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ES2250433T3 - Dispositivo de control de la emision de escape de un motor de combustion interna. - Google Patents

Dispositivo de control de la emision de escape de un motor de combustion interna.

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Publication number
ES2250433T3
ES2250433T3 ES01951977T ES01951977T ES2250433T3 ES 2250433 T3 ES2250433 T3 ES 2250433T3 ES 01951977 T ES01951977 T ES 01951977T ES 01951977 T ES01951977 T ES 01951977T ES 2250433 T3 ES2250433 T3 ES 2250433T3
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ES
Spain
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particles
exhaust gas
fuel
filter
exhaust
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
ES01951977T
Other languages
English (en)
Inventor
Shinya C/O Toyota Jidosha K.K. Hirota
Toshiaki C/O Toyota Jidosha K.K. Tanaka
Kazuhiro C/O TOYOTA JIDOSHA K.K. ITOH
Takamitsu C/O TOYOTA JIDOSHA K.K. ASANUMA
Koichiro C/O TOYOTA JIDOSHA K.K. NAKATANI
Koichi C/O TOYOTA JIDOSHA K.K. KIMURA
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Application granted granted Critical
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Abstract

Dispositivo para purificar el gas de escape de un motor (1) de combustión interna que comprende un filtro (70) de partículas en el que se oxidan partículas (62, 63) atrapadas y un medio (74) de inversión, para invertir el lado aguas arriba del gas de escape y el lado aguas abajo del gas de escape de dicho filtro (70) de partículas, en el que dicho filtro (70) de partículas tiene una pared (54) de atrapamiento para atrapar las partículas (62, 63), dicha pared (54) de atrapamiento tiene una primera superficie de atrapamiento y una segunda superficie de atrapamiento, dicho medio (74) de inversión invierte el lado aguas arriba del gas de escape y el lado aguas abajo del gas de escape de dicho filtro (70) de partículas, de modo que dicha primera superficie de atrapamiento y dicha segunda superficie de atrapamiento se utilizan alternativamente para atrapar las partículas (62, 63), dicho filtro (70) de partículas tiene una primera parte (70a) de abertura y una segunda parte (70b) de abertura a través de las cuales fluye el gas de escape dentro y fuera dicho filtro (70) de partículas y está dispuesto en el tubo de escape aguas arriba del silenciador, y al menos parte de la parte circunferencial de dicho filtro (70) de partículas entre dicha primera parte (70a) de abertura y dicha segunda parte (70b) de abertura está en contacto con el flujo del gas de escape en dicho tubo de escape.

Description

Dispositivo de control de la emisión de escape de un motor de combustión interna.
Campo técnico
La presente invención se refiere a un dispositivo para purificar el gas de escape de un motor de combustión interna.
Antecedentes de la técnica
El gas de escape de un motor de combustión interna y, particularmente, de un motor diesel, contiene partículas que comprenden carbón como componente principal. Las partículas son materiales perjudiciales y, por tanto, se ha sugerido que debe disponerse un filtro de partículas en el sistema de escape para atrapar las partículas antes de que se emitan a la atmósfera. En tal filtro de partículas, las partículas atrapadas deben quemarse y eliminarse para evitar que aumente la resistencia del gas de escape debido al bloqueo de las mallas.
En tal regeneración del filtro de partículas, si la temperatura de las partículas llega a ser de aproximadamente 600 grados C, se inflaman y arden. Sin embargo, normalmente, la temperatura del gas de escape de un motor diesel es considerablemente inferior a 600 grados C y, por tanto, se requiere un medio de calentamiento para calentar el propio filtro de partículas.
La publicación de patente japonesa examinada número 7-106290 da a conocer que, si se soporta sobre el filtro uno de los metales del grupo del platino y uno de los óxidos de los metales alcalinotérreos, las partículas sobre el filtro se queman y se eliminan sucesivamente a aproximadamente 400 grados C. 400 grados C es una temperatura habitual del gas de escape de un motor diesel.
Sin embargo, cuando se utiliza el filtro mencionado anteriormente, la temperatura del gas de escape no es siempre de aproximadamente 400 grados C. Además, puede descargarse una gran cantidad de partículas del motor diesel de según la condición de funcionamiento del motor. Por tanto, las partículas que no pueden quemarse y eliminarse cada vez pueden depositarse sobre el filtro.
En este filtro, si se deposita una cierta cantidad de partículas sobre el filtro, disminuye tanto la capacidad para quemar y eliminar las partículas que el filtro no puede regenerarse por sí mismo. Por tanto, si simplemente se dispone un filtro de este tipo en el sistema de escape, puede producirse el bloqueo de las mallas del filtro de manera relativamente rápida.
Descripción de la invención
Por tanto, un objeto de la presente invención es proporcionar un dispositivo para purificar el gas de escape de un motor de combustión interna, que puede oxidar y eliminar las partículas atrapadas en el filtro de partículas, y que puede evitar el bloqueo de las mallas del filtro de partículas.
Según la presente invención, se proporciona un dispositivo para purificar el gas de escape de un motor de combustión interna que comprende un filtro de partículas en el que se oxidan y eliminan las partículas atrapadas y un medio de inversión, para invertir el lado aguas arriba del gas de escape y el lado aguas abajo del gas de escape del filtro de partículas, en el que el filtro de partículas tiene una pared de atrapamiento para atrapar las partículas, la pared de atrapamiento tiene una primera superficie de atrapamiento y una segunda superficie de atrapamiento, el medio de inversión invierte el lado aguas arriba del gas de escape y el lado aguas abajo del gas de escape del filtro de partículas, de modo que la primera superficie de atrapamiento y la segunda superficie de atrapamiento se utilizan alternativamente para atrapar el partículas, el filtro de partículas tiene una primera parte de abertura y una segunda parte de abertura a través de las cuales fluye el gas de escape dentro y fuera del filtro de partículas, el filtro de partículas se dispone en el tubo de escape y al menos parte de la parte circunferencial del filtro de partículas entre la primera parte de abertura y la segunda parte de abertura está en contacto con el flujo del gas de escape en el tubo de escape.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 es una vista esquemática en sección vertical de un motor diesel con un dispositivo para purificar el gas de escape según la presente invención;
la figura 2 es una vista en sección vertical a escala ampliada de la cámara de combustión de la figura 1;
la figura 3 es una vista desde abajo de la culata de la figura 1;
la figura 4 es una vista en sección lateral de la cámara de combustión;
la figura 5 es una vista que muestra la relación entre las cantidades de levantamiento de la válvula de admisión y la válvula de escape y la inyección de combustible;
la figura 6 es una vista que muestra las cantidades de humo producido, NO_{x}, y similares;
la figura 7(A) es una vista que muestra el cambio en la presión de combustión cuando la cantidad de humo producido es la mayor próxima a una relación aire-combustible de 21;
la figura 7(B) es una vista que muestra el cambio en la presión de combustión cuando la cantidad de humo producido es sustancialmente cero próxima a una relación aire-combustible de 18;
la figura 8 es una vista que muestra las moléculas de combustible;
la figura 9 es una vista que muestra la relación entre la cantidad de humo producido y la velocidad de recirculación del gas de escape (EGR - Exhaust Gas Recirculation);
la figura 10 es una vista que muestra la relación entre la cantidad de combustible inyectado y la cantidad de gas mezclado;
la figura 11 es una vista que muestra la primera región (I) de funcionamiento y la segunda región (II) de funcionamiento;
la figura 12 es una vista que muestra la salida del detector de la relación aire-combustible;
la figura 13 es una vista que muestra el grado de apertura de la válvula de mariposa y similares;
la figura 14 es una vista que muestra la relación aire-combustible en la primera región (I) de funcionamiento;
la figura 15(A) es una vista que muestra el grado de apertura objetivo de la válvula de mariposa;
la figura 15(B) es una vista que muestra el grado de apertura objetivo de la válvula de control de la EGR;
la figura 16 es una vista que muestra la relación aire-combustible en la segunda región (II) de funcionamiento;
la figura 17(A) es una vista que muestra el grado de apertura objetivo de la válvula de mariposa;
la figura 17(B) es una vista que muestra el grado de apertura objetivo de la válvula de control de la EGR;
la figura 18 es una vista en sección en planta que muestra el dispositivo para purificar el gas de escape de un motor de combustión interna según la presente invención;
la figura 19 es una vista en sección en P-P de la figura 18;
la figura 20(A) es una vista frontal que muestra la estructura del filtro de partículas;
la figura 20(B) es una vista en sección lateral que muestra la estructura del filtro de partículas;
las figuras 21(A) y 21(B) son vistas que explican la acción de oxidación de las partículas;
la figura 22 es una vista que muestra la relación entre la cantidad de partículas que pueden oxidarse y eliminarse y la temperatura del filtro de partículas;
las figuras 23(A), 23(B) y 23(C) son vistas que explican la acción de deposición de las partículas;
la figura 24 es un primer diagrama de flujo para evitar la deposición de las partículas sobre el filtro de partículas;
las figuras 25(A) y 25(B) son vistas en sección a escala ampliada de la pared de separación de filtro de partículas con las partículas residuales;
la figura 26 es un segundo diagrama de flujo para evitar la deposición de las partículas sobre el filtro de partículas;
la figura 27 es un tercer diagrama de flujo para evitar la deposición de las partículas sobre el filtro de partículas; y
la figura 28 es una vista en sección en planta que muestra una modificación del dispositivo para purificar el gas de escape de un motor de combustión interna de la figura 18.
Mejor modo de realizar la invención
La figura 1 es una vista esquemática en sección vertical de un motor diesel de cuatro tiempos con un dispositivo para purificar el gas de escape según la presente invención. La figura 2 es una vista en sección vertical a escala ampliada de una cámara de combustión de la figura 1. La figura 3 es una vista desde abajo de una culata del motor diesel de la figura 1. Haciendo referencia a las figuras 1 - 3, el número 1 de referencia designa un cuerpo de motor, el número 2 de referencia designa un bloque de cilindros, el número 3 de referencia designa una culata, el número 4 de referencia designa un pistón, el número 5a de referencia designa una cavidad formada sobre la superficie superior del pistón 4, el número 5 de referencia designa una cámara de combustión formada en la cavidad 5a, el número 6 de referencia designa un inyector de combustible controlado eléctricamente, el número 7 de referencia designa un par de válvulas de admisión, el número 8 de referencia designa un orificio de admisión, el número 9 de referencia designa un par de válvulas de escape y el número 10 de referencia designa un orificio de escape. El orificio 8 de admisión está conectado a un depósito 12 de compensación a través de un tubo 11 de admisión correspondiente. El depósito 12 de compensación está conectado a un depurador 14 de aire través de un conducto 13 de admisión. Una válvula 16 de mariposa accionada por un motor 15 eléctrico está dispuesta en el conducto 13 de admisión. Por otra parte, el orificio 10 de escape está conectado a un colector 17 de escape.
Tal como se muestra en la figura 1, un detector 21 de la relación aire-combustible está dispuesto en el colector 17 de escape. El colector 17 de escape y el depósito 12 de compensación están conectados entre sí a través de un conducto 22 de EGR. Una válvula 23 de control de la EGR controlada eléctricamente está dispuesta en el conducto 22 de EGR. Un refrigerador 24 de EGR está dispuesto alrededor del conducto 22 de EGR para refrigerar el gas de EGR que fluye en el conducto 22 de EGR. En la realización de la figura 1, el agua de refrigeración del motor se conduce al interior del refrigerador 24 de EGR y, por tanto, el gas de EGR se refrigera mediante el agua de refrigeración del
motor.
Por otra parte, cada inyector 6 de combustible está conectado al depósito de combustible, es decir, un raíl 26 común a través de un tubo 25 de alimentación de combustible. El combustible se introduce en el raíl 26 común desde una bomba 27 de combustible de descarga variable, controlada eléctricamente. El combustible introducido en el raíl 26 común se alimenta a los inyectores 6 de combustible a través de cada tubo 25 de alimentación de combustible. El raíl 26 común tiene sujeto al mismo un detector 28 de presión del combustible para detectar la presión del combustible en el raíl 26 común. La cantidad de descarga de la bomba 27 de combustible se controla en función de la señal de salida del detector 28 de presión del combustible para que la presión del combustible en el raíl 26 común se convierta en la presión objetivo del combustible.
