DE19963681A1 - Vorrichtung zum Behandeln des Abgases eines Verbrennungsmotors - Google Patents
Vorrichtung zum Behandeln des Abgases eines VerbrennungsmotorsInfo
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Abstract
Vorrichtung zum Behandeln des Abgases eines Verbrennungsmotors, die umfaßt einen Injektor, ein Ventil zum Abschalten des Kühlwassers, das in einen Zylinderkopf fließt, einen Auspuffkrümmer zur Erhöhung der Fließfähigkeit des Abgases, einen dicht angekoppelten Katalysator (CCC) zur Erhöhung der Aktivierung eines Katalysators beim Hochlastbetrieb bei einer niedrigen Temperatur, einen HC-Absorber-Katalysator, der einen HC-Absorber und eine TWC-Katalysator-Komponente umfaßt, zur Entfernung der HC-Komponente in dem Abgas, und einen elektrisch beheizten Katalysator und einen Light off-Katalysator zur Entfernung der HC-Komponente bei hoher Temperatur.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Behandeln
des Abgases bzw. Auspuffgases eines Verbrennungsmotors, insbesondere auf
eine Vorrichtung zum Behandeln des Abgases eines Verbrennungsmotors, mit
der das Abgas wirksam gereinigt werden kann.
Einer der nachteiligen Effekte, welche die Entwicklung der Technologie und
der Industrie begleiten, ist die Umweltverschmutzung. Die Art und die Gründe
für die Umweltverschmutzung sind vielfältig und kompliziert.
Die Luftverschmutzung, die Wasserverschmutzung und die Lärmbelästigung
werden zu ernsten sozialen Problemen. Die Luftverschmutzung ist hauptsäch
lich auf die Automobil-Abgase zurückzuführen und die Abgase führen zu Kopf
schmerzen, zu Husten und zu gesundheitlichen Störungen.
Das Abgas wird in drei Gruppen unterteilt: das Abgas aus dem Verbren
nungsmotor, das Durchblasegas aus dem Kurbelgehäuse des Motors und das
Verdampfungsgas, das in einem Treibstofftank und in einem Vergaser ent
steht.
Das Abgas aus dem Verbrennungsmotor ist ein Gas, das von dem Motor nach
dem Zünden des Treibstoff/Luft-Gemisches ausgestoßen wird. Die Komponen
te des Abgases aus dem Motor umfaßt nicht nur Wasserdampf, Stickstoff und
Kohlendioxidgas, die für den Menschen unschädlich sind, sondern auch CO,
Kohlenwasserstoffe, Salpetersäure, Kohlenstoff-Körnchen und Bleioxid und
dgl., die für den Menschen schädlich sind.
Es werden bereits seit langem viele Untersuchungen durchgeführt, um das in
dem Abgas aus dem Verbrennungsmotor enthaltene schädliche Material zu
entfernen und ein gereinigtes Gas auszustoßen, das für den Menschen un
schädlich ist.
Die Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zum Behandeln des Abgases eines Verbren
nungsmotors, bei dem es sich um einen solchen mit einer superultraniedrigen
Umweltverschmutzung (SULEV) handelt, wie er von der Firma HONDA Com
pany, Japan, hergestellt wird. Die Vorrichtung umfaßt einen Auspuffkrümmer
30 aus rostfreiem Stahl, der eine niedrige Wärmeleitfähigkeit besitzt. Mit dem
Auspuffkrümmer 30 ist ein Katalysator 32 verbunden und mit dem Katalysator
32 sind nacheinander verbunden ein Hybrid-Katalysator 61 und ein elektrisch
beheizter Katalysator (EHC) 60.
Die Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung zum Behandeln des Abgases eines Verbren
nungsmotors, bei dem es sich um einen solchen mit superultraniedriger Um
weltverschmutzung (SULEV) handelt, wie er von der Firma NISSAN Company,
Japan, hergestellt wird. Die Vorrichtung umfaßt einen EHC 60 und einen Un
terflur-TWC 62 und das Abgas wird durch den EHC 60 und danach durch den
Unterflur-TWC 62 ausgetragen und gereinigt. Ein HC-Absorber 50 steht mit
dem hinteren Ende des TWC 62 mittels der Bypaß-Leitung 51 in Verbindung.
