DE10393519T5

DE10393519T5 - Abgasreinigungssystem für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE10393519T5
Application number: DE10393519T
Authority: DE
Inventors: Satoshi Hiranuma; Ritsuko Shinozaki; Yoshinori Takahashi; Takeshi Susono Hashizume; Yoshinaka Takeda; Reiko Doumeki; Shinichi Saito; Toru Kawatani; Kenji Kariya Kawai
Original assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Current assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Priority date: 2002-10-16
Filing date: 2003-10-16
Publication date: 2005-09-29
Also published as: US20060107658A1; WO2004036002A1; CN100371563C; US7497078B2; JPWO2004036002A1; CN1703570A; KR20050059265A; KR100721321B1

Abstract

Abgasreinigungssystem für einen Verbrennungsmotor, mit:
einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung, die in einem Abgassystem des Verbrennungsmotors angeordnet ist und ein Partikelfilter, das zum Sammeln von Partikeln aus dem Abgas konfiguriert ist, und eine NO₂-Erzeugungseinheit anstromseitig von dem Partikelfilter enthält;
einer Ausgabepartikelmengen-Berechnungseinheit, die zum Berechnen einer Menge ausgegebener Partikel auf der Basis eines Überschussluftverhältnisses konfiguriert ist;
einer Verbrennungspartikelmengen-Berechnungseinheit, die zum Berechnen einer Menge verbrannter Partikel auf der Basis einer Temperatur eines Abgases vor dem Partikelfilter oder einer Temperatur in dem Partikelfilter konfiguriert ist; und
einer Partikelansammlungsmengen-Berechnungseinheit, die zum Berechnen einer Menge angesammelter Partikel auf der Basis der berechneten Menge ausgegebener Partikel oder der berechneten Menge verbrannter Partikel konfiguriert ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft ein Abgasreinigungssystem, das zum Sammeln von Kohlenstoffpartikeln usw. aus einem Abgas eines Verbrennungsmotors ausgelegt ist, und insbesondere ein Abgasreinigungssystem, welches auf einem Filter eingefangene Kohlenstoffpartikel unter Verwendung von Stickstoffdioxid (NO₂) oxidiert und verbrennt, das durch einen Oxidationskatalysator erzeugt wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Aus Kohlenstoffpartikeln usw. bestehende Partikel gelangen als Beimischung in das Abgas eines Verbrennungsmotors, wie z. B. eines Dieselmotors. Ein Partikelfilter wird in einen Auslasskanal eingebaut, um die Partikel einzufangen und deren Ausgabe an Luft zu verhindern. Wenn mehr Partikel auf dem Partikelfilter angesammelt sind, sollten sie verbrannt werden, um das Partikelfilter zu regenerieren.
Zur Überwindung des vorstehenden Problems werden Zwangsregenerationseinheiten verwendet, welche das Partikelfilter aufheizen und die Partikel verbrennen, wenn eine Menge angesammelter Partikel einen Regenerationsbezugspunkt überschreitet. Insbesondere wird die Menge angesammelter Partikel auf der Basis einer Beziehung zwischen dem Abgasstrom und Druckverlust des Partikelfilters detektiert. Beispielsweise inji ziert eine bestimmte Zwangsregenerationseinheit Kraftstoff in das Kraftstoffzuführungssystem während eines Ausduehnungshubs oder während eines Auslasshubs nach der Haupt-Kraftstoffeinspritzung und hebt zwangsweise die Temperatur des Abgases an. In einem weiteren Beispiel wird eine elektrische Heizvorrichtung oder ein Dieselölbrenner betrieben, um das Abgas zwangsweise zu erhitzen.
Die vorgenannten Zwangsregenerationseinheiten tendieren dazu, den Kraftstoffwirkungsgrad zu verringern, da die Partikelfilter heiß gehalten werden sollten. Um dieses Problem zu überwinden, ist es erforderlich, genau Zwangsregenerationszeitpunkte zu detektieren und Zwangsregenerationsintervalle zu verlängern.
Üblicherweise können Partikel bei angenähert 600°C oxidiert werden. Es gibt einen Filtertyp mit kontinuierlicher Regeneration, in welchem Partikel bei einer niedrigen Temperatur von angenähert 250°C verbrannt werden können. Dieses ermöglicht das Verbrennen von Partikel in einem weiten Temperaturbereich und fördert die Regeneration von Partikelfiltern.
In dem Filtertyp mit kontinuierlicher Regeneration ist ein Oxidationskatalysator anstromseitig von einem Partikelfilter in einem Abgaskanal angeordnet. Der Oxidationskatalysator oxidiert Stickstoffmonoxid (NO) und erzeugt Stickstoffdioxid (NO₂), wie es durch die nachstehende Formel (1) ausgedrückt wird. 2NO + O2 → 2NO2 (1)Stickstoffdioxid (NO₂) ist sehr aktiv und begünstigt die durch die Formel (2) und (3) ausgedrückte Reaktion, wenn es mit auf dem Partikelfilter eingefangenen Partikeln in Kontakt kommt und regeneriert dadurch das Partikelfilter. NO2 + C → NO + CO (2 ) NO2 + CO → NO + CO (3)
Jedoch kann der Filtertyp mit kontinuierlicher Regeneration, welcher Partikel bei niedriger Temperatur verbrennen kann, nicht die Temperatur des Abgases anheben, wenn ein Fahrzeug ständig bei niedriger Belastung durch die Stadt fährt. In einem solchen Falle sammeln sich leicht Partikel aus dem Partikelfilter an und sollten zwangsweise verbrannt werden, um das Partikelfilter zu regenerieren.
Daher enthält der vorgenannte Filtertyp mit kontinuierlicher Regeneration üblicherweise eine Zwangsregenerationseinheit, welche zwangsweise das Abgas auf den Partikelfilter aufheizt und Partikel verbrennt, wenn detektiert wird, dass die Menge angesammelter Partikel über den vorgenannten Regenerationsbezugspunkt liegt. In diesem Falle spritzt die Zwangsregenerationseinheit Kraftstoff in ein Kraftstoffzuführungssystem während eines Ausdehnungshubs oder Auslasshubs nach der Haupt-Kraftstoffeinspritzung ein und heizt zwangsweise das Abgas auf.
Beispielsweise hat der Zessionar dieser Anmeldung ein Verfahren zum einfachen Abschätzen einer auf einem Filter angesammelten Partikelmenge auf der Basis einer Abgastemperaturhäufigkeit vorgeschlagen (das heißt, bei welcher eine Abgastemperatur gleich oder höher als ein vorbestimmter Wert ist), wie es in der (als die "zitierte Referenz 1" bezeichneten) Japanischen Patentanmeldung Nr. 2001-144,501 offenbart ist. Ferner offenbart die (als die "zitierte Referenz 2" bezeichnete) Japanische Patentoffenlegung Nr. 2002-276,422 einen DPF-(Dieselpartikelfilter)-Typ mit kontinuierlicher Regeneration, in welcher ein Oxidationskatalysator, ein Partikelfilter und NOx Katalysator anstromseitig von einem Auslasskanal angeordnet sind, um einen Motor durch Erhöhen eines Luft/Kraftstoff-Verhältnuisses während der Regeneration des Partikelfilters zu betreiben.
Sowohl in dem Filtertyp mit kontinuierlicher Regeneration, als auch in einem einfachen Partikelfilter werden die Partikel verbrannt, wenn die Menge angesammelter Partikel einen Regenerationsbezugspunkt überschreitet. Wenn die Menge angesammelter Partikel nicht genau detektiert wird, das heißt, wenn die angesammelte Menge als zu groß erkannt wird, können die Regenerationsintervalle verkürzt werden, was den Kraftstoffwirkungsgrad verringert. Im Gegensatz dazu sammeln sich, wenn die angesammelte Menge als zu klein ermittelt wird, zu viele Partikel auf dem Filter an und können das Filter beschädigen, wenn sie verbrannt werden. Daher ist es erforderlich, genau die Zwangsregenerationszeitpunkte zu detektieren und Zwangsregenerationsintervalle zu verlängern.
