DE10120592B4

DE10120592B4 - Abgasreiniger für einen Verbrennungsmotor und Verfahren zur Abgasreinigung

Info

Publication number: DE10120592B4
Application number: DE10120592A
Authority: DE
Inventors: Kazuhiro Toyota Itoh; Toshiaki Toyota Tanaka; Shinya Toyota Hirota; Takamitsu Toyota Asanuma; Koichi Toyota Kimura; Koichiro Toyota Nakatani
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-04-28
Filing date: 2001-04-26
Publication date: 2005-07-28
Anticipated expiration: 2021-04-27
Also published as: FR2808302B1; FR2808302A1; DE10120592A1

Abstract

Abgasreiniger für einen Verbrennungsmotor mit einem katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter (70), der im Abgassystem des Verbrennungsmotors angeordnet ist und der NO_x-absorbiert, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis der Umgebungsatmosphäre mager ist, und der NO_x freisetzt, wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis der Umgebungsatmosphäre stöchiometrisch oder fett ist, einer Wechselvorrichtung (71) zum Wechseln der Stromaufwärts- und Stromabwärtsseiten des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters (70) und einer Zuleitungsvorrichtung (74) zum Zuleiten einer reduzierenden Substanz zum katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter (70) von der Stromaufwärtsseite her, wobei der Abgasreiniger dadurch gekennzeichnet ist, daß dann, wenn die Temperatur des katalytischen NO_x-Occludierungs-/Reduzierungs-Konverters (70) gleich oder höher geworden ist als eine erste festgesetzte Temperatur, oder geschätzt wird, daß sie gleich oder höher geworden ist als die erste festgesetzte Temperatur, die Zuleitungsvorrichtung (74) die reduzierende Substanz zuleitet und die Wechselvorrichtung (71) die Stromaufwärts- und Stromabwärtsseiten des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungskonverters (70) wechselt, um den katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter (70) von einer SO_x-Verschlechterung zu regenerieren.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Abgasreiniger für einen Verbrennungsmotor und ein Verfahren zur Abgasreinigung.

2. Beschreibung der verwandten Technik

Das Abgas in einem Verbrennungsmotor, insbesondere in einem Dieselmotor, enthält Schadstoffe, wie NO_x-Verbindungen. Um NO_x Verbindungen zu reinigen, wurde vorgeschlagen, einen katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter im Abgassystem des Motors anzuordnen. Der katalytische NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter absorbiert NO_x Verbindungen in Form von Nitraten, wenn die Sauerstoffkonzentration in der Umgebungsatmosphäre hoch ist, und setzt die absorbierten NO_x-Verbindungen frei, wenn die Sauerstoffkonzentration in der Umgebungsatmosphäre abnimmt. Dabei absorbiert der katalytische NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter gut NO_x-Verbindungen aus dem Abgas in einem Dieselmotor, in dem die Verbrennung mit einem Luftüberschuß durchgeführt wird. Durch Bewirken eines stöchiometrischen oder fetten Luft/Kraftstoff-Verhältnisses der Umgebungsatmosphäre in regelmäßigen Intervallen, wodurch die Sauerstoffkonzentration gesenkt wird, setzt der katalytische NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter NO_x-Verbindungen frei und reduziert und reinigt die NO_x-Verbindungen unter Verwendung von Reduzierungsmitteln wie HC. Somit wird es möglich, NO_x-Verbindungen gut zu reinigen, ohne sie in die Atmosphäre abzugeben.

Der Kraftstoff in einem Verbrennungsmotor enthält Schwefel, und während der Verbrennung werden SO_x-Verbindungen erzeugt. SO_x-Verbindungen werden aufgrund eines Mechanismus, der dem der NO_x-Verbindungen ähnlich ist, in Form von Sulfaten in den katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter absorbiert. Da es sich bei Sulfaten um stabile Verbindungen handelt und sie wahrscheinlich nicht vom katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter freigesetzt werden, selbst wenn für ein fettes Luft/Kraftstoff-Verhältnis bei Umgebungsatmosphäre gesorgt wurde, erhöht sich allmählich die Menge der occludierten Sulfate. Die Menge der Nitrate oder Sulfate, die im katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter occludiert werden können, ist begrenzt. Wenn die Menge der occludierten Sulfate im katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter ansteigt (hierin im folgenden als SO_x-Verschlechterung bezeichnet), nimmt die Menge an Nitraten, die occludiert werden können, entsprechend ab. Schließlich wird es völlig unmöglich, NO_x-Verbindungen zu absorbieren.

Daher ist es notwendig, den katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter nach der SO_x-Verschlechterung zu regenerieren. Obwohl es sich bei Sulfaten um stabile Verbindungen handelt, können sie als SO_x-Verbindungen freigesetzt werden, indem man das Luft/Kraftstoff-Verhältnis der Umgebungsatmosphäre stöchiometrisch oder fett macht und somit die Sauerstoffkonzentration senkt, wenn der katalytische NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter auf eine hohe Temperatur, wie 600°C, aufgeheizt wurde. Somit wird im allgemeinen, zum Zwecke der Regenerierung nach einer SO_x-Verschlechterung, der Umgebungsatmosphäre, die eine hohe Sauerstoffkonzentration aufweist, ein Reduzierungsmittel zugesetzt und verbrannt. Dabei wird der katalytische NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter auf eine Temperatur von etwa 600°C erwärmt.

Das so zugeführte Reduzierungsmittel verbrennt jedoch hauptsächlich am Abgaseinlaß des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters und erwärmt vorübergehend den Abgaseinlaß gut. Ein großer Teil der Wärme wandert jedoch sofort zusammen mit dem Abgasstrom zum Abgasauslaß des katalytischen NO_x-Occlu dierungs/Reduzierungs-Konverters. Obwohl der Abgasauslaß relativ gut erwärmt wird, sinkt daher die Temperatur des Abgaseinlasses ab- und steigt dann nur leicht an. Somit dauert es relativ lang, den gesamten katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter zum Zwecke der Regenerierung nach der SO_x-Verschlechterung auf eine Temperatur, die gleich oder höher ist als 600°C, zu erwärmen.

Aus der DE 198 15 502 A1 und der DE 199 24 215 A1 ist jeweils eine Abgasanlage bzw. Initionssteuerungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor bekannt. In beiden Fällen handelt es sich jedoch um Katalysatoren, die außer zur Oxidation von unverbrannten Kohlenwasserstoffen als No_x-Katalysatoren ausgebildet sind. Eine Reduktion von So_x kann beiden Dokumenten nicht entnommen werden.

Aus den Dokumenten DE 198 35 565 A1 und DE 44 15 507 A1 sind andere Ausführungen von Vorrichtungen von Nachbehandlung von Motorabgasen bekannt, die gleichzeitg als Partikelfilter dienen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist ein Ziel der Erfindung, einen Abgasreiniger für einen Verbrennungsmotor und ein Verfahren zur Abgasreinigung bereitzustellen, wodurch es möglich ist, einen ganzen katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter für die Regenerierung nach einer SO_x-Verschlechterung in kurzer Zeit aufzuheizen.

Gegenstand der Erfindung ist ein Abgasreiniger für einen Verbrennungsmotor gemäß Patentanspruch 1.

Bevorzugte Ausführungsformen davon sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 4.

Weiterer Gegenstand ist ein Verfahren zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 5.

Bevorzugte Ausführungsformen dieses Verfahrens sind Gegenstand der Ansprüche 5 bis 8.

Ein Abgasreiniger für einen Verbrennungsmotor gemäß eines ersten Aspekts der Erfindung umfaßt einen katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter, der im Abgassystem des Motors angeordnet ist und der NO_x-Verbindungen absorbiert, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis der Umgebungsatmosphäre mager ist, und der NO_x-Verbindungen abgibt, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis der Umgebungsatmosphäre stöchiometrisch oder fett ist, eine Wechselvorrichtung zum Wechseln der Stromaufwärts- und Stromabwärtsseiten des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters und eine Zuleitungsvorrichtung, um ein Reduzierungsmittels von der Stromaufwärtsseite her zum katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter zu leiten. Die Zuleitungsvorrichtung leitet das Reduzierungsmittel ein und die Wechselvorrichtung wechselt die Stromaufwärts- und Stromabwärtsseiten des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters zum Zwecke der Regenerierung des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters nach der SO_x-Verschlechterung.

Im vorangehend genannten Aspekt kann, wenn die Temperatur des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters gleich oder höher geworden ist als eine erste festgelegte Temperatur oder abgeschätzt wird, daß sie gleich oder höher geworden ist als eine erste festgesetzte Temperatur, die Zuleitungsvorrichtung das Reduzierungsmittel zuleiten, um das Luft/Kraftstoff-Verhältnis der Atmosphäre, die den katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter umgibt, stöchiometrisch oder fett zu machen, und die Wechselvorrichtung kann die Stromaufwärts- und Stromabwärtsseiten des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters wiederholt wechseln, und wenn die Temperatur des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters gleich oder höher als eine zweite festgesetzte Temperatur geworden ist oder abgeschätzt wird, daß sie gleich oder höher als die zweite festgesetzte Temperatur geworden ist, kann die Wechselvorrichtung das Wechseln der Stromaufwärts- und Stromabwärtsseiten des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters beenden.

Im vorstehend genannten Aspekt kann der katalytische NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter eine Trennwand zum Sammeln der Partikel im Abgas aufweisen, und die Trennwand kann ein Freisetzungsmittel für aktiven Sauerstoff aufweisen, und die Trennwand kann eine erste Sammeloberfläche und eine zweite Sammeloberfläche aufweisen, und die Wechselvorrichtung kann die Stromaufwärts- und Stromabwärtsseiten des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters wechseln, damit die ersten und zweiten Sammeloberflächen der Trennwand dadurch abwechselnd genutzt werden, um Partikel zu sammeln.

