DE60114283T2

DE60114283T2 - Vorrichtung zur Abgasreinigung

Info

Publication number: DE60114283T2
Application number: DE60114283T
Authority: DE
Inventors: Shinya Toyota-shi Hirota; Toshiaki Toyota-shi Tanaka; Kazuhiro Toyota-shi ITOH; Koichiro Toyota-shi NAKATANI; Koichi Toyota-shi KIMURA; Takamitsu Toyota-shi Asanuma
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-04-18
Filing date: 2001-04-17
Publication date: 2006-08-03
Anticipated expiration: 2021-04-18
Also published as: CN1318687A; EP1148227B1; US6546721B2; CN1222685C; KR20010098647A; EP1148227A3; US20010032459A1; EP1148227A2; DE60114283D1; KR100437301B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsvorrichtung eines Motors.
2. Beschreibung des verwandten Stands der Technik
Im verwandten Stand der Technik wird in einem Dieselmotor im Abgas enthaltenes teilchenförmiges Material entfernt durch Anordnen eines Teilchenfilters in der Abgasleitung des Motors, Verwenden des Teilchenfilters zum Einfangen des teilchenförmigen Materials im Abgas und Zünden und Verbrennen des auf dem Teilchenfilter eingefangenen Materials, um den Teilchenfilter zu recyceln. Das auf dem Teilchenfilter eingefangene teilchenförmige Material zündet jedoch nicht, bis die Temperatur mindestens ungefähr 600°C erreicht. Demgegenüber ist die Temperatur des Abgases eines Dieselmotors normalerweise beträchtlich geringer als 600°C. Es ist daher schwierig, die Wärme des Abgases zu verwenden, um ein Zünden des auf dem Teilchenfilter eingefangenen teilchenförmigen Materials zu bewirken. Um die Wärme des Abgases dazu zu verwenden, das auf dem Teilchenfilter eingefangene teilchenförmige Material zu zünden, ist es notwendig, die Zündtemperatur des teilchenförmigen Materials zu verringern.
Es war jedoch im Stand der Technik bekannt, dass die Zündtemperatur von teilchenförmigem Material verringert werden kann, wenn auf dem Teilchenfilter ein Katalysator getragen wird. Daher sind im Stand der Technik zahlreiche Teilchenfilter bekannt, die Katalysatoren zum Verringern der Zündtemperatur des teilchenförmigen Materials tragen.
Zum Beispiel offenbart die japanische geprüfte Patentveröffentlichung (Kokoku) Nr. 7-106290 einen Teilchenfilter, der einen Teilchenfilter umfasst, welcher eine Mischung aus einem Platingruppenmetall und einem Erdalkalimetalloxid trägt. In diesem Teilchenfilter wird das teilchenförmige Material bei einer relativ geringen Temperatur von ungefähr 350°C bis 400°C gezündet und dann kontinuierlich verbrannt.
Das Problem, das durch die Erfindung gelöst werden soll, lässt sich wie folgt zusammenfassen. Wenn in einem Dieselmotor die Last hoch wird, erreicht die Temperatur des Abgases 350 bis 400°C, wodurch es damit mit dem obigen Teilchenfilter auf den ersten Blick möglich erscheint, dass das teilchenförmige Material gezündet werden könnte und durch die Wärme des Abgases, wenn die Motorlast hoch wird, verbrennt. Demgegenüber wird jedoch manchmal das teilchenförmige Material nicht zünden, auch wenn die Temperatur des Abgases 350°C bis 400°C erreicht. Sogar wenn das teilchenförmige Material zündet, wird darüber hinaus lediglich ein Teil des teilchenförmigen Materials verbrennen und wird eine große Menge des teilchenförmigen Materials unverbrannt zurückbleiben.
Das heißt, wenn die Menge des im Abgas enthaltenen teilchenförmigen Materials gering ist, ist die Menge des auf dem Teilchenfilter abgeschiedenen teilchenförmigen Materials gering. Wenn zu diesem Zeitpunkt die Temperatur des Abgases 350°C bis 400°C erreicht, zündet das teilchenförmige Material auf dem Teilchenfilter und wird dann kontinuierlich verbrannt.
Wenn die Menge des im Abgas enthaltenen teilchenförmigen Materials größer wird, wird sich jedoch, bevor das auf dem Teilchenfilter abgeschiedene teilchenförmige Material vollständig verbrennt, anderes teilchenförmiges Material auf dem teilchenförmigen Material abscheiden. Als ein Ergebnis scheidet sich das teilchenförmige Material in Schichten auf dem Teilchenfilter ab. Wenn das teilchenförmige Material sich auf diese Weise in Schichten auf dem Teilchenfilter abscheidet, wird der Teil des teilchenförmigen Materials, der einfach in Kontakt mit Sauerstoff kommt, verbrennen, wird jedoch das verbleibende teilchenförmige Material, das nur schwerlich in Kontakt mit Sauerstoff kommt, nicht verbrennen und wird daher eine große Menge an teilchenförmigem Material unverbrannt zurückbleiben. Wenn daher die Menge an im Abgas enthaltenem teilchenförmigem Material groß wird, wird sich fortschreitend eine große Menge an teilchenförmigem Material auf dem Teilchenfilter abscheiden.
Wenn sich andererseits eine große Menge an teilchenförmigem Material auf dem Teilchenfilter abscheidet, wird das abgeschiedene teilchenförmige Material allmählich schwieriger zu zünden und zu verbrennen. Es wird wahrscheinlich schwieriger auf diese Weise zu verbrennen, da der Kohlenstoff in dem teilchenförmigen Material sich während des Abscheidens zu schwierig zu verbrennenem Graphit und dergleichen umwandelt. Wenn sich eine große Menge an teilchenförmigem Material kontinuierlich auf dem Teilchenfilter abscheidet, wird in der Tat das abgeschiedene teilchenförmige Material sich nicht bei einer niedrigen Temperatur von 350°C bis 400°C entzünden. Es ist eine hohe Temperatur von über 600°C notwendig, um ein Zünden des abgeschiedenen teilchenförmigen Materials zu bewirken. In einem Dieselmotor erreicht jedoch die Temperatur des Abgases für gewöhnlich nie eine hohe Temperatur von über 600°C. Wenn sich daher eine große Menge an teilchenförmigem Material kontinuierlich auf dem Teilchenfilter abscheidet, ist es schwierig, durch die Wärme des Abgases ein Zünden des abgeschiedenen teilchenförmigen Materials zu bewirken.
Wenn es andererseits möglich wäre, zu diesem Zeitpunkt die Temperatur des Abgases auf eine hohe Temperatur von über 600°C zu bringen, würde das abgeschiedene teilchenförmige Material zünden, es würde jedoch in diesem Fall ein anderes Problem auftreten. Das heißt, wenn in diesem Fall das abgeschiedene teilchenförmige Material zum Zünden gebracht wird, würde es unter Bildung einer leuchtenden Flamme verbrennen. Zu diesem Zeitpunkt würde die Temperatur des Teilchenfilters über eine lange Zeit, bis das teilchenförmige Material endgültig verbrannt ist, auf über 800°C gehalten werden. Wenn der Teilchenfilter über eine lange auf diese Weise einer hohen Temperatur von über 800°C ausgesetzt wird, wird jedoch der Teilchenfilter sich schnell verschlechtern und wird daher das Problem auftauchen, dass der Teilchenfilter früh durch einen neuen Filter ersetzt werden muss.
Wenn darüber hinaus das teilchenförmige Material verbrannt ist, wird die Asche kondensieren und große Mengen ausbilden. Diese Mengen an Asche verstopfen die feinen Löcher des Teilchenfilters. Im Verlauf der Zeit wird die Zahl der verstopften feinen Löcher allmählich ansteigen und wird daher der Druckverlust des Abgasstroms im Teilchenfilter allmählich größer werden. Wenn der Druckverlust des Abgasstroms größer wird, wird die Leistung der Maschine abfallen und wird daher aufgrund dessen auch ein Problem dahingehend auftauchen, dass der Teilchenfilter schnell durch einen neuen Filter zu ersetzen ist.
Wenn sich auf diese Weise einmal eine große Menge an teilchenförmigem Material in Schichten abgeschieden hat, treten zahlreiche wie oben erläuterte Probleme auf. Es ist daher notwendig, zu verhindern, dass sich eine große Menge an teilchenförmigem Material in Schichten abscheidet, unter Berücksichtigung des Gleichgewichts zwischen der Menge an im Abgas enthaltenem teilchenförmigem Material und der Menge an teilchenförmigem Material, das auf dem Teilchenfilter verbrannt werden kann. Bei dem in der obigen Veröffentlichung offenbarten Teilchenfilter werden jedoch keine Betrachtungen hinsichtlich dem Gleichgewicht zwischen der Menge an im Abgas enthaltenem teilchenförmigem Material und der Menge an teilchenförmigem Material, das auf dem Teilchenfilter verbrannt werden kann, angestellt und treten daher zahlreiche wie oben erläuterte Probleme auf.
Mit dem in der obigen Anmeldung offenbarten Teilchenfilter wird ferner das teilchenförmige Material, wenn die Temperatur des Abgases unter 350°C fällt, nicht zünden und wird sich daher teilchenförmiges Material auf dem Teilchenfilter abscheiden. Wenn in diesem Fall die Menge der Abscheidung gering ist, wird das abgeschiedene teilchenförmige Material verbrennen, wenn die Temperatur des Abgases 350°C bis 400°C erreicht, wobei sich jedoch das abgeschiedene teilchenförmige Material nicht entzünden wird, wenn die Temperatur des Abgases 350°C bis 400°C erreicht, wenn sich eine große Menge an teilchenförmigem Material in Schichten abscheidet. Auch wenn es zündet, wird ein Teil des teilchenförmigen Materials nicht verbrennen und wird somit unverbrannt zurückbleiben.
Wenn in diesem Fall die Temperatur des Abgases erhöht wird, bevor sich die große Menge an teilchenförmigem Material in Schichten abscheidet, ist es möglich, das abgeschiedene teilchenförmige Material zu verbrennen, ohne dass etwas zurückbleibt, jedoch wird dies in keinster Weise mit dem in der obigen Veröffentlichung offenbarten Teilchenfilter in Betracht gezogen. Wenn daher eine große Menge an teilchenförmigem Material sich in Schichten abscheidet, kann, insofern die Temperatur des Abgases nicht über 600°C erhöht wird, nicht das gesamte abgeschiedene teilchenförmige Material verbrannt werden.
Es ist ferner ein NO_x-Absorptionsmittel bekannt, welches NO_x im Abgas absorbiert, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases mager ist, und welches das absorbierte NO_x freisetzt und reduziert, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder fett wird. Wenn dieses NO_x-Absorptionsmittel in der Abgasleitung des Motors angeordnet wird, kann das während der Verbrennung unter einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis erzeugte NO_x dazu gebracht werden, dass es in dem NO_x-Absorptionsmittel absorbiert wird.
Der Vorgang der Absorption des NO_x durch dieses NO_x-Absorptionsmittel findet jedoch lediglich in einem bestimmten Temperaturbereich statt, der von dem NO_x-Absorptionsmittel bestimmt wird. Selbiges gilt auch, wenn einem Teilchenfilter die Funktion einer NO_x-Absorption gegeben wird. Wenn daher einem Teilchenfilter die Funktion einer NO_x-Absorption gegeben wird, ist es notwendig, eine große Menge an Teilchen daran zu hindern, sich auf dem Teilchenfilter abzuscheiden und gleichzeitig die Temperatur des Teilchenfilters in einem Temperaturbereich zu halten, wo der Vorgang der NO_x-Absorption stattfindet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Abgasreinigungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die derart entworfen ist, dass gleichzeitig das teilchenför mige Material und NO_x im Abgas durch ein neues Verfahren entfernt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Abgasreinigungsvorrichtung eines Motors mit einer Verbrennungskammer zur Verfügung gestellt, welche eine Abgasleitung und einen in der Abgasleitung angeordneten Teilchenfilter zur Entfernung von teilchenförmigem Material in dem aus der Verbrennungskammer ausströmenden Abgas umfasst, wobei der Teilchenfilter ein Teilchenfilter ist mit einer Funktion zum Entfernen, durch Oxidation, von teilchenförmigem Material im Abgas ohne ein Ausstoßen einer leuchtenden Flamme, wenn eine Menge an ausgestoßenem teilchenförmigem Material, das aus der Verbrennungskammer pro Zeiteinheit ausgestoßen wird, geringer ist als eine Menge an teilchenförmigem Material, die durch Oxidation pro Zeiteinheit entfernbar ist, ohne ein Ausstoßen einer leuchtenden Flamme aus dem Teilchenfilter, und zum Absorbieren von NO_x im Abgas, wenn ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das in den Teilchenfilter strömt, mager ist, und zur Freisetzung des absorbierten NO_x, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das in den Teilchenfilter strömt, das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder fett wird, wobei die Menge an ausgestoßenem teilchenförmigem Material und die Temperatur des Teilchenfilters im Allgemeinen innerhalb eines Bereichs der gleichzeitigen Behandlung von teilchenförmigem Material und NO_x gehalten wird, in einem Temperaturbereich, wo die Menge an ausgestoßenem teilchenförmigem Material geringer wird als die Menge an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material und die NO_x-Absorptionsrate stets größer wird als ein bestimmter Wert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und andere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung offensichtlich erscheinen, welche unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen gegeben wird, worin:
1 eine Gesamtansicht einer Brennkraftmaschine ist;
2A und 2B Ansichten eines erforderlichen Drehmoments eines Motors sind;
3A und 3B Ansichten eines Teilchenfilters sind;
4A und 4B Ansichten zur Erläuterung einer Wirkung der Oxidation auf teilchenförmiges Material sind;
5A bis 5C Ansichten zur Erläuterung einer Wirkung der Abscheidung von teilchenförmigem Material sind;
6 eine Ansicht der Beziehung zwischen der Menge an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material und der Temperatur des Teilchenfilters ist;
7A und 7B Ansichten einer Menge an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material sind;
8A bis 8F Ansichten von Darstellungen der Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material sind;
9A und 9B Ansichten von Darstellungen der Konzentration an Sauerstoff und der Konzentration an NO_x im Abgas sind;
10A und 10B Ansichten der Menge an ausgestoßenem teilchenförmigem Material sind;
11 eine Ansicht eines Bereichs der gleichzeitigen Behandlung von teilchenförmigem Material und NO_x ist;
12 eine Ansicht zur Erläuterung des Verfahrens zur Entfernung von teilchenförmigem Material durch Oxidation ist;
13 eine Ansicht zur Erläuterung einer Einspritzsteuerung ist;
14 eine Ansicht der Menge an erzeugtem Rauch ist;
15A und 15B Ansichten der Gastemperatur in der Verbrennungskammer sind;
16 eine Ansicht des Betriebs in den Bereichen I und II ist;
17 eine Ansicht eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses A/F ist;
18 eine Ansicht einer Änderung eines Öffnungsgrads eines Drosselventils und dergleichen ist;
19 eine Gesamtansicht einer anderen Ausführungsform eines Motors ist;
20 eine Gesamtansicht noch einer weiteren Ausführungsform eines Motors ist;
21 eine Gesamtansicht noch einer weiteren Ausführungsform eines Motors ist;
22 eine Gesamtansicht noch einer weiteren Ausführungsform eines Motors ist;
23 eine Gesamtansicht noch einer weiteren Ausführungsform eines Motors ist;
24 eine Ansicht einer Darstellung einer Menge der NO_x-Absorption ist;
25A und 25B Ansichten einer Luft-Kraftstoff-Verhältnissteuerung bei der Freisetzung von SO_x sind;
26 ein Flussdiagramm zur Verarbeitung eines NO_x-Freisetzungsflags und eines SO_x-Freisetzungsflags ist;
27 und 28 Flussdiagramme für eine Steuerung des Motorbetriebs sind;
29 eine Gesamtansicht noch einer weiteren Ausführungsform eines Motors ist;
30 eine vergrößerte Schnittansicht eines Abschnitts eines in 3B gezeigten Teilchenfilters ist;
31A und 31B vergrößerte Ansichten des in 29 gezeigten Teilchenfilters sind;
32A bis 32C Ansichten der Beziehung zwischen einer Schaltstellung eines Abgasumschaltventils und dem Strom an Abgas sind;
33A und 33B Ansichten des Zustands der Bewegung von teilchenförmigem Material im Inneren des Zwischenwand 54 des Teilchenfilters sind;
34 eine Gesamtansicht noch einer weiteren Ausführungsform eines Motors ist;
35 eine Gesamtansicht noch einer weiteren Ausführungsform eines Motors ist;
36 eine Gesamtansicht noch einer weiteren Ausführungsform eines Motors ist;
37 eine Gesamtansicht noch einer weiteren Ausführungsform eines Motors ist;
38 eine Gesamtansicht noch einer weiteren Ausführungsform eines Motors ist; und
39 eine Gesamtansicht noch einer weiteren Ausführungsform eines Motors ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt den Fall einer Anwendung der vorliegenden Erfindung auf eine Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung. Es sei angemerkt, dass die vorliegende Er findung auch auf eine Brennkraftmaschine des Typs der Zündung mittels einer Zündkerze angewendet werden kann.
Es wird Bezug genommen auf 1, wobei 1 einen Motorblock bezeichnet, 2 einen Zylinderblock bezeichnet, 3 einen Zylinderkopf bezeichnet, 4 einen Kolben bezeichnet, 5 eine Verbrennungskammer bezeichnet, 6 eine elektrisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzvorrichtung bezeichnet, 7 ein Ansaugventil bezeichnet, 8 eine Ansaugöffnung bezeichnet, 9 ein Auslassventil bezeichnet und 10 eine Auslassöffnung bezeichnet. Die Ansaugöffnung 8 ist über ein entsprechendes Ansaugrohr 11 mit einem Ausgleichsbehälter 12 verbunden, während der Ausgleichsbehälter 12 durch einen Ansaugkanal 13 mit einem Kompressor 15 eines Abgasturboladers 14 verbunden ist. Im Inneren des Ansaugkanals 13 ist ein Drosselventil 17 angeordnet, das über einen Schrittmotor 16 angetrieben wird. Ferner ist um den Ansaugkanal 13 eine Kühlvorrichtung 18 angeordnet zum Kühlen der durch den Ansaugkanal 13 strömenden Ansaugluft. In der in 1 aufgezeigten Ausführungsform wird das Motorkühlwasser in die Kühlvorrichtung 18 geleitet und wird die Ansaugluft durch das Motorkühlwasser gekühlt. Demgegenüber ist die Auslassöffnung 10 durch einen Abgaskrümmer 19 und eine Abgasleitung 20 mit einer Abgasturbine 21 eines Abgasturboladers 14 verbunden. Der Auslass der Abgasturbine 21 ist mit einem Gehäuse 23 verbunden, das einen Teilchenfilter 22 beinhaltet.
Der Abgaskrümmer 19 und der Ausgleichsbehälter 12 sind über eine Abgasrückführleitung (EGR (exhaust gas recirculation)) 24 miteinander verbunden. Im Inneren der EGR-Leitung 24 ist ein elektrisch gesteuertes EGR-Steuerventil 25 angeordnet. Um die EGR-Leitung 24 ist eine Kühlvorrichtung 26 angeordnet, um das im Inneren der EGR-Leitung 24 zirkulierende EGR-Gas zu kühlen. In der in 1 aufgezeigten Ausführungsform wird das Motorkühl wasser in die Kühlvorrichtung 26 geleitet und das EGR-Gas durch das Motorkühlwasser gekühlt. Demgegenüber sind Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 6 über Kraftstoffzuführleitungen 6a mit einem Kraftstoffreservoir, einem so genannten Common Rail 27, verbunden. Mittels einer elektrisch gesteuerten Kraftstoffpumpe mit variabler Fördermenge 28 wird Kraftstoff in den Common Rail 27 geleitet. Der in Common Rail 27 geleitete Kraftstoff wird über die Kraftstoffzuführleitungen 6a den Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 6 zugeführt. Der Common Rail 29 besitzt einen daran angebrachten Kraftstoffdrucksensor 29 zum Erfassen des Kraftstoffdrucks in dem Common Rail 27. Die Fördermenge der Kraftstoffpumpe 28 wird basierend auf dem Ausgabesignal des Kraftstoffdrucksensors 29 so gesteuert, dass der Kraftstoffdruck in dem Common Rail 27 einen Zielkraftstoffdruck erreicht.
