des Abgases, das von der Abgas-Einlaß-Öffnung 53 zum Sammelabschnitt 52 strömt, in die zweite Abgas-Ausström-Einström-Öffnung 67b strömen zu lassen, und das verbleibende Abgas direkt in die Abgaseinström-Öffnung 69 strömen zu lassen, indem das Strömungswegschaltventil 57 bei einer Stellung zwischen der ersten Stellung A und der dritten Stellung C gehalten wird.
Nun wird in den Ausführungsformen, die bisher diskutiert worden sind, eine Trägerschicht, die beispielsweise Aluminium enthält, auf den beiden Seitenoberflächen der Trennwände 84 und der inneren Wandoberflächen der Poren in den Trennwänden 84 des Partikelfilters 66 ausgebildet. Ein Edelmetall-Katalysator und ein Aktivsauerstoff freisetzendes Agens werden auf dem Träger getragen. In diesem Fall ist es auch möglich, einen Träger zu haben, der ein NO_x-Absorptionsmittel trägt, das NO_x absorbiert, das im Abgas enthalten ist, wenn das Luft-Brennstoff-Gemisch des Abgases, das in den Partikelfilter 66 einströmt, auf diesem Träger mager ist, und absorbiertes NO_x freisetzt, wenn das Luft-Brennstoff-Gemisch des Abgases, das in den Partikelfilter 66 einströmt, einem stöchiometrischen oder einem fetten Luft-Brennstoff-Gemisch entspricht.
In diesem Fall wird, wie oben erklärt worden ist, Platin Pt als das Edelmetall verwendet. Als das NO_x Absorptionsmittel wird von wenigstens einem Alkalimetall wie Kalium K, Natrium Na, Lithium Li, Cäsium Cs und Rubidium Rb, einem Erdalkalimetall wie Barium Ba, Calcium Ca, Strontium Sr, einem Seltenerdmetall wie Lanthan La und Yttrium Y Gebrauch gemacht. Zu beachten ist, daß, wie von einem Vergleich mit dem Metall, das das obige Aktivsauerstoff freisetzende Agens enthält, ersichtlich ist, die Metalle, die das NO_x-Absorptionsmittel enthalten, und die Metalle, die das Aktivsauerstoff freisetzende Agens enthalten, weitgehend übereinstimmen.
In diesem Fall ist es möglich, unterschiedliche Metalle für das NO_x-Absorptionsmittel und das Aktivsauerstoff freisetzende Agens oder dasselbe Metall zu verwenden. Wenn dasselbe Metall für das NO_x-Absorptionsmittel und das Aktivsauerstoff freisetzende Agens verwendet wird, werden sowohl die Funktion des NO_x-Absorptionsmittel als auch die des Aktivsauerstoff freisetzenden Agens, wie sie oben beschrieben sind, gleichzeitig erreicht.
Im folgenden wird eine Erklärung des Vorgangs der Absorption und der Freisetzung des NO_x gegeben, wobei der Fall der Verwendung von Kalium K als das NO_x-Absorptionsmittel und von Platin Pt als der Edelmetall-Katalysator als Beispiel betrachtet wird.
Zunächst wird, wenn der NO_x-Absorptions-Vorgang untersucht wird, NO_x im NO_x-Absorptionsmittel nach dem gleichen Mechanismus wie der Mechanismus, der in 7A gezeigt wird, absorbiert. In diesem Fall jedoch bezeichnet das Bezugszeichen 91 in 7A ein NO_x-Absorptionsmittel.
D. h., wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis des Abgases, das in den Partikelfilter 66 einströmt, mager ist, da eine große Menge an Überschuß-Sauerstoff im Abgas enthalten ist, wenn das Abgas in den Abgasdurchlaß 80 oder 81 des Partikelfilters 66 einströmt, wie es in 7A gezeigt ist, verbindet sich der Sauerstoff O₂ haftend mit der Oberfläche des Platins Pt in Gestalt von O₂ ^– oder O^2–. Andererseits reagiert das NO im Abgas mit dem O₂ ^– oder O^2– auf der Oberfläche des Platins Pt und bildet NO₂ (2 NO + O₂ → 2 NO₂). Weiter wird ein Teil des gebildeten NO₂ im NO_x-Absorptionsmittel 91 absorbiert, während es auf dem Platin Pt oxidiert wird, und diffundiert in das NO_x-Absorptionsmittel 91 in Gestalt von Nitrat-Ionen NO₃ ^–, wie es in 7A gezeigt ist, während es sich an das Kalium K bindet. Ein Teil der Nitrat-Ionen NO₃ ^– bildet Kaliumnitrat KNO₃. Auf diese Weise wird NO im NO_x-Absorptionsmittel 91 absorbiert.
