DE60110859T2

DE60110859T2 - Vorrichtung zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE60110859T2
Application number: DE60110859T
Authority: DE
Inventors: Shinya Toyota-shi Aichi-ken Hirota; Toshiaki Toyota-shi Aichi-ken Tanaka; Koichiro Toyota-shi Aichi-ken Nakatani; Kazuhiro Toyota-shi Aichi-ken Itoh; Takamitsu Toyota-shi Aichi-ken Asanuma; Koichi Toyota-shi Aichi-ken Kimura
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-03-27
Filing date: 2001-03-27
Publication date: 2006-01-19
Anticipated expiration: 2021-03-28
Also published as: EP1138888A3; EP1138888A2; DE60110859D1; EP1138888B1

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 1.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Aus der JP 7189655 A ist eine Abgasemissionssteuerungs-Vorrichtung bekannt, die dazu ausgelegt ist, um einen guten Regenerationszustand durch zumindest einen Filter beizubehalten, um eine Reduktion der Leistungsabgabe eines Motors bei oberer Teillast zu verhindern. Diese bekannte Abgasemissionssteuerungs-Vorrichtung weist eine Mehrzahl von Auffangeinrichtungen, eine Betriebserfassungseinrichtung zum Erfassen des Lastzustands eines Motors, einen Temperatursensor für das Abgas, eine Strömungskanal-Schalteinrichtung und eine Steuerung auf. Eine Strömungskanal-Schalteinrichtung kann ein Schalten in einer Regenerations-Auffangeinrichtung vornehmen, die zum Beibehalten einer Regenerierungsbedingung zwischen einer ersten Anordnungsbedingung erforderlich ist, die auf der stromabwärtigen Seite einer weiteren Auffangeinrichtung in Reihe geschaltet ist, und einer zweiten Anordnungsbedingung, die nur durch die Regenerations-Auffangeinrichtung in eine Reihenschaltung versetzt wird. Bei der Steuerung wird die erste Anordnungsbedingung ausgewählt, wenn der Motorzustand sich nicht in der oberen Teillast befindet und die Temperatur des Abgases ein vorgeschriebener Wert oder diesen unterschreitet.
Aus der EP 0 984 142 ist ein Abgasemissionssteuerungssystem für einen Verbrennungsmotor bekannt. Bei diesem Abgasemissionssteuerungssystem ist ein Partikelfilters in dem Abgaskanal eines Motors angeordnet. Nur die innere Wandoberfläche der offenen Zellen am stromabwärtigen Ende des Partikelfilters ist mit einem NO_x-Adsorptionsmittel bedeckt, und die innere Wandoberfläche der offenen Zellen am Ende stromauf des Partikelfilters ist mit einem NO_x-Absorptionsmittel bedeckt, und die innere Wandoberfläch der offenen Zellen stromauf des Partikelfilters ist mit einem HC-Adsorptionsmittel bedeckt. Die Partikel im Abgas werden in dem HC-Adsorptionsmitel oder den Zellwänden des Partikelfilters aufgefangen und davon abgehalten, zum NO_x- Adsorptionsmittel zu gelangen, wenn die Katalysatortemperatur niedrig ist. Das in dem einströmenden Abgas befindliche NO_x wird in dem NO_x-Adsorptionsmittel adsorbiert, und ein Kohlenwasserstoff wird in dem HC-Absorptionsmittel adsorbiert. Mit dem Anstieg der Katalysatortemperatur wird das adsorbierte NO_x aus dem NO_x- Adsorptionsmittel desorbiert, und der adsorbierte HC wird aus dem HC-Adsorptionsmittel desorbiert. Dieser Kohlenwasserstoff verringert das aus dem NO_x-Adsorptionsmittel desorbierte NO_x.
Das Abgas eines Verbrennungsmotors und insbesondere eines Dieselmotors enthält Partikel, die Kohlenstoff als Hauptbestandteil aufweisen. Bei den Partikeln handelt es sich um schädliche Materialien, und daher wurde der Vorschlag gemacht, einen Partikelfilter im Abgassystem bereitzustellen, um die Partikel aufzufangen, bevor sie in die Atmosphäre entweichen. In einem solchen Partikelfilter müssen die abgeschiedenen Partikel verbrannt und entfernt werden, um eine Erhöhung des Widerstandes für das Abgas aufgrund von verstopften Maschen zu verhindern.
Wenn bei solch einer Regeneration des Partikelfilters die Temperatur der Partikel über etwa 600°C ansteigt, entzünden sie sich und verbrennen. Üblicherweise ist die Temperatur des Abgases eines Dieselmotors jedoch deutlich niedriger als 600°C, und daher wird eine Heizvorrichtung benötigt, um den Partikelfilter an sich zu erhitzen.
Die geprüfte japanische Patentveröffentlichung 7-106290 offenbart, daß, wenn ein Platingruppen-Metall und ein Alkalierdmetall-Oxid auf dem Filter getragen werden, die Partikel auf dem Filter verbrennen und sukzessiv bei etwa 400°C entfernt werden. 400°C ist eine übliche Temperatur für das Abgas eines Dieselmotors.
Wenn der vorstehend genannte Filter verwendet wird, beträgt die Temperatur des Abgases jedoch nicht immer etwa 400°C. Außerdem kann eine große Partikelmenge vom Motor abgeführt werden. Somit können Partikel, die nicht jedesmal verbrannt und entfernt werden können, auf dem Filter abgeschieden werden.
Wenn eine bestimmte Partikelmenge auf dem Filter abgeschieden wird, sinkt bei diesem Filter die Fähigkeit zum Verbrennen und Beseitigen von Partikel so stark ab, daß der Filter sich nicht selbst regenerieren kann. Daher kann es, wenn lediglich ein solcher Filter im Abgassystem angeordnet wird, relativ schnell zu einem Verstopfen der Filtermaschen kommen.
Der Artikel "Periodically Reversed Flow Regneration of Diesel Particulate Traps" von A. G. Konstandopoulos und M. Kostoglou, Society of Automotive Engineers, Papier 1999-01-0469, offenbart eine Vorrichtung zum Reinigen eines Abgases eines Verbrennungsmotors mit einem Oxidationskatalysator auf einer Seite der Partikelauffangoberfläche, um die Rußpartikel zu oxidieren. Dieses Papier behandelt die mathematische Beschreibung der darin involvierten Katalysatorprozesse. Es ist ein Nachteil der Abgasreinigungssysteme gemäß dieser Offenbarung, daß die in dem Abgas enthaltenen Partikel sich auf der Katalysatoroberfläche des Abgasfilters abscheiden und ansammeln können.
Zusammenfassung der Erfindung
Daher ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, eine Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors zu schaffen, die ein Verstopfen der Maschen des Partikelfilters durch die darauf abgeschiedene Partikel verhindern kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale nach Anspruch 1 gelöst.
Verbesserte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors resultieren aus den Unteransprüchen 2 bis 19.
Gemäß dieser Erfindung wird eine erste Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors bereitgestellt, die einen im Abgassystem angeordneten Partikelfilter, auf dem die abgeschiedenen Partikel oxidiert werden, und eine Umkehreinrichtung zum Umkehren der Seite stromauf des Abgasstroms und der stromabwärtigen Seite des Abgasstroms des Partikelfilters, wobei der Partikelfilter eine Auffangwand aufweist, wobei die Auffangwand eine erste Auffangoberfläche und eine zweite Auffangoberfläche aufweist, wobei die Umkehreinrichtung die Seite stromauf des Abgasstroms und die stromabwärtige Seite des Abgasstroms des Partikelfilters umkehrt, so daß die erste Auffangoberfläche und die zweite Auffangoberfläche abwechselnd verwendet werden, um die Partikel aufzufangen, und wobei die Vorrichtung ferner eine Verbesserungseinrichtung zum Verbessern der Menge von Partikeln aufweist, die auf dem Partikelfilter oxidiert und entfernt werden können.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine zweite Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors bereitgestellt, die einen im Abgassystem angeordneten Partikelfilter, auf dem die abgeschiedenen Partikel oxidiert werden, und eine Umkehreinrichtung zum Umkehren der Seite stromauf des Abgasstroms und der stromabwärtigen Seite des Abgasstroms des Partikelfilters aufweist, wobei der Partikelfilter eine Auffangwand aufweist, wobei die Auffangwand eine erste Auffangoberfläche und eine zweite Auffangoberfläche aufweist, wobei die Umkehreinrichtung die Seite stromauf des Abgasstroms und die stromabwärtige Seite des Abgasstroms des Partikelfilters umkehrt, so daß die erste Auffangoberfläche und die zweite Auffangoberfläche abwechselnd verwendet werden, um die Partikel aufzufangen, und wobei die beiden Endabschnitte des Partikelfilters eine Oxidationsfähigkeit aufweisen, die höher ist als die des mittleren Abschnitts des Partikelfilters.
Gemäß dieser Erfindung wird eine dritte Vorrichtung zum Reinigen der Abgase eines Verbrennungsmotors bereitgestellt, die einen im Abgassystem angeordneten Partikelfilter, auf dem die abgeschiedenen Partikel oxidiert werden, und eine Umkehreinrichtung zum Umkehren der Seite stromauf des Abgasstroms und der stromabwärtigen Seite des Abgasstroms des Partikelfilters aufweist, wobei der Partikelfilter ein Aktivsauerstofffreisetzungsmittel trägt, wobei aktiver Sauerstoff, der von dem Aktivsauerstofffreisetzungsmittel freigesetzt wird, die abgeschiedenen Partikel oxidiert, wobei das Aktivsauerstofffreisetzungsmittel NO_x hält, um das NO_x mit dem Sauerstoff zu kombinieren, wenn in der Umgebung ein Sauerstoffüberschuß vorliegt, und NO_x freisetzt, um die Kombination aus NO_x und Sauerstoff in NO_x und aktiven Sauerstoff aufzuspalten, wenn die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung abfällt, wobei der Partikelfilter eine Auffangwand aufweist, wobei die Auffangwand eine erste Auffangoberfläche und eine zweite Auffangoberfläche aufweist, und eine Umkehreinrichtung die Seite stromauf des Abgasstroms und die stromabwärtige Seite des Abgasstroms des Partikelfilters umkehrt, so daß die erste Auffangoberfläche und die zweite Auffangoberfläche abwechselnd verwendet werden, um die Partikel aufzufangen, und wobei die Vorrichtung ferner eine Verbesserungseinrichtung zum Verbessern der Menge von Partikeln aufweist, die oxidiert und von dem Partikelfilter entfernt werden können, indem bewirkt wird, daß die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung abfällt, um NO_x von dem Aktivsauerstofffreisetzungsmittel freizusetzen.
Die Erfindung wird anhand der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, die nachstehend aufgeführt ist, zusammen mit den beigefügten Zeichnungen besser verständlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Es zeigen:
1 eine schematische vertikale Schnittansicht eines Viertakt-Dieselmotors mit einer Vorrichtung zum Reinigen des Abgases gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 eine vergrößerte vertikale Schnittansicht des Verbrennungsraums von 1;
3 eine Unteransicht des Zylinderkopfs von 1;
4 eine vergrößerte vertikale Schnittansicht des Verbrennungsraums von 1;
5 eine Ansicht, die die Beziehung zwischen dem Grad der Anhebung des Einlaßventils und des Auslaßventils und der Kraftstoffeinspritzung zeigt;
6 eine Ansicht, die die Mengen an erzeugtem Rauch, NO_x und dergleichen zeigt;
7(A) und 7(B) Ansichten, die den Verbrennungsdruck zeigen;
8 eine Ansicht, die die Kraftstoffmoleküle zeigt;
9 eine Ansicht, die die Beziehung zwischen der Menge an erzeugtem NO_x und der AGR-Rate zeigt;
10 eine Ansicht, die die Beziehung zwischen der Menge an eingespritztem Kraftstoff und der Menge an gemischtem Gas zeigt;
11 eine Ansicht, die den ersten Betriebsbereich (I) und den zweiten Betriebsbereich (II) zeigt;
12 eine Ansicht, die das Ausgangssignal des Sensors für das Kraftstoff-Luftverhältnis zeigt.
13 eine Ansicht, die den Öffnungsgrad des Drosselventils und dergleichen zeigt;
14 eine Ansicht, die das Kraftstoff-Luftverhältnis im ersten Betriebsbereich (I) zeigt;
15(A) eine Ansicht, die den angestrebten Öffnungsgrad des Drosselventils zeigt.
15(B) eine Ansicht, die den Soll-Öffnungsgrad des AGR-Steuerungsventils zeigt;
16 eine Ansicht, die das Kraftstoff-Luftverhältnis im zweiten Betriebsbereich (II) zeigt;
17(A) eine Ansicht, die den Soll-Öffnungsgrad des Drosselventils zeigt;
17(B) eine Ansicht, die den Soll-Öffnungsgrad des AGR-Steuerungsventils zeigt;
18 eine Draufsicht, die den Umschaltabschnitt und den Partikelfilter im Abgassystem gemäß einer Ausführungsform aus der Nähe zeigt;
19 eine Seitenansicht von 18;
20 eine Ansicht, die die Absperrstellung des Ventilkörpers im Umschaltabschnitt zeigt, die sich von der in 18 unterscheidet;
21 eine Ansicht, die die Mittelstellung des Ventilkörpers im Umschaltabschnitt zeigt;
22(A) ist eine Frontansicht, die den Aufbau des Partikelfilters zeigt;
22(B) eine seitliche Schnittansicht, die den Aufbau des Partikelfilters zeigt.
23(A) und 23(B) sind Ansichten, die die oxidierende Wirkung der Partikel erläutern;
24 eine Ansicht, die die Beziehung zwischen der Partikelmenge, die oxidiert und entfernt werden kann, und der Temperatur des Partikelfilters zeigt;
25(A), 25(B) u. 25(C) Ansichten, die den Abscheidevorgang der Partikel erklären;
26 ein erstes Flußdiagramm zum Verhindern der Abscheidung der Partikel auf dem Partikelfilter;
27(A), 27(B) vergrößerte Schnittansichten der Trennwand des Partikelfilters;
28 ein zweites Flußdiagramm zum Verhindern der Abscheidung der Partikel auf dem Partikelfilter;
29 ist eine Draufsicht, die den Umschaltabschnitt und den Partikelfilter im Abgassystem gemäß einer anderen Ausführungsform aus der Nähe zeigt;
30 eine Seitenansicht von 29;
31 ein drittes Flußdiagramm zum Verhindern der Abscheidung der Partikel auf dem Partikelfilter;
32 ein viertes Flußdiagramm zum Verhindern der Abscheidung der Partikel auf dem Partikelfilter;
33 eine Draufsicht, die die Nähe des Partikelfilters in dem Abgassystem gemäß einer weiteren Ausführungsform zeigt;
34 eine Draufsicht, die den Umschaltabschnitt und den Partikelfilter im Abgassystem gemäß einer weiteren Ausführungsform aus der Nähe zeigt;
35 ein fünftes Flußdiagramm zum Bewirken, daß der Partikelfilter NO_x freisetzt und das freigesetztes NO_x desoxidiert;
36 ein sechstes Flußdiagramm zum Bewirken, daß der Partikelfilter NO_x freisetzt und das freigesetztes NO_x desoxidiert;
37 eine Draufsicht, die den Umschaltabschnitt und den Partikelfilter im Abgassystem gemäß einer weiteren Ausführungsform aus der Nähe zeigt;
38 eine Draufsicht, die den Umschaltabschnitt und den Partikelfilter im Abgassystem gemäß einer anderen Ausführungsform aus der Nähe zeigt;
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
1 ist eine schematische vertikale Schnittansicht eines Viertakt-Dieselmotors mit einer Vorrichtung zum Reinigen des Abgases gemäß der vorliegenden Erfindung. 2 ist eine vergrößerte vertikale Schnittansicht eines Verbrennungsraum des Dieselmotors von 1. 3 ist eine Unteransicht eines Zylinderkopfs des Dieselmotors von 1. 1–3: Das Bezugszeichen 1 bezeichnet ein Motorgehäuse, das Bezugszeichen 2 bezeichnet einen Zylinderblock, das Bezugszeichen 3 bezeichnet einen Zylinderkopf das Bezugszeichen 4 bezeichnet einen Kolben, das Bezugszeichen 5a bezeichnet einen Hohlraum, der an der oberen Oberfläche des Kolbens 4 gebildet wird, das Be zugszeichen 5 bezeichnet einen Verbrennungsraum, der im Hohlraum 5a ausgebildet ist, das Bezugszeichen 6 bezeichnet eine elektrisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzdüse, das Bezugszeichen 7 bezeichnet ein Paar Einlaßventile, das Bezugszeichen 8 bezeichnet einen Ansaugkanal und das Bezugszeichen 9 bezeichnet ein Paar Auslaßventile, und das Bezugszeichen 10 bezeichnet einen Auslaßkanal. Der Ansaugkanal 8 ist über ein korrespondierendes Saugrohr 11 mit einem Druckluftbehälter 12 verbunden. Der Druckluftbehälter 12 ist über einen Einlaßkanal 13 mit einem Luftfilter 14 verbunden. Ein Drosselventil 16, das von einem Elektromotor 15 angesteuert wird, ist im Einlaßkanal 13 angeordnet. Auf der anderen Seite ist der Auslaßkanal 10 mit einem Abgaskrümmer 17 verbunden.
Wie in 1 gezeigt, ist ein Sensor 21 für das Kraftstoff-Luftverhältnis im Abgaskrümmer 17 angeordnet. Der Abgaskrümmer 17 und der Druckluftbehälter 12 sind über eine AGR-Leitung 22 miteinander verbunden. Ein elektronisch gesteuertes AGR-Steuerungsventil 23 ist in der AGR-Leitung 22 angeordnet. Ein AGR-Kühler 24 ist um die AGR-Leitung 22 angeordnet, um das AGR-Gas, das durch die AGR-Leitung 22 strömt, zu kühlen. In der Ausführungsform von 1 wird das Motorkühlwasser in den AGR-Kühler 24 geleitet, und daher wird das AGR-Gas mit dem Motorkühlwasser gekühlt.
Auf der anderen Seite ist jede Kraftstoffeinspritzdüse 6 mit dem Kraftstoffbehälter verbunden, das heißt, über ein Kraftstoffzuführrohr 25 mit einer gemeinsamen Druckleitung (Common Rail) 26. Kraftstoff wird der Common Rail 26 von einer elektronisch gesteuerten variablen Kraftstoff-Austragspumpe 27 zugeführt. Kraftstoff, der der Common Rail zugeführt wurde, wird dem Kraftstoffeinspritzdüse 6 über das Kraftstoffzuführrohr 25 zugeführt. Ein Kraftstoffdruck-Sensor 28 zum Ermitteln des Kraftstoffdrucks in der Common Rail 26 ist an der Common Rail 26 befestigt. Die Abgabemenge der Kraftstoffpumpe wird aufgrund eines Ausgangssignals des Kraftstoffdruck-Sensors 28 gesteuert, so daß der Kraftstoffdruck in der Common Rail 26 den Soll-Kraftstoffdruck erreicht.
Das Bezugszeichen 30 bezeichnet eine elektronische Steuerungseinheit. Sie besteht aus einem digitalen Rechner und ist mit einem ROM (Read Only Memory) 32, einem RAM (Random Access Memory) 33, einer CPU (Mikroprozessor) 34, einem Eingangsport 35 und einem Ausgangsport 36 ausgestattet, die miteinander durch einen bidirektionalen Bus 31 verbunden sind. Die Ausgangssignale des Luft/Kraftstoff-Sensors 32 und des Kraftstoffdruck-Sensors 28 werden in den Eingangsport 35 jeweils über einen A/D-Konverter 37 eingegeben. Ein Motorlastsensor 41 ist mit dem Gaspedal 40 verbunden, der eine Ausgangsspannung erzeugt, die proportional zum Verstellweg (L) des Gaspedals 40 ist. Das Ausgangssignal des Motorlastsensors 41 wird ebenfalls über den A/D-Wandler 37 in den Eingangsport 35 eingegeben. Außerdem wird das Ausgangssignal eines Kurbelwinkelsensors 42, der jedesmal, wenn die Kurbelwelle sich beispielsweise um 30 Grad dreht, einen Ausgangspuls erzeugt, in den Eingangsport 35 eingegeben. Die Kraftstoffeinspritzdüse 6, der Elektromotor 15, das AGR-Steuerungsventil 23 und die Kraftstoffpumpe 27 sind jeweils über einen Steuerkreis 38 mit dem Ausgangsport 36 verbunden, um aufgrund der Eingangssignale betätigt zu werden.
