DE60106924T2

DE60106924T2 - Abgasreinigungsvorrichtung

Info

Publication number: DE60106924T2
Application number: DE60106924T
Authority: DE
Inventors: Shinya Toyota-shi Hirota; Toshiaki Toyota-shi Tanaka; Kazuhiro Toyota-shi ITOH; Takamitsu Toyota-shi Asanuma; Koichiro Toyota-shi NAKATANI; Koichi Toyota-shi KIMURA
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-07-24
Filing date: 2001-07-23
Publication date: 2005-11-10
Anticipated expiration: 2021-07-24
Also published as: WO2002008581A2; CN1230608C; US20020170287A1; US20040231324A1; WO2002008581A3; EP1303685A2; EP1303685B1; KR20020048940A; US6823665B2; CN1386161A; KR100495205B1; DE60106924D1; ES2227306T3; US7059113B2

Description

Gebiet der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsvorrichtung für einen Motor.
Technischer Hintergrund
In der verwandten Technik werden in einem Dieselmotor die im Abgas enthaltenen Partikel dadurch entfernt, daß man ein Partikelfilter in der Abgasleitung des Motors anordnet, wobei das Partikelfilter verwendet wird, um die Partikel im Abgas einzufangen, und die Partikel, die auf dem Partikelfilter gefangen wurden, entzündet und verbrennt, um den Partikelfilter zu regenerieren. Die auf dem Partikelfilter eingefangenen Partikel entzünden sich jedoch erst, wenn die Temperatur auf mindestens etwa 600 °C gestiegen ist. Die Abgastemperatur eines Dieselmotors ist jedoch normalerweise beträchtlich niedriger als 600 °C. Deshalb ist es schwierig, die Abgaswärme zu nutzen, um zu bewirken, daß sich die auf dem Partikelfilter eingefangenen Partikel entzünden. Um die Abgaswärme nutzen zu können, um zu bewirken, daß sich die auf dem Partikelfilter eingefangenen Partikel entzünden, ist es notwendig, die Entzündungstemperatur der Partikel zu senken.
In der verwandten Technik ist es jedoch bekannt, daß die Entzündungstemperatur von Partikeln gesenkt werden kann, wenn das Partikelfilter einen Katalysator trägt. Daher sind in der Technik verschiedene Partikelfilter bekannt, die Katalysatoren tragen, um die Entzündungstemperatur der Partikel zu senken.
Zum Beispiel offenbart die japanische Patent-Offenlegungsschrift (Kokoku) Nr. 7-106290 ein Partikelfilter, das ein Partikelfilter umfaßt, welches eine Mischung aus einem Platingruppenmetall und einem Erdalkalimetalloxid trägt. In diesem Partikelfilter werden die Partikel bei einer relativ niedrigen Temperatur von etwa 350 °C bis 400 °C entzündet und dann kontinuierlich verbrannt.
Kurz gesagt besteht das Problem, das von der Erfindung zu lösen ist, darin, daß in einem Dieselmotor die Temperatur des Abgases auf zwischen 350 °C und 400 °C steigt, wenn die Last hoch wird, weshalb es auf den ersten Blick scheinen mag, daß die Feinteilchen durch die Wärme des Abgases entzündet und verbrannt werden können, wenn die Motorlast hoch wird. Tatsächlich entzünden sich die Partikel manchmal jedoch selbst dann nicht, wenn die Abgastemperatur 350 °C bis 400 °C erreicht. Ferner verbrennen, auch wenn sich die Partikel entzünden, nur einige der Partikel, und eine große Menge an Partikeln bleibt unverbrannt.
Das heißt, wenn die Menge der im Abgas enthaltenen Partikel klein ist, ist auch die Menge der auf dem Partikelfilter abgeschiedenen Partikel klein. Gleichzeitig werden, falls die Temperatur des Abgases auf 350 °C bis 400 °C steigt, die Partikel auf dem Partikelfilter entzündet und dann kontinuierlich verbrannt.
Wenn die Menge der im Abgas enthaltenen Partikel jedoch größer wird, bevor die auf dem Partikelfilter abgeschiedenen Partikel vollständig verbrennen, lagern sich weitere Partikel auf diesen Partikeln an. Als Ergebnis lagern sich die Partikel in Schichten auf dem Partikelfilter an. Wenn sich die Partikel auf diese Weise in Schichten auf dem Partikelfilter anlagern, werden die wenigen Partikel, die ohne weiteres mit dem Sauerstoff in Kontakt kommen, verbrannt, aber die übrigen Partikel, die nicht mit dem Sauerstoff in Kontakt kommen, brennen nicht, und daher bleibt eine große Menge an Partikeln unverbrannt. Wenn die Menge an im Abgas enthaltenen Partikeln zunimmt, lagert sich daher eine immer größere Menge an Partikeln auf dem Partikelfilter an.
Wenn andererseits eine große Partikelmenge auf dem Partikelfilter abgeschieden wird, wird es allmählich schwieriger, die abgeschiedenen Partikel zu entzünden und zu verbrennen. Es wird wahrscheinlich deshalb schwieriger, sie auf diese Weise zu verbrennen, weil der Kohlenstoff in den Partikeln sich in schwer brennbares Graphit usw. umwandelt, wenn er abgeschieden wird. Wenn sich weiterhin eine große Menge an Partikeln auf dem Partikelfilter anlagern, entzünden sich die abgeschiedenen Partikel bei einer niedrigen Temperatur von 350 °C bis 400 °C tatsächlich nicht. Es ist eine hohe Temperatur von über 600 °C erforderlich, um eine Entzündung der abgeschiedenen Partikel zu bewirken. In einem Dieselmotor steigt die Temperatur des Abgases jedoch normalerweise nie auf über 600 °C. Wenn sich weiterhin eine große die Menge an Partikeln auf dem Partikelfilter anlagert, ist es daher schwierig, eine Entzündung der abgeschiedenen Partikel durch die Wärme des Abgases zu bewirken.
Andererseits würden jetzt, falls es möglich wäre, die Temperatur des Abgases auf über 600 °C zu erhöhen, die abgeschiedenen Partikel entzündet, aber in diesem Fall würde sich ein anderes Problem ergeben. Das heißt, falls die abgeschiedenen Partikel zur Entzündung gebracht werden könnten, würden sie in diesem Fall unter Erzeugung einer leuchtenden Flamme verbrennen. Gleichzeitig würde die Temperatur des Partikelfilters über einen langen Zeitraum bei über 800 °C bleiben, bis die abgeschiedenen Partikel vollständig verbrannt wären. Wenn das Partikelfilter auf diese Weise jedoch über einen langen Zeitraum einer hohen Temperatur von über 800 °C ausgesetzt wird, kommt es schnell zu einer Beschädigung des Partikelfilters, und daraus ergibt sich das Problem, daß das Partikelfilter häufig durch ein neues Filter ersetzt werden muß.
FR 2 774 424 A offenbart eine Abgasreinigungsvorrichtung für einen Motor mit einer Brennkammer, welche einen Abgaskanal, ein Partikelfilter, das im Abgaskanal angeordnet ist, um Partikel im aus der Brennkammer ausgestoßenen Abgas durch Oxidation zu entfernen, eine Einrichtung zum Steuern der Kenngröße des Abgases, das in das Partikelfilter strömt, und ein Mittel zum Beurteilen, ob das Partikelfilter durch die Hitze, die aus der Oxidation der Partikel stammt, beschädigt wird, umfaßt, wobei, wenn das Beurteilungsmittel entscheidet, daß das Partikelfilter hitzebedingt beschädigt wird, die Steuereinrichtung die Kenngröße des Abgases, das in das Partikelfilter strömt, ändert, um eine hitzebedingte Beschädigung des Partikelfilters zu verhindern.
Offenbarung der Erfindung
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, zu verhindern, daß ein Partikelfilter einer Abgasreinigungsvorrichtung durch die Hitze beschädigt wird, die aus der Verbrennung der auf dem Partikelfilter angelagerten Partikel resultiert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Abgasreinigungsvorrichtung für einen Motor mit einer Brennkammer bereitgestellt, die folgendes einschließt: eine Abgasleitung, ein Partikelfilter, das in der Abgasleitung angeordnet ist, um Partikel im Abgas, das aus der Brennkammer ausgestoßen wird, durch Oxidation zu beseitigen, eine Vorrichtung zum Steuern der Kenngröße des Abgases, das in das Partikelfilter strömt, und eine Einrichtung zum Beurteilen, ob das Partikelfilter durch die Hitze, die aus der Oxidation der Partikel entsteht, beschädigt wird; wobei, wenn das Beurteilungsmittel entscheidet, daß das Partikelfilter durch die Hitze beschädigt wird, die Steuervorrichtung die Kenngröße des Abgases, das in das Partikelfilter strömt, ändert, um zu verhindern, daß das Partikelfilter durch Hitze beschädigt wird, wobei, wenn das Beurteilungsmittel entscheidet, daß das Partikelfilter durch Hitze beschädigt wird, die Steuer vorrichtung die Menge des Abgases, die in das Partikelfilter strömt, steuern kann, und die Steuervorrichtung entweder eine erste Steuerungsoperation durchführt, um zu bewirken, daß die Abgasmenge, die in das Partikelfilter strömt, kleiner wird als ein erster Schwellenwert, oder eine zweite Steueroperation durchführt, um zu bewirken, daß die Abgasmenge, die in das Partikelfilter strömt, größer wird als ein zweiter Schwellenwert, der größer ist als der erste Schwellenwert.
Wenn das Beurteilungsmittel entscheidet, daß das Partikelfilter durch Hitze beschädigt wird, beurteilt das Beurteilungsmittel gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vor der Änderung der Kenngröße des Abgases durch die Steuervorrichtung, ob die Temperatur des Partikelfilters durch Ändern der Kenngröße des Abgases niedriger wird als die vorgegebene Temperatur, und ob die Konzentration des Sauerstoffs im Abgas durch Ändern der Kenngröße des Abgases kleiner wird als die vorgegebene Konzentration, und die Steuervorrichtung ändert die Kenngröße des Abgases, um die Temperatur des Partikelfilters unter die vorgegebene Temperatur zu senken, wenn das Beurteilungsmittel entscheidet, daß die Temperatur des Partikelfilters durch Änderung der Kenngröße des Abgases unter die vorgegebene Temperatur sinken wird, und die Steuervorrichtung ändert die Kenngröße des Abgases, um die Konzentration des Sauerstoffs im Abgas unter die vorgegebene Konzentration zu senken, wenn das Beurteilungsmittel entscheidet, daß die Konzentration des Sauerstoffs im Abgas unter die vorgegebene Konzentration sinken wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Diese und weitere Ziele und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung unter, Bezug auf die begleitenden Figuren deutlicher, wobei:
1 eine Gesamtansicht eines Verbrennungsmotors ist;
2A und 2B Darstellungen der Beziehung zwischen dem erforderlichen Moment eines Motors, dem Verstellweg eines Gaspedals und einer Motordrehzahl sind;
3A und 3B Ansichten eines Partikelfilters sind;
4A und 4B Darstellungen sind, um den Oxidationsprozeß der Partikel zu erläutern;
5A und 5B Darstellungen sind, um den Anlagerungsprozeß der Partikel zu erläutern;
6 eine Darstellung der Beziehung zwischen der Partikelmenge, die durch Oxidation entfernt werden kann, und der Temperatur des Partikelfilters ist;
7A und 7B Darstellung der Partikelmenge sind, die durch Oxidation entfernt werden kann;
8A und 8B Darstellungen von Kennfeldern der Partikelmenge G sind, die durch Oxidation entfernt werden kann;
9A und 9B Darstellungen von Kennfeldern der Sauerstoffkonzentration und der NO_x-Konzentration im Abgas sind;
10A und 10B Darstellungen der Menge der ausgestoßenen Partikel sind;
11 die Darstellung einer Region ist, in der gleichzeitig Partikel und NO_X behandelt werden;
12 eine Darstellung ist, welche die Methode der oxidativen Beseitigung von Partikeln erläutert;
13 eine Darstellung der Menge an erzeugtem Rauch ist;
14A und 14B Darstellungen der Temperatur des Gases in der Brennkammer sind;
15 eine Darstellung der Arbeitsregionen I und II ist;
16 eine Darstellung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses A/F ist;
17 eine Darstellung der Änderung eines Drosselventil-Öffnungsgrads usw. ist;
18 eine Darstellung eines Kennfelds der absorbierten NO_X Menge ist;
19 ein Ablaufschema der Verarbeitung eines NO_x-Freisetzungs-Flags und eines SO_x-Freisetzungs-Flags ist;
20 und 21 Ablaufschemata der Motorbetriebssteuerung sind;
22 eine Draufsicht auf einen Umgehungsmechanismus ist, worin die Drehstellung eines Schaltventils auf eine erste Drehstellung gesetzt wird;
23 eine Seitenansicht des in 21 gezeigten Umgehungsmechanismus ist.
24 eine Draufsicht auf einem Umgehungsmechanismus ist, worin die Drehstellung eines Schaltventils in eine zweite Drehstellung gebracht ist;
25 eine Draufsicht auf einem Umgehungsmechanismus ist, worin die Drehstellung eines Schaltventils in eine Neutralstellung gebracht ist;
26 eine Darstellung von abgeschiedenen Partikeln ist;
27 ein Ablaufschema für die Steuerung der Drehstellung des Schaltventils ist;
28 ein Ablaufschema für die Durchführung eines Verfahrens zur Verhinderung einer thermisch bedingten Beschädigung gemäß einer ersten Ausführungsform ist;
29A und 29B Kennfelder sind, um die Beziehung zwischen einer sicheren Region, einer gefährlichen Region, der Menge an angesaugter Luft und der Sauerstoffkonzentration darzustellen;
30 ein Ablaufschema für das Zählen eines Sicherheitszählers ist;
28 ein Ablaufschema für die Durchführung eines Verfahrens zur Verhinderung einer thermisch bedingten Beschädigung gemäß einer zweiten Ausführungsform ist;
32 ein Ablaufschema für das Entfernen von abgeschiedenen Partikeln ist;
33 ein Ablaufschema für das Verhindern der thermisch bedingten Beschädigung ist;
34 ein Ablaufschema für die Beurteilung ist, ob die Bedingung für eine thermisch bedingte Beschädigung erfüllt ist; und
34 ein Ablaufschema für die Beurteilung ist, ob die Bedingung für eine thermisch bedingte Beschädigung gemäß einer weiteren Ausführungsform erfüllt ist.
Beste Weise für die Durchführung der Erfindung
1 zeigt den Fall der Anwendung der vorliegenden Erfindung auf einen Verbrennungsmotor mit Kompressionszündung. Man beachte, daß die vorliegende Erfindung auch einen Verbrennungsmotor mit Fremdzündung angewandt werden kann.
In 1 zeigt 1 einen Motorkörper an, 2 einen Zylinderblock, 3 einen Zylinderkopf 4 einen Kolben, 5 eine Brennkammer, 6 eine elektrisch gesteuerte Einspritzdüse, 7 ein Einlaßventil, 8 einen Einlaßkanal, 9 ein Auslaßventil und 10 einen Auslaßkanal. Der Einlaßkanal 8 ist über ein entsprechendes Einlaßrohr 11 mit einem Schwalltopf 12 verbunden, während der Schwalltopf 12 über eine Einlaßleitung 13 mit einem Kompressor 15 eines Abgasturboladers 14 verbunden ist.
Ein Luftmassensensor 13a zum Messen der Strömungsrate der angesaugten Luft ist in einer Einlaßleitung 13b stromaufwärts vom Kompressor 15 angeordnet. In der Einlaßleitung 13 ist ein Drosselventil 17 angeordnet, daß von einem Schrittmotor 16 angetrieben wird. Ferner ist eine Kühlvorrichtung 18 um die Einlaßleitung 13 herum ange ordnet, um die angesaugte Luft abzukühlen, die durch die Einlaßleitung 13 strömt. In der in 1 gezeigten Ausführungsform fließt das Motorkühlwasser in der Kühlvorrichtung 18, und die angesaugte Luft wird vom Motorkühlwasser abgekühlt. Andererseits ist der Auslaßkanal 10 über einen Auspuffkrümmer 19 und ein Auslaßrohr 20 mit einer Abgasturbine 21 eines Abgasturboladers 14 verbunden. Der Auslaß der Abgasturbine 21 ist über ein Abgasrohr 20 mit einem Gehäuse 23 verbunden, in dem ein Partikelfilter 22 untergebracht ist.
Der Auspuffkrümmer 19 und der Schwalltopf 12 sind über eine Abgas-Rückführungs- (AGR-) Leitung 24 miteinander verbunden. In der AGR-Leitung 24 ist ein elektrisch gesteuertes AGR-Steuerventil 25 angeordnet. Eine Kühlvorrichtung 26 ist um die AGR-Leitung 24 herum angeordnet, um das AGR-Gas, das in der AGR-Leitung 24 zirkuliert, abzukühlen. In der in 1 gezeigten Ausführungsform wird das Motorkühlwasser in der Kühlvorrichtung 18 geführt, und das AGR-Gas wird vom Motorkühlwasser gekühlt. Andererseits sind Kraftstoff-Einspritzdüsen 6 über Kraftstoff-Zufuhrrohre 6a mit einem Kraftstoffreservoir, einer sogenannten Common Rail 27, verbunden. Kraftstoff wird von einer elektrisch gesteuerten variablen Kraftstoff Abgabepumpe 28 in die Common Rail 27 geliefert. Der in die Common Rail 27 gelieferte Kraftstoff wird durch Kraftstoff-Zufuhrrohre 6a zu den Kraftstoff-Einspritzdüsen geliefert. An der Common Rail 29 ist ein Kraftstoffdrucksensor 29 befestigt, um den Kraftstoffdruck in der Common Rail 27 zu erfassen. Die Abgabe der Kraftstoffpumpe 28 wird aufgrund des Ausgangssignals vom Kraftstoffdrucksensor gesteuert, so daß der Kraftstoffdruck in der Common Rail 27 zum Ziel-Kraftstoffdruck wird.
Eine elektronische Steuereinheit 30 besteht aus einem digitalen Rechner, der mit einem Festspeicher (ROM) 32, einem Arbeitsspeicher (ROM) 33, einem Mikroprozessor (CPU) 34, einem Eingangsport 35 und einem Ausgangsport 36 versehen ist, die jeweils über einen bidirektionalen Bus 31 miteinander verbunden sind. Das Ausgangssignal des Kraftstoffdrucksensors 29 wird über einen entsprechenden Analog/Digital-Wandler 37 in den Eingangsport 35 eingegeben. Ferner ist an dem Partikelfilter 22 ein Temperatursensor 39 befestigt, um das Partikelfilter 22 zu erfassen. Das Ausgangssignal des Kraftstoffdrucksensors 39 wird über einen entsprechenden Analog/Digital-Wandler 37 in den Eingangsport 35 eingegeben. Das Ausgangssignal des Luftmassensensors 13a wird über den entsprechenden Analog/Digital-Wandler 37 in den Eingangsport 35 eingegeben. Mit dem Gaspedal 40 ist ein Lastsensor 41 verbunden, der eine Ausgangsspannung erzeugt, die proportional zum Verstellweg L des Gaspedals 40 ist. Die Ausgangsspannung des Lastsensors 41 wird über den entsprechenden Analog/Digital- Wandler 37 in den Eingangsport 35 eingegeben. Ferner ist der Eingangsport 35 mit einem Kurbelwinkelsensor 42 verbunden, der jedes Mal, wenn sich die Kurbelwelle beispielsweise um 30 Grad dreht, ein Ausgangssignal erzeugt. Andererseits ist der Ausgangsport 36 über entsprechende Antriebsschaltungen 38 mit den Kraftstoff-Einspritzdüsen 6, dem Schrittmotor 16 zum Antreiben des Drosselventils, dem AGR-Steuerventil 25 und der Kraftstoffpumpe 28 verbunden.