Andererseits zerfallen, wenn das Abgas, das in den Partikelfilter 66 einströmt, fett wird, die Nitrat-Ionen NO₃ ^– in Sauerstoff O und NO. Das NO wird sukzessive vom NO_x-Absorptionsmittel 91 freigesetzt. Daher wird, wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis des Abgases, das in den Partikelfilter 66 einströmt, fett wird, NO vom NO_x-Absorptionsmittel 91 innerhalb kurzer Zeit freigesetzt. Da das freigesetzte NO reduziert ist, wird ferner niemals NO an die Atmosphäre abgegeben.
In diesem Fall ist zu beachten, daß, selbst wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis des Abgases, das in den Partikelfilter 66 einströmt, einem stöchiometrischen Luft-Brennstoff-Verhältnis entspricht, NO vom NO_x-Absorptionsmittel 91 freigesetzt wird.
Da in diesem Fall jedoch das NO nur graduell vom NO_x-Absorptionsmittel 91 freigesetzt wird, wird eine lange Zeit benötigt, bis sämtliches vom NO_x-Absorptionsmittel 91 absorbiertes NO_x freigesetzt wird.
Wie es oben erklärt worden ist, ist es jedoch möglich, unterschiedliche Metalle für das NO_x-Absorptionsmittel und das Aktivsauerstoff freisetzende Agens zu verwenden, oder es ist möglich, dasselbe Metall für das NO_x-Absorptionsmittel und das Aktivsauerstoff freisetzende Agens zu verwenden. Wenn dasselbe Metall für das NO_x-Absorptionsmittel und das Aktivsauerstoff freisetzende Agens verwendet wird, wie es oben erklärt worden ist, werden die oben beschriebenen Funktionen des NO_x-Absorptionsmittels und des Aktivsauerstoff freisetzenden Agens gleichzeitig erreicht. Ein Agens, welches gleichzeitig diese beiden Funktionen erreicht, wird unten ein Aktivsauerstoff freisetzende Agens/NO_x-Absorptionsmittel genannt. In diesem Fall zeigt Bezugszeichen 91 in 7A das Aktivsauerstoff freisetzende Agens/NO_x-Absorptionsmittel an.
Wenn ein solches Aktivsauerstoff freisetzende Agens/NO_x-Absorptionsmittel verwendet wird, falls das Luft-Brennstoff-Verhältnis des Abgases, das in den Partikelfilter 66 einströmt, mager ist, wird das NO, das im Abgas enthalten ist, im Aktivsauerstoff freisetzenden Agens/NO_x-Absorptionsmittel 91 absorbiert. Wenn die Partikel, die im Abgas enthalten sind, sich haftend mit dem Aktivsauerstoff freisetzende Agens/NO_x-Absorptionsmittel 91 verbinden, können die Partikel durch Oxidation in einer kurzen Zeit durch den Aktivsauerstoff etc., der vom Aktivsauerstoff freisetzende Agens/NO_x-Absorptionsmittel 91 freigesetzt wird, entfernt werden. Daher läßt sich verhindern, daß sowohl die Partikel als auch NO_x im Abgas zu diesem Zeitpunkt in die Atmosphäre abgegeben werden.
Andererseits wird, wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis des Abgases, das in den Partikelfilter 66 einströmt, fett wird, NO vom Aktivsauerstoff freisetzende Agens/NO_x-Absorptionsmittel 91 freigesetzt. Dieses NO wird von unverbranntem HC und CO reduziert. Daher wird zu diesem Zeitpunkt niemals NO an die Atmosphäre abgegeben. Weiterhin können, selbst wenn sich Partikel auf dem Partikelfilter 66 abgesetzt haben, die Partikel, die sich auf dem Partikelfilter 66 abgesetzt haben, oxidiert werden, ohne eine leuchtende Flamme zu emittieren, wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis des Abgases, das in den Partikelfilter 66 einströmt, zeitweise angereichert ist. D. h., wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis des Abgases angereichert ist, d. h., wenn die Konzentration des Sauerstoffs im Abgas reduziert wird, wird der Aktivsauerstoff O auf einmal vollständig vom Aktivsauerstoff freisetzende Agens/NO_x-Absorptionsmittel 91 freigesetzt. Die abgesetzten Partikel werden durch Oxidation innerhalb einer kurzen Zeit entfernt, ohne eine leuchtende Flamme zu emittieren, da der Aktivsauerstoff O auf einmal vollständig freigesetzt wird.
