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Motoren mit Magerbetrieb verwenden
mit dem Motor verbundene Abgasreinigungsvorrichtungen, um während des
mageren Betriebes NOx zu speichern und anschließend gespeicherte
NOx zu reduzieren, wenn der Motor fett betrieben
wird.
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Typischerweise verwendeten die genannten
Systeme mehrere Katalysatoren im Auspuffsystem, um solche Eigenschaften
zu erreichen, wobei der stromabwärts
gelegene Katalysator mehr NOx speichert
als ein stromaufwärts
gelegener Katalysator, während
beide Katalysatoren Sauerstoff zu speichern vermögen.
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Bei diesen Ansätzen nach dem Stand der Technik
ist es wünschenswert,
die Anzahl von Zeitpunkten zu minimieren, zu denen der Motor von
mager auf fett umschaltet, um gespeicherte NOx auszuspülen. Dies deshalb,
weil bei jedem Übergang
die fetten Abgase zunächst
in dem stromaufwärts
gelegenen Katalysator gespeicherte Oxidantien reduzieren müssen, bevor
diese Gase in dem stromabwärts
gelegenen Katalysator gespeicherte Oxidantien reduzieren können. Entsprechend
haben die Erfinder erkannt, daß eine
solche Konfiguration von Katalysatoren zu ineffizienten fetten (Spül)Zyklen
führen
können.
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Die Erfinder haben ferner erkannt,
daß eine
solche Konfiguration typischerweise auf Temperaturzwängen des
stromabwärts
gelegenen Katalysators beruht. Mit anderen Worten wird der mehr
NOx speichernde Katalysator stromabwärts angeordnet,
so daß er
in einem Bereich niedriger Temperatur arbeiten kann, während der
Katalysator, der mehr reinen Sauerstoff speichert, typischerweise
in Bereichen höherer
Temperatur arbeiten kann und demzufolge stromaufwärts angeordnet
wird. Jedoch führt,
wie oben erörtert,
eine solche Konfiguration zu wird. Jedoch führt, wie oben erörtert, eine
solche Konfiguration zu einer Verschwendung von Kraftstoff zur Spülung von
gespeichertem Sauerstoff immer dann, wenn gewünscht wird, gespeicherte NOx zu spülen.
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Die vorstehenden Nachteile werden
durch ein System für
einen Motor überwunden,
welches System umfaßt:
eine
stromaufwärts
gelegene Abgasreinigungsvorrichtung mit einem Washcoat, welche getrennt
vom NOx-Speichermaterial eine vorbestimmte
Menge von Edelmetall aufweist; die genannte motornahe Abgasreinigungsvorrichtung
kann Oxidantien speichern, wenn der Motor mager betrieben wird,
und die genannten gespeicherten Oxidantien freisetzen und reduzieren,
wenn der Motor stöchiometrisch
oder fett betrieben wird;
eine stromabwärts gelegene Abgasreinigungsvorrichtung,
welche Oxidantien speichern kann, wenn der Motor mager betrieben
wird, und die genannten gespeicherten Oxidantien freisetzen und
reduzieren kann, wenn der Motor stöchiometrisch oder fett betrieben
wird; und
ein Steuergerät
für den
mageren Betrieb des Motors, und um im Anschluß an den genannten mageren
Betrieb den Motor stöchiometrisch
oder fett zu betreiben, um in der genannten stromaufwärts gelegenen
Abgasreinigungsvorrichtung gespeicherte Oxidantien zu reduzieren,
ohne daß notwendigerweise
in der genannten stromabwärts
gelegenen Abgasreinigungsvorrichtung gespeicherte Oxidantien reduziert
werden.
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Die motornahe Abgasreinigungsvorrichtung
vermag hohe HC- und CO-Umwandlung
zu bieten, wenn sie in einem Bereich höherer Temperatur arbeitet,
und sie kann demzufolge in einer stromaufwärts gelegenen Lage plaziert
werden. Analog vermag sie auch NOx einzulagern,
und es ist demzufolge möglich,
effizientere NOx-Spülung zu erzielen, denn die
fetten Gase müssen
nicht zunächst
die in einer weiteren weiter stromaufwärts gelegenen Abgasreinigungsvorrichtung
gespeicherten Oxidantien reduzieren. Vielmehr kann eine zweite Abgasreinigungsvorrichtung
stromabwärts
angeordnet werden, um etwaige fette Gase zu behandeln, die möglicherweise
während
des stöchiometrischen
oder fetten Betriebes unbemerkt durchbrechen. Demzufolge kann die
vorliegende Erfindung Sauerstoffspeicherung in einer Abgasreinigungsvorrichtung
vorteilhaft (indem ein Teil der Sauerstoffspeicherung stromabwärts plaziert
wird) statt zum Nachteil (ineffiziente Spülung) nutzen, wie dies nach
dem Stand der Technik der Fall war. Des weiteren deaktiviert der
Motor nach einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung den
Magerbetrieb bei hohen Temperaturen oder Raumgeschwindigkeiten und arbeitet
aufgrund der Natur der stromaufwärts
gelegenen Abgasreinigungsvorrichtung in der Nähe der Stöchiometrie.
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Weitere erfindungswesentliche Merkmale
gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der mit Bezug
auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele
erläutert
werden. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
Motorsystemkonfiguration nach einer beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung;
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2 eine
alternative Auspuffkonfiguration nach einer weiteren beispielhaften
Ausführungsform
der Erfindung;
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3 verschiedene
Graphiken mit der Darstellung von Merkmalen einer beispielhaften
Ausführungsform
der Erfindung;
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4 bis 5 Übersichtsflußdiagramme
mit der Darstellung des Betriebes nach einer beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung;
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6 eine
Graphik mit der Darstellung von beispielhaften Wirkungsgraden nach
einem Merkmal der Erfindung;
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7 eine
beispielhafte Auspuffkonfiguration;
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8 eine
schematische Darstellung von Motordrehzahl über den mittleren Bremsdruck
(BMEP) bei unterschiedlichen Luft-/Kraftstoffverhältnissen;
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9 eine
Graphik mit der Darstellung von NOx-Umwandlungen
und NOx-Freisetzungen
von Katalysatoren mit unterschiedlicher Sauerstoffspeicherkapazität („OSC") während der Übergänge von
magererem auf fetten Betrieb;
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10 eine
schematische Darstellung eines Katalysatorsystems, das die vorliegende
Erfindung umsetzt, mit der Darstellung eines ersten, zwei Bereiche
aufweisenden Katalysators und eines zweiten Katalysators;
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11a eine
Graphik des Umwandlungswirkungsgrades für die Umwandlung von HC, CO
und NOx für das mit Zonen versehene Katalysatorsystem,
das in Beispiel 1 beschrieben wird, und 11b eine Graphik von NOx-Adsorption über die
Temperatur für
das in Beispiel 1 beschriebene System eines mit Zonen versehenen
Katalysators;
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12a eine
Graphik des Umwandlungswirkungsgrades für die Umwandlung von HC, CO
und NOx für den in Beispiel 2 beschriebenen
Vergleichskatalysator, 12b eine
Graphik der NOx-Adsorption über die Temperatur
für den
in Beispiel 2 beschriebenen Vergleichskatalysator; und
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13 eine
schematische Darstellung eines Katalysatorsystems, das die vorliegende
Erfindung umsetzt, wobei ein zwei Schichten aufweisender Katalysator
gezeigt wird.
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Detaillierte
Beschreibung
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Ein fremdgezündeter Innenverbrennungsmotor
mit Direkteinspritzung 10, welcher eine Mehrzahl von Brennräumen aufweist,
wird durch ein elektronisches Motorsteuergerät 12 gesteuert. Der
Brennraum 30 des in 1 gezeigten
Motors 10 weist Brennraumwände 32 mit einem darin
angeordneten und mit der Kurbelwelle 40 verbundenen Kolben 36 auf.
Bei diesem besonderen Beispiel weist der Kolben 36 eine
(nicht gezeigte) Aussparung oder Mulde auf, um die Bildung von Schichtladungen
von Luft und Kraftstoff zu unterstützen. Der Brennraum 30 wird
so dar gestellt, daß er über jeweilige
(nicht gezeigte) Einlaßventile 52a und 52b und
(nicht gezeigte) Auslaßventile 54a und 54b mit
einem Ansaugkrümmer 44 und
einem Abgaskrümmer 48 verbunden ist.
Ein Kraftstoffinjektor 66 wird als direkt mit dem Brennraum 30 verbunden
dargestellt, um diesem proportional zur Impulsbreite eines über einen
konventionellen elektronischen Treiber 68 vom Steuergerät 12 erhaltenen
Signals fpw eingespritzten Kraftstoff direkt zuzuführen. Dem
Kraftstoffinjektor 66 wird über ein (nicht gezeigtes),
einen Kraftstofftank, Kraftstoffpumpen und ein Kraftstoffverteilerrohr
umfassendes an sich bekanntes Hochdruckkraftstoffsystem Kraftstoff
zugeführt.
