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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Reinigen von
Abgas, um Partikelstoffe, die in dem Abgas von Dieselbrennkraftmaschinen enthalten
sind, zu entfernen.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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Seit
Jahren werden die Vorschriften in Bezug auf die Abgase, die von
Brennkraftmaschinen und insbesondere von Dieselbrennkraftmaschinen
ausgestoßen
werden, immer strenger. Es ist insbesondere eine dringende Notwendigkeit
geworden, Partikelstoffe (nachfolgend als PMs bezeichnet) zu verringern,
die hauptsächlich
Kohlenstoff enthalten. Als eine Vorrichtung zum Entfernen von PMs
aus dem Abgas ist ein Dieselpartikelfilter (im Folgenden als DPF
bezeichnet) bekannt und ein Trend zur obligatorischen Ausstattung
von Fahrzeugen mit Dieselkraftmaschine mit dem DPF wird ebenfalls
ernsthaft verfolgt.
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Der
DPF, mit dem die Fahrzeuge mit Dieselkraftmaschine ausgestattet
sind, muss jedoch regeneriert werden, indem die eingefangenen PMs
verbrannt werden, da die eingefangenen PMs infolge des wiederholten
Betriebs der Brennkraftmaschine darauf abgelagert werden. Als ein
Mittel zur Regeneration ist ein System bekannt, bei dem die PMs
verbrannt werden, indem sie unter Verwendung eines elektrischen
Heizers oder eines Brenners erhitzt werden. Wenn das System verwendet
wird, das die PMs verbrennt, können
die PMs nicht eingefangen werden, während der DPF regeneriert wird.
Deswegen wird ein System verwendet, bei dem mehrere DPFs in dem
Abgaskanal parallel angeordnet sind, wobei das Einfangen und Verbrennen
abwech selnd ausgeführt
werden. Bei diesem System entsteht jedoch ein Problem dahingehend,
dass eine großvolumige
Vorrichtung erforderlich ist. Bei dem System, das die PMs verbrennt,
besteht ferner ein weiteres Problem dahingehend, wie die Haltbarkeit
des Filters sichergestellt werden kann, da die PMs bei einer hohen Temperatur
verbrannt werden. Aus diesen Gründen ist
das System, bei dem die eingefangenen PMs verbrannt werden, nicht
umfangreich verwendet worden.
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Im
Hinblick auf die oben erwähnten
Probleme ist kürzlich
als eine Vorrichtung zum Reinigen des Abgases von Dieselbrennkraftmaschinen
ein System vorgeschlagen worden, gemäß dem der DPF den Katalysator
zum Binden/Reduzieren von NOx trägt,
wie in dem japanischen Patent Nr. 2600492 offenbart ist, und die
eingefangenen PMs kontinuierlich verbrannt werden, indem aktiver
Sauerstoff verwendet wird, der erzeugt wird, wenn NOx gebunden und
reduziert wird. Eine weitere Vorrichtung zum Reinigen des Abgases
des Typs mit kontinuierlicher Regeneration wurde z. B. im japanischen
Patent Nr. 3012249 offenbart. 10 der
beigefügten
Zeichnung veranschaulicht eine Vorrichtung zum Reinigen von Abgas
einer Dieselbrennkraftmaschine, die mit einem bekannten Dieselpartikelfilter
des Typs mit kontinuierlicher Regeneration (im Folgenden als "DPF des Typs mit
kontinuierlicher Regeneration" bezeichnet)
ausgestattet ist. Die Vorrichtung zum Reinigen von Abgas der Dieselbrennkraftmaschine,
die mit dem DPF des Typs mit kontinuierlicher Regeneration ausgestattet
ist, wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 10 beschrieben.
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An
einem Brennkraftmaschinenkörper 2,
der durch einen Zylinderblock, einen Zylinderkopf und dergleichen
gebildet ist, sind ein Ein lasskrümmer 3, der
einen Teil des Einlassluftkanals bildet, und ein Abgaskrümmer 4,
der einen Teil des Abgaskanals bildet, angeordnet. Ein Einlassrohr 5,
das einen Teil des Einlassluftkanals bildet, ist mit dem Einlasskrümmer 3 verbunden
und eine Luftreinigungseinrichtung 6 zum Reinigen der Einlassluft
ist an dem äußersten Einlassabschnitt
des Einlassrohrs 5 angeordnet. Die Einlassluft, die durch
die Luftreinigungseinrichtung 6 gereinigt wird, wird durch
das Einlassrohr 5 und den Einlasskrümmer 3 in einen nicht
gezeigten Zylinder geleitet. Ein Abgasrohr 7, das einen
Teil des Abgaskanals bildet, ist mit dem Abgaskrümmer 4 verbunden und
das Abgas, das in dem Zylinder gebildet wird, wird durch den Abgaskrümmer 4 und
das Abgasrohr 7 ausgestoßen.
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Die
dargestellte Dieselbrennkraftmaschine ist mit einem Turbolader 8 ausgestattet,
um die Einlassluft aufzuladen. Der Turbolader 8 hat eine
Abgasturbine 81, die in dem Abgasrohr 7 angeordnet
ist, und einen Einlasskompressor 82, der in dem Einlassrohr 5 angeordnet
ist. Die dargestellte Dieselbrennkraftmaschine besitzt ferner einen
Abgas-Umlaufkanal 9 (im Folgenden als EGR-Kanal bezeichnet),
um das Abgasrohr 7 an der Einlassseite der Abgasturbine 81 mit
dem Einlassrohr 9 auf der Auslassseite des Einlasskompressors 82 zu
verbinden. Ein EGR-Ventil 11 ist in dem EGR-Kanal 9 angeordnet.
