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HINTERGRUND DER Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsvorrichtung für das Entfernen
von Feinstaub aus den Abgasen von Dieselmotoren.
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Die
Reglementierung bezüglich
der Abgase neuer Verbrennungsmotoren, besonders Dieselmotoren, wird
Jahr für
Jahr weiter verschärft,
und es wurde insbesondere dringlich, Feinstaub (im folgenden FS),
der hauptsächlich
Kohlenstoff enthält,
zu reduzieren. Der Dieselpartikelfilter (im folgenden DPF) ist als
eine Vorrichtung zum Entfernen dieses FS aus Abgasen bekannt. Darüber hinaus
wird derzeit der Ansatz, Fahrzeuge mit Dieselmotoren mit einem DPF auszurüsten, verstärkt in die
Tat umgesetzt.
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Da
sich jedoch aufgrund eines wiederholten Motorbetriebs der gesammelte
FS in dem in einem Fahrzeug mit Dieselmotor vorgesehenen DPF ansammeln
würde,
ist es notwendig, den DPF durch Verbrennen des gesammelten FS zu
regenerieren. Für
die Durchführung
dieser Regeneration sind Verfahren zum Verbrennen von FS durch Erhitzen
mittels einer elektrischen Heizvorrichtung oder eines Brenners usw.
bekannt.
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Wenn
dieses Verfahren zum Verbrennen von FS angewandt wird, nimmt das
System, da es unmöglich
ist, während
der mittels erneutem Verbrennen von FS stattfindenden Regenerierung
des DPF FS zu sammeln, aufgrund abwechselnd stattfindendem Sammeln
und Verbrennen durch das Anordnen einer Mehrzahl von DPF in der
Abgasleitung an Umfang zu. Weiterhin wird es problematisch, die
Haltbarkeit bzw. Lebensdauer des DPF sicherzustellen, da die Temperatur
während
der Verbrennung von FS sehr hoch ist. Aus diesen Gründen wurde
dieses Verfahren nicht in großem
Maßstab
eingesetzt.
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Vor
dem Hintergrund dieser Probleme ist in den letzten Jahren ein Verfahren
zum kontinuierlichen Verbrennen des gesammelten FS mittels aktivem
Sauerstoff, der während
der Speicherung und Reduktion von NOx unter der Unterstützung eines NOx-Speicher-Reduktionstyp-Katalysators,
wie er in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2600492 (S.
3 bis S. 6) gezeigt ist, erzeugt wird, aufgekommen und ist als eine
Abgasreinigungsvorrichtung für
einen Dieselmotor bekannt. Außerdem
ist auch ein Verfahren zum Bereitstellen eines aufstromig zu dem
DPF angeordneten Oxidationskatalysators bekannt, wie es in der Patentveröffentlichung
Nr. 3012249 (S. 2, S. 3) gezeigt ist.
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Eine
Abgasreinigungsvorrichtung für
einen Dieselmotor, die mit einem bekannten herkömmlichen Dieselpartikelfilter
vom sich kontinuierlich regenerierenden Typ (nachfolgend: DPF vom
sich kontinuierlich regenerierenden Typ) ausgestattet ist, ist in 12 gezeigt.
Nun soll auf Grundlage von 12 die
Abgasreinigungsvorrichtung für
einen Dieselmotor, die mit einem DPF vom sich kontinuierlich regenerierenden
Typ ausgestattet ist, beschrieben werden.
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Eine
Ansaugleitung 3, die Teil einer Einlaßleitung ist, und ein Abgaskrümmer 4,
der Teil einer Abgasleitung ist, sind im Hauptkörper 2 eines Motors, welcher
aus einem Zylinderblock und einem Zylinderkopf usw. besteht, bereitgestellt.
Ein Einlaßrohr 5, welches
Teil der Einlaßleitung
ist, ist mit der Ansaugleitung 3 verbunden, und ein Luftreiniger 6 für das Reinigen
angesaugter Luft ist in dem am weitesten entfernt liegenden aufstromigen
Abschnitt des Einlaßrohrs 5 angeordnet.
Die angesaugte Luft, die durch den Luftreiniger 6 gereinigt
wurde, strömt durch
das Einlaßrohr 5 und
wird durch die Ansaugleitung 3 ins Innere eines Zylinders
(nicht gezeigt) geführt.
Ein Abgasrohr 7, das Teil der Abgasleitung ist, ist mit
dem vorgenannten Abgaskrümmer 4 verbunden.
Das in dem Zylinder erzeugte Abgas wird durch den Abgaskrümmer 4 und
das Abgasrohr 7 ausgestoßen.
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Der
gezeigte Dieselmotor ist für
das Aufladen bzw. Vorverdichten angesaugter Luft mit einem Abgasturbolader 8 versehen.
Dieser Abgasturbolader 8 weist eine Abgasturbine 81,
die in dem Abgasrohr 7 angeordnet ist, und einen Einlaßkompressor 82,
der in dem Einlaßrohr 5 angeordnet
ist, auf. Darüber
hinaus weist der dargestellte Dieselmotor für das Verbinden des Abgasrohrs 7 in
einem aufstromigen Abschnitt der vorgenannten Abgasturbine 81 mit dem
Einlaßrohr 5 in
einem abstromigen Abschnitt des vorgenannten Einlaßkompressors 82 eine
Abgasrückführungs-(im
folgenden: AGR-)Leitung 9 auf.
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Ein
AGR-Ventil 11 ist in der AGR-Leitung 9 angeordnet.
Dieses AGR-Ventil 11 ist mit einem Unterdruckbetätiger ausgestattet,
der beispielsweise mit einem Unterdruckbehälter (nicht gezeigt) verbunden
ist, wobei der Grad der Ventilöffnung
(d.h. die AGR-Rate) durch die Größe des Unterdrucks
gesteuert wird, die entsprechend dem Antriebszustand durch die unten
beschriebene Steuervorrichtung 10 geliefert wird.
