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GEBIET DER
TECHNIK
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Reinigen des
Abgases eines Verbrennungsmotors.
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TECHNISCHER
HINTERGRUND
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Das
Abgas eines Verbrennungsmotors und insbesondere eines Dieselmotors
enthält
Partikel, die als Hauptbestandteil Kohlenstoff enthalten. Partikel sind
Schadstoffe und somit wurde vorgeschlagen, einen Partikelfilter
im Abgassystem einzubauen, um Partikel zurückzuhalten, bevor sie in die
Atmosphäre entlassen
werden. In einem solchen Partikelfilter müssen die zurückgehaltenen
Partikel verbrannt und beseitigt werden, um zu verhindern, dass
der Abgaswiderstand aufgrund von verstopften Maschen bzw. Poren
zunimmt.
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Bei
einer solchen Regerierung des Partikelfilters entzünden sich
die Partikel und verbrennen, wenn ihre Temperatur über 600°C steigt.
In der Regel liegt die Temperatur des Abgases eines Dieselmotors jedoch
deutlich unter 600°C,
und somit ist ein Heizmittel erforderlich, um das Partikelfilter
selbst zu erwärmen.
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Die
geprüfte
japanische Patentveröffentlichung
Nr. 7-106290 offenbart, dass die Partikel auf einem Filter bei etwa
400°C verbrannt
und sukzessive beseitigt werden, wenn der Filter ein Metall der Platingruppe
und ein Oxid eines Erdalkalimetalls trägt. 400°C ist eine typische Temperatur
für das
Abgas eines Dieselmotors.
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Wenn
das oben genannte Filter verwendet wird, liegt die Temperatur des
Abgases jedoch nicht immer um 400°C.
Ferner kann abhängig
vom Betriebszustand des Motors eine große Partikelmenge vom Motor
ausgestoßen
werden. Somit können
sich Partikel, die nicht jedes Mal verbrannt und beseitigt werden
können,
auf dem Filter anlagern.
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In
diesem Filter sinkt die Fähigkeit,
Partikel zu verbrennen und zu beseitigen, so sehr, dass der Filter
aus eigener Kraft nicht mehr regeneriert werden kann, wenn eine
bestimmte Partikelmenge auf dem Filter abgeschieden wurde. Wenn
daher lediglich solch ein Filter im Abgassystem angeordnet wird, kann
es schnell zu einem Verstopfen der Filterporen kommen, und somit
kann die Motorleistung sinken.
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US-4,916,487
offenbart ein Partikelfilter, das dessen Abgasanströmseite bzw.
-stromaufwärtsseite und
dessen Abgasabströmseite
bzw. -stromabwärtsseite
umkehrt, wenn die zurückgehaltenen
Partikel auf dem Partikelfilter verbrannt werden. Daher wird die
Abgasanströmseite
des Partikelfilters, die Partikel im Abgas einfängt, zur Abgasabströmseite,
wenn die zurückgehaltenen
Partikel verbrannt werden, somit wird die Wärme, die beim Verbrennen der
Partikel entsteht, aus dem Partikelfilter abgegeben, ohne diesen
aufzuheizen.
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DE-664
371 offenbart ein Partikelfilter, das ein Umkehrmittel zum Umkehren
der Abgasanströmseite
und der Abgasabströmseite
des Partikelfilters aufweist.
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OFFENBARUNG
DER ERFINDUNG
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Daher
ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum
Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors bereitzustellen, die
die auf dem Partikelfilter zurückgehaltenen
Partikel oxidieren und beseitigen kann und die ein Verstopfen der
Partikelfilterporen verhindern kann.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors
bereitgestellt, die ein im Abgassystem angeordnetes Partikelfilter
und ein Umkehrmittel zum Umkehren der Anströmseite des Abgases und der
Abströmseite
des Abgases des Partikelfilters aufweist, wobei die zurückgehaltenen
Partikel auf dem Partikelfilter oxidiert werden, das Partikelfilter
eine Scheide- bzw. Rückhaltewand
zum Zurückhalten
der Partikel aufweist, die Rückhaltewand
eine erste Abfang- bzw. Rückhaltefläche und
eine zweite Rückhaltefläche aufweist,
und das Umkehrmittel die Abgasanströmseite und die Abgasabströmseite des
Partikelfilters umkehrt, so dass die erste Rückhaltefläche und die zweite Rückhaltefläche abwechselnd
verwendet werden, um die Partikel zurückzuhalten.
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Ferner
wird gemäß der vorliegenden
Erfindung eine weitere Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines
Verbrennungsmotors bereitgestellt, die ein Partikelfilter, das im
Abgassystem angeordnet ist, und ein Umkehrmittel zum Umkehren der
Abgasanströmseite
und der Abgasabströmseite
des Partikelfilters aufweist, wobei das Partikelfilter ein aktiven Sauerstoff
abgebendes Mittel trägt,
aktiver Sauerstoff, der vom aktiven Sauerstoff abgebenden Mittel abgegeben
wird, die zurückgehaltenen
Partikel auf dem Partikelfilter oxidiert, das aktiven Sauerstoff
abgebende Mittel NOx festhält,
um das NOx mit Sauerstoff zu kombinieren, wenn ein Sauerstoffüberschuss in
der Umgebung vorliegt, und die Kombination aus NOx und Sauerstoff
abgibt, damit sie in NOx und aktiven Sauerstoff zerfällt, wenn
die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung sinkt, das Partikelfilter
eine Rückhaltewand
zum Zurückhalten
der Partikel aufweist, die Rückhaltewand
eine erste Rückhaltefläche und
eine zweite Rückhaltefläche aufweist,
das Umkehrmittel die Abgasabströmseite
und die Abgasabströmseite
des Partikelfilters umkehrt, so dass die erste Rückhaltefläche und die zweite Rückhaltefläche abwechselnd
verwendet werden, um die Partikel zurückzuhalten, und die Sauerstoffkonzentration
in der Umgebung manchmal abgesenkt wird.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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1 ist
eine schematische vertikale Schnittansicht eines Dieselmotors mit
einer Vorrichtung zur Abgasreinigung gemäß der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
eine vergrößerte vertikale
Schnittansicht der Brennkammer von 1;
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3 ist
eine Bodenansicht des Zylinderkopfs von 1;
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4 ist
eine seitliche Schnittansicht der Brennkammer;
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5 ist
eine Darstellung der Beziehung zwischen dem Hubbetrag des Einlassventils
und des Auslassventils und der Kraftstoffeinspritzung;
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6 ist
eine Darstellung der Mengen an erzeugtem Rauch, NOx und dergleichen;
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7(A) ist eine Darstellung der Änderung des Verbrennungsdrucks,
wenn die Menge an erzeugtem Rauch in der Nähe eines Luft/Kraftstoffverhältnisses
von 21 am höchsten
ist;
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7(B) ist eine Darstellung der Änderung des Verbrennungsdrucks,
wenn die Menge an erzeugtem Rauch in der Nähe eines Luft/Kraftstoffverhältnisses
von 18 im Wesentlichen null ist;
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8 ist
eine Darstellung der Krafstoffmoleküle;
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9 ist
eine Darstellung der Beziehung zwischen der Menge an erzeugtem NOx
und der AGR-Rate;
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10 ist
eine Darstellung der Beziehung zwischen der Menge an eingespritztem
Kraftstoff und der Menge an gemischtem Gas;
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11 ist
eine Darstellung der ersten Betriebsregion (I) und der zweiten Betriebsregion
(II);
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12 ist
eine Darstellung des Ausgangssignals des Luft/Kraftstoffsensors;
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13 ist
eine Darstellung des Öffnungsgrads
der Drosselklappe usw.;
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14 ist
eine Darstellung des Luft/Kraftstoffverhältnisses in der ersten Betriebsregion
(I);
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15(A) ist eine Darstellung des Soll-Öffnungsgrads
der Drosselklappe;
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15(B) ist eine Darstellung des Soll-Öffnungsgrads
des AGR-Steuerventils;
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16 ist
eine Darstellung des Luft/Kraftstoffverhältnisses in der zweiten Betriebsregion
(II);
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17(A) ist eine Darstellung des Soll-Öffnungsgrads
der Drosselklappe;
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17(B) ist eine Darstellung des Soll-Öffnungsgrads
des AGR-Steuerventils;
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18 ist
eine Draufsicht, welche die nahe Umgebung des Wechselabschnitts
und des Partikelfilters im Abgassystem zeigt;
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19 ist
eine Seitenansicht von 18;
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20 ist
eine Ansicht, welche die andere Schließstellung des Ventilkörpers im
Wechselabschnitt zeigt, die anders ist als die von 18;
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21(A) ist eine Vorderansicht des Aufbaus des Partikelfilters;
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21(B) ist eine seitliche Schnittansicht des Aufbaus
des Partikelfilters;
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die 22(A) und 22(B) sind
Darstellungen, die die oxidierende Wirkung der Partikel erläutern;
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23 ist
eine Darstellung der Beziehung zwischen der Partikelmenge, die oxidiert
und beseitigt werden kann, und der Temperatur des Partikelfilters;
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die 24(A), 24(B) und 24(C) sind Darstellungen, die die Ablagerung der
Partikel erläutern;
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25 ist
ein erstes Ablaufschema der Verhinderung einer Ablagerung von Partikeln
auf dem Partikelfilter;
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die 26(A) und 26(B) sind
vergrößerte Schnittansichten
der Trennwand des Partikelfilters mit zurückgebliebenen Partikeln;
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27 ist
ein zweites Ablaufschema für
die Verhinderung einer Ablagerung von Partikeln auf dem Partikelfilter;
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28 ist
ein drittes Ablaufschema für
die Verhinderung der Ablagerung von Partikeln auf dem Partikelfilter;
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29 ist
eine Grafik, welche die Temperatur an jedem Abschnitt des Partikelfilters
zeigt;
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30 ist
ein viertes Ablaufdiagramm für
die Verhinderung einer Ablagerung von Partikeln auf dem Partikelfilter;
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31 ist
eine Darstellung der Stellung des Ventilkörpers während der Ventilkörper aus
einer der beiden Schließstellungen
in die andere wechselt; und
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32 ist
ein fünftes
Ablaufdiagramm für
die Verhinderung einer Ablagerung von Partikeln auf dem Partikelfilter.
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BESTE WEISE
ZUR DURCHFÜHRUNG
DER ERFINDUNG
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1 ist
eine schematische Schnittansicht eines Viertakt-Dieselmotors mit
einer Vorrichtung zum Reinigen des Abgases gemäß der vorliegenden Erfindung. 2 ist
eine vergrößerte vertikale
Querschnittsdarstellung einer Brennkammer des Dieselmotors von 1. 3 ist
eine Bodenansicht auf einen Zylinderkopf des Dieselmotors von 1.
Was die 1–3 betrifft,
so bezeichnet die Bezugszahl 1 einen Motorkörper, bezeichnet
die Bezugszahl 2 einen Zylinderblock, bezeichnet die Bezugszahl 3 einen
Zylinderkopf, bezeichnet die Bezugszahl 4 einen Kolben,
bezeichnet die Bezugszahl 5a einen Hohlraum, der an der
oberen Fläche
des Kolbens ausgebildet ist, bezeichnet die Bezugszahl 5 eine Brennkammer,
die im Hohlraum 5a ausgebildet ist, bezeichnet die Bezugszahl 6 eine
elektrisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzeinrichtung, bezeichnet
die Bezugszahl 7 ein Paar von Einlassventilen, bezeichnet die
Bezugszahl 8 eine Ansaugmündung, bezeichnet die Bezugszahl 9 ein
Paar Auslassventile und bezeichnet die Bezugszahl 10 eine
Abgasmündung. Die
Ansaugmündung 8 ist über ein
korrespondierendes Einlassrohr 11 mit einem Ausgleichsbehälter 12 verbunden.
Der Ausgleichsbehälter 12 ist über eine Einlassleitung 13 mit
einer Luftreinigungseinrichtung 14 verbunden. Eine Drosselklappe 16,
die von einem Elektromotor 15 angetrieben wird, ist in
der Einlassleitung 13 angeordnet. Dagegen ist die Abgasmündung 10 mit
einem Abgaskrümmer 17 verbunden.
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Wie
in 1 dargestellt, ist ein Luft/Kraftstoffsensor 21 im
Abgaskrümmer 17 angeordnet.
Der Abgaskrümmer 17 und
der Ausgleichsbehälter 12 sind über eine
AGR-Leitung 22 miteinander
verbunden. Ein elektrisch gesteuertes AGR-Steuerventil 23 ist
in der AGR-Leitung 22 angeordnet. Eine AGR-Kühleinrichtung 24 ist
um die AGR- Leitung
herum angeordnet, um das AGR-Gas, das in der AGR-Leitung 22 strömt, zu kühlen. In
der Ausführungsform
von 1 wird das Motorkühlwasser in die AGR-Kühleinrichtung geleitet, und
somit wird das AGR-Gas vom Motorkühlwasser gekühlt.
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Dagegen
ist jede Kraftstoffeinspritzeinrichtung 6 über ein
Kraftstoffzufuhrrohr 25 mit dem Kraftstoffreservoir, d.h.
einer Common Rail 26 verbunden. Kraftstoff wird von einer
elektrisch gesteuerten Pumpe 27 mit variabler Fördermenge
zur Common Rail geliefert. Kraftstoff, der zur Common Rail 26 geliefert wird,
wird über
die einzelnen Zufuhrrohre 25 zur Kraftstoffeinspritzeinrichtung 6 geliefert.
Ein Kraftstoffdrucksensor 28 zum Erfassen des Kraftstoffdrucks
in der Common Rail 26 ist an der Common Rail 26 angebracht.
Die Fördermenge
der Kraftstoffpumpe 27 wird aufgrund eines Ausgangssignals
vom Kraftstoffdrucksensor 28 so geregelt, dass der Kraftstoffdruck
in der Common Rail 26 den Soll-Kraftstoffdruck erreicht.
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Die
Bezugszahl 30 bezeichnet eine elektronische Steuereinheit.