Das EGR-Ventil 11 besitzt z. B. einen Unterdruckaktuator, der
an einen nicht gezeigten Unterdruckbehälter angeschlossen ist, wobei
die Menge des an ihn gelieferten Unterdrucks durch ein Steuermittel 10,
das später beschrieben
wird, gemäß den Betriebsbedingungen gesteuert
wird, um den Öffnungsgrad
des EGR-Ventils 11 oder das EGR-Verhältnis zu steuern. Wie wohlbekannt
ist, ist die EGR-Einrichtung ein Abgasreinigungsmittel, das NOx
unterdrückt,
indem sie die Einlassluft, in die das verbrannte Abgas erneut in
Umlauf ge bracht wurde, in den Zylinder leitet. Im Stand der Technik
sind der EGR-Kanal und die Brennkraftmaschinenseite durch das Einlassrohr
und das Abgasrohr miteinander verbunden. Es ist jedoch offensichtlich,
dass die oben genannte Verbindung unter Verwendung des Einlasskrümmers, der
einen Teil des Einlassluftkanals bildet, und unter Verwendung des Abgaskrümmers realisiert
werden kann.
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In
dem Abgasrohr 7 auf der Auslassseite der Abgasturbine 81 sind
ein Dieselpartikelfilter 12 des Typs mit kontinuierlicher
Regeneration mit einem Oxidationskatalysator 121 und ein
DPF 122 in dieser Reihenfolge an der Auslassseite sowie
ein NOx-Katalysator 14 angeordnet. Der Oxidationskatalysator 121 wird
erhalten, indem die Oberflächen
eines Trägers,
der z. B. aus wabenähnlichem
Cordierit oder einem wärmebeständigen Stahl
mit aktivem Aluminiumoxid oder dergleichen hergestellt ist, um eine
Sonderbeschichtung für
Katalysatoren zu bilden, und der eine katalytisch aktive Komponente
trägt,
die aus einem neuartigen Metall, wie Platin, Palladium oder Rhodium
auf der beschichteten Schicht gebildet ist. Der Oxidationskatalysator 121 oxidiert
NO in dem Abgas, um NO2 zu bilden, und oxidiert
HC und CO in dem Abgas, um H2O und CO2 zu bilden. Der DPF 122 ist ein
Wabenfilter eines so genannten Wandströmungstyps, bei dem mehrere
Zellen z. B. unter Verwendung von porösen Cordierit oder Siciliumkarbid parallel
gebildet sind, wobei die Einlässe
und Auslässe
der Zellen abwechselnd verschlossen sind, oder ist ein Filter des
Fasertyps, bei dem Keramikfasern in vielen Schichten auf ein poröses rostfreies
Rohr gewickelt sind, um PMs einzufangen, die in dem Abgas enthalten
sind. Der NOx-Katalysator 14 besitzt einen Aufbau und Komponenten,
die gleich jenen des Oxidationskatalysators 121 sind, und
arbeitet, um NOx, wie etwa NO und dergleichen in dem Abgas in N2 und H2O zu reduzieren.
Dadurch wird der DPF 12 des Typs mit kontinuierlicher Regeneration
wenigstens durch den oben erwähnten
Oxidationskatalysator 121 und den DPF 122 gebildet,
wobei der Oxidationskatalysator 121 im Abgas befindliches
NO zu NO2 oxidiert und die eingefangenen
PMs werden mit NO2, das in den DPF 122 strömt, der
an der Auslassseite des Oxidationskatalysators 121 angeordnet
ist, verbrannt. Zu diesem Zeitpunkt verbrennen die PMs bei einer
Temperatur unter 400°C
und es besteht keine Notwendigkeit, spezielle Heizmittel, wie etwa
einen elektrischen Heizer oder einen Brenner vorzusehen. Während die
PMs bei einer niedrigen Temperatur kontinuierlich verbrannt werden,
werden die PMs gleichzeitig neu eingefangen. Deswegen ist die Vorrichtung
insgesamt in vorteilhafter Weise einfach und kompakt aufgebaut.
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Die
dargestellte Dieselbrennkraftmaschine umfasst einen Brennkraftmaschinen-Drehzahlsensor 15 zum
Erfassen der Drehzahl der Brennkraftmaschine, einen Beschleunigungssensor 16 zum
Erfassen des Betrags (ACL) der Niederdrückung des Fahrpedals, einen
Einlassluft-Temperatursensor 17, der in dem Einlasskrümmer 3 angeordnet
ist, um die Temperatur der Luft, die in den Zylinder geleitet wird,
zu erfassen, und ein Steuermittel 10 zum Steuern des EGR-Ventils 11 und
der Menge von Kraftstoff, der durch eine nicht gezeigte Kraftstoffeinspritzvorrichtung
in Reaktion auf Erfassungssignale von dem Brennkraftmaschinen-Drehzahlsensor 15,
dem Beschleunigungssensor 16, dem Einlassluft-Temperatursensor 17 oder
dergleichen in den Zylinder eingespritzt wird. Das Steuermittel 10 besitzt
einen Speicher, der vorgegebene Kraftstoffeinspritzmengen speichert,
wie in 13 gezeigt ist, wobei die Mengen
der Kraftstoffeinspritzung unter Verwendung der Brennkraftmaschinen-Drehzahl
und des Betrags der Niederdrückung
des Fahrpedals als Parameter eingestellt werden. Das Steuermittel 10 bestimmt
eine grundlegende Menge der Kraftstoffeinspritzung anhand von Erfassungssignalen
von dem Brennkraftmaschinen-Drehzahlsensor 15 und von dem
Beschleunigungssensor 16. Das Steuermittel 10 korrigiert
ferner die grundlegende Menge der Kraftstoffeinspritzung anhand
eines Wertes, der durch den Einlassluft-Temperatursensor 17 erfasst
wird, und bestimmt die endgültige
Menge der Kraftstoffeinspritzung. Die endgültige Menge der Kraftstoffeinspritzung
kann jederzeit nicht nur anhand der Einlasslufttemperatur, sondern
auch anhand weiterer verschiedener Parameter (atmosphärischer
Druck, Einspritzmenge zur Rauchbegrenzung usw.) korrigiert werden.
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Bei
den herkömmlich
verwendeten Katalysatoren schwankt der Reaktionswirkungsgrad oder
die so genannte Umsetzung zum Oxidieren von NO zu NO2 des
Oxidationskatalysators 121 stark in Abhängigkeit von der Katalysatortemperatur.
Eine günstige Oxidationsreaktion
wird in einem aktiven Bereich von z. B. 250 bis 400°C beobachtet.
