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Dokumentenidentifikation DE102005055151A1 08.06.2006
Titel Abgasreinigungsvorrichtung und Verfahren zur Abgasreinigung
Anmelder Denso Corp., Kariya, Aichi, JP
Erfinder Okajima, Masahiro, Kariya, Aichi, JP
Vertreter TBK-Patent, 80336 München
DE-Anmeldedatum 18.11.2005
DE-Aktenzeichen 102005055151
Offenlegungstag 08.06.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.06.2006
IPC-Hauptklasse F01N 3/20(2006.01)A, F, I, 20060216, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B01D 53/94(2006.01)A, L, I, 20060216, B, H, DE   B01D 53/90(2006.01)A, L, I, 20060216, B, H, DE   
Zusammenfassung Eine Abgasreinigungsvorrichtung enthält einen Verbrennungsmotor (1), ein Auslassrohr (9), ein Stickstoffoxidreduktionskatalysatorelement (36), einen Kraftstofftank (25), einen Reduktionsmittelgenerator (28) mit permselektiven Mitteln (40) für die Abtrennung eines niederen Kohlenstoffbestandteils und eine stromaufwärts in Bezug auf den Stickstoffoxidreduktionskatalysator (36) angeordnete Einleitungseinrichtung (37) für das Einleiten des in dem Reduktionsmittelgenerator (28) erzeugten niederen Kohlenstoffbestandteils in ein Auslassrohr (9).

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Reinigungsvorrichtung für die Abgase aus einem Automobil, und bezieht sich insbesondere auf eine Reinigungsvorrichtung für die Abgase eines Dieselmotors.

Ein Dieselmotor und ein Ottomotor haben in einem Magermischung-Verbrennungsverfahren (d.h. Magerverbrennungsverfahren) den Vorteil, dass der Kraftstoffverbrauch gering ist und daher der Ausstoß an Kohlendioxid (CO2), als eine die globale Erwärmung fördernde Substanz, gesteuert werden kann, da sie bei einem mageren Luft-Kraftstoffverhältnis betrieben werden. Jedoch gibt es das Problem, dass Stickstoffoxide (NOx) in dem Abgas der Motoren enthalten sind. Daher ist ein Verfahren für die Reinigung von in dem Abgas enthaltenen NOx bekannt, wobei dem Abgas eine geringe Menge an Kohlenwasserstoff (HC) zugesetzt wird, um ein angereichertes Gas zur Verfügung zu stellen, und dann wird das angereicherte Gas zu einem NOx-Reduktionskatalysator geführt.

Jedoch wird typischer Weise Gasöl bzw. Dieselöl als Kraftstoff des Dieselmotors verwendet, und in dem Dieselöl enthaltene Kohlenwasserstoffe mit hohem Siedepunkt haben eine geringe Selektivität für die NOx-Reduktion und sind daher nicht notwendigerweise als ein Reduktionsmittel für NOx wirksam. Als Konsequenz ist ein Übermaß an Kohlenwasserstoffe notwendig, so dass eine Verschlechterung im Kraftstoffverbrauch und ein Anstieg an Partikeln (PM) verursacht wird.

Daher wurden verschiedene Verfahren für die Reformierung oder die Zersetzung des Dieselmotorkraftstoffs entwickelt, um den Kraftstoff in einen Kohlenwasserstofftyp zu ändern, der bevor er in Kontakt mit dem NOx-Reduktionskatalysator kommt für die NOx-Reduktion geeignet ist. Z. B. schlug JP-A-H9-38467 eine Abgasreinigungsvorrichtung vor, in welcher ein in einem Motorkraftstoff enthaltener Kohlenwasserstoff durch einen Kohlenwasserstoffe zersetzenden Katalysator zersetzt wird, um den Anteil an niederen Kohlenstoffbestandteilen (low-carbon components) im Vergleich mit dem Motorkraftstoff zu erhöhen, und dann in das Abgas eingeleitet wird.

Jedoch hat der Stand der Technik das Problem, dass, wenn die Temperatur des Kohlenwasserstoffs setzenden Katalysators im Bereich von 300°C bis 600°C ist, niedere Kohlenstoffverbindungen einfach erzeugt werden, die niederen Kohlenstoffverbindungen jedoch nur schwerlich erzeugt werden, wenn die Temperatur des Kohlenwasserstoff zersetzenden Katalysators nicht innerhalb des Bereiches von 300°C bis 600°C ist.

Die Erfindung wurde unter Berücksichtigung dieses Problems gemacht, und eine Aufgabe der Erfindung ist, eine Abgasreinigungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die unabhängig von der Temperatur niedere Kohlenstoffverbindungen erzeugen kann.

