DE60107765T2

DE60107765T2 - Vorrichtung zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE60107765T2
Application number: DE60107765T
Authority: DE
Inventors: Shizuo Toyota-shi Aichi-ken Sasaki
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-06-29
Filing date: 2001-06-27
Publication date: 2005-05-12
Anticipated expiration: 2021-06-28
Also published as: DE60107765D1; EP1167707B1; US6490857B2; EP1167707A2; EP1167707A3; US20020002822A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Das Abgas eines Verbrennungsmotors und insbesondere eines Dieselmotors enthält Partikel mit Kohlenstoff als einer Leitkomponente. Partikel sind schädliche Materialien, und daher ist vorgeschlagen worden, daß ein Partikelfilter im Abgassystem angeordnet bzw. eingerichtet werden sollte, um die Partikel abzuscheiden, bevor sie in die Atmosphäre abgegeben werden. In einem solchen Partikelfilter müssen die abgeschiedenen Partikel verbrannt und entfernt werden, um einen Anstieg des Widerstandes für das Abgas aufgrund der verstopften Gitter zu vermeiden.
Bei einer solchen Regeneration des Partikelfilters entzünden, wenn die Temperatur der Partikel auf etwa 600 Grad C ansteigt, sie sich und verbrennen. Jedoch ist die Temperatur eines Abgases eines Dieselmotors gewöhnlich beträchtlich niedriger als 600 Grad C, und daher ist eine Heizvorrichtung erforderlich, um den Partikelfilter selbst zu erwärmen.
Die japanische geprüfte Patentveröffentlichung Nr. 7-106290 offenbart, daß, wenn eines der Platingruppemetalle und eines der Oxide der Erdalkalimetalle auf dem Filter getragen werden, die Partikel auf dem Filter verbrennen und sukzessiv bei etwa 400 Grad C entfernt werden. 400 Grad C ist eine typische Temperatur des Abgases eines Dieselmotors.
Wenn der oben genannte Filter verwendet wird, ist die jedoch die Temperatur des Abgases nicht immer etwa 400 Grad C. Ferner kann eine große Menge an Partikeln vom Motor abgegeben werden. Daher können sich Partikel, die nicht bei jedem Mal verbrannt und entfernt werden können, auf dem Filter absetzen.
Wenn sich eine bestimmte Menge an Partikeln auf dem Filter absetzt, sinkt bei diesem Filter die Fähigkeit, Partikel zu verbrennen und zu entfernen in soweit als sich der Filter nicht selbst regenerieren kann. Wenn ein solcher Filter nur im Abgassystem angeordnet ist, kann daher das Verstopfen der Filtergitter relativ schnell auftreten.
Andererseits können, wenn NO₂ mit den Partikeln auf dem Partikelfilter reagiert, die Partikel bei einer relativ niedrigen Temperatur verbrannt werden (NO₂ + C → NO + CO, NO₂ + CO → NO + CO₂, 2NO₂ + C → 2NO + CO₂).
Jedoch ist der größte Teil des NO_x, das im Abgas enthalten ist, NO, und daher muß NO in NO₂ umgewandelt werden, um die Partikel unter Verwendung bzw. Verbrauch von NO₂ zu verbrennen. Die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 8-338229 offenbart eine Oxidationskatalysatorvorrichtung, die stromaufwärts vom Partikelfilter angeordnet ist. Die Oxidationskatalysatorvorrichtung ist in der Lage, NO zu NO₂ umzuwandeln. Weiter kann ein bekanntes NO_x-Absorbens das absorbierte NO in Gestalt von NO₂ freisetzen. Die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 8-338229 offenbart auch, daß das NO_x-Absorbens auf dem Partikelfilter getragen wird. Daher können NO₂, das von der Oxidationskatalysatorvorrichtung umgewandelt worden ist, und NO₂, das vom NO_x-Absorbens freigesetzt worden ist, die Partikel auf dem Partikelfilter bei einer relativ niedrigen Temperatur verbrennen. Jedoch wird die Temperatur des Abgases bei Nieder-Motorlast-Betrieb sehr niedrig, wobei der Oxidationkatalysator NO nicht in NO₂ umwandeln und das NO_x-Absorbens NO₂ nicht freisetzen kann. Demgemäß offenbart die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 8-338229, daß im Nieder-Motorlast-Betriebsbereich immer Kraftstoff und Sekundärluft ins Abgassystem eingespeißt werden, um die Temperatur des Partikelfilters durch die zugehörige Ver brenungswärme zu steigern. Daher verschlechtert sich in der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung Nr. 8-338229 der Kraftstoffverbrauchswert des Motors.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Reinigung des Abgases eines Verbrennungsmotors bereitzustellen, die ein Verstopfen der Partikelfiltergitter durch die darauf abgeschiedenen Partikel ohne Verschlechterung des Kraftstoffverbrauchs des Motors vermeiden kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Reinigung des Abgases eines Verbrennungsmotors bereitgestellt, die einen Partikelfilter enthält, der im Abgassystem angeordnet ist, auf dem die abgeschiedenen Partikel oxidiert werden, wobei der Motor in einer ersten Betriebsart, in der die Priorität besteht, seinen Kraftstoffverbrauch zu verbessern, und einer zweiten Betriebsart betrieben werden kann, in der Priorität besteht, den Partikelfilter zu regenerieren, um die abgeschiedenen Partikel zu oxidieren, und nach Bedarf wird entweder die erste oder die zweite Betriebsart gewählt, um den Motor zu betreiben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
In der Zeichnung:
1 ist eine schematische vertikale Schnittansicht eines Dieselmotors mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Reinigen des Abgases;
2(A) ist eine Vorderansicht, die die Struktur des Partikelfilters zeigt;
2(B) ist eine Seitenschnittansicht, die die Struktur des Partikelfilters zeigt;
3(A) und 3(B) sind vergrößterte Ansichten der Trägerschicht des Partikelfilters;
4(A), 4(B) und 4(C) sind Ansichten, die die Oxidationsphase der Partikel zeigen;
5 ist eine Ansicht, die die Menge an Partikeln zeigt, die oxidiert und entfernt werden können, ohne eine leuchtende Flamme pro Zeiteinheit zu erzeugen;
6(A) ist eine Ansicht, die eine erste Betriebsart zeigt, in der die Priorität besteht, den Kraftstoffverbrauch des Motors zu verbessern;
6(B) ist eine Ansicht, die eine zweite Betriebsart zeigt, in der die Priorität besteht, den Partikelfilter zu regenerieren;
7 ist ein Flußdiagramm, das ein Motorbetriebssteuerverfahren einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
8 ist ein Flußdiagramm, das eine Subroutine zeigt, die bei Schritt 101 von 7 ausgeführt wird;
9(A) und 9(B) sind Ansichten, die Luft-Kraftstoff-Verhältnisse in, einem Nieder-Motorlast-Betriebsbereich (A1) darstellen;
10(A) ist eine Karte bzw. ein Routineverzeichnis von Soll-Öffnungsgraden des Drosselventils im Nieder-Motorlast-Betriebsbereich (A1);
10(B) ist eine Karte von Soll-Öffnungsgraden des EGR-Steuerventils im Nieder-Motorlast-Betriebsbereich (A1);
11 ist eine Karte von Soll-Startzeitpunkten der Kraftstoffeinspritzung im Nieder-Motorlast-Betriebsbereich (A1);
12(A) ist eine Karte von Sollmengen an eingespritztem Kraftstoff in einem Mittel- und Hoch-Motorlast-Betriebsbereich (A2);
12(B) ist eine Karte von Soll-Startzeitpunkten der Kraftstoffeinspritzung im Mittel- und Hoch-Motorlast-Betriebsbereich (A2);
13(A) und 13(B) sind Ansichten, die Luft-Kraftstoff-Verhältnisse im Mittel- und Hoch-Motorlast-Betriebsbereich (A2) darstellen;
14(A) ist eine Karte von Soll-Öffnungsgraden des Drosselventils im Mittel- und Hoch-Motorlast-Betriebsbereich (A2);
14(B) ist eine Karte von Soll-Öffnungsgraden des EGR-Steuerventils im Mittel- und Hoch-Motorlast-Betriebsbereich (A2);
15 ist eine Ansicht, die die Mengen an erzeugtem Rauch, NO_x und dergleichen darstellt;
16(A) und 16(B) sind Ansichten, die den Verbrennungsdruck darstellen;
17 ist eine Ansicht, die die Kraftstoffmoleküle zeigt;
18 ist eine Ansicht, die das Verhältnis zwischen der Menge an erzeugtem Rauch und der EGR-Rate darstellt;
19 ist eine Ansicht, die das Verhältnis zwischen der Menge an eingespritztem Kraftstoff und der Menge an Mischgas darstellt;
20 ist eine Ansicht, die den Öffnungsgrad des Drosselventils, den Öffnungsgrad des des EGR-Steuerventils, die EGR-Rate, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt und die Menge an eingespritzem Kraftstoff zur erforderlichen Motorlast darstellt;
21 ist ein Teil eines Flußdiagramms, das eine Subroutine darstellt, die bei Schritt 102 von 7 ausgeführt wird;
22 ist der Restteil bzw. die Fortsetzung des Flußdiagramms von 21;
23(A) ist eine Karte von Kraftstoffsollmengen der Haupt-Kraftstoffeinspritzung in einem Mittel-Motorlast-Betriebsbereich (B2);
23(B) ist eine Karte von Soll-Startzeitpunkten der Haupt-Kraftstoffeinspritzung im Mittel-Motorlast-Betriebsbereich (B2);
24(A) ist eine Karte von Kraftstoffsollmengen der Neben-Kraftstoffeinspritzung im Mittel-Motorlast-Betriebsbereich (B2);
24(B) ist eine Karte von Soll-Startzeitpunkten der Neben-Kraftstoffeinspritzung im Mittel-Motorlast-Betriebsbereich (B2);
25(A) ist eine Karte von Luft-Kraftstoff-Verhältnissen im Mittel-Motorlast-Betriebsbereich (B2);
25(B) ist eine Karte von Soll-Öffnungsgraden des Drosselventils im Mittel-Motorlast-Betriebsbereich (B2);
25(C) ist eine Karte von Soll-Öffnungsgraden des EGR-Steuerventils im Mittel-Motorlast-Betriebsbereich (B2);
26 ist ein Flußdiagramm, das ein Steuerverfahren zur Verhinderung eines übermäßigen Temperaturanstiegs des Partikelfilters in der zweiten Betriebsart darstellt;
27(A) und 27(B) sind Zeitdiagramme der Temperatur des Partikelfilters; und
28(A) und 28(B) sind Zeitdiagramme der Temperatur des Partikelfilters.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Gemäß der beigefügten Zeichungen werden die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wie folgt erklärt.
1 ist eine schematische vertikale Schnittansicht eines Viertakt-Dieselmotors mit einer einer Vorrichtung zum Reinigen des Abgases gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung zum Reinigen des Abgases gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch für einen Ottomotor verwendet werden. Gemäß 1 bezeichnet Bezugszeichen 1 einen Motorblock bzw. ein Motorgehäuse, Bezugszeichen 2 einen Zylinderblock, Bezugszeichen 3 einen Zylinderkopf, Bezugszeichen 4 einen Kolben, Bezugszeichen 5 eine Verbrennungskammer, Bezugszeichen 6 eine elektrisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzvorrichtung, Bezugszeichen 7 ein Paar von Einlaßventilen, Bezugszeichen 8 eine Einlaßöffnung, Bezugszeichen 9 ein Paar von Auslaßventilen, und Bezugszeichen 10 eine Auslaßöffnung. Die Einlaßöffnung 8 ist mit einem Ausgleichstank 12 über einen korrespondierenden Einlaßkanal bzw. Ansaugkanal 11 verbunden. Der Ausgleichstank 12 ist mit einem Verdichter 15 eines Turboladers 14 über einen Einlaßkanal 13 verbunden. Ein Drosselventil 17, das von einem Schrittmotor 16 angetrieben wird, ist im Einlaßkanal 13 angeordnet. Ein Einlaßluftkühler 18 ist um dem Einlaßkanal 13 angeordnet, um die Einlaßluft, die dort einströmt, abzukühlen. In der Ausführungsform, die in 1 dargestellt ist, wird das Motorkühlwasser in den Einlaßluftkühler 18 geleitet, und das Motorkühlwasser kühlt die Einlaßluft. Weiter werden im Einlaßkanal 13 ein Luftstrommesser 44 zur Erfassung einer Einlaßluftmenge, ein Unterdrucksensor 45 zur Erfassung eines Unterdrucks darin und ein Einlaßlufttemperatursensor 46 zur Erfassung der Einlaßlufttemperatur angeordnet.
Andererseits ist die Auslaßöffnung 10 mit einer Turbine 21 des Turboladers 14 über ein Auslaßsammelrohr bzw. einen Abgaskrümmer 19 und einen Auslaßkanal 20 verbunden. Der Auslaß der Turbine 21 ist mit einem Gehäuse 23 verbunden, das einen Partikelfilter 22a und eine Katalysatorvorrichtung 22b zum Absorbieren und Reduzieren von NO_x enthält. Die Katalysatorvorrichtung 22b ist abgasseitig stromaufwärts zum Partikelfilter 22a angeordnet. In einer Abwandlung der vorliegenden Ausführungsform ist eine weitere Oxidationskatalysatorvorrichtung; die eine Oxidationsfunktion aufweist, statt der Katalysatorvorrichtung 22b zum Absorbieren und Reduzieren von NO_x angeordnet. Ferner ist in einer weiteren Abwandlung der vorliegenden Ausführungsform die Katalysatorvorrichtung 22b nicht benachbart zum Partikelfilter 22a angeordnet, und die Katalysatorvorrichtung 22b ist getrennt vom Partikelfilter 22a angeordnet. Ein Luft-Kraftstoff-Verhältnissensor 47 ist im Auslaßsammelrohr 19 angeordnet. Ein Einströmgas-Temperatursensor 39a ist im Auslaßkanal 20 stromaufwärts zum Gehäuse 23 angeordnet, um eine Temperatur des Abgases, das in das Gehäuse 23 einströmt, d.h., eine Einströmgas-Temperatur, zu erfassen. Ein Ausströmgas-Temperatursensor 39b ist im Auslaßkanal 20 stromabwärts zum Gehäuse 23 angeordnet, um eine Temperatur des Abgases, das aus dem Gehäuse 23 ausströmt, d.h., eine Ausströmgas-Temperatur, zu erfassen.
Das Auslaßsammelrohr 19 und der Ausgleichstank 12 sind über einen Abgasrückführungs (EGR)-Durchlaß 24 miteinander verbunden. Ein elektrisch gesteuertes EGR-Steuerventil 25 ist im EGR-Durchlaß 24 angeordnet. Ein EGR-Kühler 26 ist um den EGR-Durchlaß 24 angeordnet, um das darin strömende EGR-Gas zu kühlen. In der Ausführungsform gemäß 1 wird das Motorkühlwasser in den EGR-Kühler 26 geleitet, und das Motorkühlwasser kühlt das EGR-Gas. Weiter ist eine Rohrkatalysatorvorrichtung 22c stromaufwärts zur EGR-Gasseite des EGR-Kühlers 26 im EGR-Durchlaß 24 angeordnet, um das EGR-Gas zu reinigen. Andererseits ist jede Kraftstoffeinspritzvorrichtung 6 mit dem Kraftstoffvorrat, d.h., einer gemeinsamen Druckleitung 27 bzw. einer Common rail 27 über ein Kraftstoffzuführrohr 6a verbunden. Kraftstoff wird in der gemeinsamen Druckleitung 27 von einer elektrisch gesteuerten variablen Austragkraftstoffpumpe 28 zugeführt. Kraftstoff, der in der gemeinsamen Druckleitung 27 zugeführt worden ist, wird der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 6 über jedes Kraftstoffzuführrohr 6a zugeführt. Ein Kraftstoffdrucksensor 29 zur Erfassung eines Kraftstoffdrucks in der gemeinsamen Druckleitung 27 ist an der gemeinsamen Druckleitung 27 angebracht. Die Austragmenge der Kraftstoffpumpe 28 wird auf Basis eines Ausgangs signals des Kraftstoffdrucksensors 29 derart gesteuert, daß der Kraftstoffdruck in der gemeinsamen Druckleitung 27 den Sollkraftstoffdruck erreicht.