Eine elektronische Steuereinheit 30 umfasst einen digitalen Computer, der mit einem Nur-Lese-Speicher (ROM) 32, einem Schreib-Lese-Speicher (RAM) 33, einem Mikroprozessor (CPU) 34, einem Eingabeanschluss 35 und einem Ausgabeanschluss 36, die über einen bidirektionalen Bus 31 miteinander verbunden sind, zur Verfügung gestellt wird. Das Ausgabesignal des Kraftstoffdrucksensors 29 wird durch einen entsprechenden AD-Wandler 37 in den Eingabeanschluss 35 eingegeben. Ferner ist an dem Teilchenfilter 22 ein Temperatursensor 39 zum Erfassen des Teilchenfilters 22 angebracht. Das Ausgabesignal dieses Temperatursensors 39 wird durch den entsprechenden AD-Wandler 37 in den Eingabeanschluss 35 eingegeben. Ein Gaspedal 40 weist einen damit verbundenen Lastsensor 41 auf, der eine Ausgabespannung erzeugt, die proportional zu dem Betrag des Durchdrückens L des Gaspedals 40 ist. die Ausgabespannung des Lastsensors 41 wird durch den entsprechenden AD-Wandler 37 in den Eingabeanschluss 35 eingegeben. Ferner ist mit dem Eingabeanschluss 35 ein Kurbel winkelsensor 42 verbunden, der einen Ausgabeimpuls immer dann erzeugt, wenn eine Kurbelwelle sich um zum Beispiel 30 Grad dreht. Demgegenüber ist der Ausgabeanschluss 36 über entsprechende Treiberschaltungen 38 mit den Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 6, dem Schrittmotor 16 zum Antrieb des Drosselventils, dem EGR-Steuerventil 25 und der Kraftstoffpumpe 28 verbunden.
2A zeigt die Beziehung zwischen dem erforderlichen Drehmoment TQ, dem Betrag des Durchdrückens L des Gaspedals 40 und der Motorgeschwindigkeit N. Es sei angemerkt, dass in 2A die Kurven Kurven mit gleichbleibendem Drehmoment aufzeigen. Die durch TQ = 0 aufgezeigte Kurze zeigt ein Drehmoment von null, während die verbleibenden Kurven allmählich ansteigende erforderliche Drehmomente in der Reihenfolge TQ = a, TQ = b, TQ = c und TQ = d aufzeigen. Das in 2A wie in 2B aufgezeigte erforderliche Drehmoment TQ wird vorab im ROM 32 als eine Funktion des Betrags des Durchdrückens L des Gaspedals 40 und der Motorgeschwindigkeit N gespeichert. In dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das erforderliche Drehmoment TQ gemäß dem Betrag des Durchdrückens L des Gaspedals 40 und der Motorgeschwindigkeit N zuerst aus der in 2B gezeigten Darstellung berechnet und wird dann der Betrag des Kraftstoffeinspritzens und dergleichen basierend auf dem erforderlichen Drehmoment TQ berechnet.
Die 3A und 3B zeigen den Aufbau des Teilchenfilters 22. Es sei angemerkt, dass 3A eine Vorderansicht des Teilchenfilters 22 ist, während 3B eine seitliche Schnittansicht des Teilchenfilters 22 ist. Wie in den 3A und 3B aufgezeigt, bildet der Teilchenfilter 22 eine wabenförmige Struktur und ist mit einer Vielzahl an Abgaszirkulationskanälen 50, 51 ausgestattet, die sich parallel zueinander erstrecken. Diese Abgas zirkulationskanäle umfassen Abgaseinströmkanäle 50, deren stromabwärts liegende Enden mit Pfropfen 52 abgedichtet sind, und Abgasausströmkanäle 51, deren stromaufwärts liegende Enden mit Pfropfen 52 abgedichtet sind. Es sei angemerkt, dass die schraffierten Abschnitte in 3A Pfropfen 53 aufzeigen. Daher sind die Abgaseinströmkanäle 50 und die Abgasausströmkanäle 51 alternierend über dünne Trennwände 54 angeordnet. Mit anderen Worten sind die Abgaseinströmkanäle 50 und die Abgasausströmkanäle 51 so angeordnet, dass jeder Abgaseinströmkanal 50 mit vier Abgasausströmkanälen 51 umgeben ist und jeder Abgasausströmkanal 51 mit vier Abgaseinströmkanälen 50 umgeben ist.
Der Teilchenfilter 22 ist aus einem porösen Material wie zum Beispiel Cordierit gebildet. Daher strömt das in die Abgaseinströmkanäle 50 strömende Abgas durch die umgebenden Zwischenwände 54 in die angrenzenden Abgasausströmkanäle 51 aus, wie dies durch die Pfeile in 3B angezeigt wird.
In dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird auf den Umfangsoberflächen der Abgaseinströmkanäle 50 und der Abgasausströmkanäle 51 eine Schicht eines Trägers, der zum Beispiel Aluminium umfasst, ausgebildet, das heißt, auf den beiden Seitenoberflächen der Zwischenwände 54 und den Innenwänden der feinen Löcher in den Zwischenwänden 54. Auf dem Träger werden ein Edelmetallkatalysator und ein Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff, das Sauerstoff absorbiert und den Sauerstoff hält, wenn überschüssiger Sauerstoff in der Umgebung vorhanden ist, und den gehaltenen Sauerstoff in der Form von aktivem Sauerstoff freisetzt, wenn die Konzentration des Sauerstoffs in der Umgebung abfällt, getragen.
In dieser Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung wird in diesem Fall Platin Pt als der Edelmetallkatalysator verwendet. Als ein Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff wird zumindest ein Alkalimetall wie Kalium K, Natrium Na, Lithium Ni, Cäsium Cs und Rubidium Rb, ein Erdalkalimetall wie Barium Ba, Calcium Ca und Strontium Sr, ein Seltenerdelement wie Lanthan Na, Yttrium Y und Cer Ce und ein Übergangsmetall verwendet.
Es sei angemerkt, dass in diesem Fall als ein Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff vorzugsweise ein Alkalimetall oder ein Erdalkalimetall mit einer höheren Neigung zur Ionisierung als Calcium Ca verwendet wird, das heißt, Kalium K, Lithium Li, Cäsium Cs, Rubidium Rb, Barium Ba und Strontium Sr.
Als Nächstes wird die Wirkung der Entfernung des teilchenförmigen Materials im Abgas durch den Teilchenfilter 22 erläutert, wobei als ein Beispiel der Fall eines Trägers mit darauf getragenem Platin Pt und Kalium K genommen wird, wobei jedoch dieselbe Wirkung zur Entfernung von teilchenförmigem Material erreicht wird, auch wenn ein anderes Edelmetall, Alkalimetall, Erdalkalimetall, Seltenerdelement und Übergangsmetall verwendet wird.
In einer wie in 1 aufgezeigten Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung findet eine Verbrennung auch unter einem Überschuss an Luft statt. Daher enthält das Abgas eine große Menge an überschüssiger Luft. Das heißt, wenn das Verhältnis an dem Einlasskanal, der Verbrennungskammer 5 und dem Abgaskanal zugeführter Luft und zugeführtem Kraftstoff als Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases bezeichnet wird, dann wird in einer wie in 1 aufgezeigten Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases mager. Wenn ferner in der Verbrennungskammer 5 NO erzeugt wird, so enthält das Abgas NO. Der Kraftstoff enthält ferner Schwefel S. Dieser Schwefel S reagiert mit dem Sauerstoff in der Verbrennungskammer 5, um SO₂ zu ergeben. Daher enthält der Kraftstoff SO₂. Demgemäß strömt Abgas, das einen Überschuss an Sauerstoff, NO und SO₂ enthält, in die Abgaseinströmkanäle 50 des Teilchenfilters 22.
Die 4A und 4B sind vergrößerte Ansichten der Oberfläche der Trägerschicht, die auf den inneren Umfangsoberflächen der Abgaseinströmkanäle 50 und den Innenwänden der feinen Löcher in den Zwischenwänden 54 ausgebildet sind. Es sei angemerkt, dass in den 4A und 4B Platinteilchen Pt mit 60 bezeichnet werden, während das Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff, das Kalium K enthält, mit 61 bezeichnet wird.
Da in dem Abgas eine größere Menge an überschüssigem Sauerstoff enthalten ist, wird auf diese Weise, wenn Abgas in die Abgaseinströmkanäle 50 des Teilchenfilters 22 strömt, wie in 4A aufgezeigt, der Sauerstoff O₂ an der Oberfläche des Platins Pt in der Form von O₂ ^– oder O^2– anhaften. Demgegenüber reagiert das NO im Abgas mit dem O₂ ^– oder O^2– auf der Oberfläche des Platins Pt, um NO₂ zu ergeben (2NO + O₂ → 2NO₂). Als Nächstes wird ein Teil des erzeugten NO₂ in dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff 61 absorbiert, während es auf dem Platin Pt oxidiert wird, und verteilt sich in dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff 61 in der Form von Nitrationen NO₃ ^–, wie in 4A aufgezeigt. Ein Teil der Nitrationen NO₃ ^– erzeugt Kaliumnitrat KNO₃.
Wie oben erläutert, enthält das Abgas andererseits auch SO₂. Dieses SO₂ wird in dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff 61 über einen ähnlichen Mechanismus wie dem des NO absorbiert. Das heißt, der Sauerstoff O₂ haftet in der obigen Weise an der Oberfläche des Platins Pt in der Form von O₂ ^– oder O^2–. Das SO₂ im Abgas reagiert mit dem O₂ ^– oder O^2– auf der Oberfläche des Platins Pt, um SO₃ zu ergeben. Als Nächstes wird ein Teil des erzeugten SO₃ in dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff 61 absorbiert, während es auf dem Platin Pt oxidiert wird, und verteilt sich in dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff 61 in der Form von Sulfationen SO₄ ^2– unter Verbindung mit dem Kalium K, um Kaliumsulfat K₂SO₄ zu ergeben. Auf diese Weise werden in dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff 61 Kaliumnitrat KNO₃ und Kaliumsulfat K₂SO₄ erzeugt.
Andererseits wird teilchenförmiges Material, das hauptsächlich Kohlenstoff umfasst, in der Verbrennungskammer 5 erzeugt. Daher enthält das Abgas dieses teilchenförmige Material. Das in dem Abgas enthaltene teilchenförmige Material kommt in Kontakt mit der Oberfläche der Trägerschicht, zum Beispiel der Oberfläche des Mittels zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff 61, wie in 4B aufgezeigt, und haftet daran, wenn das Abgas durch die Abgaseinströmkanäle 50 des Teilchenfilters 22 strömt oder wenn es sich von den Abgaseinströmkanälen 50 zu den Abgasausströmkanälen 51 bewegt.
Wenn das teilchenförmige Material 62 an der Oberfläche des Mittels zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff 61 auf diese Weise anhaftet, nimmt die Konzentration an Sauerstoff an der Kontaktoberfläche des teilchenförmigen Materials 62 und des Mittels zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff 61 ab. Wenn die Konzentration an Sauerstoff abfällt, tritt ein Unterschied hinsichtlich der Konzentration mit dem Inneren des Mittels zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff 61 mit hoher Sauerstoffkonzentration auf wandert daher der Sauerstoff in dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff 61 in Richtung der Kon taktoberfläche zwischen dem teilchenförmigen Material 62 und dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff 61. Als ein Ergebnis zersetzt sich das im Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff 61 gebildete Kaliumnitrat KNO₃ zu Kalium K, Sauerstoff O und NO. Der Sauerstoff O wandert in Richtung der Kontaktoberfläche zwischen dem teilchenförmigen Material 62 und dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff 61, während das NO von dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff 61 nach Außen abgegeben wird. Das nach Außen abgegebene NO wird an dem stromabwärts liegenden Platin Pt oxidiert und erneut in dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff 61 absorbiert.
Wenn demgegenüber die Temperatur des Teilchenfilters 22 zu diesem Zeitpunkt hoch ist, wird auch das in dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff 61 gebildete Kaliumsulfat K₂SO₄ zu Kalium K, Sauerstoff O und SO₂ zersetzt. Der Sauerstoff O wandert in Richtung der Kontaktoberfläche zwischen dem teilchenförmigen Material 62 und dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff 61, während das SO₂ von dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff 61 an die Außenseite abgegeben wird. Das an die Außenseite abgegebene SO₂ wird an dem stromabwärts liegenden Platin Pt oxidiert und erneut in dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff 61 absorbiert.
Demgegenüber ist der Sauerstoff O, der in Richtung der Kontaktoberfläche zwischen dem teilchenförmigen Material 62 und dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff 61 wandert, der Sauerstoff, der von den Verbindungen wie Kaliumnitrat KNO₃ oder Kaliumsulfat K₂SO₄ abgespalten wird. Der von diesen Verbindungen abgespaltene Sauerstoff O besitzt eine hohe Energie und besitzt eine extrem hohe Aktivität. Daher wird der Sauerstoff, der in Richtung der Kontaktoberfläche zwischen dem teilchenför migen Material 62 und dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff 61 wandert, zu aktivem Sauerstoff O. Wenn dieser aktive Sauerstoff O das teilchenförmige Material 62 kontaktiert, wird der Vorgang der Oxidation des teilchenförmigen Materials 62 gefördert und wird das teilchenförmige Material 62 während eines kurzen Zeitraums von mehreren Minuten bis mehreren zehn Minuten ohne Emission einer leuchtenden Flamme oxidiert. Während das teilchenförmige Material 62 auf diese Weise oxidiert wird, wird anderes teilchenförmiges Material nach und nach auf dem Teilchenfilter 22 abgeschieden. Daher wird in der Praxis immer eine bestimmte Menge an teilchenförmigem Material auf dem Teilchenfilter 22 abgeschieden werden. Ein Teil dieses abgeschiedenen teilchenförmigen Materials wird durch Oxidation entfernt. Auf diese Weise wird das auf dem Teilchenfilter 22 abgeschiedene teilchenförmige Material 62 kontinuierlich verbrannt ohne der Emission einer leuchtenden Flamme.
Es sei angemerkt, dass sich das NO_x in der Form von Nitrationen NO₃ ^– in dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff 61 verteilt, während es sich wiederholt mit den Sauerstoffatomen verbindet und davon getrennt wird. Während dieser Zeit wird ebenfalls aktiver Sauerstoff gebildet. Das teilchenförmige Material 62 wird auch von diesem aktivem Sauerstoff oxidiert. Ferner wird das auf dem Teilchenfilter 22 abgeschiedene teilchenförmige Material 62 durch den aktiven Sauerstoff O oxidiert, jedoch wird das teilchenförmige Material 62 auch durch den im Abgas enthaltenen Sauerstoff oxidiert.
Wenn das in Schichten auf dem Teilchenfilter 22 abgeschiedene teilchenförmige Material verbrannt wird, wird der Teilchenfilter 22 rotglühend und brennt mit einer Flamme. Dieses Brennen mit einer Flamme findet nicht statt, solange die Temperatur nicht hoch ist. Um daher das Brennen mit einer solchen Flamme fortzuführen, muss die Temperatur des Teilchenfilters 22 auf einer hohen Temperatur gehalten werden.
Im Gegensatz dazu wird in der vorliegenden Erfindung das teilchenförmige Material 62 wie oben erläutert ohne Emission einer leuchtenden Flamme oxidiert. Die Oberfläche des Teilchenfilters 22 wird zu diesem Zeitpunkt nicht rotglühend. Das heißt, in der vorliegenden Erfindung wird das teilchenförmige Material 62 durch Oxidation bei einer deutlich geringeren Temperatur entfernt. Demgemäß ist der Vorgang des Entfernens des teilchenförmigen Materials 62 durch Oxidation ohne Emission einer leuchtenden Flamme gemäß der vorliegenden Erfindung vollständig verschieden von dem Vorgang der Entfernung von teilchenförmigem Material durch Verbrennen mit einer Flamme.
Das Platin Pt und das Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff 61 werden umso aktiver, desto höher die Temperatur des Teilchenfilters 22 ist, ebenso wie die Menge an aktivem Sauerstoff O, welcher in der Lage ist, von dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff 61 freigesetzt zu werden, pro Zeiteinheit zunimmt, umso höher die Temperatur des Teilchenfilters 22 ist. Ferner wird das teilchenförmige Material umso einfacher durch Oxidation entfernt, desto höher die Temperatur des teilchenförmigen Materials selbst ist. Daher nimmt die Menge an teilchenförmigem Material, das durch Oxidation entfernbar ist, pro Zeiteinheit ohne Emission einer leuchtenden Flamme auf dem Teilchenfilter 22 umso mehr zu, desto höher die Temperatur des Teilchenfilters 22 ist.
Die durchgezogene Linie in 6 zeigt die Menge G des durch Oxidation entfernbaren teilchenförmigen Materials pro Zeiteinheit ohne Emission einer leuchtenden Flamme auf. Die Abszisse in 6 zeigt die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 auf. Es sei angemerkt, dass 6 die Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material aufzeigt in dem Fall, wo die Zeiteinheit 1 Sekunde ist, das heißt, pro Sekunde, wobei als die Zeiteinheit auch 1 Minute, 10 Minuten oder eine beliebige andere Zeit verwendet werden können. Wenn zum Beispiel als die Zeiteinheit 10 Minuten verwendet werden, drückt die Menge G an durch Oxidation pro Zeiteinheit entfernbarem teilchenförmigem Material die Menge G an teilchenförmigem Material aus, die durch Oxidation pro 10 Minuten entfernbar ist. Auch in diesem Fall nimmt die Menge G an durch Oxidation pro Zeiteinheit entfernbarem teilchenförmigem Material ohne Emission einer leuchtenden Flamme auf dem Teilchenfilter 22, wie in 6 aufgezeigt, umso stärker zu, desto höher die Temperatur des Teilchenfilters 22 ist.
Wenn nun die Menge an teilchenförmigem Material, das von der Verbrennungskammer 6 pro Zeiteinheit ausgestoßen wird, als die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material bezeichnet wird, wenn die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material geringer als die Menge G an teilchenförmigem Material, das während derselben Zeiteinheit durch Oxidation entfernbar ist, oder wenn die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material pro 10 Minuten geringer ist als die Menge G an teilchenförmigem Material, das pro 10 Minuten durch Oxidation entfernbar ist, das heißt, im Bereich I von 6, wird das gesamte von der Verbrennungskammer 5 ausgestoßene teilchenförmige Material allmählich in einer kurzen Zeit ohne Emission einer leuchtenden Flamme auf dem Teilchenfilter 22 durch Oxidation entfernt.
Wenn demgegenüber die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material größer ist als die Menge G an teilchenförmigem Material, die durch Oxidation entfernbar ist, das heißt, im Bereich II von 6, ist die Menge an aktivem Sauerstoff nicht ausreichend für eine allmähliche Oxidation des gesamten teilchenförmigen Materials. Die 5A und 5C zeigen den Zustand der Oxidation von teilchenförmigem Material für diesem Fall.
Das heißt, wenn die Menge an aktivem Sauerstoff nicht ausreichend ist für eine allmähliche Oxidation des gesamten teilchenförmigen Materials, wenn teilchenförmiges Material 62 auf dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff 61 anhaftet, wie in 5A aufgezeigt, wird lediglich ein Teil des teilchenförmigen Materials 62 oxidiert. Der Anteil des nicht ausreichend oxidierten teilchenförmigen Materials verbleibt auf der Trägerschicht. Wenn danach der Zustand der unzureichenden Menge an aktivem Sauerstoff weiterhin bestehen bleibt, werden die Anteile des nicht ausreichenden oxidierten teilchenförmigen Materials auf der Trägerschicht zurückbleiben. Als ein Ergebnis wird, wie in 5B aufgezeigt, die Oberfläche der Trägerschicht durch den restlichen Anteil an teilchenförmigem Material 63 bedeckt.