In anderen Bereichen wird jedoch NO nicht ausreichend in NO2 umgesetzt. Das heißt, die NO2-Komponente
wird nicht in einen Umfang gebildet, der zum Oxidieren der PMs ausreichend
ist. 11 ist eine Darstellung, die den Betrag von CO2 veranschaulicht, der durch die Oxidationsverbrennung
der PMs in Bezug auf die Brennkraftmaschinen-Abgastemperatur ausgestoßen wird, woraus
erkannt werden kann, dass die PMs bei Temperaturen zwischen 250°C und 400°C rasch verbrennen,
um den Filter zu regenerieren. In anderen Temperaturbereichen werden
die PMs dagegen nicht verbrannt, d. h. der DPF wird nahezu nicht
regeneriert. Im Einzelnen fängt
der DPF in den Temperaturbereichen, die von dem Temperaturbereich
von 250°C
bis 400°C
verschieden sind, weiterhin die PMs ein, ohne dass er regeneriert
wird. Wenn die Verbrennung der PMs in einen Zustand beginnt, bei
dem die PMs in großer
Menge angesammelt wurden, findet eine schnelle Verbrennung statt,
wobei die Haltbarkeit des Filters stark verringert wird.
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Die
Drehzahl und die Last einer Dieselbrennkraftmaschine, die in einem
Fahrzeug angebracht ist, ändern
sich von Zeit zu Zeit in Abhängigkeit
von den Betriebsbedingungen und die Temperatur des Abgases, das
hiervon ausgestoßen
wird, ändert
sich ebenfalls in Abhängigkeit
von den Betriebsbedingungen. 12 veranschaulicht
Temperaturbereiche des Abgases unter Verwendung der Brennkraftmaschinendrehzahl
und der Brennkraftmaschinenlast als Parameter. Wie aus 12 erkannt
wird, wenn die Brennkraftmaschine eine große Last besitzt und bei einer hohen
Drehzahl läuft
und wenn die Brennkraftmaschine eine geringe Last besitzt und bei
einer geringen Drehzahl läuft,
liegen die Temperaturen des Katalysators außerhalb des aktiven Temperaturbereichs (250°C bis 400°C) und NO
wird nicht ausreichend durch den Oxidationskatalysator zu NO2 oxidiert. Deswegen werden die durch den
DPF eingefangenen PMs nicht in einem ausreichenden Grad verbrannt
und der Wirkungsgrad zum Einfangen von PMs des Filters fällt und
es tritt eine Verstopfung des eigentlichen Filters zu einem frühen Zeitpunkt
statt, was nicht erwünscht
ist. Ferner wird dann, wenn die Abgastemperatur gering ist und die
Temperatur des Abgases sogar in dem aktiven Temperaturbereich des
Katalysators liegt, Wärme
an die Umgebungsluft abgestrahlt, während das Abgas von dem Abgaskrümmer zu
dem Oxidationskatalysator strömt
und die Abgastemperatur folglich häufig unterhalb des aktiven
Temperaturbereich liegen.
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Der
oben genannte Stand der Technik wurde beschrieben anhand des DPF
des Typs mit kontinuierlicher Regeneration, der durch den Oxidationskatalysator
und den Dieselpartikelfilter gebildet ist. Selbst bei Verwendung
eines Systems, bei dem der DPF den Katalysator zum Binden/Reduzieren
von NOx trägt
und die eingefangenen PMs unter Verwendung von aktivem Sauerstoff,
der zum Zeitpunkt des Bindens und Reduzierens von NOx erzeugt wird, kontinuierlich
verbrannt werden, gelten die Einschränkungen in Bezug auf den Temperaturbereich, in
dem der Katalysator wirkungsvoll arbeitet, und somit tritt das gleiche
Problem auf.
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Im
Stand der Technik betrifft das Dokument
DE 199 26 138 A1 ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Reinigen von Abgas insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine.
Dieses Dokument lehrt, ein CRT-System (System des Typs mit kontinuierlicher Regeneration)
zu schaffen, bei dem ein Partikelfilter und ein Oxidationskatalysator
in Reihe angeordnet sind, um das Abgas zu reinigen.
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Das
Dokument
DE 41 39 291
A1 (D2) betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Betreiben einer turbogeladenen Brennkraftmaschine. Dabei soll das
entsprechende Verhalten des Turboladers während Kaltlaufbedingungen und
Beschleunigungsbedingungen verbessert werden, während geringe Emissionswerte
erreicht werden. Dieses Dokument lehrt, zwei Katalysatoren nur zum
Reinigen des Abgases bereitzustellen.
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Im
Dokument
DE 39 18 601
A1 (D4) soll die Reaktionszeit eines Hauptkatalysators
verbessert werden, während
ein Vorkatalysator mit all seinen Vorteilen, jedoch ohne seine Nachteile
verwendet wird. Dieses Dokument des Standes der Technik lehrt, den
Vorkatalysator in einem parallelen Abgaskanal bereitzustellen, der
von dem Abgas während einer
Kaltlaufbedingung durchströmt
wird, da der kleinere Vorkatalysator schneller erhitzt wird als
der größere Hauptkatalysa tor.
Wenn die Arbeitstemperatur erreicht wird, wird der Vorkatalysator
nicht mehr von dem Abgas durchströmt, sondern nur der Hauptkatalysator,
der nun auf Grund der jetzt ausreichenden Abgastemperatur das Abgas
in geeigneter Weise reinigen kann.
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Das
Dokument
EP 0 758 713
A1 (D3) betrifft ein weiteres Verfahren zum Reinigen des
Abgases einer Dieselbrennkraftmaschine mit einem Oxidationskatalysator,
einem Dieselpartikelfilter und einer NOx-Absorptionseinrichtung,
die in Reihe angeordnet sind.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die durch den
DPF eingefangenen PMs über
einen großen
Betriebsbereich einer Brennkraftmaschine zuverlässig und kontinuierlich zu
verbrennen.