El número 30 de referencia designa una unidad electrónica de control. Las señales de salida del detector 21 de aire-combustible y el detector 28 de presión del combustible se introducen en la misma. Un detector 41 de carga del motor está conectado al pedal 40 acelerador, que genera una tensión de salida proporcional a la cantidad (L) de depresión del pedal 40 acelerador. La tensión de salida del detector 41 de carga del motor se introduce también en la unidad 30 electrónica de control. Adicionalmente, la señal de salida de un detector 42 del ángulo del cigüeñal para generar un impulso de salida cada vez que el cigüeñal gira, por ejemplo, 30 grados también se introduce en la misma. Por tanto, la unidad 30 electrónica de control acciona el inyector 6 de combustible, el motor 15 electrónico, la válvula 23 de control de la EGR y la bomba 27 de combustible, basándose en las señales de entrada.
Tal como se muestra en las figuras 2 y 3, en la realización de la presente invención, el inyector 6 de combustible se compone de una tobera que tiene seis orificios de tobera. Se inyectan chorros (F) de combustible desde los orificios de tobera en una dirección ligeramente hacia abajo frente a un plano horizontal con intervalos angulares iguales. Tal como se muestra en la figura 3, se dispersan dos chorros (F) de combustible de los seis chorros (F) de combustible a lo largo de la superficie inferior de cada válvula 9 de escape. Las figuras 2 y 3 muestran el caso en el que se inyecta combustible al final de la carrera de compresión. En este caso, los chorros (F) de combustible avanzan hacia la superficie de la periferia interna de la cavidad 5 y posteriormente se inflaman y arden.
La figura 4 muestra el caso en el que se inyecta combustible adicional desde el inyector 6 de combustible cuando la cantidad de levantamiento de las válvulas 9 de escape es la máxima en la carrera de escape. Es decir, la figura 5 muestra el caso en el que la inyección del combustible (Qm) principal se lleva a cabo cerca del punto muerto superior de compresión y posteriormente se lleva a cabo la inyección de combustible (Qa) adicional en la fase intermedia de la carrera de escape. En este caso, los chorros (F) de combustible que avanzan hacia las válvulas 9 de escape se dirigen entre la superficie posterior similar a un paraguas de la válvula 9 de escape y el orificio 10 de escape. En otras palabras, dos orificios de tobera, de los seis orificios de tobera del inyector 6 de combustible, se forman de tal manera que cuando se abren las válvulas 9 de escape y se lleva a cabo la inyección del combustible (Qa) adicional, los chorros (F) de combustible se dirigen entre la superficie posterior de la válvula 9 de escape y el orificio 10 de escape. En la realización de la figura 4, estos chorros (F) de combustible inciden en la superficie posterior de la válvula 9 de escape y se reflejan desde la superficie posterior de las válvulas 9 de escape y, por tanto, se dirigen hacia el orificio 10 de escape.
Normalmente, no se lleva a cabo la inyección de combustible (Qa) adicional, y sólo se lleva a cabo la inyección del combustible (Qm) principal. La figura 6 indica un ejemplo del cambio en el par motor de salida y la cantidad de humo, HC, CO y NO_{x} emitidos en ese momento cuando cambia la relación aire-combustible A/C (el eje de abscisas en la figura 6) al cambiar el grado de apertura de la válvula 16 de mariposa y el índice de EGR en el momento de funcionamiento con baja carga del motor. Tal como se entenderá a partir de la figura 6, en este experimento, cuanto menor se vuelve la relación aire-combustible A/C, mayor se vuelve el índice de EGR. Cuando la relación aire-combustible es inferior a la relación aire-combustible estequiométrica (casi igual a 14,6), el índice de EGR se vuelve en superior al 65 por ciento.
Tal como se muestra en la figura 6, si el índice de EGR se aumenta para reducir la relación aire-combustible A/C, cuando el índice de EGR se vuelve próximo al 40 por ciento y la relación aire-combustible A/C se vuelve de aproximadamente 30, la cantidad de humo producido empieza a aumentar. A continuación, cuando se aumenta adicionalmente el índice de EGR y se hace menor la relación aire-combustible A/C, la cantidad de humo producido aumenta bruscamente y alcanza un máximo. Después, cuando se aumenta adicionalmente el índice de EGR y se hace menor la relación aire-combustible A/C, la cantidad de humo producido disminuye bruscamente. Cuando se hace que el índice de EGR sea superior al 65 por ciento y la relación aire-combustible A/C se vuelve próxima a 15,0, la cantidad de humo producido es sustancialmente cero. Es decir, casi no se produce hollín. En este momento, el par motor de salida del motor disminuye algo y la cantidad de NO_{x} producido se vuelve considerablemente inferior. Por otro lado, en este momento, la cantidad de HC y CO producidos comienza a aumentar.
La figura 7(A) muestra el cambio en la presión de combustión en la cámara 5 de combustión cuando la cantidad de humo producido es la mayor próxima a una relación aire-combustible A/C de 21. La figura 7(B) muestra el cambio en la presión de combustión en la cámara 5 de combustión cuando la cantidad de humo producido es sustancialmente cero próxima a una relación aire-combustible A/C de 18. Tal como se entenderá a partir de una comparación de la figura 7(A) y la figura 7(B), la presión de combustión es menor en el caso mostrado en la figura 7(B), en el que la cantidad de humo producido es sustancialmente cero, que en el caso mostrado en la figura 7(A) en el que la cantidad de humo producido es grande.
Puede afirmarse lo siguiente a partir de los resultados del experimento mostrado en las figuras 6 y 7. Es decir, en primer lugar, cuando la relación aire-combustible A/C es inferior a 15,0 y la cantidad de humo producido es sustancialmente cero, la cantidad de NO_{x} producido disminuye considerablemente tal como se muestra en la figura 6. El hecho de que la cantidad de NO_{x} producido disminuya significa que la temperatura de combustión en la cámara 5 de combustión disminuye. Por tanto, puede decirse que cuando casi no se produce hollín, la temperatura de combustión en la cámara 5 de combustión se vuelve inferior. El mismo hecho puede afirmarse a partir de la figura 7. es decir, en el estado mostrado en la figura 7(B) en el que casi no se produce hollín, la presión de combustión se vuelve inferior, por tanto, la temperatura de combustión en la cámara 5 de combustión se vuelve menor en este momen-
to.
En segundo lugar, cuando la cantidad de humo producido, es decir, la cantidad de hollín producido, se vuelve sustancialmente cero, tal como se muestra en la figura 6, las cantidades de HC y CO emitidos aumentan. Esto significa que los hidrocarburos se emiten sin convertirse en hollín. Es decir, los hidrocarburos de cadena lineal y los hidrocarburos aromáticos contenidos en el combustible y mostrados en la figura 8, se descomponen cuando se eleva la temperatura en un estado con insuficiente oxígeno, dando como resultado la formación de un precursor de hollín. A continuación, se produce hollín compuesto principalmente por masas sólidas de átomos de carbono. En este caso, el proceso real de producción de hollín es complicado. No está claro cómo se forma el precursor de hollín, pero en cualquier caso, los hidrocarburos mostrados en la figura 8 se convierten en hollín a través del precursor de hollín. Por tanto, tal como se explicó anteriormente, cuando la cantidad de producción de hollín se vuelve sustancialmente cero, la cantidad de emisión de HC y CO aumenta tal como se muestra en la figura 6, pero los HC en este momento son un precursor de hollín o están en un estado de hidrocarburo anterior a éste.
Resumiendo estas consideraciones basadas en los resultados de los experimentos mostrados en las figuras 6 y 7, cuando la temperatura de combustión en la cámara 5 de combustión es baja, la cantidad de hollín producido se vuelve sustancialmente cero. En este momento, se emite un precursor de hollín o un estado de hidrocarburos anterior a éste desde la cámara 5 de combustión. Se llevaron a cabo experimentos y estudios más detallados. Como resultado, se aprendió que cuando la temperatura del combustible y del gas alrededor del combustible en la cámara 5 de combustión es inferior a una temperatura determinada, el proceso de crecimiento de hollín se detiene a medio camino, es decir, no se produce hollín en absoluto y que cuando la temperatura del combustible y del gas alrededor del combustible en la cámara 5 de combustión se vuelve mayor que la temperatura determinada, se produce hollín.
La temperatura del combustible y del gas alrededor del combustible cuando el proceso de crecimiento de hidrocarburos se detiene en el estado del precursor de hollín, es decir, la temperatura determinada anterior, cambia dependiendo de diversos factores tales como el tipo de combustible, la relación aire-combustible y la relación de compresión, de modo que no puede decirse de qué grado es, pero esta temperatura determinada está profundamente relacionada con la cantidad de producción de NO_{x}. Por tanto, esta temperatura determinada puede definirse hasta cierto punto a partir de la cantidad de producción de NO_{x}. Es decir, cuanto mayor es el índice de EGR, menor se vuelve la temperatura del combustible y del gas alrededor de él en el momento de la combustión, y menor se vuelve la cantidad de NO_{x} producido. En este momento, cuando la cantidad de NO_{x} producido se vuelve de aproximadamente 10 ppm o inferior, casi no se produce más hollín. Por tanto, la anterior temperatura determinada corresponde sustancialmente a la temperatura a la que la cantidad de NO_{x} producido se vuelve de aproximadamente 10 ppm o inferior.
Una vez que se produce hollín, es imposible purificarlo mediante un tratamiento posterior utilizando un catalizador que tiene una función de oxidación. A diferencia de esto, un precursor de hollín o un estado de hidrocarburos anterior a éste pueden purificarse fácilmente mediante un tratamiento posterior utilizando un catalizador que tiene una función de oxidación. Por tanto, es extremadamente eficaz para la purificación del gas de escape que los hidrocarburos se emitan desde la cámara 5 de combustión en la forma de un precursor de hollín o un estado anterior a éste con la reducción de la cantidad de NO_{x} producido.
Ahora, para detener el crecimiento de los hidrocarburos en el estado anterior a la producción de hollín, es necesario mantener la temperatura del combustible y del gas alrededor de él en el momento de la combustión en la cámara 5 de combustión hasta una temperatura inferior a la temperatura a la que se produce el hollín. En este caso, se aprendió que la acción de absorción de calor del gas de alrededor del combustible en el momento de la combustión del combustible tiene un efecto extremadamente grande en el mantenimiento de las temperaturas del combustible y del gas alrededor de él.
Es decir, si sólo existe aire alrededor del combustible, el combustible evaporado reaccionará inmediatamente con el oxígeno del aire y arderá. En este caso, la temperatura del aire lejos del combustible no se eleva tanto. Sólo la temperatura alrededor del combustible se vuelve de manera local extremadamente elevada. Es decir, en este momento, el aire lejos del combustible no absorbe mucho el calor de combustión del combustible, en absoluto. En este caso, puesto que la temperatura de combustión se vuelve extremadamente elevada de manera local, los hidrocarburos sin quemar que reciben el calor de combustión producen hollín.
Por otro lado, cuando existe combustible en un gas mezclado de una gran cantidad de gas inerte y una pequeña cantidad de aire, la situación es algo diferente. En este caso, el combustible evaporado se dispersa en los alrededores y reacciona con el oxígeno mezclado en el gas inerte para quemarlo. En este caso, el calor de combustión se absorbe por el gas inerte que lo rodea, de modo que la temperatura de combustión no aumenta ya tanto. Es decir, la temperatura de combustión puede mantenerse baja. Es decir, la presencia de gas inerte desempeña un papel importante en el mantenimiento de la temperatura de combustión. Es posible mantener la temperatura de combustión baja mediante la acción de absorción de calor del gas inerte.