Dieser restliche Anteil an teilchenförmigem Material 63, der die Oberfläche der Trägerschicht bedeckt, wandelt sich allmählich zu schwierig zu oxidierendem Graphit um, und daher verbleibt der restliche Anteil an teilchenförmigem Material 63 so wie er ist. Wenn ferner die Oberfläche der Trägerschicht durch den restlichen Anteil an teilchenförmigem Material 63 bedeckt ist, werden der Vorgang der Oxidation von NO und SO₂ durch das Platin Pt und der Vorgang der Freisetzung von aktivem Sauerstoff durch das Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff 61 unterdrückt. Als ein Ergebnis wird sich, wie in 5C aufgezeigt, weiteres teilchenförmiges Material 64 allmählich auf dem restlichen Anteil an teilchenförmigem Material 63 abscheiden. Das heißt, das teilchenförmige Mate rial scheidet sich in Schichten ab. Wenn sich das teilchenförmige Material auf diese Weise in Schichten abscheidet, wird das teilchenförmige Material von dem Platin Pt oder dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff 61 getrennt, so dass, sogar wenn es ein einfach zu oxidierendes teilchenförmiges Material ist, es nicht durch aktiven Sauerstoff O oxidiert wird. Daher wird sich anderes teilchenförmiges Material allmählich auf dem teilchenförmigen Material 64 abscheiden. Das heißt, wenn der Zustand, bei dem die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material größer ist als die Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material, weiterhin bestehen bleibt, wird sich teilchenförmiges Material in Schichten auf dem Teilchenfilter 22 abscheiden und wird es nicht länger möglich sein, ein Zünden und Verbrennen von abgeschiedenem teilchenförmigem Material zu bewirken, solange die Temperatur des Abgases nicht erhöht wird oder die Temperatur des Teilchenfilters 22 erhöht wird.
Im Bereich I von 6 wird auf diese Weise das teilchenförmige Material in einer kurzen Zeit ohne Emission einer leuchtenden Flamme auf dem Teilchenfilter 22 verbrannt. In dem Bereich II von 6 scheidet sich das teilchenförmige Material in Schichten auf dem Teilchenfilter 22 ab. Um daher zu verhindern, dass sich teilchenförmiges Material in Schichten auf dem Teilchenfilter 22 abscheidet, muss die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material zu allen Zeiten geringer gehalten werden als die Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material.
Wie aus 6 verständlich wird, kann mit dem Teilchenfilter 22, der in dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird, das teilchenförmige Material auch oxidiert werden, wenn die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 beträchtlich niedrig ist. Daher ist es in einer wie in 1 aufgezeigten Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung möglich, die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material und die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 so aufrechtzuerhalten, dass die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material normalerweise geringer wird als die Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material. Daher werden in dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material und die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 so aufrechterhalten, dass die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material für gewöhnlich geringer wird als die Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material.
Wenn auf diese Weise die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material für gewöhnlich geringer gehalten wird als die Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material, wird sich teilchenförmiges Material nicht länger in Schichten auf dem Teilchenfilter 22 abscheiden. Als ein Ergebnis wird der Druckverlust des Abgasstroms in dem Teilchenfilter 22 auf einem im Wesentlichen konstanten minimalen Druckverlust gehalten, bis zu einem Maß, dass davon gesprochen werden kann, dass er sich im Wesentlichen nicht ändert. Es ist daher möglich, den Leistungsabfall des Motors minimal zu halten.
Ferner findet der Vorgang der Entfernung von teilchenförmigem Material durch Oxidation des teilchenförmigen Materials auch bei einer beträchtlich geringen Temperatur statt. Daher steigt die Temperatur des Teilchenfilters 22 nicht derartig stark und besteht folglich nahezu kein Risiko der Verschlechterung des Teilchenfilters 22. Da ferner das teilchenförmige Material sich nicht in Schichten auf dem Teilchenfilter 22 abscheidet, besteht keine Gefahr der Zusammenballung von Asche und besteht daher eine geringere Gefahr des Verstopfens des Teilchenfilters 22.
Dieses Verstopfen findet jedoch hauptsächlich aufgrund von Calciumsulfat CaSO₄ statt. Das heißt, Kraftstoff oder Schmieröl enthält Calcium Ca. Daher enthält das Abgas Calcium Ca. Dieses Calcium Ca erzeugt in der Gegenwart von SO₃ Calciumsulfat CaSO₄. Dieses Calciumsulfat CaSO₄ ist ein Feststoff und wird auch bei einer hohen Temperatur nicht durch Hitze aufgespalten. Wenn daher Calciumsulfat CaSO₄ erzeugt wird und die feinen Löcher des Teilchenfilters 22 durch dieses Calciumsulfat CaSO₄ verstopft werden, findet ein Verstopfen statt.
Wenn in diesem Fall jedoch ein Alkalimetall oder ein Erdalkalimetall mit einer höheren Tendenz zur Ionisierung als Calcium Ca, zum Beispiel Kalium K, als das Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff 61 verwendet wird, verbindet sich das in dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff 61 verteilte SO₃ mit dem Kalium K unter Ausbildung von Kaliumsulfat K₂SO₄. Das Calcium Ca geht durch die Zwischenwände 54 des Teilchenfilters und strömt in den Abgasausströmkanal 51, ohne sich mit SO₃ zu verbinden, aus. Daher findet keinerlei Verstopfen der feinen Löcher des Teilchenfilters 22 mehr statt. Wie oben beschrieben, ist es demgemäß bevorzugt, ein Alkalimetall oder ein Erdalkalimetall mit einer höheren Tendenz zur Ionisierung als Calcium Ca, das heißt, Kalium K, Lithium Li, Cäsium Cs, Rubidium Rb, Barium Ba und Strontium Sr, als das Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff 61 zu verwenden.
In dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es im Grunde genommen die Absicht, in allen Betriebszuständen die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material geringer zu halten als die Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material. In der Praxis ist es jedoch nahezu unmöglich, die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material in allen Betriebszuständen geringer als die Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material zu halten. Zum Beispiel ist zum Zeitpunkt des Startens des Motors die Temperatur des Teilchenfilters 22 normalerweise niedrig. Daher wird zu diesem Zeitpunkt die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material größer als die Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material. In dieser Ausführungsform der Erfindung wird daher die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material normalerweise durchgehend geringer als die Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material, mit der Ausnahme von speziellen Fällen, wie unmittelbar nach dem Starten des Motors.
Es sei angemerkt, dass, wenn die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material größer wird als die Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material, wie unmittelbar nach dem Starten des Motors, der Anteil des teilchenförmigen Materials, der nicht auf dem Teilchenfilter 22 oxidiert werden konnte, beginnt zurückzubleiben. Wenn die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material geringer wird als die Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material, wenn dieser Anteil des teilchenförmigen Materials, der nicht auf diese Weise oxidiert werden konnte, beginnt zurückzubleiben, das heißt, wenn sich das teilchenförmige Material lediglich zu einem geringeren Betrag als einem bestimmten Grenzwert abscheidet, wird der Anteil des restlichen teilchenförmigen Materials durch Oxidation mittels des aktiven Sauerstoffs O ohne Emission einer leuchtenden Flamme entfernt. In dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden daher zu dem Zeitpunkt eines spe ziellen Betriebszustands, wie unmittelbar nach dem Starten des Motors, die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material und die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 aufrechterhalten, so dass sich auf dem Teilchenfilter 22 lediglich eine Menge an teilchenförmigem Material abscheidet, die geringer als ein bestimmter Grenzwert ist, welche durch Oxidation entfernt werden kann, wenn die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material geringer wird als die Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material.
Ferner gibt es manchmal Fälle, wo sich das teilchenförmige Material in Schichten auf dem Teilchenfilter 22 abscheidet wegen eines bestimmten oder eines anderen Grunds, sogar wenn die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material und die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 auf diese Weise aufrechterhalten werden. Sogar in diesem Fall wird, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines Teils des gesamten Abgases zeitweise fett gemacht wird, das abgeschiedene teilchenförmige Material auf dem Teilchenfilter 22 ohne Emission einer leuchtenden Flamme oxidiert. Das heißt, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases fett gemacht wird, das heißt, wenn die Konzentration an Sauerstoff im Abgas verringert wird, wird von dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff 61 der gesamte aktive Sauerstoff nach Außen abgegeben. Das abgeschiedene teilchenförmige Material wird in einer kurzen Zeit ohne Emission einer leuchtenden Flamme durch den gesamten freigesetzten aktiven Sauerstoff O durch Oxidation entfernt.
Wenn demgegenüber das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mager gehalten wird, wird die Oberfläche des Platins Pt durch Sauerstoff bedeckt und findet eine so genannte Sauerstoffvergiftung des Platins Pt statt. Wenn eine solche Sauerstoffvergiftung stattfindet, nimmt der Vorgang der Oxidation des NO_x ab, fällt somit die Wirksamkeit der NO_x-Absorption ab und nimmt daher das Ausmaß der Freisetzung von aktivem Sauerstoff von dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff 61 ab. Wenn jedoch das Luft-Kraftstoff-Verhältnis fett gemacht wird, wird der Sauerstoff auf der Oberfläche des Platins Pt verbraucht und wird somit die Sauerstoffvergiftung eliminiert. Wenn daher das Luft-Kraftstoff-Verhältnis von fett zu mager geändert wird, wird der Vorgang der Oxidation des NO_x stärker, wird somit die Wirksamkeit der NO_x-Absorption höher und nimmt daher das Ausmaß der Freisetzung von aktivem Sauerstoff von dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff 61 zu.
Wenn daher das Luft-Kraftstoff-Verhältnis manchmal von mager zu fett umgeschaltet wird, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mager gehalten wird, wird jedes Mal die Sauerstoffvergiftung des Platins Pt eliminiert. Daher nimmt das Ausmaß der Freisetzung von aktivem Sauerstoff zu, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mager ist, und kann das Ausmaß der Oxidation des teilchenförmigen Materials auf dem Teilchenfilter 22 unterstützt werden.
In 6 wird nun die Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material als eine Funktion von lediglich der Temperatur TF des Teilchenfilters 22 aufgezeigt, jedoch ist die Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material tatsächlich eine Funktion der Konzentration an Sauerstoff im Abgas, der Konzentration an NO_x im Abgas, der Konzentration an nicht verbrannten Kohlenwasserstoffem im Abgas, des Grads der Leichtigkeit einer Oxidation des teilchenförmigen Materials, der Raumgeschwindigkeit des Abgasstroms im Teilchenfilter 22, des Drucks des Abgases und dergleichen. Die Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material wird daher bevorzugt unter Berücksichti gung der Effekte aller obigen Faktoren, einschließlich der Temperatur TF des Teilchenfilters 22 berechnet.
Der Faktor mit der größen Wirkung auf die Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material unter diesen ist jedoch die Temperatur TF des Teilchenfilters 22. Faktoren mit relativ großen Effekten sind die Konzentrationen an Sauerstoff im Abgas und die Konzentration an NO_x. 7A zeigt die Änderung der Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material, wenn die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 und die Konzentration an Sauerstoff im Abgas sich ändern. 7B zeigt die Änderung der Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material, wenn die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 und die Konzentration an NO_x im Abgas sich ändern. Es sei angemerkt, dass in den 7A und 7B die unterbrochenen Linien die Fälle aufzeigen, bei denen die Konzentration an Sauerstoff und die Konzentration an NO_x im Abgas die Referenzwerte sind. In 7A zeigt [O₂]₁ den Fall, bei dem die Konzentration an Sauerstoff im Abgas höher als der Referenzwert ist, während [O₂]₂ den Fall aufzeigt, bei dem die Konzentration an Sauerstoff noch höher als [O₂]₁ ist. In 7B zeigt [NO]₁ den Fall, bei dem die Konzentration an NO_x im Abgas höher als der Referenzwert ist, während [NO]₂ den Fall aufzeigt, bei dem die Konzentration an NO_x noch höher als bei [NO]₁ ist.
Wenn die Konzentration an Sauerstoff im Abgas höher wird, wird gerade dadurch die Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material größer. Da die Menge an in dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff 61 absorbiertem Sauerstoff weiter ansteigt, steigt jedoch auch der von dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff 61 freigesetzte aktive Sauerstoff an. Daher nimmt, wie in 7A aufgezeigt, die Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material umso mehr zu, desto höher die Konzentration an Sauerstoff im Abgas ist.
Demgegenüber wird, wie später erläutert, das NO im Abgas auf der Oberfläche des Platins Pt oxidiert und wird zu NO₂. Ein Teil des auf diese Weise erzeugten NO₂ wird in dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff 61 absorbiert, während das verbleibende NO₂ sich auf der Außenseite der Oberfläche des Platins Pt verteilt. Wenn zu diesem Zeitpunkt Platin Pt das NO₂ kontaktiert, wird eine Oxidationsreaktion unterstützt. Daher wird, wie in 7B aufgezeigt, die Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material umso mehr ansteigen, desto höher die Konzentration an NO_x im Abgas ist. Jedoch findet der Vorgang der Unterstützung der Oxidation des teilchenförmigen Materials durch das NO₂ lediglich statt, wenn dabei die Temperatur des Abgases von ungefähr 250°C bis ungefähr 450°C beträgt, so dass, wie in 7B aufgezeigt, wenn die Konzentration an NO_x im Abgas höher wird, die Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material ansteigt während einer Temperatur TF des Teilchenfilters 22 von ungefähr 250°C bis 450°C.
Wie oben erläutert, ist es bevorzugt, die Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material unter Berücksichtigung aller Faktoren zu berechnen, die einen Effekt auf die Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material besitzen. In dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird jedoch die Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material basierend auf lediglich der Temperatur TF des Teilchenfilters 22, welche die größte Wirkung auf die Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material unter den Faktoren besitzt, berechnet, und die Konzentration an Sauerstoff und die Konzentration an NO_x im Abgas besitzen relativ große Effekte.
Das heißt, in dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden, wie in den 8A bis 8F aufgezeigt, die Mengen G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material bei zahlreichen Temperaturen TF (200°C, 250°C, 300°C, 350°C, 400°C und 450°C) vorab im ROM 32 in der Form einer Darstellung als eine Funktion der Konzentration an Sauerstoff [O₂] im Abgas und der Konzentration an NO_x [NO] im Abgas gespeichert. Die Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material gemäß der Temperatur TF des Teilchenfilters 22, der Konzentration an Sauerstoff [O₂] und der Konzentration an NO_x [NO] wird durch proportionale Verteilung aus den Darstellungen, die in den 8A bis 8F aufgezeigt sind, berechnet.
Es sei angemerkt, dass die Konzentration an Sauerstoff [O₂] und die Konzentration an NO_x [NO] im Abgas erfasst werden können unter Verwendung eines Sauerstoffkonzentrationssensors und eines NO_x-Konzentrationssensors. In dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird jedoch die Konzentration an Sauerstoff [O₂] im Abgas vorab im ROM 32 in der Form einer wie in 9A aufgezeigten Darstellung als eine Funktion des erforderlichen Drehmoments TQ und der Motorgeschwindigkeit N gespeichert. Die Konzentration an NO_x [NO] im Abgas wird vorab im ROM 32 in der Form einer wie in 9B aufgezeigten Darstellung als eine Funktion des erforderlichen Drehmoments TQ und der Motorgeschwindigkeit N gespeichert. Die Konzentration an Sauerstoff [O₂] und die Konzentration an NO_x [NO] im Abgas werden aus diesen Darstellungen berechnet.
Die Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material ändert sich demgegenüber gemäß dem Typ des Motors, wird jedoch, sobald der Typ des Motors bestimmt ist, eine Funktion des erforderlichen Drehmoments TQ und der Motorgeschwindigkeit N. 10A zeigt die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material der in 1 aufgezeigten Brennkraftmaschine. Die Kurven M₁, M₂, M₃, M₄ und M₅ zeigen die Mengen an äquivalent ausgestoßenem teilchenförmigem Material (M₁ < M₂ < M₃ < M₄ < M₅). In dem in 10A aufgezeigten Beispiel nimmt die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material umso mehr zu, desto höher das erforderliche Drehmoment TQ ist. Es sei angemerkt, dass die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material, wie sie in 10A aufgezeigt ist, vorab im ROM 32 in der Form einer in 10B aufgezeigten Darstellung als eine Funktion des erforderlichen Drehmoments TQ und der Motorgeschwindigkeit N gespeichert wird.
In der Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ist, wie oben erläutert, eine Schicht eines Aluminium umfassenden Trägers zum Beispiel auf den beiden Seitenoberflächen der Zwischenwände 54 des Teilchenfilters 22 und den Innenwänden der feinen Löcher in den Zwischenwänden 54 ausgebildet. Auf diesem Träger werden ein Edelmetallkatalysator und ein Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff getragen. In dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung trägt der Träger ferner einen Edelmetallkatalysator und ein NO_x-Absorptionsmittel, welches das im Abgas enthaltene NO_x absorbiert, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Teilchenfilter 22 strömenden Abgases mager ist, und das absorbierte NO_x freisetzt, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Teilchenfilter 22 strömenden Abgases das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder fett wird.
In dieser Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung wird Platin Pt als der Edelmetallkatalysator verwendet. Als das NO_x-Absorptionsmittel wird zumindest eines von einem Alkalimetall wie Kalium K, Natrium Na, Lithium Li, Cäsium Cs und Rubidium Rb, einem Erdalkalimetall wie Barium Ba, Calcium Ca und Strontium Sr, und einem Seltenerdelement wie Lanthan La und Yttrium Y verwendet. Es sei angemerkt, dass, wie dies durch einen Vergleich mit dem Metall, welches das obige Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff umfasst, deutlich wird, das Metall, welches das NO_x-Absorptionsmittel umfasst, und das Metall, welches das Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff umfasst, in großen Teilen übereinstimmen.
In diesem Fall ist es möglich, unterschiedliche Metalle zu verwenden oder dasselbe Metall zu verwenden als das NO_x-Absorptionsmittel und das Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff. wenn als das NO_x-Absorptionsmittel und das Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff dasselbe Metall verwendet wird, werden die Funktion als ein NO_x-Absorptionsmittel und die Funktion als ein Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff gleichzeitig aufgezeigt.
Als Nächstes wird der Vorgang der Absorption und Freisetzung von NO_x erläutert, wobei der Fall der Verwendung von Platin Pt als dem Edelmetallkatalysator und der Verwendung von Kalium K als dem NO_x-Absorptionsmittel als Beispiel verwendet wird.
Bei Betrachtung des Vorgangs der Absorption von NO_x wird zuerst das NO_x im NO_x-Absorptionsmittel durch denselben Mechanismus wie den in 4A aufgezeigten Mechanismus absorbiert. In diesem Fall bezeichnet jedoch in 4A die Bezugsziffer 61 das NO_x-Absorptionsmittel.
Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Teilchenfilter 22 strömenden Abgases mager ist, da eine große Menge an überschüssigem Sauerstoff in dem Abgas enthalten ist, wenn das Abgas in die Abgaseinströmkanäle 50 des Teilchenfilters 22 strömt, wie in 4A aufgezeigt, haftet der Sauerstoff O₂ an der Oberfläche des Platins Pt in der Form von O₂ ^– oder O^2– an. Demgegenüber reagiert das NO im Abgas mit dem O₂ ^– oder O^2– auf der Oberfläche des Platins Pt und wird zu NO₂ (2NO + O₂ → 2NO₂). Als Nächstes wird ein Teil des NO₂, das erzeugt wird, in dem NO_x-Absorptionsmittel 61 absorbiert, während es auf dem Platin Pt oxidiert wird, und verteilt sich im NO_x-Absorptionsmittel 61 in der Form von Nitrationen NO₃ ^–, wie in 4A aufgezeigt, während es sich mit dem Kalium K verbindet. Ein Teil der Nitrationen NO₃ ^– erzeugt Kaliumnitrat KNO₃. Auf diese Weise wird NO im NO_x-Absorptionsmittel 61 absorbiert.
Wenn demgegenüber das Abgas, das in den Teilchenfilter 22 strömt, fett wird, werden die Nitrationen NO₃ ^– zu Sauerstoff O und NO aufgespalten und wird dann allmählich NO von dem NO_x-Absorptionsmittel 61 freigesetzt. Wenn daher das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das in den Teilchenfilter 22 strömt, fett wird, wird das NO in kurzer Zeit von dem NO_x-Absorptionsmittel 61 freigesetzt. Ferner wird das freigesetzte NO reduziert, so dass kein NO in die Atmosphäre abgegeben wird.