Das vorgenannte Verfahren ermöglicht die Detektion der Menge angesammelter Partikel auf der Basis der Beziehung zwischen dem Abgasstrom und dem Druckverlust des Filters. Es besteht jedoch ein starker Bedarf nach einem Verfahren zum genauen Abschätzen einer Menge angesammelter Partikel. Insbesondere im Falle des Filtertyps mit kontinuierlicher Regeneration tendieren Partikel zu einer Teilverbrennung, was zu einer nicht gleichmäßigen Ansammlung von Partikeln führen würde, und außerdem nachteilig die Beziehung zwischen der Strömungsrate des Abgases, dem Druckverlust und der Menge der angesammelten Teilchen beeinflusst.
Der Filtertyp mit kontinuierlicher Regeneration (der zitierten Referenz 1) ist insbesondere zu verbessern. Dieses beruht darauf, weil die Menge verbrannter Partikel abgeschätzt werden kann, während die Menge ausgestoßener Partikel nicht genau abgeschätzt werden kann, was nachteilig eine genaue Detektion der Menge angesammelter Partikel beeinflussen würde. In dem Filtertyp mit kontinuierlicher Regeneration (der zitierten Referenz 2) wird der Zeitpunkt zum Regenerieren des Partikelfilters nicht auf der Basis der Menge angesammelter Partikel ermittelt, sondern das Partikelfilter wird lediglich durch eine Erhöhung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses regeneriert, was dazu tendiert, den Kraftstoffwirkungsgrad zu verringern.
Die vorliegende Erfindung ist dafür gedacht, ein Abgasreinigungssystem für einen Verbrennungsmotor bereitzustellen, welches genau einen Zwangsregenerationszeitpunkt detektieren, die Regenerationsintervalle verlängern und eine Reduzierung des Kraftstoffwirkungsgrades verhindern kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Abgasreinigungssystem für einen Verbrennungsmotor bereitgestellt, das aufweist: eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung, die in einem Abgassystem des Verbrennungsmotors angeordnet ist und ein Partikelfilter, das zum Sammeln von Partikeln aus dem Abgas konfiguriert ist, und eine NO₂-Erzeugungseinheit anstromseitig von oder in dem Partikelfilter enthält; eine Ausgabepartikelmengen-Berechnungseinheit, die dafür konfiguriert ist, eine Menge ausgegebener Partikel auf der Basis eines Überschussluftverhältnisses zu berechnen; eine Verbrennungspartikelmengen-Berechnungseinheit, die dafür konfiguriert ist, eine Menge von Verbrennungspartikeln auf der Basis einer Temperatur des Abgases vor dem Partikelfilter oder einer Temperatur des Partikelfilters zu berechnen; und eine Partikelansammlungsmengen-Berechnungseinheit, die dafür konfiguriert ist, eine Menge angesammelter Partikel auf der Basis der berechneten Menge ausgegebener Partikel oder der berechneten Menge verbrannter Partikel zu berechnen.
Die Menge angesammelter Partikel kann genau detektiert werden, indem die Menge verbrannter Partikel auf der Basis der Abgastemperatur oder der Filtertemperatur berechnet wird, und durch Berechnen der Menge ausgegebener Partikel auf der Basis des Überschussluftverhältnisses. Dieses bewirkt eine korrekte Einstellung der Zwangsregenerationsintervalle.
Das Abgasreinigungssystem enthält bevorzugt ein Zwangsregenerationssystem, welches die Temperatur des Abgases durch Einspritzen von zusätzlichem Kraftstoff in einen Ausdehnungs- oder Auslasshub nach der Haupt-Kraftstoffeinspritzung erhöht, oder Kohlenwasserstoff HC an einen Katalysator oder das Filter liefert, um Partikel auf dem Filter zu verbrennen, wenn die Menge angesammelter Partikel einen vorbestimmten Wert überschreitet. In einem derartigen Falle ist ein Leichtölbrenner oder eine elektrische Heizvorrichtung für die Zwangsregeneration verwendbar.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Abgasreinigungssystem für einen Verbrennungsmotor bereitgestellt, welches aufweist: eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung, die in einem Abgassystem des Verbrennungsmotors angeordnet ist, und ein Partikelfilter, das zum Sammeln von Partikeln aus dem Abgas konfiguriert ist, und eine NO₂-Erzeugungseinheit anstromseitig von oder in dem Partikelfilter enthält; eine Überschussluftverhältnis-Abweichungshäufigkeits-Berechnungseinheit, die dafür konfiguriert ist, eine Häufigkeit zu berechnen, bei welcher ein Überschussluftverhältnis gleich oder kleiner als ein vorbestimmter Wert während Betriebs des Verbrennungsmotors ist; eine Ausgabepartikelmengen-Berechnungseinheit, die zum Berechnen einer Menge ausgegebener Partikel auf der Basis einer Überschussluftverhältnis-Häufigkeit, bei welcher das Überschussluftverhältnis gleich oder kleiner als ein vorbestimmter Wert ist; eine Filtertemperaturhäufigkeits- Berechnungseinheit, die zum Berechnen einer Filterhäufigkeit ausgelegt ist, bei welcher die Temperatur des Abgases vor dem Partikelfilter oder die Temperatur des Partikelfilters gleich oder höher als ein vorbestimmter Wert ist; eine Verbrennungspartikelmengen-Berechnungseinheit, die eine Menge verbrannter Partikel auf der Basis der Häufigkeit berechnet, mit welcher die Temperatur des Abgases oder die Temperatur des Partikelfilters gleich oder höher als der vorbestimmte Wert ist; und eine Partikelansammlungsmengen-Berechnungseinheit, die zum Berechnen einer auf dem Partikelfilter angesammelten Menge von Partikeln auf der Basis der berechneten Menge ausgegebener Partikel und der berechneten Menge von Verbrennungspartikeln konfiguriert ist.
Die Menge verbrannter Partikel wird auf der Basis der Partikelverbrennungsgeschwindigkeit, welche von der Abgastemperatur abhängt, oder der Filterhäufigkeit, bei welcher die Filtertemperatur gleich oder höher als der vorbestimmte Wert ist, berechnet. Ferner wird die Menge ausgegebener Partikel auf der Basis der Überschussluftverhältnis-Häufigkeit berechnet, bei welcher das Überschussluftverhältnis gleich oder kleiner als der vorbestimmte Wert ist. Daher kann die Menge angesammelter Partikel genau detektiert werden, was eine korrekte Einstellung der Zwangsregenerationsintervalle bewirkt.
Die Ausgabepartikelmengen-Berechnungseinheit berechnet eine Menge innerhalb einer gegebenen Zeitdauer, während welcher das Überschussluftverhältnis gleich oder kleiner als der vorbestimmte Wert ist, ausgegebener Partikel. Die Verbrennungspartikelmengen-Berechnungseinheit enthält einen Verbrennungsgeschwindigkeits-Berechnungsabschnitt, welcher eine Verbrennungsgeschwindigkeit von Partikeln auf dem Partikelfilter auf der Basis der Filtertemperaturhäufigkeit berechnet, bei welcher die Temperatur des Abgases vor dem Partikel filter oder die Temperatur des Partikelfilters gleich oder höher als der vorbestimmte Wert ist, und eine Menge verbrannter Partikel in der gegebenen Zeitdauer auf der Basis der Partikelverbrennungsgeschwindigkeit in der gegebenen Zeitdauer und der Menge der in der gegebenen Zeitdauer angesammelten Partikel ableitet. Die Partikelansammlungsmengen-Berechnungseinheit berechnet eine Menge von derzeit angesammelten Partikeln auf der Basis der Menge von zuvor angesammelten Partikeln, der Menge von während der gegebenen Zeitdauer ausgegebenen Partikeln und der Menge von in der gegebenen Zeitdauer verbrannten Partikeln.