2 zeigt die Beziehung zwischen dem erforderlichen Moment TQ, dem Verstellweg L des Gaspedals 40 und der Motordrehzahl N. Man beachte, daß die Kurven in 2A die Kurven des äquivalenten Moments zeigen. Die von TQ = 0 dargestellte Kurve zeigt das Moment bei null, während die übrigen Kurven allmählich ansteigende erforderliche Momente in der Reihenfolge TQ = a, TQ = b, TQ = c und TQ = d zeigen. Das in 2A dargestellte erforderliche Moment TQ wird, wie in 2B dargestellt, im ROM 32 als Funktion des Verstellwegs L des Gaspedals 40 und der Motorgeschwindigkeit N hinterlegt. In dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird zunächst das erforderliche Moment TQ entsprechend dem Verstellweg L des Gaspedals 40 und der Motordrehzahl N anhand des in 2B dargestellten Kennfelds berechnet, dann werden die Menge des eingespritzten Kraftstoffs usw. aufgrund des erforderlichen Moments TQ berechnet.
3A und 3B zeigen den Aufbau des Partikelfilters 22. Man beachte, daß 3A eine Vorderansicht des Partikelfilters 22 ist, während 3B eine seitliche Schnittansicht des Partikelfilters 22 ist. Wie in 3A und 3B gezeigt, bildet das Partikelfilter 22 eine Wabenstruktur und ist mit einer Vielzahl von Abgaszirkulierungsleitungen 50, 51 versehen, die parallel zueinander verlaufen. Diese Abgaszirkulierungsleitungen umfassen Abgaszuströmleitungen 50, deren stromabwärtsseitige Enden mit Stopfen 52 verschlossen sind, sowie Abgasabströmleitungen 51, deren stromaufwärtsseitige Enden von Stopfen 52 verschlossen sind. Man beachte, daß die schraffierten Bereiche in 3A Stopfen 53 darstellen. Daher sind die Abgaszuströmleitungen 50 und die Abgasabströmleitungen 51 mit dünnen Trennwänden 54 dazwischen abwechselnd angeordnet. Mit anderen Worten sind die Abgaszuströmleitungen 50 und die Abgasabströmleitungen 51 so angeordnet, daß jede Abgaszuströmleitung 50 von vier Abgasabströmleitungen 51 umgeben ist, und jede Abgasabströmleitung 51 von vier Abgaszuströmleitungen 50 umgeben ist.
Das Partikelfilter 22 ist aus einem porösen Material, wie zum Beispiel Cordierit, gebildet. Deshalb strömt das Abgas, das in die Abgaszuströmleitungen 50 fließt, durch die umgebenden Trennwände 54 in die angrenzenden Abgasabströmleitungen 51 hinaus, wie von den Pfeilen in 3B dargestellt. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Schicht aus beispielsweise Aluminiumoxid auf den Umfangsoberflächen der Abgaszuströmleitungen 50 und der Abgasabströmleitungen 51, das heißt, auf den Flächen zu beiden Seiten der Trennwände 54, den Innenwänden der feinen Öffnungen der Trennwände 54, den Flächen an der Außenseite der Stecker 53 und den Flächen an der Innenseite der Stecker 52, 53, ausgebildet. Auf dem Träger befinden sich ein Edelmetallkatalysator und ein aktiven Sauerstoff freisetzendes Mittel, welches Sauerstoff absorbiert und den Sauerstoff festhält, falls überschüssiger Sauerstoff in der Umgebung vorliegt, und das den festgehaltenen Sauerstoff in Form von aktivem Sauerstoff freisetzt, falls die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung sinkt.
In diesem Fall wird in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Platin Pt als der Edelmetallkatalysator verwendet. Als das aktiven Sauerstoff freisetzende Mittel wird mindestens ein Alkalimetall, wie Kalium K, Natrium Na, Lithium Li, Cäsium Cs und Rubidium Rb, und/oder ein Erdalkalimetall, wie Barium Ba, Calcium Ca und Strontium Sr, und/oder eine seltene Erde, wie Lanthan La, Yttrium Y und Cer Ce, und/oder ein Übergangsmetall, wie Eisen Fe, und/oder ein Element der Kohlenstoff-Familie, wie Zinn Se, verwendet.
Man beachte, daß in diesem Fall als das aktiven Sauerstoff freisetzende Mittel vorzugsweise ein Alkalimetall oder ein Erdalkalimetall mit einer höheren Ionisierungstendenz als Calcium Ca verwendet wird, d.h. Kalium K, Lithium Li, Cäsium Cs, Rubidium Rb, Barium Ba und Strontium Sr.
Nun wird der Prozeß der Entfernung der Partikel im Abgas durch das Partikelfilter 22 anhand des Beispiels von geträgertem Platin Pt und Kalium K erklärt, aber der gleiche Prozeß läuft ab, wenn bei der Entfernung der Partikel im Abgas vom Partikelfilter 22 ein anderes Edelmetall, ein Alkalimetall, ein Erdalkalimetall, eine seltene Erde, ein Übergangsmetall oder ein Element der Kohlenstoff-Familie verwendet wird.
In einem Verbrennungsmotor mit Kompressionszündung, wie in 1 dargestellt, läuft die Verbrennung unter einem Überschuß an Luft ab. Deshalb enthält das Abgas einen großen Luftüberschuß. Das heißt, wenn das Verhältnis der Luft und des Kraftstoffs, die in die Einlaßleitung, die Brennkammer 5 und die Abgasleitung geliefert werden, als Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases bezeichnet wird, dann wird in einem Verbrennungsmotor mit Kompressionszündung wie in 1 dargestellt das Luft/Kraft stoff-Verhältnis des Abgases mager. Ferner wird in der Brennkammer 5 NO erzeugt, also enthält das Abgas NO. Ferner enthält der Kraftstoff Schwefel S. Dieser Schwefel S reagiert mit dem Sauerstoff in der Brennkammer 5, und wird zu SO₂. Deshalb enthält das Abgas SO₂. Dementsprechend strömt Abgas, das überschüssigen Sauerstoff, NO und SO₂ enthält, in die Abgaszuströmleitungen 50 des Partikelfilters 22.
4A und 4B sind vergrößerte Ansichten der Oberfläche der Trägerschicht, die an den Innenumfangsflächen der Abgaszuströmleitungen 50 und den Innenwänden der feinen Öffnungen in den Trennwänden 54 ausgebildet ist. Man beachte, daß in 4A und 4B 60 für Partikel aus Platin Pt steht, während 61 für das aktiven Sauerstoff freisetzende Mittel steht, das Kalium K enthält.
Da ein großer Sauerstoffüberschuß im Abgas enthalten ist, haftet, falls das Abgas in die Abgaszuströmleitungen 50 des Partikelfilters 22 strömt, wie in 4A dargestellt, der Sauerstoff O₂ somit in Form von O₂ ^– oder O^2– an der Oberfläche des Platins Pt. Andererseits reagiert das NO im Abgas mit dem O₂ ^– oder O^2– auf der Oberfläche des Platins Pt, wodurch NO₂ entsteht (2NO + O₂ → 2NO₂). Danach wird ein Teil des entstandenen NO₂ im aktiven Sauerstoff freisetzenden Mittel 61 absorbiert, während es auf dem Platin Pt oxidiert wird, und diffundiert in Form von Nitrationen NO₃ ^– in das aktiven Sauerstoff freisetzende Mittel, wie in 4A dargestellt. Ein Teil der Nitrationen NO₃ ^– erzeugt Kaliumnitrat KNO₃.
Andererseits enthält das Abgas, wie oben erklärt, auch SO₂. Dieses SO₂ wird anhand eines Mechanismus, der dem von NO ähnlich ist, in das aktiven Sauerstoff freisetzende Mittel 61 absorbiert. Das heißt, auf die oben genannte Weise haftet der Sauerstoff O₂ in Form von O₂ oder O^2– an der Oberfläche des Platins Pt. Danach wird ein Teil des erzeugten SO₃ in dem aktiven Sauerstoff freisetzenden Mittel absorbiert, während es auf dem Platin Pt oxidiert wird, und diffundiert in Form von Sulfationen SO₄ ^2– in das aktiven Sauerstoff freisetzende Mittel 61, während es sich mit dem Kalium K verbindet, wodurch Kaliumsulfat K₂SO₄ entsteht. Auf diese Weise werden Kaliumnitrat KNO₃ und Kaliumsulfat K₂SO₄ im aktiven Sauerstoff freisetzenden Mittel 61 erzeugt.
Andererseits werden in der Brennkammer 5 Partikel erzeugt, die hauptsächlich aus Kohlenstoff bestehen. Deshalb enthält das Abgas diese Partikel. Die im Abgas enthaltenen Partikel kommen mit der Oberfläche der Trägerschicht, zum Beispiel der Oberfläche des aktiven Sauerstoff freisetzenden Mittels 61 in Kontakt und haften daran, wie in 4B dargestellt, wenn das Abgas durch die Abgaszuströmleitungen 50 des Partikelfilters 22 strömt, oder wenn sie von den Abgaszuströmleitungen 50 in die Abgasabströmleitungen 51 wandern.
Wenn das Partikel 62 auf diese Weise an der Oberfläche des aktiven Sauerstoff freisetzenden Mittels 61 haftet, sinkt die Konzentration des Sauerstoffs an der Kontaktfläche des Partikels 62 und des aktiven Sauerstoff freisetzenden Mittels 61. Wenn die Sauerstoffkonzentration sinkt, kommt es zu einem Unterschied zur Konzentration an der Innenseite des eine hohe Sauerstoffkonzentration aufweisenden, aktiven Sauerstoff freisetzenden Mittels 61, und daher wandert das aktiven Sauerstoff freisetzenden Mittel 61 zur Kontaktfläche zwischen dem Partikel 62 und dem aktiven Sauerstoff freisetzenden Mittel 61. Infolgedessen zerfällt das im aktiven Sauerstoff freisetzenden Mittel 61 gebildete Kaliumnitrat KNO₃ in Kalium K, Sauerstoff O und NO. Der Sauerstoff O wandert zur Kontaktfläche zwischen dem Partikel 62 und dem aktiven Sauerstoff freisetzenden Mittel, während das NO vom aktiven Sauerstoff freisetzenden Mittel 61 nach außen abgegeben wird. Das nach außen abgegebene NO wird auf dem stromabwärtsseitigen Platin Pt oxidiert und wird wieder im aktiven Sauerstoff freisetzenden Mittel 61 absorbiert.
Wenn dagegen die Temperatur des Partikelfilters 22 zu dieser Zeit hoch ist, wird das Kaliumsulfat K₂SO₄, das im aktiven Sauerstoff freisetzenden Mittel 61 gebildet wird, ebenfalls zu Kalium K, Sauerstoff O und SO₂ abgebaut. Der Sauerstoff O wandert zur Kontaktfläche zwischen dem Partikel 62 und dem aktiven Sauerstoff freisetzenden Mittel, während das SO₂ vom aktiven Sauerstoff freisetzenden Mittel 61 nach außen abgegeben wird. Das nach außen abgegebene SO₂ wird auf dem stromabwärtsseitigen Platin Pt oxidiert und wird wieder im aktiven Sauerstoff freisetzenden Mittel 61 absorbiert. Man beachte, daß das Kaliumsulfat K₂SO₄, da es stabil ist und nur schwer abgebaut wird, weniger aktiven Sauerstoff freisetzt als das Kaliumnitrat KNO₃.
Ferner wird der aktive Sauerstoff, wie oben erklärt, vom aktiven Sauerstoff freisetzenden Mittel 61 erzeugt und freigesetzt, während eine Reaktion mit dem Sauerstoff stattfindet, wenn das aktiven Sauerstoff freisetzende Mittel 61 NO_x in Form von Nitrationen NO₃ ^– absorbiert. Ferner wird der aktive Sauerstoff, wie oben erklärt, vom aktiven Sauerstoff freisetzenden Mittel 61 erzeugt und freigesetzt, während eine Reaktion mit dem Sauerstoff stattfindet, wenn das aktiven Sauerstoff freisetzende Mittel 61 SO₂ in Form von Sulfationen SO₄ ^2– absorbiert.
Andererseits handelt es sich bei dem Sauerstoff O, der zur Kontaktfläche zwischen dem Teilchen 62 und dem aktiven Sauerstoff freisetzenden Mittel 61 wandert, um den Sauerstoff, der aus dem Abbau von Verbindungen wie Kaliumnitrat KNO₃ oder Kaliumsulfat K₂SO₄ entstanden ist. Der Sauerstoff O, der aus dem Abbau dieser Verbindungen stammt, weist eine hohe Energie auf und ist äußerst aktiv. Deshalb wird der Sauerstoff, der sich in Richtung der Kontaktfläche zwischen dem Partikel 62 und dem aktiven Sauerstoff freisetzenden Mittel 61 bewegt, aktiver Sauerstoff O. Ebenso wird der während der Reaktion von NO_x oder SO₂ mit Sauerstoff im aktiven Sauerstoff freisetzenden Mittel 61 erzeugte Sauerstoff zu aktivem Sauerstoff O. Wenn dieser aktive Sauerstoff O mit dem Partikel 62 in Kontakt kommt, wird der Oxidationsprozeß des Partikels 62 gefördert, und das Partikel 62 wird für eine kurze Zeit von mehreren Sekunden bis mehreren zehn Minuten oxidiert, ohne eine leuchtende Flamme zu emittieren, und wird vollständig beseitigt. Während das Partikel 62 auf diese Weise oxidiert wird, gelingt es anderen Partikeln, sich am Partikelfilter 22 anzulagern. Daher lagert sich in der Praxis immer eine gewisse Menge an Partikeln auf dem Partikelfilter 22 an. Ein Teil der angelagerten Partikel wird durch Oxidation entfernt. Auf diese Weise werden die Partikel, die sich auf dem Partikelfilter 22 angelagert haben, kontinuierlich verbrannt, ohne eine leuchtende Flamme zu emittieren.
Man beachte, daß man davon ausgeht, daß das NO_x in Form von Nitrationen NO₃ ^– in das aktiven Sauerstoff freisetzende Mittel 61 diffundiert, während es sich wiederholt an Sauerstoffatome bindet und wieder von diesen trennt. Aktiver Sauerstoff wird während dieser Zeit ebenfalls erzeugt. Die Partikel 62 werden auch von diesem aktiven Sauerstoff oxidiert. Ferner wird das auf dem Partikelfilter 22 abgeschiedene Partikel 62 vom aktiven Sauerstoff O oxidiert, aber das Partikel 62 wird auch vom Sauerstoff im Abgas oxidiert.
Man beachte ferner, daß das aktiven Sauerstoff freisetzende Mittel 61 ein Material zum Oxidieren der Partikel ist.
Wenn die in Schichten auf dem Partikelfilter 22 abgeschiedenen Partikel verbrannt werden, wird das Partikelfilter 22 rotglühend und brennt mit einer Flamme. Dieses Brennen mit einer Flamme setzt sich nicht fort, solange die Temperatur nicht hoch ist. Deshalb muß die Temperatur des Partikelfilters 22 hoch gehalten werden, damit die Verbrennung mit einer Flamme andauert.
Im Gegensatz dazu werden die Partikel 62 in der vorliegenden Erfindung oxidiert, ohne eine leuchtende Flamme zu emittieren, wie oben erklärt. Zu dieser Zeit wird die Oberfläche des Partikelfilters 22 nicht rotglühend. Mit anderen Worten ausgedrückt heißt das, daß die Partikel 62 in der vorliegenden Erfindung durch Oxidation bei einer beträchtlich niedrigen Temperatur entfernt werden. Dementsprechend unterscheidet sich der erfindungsgemäße Prozeß, mit dem die Partikel 62 durch Oxidation ohne leuchtende Flamme entfernt werden, vollkommen von dem Prozeß, mit die Partikel begleitet von einer leuchtenden Flamme verbrannt werden.
Das Platin Pt und das aktiven Sauerstoff freisetzende Mittel 61 werden umso aktiver, je höher die Temperatur des Partikelfilters 22 ist, so daß die Menge an aktivem Sauerstoff O, die vom aktiven Sauerstoff freisetzenden Mittel 61 pro Zeiteinheit freigesetzt werden kann, steigt, je höher die Temperatur des Partikelfilters 22 steigt. Ferner können die Partikel natürlich umso leichter durch Oxidation entfernt werden, je höher die Temperatur der Partikel selbst ist. Deshalb steigt die Menge an Partikeln, die pro Zeiteinheit durch Oxidation beseitigt werden können, ohne eine leuchtende Flamme auf dem Partikelfilter 22 zu emittieren, je höher die Temperatur auf dem Partikelfilter 22 ist.
Die durchgezogene Linie in 6 zeigt die Menge G der Partikel an, die pro Zeiteinheit durch Oxidation beseitigt werden können, ohne eine leuchtende Flamme zu emittieren. Die Abszisse von 6 zeigt die Temperatur TF des Partikelfilters 22. Man beachte, daß 6 die Menge G der Partikel, die durch Oxidation beseitigt werden können, für den Fall zeigt, daß die Zeiteinheit 1 Sekunde ist, d.h. pro Sekunde, aber 1 Minute, 10 Minuten oder jede andere Zeit kann ebenfalls als Zeiteinheit verwendet werden. Wenn beispielsweise 10 Minuten als Zeiteinheit verwendet werden, bezeichnet die Menge G an Partikeln, die pro Zeiteinheit durch Oxidation beseitigt werden können, die Menge G an Partikeln, die pro 10 Minuten durch Oxidation beseitigt werden können. Auch in diesem Fall nimmt die Menge G an Partikeln, die pro Zeiteinheit durch Oxidation beseitigt werden können, ohne eine leuchtende Flamme auf dem Partikelfilter 22 zu emittieren, wie in 6 dargestellt zu, je höher die Temperatur auf dem Partikelfilter 22 steigt.
Wenn nun die Menge der Partikel, die pro Zeiteinheit aus der Brennkammer 5 freigesetzt werden, als Menge M der abgegebenen Partikel bezeichnet wird, werden, wenn die Menge M der abgegebenen Partikel kleiner ist als die Menge G der Partikel, die in der gleichen Zeiteinheit beseitigt werden können, oder wenn die Menge M an abgegebenen Partikeln pro 10 Minuten kleiner ist als die Menge G an Partikeln, die pro 10 Minuten durch Oxidation entfernt werden können, d.h. wenn sie in der Region I von 6 liegt, werden alle Partikel, die aus der Brennkammer 5 abgegeben werden und mit dem Partikelfilter 22 in Kontakt kommen, nacheinander in kurzer Zeit durch Oxidation auf dem Partikelfilter 22 entfernt, ohne eine leuchtende Flamme zu emittieren.
Wenn die Menge M der abgegebenen Partikel größer ist als die Menge G der Partikel, die durch Oxidation entfernt werden können, d.h. wenn sie in der Region II von 6 liegt, reicht dagegen die Menge an aktivem Sauerstoff nicht für die fortlaufende Oxidierung sämtlicher Partikel aus. Die 5A bis 5C zeigen den Oxidationszustand der Partikel in diesem Fall.
Das heißt, wenn die Menge an aktivem Sauerstoff für eine fortlaufende Oxidierung sämtlicher Partikel nicht ausreicht, werden, wenn die Partikel 62 auf dem aktiven Sauerstoff freisetzenden Mittel 61 haften, wie in 5A gezeigt, nur einige der Partikel 62 oxidiert. Der Teil der Partikel, die nicht ausreichend oxidiert werden, bleibt auf der Trägerschicht zurück. Wenn der Mangel an aktivem Sauerstoffs anhält, bleiben dann die Anteile der nicht oxidierten Partikel fortlaufend auf der Trägerschicht zurück. Infolgedessen wird, wie in 5B dargestellt, die Oberfläche der Trägerschicht von den zurückgebliebenen Partikelanteilen 63 bedeckt.