Es sei angemerkt, dass in diesem Fall NO von dem NO_x-Absorptionsmittel 61 freigesetzt wird, auch wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Teilchenfilter 22 strömenden Abgases das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist. Da in diesem Fall das NO lediglich allmählich von dem NO_x-Absorptionsmittel 61 freigesetzt wird, benötigt es jedoch eine etwas lange Zeit, damit das gesamte im NO_x-Absorptionsmittel 61 absorbierte NO_x freigesetzt wird.
Wie oben erläutert, ist es jedoch möglich, verschiedene Metalle für das NO_x-Absorptionsmittel und das Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff zu verwenden. In dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird jedoch dasselbe Metall für das NO_x-Absorptionsmittel und das Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff verwendet. Wie bereits früher erläutert, werden in diesem Fall die Funktion des NO_x-Absorptionsmittels und die Funktion des Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff gleichzeitig durchgeführt. Ein Mittel, das diese beiden Funktionen gleichzeitig durchführt, wird von nun an als ein Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel bezeichnet. Daher zeigt in dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Bezugsziffer 61 in 4A ein Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel.
Wenn bei Verwendung eines solchen Mittels zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittels das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das in den Teilchenfilter 22 strömt, mager ist, wird das in dem Abgas enthaltene NO in dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel 61 absorbiert. Wenn das im Abgas enthaltene teilchenförmige Material an dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel 61 anhaftet, wird das teilchenförmige Material in kurzer Zeit durch Oxidation mittels des aktiven Sauerstoffs, der im Abgas enthalten ist, und des aktiven Sauerstoffs, der von dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel 61 freigesetzt wird, entfernt. Daher ist es zu diesem Zeitpunkt möglich, den Ausstoß von sowohl dem teilchenförmigem Material als auch NO_x im Abgas in die Atmosphäre zu verhindern.
Wenn demgegenüber das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das in den Teilchenfilter 22 strömt, fett wird, wird NO von dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel freigesetzt. Dieses NO wird durch nicht verbrannte Kohlenwasserstoffe und CO reduziert, und es wird daher zu diesem Zeitpunkt ebenfalls kein NO in die Atmosphäre ausgestoßen. Ferner wird das auf dem Teilchenfilter 22 abgeschiedene teilchenförmige Material durch Oxidation mittels des aktiven Sauerstoffs, der von dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel 61 freigesetzt wird, entfernt.
Wie bereits unter Bezugnahme auf 6 erläutert, beginnt der Vorgang der Freisetzung von aktivem Sauerstoff aus dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff 61 ab dem Zeitpunkt, wo die Temperatur des Teilchenfilters 22 beträchtlich gering ist. Dasselbe gilt auch bei Verwendung des Mittels zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittels 61. Im Gegensatz dazu beginnt der Vorgang der Absorption von NO_x in dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel 61 nicht, solange die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 nicht höher wird als die Temperatur beim Beginn der Freisetzung von aktivem Sauerstoff. Man nimmt an, dass dies darin begründet ist, dass die Freisetzung von aktivem Sauerstoff verursacht wird, wenn zum Beispiel Sauerstoff von dem Kaliumnitrat KNO₃ geraubt wird, während der Vorgang der Absorption von NO_x nicht startet, solange das Platin Pt nicht aktiviert ist.
11 zeigt die Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material und die NO_x-Absorptionsrate bei Verwendung von Kalium K als dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel 61. Aus 11 ist zu entnehmen, dass der Vorgang der Freisetzung von aktivem Sauerstoff beginnt, wenn die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 geringer als 200°C ist, während der Vorgang der Absorption von NO_x nicht startet, solange die Temperatur TF des Teilchenfilters nicht über 200°C liegt.
Demgegenüber wird der Vorgang der Freisetzung von aktivem Sauerstoff umso aktiver, desto höher die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 ist. Im Gegensatz dazu verschwindet der Vorgang der Absorption von NO_x, wenn die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 höher wird. Das heißt, wenn die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 eine bestimmte Temperatur überschreitet, in dem in 11 aufgezeigten Beispiel ungefähr 500°C, werden die Nitrationen NO₃ ^– oder wird Kaliumsulfat KNO₃ unter der Wärme aufgespalten und wird NO aus dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel 61 freigesetzt. In diesem Zustand wird die Menge der Freisetzung von NO größer als die Menge der Absorption von NO_x und nimmt daher, wie in 11 gezeigt, die NO_x-Absorptionsrate ab.
11 zeigt die NO_x-Absorptionsrate bei Verwendung von Kalium K als dem NO_x-Absorptionsmittel oder dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel 61. In diesem Fall ist der Temperaturbereich des Teilchenfilters 22, in dem die NO_x-Absorptionsrate höher wird, in Abhängigkeit von dem verwendeten Metall verschieden. Wenn zum Beispiel Barium Ba als das NO_x-Absorptionsmittel oder das Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel 61 verwendet wird, wird der Temperaturbereich des Teilchenfilters 22, bei dem die NO_x-Absorptionsrate höher wird, enger als in dem Fall der Verwendung von Kalium K, wie in 11 aufgezeigt.
Um jedoch, wie oben erläutert, ein Entfernen des teilchenförmigen Materials im Abgas durch Oxidation ohne ein Abscheiden in Schichten auf dem Teilchenfilter 22 zu ermöglichen, ist es notwendig, die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material geringer zu machen als die Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material. Wenn jedoch nur die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material geringer gemacht wird als die Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material, findet der Vorgang der Absorption von NO_x durch das NO_x-Absorptionsmittel oder das Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel 61 nicht statt. Um den Vorgang der Absorption von NO_x durch das NO_x-Absorptionsmittel oder das Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel sicherzustellen, ist es notwendig, die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 innerhalb des Temperaturbereichs zu halten, bei dem der Vorgang der Absorption von NO_x stattfindet. In diesem Fall muss der Temperaturbereich des Teilchenfilters 22, bei dem der Vorgang der NO_x-Absorption stattfindet, auf einen Temperaturbereich gebracht werden, bei dem die NO_x-Absorptionsrate größer wird als ein bestimmter Wert, zum Beispiel größer als 50 Prozent. Wenn daher Kalium K als das NO_x-Absorptionsmittel oder das Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel 61 verwendet wird, muss, wie aus 11 verständlich wird, die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 zwischen ungefähr 250°C und 500°C gehalten werden.
Daher wird in dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Entfernung des teilchenförmigen Materials im Abgas durch Oxidation ohne dessen Abscheidung in Schichten auf dem Teilchenfilter 22 und zur Absorption des NO_x im Abgas die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material fortlaufend geringer gehalten als die Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material und wird die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 in dem Temperaturbereich gehalten, wo die NO_x-Absorptionsrate des Teilchenfilters 22 größer wird als ein bestimmter Wert. Das heißt, die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material und die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 werden in dem Bereich der gleichzeitigen Behandlung von teilchenförmigem Material und NO_x gehalten, der in 11 durch die Schraffur aufgezeigt wird.
Sogar wenn die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material und die Temperatur des Teilchenfilters 22 in dem Bereich der gleichzeitigen Behandlung von teilchenförmigem Material und NO_x gehalten werden, werden manchmal die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material und die Temperatur des Teilchenfilters 22 außerhalb des Bereichs der gleichzeitigen Behandlung von teilchenförmigem Material und NO_x zu liegen kommen. In diesem Fall wird in dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zumindest eines der Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material, der Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material und der Temperatur TF des Teilchenfilters 22 so gesteuert, dass die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material und die Temperatur des Teilchenfilters 22 im Inneren des Bereichs der gleichzeitigen Behandlung von teilchenförmigem Material und NO_x zu liegen kommen. Dies wird als Nächstes unter Bezugnahme auf 12 erläutert werden.
Als Erstes wird der Fall erläutert, bei dem die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material und die Temperatur des Teilchenfilters 22 den Punkt A außerhalb des Bereichs der gleichzeitigen Behandlung von teilchenförmigem Material und NO_x, der in 12 aufgezeigt ist, erreichen, das heißt, die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material wird größer als die Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material und die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 wird geringer als der untere Grenzwert der Temperatur des Bereichs der gleichzeitigen Behandlung von teilchenförmigem Material und NO_x. In diesem Fall werden, wie durch den Pfeil aufgezeigt, durch Erhöhen der Temperatur TF des Teilchenfilters 22 die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material und die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 in den Bereich der gleichzeitigen Behandlung von teilchenförmigem Material und NO_x zurückgebracht.
Als Nächstes wird der Fall erläutert, bei dem die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material und die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 den Punkt B außerhalb des Bereichs der gleichzeitigen Behandlung von teilchenförmigem Material und NO_x, wie er in 12 aufgezeigt ist, erreichen, das heißt, wo die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material größer wird als die Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material und die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 im Inneren des Bereichs der gleichzeitigen Behandlung von teilchenförmigem Material und NO_x liegt. In diesem Fall wird, wie durch den Pfeil aufgezeigt, die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material verringert, um die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material und die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 in den Bereich der gleichzeitigen Behandlung von teilchenförmigem Material und NO_x zurückzubringen.
Als Nächstes wird der Fall erläutert, bei dem die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material und die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 den Punkt C außerhalb des Bereichs der gleichzeitigen Behandlung von teilchenförmigem Material und NO_x, wie er in 12 aufgezeigt ist, erreichen, das heißt, wo die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material größer wird als die Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material und die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 höher wird als der obere Grenzwert der Temperatur des Bereichs der gleichzeitigen Behandlung von teilchenförmigem Material und NO_x. In diesem Fall wird, wie durch den Pfeil aufgezeigt, die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material verringert und die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 verringert, um so die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material und die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 in den Bereich der gleichzeitigen Behandlung von teilchenförmigem Material und NO_x zurückzubringen.
Auf diese Weise werden durch Verringern der Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material oder Erhöhen oder Verringern der Temperatur TF des Teilchenfilters 22, wenn die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material und die Temperatur des Teilchenfilters 22 außerhalb des Bereichs der gleichzeitigen Behandlung von teilchenförmigem Material und NO_x zu liegen kommen, die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material und die Temperatur des Teilchenfilters 22 zurückgebracht in den Bereich der gleichzeitigen Behandlung von teilchenförmigem Material und NO_x. Es sei angemerkt, dass als ein weiteres Verfahren es auch möglich ist, die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material und die Temperatur des Teilchenfilters 22 durch Erhöhen der Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material in den Bereich der gleichzeitigen Behandlung von teilchenförmigem Material und NO_x zu bringen. Daher werden als Nächstes das Verfahren zur Verringerung der Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material, das Verfahren der Erhöhung oder Verringerung der Temperatur TF des Teilchenfilters 22 und das Verfahren zur Erhöhung der Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material erläutert.
Ein Verfahren, das wirksam ist für ein Erhöhen der Temperatur TF des Teilchenfilters 22, ist das Verfahren der Verzögerung des Kraftstoffeinspritzzeitpunkts auf nach dem oberen Totpunkt des Verdichtungstakts. Das heißt, normalerweise wird die Hauptmenge des Kraftstoffs Qm nahe dem oberen Totpunkt des Verdichtungstakts eingespritzt, wie in (I) in 13 aufgezeigt. Wenn in diesem Fall der Einspritzzeitpunkt der Hauptmenge des Kraftstoffs Qm verzögert wird, wie in (II) von 13 aufgezeigt, wird die Nachbrennzeit länger und steigt daher die Temperatur des Abgases an. Wenn die Temperatur des Abgases ansteigt, steigt die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 an. Wenn in diesem Fall der Betrag der Verzögerung des Kraftstoffeinspritzzeitpunkts verringert wird, kann die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 verringert werden.
Um darüber hinaus die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 zu erhöhen, kann, wie durch (III) von 13 aufgezeigt, der Hilfskraftstoff Qv nahe dem oberen Totpunkt des Ansaugtakts zusätzlich zu dem Hauptkraftstoff Qm eingespritzt werden. Wenn auf diese Weise zusätzlich der Hilfskraftstoff Qv eingespritzt wird, nimmt der zur Verbrennung fähige Kraftstoff durch genau den Hilfskraftstoff Qv zu, so dass die Temperatur des Abgases ansteigt und daher die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 ansteigt.
Wenn andererseits der Hilfskraftstoff Qv nahe dem oberen Totpunkt des Ansaugtakts auf diese Weise eingespritzt wird, wird die Kompressionswärme während des Kompressionstakts aus dem Hilfskraftstoff Qv Aldehyde, Ketone, Peroxide, Kohlenmonoxid und andere Zwischenprodukte erzeugen. Durch diese Zwischenprodukte wird die Umsetzung des Hauptkraftstoffs Qm beschleunigt. Daher wird in die sem Fall, wie durch (III) von 13 aufgezeigt, keine Fehlzündung auftreten und wird eine gute Verbrennung erhalten, auch wenn der Einspritzzeitpunkt des Hauptkraftstoffs Qm in großem Maße verzögert ist. Das heißt, da es möglich ist, den Einspritzzeitpunkt des Hauptkraftstoffs Qm auf diese Weise in großem Ausmaß zu verzögern, wird die Temperatur des Abgases beträchtlich hoch und kann daher die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 schnell erhöht werden. Wenn in diesem Fall das Einspritzen des Hilfskraftstoffs Qv gestoppt wird oder die Einspritzmenge des Hilfskraftstoffs Qv verringert wird, um den Betrag der Verzögerung des Einspritzzeitpunkts des Hauptkraftstoffs Qm zu verringern, kann die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 verringert werden.
Um ferner die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 zu erhöhen, ist es, wie durch (IV) von 13 aufgezeigt, möglich, zusätzlich zu dem Hauptkraftstoff Qm den Hilfskraftstoff Qp während des Expansionstakts oder des Ausstoßtakts einzuspritzen. Das heißt, in diesem Fall wird der große Anteil des Hilfskraftstoffs Qp ohne Verbrennen in der Form von unverbrannten Kohlenwasserstoffen in die Abgasleitung ausgestoßen. Die unverbrannten Kohlenwasserstoffe werden durch den überschüssigen Sauerstoff auf dem Teilchenfilter 22 oxidiert. Aufgrund der zu diesem Zeitpunkt erzeugten Wärme der Oxidationsreaktion wird die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 erhöht. Wenn in diesem Fall die Einspritzmenge des Hilfskraftstoffs Qp verringert wird, kann die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 verringert werden.
Als Nächstes wird das Verfahren der Verwendung einer Verbrennung bei niedriger Temperatur zur Steuerung der Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material und der Temperatur TF des Teilchenfilters 22 erläutert.
In dem in 1 aufgezeigten Motor nimmt die Menge an erzeugtem Rauch allmählich zu und erreicht eine Spitze, wenn die EGR-Rate (Menge an EGR-Gas/(Menge an EGR-Gas + Menge an Ansaugluft)) erhöht wird. Wenn die EGR-Rate weiter erhöht wird, nimmt die Menge der Erzeugung von Rauch schnell ab. Dies wird unter Bezugnahme auf 14 erläutert, welche die Beziehung zwischen der EGR-Rate und dem Rauch aufzeigt, wenn der Grad des Kühlens des EGR-Gases verändert wird. Es sei angemerkt, dass in 14 die Kurve A den Fall einer starken Kühlung des EGR-Gases zum Aufrechterhalten der Temperatur des EGR-Gases bei ungefähr 90°C zeigt, die Kurve B den Fall des Kühlens des EGR-Gases mittels einer Kühlvorrichtung geringer Größe zeigt und die Kurve C den Fall einer nicht starken Kühlung des EGR-Gases zeigt.
Wie durch die Kurve A von 14 aufgezeigt, erreicht die Menge der Erzeugung von Rauch eine Spitze, wenn die EGR-Rate geringfügig geringer als 50 Prozent ist, wenn das EGR-Gas stark gekühlt wird. Wenn in diesem Fall die EGR-Rate auf mehr als ungefähr 55 Prozent gebracht wird, wird nahezu kein Rauch mehr erzeugt. Wie andererseits durch die Kurve B von 14 aufgezeigt, erreicht die Menge der Erzeugung von Rauch eine Spitze, wenn die EGR-Rate geringfügig höher als 50 Prozent wird, wenn das EGR-Gas leicht gekühlt wird. Wenn in diesem Fall die EGR-Rate auf mehr als ungefähr 65 Prozent gebracht wird, wird nahezu kein Rauch mehr erzeugt. Wie darüber hinaus durch die Kurve C von 14 aufgezeigt, erreicht die Menge der Erzeugung von Rauch eine Spitze nahe einer EGR-Rate von 55 Prozent, wenn das EGR-Gas nicht stark gekühlt wird. In diesem Fall wird nahezu kein Rauch mehr erzeugt, wenn die EGR-Rate über ungefähr 70 Prozent liegt.
Der Grund dafür, dass kein Rauch mehr erzeugt wird, wenn die EGR-Rate auf über 55 Prozent gebracht wird, liegt begründet in der wärmeabsorbierenden Wirkung des EGR-Gases, wobei die Gastemperatur des Kraftstoffs und seiner Umgebung zum Zeitpunkt der Verbrennung nicht so hoch wird, dass eine Verbrennung bei niedriger Temperatur durchgeführt wird und als ein Ergebnis der Kohlenwasserstoff nicht zu Ruß wird.
Diese Verbrennung bei niedriger Temperatur besitzt die Eigenschaft, dass ein Unterdrücken der Bildung von Rauch und eine Verringerung der Menge der Erzeugung von NO_x ermöglicht wird, unabhängig vom Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Das heißt, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis fett gemacht wird, liegt der Kraftstoff im Überschuss vor, da jedoch die Verbrennungstemperatur auf eine niedrige Temperatur gedrückt ist, wird durch den überschüssigen Kraftstoff kein Ruß angesammelt und wird daher kein Rauch erzeugt. Ferner wird zu diesem Zeitpunkt lediglich eine extrem geringe Menge an NO_x erzeugt. Wenn andererseits das mittlere Luft-Kraftstoff-Verhältnis mager ist oder das Luft-Kraftstoff-Verhältnis das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, wenn die Verbrennungstemperatur hoch ist, wird eine geringe Menge an Ruß erzeugt, wird jedoch unter einer Verbrennung bei niedriger Temperatur die Verbrennungstemperatur auf eine niedrige Temperatur gedrückt, so dass keinerlei Rauch erzeugt wird und lediglich eine extrem geringe Menge an NO_x erzeugt wird.
Wenn demgegenüber eine Verbrennung bei niedriger Temperatur durchgeführt wird, wird die Gastemperatur des Kraftstoffs und dessen Umgebung gering, wird aber die Temperatur des Abgases ansteigen. Dies wird unter Bezugnahme auf die 15A und 15B erläutert.
Die durchgezogene Linie in 15A zeigt die Beziehung zwischen der mittleren Gastemperatur Tg in der Verbrennungskammer 5 und dem Kurbelwinkel, wenn eine Verbrennung bei niedriger Temperatur durchgeführt wird, während die gestrichelte Linie in 15A die Beziehung zwischen der mittleren Gastemperatur Tg in der Verbrennungskammer 5 und dem Kurbelwinkel aufzeigt, wenn eine normale Verbrennung durchgeführt wird. Darüber hinaus zeigt die durchgezogene Linie der 15B die Beziehung zwischen der Gastemperatur des Kraftstoffs und seiner Umgebung, wenn eine Verbrennung mit niedriger Temperatur durchgeführt wird, während die gestrichelte Linie in 15B die Beziehung zwischen der Gastemperatur TF des Kraftstoffs und seiner Umgebung und dem Kurbelwinkel aufzeigt, wenn eine normale Verbrennung durchgeführt wird.