Die Ausgangssignale des Luft/Kraftstoffsensors 21 und des
Kraftstoffdrucksensors 28 werden dort eingegeben. Ein Motorlastsensor 41 ist
mit dem Gaspedal 40 verbunden und erzeugt eine Ausgangsspannung,
die proportional zum Verstellweg (L) des Gaspedals 40 ist.
Das Ausgangssignal vom Motorlastsensor 41 wird ebenfalls
in die elektronische Steuereinheit eingegeben. Ferner wird auch
das Ausgangssignal eines Kurbelwinkelsensors 42, der jedes
Mal, wenn die Kurbelwelle sich um beispielsweise 30 Grad dreht,
einen Ausgangspuls erzeugt, dort eingegeben. Somit betätigt die
elektronische Steuereinheit 30 die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 6,
den Elektromotor 15, das AGR-Steuerventil 23 und
die Kraftstoffpumpe 27 aufgrund der Eingangssignale.
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Wie
in den 2 und 3 dargestellt, weist in dieser
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 6 eine
Düse mit
sechs Düsenöffnungen
auf. Kraftstoffspritzer (F) werden aus den Düsenöffnungen mit gleichen Winkelabständen leicht
abwärts
auf eine horizontale Ebene gerichtet eingespritzt. Wie in 3 dargestellt,
werden zwei Kraftstoffspritzer (F) der sechs Kraftstoffspritzer
(F) entlang der unteren Fläche
jedes der Abgasventile 9 zersteut. Die 2 und 3 zeigen den
Fall, dass Kraftstoff am Ende des Verdichtungshubs eingespritzt
wird. In diesem Fall bewegen sich die Kraftstoffspritzer (F) zur
Innenumfangsfläche
des Hohlraums 5 vor und werden danach entzündet und
verbrannt.
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4 zeigt
den Fall, dass zusätzlicher
Kraftstoff aus der Kraftstoffeinspritzdüse 6 eingespritzt wird,
wenn der Hubbetrag der Abgasventile 9 im Auslasshub am
größten ist.
Das heißt, 5 zeigt
den Fall, dass die Haupt-Kraftstoffeinspritzung (Qm) nahe dem oberen
Kompressionstotpunkt durchgeführt
wird und danach die zusätzliche
Kraftstoffeinspritzung (Qa) im mittleren Stadium des Auslasshubs
durchgeführt
wird. In diesem Fall werden die Kraftstoffspritzer (F), die sich
nach vorne zu den Auslassventilen bewegen, zwischen die schirmartige
Rückseite
des Auslassventils 9 und der Abgasmündung 10 gelenkt. Anders
ausgedrückt,
zwei Düsenöffnungen
der sechs Düsenöffnungen
der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 6 sind so ausgebildet,
dass, wenn die Auslassventile 9 geöffnet sind und die Einspritzung
von zusätzlichem
Kraftstoff (Qa) durchgeführt
wird, die Kraftstoffspritzer (F) zwischen die Rückseite des Auslassventils 9 und
die Abgasmündung 10 gelenkt werden.
In der Ausführungsform
von 4 treffen diese Kraftstoffspritzer (F) auf der
Rückseite
des Auslassventils 9 auf und prallen von der Rückseite des
Auslassventils 9 ab und werden daher zur Abgasmündung 10 gelenkt.
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In
der Regel wird keine zusätzliche
Kraftstoffeinspritzung (Qa) durchgeführt, und es wird nur die Haupt-Kraftstoffeinspritzung
(Qm) durchgeführt. 6 zeigt
ein Beispiel für
einen Versuch, der die Änderung
des Abtriebsmoments und der Menge an Rauch, HC, CO und NOx, die
ausgestoßen
wird, wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis A/F (Abszisse in 6)
durch den Öffnungsgrad
der Drosselklappe 16 verändert wird, und die AGR-Rate
während
eines Niedriglastbetriebs zeigt. Wie aus 6 hervorgeht, wird
bei diesem Versuch die AGR-Rate um so größer, je kleiner das Luft/Kraftstoffverhältnis A/F
wird. Wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis unter dem stöchiometrischen
Luft/Kraftstoffverhältnis
liegt (fast bei 14,6) wird die AGR-Rate größer als 65 Prozent.
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Wenn
die AGR-Rate erhöht
wird, um das Luft/Kraftstoffverhältnis
A/F zu erhöhen,
beginnt die Menge an erzeugtem Rauch zu steigen, wenn die AGR-Rate
sich 40 Prozent nähert
und das Luft/Kraftstoffverhältnis
A/F etwa 30 wird, wie in 6 dargestellt. Wenn dann die
AGR-Rate weiter erhöht
wird und das Luft/Kraftstoffverhältnis
verkleinert wird, steigt die Menge an erzeugtem Rauch scharf an
und erreicht eine Spitzenwert. Wenn dann die AGR-Rate weiter erhöht wird
und das Luft/Kraftstoffverhältnis A/F
verkleinert wird, sinkt die Menge an erzeugtem Rauch scharf ab.
Wenn die AGR-Rate auf über
65 Prozent gebracht wird und das Luft/Kraftstoffverhältnis A/F
sich 15,0 nähert,
liegt die Menge an erzeugtem Rauch bei im Wesentlichen null. Das
heißt,
es wird fast kein Ruß erzeugt.
Dabei fällt
das Abtriebsmoment des Motors etwas ab und die Menge an erzeugtem
NOx wird beträchtlich
geringer. Andererseits beginnen dabei die Mengen an erzeugtem HC und
CO zuzunehmen.
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7(A) zeigt die Änderung des Verbrennungsdrucks
in der Brennkammer 5 wenn die Menge an erzeugtem Rauch
in der Nähe
eines Luft/Kraftstoffverhältnisses
von 21 am größten ist. 7(B) zeigt die Änderung des Verbrennungsdrucks
in der Brennkammer 5 wenn die Menge an erzeugtem Rauch
in der Nähe
eines Luft/Kraftstoffverhältnisses von
18 im Wesentlichen null ist. Wie aus einem Vergleich der 7(A) und 7(B) hervorgeht,
ist der Verbrennungsdruck in dem in 7(B) gezeigten Fall,
wo die Menge an erzeugtem Rauch fast null ist, niedriger als in
dem in 7(A) gezeigten Fall, wo die
Menge an erzeugtem Rauch groß ist.
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Das
Folgende kann aus den Ergebnissen der in den 6 und 7 gezeigten Versuche geschlossen werden.
Das heißt,
zuerst, wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis A/F unter 15,0 liegt
und die Menge an erzeugtem Rauch im Wesentlichen null ist, nimmt
die Menge an erzeugtem NOx beträchtlich
ab, wie in 6 dargestellt. Die Tatsache,
dass die Menge an erzeugtem NOx abnimmt, bedeutet, dass die Verbrennungstemperatur
in der Brennkammer 5 sinkt. Somit kann man sagen, dass,
wenn fast kein Ruß erzeugt
wird, die Verbrennungstemperatur in der Brennkammer 5 niedriger
wird. Das gleiche kann aus der 7 geschlossen
werden. Das heißt,
in dem in 7(B) gezeigten Zustand, wo fast
kein Ruß erzeugt
wird, wird der Verbrennungsdruck niedriger, daher wird gleichzeitig
die Verbrennungstemperatur in der Brennkammer 5 niedriger.
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Zweitens
steigen die Mengen an ausgestoßenem
HC und CO, wenn die Menge an erzeugtem Rauch, d.h. die Menge an
erzeugtem Ruß,
fast null erreicht, wie in 6 dargestellt.
Das bedeutet, dass die Kohlenwasserstoff ausgestoßen werden,
ohne sich in Ruß umzuwandeln.
Das heißt,
die geradkettigen Kohlenwasserstoffe und die aromatischen Kohlenwasserstoffe,
die im Kraftstoff enthalten sind und in 8 dargestellt
sind, zerfallen, wenn ihre Temperatur in einer Sauerstoffmangelsituation
erhöht
wird, was zur Bildung eines Rußvorläufers führt. Dann
wird Ruß erzeugt,
der hauptsächlich
aus festen Massen von Kohlenstoffatomen besteht. In diesem Fall
wird der eigentlichen Vorgang der Rußerzeugung komplexer. Wie der
Rußvorläufer gebildet
wird, ist nicht klar, aber wie auch immer, die in 8 dargestellten
Kohlenwasserstoffe verwandeln sich über den Rußvorläufer in Ruß. Wenn die Menge an erzeugtem
Ruß im Wesentlichen
null wird, nehmen daher, wie oben erläutert, die Mengen an ausgestoßenem HC
und CO zu, wie in 6 dargestellt, aber der HC ist
dabei ein Rußvorläufer oder
liegt in einem früheren
Kohlenwasserstoffstadium vor.
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Als
Schlussfolgerung aus diesen Betrachtungen kann man aufgrund der
in den 6 und 7 dargestellten
Versuchsergebnisse sagen, dass, wenn die Verbrennungstemperatur
in der Brennkammer niedrig ist, die Menge an erzeugtem Ruß fast null wird.
Dabei wird ein Rußvorläufer oder
ein früheres Kohlenwasserstoffstadium
aus der Brennkammer 5 ausgestoßen. Es wurden ausführlichere
Versuche und Studien durchgeführt.
Als Ergebnis erkannte man, dass, wenn die Temperatur des Kraftstoffs
und des Gases in der Umgebung des Kraftstoffs in der Brennkammer 5 unter
einer bestimmten Temperatur liegt, der Vorgang des Rußwachstums
mittendrin zum Stehen kommt, d.h. es wird überhaupt kein Ruß erzeugt,
und wenn die Temperatur des Kraftstoffs und des Gases in der Umgebung
des Kraftstoffs in der Brennkammer 5 über eine bestimmte Temperatur steigt,
wird Ruß erzeugt.
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Die
Temperatur des Kraftstoffs und des Gases in der Umgebung des Kraftstoffs
zu der Zeit, wenn das Kohlenwasserstoffwachstum im Stadium des Rußvorläufers zum
Stehen kommt, d.h. die Temperatur, die über einem bestimmten Wert liegt,
verändert
sich abhängig
von verschiedenen Faktoren, wie der Art des Kraftstoffs, dem Luft/Kraft stoffverhältnis und
dem Kompressionsverhältnis,
so dass man nicht exakt sagen kann, wo sie liegt, aber diese bestimmte Temperatur
hängt eng
mit der Menge an erzeugtem NOx zusammen. Daher kann diese bestimmte
Temperatur bis zu einem bestimmten Maß über die Menge an erzeugtem
NOx definiert werden. Das heißt,
je höher
die AGR-Rate ist,
desto niedriger wird die Temperatur des Kraftstoffs und des Gases
in dessen Umgebung während
der Verbrennung und desto kleiner wird die Menge an erzeugtem NOx.
Wenn die Menge an erzeugtem NOx etwa 10 ppm oder weniger wird, wird
dabei fast kein Ruß mehr
erzeugt. Daher entspricht die oben genannte bestimmte Temperatur
im Wesentlichen der Temperatur, bei der die Menge an erzeugtem NOx
etwa 10 ppm oder weniger wird.
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Sobald
Ruß erzeugt
wird, kann dieser durch eine Nachbehandlung mittels eines Katalysators
mit Oxidationsfunktion nicht mehr gereinigt werden. Dagegen kann
ein Rußvorläufer oder
ein früheres
Kohlenwasserstoffstadium durch eine Nachbehandlung mittels eines
Katalysators mit Oxidationsfunktion leicht entfernt werden. Somit
ist es äußerst wirkungsvoll
für die
Reinigung von Abgas, wenn die Kohlenwasserstoffe in Form eines Rußvorläufers oder
in einem früheren
Kohlenwasserstoffstadium ausgestoßen werden, wobei die Menge
an erzeugtem NOx verringert ist.
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Um
das Kohlenwasserstoffwachstum in einem Stadium anzuhalten, bevor
Ruß erzeugt
wird, ist es notwendig, die Temperatur des Kraftstoffs und des Gases
in dessen Umgebung während
der Verbrennung in der Brennkammer 5 unter der Temperatur
zu halten, bei der Ruß erzeugt
wird. In diesem Fall hat sich gezeigt, dass die wärmeabsorbierende
Wirkung des Gases in der Umgebung des Kraftstoffs während der
Verbrennung eine extrem große
Wirkung auf die Niedrighaltung der Temperaturen des Kraftstoffs
und des Gases in dessen Umgebung hat.
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Das
heißt,
falls nur Luft in der Umgebung des Kraftstoffs vorhanden ist, reagiert
der Kraftstoffdampf sofort mit dem Sauerstoff in der Luft und verbrennt.
In diesem Fall steigt die Temperatur der Luft, die weiter weg vom
Kraftstoff vorliegt, nicht so stark. Nur die Temperatur in der Umgebung
des Kraftstoffs wird örtlich
begrenzt extrem hoch. Das heißt,
dabei absorbiert die Luft, die weiter weg vom Kraftstoff vorliegt, die
Verbrennungswärme
des Kraftstoffs fast gar nicht. Da die Verbrennungstemperatur örtlich begrenzt
extrem hoch wird, erzeugen in diesem Fall die unverbrannten Kohlenwasserstoffe,
die die Verbrennungswärme
aufnehmen, Ruß.
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Wenn
dagegen der Kraftstoff in einer Gasmischung aus einer großen Menge
an Inertgas und einer kleinen Menge an Luft vorliegt, ist die Situation
etwas anders. In diesem Fall verteilt sich der Kraftstoffdampf in
der Umgebung und reagiert mit dem mit dem Inertgas vermischten Sauerstoff,
so dass er verbrennt. In diesem Fall wird die Verbrennungswärme von
dem umgebenden Inertgas absorbiert, so dass die Verbrennungstemperatur
nicht mehr so stark ansteigt. Das heißt, die Verbrennungstemperatur
kann niedrig gehalten werden. Das heißt, die Anwesenheit von Inertgas
spielt eine wichtige Rolle beim Niedrighalten der Verbrennungstemperatur.
Die Verbrennungstemperatur kann durch die wärmeabsorbierende Wirkung des
Inertgases niedrig gehalten werden.