Die Menge von in der gegebenen Zeitdauer verbrannten Partikeln wird auf der Basis der Partikelverbrennungsgeschwindigkeit in der gegebenen Zeitdauer und der Menge von zuvor angesammelten Partikeln berechnet. Die Menge von in einer gegebenen Zeitdauer ausgegebenen Partikeln wird auf der Basis der Überschussluftverhältnishäufigkeit berechnet, bei welcher das Überschussluftverhältnis gleich oder kleiner als ein vorbestimmter Wert in der gegebenen Zeitdauer ist. Ferner wird die Menge von derzeit angesammelten Partikel auf der Basis der zuvor angesammelten Partikel, der Menge der innerhalb der gegebenen Zeitdauer angesammelten Partikel und der Menge der in der gegebenen Zeitdauer verbrannten Partikel berechnet. Daher kann die Menge der derzeit angesammelten Partikel genau berechnet werden, was eine genaue Einstellung der Zwangsregenerationsintervalle ermöglicht.
Alternativ kann die Partikelansammlungsmengen-Berechnungseinheit die Überschussluftverhältnis-Häufigkeit in einer gegebenen Zeitdauer berechnen, indem die Überschussluftverhältnishäufigkeit, bei welcher das Überschussluftverhältnis gleich oder kleiner als der vorbestimmte Wert ist, unter Verwendung eines Gewichtungsfaktors wf gewichtet gemittelt wird.
In diesem Falle wird der Gewichtungsfaktor wf als 0,5 angenommen. Je näher der Gewichtungsfaktor wf an 1 kommt, desto geringer ist der Einfluss der vorhergehenden Überschussluftverhältnishäufigkeit. Die Verwendung der unter Nutzung des Gewichtungsfaktors wf berechneten Überschussluftverhältnishäufigkeit bewirkt eine Anpassung an Veränderungen von Daten, die durch Störung verursacht werden. Daher kann die Menge ausgegebener Partikel genau detektiert werden.
Außerdem kann die Ausgabepartikelmengen-Berechnungseinheit eine Überschussluftverhältnishäufigkeit β_i innerhalb einer gegebenen Zeitdauer, wenn das Überschussluftverhältnis gleich oder kleiner als der vorbestimmte Wert ist, unter Verwendung der nachstehenden Formel berechnen βi = (xi + βi–1 × (i – 1)) /iwobei: xi (das heißt ein i-ter Ermittlungswert) 1 ist, wenn das Überschussluftverhältnis gleich oder kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, und xi 0 ist, wenn das Überschussluftverhältnis über dem vorbestimmten Wert liegt; β_i eine i-te Überschussluftverhältnishäufigkeit ist; β_i–1 ein Überschussluftverhältnishäufigkeit vor der i-ten Überschussluftverhältnishäufigkeit ist.
Die Filtertemperaturhäufigkeit, mit welcher die Filtertemperatur gleich oder größer als der vorbestimmte Wert ist, kann in ähnlicher Weise berechnet werden. Dieses bewirkt eine Detektion der Menge ausgegebener Partikel.
Die gegebene Zeitdauer kann die Einheitszeit, eine Zeitdauer, in welcher eine vorbestimmte Menge an Kraftstoff verbraucht wird, oder eine Zeitdauer für ein Fahrzeug sein, um eine bestimmte Strecke zu fahren. In diesem Falle können die vorgenannten Effekte erzielt werden.
Die Berechnung der Menge ausgegebener Partikel umfasst:
Herunterladen von Daten einer Menge der Ansaugluft und von Daten einer Menge des eingespritzten Kraftstoffes; Berechnen eines Überschussluftverhältnisses λ in einer gegebenen Zeitdauer Δt auf der Basis der Menge der Ansaugluft und der Menge des eingespritzten Kraftstoffes; Berechnen einer Überschussluftverhältnishäufigkeit γΔt, in welcher das Überschussluftverhältnis λ der vorbestimmte Wert oder kleiner in der gegebenen Zeitdauer Δt ist, auf der Basis des Überschussluftverhältnisses λ; und Berechnen der Menge ausgegebener Partikel MaΔt {= f (γΔt)}. Die vorgenannten Prozeduren werden der Reihe nach ausgeführt.
Die Menge von in dem gegebenen Zeitintervall ausgegebenen Partikeln kann genau berechnet werden. Dieses begünstigt eine genaue Detektion der Menge der derzeit angesammelten Partikel und ergibt korrekte Zwangsregenerationsintervalle.
Ferner umfasst die Berechnung der Menge verbrannter Partikel: Herunterladen eine Katalysatortemperatur gt; Berechnen einer Filtergastemperaturhäufigkeit βΔt in einer gegebenen Zeitdauer Δt auf der Basis der Katalysatortemperatur gt; Korrigieren der Filtertemperaturhäufigkeit βΔt unter Verwendung eines Korrekturfaktors K, welcher von einem NOx/Ruß-Index abhängt, der darstellt, dass Komponenten des Abgases zum Verbrennen von Partikeln geeignet sind; Berechnen eines Verbrennungsgeschwindigkeitskoeffizienten αΔt {= f(βΔt)} für die gegebene Zeitdauer Δt; und Berechnen einer Menge MbΔt {= αΔt × PM_i–1} verbrannter Partikel auf der Basis einer Menge PM_i–1 der zuvor angesammelten Partikel und des Verbrennungsgeschwindigkeitskoeffizienten αΔt, wobei die vorgenannten Prozeduren in der genannten Reihenfolge ausgeführt werden.
Die Menge von in dem gegebenen Zeitintervall verbrannten Partikeln kann genau berechnet werden. Dieses begünstigt eine genaue Detektion der Menge der derzeit angesammelten Partikel und ermöglicht korrekte Zwangsregenerationsintervalle.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 stellt eine schematische Anordnung einer ersten Ausführungsform eines Abgasreinigungssystems für einen Verbrennungsmotor gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
2 ist eine Blockdarstellung, die Funktionen des Abgasreinigungssystems von 1 darstellt.
3(a) stellt ein Kennfeld zum Abschätzen einer Menge von Ausgabepartikeln auf der Basis eines Überschussluftverhältnisses dar.
3(b) stellt ein Kennfeld zum Abschätzen einer Partikelverbrennungsgeschwindigkeit auf der Basis einer Filtertemperaturhäufigkeit dar, bei welcher eine Filter- oder Absaugtemperatur gleich oder höher als ein vorbestimmter Wert ist.
3(c) stellt ein Kennfeld zur leichten Abschätzung eines Verbrennungsgeschwindigkeitskoeffizienten auf der Basis der Filtertemperaturhäufigkeit dar, wobei der Verbrennungsgeschwindigkeitskoeffizient zum Zeitpunkt der Zwangsregeneration eines Filters verwendet wird.
4(a) stellt ein Kennfeld für die Erläuterung von zeitabhängigen Schwankungen einer Überschussluftverhältnishäufigkeit dar, bei welcher das Überschussluftverhältnis gleich oder kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, der zur Zwangsregeneration des Filters verwendet wird.
4(b) stellt eine Wellenform einer gleitenden Gewichtungsmittelung der Überschussluftverhältnishäufigkeit dar.
5(a) stellt ein Kennfeld zum Abschätzen von NOx/Ruß auf der Basis einer Kraftstoffeinspritzmenge und einer Motordrehzahl dar.
5(b) stellt ein Kennfeld zum Erstellen eines Korrekturfaktors K auf der Basis von NOx/Ruß dar.