Wenn eine Verbrennung bei niedriger Temperatur durchgeführt wird, wird die Menge an EGR-Gas größer, als wenn eine normale Verbrennung durchgeführt wird. Daher wird, wie in 15A aufgezeigt, vor dem oberen Totpunkt des Verdichtungstakts, das heißt, während des Verdichtungstakts, die mittlere Gastemperatur Tg zum Zeitpunkt einer Verbrennung mit niedriger Temperatur, welche durch die durchgezogene Linie dargestellt wird, höher als die mittlere Gastemperatur Tg zum Zeitpunkt einer normalen Verbrennung, welche durch die gestrichelte Linie dargestellt wird. Es sei angemerkt, dass zu diesem Zeitpunkt, wie in 15B aufgezeigt, die Gastemperatur Tf des Kraftstoffs und dessen Umgebung ungefähr dieselbe Temperatur wie die mittlere Gastemperatur Tg wird.
Als Nächstes beginnt die Verbrennung nahe dem oberen Totpunkt des Verdichtungstakts. In diesem Fall werden zum Zeitpunkt einer Verbrennung bei niedriger Temperatur, wie durch die durchgezogene Linie von 15B aufgezeigt, aufgrund der wärmeabsorbierenden Wirkung des EGR-Gases die Gastemperatur Tf des Kraftstoffs und dessen Umgebung nicht so hoch. Im Gegensatz dazu wird zum Zeitpunkt einer normalen Verbrennung, wo eine große Menge an Sauerstoff um den Kraftstoff herum vorhanden ist, wie durch die gestrichelte Linie von 15B aufgezeigt, die Gastemperatur Tf des Kraftstoffs und seiner Umgebung extrem hoch. Wenn auf diese Weise eine normale Verbrennung durchgeführt wird, wird die Gastemperatur Tf des Kraftstoffs und seiner Umgebung beträchtlich hoch im Vergleich mit dem Fall einer Verbrennung bei niedriger Temperatur, jedoch wird die Temperatur des von der Hauptmenge verschiedenen Gases geringer, wenn eine normale Verbrennung durchgeführt wird, als im Vergleich mit der Durchführung einer Verbrennung bei niedriger Temperatur. Daher wird, wie in 15A aufgezeigt, die mittlere Gastemperatur Tg in der Verbrennungskammer 5 nahe dem oberen Totpunkt des Verdichtungstakts zum Zeitpunkt einer Verbrennung bei niedriger Temperatur höher als im Vergleich bei einer normalen Verbrennung. Als Folge davon wird, wie in 15A aufgezeigt, die Temperatur des bereits verbrannten Gases in der Verbrennungskammer 5, nachdem die Verbrennung beendet ist, zum Zeitpunkt der Verbrennung bei niedriger Temperatur höher als im Vergleich mit einer normalen Verbrennung. Daher wird zum Zeitpunkt der Verbrennung bei niedriger Temperatur die Temperatur des Abgases höher.
Wenn auf diese Weise eine Verbrennung bei niedriger Temperatur durchgeführt wird, wird das Ausmaß der Erzeugung von Rauch, das heißt, die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material, geringer und nimmt die Temperatur des Abgases zu. Wenn während des Motorbetriebs von einer normalen Verbrennung zu einer Verbrennung bei niedriger Temperatur umgeschaltet wird, kann daher die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material verringert werden und kann die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 erhöht werden. Wenn im Gegensatz dazu von einer Verbren nung bei niedriger Temperatur auf eine normale Verbrennung umgeschaltet wird, nimmt die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 ab. Zu diesem Zeitpunkt erhöht sich jedoch die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material. Unabhängig vom jeweiligen Fall kann durch Umschalten zwischen normaler Verbrennung und Verbrennung bei niedriger Temperatur die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material und die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 gesteuert werden.
Wenn jedoch das erforderliche Drehmoment TQ des Motors höher wird, das heißt, wenn die Menge der Kraftstoffeinspritzung größer wird, wird die Gastemperatur des Kraftstoffs und seiner Umgebung zum Zeitpunkt der Verbrennung höher, so dass eine Verbrennung bei niedriger Temperatur schwierig wird. Das heißt, eine Verbrennung bei niedriger Temperatur wird nur möglich zum Zeitpunkt des Betriebs des Motors bei mittlerer und geringer Last, wo die Menge der durch Verbrennung erzeugten Wärme relativ gering ist. In 16 zeigt der Bereich I den Arbeitsbereich, wo eine erste Verbrennung, bei der eine größere Menge an inertem Gas in der Verbrennungskammer 5 vorhanden ist als die Menge an inertem Gas, bei der die Erzeugung von Ruß eine Spitze erreicht, das heißt, eine Verbrennung bei niedriger Temperatur, durchgeführt werden kann, während der Bereich II den Arbeitsbereich aufzeigt, wo eine zweite Verbrennung, bei der eine geringere Menge an inertem Gas in der Verbrennungskammer 5 vorhanden ist als die Menge an inertem Gas, bei der die Erzeugung von Ruß eine Spitze erreicht, das heißt, eine Verbrennung bei normaler Temperatur, durchgeführt werden kann.
17 zeigt das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F im Fall einer Verbrennung bei niedriger Temperatur im Arbeitsbereich I, während 18 den Öffnungsgrad des Drosselventils 17, den Öffnungsgrad des EGR-Steuerventils 25, die EGR-Rate, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, den Einspritzanfangszeitpunkt θS, den Einspritzendzeitpunkt θ E und die Einspritzmenge gemäß dem erforderlichen Drehmoment TQ zum Zeitpunkt einer Verbrennung bei niedriger Temperatur im Arbeitsbereich I aufzeigt. Es sei angemerkt, dass 18 auch den Öffnungsgrad des Drosselventils 17 zum Zeitpunkt einer normalen Verbrennung aufzeigt, die im Arbeitsbereich II durchgeführt wird.
Aus 17 und 18 wird verständlich, dass, wenn eine Verbrennung bei niedriger Temperatur im Arbeitsbereich I durchgeführt wird, die EGR-Rate auf über 55 Prozent gebracht wird und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F auf ein mageres Luft-Kraftstoff-Verhältnis von 15,5 bis ungefähr 18 gebracht wird. Es sei angemerkt, dass, wenn, wie oben erläutert, eine Verbrennung bei niedriger Temperatur im Arbeitsbereich I durchgeführt wird, nahezu kein Rauch erzeugt wird, auch wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis fett gemacht wird.
Als Nächstes wird ein anderes Verfahren zur Erhöhung der Temperatur TF des Teilchenfilters 22 erläutert. 19 zeigt einen Motor, der zur Durchführung dieses Verfahrens geeignet ist. Unter Bezugnahme auf 19 ist in diesem Motor eine Kohlenwasserstoffzuführvorrichtung 70 in der Abgasleitung 20 angeordnet. von der Kohlenwasserstoffzuführvorrichtung 70 wird, je nach Notwendigkeit, Kohlenwasserstoff dem Inneren der Abgasleitung 20 zugeführt. Wenn Kohlenwasserstoff zugeführt wird, wird der Kohlenwasserstoff durch den überschüssigen Sauerstoff auf dem Teilchenfilter 22 oxidiert. Aufgrund der Wärme der Oxidationsreaktion zu diesem Zeitpunkt steigt die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 an. In diesem Fall ist es durch Verringern der Menge der Zufuhr an Kohlenwasserstoff möglich, die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 zu verringern. Es sei angemerkt, dass diese Kohlenwasser stoffzuführvorrichtung 70 an einer beliebigen anderen Stelle zwischen dem Teilchenfilter 22 und der Auslassöffnung 10 angeordnet sein kann.
Als Nächstes wird noch ein weiteres Verfahren zur Erhöhung der Temperatur TF des Teilchenfilters 22 erläutert. 20 zeigt einen Motor, der zur Durchführung dieses Verfahrens geeignet ist. Unter Bezugnahme auf 20 ist bei diesem Motor ein Abgassteuerventil 73, das durch einen Aktuator 72 angetrieben wird, in der Abgasleitung 71 stromabwärts des Teilchenfilters 22 angeordnet.
Wenn in diesem Verfahren die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 erhöht werden soll, wird das Abgassteuerventil 73 im Wesentlichen vollständig geschlossen. Um eine Verringerung des vom Motor ausgegebenen Drehmoments aufgrund des vollständigen Schließens des Abgassteuerventils 73 zu verhindern, wird die Einspritzmenge des Hauptkraftstoffs Qm erhöht. Wenn das Abgassteuerventil 73 im Wesentlichen vollständig geschlossen ist, steigt der Druck im Abgaskanal stromaufwärts des Abgassteuerventils 73, das heißt, der Gegendruck, an. Wenn der Gegendruck ansteigt, wird der Druck des Abgases, wenn Abgas aus dem Inneren der Verbrennungskammer 5 ins Innere der Abgasleitung 10 ausgestoßen wird, nicht so stark abfallen. Daher fällt die Temperatur nicht länger so stark ab. Da ferner zu diesem Zeitpunkt die Einspritzmenge an Hauptkraftstoff Qm erhöht ist, wird die Temperatur des bereits verbrannten Gases in der Verbrennungskammer 5 hoch. Daher wird die Temperatur des in die Auslassöffnung 10 ausgestoßenen Abgases beträchtlich hoch. Als ein Ergebnis kann erreicht werden, dass die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 schnell ansteigt.
In diesem Fall ist es möglich, den Öffnungsgrad des Abgassteuerventils 73 zu erhöhen und die Einspritzmenge des Hauptkraftstoffs Qm zu verringern, um so die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 zu verringern.
Als Nächstes wird noch ein weiteres Verfahren zur Erhöhung der Temperatur TF des Teilchenfilters 22 erläutert. 21 zeigt einen Motor, der zur Durchführung dieses Verfahrens geeignet ist. Unter Bezugnahme auf 21 ist in diesem Motor ein Abblasventil 76, das durch einen Aktuator 75 gesteuert wird, im Abgasumleitkanal 74, welcher die Abgasturbine 21 umgeht, angeordnet. Dieser Aktuator 75 wird normalerweise in Antwort auf den Druck im Inneren des Ausgleichsbehälters 12, das heißt, den Ladedruck, betätigt, und steuert den Öffnungsgrad des Abblasventils 76, so dass der Ladedruck nicht über einen bestimmten Wert steigt.
Wenn in diesem Verfahren die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 erhöht werden soll, wird das Abblasventil 76 vollständig geöffnet. Wenn das Abgas durch die Abgasturbine 21 geleitet wird, fällt die Temperatur ab, wenn jedoch das Abblasventil 76 vollständig geöffnet ist, strömt ein großer Anteil des Abgases durch den Abgasumleitkanal 74, so dass die Temperatur nicht weiter abfällt. Daher steigt die Temperatur des Teilchenfilters 22 an. In diesem Fall ist es möglich, die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 zu verringern durch eine Verringerung des Öffnungsgrads des Abblasventils 76.
Als Nächstes wird das Verfahren zur Verringerung der Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material erläutert. Das heißt, umso ausreichender der eingespritzte Kraftstoff und die Luft vermischt werden, das heißt, umso größer die Menge an Luft um den eingespritzten Kraftstoff herum ist, desto besser wird der eingespritzte Kraftstoff verbrannt, so dass weniger teilchenförmiges Material erzeugt wird. Um daher die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material zu verringern, ist es ausreichend, den eingespritzten Kraftstoff und die Luft ausreichend zu vermischen. Wenn der eingespritzte Kraftstoff und die Luft gut vermischt werden, nimmt jedoch das Ausmaß der Erzeugung von NO_x zu, da die Verbrennung aktiver wird. Mit anderen Worten kann daher das Verfahren zur Verringerung der Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material als ein Verfahren zur Erhöhung des Ausmaßes der Erzeugung von NO_x bezeichnet werden.
Unabhängig davon gibt es zahlreiche Verfahren zur Verringerung der Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material. Diese Verfahren werden daher nacheinander erläutert.
Es ist auch möglich, die oben erwähnte Verbrennung bei niedriger Temperatur als ein Verfahren zur Verringerung der Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material zu verwenden, jedoch kann das Verfahren zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung ebenfalls als ein weiteres wirksames Verfahren erwähnt werden. Wenn zum Beispiel das Ausmaß der Kraftstoffeinspritzung verringert wird, wird ausreichend Luft um den eingespritzten Kraftstoff herum vorhanden sein und wird daher die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material verringert.
Wenn ferner die Kraftstoffeinspritzung erhöht wird, wird ausreichend Kraftstoff um den eingespritzten Kraftstoff herum vorhanden sein und wird daher die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material verringert. Wenn darüber hinaus der Kraftstoffdruck in dem Common Rail 27, das heißt, der Einspritzdruck, erhöht wird, wird der eingespritzte Kraftstoff verteilt, wird somit die Mischung zwischen dem eingespritzten Kraftstoff und der Luft gut und wird daher die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material verringert. Wenn ferner Hilfskraftstoff am Ende des Verdichtungstakts unmittelbar vor dem Einspritzen des Hauptkraftstoffs Qm eingespritzt wird, das heißt, wenn eine so genannte Voreinspritzung durchgeführt wird, wird die Luft um den Kraftstoff Qm herum unzureichend, da der Sauerstoff durch die Verbrennung des Hilfskraftstoffs verbraucht wird. Daher wird in diesem Fall die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material durch Stoppen der Voreinspritzung verringert.
Das heißt, wenn eine Steuerung der Kraftstoffeinspritzung zur Verringerung der Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material durchgeführt wird, wird die Menge an eingespritztem Kraftstoff verringert, wird der Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung verzögert, wird der Einspritzdruck erhöht oder wird die Voreinspritzung gestoppt.
Als Nächstes wird ein weiteres Verfahren zur Verringerung der Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material erläutert. In diesem Verfahren wird, wenn die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material zu reduzieren ist, der Öffnungsgrad des EGR-Steuerventils 25 verringert, um die EGR-Rate zu verringern. Wenn die EGR-Rate abfällt, nimmt die Menge an Luft um den eingespritzten Kraftstoff herum zu und nimmt daher die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material ab.
Als Nächstes wird noch ein weiteres Verfahren zur Verringerung der Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material erläutert. In diesem Verfahren wird, wenn die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material zu verringern ist, der Öffnungsgrad des Abblasventils 76 (21) verringert, um den Ladedruck zu erhöhen. Wenn der Ladedruck erhöht wird, erhöht sich die Menge an Luft um den eingespritzten Kraftstoff herum und verringert sich daher die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material.
Als Nächstes wird ein Verfahren zur Erhöhung der Konzentration an Sauerstoff im Abgas zur Erhöhung der Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material erläutert. Wenn die Konzentration an Sauerstoff im Abgas ansteigt, erhöht sich die Menge an Sauerstoff, die in dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff 61 absorbiert ist, so dass sich die Menge an aktivem Sauerstoff, der von dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff 61 freigesetzt wird, erhöht und daher die Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material erhöht wird.
Als ein Verfahren zur Durchführung dieses Verfahrens kann das Verfahren zur Steuerung der EGR-Rate erwähnt werden. Das heißt, wenn die Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material zu erhöhen ist, wird der Öffnungsgrad des EGR-Steuerventils 25 verringert, so dass die EGR-Rate abfällt. Der Abfall der EGR-Rate bedeutet, dass das Verhältnis der Menge an Ansaugluft in der Ansaugluft zunimmt. Wenn daher die EGR-Rate abfällt, steigt die Konzentration an Sauerstoff im Abgas an. Als Folge davon erhöht sich die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material. Wenn, wie oben erwähnt, die EGR-Rate abfällt, nimmt ferner die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material ab. Wenn die EGR-Rate abfällt, wird daher die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material schnell geringer als die Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material.
Als Nächstes wird das Verfahren der Verwendung von Sekundärluft zur Erhöhung der Konzentration an Sauerstoff im Abgas erläutert. In dem in 22 aufgezeigten Bei spiel ist die Abgasleitung 77 zwischen der Abgasturbine 21 und dem Teilchenfilter 22 über eine Sekundärluftzuführleitung 78 mit dem Ansaugkanal 13 verbunden, während ein Zuführsteuerventil 78 in der Sekundärluftzuführleitung 78 angeordnet ist. In dem in 23 aufgezeigten Beispiel ist ferner die Sekundärluftzuführleitung 78 mit einer motorangetriebenen Luftpumpe 80 verbunden. Es sei angemerkt, dass die Position für die Zufuhr von Sekundärluft in den Abgaskanal an einer beliebigen Stelle zwischen dem Teilchenfilter 22 und der Auslassöffnung 10 liegen kann.
In dem in 22 oder 23 aufgezeigten Motor wird das Zuführsteuerventil 79 geöffnet, wenn die Konzentration an Sauerstoff im Abgas zu erhöhen ist. Zu diesem Zeitpunkt wird Sekundärluft aus der Sekundärluftzuführleitung 78 der Abgasleitung 77 zugeführt. Daher steigt die Konzentration an Sauerstoff im Abgas an.
Wenn nun, wie oben erläutert, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases mager ist, wird das NO_x im Abgas in dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel 61 absorbiert. Es bestehen jedoch Grenzen hinsichtlich der NO_x-Absorptionsfähigkeit des NO_x-Absorptionsmittels 61. Es ist notwendig, die Freisetzung von NO_x aus dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel 61 zu bewirken, bevor die NO_x-Absorptionsfähigkeit des Mittels zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittels 61 gesättigt wird. Es ist daher notwendig, die Menge an in dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel 61 absorbiertem NO_x abzuschätzen. In dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung findet sich NO_x-Absorptionsmenge A pro Zeiteinheit vorab in der Form einer in 24 aufgezeigten Darstellung als eine Funktion des erforderlichen Drehmoments TQ und der Motorgeschwin digkeit M. Durch ein Aufaddieren der NO_x-Absorptionsmenge A pro Zeiteinheit kann die NO_x-Menge ΣNOX, die in dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel 61 absorbiert ist, abgeschätzt werden.
Wenn in dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die NO_x-Absorptionsmenge ΣNOX einen vorbestimmten zulässigen maximalen Wert MAXN übersteigt, wird ferner das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in das Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel 61 strömenden Abgases zeitweise fett gemacht. Dadurch wird bewirkt, dass NO_x von dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel 61 freigesetzt wird.
Das Abgas enthält jedoch SO_x. Das Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel absorbiert nicht nur das NO_x, sondern auch das SO_x. Der Mechanismus der Absorption von SO_x in dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel 61 ist derselbe wie der Mechanismus der Absorption des NO_x.
In der folgenden Erläuterung wird als ein Beispiel den Fall verwendet, bei dem Platin Pt und Kalium K auf dem Träger getragen werden in derselben Weise, wie unter Bezugnahme auf den Mechanismus der Absorption von NO_x erläutert, der oben erläutert wurde. Das heißt, der Sauerstoff O₂ haftet an der Oberfläche des Platins Pt in der Form von O₂ ^– oder O^2–, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases mager ist. Das SO₂ im Abgas reagiert mit dem O₂ ^– oder O^2– auf der Oberfläche des Platins Pt, um SO₃ zu ergeben. Als Nächstes wird ein Teil des erzeugten SO₃ in dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff 61 absorbiert, während es auf dem Platin Pt oxidiert wird, und verteilt sich in dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel 61 in der Form von Sulfationen SO₄ ^2– unter Bindung mit dem Kalium K zur Erzeugung von Kaliumsulfat K₂SO₄.
Dieses Sulfat K₂SO₄ ist jedoch stabil und kaum aufzuspalten. Wie oben erläutert, verbleibt das Sulfat K₂SO₄ wie es ist, ohne aufgespalten zu werden, sogar wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases zur Freisetzung des NO_x aus dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel 61 fett gemacht wird. Daher nimmt das Sulfat K₂SO₄ mit der Zeit in dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel zu. Demgemäß nimmt mit der Zeit die Menge an NO_x ab, die von dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel absorbiert werden kann.
Das Sulfat K₂SO₄ spaltet sich auf, wenn die Temperatur des Mittels zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittels 61 eine bestimmte Temperatur übersteigt, die durch das Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel 61 bestimmt wird, zum Beispiel ungefähr 600°C. Wenn zu diesem Zeitpunkt das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das in das Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel 61 strömt, fett gemacht wird, wird das SO_x von dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel 61 freigesetzt. Die Freisetzung des SO_x aus dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel 61 benötigt jedoch eine beträchtlich lange Zeit als vergleichsweise die Freisetzung von NO_x aus dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel 61.
