DE60131510T2

DE60131510T2 - Abgasreinigungsvorrichtung

Info

Publication number: DE60131510T2
Application number: DE60131510T
Authority: DE
Inventors: Koichiro Toyota-shi NAKATANI; Shinya Toyota-shi Hirota; Kazuhiro Toyota-shi ITOH; Takamitsu Toyota-shi Asanuma; Koichi Toyota-shi KIMURA; Kiyoshi Toyota-shi NAKANISHI; Toshiaki Toyota-shi Tanaka
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-03-27
Filing date: 2001-03-27
Publication date: 2008-10-23
Anticipated expiration: 2021-03-28
Also published as: AU4282001A; AU761059B2; JP3714251B2; EP1182332A4; CA2374749A1; CN1325773C; EP1182332A9; CN1365423A; ES2292571T3; US6874315B2; DE60131510D1; KR100484342B1; WO2001073271A1; KR20020024591A; EP1182332B1; CA2374749C; US20020157385A1; EP1182332A1

Description

Gebiet der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren zur Steuerung der Abgasreinigung nach Anspruch 16.
Technischer Hintergrund
Im Stand der Technik werden in einem Dieselmotor Teilchen, die im Abgas enthalten sind, durch Anordnen eines Teilchenfilters in der Abgasleitung des Motors, wobei der Teilchenfilter verwendet wird, um die Teilchen im Abgas einzufangen, und durch Entzünden und Verbrennen der Teilchen, die auf dem Teilchenfilter festgehalten werden, entfernt, um den Teilchenfilter zu regenerieren.
Die auf dem Teilchenfilter festgehaltenen Teilchen entzünden sich jedoch nicht, solange die Temperatur nicht über etwa 600°C steigt, aber im Gegensatz dazu ist die Temperatur des Abgases eines Dieselmotors normalerweise beträchtlich niedriger als 600°C. Daher ist es schwierig, die Wärme des Abgases zu nutzen, um zu bewirken, dass die Teilchen, die auf dem Teilchenfilter festgehalten werden, sich entzünden und verbrennen. Daher lagern sich die Teilchen auf dem Teilchenfilter ab und somit wird die Menge an Teilchen, die pro Zeiteinheit vom Teilchenfilter entfernt werden kann, klein.
Aus JP-A-7 189 655 ist eine Abgasreinigungsvorrichtung bekannt, bei der ein Teilchenfilter vorgesehen ist, um die Teilchen, die in einem Abgas enthalten sind, das aus einer Brennkammer ausgetragen wird, zu entfernen. Der Teilchenfilter ist in einer Abgasleitung angeordnet, der Teilchenfilter weist Trennwände auf, durch welche das Abgas strömt, ein oxidierendes Material (einen Katalysator) zum Oxidieren der Teilchen. Das oxidierende Material ist auf beide Seiten der Trennwände aufgebracht, und die Teilchen, die im Abgas enthalten sind, werden durch Oxidation entfernt.
Außerdem weist diese bekannte Vorrichtung ein Mittel zum Desorbieren und Fluidisieren der Teilchen, die auf den Oberflächen der Teilwände festgehalten werden, auf.
In einer Abgasreinigungsvorrichtung, die einen Teilchenfilter aufweist, ist die Aufgabe der Erfindung, die Aufrechterhaltung der Fähigkeit des Teilchenfilters, Teilchen pro Zeiteinheit zu entfernen.
Offenbarung der Erfindung
Um das genannte Ziel zu erreichen, wird gemäß der Erfindung eine Abgasreinigungsvorrichtung vorgesehen, bei der zur Entfernung der Teilchen, die im Abgas, das aus einer Brennkammer ausgetragen wird, enthalten sind, ein Teilchenfilter in einer Motorabgasleitung angeordnet ist, der Teilchenfilter Trennwände aufweist, das Abgas durch feine Löcher strömt, die in den Trennwänden vorhanden sind, ein oxidierendes Material zum Oxidieren der Teilchen auf die Wandoberflächen, welche die feinen Löcher definieren, aufgebracht ist, die Teilchen, die im Abgas enthalten sind, durch Oxidation in den feinen Löchern, die in den Trennwänden vorhanden sind, oxidiert werden, die Vorrichtung Mittel zum Desorbieren und Fluidisieren der Teilchen, die in den feinen Löchern, die in den Trennwänden vorhanden sind, festgehalten werden, aufweist, das Teilchenfludisierungsmittel die Teilchen durch Umkehren der Strömungsrichtung des Abgases, das in den feinen Löchern strömt, die in den Teilungen vorhanden sind, fluidisiert bzw. fließflähig macht und das oxidierende Material die Funktion hat, aktiven Sauerstoff abzugeben.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das oxidierende Material die Funktion auf, Sauerstoff zu absorbieren und festzuhalten, wenn überschüssiger Sauerstoff in der Umgebung vorhanden ist, und aktiven Sauerstoff abzugeben, wenn die Teilchen sich an Wandoberflächen der Trennwände anlagern.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das oxidierende Material die Funktion auf, Sauerstoff zu absorbieren und festzuhalten, wenn über schüssiger Sauerstoff in der Umgebung vorhanden ist, und den festgehaltenen Sauerstoff in Form von aktivem Sauerstoff freizusetzen, wenn eine Sauerstoffkonzentration in der Umgebung sinkt.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeigt, dass das oxidierende Material aus einem Alkalimetall und/oder einem Erdalkalimetall und/oder einer Seltenerde und/oder einem Übergangsmetall und/oder einem Element der Kohlenstofffamilie besteht.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung bestehen das Alkalimetall und das Erdalkalimetall aus Metallen, die eine höhere Ionisierungstendenz zeigen als Calcium.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die Teilchen dadurch oxidiert, dass ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis eines Teils des Abgases oder des gesamten Abgases zur fetten Seite verschoben wird.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung besteht das oxidierende Material aus einem Edelmetallkatalysator.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kehrt das Teilchenfluidisierungsmittel die Strömungsrichtung des Abgases, das innerhalb der Trennwände strömt, um, ohne eine Abgaseinströmungsseite des Teilchenfilters und eine Abgasausströmungsseite des Teilchenfilters zu tauschen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kehrt das Teilchenfluidisierungsmittel die Strömungsrichtung des Abgases, das innerhalb der Trennwände strömt, um, indem es eine Abgaseinströmungsseite des Teilchenfilters und eine Abgasausströmungsseite des Teilchenfilters tauscht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung macht das Teilchenfluidisierungsmittel die Teilchen fließfähig, wenn erwartet wird, dass die Teilchen sich am Teilchenfilter anlagern.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeigt, dass das Teilchenfluidisierungsmittel die Teilchen, die sich in den Trennwänden anlagern, desorbiert und fluidisiert, wenn erfasst wird, dass die Teilchen sich am Teilchenfilter anlagern.
Gemäß einer nächsten Ausführungsform der Erfindung fluidisiert das Teilchenfluidisierungsmittel die Teilchen in vorgegebenen Zeitintervallen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Trennwände aus einem porösen Material gebildet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind feine Löcher in den Trennwänden auf der Abgaseinströmungsseite im Durchschnitt größer als diejenigen an der Abgasausströmungsseite.
In einer letzten Ausführungsform der Erfindung ist eine Vielzahl der Trennwände parallel zueinander angeordnet, um eine Vielzahl von Abgaszirkulationsleitungen zu bilden, die parallel zueinander im Teilchenfilter verlaufen, wobei eine von benachbarten Abgaszirkulationsleitungen an ihrem stromaufwärtigen Ende durch einen Stopfen verschlossen ist und die andere von den benachbarten Abgaszirkulationsleitungen an ihrem stromabwärtigen Ende durch einen Stopfen verschlossen ist.
Die zweite Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Abgasreinigungsvorrichtung. Gemäß diesem Verfahren wird der Teilchenfilter verwendet, um die Teilchen, die im Abgas enthalten sind, das in den Teilchenfilter strömt, durch Oxidation zu entfernen, ohne eine leuchtende Flamme zu emittieren, wenn eine Teilchenmenge, die pro Zeiteinheit aus der Brennkammer ausgetragen wird, kleiner ist als eine Teilchenmenge, die pro Zeiteinheit durch Oxidation auf dem Teilchenfilter entfernt werden kann, ohne eine leuchtende Flamme zu emittieren, und um die Teilchen, die im Abgas enthalten sind, das in den Teilchenfilter strömt, durch Oxidation zu entfernen, ohne eine leuchtende Flamme zu emittieren, wenn die Menge der ausgetragenen Teilchen kleiner wird als die Teilchenmenge, die durch Oxidation entfernt werden kann, wenn eine Teilchenmenge, die sich am Teilchenfilter anlagert, unter einem bestimmten Schwellenwert liegt, auch wenn die Menge an ausgetragenen Teilchen vorübergehend größer wird als die Teilchenmenge, die durch Oxidation entfernt werden kann, wobei die Teilchenmenge, die durch Oxidation entfernt werden kann, von einer Temperatur des Teilchenfilters abhängt, ein Mittel ist vorgesehen, um die Menge der ausgetragenen Teilchen und die Temperatur des Teilchenfilters so zu halten, dass die Menge der ausgetragenen Teilchen normalerweise kleiner ist als die Teilchenmenge, die durch Oxidation entfernt werden kann, und so, dass die Teilchenmenge, die sich am Teilchenfilter anlagert, kleiner ist als der bestimmte Schwellenwert, um die Teilchen durch Oxidation zu entfernen, wenn die Menge der ausgetragenen Teilchen kleiner wird als die Teilchenmenge, die durch Oxidation entfernt werden kann, auch wenn die Menge an ausgetragenen Teilchen vorübergehend größer wird als die Teilchenmenge, die durch Oxidation entfernt werden kann, wodurch die Teilchen, die im Abgas enthalten sind, durch Oxidation auf dem Teilchenfilter entfernt werden können, ohne eine leuchtende Flamme zu emittieren.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 ist eine Gesamtansicht eines Verbrennungsmotors;
2A und 2B sind Ansichten eines Teilchenfilters;
3A und 3B sind Ansichten, welche einen Teilchenoxidationsmechanismus erläutern;
4A und 4C sind Ansichten, welche den Teilchenanlagerungsmechanismus erläutern;
5 ist eine Ansicht, die eine Beziehung zwischen einer Teilchenmenge, die durch Oxidation entfernt werden kann, und einer Temperatur des Teilchenfilters zeigt;
6 ist ein Ablaufschema für die Steuerung eines Verbrennungsmotorbetriebs;
7 ist eine Ansicht, die ein Abgaspulsationsverfahren erläutert;
8A und 8B sind Ansichten, die ein anderes Abgaspulsationsverfahren erläutern;
9A und 9B sind Ansichten, die ein weiteres Abgaspulsationsverfahren erläutern;
10 ist eine Gesamtansicht des Verbrennungsmotors, der dafür ausgelegt ist, ein weiteres Abgaspulsationsverfahren durchzuführen;
11 ist eine Gesamtansicht des Motors, der dafür ausgelegt ist, ein noch weiteres Abgaspulsationsverfahren durchzuführen;
12 ist eine Gesamtansicht des Motors, der dafür ausgelegt ist, ein noch weiteres Abgaspulsationsverfahren durchzuführen;
13 ist ein Ablaufschema für die Entfernung der angelagerten Teilchen durch Oxidation;
14 ist eine Schnittansicht der Trennwand des Teilchenfilters;
15 ist eine Ansicht einer Vielzahl der Teilchenfilter, die parallel zueinander angeordnet sind;
16 ist ein Ablaufschema für die Entfernung der angelagerten Teilchen durch Oxidation;
17A und 17B sind Ansichten eines Teilchenfilters;
18 ist eine Draufsicht auf eine andere Art von Teilchenfilter;
19 ist eine Seitenansicht der anderen Art von Teilchenfilter;
20 ist eine Draufsicht auf einen Teil der anderen Art von Teilchenfilter;
21 ist eine Gesamtansicht des Verbrennungsmotors, der dafür ausgelegt ist, den Teilchenfilter physikalisch vibrieren zu lassen, und
22 ist eine Gesamtansicht einer anderen Ausführungsform des Verbrennungsmotors, der dafür ausgelegt ist, den Teilchenfilter physikalisch vibrieren zu lassen.