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Um
die oben erwähnte
Aufgabe gemäß der vorliegenden
Erfindung zu lösen,
wird eine Vorrichtung zum Reinigen von Abgas einer Dieselbrennkraftmaschine
geschaffen, die Folgendes umfasst: einen ersten Dieselpartikelfilter
des Typs mit kontinuierlicher Regeneration, der in dem Abgaskanal
einer Dieselbrennkraftmaschine angeordnet ist, einen Umgehungsweg
zum Umgehen des Abgaskanals auf der Einlassseite des ersten Dieselpartikelfilters
des Typs mit kontinuierlicher Regeneration, einen zweiten Dieselpartikelfilter
des Typs mit kontinuierlicher Regeneration, der in dem Umgehungsweg
angeordnet ist, ein Umschaltventil zum Umschalten des Strömungskanals
des Abgases, das in dem Abgaskanal zwischen dem Umgehungsweg angeordnet
ist, ein Abgastemperatur-Erhöhungsmittel
zum Erhöhen
der Temperatur des Abgases der Brennkraftmaschine, ein Abgastemperaturbereich-Erfassungsmittel
zum Erfassen des Abgastemperaturbe reichs der Brennkraftmaschine
und/oder ein Steuermittel zum Steuern des Abgastemperatur-Erhöhungsmittels
und des Umschaltventils anhand des Abgastemperaturbereichs der Brennkraftmaschine,
der durch das Abgastemperaturbereich-Erfassungsmittel erfasst wird, wobei
das Steuermittel dann, wenn der Abgastemperaturbereich der Brennkraftmaschine,
der durch das Abgastemperaturbereich-Erfassungsmittel erfasst wird,
ein Temperaturbereich unterhalb eines vorgegebenen Temperaturbereichs
ist, das Abgastemperatur-Erhöhungsmittel
betätigt
und das Umschaltventil in der Weise steuert, dass sich das Abgas
durch den zweiten Dieselpartikelfilter des Typs mit kontinuierlicher
Regeneration bewegt.
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Das
Abgastemperaturbereich-Erfassungsmittel umfasst ein Brennkraftmaschinenlast-Erfassungsmittel
zum Erfassen der Last der Brennkraftmaschine, ein Brennkraftmaschinendrehzahl-Erfassungsmittel
zum Erfassen der Drehzahl der Brennkraftmaschine und/oder ein Kennfeld
von Abgastemperaturbereichen, in dem die Abgastemperaturbereiche
der Brennkraftmaschine unter Verwendung der Brennkraftmaschinenlast
und der Brennkraftmaschinendrehzahl als Parameter gesetzt sind.
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Das
Abgastemperatur-Erhöhungsmittel
umfasst eine Einlassluftverschlussklappe, die in dem Einlassluftkanal
der Dieselbrennkraftmaschine angeordnet ist.
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Es
ist ferner erwünscht,
dass das Abgastemperatur-Erhöhungsmittel
eine Einlassluftverschlussklappe, die in dem Einlassluftkanal der
Dieselbrennkraftmaschine angeordnet ist, und einen Abgaseinleitungsmechanismus
zum Öffnen
des Abgaskanals des Zylinders während
des Ansaughubs in den Zylinder umfasst.
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Es
ist ferner erwünscht,
dass das Abgastemperatur-Erhöhungsmittel
eine Einlassluftverschlussklappe, die in dem Einlassluftkanal der
Dieselbrennkraftmaschine angeordnet ist, einen Abgaseinleitungsmechanismus
zum Öffnen
des Abgaskanals des Zylinders während
des Ansaughubs in den Zylinder und eine Abgasverschlussklappe, die
in dem Abgaskanal angeordnet ist, umfasst.
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Es
ist erwünscht,
dass das Steuermittel den/die Öffnungsgrad(e)
der Einlassluftverschlussklappe und/oder der Abgasverschlussklappe
steuert, damit er schrittweise abnimmt, wenn der durch das Abgastemperaturbereich-Erfassungsmittel
erfasste Abgastemperaturbereich der Brennkraftmaschine sinkt.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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1 ist
eine Darstellung, die eine Vorrichtung zum Reinigen von Abgas einer
Dieselbrennkraftmaschine veranschaulicht, die gemäß der vorliegenden
Erfindung aufgebaut ist;
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2 ist
eine Darstellung, die in einem vergrößerten Maßstab einen zweiten Dieselpartikelfilter des
Typs mit kontinuierlicher Regeneration, der in 1 gezeigt
ist, veranschaulicht;
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3 ist
eine Darstellung, die eine Ausführungsform
eines Abgaseinleitungsmechanismus, der in der vorliegenden Erfindung
verwendet wird, veranschaulicht;
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4 ist
eine Darstellung, die Anlaufkurven eines Einlassventils und eines
Abgasventils in dem Aufbau von 3 veranschaulicht;
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5 ist
eine Darstellung, die eine weitere Ausführungsform des Abgaseinleitungsmechanismus,
der in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, veranschaulicht;
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6 ist
eine Darstellung, die ein Kennfeld von Abgastemperaturbereichen
in der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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7 ist
eine Darstellung, die ein Steuerkennfeld in Abhängigkeit von den entsprechenden Abgastemperaturbereichen
in der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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8 ist
eine Darstellung, die ein Kennfeld zum Steuern der Öffnungsgrade
einer Einlassluftverschlussklappe und einer Abgasverschlussklappe
in der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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9 ist
ein Ablaufplan, der die Steueroperation des Steuermittels in der
vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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10 ist
eine Darstellung, die eine herkömmliche
Vorrichtung zum Reinigen von Abgas einer Dieselbrennkraftmaschine
veranschaulicht;
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11 ist
eine graphische Darstellung, die die Abgastemperatur und die PM-Verbrennungscharakteristiken
in einem DPF des Typs mit kontinuierlicher Regeneration veranschaulicht;
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12 ist
eine graphische Darstellung, die eine Beziehung zwischen der Drehzahl
einer Dieselbrennkraftmaschine und einer Abgastemperatur für eine Last
veranschaulicht; und
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13 ist
eine Darstellung, die ein Kennfeld zum Berechnen der Menge der Kraftstoffeinspritzung aus
der Brennkraftmaschinendrehzahl und dem Betrag der Niederdrückung des
Fahrpedals veranschaulicht.