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Um
die Temperatur des Kraftstoffs und des Gases in dessen Umgebung
auf eine Temperatur unter der Temperatur, bei der Ruß erzeugt
wird, zu senken, ist in diesem Fall eine Menge an Inertgas erforderlich,
die ausreicht, und eine ausreichende Wärmemenge zu absorbieren, um
die Temperatur zu senken. Wenn die Kraftstoffmenge zunimmt, steigt daher
auch die erforderliche Inertgasmenge. Man beachte, dass in diesem
Fall die wärmeabsorbierende Wirkung
um so stärker
wird, je größer die
spezifische Wärme
des Inertgases ist. Daher ist ein Gas mit großer spezifischer Wärme als
Inertgas bevorzugt. Da CO2 und AGR-Gas relativ
hohe spezifische Wärmewerte
aufweisen, kann man in diesem Zusammenhang sagen, dass die Verwendung
von AGR-Gas als Inertgas bevorzugt ist.
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9 zeigt
die Beziehung zwischen der AGR-Rate und dem Rauch, wenn AGR-Gas als Inertgas
verwendet wird und der Kühlgrad
des AGR-Gases verändert
wird. Das heißt,
die Kurve (A) in 9 zeigt den Fall, dass das AGR-Gas
stark gekühlt
wird und die Temperatur des AGR-Gases bei etwa 90°C gehalten
wird, die Kurve (B) zeigt den Fall, dass das AGR-Gas durch eine
kompakte Kühleinrichtung
gekühlt
wird, und die Kurve (C) zeigt den Fall, dass das AGR-Gas nicht zwangsgekühlt wird.
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Wenn
das AGR-Gas stark gekühlt
wird, wie von der Kurve (A) in 9 dargestellt,
erreicht die Rußerzeugungsmenge
einen Spitzenwert, wenn die AGR-Rate etwas unter 50 Prozent liegt.
In diesem Fall wird fast kein Ruß mehr erzeugt, wenn die AGR-Rate
auf etwa 55 Prozent oder mehr gebracht wird. Wenn das AGR-Gas dagegen
leicht gekühlt wird,
wie von der Kurve (B) in 9 dargestellt, erreicht die
Rußerzeugungsmenge
einen Spitzenwert, wen die AGR-Rate etwas höher ist als 50 Prozent. In diesem
Fall wird fast kein Ruß erzeugt,
wenn die AGR-Rate auf über
etwa 65 Prozent gebracht wird.
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Wenn
das AGR-Gas nicht zwangsgekühlt wird,
wie von der Kurve (C) in 9 dargestellt, erreicht die
Rußerzeugungsmenge
ferner in der Nähe einer
AGR-Rate von 55 Prozent einen Spitzenwert. In diesem Fall wird fast
kein Ruß erzeugt,
wenn die AGR-Rate auf über
etwa 70 Prozent gebracht wird. Man beachte, dass 9 die
Menge an erzeugtem Rauch zeigt, wenn die Motorlast relativ hoch
ist. Wenn die Motorlast abnimmt, sinkt die AGR-Rate, bei der die
Rußerzeugungsmenge
einen Spitzenwert erreicht, etwas, und die untere Grenze der AGR-Rate, bei
der fast kein Ruß erzeugt
wird, sinkt ebenfalls etwas. Auf diese Weise ändert sich die untere Grenze für die AGR-Rate,
bei der fast kein Ruß erzeugt
wird, abhängig
vom Kühlumfang
des AGR-Gases oder der Motorlast.
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10 zeigt
die Menge einer Gasmischung aus AGR-Gas und Luft, den Anteil der
Luft an der Gasmischung, den Anteil des AGR-Gases an der Gasmischung,
die erforderlich sind, um die Temperatur des Kraftstoffs und des
Gases in dessen Umgebung während
der Verbrennung auf eine Temperatur unter der Temperatur zu bringen,
wo Ruß erzeugt wird,
für den
Fall, dass AGR-Gas als Inertgas verwendet wird. Man beachte, dass
die Ordinate in 10 die Gesamtmenge an angesaugtem
Gas, das in die Brennkammer 5 aufgenommen wird, zeigt.
Die durchbrochene Linie (Y) zeigt die Gesamtmenge an angesaugtem
Gas, die in der Brennkammer 5 aufgenommen werden kann,
wenn keine Ladungsverdichtung durchgeführt wird. Ferner zeigt die
Abszisse die benötigte
Last. (Z1) zeigt die Niedriglast-Motorbetriebsregion.
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Wie
in 10 dargestellt, zeigt der Luftanteil, d.h. die
Luftmenge in der Gasmischung, die Luftmenge, die notwendig ist,
um zu bewirken, dass der eingespritzte Kraftstoff vollständig verbrennt.
Das heißt,
in dem in 10 dargestellten Fall wird das Verhältnis der
Luft und des eingespritzten Kraftstoffs zum stöchiometrischen Luft/-Kraftstoffverhältnis. Dagegen
zeigt in 10 der Anteil des AGR-Gases, d.h.
die AGR-Gasmenge
in der Gasmischung, die minimale Menge an AGR-Gas, die erforderlich
ist, um die Temperatur des Kraftstoffs und des Gases in dessen Umgebung
auf eine Temperatur zu bringen, die unter der Temperatur liegt,
bei der Ruß erzeugt
wird, wenn der eingespritzte Kraftstoff vollständig verbrannt ist. Diese AGR-Gasmenge
ist, ausgedrückt als
AGR-Rate, gleich oder größer 55 Prozent,
und ist in der in 10 dargestellten Ausführungsform gleich
oder größer als
70 Prozent. Das heißt,
wenn die Gesamtmenge an angesaugtem Gas, das in die Brennkammer 5 aufgenommen
wird, and die durchgezogene Linie (X) in 10 gebracht
wird, und das Verhältnis
zwischen dem Luftanteil und dem AGR-Gasanteil an der Gesamtmenge
an angesaugtem Gas (X) auf das in 10 dargestellte
Verhältnis gebracht
wird, wird die Temperatur des Kraftstoffs und des Gases in dessen
Umgebung zu einer Temperatur, die unter der Temperatur liegt, bei
der Ruß erzeugt
wird, und daher wird überhaupt
kein Ruß erzeugt.
Ferner liegt die Menge an erzeugtem NOx zu dieser Zeit bei etwa
10 ppm oder darunter, und daher wird die Menge an erzeugtem NOx
extrem klein.
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Falls
die Menge an eingespritztem Kraftstoff zunimmt, steigt die Menge
an Wärme,
die während der
Verbrennung erzeugt wird, so dass die Wärmemenge, die vom AGR-Gas absorbiert
wird, erhöht werden
muss, um die Temperatur des Kraftstoffes und des Gases in dessen
Umgebung bei einer Temperatur zu halten, die unter der Temperatur
liegt, bei der Ruß erzeugt
wird. Wie in 10 dargestellt, muss daher die
AGR-Gasmenge mit
einer Erhöhung der
Menge an eingespritztem Kraftstoff erhöht werden. Das heißt, die
Menge an AGR-Gas muss erhöht werden,
wenn die angeforderte Motorlast höher wird.
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Dagegen übersteigt
in der Motorlastregion (Z2) von 10 die
Gesamtmenge an angesaugtem Gas (X), die erforderlich ist, um die
Rußerzeugung
zu verhindern, die Gesamtmenge an angesaugtem Gas (Y), die aufgenommen
werden kann. Daher ist es in diesem Fall notwendig, eine Ladungsverdichtung oder
Komprimierung des AGR-Gases und der angesaugten Luft oder nur des
AGR-Gases durchzuführen,
um die Gesamtmenge an angesaugtem Gas (X), die zur Verhinderung
einer Rußerzeugung
erforderlich ist, zuführen
zu können.
Wenn keine Ladungsverdichtung des AGR-Gases usw. durchgeführt wird, entspricht
in der Motorlastregion (Z2) die Gesamtmenge an angesaugtem Gas (X)
der Gesamtmenge an angesaugtem Gas, die aufgenommen werden kann.
Um die Rußerzeugung
zu verhindern, wird in diesem Fall daher die Luftmenge etwas verringert, um
die Menge an AGR-Gas zu erhöhen,
und der Kraftstoff wird in einer Situation zum Brennen gebracht,
wo das Luft/Kraftstoffverhältnis
einen Wert auf der fetten Seite aufweist.
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Wie
oben erläutert,
zeigt 10 den Fall einer Kraftstoffverbrennung
beim stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnis. In
der in 10 dargestellten Niedriglast-Motorbetriebsregion
(Z1) ist es auch dann, wenn die Luftmenge unter die in 10 dargestellte
Luftmenge gebracht wird, d.h. auch wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis einen
Wert auf der fetten Seite aufweist, möglich, die Rußerzeugung
zu verhindern und die Menge an erzeugtem NOx auf etwa 10 ppm oder
darunter zu bringen. In dem in 10 dargestellten
Niedriglast-Motorbetriebszustand (Z1) ist auch dann, wenn die Luftmenge über die
in 10 dargestellte Luftmenge gebracht wird, d.h.
wenn das durchschnittliche Luft/Kraftstoffverhältnis einen Wert von 17 bis
18 auf der mageren Seite aufweist, möglich, die Rußerzeugung
zu verhindern und die Menge an erzeugtem NOx auf etwa 10 ppm oder
darunter zu bringen.
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Das
heißt,
wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis auf
einen Wert auf der fetten Seite gebracht wird, liegt der Kraftstoff
im Überschuss
vor, aber da die Verbrennungstemperatur bei einer niedrigen Temperatur
gehalten wird, wandelt sich der überschüssige Kraftstoff
nicht in Ruß um
und daher wird kein Ruß erzeugt.
Dabei wird außerdem nur
eine äußerst kleine Menge
an NOx erzeugt. Wenn dagegen das durchschnittliche Luft/Kraftstoffverhältnis einen
Wert auf der mageren Seite aufweist oder wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis dem
stöchiometrischen
Luft/Kraftstoffverhältnis
entspricht, wird eine geringe Menge an Ruß erzeugt, falls die Verbrennungstemperatur
zunimmt, aber die Verbrennungstemperatur wird bei einer niedrigen
Temperatur gehalten und somit wird überhaupt kein Ruß erzeugt.
Ferner wird nur eine extrem kleine Menge an NOx erzeugt.
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Auf
diese Weise wird in der Niedriglast-Motorbetriebsregion (Z1) unabhängig vom
Luft/Kraftstoffverhältnis,
d.h. unabhängig
davon, ob das Luft/Kraftstoffverhältnis einen Wert auf der fetten
Seite aufweist oder ob es das stöchiometrische Luft/Kraftstoffverhältnis ist
oder ob das durchschnittliche Luft/Kraftstoffverhältnis einen
Wert auf der mageren Seite aufweist, kein Ruß erzeugt und die Menge an
erzeugtem NOx wird extrem klein. Daher kann man in Anbetracht der
verbesserten Kraftstoff-Verbrauchsrate sagen, dass das durchschnittliche Luft/Kraftstoffverhältnis vorzugsweise
auf einen Wert auf der mageren Seite gebracht wird.
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Übrigens
kann die Temperatur des Kraftstoffs und des Gases in dessen Umgebung
in der Brennkammer nur dann unter eine Temperatur gesenkt werden,
bei der das Wachstum von Ruß mittendrin
aufgehalten wird, wenn die Motorlast relativ niedrig ist und die
erzeugte Wärmemenge
gering ist. Daher wird in dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
die Temperatur des Kraftstoffs und des Gases in dessen Umgebung
unter eine Temperatur gesenkt, bei der das Rußwachstum mittendrin abbricht, d.h.
es wird eine Niedertemperaturverbrennung durchgeführt, wenn
die Motorlast relativ gering ist. Wenn die Motorlast relativ hoch
ist, wird eine zweite Verbrennung, d.h. eine normale Verbrennung,
wie üblich
durchgeführt.
Hierbei handelt es sich, wie aus den obigen Erklärungen ersichtlich, bei der
ersten Verbrennung, d.h. der Niedertemperaturverbrennung, um eine
Verbrennung, bei der die Menge an Inertgas in der Brennkammer größer ist
als die ungünstigste
Menge an Inertgas, die die maximale Menge an erzeugtem Ruß bewirkt,
und somit wird überhaupt kein
Ruß erzeugt.
Bei der zweiten Verbrennung, d.h. der normalen Verbrennung, handelt
es sich um eine Verbrennung, bei der die Menge an Inertgas in der Brennkammer
kleiner ist als die ungünstigste
Menge an Inertgas.
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11 zeigt
eine erste Betriebsregion (I), in der die erste Verbrennung, d.h.
die Niedertemperaturverbrennung, durchgeführt wird, und eine zweite Betriebsregion
(II), in der die zweite Verbrennung, d.h. die normale Verbrennung,
durchgeführt
wird. In 11 zeigt die Ordinate (L) den
Verstellweg des Gaspedals 40, d.h. die angeforderte Motorlast.
Die Abszisse (N) zeigt die Motordrehzahl. Ferner zeigt in 11 X(N)
eine erste Grenze zwischen der ersten Betriebsregion (I) und der
zweiten Betriebsregion (II). Y(N) zeigt eine zweite Grenze zwischen
der ersten Betriebsregion (I) und der zweiten Betriebsregion (II). Die
Entscheidung, aus der ersten Betriebsregion (I) zur zweiten Betriebsregion
(II) zu wechseln, wird aufgrund der ersten Grenze X(N) getroffen.
Die Entscheidung, aus der zweiten Betriebsregion (II) zur ersten
Betriebsregion (I) zu wechseln, wird aufgrund der zweiten Grenze
Y(N) getroffen.
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Das
heißt,
wenn der Motorbetriebszustand in der ersten Betriebsregion (I) liegt
und die Niedertemperaturverbrennung durchgeführt wird, wird bestimmt, dass
die Motorbetriebsregion in die zweite Motorbetriebsregion (II) wechselt,
falls die angeforderte Motorlast (L) über die erste Grenze X(N),
die eine Funktion der Motordrehzahl (N) ist, ansteigt, und somit
wird eine normale Verbrennung durchgeführt. Falls die angeforderte
Motorlast (L) danach unter die zweite Grenze Y(N), die eine Funktion
der Motordrehzahl (N) ist, sinkt, wird bestimmt, dass die Motorbetriebsregion
in die erste Motorbetriebsregion (I) wechselt, und somit wird wieder
die Niedertemperaturverbrennung durchgeführt.