6 ist ein Flussdiagramm einer Zwangsregenerationsroutine des Abgasreinigungssystems.
7 ist eine Darstellung zur Erläuterung einer im Schritt s5 ausgeführten Nach-Kraftstoffeinspritzung der Zwangsregenerationsroutine von 6.
8 ist ähnlich 2, stellt jedoch Funktionen eines Abgasreinigungssystems gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung dar.
9(a) ist ein Flussdiagramm einer Zwangsregenerationsroutine des Abgasreinigungssystems von 8, welches insbesondere eine Routine für die Detektion eines Zwangsregenerationszeitpunktes darstellt.
9(b) ist ein Flussdiagramm zum Berechnen einer während einer gegebenen Zeitdauer ausgegebener Partikel.
9(c) ist ein Flussdiagramm zum Berechnen einer während einer gegebenen Zeitdauer verbrannten Menge von Partikeln.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf eine in den 1 bis 7 dargestellte erste Ausführungsform beschrieben.
Gemäß 1 ist ein Abgasreinigungssystem 1 in einem Dieselmotor 2 (hierin nachstehend als "Motor 2" bezeichnet) eingebaut. Der Motor 2 enthält einen Abgaskanal R, der sich aus einer Brennkammer 3 erstreckt. Der Abgaskanal R verbindet mit einem Abgassammler 4, ein Abgasrohr 5, eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung 6, die in den Auslassrohr 5 angeordnet ist, und einen (nicht dargestellten) Schalldämpfer. Der Motor 2 ist ein Reihen-Vierzylinder-Motor. Jeder Zylinder ist mit einer Einspritzdüse 8 versehen, mit welcher ein Kraftstoffzuführungsabschnitt 9 und ein Kraftstoffeinspritzabschnitt 11 verbunden sind. Der Kraftstoffeinspritzabschnitt 9 spritzt Kraftstoff in die Brennkammer 3 über die Einspritzdüse 8 ein. Eine Motorsteuereinheit ECU 12 steuert die Einspritzdüsen 8 und die damit verbundenen Elemente.
Der Kraftstoffzuführungsabschnitt 9 stabilisiert Hochdruckkraftstoff aus einer Hochdruckkraftstoffpumpe 13 geregelt durch einen Kraftstoffdruckregler 121 in der Motorsteuereinheit ECU 12 und führt den stabilisierten Kraftstoff einer gemeinsamen Leitung 15 zu. Der Kraftstoff wird dann jeder Einspritzdüse 8 über ein Kraftstoffrohr 16 zugeführt, dass von der gemeinsamen Leitung 15 abzweigt. In der Einspritzdüse 8 ist ein Magnetventil 17 mit einer Einspritzsteuerung 122 verbunden, welche das Magnetventil 17 mit Ausgangssignalen beliefert, welche eine Menge des einzuspritzenden Kraftstoffes und einen Einspritzzeitpunkt repräsentieren, um dadurch den Betrieb der Einspritzdüsen 8 zu steuern.
Die Einspritzsteuerung 122 berechnet die einzuspritzende Kraftstoffmenge und den Einspritzzeitpunkt in Abhängigkeit von einer Motordrehzahl Ne und einem Betrag θa einer Beschleunigungspedalbetätigung. Danach gibt die Einspritzsteuerung 122 die berechneten Ergebnisse an einen Einspritztreiber 110 aus, welcher sie an das Magnetventil 17 des Kraftstoffeinspritzabschnittes 11 überträgt.
Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 6 ist in einem Metallgehäuse 18 untergebracht. Ein Oxidkatalysator 21 und ein Dieselpartikelfilter 22 (als das "Filter 22" bezeichnet) sind in Reihe in einem Aufbauchungsabschnitt 181 des Gehäuses 18 mittels eines Trägers 19, bestehend aus Asbest oder einem volumenförmigen Metalldrahtgeflecht untergebracht.
Der Oxidkatalysator 21 ist in einem Katalysatorhalter 211 untergebracht, in welchem mehrere Auslasskanäle r1 ausgebildet sind. Die Auslasskänäle r1 sind an ihren gegenüberliegenden Enden offen und ermöglichen eine Durchtritt des Gases dadurch. Der Katalysatorhalter 211 besteht aus Keramik und weist eine monolithische Honigwabenstruktur auf. Die Auslasskanäle r1 sind in dem Katalysatorhalter 211 parallel zueinander und enthalten darin den Oxidkatalysator 21.
Der Oxidkatalysator 21 oxidiert Stickstoffmonoxid NO im Abgas aus dem Motor 2 unter Verwendung von O₂ und erzeugt sehr aktives Stickstoffdioxid NO₂, das heißt, der Oxidkatalysator 21 sollte die Erzeugung von NO_Z wie in der Formel (1) ausgedrückt begünstigen. Um diese Anforderung zu erfüllen wird ein Oxidkatalysator der Platingruppe in der Erfindung verwendet.
Das Filter 22 besteht aus Keramik, zum Beispiel hauptsächlich Mg, Al und Si enthaltendem Cordierit, und besitzt eine Honigwabenstruktur, um mehrere anstromseitige und abstromseitige Abgaskanäle r2 (r2-1 und r2-2) auszubilden, welche zu dem Auslassrohr 5 hin und parallel zueinander ausgerichtet sind. Benachbarte Auslasskanäle r2 sind abwechselnd an ihren vorderen oder hinteren Enden 23 geöffnet oder geschlossen. Abgas wird in jeden anstromseitigen Abgaskanal r2-1 eingeführt, tritt durch eine Wand b hindurch, welche den Abgaskanal r2-1 definiert, erreicht jeden abstromseitigen Abgaskanal r2-2 mit einem offenen Ende und wird an die Luft ausgegeben. In diesem Prozess werden die Partikel aus dem Abgas gefiltert.
Die Motorsteuereinheit ECU 12 ist mit einem eine Menge Qa der Ansaugluft detektierenden Luftstromsensor 7, einem einen Öffnungswinkel θa eines Beschleunigerpedals des Motors 2 detektieren Beschleunigungsöffnungssensor 24, einem Kurbelwellenwinkeldaten Δθ detektierenden Kurbelwellenwinkelsensor 25, einem die Temperatur gt des Abgases detektierenden Abgastemperatursensor 26, einem die Wassertemperatur wt detektierenden Wassertemperatursensor 27, einem Atmosphärendrucksensor 28, und einem ein Leerlaufsignal ED ausgebenden Leerlaufschalter 29 verbunden. Die Kurbelwellenwinkeldaten Δθ werden für die Motorsteuereinheit ECU 12 verwendet, um eine Motordrehzahl Ne abzuleiten, und um einen (später zu beschreibenden) Kraftstoffeinspritzzeitpunkt zu steuern.
Ferner ist die Motorsteuereinheit ECU 12 in ihren Ausgangs- und Eingangsschaltungen mit einer Vielzahl von Anschlüssen versehen, um eine Vielfalt von Signalen aus dem Beschleunigerpedal-Öffnungssensor 24, Kurbelwinkelsensor 25, Abgastemperatursensor 26, Wassertemperatursensor 27, Atmosphärendrucksensor 28 usw. herunterzuladen. Außerdem enthält die Motorsteuereinheit ECU 12 eine Kraftstoffdrucksteuerung 121, eine Einspritzsteuerung 122 und einen Zwangsregenerationssteuerabschnitt, welcher eine Einheit A1 enthält, die eine Menge ausgegebener Partikel berechnet, eine Einheit A2, die eine Menge verbrannter Partikel berechnet, und eine Einheit A3, die eine Menge angesammelter Partikel (siehe 2) berechnet, welche alle allgemein bekannt sind.
Die Einheit A1 berechnet die Menge Me ausgegebener Partikel auf der Basis eines Überschussluftverhältnisses λ und unter Verwendung eines (in 3(a) dargestellten) Kennfeldes m1.
