DE69838165T2

DE69838165T2 - Verfahren zur Herstellung eines NOx-Reinigungskatalysators und Vorrichtung zur Reinigung von Abgasen einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE69838165T2
Application number: DE69838165T
Authority: DE
Inventors: Toshikatsu Shioya-gun Takanohashi; Hiroshi Utsunomiya-shi Oono; Osamu Hitachi-shi Kuroda; Hisao Hitachi-shi Yamashita; Hidehiro Hitachinaka-shi Iizuka; Yuichi Hitachinaka-shi Kitahara
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1997-12-09
Filing date: 1998-12-08
Publication date: 2008-04-17
Anticipated expiration: 2018-12-09
Also published as: JPH11173181A; CA2255889A1; EP0922840B1; CA2255889C; DE69838165D1; US6305161B1; EP0922840A3; JP4464472B2; EP0922840A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines NO_x-Reinigungskatalysators und eine Vorrichtung zum Reinigen von Abgas, das aus einer Brennkraftmaschine wie z. B. einem Fahrzeugmotor mit dem NO_x-Reinigungskatalysator ausgestoßen wird, wobei die Vorrichtung zum Reinigen von Abgas, das aus einer Brennkraftmaschine ausgestoßen wird, in der Lage ist, mit einem mageren Luft-/Kraftstoffverhältnis (magere Verbrennung) zu arbeiten. Eine Vorrichtung zum Reinigen von Abgas einer Brennkraftmaschine mit einem NO_x-Reinigungskatalysator ist aus EP-A-0692302 und EP-A-0488250 bekannt. Ein ähnliches Verfahren und ein ähnlicher NO_x-Reinigungskatalysator sind aus EP-A-0838255 bekannt.
Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoff (HC) und Stickoxide (NO_x), die in dem Abgas enthalten sind, das aus einer Brennkraftmaschine wie z. B. einem Fahrzeugmotor ausgestoßen wird, verursachen insofern Probleme, als ein schädlicher Einfluss auf den Menschen als Luftverschmutzungsmaterialien ausgeübt wird und Pflanzen am Wachstum gehindert werden.
Daher wurden beträchtliche Anstrengungen unternommen, um die Emissionsmenge der Luftverschmutzungsmaterialien zu verringern. Fruchtbare Erfolge wurden schrittweise durch Entwickeln von Verfahren zum Reinigen des Abgases unter Verwendung eines Katalysators oder dergleichen zusätzlich zur Verringerung einer Produktionsmenge der Luftverschmutzungsmaterialien durch Verbessern von Verbrennungsverfahren einer Brennkraftmaschine erreicht. Im Hinblick auf ein Fahrzeug, in dem ein Benzinmotor montiert ist, bestand ein Hauptverfahren, um das Abgas unschädlich zu machen, darin, dass die Oxidation von HC und CO und die Desoxidation von NO_x unter Verwendung eines Dreiwege-Katalysators, der Hauptaktivierungskomponenten aus Pt, Rh enthält, gleichzeitig durchgeführt werden.
Eine Abgasreinigungsfunktion des vorstehend erwähnten Dreiwege-Katalysators wirkt effektiv nur auf Abgas, das durch Verbrennung unter einer Bedingung nahe dem theoretischen Luft-/Kraftstoffverhältnis (stöchiometrisches Luft-/Kraftstoffverhältnis) erzeugt wird, das aufgrund seiner Eigenschaften Fenster genannt wird. Im herkömmlichen Motor wurde daher, obwohl das Luft-/Kraftstoffverhältnis in Abhängigkeit von einer Fahrbedingung des Fahrzeugs geändert wird, das Luft-/Kraftstoffverhältnis im Wesentlichen auf einen Änderungsbereich nahe dem stöchiometrischen Luft-/Kraftstoffverhältnis begrenzt (in einem Fall von Benzin A (Menge an Luft in Gewicht)/F (Menge an Kraftstoff in Gewicht) = ungefähr 14,7; nachstehend wird das stöchiometrische Luft-/Kraftstoffverhältnis durch A/F = 14,7 dargestellt. Der Wert variiert jedoch in Abhängig keit von der Art des Kraftstoffs).
In den letzten Jahren wurde eine so genannte magere Verbrennungstechnologie entwickelt und nicht selten konnten Fahrzeuge mit einem Motor beobachtet werden, der unter einer mageren Verbrennungsbedingung über einem Luft-/Kraftstoffverhältnis von 18 betrieben wird, da die Kraftstoffverbrauchsrate durch Betreiben eines Motors mit einem Luft-/Kraftstoffverhältnis, das magerer ist als das stöchiometrische Luft-/Kraftstoffverhältnis, verbessert werden kann. Wenn jedoch eine Reinigung des Abgases von der mageren Verbrennung unter Verwendung des Dreiwege-Katalysators, wie er derzeit verwendet wird, wie vorstehend beschrieben durchgeführt wird, kann NO_x nicht wirksam durch Reduktion gereinigt werden, obwohl HC und CO durch Oxidation gereinigt werden können.
Um die Zeit der mageren Verbrennung zu verlängern (um einen Betriebsbereich zum Anwenden des mageren Verbrennungsverfahrens zu erweitern), indem ein Magermotor in einem großen Fahrzeug montiert wird, ist folglich eine Abgasreinigungstechnologie, die in der Lage ist, mit der mageren Verbrennung zurechtzukommen, erforderlich. Daher werden die Entwicklung der Abgasreinigungstechnologien, die in der Lage sind, mit der mageren Verbrennung zurechtzukommen, d. h. die Technologien zum Reinigen von HC, CO, NO_x in Abgas, das eine große Menge an Sauerstoff (O₂) enthält, insbesondere die Entwicklung der Technologien zum Reinigen von NO_x, ausgedehnt vorangebracht.
Eine der Technologien, die vorgeschlagen wurden, besteht darin, dass NO_x von mager verbranntem Abgas unter Verwendung eines NO_x-Absorptionsmittels getrennt (zumindest von O₂ im Abgas getrennt) wird und dann das durch das NO_x-Absorptionsmittel getrennte NO_x zu N₂ reduziert wird, damit es unschädlich gemacht wird, und die NO_x-Absorptionsfähigkeit des NO_x-Absorptionsmittels durch katalytische Reaktion des NO_x mit einem Reduktionsmittel wie z. B. einem Kohlenwasserstoff, Kohlenmonoxid, Wasserstoff oder dergleichen wiedergewonnen wird.
In Technologien, die in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 62-97630 , der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 62-106826 und der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 62-117620 offenbart sind, wird beispielsweise NO_x im Abgas (nachdem NO in NO₂ umgewandelt worden ist, das leicht absorbiert wird) entfernt, damit es absorbiert wird, indem es mit einem Katalysator mit einer NO_x-Absorptionsfähigkeit in Kontakt gebracht wird. Wenn der Absorptionswirkungsgrad verringert wird, wird der Durchlass des Abgases durch den Katalysator gestoppt und das angesammelte NO_x wird entfernt, indem es unter Verwendung eines Reduktionsmittels wie z. B. H₂, HC, das aus Methan, Benzin oder dergleichen erzeugt wird, reduziert wird, um die NO_x-Absorptionsfähigkeit des Katalysators wiederherzustellen.