Ein Bezugszeichen 30 bezeichnet eine elektronische Steuereinheit 30. Sie besteht aus einem digitalem Computer und ist mit einem ROM (Nurlesespeicher) 32, einem RAM (Direktzugriffsspeicher) 33, einer CPU (Mikroprozessor) 34, einem Eingangsport 35 und einem Ausgangsport 36 ausgestattet, die über einen bidirektionalen Bus 31 miteinander verbunden sind. Das Ausgangssignal des Kraftstoffdrucksensors 29 wird in den Eingangsport 35 über einen korrespondierenden A/D-Wandler 37 eingespeißt. Die Ausgangssignale des Einströmgas-Temperatursensors 39a und des Ausströmgas-Temperatursensors 39b werden jeweils in den Eingangsport 35 über einen korrespondierenden A/D-Wandler 37 eingespeißt. Das Ausgangssignal des Luftstrommessers 44 wird in den Eingangsport 35 über einen korrespondierenden A/D-Wandler 37 eingespeißt. Das Ausgangssignal des Unterdrucksensors 45 wird in den Eingangsport 35 über einen korrespondierenden A/D-Wandler 37 eingespeißt. Das Ausgangssignal des Einlaßluft-Temperatursensors 46 wird in den Eingangsport 35 über einen korrespondierenden A/D-Wandler 37 eingespeißt. Ein Motorlastsensor 41 ist mit dem Gaspedal 40 verbunden, das eine Ausgangsspannung proportional zum Maß des Niederdrückens (L) des Gaspedals 40 erzeugt. Das Ausgangssignal des Motorlastsensors 41 ist auch Eingang zum Eingangsport 35 über einen korrespondierenden A/D-Wandler 37. Das Ausgangssignal eines Verbrennungsdrucksensors 43 zur Erfassung eines Verbrennungsdrucks im Zylinder wird in den Eingangsport 35 über einen korrespondierenden A/D-Wandler 37 eingespeißt. Weiter wird das Ausgangssignal eines Kurbelwinkelsensors 42 zur Erzeugung eines Ausgangspulses jedesmal, wenn sich die Kurbelwelle um beispielsweise 30 Grad dreht, ebenfalls in den Eingangsport 35 eingespeißt. Andererseits ist der Ausgangsport mit der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 6 verbunden; der Schrittmotor 16 für das Drosselventil, das EGR-Steuerventil 25 und die Kraftstoffpumpe 28 sind mit dem Ausgangsport 36 jeweils über einen Steuerschaltkreis 38 verbunden.
2 stellt die Struktur des Partikelfilters 22a dar, wobei 2(A) eine Vorderansicht des Partikelfilters 22a und 2(B) eine Seitenschnittansicht davon ist. Wie es in die sen Figuren dargestellt ist, ist der Partikelfilter 22a vom Wandströmungstyp einer Honigwabenstruktur, die aus einem prösem Material wie einem Cordierit ausgebildet ist, und weist viele Hohlräume auf, die in axialer Richtung von vielen Trennwänden 54 geteilt sind, die sich in axialer Richtung erstrecken. Jeweils einer von zwei benachbarten Hohlräumen ist durch einen Stopfen 52 auf der Abgasseite stromabwärts verschlossen, und der andere ist durch einen Stopfen 53 auf der Abgasseite stromaufwärts verschlossen. Auf diese Weise dient einer der beiden benachbarten Hohlräume als ein Abgaseinströmdurchlaß 50, und der andere dient als Abgasausströmdurchlaß 51, wobei das Abgas gezwungen wird, die Trennwand 54 zu passieren, wie es durch Pfeile in 2(B) angezeigt ist.
In der vorliegenden Ausführungsform wird eine Trägerschicht, die beispielsweise aus einer Tonerde bzw. einem Aluminiumoxid besteht, auf beiden Seitenflächen jeder Trennwand 54, den Porenflächen darin, der äußeren Endfläche des Stopfens 53 und den inneren Endflächen der Stopfen 52, 53 ausgebildet. Die Trägerschicht trägt ein Sauerstoffabsorbierendes und Aktivsauerstoff-freisetzendes Agens und einen Edelmetallkatalysator. In der vorliegenden Ausführungsform wird Platin Pt als der Edelmetallkatalysator verwendet. Das Sauerstoff-absorbierende und Aktivsauerstoff-freisetzende Agens setzt Aktivsauerstoff frei, um die Oxidation der Partikel zu fördern, und nimmt vorzugsweise Sauerstoff auf und hält bzw. speichert ihn, wenn Überschußsauerstoff in der Umgebung vorhanden ist, und setzt den gehaltenen bzw. gespeicherten Sauerstoff als Aktivsauerstoff frei, wenn die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung sinkt. Als das Sauerstoff-absorbierende und Aktivsauerstoff-freisetzende Agens wird wenigstens eines verwendet, ausgewählt aus Alkalimetallen wie Kalium K, Natrium Na, Lithium Li, Cäsium Cs und Rubidium Rb, Erdalkalimetallen wie Barium Ba, Calcium Ca und Strontium Sr, Seltenerdelementen wie Lanthan La und Yttrium Y und Übergangsmetallen. Es wird angestrebt, als ein Sauerstoff-absorbierendes und Aktivsauerstoff-freisetzendes Agens ein Alkali- oder Erdalkalimetall zu verwenden, das eine Ionisierungsneigung aufweist, die stärker ist als die von Calcium Ca, d.h., Kalium K, Lithium Li, Cäsium Cs, Rubidium Rb, Barium Ba oder Strontium Sr zu verwenden.
Als nächstes wird im folgenden erklärt, wie die abgeschiedenen Partikel auf dem Partikelfilter 22a oxidiert und entfernt werden mit Bezug auf den Fall der Verwendung von Platin Pt und Kalium K. Die Partikel werden auf die gleiche Weise oxidiert und entfernt, selbst wenn ein anderes Edelmetall und ein anderes Alkalimetall, ein Erdalkalimetall, ein Seltenerdelement oder ein Übergangsmetall verwendet werden. In einem Dieselmotor, wie er in 1 dargestellt ist, findet die Verbrennung üblicherweise unter einer Überschußluftbedingung statt, und daher enthält das Abgas eine große Menge an Überschußluft. D.h., wenn das Verhältnis von Luft zum Kraftstoff, die dem Einlaßsystem und der Verbrennungskammer zugeführt werden, ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases genannt wird, ist das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mager. Ferner wird NO in der Verbrennungskammer erzeugt, und daher enthält das Abgas NO. Der Kraftstoff enthält ferner Schwefel S, und Schwefel S reagiert mit Sauerstoff in der Verbrennungskammer, um SO₂ zu bilden. Demgemäß strömt das Abgas, das Überschußsauerstoff, NO und SO₂ enthält, in den Abgaseinstömdurchlaß 50 des Partikelfilters 22a.
Die 3(A) und 3(B) sind vergrößerte Ansichten, die schematisch die Oberfläche der Trägerschicht darstellen, die auf der inneren Fläche des Abgaseinströmdurchlasses 50 ausgebildet ist. In den 3(A) und 3(B) bezeichnet Bezugsziffer 60 einen Partikel aus Platin Pt, und 61 bezeichnet das Sauerstoff-absorbierende und Aktivsauerstoff-freisetzende Agens, das Kalium K enthält. Wie es oben beschrieben worden ist, enthält das Abgas eine große Menge an Überschußsauerstoff. Wenn das Abgas in den Abgaseinströmdurchlaß 50 einströmt, verbindet sich Sauerstoff O₂ haftend mit der Oberfläche des Platins Pt in Gestalt von O₂ ^– oder O^2–, wie es in 3(A) dargestellt ist. Andererseits reagiert NO im Abgas mit O₂ ^– oder O^2– auf der Oberfläche des Platins Pt, um NO₂ zu erzeugen (2NO + O₂ → 2NO₂). Als nächstes wird ein Teil des erzeugten NO₂ im Sauerstoff-absorbierenden und Aktivsauerstoff-freisetzenden Agens 61 absorbiert, während es auf dem Platin Pt oxidiert wird, und diffundiert in das Sauerstoff-absorbierende und Aktivsauerstoff-freisetzende Agens 61 in Gestalt von Salpetersäureionen bzw. Nitrationen NO₃ ^–, während es mit Kalium K kombiniert wird, um Kaliumnitrat KNO₃ zu bilden, wie es in 3(A) dargestellt ist.
Das Abgas enthält ferner SO₂, wie es oben beschrieben worden ist, und SO₂ wird ebenfalls im Sauerstoff-absorbierenden und Aktivsauerstoff-freisetzenden Agens 61 aufgrund eines Mechanismus absorbiert, ähnlich dem im Falle von NO. D.h., wie es oben beschrieben worden ist, verbindet sich Sauerstoff O₂ haftend mit der Oberfläche des Platins Pt in Gestalt von O₂ ^– oder O^2–, und SO₂ im Abgas reagiert mit O₂ ^– oder O^2– auf der Oberfläche des Platins Pt, um SO₃ zu erzeugen. Als nächstes wird ein Teil des erzeugten SO₃ im Sauerstoff-absorbierenden und Aktivsauerstoff-freisetzenden Agens 61 absorbiert, während es auf dem Platin Pt oxidiert wird, und diffundiert in das Sauerstoffabsorbierende und Aktivsauerstoff-freisetzende Agens 61 in Gestalt von Schwefelsäureionen bzw. Sulfationen SO₄ ^2–, während es mit Kalium K kombiniert wird, um Kaliumsulfat K₂SO₄ zu bilden. Auf diese Weise werden Kaliumnitrat KNO₃ und Kaliumsulfat K₂SO₄ im Sauerstoff-absorbierenden und Aktivsauerstoff-freisetzenden Agens 61 erzeugt.
Andererseits werden Partikel, die Kohlenstoff als eine Leitkomponente enthalten, in der Verbrennungskammer erzeugt. Daher sind diese Partikel im Abgas enthalten. Wenn das Abgas entlang des Abgaseinströmdurchlasses 50 des Partikelfilters 22a strömt und wenn das Abgas die Trennwand 51 des Partikelfilters 22a passiert, verbinden sich die Partikel im Abgas haftend mit der Oberfläche der Trägerschicht, beispielsweise mit der Oberfläche des Sauerstoff-absorbierenden und Aktivsauerstoff-freisetzenden Agens 61, wie durch 62 in 3(B) zugewiesen ist.
Zu diesem Zeitpunkt sinkt die Sauerstoffkonzentration auf der Oberfläches des Sauerstoffabsorbierenden und Aktivsauerstoff-freisetzenden Agens 61, mit dem der Partikel 62 in Kontakt steht. Wenn die Sauerstoffkonzentration sinkt, tritt ein Unterschied in der Konzentration bzw. ein Konzentrationsgradient am Sauerstoff-absorbierenden und Aktivsauerstoff-freisetzenden Agens 61 auf, das eine hohe Sauerstoffkonzentration aufweist, und daher tendiert der Sauerstoff im Sauerstoff-absorbierenden und Aktivsauerstoff-freisetzenden Agens 61, an die Oberfläche des Sauerstoff-absorbierenden und Aktivsauerstoff-freisetzenden Agens 61 zu wandern, mit der der Partikel 62 in Kontakt steht. Aufgrund dessen wird Kaliumnitrat KNO₃, das im Sauerstoff-absorbierenden und Aktivsauerstoff-freisetzenden Agens 61 erzeugt worden ist, in Kalium K, Sauerstoff O und NO zersetzt, wobei Sauerstoff O an die Oberfläche des Sauerstoff-absorbierenden und Aktivsauerstoff-freisetzenden Agens 61 wandert, mit der der Partikel 62 in Kontakt steht, und NO wird an die Außenseite vom Sauerstoff-absorbierenden und Aktivsauerstoff-freisetzenden Agens 61 abgegeben. NO, das an die Außenseite abgegeben worden ist, wird auf Platin Pt auf der Seite stromabwärts oxidiert und wird wiederum im Sauerstoff-absorbierenden und Aktivsauerstoff-freisetzenden Agens 61 absorbiert.
Zu diesem Zeitpunkt wird ferner auch Kaliumsulfat K₂SO₄, das im Sauerstoffabsorbierenden und Aktivsauerstoff-freisetzenden Agens 61 erzeugt worden ist, in Kalium K, Sauerstoff O und SO₂ zersetzt, wobei der Sauerstoff O an die Oberfläche des Sauerstoffabsorbierenden und Aktivsauerstoff-freisetzenden Agens 61 wandert, mit der der Partikel 62 in Kontakt steht, und SO₂ wird vom Sauerstoff-absorbierenden und Aktivsauerstoff-freisetzenden Agens 61 an die Außenseite abgegeben. SO₂, das an die Außenseite abgegeben worden ist, wird auf Platin Pt auf der Seite stromabwärts oxidiert und wird wiederum im Sauerstoff-absorbierenden und Aktivsauerstoff-freisetzenden Agens 61 absorbiert. Hier ist Kaliumsulfat K₂SO₄ jedoch stabil und setzt weniger Aktivsauerstoff als Kaliumnitrat KNO₃ frei. Wenn die Temperatur des Partikelfilters niedrig ist, selbst wenn die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung sinkt, wird daher keine große Menge an Aktivsauerstoff freigesetzt.
Andererseits wird der Sauerstoff O, der an die Oberfläche des Sauerstoff-absorbierenden und Aktivsauerstoff-freisetzenden Agens 61 wandert, mit der der Partikel 62 in Kontakt steht, von solchen Verbindungen wie Kaliumnitrat KNO₃ oder Kaliumsulfat K₂SO₄ zersetzt. Der Sauerstoff O, der von der Verbindung zersetzt worden ist, weist einen hohen Energiegehalt auf und zeigt eine sehr hohe Aktivität. Daher ist der Sauerstoff O, der an die Oberfläche des Sauerstoff-absorbierenden und Aktivsauerstoff-freisetzenden Agens 61 wandert, mit der der Partikel 62 in Kontakt steht, Aktivsauerstoff O. Durch In-Kontakt-kommen mit Aktivsauerstoff O wird der Partikel 62 in einer kurzen Zeit, beispielsweise in wenigen Minuten oder wenigen zehn Minuten, oxidiert, ohne eine leuchtende Flamme zu erzeugen. Weiter wird der Aktivsauerstoff zum Oxidieren des Partikels 62 ebenfalls freigesetzt, wenn NO und SO₂ im Aktivsauerstoff-freisetzenden Agens 61 absorbiert werden. D.h., es kann in Betracht kommen, daß NO_X in das Sauerstoffabsorbierende und Aktivsauerstoff-freisetzende Agens 61 in Gestalt von Salpetersäureionen NO₃ ^– diffundiert, während es mit einem Sauerstoffatom kombiniert wird und um von einem Sauerstoffatom getrennt zu werden, und während dieses Zeitpunkts wird Aktivsauerstoff erzeugt. Die Partikel 62 werden auch durch diesen Aktivsauerstoff oxidiert. Ferner werden die Partikel 62, die haftend mit dem Partikelfilter 22a verbunden sind, nicht nur durch Aktivsauerstoff, sondern auch durch Sauerstoff oxidiert, der im Abgas enthalten ist.
Wenn die Partikel, die auf dem Partikelfilter abgesetzt sind, verbrennen, wird der Partikelfilter üblicherweise rotglühend, und einen leuchtende Flamme wird erzeugt. Ein solches Verbrennen erfordert eine hohe Temperatur. Um das Verbrennen fortzusetzen, muß der Partikelfilter bei einer hohen Temperatur gehalten werden.
In der vorliegenden Erfindung werden die Partikel 62 oxidiert, ohne eine leuchtende Flamme zu erzeugen, und der Partikelfilter wird nicht rotglühend. D.h., in der vorliegenden Erfindung werden die Partikel bei einer niedrigen Temperatur oxidiert. Daher ist die Oxidation der Partikel gemäß der vorliegenden Erfindung vom üblichen Verbrennen der Partikel verschieden.
Je höher die Temperatur des Partikelfilters wird, desto stärker werden das Platin Pt und das Sauerstoff-absorbierende und Aktivsauerstoff-freisetzende Agens 61 aktiviert. Je höher die Temperatur des Partikelfilters 22a wird, desto größer wird daher die Menge an Aktivsauerstoff O, die vom Sauerstoff-absorbierenden und Aktivsauerstoff-freisetzenden Agens 61 pro Zeiteinheit freigesetzt wird. Ferner, je höher die Temperatur der Partikel ist, desto leichter werden die Partikel natürlich oxidiert. Daher nimmt die Menge an Partikeln, die pro Zeiteinheit oxidiert und entfernt werden können, ohne eine leuchtende Flamme auf dem Partikelfilter 22a zu erzeugen, mit einer Zunahme der Temperatur des Partikelfilters 22a zu.
Die durchgezogene Linie in 5 stellt die Menge an Partikeln (G) dar, die pro Zeiteinheit oxidiert und entfernt werden können, ohne eine leuchtende Flamme zu erzeugen. In 5 repräsentiert die Abzisse die Temperatur (TF) des Partikelfilters 22a. Hier stellt 5 den Fall dar, daß die Zeiteinheit 1 Sekunde beträgt, d.h., die Menge an Partikeln (G), die pro 1 Sekunde oxidiert und entfernt werden können. Jedoch kann jede Zeit, wie beispielsweise 1 Minute, 10 Minuten oder dergleichen als Zeiteinheit gewählt werden. Beispielsweise repräsentiert in dem Fall, daß 10 Minuten als Zeiteinheit verwendet werden, die Menge an Partikeln (G), die pro Zeiteinheit oxidiert und entfernt werden können, die Menge an Partikeln (G), die pro 10 Minuten oxidiert und entfernt werden können. In ebendiesem Fall nimmt die Menge an Partikeln (G), die oxidiert und entfernt werden können, ohne eine leuchtende Flamme zu erzeugen, mit einer Zunahme der Temperatur des Partikelfilters 22a zu, wie es in 5 dargestellt ist.
