DE60114836T2

DE60114836T2 - Abgasemissionssteuerungsvorrichtung einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE60114836T2
Application number: DE60114836T
Authority: DE
Inventors: Shinya Toyota-shi Hirota; Toshiaki Toyota-shi Tanaka; Kazuhiro Toyota-shi ITOH; Takamitsu Toyota-shi Asanuma; Koichiro Toyota-shi NAKATANI; Koichi Toyota-shi KIMURA
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-07-24
Filing date: 2001-07-23
Publication date: 2006-04-13
Anticipated expiration: 2021-07-24
Also published as: EP1304454A1; KR100495206B1; WO2002008580A1; US20020162324A1; CN1201070C; KR20020033821A; EP1304454A4; ES2250433T3; US6644023B2; CN1386160A; EP1304454B1; JP3714327B2; DE60114836D1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Reinigung des Abgases eines Verbrennungsmotors.
STAND DER TECHNIK
Das Abgas eines Verbrennungsmotors und insbesondere eines Dieselmotors enthält Partikel, die Kohlenstoff als eine Leitkomponente enthalten. Partikel sind schädliche Substanzen bzw. Materialien, und daher ist vorgeschlagen worden, daß ein Partikelfilter im Abgassystem angeordnet sein soll, um die Partikel abzuscheiden, bevor sie in die Atmosphäre abgegeben werden. In einem solchen Partikelfilter müssen die abgeschiedenen Partikel verbrannt und entfernt werden, um zu vermeiden, daß ein Abgaswiderstand aufgrund der blockierten Gitter zunimmt.
Wenn die Temperatur der Partikel etwa 600°C erreicht, entzünden und verbrennen sie bei einer derartigen Regeneration des Partikelfilters. Üblicherweise ist jedoch die Temperatur eines Abgases eines Dieselmotors beträchtlich niedriger als 600°C, und daher ist eine Heizvorrichtung erforderlich, um den Partikelfilter selbst zu erwärmen.
Die japanische geprüfte Patent-Offenlegungsschrift Nr. 7-106290 offenbart, daß, wenn eines der Platingruppen-Metalle und eines der Oxide der Erdalkalimetalle auf dem Filter getragen werden bzw. aufgetragen sind, die Partikel auf dem Filter verbrennen und sukzessive bei etwa 400°C entfernt werden. 400°C ist eine typische Temperatur des Abgases eines Dieselmotors.
Wenn jedoch der oben erläuterte Filter verwendet wird, ist die Temperatur des Abgases nicht immer etwa 400°C. Weiter kann eine große Menge an Partikeln von einem Dieselmotor gemäß eines Motorbetriebszustands abgegeben werden. Daher können sich Partikel, die nicht jedes mal verbrannt oder entfernt werden können, auf dem Filter absetzen.
Wenn sich eine bestimmte Menge an Partikeln absetzt, sinkt die Fähigkeit, Partikel zu verbrennen und zu entfernen, in diesem Filter derart, daß sich der Filter nicht selber regenerieren kann. Wenn ein derartiger Filter nur im Abgassystem angeordnet ist, kann daher das Blockieren der Filtergitter relativ schnell auftreten.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors bereitzustellen, welche die auf dem Partikelfilter abgeschiedenen Partikel oxidieren und entfernen kann und welche ein Verstopfen der Partikelfiltergitter verhindern kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors bereitgestellt, die einen Partikelfilter, auf dem die abgeschiedenen Partikel oxidiert und entfernt werden, und eine Umkehrungseinrichtung zum Umkehren der Abgas-Stromaufwärtsseite und der Abgas-Stromabwärtsseite des Partikelfilters enthält, wobei der Partikelfilter eine Abscheidewand zum Abscheiden der Partikel aufweist, die Abscheidewand eine erste Abscheidefläche und eine zweite Abscheidefläche aufweist, die Umkehrungseinrichtung die Abgas-Stromaufwärtsseite und die Stromabwärtsseite des Partikelfilters derart umkehrt, daß die erste Abscheidefläche und die zweite Abscheidefläche alternativ verwendet werden, um die Partikel abzuscheiden, der Partikelfilter einen ersten Öffnungsabschnitt und einen zweiten Öffnungsabschnitt aufweist, durch die das Abgas vom Partikelfilter ein- und ausströmt, der Partikelfilter im Abgasrohr angeordnet ist und wenigstens ein Teil des umlaufenden Abschnitts des Partikelfilters zwischen dem ersten Öffnungsabschnitt und dem zweiten Öffnungsabschnitt mit dem Abgasstrom im Abgasrohr in Berührung ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine schematische vertikale Schnittansicht eines Dieselmotors mit einer Vorrichtung zum Reinigen des Abgases gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine vergrößerte vertikale Schnittansicht der Verbrennungskammer von 1;
3 ist eine Unteransicht des Zylinderkopfs von 1;
4 ist eine seitliche Schnittansicht der Verbrennungskammer;
5 ist eine Ansicht, die das Verhältnis zwischen den Beträgen des Einlaß- bzw. Ansaugventilhubs und des Auslaß- bzw. Abgasventilhubs und die Kraftstoffeinspritzung darstellt;
6 ist eine Ansicht, welche die Mengen an erzeugtem Rauch, NO_x und dergleichen darstellt;
7(A) ist eine Ansicht, welche die Veränderung im Verbrennungsdruck darstellt, wenn die Menge an erzeugtem Rauch nahe einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis von 21 am größten ist;
7(B) ist eine Ansicht, welche die Veränderung im Verbrennungsdruck darstellt, wenn die Menge an erzeugtem Rauch nahe einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis von 18 im wesentlichen null ist;
8 ist eine Ansicht, welche die Kraftstoff-Moleküle darstellt;
9 ist eine Ansicht, die das Verhältnis zwischen der Menge an erzeugtem Rauch und der EGR-Rate darstellt;
10 ist eine Ansicht, die das Verhältnis zwischen der Menge an eingespritztem Kraftstoff und der Menge an Mischgas darstellt;
11 ist eine Ansicht, die den ersten Arbeitsbereich (I) und den zweiten Arbeitsbereich (II) darstellt;
12 ist eine Ansicht, die den Ausgang des Luft-Kraftstoff-Sensors darstellt;
13 ist eine Ansicht, die den Öffnungsgrad des Drosselventils und dergleichen darstellt;
14 ist eine Ansicht, die das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im ersten Arbeitsbereich (I) darstellt;
15(A) ist eine Ansicht, die den Soll-Öffnungsgrad des Drosselventils darstellt;
15(B) ist eine Ansicht, die den Soll-Öffnungsgrad des EGR-Steuerventils darstellt;
16 ist eine Ansicht, die das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im zweiten Arbeitsbereich (II) darstellt;
17(A) ist eine Ansicht, die den Soll-Öffnungsgrad des Drosselventils darstellt;
17(B) ist eine Ansicht, die den Soll-Öffnungsgrad des EGR-Steuerventils darstellt;
18 ist eine ebene Schnittansicht, welche die Vorrichtung zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
19 ist eine P-P Schnittansicht von 18;
20(A) ist eine Vorderansicht, welche die Struktur des Partikelfilters darstellt;
20(B) ist eine seitliche Schnittsicht, welche die Struktur des Partikelfilters darstellt;
21(A) und 21(B) sind Ansichten, die den Oxidationsvorgang der Partikel erklären;
22 ist eine Ansicht, die das Verhältnis zwischen der Menge an Partikeln, die oxidiert und entfernt werden können, und der Temperatur des Partikelfilters darstellt;
23(A), 23(B) und 23(C) sind Ansichten, die den Absetzvorgang der Partikel erklären;
24 ist ein erstes Flußdiagramm zur Vermeidung des Absetzens der Partikel auf dem Partikelfilter;
25(A) und 25(B) sind vergrößerte Schnittansichten der Trennwand des Partikelfilters mit den restlichen Partikeln;
26 ist ein zweites Flußdiagramm zur Vermeidung des Absetzens der Partikel auf dem Partikelfilter;
27 ist ein drittes Flußdiagramm zur Vermeidung des Absetzens der Partikel auf dem Partikelfilter; und
28 ist eine ebene Schnittansicht, die eine Abwandlung der Vorrichtung zur Reinigung des Abgases eines Verbrennungsmotors von 18 darstellt.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
1 ist eine schematische vertikale Schnittansicht eines Viertakt-Dieselmotors mit einer Vorrichtung zum Reinigen des Abgases gemäß der vorliegenden Erfindung. 2 ist eine vergrößerte vertikale Schnittansicht einer Verbrennungskammer des Dieselmotors von 1. 3 ist eine Unteransicht eines Zylinderkopfs des Dieselmotors von 1. Gemäß den 1 bis 3 bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein Motorgehäuse, Bezugszeichen 2 bezeichnet ein Zylindergehäuse, Bezugszeichen 3 bezeichnet einen Zylinderkopf, Bezugszeichen 4 bezeichnet einen Kolben, Bezugszeichen 5a bezeichnet eine Aushöhlung, die auf der oberen Fläche des Kolbens 4 ausgebildet ist, Bezugszeichen 5 bezeichnet eine Verbrennungskammer, die in der Aushöhlung 5a ausgebildet ist, Bezugszeichen 6 bezeichnet eine elektrisch gesteuerte Kraftstoff-Einspritzvorrichtung, Bezugszeichen 7 bezeichnet ein Paar von Einlaßventilen, Bezugszeichen 8 bezeichnet einen Ansaugkanal, Bezugszeichen 9 bezeichnet ein Paar von Auslaßventilen, und Bezugszeichen 10 bezeichnet einen Auslaßkanal. Der Ansaugkanal 8 ist über einen korrespondierenden Einlaßkanal 11 mit einem Ausgleichstank 12 verbunden. Der Ausgleichstank 12 ist über einen Einlaßkanal 13 mit einem Luftfilter 14 verbunden. Ein Drosselventil 16, das von einem elektrischen Motor 15 angetrieben wird, ist im Einlaßkanal 13 angeordnet. Andererseits ist der Auslaßkanal 10 mit einem Abgas-Sammelrohr 17 verbunden.
Wie in 1 dargestellt, ist ein Luft-Kraftstoff-Verhältnissensor 21 im Abgas-Sammelrohr 17 angeordnet. Das Abgas-Sammelrohr 17 und der Ausgleichstank 12 sind über einen EGR-Durchlaß 22 miteinander verbunden. Ein elektrisch gesteuertes EGR- Steuerventil 23 ist im EGR-Durchlaß 22 angeordnet. Ein EGR-Kühler 24 ist um den EGR-Durchlaß 22 angeordnet, um das EGR-Gas zu kühlen, das in den EGR-Durchlaß 22 einströmt. In der Ausführungsform nach 1 wird das Motorkühlwasser in den EGR-Kühler 24 gelassen, und daher wird das EGR-Gas durch das Motorkühlwasser gekühlt.
Andererseits ist jede Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 6 mit dem Kraftstoffvorrat, d.h., einer gemeinsamen Druckleitung 26, über einen Kraftstoff-Zufuhrschlauch 25 verbunden. Der Kraftstoff wird der gemeinsamen Druckleitung 26 von einer elektrisch gesteuerten, verstellbaren Kraftstoff-Abgabepumpe 27 zugeführt. Der Kraftstoff welcher der gemeinsamen Druckleitung 26 zugeführt worden ist, wird der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 6 über den jeweiligen Kraftstoff-Zufuhrschlauch 25 zugeführt. Ein Kraftstoff-Drucksensor 28 zur Erfassung eines Kraftstoffdrucks in der gemeinsamen Druckleitung 26 ist an die gemeinsame Druckleitung 26 angebracht. Die Abgabemenge der Kraftstoffpumpe 27 wird auf Basis eines Ausgangssignals des Kraftstoff-Drucksensors 28 derart gesteuert, daß der Kraftstoffdruck in der gemeinsamen Druckleitung 26 der Kraftstoff-Solldruck wird.
Bezugszeichen 30 bezeichnet eine elektronische Steuereinheit. Die Ausgangssignale des Luft-Kraftstoffsensors 21 und des Kraftstoff-Drucksensors 28 sind dafür Eingang. Ein Motorlast-Sensor 41 ist mit dem Gaspedal 40 verbunden, das eine zum Grad des Niederdrückens (L) des Gaspedals 40 proportionale Ausgangsspannung erzeugt. Das Ausgangssignal des Motorlast-Sensors 41 wird auch in die elektronische Steuereinheit 30 eingespeist. Ferner wird auch das Ausgangssignal eines Kurbelwinkel-Sensors 42 zur Erzeugung eines Ausgangsimpulses jedesmal darin eingespeist, wenn sich die Kurbelwelle um beispielsweise 30 Grad dreht. Daher betätigt die elektronische Steuereinheit 30 die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 6, den elektronischen Motor 15, das EGR-Steuerventil 23 und die Kraftstoffpumpe 27 auf Basis der Eingangssignale.
Wie in den 2 und 3 dargestellt, enthält die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 6 in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Düse, die sechs Düsenlöcher aufweist. Kraftstoffnebel (F) werden von den Düsenlöchern in leichter Abwärtsrichtung gegen eine horizontale Ebene mit gleichen Winkelabständen eingespritzt. Wie in 3 dargestellt, werden zwei Kraftstoffnebel (F) von den sechs Kraftstoffnebeln (F) entlang einer unteren Fläche eines jeden Abgasventils 9 zerstäubt. Die 2 und 3 stellen den Fall dar, bei dem der Kraftstoff am Ende des Verdichterhubs eingespritzt wird. In diesem Fall wandern die Kraftstoffnebel (F) zur inneren Umfangsfläche der Aushöhlung 5 und werden danach entzündet und verbrennen.