In einer Technologie, die im japanischen Patent Nr. 2600492 offenbart ist, ist andererseits in einem Abgasdurchlass eines Motors ein NO_x-Absorptionsmittel vorgesehen, das NO_x absorbieren kann, wenn das Abgas während des mageren Betriebs ausgestoßen wird, und das absorbierte NO_x auslassen kann, wenn die Sauerstoffkonzentration im Abgas verringert wird. Dadurch wird NO_x absorbiert, wenn das Abgas während des mageren Betriebs ausgestoßen wird, und das absorbierte NO_x wird durch Verringern der O₂-Konzentration im Abgas, das in das NO_x-Absorptionsmittel strömt, ausgestoßen, um das NO_x zu N₂ zu reduzieren.
Bei den vorstehend beschriebenen Technologien bestehen die folgenden Probleme, die gelöst werden müssen.
Das erste Problem ist, welches Reduktionsmittel zum Reduzieren und Unschädlichmachen des im Katalysator absorbierten und eingefangenen NO_x verwendet wird. Obwohl der Wert eines Fahrzeugs, in dem ein Magermotor montiert ist, in der Energieeinsparung auf der Basis der Verbesserung der Kraftstoffverbrauchsrate, wie vorstehend beschrieben, besteht, verringert die Verwendung des Reduktions mittels die Verbesserung der Kraftstoffverbrauchsrate. Daher sollte eine Menge des Reduktionsmittels auf so klein wie möglich minimiert werden, und die Vorrichtung und die Steuerung zur Verwendung des Reduktionsmittels sollten einfach und zuverlässig sein. Zusätzlich zu diesen sollte die Verwendung des Systems die Leistung und Betriebsfähigkeit des Fahrzeugs nicht verschlechtern.
In den Technologien, die in der vorstehend beschriebenen japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 62-9730 , japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 62-106826 und japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 62-117620 offenbart sind, wird zweitens eine Menge des Reduktionsmittels, das durch O₂ im Abgas verbrannt wird, unterdrückt, um eine Menge des Reduktionsmittels in Gebrauch zu verringern, da der Durchlass des Abgases durch den Katalysator gestoppt wird und das Reduktionsmittel wie z. B. HC mit dem NO_x-Absorptionsmittel in Kontakt gebracht wird, um das NO_x-Absorptionsmittel zurückzugewinnen. Zwei NO_x-Absorptionsmitteleinheiten müssen jedoch bereitgestellt werden und ein Abgas-Umschaltmechanismus zum abwechselnden Leiten des Abgases durch die Einheiten ist auch erforderlich. Daher wird insofern ein Problem verursacht, als die Struktur der Abgasreinigungsvorrichtung komplex wird.
In der Technologie, die im japanischen Patent Nr. 2600492 offenbart ist, wird drittens das Abgas immer durch das NO_x-Absorptionsmittel geleitet und NO_x wird absorbiert, wenn das Abgas unter einer mageren Bedingung ausgestoßen wird, und das absorbierte NO_x wird ausgestoßen, um das Absorptionsmittel durch Verringern der O₂-Konzentration im Abgas zurückzugewinnen (Verbrennung unter einer fetten Verbrennungsbedingung). Daher ist das Umschalten der Gasströmung nicht erforderlich und folglich kann das obige zweite Problem gelöst werden.
Es basiert jedoch auf der Voraussetzung, dass das Material als Katalysator verwendet wird, wobei das Material NO_x absorbieren kann, wenn das Abgas während des mageren Betriebs ausgestoßen wird, und das absorbierte NO_x auslassen kann, wenn die Sauerstoffkonzentration im Abgas verringert wird. Die vorstehend erwähnte Technologie offenbart ein Mittel zum Auslassen des Abgases unter einer Verbrennung unter einer fetten Verbrennungsbedingung, wenn das ausgestoßene NO_x reduziert wird. Um das vorstehend erwähnte Mittel tatsächlich am Fahrzeug zu montieren, ist es jedoch erforderlich, die Bedingung bei der fetten Verbrennung zu optimieren, wobei die Kraftstoffsparsamkeit (Kraftstoffverbrauchsrate), die Betriebsfähigkeit, die Fahrfähigkeit, die Zuverlässigkeit und so weiter berücksichtigt werden. Vom Standpunkt der Optimierung der Kraftstoffsparsamkeit besteht daher das Problem darin, wie die Menge an verbrauchtem Kraftstoff bei der fetten Verbrennung verringert wird. Zusätzlich dazu steht die Optimierung eng mit der Eigenschaft des NO_x-Absorptionsmittels in Beziehung und folglich ist die Auswahl des NO_x-Absorptionsmittels auch eines der wichtigen Elemente.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung besteht darin, die vorstehend erwähnten Probleme zu lösen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines NO_x-Reinigungskatalysators und eine Vorrichtung zum Reinigen von Abgas einer Brennkraftmaschine mit magerer Verbrennung zu schaffen, die schädliche Komponenten wie z. B. NO_x oder dergleichen aus dem Abgas wirksam entfernen können, um die schädlichen Komponenten unschädlich zu machen, wobei die Verringerung der Kraftstoffsparsamkeit unterdrückt wird.
Die Vorrichtung soll einfach sein und eine Menge des verbrauchten Reduktionsmittels ist klein und NO_x wird zu N₂ reduziert, damit es unschädlich gemacht wird, indem NO_x vom mageren Abgas unter Verwendung eines NO_x-Adsorptionsmittels getrennt wird und dann das durch das Adsorptionsmittel getrennte NO_x mit einem stöchiometrischen oder fetten Abgas in Kontakt gebracht wird, wobei die Vorrichtung zum Reinigen des Abgases in der Lage ist, eine Brennkraftmaschine mit magerer Verbrennung zu verwirklichen, die sowohl in der Abgasreinigungsleistung als auch in der Kraftstoffverbrauchsrate ausgezeichnet ist.
Um die vorstehend erwähnte Aufgabe zu lösen, werden ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen geschaffen. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung. Ein NO_x-Reinigungskatalysator ist in einem Abgasdurchlass angeordnet und der NO_x-Reinigungskatalysator ist gemäß Anspruch 1 hergestellt.
Der NO_x-Reinigungskatalysator adsorbiert NO_x im Abgas an der Oberfläche, wenn das Abgas mager ist, wobei der NO_x-Reinigungskatalysator das adsorbierte NO_x zu N₂ reduziert, wenn das Abgas stöchiometrisch oder fett ist, wobei das Abgas durch Adsorbieren von NO_x im Abgas im NO_x-Reinigungskatalysator gereinigt wird, wenn die Brennkraftmaschine unter einer mageren Bedingung betrieben wird, und dann das Abgas für 0,5 Sekunden bis 4,5 Sekunden in einen stöchiometrischen Zustand oder einen fetten Zustand versetzt wird, um dadurch das im NO_x-Reinigungskatalysator adsorbierte NO_x durch katalytische Reaktion mit dem Reduktionsmittel zu N₂ zu reduzieren.