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12 zeigt
das Ausgangssignal vom Luft/Kraftstoffsensor 21. Wie in 12 dargestellt, ändert sich
der Ausgangsstrom (I) vom Luft/Kraftstoffsensor 21 abhängig vom
Luft/Kraftstoffverhältnis A/F.
Somit kann das Luft/Kraftstoffverhältnis aus dem Ausgangsstrom
(I) des Luft/Kraftstoffsensors 21 geschlossen werden. Nun
wird mit Bezug auf die 13 die Motorbetriebssteuerung
in der ersten Betriebsregion (I) und in der zweiten Betriebsregion
(II) schematisch erklärt.
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13 zeigt
den Öffnungsgrad
der Drosselklappe 16, den Öffnungsgrad des AGR-Steuerventils 23,
die AGR-Rate, das Luft/Kraftstoffverhältnis, den Kraftstoffeinspritz-Zeitpunkt
und die Menge an eingespritztem Kraftstoff in Bezug auf die angeforderte
Motorlast (L). Wie in 13 dargestellt, wird in der
ersten Betriebsregion (I), wenn die angeforderte Motorlast (L) niedrig
ist, die Drosselklappe 16 einhergehend mit einer Zunahme
der angeforderten Motorlast (L) allmählich aus dem fast ganz geschlossenen
Zustand in den fast halb geöffneten
Zustand gebracht, und das AGR-Steuerventil 23 wird einhergehend
mit einer Zunahme der angeforderten Motorlast (L) allmählich aus
dem fast ganz geschlossenen Zustand in den ganz geöffneten
Zustand gebracht. In der in 13 dargestellten
Ausführungsform
wird die AGR-Rate in der ersten Betriebsregion (I) auf etwa 70 Prozent
gebracht und das Luft/Kraftstoffverhältnis darin wird auf einen
leicht mageren Wert gebracht.
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Anders
ausgedrückt,
in der ersten Betriebsregion (I) werden die Öffnungsgrade der Drosselklappe 16 und
des AGR-Steuerventils 23 so gesteuert, dass die AGR-Rate
etwa 70 Prozent erreicht und das Luft/Kraftstoffverhältnis ein
leicht mageres Luft/Kraftstoffverhältnis wird. Das Luft/Kraftstoffverhältnis wird dabei
auf das Soll-Luftkraftstoffverhältnis
geregelt, um den Öffnungsgrad
des AGR-Steuerventils aufgrund des Ausgangssignals vom Luft/Kraftstoffsensor 21 zu
korrigieren. In der ersten Betriebsregion (I) wird der Kraftstoff
eingespritzt, bevor der obere Totpunkt des Kompressionshubs TDC
erreicht wird. In diesem Fall wird der Beginn der Kraftstoffeinspritzung
(θS) einhergehend
mit einer Zunahme der angeforderten Motorlast (L) verzögert, und
das Ende der Kraftstoffeinspritzung (θE) wird einhergehend mit einer
Verzögerung
des Beginns der Kraftstoffeinspritzung (θS) verzögert.
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Im
Leerlauf wird die Drosselklappe 16 fast ganz geschlossen.
Dabei wird das AGR-Steuerventil 23 ebenfalls fast ganz
geschlossen. Wenn die Drosselklappe 16 fast ganz geschlossen
ist, wird der Druck in der Brennkammer 5 im Anfangsstadium
des Kompressionshubs gesenkt und somit wird der Verdichtungsdruck
niedrig. Wenn der Verdichtungsdruck niedrig wird, wird die Kompressionsleistung
des Kolbens 4 gering und somit wird die Vibration des Motorkörpers 1 gering.
Das heißt,
im Leerlauf wird die Drosselklappe fast vollständig geschlossen, um die Vibration
des Motorkörpers 1 zu
beschränken.
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Dagegen
nimmt der Öffnungsgrad
der Drosselklappe 16 in einem Schritt vom halb geöffneten Zustand
zum voll geöffneten
Zustand zu, wenn die Motorbetriebsregion aus der ersten Betriebsregion
(I) in die zweite Betriebsregion (II) wechselt. Dabei nimmt in der
in 13 dargestellten Ausführungsform die AGR-Rate in
einem Schritt von etwa 70 Prozent bis unter 40 Prozent ab, und das
Luft/Kraftstoffverhältnis
macht einen Schritt nach oben. Das heißt, die AGR-Rate überspringt
den AGR-Ratenbereich (9), in dem eine große Rauchmenge
erzeugt wird, und somit wird keine große Rauchmenge erzeugt, wenn
der Motorbetriebszustand aus der ersten Betriebsregion (I) in die
zweite Motorbetriebsregion (II) wechselt.
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In
der zweiten Betriebsregion (Π)
wird wie üblich
eine normale Verbrennung durchgeführt. Diese Verbrennung bewirkt
eine gewisse Menge an erzeugtem Ruß und NOx. Deren Wärmeleistungszahl ist
jedoch höher
als die der Niedertemperaturverbrennung. Wenn die Motorbetriebsregion
aus der ersten Betriebsregion (I) in die zweite Betriebsregion (II)
wechselt, nimmt daher die Menge an eingespritztem Kraftstoff in
einem Schritt ab, wie in 13 dargestellt.
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In
der zweiten Betriebsregion (II) wird die Drosselklappe 16,
von einem Teil abgesehen, im vollständig geschlossenen Zustand
gehalten. Der Öffnungsgrad
des AGR-Steuerventils 23 nimmt
allmählich
einhergehend mit einem Anstieg der angeforderten Motorlast (L) ab.
In dieser Betriebsregion (II) nimmt die AGR-Rate einhergehend mit
einem Anstieg der angeforderten Motorlast (L) ab, und das Luft/Kraftstoffverhältnis nimmt
einhergehend mit der angeforderten Motorlast (L) ab. Das Luft/Kraftstoffverhältnis wird
jedoch auch dann auf ein Luft/Kraftstoffverhältnis mit einem Wert auf der
mageren Seite gebracht, wenn die angeforderte Motorlast (L) hoch wird.
In der zweiten Betriebsregion (II) wird ferner der Beginn der Kraftstoffeinspritzung
(θS) in
die Nähe des
oberen Totpunkts des Kompressionshubs TDC gebracht.
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14 zeigt
die Luft/Kraftstoffverhältnisse A/F
in der ersten Betriebsregion (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,
dass die Luft/Kraftstoffverhältnisse
15,5, 16, 17 bzw. 18 sind. Das Luft/Kraftstoffverhältnis zwischen
zwei dieser Kurven wird durch proportionale Verteilung definiert. Wie
in 14 dargestellt, weist in der ersten Betriebsregion
(I) das Luft/Kraftstoffverhältnis
einen Wert auf der mageren Seite auf, und je niedriger die angeforderte
Motorlast (L) wird, desto weiter auf der mageren Seite liegt der
Wert des Luft/Kraftstoffverhältnisses.
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Das
heißt,
die Menge der erzeugten Wärme in
der Brennkammer nimmt einhergehend mit einer Abnahme der angeforderten
Motorlast (L) ab. Daher kann auch dann, wenn die AGR-Rate einhergehend mit
einer Abnahme der Motorlast (L) abnimmt, eine Niedertemperaturverbrennung
durchgeführt
werden. Wenn die AGR-Rate abnimmt, wird das Luft/Kraftstoffverhältnis groß. Daher
nimmt, wie in 14 dargestellt, das Luft/Kraftstoffverhältnis A/F
einhergehend mit einer Abnahme der angeforderten Motorlast (L) ab.
Je größer das
Luft/Kraftstoffverhältnis
wird, desto besser werden die Kraftstoff-Verbrauchswerte. Somit
nimmt in der vorliegenden Ausführungsform das
Luft/Kraftstoffverhältnis
A/F einhergehend mit einer Abnahme der angeforderten Motorlast (L)
zu, so dass das Luft/Kraftstoffverhältnis so mager wie möglich gemacht
wird.
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Ein
Soll-Öffnungsgrad
(ST) der Drosselklappe 16, der erforderlich ist, um aus
dem Luft/Kraftstoffverhältnis
das in 14 dargestellte Soll-Luftkraftstoffverhältnis zu
machen, ist im ROM der elektronischen Steuereinheit als Kennfeld
hinterlegt, bei dem es sich um eine Funktion der angeforderten Motorlast (L)
und der Motordrehzahl (N) handelt, wie in 15(A) dargestellt.
Ein Soll-Öffnungsgrad
(SE) des AGR-Steuerventils 23, der erforderlich ist, um aus
dem Luft/Kraftstoffverhältnis
das in 14 dargestellte Luft/Kraftstoffverhältnis zu
machen, ist im ROM der elektronischen Steuereinheit als Kennfeld hinterlegt,
bei dem es sich um eine Funktion der angeforderten Motorlast (L)
und der Motordrehzahl (N) handelt, wie in 15(B) dargestellt.
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16 zeigt
Soll-Luft/Kraftstoffverhältnisse wenn
die zweite Verbrennung, d.h. die normale Verbrennung, wie üblich durchgeführt wird.
In 16 zeigen die mit A/F = 24, A/F = 35, A/F = 45
und A/F = 60 bezeichneten Kurven jeweils die Fälle an, dass die Soll-Luft/Kraftstoffverhältnisse
24, 25, 45 bzw. 60 sind. Ein Soll-Öffnungsgrad (ST) der Drosselklappe 16,
der erforderlich ist, um aus dem Luft/Kraftstoffverhältnis das
Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis
zu machen, ist im ROM der elektronischen Steuereinheit als Kennfeld
hinterlegt, in dem eine Funktion der angeforderten Motorlast (L)
und der Motordrehzahl (N) ist, wie in 17(A) dargestellt.
Ein Soll-Öffnungsgrad (SE)
des AGR-Steuerventils 23, der erforderlich ist, um aus
dem Luft/Kraftstoffverhältnis
das Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis
zu machen, ist im ROM der elektronischen Steuereinheit als Kennfeld
hinterlegt, in dem es eine Funktion der angeforderten Motorlast
(L) und der Motordrehzahl (N) ist, wie in 17(B) dargestellt.
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Somit
wird in dem Dieselmotor der vorliegenden Ausführungsform aufgrund des Verstellwegs
(L) des Gaspedals 40 und der Motordrehzahl (N) zwischen
der ersten Verbrennung, d.h. der Niedertemperaturverbrennung, und
der zweiten Verbrennung, d.h. der normalen Verbrennung, gewechselt.
Bei jeder Verbrennung werden die Öffnungsgrade der Drosselklappe 16 und
des AGR-Steuerventils durch die in den 15 und 17 dargestellten Kennfelder aufgrund des
Verstellwegs (L) des Gaspedals 40 und der Motorgeschwindigkeit
(N) gesteuert.
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18 ist
eine Draufsicht auf eine Vorrichtung zur Abgasreinigung, und 19 ist
eine Seitenansicht davon. Die Vorrichtung weist folgendes auf: einen
Wechselabschnitt 71, der über ein Auslassrohr 18 dem
Abgaskrümmer 17 nachgeschaltet
ist, ein Partikelfilter 70, einen ersten Verbindungsabschnitt 72a zum
Verbinden einer Seite des Partikelfilters 70 mit dem Wechselabschnitt 71,
einen zweiten Verbindungsabschnitt 72b zum Verbinden der
anderen Seite des Partikelfilters 70 mit dem Wechselabschnitt 71 und
eine Auslassleitung 73, die dem Wechselabschnitt 71 nachgelagert
ist. Der Wechselabschnitt 71 umfasst einen Ventilkörper 71a,
der den Abgasstrom im Wechselabschnitt 71 unterbrechen
kann. Der Ventilkörper 71a wird
von einem Unterdruck stellglied, einem Schrittmotor oder dergleichen
angetrieben. In einer Schließstellung
des Ventilkörpers 71a kommuniziert
die Anströmseite
im Wechselabschnitt 71 mit dem ersten Verbindungsabschnitt 72a und
dessen Abströmseite
kommuniziert mit dem zweiten Verbindungsabschnitt 72b,
und somit strömt
Abgas von einer Seite des Partikelfilters 70 zu dessen
anderer Seite, wie von den Pfeilen in 18 dargestellt.
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20 stellt
eine andere Schließstellung des
Ventilkörpers 72a dar.
In dieser Schließstellung kommuniziert
die Abströmseite
im Wechselabschnitt 71 mit dem zweiten Verbindungsabschnitt 72b,
und die Abströmseite
des Wechselabschnitts 71 kommuniziert mit dem ersten Verbindungsabschnitt 72a,
und somit strömt
Abgas von der anderen Seite des Partikelfilters 70 zu dessen
einer Seite, wie von den Pfeilen in 20 dargestellt.
Durch Umschalten des Ventilkörpers 71a kann
somit die Richtung, in der das Abgas in das Partikelfilter 70 strömt, umgekehrt
werden, d.h. die Abgasanströmseite
und die Abgasabströmseite
des Partikelfilters 70 können umgekehrt werden. In 18 bezeichnet
die Bezugszahl 43a einen ersten Drucksensor zum Erfassen
des Abgasdrucks im ersten Verbindungsabschnitt 72a, und
die Bezugszahl 43b bezeichnet einen zweiten Drucksensor zum
Erfassen des Abgasdrucks im zweiten Verbindungsabschnitt 72b.
Ferner bezeichnet die Bezugszahl 44a einen ersten Temperatursensor
zum Erfassen der Temperatur an einem Endabschnitt des Partikelfilters 70,
und die Bezugszahl 44b bezeichnet einen zweiten Temperatursensor
zum Erfassen der Temperatur am anderen Endabschnitt des Partikelfilters 70.
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Somit
kann die vorliegende Vorrichtung zur Abgasreinigung die Abgasanströmseite und
die Abgasabströmseite
des Partikelfilters anhand eines sehr einfachen Aufbaus umkehren.