Wie in den 2 und 3 gezeigt, umfaßt der Kraftstoffeinspritzdüse 6 in der Ausführungsform dieser Erfindung eine Düse mit sechs Düsenöffnungen. Kraftstoffnebel (F) werden aus den Düsenöffnungen in leicht abwärts geneigt in gleichen Winkelintervallen gegen eine horizontale Ebene gespritzt. Wie in 3 gezeigt, werden zwei Kraftstoffnebel (F) der sechs Kraftstoffnebel (F) entlang der unteren Fläche jedes Auslaßventils 9 zerstäubt. Die 2 und 3 zeigen den Fall, in dem Kraftstoff am Ende des Verdichtungstakts eingespritzt wird. In diesem Fall gelangen die Kraftstoffnebel (F) zum Rand der Innenfläche des Hohlraums 5 und werden daraufhin entzündet und verbrannt.
4 zeigt den Fall, in dem zusätzlicher Kraftstoff aus dem Kraftstoffeinspritzdüse 6 eingespritzt wird, wenn der Anhebungsgrad der Auslaßventile das Maximum des Auslaßtakts erreicht hat. Das heißt, 5 zeigt den Fall, daß die Haupt-Kraftstoffeinspritzung (Qm) nahe des oberen Totpunkts beim Verdichten durchgeführt wird und anschließend die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung (Qa) im mittleren Stadium des Auslaßhubs durchgeführt wird. In diesem Fall werden die Kraftstoffnebel (F), die sich auf die Auslaßventile zu bewegen, zwischen die schirmartige hintere Oberfläche des Auslaßventils 9 und des Auslaßkanals 10 gelenkt. Mit anderen Worten, zwei Düsenöffnungen der sechs Düsenöffnungen der Kraftstoffeinspritzdüse 6 sind so geformt, daß die Kraftstoffnebel (F), wenn die Auslaßventile 9 geöffnet werden und die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung (Qa) durchgeführt wird, zwischen die hintere Oberfläche des Auslaßventils 9 und die Abgasöffnung 10 gelenkt werden. In der Ausführungsform von 4 treffen diese Kraftstoffnebel (F) auf der hinteren Oberfläche des Auslaßventils 9 auf und werden von der hinteren Oberfläche des Auslaßventils 9 zurückgeworfen und somit in die Abgasöffnung 10 gelenkt.
Üblicherweise wird die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung (Qa) nicht durchgeführt und es wird lediglich die Haupt-Kraftstoffeinspritzung (Qm) durchgeführt. 6 zeigt ein Beispiel aus einem Versuch, das die Veränderung des Ausgangsdrehmoments und der Menge an Rauch, HC, CO und NO_x, die zu dem Zeitpunkt ausgestoßen werden, wenn das Kraftstoff-Luftverhältnis A/F (Abszisse in 6) durch Änderung des Öffnungsgrads des Drosselventils 16 verändert wird, und die AGR-Rate zum Zeitpunkt des Betriebs mit geringer Motorlast zeigt. Wie aus 6 zu ersehen ist, wird in diesem Versuch die AGR-Rate um so höher, je niedriger das Kraftstoff-Luftverhältnis A/F wird. Wenn das Kraftstoff-Luftverhältnis unter dem stöchiometrischen Kraftstoff-Luftverhältnis liegt (fast gleich 14,6), steigt die AGR-Rate auf über 65 Prozent.
Wenn die AGR-Rate erhöht wird, um das Kraftstoff-Luftverhältnis A/F zu verringern, wie in 6 gezeigt, beginnt, wenn die AGR-Rate sich 40 Prozent annähert und das Kraftstoff-Luftverhältnis A/F sich etwa 30 annähert, die Menge des erzeugten Rauchs zu steigen. Sodann steigt, wenn die AGR-Rate weiter erhöht wird und das Kraftstoff-Luftverhältnis A/F verringert wird, die Menge des erzeugten Rauchs steil an und erreicht ihren Höhepunkt. Sodann sinkt, wenn die AGR-Rate weiter erhöht wird und das Kraftstoff-Luftverhältnis A/F verringert wird, die Menge des erzeugten Rauchs steil ab. Wenn die AGR-Rate über 65 Prozent erreicht und das Kraftstoff- Luftverhältnis A/F sich 15,0 annähert, ist die Menge des erzeugten Rauchs praktisch gleich null. Das heißt, es wird fast kein Ruß erzeugt. Zu diesem Zeitpunkt fällt das Ausgangsdrehmoment des Motors etwas ab, und die Menge an erzeugtem NO_x wird deutlich geringer. Auf der anderen Seite beginnen zu diesem Zeitpunkt die Mengen an erzeugtem HC und CO anzusteigen.
7(A) zeigt die Veränderungen des Verbrennungsdrucks in dem Verbrennungsraum 5, wenn die Menge des erzeugten Rauchs in der Nähe eines Kraftstoff-/Luftverhältnisses A/F von 21 am größten ist. 7(B) zeigt die Veränderungen des Verbrennungsdrucks in dem Verbrennungsraum 5, wenn die Menge des erzeugten Rauchs in der Nähe eines Kraftstoff-/Luftverhältnisses A/F von 18 praktisch null ist. Wie aus dem Vergleich von 7(A) und 7(B) klar wird, ist der Verbrennungsdruck im in 7(B) gezeigten Fall, in dem die Menge des erzeugten Rauchs praktisch null ist, niedriger als im in 7(A) gezeigten Fall, in dem die Menge des erzeugten Rauchs groß ist.
Aus den Ergebnissen des in den 6 und 7 gezeigten Versuchs lassen sich folgende Schlüsse ziehen. Nämlich erstens, wenn das Kraftstoff-Luftverhältnis A/F niedriger als 15,0 und die Menge des erzeugten Rauchs praktisch null ist, sinkt die Menge des erzeugten NO_x beträchtlich, wie in 6 gezeigt. Die Tatsache, daß die Menge des erzeugten NO_x sinkt, bedeutet, daß die Verbrennungstemperatur im Verbrennungsraum 5 abfällt. Daher kann man sagen, daß, wenn fast kein Ruß erzeugt wird, die Verbrennungstemperatur im Verbrennungsraum 5 sinkt. Das gleiche kann aus 7 gefolgert werden. Das heißt, in dem Stadium, das in 7(B) gezeigt ist, in dem fast kein Ruß erzeugt wird, wird der Verbrennungsdruck niedriger, daher wird die Verbrennungstemperatur im Verbrennungsraum 5 zu diesem Zeitpunkt niedriger.
Zweitens, wenn die Menge an erzeugtem Rauch, das heißt die Menge an erzeugtem Ruß, praktisch null wird, wie in 6 gezeigt, steigt die Menge an ausgestoßenem HC und CO an. Das heißt, daß die Kohlenwasserstoffe ausgestoßen werden, ohne zu Ruß zu werden. Das heißt, die geradkettigen Kohlenwasserstoffe und die aro matischen Kohlenwasserstoffe, die im Kraftstoff enthalten sind und in 8 gezeigt sind, zersetzen sich, wenn ihre Temperatur im Zustand des Sauerstoffmangels erhöht wird, was zur Bildung eines Rußvorläufers führt. Sodann wird Ruß erzeugt, der sich hauptsächlich aus den festen Massen von Kohlenstoffatomen zusammensetzt. In diesem Fall wird der eigentliche Vorgang der Rußerzeugung verkompliziert. Wie der Rußvorläufer gebildet wird, ist nicht klar, aber wie auch immer, die Kohlenwasserstoffe, die in 8 gezeigt sind, verwandeln sich durch den Rußvorläufer in Ruß. Wie vorstehend erklärt, steigt daher, wenn die Menge des erzeugten Rußes praktisch null wird, die Menge an ausgestoßenem HC und CO an, wie in 6 gezeigt, aber der HC ist zu dieser Zeit ein Rußvorläufer oder befindet sich in einem Kohlenwasserstoff-Zustand vor diesem.
Zusammengefaßt ergibt sich aus diesen Überlegungen auf der Grundlage der Versuche, die in 6 und 7 gezeigt sind: wenn die Verbrennungstemperatur im Verbrennungsraum 5 niedrig ist, wird die Menge an erzeugtem Ruß praktisch null. Zu diesem Zeitpunkt wird ein Rußvorläufer oder ein Kohlenwasserstoff-Zustand davor aus der Verbrennungsraum 5 emittiert. Es wurden detailliertere Versuche und Studien durchgeführt. Als Ergebnis erkannte man, daß, wenn die Temperatur des Kraftstoffs und des Gases um den Kraftstoff im Verbrennungsraum 5 unter einer bestimmten Temperatur liegt, der Vorgang der Rußbildung auf halbem Weg abbricht, das heißt, daß überhaupt kein Ruß erzeugt wird, und daß, wenn die Temperatur des Kraftstoffs und des Gases um den Kraftstoff im Verbrennungsraum 5 über die bestimmte Temperatur steigt, Ruß erzeugt wird.
Die Temperatur des Kraftstoffs und des Gases um den Kraftstoff herum zum Zeitpunkt des Abbruchs des Wachstumsprozesses von Kohlenwasserstoffen im Stadium des Rußvorläufers, das heißt die vorstehend erwähnte bestimmte Temperatur, ändert sich abhängig von verschiedenen Faktoren, wie der Kraftstoffart, dem Kraftstoff-Luftverhältnis und dem Verdichtungsverhältnis, daher kann man sie nicht genau voraussagen, aber diese bestimmte Temperatur hängt eng mit der Menge des erzeugten NO_x zusammen. Daher kann diese bestimmte Temperatur bis zu einem gewissen Grad aus der Menge des erzeugten NO_x bestimmt werden. Das heißt, je größer die AGR-Rate ist, desto geringer wird die Temperatur des Kraftstoffs und des diesen umgebenden Gases zum Zeitpunkt der Verbrennung und desto geringer wird die Menge des erzeugten NO_x. Zu dem Zeitpunkt, wenn die Menge des erzeugten NO_x etwa 10 ppm oder weniger wird, wird fast kein Ruß mehr erzeugt. Daher entspricht die vorstehend bestimmte Temperatur im wesentlichen der Temperatur zu dem Zeitpunkt, wenn die Menge des erzeugten NO_x etwa 10 ppm oder weniger wird.
Sobald Ruß erzeugt wird, ist es unmöglich, ihn durch eine Nachbehandlung mittels eines Katalysators mit Oxidationsfunktion zu reinigen. Im Gegensatz dazu kann ein Rußvorläufer oder ein Kohlenwasserstoff-Zustand davor leicht durch eine Nachbehandlung mittels eines Katalysators mit Oxidationsfunktion gereinigt werden. Daher ist es für das Reinigen von Abgas extrem wirksam, daß die Kohlenwasserstoffe aus dem Verbrennungsraum 5 in Form eines Rußvorläufers oder eines Zustands davor mit der Verringerung der Menge an erzeugtem NO_x emittiert werden.
Um das Wachstum der Kohlenwasserstoffe im Stadium vor der Rußerzeugung zu beenden, ist es nunmehr notwendig, die Temperatur des Kraftstoffs und des diesen umgebenden Gases zum Zeitpunkt der Verbrennung in dem Verbrennungsraum 5 auf eine Temperatur unter der Temperatur, bei der Ruß erzeugt wird, zu senken. In diesem Fall hat es sich gezeigt, daß die wärmeabsorbierende Wirkung des den Kraftstoff zum Zeitpunkt der Verbrennung des Kraftstoffs umgebenden Gases eine äußerst große Wirkung beim Senken der Temperatur des Kraftstoffs und des diesen umgebenden Gases hat.
Das heißt, wenn lediglich Luft den Kraftstoff umgibt, reagiert der verdampfte Kraftstoff sofort mit dem Sauerstoff in der Luft und verbrennt. In diesem Fall erhöht sich die Temperatur der Luft in einiger Entfernung vom Kraftstoff nicht so sehr. Nur die Temperatur um den Kraftstoff herum wird lokal extrem hoch. Das heißt, zu diesem Zeitpunkt absorbiert die Luft in einiger Entfernung vom Kraftstoff die Verbrennungswärme des Kraftstoffs kaum. Da die Verbrennungstemperatur lokal extrem hoch wird, erzeugen in diesem Fall die unverbrannten Kohlenwasserstoffe, die die Verbrennungswärme aufnehmen, Ruß.
Andererseits ist die Situation, wenn Kraftstoff sich in einem Mischgas aus einer großen Menge inertem Gas und einer kleinen Menge Luft befindet, etwas anders. In diesem Fall dispergiert der verdampfte Kraftstoff in die Umgebung und reagiert mit dem Sauerstoff, der mit dem inerten Gas gemischt ist, und verbrennt. In diesem Fall wird die Verbrennungswärme durch das umgebende inerte Gas absorbiert, so daß die Verbrennungstemperatur nicht mehr so stark steigt. Das heißt, die Verbrennungstemperatur kann niedrig gehalten werden. Das heißt, die Anwesenheit von inertem Gas spielt eine wichtige Rolle bei der Senkung der Verbrennungstemperatur. Es ist möglich, die Verbrennungstemperatur durch die Wärmeabsorptionswirkung des inerten Gases niedrig zu halten.
In diesem Fall ist, um die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases auf eine Temperatur unter die Temperatur, bei der Ruß erzeugt wird, zu senken, eine genügend große Menge an inertem Gas notwendig, um eine ausreichende Wärmemenge zu absorbieren, um die Temperatur zu senken. Wenn die Menge an Kraftstoff steigt, erhöht sich daher die Menge des benötigten inerten Gases ebenfalls. Man beachte, daß, je größer in diesem Fall die spezifische Wärme des inerten Gases ist, desto stärker die wärmeabsorbierende Wirkung wird. Daher wird ein Gas mit einer hohen spezifischen Warme als inertes Gas bevorzugt. In diesem Zusammenhang läßt sich sagen, daß es, da CO₂ und das AGR-Gas eine relative hohe spezifische Wärme aufweisen, bevorzugt ist, AGR-Gas als inertes Gas zu verwenden.
9 zeigt die Beziehung zwischen der AGR-Rate und dem Rauch, wenn AGR-Gas als inertes Gas verwendet wird und der Abkühlungsgrad des AGR-Gases verändert wird. Das heißt, die Kurve (A) in 9 zeigt den Fall, daß das AGR-Gas stark abgekühlt wird und die Temperatur des AGR-Gases bei etwa 90°C gehalten wird, die Kurve (B) zeigt den Fall, daß das AGR-Gas durch einen kompakten Kühlapparat gekühlt wird, und die Kurve (C) zeigt den Fall, daß das AGR-Gas nicht zwangsgekühlt wird.
Wenn das AGR-Gas stark abgekühlt wird, wie von Kurve (A) in 9 gezeigt, erreicht die Menge des erzeugten Rußes dann ihren Höhepunkt, wenn die AGR-Rate etwas unter 50 Prozent beträgt. In diesem Fall wird, wenn die AGR-Rate auf über 55 Prozent oder darüber gesteigert wird, fast kein Ruß mehr erzeugt.
Andererseits, wenn das AGR-Gas leicht abgekühlt wird, wie von Kurve (B) in 9 gezeigt, erreicht die Menge des erzeugten Rußes ihren Höhepunkt, wenn die AGR-Rate etwas über 50 Prozent beträgt. In diesem Fall wird, wenn die AGR-Rate auf über 55 Prozent erhöht wird, fast kein Ruß mehr erzeugt.
Außerdem, wenn das AGR-Gas nicht zwangsgekühlt wird, wie von der Kurve (C) in 9 gezeigt, erreicht die Menge des erzeugten Rußes ihren Höhepunkt, wenn die AGR-Rate etwas höher ist als 50 Prozent. In diesem Fall wird, wenn die AGR-Rate auf über 65 Prozent erhöht wird, fast kein Ruß mehr erzeugt.
Wenn das AGR-Gas ferner nicht zwangsgekühlt wird, wie durch die Kurve (C) in 9 gezeigt ist, erreicht die Menge des erzeugten Rußes ihren Höhepunkt nahe einer AGR-Rate von 55 Prozent. In diesem Fall wird nahezu kein Ruß mehr erzeugt, wenn die AGR-Rate auf über etwa 70 Prozent eingestellt wird.
Man beachte, daß 9 die Menge des erzeugten Rauchs zeigt, wenn die Motorlast relativ hoch ist. Wenn die Motorlast kleiner wird, fällt die AGR-Rate, bei der die Menge des erzeugten Rußes ihren Höhepunkt erreicht, etwas ab, und der untere Grenzwert der AGR-Rate, bei dem fast kein Ruß erzeugt wird, fällt ebenfalls etwas ab. Auf diese Weise verändert sich der untere Grenzwert der AGR-Rate, bei dem fast kein Ruß erzeugt wird, in Übereinstimmung mit dem Grad der Abkühlung des AGR-Gases oder der Motorlast.
10 zeigt die Menge an gemischtem Gas aus AGR-Gas und Luft, den Anteil der Luft im Mischgas und den Anteil des AGR-Gases im Mischgas, die nötig sind, um aus der Temperatur des Kraftstoffs und des diesen umgebenden Gases zum Zeitpunkt der Verbrennung eine Temperatur zu machen, die geringer ist als die Temperatur, bei der Ruß im Fall der Verwendung von AGR-Gas als inertem Gas erzeugt wird. Man beachte, daß in 10 die Ordinate die Gesamtmenge des in den Verbrennungsraum 5 aufgenommenen Einlaßgases zeigt. Die unterbrochene Linie (Y) zeigt die Gesamtmenge des Einlaßgases, die in den Verbrennungsraum 5 aufgenommen werden kann, wenn keine Aufladung vorgenommen wird. Außerdem zeigt die Abszisse die erforderliche Last. (Z1) zeigt den Betriebsbereich mit niedriger Motorteillast.
Bezugnehmend auf 10 zeigt der Luftanteil, das heißt, die Menge der Luft im Mischgas, die Luftmenge an, die benötigt wird, um zu bewirken, daß der eingespritzte Kraftstoff vollständig verbrennt. Das heißt, im in 10 gezeigten Fall wird das Verhältnis der Luftmenge und der Menge an eingespritztem Kraftstoff zum stöchiometrischen Kraftstoff-Luftverhältnis. Andererseits zeigt in 10 der Anteil an AGR-Gas, das heißt, die Menge an AGR-Gas im Mischgas, die minimale Menge an AGR-Gas, die erforderlich ist, um aus der Temperatur des Kraftstoffs und des diesen umgebenden Gases eine Temperatur zu machen, die unter der Temperatur liegt, bei der Ruß erzeugt wird, wenn der eingespritzte Kraftstoff vollständig verbrannt wurde. Diese Menge an AGR-Gas ist, ausgedrückt als AGR-Rate, gleich oder größer als 55 Prozent, in der in Fig. gezeigten Ausführungsform ist sie gleich oder größer als 70 Prozent. Das heißt, wenn die Gesamtmenge des Ansauggases, die in den Verbrennungsraum 5 aufgenommen wird, zur durchgezogenen Linie (X) in 10 gemacht wird und das Verhältnis zwischen der Luftmenge und der Menge an AGR-Gas in der Gesamtmenge des Ansauggases (X) zum in 10 gezeigten Verhältnis gemacht wird, wird die Temperatur des Kraftstoffs und des diesen umgebenden Gases zu einer Temperatur unterhalb der Temperatur, bei der Ruß erzeugt wird, und daher wird überhaupt kein Ruß mehr erzeugt. Außerdem beträgt die Menge des erzeugten NO_x zu diesem Zeitpunkt etwa 10 ppm oder weniger und daher wird die Menge an erzeugtem NO_x äußerst gering.
Wenn die Menge des eingespritzten Kraftstoffs steigt, erhöht sich die Menge der zum Zeitpunkt der Verbrennung erzeugten Wärme, so daß, um die Temperatur des Kraftstoffs und des diesen umgebenden Gases bei einer Temperatur unter der Temperatur, bei der Ruß erzeugt wird, zu halten, die Menge der vom AGR-Gas erzeugten Wärme erhöht werden muß. Daher muß, wie in 10 gezeigt, die Menge des AGR-Gases erhöht werden, wenn die Menge des eingespritzten Kraftstoffs erhöht wird. Das heißt, die Menge an AGR-Gas muß erhöht werden, wenn die benötigte Motorlast höher wird.