Die Menge an Partikeln, die von der Verbrennungskammer pro Zeiteinheit abgegeben werden, wird eine Menge an abgegebenen Partikeln (M) genannt. Wenn die Menge an abgegebenen Partikeln (M) kleiner ist als die Menge an Partikeln (G), die oxidiert und entfernt werden können, wenn beispielsweise die Menge an abgegebenen Partikeln (M) pro 1 Sekunde kleiner ist als die Menge an Partikeln (G), die pro 1 Sekunde oxidiert und entfernt werden können, oder wenn die Menge an abgegebenen Partikeln (M) pro 10 Minuten kleiner ist als die Menge an Partikeln (G), die pro 10 Minuten oxidiert und entfernt werden können, d.h. im Bereich (I) von 5, werden alle Partikel, die von der Verbrennungskammer abgegeben werden, sukzessive auf dem Partikelfilter 22a in der oben genannten kurzen Zeit oxidiert und entfernt, ohne eine leuchtende Flamme zu erzeugen.
Wenn andererseits die Menge an abgegebenen Partikeln (M) größer ist als die Menge an Partikeln (G), die oxidiert und entfernt werden können, d.h. im Bereich (II) von 5, ist die Menge an Aktivsauerstoff nicht ausreichend, um alle Partikel sukzessive zu oxidieren und zu entfernen. Die 4(A) bis (C) stellen die An der Partikeloxidation in einem solchen Fall dar.
D.h., im Fall, daß die Menge an Aktivsauerstoff fehlt, um alle Partikel zu oxidieren, wenn sich die Partikel 62 haftend an das Sauerstoff-absorbierenden und Aktivsauerstofffreisetzenden Agens 61 binden, wird nur ein Teil der Partikel oxidiert, wie es in 4(A) dargestellt ist, und der andere Teil der Partikel, der nicht hinreichend oxidiert worden ist, verbleibt auf der Trägerschicht des Partikelfilters. Wenn sich der Zustand fortsetzt, bei dem die Menge an Aktivsauerstoff fehlt, verbleibt ein Teil der Partikel, der nicht oxidiert worden ist, sukzessive auf der Trägerschicht des Partikelfilters. Aufgrund dessen wird die Oberfläche der Trägerschicht des Partikelfilters mit den restlichen Partikeln 63 bedeckt, wie es in 4(B) dargestellt ist.
Die restlichen Partikel 63 werden allmählich in eine kohlenstoffhaltige Substanz umgewandelt, die schwer oxidiert werden kann bzw. oxidierbar ist. Wenn die Oberfläche der Trägerschicht mit den restlichen Partikeln 63 bedeckt ist, werden ferner die Wirkung bzw. die Funktion des Platins Pt zum Oxidieren von NO und SO₂ und die Wirkung des Sauerstoff-absorbierenden und Aktivsauerstoff-freisetzenden Agens 61 zur Freisetzung von Aktivsauerstoff unterdrückt. Daher setzen sich, wie es in 4(C) dargestellt ist, weitere Partikel 64 auf den restlichen Partikeln 63 nacheinander ab, und wenn die Partikel sich derart in Schichten abgesetzt haben, können diese Partikel, selbst wenn es sich um leicht oxidierbare Partikel handelt, nicht mehr oxidiert werden, da diese Partikel vom Platin Pt oder vom Sauerstoff-absorbierenden und Aktivsauerstoff-freisetzenden Agens getrennt sind. Demgemäß setzen sich weitere Partikel sukzessive auf diesen Partikeln 64 ab. D.h., wenn sich der Zustand fortsetzt, bei dem die Menge an abgegebenen Partikeln (M) größer ist als die Menge an Partikeln (G), die oxidiert und entfernt werden können, setzen sich die Partikel auf dem Partikelfilter in Schichten ab. Insofern die Temperatur des Abgases hoch eingestellt wird oder die Temperatur des Partikelfilters hoch eingestellt wird, können die abgesetzten Partikel daher nicht entfernt werden.
Daher werden im Bereich (I) von 5 die Partikel oxidiert und entfernt, ohne eine leuchtende Flamme für die kurze Zeit zu erzeugen, und im Bereich (II) von 5 werden die Partikel in Schichten auf dem Partikelfilter abgesetzt. Daher kann das Absetzen der Partikel auf dem Partikelfilter vermieden werden, wenn das Verhältnis zwischen der Menge an abgegebenen Partikeln (M) und der Menge an Partikeln (G), die oxidiert und entfernt werden können, im Bereich (I) ist, d.h., die Menge an abgegebenen Partikeln (M) wird kleiner eingestellt als die Menge an Partikeln (G), die oxidiert und entfernt werden können.
Wie es aus 5 ersichtlich ist, können im Partikelfilter 22a der vorliegenden Erfindung, wenn die Temperatur (TF) des Partikelfilters 22a sehr gering ist, die Partikel oxidiert werden. Demgemäß kann im Dieselmotor, der in 1 dargestellt ist, die Menge an abgegebenen Partikeln (M) und die Temperatur (TF) des Partikelfilters 22a derart gehalten bzw. aufrechterhalten werden, daß die Menge an abgegebenen Partikeln (M) immer kleiner als die Menge an Partikeln ist, die oxidiert und entfernt werden können. Wenn die Menge an abgegebenen Partikeln (M) immer kleiner als die Menge an Partikeln (G) ist, die oxidiert und entfernt werden können, werden die Partikel auf dem Partikelfilter 22a vorzugsweise oxidiert und entfernt, so daß sich ein Druckverlust im Abgas im Partikelfilter kaum ändert und bei einem minimalen Druckverlustwert gehalten wird, der nahezu konstant ist. Daher kann die Abnahme der Motorleistung so klein wie möglich gehalten werden. Um die Menge an Partikeln (G), die oxidiert und entfernt werden können, immer größer als die Menge an abgegebenen Partikeln (M) zu halten, wenn die Menge an eingespritztem Kraftstoff immer derart erhöht ist, daß die Temperatur des Abgases hoch eingestellt wird und daher die Temperatur (TF) des Partikelfilters 22a hoch eingestellt wird, wird der Kraftstoffverbrauch des Motors gesenkt.
Wie es oben erwähnt worden ist, ist, wenn die Partikel auf dem Partikelfilter 22a derart in Schichten abgesetzt sind, selbst wenn die Menge an abgegebenen Partikeln (M) kleiner eingestellt wird als die Menge an Partikeln (G), die oxidiert und entfernt werden können, es schwer, die abgesetzten Partikel durch Aktivsauerstoff zu oxidieren. Wenn ein Teil der Partikel, der nicht ausreichend oxidiert worden ist, auf dem Partikelfilter verbleibt, d.h., wenn die Menge an restlichen Partikeln kleiner als eine vorgegebene Menge ist, wenn die Menge an abgegebenen Partikeln (M) kleiner als die Menge an Partikeln (G) wird, die oxidiert und entfernt werden können, können jedoch die restlichen Partikel durch Aktivsauerstoff oxidiert und entfernt werden, ohne eine leuchtende Flam me zu erzeugen. Demgemäß kann die Menge an abgegebenen Partikeln (M) bei Bedarf kleiner eingestellt werden als die Menge an Partikeln (G), die oxidiert und entfernt werden können. Die Menge an abgegebenen Partikeln (M) kann nämlich zeitweise größer werden als die Menge an Partikeln (G), die oxidiert und entfernt werden können, so daß die Oberfläche der Trägerschicht nicht mit den restlichen Partikeln bedeckt ist, d.h., der Zustand, der in 4(B) dargestellt ist, wird nicht derart verwirklicht, d.h., daß die Menge an restlichen Partikeln kleiner als die vorbestimmte Menge an restlichen Partikeln ist, die durch Aktivsauerstoff oxidiert werden können, wenn die Menge an abgegebenen Partikeln (M) kleiner wird als die Menge an Partikeln (G), die oxidiert und entfernt werden können. Daher können die Menge an abgegebenen Partikeln (M) und die Temperatur (TF) des Partikelfilters 22a derart gesteuert werden, daß der Kraftstoffverbrauch des Motors verbessert wird. Direkt nach dem Anlassen des Motors ist die Temperatur (TF) des Partikelfilters 22a gering. Demgemäß wird zu diesem Zeitpunkt die Menge an abgegebenen Partikeln (M) größer als die Menge an Partikeln (G), die oxidiert und entfernt werden können. Jedoch kann zu diesem Zeitpunkt die Menge an Partikeln (G), die oxidiert und entfernt werden können, nicht zwangsweise größer eingestellt werden als die Menge an abgegebenen Partikeln (M).
Wenn sich die Partikel auf dem Partikelfilter in Schichten absetzen, wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis fett eingestellt, und die Temperatur des Abgases wird durch die Kraftstoffverbrennung im Auslaßhub hoch eingestellt. Daher nimmt die Temperatur (TF) des Partikelfilters 22a zu, und der Zustand des Partikelfilters 22a kann auf den Bereich (I) von 5 eingestellt werden. Daher können die Partikel, die auf dem Partikelfilter 22a abgesetzt sind, oxidiert werden, ohne eine leuchtende Flamme zu erzeugen. In diesem Fall wird, wenn die Sauerstoffkonzentration im Abgas sinkt, Aktivsauerstoff O auf einmal vom Sauerstoff-absorbierenden und Aktivsauerstoff-freisetzenden Agens 61 an die Außenseite bzw. Umgebung freigesetzt. Daher werden die abgesetzten Partikel zu solchen, die von der großen Menge an Aktivsauerstoff, der auf einmal freigesetzt wird, leicht oxidiert werden, und können dadurch ohne eine leuchtende Flamme oxidiert und entfernt werden.
Andererseits wird, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Abgas mager eingestellt ist, die Oberfläche des Platins Pt mit Sauerstoff bedeckt, d.h., es wird eine Sauerstoffkontamination verursacht. Wenn eine solche Sauerstoffkontamination verursacht wird, sinkt die Oxidationswirkung des Platins Pt auf NO_x, und daher sinkt die Absorbiereffizienz bzw. Absorptionseffizienz von NO_x. Daher sinkt die Menge an Aktivsauerstoff, die vom Sauerstoff-absorbierenden und Aktivsauerstoff-freisetzenden Agens 61 freigesetzt wird. Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis fett eingestellt ist, wird jedoch der Sauerstoff auf der Oberfläche des Platins Pt verbraucht und dadurch die Sauerstoffkontamination beendet. Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis wieder von fett auf mager umgeschaltet wird; wird demgemäß die Oxidationswirkung auf NO_x stark, und daher steigt die Absorbiereffizienz. Daher nimmt die Menge an Aktivsauerstoff, der vom Sauerstoffabsorbierenden und Aktivsauerstoff-freisetzenden Agens 61 freigesetzt wird, zu.
Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mager eingestellt ist, wird daher, falls das Luft-Kraftstoff-Verhältnis von Zeit zu Zeit von mager auf fett umgeschaltet wird, die Sauerstoffkontamination des Platins Pt jedes mal beendet, und daher nimmt die Menge an freigesetztem Aktivsauerstoff zu, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mager ist. Daher kann die Oxidationswirkung der bzw. auf die Partikel auf dem Partikelfilter 22a gesteigert werden.
Ferner verursacht das Beenden der Sauerstoffkontamination das Verbrennen des Reduktionsmittels, und auf diese Weise erhöht die Verbrennungswärme davon die Temperatur des Partikelfilters. Daher nimmt im Partikelfilter die Menge an Partikeln zu, die oxidiert und entfernt werden können, und auf diese Weise werden die abgesetzten Partikel leichter oxidiert und entfernt.
Wenn ermittelt wird, daß sich die Partikel auf dem Partikelfilter 22a derart in Schichten absetzen, kann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Abgas fett eingestellt werden. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Abgas kann regelmäßig oder unregelmäßig fett sein ohne eine solche Bestimmung. Als ein Verfahren, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases fett einzustellen, kann beispielsweise eine Nieder-Temperatur-Verbrennung, wie sie un ten erwähnt wird, unter Nieder-Motorlast-Betriebsbedingungen derart ausgeführt werden, daß das mittlere Luft-Kraftstoff-Verhältnis fett wird. Ferner kann, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases fett einzustellen, das Verbrennungs-Luft-Kraftstoff-Verhältnis lediglich fett eingestellt werden. Ferner kann in Ergänzung zur Haupt-Kraftstoffeinspritzung beim Verdichtungshub die Kraftstoffeinspritzvorrichtung Kraftstoff in den Zylinder beim Auslaßhub oder beim Arbeitshub (Nacheinspritzung) einspritzen oder kann Kraftstoff in den Zylinder beim Einlaßhub (Voreinspritzung) einspritzen. Natürlich kann ein Zeitabschnitt zwischen der Nacheinspritzung oder der Voreinspritzung und der Haupteinspritzungn nicht bereitgestellt werden. Ferner kann Kraftstoff dem Abgassystem zugeführt werden.
Unter Hoch-Motorlast-Betriebsbedigungen wird dem Partikelfilter ein Abgas von relativ hoher Temperatur zugeführt. Demgemäß steigt die Temperatur (TF) des Partikelfilters 22a durch das Abgas von hoher Temperatur an, und daher werden die Partikel, die auf dem Partikelfilter 22a abgesetzt sind, oxdiert, ohne eine leuchtende Flamme zu erzeugen. Andererseits ist unter Mittel-Motorlast-Bedingungen die Temperatur des Abgases, das dem Partikelfilter 22a zugeführt wird, niedriger als die unter Hoch-Motorlast-Betriebsbedigungen. Daher kann unter Mittel-Motorlast-Bedingungen die Temperatur (TF) des Partikelfilters durch das Abgas nicht hoch genug ansteigen, um die Partikel, die auf dem Partikelfilter abgesetzt sind, zu oxidieren, ohne eine leuchtende Flamme zu erzeugen. Um die Partikel, die auf dem Partikelfilter 22a abgesetzt sind, ohne eine leuchtende Flamme zu oxidieren, wird demgemäß in der vorliegenden Ausführungsform eine Neben-Kraftstoffeinspritzung ausgeführt, und ein Zeitpunkt der Hauptkraftstoffeinspritzung wird zu diesem Zeitpunkt verzögert. Daher verbrennt unverbrannter Kraftstoff der von der Verbrennungskammer abgegeben wird, im Abgasdurchlaß, und das Abgas, dessen Temperatur dadurch gesteigert wurde, wird dem Partikelfilter 22a zugeführt.
Im übrigen enthalten Kraftstoff und Schmieröl Calcium Ca, und daher enthält das Abgas Calcium Ca. Wenn SO₃ anwesend ist, bildet das Calcium Ca im Abgas Calciumsulfat CaSO₄. Calciumsulfat CaSO₄ wird nicht oxidiert und verbleibt auf dem Partikelfilter als Asche. Um ein Verstopfen der Gitter des Partikelfilters, verursacht durch Calciumsulfat CaSO₄, zu vermeiden, kann ein Alkali- oder ein Erdalkalimetall, das eine stärkere Ionisierungsneigung als die von Calcium Ca aufweist, wie beispielsweise Kalium K, als das Sauerstoff-absorbierende und Aktivsauerstoff-freisetzende Agens 61 verwendet werden. Daher wird SO₃, daß in das Sauerstoff-absorbierende und Aktivsauerstoff-freisetzende Agens 61 diffundiert ist, mit Kalium K kombiniert, um Kaliumsulfat K₂SO₄ zu bilden, und daher wird Calcium Ca nicht mit SO₃ kombiniert, sondern passiert die Trennwände des Partikelfilters. Demgemäß werden die Gitter des Partikelfilters nicht von der Asche verstopft. Daher wird angestrebt, als das Sauerstoff-absorbierende und Aktivsauerstofffreisetzende Agens 61 ein Alkali- oder ein Erdalkalimetall zu verwenden, das eine höhere Ionisierungsneigung als Calcium Ca aufweist, wie beispielsweise Kalium K, Lithium Li, Cäsium Cs, Rubidium Rb, Barium Ba oder Strontium Sr.