Das Verfahren zum Reinigen von Abgas einer Brennkraftmaschine kann das Abgas unschädlich machen und NO_x und so weiter im Abgas unter einer mageren Verbrennung wirksam reinigen, ohne sich auf die Kraftstoffverbrauchsrate so sehr auszuwirken, durch Adsorbieren und Einfangen von NO_x im Abgas, wenn das Abgas mager ist (eine stöchiometrische Menge an Oxidationsmittel im Abgas ist größer als jene eines im Abgas zum Reduzieren von NO_x vorhandenen Reduktionsmittels) und durch Reduzieren des adsorbierten und eingefangenen NO_x zu N₂, wenn das Abgas stöchiometrisch (eine Menge an Oxidationsmittel ist gleich einer Menge an Reduktionsmittel) oder fett (eine Menge an Reduktionsmittel ist gleich einer oder größer als eine Menge an Oxidationsmittel) ist, d. h. durch Adsorbieren von NO_x im Abgas an den NO_x-Reinigungskatalysator, wenn die Brennkraftmaschine unter einer mageren Bedingung betrieben wird, und indem nach der Adsorption das Abgas für 0,5 Sekunden bis 4,5 Sekunden in einen stöchiometrischen Zustand oder fetten Zustand gebracht wird, um das im NO_x-Reinigungskatalysator adsorbierte NO_x durch katalytische Reaktion mit dem Reduktionsmittel zu N₂ zu reduzieren.
Hier ist das Oxidationsmittel O₂, NO, NO₂ und so weiter und hauptsächlich Sauerstoff. Das Reduktionsmittel ist HC, das zur Brennkraftmaschine geliefert wird, und HC (einschließlich Sauerstoff enthaltenden Kohlenwasserstoffen), CO, H₂ und so weiter als Nebenprodukte, die im Verbrennungsprozess erzeugt werden.
Ein NO_x-Reinigungskatalysator ist aus einer Zusammensetzung hergestellt, die wenigstens eine Elementart, die aus Kalium (K) und Natrium (Na) aus Alkalimetallen und Magnesium (Mg), aus Kalzium (Ca) sowie Strontium (Sr) des Erdalkalimetalls ausgewählt ist, wenigstens eine Elementart, die aus Lanthan (La) und Cer (Ce) des Seltenerdmetalls ausgewählt ist, und wenigstens eine Elementart, die aus Platin (Pt), Rhodium (Rh) und Palladium (Pd) des Platinoidmetalls (so genanntes Edelmetall) und Titan (Ti) ausgewählt ist, umfasst; wobei eine Zusammensetzung verwendet wird, die von einem wärmebeständigen porösen Metalloxid getragen ist.
Ein weiterer bevorzugter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass im stöchiometrischen Zustand oder fetten Zustand ein Ausmaß des fetten Zustandes zwischen 13,0 und 14,7 des Luft-/Kraftstoffverhältnisses A/F liegt.
Ferner umfasst eine Vorrichtung zum Reinigen von Abgas einer Brennkraftmaschine einen NO_x-Reinigungskatalysator, der mit einem Verfahren nach Anspruch 1 erhältlich ist, der in einem Abgasdurchlass angeordnet ist, und eine Steuereinheit, wobei die Steuereinheit ein Luft-/Kraftstoffverhältnis-Steuermittel aufweist, wobei das Luft-/Kraftstoffverhältnis-Steuermittel ein Mittel zum Steuern des Abgases auf einen stöchiometrischen Zustand oder fetten Zustand für 0,5 Sekunden bis 4,5 Sekunden aufweist, um das Abgas durch Reduzieren des im NO_x-Reinigungskatalysator adsorbierten NO_x zu N₂ durch katalytische Reaktion mit einem Reduktionsmittel, wenn die Brennkraftmaschine unter einer mageren Bedingung betrieben wird, zu reinigen, und bei der Steuerung des Abgases auf einen stöchiometrischen Zustand oder einen fetten Zustand liegt ein Grad des fetten Zustandes zwischen 13,0 und 14,7 im Luft-/Kraftstoffverhältnis A/F.
Wie vorstehend beschrieben, wird in dem Verfahren und der Vorrichtung zum Reinigen des Abgases der Brennkraftmaschine das stöchiometrische Abgas oder fette Abgas erzeugt, indem die Verbrennungsbedingung der Brennkraftmaschine in die Bedingung des stöchiometrischen Luft-/Kraftstoffverhältnisses oder die Bedingung des Kraftstoffüberschusses (fett) versetzt wird. Diese Bedingung kann durch ein Verfahren zum Bilden einer Bedingung hergestellt werden, unter der eine Menge an Reduktionsmittel in der Zusammensetzung des gemischten Abgases von allen Zylindern gleich (entsprechend einem stöchiometrischen Abgas) oder größer als (entsprechend einem fetten Abgas) eine Menge an Oxidationsmittel in der stöchiometrischen Oxidations-Reduktions-Beziehung ist, indem eine Kraftstoffeinspritzrate entsprechend einer Ausgabe eines Sauerstoffkonzentrationssensors, der im Auslasskanal vorgesehen ist, und einer Ausgabe eines Ansaugluft-Strömungssensors unter Verwendung des vorstehend erwähnten Luft-/Kraftstoffverhältnis-Steuermittels durch ein Verfahren zum Bilden der Bedingung des stöchiometrischen Luft-/Kraftstoffverhältnisses oder der fetten Bedingung durch Drosseln der Ansaugluftströmungsrate unter Verwendung eines DBW oder durch ein Verfahren zum Bilden der Bedingung des stöchiometrischen Luft-/Kraftstoffverhältnisses oder der fetten Bedingung durch Einleiten eines Inertgases des EGR gesteuert wird.
Der NO_x-Reinigungskatalysator gemäß der vorliegenden Erfindung kann in verschiedenen Arten von Formen verwendet werden, von einer Bienenwabenform, die durch Beschichten einer aus Cordierit oder einem Metallmaterial wie z. B. Edelstahl bestehenden bienenwabenförmigen Struktur mit der katalytischen Adsorptionskompo nente erhalten werden kann, bis zu einer Pelletform, einer Plattenform, einer körnigen Form und Pulver.
Im Verfahren zum Reinigen des Abgases der Brennkraftmaschine und in der Vorrichtung zum Reinigen des Abgases kann der Zeitpunkt zum Erzeugen des stöchiometrischen Abgases oder des fetten Abgases durch jedes der folgenden Verfahren bestimmt werden.
Zuerst wird eine NO_x-Ausstoßmenge während des mageren Betriebs aus einem Luft-/Kraftstoffverhältnis-Einstellsignal, das durch eine Motorsteuereinheit bestimmt wird, einem Motordrehzahlsignal, einem Ansaugluftströmungsraten-Signal, einem Ansaugluft-Rohrdrucksignal, einem Drehzahlsignal, einer Drosselöffnung, einer Abgastemperatur und so weiter abgeschätzt, und die Zeit, zu der ein akkumulativer Wert der NO_x-Ausstoßmenge einen Sollwert übersteigt, wird als Zeitpunkt zum Erzeugen des stöchiometrischen Abgases oder des fetten Abgases festgelegt.
Zweitens wird eine akkumulative Menge von Sauerstoff unter Verwendung eines Signals eines Sauerstoffsensors (oder eines A/F-Sensors), der in einer Position stromaufwärts oder stromabwärts eines NO_x-Reinigungskatalysators angeordnet ist, der im Abgasdurchlass angeordnet ist, erfasst und die Zeit, zu der ein akkumulativer Wert der akkumulativen Menge von Sauerstoff einen Sollwert übersteigt, wird als Zeitpunkt zum Erzeugen des stöchiometrischen Abgases oder des fetten Abgases festgelegt. In einer Modifikation dieses Verfahrens wird der Zeitpunkt, zu dem eine akkumulative Menge von Sauerstoff während des mageren Betriebs einen Sollwert übersteigt, als Zeitpunkt zum Erzeugen des stöchiometrischen Abgases oder des fetten Abgases festgelegt.