Im vorstehend genannten Aspekt kann das Freisetzungsmittel für aktiven Sauerstoff Sauerstoff einfangen und zurückhalten, wenn ein Sauerstoffüberschuß in der Umgebung vorliegt, und kann den zurückgehaltenen Sauerstoff in Form von aktivem Sauerstoff freisetzen, wenn die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung abnimmt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Längsschnittansicht eines Dieselmotors mit einem Abgasreiniger gemäß der Erfindung.
2 ist eine vergrößerte Längsschnittansicht einer in 1 gezeigten Brennkammer.
3 ist eine Unteransicht eines in 1 gezeigten Zylinderkopfs.
4 ist eine Querschnittsansicht einer Brennkammer.
5 zeigt das Heben der Ansaug- und Auspuffventile und die Kraftstoffeinspritzung.
6 zeigt die Menge an erzeugtem Rauch und NO_x-Verbindungen und dergleichen.
7 zeigt Verbrennungsdrücke.
8 zeigt Kraftstoffmoleküle.
9 zeigt die Beziehung zwischen der Menge an erzeugtem Rauch und der EGR-Rate.
10 zeigt die Beziehung zwischen der Menge an eingespritztem Kraftstoff und der Menge an Mischgas.
11 zeigt einen ersten Betriebsbereich I und einen zweiten Betriebsbereich Π.
12 zeigt die Datenausgabe eines Sensors für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis.
13 zeigt die Öffnung eines Drosselventils und dergleichen.
14 zeigt das Luft/Kraftstoff Verhältnis im ersten Betriebsbereich I.
15 zeigt Speicherpläne der Ziel-Öffnungen eines Drosselventils und dergleichen.
16 zeigt das Luft/Kraftstoff-Verhältnis während der normalen Verbrennung.
17 zeigt die Ziel-Öffnung eines Drosselventils und dergleichen.
18 ist eine Draufsicht auf einen Bereich in der Umgebung eines katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters und einen Umschaltabschnitt im Abgassystem des Motors.
19 ist eine Seitenansicht von 18.
20 zeigt eine Blockierstellung eines Ventilgehäuses im Umschaltabschnitt, bei der es sich nicht um die in 18 gezeigte Blockierstellung handelt.
21 zeigt den Aufbau eines katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters.
22 ist eine erläuternde Darstellung der Wirkungen des Absorbierens und Ausstoßens von NO_x-Verbindungen.
23 zeigt Speicherpläne der Mengen an absorbierten NO_x-Verbindungen pro Zeiteinheit.
24 ist ein erstes Ablaufdiagramm für die Regenerierung eines katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters nach der SO_x-Verschlechterung.
25 zeigt Temperaturveränderungen von verschiedenen Abschnitten eines katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters.
26 ist eine erläuternde Darstellung, die zeigt, wie Partikel oxidiert werden.
27 zeigt die Beziehung zwischen der Menge der Partikel, die durch Oxidation beseitigt werden können, und der Temperatur eines katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters.
28 ist eine erläuternde Darstellung, die zeigt, wie Partikel Ablagerungen bilden.
29 ist ein zweites Ablaufdiagramm zum Verhindern, daß eine große Partikelmenge sich in einem katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter ablagert.
30 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht einer Trennwand eines katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 ist eine schematische Längsschnittansicht eines Viertakt-Dieselmotors mit einem Abgasreiniger gemäß der Erfindung. 2 ist eine vergrößerte Längsschnittansicht einer Brennkammer des in 1 gezeigten Dieselmotors. 3 ist eine Unteransicht eines Zylinderkopfs des in 1 gezeigten Dieselmotors. Die 1 bis 3 zeigen ein Motorgehäuse 1, einen Zylinderblock 2, einen Zylinderkopf 3, einen Kolben 4, einen Hohlraum 5a, der auf der Oberseite des Kolbens 4 gebildet wird, eine Brennkammer 5, die im Hohlraum 5a gebildet wird, ein elektronisch gesteuertes Kraftstoff-Einspritzventil 6, ein Paar Ansaugventile 7, eine Ansaugöffnung 8, ein Paar Auspuffventile 9 und eine Auspufföffnung 10. Die Ansaugöffnung 8 ist mittels einer korrespondierenden Ansaug-Zweigleitung 11 mit einem Ausgleichsbehälter 12 verbunden, und der Ausgleichsbehälter 12 ist durch einen Ansaugkanal 13 mit einem Luftreiniger 14 verbunden. Ein Drosselventil 16, das von einem Elektromotor 15 angetrieben wird, ist im Ansaugkanal 13 angeordnet. Andererseits ist die Auspufföffnung 10 durch einen Auspuffkrümmer 17 mit einem Auspuffrohr 18 verbunden.
Wie in 1 gezeigt, ist ein Sensor für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis 21 im Auspuffkrümmer 17 angeordnet. Der Auspuffkrümmer 17 und der Ausgleichsbehälter 12 sind durch eine EGR-Leitung 22 miteinander verbunden. Ein elektronisch gesteuertes EGR-Steuerungsventil 23 ist in der EGR-Leitung 22 angeordnet. Eine Kühleinheit 24 zum Kühlen des EGR-Gases, das durch die EGR-Leitung 22 strömt, ist um die EGR-Leitung 22 herum angeordnet. In der in 1 gezeigten Ausführungsform wird Motorkühlmittel in die Kühleinheit 24 eingeleitet, um das EGR-Gas durch das Motorkühlmittel zu kühlen.
Andererseits ist jedes Kraftstoff-Einspritzventil 6 durch ein Kraftstoff-Zuleitungsrohr 25 mit einem Kraftstoffbehälter, das heißt, einer sogenannten Gemeinsamen Schiene (Common Rail) verbunden. Kraftstoff wird der Gemeinsamen Schiene 26 von einer elektronisch gesteuerten Kraftstoffpumpe 27 zugeleitet, deren Ausstoßmenge variabel ist. Der Kraftstoff, der zur Gemeinsamen Schiene 26 geleitet wird, wird jeweils durch ein Kraftstoff-Zuleitungsrohr 25 zum Kraftstoff-Einspritzventil 6 geleitet. Ein Kraftstoffdruck-Sensor 28 zum Bestimmen des Kraftstoffdrucks in der Gemeinsamen Schiene 26 ist in der Gemeinsamen Schiene 26 installiert. Auf der Grundlage des Ausgangssignals vom Kraftstoffdruck-Sensor 28 wird die Ausstoßmenge der Kraftstoffpumpe 27 gesteuert, damit der Kraftstoffdruck in der Gemeinsamen Schiene 26 gleich einem Ziel-Kraftstoffdruck wird.
Die Ausgangssignale vom Sensor für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis 21 und dem Kraftstoffdruck-Sensor 28 werden in eine elektronische Steuerungseinheit 30 eingegeben. Ein Lastsensor 41, der die Ausgangsspannung proportional zum Ausmaß der Absenkung L eines Gaspedals 40 erzeugt, ist mit dem Gaspedal 40 verbunden. Das Ausgangssignal vom Lastsensor 41 wird ebenfalls in die elektronische Steuerungseinheit 30 eingegeben. Außerdem wird das Ausgangssignal vom Kurbelwinkelsensor 42, der jedesmal, wenn die Kurbelwelle sich beispielsweise um 30° CA dreht, einen Ausgangspuls erzeugt, ebenfalls in die elektronische Steuerungseinheit 30 eingegeben. Somit regelt die elektronische Steuerungseinheit 30 auf der Grundlage verschiedener Signale das Kraftstoff-Einspritzventil 6, den Elektromotor 15, das EGR-Steuerungsventil 23 und die Kraftstoffpumpe 27 und ein Umschaltventil 19, das im Auspuffrohr 18 angeordnet ist. Das Umschaltventil 19 wird später beschrieben. Ein ROM (in den Figuren nicht gezeigt) ist in die elektronische Steuerungseinheit 30 eingebaut.
Wie in den 2, 3 gezeigt, ist in der Ausführungsform gemäß der Erfindung das Kraftstoff-Einspritzventil 6 aus einer Lochdüse aufgebaut, die sechs Düsenöffnungen aufweist. Kraftstoffspritzer F werden von den Düsenöffnungen des Kraftstoff-Einspritzventils 6 in gleichwinkligen Intervallen und in Bezug zur horizontalen Achse leicht abwärts gerichtet eingespitzt. Wie in 3 gezeigt, fliegen zwei der sechs Kraftstoff spritzer F entlang der Unterseite des Ventilgehäuses jedes Auspuffventils 9. Die 2, 3 zeigen die Kraftstoffeinspritzung in einem späten Stadium des Kompressionshubs. Zu diesem Zeitpunkt bewegen sich die Kraftstoffspritzer zur Innenfläche des Hohlraums 5a und werden dann durch Entzündung verbrannt.
4 zeigt den Fall, bei dem zusätzlicher Kraftstoff vom Kraftstoff-Einspritzventil 6 eingespritzt wird, wenn die Anhebung des Auspuffventils 9 während des Auspuffhubs am höchsten ist. Das heißt, wie in 5 gezeigt, wird die Haupt-Einspritzung Qm in der Nähe des oberen Kompressionstotpunkts durchgeführt, und dann wird zusätzlicher Kraftstoff Qa in der Mitte des Auspuffhubs eingespritzt. In diesem Fall sind die Kraftstoffspritzer F, die sich in Richtung des Ventilgehäuses des Auspuffventils 9 bewegen, auf einen Zwischenraum zwischen der Rückseite der Schräge des Auspuffventils 9 und der Auspufföffnung 10 gerichtet. Mit anderen Worten sind zwei der drei Düsenöffnungen des Kraftstoffeinspritzventils 6 so konstruiert, daß die Kraftstoffspritzer F auf den Zwischenraum zwischen der Rückseite der Schräge des Auspuffventils 9 und der Auspufföffnung 10 gerichtet sind, sobald zusätzlicher Kraftstoff Qa eingespritzt wurde, wenn das Auspuffventil 9 offen ist. In der in 4 gezeigten Ausführungsform treffen die Kraftstoffspritzer F dann auf die Rückseite der Schräge des Auspuffventils 9, werden von diesem zurückgeworfen und bewegen sich in Richtung der Auspufföffnung 10.
Normalerweise wird kein zusätzlicher Kraftstoff Qa eingespritzt und nur die Haupteinspritzung Qm wird durchgeführt. 6 zeigt ein Versuchsbeispiel, das die Veränderungen des Antriebdrehmoments und die Veränderungen der erzeugten Mengen an Rauch, HC, CO und NO_x-Verbindungen anzeigt, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis A/F (die in 6 gezeigte Achse der Abszisse) durch Änderung der Öffnung des Drosselventils 16 verändert wird, und der EGR-Rate während des Niedriglastbetriebs des Motors. Wie aus 6 ersichtlich ist, zeigt dieses Versuchsbeispiel, daß die EGR-Rate sich mit der Abnahme des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses A/F erhöht und daß die EGR-Rate gleich oder höher ist als 65 %, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis gleich oder niedriger ist als das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis (~ 14,6).
Wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis A/F durch Erhöhung der EGR-Rate gesenkt wird, wie in 6 gezeigt, beginnt die Menge des erzeugten Rauchs zu steigen, wenn die EGR-Rate sich 40 % nähert und das Luft/Kraftstoff-Verhältnis A/F ungefähr 30 erreicht. Wenn dann die EGR-Rate weiter erhöht wird, um das Luft/Kraftstoff-Verhältnis A/F zu senken, steigt die Menge des erzeugten Rauchs plötzlich an und erreicht ihren höchsten Wert. Wenn dann die EGR-Rate weiter erhöht wird, um das Luft/Kraftstoff-Verhältnis A/F zu senken, nimmt die Menge des erzeugten Rauchs plötzlich ab und wird etwa gleich Null, wenn die EGR-Rate gleich oder höher als 65 % wird und das Luft/Kraftstoff-Verhältnis A/F sich 15,0 nähert. Mit anderen Worten wird fast kein Rauch erzeugt. Zu diesem Zeitpunkt nimmt das Hauptdrehmoment des Motors leicht ab und die Menge der erzeugten NO_x-Verbindungen wird ziemlich gering. Andererseits beginnen zu diesem Zeitpunkt die Mengen an erzeugtem HC und CO zu steigen.
7A zeigt Veränderungen des Verbrennungsdrucks in der Brennkammer 5, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis A/F nahe bei 21 liegt und die Menge des erzeugten Rauchs am größten ist. 7B zeigt Veränderungen des Verbrennungsdrucks in der Brennkammer 5, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis A/F nahe bei 18 liegt und die Menge des erzeugten Rauchs ungefähr gleich Null ist. Ein Vergleich zwischen den 7A und 7B zeigt, daß der Verbrennungsdruck in dem Fall, wenn die erzeugte Rauchmenge ungefähr gleich Null ist, wie in 7B gezeigt, niedriger ist als der Verbrennungsdruck in dem Fall, wenn die erzeugte Rauchmenge groß ist, wie in 7A gezeigt.
Der folgende Schluß kann aus den Versuchsergebnissen, die in den 6, 7 gezeigt sind, gezogen werden. Als erstes nimmt, wie in 6 gezeigt, die Menge an erzeugten NO_x-Verbindungen beträchtlich ab, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis A/F gleich oder niedriger als 15,0 ist und die erzeugte Rauchmenge ungefähr gleich Null ist. Die Abnahme der Menge an erzeugten NO_x-Verbindungen bedeutet, daß die Verbrennungstemperatur in der Brennkammer 65 gesunken ist. Demgemäß kann man folgern, daß die Verbrennungstemperatur in der Brennkammer 5 niedrig ist, wenn fast kein Ruß erzeugt wird. Die gleiche Schlußfolgerung kann aus 7 abgeleitet werden. Das heißt, der Verbrennungsdruck ist niedrig, wenn fast kein Ruß erzeugt wird, wie in 7B gezeigt. Dementsprechend kann man folgern, daß die Verbrennungstemperatur in der Brennkammer 5 zu diesem Zeitpunkt niedrig ist.
Zweitens steigen, wie in 6 gezeigt, die Mengen an freigesetztem HC und CO an, wenn die erzeugte Rauchmenge, d.h. die erzeugte Rußmenge, ungefähr gleich Null wird. Das bedeutet, daß Kohlenwasserstoffe freigesetzt werden, ohne zu Ruß zusammenzuwachsen. Das heißt, wenn die Temperatur im Stadium eines Sauerstoffmangels erhöht wird, werden die im Kraftstoff enthaltenen geradkettigen Kohlenwasserstoffe und aromatischen Kohlenwasserstoffe, wie in 8 gezeigt, thermisch abgebaut. Als Folge davon wird ein Rußvorläufer gebildet und Ruß, der hauptsächlich aus einer festen Agglomeration von Kohlenstoffatomen besteht, wird gebildet. In diesem Fall wird der eigentliche Vorgang der Rußerzeugung verkompliziert und es ist nicht klar, welche Konfiguration der Rußvorläufer annimmt. In jedem Fall wachsen die Kohlenwasserstoffe, wie in 8 gezeigt, über ihren Vorläufer zu Ruß zusammen. Wenn somit, wie vorstehend beschrieben, die erzeugte Rußmenge ungefähr gleich Null wird, steigen die Mengen an freigesetztem HC und CO an, wie in 6 gezeigt. Zu diesem Zeitpunkt stellt HC den Rußvorläufer oder einen Kohlenwasserstoff dar, der nicht zu einem Rußvorläufer zusammengewachsen ist.
Die Zusammenfassung dieser Überlegungen auf Grundlage der Versuchsergebnisse, die in 6, 7 gezeigt sind, zeigt, daß die erzeugte Rußmenge ungefähr gleich Null ist, wenn die Verbrennungstemperatur in der Brennkammer 5 niedrig ist, und daß die Brennkammer 5 den Rußvorläufer oder die Kohlenwasserstoffe, die nicht zu einem Rußvorläufer zusammengewachsen sind, zu diesem Zeigpunkt freisetzt. Sorgfältig detaillierte Experimente und Studien dieses Gegenstands haben gezeigt, daß der Wachstumsprozeß von Ruß angehalten wird, bevor er abgeschlossen ist, das heißt, es wird kein Ruß erzeugt, wenn die Temperatur des Kraftstoffs und des umgebenden Gases in der Brennkammer 5 gleich oder niedriger als eine bestimmte Temperatur, und daß Ruß erzeugt wird, falls die Temperatur des Kraftstoffs und des umgebenden Gases höher wird als die vorstehend genannte bestimmte Temperatur.
Wenn der Wachstumsprozeß der Kohlenwasserstoffe im Stadium des Rußvorläufers angehalten wird, ändern sich die Temperatur des Kraftstoffs und des umgebenden Gases und die vorstehend genannte bestimmte Temperatur abhängig von verschiedenen Faktoren, wie der Kraftstoffart, dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis und dem Kompressionsverhältnis, und können darum nicht im einzelnen bestimmt werden. Jedoch hängt die bestimmte Temperatur stark von der erzeugten Menge an NO_x-Verbindungen ab, und kann daher anhand der erzeugten Menge an NO_x-Verbindungen bis zu einem gewissen Grad geschätzt werden. Mit anderen Worten nimmt die Temperatur des Kraftstoffs und des umgebenden Gases während der Verbrennung ab, und die erzeugte Menge an NO_x-Verbindungen nimmt ab, während die EGR-Rate ansteigt. Es wird fast kein Ruß erzeugt, wenn die erzeugte Menge an NO_x-Verbindungen ungefähr gleich oder kleiner als 10 ppm wird. Demgemäß stimmt die vorstehend genannte bestimmte Temperatur im wesentlichen mit der Temperatur zu dem Zeitpunkt überein, wenn die erzeugte Menge an NO_x-Verbindungen ungefähr gleich oder kleiner als 10 ppm ist.
Wenn Ruß einmal erzeugt worden ist, kann der Ruß nicht durch eine Nachbehandlung mittels eines Katalysators mit Oxidationsfunktion gereinigt werden. Im Gegensatz dazu können der Rußvorläufer oder die Kohlenwasserstoffe, die nicht zum Rußvorläufer zusammengewachsen sind, leicht durch eine Nachbehandlung mittels eines Katalysators mit Oxidationsfunktion gereinigt werden. Somit sind die Reduzierung der erzeugten Menge an NO_x-Verbindungen und die Freisetzung der Kohlenwasserstoffe, die nicht zum Rußvorläufer zusammengewachsen sind, aus der Brennkammer 5 hochwirksam für die Abgasreinigung.
Um das Wachstum der Kohlenwasserstoffe zu beenden, bevor Ruß erzeugt wird, ist es notwendig, die Temperatur des Kraftstoffs und des umgebenden Gases in der Brennkammer 5 während der Verbrennung unter einer Temperatur zu halten, bei der Ruß erzeugt wird. Es hat sich gezeigt, daß in diesem Fall die endotherme Wirkung des Gases, das den Kraftstoff während seiner Verbrennung umgibt, die Reduzierung der Temperatur des Kraftstoffs und des umgebenden Gases entscheidend beeinflußt.