Beste Weise der Durchführung der Erfindung
Nun werden die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen behandelt. Die vorliegende Erfindung wird nachstehend erläutert. 1 zeigt den Fall der Anwendung der vorliegenden Erfindung auf einen Verbrennungsmotor mit Verdichtungszündung bzw. einen Dieselmotor. Man beachte, dass die vorliegende Erfindung auch auf einen Verbrennungsmotor mit Funkenentzündung bzw. einen Ottomotor angewendet werden kann.
In 1 zeigt 1 einen Motorkörper an, 2 einen Zylinderblock, 3 einen Zylinderkopf, 4 einen Kolben, 5 eine Brennkammer, 6 einen elektrisch gesteuerten Kraftstoffeinspritzer, 7 ein Ansaugventil, 8 eine Ansaugmündung, 9 ein Abgasventil und 10 eine Abgasmündung. Die Ansaugmündung 8 ist über ein entsprechendes Ansaugrohr 11 mit einem Ausdehnungsgefäß 12 verbunden, während das Ausdehnungsgefäß 12 über einen Einlasskanal 13 mit einem Kompressor 15 eines Abgasturboladers 14 verbunden ist. Ein Luftströmungsmesser 13a zum Erfassen einer Massenströmungsrate angesaugter Luft ist in einer Ansaugleitung 13b stromaufwärts vom Kompressor 15 angeordnet. Innerhalb des Einlasskanals 13 ist eine Drosselklappe 17 angeordnet, die von einem Schrittmotor 16 angetrieben wird, und ferner ist eine Kühleinrichtung 18 um den Einlasskanal 13 herum angeordnet, um die angesaugte Luft, die durch den Einlasskanal 13 strömt, zu kühlen. In der in 1 dargestellten Ausführungsform wird Motorkühlwasser in die Kühleinrichtung 18 geführt, und die angesaugte Luft wird vom Motorkühlwasser gekühlt. Andererseits ist die Abgasmündung 10 über ein Abgassammelrohr 19 und eine Abgasleitung 20 mit einer Abgasturbine 21 des Abgasturboladers 14 verbunden, und der Auslass der Abgasturbine 21 ist mit einem Gehäuse 23, in dem ein Teilchenfilter 22 untergebracht ist, verbunden.
Das Abgassammelrohr 19 und das Ausdehnungsgefäß 12 sind über eine Abgasrückführ-(AGR-)Leitung 24 miteinander verbunden, und innerhalb der AGR-Leitung 24 ist ein elektrisch gesteuertes AGR-Steuerventil 25 angeordnet. Eine Kühleinrichtung 26 ist um die AGR-Leitung 24 herum angeordnet, um ein AGR-Gas zu kühlen, das innerhalb der AGR-Leitung 24 zirkuliert. In der in 1 dargestellten Ausführungsform wird Motorkühlwasser in die Kühleinrichtung 26 geleitet, und das AGR-Gas wird durch das Motorkühlwasser gekühlt. Andererseits ist jeder Kraftstoffeinspritzer 6 über eine Kraftstoff-Zufuhrleitung 6a mit einer Kraftstoffvorratseinrichtung, einer so genannten Common Rail 27 verbunden, Kraftstoff wird von einer elektrisch gesteuerten verstellbaren Kraftstoffpumpe 28 in die Common Rail 27 gespeist, und der Kraftstoff, der in die Common Rail 27 gespeist wird, wird den Kraftstoffeinspritzern 6 über die Kraftstoff-Zufuhrleitungen 6a zugeführt. An der Common Rail 27 ist ein Kraftstoff-Drucksensor 29 befestigt, um den Kraftstoffdruck in der Common Rail 27 zu erfassen, und der Austrag der Kraftstoffpumpe 28 wird auf der Basis des Ausgangssignals des Sensors 29 gesteuert, so dass der Kraftstoffdruck in der Common Rail 27 einen Ziel-Kraftstoffdruck erreicht.
Eine elektronische Steuereinheit 30 besteht aus einem digitalen Rechner, der mit einem ROM (einem Nur-Lese-Speicher) 32, einem RAM (einem Speicher mit wahlfreiem Zugriff) 33, einer CPU (einem Mikroprozessor) 34, einem Eingabeport 35 und einem Ausgabeport 36 versehen ist, die über einen bidirektionalen Bus 31 miteinander verbunden sind. Das Ausgangssignal des Kraftstoff-Drucksensors 29 wird über einen entsprechenden AD-Wandler 37 in den Eingabeport 35 eingegeben. Ferner ist am Teilchenfilter 22 ein Temperatursensor 39 befestigt, um des Teilchenfilters zu erfassen, und das Ausgangssignal dieses Sensors 39 wird über den entsprechenden AD-Wandler 37 in den Eingabeport 35 eingegeben. Das Ausgangssignal des Luftströmungsmessers 13a wird über den entsprechenden AD-Wandler 37 in den Eingabeport 35 eingegeben. Mit einem Gaspedal 40 ist ein Lastsensor 41 verbunden, der eine Ausgangsspannung erzeugt, die proportional zum Umfang der Abwärtsverstellung L des Gaspedals 40 ist, und die Ausgangsspannung dieses Sensors 41 wird über den entsprechenden AD-Wandler 37 in den Eingabeport 35 eingegeben. Ferner ist mit dem Eingabeport 35 ein Kurbelwinkelsensor 42 verbunden, der jedes Mal, wenn eine Kurbelwelle sich beispielsweise um 30 Grad dreht, einen Ausgangsimpuls erzeugt. Andererseits ist der Ausgabeport 36 über entsprechende Treiberschaltungen 38 mit den Kraftstoffeinspritzern 6, dem Schrittmotor 16 zum Antreiben der Drosselklappe, dem AGR-Steuerventil 25 und der Kraftstoffpumpe 28 verbunden.
2A und 2B zeigen einen Aufbau des Teilchenfilters 22. Man beachte, dass 2A eine Frontansicht des Teilchenfilters 22 ist, während 2B eine seitliche Schnittansicht des Teilchenfilters 22 ist. Wie in 2A und 2B dargestellt, bildet der Teilchenfilter 22 eine Honigwabenstruktur und ist mit einer Vielzahl von Abgaszirkulationsleitungen 50, 51 verbunden, die parallel zueinander verlaufen. Diese Abgaszirkulationsleitungen bestehen aus Abgaszuleitungen 50, deren stromabwärts gelegene Enden mit Stopfen 52 verschlossen sind, und aus Abgasableitungen 51, deren stromaufwärts gelegene Enden mit Stopfen 53 verschlossen sind.
Man beachte, dass die schraffierten Bereiche in 2A die Stopfen 53 darstellen Somit sind die Abgaszuleitungen 50 und die Abgasableitungen 51 über dünne Trennwände 54 hinweg abwechselnd angeordnet. Anders ausgedrückt, die Abgaszuleitungen 50 und die Abgasableitungen 51 sind so angeordnet, dass jede Abgaszuleitung 50 von vier Abgasableitungen 51 umgeben ist und jede Abgasableitung 51 von vier Abgaszuleitungen 50 umgeben ist.
Der Teilchenfilter 22 ist aus einem porösen Material wie beispielsweise Cordierit gebildet und daher strömt das Abgas, das in die Abgaszuleitungen 50 strömt, durch die umgebenden Trennwände 54 in die benachbarten Abgasableitungen 51 aus, wie von den Pfeilen in 2B dargestellt.
In dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Schicht aus einem Träger, der beispielsweise aus Aluminium besteht, auf Umfangsflächen der Abgaszuleitungen 50 und der Abgasableitungen 51, d. h. auf allen Oberflächen der einander gegenüber liegenden Seiten der Trennwände 54, auf allen äußeren Stirnflächen der Stopfen 53 und allen inneren Stirnflächen der Stopfen 52, 53, ausgebildet, und auf dem Träger sind ein Edelmetallkatalysator und ein Aktivsauerstoff-Freisetzungsmittel aufgebracht, das den Sauerstoff absorbiert und den Sauerstoff festhält, wenn überschüssiger Sauerstoff in der Umgebung vorhanden ist, und das den festgehaltenen Sauerstoff in Form von aktivem Sauerstoff freisetzt, wenn die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung sinkt.
Ferner ist in dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Schicht des Trägers, der beispielsweise aus Aluminium besteht, auf den gesamten Wandflächen feiner Löcher in jeder Trennwand 54 ausgebildet, und auf dem Träger sind ein Edelmetallkatalysator und das oben beschriebene Aktivsauerstoff-Freisetzungsmittel aufgebracht.
In diesem Fall wird in dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Platin Pt als Edelmetallkatalysator verwendet, und als Aktivsauerstoff-Freisetzungsmittel wird ein Alkalimetall, wie Kalium K, Natrium Na, Lithium Li, Cäsium Cs und Rubidium Rb, und/oder ein Erdalkalimetall, wie Barium Ba, Calcium Ca und Strontium Sr, und/oder eine Seltenerde, wie Lanthan La, Yttrium Y und Cer Ce, und/oder ein Übergangsmetall, wie Eisen Fe, und/oder ein Element der Kohlenstofffamilie, wie Zinn Sn, verwendet.
Man beachte, dass als Aktivsauerstoff-Freisetzungsmittel vorzugsweise ein Alkalimetall oder ein Erdalkalimetall mit einer höheren Ionisierungsneigung als Calcium Ca verwendet wird, d. h. Kalium K, Lithium Li, Cäsium Cs, Rubidium Rb, Barium Ba und Strontium Sr.
Nun wird der Mechanismus, mit dem der Teilchenfilter 22 Teilchen im Abgas entfernt, anhand des Beispielsfalls, dass Platin Pt und Kalium K auf einem Träger aufgebracht sind, erklärt, aber der gleiche Teilchenentfernungsmechanismus läuft auch ab, wenn ein anderes Edelmetall, Alkalimetall, Erdalkalimetall, eine Seltenerde, ein Übergangsmetall und ein Element der Kohlenstofffamilie verwendet werden.
In einem Verbrennungsmotor mit Verdichtungszündung, wie dem in 1 dargestellten, kommt es auch unter einem Luftüberschuss zu einer Verbrennung, und daher enthält das Abgas große Mengen an überschüssiger Luft. Das heißt, wenn das Verhältnis der Luft und des Kraftstoffs, die in die Ansaugleitung und die Brennkammer 5 eingeführt werden, als Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases bezeichnet wird, dann ist in dem Verbrennungsmotor mit Verdichtungszündung, der in 1 dargestellt ist, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases mager. Ferner wird in der Brennkammer 5 NO erzeugt, so dass das Abgas NO enthält. Ferner enthält der Kraftstoff Schwefel S, und dieser Schwefel S reagiert mit dem Sauerstoff in der Brennkammer 5, wodurch SO₂ entsteht. Daher enthält das Abgas SO₂. Somit strömt das Abgas, das überschüssigen Sauerstoff, NO und SO₂ enthält, in die Abgaszuleitungen 50 des Teilchenfilters 22.