Drittens wird eine akkumulative Menge von NO_x unter Verwendung eines Signals von einem NO_x-Sensor berechnet, der in einer Position stromaufwärts eines NO_x-Reinigungskatalysators angeordnet ist, der im Abgasdurchlass angeordnet ist, und die Zeit, zu der die akkumulative Menge von NO_x während des mageren Betriebs einen Sollwert übersteigt, wird als Zeitpunkt zum Erzeugen des stöchiometrischen Abgases oder des fetten Abgases festgelegt.
Viertens wird eine NO_x-Konzentration während des mageren Betriebs unter Verwendung eines Signals von einem NO_x-Sensor, der in einer Position stromabwärts von einem NO_x-Reinigungskatalysator angeordnet ist, der im Abgasdurchlass angeordnet ist, erfasst und die Zeit, zu der die NO_x-Konzentration eine Sollkonzentration übersteigt, wird als Zeitpunkt zum Erzeugen des stöchiometrischen Abgases oder des fetten Abgases festgelegt.
In dem Verfahren zum Reinigen des Abgases oder der Vorrichtung zum Reinigen des Abgases wird ferner die Zeitdauer, während der eine Menge des Reduktionsmittels gleich einer oder größer als eine Menge des Oxidationsmittels gehalten wird oder eine Menge des Reduktionsmittels eingespritzt wird, um eine Menge des Reduktionsmittels gleich einer oder größer als eine Menge des Oxidationsmittels zu halten, durch Einstellen eines Hubs eines Kraftstoffeinspritzventils, einer Einspritzzeitdauer und eines Einspritzintervalls verwirklicht.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Diagramm, das die Gesamtkonstruktion einer Ausführungsform einer Brennkraftmaschineneinheit mit einer Vorrichtung zum Reinigen eines Abgases gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Menge an Ausstoß-NO_x, der Tiefe der Fettverschiebung (Wert von A/F) und der Zeit der Fettverschiebung in einem Fall, in dem die Fettverschiebung während des mageren Betriebs eingefügt wird, in der Vorrichtung zum Reinigen von Abgas von 1 zeigt.
3 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Zeitdauer der Fettverschiebung und der Menge an NO_x-Ausstoß während der Fettverschiebung, wenn ein Wert von A/F 14,0 ist, in der Vorrichtung zum Reinigen von Abgas von 1 zeigt.
4 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Verhältnis der Verringerung der Kraftstoffverbrauchsrate, der Zeitdauer der Fettverschiebung und der Tiefe der Fettverschiebung (A/F) während der Fettverschiebung in der Vorrichtung zum Reinigen von Abgas von 1 zeigt.
5 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Menge an Ausstoß-NO_x, der Tiefe der Fettverschiebung (Wert von A/F) und der Zeit der Fettverschiebung in einem Fall, in dem die Fettverschiebung während des mageren Betriebs eingefügt wird, in der Vorrichtung zum Reinigen von Abgas von 1 zeigt.
6 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Zeit der Fettverschiebung und der Menge an Ausstoß-NO_x während der Fettverschiebung, wenn ein Wert von A/F 14,0 ist, in der Vorrichtung zum Reinigen von Abgas von 1 zeigt.
7 ist ein Diagramm, das die Gesamtkonstruktion einer weiteren Ausführungsform einer Brennkraftmaschineneinheit mit einer Vorrichtung zum Reinigen von Abgas gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, in der ein Abgaskrümmer-Katalysator im Abgasreinigungssystem angeordnet ist.
(BESCHREIBUNG VON BEZUGSZEICHEN)

1: Luftreiniger,
2: Luftströmungssensor,
3: Drosselventil,
4: Drosselöffnungsgrad-Sensor,
5: Einspritzdüse,
6: Zündkerze,
7: Gaspedal,
8: Lastsensor,
9: Ansauglufttemperatur-Sensor,
11: Ansaugrohr,
12: Kraftstoffpumpe,
13: Kraftstofftank,
18: Abgasrohr,
19: NO_x-Reinigungskatalysator,
20: Sauerstoffsensor,
21: NO_x-Konzentrationssensor,
22: NO_x-Reinigungskatalysator, Temperatursensor,
23: Abgastemperatursensor,
24: Abgaskrümmer-Katalysator,
25: Steuereinheit (ECU),
26: Klopfsensor,
28: Wassertemperatursensor,
29: Kurbelwinkelsensor,
99: Motor.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Reinigen des Abgases einer Brennkraftmaschine und einer Vorrichtung zum Reinigen des Abgases gemäß der vorliegenden Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
(VORRICHTUNG ZUM REINIGEN VON ABGAS)
1 ist ein Diagramm, das die Gesamtkonstruktion einer Brennkraftmaschineneinheit mit einer Vorrichtung zum Reinigen von Abgas der vorliegenden Ausführungsform zeigt.
Die Brennkraftmaschineneinheit gemäß der vorliegenden Erfindung besteht aus einem Motor 99, der in der Lage ist, einen mageren Verbrennungsbetrieb durchzuführen, einem Luftansaugsystem mit einem Luftfilter 1, einem Drosselventil 3, einem Luftansaugrohr 11 und so weiter, einem Abgasreinigungssystem mit einem Abgasrohr 18, einem NO_x-Reinigungskatalysator 19 und so weiter, und einer Steuereinheit (ECU) 25. Die Steuereinheit 25 besteht aus, in der Fig. nicht gezeigt, einer E/A-LSI als Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle, einer Mikroverarbeitungseinheit MPU, Speichereinheiten RAM und ROM zum Speichern von mehreren Steuerprogrammen, einem Zeitzähler und so weiter. Kraftstoff in einem Kraftstofftank 13 wird zu einer Einspritzdüse 5, die im Luftansaugsystem des Motors angeordnet ist, durch eine Kraftstoffpumpe 12 geleitet.
Ein Luftströmungssensor 2, ein Drosselöffnungssensor 4 und ein Ansauglufttemperatur-Sensor 9 sind im Luftansaugsystem angeordnet und ein Ausgangssignal von jedem der Sensoren wird in die Steuereinheit 25 eingegeben. Ein Sauerstoffsensor 20, ein NO_x-Konzentrationssensor 21, ein NO_x-Reinigungskatalysator-Temperatursensor 22 und ein Abgastemperatursensor 23 sind im Abgasreinigungssystem angeordnet und ein Ausgangssignal von jedem der Sensoren wird auch in die Steuereinheit 25 eingegeben. Ferner werden Ausgangssignale eines Klopfsensors 26, eines Wassertemperatursensors 28, eines Kurbelwinkelsensors 29 zum Erfassen einer Drehzahl des Motors 99 und eines Lastsensors 8 zum Erfassen einer Motorlast auf der Basis einer Trittmenge eines Gaspedals 7 auch in die Steuereinheit 25 eingegeben.
In der Brennkraftmaschineneinheit mit der daran vorgesehenen Abgasreinigungsvorrichtung wird die Ansaugluft in den Motor 99 durch den Luftströmungssensor 2 gemessen, nachdem sie durch den Luftfilter 1 gefiltert ist, und wird über das Drosselventil 3 zum Luftansaugrohr 11 geliefert und wird durch Empfangen von Kraftstoff, der von der Einspritzdüse 5 eingespritzt wird, zu Mischgas, das zum Motor 99 geliefert werden soll.