En este caso, para mantener la temperatura del combustible y del gas alrededor de él en una temperatura inferior a la temperatura a la que se produce hollín, se requiere una cantidad de gas inerte suficiente para absorber una cantidad de calor suficiente para disminuir las temperaturas. Por tanto, si aumenta la cantidad de combustible, aumenta la cantidad de gas inerte requerido con ésta. Obsérvese que, en este caso, cuanto mayor es el calor específico del gas inerte, más fuerte se vuelve la acción de absorción de calor. Por tanto, es preferible un gas con un gran calor específico como el gas inerte. A este respecto, puesto que el CO_{2} y el gas de EGR tienen calores específicos relativamente grandes, puede decirse que se prefiere utilizar gas de EGR como el gas inerte.
La figura 9 muestra la relación entre el índice de EGR y el humo cuando se utiliza el gas de EGR como el gas inerte y se cambia el grado de refrigeración del gas de EGR. Es decir, la curva (A) de la figura 9 muestra el caso de refrigerar intensamente el gas de EGR y mantener la temperatura del gas de EGR en aproximadamente 90 grados C, la curva (B) muestra el caso de refrigeración del gas de EGR mediante un aparato refrigerador compacto y la curva (C) muestra el caso sin refrigeración obligatoria del gas de EGR.
Cuando se refrigera intensamente el gas de EGR tal como se muestra mediante la curva (A) en la figura 9, la cantidad de hollín producido alcanza un máximo cuando el índice de EGR es ligeramente inferior al 50 por ciento. En este caso, si se hace que el índice de EGR sea de aproximadamente el 55 por ciento o superior, casi no se produce ya hollín. Por otro lado, cuando el gas de EGR se refrigera ligeramente tal como se muestra mediante la curva (B) en la figura 9, la cantidad de hollín producido alcanza un máximo cuando el índice de EGR es ligeramente superior al 50 por ciento. En este caso, si se hace que el índice de EGR sea superior a aproximadamente el 65 por ciento, casi no se produce hollín.
Además, cuando el gas de EGR no se refrigera a la fuerza tal como se muestra mediante la curva (C) en la figura 9, la cantidad de hollín producido alcanza un máximo cerca de una índice de EGR del 55 por ciento. En este caso, si se hace que el índice de EGR sea superior a aproximadamente el 70 por ciento, casi no se produce hollín. Obsérvese que la figura 9 muestra la cantidad de humo producido cuando la carga del motor es relativamente elevada. Cuando la carga del motor se vuelve más pequeña, el índice de EGR a la que la cantidad de hollín producido alcanza un máximo disminuye algo, y el límite inferior del índice de EGR, en el que casi no se produce hollín, también disminuye algo. De esta manera, el límite inferior del índice de EGR, en el que casi no se produce hollín, cambia según el grado de enfriamiento del gas de EGR o de la carga del motor.
La figura 10 muestra la cantidad de gas mezclado de gas de EGR y aire, la relación de aire en el gas mezclado y la relación de gas de EGR en el gas mezclado, requeridos para hacer que la temperatura del combustible y del gas alrededor de él, en el momento de la combustión, sea una temperatura inferior a la temperatura a la que se produce hollín en el caso del uso del gas de EGR como el gas inerte. Obsérvese que, en la figura 10, el eje de ordenadas muestra la cantidad total de gas de aspiración admitido en la cámara 5 de combustión. La línea discontinua (Y) muestra la cantidad total de gas de aspiración que puede admitirse en el interior de la cámara 5 de combustión cuando no se está realizando una sobrealimentación. Adicionalmente, el eje de abscisas muestra la carga requerida. (Z1) muestra la región de funcionamiento con baja carga del motor.
Haciendo referencia ahora a la figura 10, la relación de aire, es decir, la cantidad de aire en el gas mezclado muestra la cantidad de aire necesaria para hacer que se queme completamente el combustible inyectado. Es decir, en el caso mostrado en la figura 10, la relación de la cantidad de aire u la cantidad de combustible inyectado se convierte en la relación aire-combustible estequiométrica. Por otro lado, en la figura 10, la relación del gas de EGR, es decir, la cantidad del gas de EGR en el gas mezclado, muestra la cantidad mínima de gas de EGR requerida para hacer la temperatura del combustible y del gas alrededor de él una temperatura inferior a la temperatura a la que el combustible inyectado se ha quemado por completo. Esta cantidad de gas de EGR es, expresada en cuanto al índice de EGR, igual o superior al 55 por ciento, en la realización mostrada en la figura 10, es igual o superior al 70 por ciento. Es decir, si la cantidad total de gas de aspiración admitida en la cámara 5 de combustión se hace que sea la línea continua (X) en la figura 10 y la relación entre la cantidad de aire y la cantidad de gas de EGR en la cantidad total de gas (X) de aspiración se hace que sea la relación mostrada en la figura 10, la temperatura del combustible y del gas alrededor de él se convierte en una temperatura inferior a la temperatura a la que se produce hollín y, por tanto, no se produce hollín en absoluto. Además, la cantidad de NO_{x} producido en este momento es de aproximadamente 10 ppm o menos y, por tanto, la cantidad de NO_{x} producido se vuelve extremadamente pequeña.
Si la cantidad de combustible inyectado aumenta, la cantidad de calor generado en el momento de la combustión aumenta, de modo que se mantenga la temperatura del combustible y del gas alrededor de él a una temperatura inferior a la temperatura a la que se produce hollín, la cantidad de calor absorbido por el gas de EGR debe aumentarse. Por tanto, tal como se muestra en la figura 10, la cantidad de gas de EGR ha de aumentarse con un aumento de la cantidad de combustible inyectado. Es decir, la cantidad de gas de EGR ha de aumentarse según se vuelva mayor la carga del motor requerida.
Por otro lado, en la región (Z2) de carga del motor de la figura 10, la cantidad total de gas (X) de aspiración requerida para inhibir la producción de hollín supera la cantidad total de gas (Y) de aspiración que puede admitir. Por tanto, en este caso, para alimentar la cantidad total de gas (X) de aspiración, requerida para inhibir la producción de hollín, a la cámara 5 de combustión, es necesario sobrealimentar o presurizar tanto el gas de EGR como el aire de admisión o sólo el gas de EGR. Cuando no se sobrealimenta ni presuriza el gas de EGR, etc., en la región (Z2) de carga del motor, la cantidad total de gas (X) de aspiración corresponde a la cantidad total de gas (Y) de aspiración que puede admitir. Por tanto, en este caso, para inhibir la producción de hollín, la cantidad de aire se reduce algo para aumentar la cantidad de gas de EGR y se hace que el combustible se queme en un estado en el que la relación aire combustible es rica.
Tal como se explicó anteriormente, la figura 10 muestra el caso de combustión de combustible a la relación aire-combustible estequiométrica. En la región (Z1) de funcionamiento con baja carga del motor mostrada en la figura 10, incluso si la cantidad de aire se hace inferior a la cantidad de aire mostrada en la figura 10, es decir, incluso si la relación aire-combustible se enriquece, es posible inhibir la producción de hollín y hacer la cantidad de NO_{x} producido de aproximadamente 10 ppm o menos. Adicionalmente, en la región (Z1) de funcionamiento con baja carga del motor mostrada en la figura 10, incluso si la cantidad de aire se hace superior a la cantidad de aire mostrada en la figura 10, es decir, la relación aire-combustible media se empobrece a de 17 a 18, es posible inhibir la producción de hollín y hacer la cantidad de NO_{x} producido de aproximadamente 10 ppm o menos.
Es decir, cuando la relación aire-combustible se enriquece, el combustible se vuelve excesivo, pero puesto que la temperatura de combustión se mantiene a una temperatura baja, el combustible en exceso no se convierte en hollín y por tanto no se produce hollín. Además, en este tiempo sólo se produce una cantidad extremadamente pequeña de NO_{x}. Por otra parte, cuando la relación aire-combustible media es pobre o cuando la relación aire-combustible es la relación aire-combustible estequiométrica, si la temperatura de combustión se vuelve elevada, se produce una pequeña cantidad de hollín, pero la temperatura de combustión se mantiene a una temperatura baja, y, por tanto, no se produce hollín en absoluto. Además sólo se produce una cantidad extremadamente pequeña de NO_{x}.
De esta manera, en la región (Z1) de funcionamiento con baja carga del motor, a pesar de la relación aire-combustible, es decir, ya sea rica la relación aire-combustible o la relación aire-combustible estequiométrica, o ya sea pobre la relación aire-combustible media, no se produce hollín y la cantidad de NO_{x} producido se vuelve extremadamente pequeña. Por tanto, considerando la mejora de la tasa de consumo de combustible, puede decirse que es preferible hacer que la media de la relación aire-combustible sea pobre.
A propósito, sólo cuando la carga del motor es relativamente baja y la cantidad de calor generado es pequeña, puede mantenerse la temperatura del combustible y del gas alrededor del combustible en la combustión por debajo de una temperatura a la que el proceso de crecimiento de hollín se detiene a medio camino. Por tanto, en la realización de la presente invención, cuando la carga de motor es relativamente baja, la temperatura del combustible y del gas alrededor del combustible en la combustión se mantiene por debajo de una temperatura a la que el proceso de crecimiento de hollín se detiene a medio camino y, por tanto, se lleva a cabo una primera combustión, es decir, una combustión a baja temperatura. Cuando la carga del motor es relativamente alta, se lleva a cabo una segunda combustión, es decir, una combustión normal como habitualmente. Aquí, tal como puede entenderse a partir de la explicación anterior, la primera combustión, es decir, la combustión a baja temperatura es una combustión en la que la cantidad de gas inerte en la cámara de combustión es mayor que la peor cantidad de gas inerte que da lugar a la máxima cantidad de hollín producido y, por tanto, no se produce hollín en absoluto. La segunda combustión, es decir, la combustión normal es una combustión en la que la cantidad de gas inerte en la cámara de combustión es menor que la peor cantidad de gas inerte.
La figura 11 muestra una primera región (I) de funcionamiento en la que se lleva a cabo la primera combustión, es decir, la combustión a baja temperatura y una segunda región (II) de funcionamiento en la que se lleva a cabo la segunda combustión, es decir, la combustión normal. En la figura 11, el eje de ordenadas (L) muestra la cantidad de presión sobre el pedal 40 acelerador, es decir, la carga del motor requerida. El eje de abscisas (N) muestra la velocidad del motor. Adicionalmente, en la figura 11, X(N) muestra un primer límite entre la primera región (I) de funcionamiento y la segunda región (II) de funcionamiento. Y(N) muestra un segundo límite entre la primera región (I) de funcionamiento y la segunda región (II) de funcionamiento. La decisión de cambiar de la primera región (I) de funcionamiento a la segunda región (II) de funcionamiento se lleva a cabo basándose en el primer límite X(N). La decisión de cambiar de la segunda región (I) de funcionamiento a la primera región (II) de funcionamiento se lleva a cabo basándose en el segundo límite Y(N).
Es decir, cuando la condición de funcionamiento del motor está en la primera región (I) de funcionamiento y se lleva a cabo la combustión a baja temperatura, si aumenta la carga (L) del motor requerida más allá del primer límite X(N) que es una función de la velocidad (N) del motor, se determina que la región de funcionamiento del motor se desplaza a la segunda región (II) de funcionamiento y, por tanto, se lleva a cabo la combustión normal. Posteriormente, si la carga (L) del motor requerida disminuye por debajo del segundo límite Y(N) que es una función de la velocidad (N) del motor, se determina que la región de funcionamiento del motor se desplaza a la primera región (I) de funcionamiento y, por tanto, se lleva a cabo la combustión a baja temperatura de nuevo.
La figura 12 muestra la salida del detector 21 de la relación aire-combustible. Tal como se muestra en la figura 12, la corriente (I) de salida del detector 21 de la relación aire-combustible cambia de acuerdo con la relación aire-combustible A/C. En consecuencia, la relación aire-combustible puede conocerse a partir de la corriente (I) de salida del detector 21 de la relación aire-combustible. A continuación, haciendo referencia a la figura 13, se explicará esquemáticamente el control de funcionamiento del motor en la primera región (I) de funcionamiento y la segunda región (II) de funcionamiento.