4 stellt den Fall dar, bei dem zusätzlicher Kraftstoff von der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 6 eingespritzt wird, wenn der Betrag des Hubs der Auslaßventile 9 im Auspuffhub maximal ist. D.h., 5 stellt den Fall dar, bei dem die Haupt-Kraftstoffeinspritzung (Qm) nahe beim oberen Totpunkt der Kompression ausgeführt und danach die Zusatz-Kraftstoffeinspritzung (Qa) in der mittleren Phase des Auspuffhubs ausgeführt wird. In diesem Fall werden die Kraftstoffnebel (F), die zu den Auslaßventilen 9 wandern, zwischen der regenschirmartigen Rückfläche des Auslaßventils 9 und dem Auslaßkanal 10 gerichtet. Anders gesagt, zwei Düsenlöcher der sechs Düsenlöcher der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 6 sind derart ausgebildet, daß, wenn die Auslaßventile 9 geöffnet werden und die Zusatz-Kraftstoffeinspritzung (Qa) ausgeführt wird, die Kraftstoffnebel (F) zwischen der Rückfläche des Auslaßventils 9 und dem Auslaßkanal 10 gerichtet sind. In der Ausführungsform nach 4 beaufschlagen bzw. treffen diese Kraftstoffnebel (F) auf die Rückfläche des Auslaßventils 9 und werden von der Rückfläche des Auslaßventils 9 reflektiert und daher in den Auslaßkanal 10 gerichtet.
Üblicherweise wird die Zusatz-Kraftstoffeinspritzung (Qa) nicht ausgeführt, und nur die Haupt-Kraftstoffeinspritzung (Qm) wird ausgeführt. 6 gibt ein Beispiel eines Versuchs an, der die Veränderung im Ausgangsdrehmoment und der Menge an Rauch, HC, CO und NO_x darstellt, die zum Zeitpunkt abgegeben werden, bei dem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F (Abszisse in 6) durch Verändern des Öffnungsgrads des Drosselventils 16 und der EGR-Rate zum Zeitpunkt des Motor-Niederlastbetriebs verändert wird. Wie aus 6 ersichtlich, je kleiner das Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F in diesem Versuch wird, desto größer wird die EGR-Rate. Wenn das Luft-Kraftstoff- Verhältnis unter dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis (in etwa gleich 14,6) ist, wird die EGR-Rate größer als 65 Prozent.
Wie in 6 dargestellt, beginnt, wenn die EGR-Rate erhöht wird, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F zu verringern, wenn die EGR-Rate nahezu 40 Prozent wird und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F etwa 30 Prozent wird, die Menge an erzeugtem Rauch anzusteigen. Als nächstes nimmt, wenn die EGR-Rate weiter erhöht und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F verringert wird, die Menge an erzeugtem Rauch im wesentlichen zu und erreicht einen Maximalwert. Als nächstes nimmt, wenn die EGR-Rate weiter erhöht und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F verringert wird, die Menge an erzeugtem Rauch stark ab. Wenn die EGR-Rate auf über 65 Prozent eingestellt und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F nahe 15,0 wird, wird die Menge an erzeugtem Rauch nahezu null. D.h., fast kein Ruß wird erzeugt. Zu diesem Zeitpunkt fällt das Ausgangsdrehmoment des Motors etwas, und die Menge an erzeugtem NOx wird beträchtlich kleiner. Andererseits beginnen zu diesem Zeitpunkt die Mengen an erzeugtem HC und CO anzusteigen.
7(A) stellt die Veränderung des Verbrennungsdrucks in der Verbrennungskammer 5 dar, wenn die Menge an erzeugtem Rauch in der Nähe eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses A/F von 21 am größten ist. 7(B) stellt die Veränderung des Verbrennungsdrucks in der Verbrennungskammer 5 dar, wenn die Menge an erzeugtem Rauch in der Nähe eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses A/F von 18 im wesentlichen null ist. Wie aus einem Vergleich der 7(A) und 7(B) ersichtlich, ist der Verbrennungsdruck im in 7(B) dargestellten Fall geringer, bei dem die Menge an erzeugtem Rauch im wesentlichen null ist, als im in 7(A) dargestellten Fall, bei dem die Menge an erzeugtem Rauch groß ist.
Das nachfolgende kann aus den Ergebnissen des in den 6 und 7 dargestellten Versuchs gesagt werden. D.h., erstens, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F geringer als 15,0 ist und die Menge an erzeugtem Rauch im wesentlichen null ist, sinkt die Menge an erzeugtem NO_x beträchtlich, wie in 6 dargestellt. Die Tatsache, daß die Menge an erzeugtem NO_x sinkt, bedeutet, daß die Verbrennungstemperatur in der Verbrennungskammer 5 fällt. Daher kann gesagt werden, daß, wenn fast kein Ruß erzeugt wird, die Verbrennungstemperatur in der Verbrennungskammer 5 geringer wird. Die gleiche Tatsache kann von 7 gesagt werden. D.h., in dem in 7(B) dargestellten Zustand, bei dem fast kein Ruß erzeugt wird, wird der Verbrennungsdruck geringer, weshalb die Verbrennungstemperatur in der Verbrennungskammer 5 zu diesem Zeitpunkt geringer wird.
Zweitens, wenn die Menge an erzeugtem Rauch, d.h., die Menge an erzeugtem Ruß, im wesentlichen null wird, wie in 6 dargestellt, steigen die Mengen an abgegebenem HC und CO an. Dies bedeutet, daß die Kohlenwasserstoffe abgegeben werden, ohne in Ruß umgewandelt zu werden. D.h., die geradkettigen Kohlenwasserstoffe und die aromatischen Kohlenwasserstoffe, die im Kraftstoff enthalten und in 8 dargestellt sind, werden bei einem Temperaturanstieg in einem Sauerstoff-Mangelzustand abgebaut, was in der Bildung eines Ruß-Vorläufers resultiert. Als nächstes wird Ruß erzeugt, der im wesentlichen aus festen Massen von Kohlenstoffatomen zusammengesetzt ist. In diesem Fall ist der tatsächliche Vorgang der Erzeugung von Ruß kompliziert. Wie der Ruß-Vorläufer ausgebildet wird, ist nicht klar, aber was auch immer der Fall ist, die in 8 dargestellten Kohlenwasserstoffe wandeln sich über den Ruß-Vorläufer in Ruß um. Daher nimmt, wie oben erklärt, wenn die Menge der Erzeugung von Ruß im wesentlichen null wird, die Abgasmenge von HC und CO zu, wie in 6 dargestellt, aber der HC ist zu diesem Zeitpunkt ein Ruß-Vorläufer oder in einem Zustand des Kohlenwasserstoffs vor diesem.
Um diese Erwägungen auf Basis der Ergebnisse der in den 6 und 7 dargestellten Versuche zusammenzufassen, wird die Menge an erzeugtem Ruß im wesentlichen null, wenn die Verbrennungstemperatur in der Verbrennungskammer 5 gering ist. Zu diesem Zeitpunkt wird ein Ruß-Vorläufer oder ein Zustand der Kohlenwasserstoffe vor diesem aus der Verbrennungskammer 5 abgegeben. Detailliertere Versuche und Untersuchungen sind durchgeführt worden. Folglich wurde erkannt, daß, wenn die Temperatur des Kraftstoffs und des den Kraftstoff umgebenden Gases in der Verbren nungskammer 5 unter einer bestimmten Temperatur ist, hält der Vorgang der Rußbildung bzw. des Rußwachstums mittendrin an, d.h., überhaupt kein Ruß wird erzeugt, und daß, wenn die Temperatur des Kraftstoffs und des den Kraftstoff umgebenden Gases in der Verbrennungskammer 5 höher als eine bestimmte Temperatur wird, Ruß erzeugt wird.
Die Temperatur des Kraftstoffs und des den Kraftstoff umgebenden Gases verändert sich, wenn der Vorgang des Wachstums der Kohlenwasserstoffe im Zustand des Ruß-Vorläufers anhält, d.h., die obere bestimmte Temperatur, verändert sich in Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren, wie beispielsweise der Kraftstoffart, dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis und dem Verdichtungsverhältnis, so daß nicht gesagt werden kann, wieviel Grad sie hat, aber diese bestimmte Temperatur ist eng verknüpft mit dem Umfang der Erzeugung von NO_x. Daher kann diese bestimmte Temperatur bis zu einem bestimmten Grad vom Umfang der Erzeugung vom NO_x definiert werden. D.h., je höher die EGR-Rate ist, desto geringer wird die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases zum Zeitpunkt der Verbrennung und desto geringer wird die Menge an erzeugtem NO_x. Zu diesem Zeitpunkt, wenn die Menge an erzeugtem NO_x etwa 10 ppm oder geringer wird, wird fast kein Ruß mehr erzeugt. Daher korrespondiert die obere bestimmte Temperatur im wesentlichen mit der Temperatur, bei der die Menge an erzeugtem NO_x etwa 10 ppm oder geringer wird.
Sobald Ruß erzeugt wird, ist es unmöglich, ihn durch Nachbehandlung unter Verwendung eines Katalysators zu reinigen, der eine Oxidationswirkung aufweist. Im Gegensatz dazu kann ein Ruß-Vorläufer oder ein Zustand des Kohlenwasserstoffs vor diesem durch Nachbehandlung unter Verwendung eines Katalysators, der eine Oxidationswirkung aufweist, problemlos gereinigt werden. Daher ist es für die Reinigung des Abgases außerordentlich effektiv, daß die Kohlenwasserstoffe aus der Verbrennungskammer 5 in Gestalt eines Ruß-Vorläufers oder eines Zustands vor diesem mit der Verringerung der Menge an erzeugtem NO_x abgegeben werden.
Um nun das Wachstum der Kohlenwasserstoffe im Zustand vor der Erzeugung des Rußes zu beenden bzw. anzuhalten, ist es erforderlich, die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases zum Zeitpunkt der Verbrennung in der Verbrennungskammer 5 auf einer Temperatur zu halten, die geringer als die Temperatur ist, bei der Ruß erzeugt wird. In diesem Fall ist erkannt worden, daß die wärmeabsorbierende Wirkung des den Kraftstoff umgebenden Gases zum Zeitpunkt der Verbrennung des Kraftstoffs einen außerordentlich großen Effekt beim Niedrighalten der Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases aufweist.
D.h., wenn sich nur Luft um den Kraftstoff befindet, wird der verdampfte Kraftstoff augenblicklich mit dem Sauerstoff in der Luft reagieren und verbrennen. In diesem Fall wird die Temperatur der Luft, die vom Kraftstoff entfernt ist, nicht so sehr ansteigen. Nur die Temperatur um den Kraftstoff wird lokal außerordentlich hoch. D.h., zu diesem Zeitpunkt absorbiert die Luft, die vom Kraftstoff entfernt ist, überhaupt nicht viel der Wärme der Verbrennung des Kraftstoffs. In diesem Fall erzeugen die unverbrannten Kohlenwasserstoffe, welche die Wärme der Verbrennung aufnehmen, Ruß, da die Verbrennungstemperatur lokal außerordentlich hoch wird.
Andererseits ist die Situation etwas anders, wenn der Kraftstoff in einem Mischgas aus einer großen Menge an Inertgas und einer kleinen Menge an Luft ist. In diesem Fall verteilt sich der verdampfte Kraftstoff in der Umgebung und reagiert mit dem Sauerstoff der im Inertgas gemischt ist, um zu verbrennen. In diesem Fall wird die Wärme der Verbrennung durch das umgebende Inertgas absorbiert, so daß die Verbrennungstemperatur nicht länger so stark ansteigt. D.h., die Verbrennungstemperatur kann gering gehalten werden. D.h., die Anwesenheit von Inertgas spielt eine wichtige Rolle im Niedrighalten der Verbrennungstemperatur. Es ist möglich, die Verbrennungstemperatur durch die wärmeabsorbierende Wirkung des Inertgases niedrig zu halten.
Um die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases auf einer Temperatur zu halten, die geringer als die Temperatur ist, bei der Ruß erzeugt wird, ist in diesem Fall eine Menge an Inertgas erforderlich, die ausreicht, um eine Wärmemenge ausreichend zu absorbieren, um die Temperaturen zu senken. Daher steigt, wenn die Kraftstoffmenge ansteigt, die Menge an erforderlichem Inertgas mit dieser an. Zu beachten ist, daß in diesem Fall, je größer die spezifische Wärme des Inertgases ist, desto stärker die wärmeabsorbierende Wirkung wird. Daher wird ein Gas mit einer großen spezifischen Wärme als das Inertgas bevorzugt. Diesbezüglich kann, da CO₂ und EGR relativ große spezifische Wärmen aufweisen, gesagt werden, daß EGR-Gas vorzugsweise als das Inertgas zu verwenden ist.
9 stellt das Verhältnis zwischen der EGR-Rate und dem Rauch dar, wenn EGR-Gas als das Inertgas verwendet wird und der Grad der Kühlung des EGR-Gases verändert wird. D.h., die Kurve (A) in 9 stellt den Fall des starken Kühlens des EGR-Gases und des Haltens der Temperatur des EGR-Gases bei etwa 90°C dar, die Kurve (B) stellt den Fall des Kühlens des EGR-Gases durch eine kompakte Kühlanlage dar, und die Kurve (C) stellt den Fall des nicht zwangsweisen Kühlens des EGR-Gases dar.
Bei starkem Kühlen des EGR-Gases, wie durch die Kurve (A) in 9 dargestellt, erreicht die Menge an erzeugtem Ruß einen Maximalwert, wenn die EGR-Rate etwas unter 50 Prozent ist. In diesem Fall wird, wenn die EGR-Rate auf etwa 55 Prozent oder höher eingestellt wird, fast kein Ruß mehr erzeugt. Falls das EGR-Gas leicht gekühlt wird, wie durch die Kurve (B) in 9 dargestellt, erreicht andererseits die Menge an erzeugtem Ruß einen Maximalwert, wenn die EGR-Rate etwas höher als 50 Prozent ist. In diesem Fall wird, wenn die EGR-Rate auf über etwa 65 Prozent eingestellt wird, fast kein Ruß erzeugt.