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Der Ansaugkrümmer 44 wird als über die
Drosselklappenplatte 62 mit einem Drosselklappenkörper 58 verbunden
dargestellt. Bei diesem besonderen Ausführungsbeispiel ist die Drosselklappenplatte 62 mit
einem Elektromotor 94 verbunden, so daß die Stellung der Drosselklappenplatte 62 durch
das Steuergerät 12 über den
Elektromotor 94 gesteuert wird. Diese Konfiguration wird
allgemein als elektronisches Gaspedal (ETC) bezeichnet, welches
auch während
der Leerlaufregelung verwendet wird. Bei einer (nicht gezeigten)
alternativen Ausführungsform
ist parallel zur Drosselklappenplatte 62 ein Bypass-Luftkanal
angeordnet, um den während der
Leerlaufregelung angesaugten Luftstrom über ein im Luftkanal angeordnetes
Drosselklappensteuerventil zu steuern.
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Eine Lambdasonde 76 wird
als stromaufwärts
des Katalysators 70 mit dem Abgaskrümmer 48 verbunden
dargestellt. Bei diesem besonderen Beispiel gibt der Sensor 76 ein
EGO-Signal an das Steuergerät,
welches das EGO-Signal in ein Zweistufensignal EGOS umwandelt. Ein
Hochspannungszustand des Signals EGOS gibt an, daß die Abgase
fetter als stöchiometrisch
sind, und ein Niederspannungszustand des Signals EGOS gibt an, daß die Abgase
magerer als stöchiometrisch
sind. Das Signal EGOS wird vorteilhafterweise während der Luft/Kraftstoffregelung
in an sich bekannter Weise verwendet, um während der stöchiometrisch-homogenen
Betriebsart ein durchschnittliches Luft-/Kraftstoffverhältnis aufrecht
zu erhalten.
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Ein an sich bekanntes kontaktloses
Zündsystem 88 liefert
als Reaktion auf das Vorzündungssignal
SA aus dem Steuergerät 12 über eine
Zündkerze 92 einen
Zündfunken
an den Brennraum 30.
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Das Steuergerät 12 bewirkt, indem
es den Zündzeitpunkt
regelt, daß der
Brennraum 30 entweder in einer homogenen Luft-/Kraftstoff-Betriebsart
oder in einer geschichteten Luft-/Kraftstoff-Betriebsart arbeitet.
In der Schichtladungsbetriebsart aktiviert das Steuergerät 12 den
Kraftstoffinjektor 66 während
des Verdichtungstaktes des Motors, so daß Kraftstoff direkt in die
Mulde des Kolbens 36 eingespritzt wird. Geschichtete Luft-/Kraftstoffschichten
werden entsprechend ausgebildet. Die Schicht, die der Zündkerze
am nächsten
liegt, enthält
ein stöchiometrisches
Gemisch oder ein etwas fetteres Gemisch als das stöchiometrische
Gemisch, und die anschließenden
Schichten enthalten zunehmend magerere Gemische. Während der
homogenen Betriebsart aktiviert das Steuergerät 12 den Kraftstoffinjektor 66 während des
Ansaugtaktes, so daß ein
im wesentlichen homogenes Luft-/Kraftstoffgemisch gebildet wird,
wenn durch das Zündsystem 88 der
Zündstrom der
Zündkerze 92 zugeführt wird.
Das Steuergerät 12 steuert
die durch den Kraftstoffinjektor 66 abgegebene Kraftstoffmenge
in der Weise, daß das
homogene Luft-/Kraftstoffgemisch in dem Brennraum 30 so
gewählt werden
kann, daß es
im wesentlichen dem stöchiometrischen
Verhältnis
oder einem magereren Wert als das stöchiometrische Verhältnis entspricht.
Das geschichtete Luft-/Kraftstoffgemisch
wird immer bei einem magereren Wert als das stöchiometrische Verhältnis liegen,
wobei das genaue Luft-/Kraftstoffverhältnis eine Funktion der dem
Brennraum 30 zugeführten
Kraftstoffmenge ist. Das Steuergerät 12 paßt den über den
Injektor 66 eingespritzten Kraftstoff aufgrund der Rückmeldung
aus der Lambdasonde (wie z.B. dem Sensor 76) an, um das
Motor-Luft-/Kraftstoffverhältnis beim
gewünschten
Luft-/Kraftstoffverhältnis
zu halten.
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Die zweite Abgasreinigungsvorrichtung,
welche nachstehend detaillierter beschrieben wird, wird als stromabwärts von
der ersten Abgasreinigungsvorrichtung 70 angeordnet gezeigt.
Die Vorrichtungen 70 und 72 enthalten jeweils
einen Katalysator mit einem oder mehreren Bricks. Bei einer alternativen
Ausführungsform können die
Vorrichtungen jedoch verschiedene Bricks in ein und demselben Be hälter enthalten
oder getrennt angeordnet sein. Verschiedene Ausführungsformen der Vorrichtungen 70 und 72 werden
nachstehend beschrieben.
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Das Steuergerät 12 wird in 1 als ein an sich bekannter
Mikrocomputer dargestellt, welcher eine Mikroprozessoreinheit 102,
Eingangs-/Ausgangsanschlüsse 104,
ein elektronisches Speichermedium für ausführbare Programme und Kalibrierwerte,
in diesem besonderen Beispiel dargestellt als ROM-Baustein 106, wahlfreier
Zugriffsspeicher (RAM) 108, batteriestromgestützter Speicherchip 110 und
konventioneller Datenbus, aufweist. Darstellungsgemäß erhält das Steuergerät 12 zusätzlich zu
den vorstehend erörterten
Signalen verschiedene Signale aus mit dem Motor 10 verbundenen
Sensoren, hierin eingeschlossen die Messung der angesaugten Luftmenge
(MAF) aus dem mit dem Drosselklappenkörper 58 verbundenen
Luftmengenmesser 100, Motorkühlwassertemperatur (ECT) aus
dem mit einer Kühlwasseraufnahme 114 verbundenen
Temperaturfühler 112,
ein Zündungsprofilaufnehmer(PIP)-Signal
aus dem mit der Kurbelwelle 40 verbundenen Hallgeber 118 und
die Drosselklappenstellung TP aus dem Drosselklappenstellungssensor 120 sowie
das Krümmerabsolutdruck-Signal
MAP aus dem Sensor 122. Das Motordrehzahlsignal RPM wird
aufgrund des PIP-Signals in an sich bekannter Weise durch das Steuergerät 12 generiert,
und ein Krümmerdrucksignal
MAP liefert einen Hinweis auf die Motorlast.
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In diesem besonderen Beispiel wird
die Temperatur T1 der Vorrichtungen 70 und 72 und
die Temperatur T2 der Vorrichtung 72 aus dem Motorbetrieb
abgeleitet. Bei einer alternativen Ausführungsform wird die Temperatur
T1 durch den Temperaturfühler 124 geliefert,
und die Temperatur T2 wird durch den Temperaturfühler 126 geliefert.
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Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform
kann ein Motor mit Einlaßkanaleinspritzung
verwendet werden, bei dem der Injektor 66 im Ansaugkrümmer 44 angeordnet
ist, um in Richtung der Ventile 52a und der Kammer 30 Kraftstoff
einzuspritzen.
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Es wird nun auf 2 Bezug genommen. Ein vereinfachtes Blockdiagramm
mit der Beschreibung eines alternativen Auspuffsystems nach einem
Merkmal der vorliegenden Erfindung wird gezeigt. In 2 wird der Motor 10 mit der
stromaufwärts
gelegenen Abgasreinigungsvorrichtung 70 und der stromabwärts gelegenen
Abgasreinigungsvorrichtung 72 verbunden dargestellt. Wie
nachstehend beschrieben, enthält
die Abgasreinigungsvorrichtung 70 Elemente x, y und z,
und die Abgasreinigungsvorrichtung 72 enthält Elemente
a, b und c. Auf diese Weise arbeitet der Motor im Magerbetrieb,
und NOx und Sauerstoff (Oxidantien) werden hauptsächlich in
der Abgasreinigungsvorrichtung 70 gespeichert. Wenn im
Anschluß daran
die NOx- und Sauerstoffspeicherkapazität der Abgasreinigungsvorrichtung 70 fast
erreicht wird (bzw. die Menge von NOx Durchbruch
einen vorbestimmten Wert erreicht), wird der Motor auf fetten oder
stöchiometrischen
Betrieb umgeschaltet, um die in der Abgasreinigungsvorrichtung 70 gespeicherten
Oxidantien und etwaige durchgebrochene, in der Abgasreinigungsvorrichtung 72 gespeicherte
Oxidantien zu reduzieren. Jedoch wird der Motor nach der vorliegenden
Erfindung fett betrieben, um hauptsächlich die in der Abgasreinigungsvorrichtung 70 gespeicherten
Oxidantien zu reduzieren, und wenn dies im wesentlichen bewerkstelligt
wurde, kehrt der Motor in den Magerbetrieb zurück. Anzumerken ist, daß dies lediglich
ein Beispiel des Betriebes nach der vorliegenden Erfindung ist und
daß verschiedene
andere Betriebsarten verwendet werden können, insbesondere kann der
Magerbetrieb verlängert
werden, um eine gewisse Speicherung von Oxidantien in der Abgasreinigungsvorrichtung 72 zu
erlauben. Wenn jedoch die Abgasreinigungsvorrichtung 72 ein
für Sauerstoffspeicherung
statt NOx-Speicherung optimierter Katalysator
ist, wird der Motor üblicherweise
so lange mager betrieben, wie NOx in der
Abgasreinigungsvorrichtung 70 gespeichert werden. Auf diese
Weise können
NOx-Spülungen
effizient durchgeführt
werden, da bei dem Spülen
von gespeichertem Sauerstoff in der Abgasreinigungsvorrichtung 72 wenig
Kraftstoff verschwendet wird, da er sich stromabwärts von
der Abgasreinigungsvorrichtung 70 befindet.