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GENAUE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme
auf die Zeichnung genau beschrieben. 1 ist eine
Darstellung, die schematisch den Aufbau einer Vorrichtung zum Reinigen
von Abgas einer Dieselbrennkraftmaschine gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. In der in 1 dargestellten
Ausführungsform sind
die gleichen Bauelemente wie jene der herkömmlichen Vorrichtung zum Reinigen
von Abgas, die in 10 gezeigt ist, durch die gleichen
Bezugszeichen angegeben, werden jedoch hier nicht erneut beschrieben.
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Die
Vorrichtung zum Reinigen von Abgas einer Dieselbrennkraftmaschine
gemäß der in 1 gezeigten
Ausführungsform
ist mit einer Einlassluftverschlussklappe 22 versehen,
um die Menge der Einlassluft in einem Einlassrohr 5 zu
begrenzen, das einen Teil des Einlassluftkanals bildet, der an der
Einlassseite eines Abschnitts angeordnet ist, an dem ein EGR-Kanal 9 angeschlossen
ist. Die Einlassluftver schlussklappe 22 ist normalerweise
vollständig
geöffnet.
Des Weiteren ist eine Abgasverschlussklappe 23 zum Begrenzen
des Ausströmens
des Abgases in einem Abgasrohr 7, das einen Teil des Abgaskanals bildet,
an der Auslassseite eines Abschnitts, an dem der EGR-Kanal 9 angeschlossen
ist, angeordnet. Die Abgasverschlussklappe 23 ist wie die
oben genannte Einlassluftverschlussklappe 22 ebenfalls
normalerweise vollständig
geöffnet.
Die Einlassluftverschlussklappe 22 und die Abgasluftverschlussklappe 23 sind z.
B. mit Unterdruckaktuatoren ausgestattet, die mit einem nicht gezeigten
Unterdruckbehälter
verbunden sind, und ihre Öffnungsgrade
werden durch Steuern der Größe des an
sie gelieferten Unterdrucks durch ein Steuermittel 10 gemäß den Betriebsbedingungen gesteuert.
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Das
Abgasrohr 7 ist unmittelbar nach einem Abgaskrümmer 4,
der einen Teil des Abgaskanals bildet, mit einem Umgehungsweg 101 zum
Umgehen des Abgaskanals versehen. Wie in 2 gezeigt
ist, ist in dem Umgehungsweg 101 ein zweiter DPF 13 des
Typs mit kontinuierlicher Regeneration angeordnet, der wie der oben
erwähnte
erste DPF 12 des Typs mit kontinuierlicher Regeneration,
der den Oxidationskatalysator 121 und den Partikelfilter 122 aufweist,
einen Oxidationskatalysator 131 und einen Partikelfilter 132 aufweist.
Die Kapazität
des zweiten DPF 13 des Typs mit kontinuierlicher Regeneration ist
kleiner als die Kapazität
des ersten DPF 12 des Typs mit kontinuierlicher Regeneration.
Ein Umschaltventil 102 zum Umschalten des Strömungskanals
des Abgases ist in dem Abgasrohr 7 zwischen dem Umgehungsweg 101 angeordnet.
Das Umschaltventil 102 wird durch das Steuermittel 10 gesteuert
und ermöglicht,
dass das von dem Abgaskrümmer 4 ausgestoßene Abgas
in den Umgehungsweg 101 strömt, d. h. in den zweiten DPF 13 des
Typs mit kontinuierlicher Regeneration strömt, wenn es geschlossen ist.
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Die
Dieselbrennkraftmaschine gemäß dieser Ausführungsform
ist mit einem Abgaseinleitungsmechanismus ausgestattet, der ermöglicht,
dass der Abgaskanal des Zylinders während des Einlasshubs in dem
Zylinder geöffnet
wird, wie in 3 gezeigt ist. 3 veranschaulicht
ein Einlassventil, einen Einlassventil-Betätigungsmechanismus 31,
ein Abgasventil 40 und einen Abgasventil-Betätigungsmechanismus 41.
Ein Abgasnocken 42, der den Abgasventil-Betätigungsmechanismus 41 bildet,
weist ein normales Nockenprofil 421 zum Betätigen des
Abgasventils 40 in dem Auslasshub und ein Abgaseinleitungsnockenprofil 422 auf,
das unter einem Phasenwinkel von etwa 90° nach dem Nockenprofil 421 in der
Drehrichtung gebildet ist. Der auf diese Weise gebildete Abgasnocken 42 betätigt das
Abgasventil 40 in Übereinstimmung
mit einer Abgasventilanlaufkurve (1) anhand des Nockenprofils 421 und
in Übereinstimmung
mit einer Abgasanlaufkurve (2) anhand des Abgaseinleitungsnockenprofils 422 für eine kurze
Zeitperiode während
des Einlasshubs (während der
Einlassventilanlaufkurve anhand des Einlassventil-Betätigungsmechanismus 31),
wie in 4 gezeigt ist. In der in 3 gezeigten
Ausführungsform arbeitet
deswegen das Abgaseinleitungsnockenprofil 422, das an dem
Auslassnocken 42 gebildet ist, als ein Abgaseinleitungsmechanismus
zum Einleiten des Abgases in den Zylinder während des Einlasshubs. Der
Betrag des Anhebens des Abgasventils 40 durch das Abgaseinleitungsnockenprofil 422 kann
im Bereich von etwa 1 mm bis etwa 3 mm liegen.
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Eine
weitere Ausführungsform
des Abgaseinleitungsmechanismus wird im Folgenden unter Bezugnahme
auf 5 beschrieben. In der in 5 gezeigten
Ausführungsform
sind die gleichen Elemente wie die der Ausführungsform von 3 durch die
gleichen Bezugszeichen angegeben, ihre Beschreibung wird jedoch
nicht wiederholt.