Ferner benötigt der
Partikelfilter eine große Öffnungsfläche, um
die Einführung
des Abgases zu erleichtern. In der Vorrichtung kann ein Partikelfilter
mit einer großen Öffnungsfläche verwendet
werden, ohne deren Einbau in ein Fahrzeug zu erschweren, wie in
den 18 und 19 dargestellt.
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21 zeigt den Aufbau des Partikelfilters 70,
wobei 21(A) eine Vorderansicht des
Partikelfilters 70 ist und 22(B) eine
seitliche Schnittansicht davon ist. Wie in diesen Figuren dargestellt, weist
der Partikelfilter 70 eine elliptische Form auf und ist
beispielsweise eine Wandströmungs-Wabenstruktur,
die aus porösem
Material, wie Cordierit, besteht, und weist viele Hohlräume in axialer
Richtung auf, die durch viele Trennwände 54, die in axialer Richtung
verlaufen, unterteilt sind. Einer von beliebigen zwei benachbarten
Hohlräumen
ist von einem Stopfen 53 an der Abgasabströmseite verschlossen, und
der andere ist von einem Stopfen an der Abgasanströmseite verschlossen.
Somit dient einer der beiden benachbarten Hohlräume als Abgaseinströmkanal 50 und
der andere dient als Abgasausströmkanal 51,
wodurch das Abgas gezwungen wird, durch die Trennwand 54 zu
strömen,
wie von den Pfeilen in 21(B) dargestellt.
Die im Abgas enthaltenen Partikel sind viel kleiner als die Poren
der Trennwand 54, aber sie kollidieren mit der Oberfläche der
Trennwand an der Abgasanströmseite
und mit der Porenoberfläche
in der Trennwand 54 und werden dort zurückgehalten. Somit dient jede
Trennwand 54 als Rückhaltewand
zum Zurückhalten
der Partikel. Im vorliegenden Partikelfilter 70 tragen
beide seitlichen Oberflächen
der Trennwand 54 und vorzugsweise auch die Porenoberflächen der
Trennwand 54 ein aktiven Sauerstoff abgebendes Mittel und
einen Edelmetallkatalysator, wie nachstehend erklärt.
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Das
aktiven Sauerstoff abgebende Mittel gibt aktiven Sauerstoff ab,
um die Oxidation der Partikel zu fördern und nimmt vorzugsweise
Sauerstoff auf und hält
diesen fest, wenn ein Sauerstoffüberschuss in
der Umgebung vorhanden ist, und gibt den festgehaltenen Sauerstoff
als aktiven Sauerstoff ab, wenn die Sauerstoffkonzentration in der
Umgebung abnimmt.
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Als
Edelmetallkatalysator wird üblicherweise Platin
Pt verwendet. Als aktiven Sauerstoff abgebendes Mittel wird mindestens
eines aus der Gruppe, bestehend aus Alkalimetallen, wie Kalium K,
Natrium Na, Lithium Li, Cäsium
Cs und Rubidium Rb, Erdalkalimetallen, wie Barium Ba, Calcium Ca
und Strontium Sr, Seltenerdelementen, wie Lanthan La und Yttrium
Y, und Übergangsmetallen,
verwendet.
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Als
aktiven Sauerstoff abgebendes Mittel wird vorzugsweise ein Alkalimetall
oder ein Erdalkalimetall mit einer stärkeren Ionisierungstendenz
als Calcium Ca verwendet, d.h. es wird vorzugsweise Kalium K, Lithium
Li, Cäsium
Cs, Rubidium Rb, Barium Ba oder Strontium Sr verwendet.
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Nachstehend
wird nun mit Bezug auf den Fall der Verwendung von Platin Pt und
Kalium K erklärt,
wie die auf dem Partikelfilter zurückgehaltenen Partikel durch
das Partikelfilter, das ein aktiven Sauerstoff abgebendes Mittel
trägt,
oxidiert und beseitigt werden. Die Partikel werden auf die gleiche
Weise oxidiert und beseitigt, wenn ein anderes Edelmetall und ein
anderes Alkalimetall, ein Erdalkalimetall, ein Seltenerdelement
oder ein Übergangsmetall
verwendet wird.
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In
einem Dieselmotor findet die Verbrennung in der Regel in einer Situation
statt, wo ein Luftüberschuss
vorliegt, und somit enthält
das Abgas eine große
Menge an überschüssiger Luft.
Das heißt, wenn
das Verhältnis
der Luft zum Kraftstoff, die zum Ansaugsystem und zur Brennkammer
geliefert werden, als Luft/Kraftstoffverhältnis des Abgases bezeichnet
wird, ist das Luft/Kraftstoffverhältnis mager. Ferner wird NO
in der Brennkammer erzeugt, und somit enthält das Abgas NO. Ferner enthält der Kraftstoff
Schwefel S, und Schwefel S reagiert mit Sauerstoff in der Brennkammer,
um SO2 zu bilden. Somit enthält das Abgas
SO2. Daher strömt Abgas, das überschüssigen Sauerstoff,
NO und SO2 enthält, zur Abgasanströmseite des
Partikelfilters 70.
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Die 22(A) und 22(B) sind
vergrößerte Querschnittsdarstellungen
der Oberfläche
des Partikelfilters 70, mit der das Abgas in Kontakt kommt.
In den 22(A) und 22(B) bezeichnet die
Bezugszahl 60 ein Platin Pt-Partikel und 61 bezeichnet
das aktiven Sauerstoff abgebende Mittel, das Kalium K enthält.
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Wie
oben beschrieben, enthält
das Abgas eine große
Menge an überschüssigem Sauerstoff. Wenn
das Abgas mit der Abgaskontaktfläche
des Partikelfilters in Kontakt kommt, haftet Sauerstoff O Verbindungsabschnitt
in Form von O2 – oder
O2– an der
Oberfläche
des Platins Pt wie in 22(A) dargestellt.
Dagegen reagiert NO im Abgas mit O2 – oder O2– an
der Oberfläche
des Platins Pt, um NO2 zu ergeben (2NO +
O2 → 2NO2). Dann wird ein Teil des erzeugten NO2 im aktiven Sauerstoff abgebenden Mittel 61 absorbiert,
während
es auf Platin Pt oxidiert wird, und diffundiert in Form von Salpetersäureionen NO3 – in das aktiven Sauerstoff
abgebende Mittel 61, während
es sich mit Kalium K verbindet, um Kaliumnitrat KNO3 zu
bilden, wie in 22(A) dargestellt. Somit wird
in der vorliegenden Erfindung NOx, das im Abgas enthalten ist, im
Partikelfilter 70 absorbiert, und die Menge davon, die
in die Atmosphäre
abgegeben wird, kann gesenkt werden.
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Ferner
enthält
das Abgas SO2, wie oben beschrieben, und
SO2 wird auch aufgrund eines Mechanismus,
der dem im Fall von NO ähnlich
ist, im aktiven Sauerstoff abgebenden Mittel 61 absorbiert.
Das heißt,
wie oben beschrieben, haftet Sauerstoff O2 in Form
von O2 – oder O2– an
Platin Pt, und SO2 im Abgas reagiert an
der Oberfläche
des Platins Pt mit O2 – oder O2–,
um SO3 zu erzeugen. Dann wird ein Teil des
erzeugten SO3 in dem aktiven Sauerstoff
abgebenden Mittel 61 absorbiert, während es auf dem Platin Pt oxidiert
wird, und diffundiert in Form von Schwefelsäureionen SO4 2– in
das aktiven Sauerstoff abgebende Mittel 61, während es
sich mit Kalium K verbindet, um Kaliumsulfat K2SO4 zu erzeugen. Somit werden Kaliumnitrat
KNO3 und Kaliumsulfat K2SO4 im aktiven Sauerstoff abgebenden Mittel 61 erzeugt.
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Die
Partikel im Abgas haften an der Oberfläche des aktiven Sauerstoff
abgebenden Mittels 61, das vom Partikelfilter getragen
wird, wie bei 62 in 22(B) gezeigt.
Dabei fällt
die Sauerstoffkonzentration an der Oberfläche des aktiven Sauerstoff
abgebenden Mittels 61, mit der die Partikel 62 in
Kontakt stehen. Wenn die Sauerstoffkonzentration fällt, kommt
es zu einem Konzentrationsunterschied zum aktiven Sauerstoff abgebenden
Mittel 61 mit einer hohen Sauerstoffkonzentration, und
somit neigt der Sauerstoff im aktiven Sauerstoff abgebenden Mittel 61 dazu,
zur Oberfläche
des aktiven Sauerstoff abgebenden Mittels 61, mit der die
Partikel 62 in Kontakt stehen, zu wandern. Infolgedessen
zerfällt
im aktiven Sauerstoff abgebenden Mittel erzeugtes Kaliumnitrat KNO3 in Kalium K, Sauerstoff O und NO, wodurch Sauerstoff
O zur Oberfläche
des aktiven Sauerstoff abgebenden Mittels 61 wandert, mit
der die Partikel 62 in Kontakt stehen, und NO wird vom
aktiven Sauerstoff abgebenden Mittel 61 nach außen abgegeben.
NO, das nach außen
abgegeben wird, wird auf dem Platin Pt an der Abströmseite oxidiert
und erneut im aktiven Sauerstoff abgebenden Mittel 61 absorbiert.
-
Dabei
zerfällt
ferner Kaliumsulfat K2SO4,
das im aktiven Sauerstoff abgebenden Mittel 61 erzeugt wird,
ebenfalls in Kalium K, Sauerstoff O und SO2, wodurch
Sauerstoff O zur Oberfläche
des aktiven Sauerstoff abgebenden Mittels 61, mit der die
Partikel 62 in Kontakt stehen, wandert, und SO2 wird
vom aktiven Sauerstoff abgebenden Mittel 61 nach außen abgegeben.
SO2, das nach außen abgegeben wird, wird auf
dem Platin auf der Abströmseite
oxidiert und wieder in dem aktiven Sauerstoff abgebenden Mittel 61 absorbiert.
Hierbei ist Kaliumsulfat K2SO4 jedoch stabil
und gibt weniger aktiven Sauerstoff ab als Kaliumnitrat KNO3.
-
Dagegen
handelt es sich bei dem Sauerstoff O, der zur Oberfläche des
aktiven Sauerstoff abgebenden Mittels 61, mit der die Partikel 62 in
Kontakt stehen, wandert, um denjenigen, der durch Zerfall solcher
Verbindungen wie Kaliumnitrat KNO3 oder Kaliumsulfat
K2SO4 entstanden
ist. Sauerstoff O, der durch Zerfall aus der Verbindung entstanden
ist, weist ein hohes Energieniveau auf und zeigt eine sehr hohe
Aktivität.
Daher handelt es sich bei dem Sauerstoff, der zur Oberfläche des
aktiven Sauerstoff abgebenden Mittels, mit der die Partikel in Kontakt stehen,
wandert, um aktiven Sauerstoff O. Nachdem sie mit dem aktiven Sauerstoff
O in Kontakt gekommen sind, werden die Partikel 62 in kurzer
Zeit oxidiert, ohne eine leuchtende Flamme zu erzeugen, beispielsweise
innerhalb weniger Minuten oder einiger zehn Minuten. Ferner wird
aktiver Sauerstoff, der die Partikel 62 oxidiert, ebenfalls
abgegeben, wenn NO und SO2 im aktiven Sauerstoff
abgebenden Mittel 61 absorbiert wurden. Das heißt, man
kann davon ausgehen, dass NOx in Form von Salpetersäureionen
NO3 – in das aktiven Sauerstoff
abgebende Mittel diffundiert, während
es sich mit Sauerstoffatomen verbindet und dass es sich von den
Sauerstoffatomen trennt und dass während dieser Zeit aktiver Sauerstoff
erzeugt wird. Die Partikel 62 werden auch von diesem aktiven
Sauerstoff oxidiert. Ferner werden die Partikel 62, die
am Partikelfilter 70 haften, nicht nur von aktivem Sauerstoff
oxidiert, sondern auch vom Sauerstoff, der im Abgas enthalten ist.
-
Je
höher die
Temperatur des Partikelfilters wird, desto stärker werden das Platin Pt und
das aktiven Sauerstoff abgebende Mittel 61 aktiviert. Daher wird
die Menge an aktivem Sauerstoff O, der vom aktiven Sauerstoff abgebenden
Mittel 61 pro Zeiteinheit abgegeben wird, um so größer, je
höher die
Temperatur des Partikelfilters wird. Ferner werden die Partikel
natürlich
um so leichter oxidiert, je höher
die Temperatur der Partikel ist. Daher nimmt die Partikelmenge,
die ohne Erzeugung einer leuchtenden Flamme pro Zeiteinheit auf
dem Partikelfilter oxidiert und beseitigt werden kann, einhergehend
mit einer Zunahme der Temperatur des Partikelfilters zu.
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Die
durchgezogene Linie in 23 zeigt die Partikelmenge (G),
die pro Zeiteinheit oxidiert und beseitigt werden können, ohne
eine leuchtende Flamme zu erzeugen. In 23 stellt
die Abszisse die Temperatur TF des Partikelfilters dar. Hierbei zeigt 23 den
Fall, dass die Zeiteinheit 1 Sekunde ist, d.h. die Partikelmenge
(G), die pro 1 Sekunde oxidiert und beseitigt werden kann. Es kann
jedoch jeder Zeitraum, wie 1 Minute, 10 Minuten oder dergleichen, als
Zeiteinheit gewählt
werden. Beispielsweise stellt in dem Fall, dass 10 Minuten als Zeiteinheit
verwendet werden, die Partikelmenge (G), die pro Zeiteinheit oxidiert
und beseitigt werden kann, die Partikelmenge (G) dar, die pro 10
Minuten oxidiert und beseitigt werden kann. Auch in diesem Fall
nimmt die Partikelmenge (G), die ohne Erzeugung einer leuchtenden Flamme
oxidiert und beseitigt werden kann, einhergehend mit einem Anstieg
der Temperatur des Partikelfilters 70 zu, wie in 23 dargestellt.