3A und 3B sind vergrößerte Darstellungen der Oberfläche der Trägerschicht, die auf den inneren Umfangsflächen der Abgaszuleitungen 50 ausgebildet ist. Man beachte, dass in 3A und 3B 60 Teilchen aus Platin Pt anzeigt, während 61 das Aktivsauerstoff-Freisetzungsmittel anzeigt, das Kalium K enthält.
Wie oben erläutert, ist eine große Menge an überschüssigem Sauerstoff im Abgas enthalten, und wenn das Abgas in die Abgaszuleitungen 50 des Teilchenfilters 22 strömt, wie in 3A dargestellt, haftet daher der Sauerstoff O₂ in Form von O₂ ^– oder O^2– an der Oberfläche des Platins Pt. Andererseits reagiert das No im Abgas mit dem O₂ ^– oder O^2– an der Oberfläche des Platins Pt, wodurch NO₂ entsteht (2NO + O₂ → 2NO₂). Dann wird ein Teil des erzeugten NO₂ im Aktivsauerstoff-Freisetzungsmittel 61 absorbiert, während es am Platin Pt oxidiert wird, und diffundiert in Form von Nitrat-Ionen NO₃ ^– in das Aktivsauerstoff-Freisetzungsmittel 61, wie in 3A dargestellt, während es sich an das Kalium K bindet, wodurch Kaliumnitrat KNO₃ entsteht.
Andererseits enthält das Abgas, wie oben erläutert, auch SO₂, und dieses SO₂ wird über einen Mechanismus, der dem von NO ähnlich ist, in das Aktivsauerstoff-Freisetzungsmittel 61 absorbiert. Das heißt, auf die oben genannte Weise haftet der Sauerstoff O₂ in Form von O₂ ^– oder O^2– an der Oberfläche des Platins Pt, und das SO₂ im Abgas reagiert mit dem O₂ ^– oder O^2– an der Oberfläche des Platins Pt, wodurch SO₃ entsteht. Dann wird ein Teil des SO₃ im Aktivsauerstoff-Freisetzungsmittel 61 absorbiert, während es am Platin Pt oxidiert wird, und diffundiert in Form von Sulfat-Ionen SO₄ ^2– in das Aktivsauerstoff-Freisetzungsmittel 61, während es sich an das Kalium K bindet, wodurch Kaliumsulfat K₂SO₄ entsteht. Auf diese Weise werden im Aktivsauerstoff-Freisetzungsmittel 61 Kaliumsulfat KNO₃ und Kaliumsulfat K₂SO₄ erzeugt.
Andererseits werden Teilchen, die hauptsächlich aus Kohlenstoff bestehen, in der Brennkammer 5 erzeugt, und daher enthält das Abgas diese Teilchen. Die im Abgas enthaltenen Teilchen kommen mit der Oberfläche der Trägerschicht, beispielsweise der Oberfläche des Aktivsauerstoff-Freisetzungsmittel 61, in Kontakt und haften daran, wie in 3B bei 62 gezeigt, wenn das Abgas durch die Abgaszuleitungen 50 des Teilchenfilters strömt oder wenn es von den Abgaszuleitungen 50 zu den Abgasableitungen 51 strömt.
Wenn die Teilchen 62 auf diese Weise an der Oberfläche des Aktivsauerstoff-Freisetzungsmittels 61 haften, sinkt die Sauerstoffkonzentration an der Kontaktfläche der Teilchen 62 und des Aktivsauerstoff-Freisetzungsmittels 61. Wenn die Sauerstoffkonzentration sinkt, entsteht eine Differenz der Konzentration zum Inneren des Aktivsauerstoff-Freisetzungsmittels 61, das eine hohe Sauerstoffkonzentration aufweist, und daher wandert der Sauerstoff im Aktivsauerstoff-Freisetzungsmittel 61 in Richtung auf die Kontaktfläche zwischen den Teilchen 62 und dem Aktivsauerstoff-Freisetzungsmittel 61. Infolgedessen wird das Kaliumnitrat KNO₃, das im Aktivsauerstoff-Freisetzungsmittel 61 gebildet wurde, in Kalium K, Sauerstoff O und NO aufgespalten, und dann wandert der Sauerstoff O zur Kontaktfläche zwischen dem Teilchen 62 und dem Aktivsauerstoff-Freisetzungsmittel 61, während das NO aus dem Aktivsauerstoff-Freisetzungsmittel 61 nach außen abgegeben wird. Das nach außen abgegebene NO wird am stromabwärtsseitigen Platin Pt oxidiert und wird wiederum vom Aktivsauerstoff-Freisetzungsmittel 61 absorbiert.
Andererseits wird auch das Kaliumsulfat K₂SO₄, das im Aktivsauerstoff-Freisetzungsmittel 61 gebildet wird, in Kalium K, Sauerstoff O und SO₂ gespalten, und dann wandert der Sauerstoff O zur Kontaktfläche zwischen den Teilchen 62 und dem Aktivsauerstoff-Freisetzungsmittel 61, während das SO₂ vom Aktivsauerstoff-Freisetzungsmittel 61 nach außen abgegeben wird. Das nach außen abgegebene SO₂ wird am stromabwärtsseitigen Platin Pt oxidiert und wird erneut im Aktivsauerstoff-Freisetzungsmittel 61 absorbiert. Man beachte, dass das Kaliumsulfat K₂SO₄ stabil ist und dass daher das Kaliumsulfat K₂SO₄ weniger aktiven Sauerstoff freisetzt als das Kaliumnitrat KNO₃.
Wie oben erläutert, erzeugt das Aktivsauerstoff-Freisetzungsmittel 61 ferner während der Umsetzung von NOx mit dem Sauerstoff den aktiven Sauerstoff und setzt diesen frei, wenn das Aktivsauerstoff-Freisetzungsmittel 61 NO_x in Form von Nitrat-Ionen NO₃ ^– absorbiert. Ebenso erzeugt das Aktivsauerstoff-Freisetzungsmittel 61, wie oben erläutert, den aktiven Sauerstoff während der Umsetzung von SO₂ mit dem Sauerstoff und setzt den aktiven Sauerstoff frei, wenn das Aktivsauerstoff-Freisetzungsmittel 61 SO₂ in Form der Sulfat-Ionen SO₄ ^2– absorbiert.
Andererseits handelt es sich bei dem Sauerstoff O, der zur Kontaktfläche zwischen den Teilchen 62 und dem Aktivsauerstoff-Freisetzungsmittel 61 wandert, um den Sauerstoff, der aus Verbindungen wie Kaliumnitrat KNO₃ oder Kaliumsulfat K₂SO₄ abgespalten wurde. Der Sauerstoff O, der von diesen Verbindungen abgespalten wurde, weist eine hohe Energie auf und weist eine extrem hohe Aktivität auf. Daher ist der Sauerstoff, der zur Kontaktfläche zwischen dem Teilchen 62 und dem Aktivsauerstoff-Freisetzungsmittel 61 wandert, ein aktiver Sauerstoff O.
Ebenso handelt es sich auf bei dem Sauerstoff, der während der Umsetzung von NO_x mit dem Sauerstoff oder der Umsetzung von SO₂ mit dem Sauerstoff im Aktivsauerstoff-Freisetzungsmittel 61 erzeugt wird, um aktiven Sauerstoff.
Wenn dieser aktive Sauerstoff O mit den Teilchen 62 in Kontakt kommt, werden die Teilchen 62 für kurze Zeit (einige Sekunden bis zu mehreren zehn Minuten) oxidiert, ohne eine leuchtende Flamme zu emittieren, und somit werden sie vollständig beseitigt. Somit lagern sich fast keine Teilchen 62 am Teilchenfilter 22 an. Daher ist das Aktivsauerstoff-Freisetzungsmittel 61 ein Oxidierungsmaterial zum Oxidieren der Teilchen.
Wenn die Teilchen, die sich in Schichten auf dem Teilchenfilter 22 angelagert haben, gemäß dem Stand der Technik verbrannt werden, wird der Filter 22 rotglühend heiß und brennt mit einer Flamme. Dieses Brennen mit einer Flamme hält nicht an, solange die Temperatur nicht hoch ist, und daher muss, damit eine solche Verbrennung mit einer Flamme anhält, die Temperatur des Teilchenfilters 22 bei einer hohen Temperatur gehalten werden.
Im Gegensatz dazu werden in der vorliegenden Erfindung die Teilchen 62 oxidiert, ohne eine leuchtende Flamme zu emittieren, wie oben erläutert, und gleichzeitig wird die Oberfläche des Teilchenfilters nicht rotglühend heiß. Das heißt, anders ausgedrückt werden in der vorliegenden Erfindung die Teilchen 62 durch Oxidation anhand einer Temperatur beseitigt, die erheblich niedriger ist als im Stand der Technik. Somit unterscheidet sich der Mechanismus der Beseitigung der Teilchen 62 durch Oxidation ohne Emission einer leuchtenden Flamme gemäß der vorliegenden Erfindung völlig vom herkömmlichen Mechanismus der Beseitigung von Teilchen durch Verbrennung, die mit einer Flamme einhergeht.
Das Platin Pt und das Aktivsauerstoff-Freisetzungsmittel 61 werden aktiver, je höher die Temperatur des Teilchenfilters 22 ist, daher nimmt die Menge der Teilchen, die pro Zeiteinheit durch Oxidation entfernt werden können, ohne eine leuchtende Flamme auf dem Teilchenfilter 22 zu erzeugen, umso mehr zu, je höher die Temperatur des Teilchenfilters 22 ist.
Eine durchgezogene Linie in 5 zeigt eine Menge G der Teilchen, die pro Zeiteinheit durch Oxidation entfernt werden können, ohne eine leuchtende Flamme zu emittieren. Eine Abszisse von 5 zeigt eine Temperatur TF des Teilchenfilters 22. Wenn man nun eine Menge der Teilchen, die pro Zeiteinheit aus der Brennkammer 5 ausgetragen werden, als Menge M der ausgetragenen Teilchen bezeichnet, dann werden, wenn die Menge M der ausgetragenen Teilchen kleiner ist als die Menge G der Teilchen, die in der gleichen Zeiteinheit durch Oxidation entfernt werden können, d. h. in der Region I von 5, alle Teilchen, die aus der Brennkammer 5 ausgetragen werden, durch den Kontakt der Teilchen mit dem Teilchenfilter 22 durch Oxidation nacheinander in einer kurzen Zeit (mehrere Sekunden bis zu mehreren zehn Minuten) entfernt, ohne eine leuchtende Flamme auf dem Teilchenfilter 22 zu erzeugen.
Wenn die Menge M der ausgetragenen Teilchen größer ist als die Menge G der Teilchen, die durch Oxidation entfernt werden können, d. h. in der Region II von 5, reicht die Menge des aktiven Sauerstoffs dagegen nicht aus, um alle Teilchen zu oxidieren. 4A bis 4C zeigen den Oxidationszustand von Teilchen in diesem Fall.
Das heißt, wenn die Menge an aktivem Sauerstoff nicht ausreicht, um alle Teilchen zu oxidieren, wird, wenn Teilchen 62 am Aktivsauerstoff-Freisetzungsmittel 61 haften, wie in 4A dargestellt, nur ein Teil der Teilchen 62 oxidiert, und dann bleibt ein Anteil der Teilchen, die nicht ausreichend oxidiert wurden, auf der Trägerschicht zurück. Wenn der Zustand, dass die Menge an aktivem Sauerstoff nicht ausreicht, anhält, bleiben dann die Anteile der Teilchen, die nicht oxidiert werden, nacheinander auf der Trägerschicht zurück, und infolgedessen wird, wie in 4B dargestellt, die Oberfläche der Trägerschicht von dem Anteil der verbliebenen Teilchen 63 bedeckt.