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In
der in 5 gezeigten Ausführungsform ist der Abgasnocken 42,
der den Abgasventil-Betätigungsmechanismus 41 bildet,
lediglich mit dem normalen Nockenprofil 421 versehen. Der
Abgaseinleitungsmechanismus 15 in der in 5 gezeigten
Ausführungsform
umfasst ein Abgaseinleitungsventil 51 zum Öffnen des
in dem gleichen Zylinder befindlichen Abgaskanals in den Zylinder
während
des Einlasshubs und einen Elektromagneten 52 zum Betätigen des
Abgaseinleitungsventils 51. Der auf diese Weise gebildete
Abgaseinleitungsmechanismus 50 ist derart, dass dann, wenn
der Abgastemperaturbereich der Brennkraftmaschine ein Temperaturbereich unterhalb
eines vorgegebenen Temperaturbereichs ist, ein Ansteuerungssignal
an den Elektromagneten von dem Steuermittel 10 geliefert
wird und das Abgaseinleitungsventil 51 angesteuert wird,
um während des
Einlasshubs zu öffnen.
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Die
in 1 gezeigte Ausführungsform ist mit einem Abgastemperaturbereich-Erfassungsmittel zum
Erfassen des Abgastemperaturbereichs der Dieselbrennkraftmaschine
ausgerüstet.
Das Abgastemperaturbereich-Erfassungsmittel wird im Folgenden beschrieben.
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Die
Abgastemperatur der Brennkraftmaschine wird hauptsächlich durch
die Kraftstoffeinspritzmenge (Last), die an die Brennkraftmaschine
geliefert wird, und die Brennkraftmaschinendrehzahl bestimmt. Das
Steuermittel in der Vorrichtung zum Reinigen von Abgas gemäß der dargestellten
Ausführungsform
besitzt einen internen Speicher (nicht gezeigt), der ein Kennfeld
von Abgastemperaturbereichen unter Verwendung der Brennkraftmaschinendrehzahl
und der Brennkraftmaschinenlast als Parameter speichert, wie in 6 gezeigt
ist, und erfasst, in welchem Bereich die Abgastemperatur gegenwärtig liegt,
aus der Brennkraftmaschinendrehzahl und der Kraftstoffeinspritzmenge
(Last). Der hier bezeichnete Bereich steht für einen Temperaturbereich des von
dem Zylinder ausgestoßenen
Abgases.
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Die
Begrenzungslinien X, Y und Z, die in 6 gezeigt
sind, sind gesetzt, indem hauptsächlich
eine Bezugnahme auf die Testergebnisse der Abgastemperaturen der
Brennkraftmaschine und auf den aktiven Temperaturbereich des Oxidationskatalysators 121 zum
Zeitpunkt der Definition des Kennfelds erfolgt. Der Bereich X ist
ein Bereich oberhalb des aktiven Temperaturbereichs des Oxidationskatalysators 121,
der Bereich Y ist in dem aktiven Temperaturbereich des Oxidationskatalysators 121 enthalten
und der Bereich Z ist ein Bereich unterhalb des aktiven Temperaturbereichs
des Oxidationskatalysators 121.
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Es
muss nicht hervorgehoben werden, dass die Grenzlinien in Abhängigkeit
von den Betriebscharakteristiken der Dieselbrennkraftmaschine und
den Charakteristiken des verwendeten Oxidationskatalysators 121 durch
den Benutzer in geeigneter Weise geändert werden können. Die
Temperaturbereiche müssen
nicht notwendigerweise auf 3 begrenzt sein, sondern können in
eine größere Anzahl
von Regionen unterteilt sein. Es können auch zwei Bereiche definiert
sein.
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Im
Folgenden wird der Betrieb der Vorrichtung zum Reinigen von Abgas
gemäß der Ausführungsform
von 1 unter Bezugnahme auf einen Ablaufplan von 9 beschrieben.
Wenn die Brennkraftmaschine zu arbeiten beginnt, wird der Kraftstoff durch
eine nicht ge zeigte Kraftstoffeinspritzvorrichtung an die Brennkraftmaschine
geliefert. Das Steuermittel 10 misst ein Brennkraftmaschinendrehzahlsignal
(Ne) und ein Signal (ACL) des Betrags der Fahrpedalniederdrückung von
dem Brennkraftmaschinendrehzahlsensor 15 bzw. dem Fahrpedalniederdrückungssensor 16 (Schritt
S1) und nimmt Bezug auf das so genannte Kennfeld der Kraftstoffeinspritzmengen,
das in 13 gezeigt ist, um die Menge
der Kraftstoffeinspritzung zu bestimmen (Schritt S2). Das Steuermittel 10 erfasst
die Menge der Kraftstoffeinspritzung zu diesem Zeitpunkt bei der
Brennkraftmaschinenlast Q.
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In
der Vorrichtung zum Reinigen von Abgas der in 1 gezeigten
Ausführungsform
erfasst das Steuermittel 10, nachdem die Brennkraftmaschinenlast
Q erfasst wurde, den gegenwärtigen
Abgastemperaturbereich aus dem in 6 gezeigten
Kennfeld der Abgastemperaturbereiche anhand der Brennkraftmaschinenlast
und der Brennkraftmaschinendrehzahl, die erfasst wurden (Schritt
S3). Wenn der gegenwärtige
Abgastemperaturbereich auf diese Weise erfasst wurde, steuert das
Steuermittel 10 das EGR-Ventil 10, die Einlassluftverschlussklappe 22 und
die Abgasverschlussklappe 23 in Übereinstimmung mit dem in 7 gezeigten
Steuerkennfeld anhand des gegenwärtigen
Abgastemperaturbereichs.
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Wenn
der Abgastemperaturbereich zunächst der
aktive Temperaturbereich X des Oxidationskatalysators ist (Schritt
S4), schließt
das Steuermittel 10 das EGR-Ventil 11 vollständig (Schritt
S5) und öffnet die
Einlassluftverschlussklappe 22, die Abgasverschlussklappe 23 und
das Umschaltventil 102 vollständig (Schritt S6) in Übereinstimmung
mit dem Steuerkennfeld von 7. Das Steuermittel 10 führt dann
die Steueroperation aus, um die Abgastemperatur zu senken (Schritt
S7). Die Steueroperation zum Senken der Abgastemperatur besteht
z. B. darin, einen Anstieg der Menge der Einlassluft durch Verwendung
eines veränderlichen
Turboladers zu steuern oder das Abgas durch Verwendung von Kühlwasser
zu kühlen.