Wenn das EGR-Gas nicht zwangsläufig gekühlt wird, wie durch die Kurve (C) in 9 dargestellt, erreicht die Menge an erzeugtem Ruß ferner einen Maximalwert in der Nähe einer EGR-Rate von 55 Prozent. In diesem Fall wird, wenn die EGR-Rate auf über etwa 70 Prozent eingestellt wird, fast kein Ruß erzeugt. Zu beachten ist, daß 9 die Menge an erzeugtem Rauch darstellt, wenn die Motorlast relativ hoch ist. Wenn die Motorlast kleiner wird, sinkt die EGR-Rate, bei der die Menge an erzeugtem Ruß einen Maximalwert erreicht, etwas, und die untere Grenze der EGR-Rate, bei der fast kein Ruß erzeugt wird, fällt auch etwas. Auf diese Weise verändert sich die untere Grenze der EGR-Rate, bei der fast kein Ruß erzeugt wird, entsprechend dem Grad der Kühlung des EGR-Gases oder der Motorlast.
10 stellt die Menge an Mischgas aus EGR-Gas und Luft, die Rate von Luft im Mischgas und die Rate von EGR-Gas im Mischgas dar, die erforderlich sind, um die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases zum Zeitpunkt der Verbrennung auf eine Temperatur einzustellen, die geringer als die Temperatur ist, bei der Ruß im Falle der Verwendung von EGR-Gas als ein Inertgas erzeugt wird. Zu beachten ist, daß in 10 die Ordinate die Gesamtmenge an Ansauggas darstellt, die in die Verbrennungskammer 5 aufgenommen worden ist. Die unterbrochene Linie (Y) stellt die Gesamtmenge an Ansauggas dar, die in die Verbrennungskammer 5 aufgenommen werden kann, wenn keine Überladung ausgeführt wird. Ferner stellt die Abszisse die erforderliche Last dar. (Z1) stellt den Arbeitsbereich bei geringer Motorlast dar.
Gemäß 10 stellt das Verhältnis von Luft, d.h., die Menge an Luft im Mischgas, die Menge an Luft dar, die erforderlich ist, um eine vollständige Verbrennung des eingespritzten Kraftstoffs zu verursachen. D.h. im in 10 dargestellten Fall wird das Verhältnis der Luftmenge und der Menge an eingespritztem Kraftstoff zum stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Andererseits stellt in 10 das Verhältnis des EGR-Gases, d.h., die Menge an EGR-Gas im Mischgas die minimale Menge von EGR-Gas dar, die erforderlich ist, um die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases auf eine Temperatur einzustellen, die geringer als die Temperatur ist, bei der Ruß erzeugt wird, wenn der eingespritzte Kraftstoff vollständig verbrannt ist. Diese Menge an EGR-Gas ist, ausgedrückt in bezug auf die EGR-Rate, gleich oder größer als 55 Prozent, wobei sie in der in 10 dargestellten Ausführungsform größer als 70 Prozent ist. D.h., wenn die Gesamtmenge an Ansauggas, das in die Verbrennungskammer 5 aufgenommen wird, auf die durchgezogene Linie (X) in 10 eingestellt ist und das Verhältnis zwischen der Luftmenge und der EGR-Gasmenge in der Gesamtmenge an Ansauggas (X) auf das in 10 dargestellte Verhältnis eingestellt ist, wird die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases zu einer Temperatur, die geringer als die Temperatur ist, bei der Ruß erzeugt wird, und daher wird überhaupt kein Ruß erzeugt. Ferner ist Menge an erzeugtem NO_x zu diesem Zeitpunkt etwa 10 ppm oder geringer, und daher wird die Menge an erzeugtem NO_x außerordentlich gering.
Wenn die Menge an eingespritztem Kraftstoff zunimmt, nimmt die Menge an erzeugter Wärme zum Zeitpunkt der Verbrennung derart zu, daß die Menge an Wärme, die durch das EGR-Gas adsorbiert wird, erhöht werden muß, um die Temperatur des Kraftstoffs und des ihn umgebenden Gases bei einer Temperatur zu halten, die geringer als die Temperatur ist, bei der Ruß erzeugt wird. Daher muß, wie in 10 dargestellt, die Menge an EGR-Gas mit einer Erhöhung der Menge an eingespritztem Kraftstoff erhöht werden. D.h., die Menge an EGR-Gas muß erhöht werden, wenn die erforderliche Motorlast höher wird.
Andererseits übersteigt im Motorlast-Bereich (Z2) von 10 die Gesamtmenge des Ansauggases (X), die zur Verhinderung der Erzeugung des Rußes erforderlich ist, die Gesamtmenge des Ansauggases (Y), die aufgenommen werden kann. Daher ist es in diesem Fall erforderlich, das EGR-Gas und die Ansaugluft oder nur das EGR-Gas zu überladen oder zu verdichten, um die Gesamtmenge des Ansauggases (X), die zum Verhindern der Erzeugung von Ruß erforderlich ist, der Verbrennungskammer 5 zuzuführen. Wenn das EGR-Gas etc. nicht überladen oder verdichtet wird, korrespondiert im Motorlast-Bereich (Z2) die Gesamtmenge an Ansauggas (X) mit der Gesamtmenge an Ansauggas (Y), die aufgenommen werden kann. Daher wird in diesem Fall, um die Erzeugung von Ruß zu verhindern, die Luftmenge etwas verringert, um die Menge an EGR-Gas zu erhöhen, und der Kraftstoff wird in einem Zustand zum Verbrennen gebracht, bei dem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis fett ist.
Wie vorab erklärt, stellt 10 den Fall der Kraftstoffverbrennung beim stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis dar. Im Betriebsbereich (Z1) geringer Motorlast, dargestellt in 10, ist es möglich, die Erzeugung von Ruß zu verhindern und die Menge an erzeugtem NO_x auf etwa 10 ppm oder geringer einzustellen, selbst wenn die Luftmenge geringer als die in 10 dargestellte Luftmenge eingestellt wird, d.h., selbst wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis fett eingestellt ist. Ferner ist es im Betriebsbereich (Z1) geringer Motorlast, dargestellt in 10, möglich, die Erzeugung von Ruß zu verhindern und die Menge an erzeugtem NO_x auf etwa 10 ppm oder geringer einzustellen, selbst wenn die Luftmenge größer als die in 10 dargestellte Luftmenge eingestellt ist, d.h., wenn der Mittelwert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf 17 bis 18 mager eingestellt ist.
D.h., wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis fett eingestellt ist, ist der Kraftstoff im Überschuß, aber da die Verbrennungstemperatur bei einer geringen Temperatur gehalten wird, wandelt sich der überschüssige Kraftstoff nicht in Ruß um, und daher wird kein Ruß erzeugt. Ferner wird zu diesem Zeitpunkt nur eine außerordentlich kleine Menge an NO_x erzeugt. Wenn der Mittelwert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses mager ist oder wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, wird andererseits eine geringe Menge an Ruß erzeugt, wenn die Verbrennungstemperatur höher wird, aber die Verbrennungstemperatur wird bei einer geringen Temperatur gehalten, und daher wird überhaupt kein Ruß erzeugt. Ferner wird nur eine außerordentlich kleine Menge an NO_x erzeugt.
Auf diese Weise wird im Betriebsbereich (Z1) geringer Motorlast trotz des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, d.h., ob das Luft-Kraftstoff-Verhältnis fett oder das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, oder das mittlere Luft-Kraftstoff-Verhältnis mager ist, kein Ruß erzeugt, und die Menge an erzeugtem NO_x wird außerordentlich gering. Daher kann unter Berücksichtigung der Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs gesagt werden, daß es zu bevorzugen ist, den Mittelwert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses mager einzustellen.
Im Übrigen kann nur, wenn die Motorlast relativ gering und die Menge an erzeugter Wärme gering ist, die Temperatur des Kraftstoffs und des den Kraftstoff umgebenden Gases während der Verbrennung unter einer Temperatur gehalten werden, bei welcher der Vorgang des Rußwachstum bzw. der Rußbildung mittendrin beendet wird. Da her wird in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wenn die Motorlast relativ gering ist, die Temperatur des Kraftstoffs und des den Kraftstoff umgebenden Gases während der Verbrennung unter einer Temperatur gehalten, bei welcher der Vorgang des Rußwachstum bzw. der Rußbildung mittendrin beendet wird, und daher wird eine erste Verbrennung, d.h., eine Niedertemperatur-Verbrennung, ausgeführt. Falls die Motorlast relativ groß ist, wird eine zweite Verbrennung, d.h., eine normale Verbrennung wie üblich ausgeführt. Wie aus der oberen Erklärung ersichtlich, ist hier die erste Verbrennung, d.h., die Niedertemperatur-Verbrennung, eine Verbrennung, bei der die Menge an Inertgas in der Verbrennungskammer größer als die ungünstigste Menge an Inertgas ist, welche die maximale Menge an erzeugtem Ruß verursacht, und daher wird überhaupt kein Ruß erzeugt. Die zweite Verbrennung, d.h., die normale Verbrennung ist eine Verbrennung, bei der die Menge an Inertgas in der Verbrennungskammer geringer als ungünstigste Menge an Inertgas ist.
11 stellt einen ersten Betriebsbereich (I), bei dem die erste Verbrennung, d.h., die Niedertemperatur-Verbrennung ausgeführt wird, und einen zweiten Betriebsbereich (II) dar, bei dem die zweite Verbrennung, d.h., die normale Verbrennung, ausgeführt wird. In 11 stellt die Ordinate (L) den Grad des Niederdrückens des Gaspedals 40, d.h. die erforderliche Motorlast, dar. Die Abszisse (N) stellt die Motordrehzahl dar. Ferner stellt in 11 X(N) eine erste Grenze zwischen dem ersten Betriebsbereich (I) und dem zweiten Betriebsbereich (II) dar. Y(N) stellt eine zweite Grenze zwischen dem ersten Betriebsbereich (I) und dem zweiten Betriebsbereich (II) dar. Die Entscheidung des Wechselns vom ersten Betriebsbereich (I) zum zweiten Betriebsbereich (II) wird auf Basis der ersten Grenze X(N) ausgeführt. Die Entscheidung des Wechselns vom zweiten Betriebsbereich (II) zum ersten Betriebsbereich (I) wird auf Basis der zweiten Grenze Y(N) ausgeführt.
D.h., wenn die Motorbetriebsbedingung im ersten Betriebsbereich (I) ist und die Niedertemperatur-Verbrennung ausgeführt wird, falls die erforderliche Motorlast (L) jenseits der ersten Grenze X(N), die eine Funktion der Motordrehzahl (N) ist, ansteigt, wird ermittelt, daß der Motorbetriebsbereich in den zweiten Betriebsbereich (II) wechselt, und daher die normale Verbrennung ausgeführt wird. Anschließend wird, wenn die erforderliche Motorlast (L) unter die zweite Grenze Y(N), die eine Funktion der Motordrehzahl (N) ist, sinkt, ermittelt, daß der Motorbetriebsbereich in den ersten Betriebsbereich (I) wechselt, und daher wieder die Niedertemperatur-Verbrennung ausgeführt wird.
12 stellt den Ausgang des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 21 dar. Wie in 12 dargestellt, verändert sich der Ausgabestrom (I) des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 21 entsprechend dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F. Demgemäß kann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis aus dem Ausgabestrom (I) des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 21 ermittelt bzw. gewonnen werden. Als nächstes wird mit Bezug auf 13 die Motor-Betriebssteuerung im ersten Betriebsbereich (I) und im zweiten Betriebsbereich (II) schematisch erklärt.
13 stellt den Öffnungsgrad des Drosselventils 16, den Öffnungsgrad des EGR-Steuerventils 23, die EGR-Rate, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, den Kraftstoff-Einspritzzeitpunkt und die Menge an eingespritztem Kraftstoff in Bezug auf die erforderliche Motorlast (L) dar. Wie in 13 dargestellt, wird im ersten Betriebsbereich (I), wenn die erforderliche Motorlast (L) gering ist, das Drosselventil 16 vom nahezu vollständig geschlossenen Zustand zum etwa halb-geöffneten Zustand einher mit einer Zunahme der erforderlichen Motorlast (L) allmählich geöffnet, und das EGR-Steuerventil 23 wird vom nahezu vollständig geschlossenen Zustand zum vollständig geöffneten Zustand einher mit einer Zunahme der erforderlichen Motorlast (L) allmählich geöffnet. In der in 13 dargestellten Ausführungsform wird die EGR-Rate im ersten Betriebsbereich (I) auf etwa 70 Prozent eingestellt, und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis darin wird etwas mager eingestellt.
Anders gesagt werden im ersten Betriebsbereich (I) die Öffnungsgrade des Steuerventils 16 und des EGR-Steuerventils 23 derart gesteuert, daß die EGR-Rate auf etwa 70 Prozent eingestellt ist, und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird ein etwas mageres Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu diesem Zeitpunkt wird auf das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis hin gesteuert, um den Öffnungsgrad des EGR-Steuerventils 23 auf Basis des Ausgangssignals des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 21 zu korrigieren. Im ersten Betriebsbereich (I) wird der Kraftstoff vor dem oberen Totpunkt TDC der Kompression eingespritzt. In diesem Fall wird der Startzeitpunkt (ΘS) der Kraftstoffeinspritzung einher mit einer Zunahme der erforderlichen Motorlast (L) verzögert, und der Endzeitpunkt (ΘE) der Kraftstoffeinspritzung wird einher mit der Verzögerung des Startzeitpunkt (ΘS) der Kraftstoffeinspritzung verzögert.