In der Abgas-Nachbehandlungsvorrichtung der Firma HONDA Company wird
ein Katalysator mit einer hohen Dichte von 1200 Zellen verwendet, sein Wir
kungsgrad ist jedoch gering. Deshalb ist die Abgas-Nachbehandlungsvor
richtung der Firma HONDA in der Praxis wertlos.
In der Abgas-Nachbehandlungsvorrichtung der Firma NISSAN Company sind
zwei Ventile erforderlich zur Kontrolle des großen EHC 60 und des Unterflur-
TWC 62 und gelegentlich arbeiten die Ventile fehlerhaft. Deshalb wird das Ab
gas nicht ausreichend gereinigt.
Ziel der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Behandeln des Abgases bzw.
Auspuffgases eines Verbrennungsmotors bereitzustellen, mit der das Abgas
wirksam gereinigt werden kann und die einen einfachen Aufbau hat.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung, mit der das obengenannte Ziel erreicht
werden kann, umfaßt einen Injektor (eine Einspritzdüse) zum Zerstäuben des
Treibstoffs, ein Ventil zum Absperren des Kühlwassers, das in einen Zylinder
kopf strömt, einen Auspuffkrümmer, der die Fließfähigkeit des Abgases erhöht,
einen dicht angekoppelten Katalysator (CCC) zur Erhöhung der Aktivierung
eines Katalysators beim Hochlastbetrieb bei einer niedrigen Temperatur, einen
HC-Absorber-Katalysator, der einen HC-Absorber und eine TWC-Katalysator-
Komponente umfaßt, zur Entfernung der HC-Komponente aus des Abgas, und
einen elektrisch beheizten Katalysator und einen Light off-Katalysator zur
Entfernung der HC-Komponente bei einer hohen Temperatur.
Das eine Ende des Auspuffkrümmers hat eine halbkreisförmige Gestalt, um die
Fließfähigkeit des Treibstoffs zu erhöhen, damit das Abgas (Auspuffgas) nicht
unsymmetrisch in eine Seite des Katalysators strömt, wenn das Abgas durch
den CC-Katalysator hindurchströmt und schließlich gereinigt wird.
Der CC-Katalysator besteht aus 400 Zellen und das hintere Ende des EHC
weist ein Ventil zur Kontrolle des Stau- bzw. Abgasdruckes auf, um den Ab
sorptionswirkungsgrad des Katalysators zu erhöhen, wenn der Motor zu laufen
beginnt.
Das obengenannte Ziel und weitere Vorteile der Erfindung gehen aus der
nachfolgenden detaillierten Beschreibung anhand einer bevorzugten Ausfüh
rungsform der Erfindung hervor, die unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen beschrieben wird. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß Stand der
Technik zum Behandeln des Abgases eines Verbrennungsmotors;
Fig. 2 eine andere schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß Stand
der Technik zum Behandeln des Abgases eines Verbrennungsmotors;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Behandeln des Abgases eines Verbrennungsmotors;
Fig. 4 ein Diagramm, das die Abgas-Charakteristik des TWC in der erfin
dungsgemäßen Vorrichtung zeigt;
Fig. 5 ein Diagramm, welches das Arbeitsprinzip des erfindungsgemäß ver
wendeten Hybrid-Katalysator-Systems zeigt, bei dem es sich um ein
Katalysatorsystem handelt, bei dem ein HC-Absorber mit einem TWC
kombiniert ist; und
Fig. 6 Diagramme, welche das Output-Signal des Sauerstoffsensors beim
Aufwärmen zeigen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt einen Injektor (eine Einspritzdüse)
10 zum Zerstäuben des Treibstoffs, ein Ventil 20 zum Absperren des Kühlwas
sers, das in einen Zylinderkopf 100 und einen Zylinderblock 110 fließt, einen
Auspuffkrümmer 30 zur Erhöhung der Fließfähigkeit des Abgases, einen dicht
angekoppelten Katalysator (CCC) zur Erhöhung der Aktivierung des Katalysa
tors beim Hochlastbetrieb bei einer niedrigen Temperatur, einen HC-Absorber-
Katalysator 50, der einen HC-Absorber und eine TWC-Katalysator-Komponen
te umfaßt zur Entfernung der HC-Komponenten in dem Abgas, und einen elek
trisch beheizten Katalysator 60 und einen Light off-Katalysator 70 zur Entfer
nung der HC-Komponente bei einer hohen Temperatur.