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Es
ist gut bekannt, daß die
AGR eine Abgasreinigungsvorrichtung ist, die dazu gedacht ist, NOx durch
Zuführen
angesaugter Luft, welche das rezirkulierte Abgas enthält, das
dazu gebracht wird, in den Zylinder zu rezirkulieren bzw. zurückzuführen, zu
reduzieren. Das Abgas entweicht nach der Verbrennung. Über die
Verbindung der AGR-Leitung mit der Motorseite verbindet in diesem
Beispiel aus dem Stand der Technik die AGR-Leitung die Einlaßleitung mit
der Auslaßleitung,
und es ist offensichtlich, daß die
Ansaugleitung, die Teil der Einlaßleitung ist, durch die Einlaßleitung
ersetzt werden kann und daß der Abgaskrümmer, der
Teil der Abgasleitung ist, durch die Abgasleitung ersetzt werden
kann.
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Ein
DPF 12 vom sich kontinuierlich regenerierenden Typ, der
einen Oxidationskatalysator 121, einen DPF 122 und
einen NOx-Katalysator 14 von der aufstromigen Seite in
dieser Reihenfolge aufweist, ist in der Abgasleitung 7 abstromig
zu der vorgenannten Abgasturbine 81 angeordnet.
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Als
Oxidationskatalysator 121 werden beispielsweise jene Katalysatoren
verwendet, in denen durch Beschichten der Oberfläche eines Trägers aus wabenförmigem Cordierit
oder hitzebeständigem Stahl
mit aktivem Aluminiumoxid oder dergleichen eine Wash-Coat-Schicht
gebildet wird, wobei diese Überzugsschicht
eine aktive Katalysatorkomponente aus seltenen Metallen wie Platin,
Palladium, Rhodium usw. trägt.
In dem Oxidationskatalysator 121 wird NO2 durch
Oxidation von in dem Abgas enthaltenem NO erzeugt, und gleichzeitig
werden durch Oxidation von in dem Abgas enthaltenem HC und CO H2O und CO2 erzeugt.
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Der
DPF 122 besteht beispielsweise aus porösem Cordierit oder Siliciumcarbid.
Alternativ werden ein Wabenfilter des sogenannten Wall-Flow- bzw.
Wandstrom-Typs oder ein Gewebefilter für den DPF 122 verwendet.
In dem Wabenfilter ist eine Anzahl von Zellen parallel ausgebildet,
und die Eingänge
und Ausgänge
der Zellen sind schachbrettmusterartig abwechselnd verschlossen.
Bei dem Gewebefilter sind keramische Fasern in mehreren Schichten um
ein poröses
Rohr aus rostfreiem Stahl gewickelt. In diesem Fall sammelt der
DPF 122 in dem Abgas enthaltenen FS.
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Der
Aufbau und die Komponenten des vorgenannten Oxidationskatalysators 121 können gleichermaßen für den NOx-Katalysator 14 verwendet werden.
Hier reduziert der NOx-Katalysator 14 in dem Abgas enthaltene
NOx, wie NO usw., zu N2 oder H2O.
Daher besteht der DPF 12 vom sich kontinuierlich regenerierenden
Typ mindestens aus dem Oxidationskatalysator 121 und dem
DPF 122, wie oben beschrieben. Dann wird in dem Abgas enthaltenes NO
durch den Oxidationskatalysator 121 zu NO2 oxidiert,
und in dem DPF 122 gesammelter FS wird oxidiert und verbrannt,
während
NO2 den DPF 122, der abstromig
zu dem Oxidationskatalysator 121 angeordnet ist, durchströmt.
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In
diesem System ist es nicht notwendig, spezielle Heizvorrichtungen,
wie z.B. einen elektrischen Heizer, Brenner usw. bereitzustellen,
weil FS zu dieser Zeit bei einer niedrigen Temperatur gleich oder
unterhalb von 400°C
verbrennt. Zusätzlich
liefert dies den Vorteil, daß das
ganze System einfach und kompakt wird, weil FS gesammelt wird und gleichzeitig
die Verbrennung von FS bei einer niedrigen Temperatur kontinuierlich
stattfindet.
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Der
dargestellte Dieselmotor beinhaltet einen Motorgeschwindigkeitserfassungssensor 15 für das Erfassen
der Motorgeschwindigkeit, einen Gaspedalsensor 16 für das Erfassen
des Ausmaßes
der Gaspedalbetätigung
(Gaspedalöffnung
= ACL), einen Eingangstemperatursensor 17 für das Erfassen der
Temperatur der in den Zylinder eingesaugten Zuluft und eine Steuervorrichtung 10 für das Steuern der
Kraftstoffmenge, die in den Zylinder einzuspritzen ist. Der Eingangstemperatursensor 17 ist
in der Ansaugleitung 3 angeordnet. Die Steuervorrichtung 10 steuert
die Kraftstoffeinspritzmenge mittels des vorgenannten AGR-Ventils 11,
einer Kraftstoffeinspritreinheit (nicht gezeigt) auf Basis von Detektionssignalen
von dem Motorgeschwindigkeitserfassungssensor 15, dem Gaspedalsensor 16 und
dem Eingangstemperatursensor 17 usw.
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Die
Steuervorrichtung 10 beinhaltet einen Speicher, in dem,
wie in 15 gezeigt, die Daten einer
Kraftstoffeinspritzmenge für
das Einstellen der Kraftstoffeinspritzmenge gespeichert werden,
wobei die Motorgeschwindigkeit und die Gaspedalöffnung als Parameter verwendet
werden. Die Steuervorrichtung 10 berechnet die Kraftstoffeinspritzmenge
auf Basis von Detektionssignalen von dem Motorgeschwindigkeitserfassungssensor 15 und
dem Gaspedalsensor 16. Dann korrigiert die Steuervorrichtung 10 die
grundsätzliche
Kraftstoffeinspritzmenge auf Basis des Detektionswerts des Eingangstemperatursensors 15 und
berechnet die endgültige
Kraftstoffeinspritzmenge. Es versteht sich, daß die endgültige Kraftstoffeinspritzmenge
nicht nur unter Bezug auf die Eingangstemperatur, sondern auch in
Bezug auf verschiedene andere Parameter (Luftdruck, Rauchinjektionsgrenzwert
usw.) von Zeit zu Zeit korrigiert werden kann.
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Die
Effizienz der Oxidationsreaktion von NO zu NO2 in
dem vorgenannten Oxidationskatalysator 121, die sogenannte "Transformationsrate", variiert bei den
bekannten Katalysatoren entsprechend der Katalysatortemperatur stark.