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2 zeigt
auch drei Sensoren (S1, S2 und S3) im System. S1 ist zwischen dem
Motor 10 und der Abgasreinigungsvorrichtung 70 angeordnet.
S2 ist zwischen der Abgasreinigungsvorrichtung 70 und der
Abgasreinigungsvorrichtung 72 angeordnet. S3 ist stromabwärts von
der Abgasreinigungsvorrichtung 72 angeschlossen.
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Die Sensoren werden allgemein als
Sensoren S1 bis S3 beschrieben und können verschiedene Arten von
Sensoren sein, wie z.B. beheizte Lambdasonden, Breitband-Lambdasonden,
NOx-Sensoren, kombinierte NOx-/UEGO-Sensoren
oder Temperaturfühler
bzw. jede Kombination der vorgenannten Sensoren.
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Es wird nun auf 3 Bezug genommen. Verschiedene Graphiken
werden gezeigt, die den Betrieb nach der vorliegenden Erfindung
erläutern.
Die erste Figur zeigt, daß das
erforderliche Luft-/Kraftstoffverhältnis eine Funktion des angeforderten
Drehmoments und der Motordrehzahl ist. Die Bereiche erforderlichen Luft-/Kraftstoffgemischs
werden in einen mageren Bereich, einen stöchiometrischen Bereich und
einen fetten Bereich aufgegliedert. Anzumerken ist, daß stöchiometrisch,
wie hierin verwendet, eine im geschlossenen Regelkreis des Luft-/Kraftstoffverhältnisses
um das stöchiometrisch
Luft-/Kraftstoffverhältnis
herum oszillierende Regelung bedeutet.
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Die zweite Graphik der 3 zeigt, ob magere Betriebsbedingungen
auf der Grundlage des Auspuffs oder der Motorraumgeschwindigkeit
aktiviert werden. Mit anderen Worten wird die stöchiometrische Betriebsart gewählt, wenn
das angeforderte Drehmoment und die Motordrehzahl im mageren Bereich
der ersten Figur befindlich sind, falls die Raumgeschwindigkeit
größer ist
als der Schwellenwert L1 in 3.
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Die dritte Graphik der 3 zeigt, ob auf der Grundlage
der (geschätzten
oder über
einen Sensor am Montageort des Sensors S1 gemessenen Abgastemperatur)
der Magerbetrieb aktiviert wird. Mit anderen Worten wird der Magerbetrieb
ebenso wie bei der zweiten Graphik der 3 deaktiviert und der Motor wird beim oder
in der Nähe
des stöchiometrischen
Wertes betrieben, obwohl das angeforderte Drehmoment und die Drehzahl
im mageren Bereich der ersten Graphik befindlich sind, falls die
Abgastemperatur höher
ist als der Schwellenwert L2. Anzu merken ist, daß sowohl L1 als auch L2 aufgrund
von Motorbetriebsbedingungen angepaßt werden können.
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Es wird nun auf 4 Bezug genommen. Es wird eine Routine
zur Beschreibung des Betriebs nach der vorliegenden Erfindung dargestellt.
Allgemein beschreibt die Routine, wie der Motor betrieben wird,
um den Motorkraftstoffverbrauch dadurch zu optimieren, daß eine effiziente
NOx-Spülung
unter Verwendung eines stromaufwärts
gelegenen, zu signifikanter NOx-Speicherung
fähigen
Katalysators und eines stromabwärts
gelegenen, für
den Betrieb in der Nähe
der Stöchiometrie
optimierten Katalysators durchgeführt wird. Wie oben beschrieben
wurde, gibt es jedoch verschiedene alternative Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung, und die in 4 beschriebene Routine ist allgemein
auf diese anwendbar.
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Zunächst bestimmt die Routine im
Schritt 410, ob Magerbetrieb aktiviert wurde. Mit anderen
Worten bestimmt die Routine das gewünschte oder angeforderte Luft-/Kraftstoffverhältnis auf
der Grundlage des angeforderten Drehmoments und der Motordrehzahl.
Anschließend
bestimmt die Routine, ob die Raumgeschwindigkeit höher ist
als der Schwellenwert L1 oder ob die Abgastemperatur höher liegt
als der Schwellenwert L2. Wenn weder die Raumgeschwindigkeit noch
die Abgastemperatur über
den jeweiligen Schwellenwerten liegen und das angeforderte Drehmoment
und die Motordrehzahl ein angefordertes mageres Luft-/Kraftstoffverhältnis anzeigen,
dann ist die Antwort im Schritt 410 ja, und die Routine
setzt im Schritt 412 den Magerbetrieb des Motors fort.
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Als nächstes bestimmt die Routine
im Schritt 414, ob eine NOx-Spülung erforderlich
ist. Insbesondere schätzt
die Routine die Menge von in der Abgasreinigungsvorrichtung 70 gespeicherten
NOx und stellt fest, ob diese Schätzung höher ist
als der Schwellenwert B1. Die Menge an in der Abgasreinigungsvorrichtung 70 gespeicherten
NOx wird aufgrund verschiedener Betriebsbedingungen
geschätzt,
wie z.B.: Motordrehzahl, Motorlast, Temperatur und Raumgeschwindigkeit.
Alternativ kann die Routine feststellen, ob eine NOx-Spülung erforderlich
ist, indem sie berechnet, ob die NOx-Emissionen
aus dem Auspuffendrohr oberhalb eines vorbestimmten Schwellenwertes
liegen oder ob die aus der Abgasreinigungsvorrichtung
70 austretende
NOx-Menge oberhalb eines Schwellenwertes
liegt. Bei noch einer weiteren alternativen Ausführungsform kann die Routine auf
der Grundlage der NOx-Speichereffizienz
in der Abgasreinigungsvorrichtung 70 feststellen, ob eine NOx-Spülung
angefordert werden sollte.
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Lautet die Antwort im Schritt 414 nein,
geht die Routine zum Schritt 412 zurück und setzt den Magerbetrieb
unter der Voraussetzung, daß die
im Schritt 410 festgestellten Bedingungen für Magerbetrieb
nach wie vor vorhanden sind, fort. Lautet alternativ die Antwort
im Schritt 414 ja, geht die Routine zum Schritt 416 weiter, bei
dem der Motor auf stöchiometrischen
oder fetten Betrieb umgestellt wird, um die NOx-Spülung auszuführen.
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Während
der NOx-Spülung bestimmt die Routine im
Schritt 418, ob die NOx-Spülung zu
beenden ist. Bei einem Beispiel bestimmt die Routine, ob das Integral
einer Lambdasonde (wie z.B. des Sensors S2) größer ist als ein vorgewählter Wert.
Mit anderen Worten bestimmt die Routine, ob eine integrierte Menge
fetter Abgase die Abgasreinigungsvorrichtung 70 verlassen
hat. Alternativ kann die Routine feststellen, ob ein vorbestimmtes
fettes Zeitintervall oder eine vorbestimmte Anzahl von fetten Motorzyklen
erreicht wurde. Weiter alternativ kann die Routine feststellen,
ob ein Ausgang einer Lambdasonde, wie z.B. des Sensors S2, einen
Wert anzeigt, der fetter ist als ein vorgewählter Wert.
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Lautet die Antwort im Schritt 418 nein,
geht die Routine zum Schritt 416 weiter und arbeitet im NOx-Spülzustand
weiter. Wenn alternativ die Antwort im Schritt 418 ja lautet,
geht die Routine zum Schritt 420 weiter, um die NOx-Spülung
zu beenden.
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Es wird mit 4 fortgefahren. Im Schritt 422 bestimmt
die Routine, ob Magerbetrieb nach wie vor durch das Bestimmen der
Faktoren, wie sie hierin in Bezug auf Schritt 410 beschrieben
wurden, zugelassen wird. Lautet die Antwort im Schritt 422 ja,
schaltet die Routine um und stellt den Motor im Schritt 426 erneut auf
Magerbetrieb um. Wenn alternativ der Magerbetrieb nicht mehr angefordert
oder aktiviert ist, geht die Routine zum Schritt 424 weiter,
um auf stöchiometrische
Regelung umzustellen.
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Die wie oben beschriebene stöchiometrische
Betriebsart bezieht sich auf einen Betrieb des Motors in der Weise,
daß das
gewünschte
Luft-/Kraftstoffverhältnis
um den stöchiometrischen
Wert herum schwankt (innerhalb sehr enger Grenzen um die Stöchiometrie
herum, beispielsweise plus oder minus 5 %).