In der Leerlauf-Betriebsart ist das Drosselventil 16 bis zum nahezu vollständig geschlossenen Zustand geschlossen. Zu diesem Zeitpunkt ist das EGR-Steuerventil 23 auch bis zum nahezu vollständig geschlossenen Zustand geschlossen. Wenn das Drosselventil 16 bis zum nahezu vollständig geschlossenen Zustand geschlossen ist, wird der Druck in der Verbrennungskammer 5 in der Anfangsphase des Kompressionshubs gering eingestellt, und daher wird der Kompressionsdruck gering. Wenn der Kompressionsdruck gering wird, wird die Kompressionsarbeit des Kolbens 4 klein, und daher wird die Vibration des Motorgehäuses 1 gering. D.h., in der Leerlauf-Betriebsart ist das Drosselventil 16 bis zum nahezu vollständig geschlossenen Zustand geschlossen, um die Vibration des Motorgehäuses 1 einzudämmen.
Wenn andererseits der Motorbetriebsbereich vom ersten Betriebsbereich (I) zum zweiten Betriebsbereich (II) wechselt, nimmt der Öffnungsgrad des Drosselventils 16 durch einen Schritt vom halb-geöffneten Zustand zum vollständig geöffneten Zustand zu. Zu diesem Zeitpunkt nimmt in der in 13 dargestellten Ausführungsform die EGR-Rate um einen Schritt von etwa 70 Prozent auf unter 40 Prozent ab, und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis nimmt um einen Schritt zu. D.h., die EGR-Rate springt über das EGR-Raten-Ausmaß hinaus (9), bei dem die große Menge an Rauch erzeugt wird, und daher wird eine große Menge an Rauch nicht erzeugt, wenn der Motorbetriebsbereich vom ersten Betriebsbereich (I) zum zweiten Betriebsbereich (II) wechselt.
Im zweiten Betriebsbereich (II) wird die normale Verbrennung wie üblich ausgeführt. Diese Verbrennung verursacht die Erzeugung von etwas Ruß und NO_x. Jedoch ist der thermische Wirkungsgrad davon höher als jener der Niedertemperatur-Verbrennung. Wenn der Motorbetriebsbereich vom ersten Betriebsbereich (I) zum zweiten Betriebsbereich (II) wechselt, nimmt daher die Menge an eingespritztem Kraftstoff um einen Schritt ab, wie in 13 dargestellt.
Im zweiten Betriebsbereich (II) wird das Drosselventil 16 im vollständig geöffneten Zustand außer in einem Teil davon gehalten. Der Öffnungsgrad des EGR-Steuerventils 23 nimmt einher mit einer Zunahme der erforderlichen Motorlast (L) allmählich ab. In diesem Betriebsbereich (II) nimmt die EGR-Rate einher mit einer Zunahme der erforderlichen Motorlast (L) ab, und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis nimmt einher mit einer Zunahme der erforderlichen Motorlast (L) ab. Jedoch wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf ein mageres Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingestellt, selbst wenn die erforderliche Motorlast (L) groß wird. Ferner wird im zweiten Betriebsbereich (II) der Startzeitpunkt (ΘS) der Kraftstoffeinspritzung in die Nähe des oberen Totpunkts TDC der Kompression eingestellt.
14 stellt das Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F im ersten Betriebsbereich (I) dar. In 14 stellen die Kurven, die mit A/F = 15,5, A/F = 16, A/F = 17 und A/F = 18 bezeichnet sind, jeweils die Fälle dar, bei denen die Luft-Kraftstoff-Verhältnisse 15,5, 16, 17 und 18 sind. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zwischen zwei der Kurven ist durch die proportionale Verteilung definiert. Wie in 14 dargestellt, ist im ersten Betriebsbereich (I) das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mager, und je geringer die erforderliche Motorlast (L) wird, desto magerer ist das Luft-Kraftstoff-Verhältnis.
D.h., die Menge an bei der Verbrennung erzeugter Wärme nimmt einher mit einer Abnahme der erforderlichen Motorlast (L) ab. Selbst wenn die EGR-Rate einher mit einer Abnahme der erforderlichen Motorlast (L) abnimmt, kann daher die Niedertemperatur-Verbrennung ausgeführt werden. Wenn die EGR-Rate abnimmt, wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis groß. Daher nimmt, wie in 14 dargestellt, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F einher mit einer Abnahme der erforderlichen Motorlast (L) zu. Je größer das Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird, desto stärker verbessert sich der Kraftstoffver brauch. Demgemäß nimmt in der vorliegenden Erfindung das Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F einher mit einer Abnahme in der erforderlichen Motorlast (L) derart zu, daß das Luft-Kraftstoff-Verhältnis so mager wie möglich eingestellt wird.
Ein Soll-Öffnungsgrad (ST) des Drosselventils 16, der erforderlich ist, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf das in 14 dargestellte Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis einzustellen, wird im ROM der elektronischen Steuereinheit als eine Karte gespeichert, in der er eine Funktion der erforderlichen Motorlast (L) und der Motordrehzahl (N), dargestellt in 15(A), ist. Ein Soll-Öffnungsgrad (SE) des EGR-Steuerventils 23, der erforderlich ist, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf das in 14 dargestellte Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis einzustellen, wird im ROM der elektronischen Steuereinheit als eine Karte gespeichert, in der er eine Funktion der erforderlichen Motorlast (L) und der Motordrehzahl (N), dargestellt in 15(B), ist.
16 stellt Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnisse dar, wenn die zweite Verbrennung, d.h., die normale Verbrennung, wie üblich ausgeführt wird. In 16 stellen die Kurven, die mit A/F = 24, A/F = 35, A/F = 45 und A/F = 60 bezeichnet sind, jeweils die Fälle dar, bei denen die Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnisse 24, 35, 45 und 60 sind. Ein Soll-Öffnungsgrad (ST) des Drosselventils 16, der erforderlich ist, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis einzustellen, wird im ROM der elektronischen Steuereinheit als eine Karte gespeichert, in der er eine Funktion der erforderlichen Motorlast (L) und der Motordrehzahl (N), dargestellt in 17(A), ist. Ein Soll-Öffnungsgrad (SE) des EGR-Steuerventils 23, der erforderlich ist, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis einzustellen, wird im ROM der elektronischen Steuereinheit als eine Karte gespeichert, in der er eine Funktion der erforderlichen Motorlast (L) und der Motordrehzahl (N), dargestellt in 17(B), ist.
Daher werden im erfindungsgemäßen Dieselmotor die erste Verbrennung, d.h. die Niedertemperatur-Verbrennung, und die zweite Verbrennung, d.h. die normale Verbrennung, auf Basis des Grads des Niederdrückens (L) des Gaspedals 40 und der Motordrehzahl (N) gewechselt. Bei jeder Verbrennung wird der Öffnungsgrad des Drosselventils 16 und des EGR-Steuerventils durch die in den 15 und 17 dargestellten Karten auf Basis des Grads des Niederdrückens (L) des Gaspedals 40 und der Motordrehzahl (N) gesteuert.
18 ist eine ebene Ansicht, die eine Vorrichtung zum Reinigen des Abgases darstellt, und 19 ist eine P-P-Schnittansicht von 18. Die Vorrichtung ist mit der angrenzenden Stromabwärtsseite des Abgassammelrohrs 17 verbunden und ist daher im Abgassystem beträchtlich stromaufwärts zum Schalldämpfer angeordnet, der am Öffnungsende zur Atmosphäre angeordnet ist. Die Vorrichtung weist ein Abgasrohr 71 auf. Das Abgasrohr 71 weist einen ersten Abschnitt 71a mit einem kleinen Durchmesser, der mit dem Abgassammelrohr 17 verbunden ist, einen zweiten Abschnitt 71b mit einem kleinen Durchmesser, der mit dem stromabwärts angeordneten Abgasdurchlaß verbunden ist, und einen Abschnitt 71c mit einem großen Durchmesser auf, der zwischen dem ersten Abschnitt 71a mit kleinem Durchmesser und dem zweiten Abschnitt 71b mit kleinem Durchmesser angeordnet ist. Beide Enden des Abschnitts 71c mit großem Durchmesser weisen eine Stumpfgestalt auf und sind mit dem ersten Durchmesser-Abschnitt 71a und dem zweiten Durchmesser-Abschnitt 71b verbunden.
Der Innenraum des Abschnitts 71c mit großem Durchmesser ist durch zwei Wandabschnitte 72a bzw. 72b geteilt, die sich in der Längsrichtung erstrecken und die parallel zueinander sind, und bildet daher einen ersten Strömungsdurchlaß 73a und einen zweiten Strömungsdurchlaß 73b, die auf beiden Seiten angeordnet sind, und einen dritten Strömungsdurchlaß 73c aus, der in der Mitte angeordnet ist. Hier strömt das gesamte Abgas vom ersten Abschnitt 71a mit kleinem Durchmesser in den dritten Strömungsdurchlaß 73c. Im Abschnitt 71c mit großem Durchmesser ist ein Partikelfilter 70, der eine Frontgestalt eines Ovals aufweist, derart angeordnet, daß sich die Mittellinien des Partikelfilters und des Abschnitts 71c mit großem Durchmesser im rechten Winkel überkreuzen, und derart angeordnet, daß der Partikelfilter 70 die beiden Wandabschnitte 71a und 71b durchdringt.
Der Partikelfilter 70 weist einen ersten Öffnungsabschnitt 70a und einen zweiten Öffnungsabschnitt 70b auf, durch die das Abgas ein- und ausströmt aus dem Partikelfilter. Der erste Öffnungsabschnitt 70a steht in Verbindung mit dem ersten Strömungsdurchlaß 73a, und der zweite Öffnungsabschnitt 70b steht in Verbindung mit dem zweiten Strömungsdurchlaß 73b. Hier bedeutet die obere Mittellinie des Partikelfilters die Mittellinie, die durch den ersten Öffnungsabschnitt 70a und den zweiten Öffnungsabschnitt 70b durchgreift. Wie nachfolgend im Detail erklärt, ist sowohl der erste Öffnungsabschnitt 70a als auch der zweite Öffnungsabschnitt 70b des Partikelfilters 70 aus einer Mehrzahl der Öffnungen konstruiert. Der dritte Strömungsdurchlaß 73c ist durch den umlaufenden Abschnitt des Partikelfilters 70 zwischen dem ersten Öffnungsabschnitt 70a und dem zweiten Öffnungsabschnitt 70b teilweise in den oberen Teil und den unteren Teil geteilt. Daher strömt das Abgas in Berührung mit dem umlaufenden Abschnitt 70c des Partikelfilters 70 in den dritten Strömungsdurchlaß.
Ferner ist ein drehbarer Ventilkörper 74 am stromabwärtsseitigen Ende des Abschnitts 71c mit großem Durchmesser angeordnet. In einer ersten Position des Ventilkörpers 74, die durch die durchgezogene Linie dargestellt ist, ist der dritte Strömungsdurchlaß 73c mit dem ersten Strömungsdurchlaß 73a und ist der zweite Strömungsdurchlaß 73b mit dem zweiten Abschnitt 71b mit kleinem Durchmesser verbunden. Daher strömt das Abgas vom dritten Strömungsdurchlaß 73c zum ersten Strömungsdurchlaß 73a und tritt durch den Partikelfilter 70 vom ersten Öffnungsabschnitt 70a zum zweiten Öffnungsabschnitt 70b, wie durch den Pfeil mit durchgezogener Linie dargestellt, und strömt über den zweiten Strömungsdurchlaß 73b zum zweiten Abschnitt 71b mit kleinem Durchmesser aus. In einer zweiten Position des Ventilkörpers 74, das durch die unterbrochene Linie dargestellt ist, ist der dritte Strömungsdurchlaß 73c mit dem zweiten Strömungsdurchlaß 73b und ist der erste Strömungsdurchlaß 73a mit dem zweiten Abschnitt 71b mit kleinem Durchmesser verbunden. Daher strömt das Abgas vom dritten Strömungsdurchlaß 73c zum zweiten Strömungsdurchlaß 73b und tritt durch den Partikelfilter 70 vom zweiten Öffnungsabschnitt 70b zum ersten Öffnungsabschnitt 70a, wie durch den Pfeil mit unterbrochener Linie dargestellt, und strömt über den ersten Strömungsdurchlaß 73a zum zweiten Abschnitt 71b mit kleinem Durchmesser aus.
Auf diese Weise wird der Ventilkörper 74 von entweder der ersten Position oder der zweiten Position zur anderen umgeschaltet, so daß die Stromaufwärtsseite und die Stromabwärtsseite des Partikelfilters 70 umgekehrt werden können. Ferner strömt, wenn der Ventilkörper 74 bei einer Öffnungsposition zwischen der ersten Position und der zweiten Position angenommen wird, das Abgas vom dritten Strömungsdurchlaß 73c zum zweiten Abschnitt 71b mit kleinem Durchmesser, ohne durch den Partikelfilter 70 hindurchzutreten, und auf diese Weise kann das Abgas den Partikelfilter 70 umgehen.
Auf diese Weise kann die vorliegende Vorrichtung zur Reinigung des Abgases die Abgas-Stromaufwärtsseite und die Abgas-Stromabwärtsseite des Partikelfilters durch eine sehr einfache Konstruktion umkehren. Weiter erfordert der Partikelfilter eine große Öffnungsfläche, um die Einleitung des Abgases zu erleichtern. In der Vorrichtung sind die Öffnungsabschnitte des Partikelfilters in der Längsrichtung des Abgasrohrs angeordnet, und daher kann der Partikelfilter, der eine große Öffnungsfläche aufweist, verwendet werden, ohne seine Montage am Fahrzeug zu erschweren.