Beispielsweise wird, obgleich eine zufriedenstellende Oxidationsreaktion
im aktiven Bereich zwischen 250°C
und 400°C
zu beobachten ist, in den anderen Be reichen NO nicht auf zufriedenstellende
Weise in NO2 umgewandelt. Mit anderen Worten,
NO2 wird nicht in ausreichender Menge erzeugt,
um FS zu oxidieren.
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13 zeigt
die Menge von in dem Abgas vorhandenem CO2,
welches durch die Oxidationsverbrennung von FS erzeugt wird, in
Bezug auf die Abgastemperatur (die Temperatur des Abgases) des Motors.
Beobachtet man dies, wird klar, daß FS aktiv verbrennt und daß der Filter
zwischen 250°C
und 400°C
regeneriert wird. Eine Verbrennung von FS, d.h. eine Regeneration
des DPF, findet in den anderen Temperaturbereichen kaum statt, was
ein Nachteil ist. Mit anderen Worten, FS wird von dem DPF kontinuierlich
gesammelt, ohne daß der
DPF regeneriert wird. In einem Zustand, in dem sich beispielsweise
eine große
Menge an FS angesammelt hat, schreitet die Verbrennung, wenn eine
FS-Verbrennung stattfindet, in einem Augenblick fort, was zu einer
beträchtlichen
Verschlechterung der Lebensdauer des Filters führt oder andere Probleme mit
sich bringt.
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Im
Falle eines in einem Fahrzeug eingebauten Dieselmotors verändern sich
Motorgeschwindigkeit und Motorbelastung je nach Betriebszustand
mit jeder Sekunde, und die Temperatur des aus dem Motor ausgestoßenen Abgases
verändert
sich ebenfalls entsprechend dem Betriebszustand. 14 zeigt den
Abgastemperaturbereich, der die Motorgeschwindigkeit und die Motorbelastung
als Parameter verwendet. Wie ebenfalls in 14 zu
erkennen ist, liegt die Katalysatortemperatur außerhalb des aktiven Temperaturbereichs
(von 250°C
bis 400°C), wenn
sowohl die Motorbelastung als auch die Motorgeschwindigkeit hoch
oder gering sind, so daß NO
in dem Oxidationskatalysator nicht in ausreichender Menge zu NO2 oxidiert wird. Somit verbrennt der von dem
DPF gesammelte FS nicht in ausreichendem Maße und folglich nimmt auch
die FS-Sammeleffizienz des Filters ab. Im Ergebnis setzt sich der
Filter früh
zu, oder es zeigen sich andere unvorteilhafte Ergebnisse. Darüber hinaus
kommt es gelegentlich, wenn die Abgastemperatur im unteren Bereich
liegt, zu einem Absinken der Abgastemperatur unterhalb des aktiven
Temperaturbereichs, selbst wenn die Abgastemperatur innerhalb des
Temperaturbereichs liegt, in dem der Katalysator aktiv ist, weil
die Wärme des
Abgases auf dem Weg von dem Abgaskrümmer zu dem Oxidationskatalysator
in die Atmosphäre oder
in andere Bereiche ausstrahlt.
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Besonders
in Umgebungen wie einem sehr kalten Land oder im Gebirge ist es
schwierig, den FS in irgendeinem Betriebsbereich vollständig zu
verbrennen und zu entfernen.
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Obgleich
der vorgenannte Stand der Technik anhand des Beispiels eines DPF
vom sich kontinuierlich regenerierenden Typ, der sich aus einem
Oxidationskatalysator und einem Dieselpartikelfilter zusammensetzt,
beschrieben wurde, tritt dasselbe Problem auch bei einem Verfahren
zum kontinuierlichen Verbrennen von FS unter Verwendung von aktivem Sauerstoff,
der durch die Speicherung und Reduktion von NOx durch das Vorsehen
des NOx-Speicher-Reduktionstyp-Katalysators
auf dem DPF erzeugt wurde, auf, weil der Temperaturbereich, in welchem
der Katalysator wirksam ist, eingeschränkt wird.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die vorgenannten Punkte
entwickelt und zielt darauf ab, eine Abgasreinigungsvorrichtung
für einen Dieselmotor
bereitzustellen, die von dem DPF gesammelten FS während der
gesamten Betriebsdauer des in einem Fahrzeug eingebauten Dieselmotors stetig
und kontinuierlich verbrennen kann, und zwar selbst in Umgebungen
wie einem sehr kalten Land oder im Gebirge.
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Um
die zuvor genannten technischen Probleme zu lösen, beinhaltet die Abgasreinigungsvorrichtung
für einen
Dieselmotor gemäß der vorliegenden
Erfindung einen ersten Dieselpartikelfilter vom sich kontinuierlich
regenerierenden Typ, der in der Abgasleitung eines Motors angeordnet
ist, eine Bypaßleitung,
die die Abgasleitung an der aufstromigen Seite des ersten Dieselpartikelfilters
vom sich kontinuierlich regenerierenden Typ umgeht, einen zweiten Dieselpartikelfilter
vom sich kontinuierlich regenerierenden Typ, der in der Bypaßleitung
angeordnet ist, ein Schaltventil (Umschaltventil), welches in der
Abgasleitung zwischen den Bypaßleitungen
angeordnet ist, für
das Schalten des Strömungsweges
eines Abgases, eine Abgastemperaturerhöhungseinrichtung für das Erhöhen der
Abgastemperatur (der Temperatur des Abgases) des Motors, eine Abgastemperaturbereichserfassungseinrichtung
für das
Erfassen des Abgastemperaturbereichs des Motors und eine Steuervorrichtung
für das
Steuern der Abgastemperaturerhöhungseinrichtung
und des Schaltventils entsprechend dem Abgastemperaturbereich des
Motors, der durch die Abgastemperaturbereichserfassungseinrichtung
erfaßt
wurde, wobei die Steuervorrichtung die Abgastemperaturerhöhungseinrichtung betreibt
und gleichzeitig die Nacheinspritzung durchführt und darüber hinaus das Schaltventil
so steuert, daß das
Abgas durch den zweiten Dieselpartikelfilter vom sich kontinuierlich
regenerierenden Typ strömt, wenn
der Abgastemperaturbereich des Motors, der von der Abgastemperaturbereichserfassungseinrichtung
erfaßt
wurde, ein extrem niedriger Temperaturbereich ist, der niedriger
als ein vorbestimmter Temperaturbereich ist.