Dieser zurückgebliebene Partikelanteil 63, der die Oberfläche der Trägerschicht überzieht, wandelt sich allmählich in schwer zu oxidieren Graphit um, und deshalb kann der übriggebliebene Partikelanteil 63 leicht unverändert bleiben. Ferner werden, wenn die Oberfläche der Trägerschicht von dem zurückgebliebenen Partikelanteil 63 überzogen ist, der Prozeß der Oxidierung des NO und des SO₂ durch das Platin Pt und der Prozeß der Freisetzung des aktiven Sauerstoffs durch das aktiven Sauerstoff freisetzende Mittel 61 unterdrückt. Infolgedessen lagern sich, wie in 5C dargestellt, weitere Partikel 64 nacheinander auf dem zurückgebliebenen Partikelanteil 63 an. Das heißt, die Partikel lagern sich in Schichten an. Wenn die Partikel sich auf diese Weise in Schichten anlagern, sind die Partikel vom Platin Pt oder dem aktiven Sauerstoff freisetzenden Mittel 61 durch einen Abstand getrennt, so daß sie, selbst wenn es sich bei ihnen um leicht oxidierbare Partikel handelt, nicht vom aktiven Sauerstoff O oxidiert werden. Deshalb lagern sich nacheinander weitere Partikel auf dem Partikel 64 an. Das heißt, wenn der Zustand anhält, daß die Menge M der abgegebenen Partikel größer ist als die Menge M der Partikel, die durch Oxidation beseitigt werden können, lagern sich Partikel in Schichten auf dem Partikelfilter 22 an, und daher ist es nicht mehr möglich, die angelagerten Partikel zur Entzündung und zum Brennen zu bringen, solange die Temperatur des Abgases nicht steigt oder die Temperatur des Partikelfilters 22 nicht steigt.
Auf diese Weise werden in der Region I von 6 die Partikel in kurzer Zeit verbrannt, ohne eine leuchtende Flamme auf dem Partikelfilter 22 zu emittieren. In der Region II von 6 lagern sich die Partikel in Schichten auf dem Partikelfilter 22 an. Daher muß, um zu verhindern, daß die Partikel sich in Schichten auf dem Partikelfilter 22 anlagern, die Menge M der abgegebenen Partikel ständig kleiner gehalten werden als die Menge G der Partikel, die durch Oxidation beseitigt werden können.
Wie aus 6 ersichtlich ist, können die Partikel mit dem Partikelfilter 22, das in dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird, auch dann oxidiert werden, wenn die Temperatur TF des Partikelfilters 22 beträchtlich niedrig ist. Deshalb ist es in einem in 1 dargestellten Verbrennungsmotor mit Kompressionszündung möglich, die Menge M der abgegebenen Partikel und die Temperatur TF des Partikelfilters 22 so zu halten, daß die Menge M der abgegebenen Partikel in der Regel kleiner ist als die Menge G der Partikel, die durch Oxidation beseitigt werden können. Deshalb werden in dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Menge M der abgegebenen Partikel und die Temperatur TF des Partikelfilters 22 so gehalten, daß die Menge M der abgegebenen Partikel in der Regel kleiner wird als die Menge G der Partikel, die durch Oxidation beseitigt werden können.
Wenn die Menge M der abgegebenen Partikel auf diese Weise so gehalten wird, daß sie in der Regel kleiner ist als die Menge G der Partikel, die durch Oxidation beseitigt werden können, lagern sich die Partikel nicht mehr in Schichten auf dem Partikelfilter 22 an. Infolgedessen wird der Druckverlust des Abgasstroms im Partikelfilter 22 auf einem im wesentlichen konstanten minimalen Druckverlust gehalten, bis zu dem Maß, daß gar keine Änderung auftritt. Deshalb ist es möglich, das Absinken der Motorleistung bei einem Minimum zu halten.
Ferner läuft der Prozeß der Entfernung von Partikeln durch Oxidation der Partikel sogar bei einer beträchtlich niedrigen Temperatur statt. Deshalb steigt die Temperatur des Partikelfilters 22 erst gar nicht so stark an, und infolgedessen besteht fast kein Risiko einer Beschädigung des Partikelfilters 22. Da sich die Partikel nicht in Schichten auf dem Partikelfilter 22 anlagern, besteht ferner keine Gefahr einer Aschekoagulation, und deshalb besteht eine geringere Gefahr, daß das Partikelfilter 22 verstopft wird.
Dieses Verstopfen tritt jedoch hauptsächlich wegen des Calciumsulfats CaSO₄ auf. Das heißt, Kraftstoff oder Schmieröl enthält Calcium Ca. Deshalb enthält das Abgas Calcium Ca. Dieses Calcium Ca erzeugt in der Gegenwart von SO₃ Calciumsulfat CaSO₄. Dieses Calciumsulfat CaSO₄ ist ein Feststoff und auch bei hohen Temperaturen nicht durch Wärme abgebaut. Wenn Calciumsulfat CaSO₄ entsteht, und die feinen Öffnungen des Partikelfilters 22 durch dieses Calciumsulfat CaSO₄ verstopft werden, kommt es daher zu einem Verstopfen.
Wenn ein Alkalimetall oder ein Erdalkalimetall mit einer höheren Ionisierungstendenz als Calcium Ca, beispielsweise Kalium K, als aktiven Sauerstoff freisetzendes Mittel 61 verwendet wird, bindet sich das SO₃, das in das aktiven Sauerstoff freisetzende Mittel diffundiert, an das Kalium K, wodurch Kaliumsulfat K₂SO₄ entsteht. Das Calcium Ca passiert die Trennwände 54 des Partikelfilters 22 und strömt in die Abgasabströmleitung 51 aus, ohne sich an das SO₃ zu binden. Deshalb kommt es nicht mehr zu einem Verstopfen der feinen Öffnungen des Partikelfilters 22. Wie oben beschrieben, wird somit vorzugsweise ein Alkalimetall oder ein Erdalkalimetall mit einer höheren Ionisierungstendenz als Calcium Ca als das aktiven Sauerstoff freisetzende Mittel verwendet, d.h. Kalium K, Lithium Li, Cäsium Cs, Rubidium Rb, Barium Ba und Strontium Sr.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird grundsätzlich beabsichtigt, die Menge M der abgegebenen Partikel in allen Betriebszuständen kleiner zu halten als die Menge G der Partikel, die durch Oxidation beseitigt werden können. In der Praxis ist es jedoch fast unmöglich, die Menge X der abgegebenen Partikel in allen Betriebszuständen kleiner zu halten als die Menge G der Partikel, die durch Oxidation beseitigt werden können. Zum Beispiel ist die Temperatur des Partikelfilters 22 während des Motorstarts normalerweise niedrig. Daher wird die Menge M der abgegebenen Partikel zu dieser Zeit größer als die Menge G der Partikel, die durch Oxidation beseitigt werden können. Deshalb wird, in dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dafür gesorgt, daß die Menge M der abgegebenen Partikel in der Regel ständig kleiner ist als die Menge G der Partikel, die durch Oxidation entfernt werden können, abgesehen von Spezialfallen, wie unmittelbar nach dem Motorstart.
Man beachte, daß, wenn die Menge M der abgegebenen Partikel größer wird als die Menge G der Partikel, die durch Oxidation beseitigt werden können, wie unmittelbar nach dem Starten des Motors, der Teil der Partikel, die nicht auf dem Partikelfilter oxidiert werden können, zurückbleibt. Falls die Menge M der abgegebenen Partikel kleiner wird als die Menge G der Partikel, die durch Oxidation beseitigt werden können, wird, wenn dieser Teil der Partikel, der nicht auf diese Weise oxidiert werden konnte, zurückbleibt, d.h. wenn die Partikel nicht bis zu einem bestimmten Grenzwert angelagert werden, der Anteil der zurückgebliebenen Partikel durch Oxidation durch den aktiven Sauerstoff O entfernt, ohne eine leuchtende Flamme zu emittieren. Deshalb werden in dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung während des Vorliegens eines bestimmten Betriebszustands, wie unmittelbar nach dem Motorstart, die Menge M der abgegebenen Partikel und die Temperatur TF des Partikelfilters 22 so gehalten, daß nur eine Partikelmenge, die unter einem bestimmten Grenzwert liegt und die durch Oxidation entfernt werden kann, wenn die Menge M der abgegebenen Partikel kleiner wird als die Menge G der Partikel, die durch Oxidation entfernt werden können, auf dem Partikelfilter 22 angelagert wird.
Weiter gibt es manchmal Fälle, wo die Partikel sich aus irgendeinem Grund in Schichten auf dem Partikelfilter 22 anlagern, selbst wenn die Menge M der abgegebenen Partikel und die Temperatur TF des Partikelfilters 22 auf diese Weise gehalten werden. Auch in diesem Fall werden, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis eines Teils oder des gesamten Abgases vorübergehend fett gemacht wird, die auf dem Partikelfilter 22 abgeschiedenen Partikel oxidiert, ohne eine leuchtende Flamme zu emittieren. Das heißt, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases fett gemacht wird, das heißt, wenn die Konzentration des Sauerstoffs im Abgas gesenkt wird, wird der aktive Sauerstoff O vom aktiven Sauerstoff freisetzenden Mittel 61 auf einmal nach außen abgegeben. Die abgeschiedenen Partikel, die vom aktiven Sauerstoff O auf einmal freigesetzt werden, werden in kurzer Zeit durch Oxidation entfernt, ohne eine leuchtende Flamme zu emittieren.
Wenn andererseits das Luft/Kraftstoff-Verhältnis mager gehalten wird, wird die Oberfläche des Platins Pt von Sauerstoff bedeckt, und es kommt zu einer sogenannten Sauerstoffvergiftung des Platins Pt. Wenn eine solche Sauerstoffvergiftung auftritt, nimmt die NO_x-Oxidationsprozeß ab, daher sinkt der Wirkungsgrad der NO_x-Absorption ab, und daher sinkt die Menge an aktivem Sauerstoff, der vom aktiven Sauerstoff freisetzenden Mittel 61 abgegeben wird. Wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis jedoch angefettet wird, wird der Sauerstoff auf der Oberfläche des Platins Pt verbraucht, so daß die Sauerstoffvergiftung beseitigt wird. Wenn daher das Luft/Kraftstoff-Verhältnis von fett zu mager geändert wird, nimmt der NO_x-Oxidationsprozeß zu, so daß der Wirkungsgrad der NO_x-Absorption höher wird, und daher steigt die Menge an aktivem Sauerstoff, der vom aktiven Sauerstoff freisetzenden Mittel 61 abgegeben wird.
Wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis mager gehalten wird, wird daher, jedes Mal wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis hin und wieder von mager zu fett gewechselt wird, die Sauerstoffvergiftung des Platins Pt beseitigt. Die Menge an freigesetztem aktivem Sauerstoff steigt daher an, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis mager ist, und daher kann der Oxidationsprozeß der Partikel auf dem Partikelfilter 22 unterstützt werden.
Nun ist in 6 die Menge G der Partikel, die durch Oxidation entfernt werden können, als Funktion nur der Temperatur TF des Partikelfilters 22 dargestellt, aber die Menge G der Partikel, die durch Oxidation entfernt werden können, ist eigentlich eine Funktion der Sauerstoffkonzentration im Abgas, der NO_x-Konzentration im Abgas, der Konzentration der unverbrannten Kohlenwasserstoffe im Abgas, des Grads der Einfachheit der Oxidation der Partikel, der Raumgeschwindigkeit des Abgasstroms im Partikelfilter 22, des Abgasdrucks usw. Deshalb wird die Menge G der Partikel, die durch Oxidation entfernt werden können, vorzugsweise unter Berücksichtigung der Wirkungen sämtlicher oben aufgeführter Faktoren einschließlich der Temperatur TF des Partikelfilters 22 berechnet.
Unter diesen ist der Faktor mit der größten Wirkung auf die Menge G der Partikel, die durch Oxidation entfernt werden können, jedoch die Temperatur TF des Partikelfilters 22. Faktoren, die relativ große Wirkungen haben, sind die Sauerstoffkonzentration im Abgas und die NO-Konzentration. 7A zeigt die Änderung der Menge G der Partikel, die durch Oxidation entfernt werden können, wenn die Temperatur TF des Partikelfilters 22 und die Sauerstoffkonzentration im Abgas sich ändern. 7B zeigt die Änderung der Menge G der Partikel, die durch Oxidation entfernt werden können, wenn die Temperatur TF des Partikelfilters 22 und die NO_x-Konzentration im Abgas sich ändern. Man beachte, daß in 7A und 7B die durchbrochenen Linien die Fälle darstellen, daß die Sauerstoffkonzentration und die NO_x-Konzentration im Abgas den Bezugswerten entsprechen. In 7A, zeigt [O₂]₁ den Fall, daß die Sauerstoffkonzentration im Abgas höher ist als der Bezugswert, während [O₂]₂ den Fall zeigt, daß die Sauerstoffkonzentration noch höher als [O₂]₁ ist. In 7B zeigt [NO]₁ den Fall, daß die NO_x-Konzentration im Abgas höher ist als der Bezugswert, während [NO]₂ den Fall zeigt, daß die NO_x-Konzentration sogar höher als [NO]₁ ist.
Wenn die Sauerstoffkonzentration im Abgas hoch wird, nimmt die Menge G der durch Oxidation entfernbaren Partikel zu. Da die Menge an Sauerstoff, der in dem aktiven Sauerstoff freisetzenden Mittel 61 absorbiert wird, jedoch weiter ansteigt, nimmt auch der aktive Sauerstoff zu, der aus dem aktiven Sauerstoff freisetzenden Mittel 61 freigesetzt wird. Wie in 7A dargestellt, nimmt daher die Menge G der durch Oxidation entfernbaren Partikel umso mehr zu, je höher die Sauerstoffkonzentration im Abgas wird.
Andererseits wird das NO im Abgas, wie bereits erklärt, an der Oberfläche des Platins Pt oxidiert und wird zu NO₂. Ein Teil des auf diese Weise erzeugten NO₂ wird im aktiven Sauerstoff freisetzenden Mittel 61 absorbiert, während sich das übrige NO₂ von der Oberfläche des Platins Pt löst und nach außen wandert. Zu dieser Zeit wird, wenn das Platin Pt mit dem NO₂ in Kontakt kommt, eine Oxidationsreaktion gefördert. Wie in 7B dargestellt, nimmt die Menge G der durch Oxidation entfernbaren Partikel umso mehr zu, je höher die NO_x-Konzentration im Abgas ist. Jedoch tritt die Wirkung der Förderung der Oxidation der Partikel durch das NO₂ nur dann auf, wenn die Temperatur des Abgases im Bereich von etwa 250 °C bis etwa 450 °C liegt, daher steigt, wie in 7B dargestellt, wenn die NO_x-Konzentration im Abgas zunimmt, die Menge G der Partikel, die durch Oxidation entfernt werden können, an, wenn die Temperatur TF des Partikelfilters 22 im Bereich von etwa 250 °C bis 450 °C liegt.
Wie oben erläutert, wird die Menge G der Partikel, die durch Oxidation entfernt werden können, vorzugsweise unter Berücksichtigung der Wirkungen sämtlicher Faktoren, die eine Wirkung auf die Menge G der Partikel, die durch Oxidation entfernt werden können, haben, berechnet. In dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Menge G der durch Oxidation entfernbaren Partikel jedoch nur auf der Grundlage der Temperatur TF des Partikelfilters 22, die unter den Faktoren die größte Wirkung hat, sowie der Sauerstoffkonzentration und der NO_x-Konzentration im Abgas, die relativ große Wirkungen aufweisen, berechnet.
Das heißt, in dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden, wie in 8A bis 8F dargestellt, die Mengen G der durch Oxidation entfernbaren Partikel bei verschiedenen Temperaturen TF (200 °C, 250 °C, 300 °C, 400 °C und 450 °C in Form eines Kennfelds als Funktion der Sauerstoffkonzentration [O₂] im Abgas und der NO_x-Konzentration [NO] im Abgas im ROM 32 hinterlegt. Die Menge G der durch Oxidation entsprechend der Temperatur TF des Partikelfilters 22, der Sauerstoffkonzentration [O₂] und der NO_x-Konzentration [NO] entfernbaren Partikel wird durch proportionale Distribution anhand der in den 8A bis 8F dargestellten Kennfelder berechnet.
Man beachte, daß die Sauerstoffkonzentration [O₂] und NO_x-Konzentration [NO] im Abgas unter Verwendung eines Sauerstoffkonzentrationssensors und eines NO_x-Konzentrationssensors erfaßt werden können. In dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung jedoch wird die Sauerstoffkonzentration [O₂] im Abgas jedoch in Form eines Kennfelds als Funktion des erforderlichen Moments TQ und der Motordrehzahl N im ROM 32 hinterlegt, wie in 9A gezeigt. Die NO_x-Konzentration [NO] im Abgas wird in Form eines Kennfelds als Funktion des erforderlichen Moments TQ und der Motordrehzahl N im ROM 32 hinterlegt, wie in 9B gezeigt. Die Sauerstoffkonzentration [O₂] und die NO_x-Konzentration [NO] im Abgas werden anhand dieser Kennfelder berechnet.
Andererseits ändert sich die Menge G der durch Oxidation entfernbaren Partikel entsprechend der Art des Motors, aber sobald die Art des Motors feststeht, wird sie eine Funktion des erforderlichen Moments TQ und der Motordrehzahl N. 10A zeigt die Menge M der abgegebenen Partikel des in 1 gezeigten Verbrennungsmotors. Die Kurven M₁, M₂, M₃, M₄ und M₅ zeigen die Menge an äquivalenten abgegebenen Partikeln (M₁ < M₂ < M₃ < M₄ < M₅). In dem in 10A dargestellten Beispiel steigt die Menge M der abgegebenen Partikel mit dem erforderlichen Moment TQ. Man beachte, daß die Menge M der abgegebenen Partikel, die in 10A dargestellt ist, in Form eines in 10B dargestellten Kennfelds als Funktion des erforderlichen Moments TQ und der Motordrehzahl N im ROM 32 hinterlegt wird.
Nun wird in der erfindungsgemäßen Ausführungsform, wie oben erklärt, eine Schicht aus einem Träger aus Aluminium, beispielsweise an den beiden seitlichen Oberflächen der Trennwände 54 des Partikelfilters 22 und an den Innenwänden der feinen Öffnungen in den Trennwänden 54, ausgebildet. Auf diesem Träger befinden sich ein Edelmetallkatalysator und ein aktiven Sauerstoff freisetzendes Mittel. Ferner befinden sich auf dem Träger in dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Edelmetallkatalysator und ein NO_x-Absorptionsmittel, welches das im Abgas enthaltende NO_x absorbiert, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das ins Partikelfilter 22 strömt, mager ist, und das absorbierte NO_x freisetzt, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das ins Partikelfilter 22 strömt, zum stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis oder fett wird.
In dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird Platin Pt als der Edelmetallkatalysator verwendet. Als das NO_x-Absorptionsmittel wird mindestens ein Alkalimetall, wie Kalium K, Natrium Na, Lithium Li, Cäsium Cs und Rubidium Rb, und/oder ein Erdalkalimetall, wie Barium Ba, Calcium Ca und Strontium Sr, und/oder eine seltene Erde, wie Lanthan La und Yttrium Y, verwendet. Man beachte, daß, wie ein Vergleich mit dem Metall, das das oben genannte aktiven Sauerstoff freisetzende Mittel umfaßt, zeigt, das Metall, welches das NO_x-Absorptionsmittel umfaßt, und das Metall, welches das aktiven Sauerstoff freisetzende Mittel umfaßt, zum großen Teil aufeinander abgestimmt sind.
In diesem Fall ist es möglich, verschiedene Metalle oder das gleiche Metall als das NO_x-Absorptionsmittel und das aktiven Sauerstoff freisetzenden Mittel zu verwenden. Wenn das gleiche Metall als das NO_x-Absorptionsmittel und das aktiven Sauerstoff freisetzende Mittel verwendet wird, werden dessen Funktion als NO_x-Absorptionsmittel und dessen Funktion als aktiven Sauerstoff freisetzendes Mittels gleichzeitig ausgeübt.
Nun wird der Prozeß bei der Absorbierung und Freigabe von NO_x anhand des Beispiels von Platin Pt als dem Edelmetallkatalysator und unter Verwendung von Kalium K als dem NO_x-Absorptionsmittel erklärt.