Der Injektor 10 weist gute Zerstäubungs-Eigenschaften auf und sperrt die
Kühlwasser-Zufuhr in einen Wassermantel in dem Zylinderblock 110 und dem
Zylinderkopf 100 ab, um den Grad der Zerstäubung des Treibstoffs und den
Verbrennungswirkungsgrad des Treibstoffs zu erhöhen.
Das eine Ende des Auspuffkrümmers 30, das mit dem Zylinderkopf 100 in
Verbindung steht, hat eine halbkreisförmige Gestalt, um die Fließfähigkeit des
Treibstoffs zu verbessern, so daß das Abgas des Treibstoffs nicht unsymme
trisch zu einer Seite des Katalysators gelangt, wenn das Abgas durch den
Katalysator strömt und schließlich gereinigt wird.
Zwischen einem Thermostatgehäuse und einer Wasserpumpe ist ein Ventil 20
angeordnet und empfängt das Output-Signal aus dem Wärmesensor, der die
Temperatur des Kühlwassers ermittelt, um die Kühlwasser-Zufuhr zu dem
Wassermantel des Zylinderkopfes 100 und dem Zylinderblock 110 abzusper
ren, wenn der Motor im kalten Zustand gestartet wird und der Motor noch nicht
ausreichend erwärmt ist.
Als Folge der Absperrung des Kühlwassers nimmt die Temperatur des Zylin
derkopfes 100 und der Motor-Verbrennungskammer stark zu.
Als Folge davon wird das nicht verbrannte Treibstoff-Gemisch nicht konden
siert und nicht geschichtet in dem Abkühlungsbereich der Verbrennungskam
mer des Motors.
An dem anderen Ende des Auspuffkrümmers 30 und an dem hinteren Ende
des CC-Katalysators 40 ist ein Sensor 31 vorgesehen, der die in dem Abgas
enthaltene Sauerstoffmenge bestimmt. Als Sensor 31 kann ein Fast Light off-
Sensor verwendet werden.
Das aus dem Auspuffkrümmer 30 herauskommende Abgas passiert den CC-
Katalysator 40, wodurch der in dem Abgas enthaltene HC entfernt wird. Der
CC-Katalysator 40 kann ein D50 oder D100 sein, d. h. ein Typ einer Pd-Reihe.
Der CC-Katalysator 40 der PD-Reihe wird sehr leicht aktiviert, auch dann,
wenn der Motor unter hoher Belastung steht und die Betriebstemperatur des
Motors niedrig ist.
Mit dem HC-Absorber-Katalysator 50 wird der in dem aus dem CC-Katalysator
40 herauskommenden Abgas verbliebene HC entfernt.
Vorzugsweise besteht der HC-Absorber-Katalysator 50 aus einem HC-
Absorber, der den HC wirksam entfernt, und einem TWC-Katalysator, der den
Wirkungsgrad der Reinigung für HC und NOx erhöht.
Wenn die Temperatur des Abgases zunimmt, wird der HC von dem HC-Absor
ber-Katalysator 50 abgetrennt und aus dem HC-Absorber-Katalysator 50 aus
getragen. Um den HC und das NOx zu entfernen, sind der EHC 60 und der
Fast Light off-Katalysator 70 vorgesehen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der HC-Absorber-
Katalysator 50 in der Position angebracht, deren Temperatur verhältnismäßig
niedrig ist, so daß der HC von dem HC-Absorber-Katalysator 50 leicht abge
trennt werden kann, weil der HC von dem Katalysator 50 leicht abgetrennt
wird, wenn die Temperatur hoch ist.
In dem Auspuffrohr ist an dem hinteren Ende des EHC ein Ventil 80 zur Kon
trolle des Auspuffgas-Druckes vorgesehen, um den Wirkungsgrad des Kataly
sators zu erhöhen, wenn der Motor zu laufen beginnt oder in der kältesten
Saison betrieben wird.
Das Ventil 80 erhöht den Reinigungswirkungsgrad des Katalysators und setzt
den NOx-Gehalt herab durch Kontrolle des Staudruckes und der Temperatur
des Abgases in der Auspuffleitung.
Das Ergebnis des Tests, bei dem eine Nachbehandlung des Abgases erfin
dungsgemäß durchgeführt wird, und die Art der Katalysatoren sind in den fol
genden Tabellen 1 und 2 angegeben.