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Unter Bezugnahme auf 5 wird nun die Routine für die Regelung
bei Motorkaltstarts beschrieben. Allgemein regelt die Routine den
Motor nach dem Anlassen in der Weise, daß er mit einem leicht mageren Luft-/Kraftstoffverhältnis bei
nach spät
verstelltem Zündzeitpunkt
arbeitet, um die Abgasreinigungsvorrichtungen 70 und 72 zu
erhitzen. Dieser Vorgang wird solange fortgesetzt, bis die Temperatur
der stromaufwärts
gelegenen Abgasreinigungsvorrichtung eine Schwellentemperatur T1
erreicht. Nach diesem Zeitpunkt wird der Motor stöchiometrisch
oder fett betrieben, um während
des anfänglichen
Magerbetriebs gespeicherte NOx auszuspülen.
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Zunächst bestimmt die Routine im
Schritt 510, ob Kaltstartbedingungen detektiert wurden.
Dies kann aufgrund verschiedener Bedingungen erfolgen, wie z.B.
Zeit seit dem Motorstart, Zeit seit dem letzten Motorstart, Auspufftemperatur
und anderer Bedingungen. Lautet die Antwort im Schritt 510 ja,
geht die Routine zum Schritt 512 weiter. Im Schritt 512 bestimmt
die Routine, ob der Motor gestartet wurde. Lautet die Antwort im Schritt 512 nein,
setzt die Routine die Überwachung,
ob der Motor gestartet wurde, fort. Verschiedene Parameter können dazu
herangezogen werden, einen Motorstart zu erfassen, wie z.B. Betreiben
des Motors mit einer vorbestimmten Anzahl von Zündungen, Feststellung, ob die
Motordrehzahl einen Schwellenwert erreicht hat, Feststellung, ob
der Motor während
einer längeren
als einer vorbestimmten Zeit gelaufen ist und verschiedene andere.
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Lautet die Antwort im Schritt 512 ja,
geht die Routine zum Schritt 514 weiter. Im Schritt 514 betreibt
die Routine den Motor leicht mager bei nach spät verstelltem Zündzeitpunkt,
um für
das Aufheizen der Abgasreinigungsvorrichtungen und des Abgassystems
Hitze zu erzeugen. Als nächstes
bestimmt die Routine im Schritt 516, ob die Temperatur
auf der stromaufwärts
gelegenen Seite höher
ist als der Schwellenwert T1. Verschiedene Verfahren können im
Schritt 516 verwendet werden, wie z.B. die Feststellung,
ob die geschätzte
Abgastemperatur einen vorbestimmten Schwellenwert erreicht hat,
ob die Katalysatortemperatur der stromaufwärts gelegenen Abgasreinigungsvorrichtung
eine vorbestimmte Temperatur erreicht hat, ob eine Schätzung der
Katalysatortemperatur einen vorbestimmten Schwellenwert erreicht
hat und verschiedene andere. Lautet die Antwort im Schritt 516 nein,
geht die Routine zum Schritt 514 zurück, um Magerbetrieb mit nach
spät verstelltem Zündzeitpunkt
fortzusetzen. Auf diese Weise werden die Auspuffkatalysatoren erhitzt,
um ihre Temperatur zu erhöhen.
Wenn alternativ die Antwort im Schritt 516 ja lautet, betreibt
die Routine den Motor stöchiometrisch oder
fett, um in den Abgasreinigungsvorrichtungen gespeicherte NOx auszuspülen.
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Vom Schritt 518 geht die
Routine weiter zum Schritt 520, wo eine Feststellung getroffen
wird, ob die Spülung
von gespeicherten NOx zu beenden ist. Dies
kann auf verschiedene Weise bestimmt werden, beispielsweise durch
fetten Betrieb während
einer vorbestimmten Zeitdauer, Verwendung eines stromabwärts der von
NOx zu spülenden Abgasreinigungsvorrichtung
gelegenen Sensors, Schätzen
der dem Auspuffsystem zugeführten
Kraftstoffmenge und verschiedene andere. Lautet die Antwort im Schritt 520 ja,
geht die Routine im Schritt 522 aufgrund von Betriebsbedingungen
auf den nahezu stöchiometrischen
oder Magerebetrieb über. Wenn
ansonsten die Antwort im Schritt 520 nein lautet, geht
die Routine zum Schritt 518 zurück, um die NOx-Spülung fortzusetzen.
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Auf diese Weise ist es möglich, während des
Kaltstarts die NOx-Emissionen aus dem Fahrzeugauspuffendrohr
zu mindern, denn die NOx können in
dem stromaufwärts
gelegenen Katalysator gespeichert und anschließend durch fetten Betrieb ausgespült werden,
wenn die vorbestimmte Temperatur erreicht wurde.
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Unter Bezugnahme auf 6 werden nun Graphiken mit der Darstellung
des Betriebs nach der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die oberste
Graphik der 6 zeigt
die graduelle Zunahme von Katalysatortemperaturen für die stromaufwärts und
stromabwärts
gelegenen Abgasreinigungsvorrichtungen 70 und 72. Insbesondere
zeigt die durchgezogene Linie die Temperatur der stromaufwärts gelegenen Abgasreinigungsvorrichtung 70,
während
die gestrichelte Linie die Temperatur der stromabwärts gelegenen
Abgasreinigungsvorrichtung 72 zeigt. Wie bei einem Kaltstart
erwartet, erhitzt sich die stromaufwärts gelegene Abgasreinigungsvorrichtung
schneller als die stromabwärts
gelegene Abgasreinigungsvorrichtung. Die vorliegende Erfindung nutzt
dies zum Vorteil, indem Oxidantien, wie z.B. NOx,
in der stromaufwärts
gelegenen Abgasreinigungsvorrichtung zurückgehalten und die gespeicherten
NOx anschließend ausgespült werden,
bevor die Speicherkapazität
der stromaufwärts
gelegenen Abgasreinigungsvorrichtung ausgeschöpft wurde, wodurch der zur
Reduzierung von in der stromabwärts
gelegenen Abgasreinigungsvorrichtung 72 gespeicherten Oxidantien,
wie z.B. Sauerstoff, eingesetzte Kraftstoff minimiert wird. Darüber hinaus
verwendet die vorliegende Erfindung während eines Kaltstarts den
Montageort der stromaufwärts
gelegenen Abgasreinigungsvorrichtung in vorteilhafter Weise, indem
unter Motorkaltstartbedingungen erzeugte NOx vor
dem Zeitpunkt t1 zurückgehalten
werden. Nach dem Zeitpunkt t1 (wenn die stromaufwärts gelegene
Abgasreinigungsvorrichtung die Temperatur T1 erreicht hat) wird
der Motor auf fett umgeschaltet, um wie in der unteren Graphik der 6 beschrieben, die in der
stromaufwärts
gelegenen Abgasreinigungsvorrichtung gespeicherten NOx auszuspülen. Insbesondere zeigt
die untere Graphik von 6 das
Motor-Luft-/Kraftstoffverhältnis,
welches den Temperaturen in der obersten Graphik entspricht. Wie
gezeigt, wird, wenn der Motor das Anlassen und Anlaufen verläßt, der
Motor leicht mager (zwischen Luft-/Kraftstoffverhältnissen
von ca. 14,6 bis 15,1) betrieben. Während dieser Zeit werden die
von dem Motor abgegebenen NOx in der Abgasreinigungsvorrichtung 70 gespeichert.
Nach dem Zeitpunkt T1 wird der Motor wie oben beschrieben auf fett
umgestellt, um die gespeicherten NOx auszuspülen.
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Anzumerken ist, daß die Fähigkeit
der Abgasreinigungsvorrichtungen zur Speicherung und Reduktion von
NOx eine Funktion der Temperatur ist und
daß, wenn
die NOx-Speicherung primär in der stromabwärts gelegenen
Abgasreinigungsvorrichtung 72 genutzt wurde, der Motor
bis zum Zeitpunkt t2 abwarten müsste,
bevor er in der Lage wäre,
die NOx-Speicherfähigkeit zu nutzen. Nach der
vorliegenden Erfindung ist es jedoch durch Verwendung der Katalysatorkonfiguration
nach der vorliegenden Erfindung möglich, diese NOx-Speicherung
und -Spülfähigkeit
in vor teilhafter Weise früher
zu nutzen und damit die NOx-Emissionen während eines Motorkaltstarts
zu mindern.
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7 zeigt
die Abgasreinigungsvorrichtungen 70 und 72 an
einem nahe beim Motor liegenden Montageort. Des weiteren zeigt die
Figur eine Zweirohrkonfiguration, bei der es zwei Gruppen von Katalysatoren 70A, B und 72A, B gibt.
Die beiden Abgaskanäle
A und B vermischen sich bei diesem Beispiel nicht. Jedoch kann bei
einer alternativen Ausführungsform
ein Y-Rohr-Konfiguration verwendet werden, bei der die Gase zusammenkommen.
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Bei einer alternativen Ausführungsform
läuft der
Motor meistens unter stöchiometrischen
Bedingungen, außer
unter geringer Last (mittlerer Bremsdruck (BMEP) < 1,2 bar), niedriger
Motordrehzahl (u/min < 1750),
wenn der Motor unter Schichtlade- oder homogenen Magerbedingungen
betrieben wird. Der Magerbetrieb kann auch auf der Grundlage von
Motordrehmoment und Motordrehzahl gewählt werden. Das Betriebsdiagramm
eines Schichtlademotors wird in 8 schematisch
dargestellt. Weiter wird in 8 der
Betriebsbereich gezeigt, in dem der Motor unter stöchiometrischen
Bedingungen und unter voller Last mit einem Luft-/Kraftstoffverhältnis unterhalb des Zustandes
mit Netto-Kraftstoffüberschuss
läuft.