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Vorzugsweise
ist die Steuervorrichtung so ausgestaltet, daß sie die Abgastemperaturerhöhungseinrichtung
betreibt und gleichzeitig das Schaltventil so steuert, daß das Abgas
durch den zweiten Dieselpartikelfilter vom sich kontinuierlich regenerierenden
Typ strömt,
wenn der Abgastemperaturbereich des Motors, der von der Abgastemperaturbereichserfassungseinrichtung
erfaßt
wurde, im niedrigen Temperaturbereich, jedoch in dem Bereich, in
dem die Abgastemperatur höher
ist als die Abgastemperatur im extrem niedrigen Temperaturbereich, liegt.
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Die
zuvor genannte Nacheinspritzung wird vorzugsweise in einem Bereich
von 80° vor
dem oberen Totpunkt (OT) bis 120° vor
dem oberen Totpunkt (OT) durchgeführt. Darüber hinaus ist es bei der vorgenannten
Nacheinspritzung bevorzugt, die Nacheinspritzmenge auf 10% bis 20%
der Haupteinspritzmenge einzustellen.
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Entsprechend
der Abgasreinigungsvorrichtung für
einen Dieselmotor gemäß der vorliegenden Erfindung
wurde es möglich,
FS zu sammeln und den DPF kontinuierlich zu regenerieren, ohne die
Abgastemperatur, die mittels der Abgastemperaturerhöhungseinrichtung
erhöht
wurde, durch die Atmosphäre
oder dergleichen abzusenken, da die Abgastemperatur durch die Abgastemperaturerhöhungseinrichtung
erhöht
wird und gleichzeitig das Abgas durch den zweiten DPF vom sich konti nuierlich
regenerierenden Typ strömt.
Die Kapazität
dieses zweiten DPF ist kleiner als die des herkömmlichen ersten DPF vom sich
kontinuierlich regenerierenden Typ. Außerdem ist der zweite DPF aufstromig
zu dem ersten DPF und getrennt von dem ersten DPF angeordnet.
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Weiterhin
kann, da die Nacheinspritzsteuerung durchgeführt wird, die Abgastemperatur
erhöht werden,
und zwar insbesondere dann, wenn der Abgastemperaturbereich während eines
Leerlaufbetriebs oder unter extrem geringer Belastung beim Fahren
in einem sehr kalten Land, im Gebirge oder dergleichen im extrem
niedrigen Temperaturbereich des extrem niedrigen Temperaturbereichs
liegt. Folglich wird es möglich,
während
der gesamten Betriebsdauer des Motors in dem DPF gesammelten FS
zu verbrennen und zu entfernen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER FIGUREN
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1 zeigt
ein Blockdiagramm einer Abgasreinigungsvorrichtung für einen
Dieselmotor gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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2 ist
eine vergrößerte Ansicht
eines zweiten Dieselpartikelfilters vom sich kontinuierlich regenerierenden
Typ nach 1,
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3 zeigt
eine Ausführungsform
eines Abgaszuführungsmechanismus
gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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4 zeigt
Hubkurven eines Einlaßventils und
eines Auslaßventils
aus dem Aufbau von 3,
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5 zeigt
eine weitere Ausführungsform des
Abgaszuführungsmechanismus
gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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6 zeigt
eine Abgastemperaturbereichsübersicht
gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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7 zeigt
Steuerungsübersichten
für die jeweiligen
Abgastemperaturbereiche gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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8 zeigt
eine Übersicht über die Öffnungssteuerung
eines Einlaß-
und eines Auslaßventils
gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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9 zeigt
ein Steuerungsablaufdiagramm einer Steuervorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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10 zeigt
eine Nacheinspritzung,
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11 zeigt
das Verhältnis
zwischen Nacheinspritzung und Druck im Zylinder gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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12 zeigt
ein Blockdiagramm einer Abgasreinigungsvorrichtung für einen
Dieselmotor aus dem Stand der Technik,
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13 zeigt
das Verhältnis
zwischen der Abgastemperatur und der Menge von in dem Abgas enthaltenem
CO2 (FS-Verbrennungsmerkmale) in dem DPF
vom sich kontinuierlich regenerierenden Typ,
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14 zeigt
das Verhältnis
einer Motorgeschwindigkeit eines Dieselmotors und einer Abgastemperatur
in Bezug auf die Motorbelastung, und
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15 zeigt
eine Übersicht über eine
Kraftstoffeinspritzmenge zum Berechnen einer Kraftstoffeinspritzmenge
aus einer Motorgeschwindigkeit und einer Gaspedalöffnung.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Nachfolgend
soll nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen eine bevorzugte Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung beschrieben werden. 1 ist ein
schematisches Diagramm eines Aufbaus, welches eine Ausführungsform
einer Abgasreinigungsvorrichtung für einen Dieselmotor zeigt,
die gemäß der vorliegenden
Erfindung aufgebaut ist. Es versteht sich, daß Bestandteile, die in der
Ausführungsform
von 1 dieselben sind wie in der herkömmlichen
Abgasreinigungsvorrichtung in der zuvor genannten 12,
mit identischen Bezugszahlen bezeichnet sind und eine detaillierte
Beschreibung derselben hier nicht erfolgt.
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Die
Abgasreinigungsvorrichtung für
einen Dieselmotor in der Ausführungsform
nach 1 ist mit einem Einlaßventil (Einlaßklappe) 22 versehen, die
aufstromig zu dem Anschluß einer
AGR-Leitung in dem
Einlaßrohr 5,
welches Teil der Einlaßleitung ist,
angeordnet ist, um die aufgenommene Luftmenge zu begrenzen. Das
Einlaßventil 22 ist
in der Regel vollständig
geöffnet.
Darüber
hinaus ist ein Auslaßventil
(Auslaßklappe) 23 zum
Beschränken
einer Abgasfreisetzung abstromig zu dem Anschlußteil der AGR-Leitung 9 in
dem Abgasrohr 7, welches Teil einer Abgasleitung ist, angeordnet. Ähnlich wie
das zuvor genannte Einlaßventil 22 wird
auch das Auslaßventil 23 im
normalen Zustand vollständig
offengehalten. Außerdem
sind das Einlaßventil 22 und
das Auslaßventil 23 beispielsweise
mit einem Unterdruckbetätiger,
der mit einem Unterdrucktank (nicht gezeigt) verbunden ist, ausgestattet,
und dessen Öffnung
wird durch die Steuerungsvorrichtung 10, die die Größe des Unterdrucks
steuert, die je nach Betriebszustand geliefert wird, gesteuert.