Andererseits wird, wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis mager gehalten wird, die Oberfläche des Platins Pt mit Sauerstoff O bedeckt, und eine sogenannte Sauerstoff-Toxizität des Platins Pt tritt auf. Wenn eine solche Sauerstoff-Toxizität auftritt, sinkt der Oxidationsvorgang des NO_x derart ab, daß die Effizienz der NO_x Absorption fällt, und daher sinkt die Freisetzungsmenge an Aktivsauerstoff vom Aktivsauerstoff freisetzende Agens/NO_x-Absorptionsmittel 91. Wenn jedoch das Luft-Brennstoff-Verhältnis angereichert ist, wird der Sauerstoff auf der Oberfläche des Platins Pt derart verbraucht, daß die Sauerstoff-Toxizität nachläßt. Daher wird, wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis von fett nach mager umgeschaltet wird, der Vorgang der Oxidation von NO_x derart verstärkt, daß sich die NO_x-Absorptionseffizienz erhöht und daher die Freisetzungsmenge von Aktivsauerstoff aus dem Aktivsauerstoff freisetzende Agens/NO_x-Absorptionsmittel 91 erhöht wird.
Falls das Luft-Brennstoff-Verhältnis gelegentlich zeitweise von mager nach fett umgeschaltet wird, läßt daher, wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis mager gehalten ist, die Sauerstoff-Toxizität des Platins Pt jedesmal derart nach, daß es möglich ist, die Freisetzungsmenge an Aktivsauerstoff zu erhöhen, wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis mager ist, und es folglich möglich ist, den Oxidationsvorgang der Partikel auf dem Partikelfilter 66 zu fördern.
Weiter hat Cer Ce eine Funktion, Sauerstoff aufzunehmen (Ce₂O₃ → 2 CeO₂), wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis mager ist, und Aktivsauerstoff abzugeben (2 CeO₂ → Ce₂O₃), wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis fett ist. Daher, wenn Cer Ce als das Aktivsauerstoff freisetzende Agens 91 verwendet wird, falls die Partikel mit dem Partikelfilter 66 haftend verbunden sind, wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis mager ist, werden die Partikel durch den Aktivsauerstoff oxidiert, der vom Aktivsauerstoff freisetzenden Agens 9 freigesetzt wird, während, wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis fett wird, wird eine große Menge an Aktivsauerstoff vom Aktivsauerstoff freisetzenden Agens 91 derart freigesetzt, daß die Partikel oxidiert werden. Daher ist es möglich, selbst wenn Cer Ce als das Aktivsauerstoff freisetzende Agens 91 verwendet wird, wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis zeitweise gelegentlich von mager nach fett umgeschaltet wird, die Oxidationsreaktion der Partikel auf dem Partikelfilter 66 zu fördern.
Zu beachten ist, daß, wenn das NO_x-Absorptionsmittel oder das Aktivsauerstoff freisetzende Agens/NO_x-Absorptionsmittel verwendet wird, um NO_x vom NO_x-Absorptionsmittel oder vom Aktivsauerstoff freisetzende Agens/NO_x-Absorptionsmittel freizusetzen, bevor die NO_x-Absorptionsfähigkeit des NO_x-Absorptionsmittels oder des Aktivsauerstoff freisetzenden Agens/NO_x-Absorptionsmittels Sättigung erreicht, das Luft-Brennstoff-Verhältnis des Abgases, das in den Partikelfilter 66 einströmt, zeitweise angereichert wird.
Weiter kann die vorliegende Erfindung auch für den Fall angewendet werden, daß nur ein Edelmetall wie Platin Pt auf der Trägerschicht, die auf den beiden Seiten des Partikelfilters 66 ausgebildet ist, getragen wird. In diesem Fall jedoch, verschiebt sich die durchgezogene Linie, die die Menge G an Partikeln darstellt, die durch Oxidation entfernt werden kann, etwas nach rechts verglichen mit der durchgezogenen Linie, die in 9 gezeigt ist. In diesem Fall wird Aktivsauerstoff aus NO₂ oder SO₃ freigesetzt, der auf der Oberfläche des Platins Pt gespeichert wird.
Ferner ist es möglich, als ein Aktivsauerstoff freisetzendes Agens einen Katalysator zu verwenden, der das NO₂ oder SO₃ absorbieren und speichern kann und den Aktivsauerstoff vom absorbierten NO₂ oder SO₃ freisetzen kann.