Dieser Anteil an zurückgebliebenen Teilchen 63, welche die Oberfläche der Trägerschicht bedecken, verändert sich allmählich zu schwer zu oxidierendem Graphit, und daher kann es leicht sein, dass der Anteil an zurückgebliebenen Teilchen 63 unverändert bleibt. Wenn die Oberfläche der Trägerschicht von dem Anteil an zurückgebliebenen Teilchen 63 bedeckt wird, werden außerdem die Oxidationswirkung des Platins Pt auf NO und SO₂ und der Mechanismus der Freisetzung von aktivem Sauerstoff durch das Aktivsauerstoff-Freisetzungsmittels 61 unterdrückt. Infolgedessen lagern sich, wie in 4C dargestellt, allmählich weitere Teilchen 64 am Anteil zurückgebliebener Teilchen 63 an. Das heißt, die Teilchen lagern sich in Schichten an. Wenn die Teilchen sich auf diese Weise in Schichten anlagern, werden die Teilchen vom Platin Pt oder dem Aktivsauerstoff-Freisetzungsmittel 61 durch einen Abstand getrennt, so dass sie selbst dann, wenn sie leicht zu oxidierende Teilchen sind, nicht vom aktiven Sauerstoff O oxidiert werden, und daher lagern sich nacheinander weitere Teilchen an den Teilchen 64 an. das heißt, wenn der Zustand, dass die Menge M der ausgetragenen Teilchen größer ist als die Menge G der Teilchen, die durch Oxidation entfernt werden können, anhält, lagern sich Teilchen in Schichten auf dem Teilchenfilter 22 an, und daher ist es nicht mehr möglich, die Teilchen zur Entzündung und zum Brennen zu bringen, solange die Temperatur des Abgases nicht erhöht wird oder die Temperatur des Teilchenfilters 22 nicht erhöht wird.
Auf diese Weise werden in der Region I von 5 die Teilchen in einer kurzen Zeit verbrannt, ohne eine leuchtende Flamme auf dem Teilchenfilter 22 zu emittieren. Dagegen lagern sich in der Region II von 5 die Teilchen in Schichten auf dem Teilchenfilter 22 an. Um zu verhindern, dass sich die Teilchen in Schichten auf dem Teilchenfilter 22 anlagern, muss daher die Menge M der ausgetragenen Teilchen immer kleiner gehalten werden als die Menge G der Teilchen, die durch Oxidation entfernt werden können.
Wie aus 5 hervorgeht, können mit dem Teilchenfilter 22, der in dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird, die Teilchen auch dann oxidiert werden, wenn die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 beträchtlich niedrig ist, und daher ist es möglich, in einem Verbrennungsmotor mit Verdichtungszündung, der in 1 dargestellt ist, die Menge M der ausgetragenen Teilchen und die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 so zu halten, dass die Menge M der ausgetragenen Teilchen in der Regel kleiner ist als die Menge G der Teilchen, die durch Oxidation entfernt werden können.
In der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden daher die Menge M der ausgetragenen Teilchen und die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 so gehalten, dass die Menge M der ausgetragenen Teilchen in der Regel kleiner ist als die Menge G der Teilchen, die durch Oxidation entfernt werden können. Wenn die Menge M der ausgetragenen Teilchen so gehalten wird, dass sie in der Regel kleiner ist als die Menge G der Teilchen, die durch Oxidation entfernt werden können, lagern sich Teilchen kaum in Schichten auf dem Teilchenfilter 22 an, und infolgedessen nimmt der Druckverlust des Abgasstroms im Teilchenfilter 22 kaum zu. Daher wird es kaum zu einem Absinken der Ausgangsleistung des Motors kommen.
Wie oben erläutert, ist es andererseits schwer, die Teilchen durch aktiven Sauerstoff zu oxidieren, wenn sich die Teilchen in Schichten am Teilchenfilter 22 anlagern, selbst wenn die Menge M der ausgetragenen Teilchen kleiner wird als die Menge G der Teilchen, die durch Oxidation entfernt werden können. Wenn die Anteile der Teilchen, die nicht oxidiert werden, zurückzubleiben beginnen, das heißt, wenn die Menge der sich anlagernden Teilchen unter einem bestimmten Schwellenwert liegt, können die zurückgebliebenen Teilchen jedoch durch Oxidation mit dem aktiven Sauerstoff O entfernt werden, ohne eine leuchtende Flamme zu emittieren, wenn die Menge M der ausgetragenen Teilchen kleiner wird als die Menge G der Teilchen, die durch Oxidation entfernt werden können.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Menge M der ausgetragenen Teilchen und die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 im Gegensatz zu dem in 4B dargestellten Fall so gehalten, dass die Menge M der ausgetragenen Teilchen normalerweise kleiner ist als die Menge G der Teilchen, die durch Oxidation entfernt werden können, und so, dass die Oberfläche der Trägerschicht nicht von den Anteilen an zurückgebliebenen Teilchen 63 bedeckt wird, auch wenn die Menge M der ausgetragenen Teilchen vorübergehend größer wird als die Menge G der Teilchen, die durch Oxidation entfernt werden können, d. h. so, dass die Menge der Teilchen, die sich auf dem Teilchenfilter 22 in Schichten anlagern, unter einem bestimmten Grenzwert gehalten wird, um die Teilchen durch Oxidation entfernen zu können, wenn die Menge M der ausgetragenen Teilchen kleiner wird als die Menge G der Teilchen, die durch Oxidation entfernt werden können.
Genauer ist unmittelbar nach Beginn des Motorbetriebs die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 niedrig, und somit ist die Menge M der ausgetragenen Teilchen größer als die Menge G der Teilchen, die durch Oxidation entfernt werden können. Daher wird angenommen, dass angesichts des aktuellen Motorbetriebs die zweite Ausführungsform zweckmäßig ist.
Auch wenn die Menge M der ausgetragenen Teilchen und die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 gesteuert werden, um die erste oder die zweite Ausführungsform umzusetzen, können sich andererseits Teilchen in Schichten auf dem Teilchenfilter 22 anlagern. In diesem Fall können die Teilchen, die sich am Teilchenfilter 22 anlagern, emittiert werden, ohne eine leuchtende Flamme zu erzeugen, indem vorübergehend das Luft/Kraftstoff-Verhältnis eines Teils des Abgases oder des gesamten Abgases zur fetten Seite verschoben wird.
Das heißt, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases über einen bestimmten Zeitraum hinweg mager geblieben ist, haftet eine große Menge an Sauerstoff am Platin Pt, und somit nimmt die katalytische Leistung des Platins Pt ab. Wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases jedoch zur fetten Seite hin verschoben wird, um die Sauerstoffkonzentration im Abgas zu senken, wird Sauerstoff vom Platin Pt entfernt, und somit wird die katalytische Leistung des Platins Pt wiederhergestellt. Wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases zur fetten Seite hin verschoben wird, wird daher die schnelle Abgabe von aktivem Sauerstoff aus dem Aktivsauerstoff-Freisetzungsmittel 61 nach außen gefördert. Somit wird die Beschaffenheit der sich anlagernden Teilchen in einem Umfang verändert, dass die Teilchen vom schnell freigesetzten aktiven Sauerstoff O leicht oxidiert werden können, und die Teilchen werden durch Oxidation mit dem aktiven Sauerstoff entfernt, ohne eine leuchtende Flamme zu emittieren. Wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases zur fetten Seite hin verschoben wird, nimmt daher die Gesamtmenge der Teilchen G, die durch Oxidation entfernt werden können, zu. Man beachte, dass in diesem Fall das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases zur fetten Seite hin verschoben wird, wenn Teilchen sich schichtweise am Teilchenfilter 22 anlagern, oder periodisch und unabhängig davon, ob sich Teilchen in Schichten anlagern.
Beispielsweise kann ein Verfahren, das die Schritte des Steuerns des Öffnungsgrads der Drosselklappe 17 und des AGR-Steuerventils 25, so dass die AGR-Rate (die Menge an AGR-Gas/(die Menge an Ansaugluft + die Menge an AGR-Gas)) bei oder über 65 Prozent liegt, und des Steuerns der Menge an eingespritztem Kraftstoff so, dass ein durchschnittliches Luft/Kraftstoff-Verhältnis in der Brennkammer 5 fett ist, wenn die Motorlast relativ niedrig ist, als Verfahren zur Anfettung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses des Abgases angewendet werden.
6 zeigt ein Beispiel für die Routine zur Steuerung des oben erläuterten Motorbetriebs.
Wie in 6 dargestellt, wird zu Anfang in Schritt 100 entschieden, ob ein durchschnittliches Luft/Kraftstoff-Verhältnis in der Brennkammer 5 zur fetten Seite hin verschoben werden sollte. Wenn entschieden wird, dass es nicht nötig ist, das durchschnittliche Luft/Kraftstoff-Verhältnis in der Brennkammer 5 zur fetten Seite zu verschieben, geht die Routine zu Schritt 101 weiter, wo ein Öffnungsgrad der Drosselklappe 17 geregelt wird, und dann wird in Schritt 102 ein Öffnungsgrad des AGR-Steuerventils 25 geregelt, und dann wird in Schritt 103 die Menge des eingespritzten Kraftstoffs so geregelt, dass die Menge M der ausgetragenen Teilchen kleiner ist als die Menge G der Teilchen, die durch Oxidation entfernt werden können.
Wenn dagegen in Schritt 100 entschieden wird, dass das durchschnittliche Luft/-Kraftstoff-Verhältnis in der Brennkammer 5 zur fetten Seite hin verschoben werden sollte, geht die Routine zu Schritt 104 weiter, wo der Öffnungsgrad der Drosselklappe 17 geregelt wird, und dann wird in Schritt 105 der Öffnungsgrad des AGR-Steuerventils 25 so geregelt, dass die AGR-Rate bei oder über 65 Prozent gehalten wird, und dann wird in Schritt 106 die Menge an eingespritztem Kraftstoff so geregelt, dass das durchschnittliche Luft/Kraftstoff-Verhältnis in der Brennkammer 5 fett gehalten wird.
Wie oben erläutert, sind die Trennwände 54, welche die Abgaszirkulationsleitungen 50, 51 des Teilchenfilters 22 trennen, aus dem porösen Material gebildet, und das Platin Pt und das Aktivsauerstoff-Freisetzungsmittel 61 sind auf den Wandoberflächen, welche die feinen Löcher der Trennwände 54 definieren, aufgebracht. Das Abgas strömt durch die feinen Löcher der Trennwände 54, und dann werden die Teilchen durch Oxidation entfernt, während das Abgas aus den Abgaszuleitungen 50 durch die feinen Löcher zu den Abgasableitungen 51 strömt. Jedoch können sich die Teilchen in den feinen Löchern ablagern, wodurch die feinen Löcher verstopft werden. Wenn die Menge an sich ablagernden Teilchen groß wird, werden die feinen Löcher außerdem blockiert. In diesem Fall werden die Teilchen im Folgenden nicht mehr durch Oxidation entfernt. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Teilchen, die sich in den feinen Löchern der Trennwände 54 anlagern, durch Oxidation entfernt, indem die Teilchen im Inneren der Trennwände durch eines der mehreren Verfahren, die nachstehend erläutert werden, zwangsweise zum Fließen gebracht werden.