Erstens wird, was den Prozeß der NO_x-Absorption betrifft, das NO_x anhand des gleichen Mechanismus im NO_x-Absorptionsmittel absorbiert wie des in 4A dargestellten Mechanismus. Jedoch zeigt in diesem Fall die Bezugszahl 61 in 4A das NO_x-Absorptionsmittel an.
Wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das in das Partikelfilter 22 strömt, mager ist, da ein großer Sauerstoffüberschuß im Abgas enthalten ist, haftet, falls das Abgas in die Abgaszuströmleitungen 50 des Partikelfilters 22 strömt, wie in 4A dargestellt, eine große Menge an überschüssigem Sauerstoff O₂ in Form oder O₂ ^– oder O^2– an der Oberfläche des Platins. Andererseits reagiert das NO im Abgas mit oder O₂ ^– oder O^2– auf der Oberfläche des Platins Pt, wodurch es zu NO₂ wird (2NO + O₂ → 2NO₂). Danach wird ein Teil des erzeugten NO₂ im NO_x-Absorptionsmittel 61 absorbiert, während es auf dem Platin Pt oxidiert wird, und diffundiert in Form von Nitrationen NO₃ ^– in das NO_x-Absorptionsmittel, wie in 4A dargestellt, während es sich mit dem Kalium K verbindet. Ein Teil der Nitrationen NO₃ ^– erzeugt Kaliumnitrat KNO₃. Auf diese Weise wird NO im NO_x-Absorptionsmittel 61 absorbiert.
Wenn andererseits das Abgas, das in das Partikelfilter 22 strömt, fett wird, werden die Nitrationen NO₃ ^– in Sauerstoff O und NO aufgespalten, und dann wird NO sukzessive vom NO_x-Absorptionsmittel 61 abgegeben. Wenn daher das Luft/Kraftstoff- Verhältnis des Abgases, das ins Partikelfilter 22 strömt, fett wird, wird das NO in kurzer Zeit vom NO_x-Absorptionsmittel 61 freigesetzt. Ferner wird das abgegebene NO reduziert, so daß kein NO in die Atmosphäre abgegeben wird.
Man beachte, daß in diesem Fall, selbst wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das ins Partikelfilter 22 strömt, das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis ist, NO vom NO_x-Absorptionsmittel 61 freigesetzt wird. Da das NO in diesem Fall jedoch nur allmählich vom NO_x-Absorptionsmittel 61 freigesetzt wird, dauert es ziemlich lange, bis sämtliches im NO_x-Absorptionsmittel 61 absorbiertes NO_x freigesetzt ist.
Wie oben beschrieben, ist es in diesem Fall jedoch möglich, unterschiedliche Metalle für das NO_x-Absorptionsmittel und das aktiven Sauerstoff freisetzende Mittel zu verwenden. In dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird jedoch das gleiche Metall für das NO_x-Absorptionsmittel und das aktiven Sauerstoff freisetzende Mittel verwendet. In diesem Fall treten, wie bereits erklärt, die Funktion des NO_x-Absorptionsmittels und die Funktion des aktiven Sauerstoff freisetzenden Mittels gleichzeitig auf. Ein Mittel, welches diese zwei Funktionen gleichzeitig ausübt, wird ab jetzt als aktiven Sauerstoff freisetzendes/NO_x absorbierendes Mittel bezeichnet. Daher zeigt in dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Bezugszahl 61 in 4A ein aktiven Sauerstoff freisetzendes/NO_x absorbierendes Mittel.
Wenn solch ein aktiven Sauerstoff freisetzendes/NO_x absorbierendes Mittel verwendet wird, wird, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das ins Partikelfilter 22 strömt, mager ist, das im Abgas enthaltene NO in dem aktiven Sauerstoff freisetzenden/NO_x absorbierenden Mittel 71 absorbiert. Wenn die im Abgas enthaltenen Partikel am aktiven Sauerstoff freisetzenden/NO_x absorbierenden Mittel 61 haften, werden die Partikel in kurzer Zeit durch Oxidation durch den im Abgas enthaltenen aktiven Sauerstoff und den vom aktiven Sauerstoff freisetzenden/NO_x absorbierenden Mittel 61 freigesetzten aktiven Sauerstoff entfernt. Deshalb ist es zu dieser Zeit möglich, die Abgabe sowohl der Partikel als auch des NO_x im Abgas in die Atmosphäre zu verhindern.
Dagegen wird, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das ins Partikelfilter 22 strömt, fett wird, NO vom aktiven Sauerstoff freisetzenden/NO_x absorbierenden Mittel 61 freigesetzt. Dieses NO wird von den nicht verbrannten Kohlenwasserstoffen und CO reduziert, und daher wird auch zu dieser Zeit kein NO in die Atmosphäre abgegeben. Ferner werden die Partikel, die auf dem Partikelfilter 22 abgeschieden wurden, durch den aktiven Sauerstoff, der vom aktiven Sauerstoff freisetzenden/NO_x absorbierenden Mittel 61 freigesetzt wird, durch Oxidation entfernt.
Wie bereits mit Bezug auf 6 erklärt, setzt der Prozeß der Freisetzung von aktivem Sauerstoff vom aktiven Sauerstoff freisetzenden Mittel 61 bereits ein, wenn die Temperatur des Partikelfilters 22 beträchtlich niedrig ist. Dies trifft auch zu, wenn das aktiven Sauerstoff freisetzende/NO_x absorbierende Mittel 61 verwendet wird. Im Gegensatz dazu setzt die Wirkung der NO_x-Absorption im aktiven Sauerstoff freisetzenden/NO_x absorbierenden Mittel 61 erst ein, wenn die Temperatur TF des Partikelfilters 22 höher wird als die Anfangstemperatur der Freisetzung von aktivem Sauerstoff. Es wird angenommen, daß dies darauf zurückzuführen ist, daß die Freisetzung von aktivem Sauerstoff bewirkt wird, wenn Sauerstoff beispielsweise von dem Kaliumnitrat KNO₃ geraubt wird, während der Prozeß der NO_x-Absorption nicht einsetzt, solange das Platin Pt nicht aktiviert ist.
11 zeigt die Menge G der Partikel, die durch Oxidation entfernbar sind, und die NO_x-Absorptionsrate bei Verwendung von Kalium K als aktiven Sauerstoff freisetzendes/NO_x absorbierendes Mittel 61. Aus 11 ist ersichtlich, daß der Prozeß der Freisetzung von aktivem Sauerstoff beginnt, wenn die Temperatur TF des Partikelfilters 22 unter 200 °C liegt, während die Wirkung der NO_x-Absorption nicht einsetzt, solange die Temperatur TF des Partikelfilters 22 nicht über 200 °C liegt.
Dagegen wird der Prozeß der Freisetzung von aktivem Sauerstoff stärker, je höher die Temperatur TF des Partikelfilters ist. Im Gegensatz dazu hört der Prozeß der NO_x-Absorption auf, wenn die Temperatur TF des Partikelfilters 22 höher wird. Das heißt, wenn die Temperatur TF des Partikelfilters 22 eine bestimmte Temperatur übersteigt – in dem in 11 dargestellten Beispiel etwa 500 °C – zerfallen die Nitrationen NO3^– oder das Kaliumnitrat KNO₃ unter dem Einfluß der Wärme, und NO wird vom aktiven Sauerstoff freisetzenden/NO_x absorbierenden Mittel 61 freigesetzt. In dieser Situation wird der Umfang der NO-Freisetzung größer als der Umfang der NO_x-Absorption, und daher sinkt die NO_x-Absorptionsrate, wie in 11 dargestellt.
11 zeigt die NO_x-Absorptionsrate, wenn Kalium K als das NO_x-Absorptionsmittel oder das aktiven Sauerstoff freisetzende/NO_x absorbierende Mittel 61 verwendet wird. In diesem Fall unterscheidet sich der Temperaturbereich des Partikelfilters 22, in dem die NO_x-Absorptionsrate höher wird, je nach verwendetem Metall. Wenn beispielsweise Barium Ba als das NO_x-Absorptionsmittel oder das aktiven Sauerstoff freisetzen de/NO_x absorbierende Mittel 61 verwendet wird, wird der Temperaturbereich des Partikelfilters 22, in dem die NO_x-Absorptionsrate höher wird, enger als im Fall der Verwendung von Kalium K, der in 11 dargestellt ist.
Um zu ermöglichen, daß die Partikel im Abgas durch Oxidation entfernt werden können, ohne sich in Schichten auf dem Partikelfilter 22 anzulagern, ist es jedoch, wie oben beschrieben, erforderlich, daß die Menge M der abgegebenen Partikel kleiner gehalten wird als die Menge G der Partikel, die durch Oxidation entfernt werden können. Wenn man lediglich die Menge M der freigesetzten Partikel kleiner hält als die Menge G der durch Oxidation entfernbaren Partikel, kommt es jedoch nicht zu einem Prozeß der NO_x-Absorption durch das NO_x-Absorptionsmittel oder das aktiven Sauerstoff freisetzende/NO_x absorbierende Mittel 61. Um den Prozeß der NO_x-Absorption durch das NO_x-Absorptionsmittel oder das aktiven Sauerstoff freisetzende/NO_x absorbierende Mittel sicherzustellen, ist es erforderlich, die Temperatur TF des Partikelfilters 22 innerhalb des Temperaturbereichs zu halten, in dem der NO_x-Absorptionsprozeß abläuft. In diesem Fall muß der Temperaturbereich des Partikelfilters 22, in dem der NO_x-Absorptionsprozeß abläuft, zu einem Temperaturbereich gemacht werden, in dem die NO_x-Absorptionsrate über einen gewissen Wert hinausgeht, zum Beispiel über 50 Prozent. Wie aus 11 ersichtlich ist, muß bei Verwendung von Kalium K als dem NO_x-Absorptionsmittel oder dem aktiven Sauerstoff freisetzenden/NO_x absorbierenden Mittel 61 die Temperatur TF des Partikelfilters 22 zwischen 250 °C bis 500 °C gehalten werden.
Deshalb wird in dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, um die Partikel im Abgas durch Oxidation zu entfernen, ohne daß sie sich in Schichten auf dem Partikelfilter 22 anlagern, und um das NO_x ins Abgas zu absorbieren, die Menge M der freigesetzten Partikel kleiner gehalten als die Menge G der Partikel, die kontinuierlich durch Oxidation entfernt werden können, und die Temperatur TF des Partikelfilters 22 wird in einem Temperaturbereich gehalten, in dem die NO_x-Absorptionsrate des Partikelfilters 22 über einen bestimmten Wert steigt. Das heißt, die Menge M der freigesetzten Partikel des Partikelfilters 22 und die Temperatur TF des Partikelfilters 22 werden im Bereich der gleichzeitigen Behandlung der Partikel und des NO_x gehalten, der durch die Schraffur in 11 dargestellt ist.
Selbst wenn die Menge M der abgegebenen Partikel und die Temperatur des Partikelfilters 22 solchermaßen im Bereich der gleichzeitigen Behandlung der Partikel und des NO_x gehalten werden, fallen die Menge M der abgegebenen Partikel und die Temperatur des Partikelfilters 22 manchmal aus dem Bereich der gleichzeitigen Behandlung der Partikel und des NO_x heraus. In diesem Fall wird in dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mindestens entweder die Menge M der abgegebenen Partikel, die Menge G der durch Oxidation entfernbaren Partikel und/oder die Temperatur TF des Partikelfilters 22 so gesteuert, daß die Menge M der abgegebenen Partikel und die Temperatur des Partikelfilters 22 in den Bereich der gleichzeitigen Behandlung der Partikel und des NO_x zurückkehren. Dies wird nun mit Bezug auf 12 erklärt.
Zunächst wird der Fall beschrieben, daß die Menge M der abgegebenen Partikel und die Temperatur des Partikelfilters 22 den Punkt A außerhalb des Bereichs der gleichzeitigen Behandlung der Partikel und des NO_x erreichen, der in 12 dargestellt ist, das heißt, die Menge M der abgegebenen Partikel wird größer als die Menge G der durch Oxidation entfernbaren Partikel, und die Temperatur TF des Partikelfilters 22 wird niedriger als die untere Temperaturgrenze des Bereichs der gleichzeitigen Behandlung der Partikel und des NO_x. In diesem Fall kehren, wie von dem Pfeil dargestellt, durch Erhöhen der Temperatur TF des Partikelfilters 22 die Menge M der abgegebenen Partikel und die Temperatur TF des Partikelfilters 22 in den Bereich der gleichzeitigen Behandlung der Partikel und des NO_x zurück.
Nun wird der Fall beschrieben, daß die Menge M der abgegebenen Partikel und die Temperatur des Partikelfilters 22 den Punkt B außerhalb des Bereichs der gleichzeitigen Behandlung der Partikel und des NO_x erreichen, der in 12 dargestellt ist, das heißt, die Menge M der abgegebenen Partikel wird größer als die Menge G der durch Oxidation entfernbaren Partikel, und die Temperatur TF des Partikelfilters 22 im Temperaturbereich der gleichzeitigen Behandlung der Partikel und des NO_x liegt. In diesem Fall wird, wie von dem Pfeil dargestellt, die Menge M der abgegebenen Partikel gesenkt, um die Menge M der abgegebenen Partikel und die Temperatur TF des Partikelfilters 22 in den Bereich der gleichzeitigen Behandlung der Partikel und des NO_x zurückzubringen.
Nun wird der Fall beschrieben, daß die Menge M der abgegebenen Partikel und die Temperatur TF des Partikelfilters 22 den Punkt C außerhalb des Bereichs der gleichzeitigen Behandlung der Partikel und des NO_x erreichen, der in 12 dargestellt ist, das heißt, wo die Menge M der abgegebenen Partikel größer wird als die Menge G der durch Oxidation entfernbaren Partikel und die Temperatur TF des Partikelfilters 22 höher wird als die untere Temperaturgrenze des Bereichs der gleichzeitigen Behandlung der Partikel und des NO_x. In diesem Fall wird, wie von dem Pfeil dargestellt, die Menge M der abgegebenen Partikel gesenkt, und die Temperatur TF des Partikelfilters 22 wird reduziert, um die Menge M der abgegebenen Partikel und die Temperatur TF des Partikelfilters 22 in den Bereich der gleichzeitigen Behandlung der Partikel und des NO_x zurückzubringen.
Auf diese Weise werden durch Senken der Menge M der abgegebenen Partikel oder durch Erhöhen oder Senken der Temperatur TF des Partikelfilters 22, wenn die Menge X der abgegebenen Partikel und die Temperatur des Partikelfilters 22 aus dem Bereich der gleichzeitigen Behandlung der Partikel und des NO_x herausfallen, die Menge M der abgegebenen Partikel und die Temperatur des Partikelfilters 22 wieder in den Bereich der gleichzeitigen Behandlung der Partikel und des NO_x zurückgeführt. Man beachte, daß es in einem anderen Verfahren auch möglich ist, die Menge M der abgegebenen Partikel und die Temperatur TF des Partikelfilters 22 in den Bereich der gleichzeitigen Behandlung der Partikel und des NO_x zurückzubringen, indem man die Menge G der durch Oxidation entfernbaren Partikel erhöht. Deshalb werden nun das Verfahren, mit dem die Menge M der abgegebenen Partikel gesenkt wird, das Verfahren, mit dem die Temperatur TF des Partikelfilters 22 erhöht oder gesenkt wird, und das Verfahren zum Erhöhen der Menge G der durch Oxidation entfernbaren Partikel erklärt.
Nun wird das Verfahren erklärt, bei dem eine Niedertemperaturverbrennung angewendet wird, um die Menge M der abgegebenen Partikel und die Temperatur TF des Partikelfilters 22 zu steuern.
In dem in 1 dargestellten Motor nimmt, wenn die AGR-Rate (AGR-Gasmenge/( AGR-Gasmenge + angesaugte Luftmenge)) steigt, die Menge an erzeugtem Rauch allmählich zu und erreicht einen Höhepunkt. Wenn die AGR-Rate weiter erhöht wird, nimmt dann Menge an erzeugtem Rauch schnell ab. Dies wird mit Bezug auf 13 erklärt, welche die Beziehung zwischen der AGR-Rate und dem Rauch zeigt, wenn der Grad der Kühlung des ARG-Gases verändert wird. Man beachte, daß in 13 die Kurve A den Fall einer Zwangskühlung des AGR-Gases zeigt, um die Temperatur des AGR-Gases bei etwa 90 °C zu halten, daß Kurve B den Fall einer Kühlung des AGR-Gases durch eine kleine Kühlvorrichtung zeigt, und daß Kurve C den Fall einer nicht erfolgenden Zwangskühlung des AGR-Gases zeigt.
Wie von Kurve A in 13 gezeigt, erreicht die Menge an erzeugtem Rauch bei einer Zwangskühlung des AGR-Gases ihren Höhepunkt, wenn die AGR-Rate leicht un ter 50 Prozent liegt. In diesem Fall wird fast kein Rauch mehr erzeugt, wenn die ARG-Rate über 55 Prozent hinaus erhöht wird. Andererseits erreicht, wie von Kurve A in 13 gezeigt, die Menge an erzeugtem Rauch bei einer leichten Kühlung des AGR-Gases ihren Höhepunkt, wenn die AGR-Rate leicht über 50 Prozent steigt. In diesem Fall wird fast kein Rauch mehr erzeugt, wenn die ARG-Rate über etwa 65 Prozent hinaus erhöht wird. Wie ferner von Kurve C in 13 gezeigt, erreicht die Menge an erzeugtem Rauch bei fehlender Zwangskühlung des AGR-Gases nahe einer AGR-Rate von 55 Prozent ihren Höhepunkt. In diesem Fall wird fast kein Rauch mehr erzeugt, wenn die ARG-Rate über etwa 70 Prozent liegt.
Der Grund, warum kein Rauch mehr erzeugt wird, wenn die AGR-Gasrate über 55 Prozent hinaus erhöht wird, liegt darin, daß aufgrund der wärmeabsorbierenden Wirkung des AGR-Gases die Gastemperatur des Kraftstoffs und seiner Umgebung während der Verbrennung nicht so hoch wird, das heißt, es wird eine Niedertemperaturverbrennung durchgeführt, und als Folge davon wird aus dem Kohlenwasserstoff kein Ruß.
Diese Niedertemperaturverbrennung zeichnet sich dadurch aus, daß eine Unterdrückung der Erzeugung von Rauch und eine Senkung der erzeugten NO_x-Menge unabhängig vom Luft/Kraftstoff-Verhältnis möglich wird. Das heißt, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis fett wird, liegt der Kraftstoff im Übermaß vor, aber da die Verbrennungstemperatur auf eine niedrige Temperatur gedrückt wird, wird der überschüssige Kraftstoff nicht zu Ruß, und daher wird kein Rauch erzeugt. Ferner wird zu dieser Zeit nur eine äußerst geringe Menge an NO_x erzeugt. Wenn dagegen das mittlere Luft/Kraftstoff-Verhältnis mager ist oder das Luft/Kraftstoff-Verhältnis das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis ist, wird, wenn die Verbrennungstemperatur hoch wird, eine geringe Menge an Ruß erzeugt, aber bei einer Niedertemperaturverbrennung wird die Verbrennungstemperatur auf eine niedrige Temperatur gedrückt, so daß überhaupt kein Rauch erzeugt wird und nur eine äußerst kleine Menge an NO_x erzeugt wird.
Andererseits wird, wenn eine Niedertemperaturverbrennung durchgeführt wird, die Gastemperatur des Kraftstoffs und dessen Umgebung niedrig, aber die Temperatur des Abgases steigt an. Dies wird mit Bezug auf 14A und 14B erklärt.
Die durchgezogene Linie von 14A zeigt die Beziehung zwischen der mittleren Gastemperatur Tg in der Brennkammer 5 und dem Kurbelwinkel, wenn eine Niedertemperaturverbrennung durchgeführt wird, während die durchbrochene Linie von 14A die Beziehung zwischen der mittleren Gastemperatur Tg in der Brennkammer 5 und dem Kurbelwinkel zeigt, wenn eine normale Verbrennung durchgeführt wird. Ferner zeigt die durchgezogene Linie von 14B die Beziehung zwischen der Gastemperatur des Kraftstoffs und seiner Umgebung, wenn eine Niedertemperaturverbrennung durchgeführt wird, während die durchbrochene Linie von 14B die Beziehung zwischen der Gastemperatur TF des Kraftstoffs und seiner Umgebung und dem Kurbelwinkel zeigt, wenn eine normale Verbrennung durchgeführt wird.