Eine Abgasreinigungsvorrichtung enthält einen Verbrennungsmotor; ein Auslassrohr des Verbrennungsmotors; ein Stickstoffoxid-Reduktionskatalysatorelement, das in der Mitte des Auslassrohres vorgesehen wird und das Abgas unter Verwendung eines Reduktionsmittels reinigt; einen Kraftstofftank für die Lagerung des Kraftstoffs; einen Reduktionsmittelgenerator mit einem permselektiven Mittel für das Abtrennen des niederen Kohlenstoffbestandteils von Bestandteilen des Kraftstoffs im Kraftstofftank; und einer Einleitungseinrichtung für das Einleiten des niederen Kohlenstoffsbestandteils als das in dem Reduktionsmittelgenerator erzeugte Reduktionsmittel stromaufwärts in Bezug auf das Stickstoffoxidreduktionskatalysatorelement in das Auslassrohr.

Demgemäß, da das permselektive Mittel den niederen Kohlenstoffbestandteil unabhängig von der Temperatur abtrennen kann, kann eine Abgasreinigungsvorrichtung zur Verfügung gestellt werden, die den niederen Kohlenstoffbestandteil unabhängig von der Temperatur erzeugen kann.

Alternativ kann der Reduktionsmittelgenerator den niederen Kohlenstoffbestandteil von den Bestandteilen des Kraftstoffs während des Betriebs des Verbrennungsmotors abtrennen.

Alternativ kann das permselektive Mittel eine Permeationsöffnung haben und das Permeationsöffnung hat eine Öffnungsgröße von 4,5 Angström oder weniger. Demgemäß wird das permselektive Mittel leicht durch den niederen Kohlenstoffbestandteil durchdrungen, aber nur schwerlich durch den Kohlenstoffbestandteil durchdrungen. Überdies können einige permselektive Mittel eine Permeationsöffnung mit einer Öffnungsgröße von 3,9 bis 4,5 Angström haben.

Alternativ kann das permselektive Mittel Normalparaffin von den Kraftstoffbestandteilen abtrennen. Überdies können einige permselektive Mittel n-Dodecan C12H26) oder einen Bestandteil mit einer Kohlenstoffanzahl, die verglichen mit n-Dodecan gering ist, als den niederen Kohlenstoffbestandteil von den Kraftstoffbestandteilen abtrennen. Demgemäß, da Kohlenwasserstoff mit einer geringen Kohlenstoffanzahl einen niedrigen Siedepunkt hat, kann die Selektivität der NOx-Reduktion verbessert werden.

Alternativ wird das Verhältnis der für das Reduktionsmittel verwendeten Kraftstoffmenge zur Gesamtmenge des für die Verbrennung in dem Verbrennungsmotor verwendeten Kraftstoffs, in Abhängigkeit von der Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors eingestellt werden. Überdies kann bei einigen Alternativen das Verhältnis das Reduktionsmittel der verwendeten Kraftstoffmenge zu der Gesamtmenge des Kraftstoffs verwendet für die Verbrennung in dem Verbrennungsmotor innerhalb eines Bereichs von 0,1 – 1% in Abhängigkeit von dem Betriebszustand des Verbrennungsmotors eingestellt werden. Demgemäß kann ein Reduktionsmittel in einer optimalen Menge die Menge an NOx erzeugt werden.

Außerdem enthält ein Abgasreinigungsverfahren einen Schritt der Zufuhr von Kraftstoff zu einem Reduktionsmittelgenerator mit dem permselektiven Mittel; einen Schritt das Abtrennen des zugeführten Kraftstoffs unter Verwendung des permselektiven Mittels, um ein Reduktionsmittel zu erzeugen; einen Schritt des Einleitens des erzeugten Reduktionsmittels in ein Auslassrohr des Verbrennungsmotors, stromaufwärts in Bezug auf ein Stickstoffoxidreduktionskatalysatorelement; und einen Schritt der Reinigung des Abgases des Verbrennungsmotors unter Verwendung des eingebrachten Reduktionsmittels durch das Stickstoffoxidreduktionskatalysatorelement. Demgemäß, da die permselektive Einheit im niederen Kohlenstoffbestandteil unabhängig von der Temperatur abtrennen kann, kann der niedere Kohlenstoffbestandteil unabhängig von der Temperatur erzeugt werden.

Die vorhergehende Aufgabe und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden klarer durch die folgende Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.

Die 1 ist eine schematische Ansicht, die eine Abgasreinigungsvorrichtung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

die 2 ist eine schematische Ansicht, die den inneren Aufbau eines NOx-Reduktionsmittelgenerators zeigt;

die 3 ist eine schematische Ansicht, die die Funktion eines permselektiven Films zeigt;

die 4A bis 4D sind schematische Ansichten, die die Funktion des permselektiven Films erläutern;

die 5A bis 5C sind schematische Ansichten, die die Merkmale der Kohlenwasserstoffbestandteile zeigen;

die 6 ist eine grafische Darstellung, die eine Beziehung zwischen der NOx-Menge und einem für die NOx-Reduktion verwendeten Kraftstoffanteil zeigt; und

die 7 ist eine grafische Darstellung, die eine Beziehung zwischen der Gastemperatur und der NOx-Reinigungsrate zeigt.