La figura 13 muestra el grado de apertura de la válvula 16 de mariposa, el grado de apertura de la válvula 23 de control de la EGR, el índice de EGR, la relación aire-combustible, el momento de inyección de combustible y la cantidad de combustible inyectado con respecto a la carga (L) del motor requerida. Tal como se muestra en la figura 13, en la primera región (I) de funcionamiento cuando la carga (L) del motor requerida es baja, la válvula 16 de mariposa se abre gradualmente desde cerca del estado completamente cerrado hasta cerca del estado semiabierto con un aumento en la carga (L) del motor requerida, y la válvula 23 de control de la EGR se abre gradualmente desde cerca del estado completamente cerrado hasta el estado completamente abierto con un aumento en la carga (L) del motor requerida. En la realización mostrada en la figura 13, el índice de EGR en la primera región (I) de funcionamiento se hace que sea de aproximadamente el 70 por ciento y la relación aire-combustible en ella se empobrece ligeramente.
En otras palabras, en la primera región (I) de funcionamiento, los grados de apertura de la válvula 16 de mariposa y la válvula 23 de control de la EGR se controlan de tal manera que el índice de EGR se vuelve de aproximadamente el 70 por ciento y la relación aire-combustible se convierte en una relación aire-combustible ligeramente pobre. La relación aire-combustible en este momento se controla con respecto a la relación aire-combustible objetivo para corregir el grado de apertura de la válvula 23 de control de la EGR, basándose en la señal de salida del detector 21 de la relación aire-combustible. En la primera región (I) de funcionamiento, el combustible se inyecta antes del punto TDC muerto superior de compresión. En este caso, el tiempo (\thetaS) de inicio de la inyección de combustible se retrasa con un aumento de la carga (L) del motor requerida y el tiempo (\thetaE) de finalización de la inyección de combustible se retrasa con el retraso del tiempo (\thetaS) de inicio de la inyección de combustible.
Cuando en el modo de funcionamiento en ralentí, la válvula 16 de mariposa se cierra hasta cerca del estado totalmente cerrado. En este momento, la válvula 23 de control de la EGR también se cierra hasta cerca del estado totalmente cerrado. Cuando la válvula 16 de mariposa se cierra hasta cerca del estado totalmente cerrado, la presión en la cámara 5 de combustión en la fase inicial de la carrera de compresión se vuelve baja y, por tanto, la presión de compresión se vuelve baja. Cuando la presión de compresión se vuelve baja, el trabajo de compresión del pistón 4 se vuelve pequeño y así la vibración del cuerpo 1 de motor se vuelve pequeña. Es decir, cuando se está en el modo de funcionamiento en ralentí, la válvula 16 de mariposa se cierra hasta cerca del estado totalmente cerrado para restringir la vibración del cuerpo 1 de motor.
Por otro lado, cuando la región de funcionamiento del motor cambia de la primera región (I) de funcionamiento a la segunda región (II) de funcionamiento, el grado de apertura de la válvula 16 de mariposa aumenta en un incremento desde el estado semiabierto hacia el estado totalmente abierto. En este momento, en la realización mostrada en la figura 13, el índice de EGR disminuye en un incremento desde aproximadamente el 70 por ciento hasta menos del 40 por ciento y la relación aire-combustible aumenta en un incremento. Es decir, el índice de EGR salta más allá del grado del índice de EGR (figura 9) en el que se produce la gran cantidad de humo y, por tanto, no se produce una gran cantidad de humo cuando la región de funcionamiento del motor cambia de la primera región (I) de funcionamiento a la segunda región (II) de funcionamiento.
En la segunda región (II) de funcionamiento, se lleva a cabo la combustión normal, como habitualmente. Esta combustión da lugar a cierta producción de hollín y NO_{x}. sin embargo, la eficacia térmica de la misma es superior a la de la combustión a baja temperatura. Por tanto, cuando la región de funcionamiento del motor cambia de la primera región (I) de funcionamiento a la segunda región (II) de funcionamiento, la cantidad de combustible inyectado disminuye en un incremento tal como se muestra en la figura 13.
En la segunda región (II) de funcionamiento, la válvula 16 de mariposa mantiene en el estado totalmente abierto excepto en una parte de la misma. El grado de apertura de la válvula 23 de control de la EGR disminuye gradualmente con un aumento de la carga (L) del motor requerida. En esta región (II) de funcionamiento, el índice de EGR disminuye con un aumento de la carga (L) del motor requerida y la relación aire-combustible disminuye con un aumento de la carga (L) del motor requerida. Sin embargo, la relación aire-combustible se hace que sea una relación aire-combustible pobre incluso cuando la carga (L) del motor requerida se vuelve elevada. Además, en la segunda región (II) de funcionamiento, el tiempo (\thetaS) de inicio de la inyección de combustible se hace que sea próximo al punto TDC muerto superior de compresión.
La figura 14 muestra la relación aire-combustible A/C en la primera región (I) de funcionamiento. En la figura 14, las curvas indicadas por A/C = 15,5, A/C = 16, A/C = 17 y A/C = 18 muestran, respectivamente, los casos en los que las relaciones aire-combustible son de 15,5, 16, 17 y 18. La relación aire-combustible entre dos de las curvas se define mediante la distribución proporcional. Tal como se muestra en la figura 14, en la primera región (I) de funcionamiento, la relación aire-combustible es pobre y cuanto menor se vuelve la carga (L) del motor requerida, más pobre es la relación aire-combustible.
Es decir, la cantidad de calor generado en la combustión disminuye con una disminución en la carga (L) del motor requerida. Por tanto, incluso cuando el índice de EGR disminuye con una disminución en la carga (L) del motor requerida, puede llevarse a cabo la combustión a baja temperatura. Cuando disminuye el índice de EGR, la relación aire-combustible se vuelve grande. Por tanto, tal como se muestra en la figura 14, la relación aire-combustible A/C aumenta con una disminución de la carga (L) del motor requerida. Cuanto mayor se vuelve la relación aire-combustible, más se mejora el consumo de combustible. En consecuencia, en la presente realización, la relación aire-combustible A/C aumenta con una disminución en la carga (L) del motor requerida, de tal manera que la relación aire-combustible se empobrece tanto como sea posible.
Se memoriza un grado (ST) de apertura objetivo de la válvula 16 de mariposa requerido para hacer que la relación aire-combustible sea la relación aire-combustible objetivo mostrada en la figura 14, en la ROM (memoria de sólo lectura) de la unidad electrónica de control como un mapa en el que es una función de la carga (L) del motor requerida y la velocidad (N) del motor, mostrado en la figura 15(A). Se memoriza un grado (SE) de apertura objetivo de la válvula 23 de control de la EGR requerido para hacer que la relación aire-combustible sea la relación aire-combustible objetivo mostrada en la figura 14, en la ROM de la unidad electrónica de control como un mapa en el que es una función de la carga (L) del motor requerida y la velocidad (N) del motor, mostrado en la figura 15(B).
La figura 16 muestra relaciones aire-combustible objetivo cuando se lleva a cabo la segunda combustión, es decir, la combustión normal como habitualmente. En la figura 16, las curvas indicadas por A/C = 24, A/C = 35, A/C = 45 y A/C = 60 muestran, respectivamente, los casos en los que las relaciones aire-combustible son de 24, 35, 45 y 60. Se memoriza un grado (ST) de apertura objetivo de la válvula 16 de mariposa requerido para hacer que la relación aire-combustible sea la relación aire-combustible objetivo, en la ROM de la unidad electrónica de control como un mapa en el que es una función de la carga (L) del motor requerida y la velocidad (N) del motor, mostrado en la figura 17(A). Se memoriza un grado (SE) de apertura objetivo de la válvula 23 de control de la EGR requerido para hacer que la relación aire-combustible sea la relación aire-combustible objetivo, en la ROM de la unidad electrónica de control como un mapa en el que es una función de la carga (L) del motor requerida y la velocidad (N) del motor, mostrado en la figura 17(B).
Por tanto, en el motor diesel de la presente realización, se cambian la primera combustión, es decir, la combustión a baja temperatura y la segunda combustión, es decir, la combustión normal basándose en la cantidad de presión (L) sobre el pedal 40 acelerador y la velocidad (N) del motor. En cada combustión, los grados de apertura de la válvula 16 de mariposa y la válvula 23 de control de la EGR se controlan mediante los mapas mostrados en las figuras 15 y 17, basado en la cantidad de presión (L) sobre el pedal 40 acelerador y la velocidad (N) del motor.
La figura 18 es una vista en planta que ilustra un dispositivo para purificar el gas de escape y la figura 19 es una vista en sección en P-P de la figura 18. El dispositivo está conectado al lado aguas abajo inmediato del colector 17 de escape y está situado así en el sistema de escape considerablemente aguas arriba del silenciador que se sitúa en el extremo que se abre a la atmósfera. El dispositivo tiene un tubo 71 de escape. El tubo 71 de escape tiene una primera parte 71a de diámetro pequeño que está conectada al colector 17 de escape, una segunda parte 71b de diámetro pequeño que está conectada al conducto de escape aguas abajo y una parte 71c de diámetro grande que se sitúa entre la primera parte 71a de diámetro pequeño y la segunda parte 71b de diámetro pequeño. Ambos extremos de la parte 71c de diámetro grande tienen forma de cono truncado y están conectados a la primera parte 71a de diámetro pequeño y a la segunda parte 71b de diámetro pequeño.
El espacio interno de la parte 71c de diámetro grande está dividida por dos partes 72a, 72b de pared que se extienden en la dirección longitudinal y que son paralelas entre sí, y forman así un primer conducto 73a de flujo y un segundo conducto 73b de flujo que se sitúan a ambos lados, y un tercer conducto 73c de flujo que se sitúa en el centro. Aquí, todo el gas de escape procedente de la primera parte 71a de diámetro pequeño fluye en el tercer conducto 73c de flujo. En la parte 71c de diámetro grande, un filtro 70 de partículas que tiene una forma frontal de un óvalo está dispuesto de tal manera que las líneas centrales del filtro de partículas y la parte 71c de diámetro grande se cortan en ángulos rectos y de tal manera que el filtro 70 de partículas penetra a través de las dos partes 71a y 71b de pared.
El filtro 70 de partículas tiene una primera parte 70a de abertura y una segunda parte 70b de abertura a través de las cuales fluye el gas de escape dentro y fuera del filtro de partículas. La primera parte 70a de abertura se comunica con el primer conducto 73a de flujo y la segunda parte 70b de abertura se comunica con el segundo conducto 73b de flujo. Aquí, la línea central anterior del filtro de partículas significa la línea central que pasa a través de la primera parte 70a de abertura y la segunda parte 70b de abertura. Tal como se explica a continuación en detalle, cada una de la primera parte 70a de abertura y la segunda parte 70b de abertura del filtro 70 de partículas se construye a partir de una pluralidad de las aberturas. El tercer conducto 73c de flujo está dividido parcialmente en la parte superior y la parte inferior por la parte circunferencial del filtro 70 de partículas entre la primera parte 70a de abertura y la segunda parte 70b de abertura. Por tanto, el gas de escape fluye en contacto con la parte 70c circunferencial del filtro 70 de partículas en el tercer conducto de flujo.
Adicionalmente, se dispone un cuerpo 74 de válvula pivotable en el extremo aguas abajo de la parte 71c de diámetro grande. En una primera posición del cuerpo 74 de válvula mostrada mediante la línea continua, el tercer conducto 73c de flujo se comunica con el primer conducto 73a de flujo y el segundo conducto 73b de flujo se comunica con la segunda parte 71b de diámetro pequeño. Por tanto, el gas de escape fluye desde el tercer conducto 73c de flujo hasta el primer conducto 73a de flujo y pasa a través del filtro 70 de partículas desde la primera parte 70a de abertura hasta la segunda parte 70b de abertura, tal como se muestra mediante la flecha de línea continua, y fluye hacia fuera de la segunda parte 71b de diámetro pequeño a través del segundo conducto 73b de flujo. En una segunda posición del cuerpo 74 de válvula mostrada mediante la línea mixta, el tercer conducto 73c de flujo se comunica con el segundo conducto 73b de flujo y el primer conducto 73a de flujo se comunica con la segunda parte 71b de diámetro pequeño. Por tanto, el gas de escape fluye desde el tercer conducto 73c de flujo hasta el segundo conducto 73b de flujo y pasa a y través del filtro 70 de partículas desde la segunda parte 70b de abertura hasta la primera parte 70a de abertura y fluye hacia fuera de la segunda parte 71b de diámetro pequeño a través del primer conducto 73a de flujo.