Der obige Test wird mit dem RV LEV als Basis durchgeführt. Unter der Bedin
gung, daß der Wert des NMHC 0,0041 g/mill. beträgt, entspricht dieses Ventil
41% der 0,010 NMOG (organische Nicht-Methan-Gase), bei dem es sich um
den Grenzwert in dem NMOG von SULV handelt. Die Abgasmenge genügt
dem eingeschränkten Grenzwert. Die Austrags-Charakteristik des TWC ist in
der Fig. 4 dargestellt.
In der Fig. 4 zeigt das Diagramm A das Ergebnis des Tests, bei dem nur der
LEV verwendet wird, das Diagramm B zeigt das Ergebnis des Tests, bei dem
der Auspuff-Krümmer und der auf dem LEV angeordnete HC-Absorber ver
wendet werden, das Diagramm C zeigt das Ergebnis des Tests, bei dem ein
EHC dem zur Verbesserung der Fließfähigkeit des Abgases verbesserten
Auspuff-Krümmer, dem ULEV-System und dem HC-Absorber zugesetzt wor
den ist.
Andererseits sind die Zeit zum Abführen des Auspuffgases, wenn der erfin
dungsgemäße Auspuff und LEV in P1 (FTP-75) verwendet werden, und die
Temperatur auf der Oberfläche des CC-Katalysators in der Tabelle 3 bzw. in
der Tabelle 4 angegeben.
In der Tabelle 4 gibt die Zeit die Stunden an, innerhalb der die Temperatur des
Abgases und des CCC-Bettes die Temperatur erreicht, bei der der Katalysator
aktiviert wird.
Bei der Temperatur des Abgases und der Temperatur im zentralen Abschnitt
des CCC-Katalysators ist die Temperatur des erfindungsgemäßen SUS höher
als diejenige des LEV.
Bis zum Erreichen der Aktivierungstemperatur des Katalysators (L. O. T.) wer
den 5 Sekunden in dem FCD-H und 6 Sekunden in dem SUS eingespart. Bis
zu der L. O. T. auf beiden Seiten des Katalysators werden 2 Sekunden in dem
FCD-H und 7 Sekunden in dem SUS eingespart. Vorstehend gibt die L. O. T.
die Temperatur des Zentralabschnitts des Trägers an, wenn der Reinigungs
wirkungsgrad des Katalysators 50% des Maximums erreicht hat. Daher steht
L. O. T. allgemein für die Aktivierungs-Temperatur des Katalysators.
Die Gründe für die Zeiteinsparung sind die, daß die Temperatur des Abgases
und die Temperatur des CCC-Katalysators die Aktivierungstemperatur des
Katalysators wie folgt erreichen:
erstens wird die Fließfähigkeit des Abgases in dem Verbindungsabschnitt zwi schen der Auspuff-Rohrleitung und der Vorderseite des Trägers verbessert; zweitens wird die Länge des Auspuff-Krümmers um etwa 5 bis 15% verkürzt; drittens wird die thermische Trägheit des Auspuffkrümmers vermindert, weil das Gewicht des Auspuffkrümmers durch Änderung des Materials zur Herstel lung des Auspuffkrümmers herabgesetzt worden ist.
erstens wird die Fließfähigkeit des Abgases in dem Verbindungsabschnitt zwi schen der Auspuff-Rohrleitung und der Vorderseite des Trägers verbessert; zweitens wird die Länge des Auspuff-Krümmers um etwa 5 bis 15% verkürzt; drittens wird die thermische Trägheit des Auspuffkrümmers vermindert, weil das Gewicht des Auspuffkrümmers durch Änderung des Materials zur Herstel lung des Auspuffkrümmers herabgesetzt worden ist.
Die Tabelle 5 zeigt, daß die Menge des Abgases in dem Verbrennungsmotor
sich ändert beim Variieren des Volumens des HC-Absorbers in P1 (FTP-75).
Wie in der Tabelle 5 angegeben, nimmt mit steigendem Volumen des HC-
Absorbers die Menge des THC und des CO ab. Dies ist zurückzuführen auf
den steigenden Einfang-Wirkungsgrad des HC-Absorbers. Wenn das Volumen
des TWC abnimmt, steigt die NOx-Menge.
Der erfindungsgemäße HC-Absorber besteht aus einer Zeolith-Konstruktion.