Hiernach wird eine spezifische Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Abgasreinigungsvorrichtung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Hierbei wird als ein Beispiel ein Fall beschrieben, in dem die erfindungsgemäße Abgasreinigungsvorrichtung bei einem Dieselmotor eines Automobils eingesetzt wird.

Ein in der 1 gezeigtes Abgasreinigungssystem enthält einen Dieselmotor 1, eine Kühlvorrichtung A, eine Kraftstoffvorrichtung B, eine Lufteinlass- und Auslassvorrichtung C und eine Abgasreinigungsvorrichtung D.

Der Dieselmotor 1 enthält einen Zylinder 4, einen Kolben 13, der vertikal durch ein Kurbelgetriebe (nicht gezeigt) sich innerhalb des Zylinders bewegt, und einen Klopfsensor 16 für das Messen von Vibrationen des Dieselmotors 1.

In dem Dieselmotor 1 mit einem derartigen Aufbau wird die vertikale Bewegung des Kolbens 13 durch ein Kurbelgetriebe in eine Rotationsbewegung umgewandelt, wodurch Antriebsenergie erhalten wird. Der Klopfsensor 16 misst die Vibration des Zylinders 4 und das elektronische Motorsteuerungssystem (ECU; nicht gezeigt) stellt den Kraftstoffeinspritzungszeitpunkt gemäß dem gemessenen Wert ein und steuert den Motor derartig, dass Klopfen vermieden wird.

Eine Kühlvorrichtung A enthält einen Wassermantel 14, einen Radiator (nicht gezeigt) und ein Thermostatventil (nicht gezeigt).

Der Wassermantel 14 ist an der Peripherie des Zylinders 4 angeordnet. Der Wassermantel 14 speichert ein Kühlmittel für das Kühlen des Motors. Über dies hat der Wassermantel 14 einen Wassertemperatursensor 15 für das Messen der Temperatur des Kühlmittels.

In der auf diese Weise aufgebauten Kühlvorrichtung A misst der Wassertemperatursensor 15 die Temperatur des Kühlmittels, und wenn die Temperatur des Kühlmittels hoch ist, wird das Thermostatventil geöffnet und dadurch wird das Kühlmittel in den Radiator eingebracht und in dem Radiotor gekühlt und dann in den Wassermantel 14 zurückgeführt.

Die Kraftstoffvorrichtung B enthält einen Injektor 17, eine gemeinsame Kraftstoffleitung (Common rail) 19, eine Hochdruckkraftstoffleitung 21, eine Hochdruckpumpe 22, eine Niederdruckkraftstoffleitung 23 und einen Kraftstofftank 25.

Der Injektor 17 ist oberhalb des Zylinders 4 angeordnet. Die gemeinsame Kraftstoffleitung 19 hat einen Kraftstoffdrucksensor 18.

Die gemeinsame Kraftstoffleitung 19 für die Zufuhr von Hochdruckkraftstoff 20 in den Injektor 17 ist oberhalb des Injektors 17 angeordnet. Die gemeinsame Kraftstoffleitung 19 ist bevorzugt derartig aufgebaut, dass sie hohem Druck widerstehen kann, z. B. einem Druck von 100 MPa oder mehr, da sie den Hochdruckkraftstoff 20 speichern muss. Die gemeinsame Kraftstoffleitung 19 ist mit der Hochdruckkraftstoffleitung 21 verbunden. Die Hochdruckkraftstoffleitung 21 ist mit der Hochdruckpumpe 22 für die Zuführung von Hochdruckkraftstoff 20 in die gemeinsame Kraftstoffleitung 19 verbunden. Die Hochdruckpumpe 22 kommuniziert mit dem Kraftstofftank 25 über die Niederdruckkraftstoffleitung 23.

In der auf diese Weise aufgebauten Kraftstoffvorrichtung B, misst der Kraftstoffdrucksensor 18 den Injektionsdruck des Injektors 17 und die ECU (nicht gezeigt) steuert den Injektionsdruck derartig, dass der Injektionsdruck während der Injektion unveränderlich ist.

Die Hochdruckpumpe 22 pumpt den Niederdruckkraftstoff 24 aus dem Kraftstofftank 25 über die Niederdruckkraftstoffleitung 23 und setzt den Niederdruckkraftstoff 24 unter Druck und wandelt den Kraftstoff 24 folglich in den Hochdruckkraftstoff 20 um, und entlädt dann den Hochdruckkraftstoff 20 in die gemeinsame Kraftstoffleitung 19 über die Hochdruckkraftstoffleitung 21 und einen Drucksteuerungskreis (nicht gezeigt), so dass der Hochdruckkraftstoff 20 in der gemeinsamen Kraftstoffleitung 19 gespeichert wird.

Dann wird der in der gemeinsamen Kraftstoffleitung 19 gespeicherte Hochdruckkraftstoff 20 in eine Verbrennungskammer des Zylinders 4 durch den Injektor 17 zu einem durch die ECU (nicht gezeigt) bestimmten Zeitpunkt eingespritzt.