Andererseits übersteigt im Motorlastbereich (Z2) von 10 die Gesamtmenge an Ansauggas (X), die für das Verhindern der Rußerzeugung benötigt wird, die Gesamtmenge an Ansauggas (Y), die aufgenommen werden kann. Daher ist es in diesem Fall erforderlich, um die Gesamtmenge an Ansauggas (X), die für das Verhindern der Rußerzeugung benötigt wird, in dem Verbrennungsraum 5 zur Verfügung zu stellen, eine Aufladung oder eine Beaufschlagung mit Druck von sowohl dem AGR-Gas als auch der aufgenommenen Luft oder nur dem AGR-Gas durchzuführen. Wenn keine Aufladung oder Beaufschlagung des des AGR-Gases usw. in der Motorlastregion (Z2) durchgeführt wird, entspricht die Gesamtmenge des Ansauggases (X) der Gesamtmenge des Ansauggases (Y), die aufgenommen werden kann. Daher wird in diesem Fall, um die Rußerzeugung zu verhindern, die Luftmenge etwas reduziert, um die Menge an AGR-Gas zu erhöhen, und der Kraftstoff wird in einem Stadium zum Brennen gebracht, in dem das Luft/Kraftstoffverhältnis fett ist.
Wie vorstehend erklärt, zeigt 10 den Fall der Verbrennung von Kraftstoff beim stöchiometrischen Kraftstoff-Luftverhältnis. Im Betriebsbereich mit niedriger Motorlast (Z1), der in 10 gezeigt ist, ist es möglich, sogar wenn die Luftmenge unter die in 10 gezeigte Luftmenge gesenkt wird, d. h. sogar wenn für ein fettes Kraftstoff-Luftverhältnis gesorgt wird, die Rußerzeugung zu verhindern und eine Menge an erzeugtem NO_x von etwa 10 ppm oder darunter zu bewirken. Außerdem ist es im Betriebsbereich mit niedriger Motorteillast (Z1), der in 10 gezeigt ist, möglich, sogar wenn die Luftmenge über die in 10 gezeigte Luftmenge gesteigert wird, das heißt, wenn für ein mageres durchschnittliches Kraftstoff-Luftverhältnis von 17 bis 18 gesorgt wird, die Rußerzeugung zu verhindern und eine Menge an erzeugtem NO_x von etwa 10 ppm oder darunter zu bewirken.
Das heißt, wenn für ein fettes Kraftstoff-Luftverhältnis gesorgt wird, liegt der Kraftstoff im Überschuß vor, aber da die Verbrennungstemperatur auf eine niedrige Temperatur gesenkt ist, wandelt sich der überschüssige Kraftstoff nicht in Ruß um und daher wird kein Ruß erzeugt. Außerdem wird zu diesem Zeitpunkt nur eine äußerst kleine Menge NO_x erzeugt. Andererseits wird, wenn das durchschnittliche Kraftstoff-Luftverhältnis mager ist oder wenn das Kraftstoff-Luftverhältnis dem stöchiometrischen Kraftstoff-Luftverhältnis entspricht, eine kleine Menge Ruß erzeugt, wenn die Verbrennungstemperatur steigt, aber die Verbrennungstemperatur wird auf eine niedrige Temperatur gesenkt, und daher wird überhaupt kein Ruß erzeugt. Außerdem wird nur eine äußerst geringe Menge an NO_x erzeugt.
Auf diese Weise wird im Betriebsbereich mit geringer Motorlast (Z1) unabhängig vom Kraftstoff-Luftverhältnis, das heißt, unabhängig davon, ob ein fettes Kraftstoff-Luftverhältnis oder das stöchiometrische Kraftstoff-Luftverhältnis oder ein im Durchschnitt mageres Kraftstoff-Luftverhältnis vorliegt, kein Ruß erzeugt und die Menge an erzeugtem NO_x wird äußerst klein. Daher läßt sich angesichts der Verbesserung der Kraftstoffverbrauchsrate sagen, daß es bevorzugt ist, den Durchschnitt des Kraftstoff-Luftverhältnisses mager zu machen.
Übrigens kann nur dann, wenn die Motorlast relativ niedrig ist und die Menge der erzeugten Wärme gering ist, die Temperatur des Kraftstoffes und des den Kraftstoff umgebenden Gases bei der Verbrennung unter eine Temperatur gesenkt werden, bei der der Vorgang des Rußwachstums auf halbem Wege abbricht. Daher wird bei der Ausführungsform dieser Erfindung, bei der die Motorlast relativ niedrig ist, die Temperatur des Kraftstoffs und des den Kraftstoff umgebenden Gases bei der Verbrennung auf unter eine Temperatur gesenkt, bei der der Vorgang des Rußwachstums auf halbem Wege abbricht, und daher wird eine erste Verbrennung, d. h. eine Niedertemperaturverbrennung, durchgeführt. Wenn die Motorlast relativ hoch ist, wird eine zweite Verbrennung, d. h. eine normale Verbrennung, wie üblich durchgeführt. Hierbei ist, wie aus der vorstehenden Erklärung hervorgeht, die erste Verbrennung, d. h. die Niedertemperaturverbren nung, eine Verbrennung, bei der die Menge an inertem Gas in dem Verbrennungsraum größer ist als die ungünstigste Menge an inertem Gas, die die maximale Menge an erzeugtem Ruß bewirkt, und darum wird überhaupt kein Ruß erzeugt. Die zweite Verbrennung, d. h. die normale Verbrennung, ist eine Verbrennung, bei der die Menge an inertem Gas in dem Verbrennungsraum kleiner ist als die ungünstigste Menge an inertem Gas.
11 zeigt einen ersten Betriebsbereich (I), in dem die erste Verbrennung, d. h. die Niedertemperaturverbrennung, durchgeführt wird, und einen zweiten Betriebsbereich (II), in dem die zweite Verbrennung, d. h. die normale Verbrennung, durchführt wird. In 11 zeigt die Ordinate (L) die den Verstellweg des Gaspedals 40, d. h. die benötigte Motorlast. Die Abszisse (N) zeigt die Motordrehzahl. Außerdem zeigt in 11 X(N) eine erste Grenzlinie zwischen dem ersten Betriebsbereich (I) und dem zweiten Betriebsbereich (II). Y(N) zeigt eine zweite Grenzlinie zwischen dem ersten Betriebsbereich (I) und dem zweiten Betriebsbereich (II). Die Entscheidung, vom ersten Betriebsbereich (I) zum zweiten Betriebsbereich (II) zu wechseln, wird aufgrund der ersten Grenzlinie X(N) getroffen. Die Entscheidung, vom zweiten Betriebsbereich (II) zum ersten Betriebsbereich (I) zu wechseln, wird aufgrund der zweiten Grenzlinie Y(N) getroffen.
Das heißt, wenn der Betriebszustand des Motors der erste Betriebsbereich (I) ist und die Niedertemperaturverbrennung durchgeführt wird, und falls die benötigte Motorlast (L) die erste Grenzlinie X(N), die eine Funktion der Motordrehzahl (N) ist, übersteigt, wird entschieden, daß der Motorbetriebsbereich in den zweiten Betriebsbereich (II) wechselt, und daher wird die normale Verbrennung durchgeführt. Falls danach die benötigte Motorlast (L) unter der zweiten Grenzlinie Y(N), die eine Funktion der Motorgeschwindigkeit (N) ist, sinkt, wird entschieden, daß der Motorbetriebsbereich in den ersten Betriebsbereich (I) wechselt, und daher wird wieder die Niedertemperaturverbrennung durchgeführt.
12 zeigt das Ausgangssignal des Sensors 21 für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis. Wie in 12 gezeigt, ändert sich der Ausgabestrom (I) des Sensors 21 für das Kraftstoff-Luftverhältnis entsprechend dem Kraftstoff-Luftverhältnis A/F. Demgemäß kann das Kraftstoff-Luftverhältnis aus dem Ausgabestrom (I) des Sensors 21 für das Kraftstoff-Luftverhältnis abgeleitet werden. Nun wird mit Bezug auf 13 die Motorbetriebssteuerung im ersten Betriebsbereich (I) und im zweiten Betriebsbereich (II) schematisch erläutert.
13 zeigt den Öffnungsgrad des Drosselventils 16, den Öffnungsgrad des AGR-Steuerungsventils 23, die AGR-Rate, das Kraftstoff-Luftverhältnis, die Zeitsteuerung der Kraftstoffeinspritzung und die Menge an eingespritztem Kraftstoff in Bezug auf die benötigte Motorlast (L). Wie in 13 gezeigt, wird im ersten Betriebsbereich (I), wenn die benötigte Motorlast (L) niedrig ist, das Drosselventil 16 ausgehend vom beinahe vollständig geschlossenen Zustand zum fast halb geöffneten Zustand allmählich geöffnet, während die benötigte Motorlast (L) ansteigt, und das AGR-Steuerungsventil 23 wird ausgehend vom beinahe vollständig geschlossenen Zustand zum völlig geöffneten Zustand allmählich geöffnet, während die benötigte Motorlast (L) ansteigt. Bei der in 13 gezeigten Ausführungsform wird im ersten Betriebsbereich (I) eine AGR-Rate von etwa 70 Prozent bewirkt und für ein leicht mageres Kraftstoff-Luftverhältnisdarin gesorgt.
Mit anderen Worten werden im ersten Betriebsbereich (I) der Öffnungsgrad des Drosselventils 16 und des AGR-Steuerungsventils 23 so gesteuert, daß die AGR-Rate etwa 70% wird und das Kraftstoff-Luftverhältnis zu einem leicht mageren Kraftstoff-Luftverhältnis wird. Das Kraftstoff-Luftverhältnis wird zu diesem Zeitpunkt auf das angestrebte Kraftstoff-Luftverhältnis hin gesteuert, um den Öffnungsgrad des AGR-Steuerungsventils 23 aufgrund des Ausgabesignals des Sensors 21 für das Kraftstoff-Luftverhältniszu korrigieren. Im ersten Betriebsbereich (Z) wird der Kraftstoff vor dem oberen Totpunkt TDC bei der Verdichtung eingespritzt. In diesem Fall wird der Anlaufzeitpunkt (θS) der Kraftstoffeinspritzung verzögert, wenn sich die benötigte Motorlast (L) erhöht, und der Endzeitpunkt (θE) der Kraftstoffeinspritzung wird verzögert, wenn sich der Endzeitpunkt (θS) der Kraftstoffeinspritzung verzögert.
Im Leerlauf wird das Drosselventil 16 bis zum beinahe völlig geschlossenen Zustand geschlossen. Zu diesem Zeitpunkt wird das AGR-Steuerungsventil 23 ebenfalls bis zum beinahe völlig geschlossenen Zustand geschlossen. Wenn das Drosselventil 16 bis zum beinahe völlig geschlossenen Zustand geschlossen ist, wird der Druck in dem Verbrennungsraum 5 im Anfangsstadium des Verdichtungstakts gesenkt und daher sinkt der Verdichtungsdruck. Wenn der Verdichtungsdruck sinkt, sinkt die Verdichtungsleistung des Kolbens 4, und daher verringert sich die Vibration des Motorgehäuses 1. Das heißt, im Leerlauf wird das Drosselventil 16 bis zum nahezu völlig geschlossenen Zustand geschlossen, wodurch die Vibration des Motorgehäuses 1 eingeschränkt wird.
Andererseits, erhöht sich, wenn der Motorbetriebsbereich vom ersten Betriebsbereich (I) zum zweiten Betriebsbereich (II) wechselt, der Öffnungsgrad des Drosselventils 16 in einer Stufe vom halb geöffneten Zustand zum völlig geöffneten Zustand. Währenddessen sinkt in der in 13 gezeigten Ausführungsform die AGR-Rate um eine Stufe von etwa 70 Prozent auf unter 40 Prozent, und das Kraftstoff-Luftverhältnis erhöht sich um eine Stufe. Das heißt, die AGR-Rate überspringt den Bereich der AGR-Rate (9) in dem die große Rauchmenge erzeugt wird, und daher wird keine große Rauchmenge erzeugt, wenn der Motorbetriebsbereich vom ersten Betriebsbereich (I) zum zweiten Betriebsbereich (II) wechselt.
Im zweiten Betriebsbereich (II) wird die normale Verbrennung wie üblich durchgeführt. Diese Verbrennung verursacht in gewissem Umfang eine Erzeugung von Ruß und NO_x. Ihr thermischer Wirkungsgrad ist jedoch höher als der der Niedertemperaturverbrennung. Daher sinkt, wenn der Motorbetriebsbereich vom ersten Betriebsbereich (I) zum zweiten Betriebsbereich (II) wechselt, die Menge an eingespritztem Kraftstoff in einer Stufe, wie in 13 gezeigt.
Im zweiten Betriebsbereich (II) wird das Drosselventil 16 im völlig geöffneten Zustand gehalten, außer in einem Teil davon. Der Öffnungsgrad des AGR-Steuerungsventils 23 sinkt allmählich, wenn die benötigte Motorlast (L) steigt. In diesem Betriebsbereich (II) sinkt die AGR-Rate, wenn die benötigte Motorlast (L) steigt, und das Kraftstoff-Luftverhältnis verringert sich, wenn die benötigte Motorlast (L) steigt. Jedoch wird aus dem Kraftstoff-Luftverhältnis ein mageres Kraftstoff-Luftverhältnis gemacht, auch wenn die benötigte Motorlast (L) hoch wird. Außerdem wird im zweiten Betriebsbereich (II) dafür gesorgt, daß der Anlaufzeitpunkt (θS) der Kraftstoffeinspritzung in der Nähe des bei der Verdichtung erlangten oberen Totpunkts TDC liegt.
14 zeigt die Luft/Kraftstoff-Verhältnisse A/F im ersten Betriebsbereich (I). In 14 zeigen die Kurven, die mit A/F = 15,5, A/F = 16, A/F = 17 und A/F = 18 bezeichnet sind, jeweils die Fälle, in denen die Luft/Kraftstoff-Verhältnisse 15,5, 16, 17 und 18 betrugen. Das Kraftstoff-Luftverhältnis zwischen zwei dieser Kurven ist durch die proportionale Zuteilung definiert. Wie in 14 gezeigt, ist im ersten Betriebsbereich (I) das Kraftstoff-Luftverhältnis mager, und je magerer das Kraftstoff-Luftverhältnis ist, desto niedriger wird die benötigte Motorlast (L).
Das heißt, die bei der Verbrennung erzeugte Wärmemenge nimmt ab, wenn die benötigte Motorlast (L) abnimmt. Darum kann, sogar wenn die AGR-Rate sinkt, sobald die benötigte Motorlast (L) abnimmt, die Niedertemperaturverbrennung durchgeführt werden. Wenn die AGR-Rate sinkt, wird das Kraftstoff-Luftverhältnis hoch. Darum erhöht sich, wie in 14 gezeigt, das Kraftstoff-Luftverhältnis A/F, wenn die benötigte Motorlast (L) abnimmt. Je größer das Kraftstoff-Luftverhältnis wird, desto mehr verbessert sich der Kraftstoffverbrauch. Demgemäß erhöht sich in der vorliegenden Ausführungsform das Kraftstoff-Luftverhältnis A/F, wenn die benötigte Motorlast (L) abnimmt, so daß das Kraftstoff-Luftverhältnis so mager wie möglich gemacht wird.
Ein Soll-Öffnungsgrad (ST) des Drosselventils 16, der benötigt wird, um das Kraftstoff-Luftverhältnis zum angestrebten Luft/Kraftstoffverhältnis, das in 14 gezeigt ist, zu machen, wird im ROM 32 der elektronischen Steuereinheit 32 als ein Kenn feld hinterlegt, in dem es eine Funktion der benötigten Motorlast (L) und der Motordrehzahl (N) ist, die in 15(A) gezeigt ist. Ein Soll-Öffnungsgrad (SE) des AGR-Steuerungsventils 23, der benötigt wird, um das Kraftstoff-Luftverhältnis zum Soll-Kraftstoff-Luftverhältnis, das in 14 gezeigt ist, zu machen, wird im ROM 32 der elektronischen Steuerungseinheit als ein Kennfeld hinterlegt, in dem es eine Funktion der benötigten Motorlast (L) und der Motordrehzahl (N) ist, die in 15(B) gezeigt ist.
16 zeigt Soll-Kraftstoff-Luftverhältnisse, wenn die zweite Verbrennung, d. h. die normale Verbrennung, wie üblich durchgeführt wird. In 16 zeigen die Kurven, die mit A/F = 24, A/F = 35, A/F = 45 und A/F = 60 bezeichnet sind, jeweils die Fälle, in denen die Soll-Kraftstoff-Luftverhältnisse 24, 35, 45 und 60 betragen. Ein Soll-Öffnungsgrad (ST) des Drosselventils 16, der erforderlich ist, um das Kraftstoff-Luftverhältnis zum Soll-Kraftstoff-Luftverhältnis machen, wird im ROM 32 der elektronischen Steuereinheit als ein Kennfeld hinterlegt, in dem es eine Funktion der Soll-Motorlast (L) und der Motordrehzahl (N) ist, die in 17(A) gezeigt ist. Ein Soll-Öffnungsgrad (SE) des AGR-Steuerungsventils 23, der erforderlich ist, um das Kraftstoff-Luftverhältnis zum Soll-Kraftstoff-Luftverhältnis zu machen, wird im ROM 32 der elektronischen Steuereinheit als Kennfeld hinterlegt, in dem es eine Funktion der Soll-Motorlast (L) und der Motordrehzahl (N) ist, die in 17(B) gezeigt ist.
Daher wechseln sich bei dem Dieselmotor der vorliegenden Ausführungsform die erste Verbrennung, d. h. die Niedertemperaturverbrennung, und die zweite Verbrennung, d. h. die normale Verbrennung, aufgrund des Verstellwegs (L) des Gaspedals 40 und der Motordrehzahl (N) ab. Bei jeder Verbrennung werden die Öffnungsgrade des Drosselventils 16 und des AGR-Steuerungsventils aufgrund der Kennfelder, die in den 15 und 17 gezeigt sind, gesteuert.
18 ist eine Draufsicht, die eine Vorrichtung zum Reinigen des Abgases zeigt, und 19 ist eine Seitenansicht davon. Die Vorrichtung weist einen Umschaltabschnitt 71, der mit dem stromabwärts gerichteten Abgaskrümmer 17 über ein Abgasrohr 18 verbunden ist, einen Partikelfilter 70, einen ersten Verbindungsabschnitt 72a zum Verbinden einer Seite des Partikelfilters 70 mit dem Umschaltabschnitt 71, einen zweiten Verbindungsabschnitt 72b zum Verbinden der anderen Seite des Partikelfilters 70 mit dem Umschaltabschnitt 71, und eine Abgasleitung 73 am stromabwärts gerichteten Umschaltabschnitt 71 auf. Der Umschaltabschnitt 71 umfaßt einen Ventilkörper 71a, der die Abgasströmung im Umschaltabschnitt 71 absperrt. Der Ventilkörper 71a wird durch ein Negativdruck-Stellglied, einen Schrittmotor oder dergleichen, angetrieben. In einer Absperrstellung des Ventilkörpers 71a kommuniziert die stromaufwärts gerichtete Seite im Umschaltabschnitt 71 mit dem ersten Verbindungsabschnitt 72a und die stromabwärts gerichtete Seite desselben kommuniziert mit dem zweiten Verbindungsabschnitt 72b, und daher strömt das Abgas von der ersten Seite des Partikelfilters 70 zur zweiten Seite, wie in 18 durch Pfeile angezeigt ist.
20 zeigt eine weitere Absperrposition des Ventilkörpers 71a. Bei dieser Absperrposition kommuniziert die stromaufwärts gerichtete Seite im Umschaltabschnitt 71 mit dem zweiten Verbindungsabschnitt 72b und die stromabwärts gerichtete Seite im Umschaltabschnitt 71 kommuniziert mit dem ersten Verbindungsabschnitt 72a, und daher strömt das Abgas von der zweiten Seite des Partikelfilters 70 zur ersten Seite, wie durch Pfeile in 20 angezeigt. Daher kann durch Umstellen des Ventilkörpers 71a die Richtung des Abgases, das in den Partikelfilter 70 strömt, umgekehrt werden, d. h. die Seite des Partikelfilters, an der das Abgas aufwärts strömt, und die Seite des Partikelfilters, an der das Abgas abwärts strömt, können umgekehrt werden.