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Eine
Bypaßleitung 101,
die die Abgasleitung umgeht, ist in dem Abgasrohr 7 unmittelbar
hinter dem Abgaskrümmer 4,
welcher Teil der Abgasleitung ist, angeordnet. Ein zweiter DPF 13 vom
sich kontinuierlich regenerierenden Typ mit einem Oxidationskatalysator 131 und
einem Partikelfilter 132 ist in dieser Bypaßleitung 101 angeordnet,
wie es in 2 gezeigt ist, ähnlich wie
bei dem ersten DPF 12 vom sich kontinuierlich regenerierenden
Typ mit dem vorgenannten Oxidationskatalysator 121 und
dem Partikelfilter 122. Die Kapazität des zweiten DPF 13 vom
sich kontinuierlich regenerierenden Typ ist kleiner ausgelegt als
die des ersten DPF 12 vom sich kontinuierlich regenerierenden
Typ. Ein Schaltventil (Umschaltventil) 102 für das Schalten
des Strömungsweges
eines Abgases ist in dem Abgasrohr 7 zwischen den zuvor genannten
Bypaßleitungen 101 angeordnet.
Das Schaltventil 102 wird durch die Steuervorrichtung 10 gesteuert.
Wenn das Schaltventil 102 geschlossen wird, um das Fließen in der
Abgasleitung 7 zu stoppen, strömt ein Abgas, welches aus dem
Abgaskrümmer 4 ausgestoßen wurde,
in die Bypaßleitung 101, d.h.
in den zweiten DPF 13 vom sich kontinuierlich regenerierenden
Typ.
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Darüber hinaus
verwendet der Dieselmotor der vorliegenden Ausführungsform ein Common-Rail-System als Kraftstoffeinspritzsystem,
so daß bei
der Kraftstoffeinspritzung in den Zylinder eine Verzögerung (Aufschub)
der Haupteinspritzung, eine Nacheinspritzung (nachfolgende Einspritzung)
und dergleichen auf präzise
Weise durchgeführt
werden können.
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Der
Dieselmotor der vorliegenden Ausführungsform weist einen Abgaszuführungsmechanismus
auf, um die Abgasleitung des Zylinders während eines Einlaßtakts zu öffnen, wie
es in 3 gezeigt ist. 3 zeigt
ein Einlaßventil 30 und
einen Einlaßventilbetätigungsmechanismus 31 und
ein Auslaßventil 40 und
einen Auslaßventilbetätigungsmechanismus 41.
Ein Auslaßnocken 42,
der den Auslaßventilbetätigungsmechanismus 41 darstellt,
ist für das
Betätigen
des Auslaßventils 40 während eines Auslaßhubs mit
einem normalen Nockenprofil 421 und mit einem Abgaszuführungsnockenprofil 422, das
mit einem Phasenwinkel von etwa 90° dem Nockenprofil 421 nachfolgend
gebildet ist, versehen.
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Der
so aufgebaute Auslaßnocken 42 betätigt das
Auslaßventil 40 entsprechend
der Hubkurve des Auslaßventils
(1) durch das Nockenprofil 421 und der Hubkurve
des Abgasventils (2), wie es durch das Abgaszuführungsnockenprofil 422 verwirklicht
wird, welches während
einer kurzen Zeit des Einlaßtakts (in
der Hubkurve des Einlaßventils
durch den Einlaßventilbetätigungsmechanismus 31)
arbeitet, wie in 4 gezeigt.
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Folglich
wirkt in der in 3 gezeigten Ausführungsform
das Abgaszuführungsnockenprofil 422, welches
in dem Auslaßnocken 42 gebildet
ist, als Abgaszuführungsmechanismus
für das
Einführen
eines Abgases in den Zylinder während
des Einlaßtaktes. Außerdem kann
durch das Abgaszuführungsnockenprofil 422 die
Hubhöhe
des Auslaßventils 40 etwa
1 mm bis 3 mm betragen.
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Als
nächstes
soll unter Bezugnahme auf 5 eine weitere
Ausführungsform
des Abgaszuführungsmechanismus
beschrieben werden. Es versteht sich, daß Teile in der in 5 gezeigten
Ausführungsform,
die mit denen gemäß der Ausführungsform
von 3 identisch sind, mit identischen Bezugszahlen
bezeichnet sind, und daß auf
eine detaillierte Beschreibung derselben hier verzichtet wird.
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In
der in 5 gezeigten Ausführungsform ist der Auslaßnocken 42,
der den Auslaßventilbetätigungsmechanismus 41 darstellt,
nur mit einem normalen Nockenprofil 421 versehen. In der
in 5 gezeigten Ausführungsform weist dagegen der
Abgaszuführungsmechanismus 50 für das Öffnen der
Abgasleitung mit dem Zylinder zu demselben Zylinder während des
Einlaßtakts
ein Abgaszuführungsventil 51 und
eine elektromagnetische Spule 52, die den Abgaszuführungsmechanismus 50 betätigt, auf.
In dem so aufgebauten Abgaszuführungsmechanismus 50 wird
ein Steuersignal von der Steuervorrichtung 10 an die elektromagnetische
Spule 52 gesendet und das Abgaszuführungsventil 51 wird
so betätigt,
daß es
sich während
des Einlaßtakts öffnet, wenn
der Abgastemperaturbereich des Motors in dem Bereich liegt, in dem
die Abgastemperatur niedriger liegt als ein vorbestimmter Temperaturbereich.
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Die
in 1 gezeigte Ausführungsform weist eine Abgastemperaturerfassungseinrichtung
für das Erfassen
des Abgastemperaturbereichs eines Dieselmotors auf. Nun sollen Beschreibungen
der Abgastemperaturbereichserfassungseinrichtung folgen.