Die Lufteinlass- und Auslassvorrichtung C enthält ein Einlassrohr 2 und ein Auslassrohr 9 und ein Einlassventil 5 und ein Auslassventil 10.

In dem Dieselmotor 1 sind das Einlassrohr 2 und ein Luftfilter 3 angeordnet, und die Luft kann aus dem Einlassrohr 2 in die Verbrennungskammer des Zylinders 4 aufgenommen werden. Das Einlassventil 5 für das Durchleiten oder Absperren der Luftaufnahme wird einem Grenzteil zwischen der Verbrennungskammer und dem Einlassrohr 2 vorgesehen. Oberhalb des Einlassventils 5 wird eine Einlassnockenwelle 8 mit einer Einlassnocke (nicht gezeigt) für das Durchleiten oder Absperren der Einlassluft durch radikale Bewegung des Einlassventils 5 angeordnet. Ein Einlassnockensensor 7 ist nahe der Einlassnockenwelle 8 vorgesehen.

Überdies wird in dem Dieselmotor 1 das Auslassrohr 9 für das Auslassen des Verbrennungsgases angeordnet, und das Verbrennungsgas kann aus der Verbrennungskammer des Zylinders 4 in das Auslassrohr 9 ausgelassen werden. Das Auslassventil 10 für das Durchleiten oder Absperren des Verbrennungsgases wird an einem Grenzteil zwischen der Verbrennungskammer und dem Auslassrohr 9 angeordnet. Oberhalb des Auslassventils 10 wird eine Aunlassnockenwelle 12 mit einer Auslassnocke (nicht gezeigt) für das Durchleiten oder Absperren des Verbrennungsgases durch die vertikale Bewegung des Auslassventils 10 angeordnet.

In der auf diese Weise aufgebauten Lufteinlass- und Auslassvorrichtung C, wird, wenn das Einlassventil 5 durch die Einlassnocke geöffnet wird, und der Kolben 13 abgesenkt wird, Luft aus dem Einlassrohr 2 in die Verbrennungskammer des Zylinders 4 eingelassen, da der Druck innerhalb der Verbrennungskammer des Zylinders 4 reduziert dies (Einlasstakt).

Als Nächstes, wenn das Einlassventil 5 durch die Einlassnockenwelle 8 geschlossen wird und der Kolben 13 angehoben wird, wird Luft in der geschlossenen Verbrennungskammer des Zylinders 4 komprimiert. Die Luft gerät in eine Hochtemperatur- und Hochdruckbedingung durch Kompression der Luft auf diese Art und Weise (Kompressionstakt bzw. Verdichtungstakt).

Als Nächstes, wenn der Kolben 13 den Höhepunkt erreicht, spritzt der Injektor 17 den Hochdruckkraftstoff 20 in die verdichtete Luft in der Verbrennungskammer des Zylinders 4 ein. Der Hochdruckkraftstoff 20, der mit Luft in dem Hochtemperaturzustand gemischt wurde, entzündet sich von selbst und verbrennt. Der Kolben 13 wird aufgrund des Verbrennungsdrucks zu diesem Zeitpunkt nach unten gedrückt (Verbrennungstakt).

Als Nächstes, wenn der Kolben 13 den Boden erreicht, wird das Auslassventil 10 durch die Auslassnocke geöffnet und der Kolben 13 wird angehoben, wodurch das verbrannte Gas aus der Verbrennungskammer des Zylinders 4 in das Auslassrohr 9 gedrückt wird (Auslasstakt).

Die Luft enthält Staub, und wenn sie wie sie ist genommen wird, kann sie die Verbrennungskammer oder einen Kanal des Zylinders 4 verstopfen, was eine Motorbetriebsunterbrechung verursachen kann, daher wird der Staub vorher durch den Luftfilter 3 entfernt.

Die Abgasreinigungsvorrichtung D enthält einen DPF (Dieselpartikelfilter) 32, einen Oxidationskatalysator 34, einen NOx-Reduktionskatalysator 36, einen NOx-Reduktionsmittelgenerator 28 und einen Reduktionsmittel zugegebenen Injektor 37.

Der DPF 32 ist an der Mitte des Auslassrohrs 9 angeordnet. Ein Temperatursensor 33 für die Messung der Temperatur des Verbrennungsgasstrom durch das Auslassrohr 9 ist stromaufwärts nahe des DPF 32 angeordnet.

In einem auf diese Weise aufgebauten DPF 32 wird in dem Verbrennungsgas enthaltene PM in dem Auslassrohr 9 gesammelt und mit in dem zu verbrennenden Auslassgas enthaltenen Sauerstoff zur Reaktion gebracht, wodurch eine Oxidation und Reinigung erfolgt.