6 stellt eine erste Betriebsart, in der die Priorität besteht, den Kraftstoffverbrauch des Motors zu verbessern, und eine zweite Betriebsart dar, in der die Priorität besteht, den Partikelfilter zu regenerieren, d.h. die Partikel auf dem Partikelfilter zu oxidieren und zu entfernen. 6(A) stellt die erste Betriebsart dar, und 6(B) stellt die zweite Betriebsart dar. In den 6(A) und 6(B) repräsentiert die Ordinate die benötigte Motorlast (L), und die Abszisse repräsentiert die Motordrehzahl (N). In der vorliegenden Ausführungsform wird üblicherweise die erste Betriebsart gewählt. Wenn der Partikelfilter 22a regeneriert werden soll, wird die zweite Betriebsart gewählt, um die Partikel, die auf dem Partikelfilter abgesetzt sind, zu oxidieren und zu entfernen.
Wie es in 6(A) dargestellt ist, ist in der ersten Betriebsart der gesamte Betriebsbereich in einen Nieder-Motorlast-Betriebsbereich (A1) und einen Mittel- und Hoch-Motorlast-Betriebsbereich (A2) unterteilt. Wenn die erste Betriebsart gewählt ist und sich der laufende Motorbetrieb im Nieder-Motorlast-Betriebsbereich (A1) befindet, wird eine Nieder-Temperatur-Verbrennung, wie sie unten erwähnt ist, ausgeführt. Demgemäß wird der Kraftstoffverbrauch des Motors verbessert, und die Mengen an erzeugtem Ruß und erzeugtem NO_x nehmen gleichzeitig ab. Andererseits wird, wenn die zweite Betriebsart gewählt ist und sich der laufende Motorbetrieb im Mittel- oder Hoch-Motor last-Betriebsbereich (A2) befindet, eine normale Verbrennung, wie sie unten erwähnt ist, ausgeführt. Demgemäß wird der Kraftstoffverbrauch des Motors verbessert, und die Mengen an erzeugtem Ruß und erzeugtem NO_x nehmen gleichzeitig ab.
Wie es in 6(B) dargestellt ist, ist in der zweiten Betriebsart der gesamte Betriebsbereich in einen Nieder-Motorlast-Betriebsbereich (B1), einen Mittel-Motorlast-Betriebsbereich (B2) und einen Hoch-Motorlast-Betriebsbereich (B3) unterteilt. Wenn die zweite Betriebsart gewählt ist und sich der laufende Motorbetrieb im Nieder-Motorlast-Betriebsbereich (B1) befindet, wird die Nieder-Temperatur-Verbrennung, ähnlich der in der ersten Betriebsart, ausgeführt. Demgemäß wird der Kraftstoffverbrauch des Motors verbessert, und die Mengen an erzeugtem Ruß und erzeugtem NO_x nehmen gleichzeitig ab. Ferner kann bei der Nieder-Temperatur-Verbrennung das Verbrennungs-Luft-Kraftstoff-Verhältnis fett eingestellt werden. Daher sinkt, wie es oben erwähnt worden ist, die Sauerstoffkonzentration, und die Temperatur des Partikelfilters steigt an, und daher nimmt die Menge an Aktivsauerstoff, der vom Sauerstoff-absorbierenden und Aktivsauerstoff-freisetzenden Agens freigesetzt wird, derart an, daß der Partikelfilter vorzugsweise regeneriert werden kann. Wenn andererseits die zweite Betriebsart gewählt ist, und sich der laufende Motorbetrieb im Mittel-Motorlast-Betriebsbereich (B2) befindet, wird bei der normalen Verbrennung, wie es unten erwähnt wird, eine Neben-Kraftstoffeinspritzung in Ergänzung zur Haupt-Kraftstoffeinspritzung ausgeführt, und der Zeitpunkt der Haupt-Kraftstoffeinspritzung wird verzögert. Daher verbrennt der gesamte Kraftstoff, der bei der Neben-Kraftstoffeinspritzung eingespritzt wird, nicht in der Verbrennungskammer, sondern ein Teil davon wird von der Verbrennungskammer als unverbrannter Kraftstoff abgegeben. Weiter verbrennt der gesamte Kraftstoff, der bei der Haupt-Kraftstoffeinspritzung eingespritzt wird, bei der der Einspritzzeitpunkt verzögert ist, ebenfalls nicht in der Verbrennungskammer. Daher wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Abgas fett eingestellt, und daher wird der Partikelfilter 22a ähnlich regeneriert wie im Nieder-Motorlast-Betriebsbereich (B1). Wenn die zweite Betriebsart gewählt ist und sich der laufende Motorbetrieb im Hoch-Motorlast-Betriebsbereich (B3) befindet, wird die normale Verbrennung ähnlich wie bei der ersten Betriebsart ausgeführt. Demgemäß wird der Kraftstoffverbrauch des Motors verbessert, und die Mengen an erzeugtem Ruß und erzeugtem NO_x nehmen gleichzeitig ab. Weiter wird im Hoch-Motorlast-Betrieb die Temperatur des Abgases hoch, und daher steigt die Temperatur des Partikelfilters derart an, daß der Partikelfilter vorzugsweise regeneriert werden kann.
7 ist ein Flußdiagramm, das die Motorbetriebsart-Steuerung gemäß der vorliegenden Ausführungsform darstellt. Wie es in 7 dargestellt ist, wird zunächst bei Schritt 100 ermittelt, ob der Zeitpunkt vorliegt, bei dem der Partikelfilter 22a regeneriert werden soll. Konkret heißt das, wenn eine Menge an Partikeln, die auf dem Partikelfilter 22a abgesetzt sind, als gleich oder größer als eine vorbestimmte Menge geschätzt wird, wird ermittelt, daß der Zeitpunkt vorliegt, bei dem der Partikelfilter 22a regeneriert werden soll. Wenn andererseits eine Menge an Partikeln, die auf dem Partikelfilter 22a abgesetzt sind, als kleiner als die vorbestimmte Menge geschätzt wird, wird ermittelt, daß der Zeitpunkt nicht vorliegt, bei dem der Partikelfilter 22a regeneriert werden soll. Im Detail, wenn eine erste vorbestimmte Zeitspanne auf Basis der Kapazität des Partikelfilters 22a während des Motorbetriebs in der ersten Betriebsart verstrichen ist, wird eine Menge von Partikeln, die auf dem Partikelfilter 22a abgesetzt sind, geschätzt, um die vorbestimmte Menge zu erreichen. Wenn andererseits eine zweite vorbestimmte Zeitspanne auf Basis der Kapazität des Partikelfilters 22a während des Motorbetriebs in der zweiten Betriebsart verstrichen ist, wird die Regeneration des Partikelfilters als beendet eingeschätzt. Abgesehen davon kann, wenn ein Fahrzeug mit dem Motor eine vorbestimmte Strecke mit dem Motorbetrieb in der ersten Betriebsart zurückgelegt hat, eine Menge an Partikeln, die auf dem Partikelfilter 22a abgesetzt sind, geschätzt werden, um die vorbestimmte Menge zu erreichen. Abgesehen davon ist ein Drucksensor (nicht dargestellt) unmittelbar stromaufwärts zum Partikelfilter 22a angeordnet, und wenn der Abgasstaudruck, der vom Drucksensor erfaßt wird, ansteigt, kann eine Menge an Partikeln, die auf dem Partikelfilter 22a abgesetzt sind, geschätzt werden, um die vorbestimmte Menge zu erreichen. Wenn andererseits der Abgasstaudruck, der vom Drucksensor erfaßt wird, abfallt, kann die Regeneration des Partikelfilters als beendet eingeschätzt werden. Bei Schritt 100 schaltet, wenn das Ergebnis "NEIN" ist, die Routine auf Schritt 101 um, und wenn das Ergebnis "JA" ist, schaltet die Routine auf Schritt 102 um. Bei Schritt 101 wird der Motorbetrieb in der ersten Betriebsart, die in 6(A) dargestellt wird, ausgeführt. Andererseits wird bei Schritt 102 der Motorbetrieb in der zweiten Betriebsart, die in 6(B) dargestellt wird, ausgeführt.
8 ist ein Flußdiagramm, das eine Subroutine darstellt, die bei Schritt 101 in 7 ausgeführt wird. Wie es in 8 dargestellt ist, wird erstens, bei Schritt 200, ermittelt, ob sich der laufende Motorbetrieb im Nieder-Motorlast-Betriebsbereich (A1) nach 6(A) befindet. Wenn das Ergebnis "JA" ist, schaltet die Routine auf Schritt 201 um. Wenn andererseits das Ergebnis "NEIN" ist, schaltet die Routine auf Schritt 207 um. Bei Schritt 201 wird ein Soll-Öffnungsgrad (ST) des Drosselventils 17 aus einer Karte berechnet, die in 10(A) dargestellt ist, und das Drosselventil 17 wird auf den Soll-Öffnungsgrad (ST) eingestellt. Als nächstes wird bei Schritt 202 ein Soll-Öffnungsgrad (SE) des EGR-Steuerventils 25 aus einer Karte berechnet, die in 10(B) dargestellt ist, und das EGR-Steuerventil 25 wird auf den Soll-Öffnungsgrad (SE) eingestellt. Als nächstes wird bei Schritt 203 eine Menge an Einlaßluft (Ga), die vom Luftstrommesser 44 bestimmt wird, gelesen, und bei Schritt 204 wird ein Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F aus einer Karte berechnet, die in 9(B) dargestellt ist. Als nächstes wird bei Schritt 205 eine Menge an eingespritztem Kraftstoff (Q), die erforderlich ist, um das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F zu realisieren, auf Basis der Menge an Einlaßluft (Ga) berechnet. Als nächstes wird bei Schritt 206 ein Soll-Start-Zeitpunkt (8S) der Kraftstoffeinspritzung aus einer Karte berechnet, die in 11 dargestellt ist.
9(a) stellt Luft-Kraftstoff-Verhältnisse A/F im Nieder-Motorlast-Betriebsbereich (A1) dar. In 9(A) stellen die Kurven, die durch A/F = 15,5, A/F = 16, A/F = 17 und A/F = 18 angegeben sind, jeweils die Fälle dar, bei denen die Luft-Kraftstoff-Verhältnisse 15,5, 16, 17 und 18 betragen. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zwischen zwei der Kurven ist durch die proportionale Verteilung definiert. Wie in 9(A) dargestellt ist, ist im Nieder-Motorlast-Betriebsbereich (A1) das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mager, und je mägerer das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F ist, desto kleiner wird die erforderliche Motorlast (L). D.h., die Menge an erzeugter Wärme bei der Verbrennung sinkt mit der Abnahme der erforderlichen Motorlast (L). Selbst wenn die EGR-Rate mit der Abnahme der erforderlichen Motorlast (L) sinkt, kann daher die Nieder-Temperatur-Verbrennung ausgeführt werden. Wenn die EGR-Rate sinkt, wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis groß. Wie es in 9(A) dargestellt ist, nimmt daher das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F mit der Abnahme der erforderlichen Motorlast (L) zu. Je größer das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird, desto mehr wird der Kraftstoffverbrauch verbessert. Demgemäß wird in der vorliegenden Ausführungsform das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F mit der Abnahme der erforderlichen Motorlast (L) derart erhöht, daß das Luft-Kraftstoff-Verhältnis so mager wie möglich eingestellt wird.
Das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F, das in 9(A) dargestellt ist, wird im ROM 32 als die Karte gespeichert, die in 9(B) dargestellt ist, in der es eine Funktion der erforderlichen Motorlast (L) und der Motordrehzahl (N) ist. Der Soll-Öffnungsgrad (ST) des Drosselventils 17, der erforderlich ist, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F, das in 9(A) dargestellt ist, einzustellen, wird im ROM 32 als die Karte gespeichert, die in 10(A) dargestellt ist, in der es eine Funktion der erforderlichen Motorlast (L) und der Motordrehzahl (N) ist. Der Soll-Öffnungsgrad (SE) des EGR-Steuerventils 25, das erforderlich ist, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F, das in 9(A) dargestellt ist, einzustellen, wird im ROM 32 als die Karte gespeichert, die in 10(B) dargestellt ist, in der es eine Funktion der erforderlichen Motorlast (L) und der Motordrehzahl (N) ist.
Andererseits wird bei Schritt 207 eine Sollmenge des eingespritzten Kraftstoffs (Q) aus einer Karte, die in 12(A) dargestellt wird, berechnet, und eine Menge an eingespritztem Kraftstoff wird auf die Sollmenge des eingespritzten Kraftstoffs (Q) eingestellt. Als nächstes wird bei Schritt 208 ein Soll-Start-Zeitpunkt (θS) der Kraftstoffeinspritzung aus einer Karte, die in 12(B) dargestellt ist, berechnet, und ein Start-Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung wird auf den Soll-Start-Zeitpunkt (θS) eingestellt. Als nächstes wird bei Schritt 209 ein Soll-Öffnungsgrad (ST) des Drosselventils 17 aus einer Karte, die in 14(A) dargestellt ist, berechnet. Als nächstes wird bei Schritt 210 ein Soll-Öffnungsgrad (SE) des EGR-Steuerventils 25 aus einer Karte, die in 14(B) dargestellt ist, berechnet, und ein Öffnungsgrad des EGR-Steuerventils 25 wird auf den Soll-Öffnungsgrad (SE) des EGR-Steuerventils 25 eingestellt. Bei Schritt 211 wird eine Menge an Einlaßluft (Ga), die vom Luftstrommesser 44 bestimmt wird, gelesen. Als nächstes wird bei Schritt 212 das tatsächliche Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F)_R auf Basis der Menge an eingespritztem Kraftstoff (Q) und der Menge an Einlaßluft (Ga) berechnet. Bei Schritt 213 wird ein Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F aus einer Karte, die in 13(B) dargestellt ist, berechnet. Als nächstes wird in Schritt 214 ermittelt, ob das tatsächliche Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F)_A größer als das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F ist. Wenn (A/F)_R größer als A/F ist, schaltet die Routine auf Schritt 215 um, und ein Korrekturwert des Öffnungsgrads des Drosselventils (ΔST) wird um eine Konstante (α) vermindert, und die Routine schaltet auf Schritt 217 um. Wenn andererseits (A/F)_R gleich oder kleiner als A/F ist, schaltet die Routine auf Schritt 216 um, und der Korrekturwert (ΔST) wird um eine Konstante (a) erhöht, und die Routine schaltet auf Schritt 217 um. Bei Schritt 217 wird ein End-Öffnungsgrad (ST) des Drosselventils 17 derart berechnet, daß der Korrekturwert (ΔST) zum Soll-Öffnungsgrad (ST) hinzuaddiert wird, und ein Öffnungsgrad des Drosselventils 17 wird auf den End-Öffnungsgrad (ST) eingestellt. D.h., ein Öffnungsgrad des Drosselventils 17 wird derart gesteuert, daß das tatsächliche Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F)_R auf das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F eingestellt wird.
13(A) stellt Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnisse dar, wenn die normale Verbrennung ausgeführt wird. In 13(A) stellen die Kurven, die durch A/F = 24, A/F = 35, A/F = 45 und A/F = 60 angegeben sind, jeweils die Fälle dar, bei denen die Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnisse 24, 35, 45 und 60 betragen. Ein Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F, das in 13(A) dargestellt ist, wird im ROM 32 als die Karte gespeichert, die in 13(B) dargestellt ist, in der es eine Funktion der erforderlichen Motorlast (L) und der Motordrehzahl (N) ist. Ein Soll-Öffnungsgrad (ST) des Drosselventils 17, das erforderlich ist, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F einzustellen, wird im ROM 32 als die Karte gespeichert, die in 14(A) dargestellt ist, in der es eine Funktion der erforderlichen Motorlast (L) und der Motordrehzahl (N) ist. Ein Soll-Öffnungsgrad (SE) des EGR-Steuerventils 25, das erforderlich ist, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F einzustellen, wird im ROM 32 als die Karte gespeichert, die in 14(B) dargestellt ist, in der es eine Funktion der erforderlichen Motorlast (L) und der Motordrehzahl (N) ist. Abgesehen davon, wird, wenn die normale Verbrennung ausgeführt wird, eine Menge an eingespritztem Kraftstoff (Q) auf Basis der erforderlichen Motorlast (L) und der Motordrehzahl (N) berechnet. Die Menge an eingespritzem Kraftstoff (Q) wird im ROM 32 als die Karte gespeichert, die in 12(A) dargestellt ist, in der es eine Funktion der erforderlichen Motorlast (L) und der Motordrehzahl (N) ist. Auf ähnliche Weise wird, wenn die normale Verbrennung ausgeführt wird, ein Start-Zeitpunkt (θS) der Kraftstoffeinspritzung auf Basis der erforderlichen Motorlast (L) und der Motordrehzahl (N) berechnet. Der Start-Zeitpunkt (θS) wird im ROM 32 als die Karte gespeichert, die in 12(B) dargestellt ist, in der es eine Funktion der erforderlichen Motorlast (L) und der Motordrehzahl (N) ist.