Das heißt, Kraftstoffdämpfe reagieren sofort mit dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff und verbrennen, wenn nichts als Luft den Kraftstoff umgibt. In diesem Fall erhöht sich die Temperatur der Luft, die vom Kraftstoff entfernt ist, nicht wesentlich, und nur die Temperatur um den Kraftstoff herum erhöht sich lokal begrenzt in erheblichem Ausmaß. Das heißt, die Luft, die vom Kraftstoff entfernt ist, zeigt zu diesem Zeitpunkt fast keine endotherme Wirkung der Verbrennungswärme des Kraftstoffs. In diesem Fall erzeugen, da die Verbrennungstemperatur lokal in erheblichem Maß ansteigt, die unverbrannten Kohlenwasserstoffe, die die Verbrennungswärme aufgenommen haben, Ruß.
Andererseits sind die Umstände etwas anders, wenn Kraftstoff in einer Gasmischung vorliegt, die aus einer großen Menge an inaktivem Gas und einer kleinen Menge Luft besteht. In diesem Fall verteilen sich die Kraftstoffdämpfe in der Umgebung, reagieren mit dem Sauerstoff, der mit dem inaktiven Gas vermischt ist, und verbrennen. In diesem Fall erhöht sich, da das umgebende inaktive Gas die Verbrennungswärme absorbiert, die Verbrennungstemperatur nicht besonders. Das heißt, man kann die Verbrennungstemperatur niedrig halten. Mit anderen Worten spielt die Anwesenheit eines inaktiven Gases eine wichtige Rolle bei der Senkung der Verbrennungstemperatur, und die endotherme Wirkung des inaktiven Gases ermöglicht es, die Verbrennungstemperatur niedrig zu halten.
In diesem Fall erfordert das Halten der Temperatur des Kraftstoffs und des umgebenden Gases unter einer Temperatur, bei der Ruß erzeugt wird, eine ausreichende Menge an aktivem Gas, um die Wärme ausreichend absorbieren zu können. Demgemäß erhöht sich die benötigte Menge an inaktivem Gas, wenn die Kraftstoffmenge steigt. In diesem Fall wird der endotherme Effekt proportional zur spezifischen Wärme des inaktiven Gases verstärkt. Somit ist es bevorzugt, ein inaktives Gas mit einer hohen spezifischen Wärme zu verwenden. In diesem Zusammenhang kann man, da CO₂ und EGR-Gas eine relativ hohe spezifische Wärme haben, folgern, daß EGR-Gas vorzugsweise als inaktives Gas verwendet wird.
9 zeigt die Beziehung zwischen der EGR-Rate und der Menge des erzeugten Rauchs, wenn EGR-Gas als inaktives Gas verwendet wird und der Abkühlungsgrad des EGR-Gases verändert wird. 9 zeigt Kurven A, B und C. die Kurve A zeigt den Fall, wenn die Temperatur des EGR-Gases durch intensives Kühlen des EGR-Gases ungefähr bei 90°C gehalten wird. Die Kurve B zeigt den Fall, wenn das EGR-Gas durch eine kompakte Kühleinheit gekühlt wird. Die Kurve C zeigt den Fall, wenn das EGR nicht stark gekühlt wird.
Wenn EGR-Gas intensiv gekühlt wird, wie durch die in 9 gezeigte Kurve A angezeigt, erreicht die erzeugte Rußmenge ihren höchsten Wert, wenn die EGR-Rate etwas niedriger als 50 % ist. In diesem Fall wird fast kein Ruß erzeugt, wenn die EGR-Rate ungefähr gleich oder höher als 55 % gemacht wird.
Andererseits erreicht, wenn das EGR-Gas leicht gekühlt wird, wie von der in 9 gezeigten Kurve B angezeigt, die erzeugte Rußmenge ihren höchsten Wert, wenn die EGR-Rate etwas höher als 50 % ist. In diesem Fall wird fast kein Ruß erzeugt, wenn die EGR-Rate ungefähr gleich oder höher als 65 % gemacht wird.
Außerdem erreicht, wenn EGR-Gas nicht stark gekühlt wird, wie von der in 9 gezeigten Kurve C angezeigt, die erzeugte Rauchmenge ihren höchsten Wert, wenn die EGR-Rate nahe bei 55 % liegt. In diesem Fall wird fast kein Ruß erzeugt, wenn die EGR-Rate ungefähr gleich oder höher als 70 % gemacht wird.
9 zeigt die erzeugten Rauchmengen, wenn die Motorlast relativ hoch ist. Wenn die Motorlast abnimmt, sinkt die EGR-Rate entsprechend einem höchsten Wert der Rußmenge leicht, und die untere Grenze der EGR-Rate, bei der fast kein Ruß erzeugt, wird, sinkt ebenfalls leicht. Die untere Grenze der EGR-Rate, bei der fast kein Ruß erzeugt wird, ändert sich abhängig von dem Abkühlungsgrad des EGR-Gases und der Motorlast.
10 zeigt die Menge des Mischgases, das aus EGR-Gas und Luft zusammengesetzt ist, die benötigt wird, um die Temperatur des Kraftstoffs und des umgebenden Gases unter der Temperatur zu halten, bei der Ruß erzeugt wird, das Verhältnis von Luft zur Gasmischung und das Verhältnis von EGR-Gas zur Gasmischung in dem Fall, wenn EGR-Gas als inaktives Gas verwendet wird. In 10 stellt die Achse der Ordinate die Gesamtmenge des Ansauggases dar, die in die Brennkammer 5 eingesaugt werden kann, und eine Kettenlinie Y stellt die Gesamtmenge des Ansauggases dar, die in die Brennkammer 5 eingesaugt werden kann, wenn Überlastbetrieb durchgeführt wird. Die Achse der Abszisse stellt die benötigte Last dar, und Z1 stellt einen Niedriglast-Betriebsbereich dar.
In 10 zeigt das Luftverhältnis, d.h. die Luftmenge im Mischgas, die Luftmenge an, die für eine vollständige Verbrennung des eingespritzten Kraftstoffs benötigt wird. Das heißt, im Fall, der in 10 gezeigt ist, ist die Luftmenge zur Menge an eingespritztem Kraftstoff stöchiometrisch. Andererseits zeigt in 10 das EGR-Gasverhältnis, d.h. die EGR-Gasmenge im Mischgas, die minimale EGR-Gasmenge an, die nötig ist, um die Temperatur des Kraftstoffs und des umgebenden Gases unter der Temperatur zu halten, bei der Ruß gebildet wird, während der Verbrennung des eingespritzten Kraftstoffs. Diese benötigte minimale EGR-Gasmenge entspricht einer EGR-Rate, die ungefähr gleich oder höher ist als 55 %. In der in 10 gezeigten Ausführungsform ist die EGR-Rate gleich oder höher als 70 %. Das heißt, daß, wenn man annimmt, daß die Gesamtmenge des in die Brennkammer 5 eingesaugten Ansauggases durch ein feste Linie X angegeben wird, die in 10 gezeigt ist, und daß das Verhältnis der Luftmenge und der EGR-Gasmenge zur Gesamtmenge des Ansauggases X ist, wie in 10 gezeigt, die Temperatur des Kraftstoffs und des umgebenden Gases niedriger ist als die Temperatur, bei der Ruß erzeugt wird. Infolgedessen wird kein Ruß erzeugt. Die erzeugte Menge an NO_x-Verbindungen ist zu diesem Zeitpunkt ungefähr gleich oder kleiner als 10 ppm und daher beträchtlich klein.
Da der Wärmeentwicklungswert während der Kraftstoffverbrennung steigt, wenn die Menge des eingespritzten Kraftstoffs steigt, muß die vom EGR-Gas absorbierte Wärmemenge erhöht werden, um die Temperatur des Kraftstoffs und des umgebenden Gases unter der Temperatur zu halten, bei der Ruß erzeugt wird. Somit muß, wie in 10 gezeigt, die EGR-Gasmenge erhöht werden, wenn die Menge an eingespritztem Kraftstoff steigt. Mit anderen Worten muß die EGR-Gasmenge erhöht werden, wenn die benötigte Last steigt.
Andererseits übersteigt in einem Lastbereich Z2, der in 10 gezeigt ist, die Gesamtmenge X des Ansauggases, die benötigt wird, um die Rußerzeugung zu verhindern, die Gesamtmenge Y des Ansauggases, das angesaugt werden kann. Demgemäß ist es zum Zwecke der Versorgung der Brennkammer 5 mit der Gesamtmenge X an Ansauggas, die nötig ist, um die Rußerzeugung zu verhindern, notwendig, sowohl das EGR-Gas als auch die Ansaugluft oder nur das EGR-Gas zu überladen oder zu komprimieren. Wenn EGR-Gas und dergleichen nicht überladen oder komprimiert werden, stimmt die Gesamtmenge X des Ansauggases mit der Gesamtmenge Y des Ansauggases überein, die im Lastbereich Z2 angesaugt werden kann. Somit erfordert in diesem Fall die Verhinderung der Rußerzeugung eine leichte Reduzierung der Luftmenge, eine Erhöhung der EGR-Gasmenge und ein Verbrennen des Kraftstoffs bei einem fetten Luft/Kraftstoff-Verhältnis.
Wie vorstehend beschrieben, zeigt 10 den Fall, wenn Kraftstoff beim stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis verbrannt wird. Im Niedriglast-Betriebsbereich Z1, der in 10 gezeigt ist, kann man, selbst wenn die Luftmenge kleiner gemacht wird als die in 10 gezeigte, d.h. selbst wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis fett gemacht wird, die erzeugte Menge der NO_x-Verbindungen ungefähr gleich oder kleiner als 10 ppm halten, während man die Rußerzeugung verhindert. Im Niedriglastbereich Z1, der in 10 gezeigt ist, ist es möglich, selbst wenn die Luftmenge größer als die in 10 gezeigte gemacht wird, d.h. sogar, wenn das durchschnittliche Luft/Kraftstoff-Verhältnis gleich einem mageren Luft/Kraftstoffverhältnis von 17 bis 18 gemacht wird, die erzeugte Menge der NO_x-Verbindungen ungefähr gleich oder kleiner zu halten als 10 ppm, während man die Rußerzeugung verhindert.
Das heißt, der Kraftstoffmenge liegt im Überschuß vor, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis fett gemacht wird. Da die Verbrennungstemperatur jedoch niedrig gehalten wird, wächst der überschüssige Kraftstoff jedoch nicht zu Ruß zusammen. Infolgedessen wird kein Ruß erzeugt. Zu diesem Zeitpunkt ist auch die erzeugte Menge der NO_x-Verbindungen beträchtlich klein. Andererseits wird eine geringe Menge Ruß als Antwort auf einen Anstieg der Verbrennungstemperatur erzeugt, wenn das durchschnittliche Luft/Kraftstoff-Verhältnis mager ist oder wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis stöchiometrisch ist. Gemäß der Erfindung wird jedoch, da die Verbrennungstemperatur niedrig gehalten wird, kein Ruß erzeugt. Außerdem ist die Menge der erzeugten NO_x-Verbindungen ebenfalls beträchtlich gering.
Daher wird während des Motorlast-Betriebsbereichs Z1 kein Ruß erzeugt, unabhängig vom Luft/Kraftstoff-Verhältnis, d.h. ob das Luft/Kraftstoff-Verhältnis stöchiometrisch oder fett ist, oder ob das durchschnittliche Luft/Kraftstoff-Verhältnis mager ist. Das heißt, die Menge der erzeugten NO_x-Verbindungen ist besonders klein. Dementsprechend ist es unter dem Gesichtspunkt der Verbesserung der Kraftstoff-Verbrauchsrate bevorzugt, das durchschnittliche Luft/Kraftstoff-Verhältnis mager zu halten.
Um die Temperatur des Kraftstoffs und des umgebenden Gases während der Verbrennung in der Brennkammer gleich oder niedriger als eine Temperatur zu halten, bei der das Wachstum der Kohlenwasserstoffe mittendrin angehalten wird, ist es bevorzugt, daß der Wärmeentwicklungswert, der aus der Verbrennung resultiert, niedrig ist. Somit wird in der Ausführungsform gemäß der Erfindung eine Niedrigtemperaturverbrennung durchgeführt, indem man die Temperatur des Kraftstoffs und des umgebenden Gases während der Verbrennung gleich oder niedriger hält als eine Temperatur, bei der das Wachstum der Kohlenwasserstoff mittendrin angehalten wird, während die Motorlast relativ niedrig ist, und eine normale Verbrennung durchgeführt wird, während die Motorlast relativ hoch ist. Wie aus der bisherigen Beschreibung hervorgeht, bezeichnet Niedrigtemperaturverbrennung den Verbrennungstyp, bei dem die Menge an inaktivem Gas in der Brennkammer größer ist als die ungünstigste Menge an inaktivem Gas, die der maximalen Menge an erzeugtem Ruß entspricht und wobei fast kein Ruß erzeugt wird, und normale Verbrennung bezeichnet den Verbrennungstyp, bei dem die Menge an inaktivem Gas in der Brennkammer kleiner ist als eine ungünstigste Menge an inaktivem Gas, die der maximalen Menge an erzeugtem Ruß entspricht.
11 zeigt einen ersten Betriebsbereich I, bei dem eine Niedrigtemperaturverbrennung durchgeführt wird, und einen zweiten Betriebsbereich II, bei dem eine normale Verbrennung durchgeführt wird. In 11 stellt die Achse der Ordinate L den Grad der Absenkung des Gaspedals 40 dar, d.h. die benötigte Last, und die Achse der Abszisse N stellt die Motorgeschwindigkeit dar. In 11 stellt X(N) eine erste Grenze zwischen dem ersten Betriebsbereich I und dem zweiten Betriebsbereich II dar, und Y(N) stellt eine zweite Grenze zwischen dem ersten Betriebsbereich I und dem zweiten Betriebsbereich II dar. Eine Verschiebung des Betriebsbereichs vom ersten Betriebsbereich I zum zweiten Betriebsbereich II wird auf der Grundlage der ersten Grenze X(N) beurteilt, und eine Verschiebung des Betriebsbereichs vom zweiten Betriebsbereich II zum ersten Betriebsbereich I wird auf der Grundlage der zweiten Grenze (N) bestimmt.
Das heißt, falls die benötigte Last L die erste Grenze X(N) überschreitet, die als Funktion der Motorgeschwindigkeit N ausgedrückt wird, wenn eine Niedrigtemperaturverbrennung durchgeführt wird, wobei sich der Motor im ersten Betriebsbereich I befindet, wird beurteilt, daß der Betriebsbereich in den zweiten Betriebsbereich II verschoben wurde, und eine normale Verbrennung durchgeführt wird. Wenn die benötigte Last L dann unter die zweite Grenze Y(N) fällt, die als Funktion der Motorgeschwindigkeit N ausgedrückt wird, wird beurteilt, daß der Betriebsbereich in den ersten Betriebsbereich I verschoben wurde, und es wird nochmals eine Niedrigtemperaturverbrennung durchgeführt.
12 zeigt die Signalausgabe des Sensors für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis 21. Wie in 12 gezeigt, ändert sich der Ausgangsstrom I des Sensors für das Luft/-Kraftstoff-Verhältnis 21 gemäß dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis A/F. Somit kann man das Luft/Kraftstoff-Verhältnis anhand des Ausgangsstroms I des Sensors für das Luft/-Kraftstoff-Verhältnis 21 bestimmen. In 13 wird das Schema der Betriebssteuerung im ersten Betriebsbereich I und im zweiten Betriebsbereich II beschrieben.
13 zeigt, wie die Öffnung des Drosselventils 16, die Öffnung des EGR-Steuerungsventils 23, die EGR-Rate, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis, der Zeitpunkt der Kraftstoff-Einspritzung und die Menge der Kraftstoffeinspritzung sich ändern, wenn die benötigte Last L sich ändert. Wie in 13 gezeigt, wird im ersten Betriebsbereich I, wenn die benötigte Last L niedrig ist, die Öffnung des Drosselventils 16 allmählich etwa von der völlig geschlossenen Stellung bis zur halb geöffneten Stellung vergrößert, sobald die benötigte Last L ansteigt, und die Öffnung des EGR-Steuerungsventils 23 vergrößert sich allmählich, etwa von der völlig geschlossenen Stellung bis zur völlig geöffneten Stellung, sobald die benötigte Last L steigt. Im Beispiel, das in 13 gezeigt ist, ist im ersten Betriebsbereich I die EGR-Rate ungefähr gleich 70 % und das Luft/Kraftstoff-Verhältnis is leicht mager.
Mit anderen Worten werden im ersten Betriebsbereich I die Öffnungen des Drosselventils 16 und des EGR-Steuerungsventils 23 so gesteuert, daß die EGR-Rate ungefähr gleich 70 % wird und das Luft/Kraftstoff-Verhältnis leicht mager wird. Zu diesem Zeitpunkt wird das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf ein mageres Ziel-Luft/Kraftstoff-Verhältnis geregelt, indem man die Öffnung des EGR-Steuerungsventils 23 auf der Grundlage des Ausgangssignals vom Sensor für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis 21 anpaßt. Im ersten Betriebsbereich I wird eine Kraftstoffeinspritzung vor einem oberen Kompressionstotpunkt TDC durchgeführt. In diesem Fall wird der Zeitpunkt des Beginns der Kraftstoffeinspritzung θS verzögert, wenn die erforderliche Last L sich erhöht. Der Endzeitpunkt θE der Kraftstoffeinspriztung wird ebenfalls verzögert, wenn der Zeitpunkt des Beginns der Kraftstoffeinspritzung verzögert wird.
Während des Leerlaufs wird das Drosselventil 16 ungefähr bis zu seiner völlig geschlossenen Stellung geschlossen, und das EGR-Steuerungsventil 23 wird ebenfalls ungefähr bis zu seiner völlig geschlossenen Stellung geschlossen. Wenn das Drosselventil 16 ungefähr bis zu seiner völlig geschlossenen Stellung geschlossen wird, sinkt der Druck in der Brennkammer 5 zu Beginn der Kompression und daher sinkt der Kompressionsdruck. Wenn der Kompressionsdruck sinkt, nimmt die Kompressionsarbeit, die vom Kolben geleistet wird, ab, und darum nimmt die Schwingung des Motorgehäuses 1 ab. Das heißt, während des Leerlaufs wird das Drosselventil 16 ungefähr bis zu seiner völlig geschlossenen Stellung geschlossen, um die Schwingung des Motorgehäuses 1 zu dämpfen.
Andererseits wird, wenn sich der Betriebsbereich des Motors vom ersten Betriebsbereich I zum zweiten Betriebsbereich II verschiebt, die Öffnung des Drosselventils 16 schrittweise von ihrer halb geöffneten Stellung in ihre völlig geöffnete Stellung erweitert. Zu diesem Zeitpunkt wird im in 13 gezeigten Beispiel die EGR-Rate schrittweise etwa von 70 % auf 40 % oder weniger gesenkt, und das Luft/Kraftstoff-Verhältnis wird schrittweise erhöht. Das heißt, da die EGR-Rate einen EGR-Ratenbereich (9), bei dem eine große Rauchmenge erzeugt wird, überschreitet, bewirkt eine Verschiebung des Betriebsbereichs des Motors vom ersten Betriebsbereich I zum zweiten Betriebsbereich II nicht, daß eine großen Rauchmenge erzeugt wird.
Im zweiten Betriebsbereich Π wird eine normale Verbrennung durchgeführt. Eine normale Verbrennung bewirkt die Erzeugung einer kleinen Menge an Ruß und NO_x-Verbindungen, besitzt aber einen höheren thermischen Wirkungsgrad als eine Niedrigtemperaturverbrennung. Wenn somit der Betrieb des Motors vom ersten Betriebsbereich I in den zweiten Betriebsbereich Π verschoben wird, wird die Menge des eingespritzten Kraftstoffs schrittweise verringert, wie in 13 gezeigt.