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Die
Abgastemperatur eines Motors wird hauptsächlich durch die Kraftstoffeinspritzmenge
(die Motorbelastung), die dem Motor zugeführt wird, und die Motorgeschwindigkeit
bestimmt. Die Steuervorrichtung 10 für die Abgasreinigungsvorrichtung
weist in der dargestellten Ausführungsform
eine Übersicht über die
Abgastemperaturbereiche, wie in 6 gezeigt,
die eine Motorgeschwin digkeit und eine Motorbelastung als Parameter
verwenden, in einem internen Speicher (nicht gezeigt) auf, und erfaßt auf Basis der
Motorgeschwindigkeit und der Kraftstoffeinspritzmenge (der Motorbelastung),
in welchem Bereich die gegenwärtige
Abgastemperatur liegt. Ansonsten kann die Steuervorrichtung auch
so aufgebaut sein, daß sie
entscheidet, daß die
Abgastemperatur in dem jeweiligen Abgastemperaturbereich liegt,
wenn die Abgastemperatur gleich der jeweiligen vorbestimmten Abgastemperatur
oder niedriger ist, indem ein Abgastemperatursensor installiert
wird. Es versteht sich, daß der
hier gezeigte Bereich den Temperaturbereich angibt, in dem die Temperatur
des aus dem Zylinder ausgestoßenen
Abgases liegt.
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Die
in 6 gezeigten Grenzen X, Y, Z werden hauptsächlich unter
Bezugnahme auf Testergebnisse betreffend die Abgastemperatur des
Motors während
der Definition der Übersicht
und den aktiven Temperaturbereich des Oxidationskatalysators 121 festgelegt.
Der Bereich X ist ein Bereich, in dem die Abgastemperatur höher ist
als im aktiven Temperaturbereich des Oxidationskatalysators 121,
während der
Bereich Y ein Bereich ist, der in dem aktiven Temperaturbereich
des Oxidationskatalysators 121 liegt. Der Bereich Z ist
ein Bereich, in dem die Abgastemperatur niedriger liegt als der
aktive Temperaturbereich des Oxidationskatalysators 121.
Der Bereich Z ist weiter unterteilt in die Bereiche Z1 und Z2. Der
Bereich Z2 ist der Bereich, in dem die Abgastemperatur immer noch
niedriger ist als im Bereich Z1, in dem eine Abgastemperatur während eines
Leerlaufbetriebs oder unter extrem geringer Belastung beim Fahren
in einem sehr kalten Land, einem Gebirge oder dergleichen absinkt.
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Es
versteht sich, daß der
Benutzer diese Grenzen entsprechend den verwendeten Antriebsmerkmalen
des Dieselmotors und den Merkmalen des verwendeten Oxidationskatalysators 121 auf
geeignete Weise ändern
kann. Darüber
hinaus sind die vorgenannten Bereiche nicht notwendigerweise auf eine
Unterteilung in vier Bereiche beschränkt, sondern sie können entweder
weiter unterteilt oder als drei Bereiche definiert werden.
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Als
nächstes
soll auf Basis des in 9 gezeigten Flußdiagramms
ein Betrieb der Abgasreinigungsvorrichtung gemäß der in 1 gezeigten Ausführungsform
beschrieben werden. Wenn der Motor gestartet wird, wird der Motor
von einer Kraftstoffeinspritzeinheit (nicht gezeigt) mit Kraftstoff
versorgt. Die Steuervorrichtung 10 empfängt ein Motorgeschwindigkeitssignal
(Ne) und ein Gaspedalöffnungssignal
(ACL) von dem Motorgeschwindigkeitserfassungssensor 15 und
dem Gaspedalsensor 16 (Schritt S1) und berechnet die Kraftstoffeinspritzmenge
in Bezug auf eine Übersicht über die
Kraftstoffeinspritzmenge, wie in 15 gezeigt
(Schritt S2). Zu diesem Zeitpunkt erfaßt die Steuervorrichtung 10 die Kraftstoffeinspritzmenge
als Motorbelastung Q.
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Bei
der Abgasreinigungsvorrichtung der in 1 gezeigten
Ausführungsform
erfaßt
die Steuervorrichtung 10 aus der Motorbelastung und der
Motorgeschwindigkeit, die wie oben beschrieben erfaßt wurden,
den gegenwärtigen
Abgastemperaturbereich auf Basis der in 6 gezeigten Übersicht über den
Abgastemperaturbereich (Schritt S3), wenn die Motorbelastung Q wie
oben beschrieben erfaßt
wurde. Wenn somit der gegenwärtige
Abgastemperaturbereich erfaßt
wurde, steuert die Steuervorrichtung 10 das AGR-Ventil 11,
das Einlaßventil 22 und
das Auslaßventil 23,
die oben beschrieben wurden, entsprechend der in 7 gezeigten
Steuerungsübersicht
auf Basis des gegenwärtigen
Abgastemperaturbereichs.
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Zuerst öffnet die
Steuervorrichtung 10, wenn der Abgastemperaturbereich in
Schritt S4 als im aktiven Temperaturbereich X des Oxidationskatalysators liegend
beurteilt wurde, entsprechend der in 7 gezeigten
Steuerungsübersicht
das Einlaßventil 22, das
Auslaßventil 23 und
das Schaltventil 102 vollständig und schließt in Schritt
S5 das AGR-Ventil 11 vollständig. Dann führt die
Steuervorrichtung 10 im nächsten Schritt S6 die Abgastemperaturabsenksteuerung
durch. Die Abgastemperaturabsenksteuerung ist beispielsweise die
Steuerung zum Steigern der eingelassenen Luftmenge unter Steuerung
eines variablen Abgasturboladers, die Steuerung zum Kühlen des
Abgases unter Steuerung des Kühlwassers und
dergleichen. Die Beschreibung der Abgastemperaturabsenksteuerung
wird hier weggelassen, da sie kein Hauptmerkmal der vorliegenden
Erfindung darstellt.
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Wenn
der Abgastemperaturbereich in Schritt S4 außerhalb von X liegt, schreitet
die Steuervorrichtung 10 von Schritt S4 zu Schritt S7 fort,
um zu beurteilen, ob der Abgastemperaturbereich im niedrigen Temperaturbereich
Z liegt oder nicht. Wenn er als nicht im niedrigen Temperaturbereich
Z (Abgastemperaturbereich = Y) liegend beurteilt wird, setzt die Steuervorrichtung 10 mit
Schritt S8 fort, um das Einlaßventil 22,
das Auslaßventil 23 und
das Schaltventil 102 vollständig zu öffnen. In diesem Fall kann
die Steuervorrichtung 10, obgleich das AGR-Ventil 11 geöffnet ist,
die AGR-Steuerung
für einen
normalen Fahrbetrieb ausführen.