Da der DPF 32 bei hoher Temperatur beschädigt wird, wird die Temperatur nahe dem DPF 32 durch den Temperatursensor 33 gemessen, und wenn die Temperatur nahe dem DPF 32 hoch ist, z. B. wenn sie 650°C oder mehr ist, wird die Temperatur des Verbrennungsgases kontrolliert gesenkt. Ein Verfahren für die Senkung des Kraftstoffinjektionsgrades des Injektors 17 und ein Verfahren der Refluxierung eines Teils des ausgestoßenen Gases in den Einlass (EGR) werden typischer Weise zur Senkung der Verbrennungstemperatur und der Temperatur des Verbrennungsgases angegeben.

Der Oxidationskatalysator 34 wird stromabwärts des Auslassrohrs 9 in Bezug auf den DPF 32 angeordnet. Überdies wird ein Temperatursensor 35 für die Messung der Temperatur des Gasflusses durch das Auslassrohr 9 nahe dem Teilgrade stromaufwärts in Bezug auf den Oxidationskatalysator 34 angeordnet.

In dem auf diese Weise aufgebauten Oxidationskatalysator 34 werden in dem Verbrennungsgas innerhalb des Auslassrohrs 9 enthaltene HC und CO gesammelt und mit in dem zu verbrennenden Verbrennungsgas enthaltenen Sauerstoff zur Reaktion gebracht, wodurch eine Oxidation und Reinigung erfolgt. Überdies wird in dem Verbrennungsgas enthaltenes Stickstoffmonoxid (NO) zu Stickstoffdioxid (NO2) oxidiert, um in einen Bestandteil umgewandelt zu werden, der leicht durch den NOx-Reduktionskatalysator 36 reduziert werden kann, der stromabwärts in Bezug auf den Oxidationskatalysator 34 angeordnet ist.

Da der Oxidationskatalysator durch hohe Temperatur beschädigt wird, wird die Temperatur nahe dem Oxidationskatalysator 34 durch den Temperatursensor 35 gemessen, und wenn die Temperatur nahe dem Oxidationskatalysator 34 hoch ist, z. B. wenn sie 650°C oder mehr ist, wird die Temperatur des Verbrennungsgases kontrolliert gesenkt. Das Verfahren zur Absenkung des Kraftstoffinjektionsniveaus des Injektors 17 und das Verfahren des Refluxierens eines Teils des Emissionsgases in die Einlassseite (EGR) werden typischer Weise für die Absenkung der Verbrennungstemperatur und der Temperatur des Verbrennungsgases angegeben.

Da der DPF 32 und der Oxidationskatalysator 34 das im Verbrennungsgas enthaltene PM, HC und CO absenken, dient der NOx-Reduktionskatalysator 36, stromabwärts in Bezug auf den DPF 32 und den Oxidationskatalysator 34 angeordnet, hauptsächlich für die Reduktion von NOx.

Der NOx-Reduktionskatalysator 36 wird im Auslassrohr 9 in Bezug auf den Oxidationskatalysator 34 stromabwärts angeordnet.

Eine Kraftstoffpumpe 26 wird innerhalb des Kraftstofftanks 25 angeordnet, und kommuniziert mit dem NOx-Reduktionsmittelgenerator 28 über die Kraftstoffleitung 27. Der NOx-Reduktionsmittelgenerator 28 hat ein Kontrollventil 31. Überdies hat der NOx-Reduktionsmittelgenerator 28 eine Kraftstoffleitung 38, welche mit dem Reduktionsmittel zugebenden Injektor 37 kommuniziert, der stromabwärts im Bezug auf die Kraftstoffleitung 38 und stromaufwärts in Bezug auf den NOx-Reduktionsmittelkatalysator 36 angeordnet ist. In dem Reduktionsmittel zugebenden Injektor 37 wird ein Injektionsgrad eines Zusatzstoffs gemäß einem Signal der ECU 39 gesteuert. Die ECU 39 wird mit Signalen gespeist, gemessenen durch den nahe einem Bereich stromaufwärts in Bezug auf den DPF 32 angeordneten Temperatursensor 33, und den nahe einem Bereich stromaufwärts in Bezug auf den Oxidationskatalysator 34 angeordneten Temperatursensor 35. Der Reduktionsmittel zugebende Injektor 37 kann ein Kraftstoffinjektionsventil sein, dass typischer Weise für Verbrennungsmotoren verwendet wird, und hat bevorzugt eine Wärmebeständigkeit von etwa 600°, da er nahe dem Auslassrohr angeordnet ist.

In dem auf diese Weise aufgebauten NOx-Reduktionskatalysator 36 und dem NOx-Reduktionsmittelgenerator 28 führt während des Betriebs des Dieselmotors 1 die Kraftstoffpumpe 26 Kraftstoff 29 aus dem Kraftstofftank 25 in den Reduktionsmittelgenerator 28 über die Kraftstoffleitung 27.

Der Reduktionsmittelgenerator 28 trennt einen niederen Kohlenstoffbestandteil 30 von dem Kraftstoff 29 ab. Der niedere Kohlenstoffbestandteil 30 wird in den Reduktionsmittel zugebenden Injektor 37 über die Kraftstoffleitung 38 zugeführt, und dann als der Zusatzstoff in das Rohr 9 nahe einem Bereich stromaufwärts in Bezug auf den NOx-Reduktionskatalysator 36 durch den Reduktionsmittel zugebenden Injektor 37 eingespritzt.