Die Einheit A2 berechnet eine Menge Mb verbrannter Partikel auf der Basis der Temperatur gt des Abgases vor dem Fil ter 22 oder der Temperatur des Filters 22. Die Temperatur des Filters 22 wird als der Abgastemperatur gleich betrachtet und wird ebenfalls durch "gt" dargestellt.
Die Einheit A3 berechnet eine Menge Ma auf dem Filter 22 angesammelter Partikel auf der Basis der Menge Ma ausgegebener Partikel und der Menge Mb verbrannter Partikel.
Wenn der mit dem Abgasreinigungssystem 1 versehene Motor 2 gestartet wird, prüft die Motorsteuerungseinheit ECU 12 in einer (nicht dargestellten) Hauptroutine, ob die Signale aus den vorgenannten Sensoren normal sind oder nicht. Wenn sie normal sind, wird der Motor 2 aktiviert.
Während des Betriebs des Motors 2 strömt Abgas die mehreren Abgaskanäle r1 des Katalysatorhalters 211, so dass Stickstoffmonoxid (NO) in dem Abgas oxidiert wird, und sich in sehr aktives Stickstoffdioxid (NO₂) wie durch die Formel (1) ausgedrückt umwandelt. Abgas mit Stickstoffdioxid (NO₂) wird dem Filter 22 zugeführt. In dem Filter 22 passiert Abgas durch die die Abgaskanäle r2-1 definierenden Wände b, erreicht die Auslasskanäle r2-2 und wird in die Luft ausgegeben. Partikel werden in dem Filter 22 aufgefangen, während das Abgas durch die Wände b passiert.
In diesem Zustand wird die Zwangsregenerationssteuerung in der in 6 dargestellten Hauptroutine ausgeführt.
Während der Zwangsregenerationssteuerung wird folgendes berechnet: die Menge Me ausgegebener Partikel im Schritt s1; die Menge Mb verbrannter Partikel im Schritt s2; und die Menge Ma angesammelter Partikel im Schritt s3. Wenn die Menge Ma angesammelter Partikel gleich einem vorbestimmten Schwellenwert Maα im Schritt s4 ist, geht der Steuerprozess zum Schritt s5 über, in welchem die Zwangsregenerationssteuerung ausgeführt wird, um zwangsweise das Filter 22 zu regenerieren (das heißt die Nach-Einspritzungssteuerung wird für eine vorbestimmte Zeitdauer ausgeführt).
Die in Quadraten mit durchgezogenen Linien in 2 dargestellten Prozeduren werden der Berechnung der Menge Me ausgegebener Partikel im Schritt s1 ausgeführt. Die Einheit A1 lädt eine letzte Menge Qa der Ansaugluft und eine neueste Menge Qf des eingespritzten Kraftstoffes herunter und berechnet ein Überschussluftverhältnis λ {= Qa/(Qf × 14,7)} unter Verwendung einer Überschussluftverhältnis-Berechnungseinheit a1. Die Überschussluftverhältnis-Berechnungseinheit a1 berechnet auch eine Menge Me als Reaktion auf das Überschussluftverhältnis l ausgegebener Partikel unter Verwendung des Kennfeldes m1, das die Menge ausgegebener Partikel anzeigt. Das Kennfeld m1 wird im voraus erzeugt und zeigt an, dass das Überschussluftverhältnis λ verringert wird, je steiler die Menge Me ausgegebener Partikel ansteigt.
Im Schritt s2 lädt die Einheit A₂ die Filtertemperatur gt herunter und arbeitet in einer vereinfachten Recheneinheit b0, um die Menge Mb verbrannter Partikel zu berechnen. Siehe 2.
Insbesondere berechnet die vereinfachte Recheneinheit b0 einen Verbrennungsgeschwindigkeitskoeffizienten α, der der Filtertemperatur gt entspricht. Das in 3(c) dargestellte Kennfeld m0 wird für diesen Zweck verwendet. Das Kennfeld m0 stellt dar, dass der Verbrennungsgeschwindigkeitskoeffizient α als Reaktion auf die Filtertemperatur gt zunimmt.
Eine Berechnungseinrichtung b4 berechnet die Menge Mb verbrannter Partikel auf der Basis der Formel (b). Mb = α × PM × t (b)wobei PM eine Menge zu einem Zeitpunkt der Messung angesammelter Partikel bezeichnet und einer Menge zuvor angesammel ter Partikel entspricht, und "t" eine Einheitszeit bezeichnet.
Im Schritt s3 berechnet die Einheit A3 die Menge Ma der angesammelten Partikel gemäß Darstellung in 2 unter Verwendung der nachstehenden Formel (c). Ma = Me – Mb (c)wobei Me die Menge pro Einheitszeit t ausgegebener Partikel bezeichnet.
Die Menge Ma momentan angesammelter Partikel wird zu der Menge Ma zuvor während einer vorbestimmten Zeitdauer mt angesammelter Partikel hinzu addiert, so dass eine Gesamtmenge Maptm der Partikel erhalten wird.
Im Schritt s4 wird geprüft, ob die Gesamtmenge Maptm über dem vorbestimmten Schwellenwert Maα liegt oder nicht. Die Berechnungen in den Schritten s1 bis s4 werden wiederholt, bis die Menge Maptm über dem vorbestimmten Schwellenwert Maα liegt. Der Schwellenwert Maα wird festgelegt, um zu verhindern, dass das Filter 24 überhitzt und beschädigt wird, wenn Partikel darauf kontinuierlich verbrannt werden.
Wenn Maptm > Maα ist, wird eine Nach-Kraftstoffeinspritzung für eine vorbestimmte Zeitdauer im Schritt s5 durchgeführt, um zwangsweise das Filter 22 aufzuheizen und zu regenerieren. Insbesondere werden, wie es in 7 dargestellt ist, nicht nur eine Menge INJn von (für eine Einspritzdauer Bm) in der Haupteinspritzung J1 eingespritztem Kraftstoff, sondern auch ein Kraftstoffeinspritzzeitpunkt t1 in Abhängigkeit von einem aktuellen Zustand des Motors 2 berechnet. Ferner wird eine Nacheinspritzungsmenge INJp von (für eine Einspritzdauer Bs) nachträglich einzuspritzendem Kraftstoff auf einen festen Wert zu einem Kraftstoffein- Spritzzeitpunkt t2 nach dem Haupt-Kraftstoffeinspritzung eingestellt.
Die nachstehenden Daten werden an den Kraftstoffeinspritz-Treiber 10 übertragen: ein Ausgabewert Dinj, der die Kraftstoffeinspritzmenge INJn und den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt t1 repräsentiert; und einen Ausgabewert D'inj, der die Nacheinspritzmenge INJp und den Nachkraftstoffeinspritzzeitpunkt 2 repräsentiert. Dann kehrt der Steuerungsprozess zu der Hauptroutine zurück. Danach zählt der Kraftstoffeinspritzungstreiber 10 Einheitskurbelwellenwinkel Δθ für eine vorbestimmte Anzahl von Malen von einem Bezugszeitpunkt (TDC) ausgehend bis zu einem Kraftstoffeinspritzzeitpunkt θr, und führt die Haupt- und Nach-Kraftstoffeinspritzungen J1 und J2 durch. Das Abgas wird erhitzt, Kohlenwasserstoff HC auf dem Oxidkatalysator α verbrannt, die Temperatur gt des Filters 22 schnell angehoben, um die Partikel in einer heißen Atmosphäre für eine Zeitdauer verbrannt, welche von der Menge angesammelter Partikel abhängt. Demzufolge wird das Filter 22 zuverlässig in dem Zwangsregenerationsprozess regeneriert.