Wenn eine Niedertemperaturverbrennung durchgeführt wird, wird die Menge an AGR-Gas größer als dann, wenn eine normale Verbrennung durchgeführt wird. Deshalb wird, wie in 14A dargestellt, wird vor dem oberen Totpunkt des Kompressionstakts, d.h. während des Kompressionstakts, die mittlere Gastemperatur Tg während der von der durchgezogenen Linie angezeigten Niedertemperaturverbrennung höher als die mittlere Gastemperatur Tg während der normalen Verbrennung, die durch die durchbrochene Linie angezeigt ist. Man beachte, daß, wie in 14B dargestellt, die Gastemperatur TF des Kraftstoffs und seiner Umgebung etwa der Temperatur gleich wird, die der mittleren Gastemperatur Tg entspricht.
Danach beginnt nahe dem oberen Totpunkt des Kompressionstakts die Verbrennung. In diesem Fall wird, wie von der durchgezogenen Linie in 14B dargestellt, aufgrund der wärmeabsorbierenden Wirkung des AGR-Gases die Gastemperatur Tf des Kraftstoffs und seiner Umgebung nicht so hoch. Im Gegensatz dazu liegt während einer normalen Verbrennung eine große Menge an Sauerstoff in der Umgebung des Kraftstoffs vor, wie von der durchbrochenen Linie in 14B dargestellt, und die Gastemperatur Tf des Kraftstoffs und seiner Umgebung wird extrem hoch. Wenn solchermaßen eine normale Verbrennung durchgeführt wird, wird die Gastemperatur Tf des Kraftstoffs und seiner Umgebung im Vergleich zum Fall einer Niedertemperaturverbrennung beträchtlich hoch, aber die Temperatur des Gases abgesehen vom größten Teil wird, verglichen mit der Durchführung einer Niedertemperaturverbrennung, niedriger, wenn eine normale Verbrennung durchgeführt wird. Wie in 14A dargestellt, wird daher die mittlere Gastemperatur Tg in der Brennkammer 5 nahe dem oberen Totpunkt des Kompressionstakts während einer Niedertemperaturverbrennung im Vergleich zu einer normalen Verbrennung höher. Wie in 14A dargestellt, wird daher die Temperatur des bereits verbrannten Gases in der Brennkammer 5 nach Beendigung der Verbrennung während einer Niedertemperaturverbrennung im Vergleich zu einer normalen Verbrennung höher. Deshalb wird die Temperatur des Abgases während einer Niedertemperaturverbrennung hoch.
Wenn solchermaßen eine Niedertemperaturverbrennung durchgeführt wird, wird der Umfang der Raucherzeugung, das heißt, die Menge M der ausgestoßenen Partikel, kleiner, und die Temperatur des Abgases steigt. Beim Wechseln von der normalen Verbrennung zur Niedertemperaturverbrennung während des Motorbetriebs kann daher die Menge M der ausgestoßenen Partikel reduziert werden, und die Temperatur TF des Partikelfilters 22 kann angehoben werden. Im Gegensatz dazu sinkt die Temperatur TF des Partikelfilters 22, wenn von einer Niedertemperaturverbrennung zu einer normalen Verbrennung gewechselt wird. Zu dieser Zeit steigt jedoch die Menge M an ausgestoßenen Partikeln. Wie auch immer, beim Wechseln zwischen normaler Verbrennung und Niedertemperaturverbrennung können die Menge M der ausgestoßenen Partikel und die Temperatur TF des Partikelfilters 22 gesteuert werden.
Wenn das erforderliche Moment TQ des Motors jedoch höher wird, das heißt, wenn die Menge des eingespritzten Kraftstoffs zunimmt, wird die Gastemperatur des Kraftstoffs und seiner Umgebung während der Verbrennung höher, so daß eine Niedertemperaturverbrennung schwierig wird. Das heißt, eine Niedertemperaturverbrennung wird erst während eines Mittel- und Niedriglastbetriebs des Motors möglich, wo der Umfang der Wärmeerzeugung durch die Verbrennung relativ gering ist. In 15 zeigt die Region I den Betriebsbereich an, in dem eine erste Verbrennung, bei der eine Menge an inertem Gas in der Brennkammer 5 vorliegt, die größer ist als die Menge an inertem Gas, bei der die Rußerzeugung ihren Höhepunkt erreicht, das heißt, eine Niedertemperaturverbrennung, durchgeführt werden kann, während die Region II den Betriebsbereich anzeigt, in dem eine zweite Verbrennung, bei der eine Menge an inertem Gas in der Brennkammer 5 vorliegt, die kleiner ist als die Menge an inertem Gas, bei der die Rußerzeugung ihren Höhepunkt erreicht, das heißt, eine Normaltemperaturverbrennung durchgeführt werden kann.
16 zeigt das Ziel-Luft/Kraftstoff-Verhältnis A/F im Falle einer Niedertemperaturverbrennung in der Betriebsregion I, während 17 den Öffnungsgrad des Drosselventils 17, den Öffnungsgrad des AGR-Steuerventils 25, die ARG-Rate, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis, den Zeitpunkt des Beginns der Einspritzung θS, den Zeitpunkt des Endes der Einspritzung θE und die Einspritzmenge gemäß dem erforderlichen Moment TQ während einer Niedertemperaturverbrennung in der Betriebsregion I zeigt. Man beachte, daß 17 auch den Öffnungsgrad des Drosselventils während einer im Betriebsbereich II durchgeführten normalen Verbrennung 17 zeigt.
Aus 16 und 17 geht hervor, daß, wenn eine Niedertemperaturverbrennung in der Betriebsregion I durchgeführt wird, die ARG-Rate über 55 Prozent steigt und das Luft/Kraftstoff-Verhältnis A/F ein mageres Luft/Kraftstoff-Verhältnis von 15,5 bis etwa 18 wird. Man beachte, daß, wenn eine Niedertemperaturverbrennung in der Betriebsregion I durchgeführt wird, wie oben erläutert, selbst bei einem fetten Luft/Kraftstoff-Verhältnis fast kein Rauch erzeugt wird.
Nun wird das Verfahren erklärt, mit dem die Sauerstoffkonzentration im Abgas erhöht wird, um die Menge G der durch Oxidation entfernbaren Partikel zu erhöhen. Wenn die Sauerstoffkonzentration im Abgas zunimmt, nimmt die Sauerstoffmenge, die im aktiven Sauerstoff freisetzenden Mittel 61 absorbiert wird, zu, so daß die Menge an aktivem Sauerstoff, der vom aktiven Sauerstoff freisetzenden Mittel 61 freigesetzt wird, zunimmt, und daher die Menge G an durch Oxidation entfernbaren Partikeln zunimmt.
Als Vorgehensweise für die Durchführung dieses Verfahrens kann ein Verfahren zur Steuerung der ARG-Rate genannt werden. Das heißt, wenn die Menge G der durch Oxidation entfernbaren Partikel erhöht werden soll, wird der Öffnungsgrad des AGR-Steuerventils 25 reduziert, so daß die ARG-Rate abnimmt. Das Sinken der ARG-Rate bedeutet, daß der Anteil der Menge an angesaugter Luft in der angesaugten Luft zunimmt. Wenn die ARG-Rate sinkt, nimmt daher die Sauerstoffkonzentration im Abgas zu. Infolgedessen steigt die Menge M an abgegebenen Partikeln. Wenn die ARG-Rate fällt, wie oben erwähnt, sinkt ferner die Menge M der abgegebenen Partikel. Wenn die AGR-Rate sinkt, wird daher die Menge M der abgegebenen Partikel rasch kleiner als die Menge G der Partikel, die durch Oxidation entfernt werden kann.
Nun wird, wie oben erklärt, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases mager ist, das NO_x im Abgas in dem aktiven Sauerstoff freisetzenden/NO_x absorbierenden Mittel 61 absorbiert. Jedoch gibt es Grenzen für die NO_x-Absorptionsfähigkeit des NO_x-Absorptionsmittels 61. Es ist erforderlich, eine Freisetzung von NO_x aus dem aktiven Sauerstoff freisetzenden/NO_x absorbierenden Mittel 61 zu bewirken, bevor die NO_x-Absorptionsfähigkeit des aktiven Sauerstoff freisetzenden/NO_x absorbierenden Mittels 61 gesättigt ist. Daher ist es erforderlich, die Menge des NO_x, das im aktiven Sauerstoff freisetzenden/NO_x absorbierenden Mittel absorbiert ist, zu schätzen. In dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die NO_x-Absorptionsmenge A pro Zeiteinheit in Form eines Kennfelds, das in 18 dargestellt ist, als Funktion des benötigten Moments TQ und der Motordrehzahl N festgesetzt. Durch kumulatives Hinzufügen der NO_x Absorptionsmenge A pro Zeiteinheit kann die NO_x-Menge ΣNOX, die im aktiven Sauerstoff freisetzenden/NO_x absorbierenden Mittel 61 absorbiert ist, geschätzt werden.
Ferner wird in dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wenn die NO_x-Absorptionsmenge ΣNOX einen vorgegebenen zulässigen Maximalwert MAXN übersteigt, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das ins aktiven Sauerstoff freisetzende/NO_x absorbierende Mittel 61 strömt, vorübergehend fett gemacht. Aufgrund dessen wird bewirkt, daß NO_x aus dem aktiven Sauerstoff freisetzenden/NO_x absorbierenden Mittel 61 freigesetzt wird.
Das Abgas enthält jedoch SO_x. Das aktiven Sauerstoff freisetzende/NO_x absorbierende Mittel 61 absorbiert nicht nur das NO_x, sondern auch das SO_x. Der SO_x-Absorptionsmechanismus im aktiven Sauerstoff freisetzenden/NO_x absorbierenden Mittel 61 ist der Gleiche wie der NO_x-Absorptionsmechanismus.
Das heißt, wenn man dies am Beispiel des Falls erklärt, daß der Träger Platin Pt und Kalium K aufweist, ebenso wie es im Hinblick auf den oben erläuterten NO_x-Absorptionsmechanismus erklärt wurde, dann haftet der Sauerstoff O₂ an der Oberfläche des Platins Pt in Form von O2^– oder O^2–, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases mager ist. Das heißt, SO₂ im Abgas reagiert mit dem O2^– oder O^2– an der Oberfläche des Platins Pt, wodurch es zu SO₃ wird. Dann wird ein Teil des erzeugten SO₃ in dem aktiven Sauerstoff freisetzenden Mittel absorbiert, während es auf dem Platin Pt oxidiert wird, und diffundiert in Form von Sulfationen SO₄ ^2– in das aktiven Sauerstoff freisetzende/NO_x absorbierende Mittel 61, während es sich mit dem Kalium K verbindet, wodurch Kaliumsulfat K₂SO₄ entsteht.
Dieses Sulfat K₂SO₄ ist stabil und schwer aufzuspalten. Wie oben erläutert, bleibt das Sulfat K₂SO₄ unverändert, ohne zu zerfallen, selbst wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases fett gemacht wird, um das NO_x aus dem aktiven Sauerstoff freisetzenden/NO_x absorbierenden Mittel 61 freizusetzen. Deshalb wird das Sulfat K₂SO₄ im aktiven Sauerstoff freisetzenden/NO_x absorbierenden Mittel 61 im Lauf der Zeit mehr. Dementsprechend nimmt die Menge an NO_x, die das aktiven Sauerstoff freisetzende/NO_x absorbierende Mittel 61 absorbieren kann, im Lauf der Zeit ab.
Das Sulfat K₂SO₄ zerfällt, wenn die Temperatur des aktiven Sauerstoff freisetzenden/NO_x absorbierenden Mittels eine bestimmte Temperatur übersteigt, die vom aktiven Sauerstoff freisetzenden/NO_x absorbierenden Mittel 61 bestimmt wird, bei spielsweise etwa 600 °C. Zu dieser Zeit wird, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das ins Partikelfilter 22 strömt, fett wird, das SO_x aus dem aktiven Sauerstoff freisetzenden/NO_x absorbierenden Mittel 61 freigesetzt. Die Freisetzung des SO_x aus dem aktiven Sauerstoff freisetzenden/NO_x absorbierenden Mittel 61 dauert jedoch erheblich länger als die Freisetzung von NO_x aus dem aktiven Sauerstoff freisetzenden/-NO_x absorbierenden Mittel 61.
Deshalb wird in dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wenn SO_x aus dem aktiven Sauerstoff freisetzenden/NO_x absorbierenden Mittel 61 freigesetzt werden soll, die Temperatur des aktiven Sauerstoff freisetzenden/NO_x absorbierenden Mittels 61 auf etwa 600 °C angehoben, während der Zustand aufrechterhalten wird, daß das Luft/Kraftstoff-Verhältnis mager ist und die Menge M der freigesetzten Partikel kleiner ist als die Menge G der Partikel, die durch Oxidation entfernt werden können, dann wird bewirkt, daß SO_x aus dem aktiven Sauerstoff freisetzenden/NO_x absorbierenden Mittel 61 freigesetzt wird, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das in das aktiven Sauerstoff freisetzende/NO_x absorbierende Mittel strömt, abwechselnd zwischen fett und mager wechselt.
Wenn ferner die Temperatur TF des aktiven Sauerstoff freisetzenden/NO_x absorbierenden Mittels 61 auf über 600 °C erhöht wird, wird daher der Zustand aufrechterhalten, daß das Luft/Kraftstoff-Verhältnis mager ist und die Menge M der abgegebenen Partikel kleiner ist als die Menge G der Partikel, die durch Oxidation entfernt werden können. Deshalb werden zu dieser Zeit, selbst dann, wenn sich die Partikel auf dem Partikelfilter 22 anlagern, die angelagerten Partikel durch Oxidation entfernt, wenn die Temperatur TF des aktiven Sauerstoff freisetzenden/NO_x absorbierenden Mittels 61 auf etwa 600 °C angehoben wird.
Andererseits gibt es verschiedene Verfahren, um das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das in das aktiven Sauerstoff freisetzende/NO_x absorbierende Mittel 61 strömt, fett zu machen, um das NO_x oder SO_x aus dem aktiven Sauerstoff freisetzenden/NO_x absorbierenden Mittel freizusetzen. Beispielsweise ist es möglich, wenn eine Niedertemperaturverbrennung durchgeführt wird, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das in das aktiven Sauerstoff freisetzende/NO_x absorbierende Mittel 61 strömt, fett zu machen, indem man das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in der Brennkammer 5 während der Niedertemperaturverbrennung fett macht.
Ferner wird, wie oben erläutert, der aktive Sauerstoff auf einmal von dem aktiven Sauerstoff freisetzenden/NO_x absorbierenden Mittel 61 freigesetzt, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases fett wird. Aufgrund dessen werden die auf dem Partikelfilter 22 abgeschiedenen Partikel rasch oxidiert. Selbst danach wird jedoch, falls das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases weiterhin fett gemacht wird, kein Sauerstoff im aktiven Sauerstoff freisetzenden/NO_x absorbierenden Mittel 61 gespeichert. Ferner liegt im Abgas fast kein Sauerstoff vor. Deshalb werden die Partikel in Schichten auf dem Partikelfilter 22 abgelagert, ohne oxidiert zu werden.
Deshalb wechselt in dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wenn SO_x freigesetzt wird, was erfordert, daß das Luft/Kraftstoff-Verhältnis über einen langen Zeitraum fett gemacht wird, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das in das aktiven Sauerstoff freisetzende/NO_x absorbierende Mittel 61 strömt, abwechselnd zwischen fett und mager. Dadurch werden, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases mager wird, die Partikel auf dem Partikelfilter 22 durch Oxidation durch den aktiven Sauerstoff im Abgas oder den aktiven Sauerstoff, der vom aktiven Sauerstoff freisetzenden/NO_x absorbierenden Mittel 61 freigesetzt wird, entfernt. Deshalb ist es möglich, die Partikel daran zu hindern, sich in Schichten auf dem Partikelfilter 22 anzulagern.
Nun wird mit Bezug auf 26 die Verarbeitungsroutine für das NO_x-Freisetzungs-Flag, das gesetzt wird, wenn das NO_x vom aktiven Sauerstoff freisetzenden/-NO_x absorbierenden Mittel 61 freigesetzt werden soll, und für das SO_x-Freisetzungs-Flag, das gesetzt wird, wenn das SO_x aus dem aktiven Sauerstoff freisetzenden/NO_x absorbierenden Mittel 61 freigesetzt werden soll, erklärt. Man beachte, daß diese Routine durch Interruption in bestimmten Zeitintervallen durchgeführt wird.
19: zunächst wird in Schritt 100 die NO_x-Absorptionsmenge A pro Zeiteinheit anhand des in 18 dargestellten Kennfelds berechnet. Danach wird in Schritt 101A zur NO_x-Absorptionsmenge ΣNOX addiert. Danach wird in Schritt 102 entschieden, ob die NO_x-Absorptionsmenge ΣNOX den zulässigen Maximalwert MAXN überschritten hat. Wenn ΣNOX > MAXN, geht die Routine zu Schritt 103 über, das NO_x Freisetzungs-Flag, das zeigt, daß das NO_x freigesetzt werden soll, wird gesetzt. Danach geht die Routine zu Schritt 104 über.
In Schritt 104 wird das Produkt k Q der Konstante k multipliziert mit der Einspritzmenge Q zu ΣSOX addiert. Der Kraftstoff enthält eine gewisse Menge an Schwe fel S. Daher kann die SO_x-Menge, die im aktiven Sauerstoff freisetzenden/NO_x absorbierenden Mittel 61 absorbiert ist, durch k Q ausgedrückt werden. Daher drückt ΣSOX, erhalten durch die aufeinanderfolgende Addition von k Q, die NO_x-Menge aus, die schätzungsweise im aktiven Sauerstoff freisetzenden/NO_x absorbierenden Mittel 61 absorbiert werden muß. In Schritt 105 wird entschieden, ob die SO_x-Menge ΣSOX über dem zulässigen Maximum MAXs liegt. Wenn ΣSOX > MAXS, geht die Routine zu Schritt 106 über, wo das SO_x-Freisetzungs-Flag gesetzt wird.
Nun wird mit Bezug auf 27 und 28 die Betriebssteuerung erklärt.
20 und 21: in Schritt 200 wird zunächst entschieden, ob das SO_x-Freisetzungs-Flag gesetzt ist. Wenn das SO_x-Freisetzungs-Flag nicht gesetzt ist, geht die Routine zu Schritt 201 über, wo entschieden wird, ob die Temperatur TF des Partikelfilters 22 niedriger ist als die untere Grenztemperatur T_min der Region der gleichzeitigen Behandlung der Partikel und des NO_x, die durch die Schraffur in 11 angezeigt ist, zum Beispiel 250 °C. Wenn TF < T_min, geht die Routine zu Schritt 202 über, wo eines der Verfahren für die Erhöhung der Temperatur TF des Partikelfilters 22 ausgeführt wird. Danach geht die Routine zu Schritt 207 über.
Wenn dagegen in Schritt S201 entschieden wird, daß TF ≥ T_min, geht die Routine zu Schritt 203 über, wo entschieden wird, ob die Temperatur TF des Partikelfilters 22 höher ist als die obere Grenztemperatur T_max der Region der gleichzeitigen Behandlung der Partikel und des NO_x, die durch die Schraffur in 11 angezeigt ist, zum Beispiel 500 °C. Wenn TF > T_max, geht die Routine zu Schritt 204 über, wo eines der Verfahren für die Senkung der Temperatur TF des Partikelfilters 22 ausgeführt wird. Danach geht die Routine zu Schritt 207 über.