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Für
wie oben beschrieben betriebene Motoren und bei beliebigen anderen
Innenverbrennungsmotoren, die dazu bestimmt sind, zumindest teilweise
unter mageren Bedingungen zu arbeiten, stellt die vorliegende Erfindung
ein Katalysatorsystem bereit, welches Motoremissionen zu mindern
vermag.
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Wie oben ausgeführt, zeigt 9 typische Magerbetriebs-NOx-Freisetzung
während
des Übergangs von
mager auf fett einer Abgasreinigungsvorrichtung, welche Oxidantien,
wie z.B. Sauerstoff und NOx, zu speichern
vermag. Die während
des Spülzyklus
des Katalysators freigesetzten NOx treten
vermutlich aufgrund der durch die Oxydation von Reduktanten CO,
HC und H2 durch den aus dem Sauerstoffspeichermaterial
freigesetzten Sauerstoff erzeugten exothermen Hitze auf.
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10 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
des Katalysatorsystems 19, eines Systems zur Behandlung
von Emissionen sowohl bei stöchiometrischem
Betrieb als auch bei Magerbetrieb (z.B. während des Leerlaufs oder bei
langsamer Konstantfahrt). Wie gezeigt umfaßt das Katalysatorsystem 19 zwei
Abgasreinigungsvorrichtungen 70, 72 an einem motornahen
Ort. Die vordere Abgasreinigungsvorrichtung 70 ist so optimiert,
daß sie
funktioniert, wenn der Motor 10 unter mageren Bedingungen
betrieben wird. Die vordere Abgasreinigungsvorrichtung 70 wird Überschuß-NOx während
des Magerbetriebs speichern und anschließend die NOx freisetzen
und umwandeln, wenn der Motor 10 auf einen fetten Betriebszustand
umschaltet. Die stromabwärts
gelegene Abgasreinigungsvorrichtung 72 ist so optimiert,
daß sie
bei stöchiometrischen
Betriebszuständen
HC, CO und NOx effizient umwandelt und auch
etwaige verbleibende Magerbetriebs-NOx-Emissionen
umwandelt, die nicht durch die vordere Abgasreinigungsvorrichtung 70 adsorbiert
wurden.
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Die vordere Abgasreinigungsvorrichtung 70 besteht
aus zwei Bereichen 18, 20. Es sollte angemerkt werden,
daß die
vorliegende Erfindung auch die Verwendung von Schichten anstelle
von Bereichen in Aussicht nimmt. Bei einer Ausführungsform der Erfindung ermöglichen
es diese verschiedenen Schichten oder Bereiche, Oxydationskomponenten
physisch zu trennen, um NOx-Speicherung
zu ermöglichen,
während
gleichzeitig eine effiziente HC/CO-Oxydationsaktivität geliefert
wird. Anzumerken ist, daß auch
verschiedene Phasen verwendet werden könnten.
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Bei einer Vorgehensweise sind in
dem Katalysator-Washcoat zwei Komponenten enthalten, so daß sowohl
NOx-Speicherung und starke HC/CO-Umwandlungsaktivität in ein
und derselben Abgasreinigungsvorrichtung gegeben sind. Um eine effiziente
NOx-Speicherung zu erreichen, werden ein
hochinteragierter NOx-Oxydationskatalysator
und NO2-Speichermaterial genutzt. Dies ist typischerweise ein Edelmetall
(Pt) und Ba, aber an deren Stelle könnten andere geeignete Materialien
treten, wie z.B. Zäsium
oder Kalium. Dies ermöglicht
einen effizienten Transfer des oxydierten NO2 zum Speichermaterial.
Unglücklicherweise
mindert dies die Aktivität
des Pt bei der Oxydation von HC und CO. Für eine gute Oxydationsaktivität werden
demzufolge Pt und/oder Pd auf Al2O3 oder Ce/Zr aufgebracht, wobei
Pt/Pd eine gute Oxydationsaktivität aufweisen werden. Um einen
Katalysator sowohl mit HC/CO-Aktivität als auch NOx-Speicherung
zu schaffen, werden die beiden Phasen getrennt, so daß Ba die
Oxydationsaktivität
der PGM/Al2O3-Phase nicht (bzw. weniger als mit einem vorbestimmten
Wert) stört.
Dies kann dadurch erreicht werden, daß getrennte Phasen des Materials
geschaffen werden, wobei Pt/Pd zunächst auf einem Träger (Al2O3
oder Ce/Zr-Mischoxyd)
fixiert werden, und die Pt/Ba-Mischung auf einem Al2O3-Träger fixiert
wird. Diese getrennten Phasen können
anschließend
entweder miteinander vermischt und überzogen werden oder könnten vorzugsweise
als zwei getrennte Schichten überzogen
werden. Ein weiteres Merkmal dieses Prozesses wäre es, ein Lösungsmittel
zu verwenden, in dem keines der Aktivmaterialien eine bedeutende
Löslichkeit
aufweist, so daß sie
nicht gemischt werden, wenn im Washcoat-Prozeß ein Schlamm vorbereitet wird.
Auf diese Weise werden die Probleme mit der NOx-Freisetzung überwunden.
Mit anderen Worten wird von einem Makro-Standpunkt aus gesehen eine ausgewählte Menge
Edelmetall in dem Washcoat plaziert, der nicht mit den NOx-Speichermaterialien verbunden ist, wie
z.B. Ba. Bei einem Ausführungsbeispiel
werden zwischen 30 bis 70 (Massen-)% des Edelmetalls in dem Washcoat plaziert,
der nicht mit den NOx-Speichermaterialien
verbunden ist. Spezifische Bereiche umfassen: 10-20, 20-30, 30-40,
40-50, 60-70 und/oder 80-90. Ein weiteres Ausführungsbeispiel sieht 50-80%
vor.
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Der Bereich 18 wird bei
einem Beispiel aus einem foraminösen
Substrat, wie z.B. einem Aluminiumoxydsubstrat, hergestellt, das
als ein Träger
für das
Katalysatormaterial fungiert und als eine Passage für den Abgasstrom
wirksam wird. Das Substrat wird mit eine hohen Schicht Edelmetall
(PM), wie z.B. Pt, Pd und/oder Rh, beschichtet. Der Bereich 18 weist
des weiteren Oxyde von Aluminium, Alkalimetallen und alkalinen Erdmetallen
oder einer Kombination von beiden, wie z.B. Bariumoxyd, Magnesiumoxyd
oder Kaliumoxyd, auf. Die Gesamtmenge von Alkalimetallen oder alkalinen
Erdmetallen oder eine Kombination derselben liegt zwischen 2 – 15 (Gewichts-)%.
Der Bereich 18 ist jedoch von Zermetall frei. Bei einer
Ausführungsform
besteht der Bereich 18 der vorderen Abgasreinigungsvorrichtung 70 aus
Platin oder Rhodium, die auf einem Aluminiumsubstrat im Verhältnis 5:1
bis 25:1 mit einer Gesamtbeschichtung von ca. 60-300 g/ft3 aufgebracht werden.
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Bei einer Ausführungsform ist das Rh auf 3-5
(Gew.-)% ZrO2-Partikeln verankert. Das Al2O3-Substrat wird
durch ca. 1-8 (Gew.-)% La2O3 stabilisiert.
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Der Bereich 20 der vorderen
Abgasreinigungsvorrichtung 70 besteht ebenfalls aus einem
foraminösen Substrat, üblicherweise
Aluminiumoxyd, das als Träger
für das
Katalysatormaterial dient. Der Bereich 20 umfaßt Oxyde
von Aluminium, alkalischen Metallen, alkalinen Erdmetallen, seltenen
Erdmetallen oder Kombinationen derselben und eine geringere Beschichtung
mit Erdmetallen (PM) als der Bereich 18. Der Bereich 20 kann
optimalerweise Zirkoniumoxyde umfassen. Bei einer Ausführungsform
wird das Aluminiumoxydsubstrat im Bereich 20 mit einer
Lösung
beschichtet, die 10-40 (Gew.-)% BaO und/oder MgO auf einem Al2O3-Washcoat enthält. Bei
einer Ausführungsform
besteht der Bereich 20 der vorderen Abgasreinigungsvorrichtung 70 aus
Pt und Rh, die in einem Verhältnis
von 1:1, 10:1 auf einem Aluminiumoxydsubstrat aufgebracht werden, wobei
eine Gesamtaufbringung von ca. 10-100 g/ft3 vorgesehen
ist. Der Bereich 20 kann eine kleine Menge von Mischoxyden
von Zirkonium und Zermetall enthalten.
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Bei einer alternativen Ausführungsform
umfaßt
der Bereich 18 der Abgasreinigungsvorrichtung 70 zwischen
0,1 und 6 (Gew.-)% einen BaO- und/oder MgO-Washcoat auf Aluminiumoxyd. Bei einem
spezifischen Beispiel werden zwischen 1 bis 3 (Gew.-)% BaO genutzt.