Wenn die Teilchen, die nicht durch Oxidation entfernt werden und die an den Wandflächen, welche die feinen Löcher der Trennwände 54 definieren, oder an Teilchen haften, die auf den Wandflächen, welche die feinen Löcher definieren, zurückgeblieben sind, in den feinen Löchern der Trennwände 54 zum Fließen gebracht werden, steigt die Wahrscheinlichkeit, dass die Teilchen mit dem Aktivsauerstoff-Freisetzungsmittel, das auf den anderen Wandoberflächen, welche die feinen Löcher definieren, aufgebracht ist, in Kontakt kommen, und somit wird die Fähigkeit der oxidativen Entfernung sehr hoch. Wenn die Teilchen in den feinen Löchern der Trennwände zum Fließen gebracht werden und somit die Teilchen durch Oxidation entfernt werden, wobei die anderen Wandoberflächen, welche die feinen Löcher definieren, genutzt werden, werden außerdem die Wandoberflächen, welche die feinen Löcher der Trennwände definieren, gleichmäßig genutzt, und somit bleibt die Menge an Teilchen, die durch Oxidation vom Teilchenfilter entfernt werden können, hoch.
Nun werden konkrete Verfahren zur Fluidisierung von Teilchen in den feinen Löchern der Trennwände erläutert. Ein Verfahren, welches die Schritte des Pulsierenlassens des Abgases und des Einführens des gepulsten Abgases in die feinen Löcher der Trennwände umfasst, ein Verfahren, welches einen Schritt der Umkehrung einer Zuströmungsrichtung des Abgases, das in die feinen Löcher der Trennwände strömt, umfasst, und ein Verfahren, das einen Schritt des physikalischen Vibrierenlassens des Teilchenfilters selbst umfasst. Nachstehend werden diese Verfahren an gegebener Stelle erläutert. Nur das Verfahren, das den Schritt der Umkehrung einer Richtung, in der das Abgas in die feinen Löcher der Trennwand strömt, umfasst, wird als Teil der vorliegenden Erfindung angesehen. Alle anderen Verfahren sind zur Information offenbart.
Gemäß dem ersten Verfahren, das einen Schritt des Pulsierenlassens des Abgases umfasst und das nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, werden die Teilchen, die sich in den feinen Löchern der Trennwände 54 ablagern, durch das gepulste Abgas zum Vibrieren gebracht. Durch die Vibration werden die Partikel zwangsweise von den Wandoberflächen, welche die feinen Löcher der Trennwände 54 definieren, desorbiert und wandern dann in die feinen Löcher. Man beachte, dass das Abgas dadurch gepulst wird, dass Bereiche im Abgas erzeugt werden, die unterschiedliche Drücke aufweisen. Wie in 1 dargestellt, ist eine Abgas-Pulsationseinrichtung 39a in der Abgasleitung 20a zwischen der Abgasturbine 21 und dem katalytischen Wandler 23 angeordnet, und ein Gas mit einem Druck, der höher ist als der des Abgases, wird in extrem kurzen Zeitintervallen von der Einrichtung 39a in das Abgas eingeführt. Dadurch wird das Abgas gepulst.
Alternativ dazu kann das Abgas anhand eines Verfahrens gepulst werden, das einen Schritt des Saugens des Abgases durch die Abgas-Pulsationseinrichtung 39a in extrem kurzen Zeitintervallen als anderes Verfahren umfasst. Ferner kann das Abgas alternativ auch anhand eines Verfahrens gepulst werden, welches die Schritte des Saugens des Abgases in die Abgas-Pulsationseinrichtung 39a und die Austragung des eingesaugten Abgases aus der Einrichtung 39a, d. h. die Wiederholung des Einsaugens und Austragens des Abgases in extrem kurzen Zeitintervallen, als anderes Verfahren umfasst.
Ferner kann alternativ das Abgas, wie in 7 dargestellt, in dem Fall, dass der Verbrennungsmotor so aufgebaut ist, dass die Abgasleitung 20 stromaufwärts von der Abgasturbine 21 über eine Umgehungsleitung 20b mit der Abgasleitung 20 stromabwärts von der Abgasturbine 21 verbunden ist, und dass ein Umgehungssteuerventil 20c in der Umgehungsleitung 20b angeordnet ist, und dass das Abgas die Abgasturbine 21 durch die Umgehungsleitung 20b umgeht, wenn das Umgehungssteuerventil 20c offen ist, anhand eines Verfahrens gepulst werden, das einen Schritt des Wiederholens des Öffnens und Schließens des Umgehungssteuerventils 20c als anderes Verfahren um fasst. In diesem Fall sei darauf hingewiesen, dass das Umgehungssteuerventil 20c über eine entsprechende Treiberschaltung 38 mit dem Ausgabeport 36 verbunden ist.
Ferner kann alternativ dazu in einem Fall, wo der Verbrennungsmotor eine Vielzahl von Brennkammern 5 aufweist, das Abgas anhand eines Verfahrens gepulst werden, das einen Schritt des Einspritzens des Kraftstoffs von den Kraftstoffeinspritzern 6 nur in bestimmte Brennkammern 5 umfasst, wodurch die Drücke des Abgases, das aus den Brennkammern 5 ausgetragen wird, verschieden werden.
Ferner kann alternativ dazu das Abgas anhand eines Verfahrens, das einen Schritt des Einspritzens von Kraftstoff aus dem Kraftstoffeinspritzer 6 in die Brennkammer 5 während der zweiten Hälfte des Leistungshubs oder währen des Abgashubs, nachdem Kraftstoff zum Antreiben des Motors vom Kraftstoffeinspritzer 6 in die Brennkammer 5 eingespritzt wurde, um den Motor anzutreiben, umfasst, um das Abgas stark zu pulsen, als anderes Verfahren angewendet werden. Gemäß diesem Verfahren verbrennt der Kraftstoff, der während der zweiten Hälfte des Leistungshubs oder während des Abgashubs eingespritzt wird, aber die daraus resultierende Leistung wird nicht zum Antreiben des Motors verwendet, wodurch der Druck des Abgases, das aus der Brennkammer 5 zur Abgasmündung ausgetragen wird, größer wird als der des Abgases, das ausgetragen wird, wenn der Verbrennungsmotor normal arbeitet, und somit wird das Abgas stark gepulst. 8A und 8B zeigen dieses Phänomen.
Wie vom Bezugszeichen Im in 8A dargestellt ist, wird eine Kraftstoffeinspritzung zum Antreiben des Verbrennungsmotors (im Folgenden als Haupt-Kraftstoffeinspritzung bezeichnet) in der zweiten Hälfte des Leistungshubs durchgeführt, wenn der Verbrennungsmotor normal arbeitet. In diesem Fall ändert sich der Druck der Brennkammer 5 (im Folgenden als Zylinderdruck bezeichnet) wie von der Kurve C1 dargestellt. Das heißt, der Zylinderdruck nimmt allmählich zu, während die Zeit in Richtung auf den oberen Totpunkt des Kompressionshubs TDC fortschreitet, und nach dem oberen Totpunkt des Kompressionshubs TDC nimmt er allmählich ab. Das Auslassventil 9 öffnet sich, während der Zylinderdruck allmählich sinkt, und somit ändert sich der Druck des Abgases, das zur Abgasmündung 10 ausgetragen wird (im Folgenden als Abgasdruck bezeichnet) wie von einer Kurve C2 dargestellt. In diesem Fall wird das Abgas mit dem maximalen Druck P_max1 zur Abgasmündung 10 ausgetragen.
Wie vom Bezugszeichen Ip in 8B dargestellt, wird andererseits, wenn der Motorbetrieb einen Zustand aufweist, in dem das Abgas stark gepulst werden sollte, eine Kraftstoffeinspritzung (im Folgenden als Hilfs-Kraftstoffeinspritzung bezeichnet) in der zweiten Hälfte des Leistungshubs oder während des Abgashubs durchgeführt, nachdem die Haupt-Kraftstoffeinspritzung Im durchgeführt wurde. In diesem Fall ändert sich der Zylinderdruck wie in einer Kurve C3 dargestellt. Das heißt, der Zylinderdruck nimmt allmählich zu, wenn die Zeit in Richtung auf den oberen Totpunkt des Kompressionshubs TDC fortschreitet, und nach dem oberen Totpunkt des Kompressionshubs TDC nimmt er allmählich ab, aber während der Zeit, zu der der Verbrennungsmotor normal arbeitet, wird der Zylinderdruck unmittelbar nach der Durchführung der Hilfs-Kraftstoffeinspritzung vorübergehend konstant gehalten und danach sinkt er allmählich. Dann öffnet sich das Auslassventil 9, während der Zylinderdruck konstant gehalten wird. Daher wird das Abgas mit einem maximalen Druck P_max2, der höher ist als der maximale Druck P_max1, wenn der Verbrennungsmotor normal arbeitet, zur Abgasmündung 10 ausgetragen. Dadurch wird das Abgas stark gepulst.
Alternativ dazu kann in dem Fall, dass der Verbrennungsmotor eine Vielzahl von Brennkammern 5 aufweist, die oben genannte Hilfs-Kraftstoffeinspritzung in jeder Brennkammer 5 oder nur in bestimmten Brennkammern 5 durchgeführt werden. Welche Art der Hilfs-Kraftstoffeinspritzung angewendet wird, wird beispielsweise abhängig von einer gewünschten Art und Weise der Abgaspulsation oder der Kraftstoffmenge, die durch die Hilfs-Kraftstoffeinspritzung eingespritzt wird, um zu bewirken, dass das Abgas mit einem gewünschten Pulsationsgrad pulsiert, oder der Möglichkeit, dass der Kraftstoff, der durch die Hilfs-Kraftstoffeinspritzung eingespritzt wird, an der Innenwand-Oberfläche haftet, welche die Brennkammer 5 definiert, oder der Menge der abgeschiedenen Teilchen bestimmt.
Ferner verbrennt in dem Fall, dass die Hilfs-Kraftstoffeinspritzung in der zweiten Hälfte des Abgashubs durchgeführt wird, der Kraftstoff, der durch die Hilfs-Kraftstoffeinspritzung eingespritzt wird, nicht in der Brennkammer 5 und kann daher zur Abgasmündung 10 ausgetragen werden. In diesem Fall wird jedoch das Ziel, das Abgas zu pulsieren, in ausreichendem Maße durch die Verbrennung des unverbrannten Kraftstoffs, der zur Abgasmündung 10 ausgetragen wird, bevor der unverbrannte Kraftstoff in den Teilchenfilter 22 strömt, erreicht.
Ferner kann alternativ das Abgas anhand eines Verfahrens, welches einen Schritt der Verfrühung der Öffnungszeit für das Auslassventil 9 im Vergleich zu einer normalen Öffnungszeit für das Auslassventil umfasst, als anderes Verfahren stark gepulst werden. Gemäß diesem Verfahren ist nach dem oberen Totpunkt des Kompressionshubs der Zylinderdruck umso höher, je früher es ist, und somit ist der Druck des Abgases, das zur Abgasmündung 10 ausgetragen wird, umso höher, je früher das Auslassventil 9 sich öffnet, wodurch das Abgas stark gepulst wird. 9A und 9B zeigen dieses Phänomen.
Wie in 9A dargestellt, öffnet sich das Auslassventil 9 zum Zeitpunkt t_no und schließt sich zum Zeitpunkt t_nc, wenn der Verbrennungsmotor normal arbeitet. Wenn sich das Auslassventil 9 auf diese Weise öffnet und schließt, wird das Abgas mit einem maximalen Druck P_max3 zur Abgasmündung 10 ausgetragen. Dagegen öffnet sich das Auslassventil 9 zu einem Zeitpunkt t_so, der vor dem Zeitpunkt t_no liegt, und schließt sich zu einem Zeitpunkt t_sc, der vor dem Zeitpunkt t_nc liegt, wenn der Verbrennungsmotorbetrieb in einem Zustand ist, in dem das Abgas stark gepulst werden sollte. Wenn das Auslassventil 9 sich auf diese Weise öffnet, wird das Abgas mit einem maximalen Druck P_max4, der höher ist als der maximale Druck P_max3, zur Abgasmündung 10 ausgetragen. Dadurch wird das Abgas stark gepulst.