Die Steueroperation zum Senken der Abgastemperatur ist kein wesentlicher
Bestandteil der vorliegenden Erfindung und wird somit an dieser
Stelle nicht beschrieben.
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Wenn
der Abgastemperaturbereich im Schritt S4 nicht X ist, geht das Steuermittel 10 vom Schritt
S4 zum Schritt S8, in dem es entscheidet, ob der Abgastemperaturbereich
der Niedertemperaturbereich Z ist. Wenn festgestellt wird, dass
der Abgasbereich nicht der Niedertemperaturbereich ist (sondern
der Abgastemperaturbereich = Y ist), geht das Steuermittel 10 zum
Schritt S9, in dem es die Einlassluftverschlussklappe 22,
die Abgasverschlussklappe 23 und das Umschaltventil 102 vollständig öffnet. Das
EGR-Ventil 11 wird im Schritt S9 ebenfalls geöffnet, das
Steuermittel 10 kann jedoch die EGR-Steueroperation zum Zeitpunkt des normalen
Betriebs ausführen.
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Wenn
im Schritt S8 festgestellt wird, dass der Abgastemperaturbereich
der Niedertemperaturbereich ist (Abgastemperaturbereich = Z), geht
das Steuermittel 10 zum Schritt S10, um die Einlassluftverschlussklappe
zu betätigen,
wodurch die Einlassluftverschlussklappe anhand eines Kennfelds von Einlassluftverschlussklappen-Öffnungsgraden
von 8(a) verengt wird. Das Steuermittel 10 geht
dann zum Schritt S11, um die Abgasverschlussklappe 23 zu
betätigen,
wodurch die Abgasverschlussklappe anhand eines Kennfelds von Abgasverschlussklappen-Öffnungsgraden
von 8(b) verengt wird. Die in den 8(a) und 8(b) gezeigten
Kennfelder sind die Kennfelder, die durch weiteres Unterteilen des Bereichs
Z des Kennfelds, das für
die in
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6 gezeigten
Abgastemperaturbereich-Erfassungsmittel verwendet wird, erhalten
werden, um die Operationen für
die schrittweise Öffnung der
Einlassluftverschlussklappe und der Abgasverschlussklappe einzustellen.
Der "Öffnungsgrad
3/4" bedeutet, dass
die Verschlussklappe von der vollständig geöffneten Position um 1/4 geschlossen
ist, und der "Öffnungsgrad
1/4" bedeutet, dass
die Verschlussklappe um 3/4 geschlossen ist.
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Das
Steuermittel 10 geht ferner zum Schritt S12, um das EGR-Ventil 11 zu öffnen und
das Umschaltventil 102 zu schließen, wodurch ein Umschalten
von dem Abgaskanal zu dem Umgehungsweg 101 bewirkt wird
(Schritt S12).
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Nachdem
die oben genannte Steueroperation ausgeführt wurde, führt der
Schritt in dem Steuerablaufplan wieder zum Anfang.
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Wenn
der Abgastemperaturbereich der Niedertemperaturbereich ist (Abgastemperaturbereich
= Z), wie oben beschrieben wurde, wird die Einlassluftverschlussklappe 22 verengt,
um den Einlass von Frischluft zu beschränken, und demzufolge verringert sich
der Druck in dem Einlassluftkanal in der Nähe des Auslasses des EGR-Kanals 9,
um dadurch zu ermöglichen,
dass das EGR-Gas in größerer Menge umläuft. Ferner
steigt der Abgasdruck durch Verengen der Abgasverschlussklappe 23 in
einem Abschnitt an, in dem der EGR-Kanal 9 mit dem Abgasrohr 7 gekoppelt
ist, das einen Teil des Abgaskanals bildet, und demzufolge läuft das
EGR-Gas mit einer noch größeren Menge
um. Die Temperatur des Abgases steigt an, wenn sich das Luftüberschussverhältnis (λ) während der
Verbrennung in dem Zylinder 1 annähert und die Temperatur der
Einlassluft größer wird.
Deswegen ist im Allgemeinen selbst in einem Betriebsbereich, in
dem die Drehzahl niedrig ist, die Last klein und die Abgastemperatur
erreicht nicht den aktiven Bereich des Oxidationskatalysators 121,
die Temperatur der Einlassluft kann erhöht werden, die Menge der Frischluft
in der Einlassluft kann verringert werden und die Abgastemperatur
kann bis zu dem aktiven Temperaturbereich Y erhöht werden, indem die oben erwähnte Steueroperation
ausgeführt
wird. Wie in den Kennfeldern der 8(a) und 8(b) gezeigt ist, werden dann, wenn der
Abgastemperaturbereich von dem aktiven Temperaturbereich Y des Oxidationskatalysators
entfernt ist, d. h. der niedrigere Abgastemperaturbereich ist, die
Einlassluftverschlussklappe 22 und die Abgasverschlussklappe 23 im
stärkeren
Maße verengt
und die Abgastemperatur wird stärker
erhöht.
In der dargestellten Ausführungsform wird
das Abgasventil 40 während
des Einlasshubs durch die Wirkung des Abgaseinleitungsnockenprofils 422 des
Abgasnockens 42, der den in 3 gezeigten
Abgaseinleitungsmechanismus bildet, geöffnet und das Abgas wird in
den Zylinder eingeleitet.