Daher kann diese Vorrichtung zum Reinigen des Abgases die Seite des Partikelfilters, an der das Abgas aufwärts strömt und die Seite des Partikelfilters, an der das Abgas abwärts strömt, durch eine sehr einfach Konstruktion umkehren. Außerdem benötigt der Partikelfilter eine große Öffnungsfläche, um die Einführung des Abgases zu erleichtern. In der Vorrichtung kann der Partikelfilter mit großer Öffnungsfläche verwendet werden, ohne daß seine Befestigung am Fahrzeug Schwierigkeiten bereitet, wie in den 18 und 19 gezeigt ist.
Ferner weist die Vorrichtung zum Reinigen des Abgases, wie in 18 gezeigt ist, Reduktionsmittel-Zuführeinheiten 74a und 74b, die ein Reduktionsmittel, wie z. B. einen Kraftstoff, an beiden Seiten des Partikelfilters in einem weiten Bereich zuführen können. Ferner ist ungeachtet des Umschaltens der stromabwärtigen Seite und der Seite stromauf des Partikelfilters 70 ein Abgasdrosselventil 75, von dem der Öffnungsgrad durch einen Schrittmotor oder dergleichen gesteuert werden kann, in einer Position angeordnet, die sich stets auf der stromabwärtigen Seite des Partikelfilters 70 befindet. Ferner ist ein erster Drucksensor 76a vorgesehen, um einen Abgasdruck in dem ersten Verbindungsabschnitt 72a zu erfassen, und ein zweiter Drucksensor 76b ist vorgesehen, um eine Abgasdruck in dem zweiten Verbindungsabschnitt 72b zu erfassen. Die Ausgangssignale dieser Drucksensoren 76a und 76b werden in den Eingangs-Port 35 der vorstehenden elektronischen Steuerungseinheit 30 über jeweils einen A/D-Wandler (nicht gezeigt) eingegeben. Ferner ist ein Temperatursensor 77 vorgesehen, um eine Temperatur des Partikelfilters zu erfassen, und dessen Ausgangsignal wird ebenfalls in den Eingangsport 35 über einen A/D-Wandler (nicht gezeigt) eingegeben.
22 zeigt den Aufbau des Partikelfilters 70, wobei 22(A) eine Frontansicht des Partikelfilters 70 ist und 22(B) eine seitliche Schnittansicht davon ist. Wie in diesen Figuren gezeigt, hat der Partikelfilter 70 eine elliptische Form und stellt beispielsweise den Wandströmungs-Typ einer Honigwabenstruktur dar, die aus einem porösen Material, wie Cordierit, besteht, und weist viele Zwischenräume in Axialrichtung auf, die durch viele Trennwände 54, die sich in Axialrichtung erstrecken, getrennt sind. Jeweils einer von zwei benachbarten Zwischenräumen wird mit einem Stopfen 53 an der Seite, an der das Abgas abwärts strömt, verschlossen, und der andere wird mit einem Stopfen 53 an der Seite, an der das Abgas aufwärts strömt, verschlossen. Daher dient einer der beiden benachbarten Zwischenräume als Abgaseinströmkanal 50 und der andere dient als Abgasabströmkanal 51, wodurch das Abgas gezwungen wird, die Trennwand 54 zu durchdringen, wie durch Pfeile in 22(B) angezeigt. Die im Abgas enthaltenen Partikel sind viel kleiner als die Poren der Trennwand 54, kollidieren aber mit dieser und werden an der Oberfläche der Trennwand 54 an der Seite, an der das Abgas aufwärts strömt, und an den Porenoberflächen der Trennwand 54 aufgefangen. Daher dient jede Trennwand 54 als Falle zum Auffangen der Partikel. Im vorliegenden Partikelfilter werden, um die abgeschiedenen Partikel zu oxidieren und zu beseitigen, ein Aktivsauerstofffreisetzungsmittel und ein Edelmetallkatalysator, der nachstehend erklärt wird, auf beiden Seiten der Flächen der Trennwand 54 und vorzugsweise ebenso auf den Porenoberflächen der Trennwand 54 getragen.
Das Aktivsauerstofffreisetzungsmittel setzt aktiven Sauerstoff frei, um die Oxidation der Partikel zu fördern und nimmt vorzugsweise Sauerstoff auf und hält ihn zurück, wenn ein Sauerstoffüberschuß in der Umgebung vorliegt, und setzt den abgeschiedenen Sauerstoff als aktiven Sauerstoff frei, wenn die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung abfällt.
Als Edelmetallkatalysator wird üblicherweise Platin Pt verwendet. Als Aktivsauerstofffreisetzungsmittel wird mindestens ein Element, ausgewählt aus den Alkalimetallen, wie Kalium K, Natrium Na, Lithium Li, Cäsium Cs und Rubidium Rb, den Alkalierdmetallen, wie Barium Ba, Calcium Ca und Strontium Sr, den Seltenerdelementen, wie Lanthan La und Yttrium Y, und den Übergangsmetallen, verwendet.
Als Aktivsauerstofffreisetzungsmittel Sauerstoff wird bevorzugt ein Alkalimetall oder ein Alkalierdmetall mit einer Ionisierungstendenz, die stärker ist als diejenige von Calcium Ca, verwendet, d. h. Kalium K, Lithium Li, Cäsium Cs, Rubidium Rb, Barium Ba oder Strontium Sr.
Als nächstes wird erklärt, wie die auf dem Partikelfilter abgeschiedenen Partikel durch den Partikelfilter, der ein solches Aktivsauerstofffreisetzungsmittel trägt, oxidiert und entfernt werden, wobei auf den Fall Bezug genommen wird, in dem Platin Pt und Kalium K verwendet werden. Die Partikel werden auf die gleiche Weise oxidiert und entfernt, auch wenn ein anderes Edelmetall und eine anderes Alkalimetall, ein Alkalierdmetall, ein Seltenerdmetall oder ein Übergangsmetall verwendet wird.
In einem Dieselmotor findet die Verbrennung üblicherweise unter einer Luftüberschußbedingung statt und daher enthält das Abgas eine große Menge überschüssiger Luft. Das heißt, wenn das Verhältnis der Luft zum in das Ansaugsystem und den Verbrennungsraum eingeleiteten Kraftstoff als ein Kraftstoff-Luftverhältnis des Abgases bezeichnet wird, ist das Kraftstoff-Luftverhältnis mager. Außerdem wird NO in dem Verbrennungsraum erzeugt, und daher enthält das Abgas NO. Außerdem enthält der Kraftstoff Schwefel S, und Schwefel S reagiert mit dem Sauerstoff in dem Verbrennungsraum, wodurch SO₂ gebildet wird. Demgemäß strömt das Abgas, das überschüssigen Sauerstoff, NO und SO₂ enthält, in die Seite des Partikelfilters 70, in der das Abgas stromauf strömt.
Die 23(A) und 23(B) sind vergrößerte Ansichten, die die Oberfläche des Partikelfilters 70, mit der das Abgas in Kontakt gelangt, schematisch darstellen. In den 23(A) und 23(B) bezeichnet das Bezugszeichen 60 ein Platin Pt-Partikel, und 61 bezeichnet das Aktivsauerstofffreisetzungsmittel, das Kalium K enthält.
Wie vorstehend beschrieben, enthält das Abgas eine große Menge an überschüssigem Sauerstoff. Wenn das Abgas in Kontakt mit der Abgas-Kontaktoberfläche des Partikelfilters kommt, haftet Sauerstoff O₂ auf der Platin (Pt)-Oberfläche in Form von O₂ ^– oder O^2–, wie in 23(A) gezeigt. Andererseits reagiert NO im Abgas auf der Oberfläche von Platin Pt mit O₂ ^– oder O^2–, wodurch NO₂(2NO + O₂ → 2NO₂) erzeugt wird. Als nächstes wird ein Teil des erzeugten NO₂ im Aktivsauerstofffreisetzungsmittel 61 absorbiert, während es auf dem Platin Pt oxidiert wird, und diffundiert in Form des Salpetersäureions NO₃ ^– in das Aktivsauerstofffreisetzungsmittel 61, während es mit Kalium K kombiniert wird, wodurch Kaliumnitrat KNO₃ gebildet wird, wie in 23(A) gezeigt. Daher wird in dieser Ausführungsform NO_x, das im Abgas enthalten ist, im Partikelfilter 70 absorbiert, und die Menge davon, die in die Atmosphäre abgegeben wird, kann verringert werden, das heißt, das Aktivsauerstofffreisetzungsmittel dient auch als NO_x-Absorptionsmittel.
Außerdem enthält das Abgas SO₂, wie vorstehend beschrieben, und SO₂ wird ebenfalls aufgrund eines Mechanismus, der dem des NO-Falles ähnelt, im Aktivsauerstofffreisetzungsmittel 61 absorbiert. Das heißt, wie vorstehend beschrieben, haftet Sauerstoff O₂ in Form von O₂ ^– oder O^2– an der Oberfläche von Platin (Pt), und SO₂ im Abgas reagiert mit O₂ ^– oder O^2– an der Oberfläche von Platin (Pt), wodurch SO₃ erzeugt wird. Als nächstes wird ein Teil des erzeugten SO₃ im Aktivsauerstofffreisetzungsmittel 61 absorbiert, während es auf dem Platin Pt oxidiert wird, und diffundiert in Form des Schwefelsäureions SO₄ ^2– in das Aktivsauerstofffreisetzungsmittel 61, während es mit Kalium K kombiniert wird, wodurch Kaliumsulfat K₂SO₄ ^– gebildet wird. Daher werden Kaliumnitrat KNO₃ und Kaliumsulfat K₂SO₄ im Aktivsauerstofffreisetzungsmittel 61 erzeugt.
Die Partikel im Abgas haften an der Oberfläche des Aktivsauerstofffreisetzungsmittels 61, das auf dem Partikelfilter 70 aufliegt, wie bei 62 in 23(B) gezeigt. Zu diesem Zeitpunkt fällt die Sauerstoffkonzentration an der Oberfläche des Aktivsauerstofffreisetzungsmittels 61, mit dem das Partikel 62 in Kontakt steht, ab. Da die Sauerstoffkonzentration abfällt, entsteht ein Unterschied in der Konzentration zum Aktivsauerstofffreisetzungsmittel 61, das eine hohe Sauerstoffkonzentration aufweist, und daher neigt Sauerstoff im Aktivsauerstofffreisetzungsmittel 61 dazu, an die Oberfläche des Aktivsauerstofffreisetzungsmittels 61 zu wandern, mit dem das Partikel 62 in Kontakt steht. Infolgedessen wird Kaliumnitrat KNO₃, das im Aktivsauerstofffreisetzungsmittel 61 erzeugt wurde, zu Kalium K, Sauerstoff O und NO abgebaut, wobei Sauerstoff O an die Oberfläche des Aktivsauerstofffreisetzungsmittels 61 wandert, mit dem das Partikel 62 in Kontakt steht, und NO wird vom Aktivsauerstofffreisetzungsmittel 61 nach außen emittiert. Nach außen emittiertes NO wird auf Platin (Pt) an der Seite des Abwärtsstroms oxidiert und wird wiederum im Aktivsauerstofffreisetzungsmittel 61 absorbiert.
Zu diesem Zeitpunkt wird außerdem auch Kaliumsulfat K₂SO₄, das im Aktivsauerstofffreisetzungsmittel 61 erzeugt wurde, zu Kalium K, Sauerstoff O und SO₂ zersetzt, wobei Sauerstoff O an die Oberfläche des Aktivsauerstofffreisetzungsmittels 61 wan dert, mit dem das Partikel 62 in Kontakt steht, und SO₂ wird vom Aktivsauerstofffreisetzungsmittel nach außen emittiert. Nach außen emittiertes SO₂ wird auf Platin Pt an der Seite des Abwärtsstroms oxidiert und wird wieder im Aktivsauerstofffreisetzungsmittel 61 absorbiert. Hier ist das Kaliumsulfat K₂SO₄ jedoch stabil und setzt weniger aktiven Sauerstoff frei als Kaliumnitrat KNO₃.
Andererseits handelt es sich bei dem Sauerstoff O, der zur Oberfläche des Freisetzungsmittels für aktiven Sauerstoff 61 wandert, mit der das Partikel 62 in Kontakt steht, um einen, der aus Verbindungen wie Kaliumnitrat KNO₃ oder Kaliumsulfat K₂SO₄ zersetzt wurde. Sauerstoff O, der aus der Verbindung aufgespalten wurde, weist einen hohen Grad an Energie auf und zeigt eine sehr hohe Aktivität. Daher handelt es sich bei dem Sauerstoff, der an die Oberfläche des Aktivsauerstofffreisetzungsmittels 61 wandert, mit dem das Partikel 62 in Kontakt steht, um aktiven Sauerstoff O. Sobald es in Kontakt mit aktivem Sauerstoff O gelangt, wird das Partikel 62 oxidiert, ohne kurzzeitig, beispielsweise einige Minuten oder einige zehn Minuten lang, eine leuchtende Flamme zu erzeugen. Außerdem wird aktiver Sauerstoff zum Oxidieren des Partikels 62 auch freigesetzt, wenn NO und SO₂ im Aktivsauerstofffreisetzungsmittel 61 absorbiert sind. Das heißt, man kann davon ausgehen, daß NO_x in das Aktivsauerstofffreisetzungsmittel 61 in Form von Salpetersäureionen NO₃ ^– diffundiert, während es mit Sauerstoffatomen kombiniert wird und von einem Sauerstoffatom getrennt wird, und währenddessen wird aktiver Sauerstoff erzeugt. Die Partikel 62 werden ebenfalls durch diesen aktiven Sauerstoff oxidiert. Außerdem werden die Partikel, die am Partikelfilter 70 haften, nicht nur durch aktiven Sauerstoff oxidiert, sondern auch durch Sauerstoff, der im Abgas enthalten ist.
Je höher die Temperatur des Partikelfilters wird, desto mehr werden das Platin Pt und das Aktivsauerstofffreisetzungsmittel 61 aktiviert. Je höher daher die Temperatur des Partikelfilters wird, desto größer wird die Menge des aktiven Sauerstoffs O, der vom Aktivsauerstofffreisetzungsmittel 61 pro Zeiteinheit freigesetzt wird. Je höher außerdem die Temperatur der Partikel ist, desto leichter werden die Partikel natürlich oxidiert. Daher erhöht sich die Partikelmenge, die pro Zeiteinheit ohne Erzeugung einer leuch tenden Flamme auf dem Partikelfilter oxidiert und entfernt werden kann, wobei gleichzeitig ein Anstieg der Temperatur des Partikelfilters stattfindet.
Die durchgehende Linie in 24 zeigt die Partikelmenge (G), die pro Zeiteinheit oxidiert und entfernt werden kann, ohne eine leuchtende Flamme zu erzeugen. In 24 stellt die Abszisse die Temperatur TF des Partikelfilters dar. Hier zeigt 24 den Fall, daß die Zeiteinheit 1 Sekunde beträgt, das heißt, die Partikelmenge (G), die pro 1 Sekunde oxidiert und entfernt werden kann. Es können jedoch beliebige Zeiten, wie 1 Minute, 10 Minuten oder dergleichen, als Zeiteinheit gewählt werden. Beispielsweise stellt in dem Fall, wenn 10 Minuten als Zeiteinheit verwendet werden, die Partikelmenge (G), die pro Zeiteinheit oxidiert und entfernt werden kann, die Partikelmenge (G) dar, die pro 10 Minuten oxidiert und entfernt werden kann. Im gleichen Fall erhöht sich die Partikelmenge (G), die ohne Erzeugung einer leuchtenden Flamme oxidiert und entfernt werden kann, wenn die Temperatur des Partikelfilters 70 ansteigt, wie in 24 gezeigt. Die Partikelmenge, die aus dem Verbrennungsraum pro Zeiteinheit emittiert wird, wird als Menge der emittierten Partikel (M) bezeichnet. Wenn die Menge der emittierten Partikel (M) kleiner ist als die Partikelmenge (G), die oxidiert und entfernt werden kann, wenn beispielsweise die Menge an emittierten Partikel (M) pro 1 Sekunde kleiner ist als die Partikelmenge (G), die pro 1 Sekunde oxidiert und entfernt werden kann, oder die Menge der emittierten Partikel (M) pro 10 Minuten kleiner ist als die Partikelmenge (G), die pro 10 Minuten oxidiert und entfernt werden kann, das heißt, im Bereich (I) von 24 liegt, werden die Partikel, die aus dem Verbrennungsraum emittiert werden, alle nacheinander oxidiert und entfernt, ohne auf dem Partikelfilter kurzzeitig eine leuchtende Flamme zu erzeugen.
Wenn andererseits die Menge an emittierten Partikel (M) größer ist als die Partikelmenge (G), die oxidiert und entfernt werden kann, das heißt, im Bereich (II) von 24 liegt, reicht die Menge an aktivem Sauerstoff nicht aus, um alle Partikel nacheinander zu oxidieren und zu beseitigen. Die 25(A) bis (C) zeigen, wie die Partikel in einem solchen Fall oxidiert werden.
Das heißt, in dem Fall, wenn die Menge an aktivem Sauerstoff nicht ausreicht, um alle Partikel zu oxidieren, wird, wenn die Partikel 62 am Aktivsauerstofffreisetzungsmittel 62 haften, nur ein Teil der Partikel oxidiert, wie in 25(A) gezeigt, und der andere Teil der Partikel, der nicht ausreichen oxidiert wurde, verbleibt auf der Oberfläche des Partikelfilters, an der das Abgas aufwärts strömt. Wenn der Zustand des Mangels an aktivem Sauerstoff anhält, verbleibt nacheinander ein Teil der Partikel, die nicht oxidiert wurden, auf der Oberfläche des Partikelfilters, an der das Abgas aufwärts strömt. Infolgedessen wird die Oberfläche des Partikelfilters, an der das Abgas aufwärts strömt, mit den restlichen Partikeln 63 bedeckt, wie in 25(B) gezeigt.
Die restlichen Partikel 63 wandeln sich allmählich in kohlenstoffartige Substanzen um, die kaum oxidiert werden können. Außerdem werden, wenn die Oberfläche des Partikelfilters, an der das Abgas aufwärts strömt, mit den restlichen Partikeln 63 bedeckt wird, das Platin (Pt) am Oxidieren von NO und SO₂ und das Aktivsauerstofffreisetzungsmittel 61 am Freisetzen von aktivem Sauerstoff gehindert. Die restlichen Partikel 63 können allmählich über einen relativ langen Zeitraum hinweg oxidiert werden. Jedoch werden, wie in 25(C) gezeigt, andere Partikel 64 eines nach dem anderen an den restlichen Partikel 63 abgeschieden, und wenn die abgeschiedenen Partikel eine Schicht bilden, können diese Partikel, auch wenn es sich bei ihnen um leicht oxidierbare Partikel handelt, nicht oxidiert werden, da diese Partikel vom Platin (Pt) oder vom Aktivsauerstofffreisetzungsmittel getrennt sind. Demgemäß werden allmählich andere Partikel an diesen Partikel 64 abgeschieden. Das heißt, wenn der Zustand, in dem die Menge der emittierten Partikel (M) größer ist als die Partikelmenge (G), die oxidiert und entfernt werden kann, andauert, bilden die abgeschiedenen Partikel eine Schicht auf dem Partikelfilter.
Daher werden im Bereich (I) von 24 die Partikel oxidiert und entfernt, ohne kurzzeitig eine leuchtende Flamme zu bilden, und im Bereich (II) von 24 bilden die abgeschiedenen Partikel eine Schicht auf dem Partikelfilter. Daher kann das Abscheiden von Partikeln auf dem Partikelfilter verhindert werden, wenn die Beziehung zwischen der Menge an emittierten Partikel (M) und der Partikelmenge, die oxidiert und entfernt werden kann (G), im Bereich (I) liegt. Infolgedessen ändert sich der Druckverlust des Abgases im Partikelfilter kaum und wird bei einem minimalen Druckverlustwert gehalten, der nahezu konstant ist. Daher kann die Abnahme der Motorleistung so niedrig wir möglich gehalten werden. Dies wird jedoch nicht immer in die Tat umgesetzt, und die Partikel können auf dem Partikelfilter abscheiden, wenn nichts unternommen wird.