Als nächstes wird die Nieder-Temperatur-Verbrennung im Detail erklärt. 15 zeigt ein Beispiel für ein Experiment, das das Ändern im Leistungsdrehmoment und in der Menge von Rauch, KW, CO und NO_x, die zu dem Zeitpunkt abgegeben werden, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F (Abzisse in 15) durch Ändern des Öffnungsgrads des Drosselventils 17 und der EGR-Rate zum Zeitpunkt des Nieder-Motorlast-Betriebs verändert wird, darstellt. Wie aus 15 ersichtlich, wird in diesem Experiment das Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F je kleiner, umso größer die EGR-Rate wird. Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis kleiner als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist (nahezu gleich 14,6), steigt die EGR-Rate auf über 65 Prozent. Wie es in 15 dargestellt ist, beginnt, wenn die EGR-Rate erhöht wird, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F zu verringern, falls die EGR-Rate nahe an 40 Prozent reicht und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis AVF etwa 30 erreicht, die Menge an erzeugtem Rauch zuzunehmen. Wenn die EGR-Rate weiter erhöht und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F verringert wird, steigt als nächstes die Menge an erzeugtem Rauch steil an und erreicht den Scheitel- bzw. Maximalwert. Wenn die EGR-Rate weiter erhöht und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F verringert wird, fällt als nächstes die Menge an erzeugtem Rauch steil ab. Wenn die EGR-Rate auf über 65 Prozent eingestellt und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F nahe an 15,0 reicht, ist die Menge an erzeugtem Rauch praktisch gleich null. D.h., nahezu kein Ruß wird erzeugt. Zu diesem Zeitpunkt fällt der Leistungsdrehmoment des Motors etwas ab, und die Menge an erzeugtem NO_x wird beträchtlich niedriger. Andererseits beginnen zu diesem Zeitpunkt die Mengen an erzeugten KW und CO zuzunehmen.
16(A) stellt die Änderungen des Verbrennungsdrucks in der Verbrennungskammer 5 dar, wenn die Menge an erzeugtem Rauch am größten ist, nahe einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F von 21. 16(B) stellt die Änderungen des Verbrennungsdrucks in der Verbrennungskammer 5 dar, wenn die Menge an erzeugtem Rauch praktisch gleich null ist, nahe einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F von 18. Wie aus einem Vergleich der 16(a) und 16(B) ersichtlich ist, ist der Verbrennungsdruck niedriger in dem Fall, der in 16(B) dargestellt ist, bei dem die Menge an erzeugtem Rauch praktisch gleich null ist, als der Fall, der in 16(A) dargestellt ist, bei dem die Menge an erzeugtem Rauch groß ist.
Das folgende kann von den Ergebnissen des Experiments, das in den 15 und 16 dargestellt ist, festgestellt werden. D.h., wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F kleiner als 15,0 und die Menge an erzeugtem Rauch praktisch gleich null ist, nimmt als erstes die Menge an erzeugtem NO_x beträchtlich ab, wie es in 15 dargestellt ist. Die Tatsache, daß die Menge an erzeugtem NO_x abnimmt, bedeutet, daß die Verbrennungstemperatur in der Verbrennungskammer 5 fällt. Daher kann festgestellt werden, daß, wenn fast kein Ruß erzeugt wird, die Verbrennungstemperatur in der Verbrennungskammer 5 abfällt. Die gleiche Tatsache kann von 16 festgestellt werden. D.h., in dem Zustand, der in 16(B) dargestellt ist, bei dem fast kein Ruß erzeugt wird, fällt der Verbrennungsdruck ab, weshalb die Verbrennungstemperatur in der Verbrennungskammer 5 zu diesem Zeitpunkt abfällt.
Zweitens, wenn die Menge an erzeugtem Rauch, d.h., die Menge an erzeugtem Ruß praktisch gleich null ist, wie es in 15 dargestellt ist, nehmen die Mengen an abgegebenen KW und CO zu. Das bedeutet, daß die Kohlenwasserstoffe ohne Umwandlung in Ruß abgegeben werden. D.h., die geradkettigen und aromatischen Kohlenwasserstoffe, die im Kraftstoff enthalten und in 17 dargestellt sind, zersetzen sich, wenn sie einer erhöhten Temperatur in einem Zustand mit unzureichendem Sauerstoffgehalt ausgesetzt sind, was in der Bildung eines Rußvorläufers resultiert. Als nächstes wird Ruß erzeugt, der überwiegend aus festen Massen von Kohlenstoffatomen zusammengesetzt ist. In diesem Fall ist der tatsächliche Vorgang der Rußerzeugung kompliziert. Wie der Rußvorläufer erzeugt wird, ist nicht klar, aber in jedem Fall, wandeln sich die Kohlenwasserstoffe, die in 17 dargestellt sind, in Ruß über den Rußvorläufer um. Wie es oben erklärt worden ist, nimmt daher, wenn die Menge an Rußerzeugung praktisch gleich null wird, die Menge an KW- und CO-Ausstoß zu, wie es in 15 dargestellt ist, aber die KW sind zu diesem Zeitpunkt ein Rußvorläufer oder in einem Zustand von Kohlenwasserstoff davor. Das KW verbrennt im Abgassystem, und die Temperatur des Abgases steigt an.
Um diese Erwägungen, die auf den Ergebnissen der Experimente, die in den 15 und 16 dargestellt sind, basieren, zusammenzufassen, wenn die Verbrennungstemperatur in der Verbrennungskammer 5 niedrig ist, wird die Menge an erzeugtem Ruß praktisch gleich null. Zu diesem Zeitpunkt wird ein Rußvorläufer oder ein Zustand von Kohlenwasserstoff davor von der Verbrennungskammer 5 abgegeben. Detailliertere Experimente und Untersuchungen wurden durchgeführt. Folglich wurde erkannt, daß, wenn die Temperatur des Kraftstoffs und des den Kraftstoff umgebenden Gases in der Verbrennungskammer 5 unter einer bestimmten Temperatur ist, der Vorgang des Rußwachstums mittendrin abbricht, d.h., überhaupt kein Ruß wird erzeugt, und daß, wenn die Temperatur des Kraftstoffs und des den Kraftstoff umgebenden Gases in der Verbrennungskammer 5 höher als eine bestimmte Temperatur ist, Ruß erzeugt wird.
Wenn der Vorgang des Kohlenwasserstoffwachstums im Zustand des Rußvorläufers abbricht, d.h., über der bestimmten Temperatur, verändert sich die Temperatur des Kraftstoffs und des den Kraftstoff umgebenden Gases in Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren wie der Kraftstoffart, dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis und dem Verdichtungsverhältnis, derart, daß es nicht genau gesagt werden kann, was es ist, aber diese bestimmte Temperatur hängt eng mit der NO_x Erzeugungsmenge zusammen. Daher kann diese bestimmte Temperatur zu einem bestimmten Grad durch die NO_x-Erzeugungs menge definiert werden. D.h., je größer die EGR-Rate ist, desto niedriger wird die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases zum Zeitpunkt der Verbrennung und desto niedriger wird die Menge an erzeugtem NO_x. Wenn die Menge an erzeugtem NO_x etwa 10 ppm oder weniger wird, wird zu diesem Zeitpunkt fast kein Ruß mehr erzeugt. Daher korrespondiert die obere bestimmte Temperatur wesentlich mit der Temperatur, bei der die Menge an erzeugtem NO_x etwa 10 ppm oder weniger wird.
Sobald Ruß erzeugt worden ist, ist es unmöglich, es durch Nachbehandlung unter Verwendung eines Katalysators, der eine Oxidationsfunktion aufweist, zu reinigen. Im Gegensatz hierzu kann ein Rußvorläufer oder ein Kohlenwasserstoffzustand davor leicht durch Nachbehandlung unter Verwendung eines Katalysators, der eine Oxidationsfunktion aufweist, gereinigt werden. Daher ist es außerordentlich effektiv für das Reinigen des Abgases, daß die Kohlenwasserstoffe aus der Verbrennungskammer 5 in Gestalt eines Rußvorläufers oder eines Kohlenwasserstoffzustands davor bei einer Verringerung der erzeugten NO_x Menge abgegeben werden.
Um nun das Wachstum der Kohlenwasserstoffe im Zustand vor der Erzeugung des Rußes zu beenden, ist es erforderlich, die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases zum Zeitpunkt der Verbrennung bzw. der Zündung in der Verbrennungskammer 5 auf eine Temperatur zu bringen, die niedriger als die Temperatur ist, bei der Ruß erzeugt wird. In diesem Fall wurde erkannt, daß die wärmeabsorbiernde Wirkung des den Kraftstoff umgebenden Gases zum Zeitpunkt der Verbrennung des Kraftstoffs einen außerordentlich starken Effekt im Niedrighalten der Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases hat. D.h., wenn nur Luft den Kraftstoff umgibt, wird der verdampfte Kraftstoff sofort mit dem Sauerstoff in der Luft reagieren und verbrennen. In diesem Fall steigt die Temperatur der Luft, die sich vom Kraftstoff entfernt befindet, nicht so stark an. Nur die Temperatur um den Kraftstoff wird lokal außerordentlich hoch. D.h., zu diesem Zeitpunkt nimmt die vom Kraftstoff entfernte Luft überhaupt nicht viel der Wärme der Kraftstoffverbrennung auf. Da die Verbrennungstemperatur lokal außerordentlich hoch wird, erzeugen in diesem Fall die unverbrannten Kohlenwasserstoffe, die die Wärme der Verbrennung aufnehmen, Ruß.
Wenn Kraftstoff in einem Mischgas aus einer großen Inertgasmenge und einer kleinen Luftmenge vorliegt, ist die Situation andererseits etwas anders. In diesem Fall verteilt sich der verdampfte Kraftstoff in der Umgebung und reagiert mit dem Sauerstoff, der mit dem Inertgas gemischt ist, um zu verbrennen. In diesem Fall wird die Wärme der Verbrennung vom umgebenden Inertgas derart aufgenommen, daß die Verbrennungstemperatur nicht mehr so stark ansteigt. D.h., die Verbrennungstemperatur kann niedrig gehalten werden. D.h., die Anwesenheit von Inertgas spielt eine wichtige Rolle im Niedrighalten der Verbrennungstemperatur. Es ist möglich, die Verbrennungstemperatur durch die wärmeabsorbierende Wirkung des Inertgases niedrig zu halten.
In diesem Fall, wenn die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases auf einer Temperatur gehalten wird, die niedriger als die Temperatur ist, bei der Ruß erzeugt wird, ist eine Inertgasmenge erforderlich, die ausreicht, um eine Wärmemenge aufzunehmen, die hinreichend ist, um die Temperatur herabzusetzen. Wenn die Kraftstoffmenge zunimmt, nimmt daher die Menge an erforderlichem Inertgas zu. Zu beachten ist in diesem Fall, daß, je größer die spezifische Wärme bzw. Wärmekapazität des Inertgases, desto stärker wird die wärmeabsorbierende Wirkung. Daher ist ein Gas mit einer großen spezifischen Wärme als das Inertgas vorzuziehen. Diesbezüglich kann festgestellt werden, da CO₂ und EGR-Gas relativ große spezifische Wärmen aufweisen, daß vorzugsweise EGR-Gas als das Inertgas zu verwenden ist.
18 stellt das Verhältnis zwischen der EGR-Rate und Rauch dar, wenn EGR-Gas als das Inertgas verwendet wird, und der Veränderung des Kühlungsgrades des EGR-Gases. D.h., die Kurve (A) in 18 stellt den Fall der starken Kühlung des EGR-Gases und Halten der Temperatur des EGR-Gases bei etwa 90 Grad C dar, die Kurve (B) stellt den Fall des Kühlens des EGR-Gases durch eine kompakte Kühlvorrichtung dar, und die Kurve (C) stellt den Fall der nicht zwangsweisen Kühlung des EGR-Gases dar. Bei starkem Kühlen des EGR-Gases, wie es durch die Kurve (A) in 18 dargestellt ist, erreicht die Menge an erzeugtem Ruß ihren Scheitelwert, wenn die EGR-Rate etwas unter 50 Prozent ist. In diesem Fall, wenn die EGR-Rate auf etwa 55 Prozent oder höher eingestellt ist, wird fast kein Ruß mehr erzeugt. Andererseits, wenn das EGR-Gas leicht gekühlt wird, wie es durch die Kurve (B) in 18 dargestellt ist, erreicht die Menge an erzeugtem Ruß ihren Scheitelpunkt, wenn die EGR-Rate etwas höher als 50 Prozent ist. In diesem Fall wird, wenn die EGR-Rate auf über etwa 65 Prozent eingestellt ist, fast kein Ruß erzeugt. Wenn das EGR-Gas nicht zwangsweise gekühlt wird, wie es durch die Kurve (C) in 18 dargestellt ist, erreicht die Menge an erzeugtem Ruß ihren Scheitelpunkt nahe einer EGR-Rate von 55 Prozent. In diesem Fall wird, wenn die EGR-Rate auf über etwa 70 Prozent eingestellt, wird, nahezu kein Ruß erzeugt. Zu beachten ist, daß 18 die Menge an erzeugtem Rauch darstellt, wenn die Motorlast relativ hoch ist. Wenn die Motorlast kleiner wird, sinkt die EGR-Rate, bei der die Menge an erzeugtem Ruß den Scheitelpunkt aufweist, etwas, und die untere Grenze der EGR-Rate, bei der nahezu kein Ruß erzeugt wird, sinkt auch etwas. Auf diese Weise verändert sich die untere Grenze der EGR-Rate, bei der nahezu kein Ruß erzeugt wird, in Übereinstimmung mit dem Grad der Kühlung des EGR-Gases oder der Motorlast.
19 stellt die Mischgasmenge aus EGR-Gas und Luft, den Anteil der Luft am Mischgas und den Anteil an EGR-Gas am Mischgas dar, die erforderlich sind, um die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases zum Zeitpunkt der Verbrennung auf eine Temperatur einzustellen, die niedriger als die Temperatur ist, bei der Ruß im Fall der Verwendung von EGR-Gas als ein Inertgas erzeugt wird. Zu beachten ist, daß in 19 die Ordinate die Gesamtmenge an Sauggas darstellt, die in die Verbrennungskammer 5 aufgenommen wird. Die unterbrochene Linie (n stellt die Gesamtmenge des Sauggases dar, die in die Verbrennungskammer 5 aufgenommen werden kann, wenn keine Überlastung bzw. Überladung gefahren wird. Ferner stellt die Abzisse die erforderliche Last dar. (Z1) stellt den Nieder-Motorlast-Betriebsbereich dar.
Gemäß 19 stellt der Anteil an Luft, d.h., die Luftmenge im Mischgas, die Luftmenge dar, die erforderlich ist, um ein vollständiges Verbrennen des eingespritzten Kraftstoffs zu bewirken. D.h., im Fall, der in 19 dargestellt ist, wird der Anteil der Luftmenge und der Menge an eingespritztem Kraftstoff zum stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Andererseits stellt in 19 der Anteil des EGR-Gases, d.h., die Menge von EGR-Gas im Mischgas, die minimale Menge an EGR-Gas dar, die erforderlich ist, um die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases auf eine Temperatur einzustellen, die niedriger als die Temperatur ist, bei der Ruß erzeugt wird, wenn der eingespritzte Kraftstoff vollständig verbrannt worden ist. Diese Menge an EGR-Gas, ausgedrückt in bezug auf die EGR-Rate, ist gleich oder größer als 55 Prozent, wobei sie in der Ausührungsform, die in 19 dargestellt ist, gleich oder größer als 70 Prozent ist. D.h., wenn die Gesamtmenge an Sauggas, die in Verbrennungskammer 5 aufgenommen wird, auf die durchgezogenen Linie (X) in 15 eingestellt wird und das Verhältnis zwischen der Luftmenge und der EGR-Gasmenge in der Gesamtmenge des Sauggases (X) auf das Verhältnis eingestellt wird, das in 19 dargestellt, wird die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases zu einer Temperatur, die niedriger als die Temperatur ist, bei der Ruß erzeugt wird, und daher wird überhaupt kein Ruß mehr erzeugt. Ferner beträgt die Menge an erzeugtem NO_x zu diesem Zeitpunkt etwa 10 ppm oder weniger, und daher wird die Menge an erzeugtem NO_x außerordentlich klein.