Daher wird in dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wenn SO_x aus dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel 61 freizusetzen ist, die Temperatur des Mittels zur Freisetzung von akti vem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittels 61 auf ungefähr 600°C erhöht, während der Zustand beibehalten wird, bei dem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mager ist und die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material geringer ist als die Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material, wird dann SO_x von dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel 61 freigesetzt, während abwechselnd das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel 61 zuströmenden Abgases zwischen fett und mager umgeschaltet wird.
In diesem Fall gibt es zahlreiche Verfahren zur Erhöhung der Temperatur TF des Mittels zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittels 61 auf ungefähr 600°C. In dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird, wie in (III) von 13 aufgezeigt, der Hilfskraftstoff Qv eingespritzt und wird der Einspritzzeitpunkt des Hauptkraftstoffs Qm verzögert oder wird, wie in (IV) von 13 aufgezeigt, Hilfskraftstoff Qp nach dem Einspritzen des Hauptkraftstoffs Qm eingespritzt, um die Temperatur TF des Mittels zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittels 61 auf ungefähr 600°C zu erhöhen.
Wenn ferner die Temperatur TF des Mittels zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittels 61 auf ungefähr 600°C erhöht wird, wird der Zustand beibehalten, bei dem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mager ist und die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material geringer als die Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material. Daher wird zu diesem Zeitpunkt, auch wenn das teilchenförmige Material sich auf dem Teilchenfilter 22 abscheidet, das abgeschiedene teilchenförmige Material durch Oxidation entfernt, während die Temperatur TF des Mittels zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittels 61 auf ungefähr 600°C erhöht ist.
Andererseits gibt es zahlreiche Verfahren, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in das Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel 61 strömenden Abgases fett zu machen, um das NO_x oder SO_x aus dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel 61 freizusetzen. Wenn zum Beispiel eine Verbrennung bei niedriger Temperatur durchgeführt wird, ist es möglich, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in das Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel 61 strömenden Abgases fett zu machen, indem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis während der Verbrennung bei niedriger Temperatur in der Verbrennungskammer 5 fett gemacht wird.
Wie in (IV) von 13 aufgezeigt, ist es ferner auch möglich, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das in das Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel 61 strömt, fett zu machen durch Einspritzen des Hilfskraftstoffs Qp nach dem Einspritzen des Hauptkraftstoffs Qm und Erhöhen der Menge an Hilfskraftstoff Qp. Wie ferner in 19 aufgezeigt, ist es auch möglich, eine Kohlenwasserstoffzuführvorrichtung 70 anzuordnen, Kohlenwasserstoff aus der Kohlenwasserstoffzuführvorrichtung 70 einzuspritzen und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das in das Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel 61 strömt, durch den Kohlenwasserstoff fett zu machen.
Wenn ferner, wie oben erläutert, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases fett gemacht wird, wird der gesamte aktive Sauerstoff auf einmal von dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel 61 freigesetzt. Dadurch wird das auf dem Teilchenfilter 22 abgeschiedene teilchenförmige Material schnell oxidiert. Jedoch auch danach wird Sauerstoff nicht in dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel 61 absorbiert, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases fortdauernd fett gemacht wird. Ferner ist dabei nahezu kein Sauerstoff in dem Abgas vorhanden. Daher scheidet sich das teilchenförmige Material in Schichten auf dem Teilchenfilter 22 ab, ohne oxidiert zu werden.
Daher wird in dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie oben erläutert, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in das Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel 61 strömenden Abgases abwechselnd zwischen fett und mager umgeschaltet, wenn SO_x freigesetzt wird, welches erforderlich macht, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis über einen längeren Zeitraum fett gemacht wird. Dadurch wird, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases mager wird, das teilchenförmige Material auf dem Teilchenfilter 22 durch Oxidation mittels des aktiven Sauerstoffs im Abgas oder des von dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittels 61 freigesetzten Sauerstoffs entfernt. Daher ist es möglich, zu verhindern, dass sich das teilchenförmige Material in Schichten auf dem Teilchenfilter 22 abscheidet.
25A zeigt den Fall eines abwechselnden Umschaltens des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Abgases zwischen mager und fett durch Steuern der Menge an Kraftstoff, die der Verbrennungskammer 5 zugeführt wird, wenn SO_x von dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel 61 freigesetzt wird. 25B zeigt den Fall eines abwechselnden Umschaltens des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Abgases zwischen mager und fett durch Steuern der Menge an Kohlenwasserstoff, die der Abgasleitung 20 zugeführt wird, wenn SO_x von dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel 61 freigesetzt wird.
Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf 26 das Verarbeitungsprogramm des Setzens des NO_x-Freisetzungsflags, wenn das NO_x von dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel 61 freigesetzt werden soll, und des Setzens des SO_x-Freisetzungsflags, wenn das SO_x von dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel 61 freigesetzt werden soll, erläutert. Es sei angemerkt, dass diese Routine durch Unterbrechung bei jeweils einem bestimmten Zeitintervall durchgeführt wird.
Unter Bezugnahme auf 26 wird zuerst bei Schritt 100 die NO_x-Absorptionsmenge A pro Zeiteinheit aus der in 24 aufgezeigten Darstellung berechnet. Als Nächstes wird bei Schritt 101 A zu der NO_x-Absorptionsmenge ΣNOX addiert. Als Nächstes wird bei Schritt 102 entschieden, ob die NO_x-Absorptionsmenge ΣNOX den zulässigen maximalen Wert MAXN überschritten hat. Wenn ΣNOX > MAXN, fährt die Routine mit Schritt 103 fort, wobei das NO_x-Freisetzungsflag gesetzt wird, welches aufzeigt, dass das NO_x freizusetzen ist. Als Nächstes fährt die Routine mit Schritt 104 fort.
Im Schritt 104 wird das Produkt k Q der Konstante k mit der Einspritzmenge Q zu ΣSOX addiert. Der Kraftstoff enthält eine bestimmte Menge an Schwefel S. Daher kann die Menge an in dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel 61 absorbierten SO_x durch k Q ausgedrückt werden. Daher drückt die ΣSOX, die erhalten wird durch allmähliches Addieren von k Q, die abgeschätzte Menge an SO_x aus, die in dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel 61 absorbiert ist. Im Schritt 105 wird entschieden, ob die SO_x-Menge ΣSOX über dem zulässigen maximalen MAXS liegt. Wenn ΣSOX > MAXS, fährt die Routine mit Schritt 106 fort, wo das SO_x-Freisetzungsflag gesetzt wird.
Als Nächstes wird die Steuerung des Betriebs erläutert, wobei auf 27 und 28 Bezug genommen wird.
Unter Bezugnahme auf 27 und 28 wird zuerst im Schritt 200 entschieden, ob das SO_x-Freisetzungsflag gesetzt ist. Wenn das SO_x-Freisetzungsflag nicht gesetzt ist, fährt die Routine mit Schritt 201 fort, wo entschieden wird, ob die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 geringer als der untere Grenzwert der Temperatur T_min des Bereichs der gleichzeitigen Behandlung von teilchenförmigem Material und NO_x, der durch die Schraffur in 11 aufgezeigt ist, zum Beispiel 250°C, ist. Wenn TF < T_min fährt die Routine mit Schritt 202 fort, wo eines der Verfahren zur Erhöhung der Temperatur TF des Teilchenfilters 22 durchgeführt wird. Als Nächstes fährt die Routine mit Schritt 207 fort.
Wenn andererseits im Schritt 201 entschieden wird, dass TF ≥ T_min fährt die Routine mit Schritt 203 fort, wo entschieden wird, ob die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 höher als der obere Grenzwert der Temperatur T_max des Bereichs der gleichzeitigen Behandlung von teilchenförmigem Material und NO_x, der durch die Schraffur in 11 aufgezeigt ist, zum Beispiel 500°C, ist. wenn TF > T_max, fährt die Routine mit Schritt 204 fort, wo eines der Verfahren zur Verringerung der Temperatur TF des Teilchenfilters 22 durchgeführt wird. Als Nächstes fährt die Routine mit Schritt 207 fort.
Wenn andererseits im Schritt 203 entschieden wird, dass TF ≤ T_max, fährt die Routine mit Schritt 205 fort, wo entschieden wird, ob die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material größer ist als die Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material. Wenn M > G, fährt die Routine mit Schritt 206 fort, wo eines der Verfahren zur Verringerung der Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material oder eines der Verfahren zur Erhöhung der Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material durchgeführt wird. Als Nächstes fährt die Routine mit Schritt 207 fort.
Wenn andererseits im Schritt 205 entschieden wird, dass M ≤ G, fährt die Routine mit Schritt 207 fort. Im Schritt 207 wird entschieden, ob das NO_x-Flag gesetzt worden ist. Wenn das NO_x-Freisetzungsflag gesetzt worden ist, fährt die Routine mit Schritt 208 fort, wo der Öffnungsgrad des Drosselventils 17 gesteuert wird, und dann mit Schritt 209, wo der Öffnungsgrad des EGR-Steuerventils 25 gesteuert wird. Als Nächstes wird im Schritt 210 die Kraftstoffeinspritzung gesteuert.
Wenn demgegenüber im Schritt 207 entschieden wird, dass das NO_x-Freisetzungsflag nicht gesetzt worden ist, fährt die Routine mit Schritt 211 fort, wo der Öffnungsgrad des Drosselventils 17 gesteuert wird. Als Nächstes wird im Schritt 212 der Öffnungsgrad des EGR-Steuerventils 25 gesteuert. Als Nächstes wird im Schritt 213 eines der Verfahren durchgeführt, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases zeitweise fett zu machen, um das NO_x freizusetzen, und wird das NO_x-Freisetzungsflag rückgesetzt.
Wenn andererseits im Schritt 200 entschieden wird, dass das SO_x-Freisetzungsflag gesetzt worden ist, fährt die Routine mit Schritt 214 fort, wo entschieden wird, ob die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 höher als die Temperatur liegt, bei der SO_x freigesetzt werden kann, zum Beispiel 600°C. Wenn TF ≤ 600°C, fährt die Routine mit Schritt 215 fort, wo der Öffnungsgrad des Drosselventils 17 gesteuert wird, und dann mit Schritt 216, wo der Öffnungsgrad des EGR-Steuerventils 25 gesteuert wird.
Als Nächstes wird im Schritt 217 entschieden, ob die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material größer ist als die Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material. Wenn M > G, fährt die Routine mit Schritt 218 fort, wo eines der Verfahren zur Verringerung der Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material oder eines der Verfahren zur Erhöhung der Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material durchgeführt wird. Als Nächstes wird im Schritt 219 eines der Verfahren zur Erhöhung der Temperatur TF des Teilchenfilters 22 auf ungefähr 600°C durchgeführt.
Wenn andererseits im Schritt 214 entschieden wird, dass TF > 600°C, fährt die Routine mit Schritt 220 fort, wo der Öffnungsgrad des Drosselventils 17 gesteuert wird, und dann mit Schritt 221, wo der Öffnungsgrad des EGR-Steuerventils 25 gesteuert wird. Als Nächstes wird im Schritt 222 durch abwechselndes Umschalten des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Abgases zwischen fett und mager die Freisetzung von SO_x gesteuert, um das SO_x aus dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel 61 freizusetzen.
Als Nächstes wird im Schritt 223 die SO_x-Freisetzungsmenge ΔSO_x von der SO_x-Menge ΣSOX abgezogen. Diese SO_x-Freisetzungsmenge ΔSO_x kann ein bestimmter Wert sein oder kann gemäß dem Betriebszustand des Motors geändert werden. Als Nächstes wird im Schritt 224 entschieden, ob die SO_x-Menge ΣSOX negativ geworden ist. Wenn ΣSOX < 0, fährt die Routine mit Schritt 225 fort, wo das NO_x-Frei setzungsflag und das SO_x-Freisetzungsflag rückgesetzt werden.
Im Allgemeinen wird jedoch in einer Brennkraftmaschine zum Zeitpunkt eines Motorbetriebs bei geringer Last die Temperatur des Abgases gering sein. Daher ist es manchmal schwierig, die Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material größer als die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material zu machen. Wenn eine Verbrennung bei niedriger Temperatur durchgeführt wird, wie oben erwähnt, ist jedoch die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material extrem gering. Da ferner die Temperatur des Abgases hoch ist, wird die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 hoch. Daher ist es auch während eines Motorbetriebs unter geringer Last möglich, auf einfache Weise die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material gegenüber der Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material zu erhöhen. Daher kann festgestellt werden, dass eine Verbrennung bei niedriger Temperatur äußerst geeignet für die Abgasreinigungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist.
Wie jedoch oben erläutert, wird diese Verbrennung bei niedriger Temperatur lediglich in dem unteren Abschnitt des in 16 aufgezeigten Arbeitsbereichs I durchgeführt und wird nicht auf Seite des Arbeitsbereichs II mit hoher Last durchgeführt. Sogar wenn eine Verbrennung bei niedriger Temperatur durchgeführt wird, wird daher die Verbrennung bei niedriger Temperatur nur dann durchgeführt, wenn der Betriebszustand des Motors in dem Arbeitsbereich I aus 16 liegt. Wenn der Betriebszustand des Motors die Grenze X(N) überschreitet und sich auf den Arbeitsbereich II verschiebt, wird eine Verbrennung bei niedriger Temperatur auf eine normale Verbrennung umgeschaltet. Das heißt, eine Verbrennung bei niedriger Temperatur wird im Arbeitsbereich I durchgeführt, während eine normale Verbrennung im Arbeitsbereich II durchgeführt wird.
29 zeigt eine weitere Ausführungsform des Gehäuses 23, welches den Teilchenfilter 22 enthält. Es sei angemerkt, dass in 29 Komponenten, die ähnlich zu den in 1 gezeigten sind, mit denselben Bezugsziffern bezeichnet werden.
In dieser Ausführungsform ist ein Teilchenfilter 22 mit demselben Aufbau wie der in 3B gezeigte Teilchenfilter in einem Zustand angeordnet, der gegenüber dem Teilchenfilter in 3B um 90 Grad gedreht ist. Es wird erreicht, dass das Abgas selektiv in beide Richtungen im Teilchenfilter 22 zirkuliert.
Ferner ist in dieser Ausführungsform, wie in 29 aufgezeigt, eine Umschaltventileinrichtung 92 in dem Abgaskanal angeordnet, der sich innerhalb des Gehäuses 23 erstreckt. In dieser Ausführungsform umfasst die Umschaltventileinrichtung 92 ein Abgasumschaltventil. Dieses Abgasumschaltventil wird durch den Abgasumschaltventilantrieb 93 angetrieben. Ferner erstreckt sich in dieser Ausführungsform ein erster Kanal 90 bis zu einer der Abgasausström- und -einströmstirnflächen des Teilchenfilters 22, erstreckt sich ein zweiter Kanal 91 bis zu der anderen der Abgasausström- und -einströmstirnflächen des Teilchenfilters 22 und zweigt von der Umschaltventileinrichtung 92 ein Abgasumleitkanal ab, der eine Verbindung nach Außen ist, das heißt, der Abgaskanal 81. Die Strömungsrichtung des Abgases kann umgeschaltet werden mittels der Umschaltventileinrichtung 92 zwischen einer ersten Richtung, die durch den ersten Kanal 90, den Teilchenfilter 22 und den zweiten Kanal 91 in Richtung des Abgasumleitkanals 81 verläuft, das heißt, die Vorwärtsströmungsrichtung, einer zweiten Richtung, die durch den zweiten Kanal 91, den Teilchenfilter 22 und den ersten Kanal 90 in Richtung des Abgasumleitkanals 81 verläuft, das heißt, die Rückwärtsströmungsrichtung, und einer dritten Richtung, die nicht durch den Teilchenfilter 22 verläuft, sondern direkt in Richtung des Abgasumleitkanals 81.
Wenn man das Abgas in der Vorwärtsströmungsrichtung durch den Teilchenfilter 22 strömen lässt, strömt das Abgas in die Abgaszirkulationskanäle 50 in 3B, geht dann durch die Zwischenwände 54 hindurch und strömt in die Abgaszirkulationskanäle 51 aus. Wenn das Abgas in der Rückwärtsströmungsrichtung durch den Teilchenfilter 22 strömt, strömt das Abgas in die Abgaszirkulationskanäle 51 in 3B, geht dann durch die Zwischenwände 54 hindurch und strömt in die Abgaszirkulationskanäle 50 aus.
30 ist eine vergrößerte Ansicht einer Zwischenwand 54 eines Teilchenfilters 22, wie er in 3B aufgezeigt ist. In 30 bezeichnet eine Bezugsziffer 94 einen Abgaskanal, der sich im Inneren der Zwischenwand 54 erstreckt, bezeichnet 95 ein Substrat des Teilchenfilters, bezeichnet 96 ein Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel, das auf der Oberfläche der Zwischenwand 54 des Teilchenfilters getragen wird, und bezeichnet 97 ein Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel, das im Inneren der Zwischenwand 54 des Teilchenfilters getragen wird.
Die 31A und 31B sind vergrößerte Ansichten des Teilchenfilters 22, der in 29 aufgezeigt ist. Im Speziellen ist 31A eine vergrößerte Draufsicht eines Teilchenfilters, während 31B eine vergrößerte Seitenansicht eines Teilchenfilters ist. 32A bis 32C sind Ansichten der Beziehung zwischen der Schaltstellung des Abgasumschaltventils 92 und dem Strom des Abga ses. Im Speziellen ist 32A eine Ansicht, bei der das Abgasumschaltventil 92 sich in der Vorwärtsströmungsstellung befindet, ist 32B eine Ansicht, bei der das Abgasumschaltventil 92 sich in der Rückwärtsströmungsstellung befindet, und ist 32C eine Ansicht, bei der das Abgasumschaltventil 92 sich in der Umgehungsstellung befindet. Wenn sich das Abgasumschaltventil 92 in der Vorwärtsströmungsstellung befindet, wie in 32A aufgezeigt, durchläuft das Abgas das Abgasumschaltventil 92 und strömt in das Gehäuse 23 ein, durchläuft zuerst den ersten Kanal 90, durchläuft dann den Teilchenfilter 22 und durchläuft schließlich den zweiten Kanal 91 und durchläuft erneut das Abgasumschaltventil 92 und wird in die Abgasleitung 81 ausgeleitet. Wenn das Abgasumschaltventil 92 sich in der Rückwärtsströmungsstellung befindet, wie in 32B aufgezeigt, durchläuft das Abgas das Abgasumschaltventil 92 und strömt in das Gehäuse 23 ein, durchläuft zuerst den zweiten Kanal 91, durchläuft dann den Teilchenfilter 22 in einer zu dem in 32A aufgezeigten Fall umgekehrten Richtung und durchläuft schließlich den ersten Kanal 90 und durchläuft erneut das Abgasumschaltventil 92 und wird in die Abgasleitung 81 ausgeleitet. Wenn das Abgasumschaltventil 92 sich in der Umgehungsstellung befindet, wie in 32C aufgezeigt, werden der Druck im ersten Kanal 90 und der Druck im zweiten Kanal 91 gleich, so dass das Abgas, welches das Abgasumschaltventil 92 erreicht, das Abgasumschaltventil 92 durchläuft und wie es ist in die Abgasleitung 81 ausströmt, ohne in den ersten Kanal 90 oder den zweiten Kanal 91 zu strömen. Das Abgasumschaltventil 92 wird zu bestimmten Zeitpunkten, zum Beispiel bei jedem Beschleunigungsvorgang des Motors, umgeschaltet.