Um zu verhindern, daß die Partikel auf dem Partikelfilter abgeschieden werden, steuert in der vorliegenden Ausführungsform die vorstehende Steuerungseinheit 30 die Reduziermittelzuführeinheiten 74a und 74b, den Ventilkörper 71a und das Abgasdrosselventil 75 gemäß einem ersten Ablaufdiagramm, das in 26 gezeigt ist. Dieses Ablaufdiagramm wird in festgelegten Zeitabständen wiederholt. Bei Schritt 101 wird die integrierte Laufdistanz (A) berechnet. Bei der integrierten Laufdistanz (A) handelt es sich um eine Distanz, die ab dem Zeitpunkt integriert wird, ab dem der Ventilkörper 71 umgeschaltet worden ist. Anschließend wird bei Schritt 102 bestimmt, ob die integrierte Laufdistanz (A) größer ist als eine vorbestimmte Laufdistanz (As). Wenn das Ergebnis negativ ist, wird die Routine gestoppt. Wenn das Ergebnis positiv ist, wird die Routine jedoch bei Schritt 103 gestoppt. Bei Schritt 103 wird der absolute Wert der Differenz zwischen einem Abgasdruck (P1) auf der einen Seite des Partikelfilters 70, beispielsweise eines Abgasdrucks in dem ersten Verbindungsabschnitt 72a, der durch den ersten Drucksensor 76a erfaßt wird, und einem Abgasdruck (P2) auf der anderen Seite des Partikelfilters 70, beispielsweise einem Abgasdruck in dem zweiten Verbindungsabschnitt 72, der durch den zweiten Drucksensor 76b erfaßt wird, berechnet, und es wird bestimmt, ob der absolute Wert größer ist als vorbestimmte Druckdifferenzen (Ps). Wenn das Ergebnis negativ ist, wird die Routine bei Schritt 107 fortgesetzt und der Ventilkörper 71a wird umgeschaltet, d. h. die Seite stromauf und die stromabwärtige Seite des Partikelfilters werden umgekehrt. Anschließend wird bei Schritt 108 der integrierte Wert (A) auf 0 zurückgesetzt und die Routine gestoppt.
27 ist eine vergrößerte Schnittansicht der Trennwand 54 des Partikelfilters. Während das Fahrzeug sich über die vorbestimmte Laufdistanz (As) bewegt, kann der Motorbetrieb in dem Bereich (II) von 24 ausgeführt werden. Somit kollidieren die Partikel mit der Oberfläche der Trennwand 54 stromauf des Abgasstroms und der gegenüberliegenden Oberfläche des Abgasstroms in den darin befindlichen Poren und werden durch dieselbe aufgefangen, d. h. einer der Auffangoberflächen der Trennwand 54, und werden durch den aus dem Aktivsauerstofffreisetzungsmittel freigesetzten aktiven Sauerstoff oxidiert, jedoch können die Partikel aufgrund einer unzureichenden Oxidation verbleiben, wie in 27(A) gezeigt ist. In dieser Stufe hat der Abgaswiderstand des Partikelfilters keinen nachteiligen Einfluß auf die Fahrt des Fahrzeugs. Wenn die Partikel jedoch vermehrt abgeschieden werden, treten Probleme, bei denen die Motorabgabeleistung erheblich abfällt, und dergleichen auf. Wenn in dieser Stufe die Seite stromauf und die stromabwärtige Seite des Partikelfilters umgekehrt werden, wie vorstehend erwähnt ist, werden keine Partikel mehr auf den restlichen Partikeln auf einer der Auffangoberflächen der Trennwand abgeschieden, und somit können die restlichen Partikel allmählich oxidiert und durch aktiven Sauerstoff, der von einer der Auffangoberflächen freigesetzt wird, entfernt werden. Ferner werden die restlichen Partikel in den Poren in der Trennwand durch die Abgasströmung in der Umkehrrichtung einfach in kleine Stücke zerschmettert, wie in 27(B) gezeigt ist, und sie bewegen sich hauptsächlich durch die Poren hin zur stromabwärtigen Seite.
Dementsprechend diffundieren viele der in feine Stücke zerschmetterten Partikel in der Pore der Trennwand und kontaktieren direkt das auf der Oberfläche der Poren getragene Aktivsauerstofffreisetzungsmittel und werden oxidiert und entfernt. Somit können die restlichen Partikel sehr einfach oxidiert und entfernt werden, wenn das Aktivsauerstofffreisetzungsmittel ebenfalls auf der Porenoberfläche in der Trennwand getragen wird. Auf der anderen Auffangoberfläche, die sich nun auf der Seite stromauf befindet, da die Strömung des Abgases umgekehrt worden ist, d. h. auf der Oberfläche der Trennwand 54 stromauf des Abgasstroms und der dem Abgasstrom gegenüberliegenden Oberfläche in den darin befindlichen Poren, auf die das Abgas hauptsächlich auftrifft (von der gegenüberliegenden Seite von einer der Auffangoberflächen), haften erneut Partikel in dem Abgas an ihr und werden durch den von dem Aktivsauerstofffreisetzungsmittel freigesetzten aktiven Sauerstoff oxidiert und entfernt. Bei dieser Oxidation bewegt sich ein Teil des aus dem Aktivsauerstofffreisetzungsmittel auf der anderen Auffangoberfläche freigesetzten aktiven Sauerstoffs zur stromabwärtigen Seite mit dem Abgas und wird dazu gebracht, die Partikel, die trotz der umgekehrten Strömung des Abgases noch auf einer der Auffangoberflächen verblieben sind, zu oxidieren und zu entfernen.
Das heißt, daß die restlichen Partikel auf einer der Auffangoberflächen nicht nur dem aktiven Sauerstoff, der von dieser Auffangoberfläche freigesetzt wird, ausgesetzt sind, sondern auch dem Rest des aktiven Sauerstoffs, der zum Oxidieren und Entfernen der Partikel auf der anderen Auffangoberfläche verwendet wird, indem die Strömung des Abgases umgekehrt wird. Selbst wenn ein paar Partikelablagerungen in Schichten auf einer der Auffangoberflächen der Trennwand des Partikelfilters abgeschieden werden, wenn die Abgasströmung umgekehrt wird, gelangt aktiver Sauerstoff an die abgeschiedenen Partikel, und es lagern sich keine Partikel mehr aufgrund der umgekehrten Strömung des Abgases auf den abgeschiedenen Partikeln ab, und somit werden die abgeschiedenen Partikel allmählich oxidiert und entfernt und können für eine gewisse Zeit oxidiert und ausreichend entfernt werden bis zur nächsten Umkehrung des Abgasstroms. Indem die eine Auffangoberfläche und die andere Auffangoberfläche der Trennwand abwechselnd verwendet werden, ist natürlich die Menge der auf einer jeweiligen Auffangoberfläche abgeschiedenen Partikel geringer als die eines Partikelfilters, in dem die einzige Auffangoberfläche stets die Partikel auffängt. Dadurch wird das Oxidieren und Entfernen der abgeschiedenen Partikel auf der Auffangoberfläche vereinfacht.
In dem Fall jedoch, daß, während sich das Fahrzeug über eine vorbestimmte Laufdistanz bewegt, häufig der Motorbetrieb in dem Bereich (II) von 24 ausgeführt wird, kann eine Menge von Partikeln auf dem Partikelfilter abgeschieden werden, die größer ist als die in 27(A) gezeigte Menge. Insbesondere wenn eine große Partikelmenge auf der Oberfläche stromauf der Trennwand 54 abgeschieden wird, wenn die Abgasströmung umgekehrt wird, blättern die abgeschiedenen Partikel von dieser Oberfläche ab (bei der es sich nun um die stromabwärtige Oberfläche handelt), bevor sie oxidiert und entfernt werden, wie vorstehend erwähnt wurde, und somit kann eine relativ große Partikelmenge in die Atmosphäre abgegeben werden.
Um dies zu vermeiden wird in dem ersten Flußdiagramm bestimmt, wenn das Ergebnis bei Schritt 103 positiv ist, daß eine vorbestimmte Menge von Partikeln von dem Partikelfilter abgeführt wird, und die Routine wird bei Schritt 104 fortgesetzt. Bei Schritt 104 wird bestimmt, ob eine Temperatur (T) des Partikelfilters, die durch den Temperatursensor 77 erfaßt wird, höher ist als eine vorbestimmte Temperatur (Ts). Die Temperatur (T) des Partikelfilters kann auf Basis der Menge des in den Partikelfilter strömenden Abgases und dessen Temperatur angenommen werden. Die vorbestimmte Temperatur (Ts) ist die Aktivierungstemperatur eines Oxidationskatalysators, wie z. B. eines Platins Pt, das auf dem Partikelfilter getragen wird. Wenn das Ergebnis bei Schritt 104 negativ ist, wird die Routine bei Schritt 105 fortgesetzt, und es wird bewirkt, daß der Öffnungsgrad des Abgasdrosselventils 24 sich aus dem vollständig offenen Zustand verkleinert. Daher wirkt die Abgaswärme effektiv auf den Partikelfilter, und somit wird bewirkt, daß zumindest die Temperatur des Abgas-Einlaßabschnitts (der Abschnitt einer jeweiligen Trennwand 54 auf der Abgaseinlaßseite) des Partikelfilters auf die Aktivierungstemperatur des Oxidationskatalysators ansteigt.
Anschließend wird bei Schritt 106 dem Partikelfilter durch eine der nun auf der Seite stromauf des Abgases befindlichen Reduziermittelzuführeinheiten 74a oder 74b ein Reduziermittel zugeführt. Daher verbrennt in dem Abgaseinlaßabschnitt des Partikelfilters das Reduziermittel durch den Oxidationskatalysator, wie z. B. Platin Pt, ausreichend und die Verbrennungswärme erhöht die Temperatur der Oberfläche der Trennwand des Partikelfilters stromauf des Abgasstroms. Dabei entzünden sich die abgeschiedenen Partikel und verbrennen auf natürliche Weise, wenn deren Temperatur auf etwa 600 Grad Celsius angestiegen ist. Selbst wenn deren Temperatur nicht auf etwa 600 Grad Celsius angestiegen ist, kann zudem die Menge der Partikel, die oxidiert und von dem Partikelfilter entfernt werden können, verbessert werden. In jedem Fall kann die große Menge der auf der Oberfläche der Trennwand stromauf des Abgasstroms abgeschiedenen Partikel oxidiert und entfernt werden. Anschließend wird bei Schritt 107 der Ventilkörper 71a umgekehrt, und die restlichen Partikel auf dem Partikelfilter können oxidiert und entfernt werden. Dabei wird verhindert, daß sich eine relativ große Menge von Partikeln von der momentan stromabwärts des Abgasstroms befindlichen Oberfläche der Trennwand des Partikelfilters abblättert und diese auf einmal in die Atmosphäre abgegeben wird. In dem ersten Flußdiagramm wird dem Partikelfilter das Reduziermittel nur zugeführt, wenn das Ergebnis bei Schritt 103 negativ ist. Wenn jedoch natürlich jedesmal, wenn der Ventilkörper umgeschaltet wird, oder ab und an, bevor der Ventilkörper umgeschaltet wird, oder hin und wieder, ungeachtet des Umschaltens des Ventilkörpers, das Reduziermittel zugeführt wird, kann die relativ große Menge von auf der Oberfläche der Trennwand des Partikelfilters stromauf des Abgasstroms abgeschiedenen Partikelmenge oxidiert und entfernt werden, ohne daß sie von dem Partikelfilter abgeführt werden.
Wenn das Ergebnis bei Schritt 104 negativ ist, d. h. wenn die Temperatur (t) des Partikelfilters höher ist als die Aktivierungstemperatur (Ts) des Oxidationskatalysators, muß der Öffnungsgrad des Abgasdrosselventils nicht verkleinert werden, und das Reduziermittel wird bei Schritt 106 unmittelbar zugeführt. Das Reduziermittel wird dem Partikelfilter direkt zugeführt, und somit kann die Menge an Reduziermittel auf ein Minimum verringert werden. Dadurch wird jedoch die vorliegende Erfindung nicht eingeschränkt. Die Kraftstoffeinspritzdüse des Motors kann beispielsweise einen Kraftstoff beim Auslaßhub, Verdichtungshub oder dem Einlaßhub einspritzen, und der unverbrannte Kraftstoff, als ein Reduziermittel in dem Abgas, kann dem Abgaseinlaßabschnitt des Partikelfilters zugeführt werden. Außerdem kann ein Reduziermittel dem Abgassystem auf der Seite stromauf des Umschaltabschnitts 71 zugeführt werden.
Natürlich wird durch das Verbrennen des Reduziermittels auf dem Abgaseinlaßabschnitt des Partikelfilters nicht nur seine Temperatur erhöht, sondern auch die Verbrennungswärme erhöht die Temperatur der anderen Abschnitte des Partikelfilters mit der Abgasströmung. Somit nimmt die Menge der Partikel des gesamten Partikelfilters, die oxidiert und entfernt werden können, zu. Daher wird zumindest ein Teil der verbliebenen und abgeschiedenen Partikel oxidiert und entfernt, bevor die Abgasströmung umgekehrt wird und die Menge der restlichen und abgeschiedenen Partikel verringert werden kann.
In dem ersten Flußdiagramm wird der Ventilkörper über jeder vorbestimmten Laufdistanz (As) geändert. Selbst wenn der Motorbetrieb im Bereich (II) von 24 während dieser Zeit häufig ausgeführt wird, werden auf dem gesamten Partikelfilter keine großen Partikelmengen abgeschieden, und die abgeschiedenen Partikel verwandeln sich nicht in kohlenstoffartige Stoffe, die schwer zu oxidieren sind. Dementsprechend können die verbliebenen und abgeschiedenen Partikel natürlich wie vorstehend erwähnt oxidiert und entfernt werden, und somit treten keine Probleme, in denen die große Menge von abgeschiedenen Partikeln sich entzündet und auf einmal verbrennt, so daß der Partikelfilter durch deren Verbrennungswärme geschmolzen wird, und ähnliches auf. Natürlich kann eine Gelegenheit, wenn der Ventilkörper umgekehrt wird, nicht bei jeder vorstehend erwähnten vorbestimmten Laufdistanz eintreten, aber zu jedem vorbestimmten Zeitpunkt und zu jeder Gelegenheit eintreten, bevor die große Menge von Partikeln auf dem gesamten Partikelfilter abgeschieden wird oder die abgeschiedenen Partikel sich in kohlenstoffartige Stoffe umwandeln, die kaum oxidiert werden können.
Ferner schaltet der Dieselmotor der vorliegenden Erfindung zwischen der ersten Verbrennung und der zweiten Verbrennung hin und her. Bei der ersten Verbrennung enthält das Abgas relativ große Mengen HC und CO, d. h. eine relativ große Menge eines Reduziermittels. Dementsprechend kann die erste Verbrennung als Reduziermittel-Zuführmöglichkeit verwendet werden, selbst wenn keine Reduziermittelzuführeinheit in dem Abgassystem vorgesehen ist. Das heißt, wenn die erste Verbrennung ausgeführt wird, kann der Ventilkörper zumindest hin und wieder umgeschaltet werden. Daher erhöht die Verbrennungswärme des Reduziermittels die Partikelmenge, die oxidiert und entfernt werden kann, stets bevor der Ventilkörper umgeschaltet wird, und somit können die auf der Oberfläche der Trennwand des Partikelfilters stromauf des Abgasstroms abgeschiedenen Partikel oxidiert und automatisch entfernt werden oder mit der Verringerung des Öffnungsgrads des Abgasdrosselventils 75 verringert werden.
Ferner bewirkt das Verbrennen des Reduziermittels durch den Oxidationskatalysator, daß die Sauerstoffkonzentration des Abgases abfällt. Dementsprechend wird von dem Aktivsauerstofffreisetzungsmittel 61 aktiver Sauerstoff O zu einem gegebenen Zeitpunkt nach außen freigesetzt. Daher werden die abgeschiedenen Partikel zu jenen, die durch die große Menge an zu einem gegebenen Zeitpunkt freigesetzten aktiven Sauerstoff ohne weiteres oxidiert werden, und können dadurch ohne Entstehung einer leuchtenden Flamme ohne weiteres oxidiert und entfernt werden. Wenn somit dem den Oxidationskatalysator und das Aktivsauerstofffreisetzungsmittel tragenden Partikelfilter das Reduziermittel zugeführt wird, steigt die Temperatur des Partikelfilters durch die Verbrennung des Reduziermittels an und die Sauerstoffkonzentration der Umgebung fällt dabei ab. Dies kann einen erheblichen Anstieg der Partikelmenge, die von dem Partikelfilter oxidiert und entfernt werden kann, bewirken, und funktioniert als Verbesserungseinrichtung zum Verbessern der Partikelmenge, die oxidiert und von dem Partikelfilter entfernt werden kann. Auch in dem Fall, daß kein Oxidationskatalysator auf dem Partikelfilter vorgesehen ist, steigt die Menge des aktiven Sauerstoffs, der von dem Aktivsauerstofffreisetzungsmittel freigesetzt wird, an, wenn die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas lediglich gesenkt wird, da die Partikelmenge, die oxidiert und entfernt werden kann, erhöht wird. Somit kann dies auch als Verbesserungsmöglichkeit zum Verbessern der Partikelmenge, die oxidiert und von dem Partikelfilter entfernt werden kann, angewendet werden.
In dem ersten Flußdiagramm wird ferner unter Heranziehung des Druckunterschieds zwischen der Seite stromauf des Abgasstroms und der stromabwärtigen Seite des Abgasstroms bestimmt, ob die relativ große Partikelmenge in ausreichendem Maße abgeschieden wird, um die vorbestimmte Partikelmenge von dem Partikelfilter abzuführen, wenn die Abgasströmung umgekehrt wird. Daneben kann bei dieser Bestimmung, unter Beachtung der Veränderung des elektrischen Widerstands auf einer vorbestimmten Trennwand des Partikelfilters, die Tatsache herangezogen werden, daß der elektrische Widerstand zusammen mit der Abscheidung der Partikel auf dem Partikelfilter abnimmt, oder die Tatsache herangezogen werden, daß die Transmissivität oder Reflektivität von Licht auf einer vorbestimmten Trennwand des Partikelfilter zusammen mit der Abscheidung der darauf befindlichen Partikel abnimmt.
Streng genommen ändert sich das Druckgefälle zwischen den beiden Seiten des Partikelfilters gemäß dem Druck des von dem Verbrennungsraum bei jeder Motorbetriebsbedingung abgeführten Abgases. Dementsprechend wird bei der Bestimmung der Abscheidung der Partikel bevorzugt, daß die Motorbetriebsbedingung spezifiziert wird.
Wenn ferner in dem ersten Flußdiagramm bestimmt wird, daß die relativ große Partikelmenge in ausreichender Weise abgeschieden wurde, um so die vorbestimmte Partikelmenge von dem Partikelfilter abzuführen, wenn die Abgasströmung umgekehrt wird, wird die Temperatur der Seite stromauf des Abgasstroms des Partikelfilters durch die Zufuhr von Reduziermittel erhöht. In dem Fall, daß auf dem Partikelfilter kein Oxidationskatalysator getragen wird, kann die Temperatur der Seite stromauf des Abgasstroms des Partikelfilters nur durch die Verringerung des Öffnungsgrads des Abgasdrosselventils ohne Zufuhr von Reduziermittel erhöht werden. Somit wird bewirkt, daß die Partikelmenge, die oxidiert und entfernt werden kann, ansteigt, und die darauf abgeschiedenen Partikel können oxidiert und entfernt werden. Daneben kann die Temperatur des Abgases durch die Spätverstellung des Zündsteuerzeitpunkts erhöht werden, so daß die Temperatur der Seite stromauf des Abgasstroms des Partikelfilters ansteigt und somit bewirkt wird, daß die Partikelmenge, die oxidiert und entfernt werden kann, ansteigt. Diese beiden Tatsachen können außerdem miteinander kombiniert werden.
28 ist ein zweites Flußdiagramm, das anstelle des ersten Flußdiagramms ausgeführt wird. Das vorliegende Flußdiagramm wird jeweils zu einem vorbestimmten Zeitpunkt wiederholt. Zunächst wird bei Schritt 201 bestimmt, ob es sich bei dem Motorbetrieb um einen Abbremsvorgang handelt. Bei dieser Bestimmung kann ein Signal einer Kraftstoffzufuhrabschaltung, ein Signal des Loslassens des Fahrpedals, ein Signal des Betätigens des Bremspedals oder dergleichen herangezogen werden.
Wenn das Ergebnis bei Schritt 201 negativ ist, wird die Routine angehalten. Wenn hingegen bestimmt wird, daß es sich bei dem Motorbetrieb bei Schritt 201 um einen Abbremsvorgang handelt, wird die Routine bei Schritt 202 fortgesetzt, genauso wie bei dem ersten Flußdiagramm, und es wird bestimmt, ob die relativ große Partikel menge in ausreichender Weise abgeschieden wurde, um die vorbestimmte Partikelmenge von dem Partikelfilter abzuführen, wenn die Abgasströmung umgekehrt wird.