Wenn andererseits in Schritt 203 entschieden wird, daß TF ≤ T_max, geht die Routine zu Schritt 205 über, wo entschieden wird, ob die Menge M der freigesetzten Partikel größer ist als die Menge G der durch Oxidation entfernbaren Partikel. Wenn M > G, geht die Routine zu Schritt 206 über, wo eines der Verfahren für die Senkung der Menge M der freigesetzten Partikel durchgeführt wird, oder eines der Verfahren für die Erhöhung der Menge G der Partikel, die durch Oxidation entfernt werden können. Danach geht die Routine zu Schritt 207 über.
Wenn andererseits in Schritt 205 entschieden wird, daß M ≤ G, geht die Routine zu Schritt 207 über. In Schritt 207 wird entschieden, ob das NO_x-Flag gesetzt worden ist. Wenn das NO_x-Freisetzungs-Flag gesetzt worden ist, geht die Routine zu Schritt 208 über, wo der Öffnungsgrad des Drosselventils 17 gesteuert wird, dann wird in Schritt 209 der Öffnungsgrad des AGR-Steuerventils 25 gesteuert. Danach wird in Schritt 210 die Kraftstoffeinspritzung gesteuert.
Im Gegensatz dazu geht, wenn in Schritt 207 entschieden wird, daß das NO_x-Freisetzungs-Flag gesetzt wurde, die Routine zu Schritt 211 über, wo der Öffnungsgrad des Drosselventils 17 gesteuert wird. Danach wird in Schritt 212 der Öffnungsgrad des AGR-Steuerventils 25 gesteuert. Danach wird in Schritt 213 eines der Verfahren für die vorübergehende Anfettung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses des Abgases durchgeführt, um das NO_x freizusetzen, und das NO_x-Freisetzungs-Flag wird erneut gesetzt.
Wenn dagegen in Schritt 200 entschieden wird, daß das SO_x-Freisetzungs-Flag gesetzt wurde, geht die Routine zu Schritt 214 über, wo entschieden wird, ob die Temperatur TF des Partikelfilters 22 über der Temperatur liegt, wo SO_x freigesetzt werden kann, beispielsweise 600 °C. Wenn TF ≤ 600 °C, geht die Routine zu Schritt 215 über, der Öffnungsgrad des Drosselventils 17 wird gesteuert, dann wird in Schritt 216 der Öffnungsgrad des AGR-Steuerventils 25 gesteuert.
Danach wird in Schritt 217 entschieden, ob die Menge M der abgegebenen Partikel größer ist als die Menge G der Partikel, die durch Oxidation beseitigt werden können. Wenn M > G, geht die Routine zu Schritt 218 über, wo eines der Verfahren für die Senkung der Menge M der freigesetzten Partikel durchgeführt wird, oder eines der Verfahren für die Erhöhung der Menge G der Partikel, die durch Oxidation entfernt werden können. Danach wird in Schritt 219 eines der Verfahren für die Erhöhung der Temperatur TF des Partikelfilters 22 auf etwa 600 °C durchgeführt.
Wenn dagegen in Schritt 214 entschieden wird, daß TF > 600 °C, geht die Routine zu Schritt 220 über, wo der Öffnungsgrad des Drosselventils 17 gesteuert wird, und dann wird in Schritt 221 der Öffnungsgrad des AGR-Steuerventils 25 gesteuert. Dann wird in Schritt 222 durch Wechseln des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses des Abgases zwischen fett und mager die SO_x-Freisetzung so gesteuert, daß SO_x von dem aktiven Sauerstoff freisetzenden/NO_x absorbierenden Mittel 61 freigesetzt wird.
Danach wird in Schritt 223 die SO_x-Freisetzungsmenge ΔSO_x von der SO_x-Menge ΣSOX subtrahiert. Diese SO_x-Freisetzungsmenge ΔSO_x kann auf einen bestimmten Wert gebracht werden oder kann gemäß dem Betriebszustand des Motors geändert werden. Dann wird in Schritt 224 entschieden, ob die SO_x-Menge ΣSOX negativ geworden ist. Wenn ΣSOX < 0, geht die Routine zu Schritt 225 über, wo das SO_x-Freisetzungs-Flag erneut gesetzt wird.
Allgemein gesagt ist jedoch in einem Verbrennungsmotor die Abgastemperatur während eines Niedriglastbetriebs niedrig. Daher ist es manchmal schwierig, die Menge G der Partikel, die durch Oxidation beseitigt werden können, größer zu machen als die Menge M der abgegebenen Partikel. Wenn jedoch eine Niedertemperaturverbrennung durchgeführt wird wie oben erwähnt, ist die Menge M der abgegebenen Partikel äußerst klein. Ferner wird, da die Temperatur des Abgases hoch ist, die Temperatur TF des Partikelfilters 22 hoch. Daher ist es auch während eines Niederlastbetriebs des Motors möglich, die Menge M der abgegebenen Partikel über die Menge M der abgegebenen Partikel zu erhöhen. Daher kann man sagen, daß sich die Niedertemperaturverbrennung für die Abgasreinigungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung sehr gut eignet.
Wie oben beschrieben, wird diese Niedertemperaturverbrennung nur in der Niedrigseiten-Betriebsregion I, die in 15 dargestellt ist, durchgeführt, und nicht in der Hochlastseiten-Betriebsregion II. Deshalb wird auch dann, wenn eine Niedertemperaturverbrennung durchgeführt wird, die Niedertemperaturverbrennung nur durchgeführt, wenn der Motorbetriebszustand in der Betriebsregion I von 15 liegt. Wenn der Motorbetriebszustand die Grenze X(N) überschreitet und in die Betriebsregion II kommt, wird die Niedertemperaturverbrennung zur normalen Verbrennung geändert. Das heißt, in der Betriebsregion I wird eine Temperaturverbrennung durchgeführt, während in der Betriebsregion II eine normale Verbrennung durchgeführt wird.
Mit Bezug auf 22–25 wird ein Umgehungsmechanismus dieser Ausführungsform erklärt. Das Abgasrohr 20a ist mit einem Abgasströmungs-Änderungsrohr 80 verbunden. Das Abgasströmungs-Änderungsrohr 80 hat drei Öffnungen. Diese Öffnungen sind mit einem ersten Abgaszweigrohr 81a, einem zweiten Abgaszweigrohr 81b bzw. einem Abgasrohr 82 verbunden.
Das heißt, im Abgasströmungs-Änderungsrohr 80 zweigen die ersten und zweiten Abgaszweigrohre 81a, 81b vom Abgasrohr 20a ab. Das erste Abgaszweigrohr 81a ist mit einem Ende des Partikelfilters 22 verbunden. Andererseits ist das zweite Abgaszweigrohr 81b ist mit dem anderen Ende des Partikelfilters 22 verbunden. Das heißt, die ersten und zweiten Abgaszweigrohre 81a, 81b sind miteinander verbunden, wodurch sie eine schleifenförmige Abgasleitung bilden.
Das Partikelfilter 22 ist in der schleifenförmigen Abgasleitung angeordnet. Nachstehend wird, um die Erklärung zu vereinfachen, das Ende des Partikelfilters 22, das mit dem ersten Abgaszweigrohr 81a verbunden ist, als erstes Ende bezeichnet, und das Ende des Partikelfilters 22, das mit dem zweiten Abgaszweigrohr 81b verbunden ist, wird als zweites Ende bezeichnet.
Ein Schaltventil 80a ist im Abgasströmungs-Änderungsrohr 80 angeordnet. Durch Ändern der Drehstellung des Schaltventils 80a wechselt die Art, in der das Abgas einströmt, zwischen dem Einströmen des Abgases in das erste Ende des Partikelfilters 22 durch das erste Abgaszweigrohr 81, dem Einströmen des Abgases in das zweite Ende des Partikelfilters 22 durch das zweite Abgaszweigrohr 81b und dem Einströmen des Abgases direkt in das Abgasrohr 82 ohne Passage durch das Partikelfilter 22.
Wenn das Schaltventil 80a in eine erste Drehstellung gebracht wird, wie in 22 dargestellt, strömt das Abgas stromaufwärts vom Abgasströmungs-Änderungsrohr 80 am ersten Ende des Partikelfilters 22 durch das erste Abgaszweigrohr 81a in das Partikelfilter 22, wie von einem Pfeil in 22 dargestellt. Das Abgas, das am ersten Ende des Partikelfilter 22 in das Partikelfilter 22 strömt, strömt am zweiten Ende des Partikelfilters stromabwärts vom Abgasströmungs-Änderungsrohr 80 durch das zweite Abgaszweigrohr 81b aus dem Partikelfilter 22 hinaus.
Ferner strömt, wenn das Schaltventil 80a in die zweite Drehstellung gebracht wird, wie in 24 dargestellt, das Abgas stromaufwärts vom Abgasströmungs-Änderungsrohr 80 am zweiten Ende des Partikelfilters 22 durch das zweite Abgaszweigrohr 81b in das Partikelfilter 22. Das Abgas, das am zweiten Ende des Partikelfilter 22 in das Partikelfilter 22 strömt, strömt am ersten Ende des Partikelfilters durch das erste Abgaszweigrohr 81a zum Abgasrohr 82 stromabwärts vom Abgasströmungs-Schaltventil 80 aus dem Partikelfilter 22 hinaus.
In dieser Ausführungsform wird, wie nachstehend detailliert erklärt, die Drehstellung des Schaltventils 80a, jedesmal wenn eine vorgegebene Zeit vergangen ist, zwischen der ersten und der zweiten Drehpositon gewechselt, um die Richtung, in der das Abgas in den Teilchenfilter 22 strömt, zu ändern. Daher strömen die Partikel so in das Partikelfilter 22 oder seine Trennwände 54, daß die Partikel durch Oxidation entfernt werden.
Wenn das Schaltventil 80a in eine Neutralstellung genau zwischen der ersten und der zweiten Drehstellung gebracht wird, wie in 25 dargestellt, strömt das Abgas stromaufwärts vom Abgasströmungs-Änderungsrohr 80 direkt ins Abgasrohr 80 stromabwärts vom Abgasströmungs-Änderungsrohr 80, ohne das Partikelfilter 22 zu passieren, wie von einem Pfeil in 25 dargestellt.
In der Neutralstellung ist der Druck des Abgases am ersten Ende des Partikelfilters 22 dem am zweiten Ende des Partikelfilters im allgemeinen gleich, so daß fast kein Abgas in das Partikelfilter 22 strömt. So wird bewirkt, daß das Abgas das Partikelfilter 22 umgeht, so daß die Abgasmenge, das in das Partikelfilter 22 strömt, im Allgemeinen null wird.
Auch wenn die Partikel im Partikelfilter 22 anhand eines Abgasreinigungsverfahrens wie oben erklärt durch Oxidation entfernt werden, werden die Partikel manchmal an der Oberfläche des Partikelfilters 22 abgeschieden. Wenn das auf der Oberfläche des Partikelfilters 22 abgeschiedene Partikel bleibt wie es ist, überziehen die abgeschiedenen Partikel die Oberfläche des Partikelfilters 22, und somit kann das Abgas das Partikelfilter 22 möglicherweise nicht passieren.
Deshalb werden in dieser Ausführungsform, wenn die Menge an Partikeln, die auf der Oberfläche des Partikelfilters 22 abgeschieden wurden, größer wird als eine vorgegebene Menge, die Partikel zwangsoxidiert oder allmählich verbrannt, um die Partikel vom Partikelfilter 22 entfernen. Es ist möglich, die angelagerten Partikel durch Anheben der Temperatur des Partikelfilters 22 auf eine bestimmte Temperatur (zum Beispiel eine Temperatur, bei der die Partikel oxidiert werden) zu oxidieren oder allmählich zu verbrennen.
Zum Beispiel ist es möglich, die Temperatur des Partikelfilters 22 dadurch anzuheben, daß Sauerstoff und Kohlenwasserstoff zum Partikelfilter 22 geleitet werden und der Sauerstoff und der Kohlenwasserstoff dann im Partikelfilter 22 verbrannt werden.
Ferner wird, wenn der Motor eine Niedertemperaturverbrennung durchführt, Abgas mit hoher Temperatur aus dem Motor ausgestoßen, so daß es auch möglich ist, die Temperatur des Partikelfilters 22 durch Durchführen einer Niedertemperaturverbrennung anzuheben.
Wenn in dieser Ausführungsform die Menge der abgeschiedenen Partikel relativ groß wird, wird ein Temperaturerhöhungsverfahren durchgeführt, um die Temperatur des Partikelfilters 22 auf eine bestimmte Temperatur anzuheben, wie die Partikeloxidierungstemperatur, um die abgeschiedenen Partikel zwangsweise zu oxidieren oder allmählich zu verbrennen.
Jedoch können die abgeschiedenen Partikel während des Temperaturerhöhungsverfahrens möglicherweise auf einmal verbrennen. Ferner können die abgeschiedenen Partikel auf einmal verbrennen, ohne daß ein Temperaturerhöhungsverfahren durchgeführt wird, wenn die Temperatur des Partikelfilters 22 eine Temperatur übersteigt, bei der die Partikel entzündet werden und sofort verbrennen, wobei sie eine leuchtende Flamme emittieren. In diesem Fall steigt die Temperatur des Partikelfilters 22 rasch an.
Deshalb kann ein Teil des Partikelfilters 22 möglicherweise durch die Verbrennungswärme der Partikel geschmolzen und thermisch beschädigt werden. Andererseits kann das aktiven Sauerstoff enthaltende Mittel auf dem Partikelfilter 22 möglicherweise durch die Verbrennungswärme der Partikel beschädigt werden. Um das Schmelzen des Partikelfilters 22 oder die Beschädigung des aktiven Sauerstoff freisetzenden Mittels zu verhindern, wird vorzugsweise verhindert, daß die angelagerten Partikel verbrennen.
Falls die abgeschiedenen Partikel nicht verbrennen, wird jedoch die Menge der abgeschiedenen Partikel allmählich groß, so daß der Prozeß der Oxidierung der Partikel im Partikelfilter 22 unterdrückt wird. Folglich kann das Partikelfilter die Partikel nicht durch Oxidation entfernen. Ferner kann das Abgas das Partikelfilter 22 nicht passieren, wenn die feinen Öffnungen der Trennwände 54 des Partikelfilters 22 durch die abgeschiedenen Partikel verstopft werden.
In dieser Ausführungsform wird beurteilt, ob das Partikelfilter 22 thermisch beschädigt wird. Wenn entschieden wird, daß das Partikelfilter 22 thermisch beschädigt wird, wird die Drehstellung des Schaltventils 80a in die Neutralstellung gebracht, so daß bewirkt wird, daß das Abgas das Partikelfilter 22 umgeht. Auf diese Weise wird dem Partikelfilter 22 kein Sauerstoff zugeführt, so daß die abgeschiedenen Partikel nicht verbrennen.
Wenn andererseits entschieden wird, daß das Partikelfilter 22 nicht thermisch beschädigt wird, wird die Drehstellung des Schaltventils 80a in die erste oder zweite Stellung gebracht, so daß bewirkt wird, daß das Abgas in das Partikelfilter 22 strömt.
Auf diese Weise wird dem Partikelfilter 22 Sauerstoff zugeführt, so daß die abgeschiedenen Partikel zwangsoxidiert und verbrannt werden.
Es wird ein Verfahren erklärt, mit dem gemäß dieser Ausführungsform beurteilt wird, ob das Partikelfilter thermisch beschädigt wird. Üblicherweise ist die Wärmemenge, die von den auf einmal verbrennenden Partikeln erzeugt wird, umso größer, je größer die Menge an abgeschiedenen Partikeln ist. Wenn die Menge der abgeschiedenen Partikel groß ist, ist daher die Gefahr, daß das Partikelfilter 22 thermisch beschädigt wird, groß. Das heißt, auf der Basis der Menge der abgeschiedenen Partikel ist es möglich, zu beurteilen, ob das Partikelfilter 22 thermisch beschädigt wird.
Es wurde in Betracht gezogen, daß die Menge an abgeschiedenen Partikeln aufgrund des Druckunterschieds (Druckverlustes) des Abgases stromaufwärts und stromabwärts vom Partikelfilter 22 bestimmt werden kann. In jüngeren Untersuchungen wurde gefunden, daß die Menge der abgeschiedenen Partikel manchmal auch dann groß ist, wenn der Druckverlust gering ist.
Dies liegt daran, daß die Partikel PM auf den Trennwänden 54 abgeschieden werden wie in 26 dargestellt, so daß die abgeschiedenen Partikel die Einlasse der feinen Öffnungen der Trennwände 54 nicht verschließen. Man nimmt hauptsächlich von zwei Dingen an, daß sie die thermisch verursachte Beschädigung des Partikelfilters bewirken, nämlich von der großen Wärmemenge, die von den abgeschiedenen Partikeln beim Brennen erzeugt wird, und von der geringen Wärmemenge, die vom Partikelfilter 22 abgestrahlt wird.
Je größer die Sauerstoffmenge ist, die in das Partikelfilter 22 strömt, desto größer ist die Wärmemenge, die durch das Verbrennen der abgeschiedenen Partikel erzeugt wird. Ferner ist die Wärmemenge, die vom Partikelfilter 22 abgestrahlt wird, umso kleiner, je kleiner die Abgasmenge ist, die in das Partikelfilter 22 strömt.
In dieser Ausführungsform wird, unter der Bedingung, daß die Temperatur des Partikelfilters 22 höher ist als die Entzündungstemperatur der Partikel 22, wenn die Sauerstoffmenge, die in das Partikelfilter 22 strömt, groß ist oder die Abgasmenge, die in das Partikelfilter 22 strömt, klein ist, entschieden, daß das Partikelfilter 22 thermisch beschädigt wird.
Andererseits wird in dieser Ausführungsform, wenn die Sauerstoffmenge, die in das Partikelfilter 22 strömt, groß ist oder die Abgasmenge, die in das Partikelfilter 22 strömt, klein ist, selbst unter der Bedingung, daß die Temperatur des Partikelfilters 22 höher ist als die Entzündungstemperatur der Partikel, entschieden, daß das Partikelfilter 22 nicht thermisch beschädigt wird.
Auf diese Weise können im Hinblick auf die thermische Beschädigung des Partikelfilters 22 die abgeschiedenen Partikel vom Partikelfilter 22 entfernt werden, ohne das Partikelfilter 22 thermisch zu beschädigen.
Mit Bezug auf 27 – 29 wird detailliert ein Verfahren für die Steuerung des Schaltventils erklärt, einschließlich der oben erklärten Verfahren zum Verhindern einer thermischen Beschädigung des Partikelfilters und zum Oxidieren der abgeschiedenen Partikel.
Die Drehstellung des Schaltventils 80a wird so gesteuert, daß sie entsprechend einem Ablaufdiagramm der 27 aus der ersten Drehstellung in die zweite Drehstellung oder aus der zweiten Drehstellung in die erste Drehstellung wechselt.
Zunächst wird in Schritt 250 beurteilt, ob der Zeitpunkt für die Änderung der Drehstellung des Schaltventils 80a gekommen ist. Dieser Zeitpunkt kommt beispielsweise jedesmal dann, wenn eine konstante Zeit vergangen ist, oder dann, wenn die Gesamtmenge der Partikel, die in das Partikelfilter 22 strömen, eine bestimmte konstante Menge erreicht, oder dann, wenn der Motor verlangsamt wird.
Wenn in Schritt 250 entschieden wird, daß der Zeitpunkt für die Änderung der Drehstellung des Schaltventils 80a gekommen ist, geht die Routine zu Schritt 251 über, wo die Drehstellung des Schaltventils 80a verändert wird.
Wenn dagegen in Schritt 250 entschieden wird, daß der Zeitpunkt für die Änderung der Drehstellung des Schaltventils 80a noch nicht gekommen ist, geht die Routine zu Schritt 252 über, ohne die Drehstellung des Schaltventils 80a zu verändern.