Die 33A und 33B zeigen den Zustand auf, wenn sich das teilchenförmige Material in den Zwischenwänden 54 des Teilchenfilters 22 entsprechend der Schaltstellung des Abgasumschaltventils 92 bewegt. Im Speziellen ist 33A eine vergrößerte Schnittansicht einer Zwischenwand 54 des Teilchenfilters 22, wenn das Abgasumschaltventil 92 sich in der Vorwärtsströmungsstellung (32A) befindet, während 33B eine vergrößerte Schnittansicht der Zwischenwand 54 des Teilchenfilters 22 ist, wenn das Abgasumschaltventil 92 von der Vorwärtszuführstellung zu der Rückwärtszuführstellung (32B) umgeschaltet ist. Wie in 33A aufgezeigt, wird, wenn das Abgasumschaltventil 92 in die Vorwärtszuführstellung gebracht ist und das Abgas von der Oberseite zur Unterseite strömt, das teilchenförmige Material 98, das im Abgaskanal 95 in der Zwischenwand 54 vorhanden ist, auf das Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel 97 im Inneren der Zwischenwand 54 gedrückt und scheidet sich allmählich dort ab. Daher wird das teilchenförmige Material 98, das nicht in direkten Kontakt mit dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel 97 kommt, nicht in ausreichendem Maße oxidiert. Als Nächstes wird, wie in 33B aufgezeigt, wenn das Abgasumschaltventil 92 von der Vorwärtszuführstellung zu der Rückwärtszuführstellung geschaltet wird und das Abgas von der Unterseite zur Oberseite strömt, das teilchenförmige Material 98, das im Inneren des Abgaskanals 94 in der Zwischenwand 54 vorhanden ist, durch den Abgasstrom bewegt. Als Folge davon wird das teilchenförmige Material 98, das nicht in ausreichendem Maße oxidiert wurde, in direkten Kontakt mit dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel 97 gebracht und vollständig oxidiert. Wenn das Abgasumschaltventil 92 sich in der Vorwärtszuführrichtung (3A) befindet, wird sich darüber hinaus ein Teil des abgeschiedenen teilchenförmigen Materials auf dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel 96, das auf der Oberfläche der Zwischenwand 54 des Teilchenfilters vorhanden ist, von dem Mittel zur Frei setzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel 96 auf der Oberfläche der Zwischenwand 54 des Teilchenfilters 22 loslösen, indem das Abgasumschaltventil 92 von der Vorwärtszuführstellung zu der Rückwärtszuführstellung (33B) geschaltet wird. Das Ausmaß des Loslösens des teilchenförmigen Materials wird umso größer, desto höher die Temperatur des Teilchenfilters 22 ist, und wird umso größer, desto größer die Abgasmenge ist. Das Ausmaß des Loslösens des teilchenförmigen Materials nimmt umso mehr zu, desto höher die Temperatur des Teilchenfilters 22 ist, da die Bindungskraft zwischen der SOF, welche als ein Bindemittel fungiert, das die Abscheidung des teilchenförmigen Materials bewirkt, und dem teilchenförmigen Material schwächer wird in dem Maß, wie die Temperatur des Teilchenfilters 22 höher wird.
In dieser Ausführungsform wird das in den Zwischenwänden 54 des Teilchenfilters 22 eingefangene teilchenförmige Material zu einer Seite und der anderen Seite der Zwischenwand 54 des Teilchenfilters 22 verteilt aufgrund des Umschaltens des Abgasumschaltventils 92 von der Vorwärtsströmungsstellung, die in 32A aufgezeigt ist, zu der Rückwärtsströmungsstellung, die in 32B aufgezeigt ist, und des Umschaltens von der Rückwärtsströmungsstellung, die in 32B aufgezeigt ist, zu der Vorwärtsströmungsstellung, die in 32A aufgezeigt ist. Durch ein derartiges Umschalten des Abgasumschaltventils 92 ist es möglich, die Möglichkeit des Abscheidens des teilchenförmigen Materials auf der Zwischenwand 54 des Teilchenfilters 22 zu verringern ohne eine Entfernung durch Oxidation. Es sei angemerkt, dass das in der Zwischenwand 54 des Teilchenfilters 22 eingefangene teilchenförmige Material bevorzugt im Wesentlichen im selben Maße auf einer Seite und der anderen Seite der Zwischenwand 54 des Teilchenfilters 22 verteilt ist.
In der in der 29 aufgezeigten Ausführungsform wird ebenfalls zur Oxidation und Entfernung des teilchenförmigen Materials ohne ein Abscheiden auf dem Teilchenfilter 22 und Absorbieren des NO_x im Abgas für gewöhnlich die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material geringer gehalten als die die Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material und wird die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 innerhalb des Temperaturbereichs gehalten, wo die NO_x-Absorptionsrate des Teilchenfilters 22 mehr als ein bestimmter Wert wird. Das heißt, die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material und die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 werden innerhalb des Bereichs der gleichzeitigen Behandlung von teilchenförmigem Material und NO_x gehalten, welcher durch die Schraffur in 11 dargestellt ist.
Andererseits werden, wie oben erläutert, sogar wenn die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material und die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 im Bereich der gleichzeitigen Behandlung von teilchenförmigem Material und NO_x gehalten werden, manchmal die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material und die Temperatur des Teilchenfilters 22 außerhalb des Bereichs der gleichzeitigen Behandlung von teilchenförmigem Material und NO_x zu liegen kommen. In diesem Fall wird auch in dieser Ausführungsform zumindest eine von der Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material und der Temperatur TF des Teilchenfilters 22 so gesteuert, dass die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material und die Temperatur des Teilchenfilters 22 innerhalb des Bereichs der gleichzeitigen Behandlung von teilchenförmigem Material und NO_x zu liegen kommen. In diesem Fall können die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material, die Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material oder die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 durch die oben unter Bezugnahme auf 13 bis 18 beschriebenen Verfahren gesteuert werden.
Die in 34 bis 39 aufgezeigten Ausführungsformen zeigen Anwendungsfälle der Ausführungsformen, die in 19 bis 23 aufgezeigt sind, auf einen Motor auf, der ein Gehäuse 23 des in 29 gezeigten Aufbaus aufweist.
34 zeigt einen Motor, der geeignet ist für ein Erhöhen der Temperatur TF des Teilchenfilters 22. Unter Bezugnahme auf 34 sind in diesem Motor die Kohlenwasserstoffzuführeinrichtungen 70, 100 und 101 in der Abgasleitung 20, dem ersten Kanal 90 bzw. dem zweiten Kanal 91 angeordnet. Je nach Notwendigkeit werden Kohlenwasserstoffe von den Kohlenwasserstoffzuführeinrichtungen 70, 100 und 101 zugeführt. Wenn die Kohlenwasserstoffe zugeführt werden, werden die Kohlenwasserstoffe durch den überschüssigen Sauerstoff auf dem Teilchenfilter 22 oxidiert. Die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 wird zu diesem Zeitpunkt durch die Wärme der Oxidationsreaktion erhöht. In diesem Fall ist es möglich, die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 zu verringern, indem die Menge der Zufuhr der Kohlenwasserstoffe verringert wird. Es sei angemerkt, dass die Kohlenwasserstoffzuführeinrichtung 70 auch an anderer Stelle zwischen dem Teilchenfilter 22 und der Auslassöffnung 10 angeordnet sein kann. In 34 bezeichnen die Bezugsziffern 102 und 103 Sensoren für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis.
35 zeigt einen Motor, der geeignet ist zum Erhöhen der Temperatur TF des Teilchenfilters 22. Unter Bezugnahme auf 35 ist in diesem Motor ein Abgassteuerventil 73, das von einem Aktuator 72 angetrieben wird, im Inneren der Abgasleitung 81 stromabwärts des Abgasumschaltventils 82 angeordnet. Wenn die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 erhöht wird, ist das Abgassteuerventil 73 im Wesentlichen vollständig geschlossen. Um eine Verringerung des vom Motor abgegebenen Drehmoments aufgrund des Abgassteuerventils 73, das im Wesentlichen vollständig geschlossen ist, zu vermeiden, wird die Einspritzmenge des Hauptkraftstoffs Qm erhöht. Demgegenüber ist es durch Erhöhen des Öffnungsgrads des Abgassteuerventils 73 und Verringern der Einspritzmenge des Hauptkraftstoffs Qm möglich, die Temperatur des Teilchenfilters 22 zu verringern.
36 zeigt einen weiteren Motor, der geeignet ist zum Erhöhen der Temperatur TF des Teilchenfilters 22. Unter Bezugnahme auf 36 ist in diesem Motor ein Abblasventil 76, das durch einen Aktuator 75 gesteuert wird, im Inneren des Abgasumleitkanals 74, der die Abgasturbine 21 umgeht, angeordnet. Dieser Aktuator 75 wird durch den Druck im Inneren des Ausgleichsbehälters 12, das heißt, den Ladedruck, aktiviert und steuert den Öffnungsgrad des Abblasventils 76 so, dass der Ladedruck nicht größer als ein bestimmter Druck wird. Wenn die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 erhöht werden soll, wird das Abblasventil 76 vollständig geöffnet.
Demgegenüber kann durch Verringern des Öffnungsgrads des Abblasventils 76 die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 verringert werden.
Wenn darüber hinaus in einer anderen Ausführungsform die Temperatur des Abgases geringer ist als der Temperaturbereich, bei dem die NO_x-Absorptionsrate größer als 50 Prozent wird, das heißt, 250°C bis 500°C, und die Möglichkeit besteht, dass die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 geringer wird als der Temperaturbereich, bei dem die NO_x-Absorptionsrate größer als 50 Prozent wird, das heißt, 250°C bis 500°C, leitet man, wie in 32C aufgezeigt, das Abgas um den Teilchenfilter 22 herum. Aufgrund dessen wird die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 in dem Temperaturbereich gehalten, wo die NO_x-Absorptionsrate größer als 50 Prozent wird, das heißt, 250°C bis 500°C. Wenn darüber hinaus die Temperatur des Abgases höher als der Temperaturbereich ist, bei dem die NO_x-Absorptionsrate größer als 50 Prozent wird, das heißt, 250°C bis 500°C, und die Möglichkeit besteht, dass die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 höher wird als der Temperaturbereich, wo die NO_x-Absorptionsrate größer als 50 Prozent wird, das heißt, 250°C bis 500°C, leitet man, wie in 32C aufgezeigt, das Abgas um den Teilchenfilter 22 herum. Demgemäß wird die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 in dem Temperaturbereich gehalten, wo die NO_x-Absorptionsrate größer als 50 Prozent wird, das heißt, 250°C bis 500°C. Dieser Zustand ist beispielsweise ein Betrieb des Motors für eine schnelle Beschleunigung. In diesem Fall kann bestimmt werden, ob der Motor sich in dem Betriebszustand einer schnellen Beschleunigung befindet basierend auf zum Beispiel dem Ausmaß des Durchdrückens des Gaspedals, der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle, der Motorgeschwindigkeit, dem Drehmoment, der Abgastemperatur, der Ansaugluftmenge und dergleichen. Wenn demgegenüber die Temperatur des Abgases in dem Temperaturbereich liegt, wo die NO_x-Absorptionsrate größer als 50 Prozent wird, das heißt, 250°C bis 500°C, und keine Möglichkeit besteht, dass die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 außerhalb des Temperaturbereichs zu liegen kommt, wo die NO_x-Absorptionsrate größer als 50 Prozent wird, das heißt, 250°C bis 500°C, wird das Abgasumschaltventil 92 in der Stellung gehalten, die in 32A oder 32B aufgezeigt ist, und leitet man das Abgas nicht am Teilchenfilter 22 vorbei, so dass die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 in dem Temperaturbereich gehalten wird, wo die NO_x-Absorptionsrate größer als 50 Prozent wird, das heißt, 250°C bis 500°C. Die Temperatur des Abgases kann basierend auf den Betriebszuständen des Motors tatsächlich gemessen oder abgeschätzt werden. Ferner kann sowohl durch Umschalten des Abgasumschaltventils 92 als auch Ändern des Betriebszustands des Motors, wie oben erläutert, die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 in dem Temperaturbereich gehalten werden, bei dem die NO_x-Absorptionsrate größer als 50 Prozent wird, das heißt, 250°C bis 500°C.
Wenn ferner die Temperatur des Abgases geringer als der Temperaturbereich ist, bei dem die NO_x-Absorptionsrate größer als 50 Prozent wird, das heißt, 250°C bis 500°C, und die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 geringer als der Temperaturbereich, wo die NO_x-Absorptionsrate größer als 50 Prozent wird, das heißt, 250°C bis 500°C, wie oben erwähnt, wird der Betriebszustand des Motors wie oben erläutert geändert, um die Temperatur des Abgases zu erhöhen, wird das Abgasumschaltventil 92 auf die Vorwärtsströmungsstellung (32A) oder die Rückwärtsströmungsstellung (32B) geschaltet, um zu bewirken, dass das Abgas, dessen Temperatur erhöht wurde, in den Teilchenfilter 22 strömt, wird dann das Abgasumschaltventil 92 auf die Umgehungsstellung (32C) geschaltet, um das Abgas, dessen Temperatur erhöht wurde, in dem Teilchenfilter 22 einzuschließen, und wird die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 auf den Temperaturbereich erhöht, wo die NO_x-Absorptionsrate größer als 50 Prozent wird, das heißt, 250°C bis 500°C. In diesem Fall ist es möglich, jegliche Änderung der Temperatur TF des Teilchenfilters 22 mittels eines Temperatursensors 39 zu erfassen und die Verteilung der Temperatur im Teilchenfilter 22 abzuschätzen und die Strömungsrichtung des Abgases zu dem Teilchenfilter 22 und die Kohlenwasserstoffzuführeinrichtung 100, 101, die für eine Zufuhr von Kohlenwasserstoff zu verwenden ist, basierend darauf zu wählen.
In dieser Ausführungsform werden Kühlrippen oder andere Kühleinrichtungen (nicht aufgezeigt) in dem zweiten Kanal 91 (29) bereitgestellt. Wenn in dieser Ausführungsform die Temperatur des Abgases in dem Temperaturbereich liegt, wo die NO_x-Absorptionsrate größer als 50 Prozent wird, das heißt, 250°C bis 500°C, und keine Möglichkeit vorhanden ist, dass die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 außerhalb des Temperaturbereichs zu liegen kommt, wo die NO_x-Absorptionsrate größer als 50 Prozent wird, das heißt, 250°C bis 500°C, indem das Abgas in den ersten Kanal 90 ohne eine Kühlvorrichtung geleitet wird, wird die Temperatur des Abgases, das in den Teilchenfilter 22 strömt, in dem Temperaturbereich gehalten, wo die NO_x-Absorptionsrate größer als 50 Prozent wird, das heißt, 250°C bis 500°C, und wird die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 in dem Temperaturbereich gehalten, wo die NO_x-Absorptionsrate größer als 50 Prozent wird, das heißt, 250°C bis 500°C. Wenn demgegenüber die Temperatur des Abgases höher als der Temperaturbereich ist, wo die NO_x-Absorptionsrate größer als 50 Prozent wird, das heißt, 250°C bis 500°C, und eine Möglichkeit besteht, dass die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 höher wird als der Temperaturbereich, wo die NO_x-Absorptionsrate größer als 50 Prozent wird, das heißt, 250°C bis 500°C, indem das Abgas in den zweiten Kanal mit der Kühlvorrichtung geleitet wird, wird die Temperatur des Abgases, das in den Teilchenfilter 22 strömt, in dem Temperaturbereich gehalten, wo die NO_x-Absorptionsrate größer als 50 Prozent wird, das heißt, 250°C bis 500°C, und wird die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 in dem Temperaturbereich gehalten, wo die NO_x-Absorptionsrate größer als 50 Prozent wird, das heißt, 250°C bis 500°C.
37 zeigt noch eine weitere Ausführungsform. In dieser Ausführungsform wird anstelle des Bereitstellens einer Kühlvorrichtung in dem zweiten Kanal 91, wie in obiger Ausführungsform, die Länge des Abgaskanals des zweiten Kanals 91 länger gemacht als die Länge des Abgaskanals des ersten Kanals 90. Wenn in dieser Ausführungsform das Abgas in dem Temperaturbereich liegt, wo die NO_x-Absorptionsrate größer als 50 Prozent wird, das heißt, 250°C bis 500°C, und keine Möglichkeit besteht, dass die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 außerhalb des Temperaturbereichs zu liegen kommt, wo die NO_x-Absorptionsrate größer als 50 Prozent wird, das heißt, 250°C bis 500°C, wird durch Leiten des Abgases in den ersten Kanal 90 von kurzer Länge des Abgaskanals die Temperatur des Abgases, das in den Teilchenfilter 22 strömt, in dem Temperaturbereich gehalten, wo die NO_x-Absorptionsrate größer als 50 Prozent wird, das heißt, 250°C bis 500°C, und wird die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 in dem Temperaturbereich gehalten, wo die NO_x-Absorptionsrate größer als 50 Prozent wird, das heißt, 250°C bis 500°C. Wenn demgegenüber die Temperatur des Abgases höher als der Temperaturbereich ist, wo die NO_x-Absorptionsrate größer als 50 Prozent wird, das heißt, 250°C bis 500°C, und eine Möglichkeit besteht, dass die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 größer wird als der Temperaturbereich, wo die NO_x-Absorptionsrate größer als 50 Prozent wird, das heißt, 250°C bis 500°C, wird durch Leiten des Abgases in den zweiten Kanal mit dem langen Abgaskanal die Temperatur des Abgases, das in den Teilchenfilter 22 strömt, in dem Temperaturbereich gehalten, wo die NO_x-Absorptionsrate größer als 50 Prozent wird, das heißt, 250°C bis 500°C, und wird die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 in dem Temperaturbereich gehalten, wo die NO_x-Absorptionsrate größer als 50 Prozent wird, das heißt, 250°C bis 500°C.
Wenn in dieser Ausführungsform ferner die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 in dem Temperaturbereich liegt, wo die NO_x-Absorptionsrate größer als 50 Prozent wird, das heißt, 250°C bis 500°C, und eine Möglichkeit besteht, dass die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 geringer wird als der Temperaturbereich, wo die NO_x-Absorptionsrate größer als 50 Prozent wird, das heißt, 250°C bis 500°C, wenn das Abgas zum Zeitpunkt des Aussetzens der Zufuhr an Kraftstoff in den Teilchenfilter 22 strömt, wird das Abgasumschaltventil 92 auf die Umgehungsstellung (32C) geschaltet und leitet man das Abgas am Teilchenfilter 22 vorbei, wodurch die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 in dem Temperaturbereich gehalten wird, wo die NO_x-Absorptionsrate größer als 50 Prozent wird, das heißt, 250°C bis 500°C. Es sei angemerkt, dass zu diesem Zeitpunkt, da die Zufuhr an Kraftstoff gestoppt ist, das NO_x nicht nach außerhalb des Fahrzeugs ausgeleitet wird, sogar wenn das Abgas am Teilchenfilter 22 vorbeigeleitet wird. Wenn in dieser Ausführungsform die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 höher als der Temperaturbereich ist, wo die NO_x-Absorptionsrate größer als 50 Prozent wird, das heißt, 250°C bis 500°C, und die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 verringert werden muss, wird das Abgasumschaltventil 92 auf die Vorwärtszuführstellung (32A) oder die Rückwärtsströmungsstellung (32B) geschaltet und lässt man das Abgas mit relativ niedriger Temperatur zum Zeitpunkt des Aussetzens der Zufuhr an Kraftstoff in den Teilchenfilter 22 strömen, so dass die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 in dem Temperaturbereich gehalten wird, wo die NO_x-Absorptionsrate größer als 50 Prozent wird, das heißt, 250°C bis 500°C. Als einen Fall zur Verhinderung, dass das Abgas am Teilchenfilter 22 auf diese Weise vorbeigeleitet wird, gibt es nicht nur den Fall des Aussetzens der Zufuhr des Kraftstoffs, wo die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 tatsächlich höher wird als der Temperaturbe reich, wo die NO_x-Absorptionsrate größer als 50 Prozent wird, das heißt, 250°C bis 500°C, sondern auch den Fall des Vorbeileitens des Abgases, wobei die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 schließlich höher wird als der Temperaturbereich, wo die NO_x-Absorptionsrate größer als 50 Prozent wird, das heißt, 250°C bis 500°C.
Wenn, wie oben erläutert, andererseits die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material und die Temperatur TF des Teilchenfilters 22 außerhalb des Bereichs der gleichzeitigen Behandlung von teilchenförmigem Material und NO_x zu liegen kommen, ist es möglich, entweder die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material zu verringern oder die Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material zu erhöhen, um so die Menge M an ausgestoßenem teilchenförmigem Material und die Temperatur des Teilchenfilters 22 innerhalb des Bereichs der gleichzeitigen Behandlung von teilchenförmigem Material und NO_x zurückzubringen. In diesem Fall ist es als das Verfahren zur Verringerung der Menge an ausgestoßenem teilchenförmigem Material möglich, die früher beschriebenen zahlreichen Verfahren zu verwenden. Ferner ist es als das Verfahren zur Erhöhung der Konzentration an Sauerstoff im Abgas, um so die Menge G an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material zu erhöhen, gleichermaßen möglich, die früher erläuterten zahlreichen Verfahren zu verwenden.