Wenn das Ergebnis negativ ist, wird die Routine bei Schritt 205 fortgesetzt, und der Ventilkörper wird umgeschaltet. Somit werden die Seite stromauf des Abgasstroms und die stromabwärtige Seite des Abgasstroms des Partikelfilters umgekehrt und die abgeschiedenen Partikel werden oxidiert und vorteilhafter Weise von dem Partikelfilter entfernt. Wenn hingegen das Ergebnis bei Schritt 202 positiv ist, wird die Routine bei Schritt 203 fortgesetzt und der Ventilkörper 71a wird von einer der Absperrpositionen in eine mittlere Position geschaltet.
Die mittlere Position liegt zwischen der einen und der anderen Absperrposition, wie in 21 gezeigt ist. Wenn der Ventilkörper in die mittlere Position bewegt wird, umgeht das Abgas den Partikelfilter, wie durch die Pfeile in 21 gezeigt ist. Daher strömt die Wärme aufgrund der nicht vorhandenen Abgasströmung nicht aus dem Partikelfilter heraus, und somit arbeitet die Wärme in dem Partikelfilter, so daß die Temperatur des Partikelfilters höher ansteigt als die Aktivierungstemperatur des Oxidationskatalysators. Das Abgas weist dabei eine sehr niedrige Temperatur auf, da sich der Motorbetrieb in einem Abbremsvorgang befindet. Um die Absenkung der Temperatur des Partikelfilters zu verhindern, ist es wirksam, daß der Abgasstrom den Partikelfilter umgeht. Da die Kraftstoffzufuhrabschaltung ausgeführt wird oder die Menge des eingespritzten Kraftstoffs sehr gering ist, weist das Abgas im Abbremsvorgang ferner kleine Partikel auf, und somit treten keinerlei Probleme auf, selbst wenn das Abgas den Partikelfilter umgeht. Anschließend wird bei Schritt 204 den beiden Seiten des Partikelfilters das Reduziermittel durch die beiden Reduziermittelzuführeinheiten 74a und 74b zugeführt. Somit verbrennt das Reduziermittel vorteilhaft auf beiden Seiten des Partikelfilters, und die Temperatur des ganzen Partikelfilters steigt durch die Verbrennungswärme an. Somit steigt die Partikelmenge, die oxidiert und entfernt werden kann, an, so daß die relativ große Menge an Partikeln, die auf der stromabwärtigen Oberfläche der Trennwand des Partikelfilters abgeschieden worden ist, beim Umschalten des Ventilkörpers durch diese Verbesserungsmöglichkeit auf positive Weise oxidiert und entfernt werden kann.
Anschließend wird bei Schritt 205 der Ventilkörper in die andere Absperrposition geschaltet, d. h. daß die Seite stromauf des Abgasstroms und die stromabwärtige Seite des Abgasstroms des Partikelfilters umgekehrt werden, und somit können die Partikel, die noch verblieben sind und abgeschieden wurden, auf positive Weise oxidiert und entfernt werden.
In dem zweiten Flußdiagramm wird das Reduziermittel zugeführt, um die relativ große Partikelmenge, die auf der stromabwärtigen Oberfläche des Abgasstroms abgeschieden wurde, zu oxidieren und zu entfernen, wenn der Ventilkörper umgeschaltet wird. Daher kann das Reduziermittel nur der Seite stromauf des Abgasstroms des Partikelfilters zugeführt werden, bevor der Ventilkörper umgeschaltet wird.
In dem zweiten Flußdiagramm ist die große Partikelmenge nicht auf dem gesamten Partikelfilter abgeschieden worden, und die abgeschiedenen Partikel auf dem Partikelfilter verwandeln sich nicht in einen kohlenstoffartigen Stoff, da der Ventilkörper bei jedem Motorabbremsvorgang umgeschaltet wird, selbst wenn der Motorbetrieb häuft in dem Bereich (II) von 24 ausgeführt wird. Somit können die abgeschiedenen Partikel natürlich wie vorstehend erwähnt oxidiert und entfernt werden, und Probleme, bei denen sich die große Menge von abgeschiedenen Partikeln zu einem gegebenen Zeitpunkt entzündet und verbrennt und die umfangreiche Verbrennungswärme den Partikelfilter schmilzt, und dergleichen treten nicht auf.
Wenn der Ventilkörper bei jedem Motorabbremsvorgang umgeschaltet wird, geschieht das Umschalten des Ventilkörpers möglicherweise zu häufig. Um dies zu verhindern, darf der Ventilkörper, wenn es sich bei dem Motorbetrieb um einen Abbremsvorgang handelt, nicht umgeschaltet werden, bis eine vorbestimmte Zeit verstrichen ist oder das Fahrzeug eine vorbestimmte Laufdistanz zurückgelegt hat, nachdem der Ventilkörper umgeschaltet worden ist. Bei dem ersten Flußdiagramm wird der gleiche Um schaltmechanismus verwendet. Dementsprechend besteht die Möglichkeit, daß das Abgas einschließlich der Partikel den Partikelfilter während des Umschaltens des Ventilkörpers umgeht. Wird der Ventilkörper jedoch rasch umgeschaltet, treten keine Probleme auf.
Wenn nebenbei das Kraftstoff-Luftverhältnis in der Umgebung des Partikelfilters mager gehalten wird, wird die Oberfläche aus Platin Pt mit Sauerstoff bedeckt, d. h. es wird eine Sauerstoffkontamination bewirkt. Wenn eine solche Sauerstoffkontamination bewirkt wird, geht die Oxidationswirkung des Platins Pt in bezug auf NO_x zurück und somit fällt die absorbierende Effizienz des NO_x ab. Daher nimmt die Menge an aktivem Sauerstoff ab, der von dem Aktivsauerstofffreisetzungsmittel 61 freigesetzt wird. Wenn in dem Abgas Reduziermittel enthalten ist und das Kraftstoff-Luftverhältnis angefettet wird, wie vorstehend erwähnt wurde, wird der Sauerstoff auf der Oberfläche des Platins Pt verbraucht und somit die Sauerstoffkontamination aufgehoben. Wenn das Kraftstoff-Luftverhältnis wieder von fett auf mager umgeschaltet wird, verstärkt sich dementsprechend die Oxidationswirkung in bezug auf NO_x und somit steigt die Absorbierungseffizienz an. Somit steigt die Menge an aktivem Sauerstoff an, der von dem Aktivsauerstofffreisetzungsmittel 61 freigesetzt wird.
Wenn somit das Kraftstoff-Luftverhältnis, wenn das Kraftstoff-Luftverhältnis hin und wieder von mager auf fett umgeschaltet wird, mager gehalten wird, wird die Sauerstoffkontamination von Platin Pt dabei jedesmal aufgehoben, und somit steigt die Menge des freigesetzten aktiven Sauerstoffs an, wenn das Kraftstoff-Luftverhältnis mager ist. Somit kann die Oxidationswirkung der Partikel auf dem Partikelfilter 70 unterstützt werden.
Als eine Möglichkeit zur Anfettung des Kraftstoff-Luftverhältnisses, kann beispielsweise die vorstehend erwähnte Niedertemperaturverbrennung ausgeführt werden. Beim Umschalten von der normalen Verbrennung zur Niedertemperaturverbrennung oder davor kann die Seite stromauf des Abgasstroms und die stromabwärtige Seite des Abgasstroms des Partikelfilters umgeschaltet werden. Wie vorstehend erwähnt, wird die Niedertemperaturverbrennung in der unteren Motorteillastseite ausgeführt, und daher wird die Niedertemperaturverbrennung häufig unmittelbar nach der Motorabbremsung ausgeführt. Daher wird bei dem zweiten Flußdiagramm, unmittelbar nachdem der Ventilkörper 71a umgeschaltet worden ist, häufig die Niedertemperaturverbrennung ausgeführt. Um das Kraftstoff-Luftverhältnis des Abgases anzufetten, muß lediglich das Kraftstoff-Luftverhältnis bei der Verbrennung angefettet werden. Neben der Hauptkraftstoffeinspritzung im Verdichtungshub kann ferner die Kraftstoffeinspritzdüse einen Kraftstoff im Auslaßhub oder Arbeitshub in den Zylinder (Nacheinspritzung) einspritzen oder kann einen Kraftstoff im Einlaßhub in den Zylinder (Voreinspritzung) einspritzen. Ein Intervall zwischen der Nacheinspritzung oder der Voreinspritzung und der Haupteinspritzung kann natürlich nicht geschaffen werden. Ferner kann dem Abgassystem ein Kraftstoff zugeführt werden.
Wenn ferner die stromaufwärtige Seite des Abgasstroms und die stromabwärtige Seite des Abgasstroms des Partikelfilter umgeschaltet werden, selbst wenn die große Menge von Partikeln auf einer der Auffangoberflächen der Trennwand des Partikelfilters abgeschieden wurde, werden die abgeschiedenen Partikel ohne weiteres durch die Umkehrströmung des Abgases in kleine Stücke zerschmettert. Ein Teil der Partikel, der in den Poren der Trennwand nicht oxidiert und entfernt werden kann, wird von dem Partikelfilter abgeführt. Somit wird jedoch verhindert, daß der Abgaswiderstand des Partikelfilters stärker ansteigt und einen schlechten Einfluß auf den Betrieb des Fahrzeugs hat, und die groß Menge an abgeschiedenen Partikeln entzündet sich und verbrennt auf einmal, um den Partikelfilter durch deren Wärme zu verschmelzen. Ferner kann die andere Auffangoberfläche der Trennwand des Partikelfilters die Partikel wieder erneut auffangen.
Wenn übrigens ein SO₃ vorliegt, bildet das Kalzium Ca in dem Abgas ein Kalziumsulfat CaSO₄ als Asche. Um ein durch das Kalziumsulfat CaSO₄ bewirktes Verstopfen der Maschen des Partikelfilters zu verhindern, kann ein Alkalimetall oder ein Erdalkalimetall mit einer Ionisierungstendenz, die höher ist als die von Kalzium Ca, wie z. B. Kalium K, als das Aktivsauerstofffreisetzungsmittel verwendet werden. Daher wird das in das Aktivsauerstofffreisetzungsmittel 61 diffundierte SO₃ mit Kalium K kombiniert, um ein Kaliumsulfat K₂SO₄ zu bilden, und somit wird das Kalium Ca nicht mit dem SO₃ kombiniert, sondern gelangt durch die Trennwände des Partikelfilters. Dementsprechend werden die Maschen des Partikelfilter nicht durch Asche verstopft. Somit ist es wünschenswert, als das Aktivsauerstofffreisetzungsmittel 61 ein Alkalimetall oder ein Erdalkalimetall mit einer Ionisierungstendenz zu verwenden, die höher ist als die von Kalium Ca, wie z. B. Kalium, Lithium LI, Cäsium Cs, Rubidium Rb, Barium Ba oder Strontium Sr.
Selbst wenn nur ein Edelmetall, wie z. B. Platin Pt auf dem Partikelfilter getragen wird, kann ein aktiver Sauerstoff aus dem auf der Oberfläche des Platins Pt gehaltenen NO₂ oder SO₃ freigesetzt werden. In diesem Fall wird jedoch eine Kurve, die die Menge (G) der oxidierten und entfernten Partikel (G) darstellt, im Vergleich zu der in 24 gezeigten durchgehenden Kurve geringfügig nach rechts verschoben. Ferner kann Ceroxid als das Aktivsauerstofffreisetzungsmittel verwendet werden. Das Ceroxid absorbiert Sauerstoff, wenn die Sauerstoffkonzentration hoch ist (Ce₂O₃ → 2CeO₂) und setzt aktiven Sauerstoff frei, wenn die Sauerstoffkonzentration abnimmt. (2CeO₂ → Ce₂O₃). Daher muß das Kraftstoff-Luftverhältnis des Abgases in regelmäßigen Intervallen oder unregelmäßigen Intervallen angefettet werden, um die Partikel zu oxidieren und zu entfernen. Anstelle des Ceroxids kann Eisen Fe oder Zinn Sn als das Aktivsauerstofffreisetzungsmittel verwendet werden.
Als das Aktivsauerstofffreisetzungsmittel ist es ferner zulässig, ein NO_x-Absorptionsmittel zum Reinigen von NO_x zu verwenden. In diesem Fall muß das Kraftstoff-Luftverhältnis des Abgases zumindest vorübergehend angefettet werden, um absorbiertes NO_x und SO_x freizusetzen und zu reduzieren. In dem ersten und dem zweiten Flußdiagramm ist es zudem die Funktion der Zufuhr des Reduziermittels, das NO_x-Absorptionsmittel das Kraftstoff-Luftverhältnisses anzufetten.
29 zeigt eine Draufsicht, die eine Vorrichtung zum Reinigen des Abgases mit einer Reduziermittelzuführeinheit 74' darstellt, die auf der Seite stromauf des Um schaltabschnitts 71 des Abgassystems angeordnet ist. 30 ist eine Seitenansicht derselben. Die Reduziermittelzuführeinheit 74' und der Ventilkörper 71a werden gemäß einem dritten Flußdiagramm zur Verhinderung der Abscheidung der Partikel gesteuert, wie in 31 gezeigt ist. Das Flußdiagramm wird jeweils zu einem vorbestimmten Zeitraum wiederholt. Zunächst wird bei Schritt 301 bestimmt, ob eine integrierte Zeit (t) größer ist als ein vorbestimmte Zeit (ts). Die integrierte Zeit (t) ist eine integrierte Zeit, nachdem der Ventilkörper 71a umgeschaltet worden ist. Wenn das Ergebnis bei Schritt 301 negativ ist, wird die Routine bei Schritt 306 fortgesetzt, und die integrierte Zeit (t) wird berechnet und die Routine gestoppt. Wenn das Ergebnis bis Schritt 301 positiv ist, wird die Routine bei Schritt 302 fortgesetzt. Bei Schritt 302 wird die Zufuhr des Reduziermittels durch die Reduziermittel-Zuführeinheit 74' begonnen. Anschließend wird bei Schritt 303 der Ventilkörper 71a umgeschaltet. Das heißt, daß die Seite stromauf des Abgasstroms und die stromabwärtige Seite des Abgasstroms des Partikelfilters umgekehrt werden. Anschließend wird bei Schritt 304 die Zufuhr des Reduziermittels gestoppt, und bei Schritt 305 die integrierte Zeit (t) auf 0 zurückgesetzt. Danach wird bei Schritt 306 eine neue integrierte Zeit (t) berechnet, und die Routine wird gestoppt.
In dem Partikelfilter 70 der vorliegenden Ausführungsform wird ein Oxidationskatalysator, wie z. B. Platin Pt, getragen. Das Abgas des Dieselmotors weist jedoch kaum Reduziermaterial wie HC oder CO auf, und somit tritt kein Anstieg der Temperatur des Partikelfilters durch die Wärme der Reduziermaterialien ein. Dementsprechend hängt die Temperatur des Partikelfilters hauptsächlich nur von der Temperatur des Abgases ab. Somit wird der Abgas-Einlaßabschnitt (der Abschnitt auf der Abgaseinlaßseite einer jeden Trennwand) des Partikelfilters auf der Temperatur des Abgases gehalten. Die Temperatur des Abgas-Auslaßabschnitts (der Abschnitt der Abgasauslaßseite einer jeden Trennwand) des Partikelfilters wird durch die Abgabe von Wärme mit der Abgasströmung viel niedriger als die des Abgaseinlaßabschnitts.
Selbst wenn die Reduziermittelzuführeinheit das Reduziermittel nach dem Umschalten der Seite stromauf des Abgasstroms und der stromabwärtigen Seite des Ab gasstroms des Partikelfilters zuführt, weist der momentane Abgaseinlaßabschnitt des Partikelfilters eine niedrige Temperatur auf, und somit kann der darauf befindliche Oxidationskatalysator das Reduziermittel vorteilhafter Weise nicht reduzieren. Daher kann die Temperatur des gesamten Partikelfilters nicht ansteigen. Jedoch wird gemäß dem dritten Flußdiagramm der Ventilkörper zu jeweils der vorbestimmten Zeit (ts) umgeschaltet, und die Reduziermittelzuführeinheit führt das Reduziermittel zu, bevor der Ventilkörper umgeschaltet wird. Somit wird die Temperatur des Partikelfilters zumindest auf Temperatur des Abgases gehalten, so daß das Reduziermittel vorteilhafter Weise durch den Oxidationskatalysator verbrannt und die relativ umfangreiche Verbrennungswärme erzeugt wird. Daher steigt die Temperatur des Abgaseinlaßabschnitts der Partikel an, und die Temperatur des Abgasauslaßabschnitts steigt wird mit Ankunft einer Wärmemenge an, die höher ist als die des Abgaseinlaßabschnitts, wobei diese Wärmemenge umfangreicher ist als die von dem Abgaseinlaßabschnitts abgeführte Wärmemenge.
Anschließend wird die Seite stromauf und die stromabwärtige Seite des Partikelfilters durch den Ventilkörper umgekehrt, und somit verbrennt das Reduziermittel, das zugeführt wird, bis die Zufuhr des Reduziermittels gestoppt wird, vorteilhaft auf dem momentanen Abgaseinlaßabschnitt, dessen Temperatur höher angestiegen ist, und es wird der größere Wärmeumfang erzeugt. Daher wird die Temperatur des Abgaseinlaßabschnitts höher, und die Temperatur des Abgasauslaßabschnitts wird höher als die des Abgaseinlaßabschnitts. Selbst wenn somit eine relativ geringe Menge Reduziermittel verwendet wird, kann bewirkt werden, daß die Temperatur des gesamten Partikelfilters sehr effektiv ansteigt, und somit kann die Menge der Partikel, die oxidiert und entfernt werden können, dazu gebracht werden, erheblich zuzunehmen. Selbst wenn daher der Motorbetrieb in dem Bereich (II) von 24 während der vorbestimmten Zeit (ts) häufig ausgeführt wird, und somit ein Teil der Partikel zurückbleibt und auf dem Partikelfilter abgeschieden wird, können die restlichen und abgeschiedenen Partikel vorteilhaft oxidiert und entfernt werden. Ferner wird der Oxidationskatalysator auf dem Abgaseinlaßabschnitt, bevor der Ventilkörper umgeschaltet wird, durch eine SOF (SOF = soluble organic fraction) kontaminiert, und somit fällt dessen Funktion ab. Nachdem der Ventil körper umgeschaltet worden ist, positioniert sich dieser Oxidationskatalysator auf dem Abgasauslaßabschnitt, und die Temperatur des Oxidationskatalysators wird beträchtlich erhöht, und somit kann die SOF-Kontamination vorteilhaft aufgehoben werden. Die Funktion des Umschaltens der Seite stromauf des Abgasstroms und der stromabwärtigen Seite des Abgasstroms ist es natürlich auch, die restlichen Partikel auf dem Partikelfilter wie bei der Erläuterung des ersten Flußdiagramms zu oxidieren und vorteilhaft zu entfernen.
Da der Ventilkörper jeweils zu dem vorbestimmten Zeitpunkt (ts) umgeschaltet wird, selbst wenn der Motorbetrieb im Bereich (II) von 24 häufig ausgeführt wird, wird in dem dritten Flußdiagramm die große Menge von Partikeln nicht auf dem gesamten Partikelfilter abgeschieden, und die abgeschiedenen Partikel auf dem Partikelfilter verwandeln sich nicht in kohlenstoffartiges Material. Somit können die abgeschiedenen Partikel natürlich oxidiert und entfernt werden, wie vorstehend erwähnt wurde, und Probleme, bei denen die große Menge von abgeschiedenen Partikeln sich auf einmal entzündet und verbrennt, und Wärme in großem Umfang erzeugt wird, um den Partikelfilter zu schmelzen, und dergleichen treten nicht auf.
Natürlich wird dadurch die vorliegende Erfindung nicht eingeschränkt, um den Ventilkörper jeweils zu dem vorbestimmten Zeitpunkt (ts) umzuschalten. Der Ventilkörper kann jeweils bei einer vorbestimmten Laufdistanz oder zu einem beliebigen Zeitpunkt, an dem die große Menge von Partikeln nicht abgeschieden wird und die abgeschiedenen Partikel sich nicht in kohlenstoffhaltiges Material umwandeln, umgeschaltet werden. Ferner schaltet der Dieselmotor der vorliegenden Erfindung zwischen der ersten Verbrennung und der zweiten Verbrennung hin und her. Bei der ersten Verbrennung weist das Abgas wie vorstehend erwähnt eine relativ große Menge HC und CO, d. h. ein relativ große Menge Reduziermittel, auf. Selbst wenn keine Reduziermittelzuführeinheit in dem Abgassystem vorgesehen ist, kann die erste Verbrennung als Reduziermittelzuführeinrichtung verwendet werden, und somit kann der Ventilkörper umgeschaltet werden, während die erste Verbrennung ausgeführt wird.