20 stellt die Struktur des Partikelfilters 70 dar, wobei (A) eine Vorderansicht des Partikelfilters 70 ist, d.h., eine Ansicht, die 19 aus der Richtung des Pfeils darstellt, und (B) eine seitliche Schnittansicht davon ist. Wie in diesen Figuren dargestellt, weist der Partikelfilter 70 eine ovale Gestalt auf, und ist beispielsweise der Wandströmungstyp einer Honigwabenstruktur, die aus einem porösen Material, wie beispielsweise Cordierit, ausgebildet ist und weist viele Hohlräume in der Axialrichtung auf, die durch viele Trennwände 54 geteilt sind, die sich in der Axialrichtung erstrecken. Einer von jeweils zwei benachbarten Hohlräumen ist durch einen Stopfen 53 auf der Abgas-Stromabwärtsseite verschlossen, und der andere ist durch einen Stopfen 53 auf der Abgas-Stromaufwärtsseite verschlossen. Daher dient einer der beiden benachbarten Hohlräume als ein Abgas-Einströmdurchlaß 50 und der andere dient als ein Abgas-Ausströmdurchlaß 51, was verursacht, daß das Abgas gezwungen wird, durch die Trenn wand 54 hindurchzutreten, wie durch die Pfeile in 20(B) angezeigt wird. Die im Abgas enthaltenen Partikel sind viel kleiner als die Poren der Trennwand 54, kollidieren aber damit und werden auf der abgas-stromaufwärtsseitigen Fläche der Trennwand 54 und auf der Porenfläche in der Trennwand 54 abgeschieden. Auf diese Weise funktioniert jede Trennwand 54 als eine Abscheidewand zum Abscheiden der Partikel. Im vorliegenden Partikelfilter 70 werden, um die abgeschiedenen Partikel zu oxidieren und zu entfernen, ein aktivsauerstoff-freisetzendes Agens und ein Edelmetall-Katalysator, die nachfolgend erklärt werden, auf beiden Seitenflächen der Trennwand 54 und vorzugsweise auch auf den Porenflächen in der Trennwand 54 getragen.
Das aktivsauerstoff-freisetzende Agens setzt Aktivsauerstoff frei, um die Oxidation der Partikel zu fördern, und nimmt vorzugsweise Sauerstoff auf und hält ihn, wenn überschüssiger Sauerstoff in der Umgebung vorhanden ist, und setzt den gehaltenen Sauerstoff als Aktivsauerstoff frei, wenn die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung sinkt.
Als Edelmetall-Katalysator wird üblicherweise Platin Pt verwendet. Als das aktivsauerstoff-freisetzende Agens wird wenigstens eines verwendet, ausgewählt aus Alkalimetallen, wie beispielsweise Kalium K, Natrium, Na, Lithium Li, Cäsium Cs und Rubidium Rb, Erdalkalimetallen, wie beispielsweise Barium Ba, Calcium Ca und Strontium Sr, Seltenerdmetallen, wie beispielsweise Lanthan La und Yttrium Y, und Übergangsmetallen.
Es wird angestrebt, als ein aktivsauerstoff-freisetzendes Agens ein Alkali- oder ein Erdalkalimetall zu verwenden, das eine Ionisierungsneigung aufweist, die stärker ist als die von Calcium Ca, d.h., Kalium K, Lithium Li, Cäsium Cs, Rubidium Rb, Barium Ba oder Strontium Sr zu verwenden.
Als nächstes wird im folgenden erklärt, wie die auf dem Partikelfilter abgeschiedenen Partikel vom Partikelfilter oxidiert und entfernt werden, der ein solches aktivsauerstoff-freisetzendes Agens trägt, mit Bezug auf den Fall der Verwendung von Platin Pt und Kalium K. Die Partikel werden auf die gleiche Weise oxidiert und entfernt, selbst wenn ein anderes Edelmetall und ein anderes Alkalimetall, ein Erdalkalimetall, ein Seltenerdelement oder ein Übergangsmetall verwendet werden.
In einem Dieselmotor findet die Verbrennung üblicherweise unter einer Überschußluftbedingung statt, und daher enthält das Abgas eine große Menge an Überschußluft. D.h., wenn das Verhältnis von der Luft zum Kraftstoff, die dem Ansaug- bzw. Einlaßsystem und der Verbrennungskammer zugeführt werden, ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases genannt wird, ist das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mager. Ferner wird NO in der Verbrennungskammer erzeugt, und daher enthält das Abgas NO. Der Kraftstoff enthält ferner Schwefel S, und Schwefel S reagiert mit Sauerstoff in der Verbrennungskammer, um SO₂ zu bilden. Demgemäß enthält das Abgas SO₂. Daher strömt das Abgas, das überschüssigen Sauerstoff, NO und SO₂ enthält, in die Abgas-Stromaufwärtsseite des Partikelfilters 70.
Die 21(A) und 21(B) sind vergrößerte Ansichten, die schematisch die Oberfläche des Partikelfilters 70 darstellen, mit der das Abgas in Berührung kommt. In den 21(A) und 21(B) bezeichnet Bezugszeichen 60 einen Partikel aus Platin Pt, und 61 bezeichnet das aktivsauerstoff-freisetzende Agens, das Kalium K enthält.
Wie oben beschrieben, enthält das Abgas eine große Menge an Überschußsauerstoff. Wenn das Abgas die Abgas-Kontaktfläche des Partikelfilters berührt, verbindet sich Sauerstoff O₂ haftend mit der Oberfläche des Platins Pt in Gestalt von O₂ ^– oder O^2–, wie es in 21(A) dargestellt ist. Andererseits reagiert NO im Abgas mit O₂ ^– oder O^2– auf der Oberfläche des Platins Pt, um NO₂ zu erzeugen (2NO + O₂ → 2NO₂). Als nächstes wird ein Teil des erzeugten NO₂ im aktivsauerstoff-freisetzenden Agens 61 ab_sorbiert, während es auf dem Platin Pt oxidiert wird, und diffundiert in das aktivsauerstoff-freisetzende Agens 61 in Gestalt von Salpetersäureionen bzw. Nitrationen NO₃, während es mit Kalium K kombiniert wird, um Kaliumnitrat KNO₃ zu bilden, wie in 21(A) dargestellt. Daher wird in der vorliegenden Ausführungsform das im Abgas enthaltene NO_x im Partikelfilter 70 absorbiert, und eine Menge davon, die in die Atmosphäre freigesetzt wird, kann verringert werden.
Das Abgas enthält ferner SO₂, wie oben beschrieben, und SO₂ wird ebenfalls im aktivsauerstoff-freisetzenden Agens 61 aufgrund eines Mechanismus absorbiert, der ähnlich dem im Falle von NO ist. D.h., wie oben beschrieben, verbindet sich Sauerstoff O₂ haftend mit der Oberfläche des Platins Pt in Gestalt von O₂ ^– oder O^2–, und SO₂ im Abgas reagiert mit O₂ ^– oder O^2– auf der Oberfläche des Platins Pt, um SO₃ zu erzeugen.
Als nächstes wird ein Teil des erzeugten SO₃ im aktivsauerstoff-freisetzenden Agens 61 absorbiert, während es auf dem Platin Pt oxidiert wird, und diffundiert in das aktivsauerstoff-freisetzende Agens 61 in Gestalt von Schwefelsäureionen bzw. Sulfationen SO₄ ^2–, während es mit Kalium K kombiniert wird, um Kaliumsulfat K₂SO₄ zu bilden. Auf diese Weise werden Kaliumnitrat KNO₃ und Kaliumsulfat K₂SO₄ im aktivsauerstofffreisetzenden Agens 61 erzeugt.
Die Partikel im Abgas verbinden sich haftend mit der Oberfläche des aktivsauerstoff-freisetzenden Agens 61, das durch den Partikelfilter getragen wird, wie sie durch 62 in 21(B) bezeichnet sind. Zu diesem Zeitpunkt sinkt die Sauerstoffkonzentration auf der Oberfläches des aktivsauerstoff-freisetzenden Agens 61, mit dem die Partikel 62 in Berührung sind. Wenn die Sauerstoffkonzentration sinkt, tritt ein Unterschied in der Konzentration bzw. ein Konzentrationsgradient am aktivsauerstoff-freisetzenden Agens 61 auf, das eine hohe Sauerstoffkonzentration aufweist, und daher tendiert der Sauerstoff im aktivsauerstoff-freisetzenden Agens 61, an die Oberfläche des aktivsauerstofffreisetzenden Agens 61 zu wandern, mit der die Partikel 62 in Berührung sind. Folglich wird Kaliumnitrat KNO₃, das im aktivsauerstoff-freisetzenden Agens 61 erzeugt worden ist, in Kalium K, Sauerstoff O und NO zersetzt, wobei Sauerstoff O an die Oberfläche des aktivsauerstoff-freisetzenden Agens 61 wandert, mit der die Partikel 62 in Berührung sind, und NO wird an die Außenseite vom aktivsauerstoff-freisetzenden Agens 61 abgegeben. NO, das an die Außenseite abgegeben worden ist, wird auf dem Platin Pt auf der Stromabwärtsseite oxidiert und wird wiederum im aktivsauerstoff-freisetzenden Agens 61 absorbiert.
Zu diesem Zeitpunkt wird ferner auch Kaliumsulfat K₂SO₄, das im aktivsauerstoff-freisetzenden Agens 61 erzeugt worden ist, in Kalium K, Sauerstoff O und SO₂ zersetzt, wobei der Sauerstoff O an die Oberfläche des aktivsauerstoff-freisetzenden Agens 61 wandert, mit der die Partikel 62 in Berührung sind, und SO₂ wird vom aktivsauerstoff-freisetzenden Agens 61 an die Außenseite abgegeben. SO₂, das an die Außenseite abgegeben worden ist, wird auf dem Platin Pt auf der Stromabwärtsseite oxidiert und wird wiederum im aktivsauerstoff-freisetzenden Agens 61 absorbiert. Hier ist Kaliumsulfat K₂SO₄ jedoch stabil und setzt weniger Aktivsauerstoff als Kaliumnitrat KNO₃ frei.
Andererseits wird der Sauerstoff O, der an die Oberfläche des aktivsauerstoff-freisetzenden Agens 61 wandert, mit dem die Partikel 62 in Berührung sind, von solchen Verbindungen wie Kaliumnitrat KNO₃ oder Kaliumsulfat K₂SO₄ zersetzt. Der Sauerstoff O, der von der Verbindung zersetzt worden ist, weist einen hohen Energiegehalt auf und zeigt eine sehr hohe Aktivität. Daher ist der Sauerstoff, der an die Oberfläche des aktivsauerstoff-freisetzenden Agens 61 wandert, mit der die Partikel 62 in Berührung sind, Aktivsauerstoff O. Durch In-Berührung-Kommen mit dem Aktivsauerstoff O werden die Partikel 62 in einer kurzen Zeit, beispielsweise in wenigen Minuten oder wenigen zehn Minuten, oxidiert, ohne eine leuchtende Flamme zu erzeugen. Ferner wird der Aktivsauerstoff zum Oxidieren der Partikel 62 ebenfalls freigesetzt, wenn NO und SO₂ im aktivsauerstoff-freisetzenden Agens 61 absorbiert werden. D.h., es kann angenommen werden, daß NO_x in das aktivsauerstoff-freisetzende Agens 61 in Gestalt von Salpetersäureionen NO₃ ^– diffundiert, während es mit Sauerstoffatomen kombiniert wird und um von den Sauerstoffatomen getrennt zu werden, und während dieses Zeitpunkts wird Aktivsauerstoff erzeugt. Die Partikel 62 werden auch durch diesen Aktivsauerstoff oxidiert. Ferner werden die Partikel 62, die haftend mit dem Partikelfilter 70 verbunden sind, nicht nur durch Aktivsauerstoff, sondern auch durch Sauerstoff oxidiert, der im Abgas enthalten ist.
Je höher die Temperatur des Partikelfilters wird, desto stärker werden das Platin Pt und das aktivsauerstoff-freisetzende Agens 61 aktiviert. Je höher die Temperatur des Partikelfilters 70 wird, desto größer wird daher die Menge an Aktivsauerstoff O, die vom aktivsauerstoff-freisetzenden Agens 61 pro Zeiteinheit freigesetzt wird. Ferner, je höher die Temperatur der Partikel ist, desto einfacher werden die Partikel natürlich oxidiert. Daher nimmt die Menge an Partikeln, die pro Zeiteinheit oxidiert und entfernt werden können, ohne eine leuchtende Flamme auf dem Partikelfilter zu erzeugen, einher mit einer Zunahme der Temperatur des Partikelfilters zu.
Die durchgezogene Linie in 22 stellt die Menge an Partikeln (G) dar, die pro Zeiteinheit oxidiert und entfernt werden können, ohne eine leuchtende Flamme zu erzeugen. In 22 repräsentiert die Abzisse die Temperatur TF des Partikelfilters. Hier stellt 22 den Fall dar, daß die Zeiteinheit 1 Sekunde beträgt, d.h., die Menge an Partikeln (G), die pro 1 Sekunde oxidiert und entfernt werden können. Jedoch kann jede Zeit, wie beispielsweise 1 Minute, 10 Minuten oder dergleichen als Zeiteinheit gewählt werden. Beispielsweise repräsentiert in dem Fall, daß 10 Minuten als Zeiteinheit verwendet werden, die Menge an Partikeln (G), die pro Zeiteinheit oxidiert und entfernt werden können, die Menge an Partikeln (G), die pro 10 Minuten oxidiert und entfernt werden können. In ebendiesem Fall nimmt die Menge an Partikeln (G), die oxidiert und entfernt werden können, ohne eine leuchtende Flamme zu erzeugen, mit einer Zunahme der Temperatur des Partikelfilters 70 zu, wie in 22 dargestellt.
Die Menge an Partikeln, die von der Verbrennungskammer pro Zeiteinheit abgegeben werden, wird eine Menge an abgegebenen Partikeln (M) genannt. Wenn die Menge an abgegebenen Partikeln (M) kleiner ist als die Menge an Partikeln (G), die oxidiert und entfernt werden können, wenn beispielsweise die Menge an abgegebenen Partikeln (M) pro 1 Sekunde kleiner ist als die Menge an Partikeln (G), die pro 1 Sekunde oxidiert und entfernt werden können, oder wenn die Menge an abgegebenen Partikeln (M) pro 10 Minuten kleiner ist als die Menge an Partikeln (G), die pro 10 Minuten oxidiert und entfernt werden können, d.h. im Bereich (I) von 22, werden alle Partikel, die von der Verbrennungskammer abgegeben werden, sukzessive auf dem Partikelfilter 70 in der kurzen Zeit oxidiert und entfernt, ohne eine leuchtende Flamme zu erzeugen.