Wie oben erläutert, ist es darüber hinaus möglich, Sekundärluft zur Erhöhung der Konzentration an Sauerstoff im Abgas zu verwenden. In dem in 38 aufgezeigten Beispiel ist die Abgasleitung 77 zwischen der Abgasturbine 21 und dem Teilchenfilter 22 mit dem Ansaugkanal 14 über eine Sekundärluftzuführleitung 78 verbunden und ist das Zuführsteuerventil 79 in der Sekundärluftzuführleitung 78 angeordnet. In dem in 39 aufgezeigten Bei spiel ist darüber hinaus die Sekundärluftzuführleitung 78 mit einer motorbetriebenen Luftpumpe 80 verbunden. Es sei angemerkt, dass die Position der Zufuhr der Sekundärluft zu dem Abgaskanal an einer beliebigen Stelle zwischen dem Teilchenfilter 22 und der Auslassöffnung 10 angeordnet sein kann. In dem in 38 oder 39 gezeigten Motor wird das Zuführsteuerventil 79 geöffnet, wenn die Konzentration an Sauerstoff im Abgas erhöht werden soll. Zu diesem Zeitpunkt wird Sekundärluft von der Sekundärluftzuführleitung 78 der Abgasleitung 77 zugeführt und wird dadurch die Konzentration an Sauerstoff im Abgas erhöht.
Es sei angemerkt, dass die vorliegende Erfindung auch auf eine Abgasreinigungsvorrichtung angewendet werden kann, die so ausgestaltet ist, dass ein Oxidationskatalysator im Abgaskanal stromaufwärts des Teilchenfilters angeordnet ist, das NO im Abgas durch diesen Oxidationskatalysator zu NO₂ umgewandelt wird, bewirkt wird, dass NO₂ und das auf dem Teilchenfilter abgeschiedene teilchenförmige Material reagieren, und dieses NO₂ zur Oxidation des teilchenförmigen Materials verwendet wird.
Wie oben erläutert, ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, das teilchenförmige Material im Abgas auf dem Teilchenfilter kontinuierlich zu oxidieren und zu entfernen, während gleichermaßen das NO_x im Abgas entfernt wird.
Während die Erfindung zum Zweck der Veranschaulichung unter Bezug auf eine spezifische Ausführungsform beschrieben wurde, sollte es offensichtlich sein, dass zahlreiche Modifikationen durch den Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet durchgeführt werden könnten, ohne von dem grundlegenden Konzept und dem Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

Eine Abgasreinigungsvorrichtung eines Motors mit einer Verbrennungskammer, welche einen Abgaskanal und einen in dem Abgaskanal angeordneten Teilchenfilter zur Entfernung von teilchenförmigem Material in dem aus der Verbrennungskammer ausströmenden Abgas umfasst, wobei der Teilchenfilter ein Teilchenfilter ist mit einer Funktion zum Entfernen, durch Oxidation, von teilchenförmigem Material im Abgas ohne einem Ausstoßen einer leuchtenden Flamme, wenn eine Menge an ausgestoßenem teilchenförmigem Material, das aus der Verbrennungskammer pro Zeiteinheit ausgestoßen wird, geringer ist als eine Menge an teilchenförmigem Material, die durch Oxidation pro Zeiteinheit entfernbar ist ohne einem Ausstoßen einer leuchtenden Flamme auf dem Teilchenfilter, und zum Absorbieren von NO_x im Abgas, wenn ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das in den Teilchenfilter strömt, mager ist, und zum Freisetzen des absorbierten NO_x, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das in den Teilchenfilter strömt, das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder fett wird, welche ferner eine Steuereinrichtung umfasst zur Steuerung von zumindest einem von einer Menge an ausgestoßenem teilchenförmigem Material, einer Menge an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material und einer Temperatur des Teilchenfilters, so dass die Menge an ausgestoßenem teilchenförmigem Material und die Temperatur des Teilchenfilters innerhalb eines Bereichs der gleichzeitigen Behandlung von teilchenförmigem Material und NO_x zu liegen kommen, in einem Temperaturbereich, bei dem die Menge an ausgestoßenem teilchenförmigem Material geringer wird als die Menge an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material und eine NO_x-Absorptionsrate stets größer wird als ein bestimmter Wert, wenn mindestens eines der Menge an ausgestoßenem teilchenförmigem Material und der Temperatur des Teilchenfilters außerhalb des Bereichs der gleichzeitigen Behandlung von teilchenförmigem Material und NO_x zu liegen kommt.
Eine Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der auf dem Teilchenfilter ein Edelmetallkatalysator getragen ist.
Eine Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 2, bei der ein Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff, welches Sauerstoff absorbiert und den Sauerstoff hält, wenn ein Überschuss an Sauerstoff in der Umgebung vorhanden ist, und den gehaltenen Sauerstoff in der Form von aktivem Sauerstoff freisetzt, wenn die Konzentration an Sauerstoff in der Umgebung abfällt, auf dem Teilchenfilter getragen ist und bei der aktiver Sauerstoff von dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff freigesetzt wird und das auf dem Teilchenfilter anhaftende teilchenförmige Material durch den freigesetzten aktiven Sauerstoff oxidiert wird, wenn das teilchenförmige Material auf dem Teilchenfilter anhaftet.
Eine Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 2, bei der ein NO_x-Absorptionsmittel zum Absorbieren des NO_x im Abgas, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Teilchenfilter strömenden Abgases mager ist, und zum Freisetzen des absorbierten NO_x, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Teilchenfilter strömenden Abgases das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder fett wird, auf dem Teilchenfilter getragen ist, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Teilchenfilter strömenden Abgases für gewöhnlich mager gehalten wird, so dass das NO_x im Abgas in dem NO_x-Absorptionsmittel absorbiert wird, und eine Steuereinrichtung für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zur Verfügung gestellt wird, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Teilchenfilter strömenden Abgases zeitweise fett zu machen, wenn NO_x von dem NO_x-Absorptionsmittel freigesetzt werden soll.
Eine Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 2, bei der ein Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel mit der Funktion eines Mittels zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff, welches Sauerstoff absorbiert und den Sauerstoff hält, wenn ein Überschuss an Sauerstoff in der Umgebung vorhanden ist, und den gehaltenen Sauerstoff in der Form von aktivem Sauerstoff freisetzt, wenn die Konzentration an Sauerstoff in der Umgebung abfällt, und der Funktion eines NO_x-Absorptionsmittels, welches das NO_x in dem Abgas absorbiert, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das in den Teilchenfilter strömt, mager ist, und das absorbierte NO_x freisetzt, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das in den Teilchenfilter strömt, das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder fett wird, auf dem Teilchenfilter geladen ist; das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das in den Teilchenfilter strömt, für gewöhnlich mager gehalten wird, so dass das auf dem Teilchenfilter anhaftende teilchenförmige Material oxidiert wird und das NO_x im Abgas in dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel absorbiert wird, und eine Steuereinrichtung für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zur Verfügung gestellt wird, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das in den Teilchenfilter strömt, zeitweise fett zu machen, wenn NO_x von dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel freigesetzt werden soll.
Eine Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 5, bei der das Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauer stoff/NO_x-Absorptionsmittel mindestens eines von einem Alkalimetall, einem Erdalkalimetall, einem Seltenerdelement und einem Übergangsmetall umfasst.
Eine Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 6, bei der das Alkalimetall und Erdalkalimetall Metalle umfassen, die eine höhere Neigung hinsichtlich einer Ionisation aufweisen als Calcium.
Eine Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 6, welche ferner eine Temperaturerhöhungseinrichtung umfasst zum Erhöhen der Temperatur des Teilchenfilters auf eine SO_x-Freisetzungstemperatur, während das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das in den Teilchenfilter strömt, mager gehalten wird, wenn SO_x von dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel freigesetzt werden soll.
Eine Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 8, bei der die Temperaturerhöhungseinrichtung die Temperatur des Teilchenfilters erhöht, indem eine Verzögerung des Einspritzzeitpunkts des Hauptkraftstoffs bewirkt wird oder ein Einspritzen von Hilfskraftstoff zusätzlich zu dem Hauptkraftstoff bewirkt wird.
Eine Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 5, bei der eine Einrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses wechselweise das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das in den Teilchenfilter strömt, zwischen mager und fett umschaltet, wenn die Freisetzung von SO_x aus dem Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel bewirkt wird.
Eine Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der ein mittleres Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Verbrennungskammer fett gemacht wird oder Kraftstoff in den Abgaskanal eingespritzt wird, wenn das Luft- Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das in den Teilchenfilter strömt, fett gemacht wird.
Eine Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 11, bei der der Motor ein Motor ist, bei dem die Menge der Rußerzeugung allmählich zunimmt und einen Höhepunkt erreicht, wenn eine Menge an Inertgas in der Verbrennungskammer zunimmt, und bei dem nahezu kein Ruß mehr erzeugt wird, wenn die Menge an Inertgas in der Verbrennungskammer weiter zunimmt, und bei der das mittlere Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Verbrennungskammer fett gemacht wird, wenn die Menge an Inertgas in der Verbrennungskammer größer ist als die Menge an Inertgas, bei der die Menge der Rußerzeugung einen Höhepunkt erreicht, und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das in den Teilchenfilter strömt, fett gemacht werden soll.
Eine Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der eine Menge an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material eine Funktion der Temperatur des Teilchenfilters ist.
Eine Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 13, bei der die Menge an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material eine Funktion von zumindest einer der Konzentration an Sauerstoff und der Konzentration an NO_x in dem Abgas zusätzlich zu der Temperatur des Teilchenfilters ist.
Eine Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Steuereinrichtung die Temperatur des Teilchenfilters steuert, indem zumindest eines von einer Menge der Kraftstoffeinspritzung und einem Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung gesteuert wird.
Eine Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Motor ein Motor ist, bei dem eine Menge einer Rußerzeugung allmählich zunimmt und einen Höhepunkt erreicht, wenn eine Menge einer Abgasrückführung ansteigt, und bei dem nahezu kein Ruß mehr erzeugt wird, wenn die Menge der Abgasrückführung weiter ansteigt, und bei der die Steuereinrichtung die Temperatur des Teilchenfilters steuert durch Steuern der Menge der Abgasrückführung.
Eine Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der eine Kohlenwasserstoffzuführeinrichtung in dem Abgaskanal stromaufwärts des Teilchenfilters angeordnet ist und bei der die Temperatur des Teilchenfilters gesteuert wird durch Steuern der Menge an Kohlenwasserstoff, die von der Kohlenwasserstoffzuführeinrichtung in den Abgaskanal eingespeist wird.
Eine Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der ein Abgassteuerventil in dem Abgaskanal stromabwärts des Teilchenfilters angeordnet ist und bei der der Öffnungsgrad des Abgassteuerventils gesteuert wird, um die Temperatur des Teilchenfilters zu steuern.
Eine Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, welche ferner einen Abgasturbolader umfasst, der mit einem Abblasventil zur Steuerung einer Menge an Abgas, die im Bypass zu einer Abgasturbine geführt wird, zur Verfügung gestellt wird, und bei der der Öffnungsgrad des Abblasventils gesteuert wird, um die Temperatur des Teilchenfilters zu steuern.
Eine Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Steuereinrichtung die Menge an ausgestoßenem teilchenförmigem Material verringert, wenn die Menge an ausgestoßenem teilchenförmigem Material gesteuert werden soll, wenn zumindest eines der Menge an ausgestoßenem teilchenförmigem Material und der Temperatur des Teilchenfilters außerhalb des Bereichs der gleichzeitigen Behandlung von teilchenförmigem Material und NO_x liegt.
Eine Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 20, bei der die Steuereinrichtung die Menge an ausgestoßenem teilchenförmigem Material verringert durch Steuern von zumindest einem von einer Kraftstoffeinspritzmenge, einem Kraftstoffeinspritzzeitpunkt, einem Kraftstoffeinspritzdruck und einer Einspritzung von Hilfskraftstoff.
Eine Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 20, bei der eine Vorverdichtungseinrichtung zum Vorverdichten einer Ansaugluft zur Verfügung gestellt wird und bei der die Steuereinrichtung die Menge an ausgestoßenem teilchenförmigem Material durch Erhöhen des Vordichtungsdrucks verringert.
Eine Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 20, bei der eine Abgasrückführeinrichtung zum Rückführen von Abgas in einen Ansaugkanal zur Verfügung gestellt wird und bei der die Steuereinrichtung die Menge an ausgestoßenem teilchenförmigem Material verringert durch eine Verringerung einer Abgasrückführrate.
Eine Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Steuereinrichtung eine Konzentration an Sauerstoff in dem Abgas steuert, um so die Menge an durch Oxidation entfernbarem teilchenförmigem Material zu steuern.
Eine Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 24, bei der eine Abgasrückführeinrichtung zum Rückführen von Abgas in einen Ansaugkanal zur Verfügung gestellt wird und bei der die Steuereinrichtung die Abgasrückführrate steuert, um die Konzentration an Sauerstoff im Abgas zu steuern.
Eine Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 24, bei der eine Sekundärluftzuführeinrichtung zur Verfügung gestellt wird zum Zuführen von Sekundärluft in den Abgaskanal stromaufwärts des Teilchenfilters und bei der die Steuereinrichtung Sekundärluft in den Abgaskanal stromaufwärts des Teilchenfilters einleitet, um die Konzentration an Sauerstoff im Abgas zu steuern.
Eine Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Motor ein Motor ist, bei dem eine Menge der Rußbildung allmählich ansteigt und einen Höhepunkt erreicht, wenn eine Menge an Inertgas in der Verbrennungskammer ansteigt, und bei dem nahezu kein Ruß mehr erzeugt wird, wenn die Menge an Inertgas in der Verbrennungskammer weiter ansteigt, und bei der eine erste Verbrennung, bei der die Menge an Inertgas in der Verbrennungskammer größer ist als die Menge an Inertgas, bei der die Menge der Rußbildung einen Höhepunkt erreicht, und eine zweite Verbrennung, bei der die Menge an Inertgas in der Verbrennungskammer geringer ist als die Menge an Inertgas, bei der die Menge der Rußbildung einen Höhepunkt erreicht, selektiv ausgeführt werden.
Eine Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 27, bei der eine Abgasrückführeinrichtung zur Verfügung gestellt wird zum Rückführen von Abgas, das aus der Verbrennungskammer ausgestoßen wird, durch einen Motoransaugkanal, wobei das Inertgas ein Abgasrückführgas umfasst, die Abgasrückführrate mindestens ungefähr 55 Prozent beträgt, wenn eine erste Verbrennung durchgeführt wird, und die Abgasrückführrate nicht mehr als ungefähr 50 Prozent beträgt, wenn eine zweite Verbrennung durchgeführt wird.
Eine Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 27, bei der ein Betriebsbereich des Motors unterteilt wird in einen ersten Betriebsbereich auf der Seite einer ge ringen Last und einen zweiten Betriebsbereich auf der Seite einer hohen Last, eine erste Verbrennung durchgeführt wird in dem ersten Betriebsbereich und eine zweite Verbrennung durchgeführt wird in dem zweiten Betriebsbereich.
Eine Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der ferner eine Strömungsrichtungsumschalteinrichtung zur Verfügung gestellt wird, die in der Lage ist, eine Strömungsrichtung des Abgases, das durch den Teilchenfilter strömt, abwechselnd zwischen einer ersten Richtung und einer zweiten Richtung, die der ersten Richtung entgegengesetzt ist, umzuschalten.
Eine Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 30, bei der die Strömungsrichtungsumschalteinrichtung die Strömungsrichtung des Abgases, das durch den Teilchenfilter strömt, abwechselnd mittels einer vorbestimmten Zeiteinstellung zwischen der ersten Richtung und der zweiten Richtung umschaltet.
Eine Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 31, bei der die Strömungsrichtungsumschalteinrichtung eine Umschaltventileinrichtung, die in dem Abgaskanal angeordnet ist, umfasst, wobei der Teilchenfilter an seinen beiden Enden mit Abgasausström- und -einströmenden zur Verfügung gestellt ist; wobei eine erste Leitung, die sich bis zu einem der Abgasausström- und -einströmenden des Teilchenfilters erstreckt, eine zweite Leitung, die sich von dem Teilchenfilter bis zu dem anderen der Abgasausström- und -einströmenden erstreckt, und ein Abgasumleitkanal, der mit der Außenluft in Verbindung steht, von der Umschaltventileinrichtung abzweigen; und wobei die Umschaltventileinrichtung die Strömungsrichtung des Abgases zwischen einer ersten Richtung, die durch die erste Leitung, den Teilchenfilter und die zweite Leitung in Richtung des Abgasumleitkanals führt, einer zweiten Richtung, die durch die zweite Leitung, den Teilchenfilter und die erste Leitung in Richtung des Abgasumleitkanals führt, und einer dritten Richtung, die nicht durch den Teilchenfilter, sondern direkt in Richtung des Abgasumleitkanals führt, umschalten kann.
Eine Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 32, bei der die Umschaltventileinrichtung die Strömungsrichtung des Abgases zu einer der ersten Richtung oder zweiten Richtung, welche durch den Teilchenfilter führen, und der dritten Richtung, bei der das Abgas nicht durch den Teilchenfilter geführt wird, umschaltet, so dass die Temperatur des Teilchenfilters in einen Temperaturbereich kommt, bei dem die NO_x-Absorptionsrate größer wird als ein bestimmter Wert.
Eine Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 33, bei der die Umschaltventileinrichtung die Strömungsrichtung des Abgases zu der dritten Richtung umschaltet, wenn die Temperatur des Teilchenfilters außerhalb des Temperaturbereichs liegt, bei dem die NO_x-Absorptionsrate größer wird als ein bestimmter Wert.
Eine Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 32, bei der die erste Leitung und die zweite Leitung so ausgebildet sind, dass die Temperatur des Abgases, das von der zweiten Leitung zu dem Teilchenfilter strömt, geringer wird als die Temperatur des Abgases, das von der ersten Leitung zu dem Teilchenfilter strömt, und bei der die Umschaltventileinrichtung die Strömungsrichtung des Abgases auf eine der ersten Richtung oder zweiten Richtung umschaltet, so dass die Temperatur des Teilchenfilters in einem Temperaturbereich liegt, bei dem die NO_x-Absorptionsrate größer als ein bestimmter wert wird.
Eine Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 32, bei der die Umschaltventileinrichtung die Strömungsrichtung des Abgases zu der dritten Richtung umschaltet, wenn die Temperatur des Teilchenfilters geringer werden kann als der Temperaturbereich, bei dem die NO_x-Absorptionsrate größer wird als ein bestimmter Wert, wenn die Zufuhr an Kraftstoff gestoppt wird, und die Strömungsrichtung des Abgases zur ersten Richtung oder zweiten Richtung macht, wenn die Temperatur des Teilchenfilters höher ist als der Temperaturbereich, bei dem die NO_x-Absorptionsrate größer wird als ein bestimmter Wert, wenn die Zufuhr des Kraftstoffs gestoppt wird.
Eine Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 30, bei der ein Mittel zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff/NO_x-Absorptionsmittel mit der Funktion eines Mittels zur Freisetzung von aktivem Sauerstoff, welches Sauerstoff absorbiert und den Sauerstoff hält, wenn ein Überschuss an Sauerstoff in der Umgebung vorhanden ist, und den gehaltenen Sauerstoff in der Form von aktivem Sauerstoff freisetzt, wenn die Konzentration an Sauerstoff in der Umgebung abfällt, und der Funktion eines NO_x-Absorptionsmittels, welches das NO_x in dem Abgas absorbiert, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das in den Teilchenfilter strömt, mager ist, und das absorbierte NO_x freisetzt, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das in den Teilchenfilter strömt, das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder fett wird, im Inneren des Teilchenfilters getragen ist und bei der das in dem Teilchenfilter eingefangene teilchenförmige Material durch die Strömungsrichtung des Abgases, welche durch die Strömungsrichtungsumschalteinrichtung zu der ersten Richtung oder der zweiten Richtung umgeschaltet wird, bewegt wird.