Por tanto, el cuerpo 74 de válvula se cambia de una de la primera posición y la segunda posición a la otra de modo que pueden invertirse el lado aguas abajo y el lado aguas arriba del filtro 70 de partículas. Además, si se supone que el cuerpo 74 de válvula está en una posición de apertura entre la primera posición y la segunda posición, el gas de escape fluye desde el tercer conducto 73c de flujo hasta la segunda parte 71b de diámetro pequeño sin pasar a través del filtro 70 de partículas y así el gas de escape puede sortear el filtro 70 de partículas.
Por tanto, el presente dispositivo para purificar el gas de escape puede invertir el lado aguas arriba del gas de escape y el lado aguas abajo del gas de escape del filtro de partículas mediante una estructura muy simple. Adicionalmente, el filtro de partículas requiere una gran área de abertura para facilitar la introducción del gas de escape. En el dispositivo, las partes de abertura del filtro de partículas están dispuestas en la dirección longitudinal del tubo de escape y así puede utilizarse un filtro de partículas que tenga una gran área de abertura sin hacer difícil montarlo en el vehículo.
La figura 20 muestra la estructura del filtro 70 de partículas, en la que (A) es una vista frontal del filtro 70 de partículas, es decir una vista que muestra la figura 19 desde la dirección de la flecha, y (B) es una vista en sección lateral del mismo. Tal como se muestra en estas figuras, el filtro 70 de partículas tiene una forma oval y es, por ejemplo, del tipo de flujo por las paredes de una estructura de panal, formado por un material poroso tal como la cordierita, y tiene muchos espacios en la dirección axial divididos por paredes 54 de separación que se extiende en la dirección axial. Uno de cualesquiera dos espacios vecinos está cerrado por un tapón 53 en el lado aguas abajo del gas de escape y el otro está cerrado por un tapón en el lado aguas arriba del gas de escape. Por tanto, uno de cualesquiera dos espacios vecinos sirve como un conducto 50 de flujo al interior del gas de escape y el otro sirve como un conducto 51 de flujo al exterior del gas de escape, lo que hace que el gas de escape pase necesariamente a través de la pared 54 de separación, tal como se indica mediante las flechas en la figura 20(B). Las partículas contenidas en el gas de escape son mucho más pequeñas que los poros de la pared 54 de separación, pero chocan con y quedan atrapadas en la superficie aguas arriba del gas de escape de la pared 54 de separación y la superficie con poros en la pared 54 de separación. Por tanto, cada pared 54 de separación funciona como una pared de atrapamiento para atrapar las partículas. En el presente filtro 70 de partículas, para oxidar y eliminar las partículas atrapadas, se soportan un agente de liberación de oxígeno activo y un catalizador de metal noble, que se explicarán a continuación, sobre ambas superficies laterales de la pared 54 de separación y preferiblemente también en las superficies con poros de la pared 54 de separación.
El agente de liberación de oxígeno activo libera oxígeno activo para promover la oxidación de las partículas y, preferiblemente, capta y retiene el oxígeno cuando está presente excesivo oxígeno en los alrededores y libera el oxígeno retenido como oxígeno activo cuando disminuye la concentración de oxígeno en los alrededores.
Como catalizador de metal noble, normalmente se utiliza platino Pt. Como el agente de liberación de oxígeno activo, se utiliza al menos uno seleccionado de metales alcalinos tales como potasio K, sodio Na, litio Li, cesio Cs y rubidio Rb, metales alcalinotérreos tales como bario Ba, calcio Ca y estroncio Sr, metales de las tierras raras tales como lantano La e itrio Y, y metales de transición.
Como el agente de liberación de oxígeno activo, se desea utilizar un metal alcalino o un metal alcalinotérreo que tenga una tendencia a la ionización superior a la del calcio Ca, es decir, utilizar potasio K, litio Li, cesio Cs, rubidio Rb, bario Ba o estroncio Sr.
Después, se explica a continuación cómo las partículas atrapadas sobre el filtro de partículas se oxidan y eliminan mediante el filtro de partículas que soporta tal agente de liberación de oxígeno activo, con referencia al caso de utilización de platino Pt y potasio K. Las partículas se oxidan y eliminan de la misma manera incluso utilizando otro metal noble y otro metal alcalino, un metal alcalinotérreo, un elemento de las tierras raras o un metal de transición.
En un motor diesel, la combustión tiene lugar normalmente en una condición de aire en exceso y, así, el gas de escape contiene una gran cantidad de aire en exceso. Es decir, si la relación del aire con respecto al combustible suministrado al sistema de admisión y a la cámara de combustión se denomina relación aire-combustible del gas de escape, la relación aire-combustible es pobre. Además, se genera NO en la cámara de combustión y, así, el gas de escape contiene NO. Adicionalmente, el combustible contiene azufre S y el azufre S reacciona con oxígeno en la cámara de combustión para dar SO_{2}. En consecuencia, el gas de escape contiene SO_{2}. Por tanto, el gas de escape que contiene excesivo oxígeno, NO y SO_{2} fluye al interior del lado aguas arriba del gas de escape del filtro 70 de partículas.
Las figuras 21(A) y 21(B) son vistas a escala ampliada que ilustran esquemáticamente la superficie del filtro 70 de partículas con la que entra en contacto el gas de escape. En las figuras 21(A) y 21(B), el número 60 de referencia indica una partícula de platino Pt y 61 indica el agente de liberación de oxígeno activo que contiene potasio K.
Tal como se describió anteriormente, el gas de escape contiene una gran cantidad de oxígeno en exceso. Cuando el gas de escape entra en contacto con la superficie de contacto con el gas de escape del filtro de partículas, se adhiere oxígeno O_{2} sobre la superficie de platino Pt en la forma de O_{2}^{-} u O^{2-} tal como se muestra en la figura 21(A). Por otro lado, el NO en el gas de escape reacciona con O_{2}^{-} o O^{2-} sobre la superficie de platino Pt para producir NO_{2} (2NO + O_{2} \rightarrow NO_{2}). A continuación, una parte del NO_{2} producido se absorbe en el agente 61 de liberación de oxígeno activo mientras se está oxidando sobre el platino Pt, y difunde en el agente 61 de liberación de oxígeno activo en la forma del ion del ácido nítrico NO_{3}^{-}, mientras se está combinando con potasio K para formar nitrato de potasio KNO_{3}, tal como se muestra en la figura 21(A). Por tanto, en la presente invención, el NO_{x} contenido en el gas de escape se absorbe en el filtro 70 de partículas y puede disminuirse la cantidad del mismo liberada a la atmósfera.
Además, el gas de escape contiene SO_{2}, tal como se describió anteriormente, y el SO_{2} también se absorbe en el agente 61 de liberación de oxígeno activo debido a un mecanismo similar al del caso del NO. Es decir, tal como se describió anteriormente, se adhiere oxígeno O_{2} sobre la superficie de platino Pt en la forma de O_{2}^{-} o O^{2-} y el SO_{2} en el gas de escape reacciona con O_{2}^{-} o O^{2-} sobre la superficie de platino Pt para producir SO_{3}. A continuación, una parte del SO_{3} producido se absorbe en el agente 61 de liberación de oxígeno activo mientras se está oxidando sobre el platino Pt, y difunde en el agente 61 de liberación de oxígeno activo en la forma del ion del ácido sulfúrico SO_{4}^{2-}, mientras se está combinando con potasio K para formar sulfato de potasio K_{2}SO_{4}. Por tanto, se producen nitrato de potasio KNO_{3} y sulfato de potasio K_{2}SO_{4} en el agente 61 de liberación de oxígeno activo.
Las partículas en el gas de escape se adhieren sobre la superficie del agente 61 de liberación de oxígeno activo soportado por el filtro de partículas designadas como 62 en la figura 21(B). En este momento, disminuye la concentración de oxígeno sobre la superficie del agente 61 de liberación de oxígeno activo con la que las partículas 62 están en contacto. Como disminuye la concentración de oxígeno, se produce una diferencia en la concentración del agente 61 de liberación de oxígeno activo que tiene una alta concentración de oxígeno y, por tanto, el oxigeno en el agente 61 de liberación de oxígeno activo tiende a migrar hacia la superficie del agente 61 de liberación de oxígeno activo con la que las partículas 62 están en contacto. Como resultado, el nitrato de potasio KNO_{3} producido en el agente 61 de liberación de oxígeno activo se descompone en potasio K, oxígeno O y NO, mediante lo cual el oxígeno O migra hacia la superficie del agente 61 de liberación de oxígeno activo con la que las partículas 62 están en contacto, y se emite NO al exterior desde el agente 61 de liberación de oxígeno activo. El NO emitido hacia el exterior se oxida sobre el platino Pt en el lado aguas abajo y se absorbe de nuevo en el agente 61 de liberación de oxígeno activo.
En este momento, adicionalmente, el sulfato de potasio K_{2}SO_{4} producido en el agente 61 de liberación de oxígeno activo también se descompone en potasio K, oxígeno O y SO_{2}, mediante lo cual el oxígeno O migra hacia la superficie del agente 61 de liberación de oxígeno activo con la que las partículas 62 están en contacto, y se emite SO_{2} al exterior desde el agente 61 de liberación de oxígeno activo. El SO_{2} emitido hacia el exterior se oxida sobre el platino Pt en el lado aguas abajo y se absorbe de nuevo en el agente 61 de liberación de oxígeno activo. Aquí, sin embargo, el sulfato de potasio K_{2}SO_{4} es estable y libera menos oxígeno activo que el nitrato de potasio KNO_{3}.
Por otro lado, la migración de oxígeno O hacia la superficie del agente 61 de liberación de oxígeno activo con la que las partículas 62 están en contacto es el que se descompone a partir de compuestos tales como nitrato de potasio KNO_{3} y sulfato de potasio K_{2}SO_{4}. El oxígeno O descompuesto a partir del compuesto tiene un alto nivel de energía y muestra una alta actividad. Por tanto, el oxígeno que migra hacia la superficie del agente 61 de liberación de oxígeno activo con la que las partículas 62 están en contacto es oxígeno activo O. Al entrar en contacto con oxígeno activo O, las partículas 62 se oxidan son producir llama luminosa en un corto tiempo, por ejemplo, unos cuantos minutos o unas cuantas decenas de minutos. Además, también se libera oxígeno activo para oxidar las partículas 62 cuando se han absorbido NO y SO_{2} en el agente 61 de liberación de oxígeno activo. Es decir, puede considerarse que NO_{x} difunde en el agente 61 de liberación de oxígeno activo en la forma del ion del ácido nítrico NO_{3}^{-}, mientras se está combinando con átomos de oxígeno y para separarse de los átomos de oxígeno, y durante este tiempo, se produce oxígeno activo. Las partículas 62 también se oxidan mediante este oxígeno activo. Adicionalmente, las partículas 62 adheridas sobre el filtro 70 de partículas no se oxidan sólo mediante oxígeno activo, sino también mediante el oxígeno contenido en el gas de escape.
Cuanto mayor se vuelve la temperatura del filtro de partículas, más se activan el platino Pt y el agente 61 de liberación de oxígeno activo. Por tanto, cuanto mayor se vuelve la temperatura del filtro de partículas, mayor se vuelve la cantidad de oxígeno activo O liberado a partir del agente 61 de liberación de oxígeno activo por unidad de tiempo. Adicional y naturalmente, cuanto mayor es la temperatura de las partículas, más fácilmente se oxidan las partículas. Por tanto, la cantidad de partículas que pueden oxidarse y eliminarse sin producir llama luminosa en filtro de partículas por unidad de tiempo aumenta con un aumento de la temperatura del filtro de partículas.