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Wenn
der in 5 gezeigte Abgaseinleitungsmechanismus 50 vorgesehen
ist, wird der Elektromagnet 52 während des Einlasshubs angesteuert, um
das Abgaseinleitungsventil 51 zu öffnen und demzufolge wird das
Abgas in den Zylinder eingeleitet. Deswegen strömt dann, wenn der Abgastemperaturbereich
der Niedertemperaturbereich ist (Abgastemperaturbereich = Z), das
in dem Abgaskanal befindliche Abgas mit einer hohen Temperatur zurück in den
Zylinder und demzufolge wird die Abgastemperatur erhöht. Ferner
erhöht
sich dann, wenn die Steueroperation ausgeführt wird, um die Abgasverschlussklappe
zu schließen,
wie oben beschrieben wurde, der Abgasdruck in dem Abgaskanal und
demzufolge strömt
das Abgas in einer größeren Menge zurück in den
Zylinder, wodurch es möglich
ist, die Temperatur des Abgases weiter zu erhöhen. Wenn der Abgastemperaturbereich
der Niedertemperaturbereich ist (Abgastemperaturbereich = Z), wirken
die Steueroperation zum Verengen der Einlassluftverschlussklappe 22,
die Steueroperation zum Verengen der Abgasverschlussklappe 23 und
die Operation des Abgaseinleitungsmechanismus als Mittel zum Erhöhen der
Temperatur des Abgases der Brennkraftmaschine.
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Ferner
werden dann, wenn in der vorliegenden Erfindung der Abgastemperaturbereich
der Bereich Z ist, die oben genannten Mittel zum Erhöhen der
Temperatur des Abgases betätigt
und gleichzeitig wird das Umschaltventil 102, das in dem
Abgasrohr angeordnet ist, geschlossen, so dass das Abgas durch den
Umgehungsweg 101, d. h. durch den zweiten DPF 13 des
Typs mit kontinuierlicher Regeneration strömt. Der zweite DPF 13 des
Typs mit kontinuierlicher Regeneration ist nahezu unmittelbar unter dem
Abgaskrümmer 4 angeordnet,
d. h. er ist so angeordnet, dass Abgas, das durch die Abgastemperatur-Erhöhungsmittel
erhitzt wird, durch ihn hindurch strömen kann, ohne dass seine Temperatur
durch die Umgebungsluft oder dergleichen gesenkt wird. Dies beseitigt
das Problem, dass die Temperatur des Abgases in der Weise absinkt,
dass sie niedriger ist als der aktive Temperaturbereich des Oxidationskatalysators 121 in
dem ersten DPF 12 des Typs mit kontinuierlicher Regeneration,
bevor das Abgas an dem ersten DPF des Typs mit kontinuierlicher
Regeneration ankommt, obwohl die Temperatur des Abgases durch die
Abgastemperatur-Erhöhungsmittel
erhöht ist.
Das heißt,
wenn der Abgastemperaturbereich mindestens der Bereich Y oder der
Bereich Z ist, werden die PMs eingefangen und gleichzeitig wird
die Regeneration kontinuierlich ausgeführt.
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Als
DPF 13 des Typs mit kontinuierlicher Regeneration wird
ein Typ verwendet, der eine Kapazität besitzt, die kleiner ist
als die Kapazität
des ersten DPF 12 des Typs mit kontinuierlicher Regeneration, der
bisher installiert wurde. Der zweite DPF 13 des Typs mit
kontinuierlicher Regeneration wird verwendet, wenn die Abgastemperatur
niedrig ist, oder wird nur in einem Bereich von verhältnismäßig geringen Lasten
verwendet (d. h. die Menge der Kraftstoffeinspritzung ist klein).
Es ist im Einzelnen erwünscht,
die Kapazität
des zweiten DPF 13 des Typs mit kontinuierlicher Regeneration
im Hinblick auf die Tatsache zu verringern, dass er in einem Bereich
verwendet wird, in dem die eigentliche Strömungsrate des Abgases klein
ist und die Menge von PMs in dem Abgas im Verhältnis zu allen Betriebsbereichen
klein ist und der direkt unter dem Abgaskrümmer 4 angeordnet
ist.
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Wie
oben beschrieben wurde, wird in der dargestellten Ausführungsform
der Abgastemperaturbereich anhand der Brennkraftmaschinendrehzahl und
der Last erfasst. Da keine Einschränkung nur darauf besteht, kann
der Abgastemperaturbereich jedoch durch einen Abgastemperatursensor
erfasst werden, der direkt in dem Oxidationskatalysator 121 der
Brennkraftmaschine vorgesehen ist. Obwohl der Oxidationskatalysator
und der DPF als separate Elemente beschrieben wurden, sollte angemerkt
werden, dass die vorliegende Erfindung in ähnlicher Weise sogar auf einen
DPF des Typs mit kontinuierlicher Regeneration, bei dem ein Werkstoff,
der als Oxidationskatalysator dient, durch den DPF als eine einteilige
Struktur direkt getragen wird, auf einen DPF des Typs mit kontinuierlicher
Regeneration, bei dem ein Katalysator zum Binden/Reduzieren von
NOx durch den DPF getragen wird, und auf einen DPF des Typs mit
kontinuierlicher Regeneration eines anderen Typs, der einen Katalysator
verwendet, der einen eingeschränkten
Temperaturbereich besitzt, in dem er wirkungsvoll arbeitet, angewendet
werden kann. In dem Vorhergehenden wurde beschrieben, dass der EGR-Kanal 9 und
der Abgaseinleitungsmechanismus in Kombination vorgesehen sind.
Der EGR-Kanal 9 ist
jedoch keine wesentliche Forderung und kann weggelassen werden,
insbesondere dann, wenn der Abgaseinleitungsmechanismus vorgesehen
ist.
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Gemäß der Vorrichtung
zum Reinigen von Abgas von Dieselbrennkraftmaschinen der vorliegenden
Erfindung wird die Temperatur des Abgases durch die Abgastemperatur-Erhöhungsmittel
erhöht und
des Weiteren ist der zweite DPF des Typs mit kontinuierlicher Regeneration
mit einer kleinen Kapazität
getrennt von dem herkömmlich
verwendeten ersten DPF des Typs mit kontinuierlicher Regeneration
an der Einlassseite des ersten DPF des Typs mit kontinuierlicher
Regeneration vorgesehen, damit sich das Abgas durch den zweiten
DPF des Typs mit kontinuierlicher Regeneration hindurch bewegen kann.
Deswegen kann die Vorrichtung die PMs einfangen, während sie
kontinuierlich regeneriert wird, ohne dass zugelassen wird, dass
die Temperatur des Abgases, die durch die Abgastemperatur-Erhöhungsmittel
erhöht
wurde, durch die Umgebungsluft und dergleichen gesenkt wird.