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Die
Partikelmenge, die pro Zeiteinheit aus der Brennkammer ausgestoßen wird,
wird als ausgestoßene
Partikelmenge (M) bezeichnet. Wenn die ausgestoßene Partikelmenge (M) kleiner
ist als die Partikelmenge (G), die oxidiert und beseitigt werden kann,
beispielsweise die pro 1 Sekunde ausgestoßene Partikelmenge (M) kleiner
ist als die Partikelmenge (G), die pro 1 Sekunde oxidiert und beseitigt
werden kann, oder die pro 10 Minuten ausgestoßene Partikelmenge (M) kleiner
ist als die Partikelmenge (G), die pro 10 Minuten oxidiert und beseitigt
werden kann, d.h. im Bereich (I) von 23, werden
die aus der Brennkammer ausgestoßenen Partikel alle ohne Erzeugung
einer leuchtenden Flamme in kurzer Zeit sukzessive auf dem Partikelfilter 70 oxidiert
und beseitigt.
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Wenn
die ausgestoßene
Partikelmenge (M) größer ist
als die Partikelmenge, die oxidiert und beseitigt werden kann (G),
d.h. im Bereich (II) von 23, reicht
dagegen die Menge an aktivem Sauerstoff nicht aus, damit alle Partikel
sukzessive oxidiert und beseitigt werden können. Die 24(A) bis (C) erläutern die Art der Oxidation
der Partikel in diesem Fall.
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Das
heißt,
in dem Fall, dass die Menge des aktiven Sauerstoffs nicht ausreicht,
um alle Partikel zu oxidieren, wenn die Partikel 62 am
aktiven Sauerstoff abgebenden Mittel 61 haften, wird nur
ein Teil der Partikel oxidiert, wie in 24(A) dargestellt,
und der andere Teil der Partikel, der nicht ausreichend oxidiert
wurde, bleibt an der Abgasanströmfläche des Partikelfilters
zurück.
Wenn der Zustand, dass die Menge an aktivem Sauerstoff nicht ausreicht,
anhält, bleibt
ein Teil der Partikel, der nicht oxidiert worden ist, sukzessive
an der Abgasanströmfläche des
Partikelfilters zurück.
Infolgedessen wird die Abgasanströmfläche des Partikelfilters mit
den zurückgebliebenen
Partikeln überzogen,
wie in 24(B) dargestellt.
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Die
zurückgebliebenen
Partikel 63 werden allmählich
in kohlenstoffartiges Material umgewandelt, das kaum oxidiert werden
kann. Wenn die Abgasanströmseite
mit den zurückgebliebenen
Partikeln 63 überzogen
ist, werden ferner die oxidierende Wirkung des Platins Pt auf NO
und SO2 und die aktiven Sauerstoff freisetzende
Wirkung des aktiven Sauerstoff freisetzenden Mittels 61 verringert.
Die zurückgebliebenen
Partikel 63 können über einen
relativ langen Zeitraum allmählich
oxidiert werden. Wie in 24(C) dargestellt,
lagern sich jedoch weitere Partikel 64 nacheinander an
den zurückgebliebenen Partikeln 63 an,
und wenn die Partikel sich so anlagern, dass sie Schichten bilden,
können
diese Partikel, auch wenn es sich dabei um leicht zu oxidierende Partikel
handelt, möglicherweise
nicht oxidiert werden, da diese Partikel vom Platin Pt oder vom
aktiven Sauerstoff abgebenden Mittel getrennt sind. Somit lagern
sich weitere Partikel sukzessive an diesen Partikeln 64 an.
Das heißt,
wenn der Zustand, in dem die ausgestoßene Partikelmenge (M) größer ist
als die Partikelmenge, die oxidiert und beseitigt werden kann (G),
andauert, lagern sich die Partikel in Schichten auf dem Partikelfilter
an.
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Somit
werden in dem Bereich (I) von 23 die
Partikel für
die Zeit ohne Erzeugung einer leuchtenden Flamme oxidiert und beseitigt,
und im Bereich (II) von 23 lagern
sich die Partikel in Schichten auf dem Partikelfilter an. Daher
kann die Anlagerung von Partikeln auf dem Partikelfilter verhindert
werden, wenn die Beziehung zwischen der ausgestoßenen Partikelmenge (M) und
der Partikelmenge, die oxidiert und beseitigt werden kann (G), im
Bereich (I) liegt. Infolgedessen wird ein Druckverlust des Abgases
im Partikelfilter kaum verändert
und wird bei einem minimalen Druckverlust gehalten, der fast konstant
ist. Somit kann die Abnahme der Motorleistung so klein wie möglich gehalten
werden. Dies wird jedoch nicht immer verwirklicht, und es können sich Partikel
auf dem Partikelfilter anlagern, wenn nichts unternommen wird.
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Um
eine Anlagerung der Partikel auf dem Partikelfilter zu verhindern,
steuert in der vorliegenden Ausführungsform
die oben genannte Steuereinheit 30 das Umschalten des Ventilkörpers 71a gemäß einem
ersten in 25 dargestellten Ablaufschema. Das
vorliegende Ablaufschema wird jeweils nach einer vorgegebenen Zeit
wiederholt. In Schritt 101 wird die integrierte Fahrstrecke
(A) berechnet. Dann wird in Schritt 102 bestimmt, ob die
integrierte Fahrstrecke (A) länger
ist als eine vorgegebene Fahrstrecke (As). Wenn das Ergebnis negativ
ist, wird die Routine beendet. Wenn das Ergebnis jedoch positiv
ist, geht die Routine zu Schritt 103 über. In Schritt 103 wird
die integrierte Fahrstrecke (A) auf 0 zurückgesetzt, und in Schritt 104 wird
der Ventilkörper 71a aus
einer Schließstellung
in die andere Schließstellung
umgeschaltet, d.h. die Anströmseite
und die Abströmseite des
Partikelfilters werden umgekehrt.
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26 ist eine vergrößerte Schnittansicht der Trennwand 54 des
Partikelfilters. Während
das Fahrzeug die vorgegebene Fahrstrecke (As) zurücklegt,
kann der Motor im Bereich (II) von 23 betrieben
werden. Somit kollidieren die Partikel mit der Abgasanströmfläche der
Trennwand 54 und der auf das Abgas gerichteten Seite in
den Poren darin, d.h. einer der Rückhalteflächen der Trennwand 54,
und werden von diesen zurückgehalten
und werden von aktivem Sauerstoff, der vom aktiven Sauerstoff abgebenden Mittel
abgegeben wird, oxidiert und beseitigt, aber die Partikel können wegen
einer nicht ausreichenden Oxidation zurückbleiben, wie von den Schraffuren
in 26(A) dargestellt. In diesem
Stadium hat der Abgaswiderstand des Partikelfilters keinen negativen Einfluss
auf das Fahrverhalten des Fahrzeugs. Falls sich mehr Partikel anlagern,
kommt es jedoch zu Problemen, wobei die Motorleistung erheblich
abnimmt usw. Im ersten Ablaufschema werden in diesem Stadium die
Anströmseite
und die Abströmseite
des Partikelfilters umgekehrt. Daher lagern sich die Partikel nicht
erneut an den zurückgebliebenen
Partikeln an den Sammeloberflächen
der Trennwand an, und somit können
die zurückgebliebenen
Partikel durch aktiven Sauerstoff, der vom aktiven Sauerstoff abgebenden
Mittel abgegeben wird, allmählich
oxidiert und von der einen der Rückhalteflächen beseitigt werden.
Ferner werden insbesondere die zurückgebliebenen Partikel in den
Poren in der Trennwand vom in umgekehrter Richtung strömenden Abgas leicht
in kleine Stücke
zerschmettert, wie in 26(B) dargestellt,
und sie bewegen sich hauptsächlich
durch die Poren in Abströmseitenrichtung.
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Somit
diffundieren viele der zu feinen Teilchen zerschmetterten Partikel
in die Poren der Trennwand, d.h. die Partikel strömen in die
Poren. Daher kommen sie direkt mit dem aktiven Sauerstoff abgebenden
Mittel, das auf der Porenoberfläche
getragen wird, in Kontakt, und somit bestehen zahlreiche Gelegenheiten,
dass sie oxidiert und beseitigt werden. Falls das aktiven Sauerstoff
abgebende Mittel ebenfalls auf der Porenoberfläche in der Trennwand getragen
wird, können
somit die zurückgebliebenen
Partikel sehr leicht oxidiert und beseitigt werden. An der anderen
Rückhaltefläche, die
nunmehr auf der Anströmseite
liegt, da der Abgasstrom umgekehrt wurde, d.h. an der Abgasanströmfläche der Trennwand 54 und
der dem Abgas gegenüberliegenden
Oberfläche
in den Poren darin, auf die der Abgas hauptsächlich auftrifft (an der gegenüberliegenden Seite
einer der Rückhalteflächen) haften
die Partikel im Abgas erneut und werden durch aktiven Sauerstoff,
der vom aktiven Sauerstoff abgebenden Mittel abgegeben wird, oxidiert
und beseitigt. Bei dieser Oxidation wandert ein Teil des aktiven
Sauerstoffs, der vom aktiven Sauerstoff abgebenden Mittel an der anderen
Rückhalte fläche abgegeben
wird, mit dem Abgas zur Abströmseite
und wird dazu gebracht, die Partikel, die trotz der Umkehr des Abgasstroms
immer noch auf den Rückhalteflächen zurückgeblieben sind,
zu oxidieren und zu beseitigen.
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Das
heißt,
die an den Rückhalteflächen zurückgebliebenen
Partikel werden nicht nur dem aktiven Sauerstoff ausgesetzt, der
von dieser Rückhaltefläche abgegeben
wird, sondern durch Umkehren des Abgasstroms auch dem zurückgebliebenen
aktiven Sauerstoff zum Oxidieren und Beseitigen der Partikel auf
der anderen Rückhaltefläche. Wenn
der Abgasstrom umgekehrt wird, kommt daher aktiver Sauerstoff an
den abgelagerten Partikeln an, auch wenn einige Partikel sich an
einer der Rückhalteflächen des
Partikelfilters anlagern und Schichten bilden, und die Partikel
lagern sich aufgrund der Umkehr des Abgasstroms nicht erneut an
den abgelagerten Partikeln an und somit werden die abgelagerten
Partikel allmählich
oxidiert und beseitigt und sie können über eine
gewisse Zeit bis zur nächsten
Umkehrung des Abgases ausreichend oxidiert und beseitigt werden.
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In
dem Ablaufschema wird der Ventilkörper jeweils nach einer vorgegebenen
Fahrstrecke umgeschaltet. Der Ventilkörper kann jedoch auch jeweils nach
einer vorgegebenen Zeit umgeschaltet werden. Natürlich kann der Ventilkörper auch
nicht auf solch regelmäßige Weise
umgeschaltet werden, sondern kann unregelmäßig umgeschaltet werden. In
jedem Fall ist es bevorzugt, den Ventilkörper mindestens einmal nach
dem Starten des Motors und vor dem Anhalten des Motors umzuschalten,
so dass der Ventilkörper
umgeschaltet wird, bevor die zurückgebliebenen
Partikel sich zu kohlenstoffartigen Stoffen umwandeln, die kaum
oxidiert werden können.
Falls die Partikel oxidiert und beseitigt werden, bevor eine große Partikelmenge
sich anlagert, können
Probleme im Zusammenhang mit der gleichzeitigen Entzündung und
Verbrennung einer großen
Menge an angelagerten Partikeln, die den Partikelfilter durch ihre
Verbrennungswärme
schmelzen würde,
verhindert werden. Selbst wenn eine große Partikelmenge sich aus irgendeinem
Grund an der Rückhaltefläche der
Trennwand des Partikelfilters anlagern würde, werden die angelagerten
Partikel, wenn der Ventilkörper
umgeschaltet wird, durch den umgekehrten Abgasstrom leicht in feine
Teilchen zer schmettert. Der Teil der Partikel, die nicht in den
Poren der Trennwand oxidiert und beseitigt werden können, wird
aus dem Partikelfilter ausgetragen. Dadurch wird jedoch vermieden,
dass der Abgaswiderstand des Partikelfilters noch weiter steigt,
was sich negativ auf die Fortbewegung der Partikel auswirken würde. Ferner
kann die andere Rückhaltefläche der
Trennwand des Partikelfilters die Partikel erneut zurückhalten.
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27 zeigt
ein zweites Ablaufschema für die
Steuerung der Umschaltung des Ventilkörpers 71a. Das vorliegende
Ablaufschema wird jeweils nach einer vorgegebenen Zeit wiederholt.
In Schritt 201 erfasst der erste Drucksensor 43a,
der im ersten Verbindungsabschnitt 72a angeordnet ist,
einen Abgasdruck (P1) an einer Seite des Partikelfilters 70, d.h.
einen Abgasdruck im ersten Verbindungsabschnitt (72a) (siehe 18).
Dann erfasst der zweite Drucksensor 43b, der am zweiten
Verbindungsabschnitt 72b angeordnet ist, in Schritt 202 einen
Abgasdruck (P2) an der anderen Seite des Partikelfilters 70,
d.h. einen Abgasdruck im zweiten Verbindungsabschnitt 72b (siehe 18).
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In
Schritt 203 wird bestimmt, ob ein absoluter Wert des Unterschieds
zwischen den in den Schritten 201 und 202 erfassten
Abgasdrücken
größer ist
als ein vorgegebener Druckunterschied (Ps). Hier wird der absolute
Wert des Druckunterschieds verwendet, so dass der Anstieg des Druckunterschieds
auch dann erfasst werden kann, wenn entweder der erste Verbindungsabschnitt 72a oder
der zweite Verbindungsabschnitt 72b sich auf der Abgasanströmseite befindet.
Wenn das Ergebnis in Schritt 203 negativ ist, wird die
Routine angehalten. Wenn dieses Ergebnis jedoch positiv ist, bleiben
einige Partikel auf dem Partikelfilter zurück, so dass in Schritt 204 der
Ventilkörper 71a umgeschaltet
wird und somit die Anström- und
die Abströmseite
des Partikelfilters umgekehrt werden.