Nach Schritt S8 kehrt sie zurück.
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Wenn
der Abgastemperaturbereich als im niedrigen Temperaturbereich (Abgastemperaturbereich
= Z) liegend beurteilt wird, setzt die Steuervorrichtung 10 mit
Schritt S10 fort, um die Abgastemperaturerhöhungssteuerung durchzuführen.
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Bei
der Abgastemperaturerhöhungssteuerung
wird in Schritt S11 zunächst
die Drosselungssteuerung durchgeführt, um das Einlaßventil 22 auf Basis
der in 8(a) gezeigten Einlaßventilöffnungsübersicht
zu betätigen,
und die Drosselungssteuerung des Auslaßventils 23 wird durchgeführt, um
das Auslaßventil 23 auf
Basis der in 8(b) gezeigten Auslaßventilöffnungsübersicht
zu betätigen.
Dann wird das Schaltventil 102 für das Schalten des Abgasströmungsweges
zu der Bypaßleitung 101 geschlossen,
während
das AGR-Ventil 11 geöffnet
wird.
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Es
versteht sich, daß die
beiden in 8(a) und 8(b) gezeigten Übersichten
die Öffnungsoperation
der Einlaß-/Auslaßventile
durch weiteres Unterteilen des Bereichs Z, der in der in 6 gezeigten Übersicht
für die
Abgastemperaturerfassungseinrichtung verwendet wird, stufenweise
einstellen. Eine "3/4-Öffnung" bedeutet ein Schließen zu 1/4
in Bezug auf die vollständig
geöffnete
Position, wohingegen eine "1/4-Öffnung" ein Schließen zu 3/4 bedeutet.
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Nach
Schritt S11 wird dann in Schritt S12 der Abgastemperaturbereich
dahingehend beurteilt, ob er im extrem niedrigen Temperaturbereich
Z2 im niedrigen Temperaturbereich Z liegt, und nur wenn er als im
extrem niedrigen Temperaturbereich Z2 liegend beurteilt wird, wird
mit Schritt S13 fortgefahren und eine weitere Nacheinspritzsteuerung
wird durchgeführt.
Nach Schritt S13 erfolgt eine Rückkehr.
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Die
Nacheinspritzung ist eine Steuerung, die dazu dient, durch Erhöhen der
Abgastemperatur FS erneut vollständig
zu verbrennen. Wie in 10 gezeigt, ist es zusätzlich zur
Haupteinspritzung (Primäreinspritzung)
bevorzugt, eine Verzögerung
der Nacheinspritzung um einen Kurbelwinkel von 80° bis 120° vor dem
oberen Totpunkt (OT) des Kolbens, d.h. in einem Bereich zwischen
80° vor
oberem Totpunkt und 120° vor
oberem Totpunkt, durchzuführen.
Die Nacheinspritzmenge wird vorzugsweise so eingestellt, daß sie im
Bereich von 10% bis 20% der Haupteinspritzmenge liegt.
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Weil
die Nacheinspritzung mit der Verzögerung von 80° vor dem
oberen Totpunkt bis 120° vor dem
oberen Totpunkt stattfindet, gelangt der durch die Nacheinspritzung
eingespritzte Kraftstoff kaum zum Kolben in dem Zylinder, wie in 11 gezeigt, und
wird in Form von verdampftem Kraftstoff ausgestoßen. Der Kraftstoff wird als
ein HC für
die Verwendung durch den Oxidationskatalysator 121 (1) geliefert,
was zur Erhöhung
der Abgastemperatur beiträgt.
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Die
Stufe der Steuerung in dem Steuerungsablaufdiagramm kehrt nach Ausführen der
vorgenannten Steuerungen zum Start zurück.
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Wenn
der Abgastemperaturbereich im niedrigen Temperaturbereich (Abgastemperaturbereich
= Z) liegt, wie oben erwähnt,
erhöht
sich auch die AGR-Gasrückflußmenge,
da die Aufnahme neuer Luft beschränkt ist und der Druck in der
Abgasleitung in der Nähe
des Ausgangs der AGR-Leitung 9 durch die
Drosselungssteuerung des Einlaßventils 22 abnimmt.
Durch Durchführen
einer Steuerung zum Drosseln des Auslaßventils 23 wird der
Abgasdruck in dem Verbindungsabschnitt zwischen dem Abgasrohr 7,
welches Teil der Abgasleitung ist, und der AGR-Leitung 9 erhöht, und
die AGR-Rückflußmenge nimmt
weiter zu.
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Je
höher die
Temperatur des Abgases ist, desto näher liegt der Luftüberschußfaktor
(λ) während der
Verbrennung in dem Zylinder bei 1 und desto höher ist die Temperatur der
aufgenommenen Luft. Folglich wird es durch Ausführen der vorgenannten Steuerungen
möglich,
durch Erhöhen
der Temperatur der aufgenommenen Luft und durch Vermindern der Menge
neuer Luft in der aufgenommenen Luft die Abgastemperatur in den
aktiven Temperaturbereich Y zu erhöhen, und zwar selbst in einem
Betriebszustand mit geringer Motorgeschwindigkeit und geringer Belastung,
wenn die Abgastemperatur den aktiven Temperaturbereich des Oxidationskatalysators 121 normalerweise
nicht erreicht.
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Wie
in den Übersichten
von 8(a) bzw. 8(b) gezeigt,
wird in einem Bereich, in dem der Abgastemperaturbereich von dem
aktiven Temperaturbereich Y des Oxidationskatalysators entfernt liegt,
d.h. im niedrigeren Abgastemperaturbereich, die Steuerung zur Drosselung
des Einlaßventils 22 und
des Auslaßventils 23 durchgeführt, was
zu einer weiteren Erhöhung
der Abgastemperatur führt.
In der dargestellten Ausführungsform
wird das Auslaßventil 40 während des
Einlaßtakts
geöffnet,
um das Abgas durch die Wirkung des Abgaszuführungsnockenprofils 422 des
Auslaßnockens 42,
welcher den in 3 gezeigten Abgaszuführungsmechanismus
darstellt, in den Zylinder einzuführen.