In Schritt 252 wird beurteilt, ob die Partikelmenge Apm, die in das Partikelfilter 22 strömt (im folgenden als einströmende Partikelmenge bezeichnet) einen vorgegebenen Wert ApmTH übersteigt (Apm > ApmTH). Die einströmende Partikelmenge wird mittels einer Integration der ausgestoßenen Partikelmengen oder des Druckverlusts, der vom Partikelfilter 22 erzeugt wird, falls ein Druckverlust zwischen dem stromaufwärtsseitigen und dem stromabwärtsseitigen Ende des Partikelfilters 22 vorliegt, oder des Unterschieds zwischen der Partikelmenge, die durch Oxidation entfernt werden kann, und der ausgestoßenen Partikelmenge oder des Ausgangssignals eines Sensors, der stromabwärts vom Partikelfilter 22 angeordnet ist, um die Partikelkonzentration zu erfassen, berechnet.
Wenn in Schritt 252 entschieden wird, daß Apm > ApmTH, geht die Routine zu Schritt 253 über, wo ein Temperaturerhöhungsverfahren durchgeführt wird, um die Temperatur des Partikelfilters 22 auf die Partikel-Oxidationstemperatur zu erhöhen, um die abgeschiedenen Partikel zu oxidieren.
Wenn andererseits in Schritt 252 entschieden wird, daß Apm ≤ ApmTH, geht die Routine zu Schritt 254 über, ohne das Temperaturerhöhungsverfahren durchzuführen.
In Schritt 254 wird das Verfahren zur Verhinderung einer thermischen Beschädigung gemäß eines Ablaufschemas von 28 durchgeführt.
Mit Bezug auf 28 wird das Verfahren zum Verhindern der thermischen Beschädigung erklärt. Zunächst wird in Schritt 300 beurteilt, ob die Temperatur TF des Partikelfilters 22 höher ist als eine vorgegebene Temperatur (zum Beispiel die Partikel-Entzündungstemperatur) TFTH (TF > TFTH).
Wenn in Schritt 300 entschieden wird, daß TF ≤ TFTH, wird davon ausgegangen, daß das Partikelfilter 22 nicht thermisch beschädigt wird. Dann wird die Routine beendet.
Andererseits geht, wenn in Schritt 300 entschieden wird, daß TF > TFTH, die Routine zu Schritt 301 über, wo aufgrund eines Kennfelds der 29A und 29B beurteilt wird, ob der gegenwärtige Motorbetrieb A in der Region D liegt (A = D). Im Kennfeld von 29A und 29B ist die Region D eine gefährliche Region, in der das Partikelfilter 22 thermisch beschädigt wird, und die Region S ist eine sichere Region, in der das Partikelfilter 22 nicht thermisch beschädigt wird.
29A zeigt ein Kennfeld, das verwendet wird, wenn der Motor unter einem mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnis arbeitet. Entsprechend dem Kennfeld von 29A ist die Menge des Abgases, die das Partikelfilter 22 passiert, umso kleiner, je kleiner die Menge der angesaugten Luft ist. Wenn die Wärmemenge, die vom Partikelfilter 22 abgestrahlt wird, klein ist, ist die Gefahr, daß der Motorbetrieb A in der gefährlichen Region D liegt, hoch.
Ferner ist die Menge des Sauerstoffs, die in den Partikelfilter 22 strömt, umso größer, je größer die Konzentration Co des Sauerstoffs im Abgas ist. Daher ist, wenn die Konzentration Co des Sauerstoffs im Abgas groß ist, die Gefahr groß, daß der Motorbetrieb A in der gefährlichen Region D liegt.
Eine Linie Lds, welche die gefährliche Region D von der sicheren Region S trennt, rückt zur sicheren Region S vor, wenn die Konzentration Chc des Kohlenwasserstoffs (HC) im Abgas groß wird. Das heißt, die Gefahr, daß eine thermisch bedingte Beschädigung auftritt, nimmt zu, wenn die HC-Konzentration Chc im Abgas ansteigt.
Andererseits zeigt 29B ein Kennfeld, das verwendet wird, wenn der Motor unter einem mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnis nahe dem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis oder generell unter dem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis oder unter einem fetten Luft/Kraftstoff-Verhältnis betrieben wird.
Entsprechend dem Kennfeld der 29B, ist die Gefahr, daß der Motorbetrieb A in der gefährlichen Region D liegt, umso größer, je kleiner die Menge der angesaugten Luft ist.
Ferner ist die Gefahr, daß der Motorbetrieb A in der gefährlichen Region D liegt, um so größer, je höher die Sauerstoffkonzentration Co im Abgas ist.
Eine Linie Lds, welche die gefährliche Region D von der sicheren Region A trennt, rückt zur gefährlichen Region D vor, wenn die HC-Konzentration Chc im Abgas hoch wird. Das heißt, die Gefahr, daß eine thermisch bedingte Beschädigung auftritt, wird groß, wenn die HC-Konzentration Chc im Abgas klein wird.
Der Grund dafür, daß die Tendenz zu einer Änderung der Wahrscheinlichkeit einer thermisch bedingten Beschädigung entsprechend der Änderung der HC-Konzentration im Abgas vom Luft/Kraftstoff-Verhältnis abhängt, ist folgender.
Wenn der Motor unter dem mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnis betrieben wird, ist die Konzentration des Sauerstoffs im Abgas groß. Selbst wenn die HC-Konzentration im Abgas groß wird und der Sauerstoff im Abgas somit mit HC reagiert und verbraucht wird, reicht die Menge an im Abgas zurückbleibendem Sauerstoff für kurze Zeit aus, um die abgeschiedenen Partikel im Partikelfilter 22 zu verbrennen.
Ferner wird, wenn die HC-Konzentration im Abgas hoch wird, die HC-Menge, die mit dem Sauerstoff reagiert, groß. Daher wird die Temperatur des Partikelfilters 22 durch die Reaktion von HC mit dem Sauerstoff stark erhöht, so daß die Gefahr einer thermisch bedingten Beschädigung groß wird.
Wenn der Motor unter einem mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnis nahe dem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis oder unter dem stöchiometrischen Luft/-Kraftstoff-Verhältnis oder unter einem fetten Luft/Kraftstoff-Verhältnis betrieben wird, ist andererseits die Sauerstoffmenge im Abgas ursprünglich klein. Wenn die HC-Konzentration im Abgas groß wird und somit HC im Abgas mit dem Sauerstoff reagiert, reicht die Sauerstoffmenge, die im Abgas zurückbleibt, nicht aus, um die abgeschiedenen Partikel auf einmal zu verbrennen, so daß die Gefahr der thermisch bedingten Beschädigung im Gegensatz zu dem Fall, daß der Motor unter dem mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnis betrieben wird, abnimmt.
Wenn in Schritt 301 entschieden wird, daß A = D, wird davon ausgegangen, daß das Partikelfilter 22 thermisch beschädigt wird, die Routine geht zu Schritt 302 über, wo eine Schaltventilsteuerung durchgeführt wird, um die Drehstellung des Schaltventils in die Neutralstellung zu bringen, und dann geht die Routine zu Schritt 303 über.
In Schritt 303 wird beurteilt, ob der Motorbetrieb A in der sicheren Region liegt (A = S). Wenn in Schritt 303 entschieden wird, daß A = S, geht die Routine zu Schritt 304 über. Wenn dagegen in Schritt 303 entschieden wird, daß A ≠ S, d.h. A = D, wird weiterhin Schritt 303 durchgeführt, bis in Schritt 303 entschieden wird, daß A = S. Nachdem die Drehstellung des Schaltventils 80a in Schritt 302 in die Neutralstellung gebracht wurde, wird die Drehstellung des Schaltventils 80a daher in der Neutralstellung gehalten, bis in Schritt 303 entschieden wird, daß A = S.
Wenn in Schritt 301 entschieden wird, daß A ≠ D, d.h. A = S, wird davon ausgegangen, daß das Partikelfilter 22 nicht thermisch beschädigt wird, und dann geht die Routine zu Schritt 304 über.
Man kann davon ausgehen, daß das Partikelfilter 22 nicht thermisch beschädigt wird, auch wenn die Routine beendet wird, um die in 27 dargestellte Schaltventilsteuerung durchzuführen, wenn in Schritt 303 geurteilt wird, daß A = S, und somit wird das Partikelfilter 22 nicht thermisch beschädigt. Jedoch werden in diesem Ablaufschema Schritte im Anschluß an Schritt 304 hinzugefügt, um die thermisch bedingte Beschädigung des Partikelfilters 22 zuverlässig zu verhindern.
Das heißt, die Temperatur TF vom Partikelfilter 22 ist immer noch höher als die vorgegebene Temperatur TFTH, selbst wenn in Schritt 303 entschieden wird, daß der Motorbetrieb A in der sicheren Region liegt. Ferner kann die Temperatur TF des Partikelfilters 22 lokal hoch sein, selbst wenn die Temperatur TF des Partikelfilters 22 niedriger ist als die vorgegebene Temperatur TFTH.
Unter dieser Bedingung wird, wenn die Routine von 28 beendet wird und die Drehstellung des Schaltventils 80 zwischen der ersten und der zweiten Drehstellung wechselt, die Einströmungsrichtung des Abgases wiederholt durch Ändern der Drehstellung des Schaltventils 80 umgekehrt, so daß die Hitze im mittleren Bereich des Partikelfilters 22 konzentriert wird, und dann verbrennen die abgeschiedenen Partikel möglicherweise auf einmal.
In dieser Ausführungsform wird, um zu vermeiden, daß die abgeschiedenen Partikel auf einmal verbrennen, ein Sicherheitsgrad, der die Wahrscheinlichkeit anzeigt, daß das Partikelfilter 22 nicht thermisch beschädigt wird, aufgrund der Temperatur und der Menge des Abgases und der Sauerstoff- und HC-Mengen, die in das Partikelfilter 22 strömen, geschätzt, und nur dann, wenn der Sicherheitsgrad hoch wird, wird die Routine von 28 beendet und kehrt die Routine zu der von 27 zurück.
Zu diesem Zweck geht, wenn in Schritt 303 entschieden wird, daß A = S, und somit das Partikelfilter 22 nicht thermisch beschädigt wird, die Routine zu Schritt 304 über, wo die Drehstellung des Schaltventils 80a in die erste oder zweite Drehstellung gebracht wird, und dann geht die Routine zu Schritt 305 über.
In Schritt 305 wird beurteilt, ob der Sicherheitszähler CS, der entsprechend dem Ablaufschema von 30 berechnet wird, größer ist als ein vorgegebener Wert CSTH (CS > CSTH).
Entsprechend dem Ablaufschema von 30 wird zunächst in Schritt 400 beurteilt, ob die Temperatur Tex des Abgases, das in das Partikelfilter 22 strömt, niedriger ist als eine vorgegebene Temperatur TexTH (Tex < TexTH).
Wenn in Schritt 44 entschieden wird, daß Tex < TexTH, geht die Routine zu Schritt 401 über, wo der Sicherheitszähler CS hochgezählt wird, und geht dann zu Schritt 402 über. Wenn andererseits in Schritt 400 entschieden wird, daß Tex ≥ TexTH, geht die Routine direkt zu Schritt 402 über.
In Schritt 402 wird beurteilt, ob die Menge Gex des Abgases, das ins Partikelfilter 22 strömt, größer ist als eine vorgegebene Menge Gex (Gex > GexTH).
Wenn in Schritt 402 entschieden wird, daß Gex < GexTH, geht die Routine zu Schritt 403 über, wo der Sicherheitszähler CS hochgezählt wird, und geht dann zu Schritt 404 über. Wenn entschieden wird, daß Gex ≤ GexTH, geht die Routine direkt zu Schritt 404 über.
In Schritt 404 wird beurteilt, ob die Menge Co des Sauerstoffs im Abgas, das ins Partikelfilter 22 strömt, kleiner ist als eine vorgegebene Menge CoTH (Co < CoTH).
Wenn in Schritt 404 entschieden wird, daß Co < CoTH, geht die Routine zu Schritt 405 über, wo der Sicherheitszähler CS hochgezählt wird, und geht dann zu Schritt 406 über. Wenn andererseits in Schritt 404 entschieden wird, daß Co ≥ CoTH, geht die Routine direkt zu Schritt 406 über.
In Schritt 406 wird beurteilt, ob die HC-Konzentration Chc im Abgas, das ins Partikelfilter 22 strömt, kleiner ist als eine vorgegebene Menge ChcTH (Chc < ChcTH). Wenn in Schritt 406 entschieden wird, daß Chc < ChcTH, geht die Routine zu Schritt 407 über, wo der Sicherheitszähler CS hochgezählt wird, und wird dann beendet. Wenn dagegen in Schritt 406 geurteilt wird, daß Chc ≥ ChcTH, wird die Routine beendet.
Wenn in Schritt 305 von 28 aufgrund des Sicherheitszählers CS, der wie oben beschrieben berechnet wurde, entschieden wird, daß CS > CSTH, wird davon ausgegangen, daß die Gefahr, daß die abgeschiedenen Partikel auf einmal verbrennen, fast null ist, und die Routine geht zu Schritt 306 über, wo der Sicherheitszähler zurückgesetzt wird, und wird dann beendet.
Wenn andererseits in Schritt 305 entschieden wird, daß CS ≤ CSTH, wird davon ausgegangen, daß die abgeschiedenen Partikel auf einmal verbrennen, und die Routine kehrt zu Schritt 301 zurück. Das heißt, unter der Bedingung, daß die abgeschiedenen Partikel auf einmal verbrennen können, kann der Motorbetrieb A in die gefährliche Region D kommen, so daß die Routine zu Schritt 301 zurückkehrt, um eine thermisch bedingte Beschädigung des Partikelfilters 22 zuverlässig zu verhindern, auch wenn der Motorbetrieb A in die gefährliche Region D kommt.
Im oben beschriebenen Verfahren für die Verhinderung einer thermisch bedingten Beschädigung wird in Schritt 304, nachdem die Drehstellung des Schaltventils 80 in die erste oder zweite Drehstellung gebracht wurde, die Drehstellung des Schaltventils 80a gehalten, bis der Sicherheitsgrad unter dem gegenwärtigen Motorbetrieb größer als ein bestimmter Schwellenwert wird.
Jedoch kann eine Einspritzdüse, die im Abgasrohr angeordnet ist, Wasser oder Stickstoff in das Partikelfilter 22 einspritzen, um die Temperatur des Partikelfilters 22 zwangsweise zu senken; wodurch der Sicherheitsgrad über den bestimmten Schwellenwert steigt. Alternativ kann die Routine, wenn nur die Temperatur des Partikelfilters 22 statt des Sicherheitsgrads verwendet wird, zum Ablaufschema von 27 zurückkehren, wenn die Temperatur TF des Partikelfilters unter die vorgegebene Temperatur TFTH oder unter eine Temperatur, die unter der vorgegebenen Temperatur TFTH liegt, sinkt.
Nun wird ein Verfahren erklärt, mit dem in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung die thermisch bedingte Beschädigung verhindert wird. In dieser Ausführungsform wird unmittelbar nach der Entscheidung, daß der Motorbetrieb in der gefährlichen Region liegt, das Abgas veranlaßt, den Partikelfilter nicht zu umgehen.
In dieser Ausführungsform wird beurteilt, ob der Motorbetrieb innerhalb eines Bereichs, der unter Berücksichtigung mehrerer Punkte, wie den Kraftstoffkosten oder der erforderlichen Motorlast, zulässig ist, in die sichere Region kommt, wenn die Motorbetriebsbedingung verändert wird. Wenn entschieden wird, daß der Motorbetrieb innerhalb des zulässigen Bereichs in die sichere Region kommt, wird die Motorbetriebsbedingung geändert, um den Motorbetrieb in die sichere Region zu bringen.
Die Parameter für die Bestimmung, ob der Motorbetrieb innerhalb der sicheren Region oder der gefährlichen Region liegt, sind die Temperatur des Partikelfilters 22, die Konzentration des Sauerstoffs im Abgas, die angesaugte Luftmenge und die HC-Konzentration im Abgas.
Um den Motorbetrieb in die sichere Region zu bringen, wird daher, wenn der Motor unter einem relativ hohen Luft/Kraftstoff-Verhältnis betrieben wird, die Temperatur des Partikelfilters 22 gesenkt oder die Sauerstoffkonzentration im Abgas reduziert oder die angesaugte Luftmenge erhöht oder die HC-Konzentration im Abgas reduziert. Wenn der Motor unter einem relativ niedrigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis betrieben wird, wird ferner die Sauerstoffkonzentration im Abgas erhöht.
Um die Temperatur des Partikelfilters 22 zu senken, wird zum Beispiel der Kraftstoff-Einspritzdruck von der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung erhöht, und der Zeitpunkt dafür wird verzögert.
Um die angesaugte Luftmenge zu erhöhen, wird beispielsweise die ARG-Rate reduziert oder, falls nötig, wird die ARG-Rate auf null reduziert oder das Übersetzungsverhältnis des Getriebes wird im Vergleich zum gegenwärtigen Verhältnis erhöht, um die Motordrehzahl zu erhöhen, wenn der Motor ein Automatikgetriebe aufweist.
Wenn die ARG-Rate auf null reduziert wird, wird die Geschwindigkeit der Kraftstoffverbrennung in der Brennkammer 5 sehr hoch, und somit kann der Geräuschpegel, der aus der Verbrennung stammt, über einen vorgegebenen Pegel steigen, so daß vorzugsweise eine Piloteinspritzung durchgeführt wird, um vorab eine kleine Menge an Kraftstoff einzuspritzen, bevor der Kraftstoff in die Brennkammer 5 eingespritzt wird, oder daß der Druck der Kraftstoffeinspritzung gesenkt wird, um den Anstieg des Geräuschpegels, der aus der Verbrennung stammt, zu unterdrücken.
Um die Sauerstoffkonzentration im Abgas zu senken, wird das Luft/Kraftstoff-Verhältnis gesenkt oder die AGR-Rate wird erhöht.
Vorzugsweise wird das Luft/Kraftstoff-Verhältnis gesenkt, wenn der Motor unter einem relativ niedrigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis betrieben wird, beispielsweise dann, wenn die Niedertemperaturverbrennung durchgeführt wird oder wenn im Verbrennungshub eine Kraftstoffeinspritzung durchgeführt wird, bei der es sich nicht um eine Kraftstoffeinspritzung handelt, um Kraftstoff für den Betrieb des Motors einzuspritzen.
Auf diese Weise ist es möglich, zu vermeiden, daß das Partikel enthaltende Abgas direkt in die Außenatmosphäre abgegeben wird, ohne das Partikelfilter 22 zu passieren, wenn der Motorbetriebszustand geändert wird. Wenn der Motorbetrieb nicht in die sichere Region kommt, selbst wenn der Motorbetriebszustand geändert wird, wird ein Verfahren durchgeführt, das dem Verfahren zum Verhindern der thermisch bedingten Beschädigung der ersten Ausführungsform ähnlich ist, so daß das Abgas dazu gebracht wird, das Partikelfilter 22 zu umgehen.
31 zeigt ein Ablaufdiagramm für die Durchführung eines Verfahrens der zweiten Ausführungsform zur Verhinderung der thermisch bedingten Beschädigung. In dem in 31 dargestellten Ablaufschema entsprechen die Schritte 500 – 506 außer den Schritte 501a und 501b den Schritten 300 – 306 von 28.
In dem in 31 dargestellten Ablaufschema geht die Routine, wenn in Schritt 501 geurteilt wird, daß der Motorbetrieb A in der gefährlichen Region D ist (A =D), zu Schritt 501a über, wo beurteilt wird, ob der Motorbetrieb A in die sichere Region S kommt, wenn die Motorbetriebsbedingung geändert wird.
Wenn in Schritt 501a entschieden wird, daß der Motorbetrieb A in die sichere Region kommt, geht die Routine zu Schritt 501b über, wo die Motorbetriebsbedingung geändert wird, so daß der Motorbetriebszustand A in die sichere Region S kommt.
Wenn andererseits in Schritt 501a entschieden wird, daß der Motorbetrieb A nicht in die sichere Region S kommen kann, geht die Routine zu Schritt 502 über. Die übrigen Schritte sind die gleichen wie die von 31, daher wird auf ihre Erklärung verzichtet.