Im zweiten Betriebsbereich II wird das Drosselventil 16 meist in der völlig geöffneten Stellung gehalten, und die Öffnung des EGR-Steuerungsventils 23 wird allmählich verkleinert, wenn die benötigte Last L steigt. Im zweiten Betriebsbereich II sinkt die EGR-Rate, sobald die benötigte Last L steigt, und das Luft/Kraftstoff-Verhältnis nimmt ab, sobald die benötigte Last L steigt. Das Luft/Kraftstoff-Verhältnis bleibt jedoch mager, selbst wenn die benötigte Last L gestiegen ist. Im zweiten Betriebsbereich II liegt der Zeitpunkt des Beginns der Kraftstoffeinspritzung θS nahe des oberen Kompressions-Totpunkts TDC.
14 zeigt das Luft/Kraftstoff-Verhältnis A/F im ersten Betriebsbereich I. In 14 zeigen Kurven, die mit A/F = 15,5, A/F = 16, A/F = 17 und A/F = 18 markiert sind, an, daß das Luft/Kraftstoff-Verhältnis gleich 15,5, 16, 17 bzw. 18 ist, und die Luft/Kraftstoff-Verhältnisse zwischen den Kurven werden durch proportionale Verteilung bestimmt. Wie in 14 gezeigt, ist das Luft/Kraftstoff-Verhältnis im ersten Betriebsbereich I mager, und das Luft/Kraftstoff-Verhältnis A/F wird magerer, wenn die benötigte Last L im ersten Betriebsbereich I abnimmt.
Das heißt, der Wärmefreisetzungswert, der sich aus der Verbrennung ergibt, nimmt ab, wenn die benötigte Last L abnimmt. Somit erhöht sich, wenn die benötigte Last L abnimmt, die Möglichkeit der Durchführung einer Niedrigtemperaturverbrennung, selbst wenn die EGR-Rate verringert wurde. Das Luft/Kraftstoff-Verhältnis steigt, wenn die EGR-Rate gesenkt wird. Somit wird, wie in 14 gezeigt, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis A/F erhöht, wenn die benötigte Last L abnimmt. Die Kraftstoff-Verbrauchsrate wird verbessert, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis A/F steigt. Demgemäß wird in dieser Ausführungsform, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis so mager wie möglich zu machen, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis A/F erhöht, wenn die benötigte Last L sinkt.
Die Ziel-Öffnungsgrade ST des Drosselventils 16, die notwenig sind, um das Luft/Kraftstoff-Verhältnis gleich den Ziel-Luft/Kraftstoff-Verhältnissen, die in 14 gezeigt sind, zu machen, werden zuvor im ROM in Form eines Speicherplans als Funktion der benötigten Last L und der Motorgeschwindigkeit N gespeichert, wie in 15A gezeigt. Die Ziel-Öffnungsgrade SE des EGR-Steuerungsventils 23, die benötigt werden, um das Luft/Kraftstoff-Verhältnis gleich den Ziel-Luft/Kraftstoff- Verhältnissen zu machen, die in 14 gezeigt sind, werden zuvor im ROM in Form eines Speicherplans als Funktion der benötigten Last L und der Motorgeschwindigkeit N gespeichert, wie in 15B gezeigt.
16 zeigt das Ziel-Luft/Kraftstoff-Verhältnis während der normalen Verbrennung. In 16 zeigen Kurven, die mit A/F = 24, A/F = 35, A/F = 45 und A/F = 60 markiert sind, an, daß das Luft/Kraftstoff-Verhältnis gleich 24, 35, 45 bzw. 60 ist. Die Ziel-Öffnungsgrade ST des Drosselventils 16, die notwendig sind, um das Luft/Kraftstoff-Verhältnis gleich den Ziel-Luft/Kraftstoffverhältnissen zu machen, werden zuvor im ROM in Form eines Speicherplans als Funktion der benötigten Last L und der Motorgeschwindigkeit N gespeichert, wie in 17A gezeigt. Die Ziel-Öffnungsgrade SE des EGR-Steuerungsventils 23, die benötigt werden, um das Luft/Kraftstoff-Verhältnis gleich den Ziel-Luft/Kraftstoff-Verhältnissen zu machen, werden zuvor im ROM in Form eines Speicherplans als Funktion der benötigten Last L und der Motorgeschwindigkeit N gespeichert, wie in 17B gezeigt.
Somit wird der Betrieb des Dieselmotors gemäß dieser Ausführungsform zwischen der Niedrigtemperaturverbrennung und der normalen Verbrennung auf Grundlage des Absenkungsgrades L des Gaspedals 40 und der Motorgeschwindigkeit N umgeschaltet. Während jeder Niedrigtemperatur-Verbrennung und normalen Verbrennen werden auf Grundlage des Absenkungsgrades L des Gaspedals 40 und der Motorgeschwindigkeit N die Öffnungen des Drosselventils 16 und des EGR-Ventils mit Bezug auf den Speicherplan, der in 15 oder 17 gezeigt ist, gesteuert.
18 ist eine Draufsicht auf einen Abgasreiniger dieser Ausführungsform. 19 ist eine Seitenansicht des Abgasreinigers. Der Abgasreiniger weist eine Wechselvorrichtung 71, die durch das Auspuffrohr 18 mit der Stromabwärtsseite des Auspuffkrümmers 17 verbunden ist, einen katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter 70, einen ersten Verbindungsabschnitt 72a zum Verbinden einer Seite des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters mit der Wechselvorrichtung 71, einen zweiten Verbindungsabschnitt 72b zum Verbinden der anderen Seite des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters mit der Wechselvorrichtung 71, und eine Auspuffleitung 73 stromabwärts der Wechselvorrichtung 71 auf. Eine Zuleitungsvorrichtung 74 zum Leiten von Reduzierungsmitteln, wie Kraftstoff, zur Stromaufwärtsseite der Wechselvorrichtung 71, ist im Auspuffrohr 18 angeordnet. Die Wechselvorrichtung 71 weist ein Ventilgehäuse 71a auf, das den Abgasstrom in der Wechselvorrichtung 71 blockieren kann. Das Ventilgehäuse 71a wird von einem Negativdruckantrieb angetrieben, einem Schrittmotor oder dergleichen. Wenn das Ventilgehäuse 71a die eine Blockierstellung einnimmt, steht die Stromaufwärtsseite der Wechselvorrichtung 71 mit dem ersten Verbindungsabschnitt 72a in Verbindung, und die Stromabwärtsseite der Wechselvorrichtung 71 steht mit dem zweiten Verbindungsabschnitt 72b in Verbindung. In dieser Stellung strömt Abgas von der einen Seite zur anderen Seite des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters 70, wie von Pfeilen in 18 angezeigt.
20 zeigt die andere Blockierstellung des Ventilgehäuses 71a. Wenn das Ventilgehäuse 71a die andere Blockierstellung einnimmt, steht die Stromaufwärtsseite der Wechselvorrichtung 71 mit dem zweiten Verbindungsabschnitt 72b in Verbindung, und die Stromabwärtsseite der Wechselvorrichtung 71 steht mit dem ersten Verbindungsabschnitt 72a in Verbindung. In dieser Stellung strömt Abgas von der anderen Seite zur ersten Seite des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters 70, wie von Pfeilen in 20 angezeigt. Somit kann durch Umschalten des Ventilgehäuses 71a die Richtung des Abgasstroms in den katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter 70 gewechselt werden, d.h. die Stromaufwärts- und Stromabwärtsseiten des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters 70 können gewechselt werden.
21 zeigt den Aufbau des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters 70. 21A ist eine Vorderansicht des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters 70, und 21B ist eine Querschnittsansicht des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters 70. Wie in den 21A, 21B ge zeigt, weist der katalytische NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter 70 eine elliptische Vorderseite auf, ist als Wand-Strom-Typ mit Honigwabenstruktur, die aus einem porösen Material, wie Cordierit, gebildet ist, konstruiert, und weist eine Vielzahl von axialen Zwischenräumen auf, die von einer Vielzahl von Trennwänden 54, die sich in Axialrichtung erstrecken, getrennt werden. Einer von zwei benachbarten axialen Zwischenräumen wird auf der Stromabwärtsseite mittels eines Pfropfens 52 verschlossen, und der andere wird an der Stromaufwärtsseite mittels eines Pfropfens 53 verschlossen. Somit dient einer von zwei benachbarten Zwischenräumen als Einströmungskanal 50, und der andere dient als Ausströmungskanal 51. Wie von Pfeilen in 21B angezeigt, tritt das Abgas zwangsläufig durch die Trennwände 54. Wenn man ein Material wie Aluminiumoxid verwendet, werden ein im folgenden genanntes NO_x-Absorptionsmittel und ein Edelmetallkatalysator, wie Platin Pt, auf beiden Oberflächen der jeweiligen Trennwände 54 und vorzugsweise auf den Oberflächen der Poren in den jeweiligen Trennwänden 54 getragen.
In dieser Ausführungsform besteht das NO_x-Absorptionsmittel, das auf den Trennwänden 54 getragen wird, aus mindestens einem Material, das ausgewählt ist aus Allcalimetallen, wie Kalium K, Natrium Na, Lithium Li und Cäsium Cs, Erdalkalimetallen, wie Barium Ba und Calcium Ca, Seltenerdelementen, wie Lanthan La und Yttrium Y. Das NO_x-Absorptionsmittel zeigt die Wirkung einer Absorption und Freisetzung von NO_x-Verbindungen. Das heißt, das NO_x-Absorpitonsmittel absorbiert NO_x-Verbindungen, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis der Umgebungsatmosphäre (was das Verhältnis von Luft zu Kraftstoff bezeichnet und nichts damit zu tun hat, wie viel Kraftstoff verbrannt wird, wenn der Sauerstoff in der Luft verbrannt wird) mager ist, und setzt die absorbierten NO_x-Verbindungen frei, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis stöchiometrisch oder fett wird.
Obwohl das NO_x-Absorptionsmittel tatsächlich die Wirkungen eines Absorbierens und Freisetzens von NO_x-Verbindungen zeigt, ist der detaillierte Mechanismus der Wirkungen des Absorbierens und Freisetzens von NO_x-Verbindungen nicht völlig klar. Man nimmt jedoch an, daß die Wirkungen des Absorbierens und Freisetzens von NO_x-Verbindungen gemäß eines Mechanismus ausgeübt werden, der in 22 gezeigt ist. Dieser Mechanismus wird nun mit Bezug auf ein Beispiel beschrieben, bei dem Platin Pt und Barium Ba auf den Trennwänden des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters getragen werden. Ein ähnlicher Mechanismus läuft jedoch auch ab, wenn andere Edelmetalle, Alkalimetalle, Erdalkalimetalle und Seltenerdelemente verwendet werden.
Wenn eine Verbrennung bei einem mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnis durchgeführt wird, enthält das Abgas eine hohe Sauerstoffkonzentration, unabhängig davon, ob eine Niedrigtemperaturverbrennung oder eine normale Verbrennung durchgeführt wird. Zu diesem Zeitpunkt haften Sauerstoffeinheiten O₂ in Form von O₂ ^– oder O^2–, wie in 22A gezeigt, an der Oberfläche des Platin Pt. Andererseits reagiert das NO im einströmenden Abgas auf der Oberfläche des Platins Pt mit O₂ ^– oder O^2– und wird zu NO₂(2NO + O₂ → 2NO₂). Ein Teil des erzeugten NO₂ wird dann in das Absorptionsmittel absorbiert, während es auf Platin Pt oxidiert wird. Gebunden an Bariumoxid BaO wird NO₂ in Form des Nitrations NO₃ ^– im Absorptionsmittel verteilt, wie in 22A gezeigt. Somit werden NO_x-Verbindungen in das NO_x-Absorptionsmittel absorbiert. Solange die Sauerstoffkonzentration in der Umgebungsatmosphäre hoch bleibt, wird NO₂ auf der Oberfläche des Platins Pt erzeugt. Solange die NO_x-Absorptionsfähigkeit des Absorptionsmittel nicht erschöpft ist, wird NO₂ in das Absorptionsmittel absorbiert und Nitration NO₃ ^– wird erzeugt.
Andererseits nimmt die Sauerstoffkonzentration ab, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis der Umgebungsatmosphäre fett gemacht wird. Infolgedessen nimmt die Menge des auf der Oberfläche des Platins Pt erzeugten NO₂ ab. Wenn die Menge des erzeugten NO₂ abnimmt, schreitet die Reaktion in der umgekehrten Richtung (NO₃ ^– → NO₂) voran. Somit wird das Nitration NO₃ ^– im Absorptionsmittel von diesem in Form von von NO₂ freigesetzt. Die NO_x-Verbindungen, die zu diesem Zeitpunkt vom NO_x-Absorptionsmittel freigesetzt werden, reagieren mit dem in der Umgebungsatmosphäre enthaltenen HC, CO und dergleichen und werden reduziert, wie in 22B gezeigt. Wenn NO₂ somit von der Oberfläche des Platins Pt verschwindet, wird NO₂ nach und nach vom Absorptionsmittel freigesetzt. Demgemäß werden, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis der Umgebungsatmosphäre fett gemacht wird, NO_x-Verbindungen vom NO_x-Absorptionsmittel innerhalb einer kurzen Zeitspanne freigesetzt und dann reduziert. Darum können keine NO_x-Verbindungen in die Atmosphäre freigesetzt werden.
In diesem Fall werden NO_x-Verbindungen vom NO_x-Absorptionsmittel freigesetzt, sogar wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis der Umgebungsatmosphäre stöchiometrisch gemacht wurde. Da NO_x-Verbindungen jedoch vom NO_x-Absorptionsmittel nur allmählich freigesetzt werden, dauert es relativ lang, um sämtliche NO_x-Verbindungen, die im katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter absorbiert wurden, freizusetzen.
Die NO_x-Absorptionsfähigkeit des NO_x-Absorptionsmittels is beschränkt. Somit ist es notwendig, NO_x-Verbindungen aus dem NO_x-Absorptionsmittel freizusetzen, bevor die NO_x-Absorptionsfähigkeit des NO_x-Absorptionsmittels erschöpft ist. Das heißt, es ist notwendig, NO_x-Verbindungen durch Regeneration freizusetzen, zu reduzieren und zu reinigen, bevor die Menge der NO_x-Verbindungen, die im katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter absorbiert wird, eine speicherbare Menge erreicht. Dies erfordert eine Beurteilung der Menge der NO_x-Verbindungen. Dann wird gemäß dieser Ausführungsform die Absorptionsmenge A der NO_x-Verbindungen pro Zeiteinheit während der Niedrigtemperaturverbrennung im Voraus als Funktion der benötigten Last L und der Motorgeschwindigkeit N in Form eines Speicherplans berechnet, wie in 23A gezeigt. Die Absorptionsmenge B der NO_x-Verbindungen pro Zeiteinheit während der normalen Verbrennung wird im Voraus als Funktion der benötigten Last L und der Motorgeschwindigkeit N in Form eines Speicherplans berechnet, wie in 23B gezeigt. Die Menge der NO_x-Verbindungen, die im katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter absorbiert wird, wird durch Integration der Absorptionsmengen A, B der NO_x-Verbindungen pro Zeiteinheit berechnet. Da NO_x-Verbindungen freigesetzt werden, wenn eine Niedrigtemperaturverbrennung bei einem fetten Luft/Kraftstoff-Verhältnis durchgeführt wird, nimmt die Absorptions menge A der NO_x-Verbindungen pro Zeiteinheit während der Niedrigtemperaturverbrennung naturgemäß einen negativen Wert an. In dieser Ausführungsform wird zum Zweck der Regenerierung des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters, wenn die Menge der absorbierten NO_x-Verbindungen einen vorgestimmten erlaubten Wert übersteigt, eine Niedrigtemperaturverbrennung bei einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis oder einem fetten Luft/Kraftstoff-Verhältnis durchgeführt, oder das Luft/Kraftstoff-Verhältnis der Umgebungsatmosphäre wird stöchiometrisch oder fett gehalten, indem man Kraftstoff mit Hilfe der Zuleitungsvorrichtung 74 mindestens so lange zuleitet, wie es für den Abschluß der Regeneration erforderlich ist (die Zeitspanne nimmt ab, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis der Umgebungsatmosphäre abnimmt).
Der Kraftstoff für den Verbrennungsmotor enthält Schwefel, und während der Verbrennung werden SO_x-Verbindungen im katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter 70 in Form von Sulfaten gemäß eines Mechanismus, der dem der NO_x-Verbindungen ähnelt, absorbiert. Da Sulfate stabil sind, ist es unwahrscheinlich, daß sie vom katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter freigesetzt werden, selbst wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis der Umgebungsatmosphäre fett gemacht wird. Als Folge davon steigt die Menge des occludierten Sulfats allmählich an. Die Menge der Nitrate oder Sulfate, die im katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter occludiert werden kann, ist begrenzt. Wenn die Menge der im katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter occludierten Sulfate steigt (im folgenden als SO_x-Verschlechterung bezeichnet), nimmt die Menge der Nitrate, die occludiert werden können, ab. Schließlich wird es völlig unmöglich, NO_x-Verbindungen zu absorbieren.
Somit wird in dieser Ausführungsform der katalytische NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter 70 nach der SO_x-Verschlechterung gemäß eines ersten Ablaufdiagramms, das in 24 gezeigt ist, regeneriert. Dieses Ablaufdiagramm wird in Intervallen mit vorbestimmtem Zeitabstand wiederholt. Zuerst wird in Schritt 101 beurteilt, ob der Zeitpunkt, bei dem eine Regenerierung nach der SO_x-Verschlechterung nötig ist, erreicht wurde. Das Ergebnis dieser Beurteilung kann positiv sein, wenn die kumulative Kraftstoffmenge, die durch Integration der Menge des bisher verbrauchten Kraftstoffs berechnet wird, eine festgesetzte Menge erreicht hat. Während des vorstehend genannten Regenerierungsverfahrens wird das Luft/Kraftstoff-Verhältnis stromaufwärts vom katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter fett gemacht. Da jedoch Reduzierungsmittel, wie HC, verwendet werden, um die freigesetzten NO_x-Verbindungen während der Regeneration zu reduzieren und zu reinigen, liegt das Luft/Kraftstoff-Verhältnis stromabwärts vom katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter nahe am stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis. Nach Abschluß der Regeneration wird das Luft/Kraftstoff-Verhältnis stromabwärts vom katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter jedoch fett, d.h. ungefähr gleich dem Luft/-Kraftstoff-Verhältnis stromaufwärts vom katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter. Wenn die Regenerationszeitspanne mittels dieses Phänomens bestimmt wird, kann der Zeitpunkt für eine Regenerierung nach der SO_x-Verschlechterung bestimmt werden. Der Grund dafür ist folgender. Wenn die SO_x-Verschlechterung sich so weit ausgebreitet hat, daß eine Regenerierung notwendig ist, ist die Menge der absorbierten NO_x-Verbindungen zum Zeitpunkt der Regeneration tatsächlich klein und die Regenerierungszeitspanne ist kurz.