La línea continua en la figura 22 muestra la cantidad de partículas (G) que pueden oxidarse y eliminarse sin producir llama luminosa por unidad de tiempo. En la figura 22, el eje de abscisas representa la temperatura TF del filtro de partículas. Aquí, la figura 22 muestra el caso en que la unidad de tiempo es 1 segundo, es decir, la cantidad de partículas (G) que pueden oxidarse y eliminarse por segundo. Sin embargo, puede seleccionarse cualquier tiempo tal como 1 minuto, 10 minutos o similar como unidad de tiempo. Por ejemplo, en el caso que se utilicen 10 minutos como unidad de tiempo, la cantidad de partículas (G) que pueden oxidarse y eliminarse por unidad de tiempo representa la cantidad de partículas (G) que pueden oxidarse y eliminarse por cada 10 minutos. También en este caso, la cantidad de partículas (G) que pueden oxidarse y eliminarse sin producir llama luminosa aumenta con el aumento de la temperatura del filtro 70 de partículas, tal como se muestra en la figura 22.
La cantidad de partículas emitidas desde la cámara de combustión por unidad de tiempo se denomina cantidad de partículas (M) emitidas. Cuando la cantidad de partículas (M) emitidas es inferior a la cantidad de partículas (G) que pueden oxidarse y eliminarse, por ejemplo, la cantidad de partículas (M) emitidas por segundo es inferior a la cantidad de partículas (G) que pueden oxidarse y eliminarse por segundo o la cantidad de partículas (M) emitidas por cada 10 minutos es inferior a la cantidad de partículas (G) que pueden oxidarse y eliminarse por cada 10 minutos, es decir, en la zona (I) de la figura 22, las partículas emitidas desde la cámara de combustión se oxidan y eliminan todas sin producir llama luminosa, sucesivamente sobre el filtro 70 de partículas en un corto tiempo.
Por otro lado, cuando la cantidad de partículas (M) emitidas es superior a la cantidad de partículas (G) que pueden oxidarse y eliminarse, es decir, en la zona (II) de la figura 22, la cantidad de oxígeno activo no es suficiente para que todas las partículas se oxiden y eliminen sucesivamente. Las figuras 23(A) a 23(C) ilustran el modo de oxidación de las partículas en tal caso.
Es decir, en el caso en el que se carece de la cantidad de oxígeno activo para oxidar todas las partículas, cuando las partículas 62 se adhieren sobre el agente 61 de liberación de oxígeno activo, sólo una parte de las partículas se oxida tal como se muestra en la figura 23(A), y la otra parte de las partículas que no se oxidó suficientemente permanece sobre la superficie del lado aguas arriba del gas de escape del filtro de partículas. Cuando continúa el estado en el que se carece de la cantidad de oxígeno activo, una parte de las partículas que no se oxidó permanece sobre la superficie del lado aguas arriba del gas de escape del filtro de partículas, sucesivamente. Como resultado, la superficie del lado aguas arriba del gas de escape del filtro de partículas se recubre con las partículas 63 residuales, tal como se muestra en la figura 23(B).
Las partículas 63 residuales se transforman gradualmente en materia carbonosa que apenas puede oxidarse. Además, cuando la superficie del lado aguas arriba del gas de escape se recubre con las partículas 63 residuales, se suprimen la acción del platino Pt para oxidar NO y SO_{2}, y la acción del agente 61 de liberación de oxígeno activo para liberar oxígeno activo. Las partículas 63 residuales pueden oxidarse gradualmente durante un periodo relativamente largo. Sin embargo, tal como se muestra en la figura 23(C), otras partículas 64 se depositan sobre las partículas 63 residuales unas tras otras, y cuando las partículas se depositan de modo que se laminan, incluso si son las partículas que se oxidan fácilmente, estas partículas no pueden oxidarse ya que estas partículas se separan del platino Pt o del agente de liberación de oxígeno activo. En consecuencia, se depositan otras partículas sucesivamente sobre estas partículas 64. Es decir, cuando el estado en el que la cantidad de partículas (M) emitidas es superior a la cantidad de partículas (G) que pueden oxidarse y eliminarse, las partículas se depositan para laminarse sobre el filtro de partículas.
Por tanto, en la zona (I) de la figura 22, las partículas se oxidan y eliminan sin producir llama luminosa durante un corto tiempo y en la zona (II) de la figura 22, las partículas se depositan para laminarse sobre el filtro de partículas. Por consiguiente, la deposición de las partículas sobre el filtro de partículas puede evitarse si la relación entre la cantidad de partículas (M) emitidas y la cantidad de partículas (G) que pueden oxidarse y eliminarse se encuentra en la zona (I). Como resultado, una pérdida de presión del gas de escape en el filtro de partículas apenas cambia y se mantiene en un valor de pérdida de presión mínima que es casi constante. Por tanto, la disminución de la potencia del motor puede mantenerse lo más baja posible. Sin embargo, esto no se realiza siempre, y las partículas pueden depositarse sobre el filtro de partículas si no se hace nada.
En la presente realización, para evitar la deposición de las partículas sobre el filtro de partículas, la unidad 30 electrónica de control anterior controla el cambio del cuerpo 74 de válvula según un primer diagrama de flujo mostrado en la figura 24. el presente diagrama de flujo se repite a tiempos predeterminados. En la etapa 101, se calcula la distancia (A) de marcha integrada. A continuación, en la etapa 102, se determina si la distancia (A) de marcha integrada es mayor que una distancia (As) de marcha predeterminada. Cuando el resultado es negativo, se detiene la rutina. Sin embargo, cuando el resultado es positivo, la rutina pasa a la etapa 103. En la etapa 103, la distancia (A) de marcha integrada se vuelve a ajustar a 0 y en la etapa 104, el cuerpo 74 de válvula se cambia de una de la primera posición y la segunda posición a la otra, es decir, se invierten el lado aguas arriba y el lado aguas abajo del filtro de
partículas.
La figura 25 es una vista en sección a escala ampliada de la pared 54 de separación de filtro de partículas. Mientras que el vehículo se desplaza sobre la distancia (As) e marcha predeterminada, puede llevarse a cabo el funcionamiento del motor en la zona (II) de la figura 22. Por tanto, las partículas chocan con y quedan atrapadas por la superficie aguas arriba del gas de escape de la pared 54 de separación y la superficie opuesta del gas de escape en los poros de ella es decir, una de las superficies de atrapamiento de la pared 54 de separación y se oxidan y eliminan mediante el oxígeno activo liberado desde el agente de liberación de oxígeno activo, pero pueden permanecer partículas por la oxidación insuficiente tal como se muestra mediante el rayado de la figura 25(A). En esta fase, la resistencia de escape del filtro de partículas no tiene una influencia negativa sobre el desplazamiento del vehículo. Sin embargo, si las partículas se depositan más, pueden producirse problemas, en los que disminuye considerablemente la potencia del motor, y similares. Mediante el primer diagrama de flujo, en esta fase, se invierten el lado aguas arriba y el lado aguas abajo del filtro de partículas. Por tanto, no se depositan de nuevo partículas sobre las partículas residuales en una de las superficies de atrapamiento de la pared de separación y así las partículas residuales pueden oxidarse y eliminarse gradualmente mediante el oxígeno activo liberado desde la una de las superficies de atrapamiento. Adicionalmente, en particular, las partículas residuales en los poros de la pared de separación se rompen fácilmente en finos trozos mediante el flujo del gas de escape en la dirección inversa, tal como se muestra en la figura 25(B), y se mueven principalmente a través de los poros hacia el lado aguas abajo.
En consecuencia, muchas de las partículas que se rompen en trozos finos difunden en el poro de la pared de separación, es decir, las partículas fluyen en el poro. Por tanto, entran en contacto directamente con el agente de liberación de oxígeno activo soportado sobre la superficie con poros y así tienen muchas posibilidades de que se oxiden y eliminen. Por tanto, si el agente de liberación de oxígeno activo también está soportado sobre la superficie con poros de la pared de separación, las partículas residuales pueden oxidarse y eliminarse muy fácilmente. Sobre la otra superficie de atrapamiento que está ahora en el lado aguas arriba, según se invierte el flujo del gas de escape, es decir, la superficie aguas arriba del gas de escape de la pared 54 de separación y la superficie opuesta del gas de escape en los poros de la misma contra la que incide principalmente el gas de escape (del lado opuesto de una de las superficies de atrapamiento), las partículas en el gas de escape se adhieren nuevamente a la misma y se oxidan y eliminan mediante el oxígeno activo liberado desde el agente de liberación de oxígeno activo. En esta oxidación, una parte del oxígeno activo liberado desde el agente de liberación de oxígeno activo sobre la otra superficie de atrapamiento se mueve hasta el lado aguas abajo con el gas de escape, y se hace que oxide y elimine las partículas que todavía permanecen sobre una de las superficies de atrapamiento a pesar del flujo invertido del gas de escape.
Es decir, las partículas residuales sobre una de las superficies de atrapamiento se exponen no sólo al oxígeno activo liberado desde esta superficie de atrapamiento sino también al resto del oxígeno activo utilizado para oxidar y eliminar las partículas sobre la otra superficie de atrapamiento, invirtiendo el flujo del gas de escape. Por tanto, incluso si algunas partículas se depositan como laminado sobre una de las superficies de atrapamiento de la pared de separación del filtro de partículas cuando se invierte el flujo del gas de escape, el oxígeno activo llega hasta las partículas depositadas y no se depositan de nuevo partículas sobre las partículas depositadas, debido al flujo invertido del gas de escape y, por tanto, las partículas depositadas se oxidan y eliminan gradualmente y pueden oxidarse y eliminarse durante cierto periodo hasta la siguiente inversión del gas de escape.
En el primer diagrama de flujo, el cuerpo de válvula se cambia a cada distancia de marcha predeterminada. Sin embargo, el cuerpo de válvula puede cambiarse en cada periodo predeterminado. De hecho, el cuerpo de válvula no puede cambiarse de tal manera, pero puede cambiarse de manera no regular. En cualquier caso, es preferible cambiar el cuerpo de válvula al menos una vez tras poner en marcha el motor y antes de que el motor se pare, de tal manera que el cuerpo de válvula se cambie antes de que las partículas residuales se transformen en materia carbonosa que apenas puede oxidarse. Si las partículas se oxidan y se eliminan antes de que la gran cantidad de partículas sea un depósito, pueden evitarse problemas, en los que la gran cantidad de partículas depositadas se inflaman y queman a la vez, para fundir el filtro de partículas mediante el calor quemado del mismo, y similares. Incluso si la gran cantidad de partículas se deposita sobre una superficie de atrapamiento de la pared de separación del filtro de partículas por algún motivo, cuando se cambia el cuerpo de válvula, las partículas depositadas se rompen fácilmente en trozos finos mediante el flujo invertido del gas de escape. Una parte de las partículas que no pueden oxidarse y eliminarse en los poros de la pared de separación se descarga del filtro de partículas. Sin embargo y por tanto, se evita que la resistencia de escape del filtro de partículas aumente más y tenga una influencia negativa sobre el desplazamiento del vehículo. Además, la otra superficie de atrapamiento de la pared de separación del filtro de partículas puede atrapar nuevamente las partículas.
La figura 26 muestra un segundo diagrama de flujo para controlar el cambio del cuerpo 74 de válvula. El presente diagrama de flujo se repite a cada tiempo predeterminado. En la etapa 201, un sensor de presión detecta una presión (P1) de escape en un lado del filtro 70 de partículas, es decir, una presión de escape en el primer conducto 73a de flujo (véase la figura 18). A continuación, en la etapa 202, un sensor de presión detecta una presión (P2) de escape en el otro lado del filtro 70 de partículas, es decir, una presión de escape en el segundo conducto 73b de flujo (véase la figura 18).
En la etapa 203, se determina si el valor absoluto de la diferencia entre las presiones de escape detectadas en las etapas 201 y 202 es mayor que una diferencia (Ps) de presión predeterminada. Aquí, el valor absoluto de la presión diferencial se utiliza de modo que el aumento en la presión diferencial puede detectarse si cualquiera del primer conducto 73a de flujo y el segundo conducto 73b de flujo es el lado aguas arriba del gas de escape. Cuando el resultado en la etapa 203 es negativo, se detiene la rutina. Sin embargo, cuando el resultado es positivo, permanecen algunas partículas sobre el filtro de partículas de modo que en la etapa 204, el cuerpo 74 de válvula se cambia y así se invierten el lado aguas arriba y el lado aguas abajo del filtro de partículas.