Falls vor und nachdem der Ventilkörper umgeschaltet worden ist, das Reduziermittel dem Partikelfilter zugeführt wird, bewirkt daher das Verbrennen des Reduziermittels, daß die Temperatur des Partikelfilters ansteigt und die Sauerstoffkonzentration der Umgebung des Aktivsauerstofffreisetzungsmittels abfällt und somit die restlichen Partikel auf dem Partikelfilter oxidiert und effektiv entfernt werden können. Während der Ventilkörper umgeschaltet wird, umgeht das Abgas den Partikelfilter bei der mittleren Position des Ventilkörpers. Wenn sich der Ventilkörper in der mittleren Position befindet, wenn das Reduziermittel zugeführt wird, wird daher das Reduziermittel in dem Abgas in die Atmosphäre abgegeben. Wenn der Ventilkörper sich in der mittleren Position zwischen den beiden Absperrpositionen befindet, ist es dementsprechend zu bevorzugen, daß die Reduziermittelzuführeinheit die Zufuhr des Reduziermittels unterbricht.
Wenn ferner das Abgas während des Umschaltens des Ventilkörpers Partikel aufweist, werden die Partikel in die Atmosphäre emittiert. 32 ist ein viertes Flußdiagramm zum Oxidieren und Entfernen der Partikel ohne Emittieren der Partikel. Das vorliegende Flußdiagramm steuert das Abgasdrosselventil 75 zusätzlich zu der Reduziermittelzuführeinheit 74' und dem Ventilkörper 71a und wird jeweils zu einem vorbestimmten Zeitpunkt wiederholt. Zunächst wird bei Schritt 401 bestimmt, ob die Temperatur (T) des Partikelfilters höher ist als eine vorbestimmte Temperatur (Ts). Wenn das Ergebnis negativ ist, liegt während des Startens des Motors, eine niedrige Menge von Partikeln, die von dem Aktivsauerstofffreisetzungsmittel oxidiert und entfernt werden kann, vor, und somit muß die Temperatur des Partikelfilters rasch erhöht werden. Dementsprechend wird die Routine bei Schritt 402 fortgesetzt, und es wird mit der Zufuhr des Reduziermittels begonnen. Bei der vorbestimmten Temperatur (Ts) wird jedoch der Oxidationskatalysators nicht ausreichend aktiviert und kann so das Reduziermittel nicht ausreichend verbrennen. Dementsprechend wird bei Schritt 403 bewirkt, daß der Öffnungsgrad des Abgasdrosselventils 75 sich von der vollständig geöffneten Bedingung verringert und die Wärme des Abgases effektiv auf den Partikelfilter einwirkt. Somit wird bewirkt, daß zumindest die Temperatur des Abgaseinlaßabschnitts des Partikelfilters auf die Aktivierungstemperatur des Oxidationskatalysators ansteigt.
Hier spritzt die Reduziermittelzuführeinheit 74' bevorzugt das Reduziermittel mit einem niedrigen Druck ein, um die Verwendung einer billigeren Einheit zu ermöglichen. Ferner erfordert der Steuerabschnitt eine hohe Wärmebeständigkeitseigenschaft, um nahe des Motorabgassystems angeordnet werden zu können. Dementsprechend ist es zu bevorzugen, daß er gesondert vom Motorabgassystem angeordnet wird. Somit sind der Steuerabschnitt und der Körper der Reduziermittelzuführeinheit in dem Motorabgassystem durch eine Zuführleitung verbunden, die aus rostfreiem Stahl oder dergleichen besteht. In einer solchen Konstruktion weist die relativ lange Zuführleitung ein relativ großes Volumen auf. Somit wird die Zufuhr von Reduziermittel, das mit dem niedrigen Druck eingespritzt wird, automatisch gestoppt, wenn der Abgasdruck in der Position des Motorabgassystems, auf dem die Reduziermittelzuführeinheit angeordnet ist, ansteigt. Selbst wenn die Zufuhr von Reduziermittel durch die Steuerung der Reduziermittelzuführeinheit begonnen wird, wenn der Abgasdruck in der obigen Position durch die Verringerung des Öffnungsgrads des Abgasdrosselventils ansteigt, wird dementsprechend die Zufuhr des Reduziermittels tatsächlich gestoppt. Bis die Temperatur des Abgaseinlaßabschnitts des Partikelfilters auf die Aktivierungstemperatur des Oxidationskatalysators ansteigt, wird das Reduziermittel daher dem Partikelfilter eigentlich nicht zugeführt.
Anschließend fällt bei Schritt 404, wenn der Öffnungsgrad des Abgasdrosselventils sich in die vollständig geöffnete Bedingung erweitert, der Abgasdruck in der vorstehenden Position ab und das Reduziermittel wird eigentlich dem Motorabgassystem zugeführt. Somit bewirkt die Verbrennungswärme des Reduziermittels, daß die Temperatur des Partikelfilters höher ansteigt und die Menge der Partikel, die oxidiert und entfernt werden können, kann hoch eingestellt werden.
Anschließend wird bei Schritt 405 die Zufuhr des Reduziermittels gestoppt. Bei der Bestimmung von Schritt 401 kann der Temperatursensor 77, der in dem Partikelfilter angeordnet ist, verwendet werden. Die Temperatur des Partikelfilters kann jedoch auf Basis der aktuellen Motorbetriebsbedingung angenommen werden. Ferner kann während des Motorstartens bestimmt werden, ob die Temperatur des Partikelfilters nied riger ist als die vorbestimmte Temperatur (Ts), und somit werden die Prozeßschritte bei den Schritten 402–405 bei jedem Motorstart ausgeführt. Wenn die Reduziermittelzuführeinheit ferner nicht die vorstehend erwähnte Konstruktion aufweist und das Reduziermittel dem Partikelfilter stets zugeführt werden kann, beispielsweise, so daß die Motor-Kraftstoffeinspritzdüse einen Kraftstoff als das Reduziermittel im Auslaßhub, Arbeitshub oder Einlaßhub einspritzt, oder so daß das Reduziermittel dem Abgassystem mit einem hohen Druck zugeführt wird, kann das Reduziermittel zugeführt werden, nachdem bei Schritt 404 bewirkt wird, daß sich der Öffnungsgrad des Abgasdrosselventils erweitert.
Wenn das Ergebnis bei Schritt 401 positiv ist, wird hingegen bei Schritt 406 bestimmt, ob der Motorbetrieb sich im Abbremsvorgang befindet. Wenn das Ergebnis negativ ist, wird die Routine gestoppt. Wenn das Ergebnis positiv ist, wird die Routine bei Schritt 407 fortgesetzt und mit der Zufuhr des Reduziermittel begonnen. Anschließend wird bewirkt, daß der Öffnungsgrad des Abgasdrosselventils 75 von der vollständig geöffneten Position verringert wird. Zu diesem Zeitpunkt wird die Abbremsgeschwindigkeit verzögert oder, nach einer vorbestimmten Zeitdauer ab dem Prozeßschritt bei Schritt 407, der Prozeßschritt bei Schritt 408 ausgeführt. Somit wird das Reduziermittel eigentlich dem Partikelfilter zugeführt. Dementsprechend verbrennt in dem Partikelfilter, wie bei der Erläuterung des dritten Flußdiagramms, das Reduziermittel auf dem Abgaseinlaßabschnitt, und dessen Temperatur steigt an, und die Temperatur des Abgasauslaßabschnitts steigt höher an als die des Abgaseinlaßabschnitts. Anschließend bewirkt die Verringerung des Öffnungsgrads des Abgasdrosselventils, daß der Abgasdruck in der Position des Motorabgassystems, auf dem der Körper der Reduziermittelzuführeinheit angeordnet ist, ansteigt, und somit wird die Zufuhr des Reduziermittels eigentlich gestoppt.
Anschließend wird der Ventilkörper bei Schritt 409 umgeschaltet, d. h. die Seite stromauf des Abgasstroms und die stromabwärtige Seite des Abgasstroms werden umgekehrt. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich der Motorbetrieb im Abbremsvorgang, und es wird eine Kraftstoffabschaltung ausgeführt, oder die Menge des eingespritzten Kraft stoffs ist gering, und somit weist das Abgas einige Partikel auf. Ferner wird die Zufuhr des Reduziermittels gestoppt, und somit weist das Abgas kein Reduziermittel auf. Während der Ventilkörper umgeschaltet wird, werden dementsprechend die Partikel und das Reduziermittel nicht in die Atmosphäre abgegeben, selbst wenn das Abgas den Partikelfilter umgeht.
Anschließend wird bei Schritt 410 bewirkt, daß der Öffnungsgrad des Abgasdrosselventils in die vollständig geöffnete Bedingung erweitert wird und somit der Abgasdruck in der vorstehenden Position abfällt und erneut mit der Zufuhr des Reduziermittels begonnen wird. Danach wird bei Schritt 411 die Zufuhr des Reduziermittels gestoppt. Daher wird die Temperatur des aktuellen Abgaseinlaßabschnitts des Partikelfilters erhöht, und das ihm zugeführte Reduziermittel wird vorteilhaft verbrannt. Daher erhöht die große Menge an Verbrennungswärme die Temperatur des Abgaseinlaßabschnitts, und die Temperatur des Abgasauslaßabschnitts wird erheblich erhöht. Somit kann die Temperatur des gesamten Partikelfilters unter Verwendung der relativ geringen Menge Kraftstoff effektiv erhöht werden, und somit kann die Menge der Partikel, die oxidiert und entfernt werden kann, erheblich verbessert werden.
Gemäß dem vierten Flußdiagramm wird der Ventilkörper mit der Zufuhr des Reduziermittels bei jeder Motorabbremsung umgeschaltet. Bei der Bestimmung der Motorabbremsung, kann erfaßt werden, ob das Bremspedal betätigt wird oder daß das Fahrpedal losgelassen worden ist. Es ist undenkbar, daß der Motor für lange Zeit nicht abgebremst wird. Während der Ventilkörper umgeschaltet wird, werden keine großen Partikelmengen auf dem gesamten Partikelfilter abgeschieden, und die abgeschiedenen Partikel auf dem Partikelfilter verwandeln sich nicht kohlenstoffhaltiges Material, selbst wenn der Motorbetrieb häufig im Bereich (II) von 24 ausgeführt wird. Somit können die abgeschiedenen Partikel natürlich oxidiert und entfernt werden, wie vorstehend erwähnt wurde, und Probleme, bei denen die große Menge von abgeschiedenen Partikeln sich auf einmal entzündet und verbrennt, und die große Verbrennungswärme erzeugt wird, um den Partikelfilter zu schmelzen, und dergleichen treten nicht auf. Das Abgasdrosselventil ist bevorzugt auf der Position angeordnet, die sich stets auf der stromabwärtigen Seite des Partikelfilters befindet, um die Temperatur des Partikelfilters durch das Abgas zu erwärmen. Wenn das Abgasdrosselventil nur dazu verwendet wird, um die Zufuhr des Reduziermittels zu stoppen, wenn der Ventilkörper umgeschaltet wird, kann es auf der stromabwärtigen Seite der Reduziermittelzuführeinheit auf der Seite stromauf des Partikelfilters angeordnet sein.
Bei dem dritten und vierten Flußdiagramm wird das Reduziermittel hauptsächlich vor und nach dem Umschalten des Ventilkörpers zugeführt. Wenn die Temperatur des Abgaseinlaßabschnitts des Partikelfilters höher ist als die Aktivierungstemperatur des Oxidationskatalysators, kann das Reduziermittel natürlich zugeführt werden. Daher wird die Temperatur des Partikelfilters erhöht werden, und die Partikelmenge, die oxidiert und entfernt werden kann, kann verbessert werden, und somit kann die Abscheidung der Partikel fast verhindert werden. Wenn die Temperatur des Partikelfilters jedoch höher ist als eine bestimmte Temperatur, ist es dementsprechend wünschenswert, die Zufuhr des Reduziermittels zu stoppen.
33 zeigt einen Partikelfilter mit einer anderen Konstruktion, die sich von dem vorstehenden Partikelfilter unterscheidet. Der vorliegende Partikelfilter trägt den Oxidationskatalysator und das vorstehende Aktivsauerstofffreisetzungsmittel auf dem mittleren Abschnitt 70a' und trägt die große Menge von Oxidationskatalysatoren auf den beiden Endabschnitten 70b' und 70c'. Somit ist die Oxidationsfähigkeit auf beiden Endabschnitten 70b' und 70c' stärker als die auf dem mittleren Abschnitt 70a'. Wenn das Reduziermittel, bevor und nachdem der Ventilkörper wie beim ersten und zweiten Flußdiagramm umgeschaltet wird, dem Partikelfilter 70' zugeführt wird, selbst wenn die Menge des Reduziermittels sehr gering ist, verbrennt das Reduziermittel natürlich auf dem Abgaseinlaßabschnitt des Partikelfilters, d. h. auf dem einen Endabschnitt 70b' oder 70c', der über eine sehr hohe Oxidationsfähigkeit verfügt. Anschließend erhöht die Verbrennungswärme ferner die Temperatur des anderen Endabschnitts, bei dem es sich um den Abgasauslaßabschnitt des Partikelfilters handelt. Wenn das Reduziermittel dem anderen Abschnitt durch das Umschalten des Ventilkörpers 71a zugeführt wird, selbst wenn die Menge des Reduziermittels sehr gering ist, verbrennt das Reduziermittel na türlich auf dem anderen Endabschnitt, dessen Temperatur hoch ist und der eine hohe Oxidationsfähigkeit aufweist. Somit erhöht die Verbrennungswärme die Temperatur des anderen Endabschnitts, und die Temperatur des einen Endabschnitts, bei dem es sich nun um den Abgasauslaßabschnitt des Partikelfilters handelt, wird höher gemacht als die des anderen Endabschnitts. Daher kann die Temperatur des gesamten Partikelfilters durch Verwendung der Menge des Reduziermittels erhöht werden, die geringer ist als die, die in dem in 29 gezeigten Partikelfilter verwendet wird.
Selbst wenn das Reduziermittel dem Partikelfilter nicht zugeführt wird, weist der Abgaseinlaßabschnitt des Partikelfilters ferner stets eine hohe Oxidationsfähigkeit auf, und somit kann eine große Menge Reduziermaterial, wie z. B. HC und CO, die in dem Abgas enthalten sind, darauf selbstverständlich verbrennen. Nur durch das Umschalten des Ventilkörpers kann die Temperatur des gesamten Partikelfilters vorteilhaft erhöht werden.
Wenn die Temperatur des gesamten Partikelfilters ansteigt, wird die Menge der Partikel, die oxidiert und verbrannt werden können, auf dem mittleren Abschnitt 70a' des Partikelfilters verbessert, und somit können die restlichen Partikel und die abgeschiedenen Partikel auf dem Partikelfilter vorteilhaft oxidiert und entfernt werden. Die beiden Endabschnitte können natürlich nicht nur den Oxidationskatalysator, sondern auch das Aktivsauerstofffreisetzungsmittel tragen. Daher können die restlichen Partikel und die abgeschiedenen Partikel auf beiden Endabschnitten vorteilhaft durch den aktiven Sauerstoff oxidiert und entfernt werden.
34 zeigt einen Fall, in dem eine Reduziermittelzuführeinheit 78 in einem der Verbindungsabschnitte, beispielsweise in dem ersten Verbindungsabschnitt 72a, angeordnet ist. Wie vorstehend funktioniert das vorstehende Aktivsauerstofffreisetzungsmittel als NO_x-Absorptionsmittel. Somit kann der Partikelfilter, der das vorstehende Aktivsauerstofffreisetzungsmittel trägt, zum Reinigen von NO_x in dem Abgas verwendet werden. In diesem Fall muß der Partikelfilter, bevor die NO_x-Absorptionsfähigkeit des Partikelfilters 70 gesättigt ist, die absorbierten NO_x bei verringerter Sauerstoffkon zentration in der Umgebung freisetzen, und die freigesetzten NO_x müssen durch Verwendung eines Reduziermaterials desoxidiert werden. Dem Zweck entsprechend wird die Menge des von dem Motor abgeführten NO_x jedesmal auf Basis der Motorbetriebsbedingung angenommen, und die integrierte Menge der absorbierten NO_x in dem Partikelfilter wird jedesmal auf Basis der abgeführten NO_x angenommen, und das Kraftstoff-Luftverhältnis kann durch das Reduziermittel, das von dem Reduziermittel 78 zugeführt wird, bevor die integrierte Menge der absorbierten NO_x eine vorbestimmte Menge von absorbiertem NO_x erreicht, angefettet werden.
Die Menge des Reduziermittels, die erforderlich ist, um die gesamten NO_x zu desoxidieren ist relativ groß, und wenn Kraftstoff als Reduziermittel verwendet wird, weist er HC mit einer geringen Reaktivität auf. Wenn eine große Menge des Abgases durch den Partikelfilter gelangt, wenn diesem ein Reduziermittel zugeführt wird, wird zumindest ein Teil des zugeführten Reduziermittels nicht in dem Partikelfilter verbraucht und wird von dem Partikelfilter in die Atmosphäre emittiert.
Um dies zu verhindern, wird ein fünftes Flußdiagramm zum Reinigen von NO_x, das in 35 gezeigt ist, ausgeführt. Zunächst wird bei Schritt 501 bestimmt, ob eine Kraftstoffabschaltung ausgeführt wird, oder eine Menge von eingespritztem Kraftstoff sehr gering ist. Bei dieser Bestimmung kann ein Ausgangssignal eines Beschleunigungssensors, der auf der Fahrzeugkarosserie (nicht gezeigt) angeordnet ist, des Motorlastsensors 41 zum Erfassen des Öffnungsgrads des Drosselventils oder des Kurbelwinkelsensors 42 verwendet werden. Wenn das Ergebnis bei Schritt 501 positiv ist, wird die Routine bei Schritt 502 fortgesetzt, der Ventilkörper 71a in eine teilweise umgangene Position bewegt. Die teilweise umgangene Position liegt zwischen entweder der Abschaltposition oder der mittleren Position und ist eine Position des Ventilkörpers 71a, der in 34 gezeigt ist. Zu diesem Zeitpunkt umgeht das Abgas hauptsächlich den Partikelfilter 70, jedoch strömt nur eine geringe Menge des Abgases in den Partikelfilter 70 von dem ersten Verbindungsabschnitt 72a, in dem die Reduziermittel-Zuführeinheit 78 angeordnet ist. Anschließend beginnt bei Schritt 504 die Reduziermittelzuführeinheit 78 mit der Zufuhr des Reduziermittels. Somit strömt das zugeführte Reduziermittel mit der geringen Menge Abgas in den Partikelfilter 70 und bewirkt, daß das Kraftstoff-Luftverhältnis des Abgases in dem Partikelfilter fett ist. Somit setzt das Aktivsauerstofffreisetzungsmittel NO_x frei, und das freigesetzte NO_x wird unter Verwendung des Reduziermittels desoxidiert. Es wird eine erforderliche Menge des Reduziermittels gemäß der aktuellen angenommenen Menge des in dem Partikelfilter absorbierten NO_x bestimmt, um alle absorbierten NO_x freizusetzen und sie zu desoxidieren. Bei Schritt 504 wird bestimmt, ob die seit dem Start der Reduziermittelzufuhr verstrichene Zeit (t1) eine Zeit (t1') erreicht, die gemäß dem erforderlichen, angenommenen Reduziermittel eingestellt ist. Wenn das Ergebnis positiv ist, wird bestimmt, daß die erforderliche Menge NO_x bereits zugeführt worden ist. Dementsprechend wird die Routine bei Schritt 505 fortgesetzt, und die Zufuhr des Reduziermittels wird gestoppt.