Bei einem anderen Beispiel werden 3 bis 9 % verwendet. Dies ermöglicht eine
vorbestimmte Menge von NOx Speicherung, erlaubt aber auch eine hohe
Zurückhaltung
von HC- und CO-Umwandlung während
des stöchiometrischen
Betriebes. Durch Halten der Bariummenge in diesen beispielhaften
Bereichen wird entsprechend eine effiziente stöchiometrische Betriebsweise
(hohe HC- und CO-Umwandlung) bei höheren Temperaturen ermöglicht,
und demzufolge kann die Abgasreinigungsvorrichtung 70 motornäher angeordnet
werden. Anzumerken ist, daß die
stromaufwärts
gelegene Abgasreinigungsvorrichtung 70 nahe dem Motorauspuff
angeschlossen werden und unbehandelte Abgase aus dem Motor aufnehmen
kann. Das heißt,
Abgase, die noch nicht durch weitere stromaufwärts gelegene Katalysatoren
in einem separaten Behälter
geflossen sind, brechen durch.
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Die stromabwärts gelegene Abgasreinigungsvorrichtung 72 wird
in einem dem Bereich 18 ähnlichen Verfahren hergestellt.
Die stromabwärts
gelegene Abgasreinigungsvorrichtung 72 enthält ebenfalls
ein Katalysatormaterial, PM-Rh, wobei die Edelmetalle (PM) Platin,
Palladium oder Kombinationen derselben sein können, vorzugsweise Platin und
Rhodium in einem Verhältnis
von Pt/Rh 5:1-15:1. Zusätzlich
zu den Edelmetallen (PM) weist diese stromabwärts gelegene Abgasreinigungsvorrichtung 72 Oxyde
von Aluminium, alkalischen Metallen oder alkalinen Erdmetallen und
eine hohe Konzentration von Mischoxyden von Zirkonium und Zermetall
auf. Bei einer Ausführungsform
beträgt
die Gesamtaufbringung des Katalysatormaterials in der stromabwärts gelegenen
Abgasreinigungsvorrichtung 72 ca. 10 g/ft3-120
g/ft3. Bei einer Ausführungsform werden sowohl Pt
als auch Rh auf einer 5-30 (Gew.-)% hoch gelegenen Oberfläche Ce/Zr
mit hoher O2 Kinetik (z.B. Ce/Zr = Molverhältnis 50:50)
verankert werden. Der Aluminiumoxyd-Washcoat wird optional auch durch 2-15 (Gew.-)%
BaO stabilisiert. Optional kann die stromabwärts gelegene Abgasreinigungsvorrichtung 72 auch Wasserstoffsulfid-Emissionshemmer,
wie z.B. Nickeloxyd, enthalten.
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Das vorstehend beschriebene Katalysatorsystem 19 mindert
die Sauerstoffspeicherfunktion im vorderen Bereich der ersten Abgasreinigungsvorrichtung,
so daß NOx-Freisetzung minimiert wird. Die Minderung
der Sauerstoffspeicherfunktion im vorderen Bereich minimiert vermutlich
auch die Kraftstoffmenge, welche zur Spülung der Abgasreinigungsvorrichtung,
wie hierin beschrieben, erforderlich ist. Die vordere Abgasreinigungsvorrichtung 70 funktioniert
so, daß die
vom Motor 10 während
des Magerbetriebs abgegebenen NOx gespeichert
werden. Wird der Motor 10 für die Spülung der ersten Abgasreinigungsvorrichtung
von magerem auf fetten Betrieb umgestellt, liegt ein Minimum an
gespeichertem Sauerstoff vor, so daß die Oxydationsreaktion, wie
z.B. CO mit O2, im Bereich 18 keine
exotherme Reaktion auslöst
und es demzufolge zu einer minimalen Freisetzung von nicht reduzierten
NOx kommt. Die erste Abgasreinigungsvorrichtung 70 kann
gespült
und die gespeicherten NOx können umgewandelt
werden, wenn ein Motorsteuermodul bestimmt, daß die NOx-Speicherungskapazität der ersten
Abgasreinigungsvorrichtung nahezu ausgeschöpft ist.
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Optional wird eine Lambdasonde 22 stromaufwärts von
der Abgasreinigungsvorrichtung 72 zwischen der vorderen
Abgasreinigungsvorrichtung 70 und der stromabwärts gelegenen
Abgasreinigungsvorrichtung 72, wie in 3 gezeigt, positioniert. Bei dieser Anordnung
gibt es einen minimalen Kraftstoffverbrauchsnachteil aufgrund der
Sauerstoffspeicherkapazität
(OSC) der Abgasreinigungsvorrichtung 72. Bei der Verwendung dieser
Anordnung wird die Sauerstoffspeicherfunktion der stromabwärts gelegenen
Abgasreinigungsvorrichtung 72 minimiert, so daß aufgrund
der oben beschriebenen exothermen Reaktion minimale NOx-Freisetzung eintritt.
Zusätzlich
trägt der
Zermetall-freie erste Bereich und die geringere Aufbringung von
Zermetall im zweiten Bereich der vorderen Abgasreinigungsvorrichtung
dazu bei, daß die
mit den Spülungen
verbundenen Verbrauchsnachteile minimiert werden.
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Die 11a und 11b zeigen die Versuchsdaten
hinsichtlich der Effektivität
des Katalysatorsystems 19. 11a zeigt
die Effektivität
bei der Behandlung von konstanten HC, CO und NOx und
konstanten mageren NOx nach Alterung auf
einem Pulsator bei 850°C
während
50 Stunden und einer Raumgeschwindigkeit von 50.000 Std.–1.
Wie in 11a zu sehen
ist, liegt bei λ ≥ 1 die HC-,
CO- und NOx-Umwandlung bei einem Wirkungsgrad von
95-100%. Die Daten in 4a wurden
erhalten, indem das folgende Zuführgas
verwendet wurde: 500 ppm NO, 1500 ppm HC, 1% CO, 10% H2O
und eine variierende Menge von O2. 11b zeigt die konstante
Mager-NOx-Leistung eines 850°C-gealterten
Katalysatorsystems mit einer volumetrischen Raumgeschwindigkeit
von 30.000 Std.–1. Wie in 11b zu sehen ist, werden
aufgrund der vorliegenden Erfindung NOx über einen
breiten Bereich von Betriebstemperaturen von 200°C-600°C adsorbiert, und sie ist deshalb
innerhalb eines breiten Bereiches von Temperaturparametern für die NOx-Reduktion
effizienter. Die Daten in 11b wurden
erhalten, indem das folgende Zuführgas
verwendet wurde: 500 ppm NO, 1500 ppm HC, 1% CO, 10% CO2,
10 H2O und 6% O2.
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Von diesem Katalysatorsystem wird
erwartet, daß es
in Kraftfahrzeugen zur Abgasreinigung im Auspuffsystem benutzt wird,
wo es so funktioniert, daß Kohlen wasserstoffe,
Kohlenmonoxyd oxydiert und Stickoxyde auf gewünschte Emissionswerte reduziert
werden.
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12a ist
eine Graphik, die die CO-, NOx- und HC-Effizienz
für die
im Ausführungsbeispiel
2 beschriebene Abgasreinigungsvorrichtung zeigt. 12a erläutert den Lambdasweep-Test
der im Ausführungsbeispiel
2 beschriebenen Abgasreinigungsvorrichtung näher.
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12b ist
eine Graphik, die das Temperaturprofil des für das Ausführungsbeispiel 2 vorbereiteten Magerkatalysators
zeigt, der wie in 11b vorgesehen
gealtert wurde.
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Jeder Katalysator wird auf einem
Substrat (mechanischen Träger)
aufgebracht oder überzogen,
der aus hochtemperaturstabilen, elektrisch isolierendem Material,
wie z.B. Cordierit, Mullit usw., besteht. Ein mechanischer Träger besteht
bei einem Ausführungsbeispiel
aus einer monolithischen Magnesium-Aluminium-Silikat-Struktur, d.h. Cordierit,
obwohl die Konfiguration für
das Katalysatorsystem der vorliegenden Erfindung nicht kritisch
ist.
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Die Oberflächengröße der monolithischen Struktur
liefert 50-1000 Quadratmeter pro Liter Struktur gemessen an der
Stickstoftadsorption. Die Zelklldichte sollte in einer mit den Druckabfalleinschränkungen
konsistenten Weise maximiert werden und liegt bei einem Beispiel
im Bereich von 200-800 Zellen pro Quadratzoll Querschnittsfläche der
Struktur. Das Substrat kann aus einer beliebigen geeigneten Konfiguration
bestehen, die häufig
als eine monolithische Wabenstruktur verwendet wird. Weitere bei
dieser Erfindung nützliche
und geeignete Konfigurationen für
ein Abgassystem sind für
den Fachmann angesichts der vorliegenden Offenbarung offensichtlich.