En consecuencia, como en la mención anterior, las partículas residuales se oxidan y eliminan del filtro de partículas. Por tanto, utilizando la presión diferencial entre ambos lados del filtro de partículas, se determina indirectamente que algunas partículas permanecen sobre el filtro de partículas y así puede evitarse con más seguridad que la potencia del motor disminuya mucho por las partículas depositadas adicionales. De hecho, en vez de con la presión diferencial, por ejemplo, observando el cambio de resistencia eléctrica en una pared de separación predeterminada del filtro de partículas, puede determinarse que se depositan algunas partículas sobre el filtro de partículas cuando la resistencia eléctrica se vuelve igual o inferior a un valor predeterminado por la deposición de las partículas. Adicionalmente, utilizando el hecho de que la transmisividad o reflectividad de la luz en una pared de separación particular del filtro de partículas disminuye con la deposición de las partículas sobre la misma, puede determinarse que se han depositado algunas partículas sobre el filtro de partículas. Si se determina directamente que las partículas permanecen de tal manera y se cambia el cuerpo de válvula, puede evitarse con más seguridad que disminuya la potencia del motor. En sentido estricto, la diferencia en la presión entre ambos lados del filtro de partículas cambia de acuerdo con la presión del gas de escape descargado desde la cámara de combustión tras cada condición de funcionamiento del motor. En consecuencia, en la determinación de la deposición de las partículas, es preferible especificar la condición de funcionamiento del motor.
Por tanto, la inversión del lado aguas arriba y del lado aguas abajo del filtro de partículas es muy eficaz para oxidar y eliminar las partículas residuales y depositadas. Por consiguiente, incluso si el cuerpo de válvula se cambia de vez en cuando son la determinación del tiempo, puede evitarse favorablemente que la potencia del motor disminuya mucho debido a la gran cantidad de partículas depositadas.
A propósito, en la estructura del cuerpo 74 de válvula de la presente realización, tal como se mencionó anteriormente, una parte del gas de escape sortea el filtro 70 de partículas durante el cambio de una de la primera posición y la segunda posición a la otra. En consecuencia, en este momento, si el gas de escape incluye partículas, las partículas se emiten a la atmósfera. Para presentar esto, como en un tercer diagrama de flujo mostrado en la figura 27, el cuerpo 74 de válvula puede cambiarse cuando se lleva a cabo un corte de combustible. Cuando se lleva a cabo un corte de combustible, no se lleva a cabo combustión en el cilindro y, por tanto, el gas de escape no incluye partículas. En la determinación de la ejecución de un corte de combustible, puede utilizarse una señal de corte de combustible facilitada al inyector de combustible, puede detectarse la presión sobre el pedal de freno mientras se está desplazando el vehículo o puede detectarse la liberación del pedal acelerador mientras se está desplazando el vehícu-
lo.
Según el dispositivo de la presente invención, se cambia el cuerpo 74 de válvula y se invierten el lado aguas arriba del gas de escape y el lado aguas abajo del gas de escape del filtro de partículas, de modo que puede evitarse favorablemente la deposición de las partículas sobre el filtro 70 de partículas. Adicionalmente, según la estructura del presente dispositivo, la parte 70c circunferencial del filtro 70 de partículas está siempre en contacto con el gas de escape en el tercer conducto 73c de flujo y así se calienta mediante el gas de escape y puede hacerse que sea elevada la temperatura del filtro de partículas. Por consiguiente, tal como se muestra en la gráfica de la figura 22, la cantidad de partículas que pueden oxidarse y eliminarse se mantiene relativamente grande y así puede evitarse la deposición de las partículas sobre el filtro de partículas de manera más segura. Además, si la temperatura del filtro de partículas se hace que sea elevada, pueden quemarse favorablemente los materiales reductores, tales como HC y CO, que incluyen ligeramente en el gas de escape cuando la relación aire-combustible en la combustión es pobre, utilizando el catalizador de oxidación soportado sobre el filtro de partículas. Por consiguiente, la temperatura del filtro de partículas puede elevarse más.
El filtro 70 de partículas de la presente realización tiene partes 70a y 70b de abertura grande y la longitud entre las partes de abertura es relativamente corta. Por tanto, puede pasar una gran cantidad del gas de escape a través del filtro de partículas. Tal filtro 70 de partículas está dispuesto en el tubo 71 de escape de tal manera que las partes de abertura se dirigen en la dirección longitudinal del tubo de escape. Por consiguiente, el dispositivo puede fabricarse compacto. En consecuencia, el dispositivo puede disponerse en el lado aguas abajo inmediato del colector de escape, de manera adyacente al cuerpo de motor y así puede utilizarse el calor del gas de escape de manera muy eficaz para calentar el filtro de partículas.
Adicionalmente, en la desaceleración y similares, cuando se hace que la temperatura del gas de escape sea baja, se hace que el gas de escape sortee el filtro de partículas mediante la posición de apertura del cuerpo 74 de válvula, y así puede evitarse que el gas de escape pase a través del filtro de partículas. Sin embargo, este gas de escape a baja temperatura fluye en contacto con la parte circunferencial del filtro de partículas y, por tanto, la temperatura del filtro de partículas disminuye en la desaceleración. Tras la desaceleración, el gas de escape a alta temperatura alcanza la temperatura del filtro de partículas enseguida. Por tanto, en la desaceleración, disminuye la cantidad de partículas que pueden oxidarse y eliminarse del filtro de partículas. Sin embargo, en este momento, el gas de escape incluye pocas partículas, y así no se produce ningún problema particular.
Además, la totalidad del filtro de partículas de la presente invención está rodeada por el flujo del gas de escape, es decir, por una capa de gas. Así, en comparación con un dispositivo habitual para purificar el gas de escape que está adyacente a la atmósfera a través de un caso, el dispositivo de la realización puede suprimir la liberación de calor del filtro de partículas producida por el viento durante la marcha. Por consiguiente, la temperatura del filtro de partículas puede mantenerse elevada fácilmente.
En la presente realización, el filtro 70 de partículas es único y tiene forma oval en sección. Sin embargo, esto no limita la presente invención. Por ejemplo, tal como se muestra en la figura 28, puede disponerse una pluralidad de filtros 70' de partículas que tienen una forma circular en sección o similar, de manera adyacente entre sí en la dirección longitudinal del tubo de escape mediante el número necesario de filtros de partículas. En el filtro de partículas único, en particular, la anchura total de la pared de separación en el centro de la dirección de la altura se hace larga y así la rigidez del filtro de partículas es ligeramente baja. Por otro lado, utilizando una pluralidad de filtros de partículas, cada filtro 70' de partículas se fabrica compacto y así tiene una rigidez elevada. Por tanto, puede mejorarse la durabilidad de cada filtro de partículas. Además, el cuerpo 74 de válvula se dispone aguas abajo del tubo 71 de escape. Esto es una ventaja para el cuerpo de válvula, como parte pivotable, estar alejado del cuerpo de motor a alta temperatura. Sin embargo, de hecho, la segunda parte 71b de diámetro pequeño se sitúa en el lado aguas arriba de escape y el cuerpo 74 de válvula puede estar aguas abajo del tubo 71 de escape. Además, en la presente realización, la línea central que pasa a través de la primera parte de abertura y la segunda parte de abertura del filtro 70 de partículas se corta con la línea central de la parte 71c de diámetro grande del tubo 71 de escape en ángulos rectos. Sin embargo, esto no limita la presente invención. Por ejemplo, el filtro 70 de partículas puede no situarse en el centro de la parte 71c de diámetro grande y las partes de abertura del filtro 70 de partículas pueden inclinarse con respecto a la línea central de la parte de diámetro grande. Concretamente, si la línea central del filtro de partículas puede cortarse con la línea central de la parte de diámetro grande en la vista en planta, puede construirse el dispositivo que tiene los efectos mencionados anteriormente.
Adicionalmente, cuando la relación aire-combustible del gas de escape se enriquece, es decir, cuando la concentración de oxígeno en el gas de escape disminuye, se libera oxígeno activo O de una vez desde el agente 61 de liberación de oxígeno activo al exterior. Por tanto, las partículas depositadas se convierten en partículas que pueden oxidarse fácilmente mediante el oxígeno activo O liberado de una vez y, por tanto, pueden oxidarse y eliminarse fácilmente.
Por otro lado, cuando la relación aire-combustible se mantiene pobre, la superficie de platino Pt se recubre con oxígeno, es decir, se produce contaminación por oxígeno. Cuando se produce tal contaminación por oxígeno, disminuye la acción de oxidación para NO_{x} del platino Pt y así disminuye la eficacia de absorción de NO_{x}. Por consiguiente, disminuye la cantidad de oxígeno activo liberado desde el agente 61 de liberación de oxígeno activo. Sin embargo, cuando se enriquece la relación aire-combustible, el oxígeno sobre la superficie de platino Pt se consume y así se cancela la contaminación por oxígeno. En consecuencia, cuando se cambia la relación aire-combustible de rica a pobre de nuevo, la acción de oxidación para NO_{x} se vuelve fuerte y así aumenta la eficacia de absorción. Por tanto, aumenta la cantidad de oxígeno activo liberado desde el agente 61 de liberación de oxígeno activo.
Por tanto, cuando la relación aire-combustible se mantiene pobre, si la relación aire-combustible se cambia de pobre a rica de nuevo en un instante, la contaminación por oxígeno del platino Pt se cancela cada vez en este instante y así aumenta la cantidad de oxígeno activo liberado cuando la relación aire-combustible es pobre. Por consiguiente, puede promoverse la acción de oxidación de las partículas sobre el filtro 70 de partículas.
Adicionalmente, el resultado de la cancelación de la contaminación por oxígeno es que el agente reductor se quema y, por tanto, el calor quemado del mismo eleva la temperatura del filtro de partículas. Por tanto, la cantidad de partículas que pueden oxidarse y eliminarse del filtro de partículas aumenta y así se oxidan y eliminan más fácilmente las partículas residuales y depositadas. Si se enriquece la relación aire-combustible en el gas de escape inmediatamente después de que se inviertan el lado aguas arriba y el lado aguas abajo del filtro de partículas mediante el cuerpo 74 de válvula, la otra superficie de atrapamiento sobre la que no permanecen partículas libera oxígeno activo más fácilmente que la otra superficie de atrapamiento. Por tanto, la mayor cantidad de oxígeno activo liberado puede oxidar y eliminar las partículas residuales sobre la primera superficie de atrapamiento con mayo seguridad. Por supuesto, si la relación aire-combustible del gas de escape puede a veces enriquecerse independientemente del cambio del cuerpo 74 de válvula. Por consiguiente, apenas permanecen o se depositan partículas sobre el filtro de partículas.
Como método para enriquecer la relación aire-combustible, por ejemplo, puede llevarse a cabo la combustión a baja temperatura mencionada anteriormente. Por supuesto, cuando se cambia de la combustión normal a la combustión a baja temperatura, o antes de esto, pueden invertirse el lado aguas arriba del gas de escape y el lado aguas abajo del gas de escape. Además, para enriquecer la relación de aire-combustible de la combustión, la relación de aire-combustible de la combustión puede simplemente hacerse rica. Adicionalmente, además de la inyección de combustible principal en la carrera de compresión, el inyector de combustible puede inyectar combustible en el cilindro en la carrera de escape o en la carrera de expansión (inyección posterior) o puede inyectar combustible en el cilindro en la carrera de admisión (inyección previa). Naturalmente, no puede proporcionarse un intervalo entre la inyección posterior o la inyección previa y la inyección de combustible principal. Además, puede alimentarse combustible al sistema de escape. Tal como se mencionó anteriormente, la combustión a baja temperatura se lleva a cabo en el lado de baja carga del motor y, por tanto, la combustión a baja temperatura suele llevarse a cabo inmediatamente después de la desaceleración del motor, cuando se lleva a cabo un corte de combustible. Por consiguiente, en el tercer diagrama de flujo, inmediatamente después de que se cambie el cuerpo 74 de válvula, se lleva a cabo la combustión a baja temperatura y así frecuentemente se enriquece la relación aire-combustible.