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Wenn
ein Abgaszuführungsmechanismus 50,
wie in 5 gezeigt, vorgesehen ist, wird während des
Einlaßtakts
eine elektromagnetische Spule 52 betätigt, um ein Abgaszuführungsventil 51 zu öffnen, und
das Abgas wird dem Zylinder zugeführt. So wird, wenn der Abgastemperaturbereich
im niedrigen Temperaturbereich (Abgastemperaturbereich = Z) liegt,
während
des Einlaßtakts
ein heißes
Abgas in der Abgasleitung dazu gebracht, in den Zylinder zurückzufließen, was
dazu führt,
daß die
Abgastemperatur steigt. Darüber
hinaus nimmt, wenn eine solche Steuerung, wie oben beschrieben,
dazu benutzt wird, das Auslaßventil
zu schließen,
weil der Abgasdruck in der Abgasleitung einen hohen Wert erreicht
hat, die Menge an in den Zylinder zurückfließendem Abgas zu, was eine Erhöhung der
Abgastemperatur ermöglicht.
Folglich werden, wenn der Abgastemperaturbereich im niedrigen Temperaturbereich
(Abgastemperaturbereich = Z) liegt, die Steuerung zur Drosselung
des Einlaßventils 22 und
des Auslaßventils 23 und
die Betätigung
des Abgaszuführungsmechanismus
als die Abgastemperaturerhöhungseinrichtung zum
Erhöhen
der Abgastemperatur des Motors funktionieren.
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Wenn
der Abgastemperaturbereich im Bereich Z liegt, wird eine Steuerung
dahingehend durchgeführt,
daß durch
Betätigen
der zuvor genannten Abgastemperaturerhöhungseinrichtung und gleichzeitiges
Schließen
des Schaltventils 102, welches in der Abgasleitung 7 angeordnet
ist, das Abgas durch die Bypaßleitung 101,
d.h. den zweiten DPF 13 vom sich kontinuierlich regenerierenden
Typ, strömt. Der
zweite DPF 13 vom sich kontinuierlich regenerierenden Typ
ist im wesentlichen unmittelbar abstromig zu dem Abgaskrümmer 4 angeordnet,
um das Abgas durchströmen
zu lassen, ohne die durch die Abgastemperaturerhöhungseinrichtung erhöhte Abgastemperatur
unter Einwirkung der Atmosphäre
und dergleichen abzusenken. Dadurch wird das bekannte Problem, daß die Abgastemperatur
unter den aktiven Temperaturbereich des Oxidationskatalysators 121 des
ersten DPF 12 vom sich kontinuierlich regenerierenden Typ
absinkt, bevor das Abgas den DPF 12 vom sich kontinuierlich
regenerierenden Typ erreicht hat, obgleich die Temperatur durch
die Abgastemperaturerhöhungseinrichtung
erhöht
wurde, vermieden. Mit anderen Worten, die Regeneration findet immer kontinuierlich
statt, während
gleichzeitig FS gesammelt wird, wenn der Abgastemperaturbereich
mindestens im Bereich Y und im Bereich Z liegt.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung kann die Abgastemperatur selbst im Leerlaufbetrieb oder
unter extrem geringer Belastung beim Fahren in einem sehr kalten
Land, einem Gebirge oder dergleichen erhöht werden, weil die Nacheinspritzsteuerung
zusätzlich
ausgeführt
wird, wenn der Abgastemperaturbereich im Bereich Z2 liegt, welcher
ein extrem niedriger Temperaturbereich im Bereich Z ist. Daher kann der
in dem DPF angesammelte FS während
der gesamten Betriebsdauer des Motors erneut verbrannt werden.
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Für den zweiten
DPF 13 vom sich kontinuierlich regenerierenden Typ wird
eine kleinere Kapazität verwendet
als für
den ersten DPF 12 vom sich kontinuierlich regenerierenden
Typ aus dem Stand der Technik. Der zweite DPF 13 vom sich
kontinuierlich regenerierenden Typ wird dort verwendet, wo die Abgastemperatur
niedrig ist, und seine Verwendung ist auf den Bereich einer relativ
kleinen Motorbelastung (geringe Kraftstoffeinspritzmenge) beschränkt. Mit anderen
Worten, es ist bevorzugt, daß die
Kapazität verkleinert
wird, wenn man berücksichtigt,
daß die Abgasmenge
in dem zweiten DPF 13 vom sich kontinuierlich regenerierenden
Typ gering ist, daß der
Bereich, in dem der DPF 13 verwendet werden kann, der Bereich
ist, in welchem aus dem Blickwinkel des ge samten Betriebsbereichs
der in dem Abgas enthaltene FS nur in geringer Menge vorhanden ist,
und daß er
unmittelbar abstromig zu dem Abgaskrümmer 4 angeordnet
ist.
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Die
oben beschriebene Ausführungsform
ist, obwohl der Abgastemperaturbereich auf Basis einer Motorgeschwindigkeit
und einer Motorbelastung erfaßt
wird, nicht hierauf beschränkt,
sondern der Bereich kann auch mittels eines Abgastemperatursensors 27,
der direkt auf dem Oxidationskatalysator 121 installiert
ist, erfaßt
werden. Weiterhin versteht es sich, daß sich die vorliegende Erfindung,
obgleich der Oxidationskatalysator und der DPF in der vorstehenden
Beschreibung als separat ausgebildet beschrieben wurden, auch auf
einen DPF vom sich kontinuierlich regenerierenden Typ, der einstückig ausgebildet ist,
indem der DPF direkt ein Material für den Oxidationskatalysator
trägt,
oder auf einen DPF vom sich kontinuierlich regenerierenden Typ,
der einen NOx-Speicher-Reduktionstyp-Katalysator
trägt,
und darüber
hinaus auf andere DPF vom sich kontinuierlich regenerierenden Typ,
die ähnlich
wie in der vorstehenden Beschreibung einen Katalysator mit einem
eingeschränkten
Aktivitätstemperaturbereich verwenden,
anwenden läßt. Es liegt
auf der Hand, daß die
AGR-Leitung 9 nicht immer unerläßlich ist, obwohl beschrieben
wurde, daß sowohl
die AGR-Leitung 9 als auch der Abgaszuführungsmechanismus zu installieren
sind. Besonders wenn ein Abgaszuführungsmechanismus eingebaut
wird, kann die AGR-Leitung 9 fortgelassen werden.