Wenn das Ergebnis der Beurteilung in Schritt 101 negativ ist, wird die Routine sofort angehalten. Wenn das Ergebnis der Beurteilung in Schritt 101 positiv ist, schreitet das Programm zu Schritt 102 voran, wo die Zuleitungsvorrichtung 74 Kraftstoff zuleitet. Wenn zu diesem Zeitpunkt eine Niedrigtemperaturverbrennung durchgeführt wird, wird das Verbrennungs-Luft/Kraftstoff-Verhältnis mager gemacht, damit das Abgas eine relativ große Sauerstoffmenge enthält. Sogar wenn Kraftstoff zugeleitet wurde, wird das Luft/Kraftstoff-Verhältnis der Atmosphäre um den katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter 70 herum als Folge davon mager gemacht. Somit wird dem katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter 70 eine ausreichende Menge an Sauerstoff und Kraftstoff zugeführt. Der Kraftstoff beginnt hauptsächlich am Abgaseinlaß des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters mit Hilfe eines darauf getragenen Oxidationskatalysators gut zu verbrennen,.
25 zeigt, wie die Temperaturen der jeweiligen Abschnitte des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters sich aufgrund dieser Kraftstoffverbrennung ändern. Eine durchgezogene Line, die in 25 gezeigt ist, zeigt die Temperaturen der jeweiligen Abschnitte unmittelbar nach dem Beginn der Kraftstoffverbrennung an. Dies zeigt, daß nur die Temperatur des Abgaseinlasses des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters gut gestiegen ist. Eine gepunktete Linie, die in 25 gezeigt ist, zeigt die Temperaturen der jeweiligen Abschnitte unmittelbar nach dem Stadium, das von der festen Linie gezeigt ist, an. Eine Linie aus abwechselnd langen und kurzen Strichen, die in 25 gezeigt ist, zeigt die Temperaturen der jeweiligen Abschnitte unmittelbar nach dem Stadium an, das von der gepunkteten Linie gezeigt ist. Wie von der gepunkteten Line und der Linie aus abwechselnd langen und kurzen Strichen gezeigt, strömt die Wärme, die den Abgaseinlaß aufgeheizt hat, zusammen mit dem Abgas zur Mitte und dann zum Auspuffauslaß des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters. Als Folge davon wird der Auspuffeinlaß nur leicht erwärmt, während der Auspuffauslaß gut erwärmt wird.
Wenn solch ein katalytischer NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter wiederholt durch den zugeleiteten Kraftstoff aufgeheizt wurde, kann der gesamte katalytische NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter einschließlich des Auspuffgaseinlasses allmählich erwärmt werden. Sulfate, die die Quelle der SO_x-Verschlechterung darstellen, sind stabile Substanzen. Wenn der katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter jedoch auf eine hohe Temperatur, wie 600°C, erwärmt wird, können die Sulfate als SO_x-Verbindungen freigesetzt werden, indem man das Luft/Kraftstoff-Verhältnis der Umgebungstemperatur stöchiometrisch oder fett macht und somit die Sauerstoffkonzentration verringert. Demgemäß erfordert eine Regenerierung nach der SO_x-Verschlechterung ein Aufheizen des gesamten katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters auf eine Temperatur von etwa 600°C. Wenn der katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter jedoch allmählich aufgeheizt wird, wie vorstehend beschrieben, wird eine lange Zeitspanne benötigt.
In diesem Ablaufdiagramm wird in Schritt 103 daher das Ventilgehäuse 71a in Intervallen von einer ersten festgesetzten Zeitspanne umgeschaltet, um die Stromaufwärts- und Stromabwärtsseiten des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters zu wechseln. Beispielsweise beträgt die erste festgesetzte Zeitspanne ein Dutzend Sekunden, was zumindest länger ist als die Zeitspanne vom Beginn der Verbrennung einer vorbestimmen Kraftstoffmenge im Abgaseinlaß des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters bis zum vorstehend genannten maximalen Temperaturanstieg an der Stromabwärtsseite infolge der Verbrennungswärme. Demgemäß weist, wenn die Wechselvorrichtung 71 umgeschaltet wird, der Abgaseinlaß des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters d.h. der Ex-Abgasauslaß des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters, eine relativ hohe Temperatur auf. Weiterer Kraftstoff beginnt ziemlich gut im Hochtemperatur-Abgaseinlaß zu verbrennen und heizt den Abgasauslaß weiter auf, wie vorstehend beschrieben.
Naturgemäß kann, selbst wenn der Ventilköper nur einmal umgeschaltet wurde, der gesamte katalytische NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter relativ gut aufgeheizt werden. In Schritt 104 wird jedoch beurteilt, ob die Temperatur TF des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters 600°C überstiegen hat oder nicht. Wenn das Ergebnis der Beurteilung in Schritt 104 negativ ist, werden die Kraftstoffzufuhr und das Umschalten des Ventilköpers wiederholt. Somit wird ständig Kraftstoff dem Abgasauslaß zugeführt, der relativ gut aufgeheizt wurde. Dies ermöglicht es, den gesamten katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter ziemlich schnell auf eine gewünschte Temperatur aufzuheizen. Die Temperatur TF des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters kann auf der Grundlage der Temperatur des Abgases, das von diesem freigesetzt wird, beurteilt werden. Beispielsweise kann man eine der Temperaturen des Abgaseinlasses, der Mitte und des Abgasauslasses des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters bestimmen. Alternativ dazu kann man auch all diese Temperaturen bestimmen und ihre Durchschnittstemperatur oder ihre niedrigste Temperatur übernehmen.
Wenn der katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter somit auf 600°C erwärmt wurde, ist das Ergebnis dieser Beurteilung in Schritt 104 positiv und das Programm schreitet zu Schritt 105 voran. In Schritt 105 wird eine größere Kraftstoffmenge als die des Kraftstoffs, der in Schritt 102 zugeführt wurde, zugeführt, so daß das Luft/Kraftstoff-Verhältnis der Atmosphäre, die den katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter 70 umgibt, stöchiometrisch oder vorzugsweise fett gemacht wird. Dadurch beginnt der katalytische NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter damit, SO_x-Verbindungen freizusetzen, die dann reduziert und gereinigt werden. Dann wird in Schritt 106 beurteilt, ob die Temperatur TF des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters 700°C überstiegen hat oder nicht. Weil die Temperatur des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters gerade 600°C überstiegen hat, ist das Ergebnis der Beurteilung in Schritt 106 negativ und das Programm schreitet zu Schritt 107 voran.
Die Temperatur TF des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters kann auf der Grundlage der Temperatur des Abgases, das von diesem freigesetzt wird, geschätzt werden. Beispielsweise kann man eine der Temperaturen des Abgaseinlasses, der Mitte und des Abgasauslasses des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters bestimmen. Alternativ dazu kann man auch all diese Temperaturen bestimmen und ihre Durchschnittstemperatur oder ihre höchste Temperatur übernehmen.
In Schritt 107 wird das Ventilgehäuse 71a in Intervallen von einer festgesetzten zweiten Zeitpanne umgeschaltet, um die Stromaufwärts- und Stromabwärtsseiten des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters 70 zu wechseln. Zum Beispiel beträgt die zweite festgesetzte Zeitspanne einige Sekunden. Dies macht es möglich, Kraftstoff abwechselnd zu den gegenüberliegenden Seiten des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters zu leiten. Wenn die SO_x-Verbindungen, die im Abgaseinlaß des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters festgesetzt wurden, gerade im Begriff sind, wieder im Abgasauslaß occludiert zu werden, hat der Abgasauslaß die Funktion eines Abgaseinlasses, in den Kraftstoff geleitet wird. Darum können die SO_x-Verbindungen reduziert und gereinigt werden, bevor sie occludiert werden. Somit kann eine Regenerierung nach der SO_x-Verschlechterung des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters in kurzer Zeit abgeschlossen werden.
Dann werden in Schritt 109 Sensoren für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis beispielsweise im ersten Verbindungsabschnitt 72a und im zweiten Verbindungsabschnitt 72b angeordnet, und es wird beurteilt, ob die Signalausgaben A1, A2 dieser Sensoren für das Luft/Kraftstoffverhältnis einander ungefähr gleich sind. Das heißt, es wird beurteilt, ob das Luftkraftstoff-Verhältnis stromaufwärts vom katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter ungefähr gleich dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis stromabwärts vom katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter ist. Wenn das Ergebnis der Beurteilung in Schritt 109 positiv ist, werden keine Reduzierungsmittel wie HC verwendet, um SO_x-Verbindungen zu reduzieren und zu reinigen. Das heißt, die Regenerierung nach der SO_x-Verschlechterung wurde abgeschlossen. Unmittelbar nachdem das Ventilgehäuse umgeschaltet wurde, ist jedoch das Luft/Kraftstoff-Verhältnis stromabwärts vom katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter immer noch fett. Darum ist es bevorzugt, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis unmittelbar bevor das Ventilgehäuse umgeschaltet wird oder eine Weile nachdem das Umschalten des Ventilgehäuses angehalten wurde, zu bestimmen. Selbstverständlich kann man, sobald die Kraftstoffversorgungs-Zeitspanne in Schritt 105 eine festgesetzte Zeitspanne erreicht hat, anstelle der Beurteilung in Schritt 109 beurteilen, daß die Erholung von der SO_x-Verschlechterung abgeschlossen wurde.
Wenn das Ergebnis dieser Beurteilung positiv ist, wird die Kraftstoffzufuhr angehalten und das Umschalten des Ventilgehäuses wird in Schritt 110 angehalten. Wenn das Ergebnis der Beurteilung negativ ist, werden die vorstehend in Schritt 110 genannten Vorgehensweisen und die folgenden Schritte wiederholt. Da das Luft/Kraftstoff-Verhältnis der Umgebungsatmosphäre während des Regenerierungsprozesses nach der SO_x-Verschlechterung fett gehalten wird, beginnt Kraftstoff selten im katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter zu verbrennen, während das Ventilgehäuse umgeschaltet wird. Wenn er jedoch verbrennt, wird der katalytische NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter gut aufgeheizt, wie vorstehend beschrieben. Wenn die Temperatur des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters dadurch 700°C übersteigt, wird ein Oxidationskatalysator, der aus Platin Pt oder dergleichen hergestellt ist, gesintert und verschlechtert. Um dieses Phänomen zu verhindern, wird das Umschalten des Ventilgehäuses in Schritt 108 angehalten, wenn die Beurteilung in Schritt 106 positiv ist. Das Anhalten des Umschaltens des Ventilgehäuses führt zur Verlängerung des Zeitraums, der für eine Regenerierung nach der SO_x-Verschlechterung benötigt wird. Darum muß, wie vorstehend beschrieben, wenn eine festgesetzte Zeitspanne verwendet wird, um eine Regenerierung nach der SO_x-Verschlechterung abzuschließen, die festgesetzte Zeitspanne verlängert werden, wenn die Zeitspanne zum Anhalten des Umschaltens des Ventilköpers länger wird.
In diesem Ablaufdiagramm leitet der Kraftstoffzuführer Kraftstoff zu, um den katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter aufzuheizen (Schritt 102), und um SO_x-Verbindungen freizusetzen und zu reduzieren (Schritt 105). Wie vorstehend beschrieben, enthält Abgas während der Niedrigtemperaturverbrennung jedoch eine relativ große Menge an Reduzierungsmitteln wie HC und CO. Darum kann anstelle einer Kraftstoffzufuhr in Schritt 102 eine Niedrigtemperaturverbrennung bei einem mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnis durchgeführt werden, und in Schritt 105 kann eine Niedrigtemperaturverbrennung bei einem fetten Luft/Kraftstoff-Verhältnis durchgeführt werden. Außerdem ist es auch möglich, Kraftstoff während eines Auspuffhubs mittels der Kraftstoff-Einspritzventile in den Motor einzuspritzen.
In dieser Ausführungsform ist der Kraftstoffzuleiter stromaufwärts der Wechselvorrichtung 71 angeordnet, und das Umschalten des Ventilgehäuses ermöglicht es, Kraftstoff mittels eines einzigen Kraftstoffzuleiters zu jeder Seite des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters 70 zu leiten. Andererseits wird jedoch ein Teil des Kraftstoffs in einem der Verbindungsabschnitte 72a, 72b, der an der Stromaufwärtsseite angeordnet ist, in die Auspuffleitung 73 freigesetzt, ohne durch den katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter zu strömen, wenn der Verbin dungsabschnitt 72a oder 72b beim Umschalten des Ventilgehäuses zur Stromabwärtsseite wechselt. Um dieses Phänomen zu verhindern, können sowohl der erste Verbindungsabschnitt 72a als auch der zweite Verbindungsabschnitt 72b mit Kraftstoffzuleitungen ausgestattet werden, damit eine Kraftstoffzuleitung Kraftstoff ausschließlich zu dem Verbindungsabschnitt leitet, der nach dem Umschalten des Ventilköpers zur Stromaufwärtsseite gewechselt hat. Dies ermöglicht es, die Menge des Kraftstoffs, der für eine Regenerierung nach der SO_x-Verschlechterung benötigt wird, beträchtlich zu reduzieren.
Der Dieselmotor dieser Ausführungsform schaltet seinen Verbrennungsmodus zwischen der Niedrigtemperaturverbrennung und der normalen Verbrennung um, wie vorstehend beschrieben. Während der Niedrigtemperaturverbrennung wird fast kein Ruß erzeugt. Das heißt, während der Niedrigtemperaturverbrennung werden fast keine Partikel erzeugt. Im Gegensatz dazu wird während der normalen Verbrennung eine relativ große Partikelmenge erzeugt. Da es sich bei diesen Partikel ebenfalls um Schadstoffe handelt, ist es notwendig, die Menge der Partikel, die in die Atmosphäre freigesetzt werden, zu reduzieren.
Wie vorstehend beschreiben, ist der katalytische NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter vom Wand-Strömungs-Typ. Somit sind die Partikel im Abgas viel kleiner als die Poren in den Trennwänden 54. Wenn Abgas durch die Trennwänden 54 strömt, treffen die Partikel auf die Stromaufwärtsseiten der Oberflächen der Trennwänden 54 und die Oberflächen der Poren in den Trennwänden 54 und werden dann gesammelt. Somit können die Trennwänden 54 des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters 70 auch als Trennwände zum Sammeln von Partikeln dienen. Selbstverständlich muß, wenn das Sammeln von Partikeln nicht beabsichtigt ist, der katalytische NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter nicht notwendigerweise vom Wand-Strömungs-Typ sein. Mit anderen Worten ist es möglich, auf die in 22 gezeigten Pfropfen 53 zu verzichten.
Wenn keine Gegenmaßnahmen ergriffen werden, lagern sich die so gesammelten Partikel allmählich im katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter 70 ab und erhöhen den Abgaswiderstand. Schließlich beeinträchtigen diese Partikel das Fahrverhalten des Fahrzeugs. Dementsprechend wird Aluminiumoxid oder dergleichen für beide Oberflächen der Trennwände des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters und vorzugsweise für die Oberflächen der Poren in den Trennwände verwendet, um einen Edelmetallkatalysator und ein Freisetzungsmittel für aktiven Sauerstoff, das nachstehend beschrieben wird, zu tragen.
Ein Freisetzungsmittel für aktiven Sauerstoff fördert die Oxidation der Teilchen, indem es aktiven Sauerstoff freisetzt. Das Freisetzungsmittel für aktiven Sauerstoff fängt vorzugsweise Sauerstoff ab und hält ihn zurück, wenn ein Sauerstoffüberschuß in der Umgebung vorliegt, und setzt den zurückgehaltenen Sauerstoff in Form von aktivem Sauerstoff frei, wenn die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung abnimmt.