Wenn die Menge an eingespritztem Kraftstoff zunimmt, nimmt die Wärmemenge, die zum Zeitpunkt der Verbrennung erzeugt wird, derart zu, daß die Temperatur des Kraftstoffs und des umgebenden Gases bei einer Temperatur gehalten wird, die niedriger als die Temperatur ist, bei der Ruß erzeugt wird, wobei die Wärmemenge, die vom EGR-Gas aufgenommen wird, erhöht werden muß. Daher muß, wie es in 19 dargestellt ist, die EGR-Gasmenge mit der Zunahme der Menge an eingespritztem Kraftstoff erhöht werden. D.h., die EGR-Gasmenge muß erhöht werden, wenn die erforderliche Motorlast höher wird. Andererseits überschreitet im Motorlast-Bereich (Z2) von 19 die Gesamtmenge an Sauggas (X), die zur Vermeidung der Erzeugung von Ruß erforderlich ist, die Gesamtmenge an Sauggas (Y), die aufgenommen werden kann. Daher ist es in diesem Fall erforderlich, um die Gesamtmenge an Sauggas (X), die zur Vermeidung der Erzeugung von Ruß erforderlich ist, der Verbrennungskammer 5 zuzuführen, daß das EGR-Gas und die Aufnahmeluft oder nur das EGR-Gas überladen oder verdichtet werden. Wenn das EGR-Gas etc. nicht überladen oder verdichtet werden, korrespondiert im Motorlast-Bereich (Z2) die Gesamtmenge an Sauggas (X) mit der Gesamtmenge an Sauggas (Y), die aufgenommen werden kann. Daher wird in diesem Fall, um die Erzeugung vom Ruß zu verhindern, die Luftmenge etwas verringert, um die EGR-Gasmenge zu erhöhen, und der Kraftstoff wird in einem Zustand verbrannt, in dem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis fett ist.
Wie es oben erklärt worden ist, stellt 19 den Fall der Fall der Verbrennung von Kraftstoff beim stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis dar. Im Nieder-Motorlast-Betriebsbereich (Z1), der in 10 dargestellt ist, ist es möglich, selbst wenn die Luftmenge kleiner eingestellt wird als die Luftmenge, die in 19 dargestellt ist, d.h., selbst wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis fett eingestellt ist, die Erzeugung vom Ruß zu verhindern und die Menge an erzeugtem NO_x auf etwa 10 ppm oder weniger einzustellen. Ferner ist es im Nieder-Motorlast-Betriebsbereich (Z1), der in 19 dargestellt ist, möglich, selbst wenn die Luftmenge größer eingestellt wird als die Luftmenge, die in 19 dargestellt ist, d.h., der Mittelwert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses wird auf 17 bis 18 mager eingestellt, die Erzeugung vom Ruß zu verhindern und die Menge an erzeugtem NO_x auf etwa 10 ppm oder weniger einzustellen.
D.h., wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis fett eingestellt ist, ist der Kraftstoff im Überschuß vorhanden, aber da die Verbrennungstemperatur auf eine niedrige Temperatur herabgesetzt ist, wird der Überschußkraftstoff nicht in Ruß umgewandelt, und daher wird kein Ruß erzeugt. Ferner wird zu diesem Zeitpunkt nur eine außerordentlich kleine NO_x-Menge erzeugt. Andererseits wird, wenn der Mittelwert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses mager ist oder wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, eine kleine Rußmenge erzeugt, wenn die Verbrennungstemperatur höher wird, aber die Verbrennungstemperatur wird bei einer niedrigen Temperatur gehalten, und daher wird überhaupt kein Ruß erzeugt. Ferner wird nur eine außerordentlich kleine NO_x-Menge erzeugt.
Auf diese Weise wird im Nieder-Motorlast-Betriebsbereich (Z1), abgesehen vom Luft-Kraftstoff-Verhältnis, d.h., ob das Luft-Kraftstoff-Verhältnis fett oder das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, oder der Mittelwert des Luft-Kraftstoff-Verhältnis ses mager ist, kein Ruß erzeugt, und die Menge an erzeugtem NO_x wird außerordentlich klein. Daher kann unter Berücksichtigung der Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs festgestellt werden, daß der Mittelwert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses vorzugsweise mager einzustellen ist.
Im Übrigen kann, nur wenn die Motorlast relativ niedrig und die Menge an erzeugter Wärme relativ klein ist, die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases während der Verbrennung unter einer Temperatur gehalten werden, bei der der Vorgang des Rußwachstums mittendrin abbricht. Daher wird in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wenn die Motorlast relativ niedrig ist, die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases während der Verbrennung unter einer Temperatur gehalten, bei der der Vorgang des Rußwachstums mittendrin abbricht, und daher wird eine erste Verbrennung, d.h. eine Nieder-Temperatur-Verbrennung, ausgeführt. Wenn die Motorlast relativ hoch ist, wird eine zweite Verbrennung, d.h. eine normale Verbrennung, wie üblich ausgeführt. Wie es aus der oberen Erklärung ersichtlich ist, ist hier die Nieder-Temperatur-Verbrennung eine Verbrennung, bei der die Inergasmenge in der Verbrennungskammer größer ist als die ungünstigste Inertgasmenge, die die maximale Menge an erzeugtem Ruß verursacht, und daher wird überhaupt kein Ruß erzeugt. Die normale Verbrennung ist eine Verbrennung, bei der die Inertgasmenge in der Verbrennungskammer kleiner ist als die ungünstigste Inertgasmenge.
Gemäß 20 wird als nächstes die Motorbetriebssteuerung im Nieder-Motorlast-Betriebsbereich (A1) und im Mittel-Motorlast-Betriebsbereich (A2), die in 6(A) dargestellt sind, erklärt. 20 stellt den Öffnungsgrad des Drosselventils 17, den Öffnungsgrad des EGR-Steuerventils 25, die EGR-Rate, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt und die Menge an eingespritztem Kraftstoff gemäß der erforderlichen Motorlast (L) dar. Wie es in 20 dargestellt ist, wird im Nieder-Motorlast-Betriebsbereich (A1), wenn die erforderliche Motorlast (L) niedrig ist, das Drosselventil 17 vom nahezu vollständig geschlossenen Zustand allmählich in die Nähe des zwei Drittel geöffneten Zustand einher mit der Zunahme der erforderlichen Motorlast (L) geöffnet, und das EGR-Steuerventil 25 wird vom nahezu vollständig ge schlossenen Zustand allmählich zum vollständig geöffneten Zustand einher mit der Zunahme der erforderlichen Motorlast (L) geöffnet. In der Ausführungsform, die in 20 dargestellt ist, wird die EGR-Rate im Nieder-Motorlast-Betriebsbereich (A1) auf etwa 70 Prozent eingestellt, und das zugehörige Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird auf leicht mager eingestellt.
Anders gesagt werden im Nieder-Motorlast-Betriebsbereich (A1) die Öffnungsgrade des Drosselventils 17 und des EGR-Steuerventils 25 derart gesteuert, daß die EGR-Rate etwa 70 Prozent wird und daß das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu einem leicht mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird zu diesem Zeitpunkt auf das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis hin gesteuert, um den Öffnungsgrad des EGR-Steuerventils 25 auf Basis des Ausgangssignals des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 21 zu korrigieren. Im Nieder-Motorlast-Betriebsbereich (A1) wird der Kraftstoff vor dem oberen Kompressionstotpunkt TDC eingespritzt. In diesem Fall wird der Start-Zeitpunkt (θS) der Kraftstoffeinspritzung einher mit der Zunahme der erforderlichen Motolast (L) verzögert, und der Beendigungs-Zeitpunkt (θE) der Kraftstoffeinspritzung wird einher mit der Verzögerung des Start-Zeitpunkts (θS) der Kraftstoffeinspritzung verzögert. Im Leerlaufbetrieb wird das Drosselventil 17 bis nahe dem vollständig geschlossenen Zustand geschlossen. Zu diesem Zeitpunkt wird das EGR-Steuerventil 25 ebenfalls bis nahe dem vollständig geschlossenen Zustand geschlossen. Wenn das Drosselventil 17 bis nahe dem vollständig geschlossenen Zustand geschlossen ist, wird der Druck in der Verbrennungskammer 5 in der Eingangsphase des Kompressionshubs niedrig eingestellt, und daher wird der Kompressionsdruck niedrig. Wenn der Kompressionsdruck niedrig wird, wird die Kompressionsarbeit des Kolbens 4 klein, und daher wird die Vibration des Motorgehäuses 1 klein. D.h., im Leerlaufbetrieb wird das Drosselventil 17 bis nahe dem vollständig geschlossenen Zustand geschlossen, um die Vibration des Motorgehäuses 1 einzudämmen.
Wenn der Motor-Betriebsbereich vom Nieder-Motorlast-Betriebsbereich (A1) zum Mittel-Motorlast-Betriebsbereich (A2) gewechselt wird, nimmt andererseits der Öffnungsgrad des Drosselventils 17 durch einen Schritt vom zwei Drittel geöffneten Zustand zum voll geöffneten Zustand zu. Zu diesem Zeitpunkt nimmt in der Ausführungsform, die in 20 dargestellt ist, die EGR-Rate durch einen Schritt von etwa 70 Prozent auf unter 40 Prozent ab, und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis nimmt durch einen Schritt zu. D.h., die EGR-Rate springt über den EGR-Ratengrad (18) hinaus, in dem die große Menge an Rauch erzeugt wird, und daher wird die große Menge an Rauch nicht erzeugt, wenn der Motor-Betriebsbereich vom Nieder-Motorlast-Betriebsbereich (A1) zum Mittel-Motorlast-Betriebsbereich (A2) wechselt. Im Mittel-Motorlast-Betriebsbereich (A2) wird die normale Verbrennung wie üblich ausgeführt. Diese Verbrennung verursacht die Erzeugung von etwas Ruß und NO_x. Jedoch ist die thermische Effizienz davon höher als die der Nieder-Temperatur-Verbrennung. Wenn der Motor-Betriebsbereich vom Nieder-Motorlast-Betriebsbereich (A1) zum Mittel-Motorlast-Betriebsbereich (A2) wechselt, nimmt daher die Menge an eingespritztem Kraftstoff durch einen Schritt ab, wie er in 20 dargestellt ist. Im Mittel-Motorlast-Betriebsbereich (A2) wird das Drosselventil 17 im vollständig geöffneten Zustand gehalten, außer in einem Teil davon. Der Öffnungsgrad des EGR-Steuerventils 25 nimmt einher mit der Zunahme der erforderlichen Motorlast (L) allmählich ab. In diesem Mittel-Motorlast-Betriebsbereich (A2) nimmt die EGR-Rate einher mit der Zunahme der erforderlichen Motorlast (L) ab, und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis nimmt einher mit der Zunahme der erforderlichen Motorlast (L) ab. Jedoch wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf eine mageres Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingestellt, selbst wenn die erforderliche Motorlast (L) hoch wird. Ferner wird im Mittel-Motorlast-Betriebsbereich (A2) der Start-Zeitpunkt (θS) der Kraftstoffeinspritzung auf nahe den oberen Kompressionstotpunkt TDC eingestellt.
Die 21 und 22 sind ein Fließdiagramm, das eine Subroutine darstellt, die bei Schritt 102 von 7 ausgeführt wird. Wie es in den 21 und 22 dargestellt ist, wird als erstes bei Schritt 300 ermittelt, ob sich ein laufender Motorbetrieb im Nieder-Motorlast-Betriebsbereich (B1) von 6(B) befindet. Wenn das Ergebnis "JA" ist, schaltet die Routine auf Schritt 201 um. Wenn das Ergebnis "NEIN" ist, schaltet die Routine auf Schritt 301 um. Bei Schritt 201 wird ein Soll-Öffnungsgrad (ST) vom Drosselventil 17 aus der Karte, die in 10(A) dargestellt ist, ähnlich zum Fall berechnet, bei dem die erste Betriebsart gewählt ist (8), und ein Öffnungsgrad des Drosselventils 17 wird auf den Soll-Öffnungsgrad (ST) eingestellt. Als nächstes wird bei Schritt 202 ein Soll-Öffnungsgrad (SE) des EGR-Steuerventils 25 aus der Karte, die in 10(B) dargestellt ist, ähnlich zum Fall berechnet, bei dem die erste Betriebsart gewählt ist (8), und ein Öffnungsgrad des EGR-Steuerventils 25 wird auf den Soll-Öffnungsgrad (SE) eingestellt. Als nächstes wird bei Schritt 203 eine Menge an Einlaßluft (Ga), die vom Luftstrommesser 44 bestimmt wird, gelesen, und bei Schritt 204 wird ein Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F aus einer Karte, die in 9(B) dargestellt ist, ähnlich dem Fall berechnet, bei dem die erste Betriebsart gewählt ist (8). Als nächstes wird bei Schritt 205 eine Menge an eingespritztem Kraftstoff (Q), die erforderlich ist, um ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F einzustellen, auf Basis der Menge an Einlaßluft (Ga) berechnet, und bei Schritt 206 wird ein Soll-Start-Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung (θS) aus der Karte, die in 11 dargestellt ist, ähnlich dem Fall berechnet, bei dem die erste Betriebsart gewählt ist (8).
Bei Schritt 301 wird ermittelt, ob sich ein laufender Motorbetrieb im Hoch-Motorlast-Betriebsbereich (B3) von 6(B) befindet. Wenn das Ergebnis "JA" ist, schaltet die Routine auf Schritt 207 um. Wenn das Ergebnis "NEIN" ist, schaltet die Routine auf Schritt 302 um. Bei Schritt 207 wird eine Sollmenge an eingespritztem Kraftstoff (Q) aus der Karte, die in 12(A) dargestellt ist, ähnlich dem Fall berechnet, bei dem die erste Betriebsart gewählt ist (8), und eine Menge an eingespritztem Kraftstoff wird auf die Sollmenge eingestellt (Q). Als nächstes wird bei Schritt 208 ein Soll-Start-Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung (θS) aus der Karte, die in 12(B) dargestellt ist, ähnlich dem Fall berechnet, bei dem die erste Betriebsart gewählt ist (8), und ein Start-Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung wird auf den Soll-Start-Zeitpunkt (θS) eingestellt. Als nächstes wird bei Schritt 209 ein Soll-Öffnungsgrad (ST) des Drosselventils 17 aus der Karte, die in 14(A) dargestellt ist, ähnlich dem Fall berechnet, bei dem die erste Betriebsart gewählt ist (8). Als nächstes wird bei Schritt 210 ein Soll-Öffnungsgrad (SE) des EGR-Steuerventils 25 aus der Karte, die in 14(B) dargestellt ist, ähnlich dem Fall berechnet, bei dem die erste Betriebsart gewählt ist (8), und ein Öffnungsgrad des EGR-Steuerventils 25 wird auf den Soll-Öffnungsgrad (SE) eingestellt. Als nächstes wird bei Schritt 211 eine Menge an Einlaßluft (Ga), die vom Luft strommesser 44 erfaßt wird, gelesen, und bei Schritt 212 wird das tatsächliche Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F)_R auf Basis der Menge an eingespritztem Kraftstoff (Q) und der Menge an Einlaßluft (Ga) ähnlich dem Fall berechnet, bei dem die erste Betriebsart gewählt ist (8).
Als nächstes wird bei Schritt 213 ein Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F aus der Karte, die in 13(B) dargestellt ist, ähnlich dem Fall berechnet, bei dem die erste Betriebsart gewählt ist (8). Als nächstes wird bei Schritt 214 ermittelt, ob das tatsächliche Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F)_R größer als das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F ist. Wenn (A/F)_R größer als A/F ist, schaltet die Routine auf Schritt 215 um, und ein Korrekturwert (ΔST) des Öffnungsgrads des Drosselventils wird um eine Konstante (α) ähnlich dem Fall herabgesetzt, bei dem die erste Betriebsart gewählt ist (8), und die Routine schaltet auf Schritt 217 um. Wenn (A/F)_R gleich oder kleiner als A/F ist, schaltet die Routine auf Schritt 216 um, und der Korrekturwert (ΔST) wird um die Konstante (α) erhöht, und die Routine schaltet auf Schritt 217 um. Bei Schritt 217 wird ein End-Öffnungsgrad (ST) des Drosselventils 17 derart berechnet, daß der Korrekturwert (ΔST) zum Soll-Öffnungsgrad (ST) hinzuaddiert wird, und ein Öffnungsgrad des Drosselventils 17 wird auf den End-Öffnungsgrad (ST) eingestellt. D.h., ein Öffnungsgrad des Drosselventils 17 wird derart gesteuert, daß das tatsächliche Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F)_A auf das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F eingestellt wird.