A propósito, cuando existe SO_{3}, el calcio ca en el gas de escape forma sulfato de calcio CaSO_{4}. El sulfato de calcio CaSO_{4} apenas se oxida y elimina y, por tanto, permanece sobre el filtro de partículas como cenizas. Para evitar el bloqueo de las mallas del filtro de partículas producido por el sulfato de calcio CaSO_{4} que queda, es preferible que se utilice un metal alcalino o un metal alcalinotérreo que tenga una tendencia a la ionización superior que la del calcio ca, tal como potasio K, como el agente 61 de liberación de oxígeno activo. Por tanto, el SO_{3} difundido en el agente 61 de liberación de oxígeno activo se combina con potasio K para formar sulfato de potasio K_{2}SO_{4} y así el calcio Ca no se combina con SO_{3} sino que pasa a través de las paredes de separación del filtro de partículas. En consecuencia, las mallas del filtro de partículas no se bloquean por las cenizas. Así, se desea utilizar, como el agente 61 de liberación de oxígeno activo, un metal alcalino o un metal alcalinotérreo que tenga una tendencia a la ionización superior que la del calcio ca, tal como potasio K, litio Li, cesio Cs, rubidio Rb, bario Ba o estroncio Sr.
Aún cuando sólo se soporta un metal noble, tal como platino Pt, sobre el filtro de partículas como el agente de liberación de oxígeno activo, puede liberarse oxígeno activo del NO_{2} o SO_{3} retenido sobre la superficie del platino Pt. Sin embargo, en este caso, la curva que representa la cantidad de partículas (G) que pueden oxidarse y eliminarse se desplaza ligeramente hacia la derecha comparado con la curva continua mostrada en la figura 22. Adicionalmente, puede utilizarse ceria como el agente de liberación de oxígeno activo. La ceria absorbe oxígeno cuando la concentración de oxígeno es elevada (Ce_{2}O_{3} \rightarrow 2CeO_{2}) y libera oxígeno activo cuando la concentración de oxígeno disminuye (2CeO_{2} \rightarrow Ce_{2}O_{3}). Por tanto, con el fin de oxidar y eliminar las partículas, la relación aire-combustible del gas de escape debe enriquecerse a intervalos regulares o a intervalos no regulares. En lugar de la ceria, puede utilizarse hierro Fe o estaño Sn como el agente de liberación de oxígeno activo.
Como el agente de liberación de oxígeno activo, además, también puede permitirse el uso de un absorbente de NO_{x} para purificar el NO_{x}. En este caso, la relación aire-combustible del gas de escape debe enriquecerse al menos temporalmente para liberar y reducir el NO_{x} y SO_{x}. Es preferible enriquecer la relación aire-combustible después de que se inviertan el lado aguas arriba del gas de escape y el lado aguas abajo del gas de escape del filtro de partículas. El motor diesel de las realizaciones puede cambiar la combustión a baja temperatura y la combustión normal. Esto no limita la presente invención. Por supuesto, la presente invención puede aplicarse también a un motor diesel que sólo lleva a cabo la combustión normal o a un motor de gasolina que emite partículas.
En la presente realización, el propio filtro de partículas soporta el agente de liberación de oxígeno activo y el oxígeno activo liberado desde el agente de liberación de oxígeno activo oxida y elimina las partículas. Sin embargo, esto no limita la presente invención. Por ejemplo, un material de oxidación de partículas tal como oxígeno activo y NO_{2} que funciona igual que el oxígeno activo pueden liberarse desde un filtro de partículas o un material soportado sobre el mismo, o pueden fluir al interior de un filtro de partículas desde el exterior del mismo. En el caso en el que el material de oxidación de partículas fluye al interior del filtro de partículas desde el exterior del mismo, si la primera superficie de atrapamiento y la segunda superficie de atrapamiento de la pared de separación se utilizan alternativamente para atrapar las partículas, sobre una superficie de atrapamiento que está ahora en la lado aguas abajo del gas de escape, sin que se depositen nuevamente partículas sobre las partículas residuales y las partículas residuales pueden oxidarse y eliminarse gradualmente mediante el material de oxidación de partículas que fluye desde la otra superficie de atrapamiento y así, las partículas residuales se eliminan perfectamente después de cierto periodo de tiempo. Durante este periodo, la otra superficie de atrapamiento puede atrapar partículas y las partículas atrapadas se oxidan y eliminan mediante el material de oxidación de partículas sobre la otra superficie de atrapamiento. Así, pueden obtenerse efectos iguales a los mencionados anteriormente. Por supuesto, en este caso, si se eleva la temperatura del filtro de partículas, se eleva la temperatura de las propias partículas y, por tanto, puede hacerse fácilmente la oxidación y eliminación de las mismas. Por tanto, es una ventaja que el dispositivo se construya como la presente realización.
Según el dispositivo para purificar el gas de escape de la presente invención, el dispositivo comprende el filtro de partículas sobre el que se oxidan y eliminan las partículas atrapadas y el medio de inversión para invertir el lado aguas arriba del gas de escape y el lado aguas abajo del gas de escape del filtro de partículas. El filtro de partículas tiene una pared de atrapamiento para atrapar las partículas, la pared de atrapamiento tiene una primera superficie de atrapamiento y una segunda superficie de atrapamiento, y el medio de inversión invierte el lado aguas arriba del gas de escape y el lado aguas abajo del gas de escape del filtro de partículas, de modo que la primera superficie de atrapamiento y la segunda superficie de atrapamiento se utilizan alternativamente para atrapar las partículas. El filtro de partículas tiene la primera parte de abertura y la segunda parte de abertura a través de las cuales fluye el gas de escape dentro y fuera del filtro de partículas, y está dispuesto en el lado aguas arriba del tubo de escape del silenciador. Al menos parte de la parte circunferencial del filtro de partículas entre la primera parte de abertura y la segunda parte de abertura está en contacto con el flujo del gas de escape en el tubo de escape. Algunas partículas pueden permanecer sobre la primera superficie de la pared de atrapamiento del filtro de partículas debido a la oxidación insuficiente sobre el filtro de partículas según la condición de funcionamiento del motor. Sin embargo, se invierten el lado aguas arriba del gas de escape y el lado aguas abajo del gas de escape del filtro de partículas mediante el medio de inversión, de modo que no se depositen de nuevo partículas sobre las partículas residuales en la primera superficie de atrapamiento y así las partículas residuales puedan oxidarse y eliminarse gradualmente. Al mismo tiempo, la segunda pared de atrapamiento de la pared de atrapamiento empieza a atrapar las partículas. Por tanto, si la primera superficie de atrapamiento y la segunda superficie de atrapamiento se utilizan alternativamente para atrapar las partículas, puede disminuirse la cantidad de partículas atrapadas sobre cada superficie de atrapamiento hasta menos de lo que habría en el caso en el que una superficie de atrapamiento atrapa siempre las partículas. Esto es una ventaja para oxidar y eliminar las partículas. Además, la parte circunferencial del filtro de partículas se calienta mediante el gas de escape que está en contacto con él y así la temperatura del filtro de partículas se mantiene elevada, de modo que las partículas pueden llegar a oxidarse fácilmente. Por consiguiente, el bloqueo de las mallas del filtro de partículas puede evitarse con seguridad.

Claims (8)

1. Dispositivo para purificar el gas de escape de un motor (1) de combustión interna que comprende un filtro (70) de partículas en el que se oxidan partículas (62, 63) atrapadas y un medio (74) de inversión, para invertir el lado aguas arriba del gas de escape y el lado aguas abajo del gas de escape de dicho filtro (70) de partículas, en el que dicho filtro (70) de partículas tiene una pared (54) de atrapamiento para atrapar las partículas (62, 63), dicha pared (54) de atrapamiento tiene una primera superficie de atrapamiento y una segunda superficie de atrapamiento, dicho medio (74) de inversión invierte el lado aguas arriba del gas de escape y el lado aguas abajo del gas de escape de dicho filtro (70) de partículas, de modo que dicha primera superficie de atrapamiento y dicha segunda superficie de atrapamiento se utilizan alternativamente para atrapar las partículas (62, 63), dicho filtro (70) de partículas tiene una primera parte (70a) de abertura y una segunda parte (70b) de abertura a través de las cuales fluye el gas de escape dentro y fuera dicho filtro (70) de partículas y está dispuesto en el tubo de escape aguas arriba del silenciador, y al menos parte de la parte circunferencial de dicho filtro (70) de partículas entre dicha primera parte (70a) de abertura y dicha segunda parte (70b) de abertura está en contacto con el flujo del gas de escape en dicho tubo de escape.
2. Dispositivo para purificar el gas de escape de un motor (1) de combustión interna según la reivindicación 1, en el que dicha pared de atrapamiento soporta un agente (61) de liberación de oxígeno activo y el oxígeno activo liberado desde dicho agente (61) de liberación de oxígeno activo oxida las partículas (62, 63).
3. Dispositivo para purificar el gas de escape de un motor (1) de combustión interna según la reivindicación 2, en el que dicho agente (61) de liberación de oxígeno activo capta y retiene oxígeno cuando está presente excesivo oxígeno en los alrededores y libera el oxígeno retenido como oxígeno activo cuando disminuye la concentración de oxígeno en los alrededores.
4. Dispositivo para purificar el gas de escape de un motor (1) de combustión interna según la reivindicación 2, en el que dicho agente (61) de liberación de oxígeno activo retiene NO_{x} para combinar el NO_{x} con oxígeno cuando está presente excesivo oxígeno en los alrededores y lo libera para descomponer el NO_{x} y el oxígeno combinados en NO_{x} y oxígeno activo cuando disminuye la concentración de oxígeno en los alrededores.
5. Dispositivo para purificar el gas de escape de un motor (1) de combustión interna según una cualquiera de las reivindicaciones 1 - 4, en el que la línea central que pasa a través de dicha primer parte (70a) de abertura y dicha segunda parte (70b) de abertura de dicho filtro (70) de partículas se corta con la línea central de dicho tubo de escape en una vista en planta.
6. Dispositivo para purificar el gas de escape de un motor (1) de combustión interna según la reivindicación 5, en el que se dispone una pluralidad de dichos filtros (70) de partículas en la dirección longitudinal de dicho tubo de escape.
7. Dispositivo para purificar el gas de escape de un motor (1) de combustión interna según la reivindicación 5 ó 6, en el que dicho tubo de escape tiene un primer conducto (73a) de flujo, un segundo conducto (73b) de flujo y un tercer conducto (73c) de flujo que están divididos en la dirección longitudinal, dicho primer conducto (73a) de flujo se comunica con dicha primera parte (70a) de abertura de dicho filtro (70) de partículas, dicho segundo conducto (73b) de flujo se comunica con dicha segunda parte (70b) de abertura de dicho filtro (70) de partículas, y al menos parte de dicha parte circunferencial de dicho filtro (70) de partículas está en contacto con el flujo del gas de escape en dicho tercer conducto (73c) de flujo.
8. Dispositivo para purificar el gas de escape de un motor (1) de combustión interna según la reivindicación 7, en el que dicho medio (74) de inversión tiene un cuerpo de válvula, hace que dicho cuerpo de válvula esté en una primera posición, de modo que dicho tercer conducto (73c) de flujo se comunica con dicho primer conducto (73a) de flujo y de manera que dicho segundo conducto (73b) de flujo se comunica con uno del lado aguas arriba del gas de escape y el lado aguas abajo del gas de escape de dicho tubo de escape, hace que dicho cuerpo de válvula esté en una segunda posición, de modo que dicho tercer conducto (73c) de flujo se comunica con dicho segundo conducto (73b) de flujo y de manera que dicho primer conducto (73a) de flujo se comunica con dicho uno del lado aguas arriba del gas de escape y el lado aguas abajo del gas de escape de dicho tubo de escape, y cambia dicho cuerpo de válvula desde una de dicha primera posición y dicha segunda posición a la otra, de modo que se invierten el lado aguas arriba del gas de escape y el lado aguas abajo del gas de escape de dicho filtro (70) de partículas.
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