In dem Fall, dass der Verbrennungsmotor eine Vielzahl von Brennkammern 5 aufweist, wird der Zeitpunkt für die Öffnung des Auslassventils 9 in allen Brennkammern 5 oder nur in bestimmten Brennkammern 5 vorgezogen. Welche Art und Weise angewendet wird, wird beispielsweise abhängig von einer gewünschten Art und Weise der Abgaspulsation oder der Menge der angelagerten Teilchen bestimmt.
Ferner kann das Abgas als Alternative anhand eines Verfahrens, welches die Schritte des Installierens einer Luftzuführungseinrichtung 39b zum Zuführen von Luft stromaufwärts von der Abgasturbine 21, wie in 10 dargestellt, und des Einführens der Luft von der Zuführungseinrichtung 39b in das Abgas umfasst, stark gepulst werden. Demgemäß wird der unverbrannte aber brennfähige Kraftstoff, der im Abgas enthalten ist, mit der Luft, die von der Zuführungseinrichtung 39b zugeführt wird, unter dem Einfluss des Abgases, das eine hohe Temperatur aufweist, verbrannt, und somit steigt der Druck des Abgases. Man beachte, dass die Zuführungseinrichtung 39b über eine entsprechende Treiberschaltung 38 mit dem Ausgabeport 36 verbunden ist.
Dieses Verfahren ist ferner dem oben erläuterten Verfahren, welches einen Schritt umfasst, bei dem die Hilfs-Kraftstoffeinspritzung oder die Verfrühung der Öffnung des Abgasventils durchgeführt wird, überlegen, da ein Intervall für die Erhöhung des Abgasdrucks frei gewählt werden kann. Ferner kann in dem Fall, dass die Menge an unverbranntem Kraftstoff, der im Abgas enthalten ist, relativ klein ist, die Hilfs-Kraftstoffeinspritzung in der zweiten Hälfte des Leistungshubs oder im Abgashub durchgeführt werden.
In dem Fall, dass dieses Verfahren durchgeführt wird, wenn der Motorbetrieb verlangsamt wird, wird die folgende Steuerung durchgeführt. Das heißt, wenn das Abgas stark gepulst werden sollte, während der Motorbetrieb verlangsamt wird, wird Kraftstoff eingespritzt, während der Verbrennungsmotor nicht angetrieben wird, und Luft wird von der Luftzuführungseinrichtung 39b zugeführt. Demgemäß wird Kraftstoff, der eingespritzt wird, wenn der Verbrennungsmotor nicht angetrieben wird, aus der Brennkammer 5 ausgetragen und reagiert mit der Luft, die von der Zuführungseinrichtung 39b zugeführt wird, wodurch der Druck des Abgases steigt. Demgemäß wird das Abgas stark gepulst.
Die zwangsweise starke Pulsation des Abgases während der Verlangsamung des Motorbetriebs ist wirksam, um die Teilchen im Teilchenfilter 22 zum Fließen zu bringen. Der Grund dafür ist, dass kein Kraftstoff eingespritzt wird, um den Verbrennungsmotor anzutreiben, wenn der Motorbetrieb verlangsamt wird, und dass somit der Druck des Abgases deutlich niedrig ist, und ferner, dass, wenn zwangsweise Bereiche mit einem hohen Druck im Abgas erzeugt werden, der Grad der Druckvariation des Abgases, das in den Teilchenfilter 22 strömt, äußerst hoch wird.
Ferner kann alternativ ein Verfahren, das die Schritte des Installierens einer Luftzuführungseinrichtung 39b zwischen der Abgasturbine 21 und dem Teilchenfilter 22, wie in 11 dargestellt, des Installierens einer Zündkerze 39c stromabwärts von der Zuführungseinrichtung 39b und stromaufwärts vom Teilchenfilter 22, des Einführens von Luft von der Zuführungseinrichtung 39b in das Abgas und des Aktivierens der Zündkerze 39c, um unverbrannten Kraftstoff, der im Abgas enthalten ist, mit der Luft, die von der Zuführungseinrichtung 39b eingeführt wird, reagieren zu lassen, als anderes Verfahren verwendet werden. Demgemäß verbrennt der unverbrannte Kraftstoff, der im Abgas enthalten ist, durch Reaktion an der Luft, die von der Zuführungseinrichtung 39b eingeführt wird, und dadurch wird der Druck dieses Teils des Abgases erhöht, und somit wird das Abgas gepulst. Man beachte, dass die Zuführungseinrichtung 39b und die Zündkerze 39c über entsprechende Treiberschaltungen 38 mit dem Ausgabeport 36 verbunden sind.
Ferner ist dieses Verfahren dem oben erläuterten Verfahren überlegen, welches einen Schritt des Einführens von Luft in das Abgas stromaufwärts von der Abgasturbine 21 umfasst, da der Druck des Abgases nahe am Teilchenfilter 22 erhöht wird und dadurch das Abgas viel stärker gepulst wird. Ferner kann anhand dieses Verfahrens das Abgas stark gepulst werden, ohne Brennstoff in die Brennkammer einzuspritzen, wenn der Motorbetrieb verlangsamt wird, und der Motor muss nicht angetrieben werden.
Ferner kann alternativ dazu das Abgas anhand eines Verfahrens, das die Schritte des Installierens eines zweiten Kraftstoffeinspritzers 6b zum Einspritzen von Kraftstoff zwischen der Abgasturbine 21 und dem Teilchenfilter 22, wie in 12 dargestellt, des Verbindens des zweiten Kraftstoffeinspritzers 6b mit der Common Rail 27 und des Einführens von Kraftstoff in das Abgas umfasst, als anderes Verfahren verwendet werden, um das Abgas stark zu pulsen. Demgemäß verbrennt der Kraftstoff, der vom zweiten Kraftstoffeinspritzer 6b eingespritzt wird, durch Reaktion an Sauerstoff, der im Abgas enthalten ist, und somit wird der Druck des Abgases erhöht, und somit wird das Abgas stark gepulst. Man beachte, dass der zweite Kraftstoffeinspritzer 6b über eine entsprechende Treiberschaltungen 38 mit dem Ausgabeport 36 verbunden ist.
In dem Fall, dass die Sauerstoffmenge, die im Abgas enthalten ist, nicht ausreicht, um den Kraftstoff, der vom zweiten Kraftstoffeinspritzer 6b eingespritzt wird, zu verbrennen, kann ferner eine Luftzuführungseinrichtung stromaufwärts vom zweiten Kraftstoffeinspritzer 6b angeordnet werden, um Luft in das Abgas einzuführen. In dem Fall, dass die Temperatur des Abgases nicht ausreicht, um den Kraftstoff, der vom zweiten Kraftstoffeinspritzer 6b eingespritzt wird, zu verbrennen, kann ferner eine Zündkerze stromabwärts vom zweiten Kraftstoffeinspritzer 6b angeordnet werden, um den Kraftstoff, der im Abgas enthalten ist, zu entzünden.
Die oben erläuterten Verfahren, welche die Abgas-Pulsationseinrichtung verwenden, eine Umgehung der Abgasturbine 21 durch das Abgas bewirken, die Hilfs-Kraftstoffeinspritzung verwendeen, die Öffnungszeit des Auslassventils verfrühen, eine Luftzuführungseinrichtung verwenden, eine Zündkerze verwenden und den zweiten Kraftstoffeinspritzer verwenden, können unter Berücksichtigung ihrer Wirkungen und Vorteile optional kombiniert werden.
13 zeigt ein Beispiel für die Routine der Durchführung des oben erläuterten Verfahrens zur Entfernung von sich anlagernden Teilchen.
Wie in 13 dargestellt, wird in Schritt 200 zu Anfang entschieden, ob ein Druckverlust P, der auf den Teilchenfilter 22 zurückgeht, über einem vorgegebenen Grenzwert PTH liegt (P > PTH). Der Druckverlust bedeutet den Druckunterschied zwischen dem Druck des Abgases stromaufwärts vom Teilchenfilter 22 und dem Druck des Abgases stromabwärts vom Teilchenfilter 22. Wenn in Schritt 200 entschieden wird, dass P > PTH, wird angenommen, dass eine relativ große Menge an Teilchen in den feinen Löchern der Trennwände 54 des Teilchenfilters angelagert wurden, da der Druckverlust P relativ hoch ist, und es wird entschieden, dass es nötig ist, die Teilchen durch Oxidation zu entfernen, und dann wird in Schritt 201 ein Abgaspulsationsverfahren durchgeführt, indem eines der oben erläuterten Verfahren durchgeführt wird.
Wenn dagegen in Schritt 200 entschieden wird, dass P ≤ PTH, wird bestimmt, dass es nicht nötig ist, das Abgaspulsationsverfahren durchzuführen, und dann endet die Routine.
Ferner kann bei der Anordnung, wo eine Vielzahl der Teilchenfilter 22 parallel zueinander angeordnet sind, wie in 15 dargestellt, das Abgas alternativ anhand eines Verfahrens gepulst werden, das sich von dem oben erläuterten Verfahren, bei dem die Abgas-Pulsationseinrichtung 39a verwendet wird, unterscheidet. Das heißt, in diesem Fall wird ein Sperrventil 22a stromaufwärts von jedem Teilchenfilter 22 angeordnet und somit nimmt durch äußerst schnelles Wiederholen des Öffnens und Schließens bestimmter Sperrventile 22a die Menge des Abgases, das in die Teilchenfilter 22 strömt, die stromabwärts vom verbliebenen Sperrventil 22a angeordnet sind, zyklisch äußerst schnell zu und ab. Dadurch wird das Abgas gepulst.
In dem Fall ist die Menge an Abgas, das in die entsprechenden Teilchenfilter 22 strömt, größer als die normale Menge. Wenn die Strömungsrate des Abgases zu groß ist, kann daher NO_x nicht in das Aktivsauerstoff-Freisetzungsmittel 61 absorbiert werden, oder die Teilchen können nicht an den Wandflächen des Aktivsauerstoff-Freisetzungsmittels 61 festgehalten werden. Um dies zu verhindern, ist es günstig, das Öffnen und Schließen der entsprechenden Sperrventile 22a nur dann durchzuführen, wenn der Verbrennungsmotorbetrieb verlangsamt wird und keine Komponenten wie Teilchen und NO_x im Abgas enthalten sind. Das heißt, das Abgas sollte nur gepulst werden, wenn der Verbrennungsmotor verlangsamt wird, die entsprechenden Sperrventile 22a wiederholt geöffnet und geschlossen werden.
16 zeigt ein Beispiel für die Routine der Durchführung des Verfahrens zur Fluidisierung der sich anlagernden Teilchen in der oben erläuterten Anordnung, die in 15 dargestellt ist.
Wie in 16 dargestellt, wird zuerst in Schritt 300 entschieden, ob ein Druckverlust P, der auf die einzelnen Teilchenfilter 22 zurückgeht, über einem vorgegebenen Grenzwert PTH Liegt (P > PTH). Wenn in Schritt 300 entschieden wird, dass P > PTH, geht die Routine zu Schritt 301 weiter, wo entschieden wird, ob der Motorbetrieb verlangsamt ist. Wenn in Schritt 301 entschieden wird, dass der Motorbetrieb verlangsamt ist, wird bestimmt, dass eine Durchführung des Abgaspulsationsverfahrens zulässig ist, und dann wird in Schritt 302 das Abgaspulsationsverfahren durchgeführt, um das Abgas zu pulsen. Wenn in Schritt 300 jedoch entschieden wird, dass P ≤ PTH, wird bestimmt, dass es nicht nötig ist, die sich anlagernden Teilchen durch Oxidation zu entfernen, und dann endet die Routine. Wenn in Schritt 301 ferner entschieden wird, dass der Motorbetrieb nicht verlangsamt ist, wird bestimmt, dass kein Abgaspulsationsverfahren durchgeführt werden sollte, und dann endet die Routine.