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Es können verschiedene Techniken
für die
Bereitstellung eines Oxyd-Washcoats auf einem Substrat verwendet
werden. Allgemein wird ein Schlamm der gemischten Metalloxydpartikel
und gegebenenfalls Stabilisatorpartikel auf einem Substrat aufgebracht,
beispielsweise durch Tauchen oder Sprühen, wonach der Überschuß allgemein
weggeblasen wird. Nachdem der Schlamm von gemischten Metalloxyd-Partikeln auf dem Substrat
aufgebracht wurde, wird das Substrat erhitzt, um die Beschichtung
zu trocknen und zu kalzinieren, allgemein bei einer Temperatur von
ca. 600°C
während
ca. 2-3 Stunden. Das Kalzinieren dient zur Entwicklung der Integrität der Keramikstruktur
der überzogenen
Oxydbeschichtung. Die Gesamtmenge von Oxyd-Washcoat, die auf dem
Substrat getragen wird, beträgt
ca. 10 bis 30 (Gew.-)% basierend auf dem Gewicht des beschichteten
Substrats. Mehrere Beschichtungen des Substrats und des Washcoats
können
notwendig sein, um die gewünschte
Beschichtungsdicke/-gewicht auf dem Substrat zu erzielen.
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Die Edelmetalle können auf der kalzinierten Oxydbeschichtung
durch ein beliebiges Verfahren, einschließlich der gut bekannten Naßimprägniertechnik
aus löslichen
Edelmetallvorläuferverbindungen,
aufgebracht werden. Wasserlösliche
Verbindungen können
verwendet werden, hierin eingeschlossen, ohne daß andere ausgeschlossen werden,
Nitratsalze und Materialien für
platinähnliche
Chloroplatinsäure.
Wie dem Fachmann bekannt ist, wird nach Imprägnieren des Washcoat mit der
Vorläuferlösung dieser
getrocknet und erhitzt, um den Vorläufer in sein Edelmetall bzw.
Edelmetalloxyd zu zerlegen. Der Vorläufer kann anfänglich zu
Metall zerlegt werden, aber in Gegenwart von Sauerstoff zu seinem
Oxyd oxydiert werden. Während
einige Beispiele von Edelmetallvorläufern oben erwähnt wurden,
soll diese Aufzählung
jedoch nicht einschränkend
sein. Noch weitere Vorläuferverbindungen
ergeben sich angesichts der vorliegenden Offenbarung für den Fachmann.
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Zusätzlich zu dieser Einarbeitung
ausgehend von dieser flüssigen
Phase kann das Edelmetall, wie z.B. Platin, durch Sublimierung von
Platinchlorid oder sonstigen flüchtigen
Platinsalzen durch einen konventionellen Austausch im Temperaturbereich
von 300-500°C
unter Verwendung labiler Platinverbindungen bereitgestellt werden.
Es besteht keine kritisch Bedeutung hinsichtlich der Art von Vorläuferverbindungen,
die verwendet werden können,
um das Edelmetall erfindungsgemäß bereitzustellen.
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Zusätzlich können Mitfällungs-Techniken herangezogen
werden, um den Katalysator herzustellen. Nach diesen Techniken können die
löslichen
Salze in einem Lösungsmittel
aufgelöst
werden, beispielsweise werden Nitrate der seltenen Erdmetall in
Wasser gelöst.
Die Mitfällung
wird dann dadurch erhalten, daß die Lösung basisch
gemacht wird, beispielsweise mit einem pH von 9 durch Hinzufügen eines
basenähnlichen Ammonium-Hydroxyds.
Weitere lösliche
Metallverbindungen, wie z.B. Sulfate und Chloride, können ebenso wie
Mischungen von verschiedenen löslichen
Verbindungen, beispielsweise Nitrate mit Chloriden, genutzt werden.
Die Ausfällung
würde dann
erhitzt werden, um sie in die gemischten Metalloxyde zu zerlegen.
Dieses Erhitzen oder Kalzinieren würde üblicherweise bei Temperaturen
von bis zu 500°C
durchgeführt
werden. Es sollte angemerkt werden, daß die Art und Weise, in der
das Oxyd zur Nutzung bei der Herstellung des Katalysators erhalten
wird, für
die Erfindung nicht entscheidend ist.
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Bei noch einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung hat die vordere Abgasreinigungsvorrichtung 70 eine
geschichtete Struktur anstelle der Struktur mit verschiedenen Bereichen
nach dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel.
Wie in 13 gezeigt, hat
die vordere Abgasreinigungsvorrichtung eine obere Schicht, die ein
Katalysatormaterial PM-Rh enthält,
wobei das Edelmetall (PM) aus der aus Platin, Palladium oder Kombinationen
derselben bestehenden Gruppe ausgewählt wird. Diese obere Schicht
weist des weiteren Metalloxyde auf, die aus der aus Aluminium-,
Alkalimetall-, alkalinen Erdmetalloxyden oder Kombinationen derselben
ausgewählt
werden. Die obere Schicht besteht bei einem Beispiel aus Pt und
Rh in einem Verhältnis
von 5:1 bis 25:1 bei einer Gesamtaufbringung von 60-300 g/ft3. Diese obere Schicht wird des weiteren
optional durch 2-15 (Gew.-)% BaO stabilisiert.
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Die untere Schicht weist ein Katalysatormaterial
PM-Rh auf, wobei ein Edelmetall (PM) aus der aus Pt, Pd und Kombinationen
derselben bestehenden Gruppe ausgewählt wird. Die untere Schicht
kann Pt und Rh in einem Verhältnis
von 1:1 bis 10:1 bei einer Gesamtaufbringung von 19-190 g/ft3 aufweisen, Die untere Schicht kann optional
kleine Mengen von Mischoxyden, wie z.B. Zirkoniumoxyd, Zermetalloxyd
und Kombinationen derselben, enthalten.
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Wie in 13 gezeigt,
kann die untere Schicht Rhodium enthalten, das auf 3-5 (Gew.-)%
ZrO2, 2-30 (Gew.-)%
BaO und MgO verankert wird. Bei einer Ausführungsform wird der Aluminiumoxyd-Washcoat
durch 2-8 (Gew.-)% La2O3 stabilisiert.
Der Aluminiumoxyd-Washcoat in der zweiten Bodenschicht kann optional durch
verbundene Oxyde von Zermetall-Lanthanum stabilisiert werden.
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Bei dieser Ausführungsform hat die stromabwärts gelegene
Abgasreinigungsvorrichtung 72 die gleichen Formulierungen
wie oben beschrieben. Insbesondere umfaßt die genannte stromabwärts gelegene
Abgasreinigungsvorrichtung 72 ein Katalysatormaterial PM-Rh,
wobei die Edelmetalle (PM) Pt, Pd oder Kombinationen derselben sind.
Die stromabwärts
gelegene Abgasreinigungsvorrichtung kann PM und Rh in einem Verhältnis von
5:1-15:1 mit einer Gesamtaufbringung von 10-700 g/ft3 enthalten.
Diese Abgasreinigungsvorrichtung enthält auch Mischoxyde von Aluminium,
Alkalimetallen, alkalinen Erdmetallen oder Kombinationen derselben.
Zusätzlich
enthält
die stromabwärts
gelegene Abgasreinigungsvorrichtung 72 eine hohe Konzentration
von Mischoxyden von Zirkonium, Zermetall oder deren Kombination.
Sowohl PM und Rh können
auf einer 5-30 (Gew.-)% hoch gelegenen Oberfläche Ce/Zr mit hoher O2 Kinetik (z.B. Ce/Zr = Molverhältnis 50:50) verankert
werden. Zusätzlich
wird bei einer Ausführungsform
der Aluminiumoxyd-Washcoat
durch 10 (Gew.-)% BaO stabilisiert. Die stromabwärts gelegene Abgasreinigungsvorrichtung
kann auch optional Hemmen für
H2S-Emissionen, wie z.B. NiO, enthalten.
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Bei noch einer anderen alternativen
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird eine einzelne Abgasreinigungsvorrichtung
so konstruiert, daß sie
eine Vielzahl von Bereichen aufweist, wobei jeder Bereich dazu bestimmt
ist, spezifische funktionale Vorteile zu bieten. Bei einer Ausführungsform
besteht die Abgasreinigungsvorrichtung aus zwei Bereichen, einem
ersten Zerdioxyd enthaltenden Bereich, der dazu bestimmt ist, ein
schnelles Light-off zu liefern und die Umwandlung von HC, CO und
NOx unter stöchiometrischen Bedingungen
zu optimieren und einem zweiten, kein Zerdioxyd enthaltenden Bereich,
welcher NOX Rückhaltematerialien aufweist,
die dazu bestimmt sind, die NOx-Reduzierung
un ter Magerbetriebsbedingungen zu optimieren. Diese Abgasreinigungsvorrichtung
mit zwei Bereichen liefert schnelles Light-oft, hohe Aktivität bei stöchiometrischen
Bedingungen und hohe NOx-Speicherkapazität bei mageren
Betriebsbedingungen. Der erste, Zerdioxyd enthaltende Bereich schützt den
zweiten, kein Zerdioxyd enthaltenden Bereich vor der exothermen
Reaktion während
des Alterns und verbessert somit die Lebensdauer des zweiten zerdioxydfreien
Bereiches. Der erste, Zerdioxyd enthaltende Bereich liefert auch
die Fähigkeit
zum Entschwefeln des zweiten zerdioxydfreien Bereiches. Der zerdioxydfreie
zweite Bereich minimiert NOx-Freisetzung
während
der Spülungen
aufgrund des Fehlens von Zerdioxyd.