Die Menge Ma angesammelter Partikel kann genau detektiert werden, indem die Menge Me ausgegebener Partikel auf der Basis des Überschussluftverhältnisses λ berechnet wird und die Menge Mb verbrannter Partikel auf der Basis der Filtertemperatur gt berechnet wird. Ferner können die Zeitintervalle zwischen den vorherigen und den momentanen Regenerationen korrekt eingestellt werden, was bewirkt, dass der Kraftstoffwirkungsgrad in einem korrekten Bereich gehalten wird.
Das Filter 22 wird zwangsweise durch die Nach-Kraftstoffeinspritzung J2 in dem Ausdehnungshub nach der Haupt-Kraftstoffeinspritzung J1 erhitzt, so dass es nicht erforderlich ist, irgendeine spezielle Wärmequelle für die Zwangsregeneration vorzusehen. Dieses bewirkt eine Vereinfachung das Abgas reinigungssystem. Alternativ kann ein Leichtölbrenner oder eine elektrische (in 6 nicht dargestellte) Heizvorrichtung in der Abgasnachbehandlungsvorrichtung als eine Zwangsregenerationseinheit vorgesehen und aktiviert werden, um die Regeneration des Filters 22 im Schritt s5 zu begünstigen. In einem derartigen Falle kann das Kraftstoffsteuersystem in einer einfachen Weise gesteuert werden.
Ein Abgasreinigungssystem wird weiter unter Bezugnahme auf eine in den 8 und 9 dargestellte zweite Ausführungsform beschrieben. Das Abgasreinigungssystem ist ähnlich zu dem der ersten Ausführungsform konfiguriert.
Gemäß 8 berechnet eine Einheit A1' die Menge ausgegebener Partikel, eine Einheit A2' berechnet die Menge verbrannter Partikel und eine Einheit A3' berechnet die Menge angesammelter Partikel.
Vor allem berechnet die Einheit A1' das Überschussluftverhältnis λ{= Qa/(Qf × 14,7)} unter Verwendung einer Überschussluftverhältnis-Berechnungseinheit A1'. Ein Abschnitt a2-1' berechnet eine Überschussluftverhältnishäufigkeit y, bei welcher ein Überschussluftverhältnis λ gleich oder kleiner als ein vorbestimmter Wert in einem gegebenen Zeitintervall Δt ist. Gemäß 4(a) wird, wenn das Überschussluftverhältnis λ gleich oder kleiner als der vorbestimmte Wert ist (zum Beispiel 1,2) ein Ermittlungswert x auf 1 gesetzt. Im Gegensatz dazu wird, wenn das Überschussluftverhältnis λ über den vorbestimmten Wert liegt, der Ermittlungswert x auf 0 gesetzt. Auf der Basis der vorstehenden Ermittlung wird die Überschussluftverhältnishäufigkeit y unter Anwendung der Formel (g) für eine gleitende Gewichtungsmittelung berechnet. γi = (γi–1 × (i–1) + γi)/i (g) wobei γi eine i-te Überschussluftverhältnishäufigkeit bezeichnet und γ_i–1 eine Überschussluftverhältnishäufigkeit vor der Überschussluftverhältnishäufigkeit γi bezeichnet.
Gemäß 4(b) wird die Überschussluftverhältnishäufigkeit γi an dem Ende der Berechnung in der Zeitdauer Δt als γΔt angenommen.
In diesem Falle ist kein großer Speicher und die Überschussluftverhältnishäufigkeit γ kann in einer chronologischen Reihenfolge beobachtet werden.
Die Überschussluftverhältnishäufigkeit γi kann unter Verwendung der Formel (h) abgeleitet werden. γi = γi–1 × wf + xi × (1 – wf) (h)wobei wf einen Gewichtungsfaktor bezeichnet und xi einen aktuellen Ermittlungswert bezeichnet. Der Gewichtungsfaktor wf wird mit 0,5 angenommen. Je näher der Gewichtungsfaktor wf an 1 kommt, desto geringer ist der Einfluss der vorhergehenden Überschussluftverhältnishäufigkeit γ_i–1. Die Verwendung der unter Nutzung des Gewichtungsfaktors wf berechneten Überschussluftverhältnishäufigkeit γ bewirkt eine Anpassung an Veränderungen von Daten, die durch Störung verursacht werden. Daher kann die Menge ausgegebener Partikel genau detektiert werden.
Ein Abschnitt a2-2' berechnet eine Menge MaΔt der während der Zeitdauer Δt ausgegebenen Partikel unter Verwendung der Formel (i). MaΔt = f (γΔt) (i )
Ferner kann die Menge Me ausgegebener Partikel durch Multiplizieren der Überschussluftverhältnishäufigkeit γΔt (in der Zeitdauer Δt) mit einem vorbestimmten Koeffizienten C er mittelt werden. Der Koeffizient C wird experimentell bestimmt. Außerdem kann die Menge Me unter Verwendung eines Kennfeldes, in welchem die Menge Me ausgegebener Partikel auf der Basis der Überschussluftverhältnishäufigkeit γΔt dargestellt ist, anstelle der Verwendung der Formel (i) abgeleitet werden.
Beispielsweise wird, wenn das in 3(a) dargestellte Überschussluftverhältnis durch die Überschussluftverhältnishäufigkeit y ersetzt wird, die Menge Me ausgegebener Partikel durch eine zu der von 3(a) gegenläufigen Kurve dargestellt, das heißt, je größer die Überschussluftverhältnishäufigkeit γ ist, desto größer ist die Menge Me (oder eine Partikelausgabegeschwindigkeit θ höher).
Eine Einheit A2' in 8 berechnet eine Menge Mb verbrannter Partikel. Insbesondere lädt die Einheit A2' die Filtertemperaturen gt pro Einheitszeit unter Verwendung eines Abschnittes b1 zum Berechnen einer Filtertemperaturhäufigkeit herunter, summiert die Filtertemperaturen gt auf und leitet eine Filtertemperaturhäufigkeit βΔt in der Zeitdauer Δt ab.
In dem vorstehenden Falle ist, wenn die Filtertemperatur gt bei jeder Einheitszeit t heruntergeladen wird, ein großer Speicher erforderlich, welcher im Hinblick auf die Kosten nicht effektiv ist. Um dieses Problem zu überwinden, kann die Filtertemperaturhäufigkeit βΔt unter Verwendung der nachstehenden Formel (j) berechnet werden. βi = (βi + βi–1 x (i-1))/i (j )wobei β_i eine i-te Filtertemperaturhäufigkeit bezeichnet und β_i–1 eine vorherige Filtertemperaturhäufigkeit bezeichnet.
In diesem Falle kann die Filtertemperaturhäufigkeit β in chronologischer Reihenfolge ohne Verwendung eines großen Speichers beobachtet werden.
Eine Filtertemperaturhäufigkeits-Korrektureinrichtung b2 korrigiert die Filtertemperaturhäufigkeit βΔt (in der Zeitdauer Δt) unter Verwendung eines Korrekturkoeffizienten in Abhängigkeit von NOx/Ruß.
Partikel können üblicherweise bei einer niedrigsten Temperatur von angenähert 600°C verbrannt werden. Jedoch kann die Verwendung des Oxidkatalysators 21 und eine oxidative Reaktion mit NO₂ die niedrigste Temperatur auf 250°C reduzieren. Die Erzeugung von NO₂ hängt von einer NOx-Menge im Abgas ab, das heißt, je mehr NOx vorhanden ist, desto mehr NO₂ ist vorhanden. Daher können die Partikel zuverlässig bei angenähert 250°C verbrannt werden. Umgekehrt ist, je geringer NOx ist, NO₂ um so geringer. Dieses bedeutet, dass Partikel nicht zuverlässig bei angenähert 250°C verbrannt werden können. Mit anderen Worten, der Verbrennungswirkungsgrad der Partikel hängt von der Menge des NOx im Abgas ab, um insbesondere von dem Wert von NOx/Ruß, welcher als ein Index dient, der anzeigt, ob das Abgas Komponenten enthält, die geeignet sind, um Partikel zu verbrennen.