Wenn andererseits die Menge an abgegebenen Partikeln (M) größer ist als die Menge an Partikeln (G), die oxidiert und entfernt werden können, d.h. im Bereich (II) von 22, ist die Menge an Aktivsauerstoff nicht ausreichend, um alle Partikel sukzessive zu oxidieren und zu entfernen. Die 23(A) bis (C) stellen die Art der Partikeloxidation in einem solchen Fall dar.
D.h., im Fall, bei dem die Menge an Aktivsauerstoff fehlt, um alle Partikel zu oxidieren, wenn sich die Partikel 62 haftend an das aktivsauerstoff-freisetzenden Agens 61 binden, wird nur ein Teil der Partikel oxidiert, wie es in 23(A) dargestellt ist, und der andere Teil der Partikel, der nicht hinreichend oxidiert worden ist, verbleibt auf der Abgas-Stromaufwärtsseite des Partikelfilters. Wenn sich der Zustand fortsetzt, bei dem die Menge an Aktivsauerstoff fehlt, verbleibt ein Teil der Partikel, der nicht oxidiert worden ist, sukzessive auf der Abgas-Stromaufwärtsseite des Partikelfilters. Folglich wird die Oberfläche der Abgas-Stromaufwärtsseite des Partikelfilters mit den restlichen Partikeln 63 bedeckt, wie in 23(B) dargestellt.
Die restlichen Partikel 63 werden allmählich in eine kohlenstoffhaltige Substanz umgewandelt, die schwer oxidiert werden kann bzw. oxidierbar ist. Wenn die Oberfläche der Abgas-Stromaufwärtsseite mit den restlichen Partikeln 63 bedeckt ist, werden ferner die Wirkung des Platins Pt zum Oxidieren von NO und SO₂ und die Wirkung des aktivsauerstoff-freisetzenden Agens 61 zur Freisetzung von Aktivsauerstoff unterdrückt. Die restlichen Partikel 63 können allmählich über einen relativ langen Zeitraum oxidiert werden. Jedoch setzen sich, wie es in 23(C) dargestellt ist, weitere Partikel 64 auf den restlichen Partikeln 63 nacheinander ab, und wenn die Partikel sich derart in Schichten abgesetzt haben, können diese Partikel, selbst wenn es sich um einfach oxidierbare Partikel handelt, nicht mehr oxidiert werden, da diese Partikel vom Platin Pt oder vom aktivsauerstoff-freisetzenden Agens getrennt sind. Demgemäß setzen sich weitere Partikel sukzessive auf diesen Partikeln 64 ab. D.h., wenn sich der Zustand fortsetzt, bei dem die Menge an abgegebenen Partikeln (M) größer ist als die Menge an Partikeln (G), die oxidiert und entfernt werden können, setzen sich die Partikel auf dem Partikelfilter in Schichten ab.
Daher werden im Bereich (I) von 22 die Partikel oxidiert und entfernt, ohne eine leuchtende Flamme für die kurze Zeit zu erzeugen, und im Bereich (II) von 22 werden die Partikel in Schichten auf dem Partikelfilter abgesetzt. Daher kann das Absetzen der Partikel auf dem Partikelfilter vermieden werden, wenn das Verhältnis zwischen der Menge an abgegebenen Partikeln (M) und der Menge an Partikeln (G), die oxidiert und entfernt werden können, im Bereich (I) ist. Folglich ändert sich ein Druckverlust des Abgases im Partikelfilter kaum, und er wird bei einem minimalen Druckverlustwert gehalten, der nahezu konstant ist. Auf diese Weise kann die Abnahme der Motorleistung so gering wie möglich gehalten werden. Jedoch wird dies nicht immer erkannt, und die Partikel können sich auf dem Partikelfilter absetzen, wenn nichts unternommen wird.
In der vorliegenden Ausführungsform steuert, um das Absetzen der Partikel auf dem Partikelfilter zu vermeiden, die obere elektronische Steuereinheit 30, um den Ventilkörper 74 entsprechend einem ersten Flußdiagramm, das in 24 dargestellt ist, umzuschalten. Das vorliegende Flußdiagramm wird nach jeweils einer vorbestimmten Zeit wiederholt. Bei Schritt 101 wird die integrierte Fahrstrecke (A) berechnet. Als nächstes wird bei Schritt 102 ermittelt, ob die integrierte Fahrstrecke (A) größer als eine vorbestimmte Fahrstrecke (As) ist. Wenn das Ergebnis negativ ist, wird die Routine beendet. Wenn jedoch das Ergebnis positiv ist, fährt die Routine mit Schritt 103 fort. Bei Schritt 103 wird die integrierte Fahrstrecke (A) auf 0 zurückgesetzt, und bei Schritt 104, wird der Ventilkörper 74 der ersten Position oder der zweiten Position zur anderen umgeschaltet, d.h., die Stromaufwärtsseite und die Stromabwärtsseite des Partikelfilters 70 werden umgekehrt.
25 ist eine vergrößerte Schnittansicht der Trennwand 54 des Partikelfilters. Während das Fahrzeug eine vorbestimmte Fahrstrecke (As) zurücklegt, kann der Motorbetrieb im Bereich (II) der 22 ausgeführt werden. Daher kollidieren die Partikel mit und werden abgeschieden von der abgas-stromaufwärtsseitigen Fläche der Trennwand 54 und der dem Abgas gegenüberliegenden Fläche in den Poren darin, d.h., einer der Abscheideflächen der Trennwand 54, und werden oxidiert und entfernt durch den Aktivsauerstoff der vom aktivsauerstoff-freisetzenden Agens freigesetzt wird, aber die Partikeln können auch wegen unzureichender Oxidation zurückbleiben, wie durch die Gitter in 25(A) dargestellt ist. In dieser Phase hat der Abgaswiderstrand des Partikelfilters keinen nachteiligen Einfluß auf die Fortbewegung des Fahrzeugs. Wenn sich jedoch die Partikel verstärkt absetzen, treten Probleme auf, bei denen die Motorleistung beträchtlich sinkt und dergleichen. Durch das erste Flußdiagramm werden in dieser Phase die Stromaufwärtsseite und die Stromabwärtsseite des Partikelfilters umgekehrt. Daher setzt sich kein Partikel erneut auf den restlichen Partikel auf einer der Abscheideflächen der Trennwand ab, und daher können die restlichen Partikel allmählich durch den Aktivsauerstoff der von einer der Abscheideflächen freisetzt wird, oxidiert und entfernt werden. Ferner werden insbesondere die restlichen Partikel in den Poren in der Trennwand auf einfache Weise durch den Abgasstrom in der umgekehrten Richtung in feine Teilchen zertrümmert, wie in 25(B) dargestellt, und sie bewegen sich hauptsächlich durch die Poren in der Richtung der Stromabwärtsseite.
Demgemäß diffundieren viele der Partikel, die in feine Teilchen zertrümmert worden sind, in die Pore in der Trennwand, d.h., die Partikel strömen in die Pore. Daher berühren sie unmittelbar das aktivsauerstoff-freisetzende Agens, das auf der Porenoberfläche getragen wird, und haben daher viele Chancen, bei denen sie oxidiert und entfernt werden. Wenn daher das aktivsauerstoff-freisetzende Agens auch auf der Porenoberfläche in der Trennwand getragen wird, können die restlichen Partikel auf sehr einfache Weise oxidiert und entfernt werden. Auf der anderen Abscheidefläche, die sich jetzt auf der Stromaufwärtsseite befindet, da der Abgasstrom umgekehrt ist, d.h., die abgasstromaufwärtsseitige Fläche der Trennwand 54, und der dem Abgas gegenüberliegenden Fläche in den Poren darin, auf die das Abgas hauptsächlich auftrifft (von der Gegenseite von einer der Abscheideflächen), verbinden sich die Partikel im Abgas erneut haftend damit und werden oxidiert und entfernt vom Aktivsauerstoff, der vom aktivsauerstofffreisetzenden Agens freigesetzt worden ist. Bei dieser Oxidation bewegt sich ein Teil des Aktivsauerstoffs, der vom aktivsauerstoff-freisetzenden Agens auf der anderen Abscheidefläche freigesetzt worden ist, zur Stromabwärtsseite mit dem Abgas, und er oxidiert und entfernt die Partikel, die noch auf einer der Abscheideflächen trotz des umgekehrten Abgasstroms verbleiben.
D.h., die restlichen Partikel auf einer der Abscheideflächen werden nicht nur dem Aktivsauerstoff, der von dieser Abscheidefläche freigesetzt worden ist, sondern auch dem restlichen Aktivsauerstoff, der zum Oxidieren und Entfernen der Partikel auf der anderen Abscheidefläche verwendet wird, durch Umkehren des Abgasstroms ausgesetzt. Selbst wenn sich einige Partikel schichtweise auf einer der Abscheideflächen der Trennwand des Partikelfilters absetzen, wenn der Abgasstrom umgekehrt wird, kommt daher Aktivsauerstoff bei den abgesetzten Partikeln an, und keine Partikel setzen sich wieder auf den abgesetzten Partikeln aufgrund des umgekehrten Abgasstroms ab, und daher werden die abgesetzten Partikel allmählich oxidiert und entfernt, und sie können für einige Zeit hinreichend oxidiert und entfernt werden, bis zur nächsten Umkehrung des Abgases.
Im ersten Flußdiagramm wird der Ventilkörper nach jeder vorbestimmten Fahrstrecke umgeschaltet. Jedoch kann der Ventilkörper nach jedem vorbestimmten Zeitraum umgeschaltet werden. Selbstverständlich kann der Ventilkörper auf eine solche Weise nicht periodisch umgeschaltet werden, sondern kann unregelmäßig umgeschaltet werden. In jedem Fall ist zu bevorzugen, den Ventilkörper wenigstens einmal, nachdem der Motor angelassen wird und bevor der Motor abgeschaltet wird, derart umzuschalten, daß der Ventilkörper umgeschaltet wird, bevor die restlichen Partikel in eine kohlenstoffhaltige Substanz umgewandelt werden, die schwer oxidiert werden kann. Wenn die Partikel oxidiert und entfernt werden, bevor sich die große Menge an Partikeln abgesetzt hat, können Probleme, bei denen sich die große Menge an abgesetzten Partikeln auf einmal entzündet und verbrennt, um den Partikelfilter durch die Verbrennungswärme da von zu schmelzen, und dergleichen verhindert werden. Selbst wenn sich die große Menge an Partikeln auf einer Abscheidefläche der Trennwand des Partikelfilters aus irgendeinem Grund abgesetzt hat, wenn der Ventilkörper umgeschaltet wird, werden die abgesetzten Partikel leicht in feine Teilchen durch den umgekehrten Abgasstrom zertrümmert. Ein Teil der Partikel, die in den Poren in der Trennwand nicht oxidiert und entfernt werden können, wird aus dem Partikelfilter ausgetragen. Jedoch wird daher verhindert, daß der Abgaswiderstand des Partikelfilters weiter ansteigt, um einen nachteiligen Einfluß auf die Fortbewegung des Fahrzeugs zu haben. Ferner kann die andere Abscheidefläche der Trennwand des Partikelfilters die Partikel erneut abscheiden.
26 stellt ein zweites Flußdiagramm zur Steuerung des Umschaltens des Ventilkörpers 74 dar. Das vorliegende Flußdiagramm wird jedesmal nach einer vorbestimmten Zeit wiederholt. Bei Schritt 201 erfaßt ein Drucksensor einen Abgasdruck (P1) auf einer Seite des Partikelfilters 70, d.h., einen Abgasdruck im ersten Strömungsdurchlaß 73a (bezogen auf 18). Als nächstes erfaßt bei Schritt 202 ein Drucksensor einen Abgasdruck (P2) auf der anderer Seite des Partikelfilters 70, d.h., einen Abgasdruck im zweiten Strömungsdurchlaß 73b (bezogen auf 18).
Bei Schritt 203 wird ermittelt, ob ein absoluter Wert der Differenz zwischen den bei den Schritten 201 und 202 ermittelten Abgasdrücken größer als eine vorbestimmte Druckdifferenz (Ps) ist. Hier wird der absolute Wert des Differenzdrucks verwendet, so daß der Anstieg im Differenzdruck erfaßt werden kann, wenn entweder der erste Strömungsdurchlaß 73a oder der zweite Strömungsdurchlaß 73b die Abgas-Stromaufwärtsseite ist. Wenn das Ergebnis bei Schritt 203 negativ ist, wird die Routine beendet. Wenn jedoch dieses Ergebnis positiv ist, verbleiben einige Partikel auf dem Partikelfilter, so daß bei Schritt 204 der Ventilkörper 74 umgeschaltet wird, und daher werden die Stromaufwärtsseite und die Stromabwärtsseite des Partikelfilters umgekehrt.