Normalerweise wird Platin Pt als Edelmetallkatalysator verwendet. Mindestens ein Material, ausgewählt aus Alkalimetallen, wie Kalium K, Natrium Na, Lithium Li, Cäsium Cs und Rubidium Rb, Erdalkalimetallen, wie Barium Ba, Calcium Ca und Strontium Sr, Seltenerdelementen, wie Lanthan La und Yttrium Y, und Übergangsmetallen, wird als Freisetzungsmittel für aktiven Sauerstoff verwendet.
In diesem Fall ist es bevorzugt, als Freisetzungsmittel für aktiven Sauerstoff ein Alkalimetall oder ein Erdalkalimetall zu verwenden, das eine höhere Ionisierungstendenz aufweist als Calcium Ca, nämlich Kalium K, Lithium, Li, Cäsium Cs, Rubidium Rb, Barium Ba oder Strontium Sr.
Es wird nun auf der Grundlage des Beispiels von Platin Pt und Kalium K beschrieben, wie die Partikel, die von den Trennwänden des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters, die solch ein Freisetzungsmittel für aktiven Sauerstoff tragen, gesammelt wurden, durch Oxidation beseitigt werden. Ein ähnlicher Effekt des Beseitigens von Partikeln wird erreicht, wenn andere Edelmetalle, Alkalimetalle, Erdalkalimetalle, Seltenerdelemente und Übergangsmetalle verwendet werden.
Da die Verbrennung in einem Dieselmotor üblicherweise mit einem Sauerstoffüberschuß durchgeführt wird, enthält das Abgas einen hohen Sauerstoffüberschuß. Das heißt, wenn das Verhältnis von Luft und Kraftstoff, die in den Ansaugkanal und die Brennkammer geleitet werden, als das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases bezeichnet wird, ist das Luft/Kraftstoff-Verhältnis mager. Da NO in der Brennkammer erzeugt wird, enthält das Abgas NO. Kraftstoff enthält Schwefel S, der mit dem Sauerstoff in der Brennkammer reagiert und sich in SO₂ verwandelt. Darum enthält das Abgas SO₂. Demgemäß strömt Abgas, das einen Sauerstoffüberschuß, NO und SO₂ enthält, in die Stromaufwärtsseite des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters 70.
Die 26A, 26B zeigen eine vergrößerte Skizze der Abgas-Kontaktoberfläche der Trennwand des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters 70. Die 26A, 26B zeigen ein Partikel 60 von Platin Pt und ein Freisetzungsmittel 61 für aktiven Sauerstoff, das Kalium K enthält.
Abgas enthält einen hohen Sauerstoffüberschuß, wie vorstehend beschrieben. Darum haften, wenn Abgas die Abgas-Kontaktoberfläche der Trennwand des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters kontaktiert, Sauerstoffeinheiten O₂ in Form von O₂ ^– oder O^2– an der Oberfläche des Platins Pt, wie in 26A gezeigt. Andererseits reagiert das NO im Abgas an der Oberfläche des Platins Pt mit O₂ ^– oder O^2– und verwandelt sich in NO₂(2NO + O₂ → 2NO₂). Ein Teil des erzeugten NO₂ wird dann im Freisetzungsmittel für aktiven Sauerstoff 61 absorbiert, während es auf Platin Pt oxidiert wird. Gebunden an Kalium K wird NO₂ im Freisetzungsmittel für aktiven Sauerstoff 61 in Form des Nitrations NO₃ ^– verteilt, wie in 26A gezeigt, und erzeugt Kaliumnitrat KNO₃.
Andererseits enthält Abgas, wie vorstehend beschrieben, ebenfalls SO₂, das durch einen ähnlichen Mechanismus wie beim NO ebenfalls in das Freisetzungsmittel für aktiven Sauerstoff 61 absorbiert wird. Das heißt, wie vorstehend beschrieben, haften Saustoffeinheiten O₂ in Form von O₂ ^– oder O^2– an der Oberfläche des Platins Pt, und das SO₂ im Abgas reagiert mit O₂ ^– oder O^2– and der Oberfläche des Platins Pt und verwandelt sich in SO₃. Ein Teil des erzeugten SO₃ wird in das Freisetzungsmittel für aktiven Sauerstoff 61 absorbiert, während es weiter auf Platin Pt oxidiert wird. Gebunden an Kalium K wird SO₃ im Freisetzungsmittel für aktiven Sauerstoff 61 in Form des Sulfations SO₄ ^2– verteilt und erzeugt Kaliumsulfat K₂SO₄. Auf diese Weise werden Kaliumnitrat KNO₃ und Kaliumsulfat K₂SO₄ im Freisetzungsmittel für aktiven Sauerstoff 61 erzeugt.
Wie in 26B angezeigt, haftet ein Partikel 62 im Abgas an der Oberfläche des Freisetzungsmittels für aktiven Sauerstoff 61, des vom katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter getragen wird. Zu diesem Zeitpunkt nimmt die Sauerstoffkonzentration an der Kontaktfläche zwischen dem Partikel 62 und dem Freisetzungsmittel für aktiven Sauerstoff 61 ab. Wenn die Sauerstoffkonzentration abnimmt, wird eine Differenz in der Konzentration zwischen dem Partikel 62 und der Innenseite des Freisetzungsmittels für aktiven Sauerstoff erzeugt, was eine hohe Sauerstoffkonzentration anzeigt. Darum wird der Sauerstoff im Freisetzungsmittel für aktiven Sauerstoff 61 gezwungen, zur Kontaktfläche zwischen dem Partikel 62 und dem Freisetzungsmittel für aktiven Sauerstoff 61 zu wandern. Als Folge davon wird das Kaliumnitrat KNO₃, das im Freisetzungsmittel für aktiven Sauerstoff 61 gebildet wird, zu Kalium K, Sauerstoff O und NO abgebaut. Der Sauerstoff O wandert zur Kontaktfläche zwischen dem Partikel 62 und dem Freisetzungsmittel für aktiven Sauerstoff 61, und NO wird vom Freisetzungsmittel für aktiven Sauerstoff 61 zur Außenseite freigesetzt. Das NO, das zur Außenseite freigesetzt wurde, wird auf dem Platin Pt an der Stromabwärtsseite oxidiert und wieder in das Freisetzungsmittel für aktiven Sauerstoff 61 absorbiert.
Andererseits wird das Kaliumsulfat K₂SO₄, das im Feisetzungsmittel für aktiven Sauerstoff 61 gebildet wird, ebenfalls zu Kalium K, Sauerstoff O und SO₂ abgebaut. Der Sauerstoff O wandert zur Kontaktfläche zwischen dem Partikel 62 und dem Freisetzungsmittel für aktiven Sauerstoff 61, und SO₂ wird vom Freisetzungsmittel für aktiven Sauerstoff 61 zur Außenseite freigesetzt. Das SO₂, das zur Außenseite freigesetzt wurde, wird an der Stromabwärtsseite auf Platin Pt oxidiert und wiederum in das Freisetzungsmittel für aktiven Sauerstoff 61 absorbiert. Da Kaliumsulfat K₂SO₄ jedoch stabilisiert ist, setzt es weniger wahrscheinlich aktiven Sauerstoff frei als Kaliumnitrat KNO₃.
Andererseits wurde der Sauerstoff O, der zur Kontaktoberfläche zwischen dem Partikel 62 und dem Freisetzungsmittel für aktiven Sauerstoff 61 wandert, aus Verbindungen wie Kaliumnitrat KNO₃ und Kaliumsulfat K₂SO₄ abgebaut. Der Sauerstoff O, der aus einer Verbindung abgebaut wurde, weist ein hohes Energieniveau und eine extrem hohes Aktivitätsniveau auf. Demgemäß handelt es sich bei dem Sauerstoff, der zur Kontaktfläche zwischen dem Partikel 62 und dem Freisetzungsmittel für aktiven Sauerstoff 61 wandert, um aktiven Sauerstoff O. Wenn die aktiven Sauerstoffeinheiten O mit dem Partikel 62 in Kontakt kommen, wird das Partikel 62 ohne Erzeugung von Leuchtflammen oxidiert. Die Zeit, die die Partikel brauchen, um durch Oxidation auf dem katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter bewegt zu werden, liegt im Bereich von einigen Minuten bis zu einem Dutzend Minuten.
Man nimmt an, daß NO_x-Verbindungen im Freisetzungsmittel für aktiven Sauerstoff 61 in Form des Nitrations NO₃ ^– diffundiert werden, während sie sich wiederholt an Sauerstoffatome binden und sich von ihnen trennen. Aktiver Sauerstoff wird ebenfalls während dieser Zeitspanne gebildet. Die Partikel 62 werden ebenfalls durch diesen aktiven Sauerstoff oxidiert. Außerdem werden die Partikel 62, die so am katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter gehaftet haben, durch aktiven Sauerstoff O oxidiert, werden aber auch durch den Sauerstoff im Abgas oxidiert.
Platin Pt und das Freisetzungsmittel für aktiven Sauerstoff 61 können leichter aktiviert werden, wenn die Temperatur des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters steigt. Darum erhöht sich die Menge an aktivem Sauerstoff O, der vom Freisetzungsmittel für aktiven Sauerstoff 61 pro Zeiteinheit freigesetzt wird, wenn die Temperatur des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters steigt. Selbstverständlich können Partikel leichter durch Oxidation beseitigt werden, wenn die Temperatur der Partikel selbst steigt. Demgemäß erhöht sich die Menge der Partikel, die durch Oxidation auf dem katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter pro Zeiteinheit beseitigt werden kann, ohne Leuchtflammen zu erzeugen, wenn die Temperatur des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters steigt.
27 zeigt mit einer durchgezogenen Linie die Menge G der Partikel, die pro Zeiteinheit durch Oxidation beseitigt werden können, ohne Leuchtflammen zu bilden. In 27 stellt die Achse der Abszisse die Temperatur TF eines katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters dar. Obwohl 27 die Menge der Partikel G zeigt, die durch Oxidation in dem Fall entfernt werden können, wenn die Zeiteinheit eine Sekunde beträgt, d.h. pro eine Sekunde, kann die Zeiteinheit eine willkürliche Zeiteinheit, beispielsweise eine Minute, zehn Minuten sein, und die Menge der Teilchen G, die pro Zeiteinheit durch Oxidation beseitigt werden können, stellt die Menge der Partikel G dar, die pro zehn Minuten durch Oxidation beseitigt werden können. In diesem Fall erhöht sich die Menge der Partikel G, die pro Zeiteinheit durch Oxidation des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter ohne Leuchtflamme entfernt werden können, gleichermaßen, wenn die Temperatur des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter steigt, wie in 27 gezeigt.
Die Menge der Partikel, die aus einer Brennkammer pro Zeiteinheit freigesetzt werden, wird als die Menge M der freigesetzten Partikel bezeichnet. Wenn die Menge M der freigesetzten Partikel kleiner ist als die Menge G der Partikel, die durch Oxidation beseitigt werden können, wie im Bereich I, der in 27 gezeigt ist, werden die meisten Partikel, die aus der Brennkammer freigesetzt wurden, innerhalb kurzer Zeit durch Oxidation im katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter be seitigt, ohne Leuchtflammen zu erzeugen, sobald sie vom katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter gesammelt wurden. Die Zeit, die benötigt wird, damit die Partikel durch Oxidation auf den katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter bewegt werden, liegt bei einigen Minuten bis zu Dutzend Minuten.
Andererseits, wenn die Menge M der freigesetzten Partikel größer ist als die Menge G der Partikel, die durch Oxidation entfernt werden können, wie im in 27 gezeigten Bereich II, reicht die Menge an aktivem Sauerstoff nicht aus, um alle Partikel zu oxidieren. Die 28A bis 28C zeigen, wie ein Partikel in solch einem Fall oxidiert wird.
Das heißt, wenn in dem Fall, wo die Menge an aktivem Sauerstoff nicht ausreicht, um sämtliche Partikel zu oxidieren, das Partikel 62 am Freisetzungsmittel für aktiven Sauerstoff 61 haftet, wie in 28A gezeigt, wird nur ein Teil der Partikel 62 oxidiert, und der Teil der Partikel 62, der nicht ausreichend oxidiert wurde, bleibt an der Stromaufwärtsseite der Oberfläche des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters zurück. Wenn die Menge an aktivem Sauerstoff weiterhin nicht ausreicht, bleibt der Teil der Partikel, der nicht oxidiert wurde, nach und nach an der Stromaufwärtsseite des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters zurück. Infolgedessen wird, wie in 28B gezeigt, die Stromaufwärtsseite des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters mit dem zurückgebliebenen Teil der Partikel 63 bedeckt.
Der zurückgebliebene Teil der Partikel 63 wird allmählich zu Kohlenstoffverbindungen verwandelt, die kaum oxidiert werden können. Wenn die Stromaufwärtsseite des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters mit dem zurückgebliebenen Teil der Partikel 63 bedeckt wird, wird die NO- und SO₂-oxidierende Wirkung des Platins Pt und die aktiven Sauerstoff freisetzende Wirkung des Freisetzungsmittels für aktiven Sauerstoff schwächer. Der zurückgebliebene Teil der Partikel 63 kann über einen langen Zeitraum allmählich oxidiert werden. Wenn jedoch ein Partikel 64 nach dem anderen auf dem zurückgebliebenen Teil der Partikel 63 angelagert wird, d.h. wenn Partikel als Schicht abgelagert werden, werden die Partikel nicht durch aktiven Sauerstoff oxidiert. Sogar, wenn die Partikel oxidiert werden könnten, werden sich nicht vom aktiven Sauerstoff oxidiert, da sie vom Platin Pt und vom Freisetzungsmittel für aktiven Sauerstoff entfernt sind. Demgemäß lagert sich ein Partikel nach dem anderen auf dem Partikel 64 an. Das heißt, wenn die Menge M der freigesetzten Partikel größer bleibt als die Menge G der Partikel, die durch Oxidation entfernt werden kann, lagern sich Partikel als Schicht auf dem katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter ab.
Auf diese Weise werden im Bereich I, der in 27 gezeigt ist, Partikel innerhalb kurzer Zeit auf dem katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter oxidiert, ohne Leuchtflammen zu bilden, und im Bereich II, der in 27 gezeigt ist, lagern sich Partikel als Schicht auf dem katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter ab. Wenn somit die Beziehung zwischen der Menge M der freigesetzten Partikel und der Menge G der Partikel, die durch Oxidation beseitigt werden können, im Bereich I angesetzt wird, kann man verhindern, daß Partikel auf dem katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter abgelagert werden. Wenn die Menge der freigesetzten Partikel M somit kleiner gehalten wird als die Menge der Partikel G, die durch Oxidation beseitigt werden kann, werden keine Partikel auf dem katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter als Schicht abgelagert. Infolgedessen ändert sich der Druckverlust des Abgasstroms im katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter kaum und wird bei einem im wesentlichen konstanten Minimalwert des Druckverlustes gehalten. Somit kann die Abnahme der Motorleistung bei ihrem Minimalwert gehalten werden. Dies ist jedoch nicht immer sichergestellt, und Partikel können auf dem katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter abgelagert werden, solange keine Gegenmaßnahmen ergriffen werden.
In dieser Ausführungsform führt die elektronische Steuerungseinheit 30 eine Umschaltsteuerung des Ventilgehäuses 71a gemäß einem zweiten Ablaufdiagramm, das in 29 gezeigt ist, durch und verhindert, daß eine große Menge von Partikeln sich auf dem katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter ablagert. Dieses Ab laufdiagramm wird in Intervallen mit vorbestimmten Zeitabständen wiederholt. Zuerst wird in Schritt 201 der kumulative Wert A des Wegstrecke berechnet. In Schritt 202 wird beurteilt, ob der kumulative Wert A der Wegstrecke eine festgelegte Wegstrecke As erreicht hat oder nicht. Wenn das Ergebnis der Beurteilung in Schritt 202 negativ ist, wird die Routine sofort angehalten. Wenn das Ergebnis der Beurteilung in Schritt 202 positiv ist, schreitet das Programm zu Schritt 203 weiter, wo der kumulative Wert A der Wegstrecke auf 0 zurückgesetzt wird. In Schritt 204 wird das Ventilgehäuse umgeschaltet, um die Stromaufwärts- und Stromabwärtsseiten des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters zu wechseln.
30 ist eine vergrößerte Schnittansicht der Trennwand 54 des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters. Während das Fahrzeug mit dem Ziel fährt, die festgesetzte Wegstrecke As zurückzulegen, kann ein Betrieb im Bereich II, der in 27 gezeigt ist, durchgeführt werden. Wie von den Schraffierungen in 30A angezeigt, treffen die Oberfläche an der Stormaufwärtsseite und die Oberflächen an der zum Gasstrom gerichteten Seite der Trennwand 54 Partikel, dienen als eine Sammeloberfläche zum Sammeln der Partikel, und beseitigen sie durch Oxidation mittels eines Freisetzungsmittel für aktiven Sauerstoff. Abgas trifft hauptsächlich auf der Oberfläche an der Stromaufwärtsweite der Trennwand 54 auf. Die Beseitigung der Partikel durch Oxidation ist manchmal so ungenügend, daß einige Partikel als Rückstände verbleiben können. Zu diesem Zeitpunkt beeinträchtigt der Abgaswiederstand des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters das Fahren des Fahrzeugs nicht. Es entsteht jedoch ein Problem, wie eine wesentliche Abnahme der Motorleistung, wenn sich weitere Partikel anlagern. Im zweiten Ablaufdiagramm werden die Stromaufwärts- und Stromabwärtsseiten des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter zu diesem Zeitpunkt gewechselt. Dadurch werden keine Partikel mehr auf den Partikeln abgelagert, die auf einer Sammeloberfläche der Trennwand 54 zurückgeblieben sind. Die zurückgebliebenen Partikel werden allmählich durch Oxidation durch den freien Sauerstoff, der von einer Sammeloberfläche freigesetzt wird, beseitigt. Wie in 30B gezeigt, werden die übrigen Partikel durch den umgekehrten Abgasstrom mühelos zerstört und zerbrochen und wandern hauptsächlich stromabwärts in den Poren.