Die ECU 39 steuert den Injektionsgrad des Zusatzstoffes des Reduktionsmittel zugebenden Injektors 37 in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Motors.

Überdies wird das Kontrollventil 31 bei einem daran angelegten, vorbestimmten Druck, z. B. einem Druck von 400 kPa oder mehr, geöffnet, wodurch Kraftstoff, der hauptsächlich einen hohen Kohlenstoffbestandteil enthält, in den Kraftstofftank 25 über die Kraftstoffleitung 311 zurückkehrt. Dies verhindert das Zurückhalten des hohen Kohlenstoffbestandteils in dem Reduktionsmittelgenerator 28 und vermeidet den Rückfluss des Kraftstoffs 29 in den Kraftstofftank 25 über die Kraftstoffleitung 27.

Wenn der Motor unter einem Magerkraftstoffbetrieb läuft und eine Sauerstoffdichte des Verbrennungsgases hoch ist, absorbiert der NOx-Reduktionskatalysator 36 NOx in dem Verbrennungsgas. Hierbei wird Kraftstoff aus dem Reduktionsmittel zugebenden Injektor 37 eingespritzt, wodurch folglich ein Verbrennungsgas mit einer niedrigen Sauerstoffdichte gebildet wird. Wenn das Verbrennungsgas mit niedriger Sauerstoffdichte, das auf diese Weise erzeugt wurde, in den NOx-Reduktionskatalysator 36 fließt, reduziert der NOx-Reduktionskatalysator 36 das NOx unter Verwendung von Reduktionsbestandteilen, wie etwa HC und CO in dem Verbrennungsgas, und zersetzt es in Stickstoff (N2) und Sauerstoff (O2), während das absorbierte NOx abgegeben wird, wodurch das NOx gereinigt wird.

Als Nächstes wird der NOx-Reduktionsmittelgenerator 28 beschrieben.

Die 2 zeigt einen inneren Aufbau des NOx-Reduktionsmittelgenerators 28 der 1. Die 3 und 4A bis 4D zeigen einen inneren Aufbau eines permselektiven Films 40 in der 2. Wie in den 2 bis 4D gezeigt, enthält der NOx-Reduktionsmittelgenerator 28 einen Träger 28a und den permselektiven Film 40.

Der Träger 28a wird aus Mullit gebildet und hat eine Porengröße von 0,1 bis 10 &mgr;m und eine Breite von etwa 1,5 mm.

Da der permselektive Film 40 auf den Träger 28a beschichtet wird und daher durch den Träger 28a getragen wird, kann vermieden werden, dass der permselektive Film durch den Kraftstoffstrom beschädigt wird. Ein Verfahren für die Beschichtung des permselektiven Films auf dem Träger 28 schließt hydrothermische Synthese ein.

Der permselektive Film 40 wird aus einer mirkroporösen Grenzschicht, wie etwa Zeolith mit einer gleichmäßigen Porengröße gebildet, und hat eine Vielzahl von Permeationsöffnungen in seiner Oberfläche. Die Porengröße einer Permeationsöffnung ist bevorzugt 4,5 Angström oder weniger und insbesondere bevorzugt ist es innerhalb eines Bereichs von 4,9 bis 4,5 Angström.

Die 5A bis 5C zeigen Merkmale der Kohlenwasserstoffbestandteile von Dieselöl. Ein Bestandteil des in der 5A gezeigten Dieselöls ist n-Decan (C10H22), ein Bestandteil der 5B ist ein viel in dem Dieselöl enthaltener, unverzweigter Kohlenwasserstoffbestandteil und ein Bestandteil der 5C ist eine Kohlenwasserstoffverbindung mit Seitenketten. Das n-Decan der 5A entspricht einen niederen Kohlenstoff (niedere Kohlenstoffanzahl) Bestandteil in dem Dieselöl und hat Merkmale eines normalen Typs (unverzweigter Kettentyp) mit einer kleinem H (Höhe) und einer großen L (Länge). Der unverzweigte Kohlenwasserstoffanteil der 5B, welcher stark in dem Dieselöl enthalten ist, hat Merkmale einer großen Anzahl von C (Kohlenstoff) und großer L (Länge). Die der Kohlenwasserstoffbestandteil mit Seitenketten der 5C hat ein Merkmal einer großen H (Höhe).