Wie oben erläutert, werden demgemäß die restlichen Partikel vom Partikelfilter oxidiert und entfernt. Daher wird bei Verwendung des Differenzdrucks zwischen den beiden Seiten des Partikelfilters indirekt ermittelt, daß einige Partikel auf dem Partikel filter verbleiben, und auf diese Weise kann zuverlässig verhindert werden, daß die Motorleistung durch die zusätzlichen abgesetzten Partikel stark sinkt. Selbstverständlich kann durch etwas anderes als dem Differenzdruck, beispielsweise durch Messen der Veränderung des elektrischen Widerstands auf einer vorbestimmten Trennwand des Partikelfilters, ermittelt werden, daß sich einige Partikel auf dem Partikelfilter absetzen, wenn der elektrische Widerstand gleich oder kleiner als ein vorbestimmter Wert durch das Absetzen der Partikel wird. Abgesehen davon kann durch Verwenden der Tatsache, daß eine spezifische Durchlässigkeit oder ein Reflexionsvermögen von Licht auf einer vorbestimmten Trennwand des Partikelfilters einher mit dem Absetzen der Partikel darauf sinkt, ermittelt werden, daß sich einige Partikel auf dem Partikelfilter abgesetzt haben. Wenn direkt ermittelt wird, daß die Partikel in einer solchen Weise verbleiben und der Ventilkörper umgeschaltet wird, kann zuverlässiger verhindert werden, daß die Motorleistung sinkt. Streng genommen verändert sich die Differenz in Druck zwischen den beiden Seiten des Partikelfilters entsprechend dem Druck des Abgases, das von der Verbrennungskammer bei jeder Motor-Betriebsbedingung abgegeben wird. Demgemäß wird bei der Erfassung des Absetzens der Partikel bevorzugt, die Motor-Betriebsbedingung zu spezifizieren.
Daher ist die Umkehrung der Stromaufwärtsseite und der Stromabwärtsseite des Partikelfilters sehr effektiv, um die restlichen und abgesetzten Partikel zu oxidieren und zu entfernen. Selbst, wenn der Ventilkörper manchmal ohne die Ermittlung der Zeit umgeschaltet wird, kann daher kann vorteilhaft verhindert werden, daß die Motorleistung aufgrund der großen Menge an abgesetzten Partikel stark sinkt.
Im Übrigen umgeht in der Struktur des Ventilkörpers 74 der vorliegenden Ausführungsform, wie oben erwähnt, ein Teil des Abgases den Partikelfilter 70 während des Umschaltens von entweder der ersten Position oder der zweiten Position zur anderen. Wenn das Abgas Partikel enthält, werden demgemäß zu diesem Zeitpunkt die Partikel in die Atmosphäre abgegeben. Um dies darzustellen, kann, wie in einem dritten Flußdiagramm in 27 dargestellt, der Ventilkörper 74 umgeschaltet werden, wenn eine Unterbrechung der Kraftstoffversorgung ausgeführt wird. Wenn eine Unterbrechung der Kraftstoffversorgung ausgeführt wird, wird keine Verbrennung im Zylinder ausgeführt, und daher enthält das Abgas keine Partikel. Bei der Ermittlung der Ausführung der Kraftstoffversorgungs-Unterbrechung, kann ein Kraftstoffversorgungs-Unterbrechungs-Signal, das der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung gesendet wird, verwendet bzw. genutzt werden, das Niederdrücken des Bremspedals kann erfaßt werden, während sich das Fahrzeug fortbewegt, oder das Lösen des Gaspedals kann erfaßt werden, während sich das Fahrzeug fortbewegt.
Gemäß der Vorrichtung der vorliegenden Ausführungsform wird der Ventilkörper 74 umgeschaltet, und die Abgas-Stromaufwärtsseite und die Abgas-Stromabwärtsseite des Partikelfilters werden derart umgekehrt, daß das Absetzen der Partikel auf dem Partikelfilter 70 vorteilhaft verhindert werden kann. Weiter ist gemäß der Struktur der vorliegenden Vorrichtung der umlaufende Abschnitt 70c des Partikelfilters 70 immer in Berührung mit dem Abgas im dritten Strömungsdurchlaß 73c, und auf diese Weise wird er durch das Abgas erwärmt, und die Temperatur des Partikelfilters kann hoch eingestellt werden. Wie im Schaubild der 22 dargestellt, kann daher die Menge an Partikeln, die oxidiert und entfernt werden kann, relativ groß gehalten werden, und daher kann das Absetzen der Partikel auf dem Partikelfilter zuverlässiger verhindert werden. Wenn die Temperatur des Partikelfilters hoch eingestellt wird, können ferner reduzierende Substanzen, wie beispielsweise HC und CO, die geringfügig im Abgas enthalten sind, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis bei der Verbrennung mager ist, durch Verwendung des Oxidationskatalysators, der auf dem Partikelfilter getragen wird, vorteilhaft verbrannt werden. Daher kann die Temperatur des Partikelfilters stärker erhöht werden.
Der Partikelfilter 70 der vorliegenden Ausführungsform weist die großen Öffnungsabschnitte 70a und 70b auf, und die Länge zwischen den Öffnungsabschnitten ist relativ kurz. Daher kann eine große Menge an Abgas den Partikelfilter durchströmen. Ein solcher Partikelfilter 70 ist derart im Abgasrohr 71 angeordnet, daß die Öffnungsabschnitte in der Längsrichtung des Abgasrohrs gerichtet sind. Daher kann die Vorrichtung kompakt gestaltet werden. Demgemäß kann die Vorrichtung auf der angrenzenden Stromabwärtsseite des Abgassammelrohrs, benachbart zum Motorgehäuse angeordnet sein, und auf diese Weise kann die Abgaswärme sehr effektiv genutzt werden, um den Partikelfilter zu erwärmen.
Bei der Verzögerung und dergleichen, wenn die Temperatur des Abgases niedrig eingestellt wird, wird ferner das Abgas auf Umgehen des Partikelfilters durch die Öffnungsposition des Ventilkörpers 74 eingestellt, und auf diese Weise kann verhindert werden, daß das Abgas den Partikelfilter durchströmt. Jedoch strömt dieses Abgas von geringer Temperatur in Berührung mit dem umlaufenden Abschnitt des Partikelfilters, und daher sinkt die Temperatur des Partikelfilters bei der Verzögerung. Nach der Verzögerung steigert das Abgas von hoher Temperatur die Temperatur des Partikelfilters schnell. Daher sinkt bei der Verzögerung die Menge an Partikeln, die vom Partikelfilter oxidiert und entfernt werden können. Jedoch enthält das Abgas zu diesem Zeitpunkt einige Partikel, und daher tritt insbesondere kein Problem auf.
Abgesehen davon ist der gesamte Partikelfilter der vorliegenden Ausführungsform vom Abgasstrom, d.h., von einer Gasschicht, umgeben. Daher kann im Vergleich mit einer herkömmlichen Vorrichtung zur Reinigung des Abgases, die über ein Gehäuse zur Atmosphäre benachbart ist, die Vorrichtung der Ausführungsform die Wärmefreisetzung des Partikelfilters, die durch Wind während des Fahrens verursacht wird, hinreichend unterdrückt werden. Daher kann die Temperatur des Partikelfilters auf einfache Weise hoch gehalten werden.
In der vorliegenden Ausführungsform liegt der Partikelfilter 70 einzeln vor und weist die ovale Querschnittsgestalt auf. Jedoch beschränkt dies nicht die vorliegende Erfindung. Beispielsweise kann, wie in 28 dargestellt, eine Mehrzahl von Partikelfiltern 70, die eine runde Querschnittsgestalt oder dergleichen aufweisen, benachbart zueinander in der Längsrichtung des Abgasrohrs in der erforderlichen Anzahl von Partikelfiltern angeordnet sein. Im einzelnen Partikelfilter ist insbesondere die gesamte Größe der Trennwand in der Mitte der Höhenrichtung lang gestaltet, und daher ist die Steifigkeit des Partikelfilters ist etwas gering. Andererseits ist durch Verwendung einer Mehrzahl von Partikelfiltern jeder Partikelfilter 70' kompakt gestaltet und weist daher eine hohe Steifigkeit auf. Auf diese Weise kann die Haltbarkeit eines jeden Partikelfilters verbessert werden. Abgesehen davon ist der Ventilkörper 74 stromabwärts vom Abgasrohr 71 angeordnet. Dies ist ein Vorteil für den Ventilkörper als ein drehbarer Abschnitt, entfernt vom Motorgehäuse von hoher Temperatur angeordnet zu sein. Jedoch ist der zweite Abschnitt 71b von kleinem Durchmesser selbstverständlich auf der Abgas-Stromaufwärtsseite angeordnet, und der Ventilkörper 74 kann stromaufwärts vom Abgasrohr 71 angeordnet sein. Abgesehen davon überkreuzt sich in der vorliegenden Ausführungsform die Mittellinie, die durch den ersten Öffnungsabschnitt und den zweiten Öffnungsabschnitt des Partikelfilters 70 durchtritt, mit der Mittellinie des Abschnitts 71c von großem Durchmesser des Abgasrohrs 71 im rechten Winkel. Dies beschränkt jedoch die vorliegende Erfindung nicht. Beispielsweise kann der Partikelfilter 70 nicht in der Mitte des Abschnitts 71c von großem Durchmesser angeordnet sein, und die Öffnungsabschnitte des Partikelfilters 70 können zur Mittellinie des Abschnitts von großem Durchmesser geneigt sein. Wenn sich die Mittellinie des Partikelfilters mit der Mittellinie des Abschnitts von großem Durchmesser überkreuzen kann, kann nämlich die Vorrichtung, welche die oben erläuterten Effekte aufweist, konstruiert werden.
Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases fett eingestellt wird, d.h., wenn die Sauerstoffkonzentration im Abgas verringert ist, wird ferner Aktivsauerstoff O auf einmal vom aktivsauerstoff-freisetzenden Agens 61 an die Außenseite freigesetzt. Daher werden die abgesetzten Partikel zu Partikeln, die vom auf einmal freigesetzten Aktivsauerstoff O auf einfache Weise oxidiert werden können, und daher können sie auf einfache Weise oxidiert und entfernt werden.
Andererseits, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mager gehalten wird, wird die Oberfläche des Platins Pt mit Sauerstoff bedeckt, d.h., eine Sauerstoffkontamination wird verursacht. Wenn eine solche Sauerstoffkontamination verursacht wird, sinkt die Oxidationswirkung des Platins Pt gegenüber NO_x, und daher sinkt die Absorptionseffizienz für NO_x. Daher nimmt die Menge an Aktivsauerstoff ab, der vom aktivsauerstofffreisetzenden Agens 61 freigesetzt worden ist. Wenn jedoch das Luft-Kraftstoff-Verhältnis fett eingestellt wird, wird der Sauerstoff auf der Oberfläche des Platins Pt ver braucht, und daher wird die Sauerstoffkontamination beendet. Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis wieder von fett auf mager umgeschaltet wird, wird demgemäß die Oxidationswirkung gegenüber NO_x groß, und daher steigt die Absorptionseffizienz an. Daher steigt die Menge an Aktivsauerstoff an, der vom aktivsauerstoff-freisetzenden Agens 61 freigesetzt worden ist.
Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mager gehalten wird, falls das Luft-Kraftstoff-Verhältnis gelegentlich von mager nach fett umgeschaltet wird, wird auf diese Weise die Sauerstoffkontamination des Platins Pt bei jedem Mal beendet, und daher steigt die Menge an freigesetztem Aktivsauerstoff an, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mager ist. Daher kann die Oxidationswirkung gegenüber den Partikeln auf dem Partikelfilter 70 gefördert werden.
Ferner ist das Ergebnis des Beendens der Sauerstoffkontamination, daß das reduzierende Agens verbrennt, und daher die Verbrennungswärme davon die Temperatur des Partikelfilters anhebt. Daher steigt die Menge an Partikeln, die vom Partikelfilter oxidiert und entfernt werden können, und daher werden die restlichen und abgesetzten Partikel auf einfachere Weise oxidiert und entfernt. Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Abgas fett eingestellt wird, setzt sofort, nachdem die Stromaufwärtsseite und die Stromabwärtsseite des Partikelfilters durch den Ventilkörper 74 umgekehrt worden sind, die andere Abscheidefläche, auf der keine Partikel zurückbleiben, auf einfachere Weise Aktivsauerstoff frei als die eine Abscheidefläche. Daher kann die größere Menge an freigesetztem Aktivsauerstoff die restlichen Partikel auf der einen Abscheidefläche zuverlässiger oxidieren und entfernen. Selbstverständlich kann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases manchmal fett eingestellt werden, ungeachtet des Umschaltens des Ventilkörpers 74. Daher verbleiben oder setzen sich die Partikel kaum auf dem Partikelfilter ab.
Als ein Verfahren, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis fett einzustellen, kann beispielsweise die oben erläuterte Niedertemperatur-Verbrennung ausgeführt werden. Selbstverständlich können, wenn von der normalen Verbrennung auf die Niedertempe ratur-Verbrennung umgeschaltet wird oder davor, die Abgas-Stromaufwärtsseite und die Abgas-Stromabwärtsseite des Partikelfilters umgekehrt werden. Weiter kann, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases fett einzustellen, nur das Verbrennungs-Luft-Kraftstoff-Verhältnis fett eingestellt werden. Weiter kann zusätzlich zur Haupt-Kraftstoff-Einspritzung während des Verdichtungshubs die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung Kraftstoff in den Zylinder während des Auspuffhubs oder des Arbeitshubs (Nacheinspritzung) einspritzen oder kann Kraftstoff in den Zylinder während des Ansaughubs (Voreinspritzung) einspritzen. Selbstverständlich kann ein Abstand zwischen der Nacheinspritzung oder der Voreinspritzung und der Haupt-Kraftstoffeinspritzung nicht bereitgestellt werden. Ferner kann Kraftstoff dem Abgassystem zugeführt werden. Wie oben erläutert, wird die Niedertemperatur-Verbrennung auf der Motor-Niederlast-Seite ausgeführt, und daher wird die Niedertemperatur-Verbrennung oft unmittelbar nach der Motorverzögerung ausgeführt, wenn eine Kraftstoffzufuhr-Versorgungsunterbrechung ausgeführt wird. Daher wird im dritten Flußdiagramm, unmittelbar nachdem der Ventilkörper 74 umgeschaltet worden ist, die Niedertemperatur-Verbrennung ausgeführt, und auf diese Weise wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases häufig fett eingestellt.