Andererseits schaltet bei Schritt 301, wenn ermittelt worden ist, daß sich ein laufender Betrieb im Mittel-Motorlast-Betriebsbereich (B2) von 6(B) befindet, die Routine auf Schritt 302 um, und eine Sollmenge (Q1) an Kraftstoff für die Haupt-Kraftstoffeinspritzung wird aus einer Karte berechnet, die in 23(A) dargestellt ist, und eine Menge an Kraftstoff für die Haupt-Kraftstoffeinspritzung wird auf die Sollmenge (Q1) eingestellt. Als nächstes wird bei Schritt 303 ein Soll-Start-Zeitpunkt der Haupt-Kraftstoffeinspritzung (θS1) aus einer Karte berechnet, die in 23(B) dargestellt ist, und ein Start-Zeitpunkt der Haupt-Kraftstoffeinspritzung wird auf den Soll-Start-Zeitpunkt (θS1) eingestellt. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Soll-Start-Zeitpunkt (θS1) der Haupt-Kraftstoffeinspritzung später als der Soll-Start-Zeitpuunkt (θS) der Kraftstoffeinspritzung bei Schritt 208 von 21. Als nächstes wird bei Schritt 304 eine Kraftstoffmenge (Q2) für die Neben-Kraftstoffeinspritzung von einer Karte in 24(A) berechnet, und eine Kraftstoffmenge für die Neben-Kraftstoffeinspritzung wird auf die Sollmenge (Q2) eingestellt. Als nächstes wird bei Schritt 305 ein Soll-Start-Zeitpunkt (θS2) der Neben-Kraftstoffeinspritzung von einer Karte berechnet, die in 24(B) dargestellt ist, und ein Start-Zeitpunkt der Neben-Kraftstoffeinspritzung wird auf den Soll-Start-Zeitpunkt (θS2) eingestellt. In der vorliegenden Ausführungsform wird der Soll-Start-Zeitpunkt (θS2) der Neben-Kraftstoffeinspritzung während des Auslaßhubs oder Expansionshubs eingestellt. Jedoch kann der Soll-Start-Zeitpunkt (θS2) während des Kompressionshubs eingestellt werden. In diesem Fall wird die Neben-Kraftstoffeinspritzung unmitelbar vor der Haupt-Kraftstoffeinspritzung ausgeführt.
Als nächstes wird bei Schritt 306 ein Soll-Öffnungsgrad (ST) des Drosselventils 17 aus einer Karte, die in 25(B) dargestellt ist, berechnet. Bei Schritt 307 wird ein Soll-Öffnungsgrad (SE) des EGR-Steuerventils 25 aus einer Karte, die in 25(C) dargestellt ist, berechnet, und ein Öffnungsgrad des EGR-Steuerventils wird auf den Soll-Öffnungsgrad (SE) eingestellt. Als nächstes wird bei Schritt 308 eine Menge an Einlaßluft (Ga), die vom Luftstrommesser 44 erfaßt wird, gelesen. Bei Schritt 309 wird das tatsächliche Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F)_R auf Basis der Menge an eingespritztem Kraftstoff (Q) und der Menge an Einlaßluft (Ga) berechnet. Als nächstes wird bei Schritt 310 ein Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F aus einer Karte, die in 25(A) dargestellt ist, berechnet, und bei Schritt 311 wird ermittelt, ob das tatsächliche Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F)_R größer als das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F ist. Wenn (A/F)_R größer als A/F ist, schaltet die Routine auf Schritt 312 um, und ein Korrekturwert des Öffnungsgrads des Drosselventils (ΔST) wird um eine Konstante (α) herabgesetzt, und die Routine schaltet auf Schritt 314 um. Wenn (A/F)_R gleich oder kleiner als A/F ist, schaltet die Routine andererseits auf Schritt 313 um, und der Korrekturwert (ΔST) wird um die Konstante (α) erhöht, und die Routine schaltet auf Schritt 314 um. Bei Schritt 314 wird ein End-Öffnungsgrad (ST) des Drosselventils 17 derart berechnet, daß der Korrekturwert (ΔST) zum Soll-Öffnungsgrad (ST) hinzuaddiert wird, und ein Öffnungsgrad des Drosselventils 17 wird auf den End-Öffnungsgrad (ST) eingestellt.
D.h., ein Öffnungsgrad des Drosselventils 17 wird derart gesteuert, daß das tatsächliche Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F)_R auf das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F eingestellt wird.
Das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F im Mittel-Motorlast-Betriebsbereich wird, wenn die zweite Betriebsart gewählt ist, im ROM 32 als die Karte gespeichert, die in 25(A) dargestellt ist, in der es eine Funktion der erforderlichen Motorlast (L) und der Motordrehzahl (N) ist. Der Soll-Öffnungsgrad (ST) des Drosselventils 17, der erforderlich ist, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F einzustellen, das in 25(A) dargestellt ist, wird im ROM 32 als die Karte gespeichert, die in 25(B) dargestellt ist, in der es eine Funktion der erforderlichen Motorlast (L) und der Motordrehzahl (N) ist. Der Soll-Öffnungsgrad (SE) des EGR-Steuerventils 25, der erforderlich ist, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F einzustellen, das in 25(A) dargestellt ist, wird im ROM 32 als die Karte gespeichert, die in 25(C) dargestellt ist, in der es eine Funktion der erforderlichen Motorlast (L) und der Motordrehzahl (N) ist. Abgesehen davon wird die Kraftstoffmenge für die Haupt-Kraftstoffeinspritzung (Q1) im Mittel-Motorlast-Betriebsbereich, wenn die zweite Betriebsart gewählt ist, auf Basis der erforderlichen Motorlast (L) und der Motordrehzahl (N) berechnet. Die Kraftstoffmenge (Q1) für die Haupt-Kraftstoffeinspritzung wird im ROM 32 als die Karte gespeichert, die in 23(A) dargestellt ist, in der es eine Funktion der erforderlichen Motorlast (L) und der Motordrehzahl (N) ist. Ähnlich wird der Start-Zeitpunkt der Haupt-Kraftstoffeinspritzung (θS1) im Mittel-Motorlast-Betriebsbereich, wenn die zweite Betriebsart gewählt ist, auf Basis der erforderlichen Motorlast (L) und der Motordrehzahl (N) berechnet. Der Start-Zeitpunkt der Haupt-Kraftstoffeinspritzung (θS1) wird im ROM 32 als die Karte gespeichert, die in 23(B) dargestellt ist, in der es eine Funktion der erforderlichen Motorlast (L) und der Motordrehzahl (N) ist. Weiter wird die Kraftstoffmenge für die Neben-Kraftstoffeinspritzung (Q2) im Mittel-Motorlast-Betriebsbereich, wenn die zweite Betriebsart gewählt ist, auf Basis der erforderlichen Motorlast (L) und der Motordrehzahl (N) berechnet. Die Kraftstoffmenge (Q2) für die Neben-Kraftstoffeinspritzung wird im ROM 32 als die Karte gespeichert, die in 24(A) dargestellt ist, in der es eine Funktion der erforderlichen Motorlast (L) und der Motordrehzahl (N) ist. Ähnlich wird der Start-Zeitpunkt der Neben-Kraftstoffeinspritzung (θS2) im Mittel-Motorlast-Betriebsbereich, wenn die zweite Betriebsart gewählt ist, auf Basis der erforderlichen Motorlast (L) und der Motordrehzahl (N) berechnet. Der Start-Zeitpunkt der Neben-Kraftstoffeinspritzung (θS2) wird im ROM 32 als die Karte gespeichert, die in 24(B) dargestellt ist, in der er eine Funktion der erforderlichen Motorlast (L) und der Motordrehzahl (N) ist.
26 ist ein Flußdiagramm, das ein Steuerverfahren darstellt, mit dem ein übermäßiger Anstieg der Temperatur des Partikelfilters 22a verhindert werden soll. Die Routine wird ausgeführt, um die Routine von 7 zu unterbrechen, wenn das Ergebnis bei Schritt 100 von 7 "JA" ist, und der Partikelfilter 22a wird regeneriert. Wie es in 26 dargestellt wird, wird als erstes bei Schritt 400 geschätzt, ob die Temperatur des Partikelfilters 22a übermäßig ansteigt. In der vorliegenden Ausführungsform wird, wenn das Ergebnis bei Schritt 100 von 7 "JA" ist und eine vorbestimmte Zeitspanne seit dem Zeitpunkt vergangen ist, an dem zur zweiten Betriebsart von der ersten Betriebsart gewechselt worden ist, geschätzt, daß die Temperatur des Partikelfilters 22a übermäßig angestiegen ist. In einer weiteren Ausführungsform wird, wenn die Temperatur des Abgases, das aus dem Partikelfilter 22a ausströmt, die vom Ausströmgas-Temperatursensor 39b erfaßt wird, höher als eine vorbestimmte Schwelle ist, geschätzt, daß die Temperatur des Partikelfilters 22a übermäßig angestiegen ist. Wenn das Ergebnis bei Schritt 400 "JA" ist, schaltet die Routine auf Schritt 401 um. Wenn das Ergebnis bei Schritt 400 "NEIN" ist, wird die Routine beendet.
Bei Schritt 401 wird ermittelt, ob sich ein laufender Motorbetrieb im Nieder-Motorlast-Betriebsbereich (B1) von 6(B) befindet. Wenn das Ergebnis "JA" ist, d.h., wenn die Nieder-Temperatur-Verbrennung im Nieder-Motorlast-Betrieb in der gewählten zweiten Betriebsart ausgeführt wird, schaltet die Routine auf Schritt 402 um. Wenn das Ergebnis "NEIN" ist, schaltet die Routine auf Schritt 405 um. Bei Schritt 402 wird das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F, das bei Schritt 204 von 21 auf Basis der Karte, die in 9(B) dargestellt ist, berechnet worden ist, auf die magere Seite verlagert. Folglich verbrennt der Kraftstoff nur in der Verbrennungskammer 5, und kein Kraftstoff verbrennt im Abgassystem. Daher steigt die Temperatur des Abgases nicht übermäßig an. Bei Schritt 403 wird ermittelt, ob sich ein laufender Motorbetrieb im Hoch-Motorlast-Betriebsbereich (B3) von 6(B) befindet. Wenn das Ergebnis "JA" ist, d.h., wenn die normale Verbrennung im Hoch-Motorlast-Betrieb in der gewählten zweiten Betriebsart ausgeführt wird, schaltet die Routine auf Schritt 404 um. Wenn das Ergebnis "NEIN" ist, d.h., wenn die Neben-Kraftstoffeinspritzung ausgeführt wird und der Start-Zeitpunkt der Haupt-Kraftstoffeinspritzung im Mittel-Motorlast-Betrieb in der gewählten zweiten Betriebsart verzögert ist, schaltet die Routine auf Schritt 405 um. Bei Schritt 404 wird der Soll-Start-Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung (θS), der bei Schritt 208 von 21 auf Basis der Karte, die in 12(B) dargestellt ist, berechnet worden ist, vorverlegt. Folglich verbrennt der Kraftstoff nur in der Verbrennungskammer, und kein Kraftstoff verbrennt im Abgassystem. Daher steigt die Temperatur des Abgases nicht übermäßig an. Andererseits wird bei Schritt 405 der Start-Zeitpunkt der Haupt-Kraftstoffeinspritzung (θS1), der bei Schritt 303 von 22 auf Basis der Karte, die in 23(B) dargestellt ist, berechnet worden ist, vorverlegt, und die Neben-Kraftstoffeinspritzung wird beendet. Folglich verbrennt der Kraftstoff nur in der Verbrennungskammer 5, und kein Kraftstoff verbrennt im Abgassystem. Daher steigt die Temperatur des Abgases nicht übermäßig an.
Vorzugsweise wird bei Schritt 402 das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F allmählich auf die magere Seite verlagert, und bei Schritt 404 wird der Soll-Start-Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung (θS) allmählich vorverlegt, und bei Schritt 405 wird der Soll-Start-Zeitpunkt der Haupt-Kraftstoffeinspritzung (θS1) allmählich vorverlegt. In einer weiteren Ausführungsform ohne die Verfahren bei den Schritten 402, 404 und 405, kann, wenn es geschätzt wird, daß die Temperatur des Partikelfilters 22a übermäßig angestiegen ist, die Verbrennung nach der ersten Betriebsart ausgeführt werden, um die Verbrennung nach der zweiten Betriebsart zu unterbrechen. Vorzugsweise wird die Häufigkeit der Unterbrechung allmählich gesteigert.
Die 27 und 28 stellen Zeitdiagramme der Temperaturschwankungen des Partikelfilters 22a dar. 27(A) stellt einen Fall dar, bei dem die Routine zum Verhindern des übermäßigen Temperaturanstiegs des Partikelfilters von 26 nicht bereitgestellt wird. In dem Fall, der in 27(A) dargestellt ist, wird, wenn der Zeitpunkt (t1) vorliegt, das Ergebnis bei Schritt 100 von 7 "JA", und die Verbrennung nach der zweiten Betriebsart wird ausgeführt. Daher verbrennt das KW, das aus der Verbrennungskammer abgegeben wird, im Abgassystem, und die Temperatur des Abgases, das in den Partikelfilter 22a einströmt, und die Temperatur des Abgases, das daraus ausströmt, steigen an, und daher verschiebt sich die Temperatur des Partikelfilters 22a in den Regenerationsbereich (T1 – T2). Wenn die Temperatur des ausströmenden Gases sukzessiv ansteigt, da die Routine zum Verhindern des übermäßigen Temperaturanstiegs des Partikelfilters 22a nicht bereitgestellt wird, verschiebt sich jedoch die Temperatur des Partikelfilters in den Schmelzbereich (über T3).
Die 27(B), 28(A) und 28(B) stellen Fälle dar, bei denen die Routine zum Verhindern des übermäßigen Temperaturanstiegs des Partikelfilters von 26 bereitgestellt wird. In dem Fall, der in 27(A) dargestellt ist, wird, wenn der Zeitpunkt (t1) vorliegt, das Ergebnis bei Schritt 100 von 7 "JA", und die Verbrennung nach der zweiten Betriebsart wird ausgeführt. Daher verbrennt das KW, das aus der Verbrennungskammer abgegeben wird, im Abgassystem, und die Temperatur des Abgases, das in den Partikelfilter 22a einströmt, und die Temperatur des Abgases, das daraus ausströmt, steigen an, und daher verschiebt sich die Temperatur des Partikelfilters 22a in den Regenerationsbereich (T1 – T2). Wenn die Temperatur des ausströmenden Gases nicht sukzessiv ansteigt, wird anschließend bei Schritt 400 von 26 nicht geschätzt, daß die Temperatur des Partikelfilters 22a übermäßig angesteigt. Zum Zeitpunkt (t2) wird ermittelt, daß nicht der Zeitpunkt vorliegt, an dem der Partikelfilter regeneriert werden sollte, d.h., daß die Regeneration des Partikelfilters abgeschlossen ist, und daher wird bei Schritt 101 die Verbrennung nach der ersten Betriebsart ausgeführt.
In dem Fall, der in 28(A) dargestellt ist, wird, wenn der Zeitpunkt (t1) vorliegt, das Ergebnis bei Schritt 100 von 7 "JA", und die Verbrennung nach der zweiten Be triebsart wird ausgeführt. Daher verbrennt das KW, das aus der Verbrennungskammer abgegeben wird, im Abgassystem, und die Temperatur des Abgases, das in den Partikelfilter 22a einströmt, und die Temperatur des Abgases, das daraus ausströmt, steigen an, und daher verschiebt sich die Temperatur des Partikelfilters 22a in den Regenerationsbereich (T1 – T2). Wenn die Temperatur des ausströmenden Gases sukzessiv ansteigt, wird anschließend zum Zeitpunkt (t3) durch Schritt 400 von 26 geschätzt, daß die Temperatur des Partikelfilters 22a übermäßig angestiegen ist. Demgemäß wird das Verfahren von Schritt 402, 404 oder 405 von 26 ausgeführt, und daher wird der übermäßige Temperaturanstieg des Partikelfilters 22a verhindert. Als nächstes wird, wenn der Zeitpunkt (t4) vorliegt, das Ergebnis bei Schritt 400 von 26 "NEIN", und die Verbrennung nach der zweiten Betriebsart wird wieder ausgeführt. Als nächstes wird, wenn der Zeitpunkt (t5) vorliegt, bei Schritt 400 von 26 wieder geschätzt, daß die Temperatur des Partikelfilters 22a übermäßig angestiegen ist. Demgemäß wird das Verfahren von Schritt 402, 404 oder 405 von 26 wieder ausgeführt, und daher wird der übermäßige Temperaturanstieg des Partikelfilters 22a verhindert. Als nächstes wird, wenn der Zeitpunkt (t6) vorliegt, das Ergebnis bei Schritt 400 von 26 "NEIN", und die Verbrennung nach der zweiten Betriebsart wird wieder ausgeführt. Als nächstes wird, wenn der Zeitpunkt (t7) vorliegt, ermittelt, daß nicht der Zeitpunkt vorliegt, zu dem der Partikelfilter regeneriert werden soll, d.h., daß die Regeneration des Partikelfilters abgeschlossen ist, und daher wird bei Schritt 101 die Verbrennung nach der ersten Betriebsart ausgefüht.