Der auf diese Art und Weise aufgebaute NOx-Reduktionsmittelgenerator 28 wird nur schwer durch andere Bestandteile als einem n-Paraffinbestandteil 301 (unverzweigter Typ) durchdrungen, z. B. ein iso-Paraffinbestandteil 302 (Seitenkettentyp) mit einem aromatischen Bestandteil 303, aber leicht von dem n-Paraffinbestandteil 301 (unverzweigter Typ), und wird insbesondere leicht durch einen niederen Kohlenstoffbestandteil mit geringer H (Höhe) und L (Länge) aufgrund des Unterschieds in der Molekülgröße. durchdrungen Daher trennt der NOx-Reduktionsmittelgenerator 28 leicht ein n-Decan (C10H22), Undecan (C11H24) und n-Dodecan (C12H26) ab, welche den niederen Kohlenstoffbestandteilen in dem Dieselöl entsprechen.

Die 6 ist eine grafische Darstellung, die eine Beziehung eines Verhältnisses der Kraftstoffmenge verwendet für das NOx-Reduktionsmittel (je nach als Kraftstoffmengenverhältnis verwendet für die NOx-Reduktion bezeichnet) zu der Gesamtmenge des für die Verbrennung des Verbrennungsmotors verwendeten Kraftstoffs zeigt. Die horizontale Achse stellt die NOx-Menge dar und die vertikale Achse stellt die für die NOx-Reduktion verwendeten Kraftstoffmengenanteil dar. Aus der 6 ersichtlich, dass der für die NOx-Reduktion verwendete Kraftstoffmengenanteilen proportional zu einem Anstieg in der NOx-Menge ansteigt. Hier ist die aus einem Automobil abgegebene NOx-Menge typischer Weise im Bereich von 100 ppm bis 600 ppm. Daher ist ersichtlich, dass der für die NOx-Reduktion verwendete Kraftstoffmengenanteil etwa 1% für die Reinigung des NOx des Automobils sein kann, wie in 6 gezeigt. Dies bedeutet dass, z. B. wenn die Gesamtmenge des für den Verbrennungsmotor verwendeten Kraftstoffs als 60 L angenommen wird, die für das NOx-Reduktionsmittel verwendete Kraftstoffmenge 0,6 L sein kann, was 1% der Gesamtmenge ist.

Die 7 ist eine grafische Darstellung, die eine Beziehung zwischen der Gastemperatur und einer NOx-Reinigungsrate zeigt. Die horizontale Achse stellt die Gastemperatur und die vertikale Achse stellt die NOx-Reinigungsrate dar. Es ist aus der 7 ersichtlich, dass während die NOx-Reinigungsrate mit dem Anstieg der Gastemperatur verbessert wird, umgekehrt wenn die Gastemperatur eine bestimmte Temperatur (etwa 350°C) übersteigt, die NOx-Reinigungsrate mit dem Anstieg in der Gastemperatur abfällt. Die Kurve a stellt eine Kennlinie in einem Fall der Verwendung des unveränderten Dieselöls als der Zusatzstoff dar, und die Kurve b stellt eine Kennlinie in einen Fall der Verwendung des niederen Kohlenstoffbestandteils 30 der Ausführungsform als dem Zusatzstoff dar. Wie in der 7 gezeigt, wenn der niedere Kohlenstoffbestandteil 30 als der Zusatzstoff verwendet wird, wird die NOx-Reinigungsrate um etwa 20% verbessert, verglichen mit dem Fall der Verwendung des unveränderten Dieselöls als Zusatzstoff.

Eine in der Erfindung verwendete Anordnung ist nicht auf die Anordnung der Ausführungsform beschränkt, und kann jede andere Anordnung sein, wenn die Aufgabe der Erfindung gelöst werden kann. Z. B. kann der Verbrennungsmotor ein Ottomotor in einem Magermischungs-Verbrennungsverfahren (d. h. einem Magerverbrennungsverfahren sein, der Kraftstofftank kann getrennt vom Kraftstofftank des Motors sein, die permselektive Einheit kann das Reduktionsmittel erzeugen während der Motor ausgeschaltet ist, und der fossile Kraftstoff kann Benzin sein.

Wie vorher beschrieben, kann in der erfindungsgemäßen Abgasreinigungsvorrichtung, da die permselektive Einheit 40 den niederen Kohlenstoffbestandteil 30 unabhängig von der Temperatur abtrennen kann, der niedere Kohlenstoffzustandteil 30 unabhängig von der Temperatur erzeugt werden.

Während die Erfindung mit Bezug auf die bevorzugte Ausführungsform beschrieben wurde, ist verständlich, dass es nicht beabsichtigt ist, die Erfindung auf die relevante Ausführungsform oder Anordnungen zu beschränken. Es ist beabsichtigt, dass die Erfindung verschiedene Alternativen, Modifikationen und Variationen innerhalb eines äquivalenten Umfangs umfasst. Zusätzlich wird verständlich, dass verschiedene bevorzugte Kombinationen und Merkmale oder jede andere Kombinationen und Merkmale einschließlich einem Element oder mehreren davon oder einem Element oder weniger innerhalb einer Kategorie oder einem Umfang von Ideen der Erfindung ist.