Die Steuereinheit 25 bewertet einen Betriebszustand der Brennkraftmaschine 99 und einen Zustand des NO_x-Reinigungskatalysators 19 auf der Basis der Signale der vorstehend beschriebenen Sensoren und bestimmt ein Luft-/Kraftstoff-Betriebsverhältnis unter Verwendung eines Luft-/Kraftstoffverhältnis-Steuermittels (in der Fig. nicht gezeigt) und steuert die Kraftstoffkonzentration des Mischgases, um die Kraftstoffkonzentration auf einen gewünschten Wert zu setzen, durch Steuern der Einspritzzeitdauer der Einspritzdüse 5 und so weiter. Das in eine Verbrennungskammer 99a eingesaugte Mischgas wird durch eine Zündkerze 6 gezündet und verbrannt, welche durch ein Signal von der Steuereinheit 25 gesteuert wird.
Das im Motor 99 verbrannte Abgas, in dem die Ausführungsform der Abgasreinigungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet ist, wird zum vorstehend beschriebenen Abgasreinigungs system geleitet. Da der NO_x-Reinigungskatalysator 19 im Abgasreinigungssystem vorgesehen ist, werden NO_x, HC, CO im Abgas durch die Dreiwege-Katalysatorfunktion des NO_x-Reinigungskatalysators während des stöchiometrischen Betriebs gereinigt und während des mageren Betriebs wird NO_x durch die NO_x-Einfangfähigkeit (Adsorptionsfähigkeit) gereinigt und gleichzeitig werden HC und CO durch die Verbrennungsfähigkeit, die der NO_x-Reinigungskatalysator auch hat, gereinigt.
Während des mageren Betriebs wird die NO_x-Reinigungsfähigkeit des NO_x-Reinigungskatalysators ferner durch eine Steuerbeurteilung und ein Steuersignal des vorstehend erwähnten Luft-/Kraftstoffverhältnis-Steuermittels beurteilt. Wenn die NO_x-Adsorptions-Einfang-Fähigkeit verringert wird, wird die NO_x-Adsorptions-Einfang-Fähigkeit des NO_x-Reinigungskatalysators 19 durch Steuern des Luft-/Kraftstoffverhältnisses zur Verbrennung wiederhergestellt, so dass es stöchiometrisch oder fett wird. Durch Steuern, um den vorstehend erwähnten Betrieb zu wiederholen, kann die Vorrichtung der Ausführungsform das Abgas unter allen Bedingungen von Verrennungsvorgängen des Motors, einschließlich eines mageren Beriebs und stöchiometrischen (einschließlich fetten) Betriebs, wirksam reinien.
(NO_x-REINIGUNGSKATALYSATOR)
NO_x-Reinigungskatalysatoren 19 gemäß der vorliegenden Erfindung sind ein NO_x-Reinigungskatalysator N-N und ein NO_x-Reinigungskatalysator N-S, die bei der später zu beschreibenden Eigenschaftsauswertung verwendet wurden, und die NO_x-Reinigungskatalysatoren wurden durch das folgende Verfahren hergestellt.
Der NO_x-Reinigungskatalysator N-N wurde durch das folgende Verfahren hergestellt. Das heißt, eine aus Cordierit bestehende Bienenwabe als Basiskörper des Bienenwaben-Katalysators wurde mit Aluminiumoxid mit 150 g pro 1 l scheinbarem Volumen beschichtet. Ein bienenwabenförmiger Katalysator wurde durch Tragen von katalytisch aktiven Komponenten auf der mit Aluminiumoxid beschichteten Bienenwabe erhalten. Die mit Aluminiumoxid beschichtete Bienenwabe wurde zuerst mit einer Lösung aus Zernitrat (Ce(NO₃)₂) imprägniert und nach Trocknen für 1 Stunde bei 600 °C calziniert und dann mit einer Mischlösung einer Lösung aus Natriumnitrat (NaNO₃), einer Lösung aus Titanoxid-Sol und einer Lösung aus Magnesiumnitrat (Mg(NO₃)₂) imprägniert und auch getrocknet und calziniert.
Ferner wurde die mit Aluminiumoxid beschichtete Bienenwabe mit einer Mischlösung einer Lösung aus Dinitrodiamin-Platinnitrat und einer Lösung aus Rhodiumnitrat (Rh(NO₃)₂) imprägniert und nach Trocknen für 1 Stunde bei 450 °C calziniert. Schließlich wurde die mit Aluminiumoxid beschichtete Bienenwabe mit einer Lösung aus Magnesiumnitrat imprägniert und nach Trocknen für 1 Stunde bei 450 °C calziniert. Durch den obigen Prozess wurde der bienenwabenförmige NO_x-Reinigungskatalysator, 2Mg-(0,2Rh, 2,7Pt)-(18Na, 4Ti, 2Mg)-27Ce/Al₂O₃, bei dem Ce, Mg, Na, Ti, Rh, Pt auf dem Aluminiumoxid (Al₂O₃) getragen war, erhalten.
Dabei gibt Al₂O₃ an, dass die aktiven Komponenten auf dem Al₂O₃ getragen sind und die Ziffer vor jedem der Elementsymbole gibt ein Gewicht (g) der angegebenen Metallkomponente an, das pro 11 des scheinbaren Bienenwabenvolumens getragen ist. Die Reihenfolge der Beschreibung gibt die Reihenfolge des Tragens an, d. h. das Tragen wurde in der Reihenfolge der Beschreibung von der Komponente nahe dem Al₂O₃ zur Komponente, die vom Al₂O₃ entfernt ist, der Reihe nach bewirkt. Die Komponenten in Klammern wurden gleichzeitig getragen.
Der NO_x-Reinigungskatalysator N-S wurde durch das folgende Verfahren hergestellt, wie vorstehend beschrieben. Eine Lösung von Strontiumnitrat (Sr(NO₃)₂) wurde anstelle der Lösung von Natriumnitrat im NO_x-Reinigungskatalysator N-N verwendet und der bienenwabenförmige NO_x-Reinigungskatalysator N-S, 2Mg-(0,2Rh, 2,7Pt)-(22,5Sr, 9Ti)-27Ce/Al₂O₃, wurde durch ein Verfahren ähnlich zum Verfahren beim NO_x-Reinigungskatalysator N-N erhalten.
(NO_x-REINIGUNGSEIGENSCHAFTEN)
Die Reinigungseigenschaften von Abgas eines Fahrzeugs, in dem die Abgasreinigungsvorrichtung der Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung montiert ist, und die Kraftstoffverbrauchsraten werden nachstehend beschrieben.
Der NO_x-Reinigungskatalysator N-N, der durch das vorstehend beschriebene Katalysatorherstellungsverfahren erhalten wurde, wurde unter einer Oxidationsatmosphäre bei 700 °C für 100 Stunden wärmebehandelt und dann wurden die Abgasreinigungseigenschaft und die Kraftstoffverbrauchsrate durch das folgende Mittel bewertet.