Dadurch werden viele der zerbrochenen Partikel in den Poren der Trennwände verteilt, kommen in direkten Kontakt mit dem Freisetzungsmittel für aktiven Sauerstoff, das von den Oberflächen der Poren in den Trennwänden getragen wird, und können deshalb durch Oxidation beseitigt werden. Wenn somit das Feisetzungsmittel für aktiven Sauerstoff auch in den Poren der Trennwände getragen wird, wird es viel leichter, die zurückgebliebenen Partikel durch Oxidation zu beseitigen. Zusätzlich zur Beseitigung der Partikel durch Oxidation haften weitere Partikel im Abgas an der anderen Sammeloberfläche der Trennwände 54, die aufgrund der Umkehr des Abgasstroms zur Stromaufwärtsseite gemacht wurde, d.h. an der Stromaufwärtsseite der Oberfläche und den dem Gasstrom zugewendeten Oberflächen der Trennwand 54, die zu diesem Zeitpunkt hauptsächlich vom Abgas getroffen wird (an der anderen Seite der einen Sammeloberfläche) und werden durch Oxidation durch den aktiven Sauerstoff oxidiert, der vom Freisetzungsmittel für aktiven Sauerstoff freigesetzt wurde. Ein Teil des aktiven Sauerstoffs, der zum Zeitpunkt der Beseitigung durch Oxidation vom Freisetzungsmittel für aktiven Sauerstoff freigesetzt wird, wandert zusammen mit dem Abgas stromabwärts und beseitigt durch Oxidation die Partikel, die noch immer zurückgeblieben sind, sogar nach dem Wechseln der Abgasrichtung.
Das heißt, wenn Abgas strömt, werden die Partikel, die auf einer Sammeloberfläche der Trennwand zurückgeblieben sind, nicht nur vom aktiven Sauerstoff, der von der Sammeloberfläche freigesetzt wird, sondern auch vom übrigen aktiven Sauerstoff, der verwendet wurde, um die Partikel an der anderen Sammeloberfläche der Trennwand durch Oxidation zu beseitigen, aufgrund der Umkehrung des Abgasstroms erreicht. Somit stellt, selbst wenn einige Partikel als Schicht auf einer Sammeloberfläche der Trennwand abgelagert sind, wenn der Ventilköper umgeschaltet wird, die Umkehrung des Abgasstroms sicher, daß aktiver Sauerstoff auch die Partikel erreicht, die auf den zurückgeblieben Partikel abgelagert sind, und daß keine Partikel mehr angelagert werden. Darum werden die angelagerten Partikel allmählich durch Oxidation beseitigt. Eine ausreichende Menge von ihnen kann durch Oxidation beseitigt werden, wenn eine bestimmte Zeitspanne übrigbleibt, bis der Storm des Abgases das nächste Mal umgekehrt wird.
Im zweiten Ablaufdiagramm wird der Ventilköper jedesmal umgeschaltet, wenn das Fahrzeug die festgelegte Wegstrecke zurückgelegt hat. Der Ventilköper wird umgeschaltet, bevor die Partikel, die auf dem katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter zurückblieben, zu Kohlematerial umgewandelt werden, das kaum oxidiert werden kann. Die Beseitigung der Partikel durch Oxidation vor dem Anlagern einer großen Menge an Partikeln löst ein Problem wie die Auflösung des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters, die durch eine hohe Verbrennungswärme verursacht wird, die als Folge der plötzlichen Entzündung einer großen Menge von abgelagerten Partikeln entsteht. Selbst wenn eine große Menge von Partikeln aus irgendeinem Grund auf einer Sammeloberfläche des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters abgelagert wurde, stellt, wenn der Ventilköpers umgeschaltet wird, das Umschalten des Ventilköpers sicher, daß die abgelagerten Partikel durch den umgekehrten Strom des Abgases relativ leicht zerstört und zerbrochen werden. Darum werden einige der zerbrochenen Partikel, die nicht durch Oxidation in den Poren in den Trennwänden beseitigt wurden, vom katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter freigesetzt. Da jedoch der Abgaswiderstand des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters weiter verbessert wird, wird das Fahrverhalten des Fahrzeugs nicht beeinträchtigt. Außerdem wird es möglich, mehr Partikel zu sammeln, indem man die andere Sammeloberfläche des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters nutzt.
Somit kann, wenn der Ventilköper jedesmal umgeschaltet wird, wenn das Fahrzeug eine festgesetzte Wegstrecke zurückgelegt hat, zuverlässig verhindert werden, daß eine große Menge an Partikeln sich im katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter ablagert. Der Ventilköper muß nicht notwendigerweise jedesmal umgeschaltet werden, wenn das Fahrzeug eine festgesetzt Wegstrecke zurückgelegt hat. Das heißt, der Ventilköper kann beispielsweise in Intervallen mit einer festgesetzten Zeitspanne oder unregelmäßig umgeschaltet werden.
Man kann sich auch die Tatsache zunutze machen, daß die Differenz zwischen dem Druck stromaufwärts vom katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters 70 und dem Druck stromabwärts vom katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter 70 proportional zur Menge der Partikel, die zurückbleiben und auf dem katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter abgelagert werden, ansteigt. Das heißt, sobald der Differentialdruck gleich oder höher wird als ein festgesetzter Differentialdruck, kann man beurteilen, daß eine bestimmte Menge von Partikeln auf dem katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter angelagert wurde, und dann den Ventilköper umschalten. Genauer wird der Abgasdruck auf der einen Seite des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters 70, d.h. der Abgasdruck im ersten Verbindungsabschnitt 72a siehe 18) mittels eines Drucksensors, der im ersten Verbindungsabschnitt 72a angeordnet ist, bestimmt, und der Abgasdruck an der anderen Seite des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters 70, d.h. der Abgasdruck im zweiten Verbindungsabschnitt 72b (siehe 18), wird mittels eines Drucksensors bestimmt, der im zweiten Verbindungsabschnitt 72b angeordnet ist. Dann wird beurteilt, ob der absolute Wert der Differenz zwischen diesen Drücken gleich oder größer geworden ist als ein festgesetzter Differentialdruck oder nicht. Der absolute Wert des Differentialdrucks wird hierin für den Zweck verwendet, einen Anstieg des Differentialdrucks erkennen zu können, gleichgültig, ob der erste Verbindungsabschnitt 72a oder der zweite Verbindungsabschnitt 72b sich and der Stromaufwärtsseite befindet.
Man kann auch eine andere Größe als den Differentialdruck verwenden. Beispielsweise kann man auch Veränderungen des elektrischen Widerstandswert auf einer bestimmten Trennwand des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters überwachen und, sobald der Wert des elektrischen Widerstands aufgrund des Ablagerns von Partikeln gleich oder kleiner geworden ist als ein festgesetzter Wert, beurteilen, daß eine bestimmte Partikelmenge auf dem katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter abgelagert wurde, und dann das Ventilgehäuse umschalten. Außerdem kann man den Ventilköper auch umschalten, indem man sich die Tatsache zunutze macht, daß der Transmissionsfaktor oder der Reflexionsfaktor von Licht aufgrund des Ablagerns von Partikeln auf der bestimmten Trennwand des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters abnimmt. Indem man somit den Ventilköper auf der Grundlage der direkten Beurteilung des Ablagerns von Partikeln umschaltet, kann man mit größerer Sicherheit eine wesentliche Abnahme der Motorleistung verhindern.
Das Ventilgehäuse muß nicht mit dem Ziel umgeschaltet werden, das Ablagern einer großen Menge von Partikeln, wie vorstehend beschrieben, zu verhindern. Das heißt, während des Erholungsprozesses nach der SO_x-Verschlechterung im ersten Ablaufdiagramm kann die Blockierstellung des Ventilgehäuses zu Beginn des Prozesses am Ende des Prozesses umgeschaltet werden.
Mit einer sehr einfachen Konstruktion, wie vorstehend genannt, ermöglicht es der Abgasreiniger der Erfindung, die Stromaufwärts- und Stromabwärtsseiten des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters zu wechseln. Der katalytische NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter benötigt eine große Öffnungsfläche, damit Abgas leicht in ihn hinein strömen kann. Wie in den 18, 19 gezeigt, ermöglicht es der Abgasreiniger der Erfindung, einen katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter mit einer großen Öffnungsfläche zu verwenden, ohne die Befestigungsmöglichkeit am Fahrzeug zu beeinträchtigen.
Wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis der Atmosphäre, die den katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter umgibt, fett gemacht wird, d.h. wenn die Sauerstoffkonzentration in der Umgebungsatmosphäre verringert wird, wird aktiver Sauerstoff O vom Freisetzungsmittel für aktiven Sauerstoff 61 auf einmal freigesetzt. Die angelagerten Partikel können vom aktivem Sauerstoff O, der auf einmal freigesetzt wurde, durch Verbrennung auf einmal beseitigt werden, ohne Leuchtflammen zu erzeugen. Wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases abwechselnd fett und mager gemacht wird, wird die Menge an aktivem Sauerstoff, der vom Freisetzungsmittel für aktiven Sauerstoff 61 nach Außen freigesetzt wird, erhöht. Die Partikel, die wie eine Kette aneinander gebunden sind, werden durch den aktiven Sauerstoff O, der an die Außenseite freigesetzt wird, abgebaut, so daß die Partikel oxidiert werden können. Wenn somit die Stromaufwärts- und Stromabwärtsseiten des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters durch den Ventilköper 71a gewechselt werden, oder wenn das LuftlKraftstoff-Verhältnis unmittelbar danach fett gemacht wird, kann aktiver Sauerstoff leichter von der anderen Sammeloberfläche der Trennwand eines katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter freigesetzt werden, wo keine Partikel zurückbleiben oder angelagert werden, als von der einen Sammeloberfläche der Trennwand des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters. Somit können die übrigen und abgelagerten Partikel durch eine große Menge an aktivem Sauerstoff, die weiterhin freigesetzt wird, zuverlässiger durch Oxidation beseitigt werden.
Das Luft/Kraftstoff-Verhältnis der Umgebungsatmosphäre kann durch Zuleiten von Kraftstoff zum Bereich in der Nähe des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters mit Hilfe des Kraftstoffzuleiters 74 fett gemacht werden. Die vorstehend genannte Niedrigtemperaturverbrennung kann jedoch durchgeführt werden, um das Luft/Kraftstoff-Verhältnis der Umgebungstemperatur fett zu machen. Selbstverständlich können die Stromaufwärts- und Stromabwärtsseiten des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters gewechselt werden, wenn oder bevor der Verbrennungsmodus von der normalen Verbrennung zur Niedrigtemperaturverbrennung wechselt.
Andererseits, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis bei einem mageren Wert gehalten wird, wird die Oberfläche des Platins Pt mit Sauerstoff bedeckt und es wird eine sogenannte Sauerstoff-Verschlechterung des Platins Pt bewirkt. Wenn eine solche Verschlechterung bewirkt wird, verschlechtert sich die Wirkung des Oxidierens von NO_x-Verbindungen und somit verschlechtert sich der Wirkungsgrad der Absorbierung von NO_x-Verbindungen. Somit nimmt die Menge an aktivem Sauerstoff, die vom Freisetzungsmittel für aktiven Sauerstoff freigesetzt wird, ab. Wenn das LuftlKraftstoff-Verhältnis jedoch zu einem fetten Wert verschoben wird, wird Sauerstoff auf der Ober fläche des Platins Pt verbraucht und somit wird die Sauerstoff-Verschlechterung beseitigt. Demgemäß wird, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis von einem fetten Wert zu einem mageren Wert verschoben wird, die Wirkung des Oxidierens von NO_x-Verbindungen verstärkt und somit der Wirkungsgrad der Absorbierung von NO_x-Verbindungen verbessert. Somit steigt die Menge an aktivem Sauerstoff, die vom Feisetzungsmittel für aktiven Sauerstoff 61 freigesetzt wird, an.
Demgemäß wird, während das Luft/Kraftstoff-Verhältnis bei einem mageren Wert gehalten wird, falls das Luft/Kraftstoff-Verhältnis manchmal vorübergehend vom mageren Wert zum reichen Wert verschoben wird, die Oxidationsverschlechterung des Platins Pt jedesmal beseitigt. Darum wird die Menge an aktivem Sauerstoff, der freigesetzt wird, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis einen mageren Wert annimmt, erhöht. Somit kann die Wirkung der Oxidierens von Partikeln auf dem katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter gefördert werden.
In Anwesenheit von So₃ erzeugt das Calcium Ca im Abgas Calciumsulfat CaSO₄ in Form von Asche, wie vorstehend beschrieben. Um zu verhindern, daß der katalytische NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter mit Calciumsulfat CaSO₄ verstopft wird, wird, wenn ein Alkalimetall oder ein Erdalkalimetall, das eine stärkere Ionisierungstendenz aufweist als Calcium Ca, wie Kalium K, als Freisetzungsmittel für aktiven Sauerstoff 61 verwendet wird, das im Feisetzungsmittel für aktiven Sauerstoff 61 verteilte SO₃ an Kalium K gebunden und bildet Kalumsulfat K₂SO₄, und Calcium Ca dringt durch die Trennwände des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters, ohne an das SO₃ gebunden zu werden. Infolgedessen wird verhindert, daß der katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter mit Asche verstopft wird. Somit ist es, wie vorstehend beschrieben, bevorzugt, ein Alkalimetall oder ein Erdalkalimetall, dessen Ionisierungstendenz höher ist als die von Calcium Ca, wie Kalium K, Lithium Li, Cäsium Cs, Rubidium Rb, Barium Ba und Strontium Sr als Feisetzungsmittel für aktiven Sauerstoff 61 zu verwenden.
Selbst wenn nur ein Edelmetall, wie Platin Pt, auf dem katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter getragen wird, ist es möglich, aktiven Sauerstoff vom NO₃ oder S0₃, das auf der Oberfläche des Platins Pt zurückgehalten wird, freizusetzen. Das heißt, ein Edelmetall wie Platin Pt dient auch als Freisetzungsmittel für aktiven Sauerstoff. In diesem Fall wird jedoch eine durchgezogenen Linie, die die Menge G der Partikel anzeigt, die durch Oxidation beseitigt werden können, im Verhältnis zur durchgezogenen Line, die in 27 gezeigt ist, leicht nach rechts verschoben. Es ist auch möglich, Cer als Freisetzungsmittel für aktiven Sauerstoff zu verwenden. Cer absorbiert Sauerstoff, wen die Sauerstoffkonzentration im Abgas hoch ist, und setzt aktiven Sauerstoff frei, wenn die Sauerstoffkonzentration im Abgas abnimmt. Darum muß das Luft/Kraftstoff-Verhältnis bei Umgebungsatmosphäre regelmäßig oder unregelmäßig fett gemacht werden, um Partikel durch Oxidation zu beseitigen Es ist auch möglich ein NO_x-Absorptionsmittel als Freisetzungsmittel für aktiven Sauerstoff zu verwenden. In diesem Fall muß das Luft/Kraftstoff-Verhältnis der Umgebungsatmosphäre zumindest vorübergehend fett gemacht werden, um NO_x-Verbindungen freizusetzen. Es ist bevorzugt, das Einstellen eines fetten Luft/Kraftstoff-Verhältnisses unmittelbar, nachdem die Stromaufwärts- und Stromabwärtsseiten des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter gewechselt wurden, durchzuführen,.
Der Abgasreiniger für den Verbrennungsmotor gemäß der vorstehend genannten Ausführungsform weist einen katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter auf, der im Abgassystem des Motors angeordnet ist und der NO_x-Verbindungen absorbiert, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis der Umgebungsatmosphäre mager ist, und der NO_x-Verbindungen freisetzt, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis der Umgebungsatmosphäre stöchiometrisch oder fett ist, eine Wechselvorrichtung zum Wechseln der Stromaufwärts- und Stromabwärtsseiten des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters, und eine Zuleitungsvorrichtung zum Leiten einer reduzierenden Substanz zum katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter von seiner Stromaufwärtsseite her. Um eine Erholung des katalytischen NO_x-Occlu dierungs/Reduzierungs-Konverters nach der SO_x-Verschlechterung durchzuführen, leitet die Zuleitungsvorrichtung das Reduzierungsmittel ein, und eine Wechselvorrichtung wechselt die Stromaufwärts- und Stromabwärtsseiten des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters. Das Reduzierungsmittel, das somit zugleitet wurde, verbrennt am Abgaseinlaß des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters, aber erwärmt schließlich aufgrund der Wärme, die vom Abgasstrom übertagen wird, hauptsächlich den Abgasauslaß gut. Somit wird, wenn die Wechselvorrichtung die Stromaufwärts- und Stromabwärtsseiten des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter wechselt, Kraftstoff dem Abgaseinlaß, der gut aufgeheizt wurde, zugeleitet, d.h. am Abgasauslaß. Dieser Kraftstoff verbrennt gut und heizt sowohl den Abgaseinlaß als auch den Abgasauslaß gut auf. Infolgedessen kann der gesamte katalytische NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter für die Erholung von der SO_x-Verschlechterung schnell auf eine erwünschte Temperatur aufgeheizt werden.