Gemäß der zweiten Ausführungsform, die Gegenstand des unabhängigen Anspruchs ist und die einen Schritt des Umkehrens der Strömungsrichtung des Abgases umfasst, trifft das Abgas, das verschiedene Strömungsrichtungen aufweist, auf die Teilchen, die sich in den feinen Löchern der Trennwände 54 anlagern. Durch dieses Auftreffen des Abgases werden die Teilchen zwangsweise von den Wandflächen, welche die feinen Löcher der Trennwände 54 definieren, desorbiert und dann in die feinen Löcher getrieben. Es gibt verschiedene Verfahren als konkretes Verfahren zum Umkehren der Strömungsrichtung des Abgases, aber zwei davon werden nachstehend als Beispiele erläutert.
Gemäß einem ersten Verfahren wird die Strömungsrichtung des Abgases umgekehrt, ohne die Seite, von der aus das Abgas in den Teilchenfilter 22 strömt, zu ändern. Um dieses erste Verfahren durchzuführen, wird der Teilchenfilter 22 so aufgebaut wie in 17A und 17B dargestellt. Wie in 17A und 17B gezeigt, sind die Ende der Abgaszirkulationsleitungen durch Platten 70, die in 17A dargestellt sind, anstelle von Stopfen 52, 53 verschlossen. Eine Vielzahl von Öffnungen 71 sind in den Platten 70 ausgebildet, und die Platten 70 sind so angeordnet, dass jeweils gegenüber liegende Enden des Teilchenfilters 22 geschlossen sind, wie in 17B dargestellt. Die Platten 70 sind nicht an den gegenüber liegenden Enden des Teilchenfilters 22 fixiert und sie berühren lediglich die gegenüber liegenden Enden des Teilchenfilters 22.
Das heißt, der Teilchenfilter 22 kann sich relativ zu den Platten 70 und unabhängig von den Platten 70 bewegen. Die Abgaszirkulationsleitungen, die an den Öffnungen 71 einer der Platten 70 ausgerichtet sind, entsprechen den Abgaszuleitungen 50, und die Abgaszirkulationsleitungen, die an den Öffnungen 71 der anderen Platte 70 ausgerichtet sind, entsprechen den Abgasableitungen 51. Die einzelnen Platten 70 ist so zu beiden Seite des Teilchenfilters 22 angeordnet, dass die Abgaszuleitungen 50 und die Abgasableitungen 51 abwechselnd angeordnet werden, anders ausgedrückt, die Abgaszuleitung 50 ist von vier Abgasableitungen 51 umgeben, und die Abgasableitung 51 ist von vier Abgaszuleitungen 50 umgeben.
Ferner ist ein Zahnrad 72 an einer Umfangswandfläche des Teilchenfilters 22 angeordnet und greift in ein Zahnrad 73 ein. Das Zahnrad 73 ist mit einem Elektromotor 74 verbunden und kann vom Elektromotor 74 bewegt werden.
In der oben erläuterten Anordnung wird der Elektromotor 74, wenn entschieden wird, dass es nötig ist, die Teilchen in den feinen Löchern der Trennwände 54 fließfähig zu machen, aktiviert, um den Teilchenfilter 22 schnell relativ zu den Platten 70 zu drehen, beispielsweise um 90 Grad. Durch Drehen des Teilchenfilters 22 strömt das Abgas, während der Teilchenfilter 22 gedreht wird, in die Abgaszirkulationsleitungen, die normalerweise den Abgasableitungen 51 entsprechen. Daher strömt das Abgas über einen äußerst kurzen Zeitraum in entgegengesetzter Richtung zur normalen Richtung durch die Trennwände 54. Dadurch werden die Teilchen in den Trennwände 54 zum Fließen gebracht.
Gemäß einem zweiten Verfahren wird die Strömungsrichtung des Abgases durch Umkehren der Abgaszuströmungsseite des Teilchenfilters 22 umgekehrt. Um das zweite Verfahren durchführen zu können, wird der Teilchenfilter 22 beispielsweise angeordnet wie in 18 bis 20 dargestellt. Wie in 18 und 19 dargestellt, ist die Abgasleitung 20a mit einem Abgasstrom-Änderungsrohr 80 verbunden. Das Rohr 80 weist drei Öffnungen auf, die mit einem ersten Abgasrohr 81, einem zweiten Abgasrohr 81b bzw. einem Abgasrohr 82 verbunden sind. Das erste Abgasrohr 81a ist mit einem Ende des Teilchenfilters 22 verbunden und das zweite Abgasrohr 81b ist mit dem anderen Ende des Teilchenfilters 22 verbunden. Um die Erklärung zu vereinfachen, wird das Ende des Teilchenfilters 22, mit dem das erste Abgasrohr 81a verbunden ist, als erstes Ende bezeichnet, und das Ende des Teilchenfilters 22, mit dem das zweite Abgasrohr 18b verbunden ist, wird als zweites Ende bezeichnet.
Ein Änderungsventil 80a ist im Rohr 80 angeordnet. Durch Einstellen der Drehstellung des Ventils 80a führt das Rohr 80 das Abgas von einem der beiden verschiedenen Enden ein, d. h. vom ersten Ende oder vom zweiten Ende des Teilchenfilters 22.
Das heißt, wenn das Ventil 80a in einer ersten Drehstellung angeordnet ist, wie in 18 dargestellt, strömt das Abgas am ersten Ende des Teilchenfilters 22 vom Rohr 80 durch das erste Abgasrohr 81a in den Teilchenfilter 22, wie von einem Pfeil in 18 dargestellt. Dann strömt das Abgas aus dem zweiten Ende des Teilchenfilters 22 und strömt durch das zweite Abgasrohr 81b in das Rohr 80. Schließlich tritt das Abgas aus dem Rohr 80 aus und in das Abgasrohr 82 ein.
Wenn dagegen das Ventil 80a in einer zweiten Drehstellung angeordnet wird, wie in 20 dargestellt, strömt das Abgas am zweiten Ende des Teilchenfilters 22 aus dem Rohr 80 durch das zweite Abgasrohr 81b in den Teilchenfilter 22, wie von einem Pfeil in 20 dargestellt. Dann strömt das Abgas aus dem ersten Ende des Teilchenfilters 22 und strömt durch das erste Abgasrohr 81a in das Rohr 80. Schließlich tritt das Abgas aus dem Rohr 80 aus und in das Abgasrohr 82 ein.
Auf diese Weise kann die Seite, in der das Abgas in den Teilchenfilter 22 strömt, durch Umkehren der Drehstellung des Änderungsventils 80a umgekehrt werden. Wenn die Drehstellung des Ventils 80a verändert wird, beispielsweise in vorgegebenen Zeitintervallen, wird die Richtung, in der das Abgas durch die Trennwände 45 des Teilchenfilters 22 strömt, periodisch geändert. Daher werden die Teilchen, die sich an den Wandflächen anlagern, welche die feinen Löcher der Trennwände 54 definieren, in den Trennwänden 54 zum Fließen gebracht. Dadurch wird die Entfernung der Teilchen in den Trennwänden 54 durch Oxidation gefördert.
Gemäß dem dritten Verfahren, das eine physikalische Vibration nutzt und das nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, wird der Teilchenfilter 22 physikalisch zum Vibrieren gebracht, und dadurch werden die sich anlagernden Teilchen von den Wandoberflächen, welche die feinen Löcher der Trennwände 54 definieren, desorbiert. Dies bewirkt, dass die Teilchen in die feinen Löcher der Trennwände 54 wandern. Es können verschiedene Verfahren als das Verfahren für die physikalische Vibrierung des Teilchenfilters 22 aufgeführt werden, aber als Beispiel wird das folgende Verfahren erläutert.
Wie in 21 dargestellt, ist eine Vibrationseinrichtung 23a an der Umfangswandfläche des katalytischen Wandlers angeordnet, und dann wird der Wandler 23 durch die Einrichtung zum Vibrieren gebracht und dadurch vibriert der Teilchenfilter 22. Eine Einrichtung, die einen Ultraschallvibrator oder einen von einem Elektromotor angetriebenen Vibrator verwendet, kann als Vibrationseinrichtung 23a verwendet werden. Man beachte, dass die Einrichtung 23a über eine entsprechende Treiberschaltung 38 mit dem Ausgangsport 36 verbunden ist.
Alternativ dazu kann zusätzlich zu dem oben erläuterten Verfahren zur Fluidisierung der Teilchen eine Einspritzung und Verbrennung des Kraftstoffs zum Antreiben des Verbrennungsmotors in den mehreren Brennkammern 5 durchgeführt werden, wodurch absichtlich ein Ungleichgewicht der Motorverbrennung erzeugt wird, wodurch der Verbrennungsmotor selbst vibriert und dadurch den Wandler 23 vibrieren lässt.
Wie in 22 dargestellt, kann ferner in dem Fall, dass die Vibrationseinrichtung 23a verwendet wird, der Wandler 23 an seinen beiden Enden anhand von flexiblen Rohren 20b gelagert werden. Demgemäß wird die Vibration des Wandlers 23 verstärkt, und dadurch wird die Vibration des Teilchenfilters 22 verstärkt.
Jede Zeit kann als Zeit für eine Durchführung eines Verfahrens (das hierin im Folgenden als Teilchenfluidisierungsverfahren bezeichnet wird) zur Fluidisierung der Teilchen in den feinen Löchern der Trennwände wie oben beschrieben verwendet werden, abgesehen von der oben beschriebenen Zeit, zu der die Menge der Teilchen, die sich in den feinen Löchern der Trennwände anlagern, größer wird als die vorgegebene Menge. Beispielsweise kann das Teilchenfluidisierungsverfahren durchgeführt werden, wenn erfasst wird, dass die Teilchen sich an den Trennwänden anlagern. Alternativ dazu kann das Teilchenfluidisierungsverfahren durchgeführt werden, wenn erwartet wird, dass die Teilchen sich in den feinen Löchern der Trennwände anlagern. Ferner wird beispielsweise erwartet, dass die Teilchen sich in den feinen Löchern der Trennwände anlagern, wenn die Temperatur des Abgases relativ niedrig ist oder wenn die Menge der ausgetragenen Teilchen groß ist oder wenn der Verbrennungsmotorbetrieb beschleunigt wird oder wenn der Verbrennungsmotorbetrieb gestartet wird. In diesen Fällen wird der normale Mechanismus der oxidativen Entfernung der Teilchen durch den Teilchenfilter 22 nicht gehemmt, auch wenn sich keine Teilchen in den feinen Löchern der Trennwände anlagern, sondern verstärkt, da die Teilchen, die in die feinen Löcher der Trennwände strömen, wahrscheinlich über die gesamten Wandflächen, welche die feinen Löcher definieren, verteilt werden.
Alternativ dazu kann eine periodische Zeit, in der ein bestimmter Zustand gegeben ist, als Zeit für die Durchführung des Teilchenfluidisierungsverfahrens verwendet werden. Das heißt, das Teilchenfluidisierungsverfahren kann in vorgegebenen Zeitintervallen durchgeführt werden. Beispielsweise zu einer Zeit, zu der ein vorgegebener Zeitraum abgelaufen ist, oder wenn ein Kilometerstand einen vorgegebenen Kilometerstand erreicht, oder wenn der Verbrennungsmotorbetrieb angehalten wird. Natürlich kann das Teilchenfluidisierungsverfahren auch auf stetiger Basis durchgeführt werden.