Ein bienenwabenförmiger NO_x-Reinigungskatalysator mit einem Volumen von 1,24 l (62 Zellen/cm² (400 Zellen/Inch²)), der durch das vorstehend erwähnte Verfahren hergestellt wurde, wurde unter einem Boden eines Fahrzeugs, in dem ein für magere Verbrennung konstruierter Benzinmotor mit einem Hubraumvolumen von 1,6 l montiert war, angeordnet und das Fahrzeug wurde auf einem Fahrzeugprüfstand betrieben. Die Analyse des Abgases wurde unter Verwendung einer Fahrzeugabgas-Messanlage durchgeführt und ein CVS-Wert (Konstantvolumenabtast-Wert) wurde durch Abtasten des Abgases unter Verwendung einer Fahrzeug-Konstantvolumen-Abtastanlage erhalten. Eine Kraftstoffverbrauchsrate wurde aus einem Fahrabstand und einem Kohlenstoffgleichgewicht berechnet.
Der Betrieb wurde unter dem 10-15-Modus durchgeführt. Der magere Betrieb wurde für den ganz normalen Betrieb, für den Betrieb mit einer Fahrzeuggeschwindigkeit über 50 km/h im Zweitanstiegs-Beschleunigungsbereich des 15-Modus (15 mode second ascending acceleration range) und für den Betrieb mit einer Fahrzeuggeschwindigkeit über 55 km/h im Drittanstiegs-Beschleunigungsbereich des 15-Modus (15 mode third ascending acceleration range) durchgeführt, und der stöchiometrische Betrieb wurde für die anderen Betriebsarten durchgeführt. Die NO_x-Einfangfähigkeit wurde während des mageren Betriebs unter Verwendung eines NO_x-Einfangfähigkeits-Abschätzmittels abgeschätzt. Wenn der Wert der NO_x-Einfangfähigkeit unter einen vorgegebenen Wert gelangte, der unter Berücksichtigung der Katalysatoreigenschaften vorbestimmt war, wurde ein kurzzeitiger stöchiometrischer oder fetter Betrieb (Fettverschiebung) eingefügt. Die Wirkungen auf eine Menge an Emission von schädlichen Substanzen wie z. B. NO_x und eine Kraftstoffverbrauchsrate (km/l) wurden mit veränderlicher stöchiometrischer oder Fetttiefe (A/F-Wert) und Zeitdauer der Fettverschiebung bewertet. Die Tiefe der Fettverschiebung und die Zeitdauer, in der die Fettverschiebung gehalten wurde, wurden innerhalb eines Betriebstests des 10-15-Modus konstant gehalten.
Die Wirkungen der Tiefe der Fettverschiebung (A/F-Wert) und die Zeitdauer der Fettverschiebung auf die Menge des NO_x-Ausstoßes, die unter der vorstehend erwähnten Bedingung erhalten wurden, sind in 2 gezeigt. Aus 2 kann verstanden werden, dass die Menge an NO_x-Ausstoß durch die Zeitdauer der Fettverschiebung stark beeinflusst wird und verringert wird, wenn die Zeitdauer der Fettverschiebung länger ist, und dass die Menge an NO_x-Ausstoß verringert wird, wenn der Fettgrad erhöht wird (der A/F-Wert verringert wird), aber der Grad der Verringerung des NO_x-Ausstoßes nicht so groß ist.
3 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Zeitdauer der Fettverschiebung und der Menge an NO_x-Ausstoß, wenn der Wert von A/F 14,0 ist, zeigt. Aus 3 kann verstanden werden, dass eine erforderliche Fettverschiebungszeitdauer mindestens 0,5 Sekunden, vorzugsweise 1 Sekunde ist, um einen ausreichenden Effekt der Verringerung einer Menge an NO_x-Ausstoß zu erhalten, und dass in einem Fall, in dem eine Fettverschiebungszeitdauer länger als 4,5 Sekunden ist, das Verhältnis der Verringerung einer Menge an NO_x-Ausstoß klein wird und ein ausreichender Effekt der Verringerung einer Menge an NO_x-Ausstoß nicht ausgeübt werden kann. Das heißt, es kann verstanden werden, dass die Fettverschiebung in einem Bereich zwischen 0,5 Sekunden und 4,5 Sekunden zum Verringern einer Menge an NO_x-Ausstoß wirksam ist.
4 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Verhältnis der Verringerung der Kraftstoffverbrauchsrate, der Zeitdauer der Fettverschiebung und der Tiefe der Fettverschiebung (A/F) während der Fettverschiebung unter einer Testbedingung ähnlich der vorstehend erwähnten Testbedingung zeigt. Als Verhältnis der Verringerung der Kraftstoffverbrauchsrate wird ein Wert verwendet, der aus der folgenden Gleichung (1) berechnet wird.
Verhältnis der Verringerung der Kraftstoffverbrauchsrate (%) = (Kraftstoffverbrauchsrate mit Fettverschiebung – Kraftstoffverbrauchsrate ohne Fettverschiebung)/(Kraftstoffverbrauchsrate ohne Fettverschiebung) × 100 (1)wobei Kraftstoffverbrauchsrate: km/l: 10-15-Modus
Aus 4 geht hervor, dass die Kraftstoffverbrauchsrate natürlich abnimmt, wenn die Zeitdauer der Fettverschiebung länger wird und die Tiefe der Fettverschiebung tiefer wird (der A/F-Wert kleiner wird). Wie vorstehend beschrieben, wird bevorzugt, dass die Fettverschiebung flacher ist, da die Wirkung der Verringerung einer Menge an NO_x-Ausstoß klein ist. Das Verhältnis der Verringerung der Kraftstoffverbrauchsrate eines Fahrzeugs, das ein Magerverbrennungssystem verwendet, ist im Allgemeinen 10 % oder mehr. Unter Berücksichtigung dessen kann gesagt werden, dass das Verhältnis von Verringerungen der Kraftstoffverbrauchsrate durch die Fettverschiebung auf 5 % oder weniger unterdrückt werden sollte.
Aus 4 kann verstanden werden, dass die Tiefe der Fettverschiebung, die die Bedingung des Verhältnisses der Verringerung der Kraftstoffverbrauchsrate innerhalb 5 % und der Zeitdauer der Fettverschiebung innerhalb des vorstehend erwähnten Bereichs zwischen 0,5 Sekunden und 4,5 Sekunden erfüllt, ein A/F-Wertebereich zwischen 12,5 und 14,7, vorzugsweise zwischen 13 und 14,7 ist.
Die obige Beschreibung hat nur NO_x als schädliche Substanz im Abgas erörtert. Eine Menge an ausgestoßenem CO und HC ist jedoch sehr klein und eine Menge, die aufgrund der Fettverschiebung erhöht wird, ist sehr klein und wirkt sich nicht so sehr auf die Menge an ausgestoßenem CO und HC aus.
Im Hinblick auf den NO_x-Reinigungskatalysator N-S wurden als nächstes Mengen des Ausstoßes schädlicher Substanzen und Kraftstoffwirkungsgrade unter Verwendung desselben Mittels wie im Fall des NO_x-Reinigungskatalysators N-N gemessen. Die Korrelation zwischen der Menge an NO_x-Ausstoß, der Tiefe der Fettverschiebung (A/F-Wert) und der Zeitdauer der Fettverschiebung, die in 5 gezeigt ist, wurde unter derselben Testbedingung wie im Fall des NO_x-Reinigungskatalysators N-N gefunden. Ähnlich zu 2 kann verstanden werden, dass die Menge an NO_x-Ausstoß durch die Zeitdauer der Fettverschiebung stark beeinflusst wird und abnimmt, wenn die Zeitdauer der Fettverschiebung länger wird. Ferner wird die Menge an NO_x-Ausstoß verringert, wenn der Fettgrad erhöht wird (der A/F-Wert verringert wird), aber der Grad der Verringerung des NO_x-Ausstoßes klein ist.