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Somit
werden, wie oben erwähnt,
die zurückgebliebenen
Partikel oxidiert und vom Partikelfilter beseitigt. Somit wird anhand
des Druckunterschieds zwischen den beiden Seiten des Partikelfilters
indirekt bestimmt, dass einige Partikel auf dem Partikelfilter zurückgeblieben
sind, und somit kann zuverlässig
verhindert werden, dass die Motorleistung durch die zusätzlich angelagerten
Partikel zu stark sinkt. Natürlich
kann auch anders als anhand des Druckunterschieds, beispielsweise
durch Beobachten der Änderung
des elektrischen Widerstands an einer bestimmten Trennwand des Partikelfilters,
bestimmt werden, dass einige Partikel sich an dem Partikelfilter anlagern,
wenn der elektrische Widerstand wegen der Anlagerung von Partikeln
gleich oder kleiner einem vorgegebenen Wert wird. Übrigens
kann anhand der Tatsache, dass die Lichtdurchlässigkeit oder -reflektivität auf einer
bestimmten Trennwand des Partikelfilters einhergehend mit der Anlagerung von
Partikeln darauf sinkt, bestimmt werden, dass einige Partikel sich
am Partikelfilter anlagern. Falls auf diese Weise direkt bestimmt
wird, dass die Partikel zurückbleiben
und der Ventilkörper
umgeschaltet wird, kann mit größerer Sicherheit
verhindert werden, dass die Motorleistung stark sinkt. Genau gesagt ändert sich
der Druckunterschied zwischen den beiden Seiten des Partikelfilters
abhängig
vom Druck des Abgases, das aus der Brennkammer ausgestoßen wird,
bei jeder Motorbetriebsbedingung. Somit wird bei der Bestimmung
der Ablagerung von Partikeln vorzugsweise der Motorbetriebszustand
spezifiziert.
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Somit
ist das Umkehren der Anström-
und Abströmseiten
des Partikelfilters sehr wirksam, um die zurückgebliebenen und angelagerten
Partikel zu oxidieren und zu beseitigen. Daher kann selbst dann, wenn
der Ventilkörper
manchmal umgeschaltet wird, ohne dass die Zeit bestimmt wird, vorteilhaft
verhindert werden, dass die Motorleistung durch die eine Menge an
angelagerten Partikel stark sinkt.
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Wenn
das Luft/Kraftstoffverhältnis
des Abgases auf einen Wert auf der fetten Seite gebracht wird, d.h.
wenn die Sauerstoffkonzentration im Abgas abnimmt, wird aktiver
Sauerstoff auf einmal vom aktiven Sauerstoff abgebenden Mittel 61 nach
außen
abgegeben. Daher werden die angelagerten Partikel zu Partikeln,
die durch den aktiven Sauerstoff O, der auf einmal abgegeben wird,
leicht oxidiert werden und somit können sie leicht oxidiert und
beseitigt werden.
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Wenn
das Luft/Kraftstoffverhältnis
dagegen mager gehalten wird, wird die Oberfläche des Platins Pt mit Sauerstoff überzogen,
d.h. es wird eine Sauerstoffvergiftung bewirkt. Wenn solch eine
Sauerstoffvergiftung bewirkt wird, sinkt die NOx-Oxidationswirkung
des Platins Pt, und somit sinkt die NOx-Absorptionsleistung. Daher
nimmt die Menge an aktivem Sauerstoff, der vom aktiven Sauerstoff
abgebenden Mittel 61 abgegeben wird, ab. Wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis jedoch
auf einen Wert auf der fetten Seite gebracht wird, wird Sauerstoff
auf der Oberfläche
des Platins Pt verbraucht, und somit wird die Sauerstoffvergiftung
aufgehoben. Wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis wieder von fett nach
mager gewechselt wird, wird somit die NOx-Oxidationswirkung stark
und somit steigt die Absorptionsleistung. Daher steigt die Menge
an aktivem Sauerstoff, der vom aktiven Sauerstoff abgebenden Mittel 61 abgegeben
wird.
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Wenn
das Luft/Kraftstoffverhältnis
mager gehalten wird, wird die Sauerstoffvergiftung des Platins Pt
jedesmal aufgehoben, wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis hin
und wieder von mager zu fett umgeschaltet wird, und somit steigt
die Menge an abgegebenem aktivem Sauerstoff, wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis mager
ist. Daher kann die Oxidationswirkung auf die Partikel auf dem Partikelfilter 70 gefördert werden.
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Ferner
bewirkt die Aufhebung der Sauerstoffvergiftung, dass das Reduktionsmittel
verbrennt und somit erhöht
dessen Verbrennungswärme
die Temperatur des Partikelfilters. Daher steigt die Menge an Partikeln,
die oxidiert und vom Partikelfilter entfernt werden können, und
somit können
die zurückgebliebenen
und abgelagerten Partikel leichter oxidiert und beseitigt werden.
Falls das Luft/Kraftstoffverhältnis im
Abgas unmittelbar nach Umkehrung der Anström- und der Abströmseite des
Partikelfilters durch den Ventilkörper 71a auf einen
Wert auf der fetten Seite gebracht wird, gibt die andere Rückhaltefläche, auf der
keine Partikel zurückbleiben,
aktiven Sauerstoff leichter ab als die eine Rückhaltefläche. Somit kann die größere Menge
an abgegebenem aktivem Sauerstoff die auf der einen Rückhaltefläche zurückgebliebenen
Partikel leichter oxidieren und beseitigen. Natürlich kann das Luft/Kraftstoffverhältnis des
Abgases unabhängig
von der Umschaltung des Ventilkörpers 71a manchmal
auf einen Wert auf der fetten Seite gebracht werden. Daher bleiben
kaum Partikel auf dem Partikelfilter zurück oder lagern sich darauf
an.
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Um
das Luft/Kraftstoffverhältnis
des Abgases auf einen Wert auf der fetten Seite zu bringen, kann
beispielsweise die oben genannte Niedertemperaturverbrennung durchgeführt werden.
Natürlich können, wenn
aus der normalen Verbrennung in die Niedertemperaturverbrennung
gewechselt wird, oder davor die Abgasanströmseite und die Abgasabströmseite des
Partikelfilters umgekehrt werden. Um das Luft/Kraftstoffverhältnis des
Abgases auf einen Wert auf der fetten Seite zu bringen kann ferner
das Verbrennungs-Luft/Kraftstoffverhältnis einfach auf einen Wert
auf der fetten Seite gebracht werden. Zusätzlich zur Haupt-Kraftstoffeinspritzung
im Kompressionshub kann die Kraftstoffeinspritzeinrichtung Kraftstoff im
Auslasshub oder im Expansionshub in den Zylinder eingespritzen (Nach-Einspritzung)
oder kann Kraftstoff im Einlasshub in den Zylinder einspritzen (Vor-Einspritzung).
Natürlich
kann auch kein Abstand zwischen der Nach-Einspritzung oder der Vor-Einspritzung
und der Haupt-Einspritzung vorgesehen werden. Ferner kann Kraftstoff
dem Abgassystem zugeführt
werden.
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28 zeigt
ein drittes Ablaufschema für
die Steuerung des Umschaltens des Ventilkörpers 71a. Das vorliegende
Ablaufschema wird jeweils nach einer vorgegebenen Zeit durchgeführt. In
Schritt 301 wird auf eine der genannten Arten bestimmt,
ob die Zeit zum Umschalten des Ventilkörpers 71a gekommen
ist. Wenn das Ergebnis negativ ist, wird die Routine angehalten.
Wenn das Ergebnis jedoch positiv ist, wird in Schritt 302 anhand
der Temperatur an den beiden Endabschnitten des Partikelfilters 70,
die vom ersten Temperatursensor 44a und vom zweiten Temperatursensor 44b erfasst
wird, bestimmt, ob die Temperatur (To) des Abgasausström-Endabschnitts gegenwärtig höher ist
als die Temperatur (Ti) des Abgaseinström-Endabschnitts.
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Wenn
das Ergebnis positiv ist, wird der Ventilkörper 71a in Schritt 304 umgeschaltet.
Wenn das Ergebnis in Schritt 302 jedoch negativ ist, wird
bestimmt, ob eine Zeit (t), die ab der Zeit der Umschaltung des
Ventilkörpers 71a vergangen
ist, länger
geworden ist als eine vorgegebene Zeit (t1). Wenn das Ergebnis positiv
ist, kann eine große
Partikelmenge sich auf der Rückhaltefläche des
Partikelfilters anlagern, der derzeit an der Abgasanströmseite liegt,
und somit geht diese Routine zu Schritt 304 über und
der Ventilkörper 71a wird
sofort umgeschaltet.
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Wenn
dagegen das Ergebnis in Schritt 303 negativ ist, kehrt
die Routine zu Schritt 302 zurück. Somit werden die Bestimmungen
in den Schritten 302 und 303 wiederholt, und wenn
das Ergebnis in Schritt 302 positiv ist, wird der Ventilkörper 71a in Schritt 304 umgeschaltet.
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In
dem Fall, dass das Partikelfilter wie in der vorliegenden Ausführungsform
einen Oxidationskatalysator, wie Platin oder dergleichen trägt, so dass es
eine Oxidationsfunktion hat, kann ein im Abgas enthaltenes reduzierendes
Material, wie HC, CO oder dergleichen, auf dem Partikelfilter verbrannt werden.
Dessen Wärme
erhöht
die Temperatur des Partikelfilters, und somit kann die Partikelmenge,
die oxidiert und davon entfernt wird, verbessert werden und die
Temperatur der Partikel kann erhöht
werden. Dies ist daher von Vorteil beim Oxidieren und Beseitigen
der Partikel.
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Übrigens
strömt
das Abgas von der abgasanströmseitigen
Fläche
zur abgasabströmseitigen Fläche der
Trennwand durch die Poren der Trennwand des Partikelfilters und
strömt
auch entlang der abgasanströmseitigen
und der abgasabströmseitigen
Fläche.
Somit wird die Wärme
des Abgaseinströmabschnitts
des Partikelfilters (des Abgaseinström-Endabschnitts jeder Trennwand) über den mittleren
Abschnitt des Partikelfilters (den mittleren Abschnitt jeder Trennwand)
zum Abgasausströmabschnitt
des Partikelfilters (dem Abgasausström-Endabschnitt jeder Trennwand) übertragen und
wird schließlich
aus dem Partikelfilter ausgetragen.
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In
der Regel ist das Luft/Kraftstoffverhältnis des Abgases mager, und
das Abgas schließt
nur eine kleine Menge an Reduzierungsmaterial ein. Daher wird im
Abgaseinströmabschnitt
die schwache Verbrennungswärme
durch das Abgas weggenommen, so dass die Temperatur dort kaum ansteigt.
Andererseits wird im mittleren Abschnitt die Verbrennungswärme vom
Abgas weggenommen, aber die Wärme, die
vom Abgaseinströmabschnitt übertragen
wird, erhöht
die Temperatur dort auf über
diejenige am Abgaseinströmabschnitt.
Im Abgasausströmabschnitt
erhöhen
die Verbrennungswärme
dort und die Wärme, die
vom Abgaseinströmabschnitt
und vom mittleren Abschnitt übertragen
wird, die Temperatur an dieser Stelle auf über diejenige am mittleren
Abschnitt.
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Wenn
die Temperaturen in den Abschnitten des Partikelfilters sich somit
voneinander unterscheiden, werden Unterschiede im Aktivierungsgrad
des Oxidationskatalysators in den Abschnitten bewirkt. Daher verbrennen
die Reduzierungsmaterialien kaum im Abgaseinströmabschnitt und verbrennen hauptsächlich im
Abgasausströmabschnitt,
so dass die Temperaturen in den Abschnitten des Partikelfilters
sich sehr voneinander unterscheiden, wie von der Punktelinie in 29 dargestellt.
-
Falls
die Reduzierungsmaterialien hauptsächlich im Abgasausströmabschnitt
verbrennen, wird die Wärme
jedoch lediglich aus dem Partikelfilter ausgetragen, ohne die Temperatur
des anderen Abschnitts des Partikelfilters zu erhöhen. Dies
verbessert daher nicht die Partikelmenge, die oxidiert und vom Partikelfilter
beseitigt werden kann.
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Wenn
im dritten Ablaufschema die Zeit zum Umschalten des Ventilkörpers 71a gekommen
ist, ist die Temperatur am Abgasausströmabschnitt in der Regel höher als
die Temperatur am Abgaseinströmabschnitt,
wie oben beschrieben. Daher ist das Ergebnis in Schritt 302 positiv,
und der Ventilkörper 71 wird
umgeschaltet, so dass die zurückgebliebenen
Partikel auf der Rückhaltefläche, die
bis dahin die Abgasanströmseite
war, nunmehr oxidiert und beseitigt werden, und das Zurückhalten
der Partikel beginnt erneut an der Rückhaltefläche, die zur Abgasanströmseite geworden
ist. Ferner war der Abgaseinströmabschnitt
der Abgasausströmabschnitt,
so dass dessen Temperatur relativ hoch ist. Daher werden die Reduzierungsmaterialien
hauptsächlich
im Abgaseinströmabschnitt
verbrannt, so dass dessen Wärme
zunimmt. Ein Teil der Wärme
wird zum mittleren Abschnitt und zum Abgasausströmabschnitt übertragen, aber die Temperatur
im Abgaseinströmabschnitt
kann vorteilhaft erhöht
werden.
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Für einige
Zeit wird daher die Temperatur im Abgaseinströmabschnitt relativ hoch gehalten,
und das Reduktionsmaterial im Abgas kann darauf verbrannt werden.
Wenn das Reduktionsmaterial hauptsächlich im Abgaseinströmabschnitt
verbrennt, erhöht dessen
Wärme nicht
nur die Temperatur im Abgaseinströmabschnitt, sondern auch die
Temperaturen des mittleren Abschnitts und des Abgaseinströmabschnitts
durch die Wärme,
die übertragen wird,
bevor sie aus dem Partikelfilter abgegeben wird. Daher wird eine
Temperaturverteilung verwirklicht wie in der durchgezogenen Linie
von 29 dargestellt, und somit kann die Temperatur
des Partikelfilters insgesamt erhöht werden. Somit können die
Reduktionsmaterialien im Abgas wirksam genutzt werden, um die Partikelmenge,
die oxidiert und entfernt werden kann, zu verbessern.