Claims

Abgasreiniger für einen Verbrennungsmotor mit einem katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter (70), der im Abgassystem des Verbrennungsmotors angeordnet ist und der NO_x-absorbiert, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis der Umgebungsatmosphäre mager ist, und der NO_x freisetzt, wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis der Umgebungsatmosphäre stöchiometrisch oder fett ist, einer Wechselvorrichtung (71) zum Wechseln der Stromaufwärts- und Stromabwärtsseiten des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters (70) und einer Zuleitungsvorrichtung (74) zum Zuleiten einer reduzierenden Substanz zum katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter (70) von der Stromaufwärtsseite her, wobei der Abgasreiniger dadurch gekennzeichnet ist, daß dann, wenn die Temperatur des katalytischen NO_x-Occludierungs-/Reduzierungs-Konverters (70) gleich oder höher geworden ist als eine erste festgesetzte Temperatur, oder geschätzt wird, daß sie gleich oder höher geworden ist als die erste festgesetzte Temperatur, die Zuleitungsvorrichtung (74) die reduzierende Substanz zuleitet und die Wechselvorrichtung (71) die Stromaufwärts- und Stromabwärtsseiten des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungskonverters (70) wechselt, um den katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter (70) von einer SO_x-Verschlechterung zu regenerieren.
Abgasreiniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungsvorrichtung (74) die reduzierende Substanz zuleitet, um das Luft/Kraftstoff-Verhältnis der den katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter (70) umgebenden Atmosphäre stöchiometrisch oder fett zu machen, und die Wechselvorrichtung (71) die Stromaufwärts- und Stromabwärtsseiten des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters (70) wiederholt wechselt; und daß, wenn die Temperatur des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters (70) gleich oder höher geworden ist als eine zweite festgesetzte Temperatur oder geschätzt wird, daß sie gleich oder größer geworden ist als eine zweite festgesetzte Temperatur, die Wechselvorrichtung (71) das Wechseln der Stromaufwärts- und Stromabwärtsseiten des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters (70) anhält.
Abgasreiniger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der katalytische NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter (70) eine Trennwand (54) zum Sammeln der Partikel im Abgas aufweist; daß die Trennwand (54) ein Freisetzungsmittel für aktiven Sauerstoff trägt; daß die Trennwand (54) eine erste Sammeloberfläche und eine zweite Sammeloberfläche aufweist; und daß die Wechselvorrichtung (71) die Stromaufwärts- und Stromabwärtsseiten des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters (70) wechselt, und die ersten und zweiten Oberflächen der Trennwand (54) dadurch abwechselnd eingesetzt werden, um Partikel zu sammeln.
Abgasreiniger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Freisetzungsmittel für aktiven Sauerstoff Sauerstoff einfängt und zurückhält, wenn ein Sauerstoffüberschuß in der Umgebung vorliegt, und den zurückgehaltenen Sauerstoff in Form von aktivem Sauerstoff freisetzt, wenn die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung sinkt.
Verfahren zum Reinigen des Abgases eines Verbrennungsmotors mit einem katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter (70), der im Abgassystem des Motors angeordnet ist, und der NO_x-Verbindungen absorbiert, wenn das Luft/Kraftstoff Verhältnis der Umgebungsatmosphäre mager ist, und der NO_x-Verbindungen freisetzt, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis der Umgebungsatmosphäre stöchiometrisch oder fett ist, einer Wechselvorrichtung (71) zum Wechseln der Stromaufwärts- und Stromabwärtsseiten des katalytischen NO_x-Occludierungs/ Reduzierungs-Konverters (70) und einer Zuleitungsvorrichtung (74) zum Zuleiten einer reduzierenden Substanz zum katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter (70) von der Stromaufwärtsseite her, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß dann, wenn die Temperatur des katalytischen NO_x-Occludierungs-/Reduzierungs-Konverters (70) gleich oder höher geworden ist als eine erste festgesetzte Temperatur, oder geschätzt wird, daß sie gleich oder höher geworden ist als die erste festgesetzte Temperatur, die Zuleitungsvorrichtung (74) die reduzierende Substanz zuleitet, und die Wechselvorrichtung (71) die Stromaufwärts- und Stromabwärtsseiten des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters (70) wechselt, um den katalytischen NO_x-Occludierungs-/Reduzierungs-Konverter (70) von einer SO_x-Verschlechterung zu regenerieren.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungsvorrichtung (74) die reduzierende Substanz zuleitet, um das Luft/Kraftstoff-Verhältnis der den katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter umgebenden Atmosphäre stöchiometrisch oder fett zu machen, und die Wechselvorrichtung (71) wiederholt die Stromaufwärts- und Stromabwärtsseiten des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters (70) wechselt und daß, wenn die Temperatur des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters (70) gleich oder höher geworden ist als eine zweite festgesetzte Temperatur, oder geschätzt wird, daß sie gleich oder höher geworden ist als eine zweite festgesetzte Temperatur, die Wechselvorrichtung (71) das Wechseln der Stromaufwärts- und Stromabwärtsseiten des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters (70) anhält.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der katalytische NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverter (70) eine Trennwand (54) zum Sammeln der Partikel im Abgas aufweist; daß die Trennwand (54) ein Freisetzungsmittel für aktiven Sauerstoff trägt; daß die Trennwand (54) eine erste Sammeloberfläche und eine zweite Sammeloberfläche aufweist; und daß die Wechselvorrichtung (71) die Stromaufwärts- und Stromabwärtsseiten des katalytischen NO_x-Occludierungs/Reduzierungs-Konverters wechselt, und die ersten und zweiten Sammeloberflächen der Trennwand (54) dadurch abwechselnd genutzt werden, um Partikel zu sammeln.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Freisetzungsmittel für aktiven Sauerstoff Sauerstoff einfängt und zurückhält, wenn ein Sauerstoffüberschuß in der Umgebung vorliegt, und den zurückgehaltenen Sauerstoff in Form von aktivem Sauerstoff freisetzt, wenn die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung sinkt.