6 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Zeitdauer der Fettverschiebung und Mengen an ausgestoßenem NO_x, wenn der Wert von A/F 14,0 ist, zeigt. Ähnlich zum Fall des NO_x-Reinigungskatalysators N-N in 3 kann verstanden werden, dass eine erforderliche Fettverschiebungszeitdauer mindestens 0,5 Sekunden, vorzugsweise 1 Sekunde ist, um eine ausreichende Wirkung der Verringerung einer Menge an ausgestoßenem NO_x zu erhalten, und dass in einem Fall, in dem eine Fettverschiebungszeitdauer länger ist als 4,5 Sekunden, das Verhältnis der Verringerung einer Menge an ausgestoßenem NO_x klein wird und eine ausreichende Wirkung der Verringerung einer Menge an ausgestoßenem NO_x nicht ausgeübt werden kann. Das heißt, es kann verstanden werden, dass in diesem Katalysator die Fettverschiebung in einem Bereich zwischen 0,5 Sekunden und 4,5 Sekunden auch vom Blickpunkt der Verringerung einer Menge an ausgestoßenem NO_x wirksam ist. Daher kann vom Ergebnis zusammen mit der Beziehung der Fettverschiebungsbedingung und der Verringerung des Verhältnisses des Kraftstoffverbrauchs in 4 gesagt werden, dass die effektive Tiefe der Fettverschiebung ein A/F-Wertebereich zwischen 14,7 und 12,5, vorzugsweise zwischen 14,7 und 13,0 ist.
Im Fall dieses mageren NO_x-Reinigungskatalysators war auch eine Menge an CO- und HC-Ausstoß sehr klein und eine Steigerung der Menge aufgrund der Fettverschiebung war sehr klein und wirkte sich nicht so sehr auf die Menge an ausgestoßenem CO und HC aus.
Das Merkmal der vorliegenden Ausführungsformen ist hauptsächlich dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschaft der NO_x-Reinigungskatalysatoren in den Ausführungsformen, insbesondere die Eigenschaft der Verringerung der Menge an NO_x-Ausstoß durch die Zeitdauer der Fettverschiebung, beeinflusst wird und nicht so sehr durch die Tiefe der Fettverschiebung beeinflusst wird. Es kann betrachtet werden, dass diese Eigenschaft die nachstehend zu beschreibende Eigenschaft des NO_x-Reinigungskatalysators in der Ausführungsform betrifft.
Der NO_x-Reinigungskatalysator in der Ausführungsform der Abgasreinigungsvorrichtung verringert und reinigt NO_x im mageren Abgas und reinigt NO_x durch Einfang des NO_x im Katalysator. Der Einfang von NO_x wird hauptsächlich durch Adsorption auf der Oberfläche des Katalysators durchgeführt. Wenn das adsorbierte und eingefangene NO_x mit dem stöchiometrischen oder fetten Abgas in Kontakt gebracht wird, wird das adsorbierte und eingefangene NO_x am Katalysator durch das Reduktionsmittel wie z. B. HC (Kohlenwasserstoff), CO (Kohlenmonoxid) und so weiter zu N₂ reduziert, um die NO_x-Adsorptionsfähigkeit der Oberfläche des Katalysators wiederherzustellen. Die Reduktion von NO_x im adsorbierten Zustand schreitet schnell fort. Dies liegt daran, dass der Massentransferschritt, der von der Reduktionsreaktion von adsorbiertem NO_x begleitet wird, nur einen Dampfphasendiffusionsschritt des Reduktionsmittels und von erzeugtem N₂ und einen Oberflächendiffusionsschritt des adsorbierten NO_x umfasst und keinen Massentransferschritt innerhalb der Katalysatormasse umfasst, die im Massentransferwiderstand groß ist.
Wenn das NO_x innerhalb der Katalysatormasse adsorbiert wird, muss sich das NO_x bis zur Oberfläche des Katalysators durch Diffusion bewegen oder das Reduktionsmittel muss sich durch Diffusion in die Katalysatormasse bewegen. Um die Transfergeschwindigkeit innerhalb der Masse zu erhöhen, ist eine Konzentrationsdifferenz als Bewegungskraft erforderlich und folglich muss die Konzentration des Reduktionsmittels erhöht werden. Das heißt, die Fettverschiebung muss vertieft werden. Da die Transfergeschwindigkeit der Substanz wie z. B. NO_x innerhalb der Masse klein ist (da der Teil, wo das Reduktionsmittel im Fettverschiebungsgas existiert, nicht zur Reak tion beiträgt und das Reduktionsmittel am Katalysator hindurchgeht), wird eine Verfügbarkeit des Reduktionsmittels klein.
Der NO_x-Reinigungskatalysator in der Ausführungsform der Abgasreinigungsvorrichtung muss die Fettverschiebung nicht vertiefen, sondern erfordert Zeit zum Liefern des erforderlichen Reduktionsmittels. Das heißt, die Tiefe der Fettverschiebung steht nicht so sehr mit der Verringerung der Menge an NO_x-Ausstoß in Beziehung, sondern die Zeitdauer der Fettverschiebung bezieht sich auf die Verringerung der Menge an NO_x-Ausstoß. Im NO_x-Reinigungskatalysator in der Ausführungsform der Abgasreinigungsvorrichtung ist ferner die Verringerung der Kraftstoffverbrauchsrate aufgrund der Fettverschiebung klein, da eine flache Fettverschiebung zum Wiedergewinnen des Katalysators ausreicht.
7 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Brennkraftmaschineneinheit mit einer Vorrichtung zum Reinigen von Abgas gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein anderer Punkt dieser Ausführungsform von der Ausführungsform von 1 besteht darin, dass ein Abgaskrümmer-Katalysator 24 im Kanal des Abgasrohrs nahe dem Motor angeordnet ist.
Die Verstärkung der Ausstoßregulierung für das Abgas von Fahrzeugen erfordert die Reinigung von schädlichen Substanzen wie z. B. HC und dergleichen, die direkt nach dem Start des Motors ausgestoßen werden. Das heißt, in der Vergangenheit wurde das Abgas ausgestoßen, ohne dass es gereinigt wurde, bis der Katalysator auf eine Betriebstemperatur aufgeheizt ist. Es ist jedoch erforderlich, die Menge der schädlichen Substanz, die direkt nach dem Start ausgestoßen wird, wesentlich zu verringern. Um das Problem zu lösen, ist ein Verfahren zum schnellen Erhitzen des Katalysators bis auf die Betriebstemperatur wirksam. 7 zeigt eine Systemkonstruktion, die in der Lage ist, die Mengen von HC, CO, die beim Motorstart ausgestoßen werden, zu verringern, und in der Lage ist, mit der Abgasreinigung während des mageren und stöchiometrischen (einschließlich fetten) Betriebs zurechtzukommen.