Aus den vorgenannten Gründen baut die Filtertemperaturhäufigkeits-Korrektureinrichtung b2 den Wert NOx/Ruß abhängig von der Motordrehzahl Ne und der (dem Drehmoment entsprechende) Kraftstoffeinspritzmenge Qf und unter Verwendung des NOx/Ruß-Kennfeldes n4 in 5(a) und eines Korrekturkoeffizientenkennfeldes m5 in 5(b) auf, und berechnet einen Korrekturkoeffizienten Ka auf der Basis von NOx/Ruß. Wenn beispielsweise NOx/Ruß 25 oder größer ist, überschreitet der Korrekturkoeffizient K allmählich 1. Wenn NOx/Ruß kleiner als 25 ist, wird der Korrekturkoeffizient K allmählich kleiner als 1 als Antwort auf die Reduzierung von NOx/Ruß. Ferner wird der Korrekturkoeffizient K auf einen stabilen Wert festgelegt (< 1), wenn NOx/Ruß kleiner als 16 ist. Ferner multipliziert die Filtertemperaturhäufigkeits-Korrektureinrichtung b2 den Korrekturkoeffizienten K mit der Temperaturhäufigkeit β, und korrigiert damit den Koeffizienten K.
Eine Verbrennungsgeschwindigkeits-Berechnungseinrichtung b3 berechnet einen Teilchenverbrennungsgeschwindigkeitskoeffizienten αΔt in der Zeitdauer Δt und der Verwendung der Formel (k). αΔt = f (βΔt) (k)
Der Partikelverbrennungsgeschwindigkeitskoeffizient αΔt kann unter Verwendung der in 3(b) dargestellten Kennfeldes m2 anstelle der Formel (k) abgeleitet werden.
Insbesondere ist, je größer die Filtertemperaturhäufigkeit βΔt in der gegebenen Zeitdauer ist, der Partikelverbrennungsgeschwindigkeitskoeffizient αΔt um so größer.
Eine Verbrennungspartikelmengen-Berechnungseinheit b" berechnet eine Menge MbΔt innerhalb der Zeitdauer Δt verbrannter Partikel unter Verwendung der Formel (1). MbΔt = αΔt × PMi–1 (1)wobei PM_i–1 die Menge der zuvor angesammelten Partikel repräsentiert, welche durch die Einheit A3" berechnet wird, die eine Menge angesammelter Partikel berechnet, wie es später beschrieben wird.
Alternativ kann die Menge MbΔt unter Verwendung eines Kennfeldes abgeleitet werden, das die Beziehung zwischen der Partikelverbrennungsgeschwindigkeit βΔt und der Menge Mb verbrannter Partikel darstellt.
Je größer der Partikelverbrennungsgeschwindigkeitskoeffizient α t ist, desto größer ist die Menge MbΔt.
Die Einheit A3" berechnet eine Menge PM_i der derzeit angesammelten Partikel unter Verwendung der Formel (m). PMi = PMi–1 + (MaΔt – MbΔt) × Δt (m)
In der vorstehenden Ausführungsform berechnet die Verbrennungspartikelmengen-Berechnungseinheit b4'' der Einheit A2' die verbrannte Partikelmenge MbΔt. Alternativ kann die Menge PM_i der derzeit angesammelten Partikel durch die Einheit A3" unter Verwendung der Formel (n) berechnet werden, wenn die Einheit A2' durch eine Einheit A2" ersetzt wird, welche die Verbrennungsgeschwindigkeitsberechnungseinrichtung b3 enthält. PMi = PMi–1 + (MaΔT – αΔt × PMi–1) × Δt (n)
Eine Zwangsregenerationsroutine wird unter Bezugnahme auf die 9(a) bis 9(c) beschrieben. Insbesondere stellt 9(a) eine Zwangsregenerationszeitpunkt-Detektionsroutine dar.
Die Menge MaΔt in der Zeitdauer Δt ausgegebener Partikel wird im Schritt s10 berechnet, und die Menge MbΔt in der Zeitdauer Δt verbrannter Partikel wird im Schritt s20 berechnet.
Eine in 9(b) dargestellte Routine wird für diesen Zweck verwendet. Im Schritt s11 werden eine Ansaugluftmenge Qa und eine Kraftstoffeinspritzmenge Qf heruntergeladen. Im Schritt s12 wird das Überschussluftverhältnis λ in der Zeitdauer Δt auf der Basis der heruntergeladenen Daten berechnet. Im Schritt s13 wird die Überschussluftverhältnishäufigkeit γ durch die die in 8 dargestellte Überschussluftverhältnishäufigkeits-Berechnungseinrichtung a2-1' berechnet. Zum Schluss wird die Menge MaΔT {= f(γΔt)} im Schritt s14 berechnet.
Die Menge MbΔt in der gegebenen Zeitdauer Δt verbrannter Partikel wird in einer in 9(c) dargestellten Routine berechnet.
Die Katalysatortemperatur gt wird im Schritt s21 heruntergeladen, und die Filtertemperaturhäufigkeit (3Δt wird auf der Basis der Katalysatortemperatur gt im Schritt s22 berechnet, und wird unter Anwendung eines von K abhängigen Korrekturkoeffizienten bezüglich NOx/Ruß korrigiert. Im Schritt s23 wird die Partikelverbrennungsgeschwindigkeit αΔt {= f(βΔt)} unter Verwendung der Filtertemperaturhäufigkeit βΔt berechnet. Zum Schluss wird die Menge Mb Δt {= αΔt × PM_i–1} im Schritt s24 berechnet.
Anschließend an die Berechnungen von MaΔt und MbΔt in den Schritten s10 und s20 wird die Menge PM_i derzeit angesammelter Partikel unter Verwendung von PM_i–1, MaΔt und MbΔt im Schritt s30 berechnet. Siehe 9(a).
Wenn die detektierte Menge PM_i gleich oder größer als der vorbestimmte Wert im Schritt s40 ist, wird die Zwangsregeneration im Schritt s50 ausgeführt, um zwangsweise das Filter 22 zu erhitzen. Für diesen Zweck wird eine vorbestimmte Menge an Kraftstoff zu einem vorbestimmten Zeitpunkt für ein erforderliches Zeitintervall nach der Haupt-Kraftstoffeinspritzung nacheingespritzt.
Daher wird das Abgas erhitzt, so dass die Filtertemperatur gt schnell erhöht wird und die Partikel angemessen in einer heißen Atmosphäre verbrannt werden. Dieses ermöglicht eine zuverlässige Regeneration des Filters 22.
Die Menge PM_i der angesammelten Partikel kann genau durch Berechnung der Menge Ma in der Zeitdauer Δt ausgegebener Partikel und der Menge Mb in der Zeitdauer Δt verbrannter Partikel detektiert werden. Daher können die Zwangsregenerationsintervalle korrekt eingestellt und verlängert werden, was wirksam eine Verringerung des Kraftstoffwirkungsgrades verhindert.
Ferner kann die Verbrennungspartikelmengen-Berechnungseinheit A2' die Filtertemperaturhäufigkeit β ableiten, wenn eine Filtertemperatur gt 250°C oder höher für die Zeitdauer Δt ist oder kann einen Mittelwert der Filtertemperaturhäufigkeit β in der Zeitdauer Δt ableiten.
Die vorgenannten Alternativen sind genauso effektiv, wie die in den 9(a) bis 9(c) dargestellte Zwangsregenerationsprozedur. Die Gesamtmenge angesammelter Partikel kann genau detektiert werden, was wirksam das Zwangsregenerationsintervall in einem korrekten Bereich hält.