Zu beachten ist, daß die vorliegende Erfindung auch auf eine Abgasreinigungsvorrichtung angewendet werden kann, die ausgelegt ist, um einen Oxidationskatalysator im Abgasdurchlaß stromaufwärts zum Partikelfilter anzuordnen, z. B. im Abgasrohr 22, um das NO im Abgas in NO₂ durch diesen Oxidationskatalysator umzuwandeln und um zu veranlassen, daß das NO₂ und die Partikel, die auf dem Partikelfilter abgesetzt sind, reagieren, um dadurch dieses NO₂ zu verwenden, um die Partikel zu oxidieren.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, wie es oben erklärt worden ist, die Partikel im Abgas durch Oxidation auf dem Partikelfilter kontinuierlich zu entfernen.
Nachdem die Erfindung mit Bezug auf eine spezifische Ausführungsform, die zum Zwecke der Veranschaulichung gewählt wurde, beschrieben worden ist, sollte es offensichtlich sein, daß zahlreiche Abwandlungen hiervon durch einen Fachmann vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er in Anspruch 1 definiert ist.

Claims

Abgasreinigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, mit: einem Schalldämpfer-Gehäuse (50), das einen Endabschnitt und eine Abgaseinström-Öffnung (69) aufweist, durch die ein Abgas in einen Innenraum des Schalldämpfer-Gehäuses (50) eingebracht wird; einem Abgasströmungsdurchlass (65), der gegenüberliegende Enden und einen Durchlassabschnitt aufweist, der sich innerhalb des Innenraums des Schalldämpfer-Gehäuses (50) erstreckt, wobei eine erste Abgas-Einström-Ausström-Öffnung (67a) an einem der gegenüberliegenden Enden des Abgasströmungsdurchlasses (65) ausgebildet ist, wobei eine zweite Abgas-Einström-Ausström-Öffnung (67b) am anderen der gegenüberliegenden Enden des Abgasströmungsdurchlasses (65) ausgebildet ist, und wobei sowohl die Abgaseinström-Öffnung (69) als auch die erste Abgas-Einström-Ausström-Öffnung (67a) und die zweite Abgas-Einström-Ausström-Öffnung (67b) im Endabschnitt des Schalldämpfer-Gehäuses (50) angeordnet ist; einem Partikelfilter (66), der im Durchlassabschnitt des Abgasströmungsdurchlasses (65) angeordnet ist; und einer Strömungswegschaltventil-Einrichtung (51), die im Endabschnitt des Schalldämpfer-Gehäuses angeordnet ist, um Abgas, das vom Motor abgegeben und zum Schalldämpfer-Gehäuse (50) geleitet wird, selektiv zum Einströmen in die Abgaseinström-Öffnung (69), die erste Abgas-Einström-Ausström-Öffnung (67a) und/oder die zweite Abgas-Einström-Ausström-Öffnung (67b) zu veranlassen.
Abgasvorrichtung einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, wobei eine Gesamtheit des Durchlassabschnitts des Abgasströmungsdurchlasses, in dem der Partikelfilter angeordnet ist, in einem Abstand zu einer inneren Wandoberfläche des Schalldämpfer-Gehäuses angeordnet ist, und wobei ein in das Schalldämpfer-Gehäuse strömendes Abgas zwischen dem Durchlassabschnitt des Abgasströmungsdurchlasses und der inneren Wandoberfläche des Schalldämpfer-Gehäuses hindurchströmt.
Abgasvorrichtung einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, wobei die erste Abgas-Einström-Ausström-Öffnung und die zweite Abgas-Einström-Ausström-Öffnung durch eine Abgasdurchflußleitung verbunden sind, und wobei der Abgasströmungsdurchlass innerhalb der Abgasdurchflußleitung ausgebildet ist.
Abgasvorrichtung einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, wobei die Strömungswegschaltventil-Einrichtung einen Verteiler mit einem Sammelabschnitt, eine Abgaseinlaß-Öffnung für den Einlaß von Abgas, das vom Motor in den Sammelabschnitt abgegeben wird, und Röhren umfaßt, die vom Sammelabschnitt abgezweigt und mit der Abgas-Einström-Öffnung, der ersten Abgas-Einström-Ausström-Öffnung und der zweiten Abgas-Einström-Ausström-Öffnung verbunden sind, und wobei die Strömungswegschaltventil-Einrichtung im Sammelabschnitt angeordnet ist.