Anschließend wird bei Schritt 506 bestimmt, ob die seit dem Stopp der Zufuhr des Reduziermittels (t2) verstrichene Zeit (t2') eine Zeit (t2') erreicht, die gemäß der Menge des zugeführten Reduziermittels eingestellt ist. Wenn das Ergebnis negativ ist, kann das zugeführte Reduziermittel bei Abnahme der Sauerstoffkonzentration in dem Partikelfilter und bei Desoxidation des freigesetzten NO_x ausreichend verbraucht werden, und wenn somit die große Menge des Abgases durch den Partikelfilter gelangt, wird ein Teil des Reduziermittels von dem Partikelfilter mit dem Abgas abgeführt. Nur wenn das Ergebnis bei Schritt 506 positiv ist, wird dementsprechend die Routine bei Schritt 507 fortgesetzt und der Ventilkörper 71a in eine der Absperrpositionen bewegt, bevorzugt in die andere Absperrposition, die sich von der einen Absperrposition unterscheidet, bevor der Ventilkörper in die teilweise umgangene Position bewegt wird. Somit kann das gesamte zugeführte Reduziermittel bei der Verringerung der Sauerstoffkonzentration in dem Partikelfilter und bei der Desoxidation des freigesetzten NO_x ohne Abführen des Reduziermittels verbraucht werden.
Bei dem Ergebnis bei Schritt 508 hingegen, wird die Routine bei Schritt 508 fortgesetzt, und es wird bestimmt, ob eine Zeit (t3), in der eine Kraftstoffabschaltung nicht ausgeführt wird, eine vorbestimmte Zeit (t3') erreicht. Wenn das Ergebnis negativ ist, wird die Routine gestoppt. Wenn das Ergebnis jedoch positiv ist, wird für lange Zeit keine Kraftstoffabschaltung ausgeführt, so daß die Menge an NO_x, die in dem Partikelfilter absorbiert ist, sich vergrößert und sich somit die NO_x Absorptionsfähigkeit des Partikelfilters 70 sättigen kann. Wenn dementsprechend das Ergebnis bei Schritt 508 positiv ist, selbst wenn keine Kraftstoffabschaltung ausgeführt wird, werden die Prozeßschritte bei den Schritten 502–507 obligatorisch ausgeführt, um das NO_x von dem Partikelfilter freizusetzen.
Wenn eine Kraftstoffabschaltung ausgeführt wird oder eine Menge eines eingespritzten Kraftstoffs sehr gering ist, ist die Temperatur des Abgases gering. Dementsprechend ist es zu bevorzugen, daß das Abgas zu diesem Zeitpunkt den Partikelfilter hauptsächlich umgeht, um die Temperatur des Partikelfilters hoch zu halten und um die große Menge an Partikeln beizubehalten, die oxidiert und entfernt werden können. Wie vorstehend erwähnt, setzt das vorstehende Aktivsauerstofffreisetzungsmittel nicht nur NO_x frei, sondern auch eine große Menge von aktivem Sauerstoff, wenn das Kraftstoff-Luftverhältnis des Abgases angefettet wird. Wenn ferner das Reduziermittel auf dem Partikelfilter brennt, sorgt die Verbrennungswärme dafür, daß die Temperatur des Partikelfilters ansteigt und somit die Menge der Partikel, die oxidiert und entfernt werden können, zunimmt. Wenn restliche und abgeschiedene Partikel auf dem Partikelfilter existieren, können sie daher mit der Desoxidation und Reinigung des NO_x zeitgleich oxidiert und entfernt werden. Wenn ferner die Seite stromauf und stromabwärts des Partikelfilters umgekehrt wird, ist dies in bezug auf die Oxidation der restlichen und abgeschiedenen Partikel von Vorteil, wie vorstehend erwähnt.
Wenn bei dem fünften Flußdiagramm eine Kraftstoffabschaltung ausgeführt wird oder eine Menge eines eingespritzten Kraftstoffs sehr gering ist, wenn die angenommene Menge von NO_x, das in dem Partikelfilter absorbiert ist, sehr gering ist, kann das absorbierte NO_x nicht aus dem Partikelfilter freigesetzt werden. Wenn das Fahrzeug hingegen sukzessive bei einer hohen Geschwindigkeit fährt, kann die angenommene Menge von NO_x, das in dem Partikelfilter absorbiert ist, die vorbestimmte Menge des absorbierten NO_x übersteigen, und somit wird die NO_x-Absorptionsfähigkeit des Partikelfilters 70 gesättigt.
Um dies zu verhindern, wird ein sechstes Flußdiagramm, das in 36 gezeigt ist ausgeführt. Das sechste Flußdiagramm wird jeweils zu einer vorbestimmten Zeit wiederholt. Zunächst wird bei Schritt 601 bestimmt, ob die angenommene Menge von NO_x, das in dem Partikelfilter (AN) absorbiert ist, größer ist als die vorbestimmte Menge des absorbierten NO_x (AN'). Wenn das Ergebnis negativ ist, wird die Routine gestoppt. Wenn das Ergebnis positiv ist, werden hingegen die Prozeßschritte 602–607 ausgeführt. Die Prozeßschritte der Schritte 602–607 sind den Schritten 502–507 in dem fünften Flußdiagramm ähnlich. Somit setzt der Partikelfilter NO_x frei, und das freigesetzte NO_x kann desoxidiert werden, und somit sättigt sich die NO_x-Absorptionsfähigkeit des Partikelfilters 70 nicht.
37 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung zum Reinigen des Abgases. In der Vorrichtung ist der Partikelfilter 700' in zwei Abschnitte 700a' und 700b' in der Richtung der Abgasströmungsrichtung unterteilt. Die Reduziermittelzuführeinheit 78' führt das Reduziermittel in den Raum zwischen den beiden Abschnitten 700a' und 700b' des Partikelfilters 700'. In dem Raum ist der Temperatursensor 79' ebenfalls angeordnet, um eine Temperatur in dem Raum als die Temperatur in dem Partikelfilter anzuordnen. In dieser Ausführungsform kann das Reduziermittel, das von der Reduziermittelzuführeinheit 78' zugeführt wird, bewirken, daß die Kraftstoff-Luftverhältnis-Bedingung in dem Partikelfilter ohne die Abgasströmung fett ist. Daher kann in dem fünften Flußdiagramm oder dem sechsten Flußdiagramm, wenn das Reduziermittel zugeführt wird, der Ventilkörper 71a in die mittlere Position bewegt werden, wie in 37 gezeigt ist. Somit ist es nicht erforderlich, daß der Ventilkörper 71a sich in die teilweise umgangene Position bewegt. Dadurch kann die Steuerung des Ventilkörpers vereinfacht werden.
38 zeigt eine weitere Ausführungsform von einer Vorrichtung zum Reinigen des Abgases. In der Vorrichtung sind der erste Verbindungsabschnitt 72a'' und der zweite Verbindungsabschnitt 72b'' miteinander verbunden. In dem ersten Verbindungsabschnitt 72a'' ist ein erster Partikelfilter 700a'' angeordnet, und in dem zweiten Verbin dungsabschnitt 72b'' ist ein zweiter Partikelfilter 700b'' angeordnet. Die Reduziermittelzuführeinheit 78'' ist in der Position angeordnet, in der der erste Verbindungsabschnitt 72a'' und der zweite Verbindungsabschnitt 72b'' miteinander verbunden sind. In dieser Position ist der Temperatursensor 79'' zudem angeordnet, um eine Temperatur in dieser Position als die Temperaturen des ersten und des zweiten Partikelfilters zu erfassen. In dieser Ausführungsform kann das Reduziermittel, das von der Reduziermittelzuführeinheit 78'' zugeführt wird, bewirken, daß die Kraftstoff-Luftverhältnis-Bedingungen in dem ersten und dem zweiten Partikelfilter ohne die Abgasströmung fett ist. Daher kann in dem fünften Flußdiagramm oder dem sechsten Flußdiagramm, wenn das Reduziermittel zugeführt wird, der Ventilkörper 71a sich daher in die mittlere Position bewegen, wie in 38 gezeigt ist. Somit ist es nicht erforderlich, daß der Ventilkörper 71a sich in die teilweise umgangene Position bewegt. Dadurch kann die Steuerung des Ventilkörpers vereinfacht werden.
Außerdem kann der Dieselmotor dieser Ausführungsform zwischen der Niedertemperaturverbrennung und der normalen Verbrennung wechseln. Dies beschränkt die vorliegende Erfindung nicht. Natürlich kann die vorliegende Erfindung auch auf einen Dieselmotor angewendet werden, der nur die normale Verbrennung durchführt, oder auf einen Ottomotor, der Partikel emittiert.
In dieser Ausführungsform trägt der Partikelfilter selbst das Aktivsauerstofffreisetzungsmittel, und aktiver Sauerstoff, der vom Aktivsauerstofffreisetzungsmittel freigesetzt wurde, oxidiert und entfernt die Partikel. Dies beschränkt die vorliegende Erfindung jedoch nicht. Beispielsweise kann ein Partikel-Oxidationsmaterial, wie aktiver Sauerstoff und NO₂, das genauso wie aktiver Sauerstoff wirkt, von einem Partikelfilter oder einem Material, das auf diesem aufliegt, freigesetzt werden, oder kann von außerhalb des Partikelfilters in diesen strömen. Im Falle, daß das Partikel-Oxidationsmaterial von außerhalb des Partikelfilters in diesen strömt, können, wenn die erste Auffangfläche und die zweite Auffangfläche der Trennwand abwechselnd benutzt werden, um die Partikel aufzufangen, auf einer Auffangfläche, die sich nun an der stromabwärtigen Seite des Abgases befindet, keine Partikel mehr an den zurückgebliebenen Partikel abge schieden werden, und die zurückgebliebenen Partikel können allmählich durch das Partikeloxidationsmaterial, das von der anderen Auffangoberfläche strömt, oxidiert und entfernt werden, und somit werden die restlichen Partikel nach einer gewissen Zeit vollständig entfernt. Während dieser Zeitspanne kann die andere Auffangfläche die Partikel auffangen, und die aufgefangenen Partikel werden von dem Partikel-Oxidationsmaterial auf der anderen Auffangfläche oxidiert und entfernt. Somit können die gleichen Wirkungen erzielt werden wie vorstehend erwähnt. Natürlich steigt, wenn in diesem Fall die Temperatur des Partikelfilters steigt, die Temperatur der Partikel selbst an und daher kann ihre Oxidierung und Beseitigung erleichtert werden.
Obwohl die Erfindung mit Bezug auf spezielle Ausführungsformen davon beschrieben wurde, sollte klar sein, daß von einem Fachmann zahlreiche Modifizierungen davon durchgeführt werden können, ohne vom Grundgedanken und Rahmen der Erfindung abzuweichen.

Claims

Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors (1), die einen Partikelfilter (70), der in dem Abgassystem angeordnet ist, auf dem die aufgefangenen Partikel oxidiert werden, und eine Umkehreinrichtung (71, 71a) zum Umkehren der Seite stromauf des Abgasstroms und der stromabwärtigen Seite des Abgasstroms des Partikelfilters (70) aufweist, wobei der Partikelfilter (70) eine Auffangwand (54) aufweist, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Auffangwand (54) eine erste Auffangoberfläche und eine zweite Auffangoberfläche aufweist, wobei die Umkehreinrichtung (71, 71a) die Seite stromauf des Abgasstroms und die stromabwärtige Seite des Abgasstroms des Partikelfilters (70) umkehrt, so daß die erste Auffangoberfläche und die zweite Auffangoberfläche abwechselnd verwendet werden, um die Partikel aufzufangen, wobei die Vorrichtung ferner eine Verbesserungseinrichtung zum Verbessern der Menge von Partikeln aufweist, die auf dem Partikelfilter (70) oxidiert und entfernt werden können, wobei die erste Auffangoberfläche und die zweite Auffangoberfläche ein Aktivsauerstofffreisetzungsmittel tragen und ein aktiver Sauerstoff, der von dem Aktivsauerstofffreisetzungsmittel freigesetzt wird, die Partikel oxidiert.
Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 1, wobei das Aktivsauerstofffreisetzungsmittel einen Sauerstoff aufnimmt und einbehält, wenn in der Umgebung ein Sauerstoffüberschuß vorliegt, und den einbehaltenen Sauerstoff als einen aktiven Sauerstoff freisetzt, wenn die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung abfällt.
Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Verbesserungseinrichtung die Menge von Partikeln verbessert, die in dem Partikelfilter (70) oxidiert und entfernt werden können, bevor die Umkehreinrichtung (71, 71a) die Seite stromauf des Abgasstroms und die stromabwärtige Seite des Abgasstroms des Partikelfilters (70) umkehrt.
Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Verbesserungseinrichtung die Menge von Partikeln verbessert, die auf dem Partikelfilter (70) oxidiert und entfernt werden können, wenn erfaßt oder angenommen wird, daß die Menge von abgeschiedenen Partikeln auf dem Partikelfilter (70) größer ist als eine vorbestimmte Menge von abgeschiedenen Partikeln.
Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 4, wobei es sich bei der vorbestimmten Menge von abgeschiedenen Partikeln um eine Menge von abgeschiedenen Partikeln handelt, wobei angenommen wird, daß eine vorbestimmte Menge von Partikeln von dem Partikelfilter (70) abgeführt wird, wenn die Umkehreinrichtung (71, 71a) die Seite stromauf des Abgasstroms und die stromabwärtige Seite des Abgasstroms des Partikelfilter (70) umkehrt.
Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Verbesserungseinrichtung den Abgasstrom in einer Position des Abgassystems begrenzt, die sich stets auf der stromabwärtigen Seite des Partikelfilters (70) befindet.
Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors nach den Ansprüchen 1 bis 5, wobei der Partikelfilter (70) eine Oxidationsfähigkeit aufweist und die Verbesserungseinrichtung dem Partikelfilter (70) ein Reduziermittel zuführt.
Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 7, wobei die Verbesserungseinrichtung das Reduziermittel zuführt bevor und nachdem die Umkehreinrichtung (71, 71a) die Seite stromauf des Abgasstroms und die stromabwärtige Seite des Abgasstroms des Partikelfilters (70) umkehrt.
Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 6 oder 8, wobei die Umkehreinrichtung (71, 71a) einen Ventilkörper (71a) aufweist und den Ventilkörper (71a) von einer von zwei Positionen in die andere von zwei Positionen umschaltet, um die Seite stromauf des Abgasstroms und die stromabwärtige Seite des Abgasstroms des Partikelfilters (70) umzukehren, und wenn sich der Ventilkörper (71a) zwischen den beiden Positionen befindet, umgeht zumindest ein Teil des Abgases den Partikelfilter (70) und die Verbesserungseinrichtung stoppt die Zufuhr des Reduziermittels.
Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 7 oder 9, wobei ein Abgasdrosselventil (75) in einer Position des Abgassystems angeordnet ist, die sich stets auf der stromabwärtigen Seite des Partikelfilters (70) befindet, und wenn die Temperatur des Partikelfilters (70) niedriger ist als eine vorbestimmte Temperatur, begrenzt das Abgasdrosselventil (75) den Abgasstrom, um zu bewirken, daß die Temperatur des Partikelfilters (70) höher ist als die vorbestimmte Temperatur, und danach führt die Verbesserungseinrichtung das Reduziermittel zu.
Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 7 oder 9, wobei die Umkehreinrichtung (71, 71a) einen Ventilkörper (71a) aufweist und den Ventilkörper (71a) von einer von zwei Positionen in die andere von zwei Positionen umschaltet, um die Seite stromauf des Abgasstroms und die stromabwärtige Seite des Abgasstroms des Partikelfilters (70) umzukehren, wenn sich der Ventilkörper (71a) zwischen den beiden Positionen befindet, umgeht zumindest ein Teil des Abgases den Partikelfilter (70), wobei die Verbesserungseinrichtung das Reduziermittel mit einem niedrigen Druck zuführt, wobei das Abgasdrosselventil (75) auf der stromabwärtigen Seite von einer Position des Abgassystems angeordnet ist, in der das Reduziermittel zugeführt wird, und bei einer Motorabbremsung begrenzt das Abgasdrosselventil (75) den Abgasstrom, und die Seite stromauf des Abgasstroms und die stromabwärtige Seite des Ab gasstroms des Partikelfilters (70) werden durch den Ventilkörper (71a) umgekehrt.
Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 1, wobei der Partikelfilter (70) eine Oxidationsfähigkeit aufweist und beide Auffangoberflächen des Partikelfilters (70) eine Oxidationsfähigkeit aufweisen, die höher ist als die des mittleren Abschnitts des Partikelfilters (70).
Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 1, wobei das Aktivsauerstofffreisetzungsmittel NO_x einbehält, um das NO_x mit Sauerstoff zu kombinieren, wenn in der Umgebung ein Sauerstoffüberschuß vorliegt, und freisetzt, um die Kombination aus NO_x und Sauerstoff in NO_x und aktiven Sauerstoff aufzuspalten, wenn die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung abfällt, wobei die Umkehreinrichtung (71, 71a) die Seite stromauf des Abgasstroms und die stromabwärtige Seite des Abgasstroms des Partikelfilters (70) umkehrt, so daß die erste Auffangoberfläche und die zweite Auffangoberfläche abwechselnd verwendet werden, um die Partikel aufzufangen, und die Vorrichtung ferner eine Verbesserungseinrichtung (Pt) zum Verbessern der Menge von Partikeln aufweist, die oxidiert und von dem Partikelfilter (70) entfernt werden können, indem bewirkt wird, daß die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung abfällt, um NO_x von dem Aktivsauerstofffreisetzungsmittel freizusetzen.
Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 13, wobei die Umkehreinrichtung (71, 71a) einen Ventilkörper (71a) aufweist und den Ventilkörper (71a) von einer von zwei Positionen in die andere von zwei Positionen umschaltet, um die Seite stromauf des Abgasstroms und die stromabwärtige Seite des Abgasstroms des Partikelfilters (70) umzukehren, wenn sich der Ventilkörper (71a) in einer teilweise umgangenen Position zwischen den beiden Positionen befindet, wobei das Abgas hauptsächlich den Partikelfilter umgeht und nur eine kleine Menge des Abgases durch den Partikelfilter (70) gelangt, wobei die Verbesserungseinrichtung dem Partikelfilter (70) ein Reduziermittel mit der kleinen Menge des Abgases zuführt, um NO_x von dem Aktivsauerstofffreisetzungsmittel freizusetzen.
Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 14, wobei, wenn eine Kraftstoffverringerung ausgeführt wird oder eine Menge eines eingespritzten Kraftstoffs sehr klein ist, der Ventilkörper (71a) in die teilweise umgangene Position bewegt wird und die Verbesserungseinrichtung das Reduziermittel zuführt, um NO_x von dem Aktivsauerstofffreisetzungsmittel freizusetzen.
Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 15, wobei, wenn eine Kraftstoffverringerung nicht ausgeführt wird oder eine Menge eines eingespritzten Kraftstoffs für eine vorbestimmte Zeit nicht sehr klein wird, der Ventilkörper (71a) zwangsweise in die teilweise umgangene Position bewegt wird und die Verbesserungseinrichtung das Reduziermittel zuführt, um NO_x von dem Aktivsauerstofffreisetzungsmittel freizusetzen.
Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 15, wobei, wenn die angenommene Menge von NO_x, die in dem Partikelfilter (70) absorbiert ist, größer ist als eine vorbestimmten Menge von absorbiertem NO_x, der Ventilkörper (71a) zwangsweise in die teilweise umgangene Position bewegt wird und die Verbesserungseinrichtung das Reduziermittel zuführt, um NO_x von dem Aktivsauerstofffreisetzungsmittel freizusetzen.
Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors nach einem der Ansprüche 12 bis 17, wobei der Ventilkörper (71a) in der teilweise umgangenen Position gehalten wird, bis eine eingestellte Zeit verstreicht, nachdem die Verbesserungseinrichtung die Zufuhr des Reduziermittels stoppt.
Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 13, wobei die Umkehreinrichtung (71, 71a) einen Ventilkörper (71a) aufweist und den Ventilkörper (71a) von einer von zwei Positionen in die andere von zwei Positionen umschaltet, um die Seite stromauf des Abgasstroms und die stromabwärtige Seite des Abgasstroms des Partikelfilters (70) umzukehren, wenn sich der Ventilkörper (71a) in einer mittleren Position zwischen den beiden Positionen befindet, umgeht das gesamte Abgas den Partikelfilter (70), wobei die Verbesserungseinrichtung ein Reduziermittel zuführt, so daß die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung abfällt, ohne daß das Abgas in den Partikelfilter (70) strömt, und wenn eine Kraftstoffverringerung ausgeführt wird oder eine Menge von eingespritztem Kraftstoff sehr klein ist, wird der Ventilkörper (71a) in die mittlere Position bewegt und die Verbesserungseinrichtung führt das Reduziermittel zu, um NO_x von dem Aktivsauerstofffreisetzungsmittel freizusetzen.