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Im üblichen
mageren Abgas ist die Menge der darin enthaltenen Reduktionsmaterialien
gering, so dass der Zeitraum, in dem die Temperatur des Abgaseinströmabschnitts
relativ hoch ist, nicht sehr lang ist. Somit nimmt die Temperatur
des Abgaseinströmabschnitts
allmählich
ab, und schließlich
wird die Temperaturverteilung wie von der gepunkteten Linie in 29 dargestellt,
wie oben beschrieben. Falls das Luft/-Kraftstoffverhältnis des Abgases jedoch auf einen
Wert auf der fetten Seite gebracht wird und somit eine relativ große Menge
an Reduktionsmaterialien im Abgas enthalten ist, wird für diesen
Zeitraum eine relativ große
Wärmemenge
im Abgaseinströmabschnitt
erzeugt, und somit kann die Temperatur des Abgaseinströmabschnitts
relativ hoch gehalten werden.
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Während der
Zeit zum Umschalten des Ventilkörpers 71a,
wenn die Temperatur im Abgaseinströmabschnitt des Partikelfilters
höher ist
als die Temperatur des Abgasausströmabschnitts, können die
Reduktionsmaterialien im Abgas nicht wirksam genutzt werden, um
die Temperatur des Partikelfilters zu erhöhen, falls der Abgaseinströmabschnitt
und der Abgasausströmabschnitt
sofort gewechselt werden. Somit ist es nicht bevorzugt, den Abgaseinströmabschnitt
und den Abgasausströmabschnitt
sofort zu wechseln, und somit wird der Ventilkörper 71a in Schritt 303 des
dritten Ablaufschemas nicht gewechselt, bevor die Zeit (t) seit
der Zeit, zu der der Ventilkörper
umgeschaltet wurde, zur vorgegebenen Zeit (t1) geworden ist.
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Im
dritten Ablaufschema wird, wenn die Zeit zum Umschalten des Ventilkörpers aufgrund
der vom Fahrzeug zurückgelegten
Strecke oder dergleichen gekommen ist, anhand eines Vergleichs der
Temperaturen des Abgaseinströmabschnitts
und des Abgasausströmabschnitts
bestimmt, ob der Ventilkörper tatsächlich umgeschaltet
wird. Selbst wenn der Ventilkörper
zu beliebigen Zeiten umgeschaltet wird, ist dies jedoch ebenfalls
wirksam. Somit kann der Ventilkörper
natürlich
einfach umgeschaltet werden, wenn die Temperatur des Abgasausströmabschnitts höher wird
als die Temperatur des Abgaseinströmabschnitts.
-
Wie
in einem vierten, in 30 dargestellten Ablaufschema
dargestellt, wird, wenn die Temperatur (To) des Abgasausströmabschnitts
des Partikelfilters höher
ist als die Temperatur (Ti) des Abgaseinströmabschnitts (Schritt 401),
bestimmt, ob der Motor gerade verzögert wird (Schritt 402),
und falls bestimmt wird, dass der Motor gerade verzögert wird, kann
der Ventilkörper
umgeschaltet werden (Schritt 403). Die Bestimmung der Motorverzögerung kann genutzt
werden, um ein Kraftstoffunterbrechungssignal zu erfassen, um einen
Niederdrücken
des Bremspedals zu erfassen, während
das Fahrzeug fährt, oder
um ein Loslassen des Gaspedals zu erfassen, während das Fahrzeug fährt.
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Im
Aufbau des Umschaltabschnitts 71 der Vorrichtung zum Reinigen
des Abgases umgeht ein Teil des Abgases das Partikelfilter, während der Hauptkörper 71a aus
einer der Schließstellungen
in die andere der beiden Schließstellungen
geschaltet wird. Während
einer Motorverzögerung
wird eine Kraftstoffunterbrechung durchgeführt oder die eingespritzte
Kraftstoffmenge ist sehr klein, so dass das Abgas fast keine Partikel
enthält.
Wenn der Ventilkörper
zu dieser Zeit umgeschaltet wird, umgeht ein Teil des Abgases das
Partikelfilter, aber es werden keine Partikel an die Atmosphäre abgegeben.
Wenn der Ventilkörper
zu dieser Zeit umgeschaltet wird, umgeht daher ein Teil des Abgases
das Partikelfilter, aber es werden keine Partikel in die Atmosphäre abgegeben.
Bei einer Motorverzögerung
wird ferner eine Kraftstoffunterbrechung durchgeführt oder
die eingespritzte Kraftstoffmenge ist sehr klein, so dass die Temperatur
des Abgases sehr niedrig wird. Falls der Ventilkörper zu dieser Zeit umgeschaltet
wird, umgeht daher ein Teil des Abgases das Partikelfilter und dies
kann verhindern, dass die Temperatur des Partikelfilters sinkt,
d.h. dass die Menge der Partikel, die oxidiert und beseitigt werden,
abnimmt.
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Das
Umschalten des Ventilkörpers 71a ist auch
dann wirksam, wenn es zu einer beliebigen Zeit durchgeführt wird.
Somit kann wie im Ablaufschema von 32 das
Umschalten des Ventilkörpers
einfach bei einer solchen Motorverzögerung wie einer Kraftstoffunterbrechung
durchgeführt
werden.
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In
den dritten und vierten Ablaufschematas werden die Temperaturen
des Abgaseinströmabschnitts
und des Abgasausströmabschnitts des
Partikelfilters aktuell erfasst. Die Temperaturen des Abgaseinströmabschnitts
und des Abgasausströmabschnitts
des Partikelfilters können
jedoch natürlich
auch aufgrund der Temperatur des Abgases, der Menge an Reduktionsmaterial
im Abgas und dergleichen, die sich mit dem Motorbetriebszustand ändern, geschätzt werden. Übrigens
kann auch einfach geschätzt
werden, welche Temperatur die höhere
ist.
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Wenn
SO3 vorhanden ist, bildet Calcium Ca im
Abgas übrigens
Calciumsulfat CaSO4. Calciumsulfat CaSO4 wird kaum oxidiert und entfernt, und bleibt
somit als Asche auf dem Partikelfilter zurück. Um ein Blockieren der Poren
des Partikelfilters, das durch das zurückgebliebene Calciumsulfat
CaSO4 bewirkt wird, zu verhindern, wird
vorzugsweise ein Alkalimetall oder ein Erdalkalimetall mit einer
Ionisationstendenz, die stärker
ist als die von Calcium Ca, wie Kalium K, als aktiven Sauerstoff
abgebendes Mittel 61 verwendet. Daher verbindet sich SO3, das in das aktiven Sauerstoff abgebende
Mittel 61 diffundiert ist, mit Kalium K, um Kaliumsulfat
K2SO4 zu bilden,
und somit verbindet sich Calcium Ca nicht mit SO3,
sondern passiert die Trennwand des Partikelfilters. Somit werden
die Poren des Partikelfilters nicht von der Asche blockiert. Somit
wird vorzugsweise ein Alkalimetall oder ein Erdalkalimetall mit
einer Ionisationstendenz, die stärker
ist als Calcium Ca, wie Kalium K, Lithium Li, Cäsium Cs, Rubidium Rb, Barium Ba
oder Strontium Sr, als aktiven Sauerstoff abgebendes Mittel 61 verwendet.
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Selbst
wenn nur ein Edelmetall, wie Platin Pt, auf dem Partikelfilter als
aktiven Sauerstoff abgebendes Mittel getragen wird, kann aktiver
Sauerstoff vom NO2 oder SO3,
das an der Oberfläche
des Platins Pt gehalten wird, abgegeben werden. In diesem Fall ist jedoch
eine Kurve, die die Partikelmenge darstellt, die oxidiert und beseitigt
werden kann (G), im Vergleich mit der durchgezogenen Kurve, die
in 23 dargestellt ist, leicht nach rechts verschoben.
Ferner kann Ceroxid als aktiven Sauerstoff abgebendes Mittel verwendet
werden. Ceroxid absorbiert Sauerstoff, wenn die Sauerstoffkonzentration
hoch ist (Ce2O3 → 2CeO2) und gibt aktiven Sauerstoff ab, wenn die
Sauerstoffkonzentration abnimmt (2CeO2 → Ce2O3). Um die Partikel
zu oxidieren und zu beseitigen, muss daher das Luft/Kraftstoffverhältnis des
Abgases in regelmäßigen Abständen oder
in unregelmäßigen Abständen auf
einen Wert auf der fetten Seite gebracht werden. Anstelle von Ceroxid
können
Eisen Fe oder Zinn Sn als aktiven Sauerstoff abgebendes Mittel verwendet
werden.
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Als
aktiven Sauerstoff abgebendes Mittel kann ferner ein NOx-Absorptionsmittel
zum Entfernen von NOx verwendet werden. In diesem Fall muss das
Luft/Kraftstoffverhältnis
des Abgases zumindest teilweise auf einen Wert auf der fetten Seite
gebracht werden, um das absorbierte NOx und SOx abzugeben und zu
reduzieren. Vorzugsweise wird das Luft/Kraftstoffverhältnis auf
einen Wert auf der fetten Seite gebracht, nachdem die Gasanströmseite und die
Gasabströmseite
des Partikelfilters umgekehrt wurde.
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In
der vorliegenden Ausführungsform
trägt das
Partikelfilters selbst das aktiven Sauerstoff abgebende Mittel und
aktiver Sauerstoff, der vom aktiven Sauerstoff abgebendes Mittel
abgegeben wird, oxidiert und beseitigt die Partikel. Dies begrenzt
die vorliegende Erfindung jedoch nicht. Beispielsweise kann ein
Partikeloxidationsmaterial, wie aktiver Sauerstoff und NO2, das genau wie aktiver Sauerstoff wirkt,
von einem Partikelfilter oder einem darauf getragenen Material abgegeben
werden oder kann von der Außenseite
her in ein Partikelfilter strömen.
In dem Fall, dass das Partikeloxidationsmaterial von der Außenseite
her in das Partikelfilter strömt,
lagern sich auf einer Rückhaltefläche, die
dann die Abgasabströmseite
ist, keine Partikel erneut an den zurückgebliebenen Partikeln an,
falls die erste Rückhaltefläche und die
zweite Rück haltefläche der
Trennwand abwechselnd verwendet werden, um die Partikel zurückzuhalten,
und die zurückgebliebenen
Partikel können von
dem Partikeloxidationsmaterial, das von der anderen Rückhaltefläche strömt, allmählich oxidiert
und beseitigt werden, und somit werden die zurückgebliebenen Partikel nach
einer gewissen Zeit vollständig entfernt.
Während
dieses Zeitraums kann die andere Rückhaltefläche die Partikel zurückhalten,
und die zurückgehaltenen
Partikel werden durch das Partikeloxidationsmaterial auf der anderen
Rückhaltefläche oxidiert
und beseitigt. Somit können
Wirkungen erhalten werden, die den oben genannten gleich sind. Natürlich steigt
in diesem Fall, falls die Temperatur des Partikelfilters steigt,
die Temperatur der Partikel, und somit ist ihre Oxidation und Beseitigung leicht.
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Der
Dieselmotor der vorliegenden Erfindung kann zwischen einer Niedertemperaturverbrennung und
einer normalen Verbrennung umgeschaltet werden. Dies beschränkt die
vorliegende Erfindung nicht. Natürlich
kann die vorliegende Erfindung auf einen Dieselmotor angewendet
werden, der nur die normale Verbrennung durchführt, oder auf einen Ottomotor,
der Partikel ausstößt.
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Gemäß der Vorrichtung
zur Abgasreinigung der vorliegenden Erfindung weist die Vorrichtung
einen Partikelfilter auf, der im Abgassystem angeordnet ist, und
ein Umkehrmittel zum Umkehren der Abgasanströmseite und der Abgasabströmseite des Partikelfilters.
Die zurückgehaltenen
Partikel werden auf dem Partikelfilter oxidiert, das Partikelfilter
weist eine Rückhaltewand
zum Zurückhalten
der Partikelfilter auf, die Rückhaltewand
weist eine erste Rückhaltefläche und
eine zweite Rückhaltefläche auf,
und das Umkehrmittel kehrt die Abgasabströmseite und die Abgasabströmseite des
Partikelfilters um, so dass die erste Rückhaltefläche und die zweite Rückhaltefläche abwechselnd
verwendet werden, um die Partikel zurückzuhalten. Einige Partikel
können
wegen der ungenügenden
Oxidation auf dem Partikelfilter abhängig vom Motorbetriebszustand
auf einer Rückhaltefläche der
Rückhaltewand
des Partikelfilters zurückbleiben.
Die Abgasanströmseite
und die Abgasabströmseite
des Partikelfilters werden jedoch durch das Umkehrmittel umgekehrt,
so dass keine Partikel sich erneut auf den zurückgebliebenen Partikeln auf
dieser Rückhaltefläche anlagern,
und somit können
die zurückgebliebenen
Partikel allmählich oxidiert
und beseitigt werden. Gleichzeitig beginnt die andere Rückhaltefläche der
Rückhaltewand
damit, die Partikel zurückzuhalten.
Somit kann, falls die erste Rückhaltefläche und
die zweite Rückhaltefläche abwechselnd
verwendet werden, um die Partikel zurückzuhalten, die Partikelmenge,
die auf den einzelnen Rückhalteflächen eingefangen
wird, kleiner werden als diejenige in dem Fall, dass immer die gleiche Rückhaltefläche die
Partikel einfängt.
Dies ist ein Vorteil beim Oxidieren und Beseitigen der Partikel,
und somit lagern sich keine Partikel am Partikelfilter an, so dass
ein Blockieren der Poren des Partikelfilters verhindert werden kann.
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- 6
- KRAFTSTOFFEINSPRITZEINRICHTUNG
- 16
- DROSSELKLAPPE
- 70
- PARTIKELFILTER
- 71
- WECHSELABSCHNITT
- 71a
- VENTILKÖRPER