Abgasvorrichtung einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, wobei die Strömungswegschaltventil-Einrichtung in eine Stellung aus einer ersten Stellung, in der das Abgas, das von der Abgas-Einlaß-Öffnung strömt, unmittelbar zur Abgas-Einström-Öffnung ohne Umgehung des Abgasströmungsdurchlasses geleitet wird, einer zweiten Stellung, in der das Abgas, das von der Abgas-Einlaß-Öffnung strömt, zur ersten Abgas-Einström-Ausström-Öffnung und das Abgas, das aus der zweiten Abgas-Einström-Ausström-Öffnung strömt, zur Abgas-Einström-Öffnung geleitet wird, und einer dritten Stellung gesteuert wird, in der das Abgas, das von der Abgas-Einlaß-Öffnung strömt, zur zweiten Abgas-Einström-Ausström-Öff nung geleitet und das Abgas, das aus der ersten Abgas-Einström-Ausström-Öffnung strömt, zur Abgas-Einström-Öffnung geleitet wird.
Abgasvorrichtung einer Bremkraftmaschine nach Anspruch 1, wobei der Innenraum des Schalldämpfer-Gehäuses in eine Vielzahl von Unterkammern unterteilt ist, die Ausdehnungs- oder Resonanzkammern ausbilden, und wobei sich die Abgas-Einström-Öffnung in eine Unterkammer hinein öffnet, die an einem Ende des Schalldämpfer-Gehäuses ausgebildet ist.
Abgasvorrichtung einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, wobei, wie beim Partikelfilter, von einem Partikelfilter Gebrauch gemacht wird, welcher die Partikel im Abgas durch Oxidation entfernt, ohne eine leuchtende Flamme zu emittieren, wenn es in den Partikelfilter strömt, falls die Menge an emittierten Partikeln, die von einer Verbrennungskammer pro Zeiteinheit ausgestoßen wird, geringer ist als die Menge an Partikeln, die pro Zeiteinheit auf dem Partikelfilter oxidiert und entfernt werden kann, ohne eine leuchtende Flamme zu emittieren, und wobei ein Edelmetallkatalysator auf dem Partikelfilter aufgetragen ist.
Abgasvorrichtung einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, wobei ein Aktivsauerstoff-freisetzendes Agens, das Sauerstoff aufnimmt und diesen Sauerstoff speichert, wenn Überschuß-Sauerstoff in der Umgebung vorkommt, und den gespeicherten Sauerstoff freisetzt, sobald die Konzentration des Sauerstoffs in der Umgebung in Gestalt von Aktivsauerstoff abnimmt, auf dem Partikelfilter aufgetragen ist, und wobei der Aktivsauerstoff vom Aktivsauerstoff-freisetzenden Agens freigesetzt wird, wenn sich der Partikel auf dem Partikelfilter absetzt und der auf dem Partikelfilter abgesetzte Partikel durch den freigesetzten Aktiv-Sauerstoff oxidiert wird.
Abgasvorrichtung einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, wobei das Aktivsauerstoff-freisetzende Agens aus mindestens einem Element aus einer Gruppe, die aus einem Alkali-, einem Erdalkali-, einem Seltenerd- und einem Übergangsmetall besteht, ausgewählt ist.
Abgasvorrichtung einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, wobei das Alkali- und das Erdalkalimetall aus Metallen bestehen, die höhere Ionisierungsneigungen als Calcium aufweisen.
Abgasvorrichtung einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, wobei das Aktivsauerstoff-freisetzende Agens zur Aufgabe hat, NO_x im Abgas zu absorbieren, wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis des in den Partikelfilter strömenden Abgases mager bzw. abgemagert ist, und das absorbierte NO_x freizusetzen, wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis des in den Partikelfilter strömenden Abgases dem stöchiometrischen oder einem fetten Luft-Brennstoff-Verhältnis entspricht.
Abgasvorrichtung einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, wobei, wie beim Partikelfilter, von einem Partikelfilter Gebrauch gemacht wird, der die Partikel im Abgas oxidiert und entfernt, ohne eine leuchtende Flamme zu emittieren, wenn es in den Partikelfilter strömt, falls die Menge an emittierten Partikeln, die von der Verbrennungskammer pro Zeiteinheit ausgestoßen werden, geringer ist als die Menge, die pro Zeiteinheit auf dem Partikelfilter oxidiert und emittiert werden kann, ohne eine leuchtende Flamme zu emittieren, und wobei ein NO_x-Absorbens, welches NO_x im Abgas absorbiert, falls das Luft-Brennstoff-Verhältnis des in den Partikelfilter einströmenden Abgases mager ist, und welches das absorbierte NO_x freisetzt, falls das Luft-Brennstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases dem stöchiometrischen oder einem fetten Luft-Brennstoff-Verhältnis entspricht, auf dem Partikelfilter aufgetragen ist.