Der HC-Absorber absorbiert die HC-Komponente bei einer Temperatur unter
halb 200°C, d. h. im Kühlungszustand, und gibt die HC-Komponente langsam
ab, wenn die Temperatur über die obengenannte Temperatur hinaus ansteigt.
Um die HC-Komponente wirksam zu entfernen, ist es bevorzugt, daß der HC-
Absorber in Kombination mit einer ternären Katalysator-Komponente verwen
det wird.
Die Fig. 5 stellt ein Diagramm dar, welches das Arbeitsprinzip des erfindungs
gemäß verwendeten Hybrid-Katalysator-Systems zeigt, bei dem es sich um ein
Katalysator-System handelt, bei dem der HC-Absorber mit dem TWC kom
biniert ist.
Wie in Fig. 5 dargestellt, wird die HC-Komponente durch den HC-Absorber
absorbiert, wenn der Motor zu laufen beginnt oder unterhalb der Aktivierungs-
Grenztemperatur des Katalysators betrieben wird. Dann, wenn die Temperatur
des Katalysators die Grenztemperatur zur Aktivierung des Katalysators er
reicht, wird die HC-Komponente abgetrennt und ausgetragen. Die aus
getragene HC-Komponente wird durch den erfindungsgemäßen EHC entfernt.
Die Menge der in dem Abgas enthaltenen Komponenten wird je nach Art des
erfindungsgemäß verwendeten Sauerstoffsensors auf unterschiedliche Weise
getestet, wie in der Tabelle 6 angegeben.
Die Fig. 6 stellt Diagramme dar, die das Output-Signal des Sauerstoffsensors
beim Aufwärmen zeigen. Aus der Form der Diagramme kann folgendes abge
lesen werden: wenn der LSF 4,7, dessen Leerlaufzeit 7 Sekunden beträgt,
verwendet wird, sind die Werte um 1% THC, 18% CO und 9% NOx vermin
dert im Vergleich zu dem Fall, bei dem der 1SH 25 verwendet wird, dessen
Leerlaufzeit 27 Sekunden beträgt.
Claims (4)
1. Vorrichtung zum Behandeln des Abgases bzw. Auspuffgases eines
Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt:
einen Injektor;
ein Ventil zum Absperren des Kühlwassers, das in einen Zylinderkopf fließt;
einen Auspuffkrümmer zur Erhöhung der Fließfähigkeit des Abgases, einen dicht angekoppelten Katalysator zur Erhöhung der Aktivierung eines Katalysa tors unter Hochlast-Betrieb im Falle einer niedrigen Temperatur;
einen HC-Absorber-Katalysator, der einen HC-Absorber und eine TWC- Katalysator-Komponente umfaßt, zur Entfernung der HC-Komponente aus dem Abgas; und
einen elektrisch beheizten Katalysator und einen Light off-Katalysator zur Entfernung der HC-Komponente bei hoher Temperatur.
einen Injektor;
ein Ventil zum Absperren des Kühlwassers, das in einen Zylinderkopf fließt;
einen Auspuffkrümmer zur Erhöhung der Fließfähigkeit des Abgases, einen dicht angekoppelten Katalysator zur Erhöhung der Aktivierung eines Katalysa tors unter Hochlast-Betrieb im Falle einer niedrigen Temperatur;
einen HC-Absorber-Katalysator, der einen HC-Absorber und eine TWC- Katalysator-Komponente umfaßt, zur Entfernung der HC-Komponente aus dem Abgas; und
einen elektrisch beheizten Katalysator und einen Light off-Katalysator zur Entfernung der HC-Komponente bei hoher Temperatur.
2. Vorrichtung zum Behandeln des Abgases eines Verbrennungsmotors
nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Ende des Auspuff
krümmers eine halbkreisförmige Gestalt hat, um die Fließfähigkeit des Treib
stoffs zu erhöhen, so daß das Abgas nicht unsymmetrisch zu einer Seite des
Katalysators strömt, wenn der Abgasstrom durch den CC-Katalysator fließt und
schließlich gereinigt wird.
3. Vorrichtung zum Behandeln des Abgases eines Verbrennungsmotors
nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der CC-Katalysator aus 400
Zellen besteht.
4. Vorrichtung zum Behandeln des Abgases eines Verbrennungsmotors
nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das hintere Ende des EHC ein
Ventil zur Kontrolle des Staudruckes aufweist, um den Absorptions-
Wirkungsgrad des Katalysators zu erhöhen, wenn der Motor zu laufen beginnt.
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