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Bei dieser Ausführungsform mit einer einzelnen,
zwei Bereiche umfassenden Abgasreinigungsvorrichtung kann der erste
Bereich Aluminiumoxyd, eine Katalysatormischung PM-Rh aufweisen,
wobei PM ein Katalysatormaterial ist, das aus der aus Pt, Pd und
Kombinationen derselben bestehenden Gruppe und Metalloxyden von
Zirkonium, Zermetall und Kombinationen derselben ausgewählt wurde.
Bei dieser Ausführungsform kann
der zweite Bereich Aluminiumoxyd aufweisen, eine Katalysatormischung
PM-Rh wie oben ausgeführt und
Metalloxyde von Alkalimetallen, alkalinen Erdmetallen und Kombinationen
derselben.
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Bei einer weiteren Ausführungsform
ist die Abgasreinigungsvorrichtung so konstruiert, daß sie drei
Bereiche aufweist, einen ersten Zerdioxyd enthaltenden Bereich,
der so konstruiert ist, daß er
ein schnelles Light-oft liefert und die Umwandlung von HC, CO und
NOx unter stöchiometrischen Betriebsbedingungen
optimiert, gefolgt von einem zweiten, kein Zerdioxyd enthaltenden
Bereich, der NOx-Rückhaltematerialien
aufweist, die dazu bestimmt sind, die NOx-Reduktion
unter mageren Betriebsbedingungen zu optimieren, und einen dritten,
Zerdioxyd enthaltenden Bereich mit einem H2S-Hemmer.
Hier liefert wiederum der erste Zerdioxyd enthaltende Bereich ein
schnelles Light-oft und hohe Aktivität unter stöchiometrischen Bedingungen.
Der erste Zerdioxyd enthaltende Bereich schützt auch den zweiten, kein
Zerdioxyd enthaltenden Bereich vor der exothermen Reaktion während des
Alterns, verbessert die Lebensdauer des zweiten, kein Zerdioxyd
enthaltenden Bereiches. Der kein Zerdioxyd enthaltende Bereich minimiert
NOx-Freisetzung
während
der Spülung
aufgrund des Fehlens von Zerdioxyd. Der dritte, Zerdioxyd enthaltende,
H2S hemmende Bereich minimiert die H2S-Emissionen während der Entschwefelungen
des zweiten Bereiches, ohne den zweiten Bereich erneut zu vergiften.
Es sollte angemerkt werden, daß der
dritte, Zerdioxyd enthaltende Bereich optional einige zusätzliche
NOX-Speichermaterialien enthalten könnte. Zusätzlich enthält der dritte
Bereich Zerdioxyd und ein Edelmetall PM-Rh, um HC- und CO-Emissionen
während
der NOx-Spülungen zu minimieren und zusätzliche
Aktivität
unter stöchiometrischen
Betriebsbedingungen zu liefern.
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Bei dieser Ausführungsform mit einer drei Bereiche
umfassenden Abgasreinigungsvorrichtung ist das vorzuziehende Gemisch
für den
ersten und den zweiten Bereich die gleiche wie bei der Ausführungsform
mit einem zwei Bereiche umfassenden Katalysator dargestellt. Bei
dieser Ausführungsform
mit drei Bereichen kann der dritte Bereich Aluminiumoxyd, ein Katalysator-Gemisch
PM-Rh, wie oben dargestellt, Metalloxyde von Zirkonium, Zermetall
und Kombinationen derselben und Schwefelwasserstoff-Hemmer enthalten.
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Beispiel 1
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Verdampftes Aluminiumoxyd Al2O3 (15 g, Degussa),
Ba (No3) 2 (7,42
g), KNO3 (0,3 g), La(NO3) 3 ·6H2O (20,3 g) und H2PtCl6·6H2O (1,48 g) werden jeweils zu 500 ml entionisiertem,
auf 60°C
erhitztem Wasser hinzugegeben und dann als Lösung 1 mit den angestrebten
endgültigen
Mischverhältnissen
gemischt. Eine ,10 g Rh(NO3) 4 enthaltende Rhodiumlösung wird
auf 2,6 g ZrO2 aufgebracht, 8 Stunden bei
80°C getrocknet
und anschließend
sechs Stunden bei 600°C
kalziniert. Das sich ergebende Pulver wird zerkleinert und der Lösung 1 beigegeben.
Inzwischen werden verdampftes Aluminiumoxyd Al2O3 (15 g, Degussa), Ba (No3) 2 (14,84 g), Rh (NO3) 4 (0,1 g) und H2PtCl6·6H2O (0,23 g) jeweils zu 500 ml entionisiertem,
auf 60°C
erhitztem Wasser hinzugegeben und dann als Lösung 2 mit den endgültigen gewünschten
Mischverhältnissen
gemischt. Die obere Hälfte
eines Kerns von 400 Zellen pro Quadratzoll Cordierit (2 Zoll Durchmesser
und 3,25 Zoll in der Länge, Bereich
1) wurde in die Lösung
1 eingetaucht und anschließend über Nacht
bei 80°C
getrocknet. Dieser Prozeß wurde
so lange wiederholt, bis die gewünschte
Menge gemischter Verbindung auf dem Kern aufgebracht war. Die untere
Hälfte des
Kerns (Bereich 2) wurde anschließend in Lösung 2 eingetaucht und anschließend über Nacht
bei 80°C
getrocknet. Dieser Prozeß wurde
ebenfalls wiederholt, bis die gewünschte Menge an Verbindung
auf die untere Hälfte
des Kerns aufgebracht war. Der beschichte Kern wurde dann in Luft
bei 600°C während 6
Stunden kalziniert.
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Beispiel 2
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Dies ist ein Vergleichsbeispiel einer
an sich bekannten Abgasreinigungsvorrichtung. Verdampftes Aluminiumoxyd
(50,0 g, Degussa) und Ba (NO3) 2 (17,13 g) werden in 500 ml entionisiertem
Wasser aufgelöst.
Diese Mischung wird auf einer heißen Platte während einer
Stunde gerührt
und dann über
Nacht bei 80°C
getrocknet und anschließend
während
6 Stunden bei 600°C
kalziniert. Das kalzinierte Pulver wird mit 2,5 g Ce/Zr-Mischoxyden
(W.R. Grace) 48 Stunden in 190 ml entionisiertem Wasser gemahlen.
Anschließend
wird es über
Nacht bei 80°C
getrocknet und während
6 Stunden bei 600°C
kalziniert. Dieses Pulver wird anschließend mit H2PtCl6·H2O in 2,65 g entionisiertem Wasser gemischt,
12 Stunden gemahlen und anschließend bei 80°C getrocknet und während 6
Stunden bei 600°C
kalziniert.
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Beispiel 3
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Dieses Beispiel zeigt die Testverfahren
und -bedingungen. Die konstante Mager-NO
x-Speicherungseffizienz
wurde in einem Flußreaktor
als eine durchschnittliche Effizienz während einer einminütigen Magerperiode
unter verschiedenen Temperaturen gemessen. Das Zuführgas wurde
jeweils 60 Sekunden mager und 5 Sekunden fett bei einer konstanten
Raumgeschwindigkeit von 30.000 Std.
–1 zyklisch
zugeführt.
Die Flußraten wurden
durch Massenstrom-Controller genau gesteuert. Die Gaskonzentrationen
wurden durch ein V&F-Massenspektrometer
gemessen. Die Zuführgas-Zusammensetzung
war:
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Die Lambdasweep-Tests wurden ebenfalls
in einem Flußreaktor
bei 400°C
mit einer Gasraumgeschwindigkeit von 30.000 Std.–1 durchgeführt. Hier
bleibt die Zuführgaszusammensetzung
mit der Ausnahme konstant, daß die
Sauerstoffkonzentration sich ändert,
um den gewünschten
Lambdawert zu erreichen. Das Zuführgas
enthält
2000 ppm HC, 500 ppm NO, 1% CO, 0,33 % H2,
10% CO2, 10 H2O
und N2 den Rest.
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Die Katalysatoralterung wird in einem
Impulsflammenbrenner unter Verwendung eines urheberrechtlich geschützten Alterungszyklus
während
50 Stunden bei einer maximalen Gastemperatur von 1000°C durchgeführt.
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Es wurde festgestellt, daß die vorstehend
beschriebenen Katalysator-Systemkonstruktion und -Zusammensetzungen
bei der Minderung schädlicher
Motoremissionen nützlich
sind. Abweichungen oder Modifikationen der vorliegenden Erfindung
können
angebracht werden, ohne Geist und Umfang der Erfindung oder die
nachfolgenden Patentansprüche
zu verlassen. Beispielsweise kann der Motor während verschiedener anderer
Bedingungen als nur hoher Raumgeschwindigkeit und hoher Abgastemperatur
stöchiometrisch
arbeiten, beispielsweise während
des Startens, während
des adaptiven Lernens, während
der Diagnose, während
des Notbetriebs, falls ein Sensor oder eine Komponente beschädigt wurde,
oder verschiedenen anderen.