Im Übrigen, wenn SO₃ anwesend ist, bildet das Calcium Ca im Abgas Calciumsulfat CaSO₄. Calciumsulfat CaSO₄ wird kaum oxidiert und entfernt und verbleibt daher auf dem Partikelfilter als Asche. Um ein Verstopfen der Gitter des Partikelfilters, verursacht durch das zurückbleibende Calciumsulfat CaSO₄, zu vermeiden, ist zu bevorzugen, daß ein Alkali- oder ein Erdalkalimetall, das eine stärkere Ionisierungsneigung als die von Calcium Ca aufweist, wie beispielsweise Kalium K, als das aktivsauerstoff-freisetzende Agens 61 verwendt wird. Daher wird SO₃, daß in das aktivsauerstoff-freisetzende Agens 61 diffundiert ist, mit Kalium K kombiniert, um Kaliumsulfat K₂SO₄ zu bilden, und daher wird Calcium Ca nicht mit SO₃ kombiniert, sondern passiert die Trennwände des Partikelfilters. Demgemäß werden die Gitter des Partikelfilters nicht von der Asche verstopft. Daher wird angestrebt, als das aktivsauerstoff-freisetzende Agens 61 ein Alkali- oder ein Erdalkalimetall zu verwenden, das eine höhere Ionisie rungsneigung als Calcium Ca aufweist, wie beispielsweise Kalium K, Lithium Li, Cäsium Cs, Rubidium Rb, Barium Ba oder Strontium Sr.
Selbst wenn nur ein Edelmetall, wie beispielsweise Platin Pt, auf dem Partikelfilter als das aktivsauerstoff-freisetzende Agens getragen wird, kann Aktivsauerstoff aus NO₂ oder SO₃, die auf der Oberfläche des Platins Pt gehalten werden, freigesetzt werden. Jedoch wird in diesem Fall eine Kurve, welche die Mengen an Partikeln (G) repräsentiert, die oxidiert und entfernt werden können, geringfügig nach rechts verschoben, verglichen mit der durchgezogenen Linie, die in 22 dargestellt ist. Ferner kann Ceroxid als das aktivsauerstoff-freisetzende Agens verwendet werden. Ceroxid absorbiert Sauerstoff, wenn die Sauerstoffkonzentration hoch ist (Ce₂O₃ → 2CeO₂), und setzt Aktivsauerstoff frei, wenn die Sauerstoffkonzentration abnimmt (2CeO₂ → Ce₂O₃). Um die Partikel zu oxidieren und zu entfernen, muß daher das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases in gleichmäßigen oder ungleichmäßigen Abständen fett eingestellt werden. Anstatt von Ceroxid können Eisen Fe oder Zinn Sn als das aktivsauerstoff-freisetzende Agens verwendet werden.
Ferner ist es auch zulässig, als das aktivsauerstoff-freisetzende Agens ein NO_x-Absorbens zum Reinigen von NO_x zu verwenden. In diesem Fall muß das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases wenigstens vorübergehend fett eingestellt werden, um das absorbierte NO_x und SO_x freizusetzen und zu reduzieren. Es ist zu bevorzugen, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis fett einzustellen, nachdem die Abgas-Stromaufwärtsseite und die Abgas-Stromabwärtsseite des Partikelfilters umgekehrt worden sind. Der Dieselmotor der Ausführungsformen kann zwischen der Niedertemperatur-Verbrennung und der normalen Verbrennung umschalten. Dies beschränkt die vorliegende Erfindung nicht. Selbstverständlich kann die vorliegende Erfindung auch auf einen Dieselmotor, der nur die normale Verbrennung ausführt, oder auf einen Benzinmotor angewendet werden, der Partikel emittiert.
In der vorliegenden Ausführungsform trägt der Partikelfilter selbst das aktivsauerstoff-freisetzende Agens und der Aktivsauerstoff, der vom aktivsauerstoff-freisetzenden Agens freigesetzt worden ist, oxidiert und entfernt die Partikel. Dies beschränkt jedoch nicht die vorliegende Erfindung. Beispielsweise kann ein Partikel-Oxidationsmittel, wie beispielsweise Aktivsauerstoff und NO₂, das in derselben Weise wie Aktivsauerstoff wirkt, von einem Partikelfilter oder einer Substanz, die darauf getragen wird, freigesetzt werden oder kann in einen Partikelfilter von der Außenseite davon einströmen. Im Fall, daß das Partikel-Oxidationsmittel in den Partikelfilter von der Außenseite davon einströmt, wenn die erste Abscheidefläche und die zweite Abscheidefläche der Trennwand alternativ verwendet werden, um die Partikel abzuscheiden, setzen sich auf einer Abscheidefläche, die jetzt auf der Abgas-Stromabwärtsseite ist, keine Partikel erneut auf den restlichen Partikeln ab, und die restlichen Partikel können allmählich durch das Partikel-Oxidationsmittel oxidiert und entfernt werden, das von der anderen Abscheidefläche ausströmt, und daher werden die restlichen Partikel nach einem Zeitraum vollständig entfernt. Während dieses Zeitraums kann die andere Abscheidefläche die Partikel abscheiden, und die abgeschiedenen Partikel werden durch das Partikel-Oxidationsmittel auf der anderen Abscheidefläche oxidiert und entfernt. Auf diese Weise können dieselben Effekte wie die oben erläuterten erzielt werden. Selbstverständlich steigt in diesem Fall, wenn die Temperatur des Partikelfilters steigt, die Temperatur der Partikel selbst, und daher kann das Oxidieren und Entfernen davon erleichtert werden. Daher ist es vorteilhaft, daß die Vorrichtung wie die vorliegende Ausführungsform konstruiert ist.
Gemäß der Vorrichtung zur Reinigung des Abgases nach der vorliegenden Erfindung enthält die Vorrichtung den Partikelfilter, auf dem die abgeschiedenen Partikel oxidiert und entfernt werden, und die Umkehrungseinrichtung zum Umkehren der Abgas-Stromaufwärtsseite und der Abgas-Stromabwärtsseite des Partikelfilters. Der Partikelfilter weist eine Abscheidewand zum Abscheiden der Partikel auf, die Abscheidewand weist eine erste Abscheidefläche und eine zweite Abscheidefläche auf, und die Umkehrungseinrichtung kehrt die Abgas-Stromaufwärtsseite und die Abgas-Stromabwärtsseite des Partikelfilters derart um, daß die erste Abscheidefläche und die zweite Abscheidefläche alternativ verwendet werden, um die Partikel abzuscheiden. Der Par tikelfilter weist den ersten Öffnungsabschnitt und den zweiten Öffnungsabschnitt auf, durch welche das Abgas ein- und ausströmt aus dem Partikelfilter, und ist im Abgasrohr stromaufwärts zum Schalldämpfer angeordnet. Wenigstens ein Teil des umlaufenden Abschnitts des Partikelfilters zwischen dem ersten Öffnungsabschnitt und dem zweiten Öffnungsabschnitt ist in Berührung mit dem Abgasstrom im Abgasrohr. Einige Partikel können auf der ersten Abscheidefläche der Abscheidewand des Partikelfilters aufgrund der unzureichenden Oxidation auf dem Partikelfilter entsprechend dem Motorbetriebszustand verbleiben. Jedoch werden die Abgas-Stromaufwärtsseite und die Abgas-Stromabwärtsseite des Partikelfilters durch die Umkehrungseinrichtung derart umgekehrt, daß sich keine Partikel erneut auf den restlichen Partikeln auf der ersten Abscheidefläche absetzen können, und daher können die restlichen Partikel allmählich oxidiert und entfernt werden. Zeitgleich beginnt die zweite Abscheidefläche der Abscheidewand, die Partikel abzuscheiden. Wenn die erste Abscheidefläche und die zweite Abscheidefläche alternativ verwendet werden, um die Partikel abzuscheiden, kann daher eine Menge an Partikeln, die auf jeder Abscheidefläche abgeschieden sind, auf weniger als die im Fall verringert werden, bei dem eine Abscheidefläche die Partikel immer abscheidet. Dies ist ein Vorteil, um die Partikel zu oxidieren und zu entfernen. Ferner wird der umlaufende Abschnitt des Partikelfilters durch das Abgas erwärmt, das in Berührung damit ist, und auf diese Weise wird die Temperatur des Partikelfilters hoch gehalten, so daß sich die Partikel problemlos oxidieren lassen. Daher kann das Verstopfen der Gitter des Partikelfilters zuverlässig verhindert werden.

6: KRAFTSTOFF-EINSPRITZVORRICHTUNG
16: DROSSELVENTIL
70: PARTIKELFILTER
71: UMKEHRUNGSEINRICHTUNG
73a: ERSTER STRÖMUNGSDURCHLASS
73b: ZWEITER STRÖMUNGSDURCHLASS
73c: DRITTER STRÖMUNGSDURCHLASS
74: VENTILKÖRPER

Claims

Vorrichtung zur Reinigung des Abgases eines Verbrennungsmotors (1), mit einem Partikelfilter (70), auf dem die abgeschiedenen Partikel (62, 63) oxidiert werden, und einer Umkehrungseinrichtung (74) zum Umkehren der Abgas-Stromaufwärtsseite und der Abgas-Stromabwärtsseite des Partikelfilters (70), wobei der Partikelfilter (70) eine Abscheidewand (54) zum Abscheiden der Partikel (62, 63) aufweist, die Abscheidewand (54) eine erste Abscheidefläche und eine zweite Abscheidefläche aufweist, die Umkehrungseinrichtung (74) die Abgas-Stromaufwärtsseite und die Abgas-Stromabwärtsseite des Partikelfilters (70) derart umkehrt, daß die erste Abscheidefläche und die zweite Abscheidefläche abwechselnd verwendet werden, um die Partikel (62, 63) abzuscheiden, der Partikelfilter (70) einen ersten Öffnungsabschnitt (70a) und einen zweiten Öffnungsabschnitt (70b) aufweist, durch die das Abgas ein- und ausströmt vom Partikelfilter (70), und im Abgasrohr stromaufwärts zum Schalldämpfer angeordnet ist, und wenigstens ein Teil des umlaufenden Abschnitts des Partikelfilters (70) zwischen dem ersten Öffnungsabschnitt (70a) und dem zweiten Öffnungsabschnitt (70b) mit dem Abgasstrom im Abgasrohr in Berührung ist.
Vorrichtung zur Reinigung des Abgases eines Verbrennungsmotors (1) nach Anspruch 1, wobei die Abscheidewand ein aktivsauerstoff-freisetzendes Agens (61) trägt und Aktivsauerstoff, der vom aktivsauerstoff-freisetzenden Agens (61) freigesetzt worden ist, die Partikel (62, 63) oxidiert.
Vorrichtung zur Reinigung des Abgases eines Verbrennungsmotors (1) nach Anspruch 2, wobei das aktivsauerstoff-freisetzende Agens (61) Sauerstoff aufnimmt und hält, wenn überschüssiger Sauerstoff in der Umgebung vorhanden ist, und den gehaltenen Sauerstoff als Aktivsauerstoff freisetzt, wenn die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung sinkt.
Vorrichtung zur Reinigung des Abgases eines Verbrennungsmotors (1) nach Anspruch 2, wobei das aktivsauerstoff-freisetzende Agens (61) NO_x hält, um das NO_x mit Sauerstoff zu kombinieren, wenn überschüssiger Sauerstoff in der Umgebung vorhanden ist, und freisetzt, um das kombinierte NO_x und Sauerstoff in NO_x und Aktivsauerstoff zu zerlegen, wenn die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung sinkt.
Vorrichtung zur Reinigung des Abgases eines Verbrennungsmotors (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei sich die Mittellinie, die durch den ersten Öffnungsabschnitt (70a) und den zweiten Öffnungsabschnitt (70b) des Partikelfilters (70) durchtritt, mit der Mittellinie des Abgasrohrs in der Grundrißansicht überkreuzt.
Vorrichtung zur Reinigung des Abgases eines Verbrennungsmotors (1) nach Anspruch 5, wobei eine Mehrzahl von Partikelfiltern (70) in der Längsrichtung des Abgasrohrs angeordnet ist.
Vorrichtung zur Reinigung des Abgases eines Verbrennungsmotors (1) nach Anspruch 5 oder 6, wobei das Abgasrohr einen ersten Strömungsdurchlaß (73a), einen zweiten Strömungsdurchlaß (73b) und einen dritten Strömungsdurchlaß (73c) aufweist, die in der Längsrichtung geteilt sind, wobei der erste Strömungsdurchlaß (73a) mit dem ersten Öffnungsabschnitt (70a) des Partikelfilters (70) in Verbindung steht, der zweite Strömungsdurchlaß (73b) mit dem zweiten Öffnungsabschnitt (70b) des Partikelfilters (70) in Verbindung steht und wenigstens ein Teil des umlaufenden Abschnitts des Partikelfilters (70) mit dem Abgasstrom im dritten Strömungsdurchlaß (73c) in Berührung ist.
Vorrichtung zur Reinigung des Abgases eines Verbrennungsmotors (1) nach Anspruch 7, wobei die Umkehrungseinrichtung (74) einen Ventilkörper aufweist, den Ventilkörper derart in eine erste Position bringt, daß der dritte Strömungsdurchlaß (73c) mit dem ersten Strömungsdurchlaß (73a) in Verbindung steht und daß der zweite Strömungsdurchlaß (73b) mit entweder der Abgas-Stromaufwärtsseite oder der Abgas-Stromabwärtsseite des Abgasrohrs in Verbindung steht, den Ventilkörper derart in eine zweite Position bringt, daß der dritte Strömungsdurchlaß (73c) mit dem zweiten Strömungsdurchlaß (73b) in Verbindung steht und daß der erste Strömungsdurchlaß mit entweder der Abgas-Stromaufwärtsseite oder der Abgas-Stromabwärtsseite des Abgasrohrs in Verbindung steht, und den Ventilkörper von entweder der ersten Position oder der zweiten Position zu der anderen derart umschaltet, daß die Abgas-Stromaufwärtsseite und die Abgas-Stromabwärtsseite des Partikelfilters (70) umgekehrt werden.