Eine Abgasreinigungsvorrichtung hält einen Verbrennungsmotor (1), ein Auslassrohr (9), ein Stickstoffoxidreduktionskatalysatorelement (36), einen Kraftstofftank (25), ein Reduktionsmittelgenerator (28) mit einem permselektiven Mittel (40) für die Abtrennung eines niederen Kohlenstoffbestandteils und einer in Bezug auf den Stickstoffoxidreduktionskatalysator (36) stromaufwärts angeordnete Einleitungseinrichtung (37) für das Einleiten des niederen Kohlenstoffbestandteils als das in dem Reduktionsmittelgenerator (28) in das Auslassrohr (9) erzeugte Reduktionsmittel.


Anspruch[de]
  1. Abgasreinigungsvorrichtung mit:

    einen Verbrennungsmotor (1) für ein Automobil;

    einem Auslassrohr (9) des Verbrennungsmotors (1);

    einem in der Mitte des Auslassrohres (9)

    angeordneten Stickstoffoxidkatalysatorelement (36) für die Reinigung von Abgasen unter Verwendung eines Reduktionsmittels;

    einen Kraftstofftank (25) für die Speicherung des Kraftstoff;

    einem Reduktionsmittelgenerator (28) mit einem permselektiven Mittel (40) für die Abtrennung eines niederen Kohlenstoffbestandteils von Bestandteilen des Kraftstoffs in dem Kraftstofftank (25); und

    einer in Bezug auf den Stickstoffoxidreduktionskatalysator (36) stromaufwärts angeordnete Einleitungseinrichtung (37) für das Einleiten des niederen Kohlenstoffbestandteils als das in dem Reduktionsmittelgenerator (28) in das Auslassrohr (9) erzeugte Reduktionsmittel.
  2. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Reduktionsmittelgenerator (28) niederen Kohlenstoffbestandteil von den Bestandteilen des Kraftstoffs während des Betriebs des Verbrennungsmotors (1) abtrennt.
  3. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der aus dem Kraftstofftank (25) zugeführte Kraftstoff ein Kraftstoff für den Verbrennungsmotor (1) ist.
  4. Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der aus dem Kraftstofftank (25) zugeführte Kraftstoff ein fossiler Kraftstoff ist.
  5. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei der fossile Kraftstoff Dieselöl ist.
  6. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Verbrennungsmotor (1) ein Dieselmotor (1) ist.
  7. Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das permselektive Mittel (40) durch Zeolith vorgesehen wird.
  8. Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das permselektive Mittel(40) eine Permeationsöffnung hat und die Permeationsöffnung eine Öffnungsgröße gleich oder kleiner als 4,5 Angström hat.
  9. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei das permselektive Mittel (40) eine Permeationsöffnung hat und die Permeationsöffnung eine Öffnungsgröße im Bereich zwischen 3,9 Angström bis 4,5 Angström hat.
  10. Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das permselektive Mittel (40) Normalparaffin von Bestandteilen des Kraftstoffs trennt.
  11. Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das permselektive Mittel (40) n-Dodecan (C12H26) oder einen Bestandteil mit einer geringen Kohlenstoffanzahl, geringer als der von n-Dodecan, von den Kraftstoffbestandteilen abtrennt.
  12. Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei ein Verhältnis einer für das Reduktionsmittel verwendeten Kraftstoffmenge zu der Gesamtmenge des für die Verbrennung in dem Verbrennungsmotor (1) verwendeten Kraftstoffs in Übereinstimmung mit einem Betriebszustand des Verbrennungsmotors (1) gesteuert wird.
  13. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 12, wobei der Anteil der für das Reduktionsmittel verwendeten Kraftstoffmenge zu der Gesamtmenge des für die Verbrennung in dem Verbrennungsmotor (1) verwendeten Kraftstoffs in Übereinstimmung mit dem Betriebszustand des Verbrennungsmotors (1) innerhalb eines Bereiches zwischen 0,1% und 1% gesteuert wird.
  14. Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, ferner mit einer Einrichtung (311) für die Rückführung eines Teils des Kraftstoffs in den Kraftstofftank (25), wobei der Teil des Kraftstoffs in dem Reduktionsmittelgenerator (28) aus dem Kraftstofftank (25) eingebracht wird.
  15. Verfahren über die Reinigung von Abgasen mit den Schritten von:

    Zuführen von Kraftstoff in einen Reduktiosmittelgenerator (28) mit einem permselektiven Mittel (40);

    Abtrennen des zu dem permselektiven Mittel (40) zugeführten Kraftstoffs, um ein Reduktionsmittel zu erzeugen;

    Einleiten des erzeugten Reduktionsmittels in ein Auslassrohr (9) eines Verbrennungsmotors (1), wobei das Auslassrohr (9) in Bezug auf ein Stickstoffoxidreduktionskatalysatorelement (36) stromaufwärts angeordnet ist; und

    Reinigung des Abgases des Verbrennungsmotors (1) durch das Stickstoffoxidreduktionskatalysatorelement (36) unter Verwendung des eingebrachten Reduktionsmittels.
Es folgen 5 Blatt Zeichnungen






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