In dem Fall, der in 28(B) dargestellt ist, wird, wenn der Zeitpunkt (t1) vorliegt, das Ergebnis bei Schritt 100 von 7 "JA", und die Verbrennung nach der zweiten Betriebsart wird ausgeführt. Daher verbrennt Kraftstoff im Abgassystem und die Temperatur des Abgases, das in den Partikelfilter 22a einströmt, und die Temperatur des Abgases, das daraus ausströmt, nehmen zu und daher verschiebt sich die Temperatur des Partikelfilters 22a in den Regenerationsbereich (T1 – T2). Wenn die Temperatur des ausströmenden Gases sukzessiv ansteigt, wird anschließend zum Zeitpunkt (t8) durch Schritt 400 von 26 geschätzt, daß die Temperatur des Partikelfilters 22a übermäßig angestiegen ist. Demgemäß wird die Verbrennung nach der ersten Betriebsart ausge führt, um die Verbrennung nach der zweiten Betriebsart zu unterbrechen. Als nächstes wird zum Zeitpunkt (t9) das Ergebnis bei Schritt 400 von 26 "NEIN", und die Verbrennung nach der zweiten Betriebsart wird wieder ausgeführt. Als nächstes wird zum Zeitpunkt (t10) ermittelt, daß nicht der Zeitpunkt vorliegt, zu dem der Partikelfilter regeneriert werden soll, d.h., daß die Regeneration des Partikelfilters abgeschlossen ist, und daher wird bei Schritt 101 die Verbrennung nach der ersten Betriebsart ausgeführt.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform nimmt das Sauerstoff-absorbierende und Aktivsauerstoff-freisetzende Agens 61, das im Partikelfilter 22a getragen wird, Sauerstoff auf und hält ihn, wenn Überschußsauerstoff in der Umgebung vorhanden ist und setzt den gehaltenen Sauerstoff als Aktivsauerstoff frei, wenn die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung fällt. Daher können die Partikel auf dem Partikelfilter durch den Aktivsauerstoff oxidiert und entfernt werden, ohne eine leuchtende Flamme zu erzeugen. Weiter werden gemäß der vorliegenden Ausführungsform die erste Betriebsart (6(A)), in der die Priorität besteht, den Kraftstoffverbrauch des Motors zu verbessern, und die zweite Betriebsart (6(B)), in der die Priorität besteht, den Partikelfilter 22a zu regenerieren, nach Bedarf gewechselt. Daher kann der Kraftstoffverbrauch des Motors verbessert werden, und die Absetzung der Partikel kann eingedämmt werden. Im Detail wird bei Schritt 100 von 7 die erste Betriebsart (6(A)) im allgemeinen gewählt, und die zweite Betriebsart (6(B)) wird nur gewählt, wenn der Partikelfilter 22a regeneriert werden muß. Daher wird die Absetzung der Partikel nicht übermäßig eingedämmt, und daher nimmt der Kraftstoffverbrauch des Motors nicht ab.
Weiter wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform, wenn die zweite Betriebsart im Mittel-Motorlast-Betriebsbereich (B2) von 6 gewählt ist, die Neben-Kraftstoffeinspritzung bei Schritt 304 von 22 ausgeführt, und der Start-Zeitpunkt der Haupt-Kraftstoffeinspritzung wird bei Schritt 303 verzögert. Daher wird im Mittel-Motorlast-Betriebsbereich (B2), in dem die Nieder-Temperatur-Verbrennung nicht ausgeführt und das Hoch-Temperatur-Abgas im allgemeinen nicht abgegeben werden kann, die Abgastemperatur hoch eingestellt werden, und daher kann der Partikelfilter regeneriert werden.
Weiter wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform, selbst wenn die Nieder-Temperatur-Verbrennung in der gewählten zweiten Betriebsart (6(B)) ausgeführt wird, falls es geschätzt wird, daß die Temperatur des Partikelfilters 22a übermäßig angestiegen ist, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis bei Schritt 402 von 26 auf die magere Seite verlagert. Daher wird die Temperatur des Abgases, das in den Partikelfilter 22a einströmt, niedrig eingstellt, und auf diese Weise kann ein übermäßiger Temperaturanstieg des Partikelfilters vermieden werden. Abgesehen davon wird, selbst wenn die Neben-Kraftstoffeinspritzung bei Schritt 304 von 22 ausgeführt und der Start-Zeitpunkt der Haupt-Kraftstoffeinspritzung bei Schritt 303 von 22 in der gewählten zweiten Betriebsart (B2) von 6(B) verzögert wird, falls es geschätzt wird, daß die Temperatur des Partikelfilters übermäßig ansteigt, der Start-Zeitpunkt der Haupt-Kraftstoffeinspritzung bei Schritt 405 von 26 vorverlegt und die Neben-Kraftstoffeinspritzung beendet. Daher wird die Temperatur des Abgases, das in den Partikelfilter 22a einströmt, niedrig eingestellt, und auf diese Weise kann der übermäßige Temperaturanstieg des Partikelfilters vermieden werden. Abgesehen davon wird, selbst wenn die normale Verbrennung nach der gewählten zweiten Betriebsart (6(B)) ausgeführt wird, falls es geschätzt wird, daß die Temperatur des Partikelfilters 22a übermäßig angestiegen ist, der Start-Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung bei Schritt 404 von 26 vorverlegt. Daher wird die Temperatur des Abgases, das in den Partikelfilter 22a einströmt, niedrig eingestellt, und auf diese Weise kann der übermäßige Temperaturanstieg des Partikelfilters vermieden werden. D.h., die Temperatur des Partikelfilters steigt nicht übermäßig an, wenn der Partikelfilter regeneriert wird, und daher schmilzt der Partikelfilter nicht.
Weiter wird gemäß der weiteren Ausführungsform, wie sie oben erwähnt worden ist, selbst wenn die zweite Betriebsart (6(B)) gewählt ist, falls es geschätzt wird, daß die Temperatur des Partikelfilters 22a übermäßig angestiegen ist, die Verbrennung nach der ersten Betriebsart (6(A)), in der die Abgastemperatur relativ niedrig wird, ausgeführt, um die Verbrennung nach der zweiten Betriebsart zu unterbrechen. Daher steigt die Temperatur des Partikelfilters nicht übermäßig an, wenn der Partikelfilter regeneriert wird, und daher schmilzt der Partikelfilter nicht.
Weiter wird es gemäß der vorliegenden Ausführungsform, wenn eine vorbestimmte Zeitspanne seit dem Zeitpunkt vergangen ist, an dem auf die zweite Betriebsart von der ersten Betriebsart gewechselt worden ist, geschätzt, daß die Temperatur des Partikelfilters übermäßig angestiegen ist. Daher kann leicht geschätzt werden, ob die Temperatur des Partikelfilters übermäßig angestiegen ist, ohne die tatsächliche Messung der Temperatur des Partikelfilters 22a.
Weiter wird gemäß einer weiteren Ausführungsform, wie sie oben erwähnt worden ist, auf Basis der Abgastemperatur, die durch den Temperatursensor 39b des ausströmenden Gases erfaßt wird, geschätzt, ob die Temperatur des Partikelfilters übermäßig ansteigt. Daher kann präzise geschätzt werden, ob die Temperatur des Partikelfilters übermäßig angestiegen ist, ohne die tatsächliche Messung der Temperatur des Partikelfilters 22a.
Weiter wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Katalysatorvorrichtung 22b zum Absorbieren und Reduzieren von NO_x im Abgas stromaufwärts zum Partikelfilter 22a angeordnet. Daher werden die reduzierenden Materialien im Abgas oxidiert, wenn das Abgas durch die Katalysatorvorrichtung 22b hindurchtritt, und auf diese Weise kann die Abgastemperatur aufgrund der Oxidationswärme davon ansteigen, um die Temperatur des Partikelfilters relativ hoch zu halten. SOF, das als ein Bindemittel für die Partikel fungiert, wird in der Katalysatorvorrichtung 22b ebenfalls oxidiert, und daher können sich die Partikel nicht leicht absetzen.
Weiter wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform, wenn es geschätzt wird, daß sich die vorbestimmte Menge an Partikeln auf dem Partikelfilter 22a abgesetzt hat, das Ergebnis bei Schritt 100 von 7 "JA", und es wird auf die zweite Betriebsart (6(B)), in der die Priorität besteht, den Partikelfilter zu regenerieren, von der ersten Betriebsart (6(B)), in der die Priorität besteht, den Kraftstoffverbrauch des Motors zu verbessern, gewechselt. Daher wird das Verfahren bei Schritt 102 nicht sukzessiv ausgeführt, und die Ablagerung der Partikel wird nicht übermäßig eingedämmt. Demgemäß nimmt der Kraftstoffverbrauch des Motors nicht ab.
Weiter wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform im Nieder-Motorlast-Betriebsbereich die Nieder-Temeperatur-Verbrennung ausgeführt. Daher kann eine relativ große Menge an reduzierenden Materialien, die im Abgas davon enthalten sind, auf der Katalysatorvorrichtung 22b oder auf dem Partikelfilter 22a verbrennen, und auf diese Weise kann die Temperatur des Abgases, das in den Partikelfilter einströmt, stärker angehoben werden als bei normaler Verbrennung. Demgemäß kann der Motorbetriebsbereich, in dem der Partikelfilter regeneriert werden kann, erweitert werden. Abgesehen davon ist die Katalysatorvorrichtung 22b, die eine relativ große Kapazität aufweist, im Abgas stromaufwärts zum Partikelfilterfilter 22a angeordnet, und auf diese Weise kann die Temperatur des gesamten Abgases, das in den Partikelfilter 22a einströmt, vereinheitlicht werden. Daher kann ein örtlicher übermäßiger Anstieg der Temperatur des Partikelfilters vermieden werden.
Weiter wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Zeitspanne, in der die erste Betriebsart (6(A)) gewählt ist, und die Zeitspanne, in der die zweite Betriebsart (6(B)) gewählt ist, passend eingestellt. Daher setzt sich nicht eine große Zahl an Partikeln auf dem Partikelfilter in der passenden Zeitspanne ab, in der die erste Betriebsart gewählt ist. Dies kann verhindern, daß die Temperatur des Partikelfilters übermäßig ansteigt aufgrund der großen Menge an Oxidationswärme der großen Menge an Partikeln, wenn die zweite Betriebsart gewählt ist. Abgesehen davon fällt die Temperatur des Partikelfilters nicht übermäßig in der passenden Zeitspanne, in der die erste Betriebsart gewählt ist, und die Temperatur des Partikelfilters steigt in der passenden Zeitspanne, in der die zweite Betriebsart gewählt ist, nicht übermäßig an.
Weiter wird gemäß der vorliegenden Ausführumgsform, selbst wenn die erste Betriebsart gewählt ist, die Nieder-Temperatur-Verbrennung im Nieder-Motorlast-Betriebsbereich ausgeführt. Daher fällt die Temperatur des Partikelfilters 22a nicht ab, und auf diese Weise kann, wenn sofort auf die zweite Betriebsart gewechselt wird, nachdem die Nieder-Temperatur-Verbrennung in der ersten Betriebsart ausgeführt wird, die Zeitspanne, in der die zweite Betriebsart gewählt ist, verkürzt werden.
Selbst wenn nur ein Edelmetall, wie beispielsweise Platin Pt, auf dem Partikelfilter getragen wird, kann Aktivsauerstoff aus NO₂ oder SO₃, die auf der Oberfläche des Platins Pt gehalten werden, freigesetzt werden. Jedoch wird in diesem Fall eine Kurve, die die Mengen an Partikeln (G) repräsentiert, die oxidiert und entfernt werden können, leicht nach rechts verschoben, verglichen mit der durchgezogenen Linie, die in 5 dargestellt ist. Ferner kann Ceroxid als das Sauerstoff-absorbierende und Aktivsauerstoff-freisetzende Agens verwendet werden. Ceroxid absorbiert Sauerstoff, wenn die Sauerstoffkonzentration hoch ist (Ce₂O₃ → 2 CeO₂), und setzt Aktivsauerstoff frei, wenn die Sauerstoffkonzentration abnimmt (2 CeO₂ → Ce₂O₃). Um die Partikel zu oxidieren und zu entfernen, muß daher das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der umgebenden Atmosphäre des Partikelfilters in gleichmäßigen oder ungleichmäßigen Abständen fett eingestellt werden. Anstatt von Ceroxid können auch Eisen Fe oder Zinn Sn als das Sauerstoffabsorbierende und Aktivsauerstoff-freisetzende Agens verwendet werden.
In der vorliegenden Ausführungsform trägt der Partikelfilter selbst das Sauerstoffabsorbierende und Aktivsauerstoff-freisetzende Agens, und der Aktivsauerstoff, der vom Sauerstoff-absorbierenden und Aktivsauerstoff-freisetzenden Agens freigesetzt wird, oxidiert und entfernt die Partikel. Jedoch beschränkt dies nicht die vorliegende Erfindung. Beispielsweise kann ein Partikel-Oxidationsmaterial bzw. Partikel-Oxidationsmittel wie Aktivsauerstoff und NO₂, das in der selben Weise fungiert wie Aktivsauerstoff, von einem Partikelfilter oder einem Material, das darauf getragen wird, freigesetzt werden, oder kann in den Partikelfilter von der Außenseite davon einströmen. Im Fall, daß das Partikel-Oxidationsmaterial in den Partikelfilter von der Außenseite davon einströmt, wenn die Temperatur des Partikelfilters ansteigt, steigt die Temperatur der Partikel selbst an, und auf diese Weise kann das Oxidieren und Entfernen derselben leicht gemacht werden.
Obwohl die Erfindung mit Bezug auf spezielle Ausführungsformen derselben beschrieben worden ist, sollte es offensichtlich sein, daß zahlreiche Abwandlungen dazu von Fachleuten gemacht werden können, ohne vom Grundkonzept und vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors mit einem Partikelfilter, der im Abgassystem angeordnet ist und auf dem die abgeschiedenen Partikel oxidiert werden, wobei der Motor in einer ersten Betriebsart, in der die Priorität besteht, seinen Kraftstoffverbrauch zu verbessern, und in einer zweiten Betriebsart betrieben werden kann, in der die Priorität besteht, den Partikelfilter zu regenerieren, um die abgeschiedenen Partikel zu oxidieren, wobei entweder die erste oder zweite Betriebsart gewählt ist, um den Motor nach Bedarf zu betreiben, wobei der Motor eine Nieder-Temperatur-Verbrennung, bei der eine Inertgasmenge, die in die Verbrennungskammer eingespeist worden ist, größer als eine Inertgasmenge ist, die die maximale Menge an erzeugtem Ruß verursacht, und daher wird überhaupt kein Ruß erzeugt, und eine normale Verbrennung ausführen kann, bei der eine Inertgasmenge, die in die Verbrennungskammer eingespeist worden ist, kleiner als eine Inertgasmenge ist, die die maximale Menge an erzeugtem Ruß verursacht, wobei der Motor die Nieder-Temperatur-Verbrennung in einem Nieder-Motorlast-Betriebsbereich ausführt, wenn die erste Betriebsart gewählt ist, wobei der Motor die normale Verbrennung in den Mittel- und Hoch-Motorlast-Betriebsbereichen ausführt, wenn die erste Betriebsart gewählt ist, wobei der Motor die Nieder-Temperatur-Verbrennung im Nieder-Motorlast-Betriebsbereich ausführt, wenn die zweite Betriebsart gewählt ist, wobei der Motor eine Neben-Kraftstoffeinspritzung ausführt und den Startzeitpunkt der Haupt-Kraftstoffeinspritzung im Mittel-Motorlast-Betriebsbereich verzögert, wenn die zweite Betriebsart gewählt ist, und wobei der Motor die normale Verbrennung im Hoch-Motorlast-Betriebsbereich ausführt, wenn die zweite Betriebsart gewählt ist.
Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 1, wobei, wenn geschätzt wird, daß die Temperatur des Partikelfilters außerordentlich angestiegen ist, wenn die zweite Betriebsart gewählt ist, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Nieder-Temperatur-Verbrennung im Nieder-Motorlast-Betriebsbereich auf die magere Seite verlagert, der Startzeitpunkt der Haupt-Kraftstoffein spritzung im Mittel-Motorlast-Betriebsbereich vorverlegt und der Startzeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung bei normaler Verbrennung im Hoch-Motorlast-Betriebsbereich vorverlegt wird.
Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 2, wobei, wenn der Startzeitpunkt der Haupt-Kraftstoffeinspritzung im Mittel-Motorlast-Betriebsbereich vorverlegt wird, die Neben-Kraftstoffeinspritzung beendet wird.
Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 1, wobei, wenn geschätzt wird, daß die Temperatur des Partikelfilters außerordentlich angestiegen ist, wenn die zweite Betriebsart gewählt ist, die Verbrennung in der ersten Betriebsart ausgeführt wird, um die Verbrennung in der zweiten Betriebsart zu unterbrechen.
Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei auf Basis der Zeit geschätzt wird, die vergangen ist, seit auf die zweite Betriebsart von der ersten Betriebsart umgeschaltet worden ist, ob die Temperatur des Partikelfilters außerordentlich angestiegen ist.
Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei es auf Basis der Temperatur des Abgases geschätzt wird, ob die Temperatur des Partikelfilters außerordentlich angestiegen ist.
Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei, wenn sich eine vorbestimmte Menge an Partikeln auf dem Partikelfilter absetzt, von der ersten Betriebsart in die zweite Betriebsart umgeschaltet wird.
Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Katalysatorvorrichtung, die eine Oxidationsfunktion aufweist, stromaufwärts zum Partikelfilter angeordnet ist.