In der vorstehenden Beschreibung besitzt das Filter eine Honigwabenstruktur. Alternativ kann das Filter in der Form eines Drahtgeflechtes vorliegen oder eine dreidimensionale Struktur aufweisen.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Das Abgasreinigungssystem der Erfindung kann zuverlässig die Menge angesammelter Partikel detektieren. Wenn es in einen Dieselmotorfahrzeug eingebaut wird, kann das Abgasreinigungssystem die Zwangsregenerationsintervalle verlängern und den Kraftstoffwirkungsgrad verbessern.
ZUSAMMENFASSUNG ABGASREINIGUNGSSYSTEM FÜR EINEN VERBRENNUNGSMOTOR
Ein Abgasreinigungssystem detektiert zuverlässig eine Menge angesammelter Partikel, verlängert Zwangsregenerierungsintervalle und verbessert den Kraftstoffwirkungsgrad. Das Abgasreinigungssystem weist auf: ein Partikelfilter 22, das in einem Abgassystem eines Verbrennungsmotors 2 angeordnet ist, und Partikel aus dem Abgas sammelt, und eine NO2-Erzeugungseinheit 21, anstromseitig von oder in dem Partikelfilter 22; eine Ausgabepartikelmengen-Berechnungseinheit A1 berechnet eine Menge Me ausgegebener Partikel auf der Basis eines Überschussluftverhältnisses λ; eine Verbrennungspartikelmengen-Berechnungseinheit A2 berechnet eine Menge Mb verbrannter Partikel auf der Basis der Temperatur von Abgas vor dem Partikelfilter oder der Temperatur des Partikelfilter; und eine Partikelansammlungsmengen-Berechnungseinheit berechnet eine Menge Ma angesammelter Partikel auf der Basis der Menge Me ausgegebener Partikel oder der Menge Mb verbrannter Partikel.

Claims

Abgasreinigungssystem für einen Verbrennungsmotor, mit: einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung, die in einem Abgassystem des Verbrennungsmotors angeordnet ist und ein Partikelfilter, das zum Sammeln von Partikeln aus dem Abgas konfiguriert ist, und eine NO₂-Erzeugungseinheit anstromseitig von dem Partikelfilter enthält; einer Ausgabepartikelmengen-Berechnungseinheit, die zum Berechnen einer Menge ausgegebener Partikel auf der Basis eines Überschussluftverhältnisses konfiguriert ist; einer Verbrennungspartikelmengen-Berechnungseinheit, die zum Berechnen einer Menge verbrannter Partikel auf der Basis einer Temperatur eines Abgases vor dem Partikelfilter oder einer Temperatur in dem Partikelfilter konfiguriert ist; und einer Partikelansammlungsmengen-Berechnungseinheit, die zum Berechnen einer Menge angesammelter Partikel auf der Basis der berechneten Menge ausgegebener Partikel oder der berechneten Menge verbrannter Partikel konfiguriert ist.
Abgasreinigungssystem für einen Verbrennungsmotor, mit: einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung, die in einem Abgassystem des Verbrennungsmotors angeordnet ist und ein Partikelfilter, das zum Sammeln von Partikeln aus dem Abgas konfiguriert ist, und eine NO₂-Erzeugungseinheit anstromseitig von dem Partikelfilter enthält; einer Überschussluftverhältnishäufigkeits-Berechnungseinheit, die zum Berechnen einer Überschussluftver hältnishäufigkeit konfiguriert ist, bei der ein Überschussluftverhältnis gleich oder kleiner als ein vorbestimmter Wert während des Betriebs des Verbrennungsmotors ist; einer Ausgabepartikelmengen-Berechnungseinheit, die zum Berechnen einer Menge ausgegebener Partikel auf der Basis eines Überschussluftverhältnishäufigkeit konfiguriert ist, bei welcher ein Überschussluftverhältnis gleich oder kleiner als ein vorbestimmtes Überschussluftverhältnis ist; einer Filtertemperaturhäufigkeits-Berechnungseinheit, die zum Berechnen einer Filtertemperaturhäufigkeit konfiguriert ist, bei welcher die Temperatur des Abgases vor dem Partikelfilter oder die Temperatur des Partikelfilters gleich oder höher als ein vorbestimmter Wert ist; einer Verbrennungspartikelmengen-Berechnungseinheit, die zum Berechnen einer Menge verbrannter Partikel auf der Basis der Filtertemperaturhäufigkeit konfiguriert ist; und einer Partikelansammlungsmengen-Berechnungseinheit, die zum Berechnen einer Menge angesammelter Partikel auf der Basis der berechneten Menge ausgegebener Partikel oder der berechneten Menge verbrannter Partikel konfiguriert ist.
Abgasreinigungssystem nach Anspruch 2, wobei: die Ausgabepartikelmengen-Berechnungseinheit eine Menge in einer gegebenen Zeitdauer ausgegebener Partikel berechnet, während welcher das Überschussluftverhältnis gleich oder kleiner als der vorbestimmte Wert ist; die Verbrennungspartikelmengen-Berechnungseinheit einen Verbrennungsgeschwindigkeitsberechnungsabschnitt enthält, welcher eine Geschwindigkeit zum Verbrennen der Partikel auf dem Partikelfilter auf der Basis der Filtertemperaturhäufigkeit berechnet, und eine Menge in der gegebenen Zeitdauer verbrannter Partikel auf der Basis der Verbrennungsgeschwindigkeit in der gegebenen Zeitdauer und der Menge der in der gegebenen Zeitdauer angesammelten Partikel berechnet; und die Partikelansammlungsmengen-Berechnungseinheit eine Menge von derzeit angesammelten Partikeln auf der Basis der Menge zuvor angesammelter Partikel, der Menge während der gegebenen Zeitdauer ausgegebener Partikel und der Menge in der gegebenen Zeitdauer verbrannter Partikel berechnet.
Abgasreinigungssystem nach Anspruch 2, wobei: wobei die Berechnung der Menge ausgegebener Partikel umfasst: Herunterladen von Daten bezüglich einer Ansaugluftmenge und von Daten bezüglich einer Menge von eingespritztem Kraftstoff; Berechnen eines Überschussluftverhältnisses λ in einer gegebenen Zeitdauer Δt auf der Basis der Menge der Ansaugluft und der Menge des eingespritzten Kraftstoffes; Berechnen einer Überschussluftverhältnis-Häufigkeit γΔt, in welcher das Überschussluftverhältnis λ gleich oder kleiner als ein vorbestimmter Wert in der gegebenen Zeitdauer Δt ist, und Berechnen der Menge ausgegebener Partikel MaΔt {= f(γΔt)}, wobei die vorgenannten Prozeduren in der benannten Reihenfolge durchgeführt werden.
Abgasreinigungssystem nach Anspruch 2, wobei die Berechnung der Menge verbrannter Partikel umfasst: Herunterladen der Katalysatortemperatur gt, berechnen einer Filtertemperaturhäufigkeit βΔt in der gegebenen Zeitdauer Δt auf der Basis der Katalysatortemperatur gt; Korrigieren der Filtertemperaturhäufigkeit βΔt unter Verwendung eines Korrekturfaktors K, welcher von einem Index NO_x/Ruß abhängt, der repräsentiert, dass Komponenten des Abgases zum Verbrennen von Partikeln geeignet sind; Berechnen eines Partikelverbrennungsgeschwindigkeitskoeffizienten αΔt {= f(βΔt)} für die gegebene Zeitdauer Δt; und Berechnen einer Menge MbΔt {αΔt × PM_i_₁} verbrannter Partikel auf der Basis einer Menge PM_i_₁ zuvor angesammelter Partikel und des Partikelverbrennungsgeschwindigkeitskoeffizienten αΔt, wobei die vorgenannten Prozeduren in der benannten Reihenfolge durchgeführt werden.