Wenn die Menge des Abgases, die in das Partikelfilter 22 strömt, reduziert werden sollte, um die abgeschiedenen Partikel im Partikelfilter 22 allmählich und nicht auf einmal zu verbrennen, kann der in 22 – 25 dargestellte Umgehungsmechanismus verwendet werden, um eine kleine Abgasmenge in das Partikelfilter 22 einzulassen.
In diesem Fall wird die Drehstellung des Schaltventils 80 in eine Stellung gebracht, die etwas von der Neutralstellung zur ersten oder zweiten Drehstellung hin verschoben ist. Auf diese Weise kommt es zu einem Druckunterschied zwischen dem ersten und dem zweiten Ende des Partikelfilters, so daß eine geringe Menge Abgas in das Partikelfilter 22 strömt.
Nun wird mit Bezug auf 32 ein Verfahren der dritten Ausführungsform zum Entfernen der abgeschiedenen Partikel durch Oxidation erklärt, welches die Verhinderung der thermisch bedingten Beschädigung des Partikelfilters 22 einschließt. In dem Verfahren dieser Ausführungsform zum Verhindern der thermisch bedingten Beschädigung des Partikelfilters werden mehrere Konzepte verwendet, die in der ersten und zweiten Ausführungsform verwendet werden, und ferner ist ein Verfahren für die Entfernung von SO_x vom Partikelfilter eingeschlossen.
In einem in 32 dargestellten Ablaufschema wird in Schritt 600 zunächst beurteilt, ob die Menge der abgeschiedenen Partikel Apm größer ist als eine vorgegebene Menge ApmTH (ApmTH > ApmTH). Die Menge Apm der abgeschiedenen Partikel wird beispielsweise durch Integrieren der Menge der abgeschiedenen Partikel pro Zeiteinheit berechnet, die zuvor experimentell als Funktion der Motordrehzahl N und der erforderlichen Motorlast L erhalten wurde.
Wenn in Schritt 600 entschieden wird, daß Apm > ApmTH, d.h. wenn entschieden wird, daß die abgeschiedenen Partikel durch Oxidation entfernt werden sollten, geht die Routine zu Schritt 601 über, wo ein Temperaturerhöhungsverfahren durchgeführt wird, um die Temperatur des Partikelfilters 22 auf die Partikel-Oxidationstemperatur zu erhöhen, und geht dann zu Schritt 602 über.
Um die Temperatur des Partikelfilters zu erhöhen, wird beispielsweise die Niedertemperaturverbrennung durchgeführt. Um die Temperatur des Partikelfilters anzuheben, kann alternativ ein in der Abgasleitung angeordnetes Abgasdrosselventil geschlossen werden, um die erforderliche Motorlast zu erhöhen, wodurch die Menge des eingespritzten Kraftstoffs erhöht wird.
Um die Temperatur des Partikelfilters anzuheben, kann während des Verbrennungstakts ferner eine kleine Menge an Kraftstoff, bei dem es sich nicht um den Kraftstoff handelt, um den Motor zu betreiben, eingespritzt und verbrannt werden, um die Temperatur des Abgases zu erhöhen.
Andererseits wird in Schritt 600 entschieden, daß Apm ≤ ApmTH, geht die Routine direkt zu Schritt 602 über.
In Schritt 602 wird das Verfahren zur Verhinderung einer thermisch bedingten Beschädigung entsprechend einem in 33 dargestellten Ablaufschema durchgeführt.
In dem in 33 dargestellten Ablaufschema wird zunächst in Schritt 605 beurteilt, ob eine Bedingung (eine Bedingung für die Verhinderung der thermisch bedingten Beschädigung) erfüllt ist, laut der das Verfahren für die Verhinderung der thermisch bedingten Beschädigung durchgeführt werden sollte. Ferner wird dies entsprechend einem in 34 dargestellten Ablaufdiagramm beurteilt.
In dem in 34 dargestellten Ablaufschema wird in Schritt 700 zunächst beurteilt, ob die Temperatur TF des Partikelfilters 22 höher ist als eine vorgegebene Temperatur TFTH (TF > TFTH). Die vorgegebene Temperatur wird zum Beispiel bei der Entzündungstemperatur der Partikel angesetzt.
Wenn in Schritt 700 entschieden wird, daß TF > TFTH, geht die Routine zu Schritt 701 über, wo entschieden wird, daß die Bedingung für die Verhinderung einer thermisch bedingten Beschädigung erfüllt ist.
Wenn in Schritt 700 dagegen entschieden wird, daß TF ≤ TFTH, wird entschieden, daß die Bedingung für die Verhinderung einer thermisch bedingten Beschädigung nicht erfüllt ist, und dann wird die Routine beendet.
Wenn in Schritt 605 von 33 die Bedingung für die Verhinderung einer thermisch bedingten Beschädigung erfüllt ist, geht die Routine zu Schritt 606 über, wo das Verfahren für die Verhinderung der thermisch bedingten Beschädigung durchgeführt wird.
Im Verfahren zum Verhindern der thermisch bedingten Beschädigung wird das Abgas dazu gebracht, das Partikelfilter 22 zu umgehen, um die Menge des Abgases, das in das Partikelfilter 22 strömt, unter einen ersten Schwellenwert, vorzugsweise null, zu senken, oder die angesaugte Luftmenge wird gesenkt, um die Abgasmenge, die ins Partikelfilter 22 strömt, unter einen ersten Schwellenwert zu senken, oder die Motordrehzahl wird erhöht, um die Abgasmenge, die ins Partikelfilter 22 strömt, über einen zweiten Schwellenwert anzuheben.
Der erste Schwellenwert ist die Abgasmenge, die klein genug ist, um das Verbrennen der abgeschiedenen Partikel zu verhindern. Der zweite Schwellenwert ist die Abgasmenge, die groß genug ist, um die Verbrennungswärme der abgeschiedenen Partikel abzustrahlen, um die thermisch bedingte Beschädigung des Partikelfilters 22 zu verhindern.
Das Verfahren zum Verhindern der thermisch bedingten Beschädigung wird beendet, nachdem eine vorgegebene Zeit vergangen ist, und dann wird mit der Durchführung des normalen Verfahrens begonnen. Die vorgegebene Zeit ist beispielsweise eine Zeit, die ausreicht, um die Temperatur des Partikelfilters 22 in die Nähe der Partikel-Oxidationstemperatur abzusenken.
In Schritt 603 von 32 wird beurteilt, ob die Menge As des Schwefels S, der am Partikelfilter 22 haftet, größer ist als eine vorgegebene Menge AsTH (As > AsTH).
Der Schwefel S, der im Abgas enthalten ist, haftet an der Oberfläche des Partikelfilters 22. Wenn das Partikelfilter 22 ein NO_x-Absorptionsmittel umfaßt, das zur NO_x-Absorbierung und -Abgabe in der Lage ist, und das NO_x absorbiert und festhält, wenn ein Sauerstoffüberschuß in der Umgebung vorliegt, und das festgehaltene NO_x abgibt, wenn die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung sinkt, unterdrückt der anhaftende Schwefel die NO_x-Absorptions- und -Abgabefähigkeit.
Wenn in diesem Ablaufdiagramm in Schritt 603 entschieden wird, daß die Menge des anhaftenden Schwefels S relativ groß ist, wird ein Verfahren durchgeführt, um den anhaftenden Schwefel S vom Partikelfilter 22 zu entfernen.
Man beachte, daß das aktiven Sauerstoff freisetzende Mittel mit einem Edelmetallkatalysator, wie Platin Pt, verwendet wird. Ferner wird als das aktiven Sauerstoff freisetzende Mittel mindestens ein Alkalimetall, wie Kalium K, Natrium Na, Lithium Li, Cäsium Cs und Rubidium Rb, und/oder ein Erdalkalimetall, wie Barium Ba, Calcium Ca und Strontium Sr, und/oder eine seltene Erde, wie Lanthan La, Yttrium Y und Cer Ce, und/oder ein Übergangsmetall, wie Eisen Fe, und/oder ein Element der Kohlenstoff-Familie, wie Zinn Se, verwendet.
Im Einzelnen wird in Schritt 603 entschieden, daß As > AsTH, geht die Routine zu Schritt 604 über, wo der Motor unter einem fetten Luft/Kraftstoff-Verhältnis betrieben wird, um das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases fetter zu machen als das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis. Dadurch wird die Sauerstoffkonzentration im Partikelfilter 22 reduziert, während der Kohlenwasserstoff im Abgas mit dem Sauerstoff reagiert, um die Temperatur des Partikelfilters 22 zu erhöhen. Deshalb wird der Schwefel S, der am Partikelfilter 22 haftet, vom Partikelfilter 22 gelöst.
Die Temperatur zum Lösen des Schwefels vom Partikelfilter 22 ist höher als die Partikel-Oxidationstemperatur, so daß es in Anbetracht der Energieeffizienz bevorzugt ist, daß die Temperatur des Partikelfilters 22 auf die Schwefel-Ablösungstemperatur angehoben wird, nachdem die Temperatur des Partikelfilters 22 in Schritt 601 auf die Partikel-Oxidationstemperatur angehoben wurde.
Wie oben erläutert, wird in dieser Ausführungsform ein Temperaturerhöhungsverfahren durchgeführt, wenn die Menge der abgeschiedenen Partikel höher ist als die vorgegebene Menge. Alternativ dazu kann das Temperaturerhöhungsverfahren durchgeführt werden, wenn der Druckunterschied (Druckverlust) des Abgases stromaufwärts und stromabwärts vom Partikelfilter 22 über einem vorgegebenen Niveau liegt, wenn es zu einem Druckverlust kommt.
Wie oben erläutert, wird in dieser Ausführungsform aufgrund der Temperatur des Partikelfilters beurteilt, ob das Verfahren zur Verhinderung der thermisch bedingten Beschädigung durchgeführt werden sollte. Alternativ dazu kann zusätzlich zur Temperatur des Partikelfilters 22 die Menge der angesaugten Luft, die in die Brennkammer strömt, oder die Abgasmenge, die in das Partikelfilter 22 strömt (die zuströmende Abgasmenge) verwendet werden, um zu beurteilen, ob das Verfahren zum Verhindern der thermisch bedingten Beschädigung durchgeführt werden sollte.
35 zeigt ein Ablaufschema einer anderen Ausführungsform, um aufgrund der Temperatur TF des Partikelfilters 22 und der Menge des einströmenden Abgases Gex zu beurteilen, ob die Bedingung zum Verhindern der thermisch bedingten Beschädigung erfüllt ist.
In dem in 35 dargestellten Ablaufschema wird in Schritt 800 zunächst beurteilt, ob die Temperatur TF des Partikelfilters 22 höher ist als eine vorgegebene Temperatur TFTH (TF > TFTH).
Wenn in Schritt 800 entschieden wird, daß TF > TFTH, geht die Routine zu Schritt 801 über, wo beurteilt wird, ob die Menge Gex des einströmenden Abgases größer ist als eine minimale Menge GexMin und kleiner als eine maximale Menge GexMax (GexMin < Gex < GexMax).
Wenn in Schritt 801 entschieden wird, daß GexMin < Gex < GexMax, das heißt, wenn entschieden wird, daß die Temperatur des Partikelfilters 22 höher ist als die Parti kel-Entzündungstemperatur, und die Menge des einströmenden Abgases nicht ausreicht, um die Verbrennungswärme der abgeschiedenen Partikel schnell abzustrahlen, und die Menge des zuströmenden Sauerstoffs nicht ausreicht, um das Verbrennen der abgeschiedenen Partikel zu fördern, wird davon ausgegangen, daß die thermisch bedingte Beschädigung des Partikelfilters 22 verhindert werden sollte, daher geht die Routine zu Schritt 802 über, wo entschieden wird, daß die Bedingung für eine Verhinderung der thermisch bedingten Beschädigung erfüllt ist.
Man beachte, daß die vorliegende Erfindung auch auf eine Abgasreinigungsvorrichtung angewandt werden kann, die so ausgelegt ist, daß ein Oxidationskatalysator in der Abgasleitung stromaufwärts vom Partikelfilter angeordnet ist, das NO im Abgas durch diesen Oxidationskatalysator zu NO₂ umgewandelt wird, das NO₂ und die auf dem Partikelfilter abgeschiedenen Partikel zur Reaktion gebracht werden, und dieses NO₂ verwendet wird, um die Partikel zu oxidieren.
Wie oben erläutert, ist es entsprechend der vorliegenden Erfindung möglich, die Partikel im Abgas auf dem Partikelfilter kontinuierlich zu oxidieren und zu entfernen, während das NO_x im Abgas ebenfalls beseitigt wird.

Claims

Abgasreinigungsvorrichtung für einen Motor mit einer Brennkammer, wobei die Vorrichtung aufweist: einen Abgaskanal, ein in dem Abgaskanal angeordnetes Partikelfilter zum oxidativen Entfernen von Partikeln im aus der Brennkammer ausgestoßenen Abgas, eine Vorrichtung zum Steuern der Kenngröße des in das Partikelfilter strömenden Abgases und ein Mittel zur Beurteilung, ob das Partikelfilter durch die aus der Oxidation der Partikel stammende Hitze beschädigt wird, wobei, wenn das Beurteilungsmittel entscheidet, daß das Partikelfilter durch Hitze beschädigt wird, die Steuervorrichtung die Kenngröße des in das Partikelfilter strömenden Abgases zur Vermeidung einer hitzebedingten Beschädigung des Partikelfilters verändert, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung die Menge des in das Partikelfilter strömenden Abgases steuern kann, und worin, wenn das Beurteilungsmittel entscheidet, daß das Partikelfilter durch Hitze beschädigt wird, die Steuervorrichtung eine erste Steueroperation durchführt, um die Menge des in das Partikelfilter strömenden Abgases unter einen ersten Grenzwert zu senken, und eine zweite Steueroperation, um die Menge des in das Partikelfilter strömenden Abgases über einen zweiten Grenzwert zu erhöhen, der größer ist als der erste Grenzwert.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung ferner einen Umgehungsmechanismus umfaßt, um wenigsten einen Teil des Abgases am Partikelfilter vorbeiströmen zu lassen, und wobei die Steuervorrichtung die Menge des in das Partikelfilter strömenden Abgases durch den Umgehungsmechanismus unter den ersten Grenzwert senkt, wodurch wenigstens ein Teil des Abgases das Partikelfilter umgeht.
Abgasreinigungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung die Menge des in das Partikelfilter strömenden Abgases durch Verringern der in die Brennkammer eingelassenen Luft unter den ersten Grenzwert senkt, und die Menge des in den Partikelfilter strömenden Abgases durch Erhöhen der Menge der in die Brennkammer eingelassenen Luft über den zweiten Grenzwert erhöht.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Steuervorrichtung die Menge der in die Brennkammer eingelassenen Luft durch Vermindern der Motordrehzahl senkt, und die Menge der in die Brennkammer eingelassenen Luft durch Erhöhung der Motordrehzahl erhöht.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Beurteilungsmittel entscheidet, daß das Partikelfilter durch Hitze beschädigt wird, wenn die Temperatur des Partikelfilters höher als eine vorgegebene Temperatur ist.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die vorgegebene Temperatur eine Temperatur ist, bei der das Partikel entzündet wird.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Beurteilungsmittel entscheidet, daß das Partikelfilter durch Hitze beschädigt wird, wenn die Temperatur des Partikelfilters höher als eine vorgegebene Temperatur ist und die Sauerstoffkonzentration im Abgas höher als eine vorgegebene Konzentration ist.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 7, wobei die vorgegebene Temperatur eine Temperatur ist, bei der das Partikel entzündet wird.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 7, wobei bei einem mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases die vorgegebene Konzentration so festgesetzt wird, daß sie niedrig wird, wenn die Kohlenwasserstoffkonzentration im Abgas steigt, und sie bei einem stöchiometrischen oder hohen Luft/Kraftstoff-Verhältnis so festgesetzt wird, daß sie hoch wird, wenn die Kohlenwasserstoffkonzentration im Abgas steigt.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 7, wobei die vorgegebene Konzentration so gesetzt wird, daß sie hoch wird, wenn die Menge der in die Brennkammer eingelassenen Luft groß wird.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei, wenn das Beurteilungsmittel vor Änderung der Kenngröße des Abgases durch die Steuervorrichtung entscheidet, daß das Partikelfilter durch Hitze beschädigt wird, das Beurteilungsmittel beurteilt, ob die Temperatur des Partikelfilters durch Ändern der Kenngröße des Abgases unter eine vorgegebene Temperatur sinkt, und ob die Sauerstoffkonzentration im Abgas durch Ändern der Kenngröße des Abgases unter eine vorgegebene Konzentration sinkt, und die Steuervorrichtung die Kenngröße des Abgases verändert, um die Temperatur des Partikelfilters unter die vorgegebene Temperatur zu senken, wenn das Beurteilungsmittel entscheidet, daß die Temperatur des Partikelfilters durch Verändern der Kenngröße des Abgases unter die vorgegebene Temperatur sinkt, und die Steuervorrichtung die Kenngröße des Abgases verändert, um die Konzentration des Sauerstoffs im Abgas unter die vorgegebene Konzentration zu senken, wenn das Beurteilungsmittel entscheidet, daß die Konzentration des Sauerstoffs im Abgas unter die vorgegebene Konzentration sinkt.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Steuereinrichtung die Kenngröße des Abgases durch Steuern der Motorbetriebsbedingung steuert.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Vorrichtung ferner einen Umgehungsmechanismus umfaßt, um wenigstens einen Teil des Abgases an dem Partikelfilter vorbeizuführen, und wobei die Steuervorrichtung einen Teil des Abgases durch Umgehen des Partikelfilters mittels des Umgehungsmechanismus vorbeiführt, wenn das Beurteilungsmittel entscheidet, daß durch Verändern der Kenngröße des Abgases die Temperatur des Partikelfilters nicht unter die vorgegebene Temperatur sinkt und die Konzentration des Sauerstoffs im Abgas nicht unter als die vorgegebene Konzentration sinkt.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung ferner einen Umkehrmechanismus zum Umkehren der Strömungsrichtung des in den Partikelfilter strömenden Abgases umfaßt.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Partikelfilter einen Edelmetallkatalysator trägt.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Partikelfilter ein aktiven Sauerstoff freisetzendes Mittel trägt, das Sauerstoff absorbiert und den Sauerstoff festhält, wenn überschüssiger Sauerstoff in der Umgebung vorliegt, und den festgehaltenen Sauerstoff in Form von aktivem Sauerstoff freisetzt, wenn die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung sinkt, und wobei der aktive Sauerstoff von dem aktiven Sauerstoff freisetzenden Mittel freigesetzt wird und die auf dem Partikelfilter haftenden Partikel durch den freigesetzten aktiven Sauerstoff oxidiert werden, wenn die Partikel auf dem Partikelfilter haften.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 16, wobei das aktiven Sauerstoff freisetzende Mittel mindestens ein Alkalimetall und oder ein Erdalkalimetall und/oder eine seltene Erde, ein Übergangsmetall und/oder ein Element der Kohlenstoff-Familie umfaßt.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 17, wobei das Alkalimetall und das Erdalkalimetall aus Metallen bestehen , die eine höhere Ionisierungstendenz haben als Calcium.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die auf dem Partikelfilter haftenden Partikel durch zeitweiliges Anfetten des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses eines Teils oder des gesamten Abgases oxidiert werden.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Partikelfilter ein NO_x-Absorptionsmittel trägt zum Absorbieren von NO_x im Abgas, wenn überschüssiger Sauerstoff in der Umgebung vorliegt, und zum Freisetzen des absorbierten NO_x, wenn die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung fällt, und wobei die Kenngröße des in das Partikelfilter strömenden Abgases wieder zur ursprünglichen Kenngröße gemacht wird, wenn ein vorgegebener Zeitraum ab dem Zeitpunkt verstrichen ist, zu dem die Steuervorrichtung die Kenngröße des Abgases verändert hat, und an dem Partikelfilter haftender Schwefel durch Anfetten des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses eines Teils oder des gesamten Abgases von dem Partikelfilter gelöst wird.