In der Konstruktion von 7 können ein Katalysator mit Pt, Rh, CeO₂ als Hauptkomponenten, d. h., ein so genannter Dreiwege-Katalysator und ein Dreiwege-Katalysator, zu dem Pd hinzugefügt ist, oder ein Verbrennungskatalysator mit einer aktiven Verbrennungskomponente wie z. B. Pd oder dergleichen als Hauptkomponente verwendet werden. In der Konstruktion der Ausführungsform wird der Abgaskrümmer-Katalysator 24 in einer kurzen Zeit beim Start erhitzt, um die Reinigung von HC und CO direkt nach dem Start durchzuführen, und sowohl der Abgaskrümmer-Katalysator 24 als auch der NO_x-Reinigungskatalysator 19 funktionieren während des stöchiometrischen Betriebs, um HC, CO und NO_x zu reinigen, und der NO_x-Reinigungskatalysator 19 adsorbiert und reinigt NO_x während des mageren Betriebs. Wenn das Luft-/Kraftstoffverhältnis fettverschoben wird, um die NO_x-Einfangfähigkeit des NO_x-Reinigungskatalysators wiederherzustellen, erreichen HC und CO als Reduktionsmittel den NO_x-Reinigungskatalysator, ohne dass sie durch den Abgaskrümmer-Katalysator chemisch verändert werden, um die NO_x-Einfangfähigkeit wiederherzustellen.
Ein Motor vom Direkteinspritztyp kann beispielsweise anstelle des Motors 99 von 1 verwendet werden, und ein Verbrennungskatalysator als Nachkatalysator kann in einer Position stromabwärts vom NO_x-Reinigungskatalysator 19 von 1 angeordnet werden, um eine Vorrichtung zu bilden, die in der HC-Reinigungsfähigkeit verbessert ist. Ferner kann ein Dreiwege-Katalysator anstelle des obigen Verbrennungskatalysators angeordnet werden, um eine Vorrichtung zu bilden, die in der Dreiwege-Katalysatorfunktion während des stöchiometrischen Betriebs verstärkt ist.
Wie aus der obigen Beschreibung verstanden werden kann, können das Verfahren zum Reinigen des Abgases einer Brennkraftmaschine und die Vorrichtung zum Reinigen des Abgases einer Brennkraftma schine gemäß der vorliegenden Erfindung NO_x und so weiter im Abgas einer mageren Verbrennung wirksam reinigen, ohne sich so sehr auf die Kraftstoffverbrauchsrate auszuwirken, indem der NO_x-Reinigungskatalysator mit der speziellen Funktion im Abgasdurchlass angeordnet wird, indem NO_x in einer Oxidationsatmosphäre des Abgases im mageren Betriebsbereich der Brennkraftmaschine adsorbiert und eingefangen wird und indem eine Reduktionsatmosphäre erzeugt wird, um den NO_x-Reinigungskatalysator wiederherzustellen.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines NO_x-Reinigungskatalysators, der aus einer Zusammensetzung hergestellt ist, die enthält: wenigstens eine Elementart, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Alkalimetallen und Erdalkalimetallen besteht, wenigstens eine Elementart, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Seltenerdmetallen besteht, und wenigstens eine Elementart, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Edelmetallen und Titan besteht, wobei die Zusammensetzung auf einem wärmebeständigen, porösen Metalloxid getragen wird, wobei der Katalysator NO_x im Abgas auf einer seiner Oberflächen adsorbiert, wenn das Abgas mager ist, und das adsorbierte NO_x zu N₂ reduziert, wenn das Abgas stöchiometrisch oder fett ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: (a) Beschichten eines Grundkörpers mit dem wärmebeständigen, porösen Metalloxid, (b) Imprägnieren des beschichteten Grundkörpers mit einer Lösung aus Zernitrat, Trocknen des imprägnierten beschichteten Grundkörpers und dann Calzinieren für eine 1 Stunde bei 600 °C, (c) Imprägnieren des beschichteten Grundkörpers mit einer Mischlösung aus einer Lösung aus Titanoxid-Sol, einer Lösung aus Natriumnitrat und einer Lösung aus Magnesiumnitrat oder mit einer Mischlösung aus einer Lösung aus Titanoxid-Sol und einer Lösung aus Strontiumnitrat, Trocknen des imprägnierten beschichteten Grundkörpers und dann Calzinieren; (d) Imprägnieren des beschichteten Grundkörpers mit einer Mischlösung aus einer Lösung aus Dinitrodiamin-Platinnitrat und aus einer Lösung aus Rhodiumnitrat, Trocknen des impräg nierten beschichteten Grundkörpers und dann Calzinieren für 1 Stunde bei 450 °C; (e) Imprägnieren des beschichteten Grundkörpers mit einer Lösung aus Magnesiumnitrat, Trocknen des imprägnierten beschichteten Grundkörpers und dann Calzinieren für 1 Stunde bei 450 °C.
Vorrichtung zum Reinigen eines Abgases einer Brennkraftmaschine, die einen NO_x-Reinigungskatalysator, der in einer Abgasleitung angeordnet ist, und eine Steuereinheit umfasst, wobei – der NO_x-Reinigungskatalysator in Übereinstimmung mit Anspruch 1 erhalten werden kann, – der NO_x-Reinigungskatalysator NO_x in dem Abgas auf seiner Oberfläche adsorbiert, wenn das Abgas mager ist, und das adsorbierte NO_x zu N₂ reduziert, wenn das Abgas stöchiometrisch oder fett ist, und – die Steuereinheit Luft-/Kraftstoffverhältnis-Steuermittel besitzt, die ihrerseits Mittel besitzen, um das Abgas für 0,5 Sekunden bis 4,5 Sekunden in einen stöchiometrischen Zustand oder einen fetten Zustand steuern, um das Abgas durch Reduzieren des auf dem NO_x-Reinigungskatalysator adsorbierten NO_x zu N₂ durch katalytische Reaktion mit einem Reduktionsmittel zu reinigen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der bei der Steuerung des Abgases auf einen stöchiometrischen Zustand oder einen fetten Zustand der Grad des fetten Zustands im Bereich von Werten von 13,0 bis 14,7 des Luft-/Kraftstoffverhältnisses A/F liegt.
Verwendung der Vorrichtung zum Reinigen eines Abgases einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 3 in einem Verfahren, das die folgenden Schritte umfasst: – Anordnen der Vorrichtung in einer Abgasleitung, – Vorsehen einer Steuereinheit, die Luft-/Kraftstoffverhältnis-Steuermittel besitzt, die ihrerseits Mittel zum Steuern des Abgases in einen stöchiometrischen Zustand oder einen fetten Zustand enthalten, – Betreiben der Brennkraftmaschine unter einer Magerbedingung, unter der das Abgas durch Adsorbieren des NO_x im Abgas auf dem NO_x-Reinigungskatalysator gereinigt wird, und – nach der Adsorption Versetzen des Abgases für 0,5 Sekunden bis 4,5 Sekunden in einen stöchiometrischen Zustand oder einen fetten Zustand, um das auf dem NO_x-Reinigungskatalysator adsorbierte NO_x durch katalytische Reaktion mit einem Reduktionsmittel zu N₂ zu reduzieren.
Verwendung nach Anspruch 4, bei der das Luft-/Kraftstoffverhältnis A/F auf einen Wert im Bereich von 13,0 bis 14,7 gesetzt wird, wenn das Abgas in den stöchiometrischen Zustand oder einen fetten Zustand gesteuert wird.