Wenn die feinen Löcher der Trennwände des Teilchenfilters 22 an der stromaufwärtigen Seite, an der das Abgas eintritt, durch die Teilchen blockiert werden, strömen die Teilchen nicht mehr zum stromabwärtigen Bereich der feinen Löcher. In diesem Fall werden die stromabwärtsseitigen Wandoberflächen, welche die feine Löcher definieren, nicht genutzt, um die Teilchen durch Oxidation zu entfernen, und daher wird die Menge G der Teilchen, die vom Teilchenfilter 22 durch Oxidation entfernt werden können, insgesamt niedrig. Um dies zu verhindern, sind, wie in 14 dargestellt, die Größen der feinen Löcher 54a der Trennwände 54 des Teilchenfilters 22 an der stromaufwärtigen Seite, an der das Abgas eintritt, größer als diejenigen an der stromabwärtigen Seite, an der das Abgas austritt. Demgemäß wird verhindert, dass die stromabwärtigen Wandoberflächen der feinen Löcher nicht genutzt werden, um die Teilchen durch Oxidation zu entfernen, weil der stromaufwärtige Bereich der feinen Löcher 54a der Trennwände 54 blockiert wird. Das heißt, demgemäß wird die gesamte Wandoberfläche der Trennwände 54 wirksam verwendet, um die Teilchen durch Oxidation zu entfernen.
Beim Durchführen des oben erläuterten Abgaspulsationsverfahrens wird, wenn die Menge an Teilchen, die sich in den feinen Löchern der Trennwände 54 anlagern, sehr groß ist, d. h. wen die feinen Löcher vollständig blockiert sind, bewirkt, dass das Abgas bei einem höheren Druck als dem maximalen Druck des gepulsten Abgases in den Teilchenfilter 22 strömt. Dadurch werden die Teilchen, die die feinen Löcher der Trennwände 54 blockieren, aus den Trennwänden 54 getrieben, und somit können die Teilchen durch Oxidation entfernt werden.
Wenn die Richtung, in der das Abgas strömt, durch das oben erläuterte Abgasumkehrverfahren umgekehrt wird, werden die Teilchen, welche die feinen Löcher der Trennwände 54 blockieren, natürlich dazu gezwungen, in die Trennwände zu wandern, auch wenn die Menge der Teilchen, die sich in den feinen Löchern der Trennwände 54 anlagern, sehr groß ist.
Kraftstoff oder Schmieröl enthält Calcium Ca und daher enthält das Abgas Calcium Ca. Dieses Calcium Ca erzeugt in Anwesenheit von SO₃ Calciumsulfat CaSO₄. Dieses Calciumsulfat CaSO₄ ist ebenfalls fest und wird auch bei hohen Temperaturen nicht durch Wärme gespalten. Wenn Calciumsulfat CaSO₄ erzeugt wird, werden somit die feinen Löcher des Teilchenfilters 22 durch dieses Calciumsulfat CaSO₄ verstopft, und somit strömt das Abgas nicht mehr leicht durch den Teilchenfilter 22.
Wenn in diesem Fall jedoch ein Alkalimetall oder ein Erdalkalimetall mit einer höheren Ionisierungstendenz als Calcium Ca, beispielsweise Kalium K, als Aktivsauerstoff-Freisetzungsmittel 61 verwendet wird, bindet sich das SO₃, das im Aktivsauerstoff-Freisetzungsmittel 61 diffundiert ist, an das Kalium K, um Kaliumsulfat K₂SO₄ zu bilden, und dann passiert das Calcium Ca die Trennwände 54 des Teilchenfilters 22 und strömt aus der Abgasableitung 51 aus, ohne sich an SO₃ zu binden. Daher werden die feinen Löcher des Teilchenfilters 22 nicht mehr verstopft. Somit wird, wie oben beschrieben, vorzugsweise ein Alkalimetall oder ein Erdalkalimetall mit einer höheren Ionisierungstendenz als Calcium Ca, d. h. Kalium K, Lithium Li, Cäsium Cs, Rubidium Rb, Barium Ba und Strontium Sr als Aktivsauerstoff-Freisetzungsmittel 61 verwendet.
Ferner kann die vorliegende Erfindung auf den Fall angewendet werden, dass nur das Edelmetall, wie Platin Pt, auf der Schicht des Trägers aufgebracht wird, die auf den beiden Seiten des Teilchenfilters 22 ausgebildet ist. In diesem Fall verschiebt sich die durchgezogene Linie, die die Menge G der Teilchen, die durch Oxidation entfernt werden können zeigt, relativ zur in 5 dargestellten durchgezogenen Linie leicht nach rechts. In diesem Fall wird der aktive Sauerstoff vom NO₂ oder SO₃, das auf der Oberfläche des Pt aufliegt, freigesetzt.

Claims

Abgasreinigungsvorrichtung, bei der ein Teilchenfilter (22) zum Entfernen der Teilchen, die in einem Abgas enthalten sind, das aus einer Brennkammer (5) ausgetragen wird, in einer Abgasleitung (20) angeordnet ist, der Teilchenfilter (22) Trennwände (54) aufweist, das Abgas durch feine Öffnungen, die in den Trennwänden (54) vorhanden sind, strömt, ein oxidierendes Material zur Oxidierung der Teilchen (62) auf den Wandflächen, die die feinen Öffnungen definieren, getragen wird, die Teilchen (62), die im Abgas enthalten sind, durch Oxidation in den feinen Öffnungen, die in den Trennwänden (54) vorhanden sind, entfernt werden, die Vorrichtung Mittel zum Desorbieren und Fließfähigmachen der Teilchen, die in den feinen Öffnungen, die in den Trennwänden (54) vorhanden sind, festgehalten werden, aufweist, wobei das Mittel, das die Teilchen fließfähig macht, die Teilchen (62) durch Umkehren einer Strömungsrichtung des Abgases, das in den feinen Öffnungen, die in den Trennwänden (54) vorhanden sind, strömt, fließfähig macht, dadurch gekennzeichnet, dass das oxidierende Material (61) eine Funktion hat, um einen aktiven Sauerstoff aus sich freizusetzen.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das oxidierende Material (61) eine Funktion hat, Sauerstoff in sich zu absorbieren und festzuhalten, wenn überschüssiger Sauerstoff in der Umgebung vorhanden ist, und aktiven Sauerstoff aus sich freizusetzen, wenn die Teilchen (62) an den Wandflächen der Trennwände (54) adsorbiert sind.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das oxidierende Material (61) eine Funktion hat, Sauerstoff in sich zu absorbieren und festzuhalten, wenn überschüssiger Sauerstoff in der Umgebung vorhanden ist, und den festgehaltenen Sauerstoff in Form von aktivem Sauerstoff aus sich freizusetzen, wenn eine Sauerstoffkonzentration in der Umgebung sinkt.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei das oxidierende Material (61) aus Alkalimetall und/oder Erdalkalimetall und/oder einer Seltenerde und/oder einem Übergangsmetall und/oder einem Element der Kohlenstofffamilie besteht.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei das Alkalimetall und das Erdalkalimetall aus Metallen bestehen, deren Ionisierungstendenz stärker als die von Calcium ist.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Teilchen (62) dadurch oxidiert werden, dass ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis einer Teil- oder der Gesamtmenge des Abgases vorübergehend angefettet wird.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das oxidierende Material (61) aus Edelmetallkatalysator besteht.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Mittel zum Fließfähigmachen der Teilchen die Strömungsrichtung des Abgases, das im Inneren der Trennwände (54) strömt, umkehrt, ohne eine Abgaszustromseite des Teilchenfilters (22) und eine Abgasabstromseite des Teilchenfilters (22) zu vertauschen.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Mittel zum Fließfähigmachen der Teilchen die Strömungsrichtung des Abgases, das im Inneren der Trennwände (54) strömt, umkehrt, indem es eine Abgaszustromseite des Teilchenfilters (22) und eine Abgasabstromseite des Teilchenfilters (22) vertauscht.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Mittel zum Fließfähigmachen der Teilchen die Teilchen (62) fließfähig macht, wenn zu erwarten steht, dass die Teilchen (62) sich am Teilchenfilter (22) anlagern.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Mittel zum Fließfähigmachen der Teilchen die Teilchen (62), die sich in den Trennwänden (54) an lagern, desorbiert und fließfähig macht, wenn erfasst wird, dass die Teilchen (62) sich am Partikelfilter (22) anlagern.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Mittel zum Fließfähigmachen der Teilchen die Teilchen (62) in vorgegebenen Zeitabständen fließfähig macht.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Trennwände (54) aus porösem Material gebildet sind.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 13, wobei die durchschnittliche Größe der feinen Öffnungen der Trennwände (54) an der Abgaszustromseite größer sind als diejenigen an der Abgasabstromseite.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Vielzahl der Trennwände (54) parallel zueinander im Partikelfilter angeordnet sind, um eine Vielzahl von Abgaszirkulationsleitungen zu bilden, die parallel zueinander im Teilchenfilter (22) ausgebildet sind, eine der benachbarten Abgaszirkulationsleitungen an ihrem stromaufwärtigen Ende durch einen Stopfen (53) verschlossen ist und die andere der benachbarten Abgaszirkulationsleitungen an ihrem stromabwärtigen Ende durch einen Stopfen (52) verschlossen ist.
Verfahren zur Steuerung der Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Teilchenfilter (22) verwendet wird, um Teilchen (62), die im Abgas enthalten sind, das in den Teilchenfilter (22) strömt, durch Oxidation zu entfernen, ohne eine leuchtende Flamme zu erzeugen, wenn die Menge der Teilchen (62), die pro Zeiteinheit aus der Brennkammer (5) ausgetragen werden, kleiner ist als eine Menge von Teilchen (62), die pro Zeiteinheit durch Oxidation am Partikelfilter (22) aus einer Brennkammer (5) entfernt werden kann, ohne eine leuchtende Flamme zu erzeugen, und um die Teilchen (62), die im Abgas, das in den Teilchenfilter (22) strömt, durch Oxidation zu entfernen, ohne eine leuchtende Flam me zu erzeugen, wenn die Menge der ausgetragenen Teilchen kleiner wird als die Menge an Teilchen, die durch Oxidation entfernt werden kann, wenn eine Menge an Teilchen, die sich am Teilchenfilter (22) anlagern, unter einem bestimmten Schwellenwert bleibt, auch wenn die Menge an ausgetragenen Teilchen vorübergehend größer wird als die Menge an Teilchen, die durch Oxidation entfernt werden kann, die Menge an Teilchen, die durch Oxidation entfernt werden kann, von einer Temperatur des Teilchenfilters (22) abhängt, ein Mittel vorgesehen ist, um die Menge der ausgetragenen Teilchen und die Temperatur des Teilchenfilters (22) so zu halten, dass die Menge an ausgetragenen Teilchen normalerweise kleiner ist als die Menge an Teilchen, die durch Oxidation entfernt werden können, und so, dass die Menge an Teilchen, die sich am Teilchenfilter (22) anlagern, kleiner ist als der bestimmte Schwellenwert, um die Teilchen (62) durch Oxidation zu entfernen, wenn die Menge an ausgetragenen Teilchen kleiner wird als die Menge an Teilchen, die durch Oxidation entfernt werden können, auch wenn die Menge an ausgetragenen Teilchen vorübergehend größer wird als die Menge an Teilchen, die durch Oxidation entfernt werden kann, wodurch die Teilchen (62), die im Abgas enthalten sind, durch Oxidation am Partikelfilter (22) entfernt werden, ohne eine leuchtende Flamme zu erzeugen.